Koloběh látek v přírodě a význam bakterií

Živá příroda je v dynamické rovnováze a charakterizuje ji koloběh hmoty v uzavřeném cyklu. Jednotlivé části tohoto systému tvoří navzájem provázané vztahy a funkční vazby. Díky tomu se příroda vyvíjí a spolupracuje jako jeden celek a bakterie zde mají nezastupitelný význam nejen pro koloběh látek, ale také jako symbiotické oboustranně prospěšné organismy, či jako výrobní prostředek v biotechnologiích.

Úloha bakterií v přírodě

Mikroorganismy hrají nezastupitelnou roli v životě lidské společnosti. Jsou využívány v potravinářství, humánní i veterinární medicíně i v nejrůznějších průmyslových aplikacích a také většina moderních biotechnologií je založena na mikrobiologických základech. Kromě této pozitivní role způsobují mikrobi lidstvu i mnoho komplikací, ať už ve formě patogenů živočichů i rostlin, či původců nejrůznějších ztrát (kažení potravin, koroze materiálů a podobně). V první řadě jsou ale mikrobi nepostradatelnou součástí všech ekosystémů. Jsou zodpovědní za koloběh prvků v přírodě a podílejí se na mnoha významných procesech v terestriálních i akvatických ekosystémech. Jsou zdroji živin v základně všech potravinových řetězců. Rozsáhlé degradační schopnosti mikrobů jsou ve stále větší míře využívány při bioremediacích pro odstraňování nejrůznějších polutantů.

I pouhá biomasa mikroorganismů na Zemi je - i přes jejich mikroskopické rozměry - úctyhodná. Podle některých odhadů tvoří víc jak třetinu celkové biomasy na Zemi (Whitman et al., 1998). Značná část této biomasy se nachází v terestriálních ekosystémech, především v půdě.

Význam bakterií v půdě

V přírodě bakterie osidlují z největší části půdu. Tvoří zde společenstva podílející se na látkových přeměnách a tím ovlivňují úrodnost půdy. Mohou rozkládat (mineralizovat) zbytky rostlinných a živočišných těl a transformovat je na látky využitelné vyššími rostlinami. Dále se zde tyto mikroorganismy podílejí na koloběhu dusíku, uhlíku a síry.

Půda představuje heterogenní médium sestávající z pevné, tekuté a plynné fáze. Na tvorbě půdy se podílí pět vzájemně reagujících faktorů: klíma, topografie, matečný materiál (hornina), čas a v neposlední řadě půdní organismy, kde klíčovou roli plní půdní mikroorganismy. Rozpad matečné horniny na jemné částice doprovázený uvolňováním živin zahajuje tvorbu půdy.

Čtěte také: Více o koloběhu vody v přírodě

Ve většině zmíněných procesů hrají klíčovou roli mikroorganismy přítomné v půdě. Jejich hlavní funkcí je již zmíněná dekompozice organické hmoty (včetně těl mikrobů). Během tohoto procesu dochází zároveň k tvorbě nových mikrobiálních buněk i vytváření nových organických látek (včetně humusu).

Půdní mikroorganismy zahrnují širokou řadu funkčních a taxonomických skupin a najdeme zde zástupce všech tří fylogenetických domén Bacteria, Archaea a Eukarya (Tab. 1). Nejvýznamnější skupinu co do jejich počtu i biomasy představují bakterie a houby, přesto ale i ostatní skupiny půdních (mikro)organismů nelze přehlížet.

Bakterie v koloběhu dusíku

Významnou skupinu půdních bakterií tvoří bakterie koloběhu esenciálního makrobiogenního prvku - dusíku. Patří sem v prvé řadě bakterie schopné poutat vzdušný dusík, tedy jednak volně žijící fixátoři, představovaní například rody Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia, Derxia, Azospirillum a především pak symbiotičtí fixátoři rodů Rhizobium, Bradyrhizobium a Sinorhizobium. Na pomezí mezi volně žijícími a symbiotickými fixátory dusíku se nachází kmen Cyanobacteria, grampozitivní fototrofní bakterie, které se uplatňují zejména v prvotních stádiích tvorby půdy, kdy jako primární kolonizátoři matečného materiálu uplatní svou schopnost fotosyntézy i fixace atmosférického dusíku ať už samostatně, nebo v symbióze s houbami v lišejnících.

Z ostatních bakterií koloběhu dusíku je třeba zmínit nitrifikační bakterie oxidující ionty NH4+ za aerobních podmínek přes NO2− na NO3− (a tím převádějící relativně imobilní formu dusíku NH4+ na velmi pohyblivou a tedy lehce vymyvatelnou formu NO3-) reprezentované například rody Nitrosomonas, Nitrosolobus, Nitrospira, Nitrosovibrio a Nitrobacter a bakterie denitrifikační, které naopak za anaerobních podmínek mohou využívat oxidy dusíku (NO3− , NO2−, NO a N2O) jako akceptory elektronů a převádět je zpět až na vzdušný dusík N2. Schopnost denitrifikace má celá řada bakterií, například i zástupci výše zmíněných rodů Pseudomonas, Bradyrhizobium a další.

Koloběh síry a bakterie

Koloběh síry zahrnuje biologické i chemické děje, na kterých se podílejí mikroorganismy (MO), rostliny i živočichové. Síra se v životním prostředí vyskytuje v několika podobách a to převážně jako čistá síra, ve formě síranů (síranový anion SO42-) a sulfidů (S2-). Největší zásobárnou síry je oceán, kde se (v různých sloučeninách) vyskytuje v horninách a do životního prostředí se dostává jejich rozkladem a vulkanickou činností. Síra je také součástí organismů (organicky vázaná síra), v nichž se podílí na stavbě bílkovin, enzymů a dalších organických látek.

Čtěte také: Krása a síla života v koloběhu přírody

Jak již bylo řečeno, je koloběh síry biochemický proces, při kterém dochází k přeměnám síry, jejímu navázání do organických a anorganických sloučenin a jejich zpětnému uvolňování. V přírodě se síra postupně mění na SO42-, který mohou využívat rostliny a MO jako zdroj síry nebo kyslíku pro svůj metabolismus a síru zabudovávají do své biomasy.

Činnost MO probíhá v různých typech vodního prostředí (bažiny, rybníky atd.) a v omezené míře i v půdě. Mikroorganismy připravují S do podoby využitelné rostlinami (sírany). Z rostlin se dostává do živočichů, rozkladem mrtvé org.hmoty se vrací do koloběhu. MO mohou ale i zabudovávat S do svých buněk.

Některé druhy bakterií využívají anorg.sirné sloučeniny nebo i samotnou S jako zdroj energie při chemosyntéze. "Za mineralizaci [síry] zodpovídají bakterie rodů Escherichia a Proteus a houby rodů Aspergillus a Neurospora. Uvolňující se sulfan je oxidován na elementární síru bezbarvou sirnou bakterií Beggiatoa. Další bakterie např. Thiobacillus oxiduje síru na sírany.

Výskyt bakterií v různých prostředích

Bakterie ve vzduchu

Do vzduchu přicházejí bakterie z půdy větrem, který přenáší prachové částice obsahující tyto mikroorganismy. Nad pevninou (suchá atmosféra) se vyskytuje daleko více bakterií než nad mořem (vlhká atmosféra), protože jsou bakterie sráženy kapénkami deště k zemi. Nejvíce bakterií se vyskytuje nad průmyslovými oblastmi díky velké koncentraci prachu. Mnohem méně bakterie naopak nalézáme nad vesnicemi a neobydlenými oblastmi. Nad místy pokrytými sněhem, s výjimkou průmyslových oblastí, se bakterie téměř nevyskytují (př. vzduch nad Antarktidou).

V místnostech s velkou koncentrací osob (kina, divadla, školy, nádraží) se vířením zvedá prach se spoustou bakterií. Na rozdíl od venkovního vzduchu obsahuje vzduch v uzavřených místnostech více bakterií v zimě než v létě. V místnostech převažují saprofytické bakterie a můžeme zde nalézt i patogenní mikroorganismy. V místnostech jsou neustálým zdrojem bakterií ve vzduchu nemocní i zdraví lidé, kteří mluvením, kašláním a kýcháním permanentně vylučují v kapénkách slin a hlenu bakterie do prostředí.

Čtěte také: Fosfor v přírodě

Bakterie ve vodě

Díky absenci organických látek v pramenitých vodách a horských potocích je zde velmi nízká přítomnost bakterií. Za zdravotně závadnou vodu považujeme tu, která je znečištěna splašky z kanalizace a z průmyslových odpadních vod. Touto vodou se přenášejí některá infekční onemocnění - př. tyfus, cholera.

Mořská voda obsahuje bakterie ve všech hloubkách, avšak nejvíce se nacházejí poblíž pobřeží ve znečištěných oblastech.

Bakterie v lidském těle

Kůže není vhodným prostředím pro rozvoj bakterií kvůli vysychání. Každá dutina a každá část povrchu těla má svou charakteristickou mikroflóru, která je vlastní člověku po celý život. Výměšky kožních žláz obsahují značné množství živin pro bakterie, jako je močovina, aminokyseliny, soli, mléčná kyselina a lipidy, ty je rozkládají, čímž se tvoří zapáchající produkty. Reakce kůže je vždy kyselá - pohybuje se v rozmezí pH 4-6.

Pokožka lidského plodu v děloze je sterilní a bakterie ji začínají osídlovat až při porodu - hlavním zdrojem mikroflóry je matka, vzduch a předměty, se kterými přijde plod do styku.

Ústa vytvářejí teplé a vlhké prostředí příznivé pro osídlení bakteriemi. Zdrojem živin zde jsou sliny obsahující bílkoviny a jiné látky. U kojenců do jednoho roku pozorujeme převážně streptokoky a laktobacily. S růstem zubů se mikroflóra liší, a to směrem od aerobních k anaerobním bakteriím. Rozvíjejí se hlavně bakterie schopné přežívat na povrchu zubů a v záhybech sliznice. Na povrchu zubů se tvoří tenký film, natolik pevně přisedlý, že jej nelze odstranit ani čištěním zubním kartáčkem. Tento film obsahuje zejména gramnegativní vláknité anaerobní bakterie zkvašující cukry na kyselinu mléčnou.

Negativní roli v dutině ústní zastávají mléčné bakterie (laktobacily), protože tvoří z cukrů mléčnou kyselinu, která způsobuje odvápnění zubní skloviny, a to vede k tvorbě zubního kazu. Všechny organismy žijící v dutině ústní jsou normálně neškodné, ale při poškození sliznice pronikají do tkáně a vyvolávají onemocnění.

Žaludek díky své vysoké aciditě působí jako první linie obrany proti pronikání nežádoucí mikroflóry do střev. I přes nízké pH se v žaludku bakterie vyskytují (hlavně acidotolerantní laktobacily a streptokoky). Ty se objevují již v žaludku novorozence první týden po narození.

Mezi nejznámější bakterie osidlující tlusté střevo patří Escherichia coli. Ta kvasí celou řadu cukrů s tvorbou kyseliny mléčné. Dále se podílí na produkci vitaminů skupiny B a látky s antibiotickým účinkem. Tímto ovlivňuje i ostatní bakteriální flóru střeva. Ve střevě nenacházíme pouze tuto bakterii, ale i další. Jejich množství a druhové zastoupení závisí na věku člověka, skladbě potravy, jeho stavu a zdraví. Nejvíce však ovlivňuje bakteriální flóru střeva výživa. U zdravých jedinců existuje ve střevech přirozená rovnováha mezi jednotlivými druhy bakterií. Ta je narušena podáváním antibiotik či radikální změnou výživy. Při nevhodné výživě je umožněn rozvoj nežádoucích bakterií, a tím dojde ke značnému poškození trávicího procesu a ke střevním potížím (trvají do doby, než se obnoví přirozená bakteriální mikroflóra).

Osídlení pochvy se během života mění, což souvisí s působením hormonů. U novorozenců je pochva osídlena laktobacily, v dětství je flóra podobná jako na zevním genitálu. Od puberty začínají převažovat laktobacily, keré fermentují glykogen a tím snižují pH, což značně omezuje kolonizaci jinými druhy bakterií. Pokud se vlivem hormonálních změn zvýší pH, nastává možnost osídlení jinými druhy bakterií.

Využití bakterií

Bakterie pro člověka nepředstavují pouze patogenní mikrorganismy, ale mohou pro něj být v mnoha ohledech prospěšné. Mléčné bakterie využíváme v průmyslové výrobě k tvorbě kyseliny mléčné díky jejich vlastnosti zkvašovat některé sacharidy na kyselinu mléčnou. Máselné bakterie zkvašují cukry na kyselinu máselnou a octovou. Kyselinu máselnou pak zkvašují na butanol a aceton, což využijeme v průmyslu na přípravu těchto látek. Kultury bakterií využíváme při výrobě sýrů (zrání) a také ke kysání mléka (tím vzniká kefír).

Některé bakterie jsou schopny syntetizovat vitaminy a aminokyseliny. V průmyslu tyto bakterie kultivujeme v tancích, kde pro ně udržujeme vhodné prostředí pro produkci těchto látek. Znečištěné vody představují pro bakterie výživu (zdroj uhlíku nebo energie) toho využíváme k čištění odpadních vod. Některé bakterie mají zase schopnost vytvářet antibiotika. K výrobě kyseliny octové pak využíváme octové bakterie, které ji vyrábějí z etanolu.

V genovém inženýrství nám bakterie mohou posloužit díky tomu, že obsahují malé množství DNA - plazmidy. Plazmidy z bakterie izolujeme, napojíme na ně části DNA z chromozomů živočichů a rostlin a použijeme k produkci bílkovin, které bakterie samy nejsou schopny produkovat. Takto lze například pomocí bakterií nasyntetizovat inzulin a další důležité látky.

Přehled nejčastějších zástupců půdních bakterií

Podle publikace Soil Microbiology and Biochemistry autorů Paula a Clarka (1989) jsou numericky převládajícími půdními bakteriemi zástupci rodu Arthrobacter, který by podle některých odhadů měl představovat až 40 % bakterií detekovaných kultivačními metodami. Jedná se o pleomorfní grampozitivní až gramvariabilní pomalu rostoucí buňky, někdy pohyblivé. Rod Streptomyces představuje až 90 % zástupců řádu Actinomycetales. Jedná se o myceliární grampozitivní organismus množící se pomocí vzdušných spor nebo rozpadem mycelia. Najdeme ho na sušších stanovištích s neutrální až alkalickou reakcí.

Rod Pseudomonas patří ke gramnegativním tyčinkovitým bakteriím, je opatřen polárním bičíkem a většina zástupců je aerobní (s výjimkou denitrifikačních bakterií využívajících nitráty jako konečný akceptor elektronů). Mnoho představitelů tohoto rodu žije v těsné asociaci s rostlinami, některé z nich mohou způsobit i choroby rostlin. Častá je u tohoto rodu produkce fluorescentních pigmentů.

Představitelé rodu Bacillus jsou grampozitivní sporulující většinou pohyblivé aerobní tyčinky. B. polymyxa je někdy uváděn jako fixátor atmosférického dusíku. Rod dále zahrnuje druhy používané pro biologickou ochranu rostlin (B. thuringensis), máčení lnu (B. macerans), ale i živočišné patogeny.

Další častou půdní bakterií je rod Clostridium, opět sporulující avšak ve většině případů striktně anaerobní grampozitivní tyčinkovité bakterie. Také zde se vyskytují fixátoři dusíku, ale také druhy produkující silné toxiny (botulotoxin a tetanotoxin) a druhy patogenní pro živočichy včetně lidí.

tags: #koloběh #látek #v #přírodě #bakterie #význam

Oblíbené příspěvky:

• Odsavače par a odpadkové koše – recenze
• Úsporné vytápění domácnosti
• Testování ekologických lahví: Která je nejlepší?
• Praktický odpadkový koš
• Ekologické hubení mravenců