TERESTRIJALNA STANIŠTA Zemljište kao stanište mikroorganizama
Transcript of TERESTRIJALNA STANIŠTA Zemljište kao stanište mikroorganizama
TERESTRIJALNA STANIŠTAZemljište kao stanište mikroorganizama
Prof. dr Slaviša Stanković
Katedra za mikrobiologiju
pedogeneza - kombinacija efekata fizičkih, hemijskih,
bioloških i antropogenih procesa
proces formiranja pre tercijera i uglavnom ne pre pleistocena
zemljišta se stalno menja, dugački periodi tokom kojih dolazi
do promena i multiplih uticaja raznih faktora dovode do
situacije da su jednostavna zemljišta retka
Relativna stabilnost zemljišta može biti postignuta kada su u
pitanju duži vremenski intervali, a životni ciklus zemljišta se
završava u uslovima koji ga čine podložnim eroziji
Na životni ciklus zemljišta utiču različiti faktori (regionalna
klima, biotički potencijal, parentalne materije, vremenski
period..)
Tri glavna tipa parentalnih materija: magmatske stene,
sedimentne stene, metamorfne stene
Pedogeneza
Zemljište koje se nalazi kao rastresit površinski sloj
zemljine kore, je veoma kompleksna životna sredina
koja pruža optimalne uslove za razvoj brojnih
mikroorganizama.
Iz tog razloga su zajednice mikroorganizama u
zemljištu najbrojnije i po broju vrsta i po broju
individua, te zemljište predstavlja rezervoar
mikroorganizama iz koga oni dospevaju i u druge
prirodne sredine u biogeosferi.
Zemljište kao stanište mikroorganizama
Zemljište - generalno povoljnostanište za razmnožavanje mikro-organizama
Najveća aktivnost mikroorganizamau površinskim slojevima bogatimorganskim supstancama
Dostupnost vode i količina hranljivihmaterija važni faktori koji određujuaktivnost mikroorganizama
U nekim zemljištima ugljenik nijelimitirajući faktor već neorganskekomponente, fosfor ili azot.
Zemljište kao stanište mikroorganizama
Najintenzivniji rast mikroorganizama
se odvija na površini partikula
zemljišta, obično u rizosferi
Mali agregati zemljišta mogu imati
različite mikrouslove tako da više
različitih vrsta mikroorganizama može
biti prisutno
Boja zemljišta – prva karakteristika koja se
uočava, neka zemljišta upadljivih boja (Red River
u Misisipiju, Port Silt Loam u Oklahomi, Yellow
River u Kini, Mollisols Great Plains), Fe žuta-
crvena boja, organske materije-braon boja, Mn, S,
N-crna boja
Boja je rezultat hemijskih i bioloških procesa
Zemljište - čvrsta faza
Zemljište konstantno izloženo dejstvumikroorganizama, kao posledicaprocesa njihove aktivnosti nastajuprodukti njihovog metabolizma
Produkti metabolizma i bakterijskećelije vezuju pesak, glinu i muljformirajuci zemljišne agregate, koji sujedinstveni za svaki tip zemljišta
Formiranje agregata zavisi odroditeljskog materijala, klime i biološkeaktivnosti
Struktura agregata definiše strukturuzemljišta
Zemljište - čvrsta faza
Tekstura i struktura bitni faktori zbog kretanja vode, kontaminanata i
mikrobijalnih populacija
Pore između agregata su bitne jer manje pore ne dopuštaju prolazak vode
brzo kao i veće, stoga će kretanje svih materija uključujući vazduh i mo
biti sporiji
Adsorpcija je glavni proces koji utiče na mobilnost i dostupnost kakoesencijalnih tako i zagađujućih materija
Sorpcija predstavlja asocijaciju organskih ili neorganskih molekula čvrstefaze zemjlišta
Organska materija: živa biomasa (životinje, mikroorganizmi, korenjebiljaka), materije u procesu truljenja, humusne materije (heterogenipolimeri nastali u procesu degradacije i truljenja biološke materije)
Zemljište - tečna faza Voda je primarni rastvarač u zemljištu i njeno kretanje je
glavni mehanizam transpotra hemijskih materija imikroorganizama
Količina i sastav tečne faze kontroliše mikrobijalni rast
Svi mikroorganizmi čak i oni pričvršćeni za podlogu suokruženi filmom vode odakle dobijaju nutrijente i u koji vršeekskreciju produkta svog metabolizma
zemljišta variraju u količini vlage koje sadrže (ovo važi kakoza različite tipove zemljšta tako i za isti tip zemljišta urazličitim sezonama)
Zemljišta koja su peskovita ne sadrže koloidne čestice, tako dase voda koja postoji u tim zemljištima lako uklanja sušenjem
strukturna voda - nalazi se unutar minerala, količinski je imaveoma malo i ona se ukalnja na visokim temperaturama.
Zemljište - tečna faza
Zemljišta koja sadrže veću količinu koloidnih čestica, sadržeznatnu količinu kako strukturne, tako i adsorbovane vode
adsorbovana voda je u bliskom kontaktu sa mineralnomstrukturom čestice, manje je dostupna mo u zemljištu
ako imamo 2 tipa zemljišta sa istim sadržajem vlage, voda upeskovitom zemljištu je dostupnija mikroorganizama u zemljištunego u zemljištu sa koloidnim česticama
Sušenjem se uklanja slobodna i strukturna voda
Određivanje sadržaja vlage u zemljištu bitno, jer se brojnost moizražava u odnosu na gram apsolutno suvog zemljišta
Formiranje zemljišta od stena može da se javi nakon izlivanja
lave u toplim predelima sa čestim i obilnim padavinama, u
takvim klimatskim uslovima dolazi do vrlo brzog formiranja
flore na basaltic lavi iako ima malo organske materije, korenje
biljaka raste i razbija poroznu lavu i dolazi do akumulacije
organskih materija
Zemljišne zajednice
Na partikulama zemljišta serazvijaju mikrokolonije
Broj mikroorganizama uzemljištu je veći od broja usvežim vodama ili morima(106-109 / g).
U zemljištu su virusi,bakterije, gljive, alge iprotozoe
Organskih materija imadosta pa je omogućen rastheterotrofnih MO
Klasična mikrobiologija i/ili Metagenomika
SelektivneFavorizuju rast fast-growing bacteriaMnoge vrste su oligotrofi
Novi pristupi u kultivacijiCilj je simulirati sredinske uslove
Do 1% se može kultivisati
Ekstrakcija DNA
(metagenomska)Ubacivanje u
plazmide Metagenomska biblioteka
klonova (E. coli)
Sekvenciranje
Autohtone zajednice mikroorganizama u zemljištu
Sposobne da koriste supstance humusa
Spora ali konstantna aktivnost je karakteristika ovihorganizama
Većina su gram negativne štapićaste bakterije i aktinomiceteArthrobacter, Azotobacter, Rhizobium, Myxobacteria:Myxococcus, Chondrococcus, Archangium, Polyangium,Caulobacter, Cellulomonas, Corynebacterium, Streptomyces iNocardia, Micromonospora, Actinomyces
Zimogene ili oportunističke zajednice u zemljištu
Ne koriste humusne supstance
Pokazuju visoki nivo aktivnosti i brzog rasta na
supstratima biljnog i životinjskog porekla
Period intenzivne aktivnosti smenjuje period
neaktivnosti
Tipične zimogene vrste: Pseudomonas, Bacillus,
Penicillium, Aspergillus i Mucor
Alohtoni mikroorganizmi zemljišta
Humani i animalni patogeni, dospevaju iz vazduha, vode ili u
asocijaciji sa biljnim ili životinjskim materijalom, ali se
eliminišu brzo
Sa inficiranim biljnim materijalom: Agrobacterium,
Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas i Xanthomonas
Patogeni životinja - fekalne streptokoke i Salmonella
Endospore i druge rezistentne forme mogu u dormantnom
obliku ostati duže
Mikroorganizmi zemljišta
Važni u biodegradaciji i recikliranju materija
Biljni polimeri, celuloza i lignin, recikliraju se uz pomoćmikroorganizama
Azotofiksatori, bilo slobodni ili u asocijaciji sa višim biljkamasu veoma značajni
Mikroorganizmi zemljišta imaju ograničenu ulogu u primarnojprodukciji
Agregati – uloga mikroorganizama bitna?
Mikroorganizmi u obradivom zemljištu
(do 15 cm dubine)
br/g biom g/m3
Prokarioti
Bakterije 108 160g/m3
Aktinomicete105-106 160
Eukarioti
Gljive 105 200
Alge 104-105 32
Protozoe 104 38
Bakterije u zemljištu
Obligatni aerobi
Fakultativni aerobi
Mikroaerofili
Obligatni anaerobi
Psihrofili (ledene pustinje)
Organizmi koji formiraju endospore
Fiksiraju azot
Hemolitotrofi
Mikroorganizmi dubljih slojeva zemljišta
Bakterije i u dubljim slojevima (100 m)
Sulfo-redukujuće, metanogene, homoacetogene(300m)
Hranljive materije – iz podzemnih voda
Manju aktivnost u poređenju sa istim vrstamapovršinskih slojeva
Veoma važna uloga u bioremedijaciji toksičnihsupstanci
Okolno zemljište
(bulk soil)Rizosfera
Površina korena
(rhizoplane)
Tri različita kompartmenta
Rizosfera je zona zemljišta koje okružuje koren biljke gdeje biologija i hemija zemljišta pod uticajem korena
U oblasti rizosfere živi veliki broj mikroorganizama kojiimaju veliki uticaj na razvoj biljke.
Biljka za vreme rasta dovodi do kretanja vode, gasova imineralnih soli u pojasu rizosfere.
Korenov sistem privlači mnoge mikroorganizme od koji seneki hrane direktno na korenu.
Mikroorganizami rizosfere su bakterije, gljive, protozoe i virusi.
Biljka obogaćuje rizosferu raznim materijama koje deluju stimulativno ilitoksično na različite mikroorganizme. Tu spadaju: organske kiseline, aminokiseline, vitamini, šećeri, tanini, alakaloidi fosfati, proteini
Mikroorganizmi transformišu organska materija u neorganske forme kojebiljke mogu da koriste
0.5 – 3 mm
Mineralna ishrana utiče na pH rizosfernog zemljišta, a time i na sastav MIKROBIOMA
kolonizacija
vegetativni
organi
reproduktivni
organi
infekcija
Ćelijski izati(celuloza, hemiceluloza,
pektin, proteini)
Spora razgradnja, nedeljama
Eksudati(glukoza, fruktoza, citrati,
organske kiseline, aminokiseline)
Par sati traju
Sekrecije(ugljeni hidrati, lipidi, proteini)
Brzo se potroše
Bakterije gladuju, nema N
Hidroliza i amonifikacija
Mikroorganizmi umiru,
oslobađa se N i biljke ga
usvajaju
Kompeticija za N
Brz rast bakterija
(najveća brojnost)
Mucilago(polisaharidi)
• Komunikacija izmedju korena i mikroorganizma može biti:
– Pozitivna za biljku kao što je sa mikorizalnim gljivama
i azotifiksirajućim bakterijama
– Negativna sa parazitskim bakterijama i gljivama
DNRA
NO3- →NH4
+
K Na P Ca Fe
K Na P Ca Fe
Rizosferne bakterije Biogeohemijski ciklusi
Amonifikacija
Ureoliza
Nitrifikacija
NO3-
Azotofiksacija
N2 → NH4+
NO2-
N2
Azotobacter
Pseudomonas
Azospirillum
Rhizobium
Gluconoacetobacter Enterobacteriaceae
Nitrobacter
Pseudomonas
A. Ublažavanje stresa (blokada sinteze etilena)
B. Biofertilizacija
C. Stimulacija rasta (auksini, citokini, giberilini)
D. Solubilizacija
E. Antagonizam (siderofore, antibiotici)
F. Endofitizam
Fiksacija azota u simbiozi sa leguminozama
Interakcija leguminoza i Gram negativnih azotofiksirajućihbakterija
Leguminoze: soja, detelina, pasulj, grašak, itd.
Gram negativni pokretni štapićaste bakterije:
Rhizobium,
Azorhizoboum,
Bradyrhizobium,
Sinorhizobium,
Mesorhizobium,
AZOTOFIKSACIJA - LEGUMINOZE
Biljke leguminoze luče flavonoide koji aktiviraju gene kod
bakterije Rhizobium meliloti odgovorne za proces
nodulacije koji omogućava biljkama da koriste azot iz
vazduha
Bakterije dospevaju u tkivo korena izlučivanjem enzima koji razlažecelulozu
Kvržice (nodule) su rezultat stimulacije ćelijskih deoba u korenubakterijskom produkcijom citokina u inficiranim ćelijama
Bakterije se brzo razmnožavaju u kvržicama i prelaze u specificnunepravilnu formu bakteroid, koja se razlikuje od štapićastog oblikaslobodnog Rhizobiuma
Nodule crvene zbog prisustva leghemoglobina (sličan hemoglobinu,pošto je nitrogenaza osetljiva na prisustvo O2 nizak redok potencijal jeomogućen prisustvom leghemoglobina)
Fluorescentne pseudomonade su vazan deo
rizosfere.
One mogu unaprediti rast biljaka i igrati značajnu
ulogu u zaštiti protiv patogena.
Pseudomonas fluorescens formira oko korena
biofilm koji štiti koren od patogenih bakterija i
gljiva
Pseudomonas putida je sposoban da kolonizuje rizosferu višerazličitih biljaka
Biljka produkuje eksudat korena koji sadrži određenesupstance koje privlače bakteriju Pseudomonas putida
Uspostavljanje Pseudomonas putida na korenovim dlačicamaprolazi kroz tri faze:
1. Faza privlačenja – kretanje bakterija kao odgovor naprisustvo korena
2. Faza klonizacije – bakterija raste, deli se i formirakolonije oko korena
3. Faza boravka – bakterijska kolonija dostiže veličinu kojaodgovara veličini korena i raste paralelno sa rastom korena
Biljka preko korenovog eksudata luči materije
koje privlače korisne mikroorganizme
Kod Rizobium-a kao odgovor na korenov eksudat
optimizuje se formiranje nodula
Kod bakterije Pseudomonas fluorescens to su geni
uključeni u transport i metabolizam šećera,
transport amino kiselina, sekreciju i odgovor na
oksidativni stres.
Rod Agrobacterium obihvata patogene bakterije koja živi u
zemljištu i izazivaju rak korena biljke
Ulazi u biljku preko povreda na korenu i izaziva
umnožavanje ćelija korena
Produkcijom biljnog hormona auksina dovodi do
poremećaja u biljci
Agrobacterium radiobacter
PRESYMBIOTICFUNGAL MYCELIUM
Mycorrhizosphere
Neophodne za akviziciju nutrijenata - biljke
Razmena nutrijenata: gljive - biljke
SYMBIOTIC
FUNGAL
MYCELIUM
MYCORRHIZAS
Gljiva usvaja i do 20-30% asimilata
Mikoriza – simbiozna asocijacija između korenova biljaka i filamentoznih gljiva
80% kopnenih biljaka
Mikorize – složeniji mikrobiom od rizosfere!!!!
Arbuskularne mikorizalne gljive su obligatni biotrofi koji
moraju da uspostave simbiozu formiranjem arbuskula što
im omogućava da dobijaju ugljene hidrate i energiju od
biljke domaćina
Mikorizalne gljive formiraju končaste hife pomoću kojih
usvajaju hranljive materije za biljku
Rod Azospirillum obuhvata veliki broj vrsta koje pozitivno utiču rast biljaka
Ove bakterije naseljavaju rizosferu žitarica
Fiksiraju azot
Redukuju nitrate
Produkuju fitohormone
Azospirillum brasilense
Ektomikoriza –
simbioza formirana između korenova
drvenastih i žbunastih biljaka, Basydiomycota
ili Ascomycota
MANTLE
HARTIG NET
EXTERNAL
HYPHAE
BACTERIA INSIDE
HYPHAE
Presimbiotski stadijum – saprofitski način života
Simbiotski stadijum – mikorizacija i formiranje
plodonosnog tela
Moguće funkcije mikoriznih-helper bakterija iz plodonosnih
tela tartufa
Stimulatorni efekat na rast micelije i na formiranje samih
mikoriza
Antagonizam prema kompetitorima iz zemljišta –
patogenim mikroorganizmima
Snabdevanje biljke i/ili micelije nutrijentima i poboljšana
ishrana
• produkcija hidrolitičkih enzima (celulaze, proteaze, lipaze, beta-glukanaze, hitinaze, pektinaze)
• sekundarni metaboliti –antibiotici (2,4-DPG, fenazini, pirolnitrin, pioluteorin, HCN)
• produkcija siderofora
• produkcija bakteriocina
• olakšana germinacija askospora i stimulisanje samog procesa germinacije
• produkcija hormona rasta(auksini, giberelini, citokini)
• attachment
• povećanje efikasnosti interakcija između korena i micelije - prepoznavanje
• fiksacija atmosferskog azota
• amonifikacija
• (de)nitrifikacija
• mobilizacija nedostupnih i slabo rastvorljivih jedinjenja - fosfati, Fe
Plodonosna tela tartufa (askokarpi) su bogat izvor bakterija
Izolati bakterija poreklom iz T. magnatum i T. macrosporum askokarpa
Uloge bakterija rizosfere
Plant-Growth Promotion
(PGPR)
ABIOTIČKI STRES
BIOREMEDIJACIJABIOKONTROLA
BIOFERTILIZACIJA
Oslobađanje
PO43-
Nitrifikacija
Azotofiksacija
FitatCa3(PO4)2
K Na P Ca Fe
K Na P Ca Fe
Biofertilizacija
Produkcija auksina
• plavljenje
• suša
• metali
• organski polutanti
• nodulacija
• patogeni
• starenje cvetova (etilen-tiosulfat)
ACC deaminase
(1-aminocyclopropane-1-carboxylate )
+ ACC
bacteria
- ACC, +PGPR
bacteria
H2O
Volatile organic compounds
(VOCs)
Nisu svi izolati podjednako efikasni kao PGPR
+++ -
Prisustvo bakterija je indukovalo različit fenotip kod patogenih gljiva
Biokontrola - BIOPESTICIDI
potpuno odsustvo rasta
patogene gljive
bez uticaja na rast
patogene gljive
Pseudomonas
Streptomyces
Bacillus