Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny. Katedra Technologii Chemicznej

Transkrypt

1 Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny Katedra Technologii Chemicznej Bezpieczeństwo Środowiskowe: Wpływ zanieczyszczeń na rozwój drobnoustrojów Przygotował: Dr inż. Andrzej P. Nowak 1

2 Część teoretyczna Drobnoustroje są to grupy organizmów, do których zaliczamy: wirusy, bakterie i organizmy bakteriopodobne, grzyby (za wyjątkiem grzybów kapeluszowych), glony jednokomórkowe (wyjątek glony plechowe) i pierwotniaki. Bakterie to najmniejsze istoty żywe, które można znaleźć w wodzie, glebie, powietrzu. O ile woda i gleba zapewniają dogodne warunki dla ich rozwoju o tyle powietrze nie jest środowiskiem sprzyjającym. Cechy, które umożliwiły bakteriom opanowanie różnych środowisk to: a) małe rozmiary, b krótki czas generacji c) różnorodność metaboliczna (zdolność do wykorzystania wielu źródeł węgla, azotu, energii, różnych końcowych akceptorów elektronów), d) zdolność adaptacji do zmieniających się warunków środowiska e) zdolność do życia w warunkach ekstremalnych (dotyczy to temperatury, ph, potencjału oksydo-redukcyjnego, ciśnienia osmotycznego, ciśnienia hydrostatycznego i bardzo niskich stężeń substancji pokarmowych) f) wytwarzanie form przetrwalnych. Należy jednak wspomnieć, że każde środowisko jest zamieszkałe przez właściwe sobie bakterie. Chcąc zatem otrzymać określony gatunek bakterii należy stosować odpowiednie procedury. Można tak dobrać parametry, aby uzyskać dany rodzaj drobnoustroju przy zahamowaniu wzrostu innych mikroorganizmów. Hodowla drobnoustrojów wymaga: 1) odpowiedni skład i konsystencja pożywki, 2) odpowiednia temperatura, 3) odpowiednie ph 4) odpowiednie rh (potencjał redoks opracowany przez Clarka) 5) obecności tlenu, dwutlenku węgla itp. Niemniej nie wszystkie bakterie i organizmy bakteriopodobne można hodować na podłożach laboratoryjnych. W naturze na bakterie działa całe środowisko. Wpływa to na wzrost i rozwój bakterii. Każdy z czynników (temperatura, promieniowanie, woda, ciśnienie, czynniki chemiczne), w pewnym zakresie natężenie swojego działania, nie wywiera żadnego efektu szkodliwego i umożliwia normalny rozwój bakterii. Temperatura wpływa na szybkość reakcji chemicznych (metabolizm) i stan fizykochemiczny cząsteczek białkowych (struktura). Przy wzroście temperatury o 10ºC szybkość reakcji chemicznych wzrasta 2-3 krotnie. Reakcje zachodzące w organizmach są reakcjami enzymatycz- 2

3 nymi. Osiągnięcie temperatury, która wpływa na strukturę enzymu powoduje naruszenie tej struktury co skutkuje zahamowaniem reakcji, a w nawet śmierci drobnoustroju. Promieniowanie (ultrafioletowe, jonizujące i widzialne) jest czynnikiem, który ma bardzo duży wpływ na wzrost i rozwój drobnoustrojów. Promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące są czynnikiem mutagennym silnie oddziałującym z materiałem genetycznym bakterii. W przypadku promieniowania widzialnego efekt niekorzystny jest związany z działaniem promieni ultrafioletowych (niewidoczne część widma słonecznego o długości fali nm). Część widzialna widma słonecznego wykazuje bardzo słabe działanie bakteriobójcze. Jest ono związane ze zjawiskiem fotouczulenia. Na wzrost i rozwój bakterii ma wpływ cieśninie osmotyczne i ciśnienie hydrostatyczne (mechaniczne). Większość bakterii może się rozwijać gdy stężenie soli nie przekracza 1,5 % wagowego. Dla porównania stężenie procentowe soli w wodzie morskiej sięga 6%. Zatem o ile bakterie są mało wrażliwe na zmiany ciśnienia osmotycznego podłoża o tyle większość bakterii może się rozwijać jedynie w ściśle określonych warunkach. Przekroczenie tej granicy powoduje, że funkcje drobnoustroju zostają zahamowane. Ciśnienie hydrostatyczne jest czynnikiem hamującym wzrost bakterii gdy przekroczy ono wartość 600 atmosfer. Pod pojęciem czynniki chemiczne rozumiemy wpływ kationów i anionów na wzrost i rozwój drobnoustrojów. Jednym z ważniejszych jonów jest jon wodorowy, którego ilość w środowisku jest bardziej znana pod pojęciem ph. Większość bakterii najlepiej rozwija się przy obojętnym lub słabo alkalicznym podłożu. Określone stężenie H + nie wpływa na wzrost bakterii lecz powoduje modyfikację ich właściwości fizjologicznych, np. produkcję toksyn. Obecność człowieka w ekosystemie powoduje, że drobnoustroje są narażone na kationy i aniony będące produktem ubocznym działalności ludzkości. Badania polskiego mikrobiologa Eisenberga wykazały, że metale o niższej masie atomowej są mniej toksyczne niż metale ciężkie. Ponadto kationy dwuwartościowe są bardziej toksyczne niż jednowartościowe. Poniżej zestawiano szereg anionów według wzrastającej toksyczności: SO 4 < S 2 O 3 < H 2 PO 2 < MoO 4 < Cl < Br=NO 3 < SO 3 < Fe(CN) 6 < ClO 3 < HPO 3 < SCN < ClO 4 < BrO 3 < I < H 2 PO 4 < benzoesany < nitroprusydek < AsO 4 < CrO 4 < P 2 O 7 < NO 2 < F < BF 4 < BO 3 < B 4 O 7 < Fe(CN) 6 < salicylany < HSeO 3 < IO 3 < S 2 O 8 < S 2 O 7 < TeO 4 < SbS 4 < OsO 4 < IO 4 < CrO 7 < TeO 3 Ponadto wrażliwość gatunków bakterii na działanie tych samych soli nie jest jednakowa. Właściwość tą wykorzystuje się przy sporządzaniu podłoży wybiórczych. Efekt działania soli zależy od obecności innych substancji w podłożu. Najsilniejsze działanie obserwuje się na podłożach nieodżywczych, np. w wodzie destylowanej. Zwiększoną toksyczność wykazują 3

4 niektóre kombinacje soli, które pojedynczo nie wywierają żadnego lub bardzo słabe działanie bakteriobójcze. Przykładem może być układ FeCl 2 z FeCl 3 o odpowiednim stężenie i stosunku obu soli. Efekt bakteriobójczy jest związany z powstaniem potencjału oksydoredukcyjnego Fe 2+ /Fe 3+. Natomiast wpływ metali ciężkich na toksyczność dotyczy ich wiązania z białkami. Skutkuje to zmianami w błonie cytoplazmatycznej oraz inaktywacji enzymów. 4

5 Ćwiczenie Celem ćwiczenia jest określenie wpływu zanieczyszczeń na wzrost drobnoustrojów. 1. Przygotowanie podłoża a) Przygotować pożywkę (zagotować wywar wraz z żelatyną) i rozlać na płytki Petriego, b) Po zastygnięciu podłoża wykonać posiew wg instrukcji, c) Przed dokonaniem posiewów płytki należy odpowiednio podpisać flamastrem na denku. 2. Izolowanie drobnoustrojów z powietrza metodą sedymentacyjną Kocha a) odstawić płytkę z pożywką w miejsce ekspozycji (poda prowadzący) b) zdjąć wieczko i wystawić pożywkę na działanie powietrza przez minut, następnie zakryć płytkę c) po 5 dniach inkubacji w temperaturze pokojowej określić czy nastąpiło namnożenie drobnoustrojów. Obliczyć liczbę drobnoustrojów korzystając z wzoru: a 100 L D = b t gdzie a liczba kolonii na płytce b powierzchnia płytki w cm przeliczenie powierzchni płytki na 100 cm 2 t współczynnik czasu (1 dla 5 minut, 2 dla 10 minut, 3 dla 15 minut) L D liczba drobnoustrojów w 10 dm 3 (wg założenia Omeliańskiego, że w ciągu 5 minut osiada na 100 cm 2 podłoża tyle mikroorganizmów ile jest w 10 dm 3 powietrza) Powietrze atmosferyczne uważamy za: - nie zanieczyszczone, jeśli ogólna liczba bakterii w 1 m 3 wynosi mniej niż 1000; - średnio zanieczyszczone, jeśli ogólna liczba bakterii w 1 m 3 wynosi od 1000 do 3000; - silnie zanieczyszczone, jeśli ogólna liczba bakterii w 1 m 3 wynosi więcej niż Izolowanie mikroorganizmów z gleby i określanie ich liczby a) gleba czysta (ogrodowa) Przygotowanie roztworu glebowego. W tym celu odważyć 10 g gleby zanieczyszczonej i wsypać do kolby zawierającej 90 ml soli fizjologicznej. Całość wytrząsać kilka minut w celu wymycia mikroorganizmów z cząstek gleby. Poczekać, aż cząstki stałe opadną na dno. Taki roztwór glebowy traktujemy jako rozcieńczenie 10-1 Przygotować dwa rozcieńczenia gleby (10-4 i 10-5 ) metodą pokazaną na rysunku poniżej 5

6 0,5 ml 0,5 ml 0,5 ml 0,5 ml V k 5,0 ml Wysiać na dwie płytki z pożywką po 0,1 ml każdego z rozcieńczeń 10-4 i b) gleba zanieczyszczona jonami wykonać czynności jak dla gleby czystej c) Po 5 dniach inkubacji policzyć kolonie na płytkach i obliczyć liczbę bakterii w 1 kg stosując wzór a LD = r m g gdzie a liczba kolonii na płytce r rozcieńczenie (10-4 lub 10-5 ) m g masa gleby [g] L D liczba drobnoustrojów W sprawozdaniu należy umieścić: 1) obliczyć liczbę drobnoustrojów w powietrzu i określić stopień zanieczyszczenia powietrza 2) obliczyć ilość drobnoustrojów w glebie: a) czystej, b) zanieczyszczonej Napisać wnioski na podstawie uzyskanych wyników. Literatura: W.J.H. Kunicki-Goldfinger, Życie bakterii, PWN 1994 H.G. Schlegel, Mikrobiologia ogólna, PWN