Informatie

Waarom bestaan ​​er nog F-bacteriën?


Wanneer een F+ bacterie conjugeert met een F-, maakt het de andere bacterie ook F+. Dus op de lange termijn zouden alle bacteriën F+ moeten zijn.

Is er een mechanisme dat F- naar F+ converteert? Zou het degeneratie van F-plasmide kunnen zijn?


Dus een gemakkelijke manier om een ​​cel van F+ naar F- te converteren, is door hem te verdelen zonder het plasmide correct te repliceren en over te brengen naar een dochtercel, waardoor je één F+ en één F- overhoudt. De cellen die F- zijn, hebben nu een selectief drukvoordeel ten opzichte van de F+-cellen, omdat ze nu niet de energie nodig hebben om een ​​plasmide te produceren wanneer ze zich delen. Als dat voordeel voldoende is om de frequentie van conjugatie te overwinnen, krijg je een populatie van F-cellen.


Biologische onsterfelijkheid

Biologische onsterfelijkheid (soms aangeduid als bio-onbepaald mortaliteit) is een toestand waarin het sterftecijfer door veroudering stabiel is of afneemt, waardoor het wordt losgekoppeld van de chronologische leeftijd. Verschillende eencellige en meercellige soorten, waaronder enkele gewervelde dieren, bereiken deze toestand gedurende hun hele bestaan ​​of nadat ze lang genoeg hebben geleefd. Een biologisch onsterfelijk levend wezen kan nog steeds sterven door andere middelen dan veroudering, zoals door verwonding, vergif, ziekte, gebrek aan beschikbare middelen of veranderingen in de omgeving.

Deze definitie van onsterfelijkheid is aangevochten in de Handboek van de biologie van veroudering, [1] omdat de toename van het sterftecijfer als functie van de chronologische leeftijd op extreem hoge leeftijden verwaarloosbaar kan zijn, een idee dat het late-levenssterfteplateau wordt genoemd. Het sterftecijfer kan op oudere leeftijd ophouden te stijgen, maar in de meeste gevallen is dat percentage doorgaans erg hoog. [2]

De term wordt ook door biologen gebruikt om cellen te beschrijven die niet onderworpen zijn aan de Hayflick-limiet voor hoe vaak ze zich kunnen delen.


Bacteriën: fossiele gegevens

Het lijkt misschien verrassend dat bacteriën überhaupt fossielen kunnen achterlaten. Een bepaalde groep bacteriën, de cyanobacteriën of "blauwgroene algen", heeft echter een fossielenbestand achtergelaten dat ver teruggaat tot in het Precambrium - de oudste bekende cyanobacteriënachtige fossielen zijn bijna 3,5 miljard jaar oud, een van de oudste fossielen die momenteel bekend. Cyanobacteriën zijn groter dan de meeste bacteriën en kunnen een dikke celwand afscheiden. Wat nog belangrijker is, cyanobacteriën kunnen grote gelaagde structuren vormen, genaamd stromatolieten (indien min of meer koepelvormig) of oncolites (indien rond). Deze structuren vormen zich wanneer een mat van cyanobacteriën groeit in een aquatische omgeving, sediment opsluit en soms calciumcarbonaat afscheidt. Bij zeer dunne coupes kunnen fossiele stromatolieten worden gevonden die prachtig bewaard gebleven fossiele cyanobacteriën en algen bevatten.

De afbeelding hierboven is een korte keten van cyanobacteriële cellen, afkomstig uit de Bitter Springs Chert in het noorden van Australië (ongeveer 1 miljard jaar oud). Zeer vergelijkbare cyanobacteriën leven tegenwoordig in feite, de meeste fossiele cyanobacteriën kunnen bijna worden verwezen naar levende geslachten. Vergelijk deze fossiele cyanobacterie met deze foto van de levende cyanobacterie Oscillatoria:

De groep laat zien wat waarschijnlijk het meest extreme conservatisme van de morfologie van alle organismen is.

Afgezien van cyanobacteriën zijn identificeerbare fossiele bacteriën niet bijzonder wijdverbreid. Onder bepaalde chemische omstandigheden kunnen bacteriële cellen echter worden vervangen door mineralen, met name pyriet of sideriet (ijzercarbonaat), waardoor replica's worden gevormd van de ooit levende cellen, of pseudomorfen. Sommige bacteriën scheiden met ijzer beklede omhulsels af die soms verstarren. Anderen kunnen zich in schelpen of rotsen boren en microscopisch kleine kanalen vormen in de schelp, dergelijke bacteriën worden aangeduid als: endolitisch, en hun boringen kunnen door het hele Phanerozoïcum worden herkend. Bacteriën zijn ook gevonden in barnsteen - gefossiliseerde boomhars - en in gemummificeerde weefsels. Het is soms ook mogelijk om de aanwezigheid van ziekteverwekkende bacteriën af te leiden uit fossiele botten die tekenen vertonen van besmetting toen het dier nog leefde. Misschien wel het meest verbazingwekkende zijn de fossielen die zijn achtergelaten door magnetobacteriën - een groep bacteriën die minuscule, nanometergrote kristallen van magnetiet (ijzeroxide) in hun cellen vormen. Magnetietkristallen die identificeerbaar zijn als bacteriële producten zijn gevonden in gesteenten zo oud als twee miljard jaar - met een grootte van een paar honderd miljoensten van een meter, deze bevatten het record voor de kleinste fossielen.

NIEUWS FLASH!Een van de heetste wetenschappelijke nieuwsberichten van het decennium is de ontdekking van mogelijke overblijfselen van bacterie-achtige organismen op een meteoriet van Mars. Maar zijn het echt fossielen? Hoe kunnen we erachter komen of ze echt zijn of niet? En wat konden ze ons vertellen over de geschiedenis van Mars -- en van het leven op onze eigen planeet? Paleontologen werken samen met ruimtewetenschappers om een ​​aantal fundamentele vragen over de mogelijke 'marsbacteriën' te beantwoorden. Er zal uiteindelijk een tentoonstelling op deze server komen over de 'Marsmicroben'. Totdat het klaar is, kun je foto's en nieuwsartikelen over de vondst bekijken, of meer te weten komen over Mars-meteorieten met dank aan het NASA Jet Propulsion Laboratory. --> Lees een UCMP-onderzoeksrapport: "Bacteriën en protozoa uit midden Krijt barnsteen van Ellsworth County, Kansas." Lees meer over gefossiliseerde filamenteuze bacteriën en andere microben, gevonden in Krijt barnsteen - een unieke manier van conserveren. Dit rapport is oorspronkelijk gepubliceerd in PaleoBios 17(1): 20-26. Dr. Raul Cano, van de California Polytechnic State University in San Luis Obispo, is erin geslaagd bacteriën te isoleren en nieuw leven in te blazen die in gefossiliseerde insecten gevangen zitten in barnsteen. Lees er alles over!

Bitter Springs chert fossiel afbeelding geleverd door J. William Schopf. het beeld van Oscillatoria werd geleverd door Alejandro Lopez-Cortes (CIBNOR, Mexico), Mark Schneegurt (Wichita State University) en Cyanosite.


Waar kunnen bacteriën worden gevonden?

Bacteriën behoren tot de meest talrijke organismen op aarde, legt Microbe World uit. Bacteriën komen vrijwel overal op aarde voor. Bacteriën zijn te vinden in de lucht, de bodem, het water, op planten, op dieren en zelfs op de huid van mensen.

Een deel van wat bacteriën zo overvloedig maakt, is hun vermogen om in verschillende soorten omgevingen te leven. Sommige bacteriën gedijen goed in extreem hete omgevingen, zoals die in kokend hete zwavelbronnen en geisers. Andere soorten bacteriën zijn in staat om subthermische vriestemperaturen te overleven die begraven liggen onder vele ijslagen, zoals die omstandigheden die worden aangetroffen in de superkoude Antarctische meren. Microben die in deze extreme omstandigheden leven, worden extremofielen genoemd.

Een enkele theelepel bovengrond bevat maar liefst een miljard bacteriecellen. Alleen al de menselijke mond herbergt meer dan 500 verschillende soorten bacteriën. Elke vierkante centimeter huid van het menselijk lichaam bevat ongeveer 100.000 bacteriën. Bacteriën kunnen niet alleen in extreme omstandigheden overleven, ze kunnen ook langdurig op oppervlakken overleven. Hoewel het niet haalbaar is om bacteriën uit het dagelijks leven te verwijderen, helpt het regelmatig handen wassen en het desinfecteren van oppervlakken waarmee je in contact komt, om de hoeveelheid bacteriën die je lichaam binnendringt te verminderen.


Het Instituut voor Creatieonderzoek

Archeeërs zijn verbazingwekkende microben die op compleet andere metabolische processen draaien dan andere microben. Het ontdekken van de eerste van hen moet zijn geweest als het vinden van een auto die rijdt op waterstofbrandstofcellen te midden van een landschap van benzine-aangedreven voertuigen. Dit was het voorrecht van evolutiebioloog Carl Woese, die op 30 december 2012 stierf. 1 Hoe interpreteerde hij deze bevindingen, en wat moeten we onthouden over zijn bijdragen?

Woese stond bekend om het toevoegen van een geheel nieuwe belangrijke classificatie van microben, archaea genaamd, waarover biologieboeken ruim tijdens zijn leven publiceerden. Maar de naam die aan dit unieke domein van het leven is toegekend, weerspiegelt evolutionaire concepten, niet de wetenschap.

De biochemie van deze kleine overlevenden is zo fundamenteel anders dan die van de meeste zuurstofverbrandende wezens dat evolutionisten zoals Woese geloofden dat het lang geleden moet zijn geëvolueerd toen de eerste normaal functionerende bacteriën zichzelf ook uitvonden. De naam "archaea" is afgeleid van het Griekse woord "arkhaios", wat oud of primitief betekent.

Maar hoewel deze bacteriën zoveel normen van microbieel leven trotseren, zien ze er helemaal niet oud uit. Wetenschappers observeren ze vandaag de dag levend, zij het op vijandige plaatsen zoals diepzee giftige ventilatieopeningen. Waarom zou je ze oud noemen als wetenschappers ze miljarden veronderstelde jaren geleden niet echt hebben waargenomen?

In feite kende Woese minstens twee redenen waarom archaea nooit geëvolueerd kon zijn. Ten eerste is hun fundamenteel verschillende biochemie volledig gevormd en goed ontworpen. 2 Het bestaat uit onderling afhankelijke arrays van moleculaire machines met in vorm passende eiwitdelen. De natuur alleen kan niet alle wonderbaarlijke biochemie genereren waarvan bekende zuurstofverbrandende cellen afhankelijk zijn, net zoals de natuur alleen geen benzinemotoren in auto's kan genereren. 3 Daarom verdubbelt de ontdekking van bacteriën die bijvoorbeeld op zwavel leven, zowel de biochemische barrières die evolutie niet kan overwinnen als de eer die de Schepper verdient om ze te bouwen. 4

Ten tweede, zonder microben en andere organismen met extreme diëten, zoals degenen die olie eten 5 of straling overleven 6 en andere extreme levensomstandigheden zoals verzadigd zout, zouden de levengevende eigenschappen van de aardse atmosfeer niet bestaan. Woese vertelde The New York Times in 1996: "Als microbieel leven zou verdwijnen, zou dat het zijn - onmiddellijke dood voor de planeet." 7 Dat betekent dat Woese bekend was met het verschijnen van een doel in bacteriën op planetair niveau. gemaakt om de grote aardesystemen te behouden die planten en dieren ondersteunen. 8

Het onthullen van de verbazingwekkende ontwerpen van de unieke manier van leven van archeeën is prijzenswaardig, maar door ze "archaïsch" te noemen, versterkt dit alleen maar de onwetenschappelijke evolutionaire ideeën. Helaas omvat de erfenis van Woese het verdraaien van de feiten van Gods schepping om te passen bij de onwaarheid van evolutie.

  1. Zielinska, E. Evolutionaire bioloog sterft. De wetenschapper. Geplaatst op the-scientist.com 2 januari 2013, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  2. Thomas, B. De extremen van de aarde verkennen in een zinloze zoektocht naar leven in de ruimte. Creation Science-update. 11 mei 2010, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  3. Morton, J.S. 1980. Glycolyse en alcoholische gisting. Handelingen en feiten. 9 (12).
  4. Sherwin, F. De prebiotische soep opwarmen. Instituut voor Creatie Onderzoek. Geplaatst op icr.org 1 september 2003, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  5. Thomas, B. Olie-etende bacteriën maken de Golf schoon. Creation Science-update. Geplaatst op icr.org 27 augustus 2010, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  6. Thomas, B. Het leven gedijt te midden van de overgebleven straling van Tsjernobyl. Creation Science-update. Geplaatst op icr.org 8 februari 2011, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  7. Blakeslee, S. De standvastige kampioen van Microbial Life. De New York Times. Geplaatst op nytimes.com 15 oktober 1996, geraadpleegd op 8 januari 2013.
  8. Thomas, B. Nieuwe inzichten in het stikstofbalanssysteem van de aarde. Creation Science-update. Geplaatst op icr.org 21 november 2011, geraadpleegd op 8 januari 2013.

Afbeelding tegoed: National Oceanic and Atmospheric Administration

* Dhr. Thomas is wetenschapsschrijver bij het Institute for Creation Research.


Hfr-stammen

Een belangrijke doorbraak kwam toen Luca Cavalli-Sforza een derivaat van een F+-stam ontdekte. Bij kruising met F − stammen produceerde deze nieuwe stam 1000 keer zoveel recombinanten voor genetische markers als een normale F+ stam. Cavalli-Sforza noemde dit derivaat een Hfr-stam om een ​​hoge frequentie van recombinatie aan te geven. In Hfr ×𠁟 − kruisingen werden vrijwel geen van de F − ouders omgezet in F+ of in Hfr. Dit resultaat is in tegenstelling tot F +  ×𠁟 − kruisingen, waar infectieuze overdracht van F ertoe leidt dat een groot deel van de F − ouders worden omgezet in F + . Figuur 7-6 geeft dit concept weer. Het werd duidelijk dat een Hfr-stam het gevolg is van de integratie van de F-factor in het chromosoom, zoals afgebeeld in figuur 7.6a.

Afbeelding 7-6

de overdracht van E coli chromosomale markers gemedieerd door F. (a) Af en toe combineert de onafhankelijke F-factor met de E coli chromosoom. (b) Wanneer de geïntegreerde F overgaat naar een andere E coli cel tijdens conjugatie, draagt ​​​​het elke E coli DNA (meer.)

Nu wordt tijdens conjugatie tussen een Hfr-cel en een F−-cel een deel van het chromosoom overgedragen met F. Willekeurige breuk onderbreekt de overdracht voordat het hele chromosoom is overgedragen. Het chromosomale fragment kan dan recombineren met het ontvangende chromosoom. Het lage niveau van chromosomale markeroverdracht waargenomen door Lederberg en Tatum (zie figuur 7-2) in een F +  ×𠁟 − kruising kan duidelijk worden verklaard door de aanwezigheid van zeldzame Hfr-cellen in de populatie. Wanneer deze cellen worden geïsoleerd en gezuiverd, zoals eerst gedaan door Cavalli, dragen ze nu chromosomale markers met een hoge frequentie over, omdat elke cel een Hfr is.


De ruimte onder je vingernagels is volledig ondoordringbaar voor de beste, meest eenvoudige middelen die we hebben om de verspreiding van ziekten te voorkomen

De onderzoekers redeneerden dat dit zou kunnen zijn omdat de ruimte tussen de huid en de nagel een perfecte omgeving creëert voor de groei en proliferatie van deze minuscule levensvormen, dankzij zowel de fysieke bescherming die de nagel biedt als al dat vocht. De eerdere bevindingen dat aanhoudend schrobben de hand niet steriliseert, gecombineerd met de bevinding uit hun onderzoek "dat er aanzienlijke aantallen bacteriën in het subunguale compartiment zijn, suggereren dat dit handgebied relatief ontoegankelijk kan zijn voor antimicrobiële middelen tijdens normale hand -wasprocedures”, schreven ze.

Denk er eens over na: de ruimte onder je vingernagels is volledig ondoordringbaar voor de beste en eenvoudigste middelen die we hebben om de verspreiding van ziekten te voorkomen.

Inderdaad, een klein maar bloeiend onderzoeksgebied blijft de aard van het microbiële leven dat op de vingernagels van verpleegkundigen leeft, onderzoeken. En niet alleen natuurlijke nagels, maar ook kunstnagels, of gelakte nagels.

Elke vingertop kan honderdduizenden bacteriën huisvesten (Credit: Getty Images)

In 1989, slechts een jaar na de studie van de Universiteit van Pennsylvania, schreef een groep verpleegkundigen: "Hoewel er onbeantwoorde vragen blijven over de veiligheid en bruikbaarheid van kunstnagels, zijn veel gezondheidswerkers bezweken voor modetrends en dragen ze nu kunstnagels".

De onderzoekers wilden zien of 56 verpleegsters met kunstnagels, die meestal langer zijn dan natuurlijke nagels en bijna altijd bedekt zijn met nagellak, meer bacteriën op hun vingertoppen hadden dan 56 verpleegsters met natuurlijke nagels. Ze wilden ook zien of handen wassen meer of minder effectief was voor mensen met kunstnagels.

Ze ontdekten dat verpleegsters met kunstnagels meer bacteriën aan hun vingertoppen hadden dan degenen met natuurlijke nagels, beide eerder en na handen wassen. Dat wil niet zeggen dat ze eigenlijk meer bacteriën aan hun patiënten overdroegen, noodzakelijkerwijs, alleen dat de bacteriën die op hun vingertoppen leefden talrijker waren. Toch is de veronderstelling dat meer bacteriën het potentieel voor overdracht van pathogenen op zijn minst vergroten.


Triclosan: het goede, het slechte en het onbekende

Een Zwitsers bedrijf genaamd Ciba-Geigy was de eerste die triclosan synthetiseerde en patenteerde in 1964, en in 1970 werd het over de hele wereld gebruikt als chirurgische scrub in ziekenhuizen. Tegenwoordig wordt geschat dat 3 van elke 4 antibacteriële vloeibare zepen die aan de gemiddelde consument worden verkocht, triclosan als het actieve ingrediënt bevat.

Hoewel het een nuttig onderdeel is van veel consumentenproducten zoals tandpasta's, zijn er enkele zorgen over het gebruik van triclosan. Studies uitgevoerd op cellen en dieren in laboratoria suggereren dat de chemische stof hormoonsignalering en andere biologische processen kan beïnvloeden. Er zijn ook aanwijzingen dat accumulatie van triclosan in het milieu een negatief effect heeft op organismen zoals algen in aquatische ecosystemen. Het is echter ook belangrijk erop te wijzen dat triclosan tot op heden niet direct in verband is gebracht met negatieve gezondheidseffecten bij mensen. Aan de andere kant is van enkele van de andere additieven die recentelijk door de FDA zijn verboden, zoals hexachlorofeen, direct aangetoond dat ze schadelijk zijn voor mensen, vooral bij hoge of herhaalde blootstelling. Gelukkig heeft de FDA voor dergelijke chemicaliën al jaren beperkingen om ervoor te zorgen dat de blootstelling aan consumenten zonder recept binnen veilige limieten blijft.

Ten slotte zijn er zorgen dat het gebruik van triclosan het risico op het genereren van resistente bacteriën kan verhogen. Het is goed gedocumenteerd dat bacteriën die normaal op uw huid worden aangetroffen, resistent kunnen worden tegen triclosan zelf. In het bijzonder hebben triclosan-resistente bacteriën typisch mutaties in eiwitten die enoyl-acyl-dragereiwitreductasen (ENR's) worden genoemd, die belangrijk zijn voor de biosynthese van celmembranen en ook doelwitten zijn voor andere klinisch gebruikte antibiotica zoals isoniazide. Dus wanneer bacteriepopulaties voortdurend worden blootgesteld aan triclosan, vooral door accumulatie in de omgeving, ontwikkelen ze mutaties in hun ENR's om de blootstelling te overleven. Het grootste probleem voor de volksgezondheid is dat deze ENR-mutaties deze bacteriën ook resistent kunnen maken tegen andere door artsen voorgeschreven antibiotica (Figuur 2). Als dit het geval is, kan het heel belangrijk zijn om het gebruik van triclosan te beperken tot alleen producten waar het het meest effectief is.

Figuur 2:Blootstelling aan het milieu aan triclosan helpt bacteriepopulaties bij het ontwikkelen van resistentiemutaties tegen triclosan en andere belangrijke antibiotica


Waarom bestaan ​​er nog F-bacteriën? - Biologie

Bacteriën zijn kleine organismen die overal om ons heen voorkomen. We kunnen ze niet zien zonder een microscoop omdat ze zo klein zijn, maar ze zijn in de lucht, op onze huid, in ons lichaam, in de grond en overal in de natuur.

Bacteriën zijn eencellige micro-organismen. Hun celstructuur is uniek omdat ze geen kern hebben en de meeste bacteriën celwanden hebben die lijken op plantencellen. Ze zijn er in allerlei vormen, waaronder staven, spiralen en bollen. Sommige bacteriën kunnen rondzwemmen met lange staarten, flagella genaamd. Anderen hangen gewoon rond of glijden langs.

Zijn bacteriën gevaarlijk?

De meeste bacteriën zijn niet gevaarlijk, maar sommige zijn en kunnen ons ziek maken. Deze bacteriën worden pathogenen genoemd. Ziekteverwekkers kunnen ziekten veroorzaken bij dieren en planten. Enkele voorbeelden van pathogenen zijn lepra, voedselvergiftiging, longontsteking, tetanus en buiktyfus.

Gelukkig hebben we antibiotica die we kunnen gebruiken om de slechte ziekteverwekkers te bestrijden. We hebben ook antiseptica om wonden schoon te houden van bacteriën en antibiotische zeep die we gebruiken om te wassen om slechte ziekteverwekkers af te weren. Denk eraan om je handen te wassen!

Helemaal niet. Eigenlijk zijn de meeste bacteriën erg nuttig voor ons. Ze spelen een belangrijke rol in het ecosysteem van de planeet en in het voortbestaan ​​van de mens.

Bacteriën werken hard voor ons in de bodem. Eén type bacterie, decomposers genaamd, breekt materiaal af van dode planten en dieren. Dit klinkt misschien een beetje vies, maar het is een belangrijke functie die helpt bij het creëren van aarde en het verwijderen van dood weefsel. Een ander type bacterie in de bodem is de Rhizobium-bacterie. Rhizobium-bacteriën helpen de grond te bemesten met stikstof voor planten om te gebruiken bij het groeien.

Ja, er zitten bacteriën in ons eten. Bah! Nou, ze zijn niet zo slecht en bacteriën worden gebruikt bij het maken van voedsel zoals yoghurt, kaas, augurken en sojasaus.

Bacteriën in ons lichaam

Er zijn veel goede bacteriën in ons lichaam. Een primair gebruik van bacteriën is om ons te helpen ons voedsel te verteren en af ​​te breken. Sommige bacteriën kunnen ons immuunsysteem ook helpen ons te beschermen tegen bepaalde organismen die ons ziek kunnen maken.


Waarom bestaan ​​er nog F-bacteriën? - Biologie

Methaanfermentatie is een veelzijdige biotechnologie die in staat is om bijna alle soorten polymere materialen onder anaërobe omstandigheden om te zetten in methaan en koolstofdioxide. Dit wordt bereikt als gevolg van de opeenvolgende biochemische afbraak van polymeren tot methaan en koolstofdioxide in een omgeving waarin een verscheidenheid aan micro-organismen, waaronder fermentatieve microben (acidogenen), waterstofproducerende, acetaatvormende microben (acetogenen) en methaanproducerende microben. (methanogenen) groeien harmonieus en produceren gereduceerde eindproducten. Anaëroben spelen een belangrijke rol bij het creëren van een stabiele omgeving in verschillende stadia van methaanfermentatie.

Methaanfermentatie biedt een effectieve manier om de vervuiling te verminderen, superieur aan die welke wordt bereikt via conventionele aerobe processen. Hoewel dit al tientallen jaren wordt toegepast, is de belangstelling voor anaërobe fermentatie pas recentelijk gericht op het gebruik ervan bij de economische terugwinning van stookgas uit industriële en landbouwoverschotten.

De biochemie en microbiologie van de anaërobe afbraak van polymere materialen tot methaan en de rollen van de verschillende betrokken micro-organismen worden hier besproken. Recente vooruitgang in de moleculaire biologie van methanogenen wordt besproken, nieuwe vergisters worden beschreven en verbeteringen in de werking van verschillende soorten bioreactoren worden besproken.

Methaanfermentatie is het gevolg van een reeks metabolische interacties tussen verschillende groepen micro-organismen. Een beschrijving van micro-organismen die betrokken zijn bij methaanfermentatie, gebaseerd op een analyse van bacteriën geïsoleerd uit rioolslibvergisters en uit de pens van sommige dieren, is samengevat in Fig. 4-1. De eerste groep micro-organismen scheiden enzymen uit die polymere materialen hydrolyseren tot monomeren zoals glucose en aminozuren, die vervolgens worden omgezet in hogere vluchtige vetzuren, H2 en azijnzuur (Fig. 4-1 stap 1). In de tweede fase zetten waterstofproducerende acetogene bacteriën de hogere vluchtige vetzuren, bijvoorbeeld propionzuur en boterzuur, om in H2, C02 en azijnzuur. Ten slotte zetten de derde groep, methanogene bacteriën H 2 , CO 2 en acetaat om in CH 4 en CO 2 .

Polymere materialen zoals lipiden, eiwitten en koolhydraten worden voornamelijk gehydrolyseerd door extracellulaire hydrolasen, uitgescheiden door microben die aanwezig zijn in stadium 1 (Fig. 4-1). Hydrolytische enzymen (lipasen, proteasen, cellulasen, amylasen, enz.) hydrolyseren hun respectieve polymeren tot kleinere moleculen, voornamelijk monomere eenheden, die vervolgens door microben worden geconsumeerd. Bij methaanfermentatie van afvalwater dat hoge concentraties organische polymeren bevat, is de hydrolytische activiteit die relevant is voor elk polymeer van het allergrootste belang, omdat polymeerhydrolyse een snelheidsbeperkende stap kan worden voor de productie van eenvoudiger bacteriële substraten die in daaropvolgende afbraakstappen kunnen worden gebruikt .

Lipasen zetten lipiden om in vetzuren met een lange keten. Een bevolkingsdichtheid van 10 4 - 105 lipolytische bacteriën per ml vergistingsvloeistof is gemeld. Clostridia en de micrococci lijken verantwoordelijk te zijn voor de meeste extracellulaire lipaseproducenten. De geproduceerde lange-keten vetzuren worden verder afgebroken door p-oxidatie om acetyl CoA te produceren.

Eiwitten worden over het algemeen gehydrolyseerd tot aminozuren door proteasen, uitgescheiden door Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas en Streptococcus. De geproduceerde aminozuren worden vervolgens afgebroken tot vetzuren zoals acetaat, propionaat en butyraat, en tot ammoniak zoals gevonden in Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter en Bacteroides.

Polysachariden zoals cellulose, zetmeel en pectine worden gehydrolyseerd door cellulasen, amylasen en pectinasen. De meeste microbiële cellulasen zijn samengesteld uit drie soorten: (a) endo-(3-l,4-glucanasen (b) exo-pl,4-glucanasen (c) cellobiase of p-glucosidase. Deze drie enzymen werken synergetisch op cellulose het effectief hydrolyseren van de kristalstructuur, om glucose te produceren Microbiële hydrolyse van ruw zetmeel tot glucose vereist amylolytische activiteit, die bestaat uit 5 amylasesoorten: (a) a-amylasen die a ±1-4 bindingen endocleëren (b) p-amylasen die een exoklieven ±1-4 bindingen (c) amyloglucosidasen die a ±l-4 exosplitsen en a ±l-6 bindingen (d) vertakkende enzymen die werken op a ±l-6 bindingen (e) maltase die inwerkt op maltose vrijmakende glucose Pectines worden afgebroken door pectinasen, inclusief pectinesterasen en depolymerasen.Xylansen worden afgebroken met een ²-endo-xylanase en een ²-xylosidase om xylose te produceren.

Hexosen en pentosen worden in het algemeen omgezet in C2- en C3-tussenproducten en in gereduceerde elektronendragers (bijv. NADH) via gemeenschappelijke routes. De meeste anaërobe bacteriën ondergaan hexosemetabolisme via de Emden-Meyerhof-Parnas-route (EMP), die samen met NADH pyruvaat als tussenproduct produceert. Het aldus gegenereerde pyruvaat en NADH worden omgezet in fermentatie-endo-producten zoals lactaat, propionaat, acetaat en ethanol door andere enzymatische activiteiten die enorm variëren met microbiële soorten.

Zo worden bij hydrolyse en acidogenese (Fig. 4-1 Fase 1) suikers, aminozuren en vetzuren geproduceerd door microbiële afbraak van biopolymeren achtereenvolgens gemetaboliseerd door fermentatie-endoproducten zoals lactaat, propionaat, acetaat en ethanol door andere enzymatische activiteiten die enorm variëren met microbiële soorten.

Zo worden bij hydrolyse en acidogenese (Fig. 4-1 Stadium 1) suikers, aminozuren en vetzuren geproduceerd door microbiële afbraak van biopolymeren achtereenvolgens gemetaboliseerd door groepen bacteriën en worden ze voornamelijk gefermenteerd tot acetaat, propionaat, butyraat, lactaat, ethanol, kooldioxide en waterstof (2).

Hoewel sommige acetaat (20%) en H2 (4%) direct worden geproduceerd door acidogene fermentatie van suikers en aminozuren, zijn beide producten voornamelijk afgeleid van de acetogenese en dehydrogenering van hogere vluchtige vetzuren (Fig. 4-1 Fase 2 ).

Obligaat H2-producerende acetogene bacteriën zijn in staat acetaat en H2 te produceren uit hogere vetzuren. Alleen Syntrophobacter wolinii, een propionaatontleder (3) en Sytrophomonos wolfei, een butyraatontleder (4) zijn tot dusver geïsoleerd vanwege technische problemen bij de isolatie van zuivere stammen, aangezien H2 geproduceerd, de groei van deze stammen ernstig remt. Het gebruik van co-cultuurtechnieken met H2-consumenten zoals methanogenen en sulfaatreducerende bacteriën kan daarom de opheldering van de biochemische afbraak van vetzuren vergemakkelijken.

De algemene afbraakreacties voor vetzuren met een lange keten worden weergegeven in tabellen 4-1 en 4-2. H 2 -productie door acetogenen is over het algemeen energetisch ongunstig vanwege de hoge behoefte aan vrije energie (a & 148G o, > 0 Tabel 4-1 en 4-2). Met een combinatie van H 2 -verbruikende bacteriën (Tabel 4-2, 4-3) bieden co-cultuursystemen echter gunstige omstandigheden voor de ontleding van vetzuren tot acetaat en CH 4 of H 2 S (a ”G o , < 0). Naast de ontleding van vetzuren met een lange keten, worden ethanol en lactaat ook omgezet in acetaat en H2 door respectievelijk een acetogeen en Clostridium formicoaceticum.

Het effect van de partiële druk van H2 op de vrije energie geassocieerd met de omzetting van ethanol, propionaat, acetaat en H2/C02 tijdens methaanfermentatie wordt getoond in Fig. 4-2. Een extreem lage partiële druk van H2 (10-5 atm) blijkt een significante factor te zijn bij de afbraak van propionaat tot CH4. Een dergelijke lage partiële druk kan worden bereikt in een co-cultuur met H2-consumerende bacteriën zoals eerder beschreven (Tabel 4-2.4-3).

Methanogenen zijn fysiologisch verenigd als methaanproducenten in anaerobe vergisting (Fig. 4-1 Stadium 3). Hoewel acetaat en H 2 / CO 2 de belangrijkste substraten zijn die in de natuurlijke omgeving beschikbaar zijn, worden formiaat, methanol, methylaminen en CO ook omgezet in CH 4 (Tabel 4-3).

Tabel 4-1 Voorgestelde reacties die betrokken zijn bij vetzuurkatabolisme door Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tabel 4-2 Veranderingen in vrije energie voor reacties met anaërobe oxidatie in zuivere culturen of in co-culturen met H2-gebruikmakende methanogenen of Desulfovibrio spp.

1. Protonreducerende (H 2 -producerende) acetogene bacteriën

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H 2 -gebruik van methanogenen en desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabel 4-3 Energieopwekkende reacties van methanogenen

CO 2 + 4 H 2 ® CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + ® CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O ® CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O

CO + 0,5 H 2 O ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3 ) 3 NH+ 1,5H 2 O ® 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Aangezien methanogenen, als obligate anaëroben, een redoxpotentiaal van minder dan -300 mV nodig hebben om te groeien, was hun isolatie en cultivatie enigszins ongrijpbaar vanwege technische problemen bij het hanteren ervan onder volledig O2-vrije omstandigheden. Als resultaat van een sterk verbeterde methanogeenisolatietechniek ontwikkeld door Hungate (6), zijn er nu echter meer dan 40 stammen van zuivere methanogenen geïsoleerd. Methanogenen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: H 2 /CO 2 - en acetaat-consumenten. Hoewel sommige H2/C02-consumenten formiaat kunnen gebruiken, wordt acetaat geconsumeerd door een beperkt aantal stammen, zoals Methanosarcina spp. en Methanothrix spp. (nu Methanosaeta), die niet in staat zijn om formaat te gebruiken. Aangezien in de natuurlijke omgeving een grote hoeveelheid acetaat wordt geproduceerd (Fig. 4-1), spelen Methanosarcina en Methanothrix een belangrijke rol bij de voltooiing van de anaërobe vertering en bij de accumulatie van H 2 , dat acetogenen en methanogenen remt. H 2 - consumerende methanogenen zijn ook belangrijk bij het handhaven van lage niveaus van atmosferisch H 2 .

H 2 / CO 2 -verbruikende methanogenen verminderen CO 2 als elektronenacceptor via de formyl-, methenyl- en methylniveaus door associatie met ongebruikelijke co-enzymen, om uiteindelijk CH 4 (7) te produceren (Fig. 4-3). De totale acetoclastische reactie kan worden uitgedrukt als:

Aangezien een klein deel van de CO 2 ook wordt gevormd uit koolstof afgeleid van de methylgroep, wordt vermoed dat het verminderde potentieel geproduceerd door de methylgroep CO 2 tot CH 4 kan verminderen (8).

Op basis van homologe sequentieanalyse van 16S-rRNA's zijn methanogenen geclassificeerd in een van de drie primaire koninkrijken van levende organismen: de Archaea (Archaebacteria). The Archaea also include major groups of organisms such as thermophiles and halophiles. Although Archaea possess a prokaryotic cell structure and organization, they share common feature with eukaryotes: homologous sequences in rRNA and tRNA, the presence of inn-ones in their genomes, similar RNA polymerase subunit organization, immunological homologies, and translation systems.

Recombinant DNA technology is one of the most powerful techniques for characterizing the biochemical and genetic regulation of methanogenesis. This necessitates the selection of genetic markers, an efficient genetic transformation system, and a vector system for genetic recombination as prerequisites.

Genetically marked strains are prerequisites for genetic studies: these strains can be employed to develop a genetic-exchange system in methanogens based on an efficient selection system. Since growth of M. thermoautotrophicum is inhibited by fluorouracil, analogue-resistant strains were isolated by spontaneous mutation. Other mutants resistant to DL-ethionine or 2-bromoethane sulfonate (coenzyme M analogue), in addition to autotrophic mutants, were obtained by mutagenic treatment. Several autotrophic strains were also obtained for the acetoclastic methanogen, M. voltae. These mutant strains are listed in Table 4-4.

Although some methanogen genes such as amino acid and purine biosysnthetic genes, transcription and translation machinery genes, and structural protein genes, have been cloned, genes encoding enzymes involved in methanogenesis were chosen as "methane genes" here.

Methyl CoM reductase (MR Fig. 4-3) constitutes approximately 10% of the total protein in methanogenic cultures. The importance and abundance of MR inevitably focused initial attention on elucidating its structure and the mechanisms directing its synthesis and regulation. MR- encoding genes have been cloned and sequenced from Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum and M. fervidus.

Formylmethanofuran transferase (FTR) catalyzes the transfer of a formyl group from formylmethanofuran (MFR) to tetrahydromethanopterin (H 4 MPT) (Fig. 4-3, 4-2). The FTR-encoding gene from M. thermoautotrophicum has been cloned, sequenced, and functionally expressed in E. coli. Formate dehydrogenase (FDH) may sometimes account for 2 to 3% of the total soluble proteins in methanogenic cultures. The two genes encoding the a ± and a ² subunits of FDH have been cloned and sequenced from M formicicum. In addition, the genes encoding F 420 -reducing hydrogenase (Fig. 4-3), ferredoxin, and ATPase have also been cloned.

Table 4-4 Auxotrophic and Drug-Resistant Mutants Applicable To Gene Transfer Experiments