Moleküler dünyadaki hızlı gelişmeler, enzim biyoteknolojisi ve sanayi alanlarındaki üretim çeşitliliği, bilim insanını yeni araştırmalara sürüklemektedir



Yüklə 354,88 Kb.
səhifə1/7
tarix17.01.2018
ölçüsü354,88 Kb.
#21316
  1   2   3   4   5   6   7



GİRİŞ

Moleküler dünyadaki hızlı gelişmeler, enzim biyoteknolojisi ve sanayi alanlarındaki üretim çeşitliliği, bilim insanını yeni araştırmalara sürüklemektedir. Mikroorganizmaların, hızlı bir şekilde, çok farklı ekolojik ortamlarda gelişebilmeleri ve çoğalmaları, ayrıca ekstrem şartlara adaptasyonları, bu organizmaların hem yapısal, hem de hücresel düzeyde farklı özelliklerinin araştırılması gerektiğini göstermektedir. Doğada çok fazla sayıda ve çeşitte canlılar bulunmasına rağmen, prokaryotlar, biyosferin temel üyelerini oluşturmaktadırlar. Gelişme ve üreme için ideal şartların bulunduğu ekolojik ortamlardan, ekstrem çevrelere kadar, oldukça farklı habitatlarda bulunabilmektedirler.

Mikroorganizmaların çevremizde bu kadar yaygın olmaları, başlıca üç özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Bu özelliklerden birincisi, hava ve su ile dağılabilmelerini sağlayan küçük boyutları; ikincisi, metabolik olarak esnek ve çok yönlü olmaları ve üçüncüsü uygun olmayan şartlara adapte olabilme yetenekleridir. Kural olarak, özel bir şekilde mikrobiyal gelişim üzerine etkisi olmayan normal ekosistemlerde, örneğin birçok toprak habitatında ya da sucul çevrede genelde sayıca az mikroorganizma bulunur, fakat tür açısından oldukça farklılık vardır. Bunun tersine ekstrem özelliklere sahip ekosistemlerde, örneğin asidik maden suları, tuzlu sular ve sıcak su kaynaklarında oldukça az tür, fakat fazla sayıda mikroorganizma bulunmaktadır.

Mikroorganizmaların bulunduğu tipik sucul çevreler, okyanuslar, haliçler, tuzlu bataklıklar, göller, havuzlar, nehirler ve kaynaklardır. Sucul çevreler, kimyasal ve fiziksel özellikleri açısından oldukça farklıdır ve bu tür habitatlardaki mikrobiyal tür kompozisyonlarının da farklı olması şaşırtıcı olmamalıdır. Birçok sucul çevrede, baskın olan fototrofik organizmalar, mikroorganizmalardır. Oksijenli alanlarda siyanobakteriler ve algler bulunurken, oksijensiz kısımlarda anoksijenik fototrofik bakteriler baskındır.

Bu organizmalar, başlangıçta organik madde üretiminde, ışık enerjisini kullanmışlar ve primer üreticiler olarak adlandırılmışlardır. Yani, sucul bir ekosistemin biyolojik aktivitesi, fototrofik organizmalar tarafından yapılan primer üretim oranı ile ilişkilidir.

Aynı zamanda, suda fazla sayıda organizma bulunması, organik madde oranının yüksek olduğunu göstermektedir. Çünkü, atık su sistemleri veya biyolojik olarak parçalanabilen endüstriyel organik atıklar ile kontamine olan sularda, bakteriler nispeten daha yüksek sayılarda bulunmaktadırlar. Benzer olarak, nehirler ile beslenen okyanus haliçleri, diğer kıyı sularına göre daha fazla besin içerdiğinden mikroorganizma sayısı daha fazla olmaktadır.

Besin yoğunluğu düşük olan sularda; mikroorganizmalar, durgun yüzeyler ve parçacıklı materyaller üzerinde gelişme eğilimindedir. Bu şekilde, bakteri serbest olarak yüzdüğü ve suspande olduğundan daha fazla oranda besinle temas halindedir. Bu sucul habitatlardaki birçok bakteri, genelde, çeşitli yüzeylere yapışmasını sağlayan çeşitli hücresel çıkıntılara ve yapılara sahiptir.

Mikrobiyal yaşamın başlıca kaynaklarından bir tanesi de topraktır. Toprak habitatlarındaki mikroorganizmaların sayısı, normalde tatlı su veya deniz habitatlarında bulunandan oldukça fazladır. Bu tür çevrelerde, en fazla mikrobiyal gelişim, toprak partiküllerinin yüzeyinde olmaktadır. Küçük bir toprak parçası bile birçok farklı mikroçevreye sahiptir ve böylece pek çok farklı mikroorganizmayı barındırabilmektedir.

Mikroorganizmalar, ayrıca, yüksek yapılı organizmaların yüzeyinde bulunmakta ve bazı durumlarda bitki ve hayvanların vücut içlerinde yaşamaktadırlar. Genelde bu tür habitatlarda, sayıca artmakta ve bitki ve hayvanlara beslenme açısından önemli oranda yarar sağlamaktadırlar. Farklı şekilde, bazı mikroorganizmalar patojeniktir ve bulundukları konağa oldukça zarar verirler.

Çok farklı çevrelerde bulunabilmeleri ve gelişebilmelerinin yanı sıra, mikroorganizmalar fizyolojik açıdan da oldukça geniş bir çeşitlilik göstermektedirler. Örneğin oksijen ihtiyaçları ya da toleransları bakımından, bir çok farklı gruplar altında incelenmektedirler. Aerobik bakteriler, sürekli gelişimleri ve varolmaları için oksijene ihtiyaç duyarlar. Mikroaerofiller, havada bulunandan daha düşük seviyelerdeki oksijeni kullanabilen aeroblardır. Çünkü, bunların solunum kapasiteleri sınırlıdır ya da oksijene duyarlı bazı moleküller içermektedirler. Solunum sisteminden yoksun olan organizmalar, oksijeni son elektron alıcısı olarak kullanamazlar. Bu organizmalar anaeroblar olarak adlandırılır. Anaerobların iki çeşidi vardır. Aerotolerant anaeroblar, oksijeni tolere edebilir ve kullanmasalar bile oksijen varlığında gelişebilirler. Obligat veya zorunlu anaeroblar ise, oksijen varlığında ölürler. Bunun sebebi, oksijen metabolizmasının bazı ürünlerini detoksifiye edememelerinden dolayıdır. Fakültatif aeroblar ise, oksijen varlığında gelişmeyi tercih eder, fakat oksijen yokken de gelişmeye devam edebilirler.

Bakteriler, enerjiyi elde etme yollarına göre de sınıflandırılabilirler. Enerji kaynaklarına göre yapılan sınıflandırmada, bakteriler, heterotroflar ve ototroflar olmak üzere iki kategoride incelenir. Heterotroflar, çevrelerindeki basit veya kompleks organik bileşikleri parçalayarak enerji elde ederler. Ototroflar ise, tek karbon kaynağı olarak karbondioksiti kullanarak, tüm hücre materyalini biyolojik olarak sentezleyebilen organizmalardır.

Kullandıkları enerji kaynağına göre ise bakteriler, başlıca iki ana grupta incelenirler. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan organizmalar, fototroflar olarak adlandırılırken, enerji kaynağı olarak kimyasalları kullanan organizmalar ise, kemotroflar olarak adlandırılır. Kullanılan kimyasal bileşiklerin organik ya da inorganik olmasına göre ise, kemotroflar kendi arasında sırasıyla kemoorganotrof ve kemolitotroflar olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar.

Her organizma, gelişmesi için uygun bir pH aralığına ve belirli bir pH optimumuna sahiptir. Birçok doğal çevrenin pH’sı 5- 9 arasındadır ve optimum pH’ları bu aralıkta olan organizmalar oldukça yaygındır. 2’den küçük veya 10’dan büyük pH değerlerinde gelişebilen pek az mikroorganizma bulunmaktadır. Düşük pH değerlerinde gelişebilen mikroorganizmalar asidofiller olarak adlandırılmaktadır. Funguslar, bakterilere göre aside karşı daha toleranslıdır. Alkalifiller ise, 10-11 arasında pH değerlerinde gelişebilmektedir. Alkalifilik mikroorganizmalar, oldukça bazik habitatlarda, örneğin soda gölleri veya yüksek oranda karbonat içeren topraklarda bulunurlar. Mikroorganizmaların birçoğu ise 6-8 arasında pH’da gelişir ve bunlar nötrofiller olarak adlandırılırlar. Enterik mikroorganizmaların birçoğu, bu grupta yer almaktadır.

Bakterilerin gelişimi açısından yapılabilecek fizyolojik sınıflandırmalardan biri de, optimum sıcaklık isteklerine dayanılarak yapılan sınıflandırmadır. Gelişimle ilgili tüm prosesler, sıcaklıktan etkilenen kimyasal reaksiyonlara bağlı olduğu için, sıcaklık, mikroorganizmaların gelişiminde önemli bir role sahiptir. Nispeten dar bir sıcaklık aralığında ve 37 C’ye yakın sıcaklıklarda gelişen memeli hücrelerinin aksine, mikroorganizmalar daha geniş sıcaklık aralıklarında gelişebilirler. Herhangi bir mikroorganizma, minimum, optimum ve maksimum gibi gelişim sıcaklıklarına sahiptir. Bunlar, bir mikroorganizma türü için kardinal (asıl) sıcaklıklar olarak bilinir. Özel bir mikrobiyal türün asıl sıcaklıkları mikroorganizmanın yaşam döngüsündeki evre ve ortamın besin içeriğine göre değişebilmektedir.

Gelişim oranını etkilemesine ek olarak, sıcaklık, üreme çeşidini, morfolojiyi, metabolik işlemleri ve besin gereksinimlerini de etkilemektedir. Bu nedenle, gelişim için gerekli olan optimum sıcaklık, her hücresel aktivite için optimum sıcaklık olmayabilir. Bir mikrobiyal tür için optimum olan sıcaklık, minimum ve maksimum sıcaklık aralıklarında yer almayabilir. Bazı durumlarda, optimum sıcaklık, bu aralığın üst sınırına yakın olabilir. Çünkü enzim reaksiyon oranı, sıcaklıkla birlikte artar. Bu durum, enzimin ısı ile bozulduğu ve hücrelerin gelişiminin durduğu noktaya kadar devam eder.

Tüm mikroorganizmalar, en yüksek gelişim ve üreme oranlarını sergiledikleri karakteristik optimum sıcaklıklara sahiptirler. Mikroorganizmalar, aynı zamanda, gelişim gösteremedikleri ve metabolik olarak inaktif oldukları minimal gelişme sıcaklıklarına sahiptirler. Birçok ekosistemde, sıcaklık günlük ve mevsimsel olarak dalgalanmalar gösterir. Denemeler esnasında organizmanın yaşadığı habitattan alınan su örneklerinin sıcaklık değeri, organizmanın tolere etmesi gereken sıcaklık aralığını yansıtmaz, dahası bu esnadaki sıcaklık, mikroorganizmanın tüm gelişim ve aktivite süresi boyunca hakim olan sıcaklık değildir. Özel bir mikroorganizmanın tolere edebileceği sıcaklık aralığı ve de optimum gelişim sıcaklığı, herhangi bir ekosistemde mikroorganizmanın hayatta kalıp kalamayacağını ve hangi rolü oynayacağını belirler. Bazı mikroorganizmalar 0 C nin altında gelişebilirken, bazıları ise 100 C nin üzerinde gelişebilmektedir.

Bakteriler sıcaklık optimumlarına göre sınıflandırılırken, dört farklı grup ortaya çıkmaktadır. Psikrofillerin optimum sıcaklıkları düşüktür; mezofiller, orta derecede bir optimum sıcaklığa sahiptirler; termofiller yüksek sıcaklık optimumlarına; hipertermofiller ise çok yüksek sıcaklık optimumlarına sahip mikroorganizmalardır. Mezofiller sıcakkanlı hayvanlarda ve ılıman karasal ve sucul bölgelerde, tropikal alanlarda bulunurlar. Psikrofiller ve termofiller sırasıyla oldukça soğuk ve sıcak çevrelerde bulunurlar. Hipertermofiller ekstrem sıcak habitatlarda örneğin sıcak kaynaklar, gayzerler ve derin denizlerdeki hidrotermal kuyularda bulunurlar.

Termofilik bakteriler ise, gelişim sıcaklıklarına göre başlıca üç grupta incelenebilirler. Zorunlu veya ekstrem termofiller olarak bilinenlerin optimum gelişim sıcaklıkları 65 – 75 C’dır, 40 – 42 C’nin altında çoğalamazlar. Fakültatif termofiller ise 50–65 C arasında gelişirler, fakat 30 C’de gelişebilmektedirler. Termotolerant olanların ise, maksimum gelişim sıcaklıkları 45–50 C’dir ve 30 C nin altında da gelişebilirler Teorik olarak, maksimum gelişim sıcaklığı sıvı haldeki suyun kullanılabilirliği ile kısıtlı olmasına rağmen, çevrenin asitliği arttıkça, sıcaklık üst sınırlarının düştüğü bildirilmiştir (Brock, 1967).

Birçok bakteriyal cins içerisinde, termofilik türler bulunmaktadır (Şekil 1). Genelde mezofilik temsilcilerine benzer özellikler taşırlar. Benzer karbohidratları fermente ederler, benzer azot kaynaklarını ve oksidatif yolları kullanırlar. Aerobik, anaerobik ya da fakültatif aerobik olabilirler; ototrofik ve heterotrofik türler mevcuttur.

Termofilik mikroorganizmaların bulunduğu çevreler, oldukça yaygındır ve birçok çeşidi bulunur. En iyi bilinenleri sıcak su kaynakları, gayzerler ve sülfür içeren topraklardır (solfatara). Bunlara eşdeğer hidrotermal çevreler; kuyular ve sualtı volkanları da araştırılmaktadır. Ayrıca bazı petrol alanları, örneğin Kuzey Denizi’ndekiler de yüksek sıcaklıktaki çevrelerdir.

Termofilik bakterilerin bazıları, uranyum madenlerinde bile bulunabilmektedir.Yapılan bir araştırmada, Almanya’daki bir uranyum madeninden, Metallosphaera prunae olarak tanımlanan, yeni bir termoasidofilik arkeum (eski adıyla arkebakteri) izole edildiği bildirilmiştir (Fuchs et al 1995).

Özellikle sıcak su kaynaklarının ekolojisi iyi çalışılmış ve çeşitli yayınlar yapılmıştır . Birçok ekstrem habitatta olduğu gibi, tür çeşitliliği çevresel faktörlerin şiddeti arttıkça azalır. Sıcaklık gradiyenti 50 C den 70 C’ ye yükseldiğinde sarı pigment oluşturan termofilikler örneğin; Thermus aquaticus bulunabilir. Bu türün optimum gelişim sıcaklığı 70 C, maksimum gelişim sıcaklığı ise 79 C dir (Brock and Freeze, 1969). Pek çok kanal suyunda, bir siyanobakter olan Synechococcus liudius ve fototrofik, kayan, flamentöz bakteri Chloroflexus auranticus’ un oluşturduğu kalın yığınlar bulunmaktadır. Fakültatif ototrof Sulfolobus acidocaldarius’ a ait birçok soy optimum 0.9- 5.8 pH da ve 70-75 C sıcaklıkta gelişmektedir.Termofilik, Thiobacillus benzeri bir bakteri 60-75 C de gelişmektedir ve İzlanda’daki termal bölgelerden izole edilmiştir. Bu bakteriler için en iyi habitatlardan birisi de volkanik sıcak kaynaklardır. Bu bölgelerde magmatik hidrojen sülfid, elementer kükürde ve sülfürük aside oksitlenir. Termofilik demir ve kükürt oksitleyen bakteriler, düşük yoğunluklu maden cevherlerinde metallerin stabilizasyonu ve uzaklaştırılmasında (leaching) rol oynuyor olabilirler (Balows et al., 1991).

Sarı pigmentli Thermus soyları İzlanda’daki sıcak su kaynaklarından da izole edilmiştir. Diğer yandan Thermus aquaticus’a benzeyen pigmentsiz, termofilik bakteriler, çamaşır yıkama merkezlerindeki ısıtıcılarda, sıcak musluk sularında ve buharlı sıcak su çıkışlarında da bulunmuştur (Balows et al, 1991).

Thermus genusunun yanısıra Thermomicrobium’ da iyi bilinen termofilik mikroorganizmaların bir başka örneğidir. Bu genus kısa, 1.3-1.8 x 3.0-6.0 m boyutlarında, düzensiz şekilli çubuklardan oluşur, pleomorfik formlar halter şeklinde veya düzensiz çaplı olup, tek veya çiftli halde bulunabilirler, dinlenme evresi veya endospor yoktur, hücreler gram negatif boyanır, hücre duvarında önemli miktarda peptidoglikan diaminoasit bulunmamaktadır, hücreler hareketsizdir, zorunlu aerobiktirler, gelişim için optimum sıcaklık 70-75 C, maksimum 80 C, minimum 45 C dir, optimum pH 8.2- 8.5 arasındadır, Yellowstone Ulusal Parkı’ndan izole edilmişlerdir (Holt et al., 1993).

Yellowstone Ulusal Parkın’da yapılan diğer bir araştırmada ise, yeni bir hipertermofilik bakteri izole edilmiştir. Gram negatif, 89 C’ye kadar gelişebilen ve nötral-alkalin pH aralığında yaşayan bu izolatın Aquificales ordosunda yeni bir cinsi temsil ettiği bildirilmiş ve Thermocrinis ruber olarak tanımlanmıştır (Huber et al. 1998).

Yüksek sıcaklıklardaki mikrobiyal yaşamla ilgili bilgilerin çoğu, kıta ve denizlerdeki volkanik orjinli sıcak su kaynaklarının çalışılmasıyla artmıştır. Bu çevrelerden, 85-105 C arasında optimal gelişen birçok organizma izole edilmiştir ve ekstrem termofil veya hipertermofil olarak adlandırılmışlardır Bu organizmalar genelde Arkea’ya dahildir ve bu yüksek sıcaklıklara oldukça adapte olmuşlardır, 60 C nin altında gelişemezler ve bazıları 80 C nin altında gelişememektedir.Ekstrem termofilik bakterilerin izole edildiği bir diğer habitat ise, deniz altındaki hidrotermal sıcak kuyulardır. Bunlar 1800-3700 m derinlikte bulunurlar. Yüksek basınç sayesinde, su sıvı fazda bulunur. Bu habitatlar, prokaryotik hayatın üst sıcaklık limitlerini saptamak açısından ideal yerlerdir. Methanopyrus’ un kültürü yapılmış ve 110 C de aktif gelişme gözlenmiştir. Bu organizma 100 C nin altında yaklaşık bir saatlik ikilenme zamanı ile optimum gelişirken, Pyrodictium’ un optimum gelişim sıcaklığı 105 C dir. Pyrodictium ve fizyolojik olarak farklı birçok hipertermofilik arkebakteri, sığ, denizel sıcak kaynaklardan ve aktif volkanlardan izole edilmiştir.Hem derin, hem de sığ denizlerdeki sualtı volkanlarında, yeni tanımlanan hipertermofillerin baskın olduğu bulunmuştur. Bunlara, Pyrococcus, Pyrodictium ve Staphylothermus ve tek eubakteriyal ekstrem termofil cinsi Thermotoga örnek verilebilir. Bu organizmaların bazıları elementer kükürt redüksiyonu yaparken, diğerleri bilinmeyen bir fermentasyon tipi gerçekleştirmektedir (Balows et al, 1991).

Bu doğal çevreler dışında, insan aktivitesi ile oluşan yapay termal çevreler de vardır ve buralarda da termofilik bakteriler gelişir. Bu yapay çevreler domestik veya endüstriyel nitelikte olup sıcaklık 55-80C arasındadır ve termofilik prokaryotların gelişimi açısından uygun bir habitattır.

Sıcak kompostlarda da termofilik bakteriyal kommuniteler bulunmaktadır. Kompostlaşma; aerobik, katı fazda bir işlem olup, organik atık materyallerin biyolojik olarak degrade olduğu, kendi kendine ısınan bir işlemdir. Kompostlaşma sırasında sıcaklık 65- 80 C ye kadar artar ve mikrobiyal populasyonlar açısından mezofilikten termofilik kommuniteye doğru hızlı bir dönüşüm oluşur (Blanc et al., 1999).

65-82 C arasındaki sıcaklıklardaki termojenik kompostlardan yüksek miktarda heterotrofik, gram negatif, çubuk şekilli, spor oluşturmayan termofilik bakteriler izole edilmiştir ve bunların Thermus cinsi ile akraba olduğu görülmüştür. Bu bakteriler, çalışılan farklı atık tiplerinde ve endüstriyel kompost sistemlerinde bulunmaktadırlar. İzolatlar, zengin kompleks ortamda 40-80 C arasında hızlı gelişmektedirler ve optimum gelişim sıcaklıkları 65-75 C dir.






Yüklə 354,88 Kb.

Dostları ilə paylaş:
  1   2   3   4   5   6   7




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©www.genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə