מיקרואורגניזמים

מיקרואורגניזמים נמצאים בטבע בכל מקום. הם מפוזרים באוויר, במים ובקרקע והשפעתם על מנגנוני החיים גדולה ביותר. מה מאפיין אותם?

מיקרואורגניזמים מסוימים אינם מזיקים ואף מועילים, ולעומתם קיימים מיקרואורגניזמים הנקראים פתוגנים, שמזיקים ואף גורמים למחלות.

גם בתהליכים תעשייתיים השפעתם מורגשת היטב. אופי המיקרואורגניזמים וסוג התהליך קובעים מערכת יחסי גומלין היכולה להביא תועלת, או לגרום נזק.

כמו כל המערכות הביולוגיות, מיקרואורגניזמים מאופיינים בתכונות הבאות:

• יכולת לעכל חומרי מזון לצורך ייצור אנרגיה והתפתחות;
• יכולת להפריש פסולת;
• יכולת להתרבות;
• יכולת להגיב לשינויים סביבתיים;
• רגישות והסתגלות לשינויים;

המים מהווים סביבה מושלמת להתפתחות מיקרואורגניזמים מהסיבות הבאות:

• עקב היותם ממיס טוב, המים כוללים את כל היסודות הדרושים לבניית תאים ולצורכי מזון. היסודות החשובים ביותר לצורך ביוסינתזה הם:
  פחמן - C, מימן - H, חמצן - O, חנקן - N, זרחן - P, וגפרית - S.
  מיסודות אלה בנויים חלבונים (פרוטאינים) אשר מהווים חומר לבניית תאים של יצורים חיים.
  להלן שתי דוגמאות לנוסחאות אמפיריות המתארות את היחס בין יסודות אלה במיקרואורגניזמים שונים:
  
  1. אצות C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P
  2. בקטריות אארוביות - C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P
  המעגל של יסודות אלה בטבע, כולל השתתפות בתהליכי הבנייה של צורות חיים שונות.
  תאורטית, מקובל היום שצורות חיים ראשוניות נוצרו על פני כדור הארץ עקב תגובות בין מתן - CH₄, אמוניה - NH₃, גזי מימן - H₂ ומים - H₂O.
  הגופרית, אשר נמצאת מתחת לחמצן בטבלת היסודות, יוצרת במקרים רבים תרכובות דומות לאלה של החמצן.
  למשל: Ethanol - CH₃CH₂OH
  Ethyl mercaptan - CH₃CH₂SH
  חלק מהמיקרואורגניזמים יכולים להשתמש בגופרית מה-H₂S בדומה למיקרואורגניזמים אחרים המשתמשים בחמצן מהמים - H₂O כך:
  
  CO₂ + H₂O ^{Algal photosynthesis} › CH₂O+O₂
  
  CO₂ + H₂S ^{bacterial action} › CH₂O + 2S + H₂O
  
  
• מים משמשים כמדיום להולכת מזון למיקרואורגניזמים ולהרחקת הפסולת.
  
• מלחים מומסים במים גורמים ללחץ אוסמוטי כלפי תאים חיים ומאזנים את הלחץ בתא עצמו. מסיבה זו מיקרואורגניזמים החיים במי-ים ניזוקים לאחר העברתם למים טבעיים.
  

אצות - algae - הם צמחים, אשר הצורות הבסיסיות והפשוטות שלהן הם אורגניזמים חד-תאיים. אצות אחרות, לעומתן, יכולות להתפתח כקבוצות של תאים זהים. ללא קשר לגודל ולצורה, כל האצות כוללות כלורופיל (chlorophyll), החומר הירוק של עלי הצמח, האחראי על תהליך הפוטוסינתזה:


6CO₂ + 2H₂O ^{Chlorophyll (light)} › C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6O₂


מקור הפחמן בתהליך זה הוא פחמן דו חמצני אטמוספירי (CO₂).

בעזרת הכלורופיל נספג ה-CO₂ מן האוויר. ה-CO₂ הוא חומר דל אנרגיה. כדי להפוך CO₂ לתרכובות פחמן אורגניות עתירות אנרגיה, יש להשקיע אנרגיה.

התהליך הביולוגי המנצל אנרגיית אור ומשקיע אותה בפרודות אורגניות הוא תהליך הפוטוסינתזה. בתהליך זה הופכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית האצורה בקשרים כימיים קוולנטיים. תגובה זו נקראת פוטוסינתזה מכיוון שנדרשת אנרגיה של פוטונים מהשמש כדי שהיא תתרחש.

לתהליך זה נהוג לקרוא ייצור ראשוני (Primary production), מכיוון שהוא מהווה שלב ראשוני בשרשרת יצירת מזון, על-ידי הפיכת אנרגיית השמש לחומר אורגני. היחס בין היסודות בביומסה של אצות - C₁₀₆H₂₈₃O₁₁₀N₁₆ כלומר בין היסודות C:H:O הוא בקירוב 1:2.5:1, יחס הקרוב מאוד ליחס 1:2:1 בפחמימות (קרבוהידרטים).

כמות החמצן המיוצרת על-ידי אצות מושפעת באופן ישיר וביחס ישר מעוצמת אור השמש. כך קורה, שתכולת החמצן במים טבעיים גדלה ביום וקטנה בלילה. האצות מהוות מזון ליצורים גדולים יותר, כמו protozoa.

האצות בחלקן אף יכולות להפריש חומרים אורגניים רעילים.

תרשים מס' 1

פטריות (fungi) - הן צמחים בעלי מספר תאים חסרי כלורופיל. הן אינן מסוגלות לייצר את מזונן ולכן, לצורך התפתחותן, דרוש חומר אורגני מוכן כמו עץ, למשל.

בתוך קבוצת הפטריות נכללים הסוגים הבאים:
שמרים - yeasts
טחבים - mildews
עובשים - molds
ה-molds מתרבים על-ידי היווצרות ספורות - spores (=נבגים), (מעין זרע חד-תאי המשמש לרבייה של צמחים חסרי פרחים), אשר נסחפות עם זרם המים ונשארות לא פעילות זמן רב, במיוחד בתנאים שאינם מתאימים להתפתחות.

כאשר התנאים מאפשרים זאת, ה-spores הלא פעילות מתפתחות לאורגניזמים פעילים. חלק מהפטריות מהסוג ה-filamentous - דמויי חוט דקיק, מתרבים על-ידי שבירת חלק מהחוט. פטריות מסוג השמרים (yeasts) מתרבים על-ידי התפצלות התא לחצי, ויצירת שני תאים נפרדים, לאחר מכן. חלק מהפטריות מנוצלות בתעשייה לייצור כהלים, חומצות אורגניות וחומרים אנטיביוטיים.

בקטריות (Bacteria) - הם אורגניזמים חד-תאיים בעלי מידות קטנות ביותר. ניתן לראות אותם בעזרת מיקרוסקופ וגודלם בערך 1 מיקרון באורך ו-1/2 מיקרון ברוחב. הבקטריות בחלקן יכולות להתאחד למושבות בעלות מספר תאים. הבקטריות אינן משתתפות בתגובות הפוטוסינתזה, אלא מעכלות חומר אורגני הנמצא במים. במים טבעיים אלה הם, בדרך כלל, חומרי פירוק של אורגניזמים מתים (dead organic matter). בתהליך העיכול החומר האורגני הופך שוב ליסודות ולחומר אורגני לבניית תאים של הבקטריות עצמן.

מערכת ביולוגית יציבה חייבת לכלול בקטריות לצורך איזון בין מייצרים ראשוניים ושניוניים לבין מפרקים (decomposers). אם איזון זה לא יתקיים, יהיה איסוף של חומרי פירוק במים. חלק מהפרודות האורגניות המשמשות מזון לבקטריות הן בעלות מידות גדולות מדי מכדי שיוכלו לעבור דרך הממברנה של התא (plasma membrane). לצורך פתרון הבעיה, הבקטריות מייצרות אנזימים הנמצאים על גבי הממברנה. האנזימים מפרקים את הפרודות האורגניות הגדולות ומקטינים את גודלן לגודל שיוכלו לעבור דרך ממברנות התא.

תרשים מס' 2

קיימים סוגים רבים של בקטריות הנבדלות זו מזו על-פי התכונות הבאות:

• צורת הבקטריה:
  קיימות 3 צורות שונות לבקטריה והן: Cocci, Bacillus, Spirillum.
• הטמפרטורה הרצויה:
  הבקטריות נבדלות ביניהן גם ברגישותן לחום. לפי זה הבקטריות מחולקות ל-3 קבוצות:
  1. פסיכרופיליים - Psychrophilic, בקטריות המעדיפות מים קרים בטמפרטורה 0-25°C.
  2. מזופיליים - Mesophilic, בקטריות המעדיפות מים פושרים בטמפרטורה 20-45°C.
  3. תרמופיליים - Thermophilic, בקטריות הקיימות במים חמים בטמפרטורה 45-70°C.
     
     
     

     תרשים מס' 3

     
     
• צורך בחמצן
  הבקטריות מחולקות גם לפי צריכת החמצן:
  
  1. אאירוביים - Aerobic, נדרש חמצן לעיכול מזון. בהעדר חמצן הבקטריות לא יחיו.
  2. אנאירוביים - Anaerobic, הבקטריות יכולות לחיות רק בהעדר חמצן.
     הן משיגות את החמצן הדרוש על-ידי שבירת תרכובות הכוללות חמצן, כמו:HCO₃^- ,SO₄^2- ,NO₃^-, PO₄^3- וכו'.
  3. פקולטטיביים - Facultative, אלה הן בקטריות היכולות לחיות גם בנוכחות חמצן וגם בהעדרו, וקצב התפתחותן והתרבותן גדל בנוכחות חמצן.
  4. Indifferent, בקטריות היכולות לחיות גם בנוכחות חמצן וגם בהעדרו, וקצב התפתחותן והתרבותן גדל בהיעדר חמצן.
  
  
• מקור המזון:
  
  1. אוטוטרופיים - Autotrophic Bacteria, בקטריות המייצרות אנרגיה על-ידי חמצון חומרים אי-אורגניים.
  2. הטרוטרופיים - Heterotrophic Organisms מפיקות אנרגיה גם מחומרים אי-אורגניים וגם מחומרים אורגניים.
  3. פרטרופיים - Paratrophic Organisms, פרזיטים אשר מעכלים חומר אורגני חי.
  4. Saprotrophic Organisms, הבקטריות המתקיימות על-ידי עיכול של חומר אורגני מת או מתפרק.

תנאי החיים של המיקרואורגניזמים: קצב התפתחות וגדילה של מיקרואורגניזמים מושפע מגורמים פיסיקליים כמו pH וטמפרטורה, ומגורמים כימיים כמו נוכחות חמצן, חומרים מחמצנים, מתכות כבדות וחומרים אורגניים רעילים.

פירוט התנאים ההכרחיים הוא כדלהלן:

סביבה מימית
אצות ובקטריות אינן יכולות להתקיים ללא שכבה, דקה לפחות, של מים העוטפת את גופן. המים דרושים להולכת גזים, יונים וחומרי מזון לתוך התאים לצורך התפתחות והתרבות.

PH
למים חומציים (pH נמוך) ישנה השפעה גדולה מאוד על הפעילות הביולוגית במים עקב ריסון פעילות האנזימים.

הבקטריות בחלקן מסוגלות עם זאת להתקיים בתנאי חומציות (למשל, בקטריות במים ממכרות פחם). לרוב הבקטריות יש pH אופטימלי לצורך התפתחות והוא pH=7, כאשר בתחום ה-pH6.5-8.5 השינויים בהתפתחות הם קטנים ביותר. קצב ההתרבות יורד באופן משמעותי מתחת ל-6.5=pH ומעל 8.5=pH. רק בקטריות מעטות שורדות ב-pH<4 וב-pH>9.5 בגלל הפגיעה בחלבונים על-ידי יוני H⁺ או OH^- בתחומי pH אלה. האצות יכולות להתקיים גם בסביבה בסיסית על-ידי פירוק דו-פחמות לפחמות כדי ליצור CO₂ הדרוש לתגובת הפוטוסינתזה, עקב העדר CO₂ חופשי ב-pH הגבוה מ-9. רוב הפטריות מתפתחות טוב ב-pH=6 ופעילותן מרוסנת ב-pH=7-8. הן יכולות להתפתח גם ב-pH נמוך עד 4.5, מאחר שכמות החלבונים בפטריות קטנה בהרבה מאשר בבקטריות.

באופן כללי ניתן לקבוע, שרוב המיקרואורגניזמים מתפתחים בצורה אופטימלית ב-pH 6.5-8.5.

ל-pH יש גם השפעה עקיפה על הפעילות הביולוגית על-ידי יצירת לחץ אוסמוטי של גזים במים. למשל: אמוניה בתנאים בסיסיים, או H₂S בתנאים חומציים. בריכוזים של 50-200 חב"מ, אמוניה יכולה לעבור מחסום אוסמוטי ולחדור דרך הממברנה לתוך תא המיקרואורגניזמים.

השפעת הטמפרטורה
מכיוון שתהליכי התפתחות מיקרואורגניזמים מבוססים על תגובות כימיות, ומהירות התרחשות תגובות אלה גדלה עם עליית הטמפרטורה, גם תגובות מיקרוביולוגיות מתרחשות מהר יותר, עם עליית הטמפרטורה עד ל-37°C. מעל טמפרטורה זו הפעילות הבקטריאלית קטנה בהרבה בגלל פגיעה בחלבונים (denaturation). ניתן לקבוע כי פעילות מיקרוביולוגית מכפילה את עצמה כל 10°C בדומה לתגובות כימיות. רוב המיקרואורגניזמים מתים בטמפרטורה מעל 40°C, כאשר בכל זאת קיימת קבוצת בקטריות (thermophills) אשר יכולה להתפתח היטב גם בטמפרטורות גבוהות.

תכולת חמצן
רוב המיקרואורגניזמים הם אאירוביים הדורשים חמצן לצורך התפתחותם, כאשר ברובם הם יכולים להסתגל לתנאי מחסור בחמצן. כך למשל רוב הבקטריות בטיפולים ביולוגיים הן פקולטטיביות וכאשר תכולת החמצן יורדת, הן מחליפות מנגנון התפתחות מאאירובי לאנאירובי. מנגנון זה מתחלף בריכוז חמצן בין 0.2-0.3 חבמ. פטריות מתקיימות אפילו בריכוז חמצן קטן ביותר השואף לאפס. האצות מייצרות את החמצן כחלק מתהליך הפוטוסינתזה.
מזון: nutrients
נוסף ליסודות הבסיסיים הנדרשים לביוסינתזה כמו: P, S, N, O, H, C ידועים גם יסודות שיש להם חשיבות משנית, למשל קובלט -Co , נחושת -Cu , בורון -B , מוליבדן -Mo ,

ברזל -Fe , פוטסיום -K . מנגן (Mn) נדרש גם כן על-ידי כל המיקרואורגניזמים ובמיוחד על-ידי אצות מכיוון שהוא נמצא בפרודות הכלורופיל. מתכות אלה דרושות בכמויות קטנות לצורך בניית התאים, בעוד שבכמויות גדולות הן מהוות רעל למיקרואורגניזמים.

מתכות כבדות כמו ברזל, אלומיניום, כרום, נחושת ואבץ מגיבות ונקשרות לחלבונים של האנזימים ועל-ידי כך מרסנות את הפעילות הביולוגית. מידת הרעילות של המתכות נמצאת ביחס ישר לשטח הפנים הכולל של מיקרואורגניזמים. במקרים שבהם יש יותר מיקרואורגניזמים בנפח נתון ובהתאם לכך שטח הפנים הכולל גדול ביותר, השפעת המתכות תהיה גדולה ביותר.

השפעת רעלים

• לפי איפיון בקטריות, על-פי הביולוג Gram, ניתן להבחין בשתי קבוצות עיקריות:
  
  1. אלה המפתחים צבע כחול אחרי טיפול מיוחד ביודין נקראים חיוביים (Gram positive).
  2. אלה המפתחים צבע אדום אחרי טיפול מיוחד ביודין נקראים שליליים (Gram negative)
• על-פי הגדרה זו, רוב הבקטריות במים הן שליליות.
  התברר, כי בקטריות אלה נמצאות במים במצב תרחיפי בצורת חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי (יש להן זטה-פוטנציאל שלילי).
  כמו כל החלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי, במצב תרחיפי, הבקטריות מושפעות מחומרים פעילי שטח קטיוניים.
  כך קורה, שאמין רבעוני, חומר פעיל שטח קטיוני, מהווה רעל לבקטריות.
• חומרים מחמצנים כמו O, Cl יכולים להתחבר לפרודות החלבונים עם היווצרות קשרים יציבים (למשל, N-Cl) ולכן הם רעילים לכל היצורים החיים.
• פנולים למיניהם יכולים להסתנן דרך דופן התאים החיים ולגרום, בסופו של דבר, לשיקוע חלבונים.
  בקטריות יכולות לפתח עמידות נגד פנולים וגם ספורות של פטריות עמידות נגדם.
  נוסף לפנולים, ישנם חומרים ארומטיים רבים אחרים המהווים רעל למיקרואורגניזמים בגלל תגובות כימיות עם החלבון שבתאים.על-ידי כך נמנעת פעילות רגילה של האנזימים.
  אחת הדוגמאות לחומרים אלה היא: formaldehyde.
• ציאנידים ותיאוציאנטים מגיבים עם הברזל שבתאים וכתוצאה מכך גורמים למוות מיידי של התאים.
• חלק מהאצות מפרישות אנזימים בעלי פעולה אנטיביוטית נגד בקטריות וגורמים על-ידי כך לריסון התפתחותן.