Bakterie

Autor: PAVEL

V souvislosti s bakteriemi často přichází na mysl dělení na gram-pozitivní a gram-negativní bakterie. Toto rozdělení je založeno na rozdílech v buněčné stěně bakterií, které se projevují různými reakcemi na Gramovo barvení, tradiční mikrobiologickou techniku. Zajímavé je, že jak gram-pozitivní, tak gram-negativní bakterie se vyskytují nejen v lidském těle, ale i v půdě. Některé druhy jsou specifické pro určité prostředí, zatímco jiné mohou být společné pro obě. Například, bakterie rodu Staphylococcus, které jsou gram-pozitivní, se vyskytují jak v půdě, tak na lidské kůži.

Je důležité si uvědomit, že rozdíly v gramovém barvení, respektive v struktuře buněčné stěny, které odlišují gram-negativní a gram-pozitivní bakterie, samy o sobě nezpůsobují unikátní funkce bakterií v půdě. Tyto rozdíly jsou spíše výsledkem evolučního vývoje a adaptací, které ovlivňují schopnosti a role bakterií v různých prostředích. Například, schopnost některých gram-pozitivních bakterií rozkládat lignin v půdě není přímo způsobena jejich gram-pozitivní charakteristikou, ale je spíše důsledkem specifických enzymů a metabolických drah, které se vyvinuly v průběhu evoluce.

Jak se ocitnou v půdě?

Bakterie jsou přirozeně přítomné v prostředí a mohou kolonizovat nové oblasti, když jsou podmínky příznivé. To zahrnuje oblasti, kde se hromadí organický materiál, jako jsou listy a odumřelé rostliny, které poskytují živiny a podporují růst bakterií.  Do půdy dostávají prostřednictvím různých cest a mechanismů, které jsou závislé na jejich fyzikálních, biologických a ekologických charakteristikách. Tento proces je nejen zásadní pro udržení biodiverzity a funkčnosti půdního ekosystému, ale také odráží dynamickou interakci mezi různými složkami životního prostředí.

Významnou cestou, jak se bakterie dostávají do půdy, je prostřednictvím vody. Dešťová voda nebo zavlažování může spláchnout bakterie do půdy z různých zdrojů, jako jsou rostliny, povrchové vody nebo dokonce zvířata. Tento proces může zahrnovat i bakterie, které jsou původně neškodné, ale v půdě mohou získat nové funkce nebo se stát patogenními. Větrná eroze a prach jsou dalšími faktory, které přispívají k šíření bakterií v půdě. Bakterie mohou být přenášeny větrem z jednoho místa na druhé, a to i na velké vzdálenosti. Tento mechanismus je obzvláště významný v suchých a pouštních oblastech, kde větrná eroze hraje klíčovou roli v přemísťování půdních částic. Zvířata také hrají důležitou roli v distribuci bakterií v půdě. Pohyb zvířat, ať už se jedná o hmyz, ptáky, savce nebo dokonce člověka, může přenášet bakterie z jednoho místa na druhé. Například, zvířata, která se živí rostlinami nebo jinými organismy, mohou přenášet bakterie ve svých trávicích systémech a šířit je prostřednictvím svých výkalů. Lidská činnost je dalším významným faktorem, který ovlivňuje distribuci bakterií v půdě. Zemědělské praktiky, jako je orba, setí a sklizeň, mohou přenášet bakterie z jedné části pole na druhou. Používání hnojiv a kompostu také přispívá k zavádění nových bakterií do půdního prostředí.

Jak hluboko?

Bakterie v půdě se nacházejí především v horních vrstvách, známých jako horizonty A a B, což souvisí s několika klíčovými faktory, které ovlivňují jejich distribuci a aktivitu. Toto rozložení bakterií v různých půdních horizontech je výsledkem kombinace fyzikálních, chemických a biologických procesů. 

Horizont A je vrchní vrstva půdy, která obsahuje největší množství organického materiálu. Tento organický materiál poskytuje bakteriím bohatý zdroj živin a energie, což je nezbytné pro jejich růst a množení. V této vrstvě dochází k intenzivnímu rozkladu organické hmoty, což vede k uvolňování živin, jako jsou dusík, fosfor a draslík. Bakterie jsou klíčové pro tento proces, protože pomáhají rozkládat organickou hmotu a uvolňovat tyto živiny do půdy. Horizont A obvykle také udržuje vyvážený poměr vlhkosti a vzdušnosti, což je ideální pro bakteriální aktivitu. Bakterie potřebují vlhkost pro svůj metabolismus, ale zároveň potřebují dostatek vzduchu pro dýchání.

Horizont B má obvykle nižší obsah organického materiálu ve srovnání s horizontem A. I když se zde mohou vyskytovat bakterie, jejich počet a aktivita jsou obvykle nižší kvůli omezenějším zdrojům živin V horizontu B ovšem mohou bakterie interagovat s kořeny rostlin, které pronikají do této hloubky. Tyto interakce mohou zahrnovat symbiotické vztahy, jako je fixace dusíku. Totiž některé bakterie, jako jsou rod Rhizobium u luštěnin, mohou vstoupit do symbiotického vztahu s kořeny rostlin. Tento vztah začíná, když specifické signální molekuly vylučované kořeny rostlin přitahují bakterie. Bakterie reagují na tyto signály a přiblíží se k kořenům. Jako odpověď na signály rostlin, bakterie produkují a vylučují lipochitooligosacharidy, známé jako nodulační faktory. Tyto molekuly jsou detekovány specifickými receptory rostlin a spouštějí řadu změn v kořenech, které vedou k vytvoření kořenových hlízek.

Kořenové hlízky

Proces vytváření kořenových hlízek začíná, když kořenové buňky rostliny detekují nodulační faktory, což jsou lipochitooligosacharidy produkované bakteriemi fixujícími dusík. Tyto molekuly jsou rozpoznány specifickými receptory na povrchu kořenových buněk, což spouští řadu signálních drah uvnitř rostlinné buňky. Tato interakce vede k lokálním změnám v morfologii kořenových buněk, včetně zvýšeného buněčného dělení v pericyklu a kortexu, což jsou vrstvy buněk v kořenech. V reakci na nodulační faktory se také vytváří infekční vlákno, struktura umožňující bakteriím proniknout dovnitř kořene. Toto vlákno je vytvořeno z buněčné stěny a cytoplazmy hostitelské rostliny.

Souběžně dochází k aktivaci řady genů v kořenových buňkách, které jsou zodpovědné za další kroky v procesu formace hlízky. Rostlinné buňky produkují různé signální molekuly, které regulují růst a diferenciaci buněk potřebných pro vytvoření hlízky. V důsledku těchto signálů dochází k diferenciaci buněk v oblasti, kde se bude hlízka formovat, což zahrnuje změny v buněčném cyklu, metabolismu a struktuře. Postupně se tak formuje struktura hlízky, skládající se z několika typů specializovaných buněk, včetně buněk obsahujících bakterioidy, což jsou bakterie přeměněné na formu schopnou fixace dusíku.

Symbióza

Jakmile jsou bakterie uvnitř hlízky, rostlina vytváří specifické prostředí, které umožňuje efektivní fixaci dusíku a zároveň poskytuje bakteriím potřebné živiny. Tento proces je příkladem vysoce koordinované interakce mezi rostlinou a bakteriemi, kde každý krok je pečlivě regulován na genetické, biochemické a buněčné úrovni. 

Bakterie vstupují do kořenových buněk rostliny a v těchto buněk se začnou množit. V reakci na to rostlina vytváří speciální struktury, které obklopují bakterie a poskytují jim prostředí pro život a jejich činnost. 

Jaké prostředí?

Kořenové hlízky poskytují fyzickou ochranu bakteriím fixujícím dusík před nepříznivými podmínkami v půdě, jako jsou extrémní teploty, pH, osmotický stres nebo patogeny. Tato ochrana je zajištěna několika způsoby. Hlízky jsou obklopeny buněčnou stěnou a peridermem, což jsou struktury, které fyzicky oddělují bakterie od vnějšího prostředí. Buněčná stěna a membrány v hlízkách dále regulují průnik látek dovnitř a ven, což umožňuje udržení stabilního vnitřního prostředí pro bakterie.

V kořenových hlízkách je klíčové pro efektivní fixaci dusíku kyslíkové prostředí , protože enzym nitrogenáza, který katalyzuje fixaci dusíku, je velmi citlivý na kyslík. Rostliny používají několik mechanismů k regulaci hladiny kyslíku: Produkují protein nazývaný leghemoglobin, který se vyskytuje v cytoplazmě buněk hlízky. Leghemoglobin má vysokou afinitu ke kyslíku a působí jako nosič kyslíku, udržující jeho koncentraci na nízké, ale stále dostatečné úrovni pro respiraci bakterioidů. Tímto způsobem leghemoglobin chrání nitrogenázu před inaktivací kyslíkem a zároveň zajišťuje, že bakterioidy mají dostatek kyslíku pro svůj metabolismus. Také struktura hlízky pomáhá regulovat hladinu kyslíku. Buněčné stěny a membrány v hlízkách jsou uspořádány tak, aby omezily průnik kyslíku do vnitřních částí, kde se nacházejí bakterioidy. Rostlinné buňky v hlízkách mohou také regulovat hladinu kyslíku prostřednictvím své vlastní metabolické aktivity, například zvýšením respirace, která spotřebovává kyslík.

Fixace atmosférického dusíku

Klíčovým aspektem této symbiózy je schopnost bakterií fixovat atmosférický dusík. Dusík je pro rostliny nezbytný, ale mnoho rostlin není schopno využít dusík přímo z atmosféry, který je ve formě N2. Bakterie v kořenových hlízkách však mají enzym nazývaný nitrogenáza, který umožňuje přeměnu atmosférického dusíku (N2) na amoniak (NH3), formu dusíku, kterou mohou rostliny využít. Tento proces vyžaduje značné množství energie, kterou bakterie získávají z organických sloučenin poskytovaných rostlinou. Rostlina poskytuje bakteriím sacharidy a další nutrienty, které jsou produktem fotosyntézy. Výměnou za to bakterie poskytují rostlině amoniak, který je dále v rostlině přeměňován na aminokyseliny a další dusíkaté sloučeniny nezbytné pro růst rostliny. Amoniak  je pro rostliny klíčovým zdrojem dusíku. Amoniak je nejprve přeměněn na glutamát a poté na další aminokyseliny pomocí různých enzymatických reakcí.

Tato symbióza je dynamická a je regulována podle potřeb obou organismů. Například, pokud je v půdě dostatek dusíku, rostliny snižují produkci signálních molekul a tím omezují formaci nových hlízek. Naopak, při nedostatku dusíku v půdě rostliny zvyšují produkci signálních molekul, aby přilákaly více bakterií a zvýšily fixaci dusíku. 

A co rostliny, které tento mechanismus nemají?

Klíčové je se zaměřit na proces zvaný mineralizace. V ekologii a půdoznalství se mineralizací myslí proces, při kterém se organické sloučeniny rozkládají na anorganické formy. Tento proces je základním kamenem cyklu dusíku v půdě a hraje nezbytnou roli v poskytování dusíku rostlinám, které nejsou schopny fixovat atmosférický dusík prostřednictvím symbiózy s bakteriemi. Mineralizace je biologický proces, při kterém půdní mikroorganismy, jako jsou bakterie a houby, rozkládají organický materiál, např. mrtvé rostliny, zvířecí zbytky a výkaly. Tento organický materiál obsahuje dusík ve formách, které nejsou přímo přístupné rostlinám, jako jsou proteiny, nukleové kyseliny a další organické dusíkaté sloučeniny. Mikroorganismy tyto složky rozkládají na jednodušší anorganické formy, zejména na amoniak (NH4+) a nitráty (NO3-).

Proces mineralizace dusíku v půdě je biochemicky poměrně složitý. Zahrnuje několik kroků, při kterých mikroorganismy přeměňují organický dusík na formy, které mohou být přímo využity rostlinami. Detailněji se podíváme na jednotlivé fáze tohoto procesu:

1. Amonifikace začíná, když mikroorganismy (zejména bakterie a houby) v půdě začnou rozkládat organické látky, které obsahují dusík. Během tohoto procesu enzymy produkované těmito mikroorganismy, jako jsou proteázy, rozkládají složité dusíkaté organické sloučeniny, např. jsou proteiny, peptidy a aminokyseliny. Výsledkem tohoto rozkladu jsou jednodušší sloučeniny, jako jsou aminokyseliny, které jsou následně dále deaminovány, což vede k uvolnění amoniaku (NH3) nebo amonných iontů (NH4+).

2. Nitrifikace začíná, když nitrifikační bakterie, typicky je Nitrosomonas, oxidují amoniak (NH3) na nitrit (NO2-). Tento proces je katalyzován enzymem amonoxidáza. Následně další skupina nitrifikačních bakterií, jako je Nitrobakterie, oxiduje nitrit na nitrát (NO3-). Tento krok je katalyzován enzymem nitritoxidáza. Nitráty jsou dobře rozpustné ve vodě a snadno dostupné pro rostliny. Kořenovým systémem jsou absorbovány a přepraveny do různých částí rostliny.

3. V rostlinných buňkách jsou nitráty nejprve redukovány na nitrit pomocí enzymu nitrát reduktázy a následně na amoniak pomocí nitrit reduktázy. Amoniak je poté včleněn do organických sloučenin, zejména aminokyselin, prostřednictvím různých biochemických drah, jako je glutamát syntáza a glutamín syntetáza. Aminokyseliny jsou následně využity rostlinami k syntéze proteinů a dalších důležitých dusíkatých sloučenin, jako jsou nukleové kyseliny, které jsou nezbytné pro růst a vývoj rostliny.

Amonikak a jak to s ním je?

Ten bod 3 si trošku rozebereme. Když rostliny absorbují amoniak, stojí před úkolem jeho efektivního využití a přeměny na užitečnější formy. Zde vstupují na scénu klíčové enzymy, jako jsou glutamát syntáza a glutamín syntetáza, které hrají centrální roli v tomto přeměňovacím procesu. Glutamín syntetáza je mistrem v zachycování amoniaku a jeho včleňování do organických molekul. Funguje tak, že katalyzuje přidání amoniakového iontu (NH4+) k glutamátu, což vytváří glutamín. Glutamín je nejen aminokyselina, ale také klíčový nosič dusíku v rostlinných buňkách. Tento krok je nejen biochemicky elegantní, ale také vitální, protože detoxikuje amoniak, který může být v vyšších koncentracích pro buňku toxický. Po vytvoření glutaminu přichází na řadu další krok, kde glutamát syntáza převede glutamín zpět na glutamát. Tento proces je známý jako glutamin: 2-oxoglutarát aminotransferáza (GOGAT) cyklus. Zde glutamín nejenže ztrácí amoniakovou skupinu, ale tato skupina je efektivně přesunuta na oxoglutarát, což vede k vytvoření další molekuly glutamátu.

Co je na tomto procesu pěkné, je jeho dvojí úloha. Nejenže recykluje glutamín, ale zároveň zvyšuje dostupnost glutamátu, který je stěžejní křižovatkou v metabolických drahách rostlin. Glutamát není pouze aminokyselina; je to středobod, kde se setkává mnoho metabolických cest. Může být použit pro syntézu dalších aminokyselin, jako jsou prolin a arginin, nebo může sloužit jako východisko pro syntézu dalších důležitých dusíkatých sloučenin.

Tento proces proměny amoniaku v aminokyseliny je skvělým příkladem, jak rostliny mají schopnost přetvářet jednoduché, anorganické sloučeniny v komplexní organické molekuly, které jsou základem života. Skrze tuto biochemickou alchymii rostliny nejenže zajišťují svůj růst a vývoj, ale také přispívají k obnově a udržení celého ekosystému.

Bioremediace

Bioremediace je proces, který hraje klíčovou roli v ochraně a obnově zdraví ekosystémů, které byly poškozeny lidskou činností, zejména znečištěním. Tento přístup je zaměřen na využití mikroorganismů, zejména bakterií a hub, k odstraňování nebo neutralizaci toxických látek v prostředí. Mnoho oblastí, od průmyslových míst po zemědělské plochy, je znečištěno škodlivými chemikáliemi, jako jsou těžké kovy, pesticidy a ropné produkty. Bioremediace pomáhá obnovit tyto oblasti tím, že snižuje nebo odstraňuje tyto toxické látky, což umožňuje ekosystémům regenerovat. Těžké kovy a jiné toxické látky mohou být bioakumulovány v potravních řetězcích, což může vést k vážným zdravotním problémům u živých organismů, včetně lidí. Bioremediace pomáhá snižovat úrovně těchto kontaminantů, tím snižuje riziko bioakumulace. Půda bez toxických kontaminantů je zásadní pro udržitelné zemědělství. Znečištění půdy těžkými kovy a jinými chemikáliemi může snížit plodnost půdy a negativně ovlivnit růst rostlin.

Redukce těžkých kovů

V případě těžkých kovů, jako je olovo nebo rtuť, mají některé bakterie schopnost přeměnit toxické formy těchto kovů na méně toxické nebo dokonce inertní formy. To se často děje prostřednictvím redukčních reakcí, kde například toxická rtuť (Hg2+) může být redukována na elementární rtuť (Hg0), která je méně rozpustná a mobilní. Co se týče rtuti, klíčovou součástí tohoto procesu je enzymatická redukce. Bakterie produkují enzymy, které mohou přeměnit Hg2+ na Hg0. Tento proces je často katalyzován specifickými enzymy, jako je rtuť-reduktáza. Tento enzym redukuje rtuťové ionty (Hg2+) na elementární rtuť (Hg0). Enzym funguje tak, že přenáší elektrony na Hg2+, čímž dochází k jeho redukci. Zdrojem těchto elektronů může být řada donor elektronů v buňce. 

Okénko redukční reakce a přenosu elektronů

Abychom pochopili, jak bakterie mohou přeměnit ionty rtuti Hg2+ na elementární rtuť Hg0, je důležité si nejprve objasnit, co to vlastně znamená "přenos elektronů" a jak tento proces funguje na molekulární úrovni. V jádru této proměny stojí proces zvaný redukce, což je chemická reakce, při které atom nebo molekula získává elektrony. V případě rtuti (Hg2+) dochází k redukci, kdy se rtuťové ionty mění na elementární rtuť (Hg0) přijetím elektronů. Tento proces je zásadní, protože změna oxidačního stavu rtuti z Hg2+ na Hg0 výrazně mění její chemické vlastnosti a toxicitu. Představte si rtuťový ion Hg2+ jako atom rtuti, který ztratil dva elektrony a tím získal kladný náboj. Když tento ion získá zpět dva elektrony, jeho náboj se vyrovná a stane se neutrálním atomem rtuti (Hg0), který má odlišné vlastnosti – je méně reaktivní a méně rozpustný ve vodě.

Vraťme se ale k bakteriím a jejich enzymům, které tento proces katalyzují. Enzymy, jako je rtuť-reduktáza, jsou biologické katalyzátory – látky, které urychlují chemické reakce v živých organismech. Tyto enzymy umožňují přenos elektronů na rtuťové ionty. Ale odkud tyto elektrony pochází? V bakteriálních buňkách jsou elektrony obvykle přenášeny od molekul, které jsou bohaté na elektrony, jako je například NADH  – molekula, která hraje klíčovou roli v energetickém metabolismu buňky. Enzym rtuť-reduktáza se váže na Hg2+ a zároveň přijímá elektrony od NADH. Když tyto elektrony přejdou na rtuťový ion, dochází ke změně jeho oxidačního stavu, a rtuť se mění z iontu (Hg2+) na neutrální atom (Hg0). Tento proces je nejen příkladem biochemických schopností mikroorganismů, ale má také praktický význam v bioremediaci, protože přeměna toxických iontů rtuti na méně toxickou a méně mobilní elementární rtuť snižuje její negativní dopady na životní prostředí a zdraví.

Proces redukce zahrnuje přenos elektronů od redukčního činidla (například NADPH nebo NADH) na rtuťové ionty. Tento elektronový transport je klíčový pro změnu oxidačního stavu rtuti. Po přijetí elektronů se Hg2+ mění na Hg0. Elementární rtuť má odlišné chemické vlastnosti než její iontová forma. Je méně rozpustná ve vodě a méně reaktivní, což znamená, že je méně schopná vstupovat do biologických systémů

Pokračování velmi brzy:)