Znaczenie bakterii w przyrodzie i dla człowieka

Bakterie są organizmami powszechnie występującymi na kuli ziemskiej. Zasiedlają różnorodne środowiska: glebę, wodę i powietrze, żyją we wnętrzu organizmów żywych. Występują również w miejscach o skrajnych warunkach fizykochemicznych, takich jak gorące źródła, podmorskie kominy hydrotermalne, solanki, lód podbiegunowy i głęboko położone warstwy skalne. Powszechność występowania we wszystkich częściach biosfery oraz duża różnorodność komórkowych procesów metabolicznych sprawiają, że bakterie pełnią istotne funkcje w przyrodzie i gospodarce człowieka.

Znaczenie bakterii w przyrodzie

• Obieg materii
• Obieg pierwiastków
• Związki z roślinami
• Związki ze zwierzętami
• Zakwit wód

Obieg materii10

Bakterie odgrywają zasadniczą rolę w procesach obiegu materii, mając zdolność do rozkładu detrytusu. Dzięki ich działalności złożone związki organiczne obecne w martwych szczątkach roślinnych i zwierzęcych są rozkładane do prostych związków nieorganicznych, m.in. amoniaku, wody i dwutlenku węgla. Związki te są następnie wykorzystywane przez inne organizmy i tym samym zostają ponownie włączone w obieg materii. Przedstawiona zdolność bakterii klasyfikuje te organizmy w ekosystemach do poziomu troficznego destruentów (reducentów).

Rx6sCQkcRvWz21

Fotografia przedstawia leśną sadzawkę z powalonymi pniami drzew pokrytymi mchem. Dno sadzawki wyściełają jesienne liście. W tafli sadzawki odbijają się bezlistne drzewa.

Obieg pierwiastków40

Wynikiem obiegu materii jest obieg pierwiastków w przyrodzie. Bakterie, posiadając zdolność do przeprowadzania procesów polegających na przekształcaniu związków nieorganicznych do form przyswajalnych przez inne organizmy, przyczyniają się do krążenia azotu, węgla, fosforu i siarki w przyrodzie.

RmDaNEl2J84rA1

Ilustracja przedstawia obieg azotu w przyrodzie. Na ilustracji pochmurne niebo z piorunami. Pada deszcz. Poniżej warstwa zielona – trawa i dwa krzewy, pomiędzy którymi siedzi zając. Na dole warstwa gleby. Strzałka w dół od piorunów na niebie z napisem: wiązanie azotu. Od tego kolejne strzałki w dół do gleby: 1. bakterie azotowe w korzeniach roślin motylkowych Rhizobium, 2. bakterie azotowe żyjące w glebie Azotobacter, od tego strzałka w prawo Amoniak en ha cztery plus bakterie nitryfikacyjne Nitrosomonas, azotany trzy en o dwa minus bakterie nitryfikacyjne Nitrobacter. Kolejna strzałka w górę do azotany pięć en o trzy minus i strzałka w prawo do bakterii denitryfikacyjnych znajdujących się blisko powierzchni gleby. Od bakterii strzałka w górę w stronę chmur i na górze napis: azot atmosferyczny en dwa. Od azotanów pięć strzałka nad powierzchnię gleby z napisem: rośliny. Od roślin strzałka w dół pod powierzchnię ziemi, napis: mikroflora rozkładu – grzyby oraz bakterie tlenowe i beztlenowe. Od nich strzałka w dół z napisem amonifikacja do amoniaku en ha cztery plus. Od zająca strzałka w dół do mikroflory rozkładu.

Ilustracja przedstawia obieg azotu w przyrodzie. Na ilustracji pochmurne niebo z piorunami. Pada deszcz. Poniżej warstwa zielona – trawa i dwa krzewy, pomiędzy którymi siedzi zając. Na dole warstwa gleby. Strzałka w dół od piorunów na niebie z napisem: wiązanie azotu. Od tego kolejne strzałki w dół do gleby: 1. bakterie azotowe w korzeniach roślin motylkowych Rhizobium, 2. bakterie azotowe żyjące w glebie Azotobacter, od tego strzałka w prawo Amoniak en ha cztery plus bakterie nitryfikacyjne Nitrosomonas, azotany trzy en o dwa minus bakterie nitryfikacyjne Nitrobacter. Kolejna strzałka w górę do azotany pięć en o trzy minus i strzałka w prawo do bakterii denitryfikacyjnych znajdujących się blisko powierzchni gleby. Od bakterii strzałka w górę w stronę chmur i na górze napis: azot atmosferyczny en dwa. Od azotanów pięć strzałka nad powierzchnię gleby z napisem: rośliny. Od roślin strzałka w dół pod powierzchnię ziemi, napis: mikroflora rozkładu – grzyby oraz bakterie tlenowe i beztlenowe. Od nich strzałka w dół z napisem amonifikacja do amoniaku en ha cztery plus. Od zająca strzałka w dół do mikroflory rozkładu.

Azot wchodzi w skład związków organicznych takich jak: białka i kwasy nukleinowe. Pierwiastek ten w formie cząsteczkowej w ilości 78% występuje w ziemskiej atmosferze. W tej postaci jest on nieprzyswajalny dla większości organizmów, za wyjątkiem niektórych bakterii. Bakterie glebowe z rodzaju Azotobacter mają zdolność do wiązania azotu cząsteczkowego NIndeks dolny 2₂ i redukowania go do amoniaku NHIndeks dolny 3₃. Związek ten rozpuszcza się w wodzie i przyjmuje postać jonu amonowego NHIndeks dolny 4₄Indeks górny +⁺. Część jonów bakterie zużywają na własne potrzeby metaboliczne. Niewykorzystana część jonów amonowych trafia do gleby i może zostać pobrana przez korzenie roślin lub ulec dalszym przekształceniom.

RykVGQ8ULVGGo1

Fotografie przedstawiają glony występujące w sąsiedztwie niewidocznych cyjanobakterii. Na pierwszej fotografii widoczna jest sinica Anabaena w formie nitkowatej gałązki sterczącej z podłoża w zbiorniku wodnym. Druga fotografia przedstawia sinicę Nostoc. Ma ona postać galaretowatej warstwy, w której widoczne są kuliste i beczułkowate formy sinicy. Sinica Nostoc pokrywa wilgotne podłoże, na fotografii widoczny jest też mech, jesienne liście i gałązki.

Związki z roślinami40

Bakterie współtworzą związki protekcjonistyczne z organizmami roślinnymi. Na przykład bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium wchodzą w symbiozę z roślinami motylkowymi – grochem, koniczyną czy łubinem. Bakterie brodawkowe przenikają z gleby przez włośniki do komórek korzenia rośliny, czego zewnętrznym przejawem jest wytwarzanie przez roślinę charakterystycznych brodawek korzeniowych. Bakterie te mają zdolność do wiązania azotu cząsteczkowego i przekształcania go do formy przyswajalnej przez rośliny, którą przekazują roślinnemu gospodarzowi. Z kolei roślina oddaje część produktów fotosyntezy bakteriom uzyskującym w ten sposób źródło pokarmu. Korzyść ze współpracy jest zatem obustronna.

Ryd4oCVmxCrMQ1

Fotografia przedstawia kwiaty komonicy błotnej. Na przybliżeniu widoczne są korzenie rośliny z brodawkami. Kwiaty mają rozgałęzioną łodygę, liście są podłużne, pięciolistkowe. Kwiaty komonicy błotnej to tzw. kwiaty motylkowe, żółte, łódeczki zaokrąglone na grzbiecie i stopniowo zwężające się w dzióbek. 

Związki ze zwierzętami40

Bakterie współtworzą związki protekcjonistyczne z organizmami zwierzęcymi. Na przykład krętki z rodzaju Pillotina wchodzą w symbiozę z termitami. Owady te posiadają długie jelito w postaci komory fermentacyjnej, w której pobrany pokarm bogaty w celulozę ulega trawieniu. Rozkład pobranego pokarmu jest możliwy tylko przy udziale enzymów produkowanych przez krętki zasiedlające jelito owadów.

R3XwjstXXuR1Q1

Fotografia ukazująca gniazdo termitów. Ma kształt kopca. Zdjęcie przedstawia również przekrój gniazda termitów, które budują liczne korytarze wewnątrz termitiery.

Inne zwierzęta roślinożerne również korzystają z działalności symbiotycznych bakterii zdolnych do trawienia celulozy, np. krowa posiada bogatą florę bakteryjną w jednej z komór żołądka zwanej żwaczem. Ma on pojemność około 80 l i jego treść jest zasobna w symbiotyczne bakterie – w 1 ml może znajdować się do 100 mln komórek bakterii.

Bakterie jelitowe zasiedlają również przewody pokarmowe zwierząt mięsożernych i wszystkożernych, w tym człowieka. Dzięki ich obecności trawienie pokarmu jest ułatwione. Dostarczają one również gospodarzom witaminy K i B. Stosowanie antybiotyków prowadzi do wyjałowienia przewodu pokarmowego i skutkuje upośledzeniem trawienia pokarmu i niedoborem witamin.

Zakwit wód40

W sprzyjających warunkach świetlnych, termicznych i troficznych w zbiornikach wodnych obserwuje się gwałtowny wzrost fitoplanktonu, który nadaje wodzie charakterystyczne, zielone zabarwienie. W skład fitoplanktonu wchodzą cyjanobakterie i protisty roślinopodobne. Rozwój tych organizmów w krótkim czasie prowadzi do powstania na powierzchni wody zwartej biomasy, która odcina dostęp światła do głębszych warstw wody i tym samym hamuje fotosyntezę wodnych organizmów autotroficznych. Obumarłe mikroorganizmy z fitoplanktonu opadają na dno zbiornika i nasilają procesy rozkładu, prowadząc do zmniejszenia zawartości tlenu w wodzie. W czasie ich rozkładu wydzielane są substancje toksyczne.

R15fOYMJktDDk1

Zdjęcie zakwitów wody. Tafla wody pokryta jest breją.

Wykorzystanie bakterii w przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym bakterie wykorzystywane są m.in. do otrzymywania produktów nabiałowych, takich jak jogurty, kefiry, ser żółty czy twaróg oraz produktów kiszonych, np. ogórków i kapusty. W tym celu wykorzystuje się naturalne zdolności bakterii do prowadzenia fermentacji mlekowej polegającej na beztlenowym rozkładzie węglowodanów. W wyniku tego procesu mikroorganizmy uzyskują energię niezbędną do życia. Produktem reakcji jest kwas mlekowy. Opisany proces przeprowadzają bakterie mlekowe: laseczki Lactobacillus casei i Lactobacillus plantarum oraz paciorkowce Streptococcus lactis i Streptococcus cremoris.

RqBLe0bpp4iDB

Fotografia przedstawia garnek wypełniony płynem - serwatką, z której wyławiane są płaty kazeiny.

R14pCtXpfxryg

Fotografia przedstawia starty na tarce twardy żółty ser, tarkę oraz fragment kostki sera.

R1LD4p82zcVEI

Fotografia przedstawia słoik z ogórkami. Są one zanurzone w wodzie z solą i przykryte warstwą chleba. Na dnie słoja łodygi i baldachy kopru.

Wykorzystanie bakterii w przemyśle farmaceutycznym i medycynie estetycznej

Wykorzystanie bakterii w rolnictwie i ochronie środowiska – biologiczne oczyszczanie ścieków, bioremediacja

W rolnictwie bakterie wykorzystywane są m.in. do biologicznego zwalczania szkodników upraw. Przykładem jest bakteria Bacillus thuringiensis Berliner, która w czasie tworzenia form przetrwalnikowych wytwarza romboidalne kryształy białkowe, działające toksycznie na larwy owadów.

W ochronie środowiska bakterie wykorzystywane są do bioremediacji. Stanowi ona zespół metod i technik wykorzystujących naturalne zdolności mikroorganizmów do całkowitego lub częściowego usuwania zanieczyszczeń. Przykładem praktycznego wykorzystania bakterii do usuwania zanieczyszczeń są biologiczne metody oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych. Zanieczyszczona woda zawiera związki organiczne, które bakterie wykorzystują m.in. jako źródło pokarmu i rozkładają je do prostych związków nieorganicznych, np. wody i dwutlenku węgla. W wyniku tych procesów dochodzi do usunięcia zanieczyszczeń organicznych.

Związki z roślinami i zwierzętami

Bakterie pasożytnicze wchodzą w związki antagonistyczne z roślinami i zwierzętami, stanowiąc istotny czynnik chorobotwórczy. Bakteriozy to choroby roślin wywołane zakażeniami bakteryjnymi. Ich objawem są m.in.: powstawanie narośli, więdnięcie i plamistość liści, upośledzenie wzrostu i rozwoju organizmów roślinnych.

RecodvbMiHEJv

Fotografia przedstawia kwiaty bzu lilaka zebrane w wiechy, otoczone liśćmi i rosnące na drzewie. Zbliżenie pokazuje liście zmienione przez bakteriozę - liście są pomarszczone i widoczne są na nich plamy.

Bakterie wywołują również choroby u zwierząt i ludzi. Wprowadzenie szczepień ochronnych, wykorzystanie antybiotyków w leczeniu zakażeń, stosowanie środków dezynfekcyjnych i podstawowych zasad higieny przynosi dobre rezultaty w walce z bakteriami chorobotwórczymi. Przykłady chorób bakteryjnych występujących u ludzi to: cholera, dur brzuszny, czerwonka bakteryjna, gruźlica, tężec, borelioza, salmonelloza, kiła i rzeżączka.

Wybrane choroby bakteryjne człowieka

Leczenie infekcji bakteryjnych

Opiera się głównie na podawaniu antybiotyków – leków o aktywności przeciwbakteryjnej. Są to substancje powszechnie produkowane przez grzyby, porosty, glony, organizmy wyższe, a nawet inne bakterie, a ich wydzielanie to naturalny sposób na wygranie konkurencji z mikroorganizmami lub sposób obrony przed infekcją.

Różne antybiotyki działają na różne bakterie. W celu dobrania odpowiedniego antybiotyku wykonuje się antybiogram. Na szklaną szalkę pokrytą hodowlą danej bakterii nanosi się krążki nasączone różnymi antybiotykami:

RUlfTr5pQvMHs

Na zdjęciu Szalka Petriego, której powierzchnia pokryta jest pomarańczowo - brunatnym osadem, szczep bakterii. Na szkiełku rozmieszczono wiele różnych krążków nasączonych różnymi antybiotykami. W związku z tym wokół krążków osad cofnął się. Krążki otoczone są przezroczystymi okręgami. W przypadku niektórych krążków osad cofnął się bardziej, w przypadku innych mniej. To zależy od siły oddziaływania danego antybiotyku na dany szczep bakterii.

Antybiotyki nie są jednak cudownymi lekami. Dzięki zmienności genetycznej bakterie mogą nabywać oporność na antybiotyki, na które wcześniej były wrażliwe. Przykładowe mechanizmy oporności to wykształcenie enzymu rozkładającego lek albo zmiany w budowie ściany komórkowej, które uniemożliwiają przedostawanie się antybiotyku do wnętrza komórki. Główną przyczyną rozwoju oporności bakterii jest nadużywanie tych farmaceutyków w leczeniu – np. stosowanie ich w przypadku infekcji wirusowej.

Zapobieganie infekcjom bakteryjnym

Do najważniejszych metod zapobiegania chorobom bakteryjnym należą: szczepienia ochronne, unikanie kontaktu z osobami chorymi, zachowanie odpowiedniej higieny osobistej oraz higieny przyrządzania posiłków, obróbka termiczna żywności, stosowanie prezerwatyw podczas stosunków płciowych, sterylizacja i dezynfekcja, a także zapobieganie rozprzestrzeniania się antybiotykooporności wśród bakterii (niestosowanie tych leków w nieuzasadnionych przypadkach, prowadzenie terapii do końca).

Podsumowanie

• Rola destruentów (reducentów): Bakterie rozkładają detrytus (martwą materię organiczną) do prostych związków nieorganicznych (woda, dwutlenek węgla, amoniak). Dzięki temu zamykają obieg materii w ekosystemach, umożliwiając ponowne wykorzystanie pierwiastków przez producentów.

• Udział w obiegu azotu: Bakterie glebowe (np. Azotobacter) oraz symbiotyczne (np. Rhizobium) posiadają unikalną zdolność wiązania azotu cząsteczkowego z atmosfery i przekształcania go w formy przyswajalne dla roślin (amoniak, jony amonowe). Inne bakterie uczestniczą w procesach nitryfikacji i denitryfikacji.

• Związki symbiotyczne ze zwierzętami: Bakterie zasiedlające układy pokarmowe przeżuwaczy (np. w żwaczu krowy) oraz termitów umożliwiają trawienie celulozy. U człowieka bakterie jelitowe ułatwiają trawienie oraz syntetyzują niezbędne witaminy z grup B i K.

• Negatywny wpływ na ekosystemy wodne: Nadmierny rozwój bakterii (w tym sinic) prowadzi do zakwitu wód. Skutkuje to odcięciem dopływu światła, zahamowaniem fotosyntezy w głębszych warstwach, zużyciem tlenu podczas rozkładu biomasy oraz wydzielaniem toksyn, co prowadzi do śnięcia ryb.

• Wykorzystanie w gospodarce i przemyśle:
  - Spożywczy: Produkcja jogurtów, serów i kiszonek dzięki fermentacji mlekowej.
  - Rolnictwo: Biologiczne zwalczanie szkodników.
  - Ochrona środowiska: Biologiczne oczyszczanie ścieków oraz bioremediacja (usuwanie zanieczyszczeń z gleby i wody).
  - Farmacja: Produkcja antybiotyków, witamin i hormonów (np. insuliny) przy użyciu bakterii zmodyfikowanych genetycznie.

• Charakterystyka wybranych chorób bakteryjnych człowieka:
  - Gruźlica - Wywoływana przez prątki Kocha; atakuje głównie płuca; droga zakażenia: kropelkowa.
  - Tężec - Wywoływany przez laseczki tężca (bytujące w glebie); zakażenie przez zabrudzenie rany; objawia się silnymi skurczami mięśni.
  - Borelioza - Przenoszona przez kleszcze; objawy to m.in. rumień wędrujący, bóle stawów i objawy neurologiczne.
  - Salmonelloza - Zatrucie pokarmowe wywołane spożyciem zakażonej żywności (mięso, jaja); objawy: biegunka, wymioty, gorączka.
  - Kiła i rzeżączka - Choroby przenoszone drogą płciową; profilaktyka obejmuje bezpieczne zachowania seksualne.

• Zwalczanie i profilaktyka: Podstawą leczenia infekcji bakteryjnych są antybiotyki, dobierane często na podstawie antybiogramu. Ważnym problemem jest narastająca oporność na antybiotyki wynikająca z ich nadużywania. Profilaktyka obejmuje szczepienia ochronne, higienę osobistą, sterylizację narzędzi oraz właściwą obróbkę termiczną żywności.

Ćwiczenia utrwalające