9.4: Joto na Ukuaji wa Microbial

Malengo ya kujifunza

• Eleza na ueleze kwa ufupi mahitaji ya kiwango cha chini, bora, na kiwango cha juu cha joto kwa ukuaji
• Kutambua na kuelezea makundi mbalimbali ya microbes na mahitaji ya joto kwa ukuaji: psychrophile, psychrotrophs, mesophile, thermophile, hyperthermophile
• Kutoa mifano ya microorganisms katika kila aina ya uvumilivu wa joto

Wakati utafutaji wa Ziwa Whillans ulianza Antaktika, watafiti hawakutarajia kupata maisha mengi. Joto la kawaida la subzero na ukosefu wa vyanzo vya wazi vya virutubisho haukuonekana kuwa hali ambayo ingeweza kusaidia mazingira yenye kustawi. Kwa mshangao wao, sampuli zilizopatikana kutoka ziwa zilionyesha maisha mengi ya microbial. Katika mazingira tofauti lakini yenye ukali sawa, bakteria hukua chini ya bahari katika matundu ya bahari (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), ambapo joto linaweza kufikia 340 °C (700 °F).

Microbes inaweza kuwa takribani classified kulingana na aina mbalimbali ya joto ambayo wanaweza kukua. Viwango vya ukuaji ni vya juu zaidi katika joto la ukuaji wa juu kwa viumbe. Joto la chini kabisa ambalo viumbe vinaweza kuishi na kuiga ni joto lake la chini la ukuaji. Joto la juu ambalo ukuaji unaweza kutokea ni kiwango cha juu cha ukuaji wa joto. Aina zifuatazo za joto la ukuaji wa vibali ni takriban tu na zinaweza kutofautiana kulingana na mambo mengine ya mazingira.

Viumbe vinavyoainishwa kama mesophiles (“upendo wa kati”) vinatengenezwa kwa joto la wastani, huku joto mojawapo ya ukuaji kuanzia joto la kawaida (takriban 20 °C) hadi takriban 45 °C Kama ingekuwa inatarajiwa kutoka joto la msingi la mwili wa binadamu, 37 °C (98.6 °F), microbiota ya kawaida ya binadamu na vimelea (k.m., E. coli, Salmonella spp., na Lactobacillus spp.) ni mesophiles.

Viumbe vinavyoitwa psychrotrophs, pia hujulikana kama psychrovolenerant, hupendelea mazingira baridi, kutoka joto la juu la 25 °C hadi joto la majokofu takriban 4 °C. Pia ni wajibu wa kuharibika kwa chakula cha friji.

Mtazamo wa Hospitali

Uwepo wa Listeria katika damu ya Jeni unaonyesha kuwa dalili zake zinatokana na listeriosis, maambukizi yanayosababishwa na L. monocytogenes. Listeriosis ni maambukizi makubwa yenye kiwango cha vifo vya asilimia 20 na ni hatari fulani kwa fetusi ya Jeni. Sampuli kutoka kwa maji ya amniotic yaliyopandwa kwa uwepo wa Listeria ilitoa matokeo mabaya. Kwa sababu kutokuwepo kwa viumbe hakutawala uwezekano wa maambukizi, mtihani wa Masi kulingana na amplification ya asidi ya nucleic ya RNA ya ribosomal ya 16S ya Listeria ilifanyika ili kuthibitisha kuwa hakuna bakteria iliyovuka placenta. Kwa bahati nzuri, matokeo kutoka kwa mtihani wa Masi pia yalikuwa hasi.

Jeni alilazwa hospitali kwa ajili ya matibabu na kupona. Alipata kiwango cha juu cha antibiotics mbili kwa muda wa wiki 2. Dawa zilizopendekezwa kwa ajili ya kutibu listeriosis ni ampicillin au penicillin G na antibiotic ya aminoglycoside. Upinzani dhidi ya antibiotics ya kawaida bado ni nadra katika Listeria na matibabu ya antibiotiki kwa kawaida hufanikiwa. Alifunguliwa kwa huduma ya nyumbani baada ya wiki na akapona kikamilifu kutokana na maambukizi yake.

L. monocytogenes ni fimbo fupi ya gramu-chanya inayopatikana katika udongo, maji, na chakula. Inawekwa kama psychrophile na ni halotolerant. Uwezo wake wa kuzidi kwenye joto la majokofu (4—10 °C) na uvumilivu wake kwa viwango vya juu vya chumvi (hadi 10% ya kloridi ya sodiamu [NaCl]) huifanya kuwa chanzo cha mara kwa mara cha sumu ya chakula. Kwa sababu Listeria inaweza kuambukiza wanyama, mara nyingi huchafua chakula kama vile nyama, samaki, au bidhaa za maziwa. Uchafuzi wa vyakula vya kibiashara mara nyingi unaweza kufuatiliwa na biofilms zinazoendelea zinazounda kwenye vifaa vya viwanda ambavyo havikusafishwa kwa kutosha.

Maambukizi ya Listeria ni ya kawaida kati ya wanawake wajawazito kwa sababu viwango vya juu vya progesterone vinapunguza mfumo wa kinga, na kuwafanya kuwa hatari zaidi kwa maambukizi. Pathogen inaweza kuvuka placenta na kuambukiza fetusi, mara nyingi kusababisha kuharibika kwa mimba, kuzaliwa, au maambukizi mabaya ya neonatal. Kwa hivyo wanawake wajawazito wanashauriwa kuepuka matumizi ya jibini laini, kupunguzwa kwa baridi ya friji, dagaa ya kuvuta sigara, na bidhaa za maziwa zisizohifadhiwa. Kwa sababu bakteria ya Listeria inaweza kuchanganyikiwa kwa urahisi na diphtheroids, kikundi kingine cha kawaida cha viboko vya gram-chanya, ni muhimu kuonya maabara wakati listeriosis inashukiwa.

Viumbe vilivyopatikana kutoka maziwa ya arctic kama vile Ziwa Whillans huchukuliwa kuwa psychrophiles kali (upendo wa baridi). Psychrophiles ni microorganisms ambazo zinaweza kukua saa 0 °C na chini, zina joto la ukuaji bora karibu na 15 °C, na kwa kawaida haziishi kwenye joto la juu ya 20 °C zinapatikana katika mazingira ya kudumu baridi kama vile maji ya kina ya bahari. Kwa sababu wanafanya kazi kwa joto la chini, psychrophiles na psychrotrophs ni decomposers muhimu katika hali ya baridi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mvutaji sigara mweusi chini ya bahari hupiga moto, maji yenye matajiri ya kemikali, na hupunguza maji ya jirani. Matundu ya bahari hutoa mazingira uliokithiri ambayo hata hivyo yanajaa maisha ya macroscopic (tubeworms nyekundu) inayoungwa mkono na mazingira mengi ya microbial. (mikopo: NOAA)

Viumbe vinavyokua kwenye joto optimum ya 50 °C hadi kiwango cha juu cha 80 °C huitwa thermophiles (“kupenda joto”). Hazizidi kuongezeka kwa joto la kawaida. Thermophiles husambazwa sana katika chemchemi za moto, udongo wa mvuke, na mazingira ya kibinadamu kama vile piles za mbolea za bustani ambako microbes huvunja chakavu vya jikoni na vifaa vya mboga. Mifano ya thermophiles ni pamoja na Thermus aquaticus na Geobacillus spp. Juu juu ya kiwango cha joto kali tunapata hyperthermophiles, ambazo zina sifa za ukuaji kati ya 80 °C hadi kiwango cha juu cha 110 °C, na baadhi ya mifano uliokithiri ambayo huishi joto zaidi ya 121 °C, joto la wastani la autoclave. Matundu ya hydrothermal chini ya bahari ni mfano mkuu wa mazingira uliokithiri, huku halijoto hufikia makadirio ya 340 °C (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mifano inayojulikana ni Pyrobolus na Pyrodictium, archaea zinazokua katika 105 °C na kuishi autoclaving. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha kawaida skewed curves ya ukuaji tegemezi joto-kwa makundi ya microorganisms tuna kujadiliwa.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Grafu inaonyesha kiwango cha ukuaji wa bakteria kama kazi ya joto. Angalia kwamba curves ni skewed kuelekea joto optimum. Skewing ya curve ukuaji ni mawazo kutafakari denaturation haraka ya protini kama joto kuongezeka nyuma optimum kwa ajili ya ukuaji wa microorganism.

Maisha katika mazingira makubwa huwafufua maswali ya kuvutia kuhusu kukabiliana na macromolecules na michakato ya kimetaboliki. Joto la chini sana huathiri seli kwa njia nyingi. Vipande hupoteza fluidity yao na huharibiwa na malezi ya kioo ya barafu. Athari za kemikali na ugawanyiko hupungua kwa kiasi kikubwa Protini huwa ngumu sana ili kuchochea athari na inaweza kufanyiwa denaturation. Wakati wa mwisho wa wigo wa joto, joto la denatures protini na asidi nucleic. Kuongezeka kwa maji hupunguza michakato ya kimetaboliki katika membrane. Baadhi ya matumizi ya vitendo ya madhara ya uharibifu wa joto juu ya microbes ni sterilization na mvuke, pasteurization, na incineration ya loops inoculating. Protini katika psychrophiles ni, kwa ujumla, matajiri katika mabaki ya hydrophobic, kuonyesha ongezeko la kubadilika, na kuwa na idadi ya chini ya vifungo sekondari kuleta utulivu ikilinganishwa na protini homologous kutoka mesophiles. Protini za antifreeze na solutes ambazo hupunguza joto la kufungia la cytoplasm ni la kawaida. Lipids katika membrane huwa na unsaturated kuongeza fluidity. Viwango vya ukuaji ni polepole sana kuliko wale waliokutana katika joto la wastani. Chini ya hali sahihi, mesophiles na hata thermophiles wanaweza kuishi kufungia. Tamaduni za kiowevu za bakteria huchanganywa na ufumbuzi wa glycerol tasa na huhifadhiwa hadi -80 °C kwa ajili ya kuhifadhi muda mrefu kama hifadhi. Tamaduni zinaweza kuhimili kukausha kufungia (lyophilization) halafu kuhifadhiwa kama poda katika ampuli zilizofunikwa ili zirekebishwe na supu inapohitajika.

Macromolecules katika thermophiles na hyperthermophiles zinaonyesha tofauti tofauti za miundo kutoka kwa kile kinachoonekana katika mesophiles. Uwiano wa ulijaa kwa lipids polyunsaturated huongezeka ili kupunguza fluidity ya membrane ya seli. Utaratibu wao wa DNA unaonyesha uwiano mkubwa wa besi za nitrojeni za guanine—cytosini, ambazo zinashikiliwa pamoja na vifungo vitatu vya hidrojeni tofauti na adenini na thymine, ambazo zinaunganishwa katika helix mara mbili kwa vifungo viwili vya hidrojeni. Ziada ya sekondari ionic na covalent vifungo, pamoja na badala ya amino asidi muhimu kwa utulivu folding, kuchangia upinzani wa protini kwa denaturation. Thermoenzymes kinachojulikana kutakaswa kutoka thermophiles zina matumizi muhimu ya vitendo. Kwa mfano, amplification ya asidi nucleic katika mmenyuko wa mnyororo wa polymerase (PCR) inategemea utulivu wa mafuta wa Taq polymerase, enzyme iliyotengwa na T. aquaticus. Enzymes ya uharibifu kutoka kwa thermophiles huongezwa kama viungo katika sabuni za maji ya moto, na kuongeza ufanisi wao.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

1. Ni mahitaji gani ya joto ambayo vimelea vingi vya bakteria vina?
2. Je, mabadiliko ya DNA yanaonyesha nini thermophiles?

Kulisha Dunia... na Algae wa Dunia

Mbolea za bandia zimekuwa chombo muhimu katika uzalishaji wa chakula duniani kote. Wao ni wajibu wa faida nyingi za kinachojulikana mapinduzi ya kijani ya karne ya 20, ambayo imeruhusu sayari kulisha watu wake wengi zaidi ya bilioni 7. Mbolea bandia kutoa nitrojeni na fosforasi, muhimu kikwazo virutubisho, kwa mimea ya mazao, kuondoa vikwazo kawaida ambayo vinginevyo kikomo kiwango cha ukuaji. Hivyo, mazao ya mbolea yanakua kwa kasi zaidi, na mashamba yanayotumia mbolea huzalisha mavuno ya mazao ya juu.

Hata hivyo, matumizi yasiyojali na matumizi makubwa ya mbolea bandia yameonyeshwa kuwa na athari mbaya sana kwenye mazingira ya majini, maji safi na baharini. Mbolea ambazo hutumiwa wakati usiofaa au kwa kiasi kikubwa sana huruhusu misombo ya nitrojeni na fosforasi kuepuka matumizi ya mimea ya mazao na kuingia mifumo ya mifereji ya maji. Matumizi yasiyofaa ya mbolea katika mazingira ya makazi yanaweza pia kuchangia mizigo ya virutubisho, ambayo hupata njia yao ya maziwa na mazingira ya baharini ya pwani. Kama maji ya joto na virutubisho ni mengi, microscopic mwani bloom, mara nyingi kubadilisha rangi ya maji kwa sababu ya wiani juu ya seli.

Blooms nyingi za algali hazidhuru moja kwa moja kwa wanadamu au wanyamapori; hata hivyo, zinaweza kusababisha madhara kwa usahihi. Kama idadi ya algali inapanuka na kisha kufa, hutoa ongezeko kubwa la jambo la kikaboni kwa bakteria zinazoishi katika maji ya kina. Kwa ugavi huu mkubwa wa virutubisho, idadi ya microorganisms zisizo za photosynthetic hulipuka, hutumia oksijeni inapatikana na kujenga “maeneo yaliyokufa” ambapo maisha ya wanyama yamepotea.

Kupungua kwa oksijeni ndani ya maji sio matokeo tu ya kuharibu ya blooms fulani ya algal. Wajumbe ambao huzalisha mawimbi nyekundu katika Ghuba ya Mexico, Karenia brevis, hutoa sumu yenye nguvu ambayo inaweza kuua samaki na viumbe vingine na pia hujilimbikiza katika samakigamba. Matumizi ya samakigamba iliyosababishwa yanaweza kusababisha dalili kali za neva na utumbo kwa wanadamu. Vitanda vya samakigamba vinapaswa kufuatiliwa mara kwa mara kwa uwepo wa sumu, na mavuno mara nyingi hufungwa wakati ulipo, na kusababisha gharama za kiuchumi kwa uvuvi. Cyanobacteria, ambayo inaweza kuunda blooms katika mazingira ya baharini na maji safi, huzalisha sumu inayoitwa microcystins, ambayo inaweza kusababisha athari za mzio na uharibifu wa ini wakati wa kumeza katika maji ya kunywa au wakati wa kuogelea. Mara kwa mara cyanobacterial algal blooms katika Ziwa Erie (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) na kulazimishwa manispaa kutoa marufuku maji ya kunywa kwa siku kwa wakati kwa sababu ya viwango vya sumu haikubaliki.

Hii ni sampuli ndogo tu ya matokeo mabaya ya blooms ya algal, mawimbi nyekundu, na maeneo yaliyokufa. Hata hivyo faida za mbolea za mazao - sababu kuu ya blooms hiyo-ni vigumu kupinga. Hakuna suluhisho rahisi kwa shida hii, kama kupiga marufuku mbolea sio kisiasa au kiuchumi. Badala ya hili, tunapaswa kutetea matumizi na udhibiti unaohusika katika mazingira ya kilimo na makazi, pamoja na kurejeshwa kwa maeneo ya mvua, ambayo yanaweza kunyonya mbolea nyingi kabla ya kufikia maziwa na bahari.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Mvua nzito husababisha kurudiwa kwa mbolea ndani ya Ziwa Erie, na kusababisha blooms nyingi za algal, ambazo zinaweza kuzingatiwa kando ya pwani. Angalia kahawia unplanted na kijani kupandwa ardhi ya kilimo katika pwani. (mikopo: NASA)

Unganisha na Kujifunza

Video hii inazungumzia blooms ya algal na maeneo yaliyokufa kwa kina zaidi.

Dhana muhimu na Muhtasari

• Vijiumbe vinastawi katika joto mbalimbali; vimekoloni mazingira tofauti ya asili na vimebadilishwa na joto kali. Wote baridi kali na joto la joto huhitaji marekebisho ya mabadiliko kwa macromolecules na michakato ya kibiolojia.
• Psychrophiles hukua bora katika kiwango cha joto cha 0—15 °C ilhali psychrotrophs hustawi kati ya 4 °C na 25 °C.
• Mesophiles hukua bora kwenye joto la wastani katika masafa ya 20 °C hadi takriban 45 °C.
• Thermophiles na hyperthemophiles hubadilishwa na maisha katika joto la juu ya 50 °C.
• Mabadiliko ya joto la baridi na ya moto yanahitaji mabadiliko katika muundo wa lipids za membrane na protini.