22.5: Prokaryotes yenye manufaa

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza haja ya kuimarisha nitrojeni na jinsi inavyofanyika
• Tambua vyakula ambavyo prokaryotes hutumiwa katika usindikaji
• Eleza matumizi ya prokaryotes katika bioremediation
• Eleza madhara ya manufaa ya bakteria ambayo hutawala ngozi zetu na njia ya utumbo

Sio prokaryotes zote ni pathogenic. Kinyume chake, vimelea vinawakilisha asilimia ndogo tu ya utofauti wa ulimwengu wa microbial. Kwa kweli, maisha yetu hayakuwezekana bila prokaryotes. Fikiria tu juu ya jukumu la prokaryotes katika mzunguko wa biogeochemical.

Ushirikiano kati ya Bakteria na Eukaryotes: Nitrogen

Nitrogen ni kipengele muhimu sana kwa vitu vilivyo hai, kwa sababu ni sehemu ya nucleotides na asidi za amino ambazo ni vitalu vya ujenzi wa asidi nucleic na protini, kwa mtiririko huo. Nitrogen ni kawaida kipengele kikubwa zaidi katika mazingira ya duniani, na nitrojeni ya anga, N ₂, kutoa pool kubwa ya nitrojeni inapatikana. Hata hivyo, eukaryotes haiwezi kutumia nitrojeni ya anga, gesi ili kuunganisha macromolecules. Kwa bahati nzuri, nitrojeni inaweza kuwa “fasta,” maana yake inabadilishwa kuwa amonia (NH ₃) ama kibiolojia au abiotically. Marekebisho ya nitrojeni ya abiotic hutokea kama matokeo ya umeme au kwa michakato ya viwanda.

Marekebisho ya nitrojeni ya kibiolojia (BNF) hufanyika pekee na prokaryotes: bakteria ya udongo, cyanobacteria, na Frankia spp. (bakteria ya filamentous inayoingiliana na mimea ya actinorhizal kama vile alder, bayberry, na fern tamu). Baada ya usanisinuru, BNF ni mchakato wa pili muhimu zaidi wa kibiolojia duniani. Equation inayowakilisha mchakato ni kama ifuatavyo:

\[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

ambapo Pi anasimama phosphate isokaboni Jumla ya nitrojeni iliyowekwa kupitia BNF ni kuhusu tani milioni 100 hadi 180 kwa mwaka. Michakato ya kibiolojia huchangia asilimia 65 ya nitrojeni inayotumiwa katika kilimo.

Cyanobacteria ni fixers muhimu zaidi ya nitrojeni katika mazingira ya majini. Katika udongo, wanachama wa jenasi Clostridium ni mifano ya bakteria ya bure, ya kurekebisha nitrojeni. Bakteria nyingine huishi symbiotically na mimea ya legume, kutoa chanzo muhimu zaidi cha BNF. Symbionts inaweza kurekebisha nitrojeni zaidi katika udongo kuliko viumbe bure hai kwa sababu ya 10. Bakteria ya udongo, kwa pamoja inayoitwa rhizobia, yanaweza kuingiliana na mboga ili kuunda vidonda, miundo maalumu ambapo fixation ya nitrojeni hutokea (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Nitrogenase, enzyme ambayo hutengeneza nitrojeni, inactivated na oksijeni, hivyo nodule hutoa eneo la bure la oksijeni kwa ajili ya fixation ya nitrojeni kufanyika. Utaratibu huu hutoa mbolea ya asili na ya gharama nafuu, kwani inapunguza nitrojeni ya anga kwa amonia, ambayo hutumiwa kwa urahisi na mimea. Matumizi ya mboga ni mbadala bora kwa mbolea za kemikali na ni ya manufaa maalum kwa kilimo endelevu, ambayo inataka kupunguza matumizi ya kemikali na kuhifadhi maliasili. Kupitia marekebisho ya nitrojeni ya symbiotic, mmea hufaidika kutokana na kutumia chanzo cha kutokuwa na mwisho cha nitrojeni: anga. Bakteria hufaidika kutokana na kutumia photosynthates (wanga zinazozalishwa wakati wa usanisinuru) kutoka kwenye mmea na kuwa na niche iliyohifadhiwa. Zaidi ya hayo, udongo hufaidika kutokana na kuwa mbolea ya kawaida. Kwa hiyo, matumizi ya rhizobia kama biofertilizers ni mazoezi endelevu.

Kwa nini mboga ni muhimu sana? Baadhi, kama soya, ni vyanzo muhimu vya protini za kilimo. Baadhi ya mboga muhimu zaidi za nafaka ni soya, karanga, mbaazi, chickpeas, na maharagwe. Mboga mengine, kama vile alfalfa, hutumiwa kulisha ng'ombe.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Soya (Glycine max) ni legume inayoingiliana symbiotically na bakteria ya udongo Bradyrhizobium japonicum kuunda miundo maalumu kwenye mizizi inayoitwa nodules ambapo nitrojeni fixation hutokea. (mikopo: USDA)

Bioteknolojia ya mapema: Jibini, Mkate, Mvinyo, Bia, na Mtindi

Kwa mujibu wa Mkataba wa Umoja wa Mataifa kuhusu Utofauti wa Biolojia, bioteknolojia ni “maombi yoyote ya kiteknolojia ambayo hutumia mifumo ya kibiolojia, viumbe hai, au derivatives yake, kufanya au kurekebisha bidhaa au michakato kwa matumizi maalum.” ^{Dhana ya “matumizi maalum” inahusisha aina fulani ya matumizi ya kibiashara.} Uhandisi wa maumbile, uteuzi bandia, uzalishaji wa antibiotic, na utamaduni wa seli ni mada ya sasa ya utafiti katika teknolojia ya Hata hivyo, binadamu wametumia prokaryotes kabla ya neno bioteknolojia hata kuundwa. Aidha, baadhi ya bidhaa na huduma ni rahisi kama jibini, mkate, mvinyo, bia, na mtindi, ambayo kuajiri wote bakteria na microbes nyingine, kama vile chachu, kuvu (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Baadhi ya bidhaa inayotokana na matumizi ya prokaryotes katika bioteknolojia mapema ni pamoja na (a) jibini, (b) mvinyo, (c) bia na mkate, na (d) mtindi. (mikopo mkate: muundo wa kazi na F. Rodrigo/Wikimedia Commons; mikopo mvinyo: muundo wa kazi na Jon Sullivan; mikopo bia na mkate: muundo wa kazi na Kris Miller; mikopo mtindi: muundo wa kazi na Jon Sullivan)

Uzalishaji wa jibini ulianza karibu miaka 4,000—7,000 iliyopita wakati binadamu walianza kuzaliana wanyama na kusindika maziwa yao. Fermentation katika kesi hii inalinda virutubisho: Maziwa yataharibu haraka, lakini wakati wa kusindika kama jibini, ni imara zaidi. Kama kwa bia, rekodi za kale zaidi za pombe ni umri wa miaka 6,000 na zinarejelea Wasumeri. Ushahidi unaonyesha kwamba Wasumeri waligundua fermentation kwa bahati. Mvinyo imezalishwa kwa takriban miaka 4,500, na ushahidi unaonyesha kuwa bidhaa za maziwa zilizopandwa, kama mtindi, zimekuwepo kwa angalau miaka 4,000.

Kutumia Prokaryotes Kusafisha Sayari Yetu: Bioremediation

Bioremediation ya microbial ni matumizi ya prokaryotes (au kimetaboliki ya microbial) ili kuondoa uchafuzi. Bioremediation imetumika kuondoa kemikali za kilimo (dawa za wadudu, mbolea) ambazo huchuja kutoka kwenye udongo hadi chini ya ardhi na subsurface. Baadhi ya metali na oksidi za sumu, kama vile seleniamu na misombo ya arsenic, zinaweza pia kuondolewa kutoka kwa maji kwa bioremediation. Kupunguza SEO ₄ ^-2 kwa SEO ₃ ^-2 na Se ⁰ (selenium ya metali) ni njia inayotumiwa kuondoa ioni za seleniamu kutoka kwa maji. Mercury ni mfano wa chuma cha sumu ambacho kinaweza kuondolewa kutoka kwenye mazingira kwa bioremediation. Kama kiungo cha madawa ya kulevya, zebaki hutumiwa katika sekta na pia ni bidhaa ya michakato fulani, kama vile uzalishaji wa betri. Zebaki ya methyl huwa iko katika viwango vya chini sana katika mazingira ya asili, lakini ni sumu kali kwa sababu hujilimbikiza katika tishu zilizo hai. Aina kadhaa za bakteria zinaweza kutekeleza biotransformation ya zebaki yenye sumu katika aina zisizo na sumu. Bakteria hizi, kama vile Pseudomonas aeruginosa, zinaweza kubadilisha Hg ⁺² ndani ya Hg ⁰, ambayo haina sumu kwa wanadamu.

Mojawapo ya mifano muhimu zaidi na ya kuvutia ya matumizi ya prokaryotes kwa madhumuni ya bioremediation ni kusafishwa kwa maji ya mafuta. umuhimu wa prokaryotes kwa mafuta ya petroli bioremediation imekuwa alionyesha katika umwagikaji mafuta kadhaa katika miaka ya hivi karibuni, kama vile Exxon Valdez kumwagika katika Alaska (1989) (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), Prestige mafuta kumwagika katika Hispania (2002), kumwagika katika Mediterranean kutoka Lebanon nguvu kupanda (2006), na hivi karibuni zaidi , BP mafuta kumwagika katika Ghuba ya Mexico (2010). Ili kusafisha uharibifu huu, bioremediation inakuzwa na kuongeza ya virutubisho isokaboni ambayo husaidia bakteria kukua. Bakteria ya uharibifu wa hidrokaboni hulisha hidrokaboni katika droplet ya mafuta, kuvunja hidrokaboni. Baadhi ya aina, kama vile Alcanivorax borkumensis, kuzalisha surfactants kwamba solubilize mafuta, wakati bakteria nyingine kuharibu mafuta katika dioksidi kaboni. Katika kesi ya kumwagika mafuta katika bahari, unaoendelea, bioremediation asili huelekea kutokea, kama vile kuna bakteria ya kuteketeza mafuta katika bahari kabla ya kumwagika. Mbali na bakteria asili zinazotokea mafuta kudhalilisha, binadamu kuchagua na mhandisi bakteria kwamba wana uwezo huo na kuongezeka ufanisi na wigo wa misombo hydrocarbon ambayo inaweza kusindika. Chini ya hali nzuri, imeripotiwa kuwa hadi asilimia 80 ya vipengele visivyo na nguvu katika mafuta vinaweza kuharibiwa ndani ya mwaka mmoja wa kumwagika. Vipande vingine vya mafuta vyenye minyororo yenye kunukia na yenye matawi ya hidrokaboni ni vigumu zaidi kuondoa na kubaki katika mazingira kwa muda mrefu zaidi.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): (a) Kusafisha mafuta baada ya kumwagika Valdez katika Alaska, wafanyakazi hosed mafuta kutoka fukwe na kisha kutumika boom yaliyo kwa corral mafuta, ambayo hatimaye skimmed kutoka uso maji. Aina fulani za bakteria zinaweza kufuta na kuharibu mafuta. (b) Moja ya matokeo mabaya zaidi ya uharibifu wa mafuta ni uharibifu wa wanyama. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na NOAA; mikopo b: mabadiliko ya kazi na GOLUBENKOV, NGO: Kuokoa Taman)

Uunganisho wa kila siku: Microbes kwenye Mwili wa Binadamu

Bakteria ya kupendeza ambayo hukaa ndani ya ngozi yetu na njia ya utumbo hufanya mambo mazuri kwa ajili yetu. Wanatulinda kutokana na vimelea, kutusaidia kuchimba chakula chetu, na kuzalisha baadhi ya vitamini vyetu na virutubisho vingine. Shughuli hizi zimejulikana kwa muda mrefu. Hivi karibuni, wanasayansi wamekusanya ushahidi kwamba bakteria hizi zinaweza pia kusaidia kudhibiti hisia zetu, kuathiri viwango vya shughuli zetu, na hata kusaidia kudhibiti uzito kwa kuathiri uchaguzi wetu wa chakula na mifumo ya ngozi. Mradi wa Microbiome wa Binadamu umeanza mchakato wa kuorodhesha bakteria zetu za kawaida (na archaea) ili tuweze kuelewa vizuri kazi hizi.

Mfano wa kuvutia sana wa flora yetu ya kawaida inahusiana na mifumo yetu ya utumbo. Watu ambao kuchukua dozi ya juu ya antibiotics huwa na kupoteza wengi wa bakteria yao ya kawaida gut, kuruhusu aina kawaida antibiotic sugu aitwaye Clostridium difficile kwa overgrow na kusababisha matatizo makubwa ya tumbo, hasa sugu kuhara (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Kwa wazi, kujaribu kutibu tatizo hili na antibiotics hufanya kuwa mbaya zaidi. Hata hivyo, imekuwa mafanikio kutibiwa kwa kutoa wagonjwa fecal transplants kutoka wafadhili afya kurejesha kawaida INTESTINAL microbial jamii. Majaribio ya kliniki yanaendelea ili kuhakikisha usalama na ufanisi wa mbinu hii.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Micrograph hii ya skanning ya elektroni inaonyesha Clostridium difficile, bakteria ya Gram-chanya, yenye umbo la fimbo ambayo husababisha kuhara kali. Ukimwi kawaida hutokea baada ya fauna ya kawaida ya gut imeondolewa na antibiotics. (mikopo: mabadiliko ya kazi na CDC, HHS; data ya wadogo kutoka Matt Russell)

Wanasayansi pia wanagundua kwamba ukosefu wa microbes fulani muhimu kutoka kwa njia yetu ya matumbo inaweza kutuweka kwa matatizo mbalimbali. Hii inaonekana kuwa kweli hasa kuhusu utendaji sahihi wa mfumo wa kinga. Kuna matokeo ya kusisimua ambayo yanaonyesha kuwa ukosefu wa microbes hizi ni mchangiaji muhimu katika maendeleo ya allergy na baadhi ya matatizo autoimmune. Utafiti kwa sasa unaendelea kupima kama kuongeza microbes fulani kwenye mazingira yetu ya ndani inaweza kusaidia katika kutibu matatizo haya na pia katika kutibu aina fulani za tawahudi.

Muhtasari

Pathogens ni asilimia ndogo tu ya prokaryotes zote. Kwa kweli, maisha yetu hayakuwezekana bila prokaryotes. Nitrogen ni kawaida kipengele kikwazo zaidi katika mazingira ya duniani; nitrojeni ya anga, bwawa kubwa la nitrojeni inapatikana, haipatikani kwa eukaryotes. Nitrogen inaweza kuwa “fasta,” au kubadilishwa kuwa amonia (NH ₃) ama biologically au abiotically. Marekebisho ya nitrojeni ya kibiolojia (BNF) yanafanywa pekee na prokaryotes. Baada ya usanisinuru, BNF ni mchakato wa pili muhimu zaidi wa kibiolojia duniani. Chanzo muhimu zaidi cha BNF ni ushirikiano wa usawa kati ya bakteria ya udongo na mimea ya legume.

Bioremediation ya microbial ni matumizi ya kimetaboliki ya microbial ili kuondoa uchafuzi. Bioremediation imetumika kuondoa kemikali za kilimo ambazo huchuja kutoka kwenye udongo hadi chini ya ardhi na subsurface. Vyuma vya sumu na oksidi, kama vile misombo ya seleniamu na arsenic, pia inaweza kuondolewa kwa bioremediation. Pengine moja ya mifano muhimu zaidi na ya kuvutia ya matumizi ya prokaryotes kwa madhumuni ya bioremediation ni kusafishwa kwa maji ya mafuta.

Maisha ya binadamu yanawezekana tu kutokana na hatua ya microbes, wote walio katika mazingira na aina hizo zinazotuita nyumbani. Ndani, hutusaidia kuchimba chakula chetu, kuzalisha virutubisho muhimu kwa ajili yetu, kutulinda kutokana na viumbe vya pathogenic, na kusaidia kufundisha mifumo yetu ya kinga kufanya kazi kwa usahihi.

maelezo ya chini

1. 1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02, Mkataba wa Umoja wa Mataifa juu ya Utofauti wa Biolojia: Kifungu cha 2: Matumizi ya Masharti.

faharasa

biolojia nitrojeni fixation

uongofu wa nitrojeni anga ndani ya amonia peke uliofanywa na prokaryotes

bioremediation

matumizi ya kimetaboliki microbial kuondoa uchafuzi

bioteknolojia

maombi yoyote ya kiteknolojia ambayo hutumia viumbe hai, mifumo ya kibiolojia, au derivatives yao kuzalisha au kurekebisha bidhaa nyingine

uvimbe

muundo wa riwaya juu ya mizizi ya mimea fulani (kunde) inayotokana na ushirikiano wa usawa kati ya mimea na bakteria ya udongo, ni tovuti ya kuimarisha nitrojeni