Ünite 2: Genel Mikrobiyoloji

Giriş

Mikroorganizmalar, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük olan canlılardır. Tek hücrelidirler. Bakteriler, mayalar, küfler ve algler ile protozoa, temel mikroorganizma gruplarını oluşturur. Mikroorganizmalar, yeryüzündeki ilk canlılardır.

Mikroorganizmaların Yarar ve Zararları

Mikroorganizmaların yeryüzünde çok büyük yararları vardır. Bir makine yapılıp, yeryüzündeki tüm mikroorganizmaların yok edilmesi halinde dünyada diğer canlıların yaşamı için sadece 40 yıl gibi bir süre kalacağı hesaplanmaktadır. Bir diğer deyiş ile mikroorganizmalar olmadan yeryüzünde yaşam olmaz.

Boza, yoğurt, kefir gibi gıdalar mikroorganizmalar ile üretilir. Basit olarak kaynatılmış süte, yoğurt ilave edilerek mayalanmış olur. Süte ilave edilen yoğurt bakterileri çoğalarak 3-4 saat içinde sütü yoğurda çevirirler. 1 çay kaşığı(yaklaşık 1 gram) yoğurtta yaklaşık 100milyon canlı bakteri vardır. Yoğurt yapan mikroorganizmalar; Lactobacillus bulgaricus ve Streptococcus thermophilus adlı 2 bakteridir.

Endüstriyel alkol, aseton, bütanol gibi pek çok kimyasal madde ile peynir mayası ve çeşitli enzimler mikroorganizmalar ile üretilir. Bugün dünyanın pek çok yerinde yakacak olarak (örneğin otomobillerde) petrol yerine alkol kullanılmaktadır. Ucuz bir hammaddeden alkol mayası ile alkol edilir ve damıtılır. Enzim; hemen tümü protein yapısında olan ve kimyasal tepkileri hızlandıran ve katalizör görevi üstlenen biyomoleküllerdir.

Peynir mayası olarak bilinen rennin enzimi (rennet) ise asıl olarak süt emmekte olan buzağıların işkembesinden elde edilir. Ancak iyi kaliteli bir peynir mayası üretmek için süt emekte olan buzağıların kesilmesi ekonomik değildir.

Doğada Madde Çevrimi

Saprofit mikroorganizmalar ölü bitki ve hayvan dokularından bir anlamda fotosentezin tam tersi bir işlem yaparak havaya CO ₂ ve su salgılarlar. Doğal denge tam olarak mikroorganizmalar tarafından sağlanır. Saprofit, esas olarak çürükçül demektir. Ölü bitki ve hayvan dokularında gelişirler. Gıdaları bozarak(ekşiterek, çürüterek, kokuşturarak) önemli ekonomik kayıplara neden olurlar.

Biyolojik atık su arıtımı, biyogaz eldesi, tek hücre proteini üretimi, biyolojik gübre ürerimi (baklagiller ile Rhizobium cinsine giren bakteriler arasında ortak yaşam), biyoinsektisit üretimi (böcekleri öldürmek için kullanılan bakteriler) gibi pek çok uygulamada mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır.

Her ne kadar, yeryüzünde mikroorganizmalar olmadan bitkiler ve insan ile diğer hayvanlar için sürdürülebilir bir yaşam mümkün olmasa da bazı mikroorganizmalar bitkileri, insanları ve diğer hayvanları hastalandırırlar.

Bununla birlikte; dünyada giderek değişen ekonomik yaklaşımlar çerçevesinde, örneğin gıda kaynaklı mikrobiyel hastalıklar nedeni ile insanların hastalanması ve ölümünün ekonomik değeri hesaplanmaktadır.

Mikroorganizmaların Sınıflandırılması ve Adlandırılması

Mikroorganizmalar, diğer canlı türlerinde olduğu gibi Carl Linnaeus tarafından 1735 yılında açıklanan binomiyel sistemle sınıflandırılır ve adlandırılır. Bilimdeki ilerlemelere paralel olarak canlıların sınıflandırılmasında da yenilikler olmuştur. Daha önce canlılar sadece bitkiler ve hayvanlar âlemi olarak ikiye bölünmüşken, mikroorganizmaların bulunması ile yeni bir grup olarak Protista âlemi oluşturulmuştur.

5 âlem sisteminde canlılar prokaryot ve ökaryot olmak üzere 2 süper âlem altında toplanır. Prokaryot süper âlemindeki canlılarda genetik materyal olan DNA, tüm hücreye dağılmış durumdadır ve gerçek bir hücre çekirdeği yoktur. Bu süper âlemde, Monera (bakteriler ve siyanobakteriler) olmak üzere tek âlem vardır.

Sınıflandırmadaki esas yaklaşım, yakın akraba grupları bir araya toplamaktır. Buna göre çok yakın akraba olan türler, aynı cins altında toplanır. Benzer özellik taşıyan cinsler familya, benzer familyalar takım, benzer takımlar ise sınıf altında toplanır. Bitkiler ve hayvanlar âleminde arada alt familya ve üst bölüm/ şube gibi topluluklar vardır. Mikroorganizmalar basit olarak Âlem › Bölüm › Sınıf ›Takım ›Familya› Cins› Tür olarak gruplandırılırlar.

Bakteriler, mikroskopta, çubuk (basil), yuvarlak (kok), virgül (Vibrio) ve tirbuşon (Spirillum) gibi farklı şekillerde görülürler. Çok genel olarak ikiye bölünerek çoğalırlar. Bazı bakteriler, yaşam koşulları tehdit altında olduğunda spor denilen bir yapı oluştururlar. Spor, bakterinin başta DNA’sı olmak üzere yaşamını sürdürmesi gereken materyali içeren ve bir anlamda konsantre bir yapıdır. Spor oluşumu tamamlandıktan sonra hücre parçalanır ve spor ortaya çıkar. Spor, vejetatif hücreye kıyasla yüksek sıcaklığa, kimyasal maddelerin olumsuz etkisine, ışınlamaya daha dirençlidir. Bakteriler, sadece yaşam koşulları tehdit altında iken spor oluştururlar ve 1 bakteri hücresi 1 spor oluşturduğu ve bu spordan sadece 1 vejetatif hücre oluşacağı için, sporlanma sadece yaşamın korunması için yapılan bir uygulamadır. Maya ve küfler, çoğalma amacı ile de spor oluşturabilir.

Bazı bakteriler, flagella denilen organları ile hareket edebilirken, bazılarında flagella olmadığı için hareket edemezler.

Funguslar, mikrobiyolojinin en karmaşık gruplarından birisidir. Yeterince yakın akraba oldukları için şapkalı mantarlar, mayalar ve küfler ökaryotlar Süper Âleminin

Fungi âlemi içinde toplanmışlardır. Fungus tekil iken, çoğulu fungi’dir.

Maya ve küfler, bakterilerden farklı olarak sporlanmayı, bir çoğalma aracı olarak da kullanabilirler. Maya ve küf sporları da bakterilerde olduğu gibi, vejetatif hücrelere kıyasla olumsuz koşullara karşı daha dirençlidirler. Maya ve küfler, bakterilerden farklı olarak sadece yaşam koşulları tehdit altında olduğu zaman değil, bunun dışında çoğalmak amacıyla da spor oluştururlar.

Virüsler, siyanobakterler, protozoa, algler, arkebakteriler gibi farklı mikroorganizma grupları da vardır.

Mikroorganizmaların Gelişmesi

Kapalı bir ortamda (bir tüp içinde) yeteri kadar besin maddesi bulunduğunda ve gelişme için gereken sıcaklık vb. faktörler de uygun olduğunda mikroorganizmalar çoğalmaya başlarlar. Basit olarak, bakteriler ikiye bölünürler. Başlangıçta 1 adet olan bakteri, belirli bir süre sonra 2 adet olur. Sonra 4, 8, 16, ... şeklinde sayısını artırır. İkiye bölünme için geçen süre “generasyon süresi” olarak adlandırılır. Diğer canlı türlerinde olduğu gibi bu süre türden türe çok farklılık gösterir.

Buna göre kapalı bir tüp içinde gelişen/ çoğalan mikroorganizmalarda 8 aşamalı bir gelişme eğrisi elde edilir:

1. Latent (gizli) dönem,
2. Üremenin süratlendiği dönem (lag dönemi),
3. Logaritmik üreme dönemi,
4. Üremenin azalma dönemi,
5. Durma dönemi,
6. Bakterilerin azalma dönemi,
7. Logaritmik azalma dönemi (ölme dönemi),
8. Yeniden düzenlenme dönemi.

Latent (Gizli) dönem besi yerine inoküle edilen (aşılanan) bakterilerde bölünme olmadığından bakteri sayısı sabit kalmaktadır. Bu bakımdan gelişme eğrisinde bu safha düz bir çizgi olarak görülmektedir. Latent dönemin bakterinin kendini üremeye hazırlama safhası olduğu anlaşılmaktadır. Mikroorganizmanın kendini ortama adapte etmesi bu dönemde olmaktadır.

Üremenin süratlendiği (Lag Dönemi) dönemde, mikroorganizma bölünmeye başlamaktadır. Logaritmik dönemde, bulundukları ortama kendilerini adapte ederek gerekli sentezleri yapan ve zamana bağlı olarak çoğalmaya başlayan bakterilerin bu dönemde üremeleri sabit bir hız kazanmaktadır.

Üremenin azalma döneminde, logaritmik dönemdeki çoğalma sonsuz olarak devam etmeyip ortamdaki besin maddelerinin azalması, metabolizma artığı toksik maddelerin fazlalaşması nedeni ile bu dönemde üreme azalmaya başlamaktadır.

Üremenin durma döneminde, bakterilerin çoğalmasına engel olan faktörlerin etkisiyle bu dönemde üreme yavaşlamakta ve çoğalma oranında hücre ölmektedir. Bu nedenle belirli aralıklarla yapılan hücre sayımlarının aynı kaldığı görülmektedir. Bu nedenle gelişme eğrisinde bu dönem düz veya düze yakın bir çizgi göstermektedir.

Bakterilerin azalma döneminde, metabolit birikmesi, popülasyonun geneli için kritik limiti aşmaya başlamıştır.

Logaritmik azalma döneminde, popülasyondaki bakteriler hâlâ az da olsa metabolit salgıladıkları için metabolit konsantrasyonu yavaş da olsa artmakta ancak kritik limit aşıldığı için hücreler süratle ölmekte ve ölüm logaritmik olarak gerçekleşmekte ve gelişme eğrisi düz bir çizgi halinde görülmektedir.

Yeniden düzenlenme döneminde, ölen ve bölünen hücre sayısı çok düşük bir düzeyde bulunmaktadır. Son uyku dönemi adı da verilen bu devrede bakterilerin tamamen yok olması için uzun bir sürenin geçmesi gerekmektedir.

Gelişmeye Etki Eden Faktörler

Sıcaklık

Tüm canlı türleri, soğukta gelişenler (psikrofil), ılıkta gelişenler (mezofil) ve sıcakta gelişenler (termofil) olarak 3 gruba ayrılır.

Canlıların gelişmesi/çoğalması için optimum (ideal) olan bir sıcaklık derecesi vardır. Bu sıcaklıkta ilgili canlı türü, metabolik aktivite açısından en güçlüdür. Çoğalmasını en hızlı ve aktif olarak yürütür.

Bu sıcaklık değerinden daha yüksek sıcaklıklarda metabolik aktivite azalır, çoğalma yavaşlar. Optimum sıcaklık derecesinden daha yüksek olan bir sıcaklık derecesine gelindiğinde artık gelişme çok az da olsa vardır ama bunun daha üzerine çıkıldığında artık metabolik aktivite ve çoğalma tümüyle durur ve hatta ölümler başlar. Bu sıcaklık derecesi maksimum (en yüksek) gelişme sıcaklığı olarak tanımlanır.

Benzer şekilde, optimum gelişme sıcaklığından daha düşük olan sıcaklıklarda metabolik aktivite düşer, gelişme yavaşlar.

Bazı canlı türlerinde gelişme için gereken minimum ve maksimum sıcaklık dereceleri çok geniş iken (termostabil/ öritermal) bazılarında çok dardır (termolabil/stenotermal).

Mikroorganizmaların psikrofil, mezofil ve termofil olarak keskin sınırla ayrılması mümkün değildir. Aslen mezofil karakterli olmakla birlikte soğuğu tolere eden (soğuğa dayanıklı) canlılar da vardır. Bunlar psikrotrof olarak tanımlanır. Benzer şekilde aslen mezofil karakterli olmakla birlikte yüksek sıcaklıklara direnç gösterebilen türler de vardır ve bunlar termotolerant/ termodurik olarak anılırlar.

Nem

Su, tüm canlılar için vazgeçilmez elementtir. Genel olarak bakteri ve mayalar, küflerden daha fazla su içeren ortamlarda gelişirler. Bazı küfler ise, çok az su içeren ortamlarda gelişirler. Kuru gıdaları bozanlar bunlardır.

Mikroorganizmaların gelişmesi açısından sıvıya da katı bir maddenin (bir gıdanın) nem içeriği “Su Aktivitesi” değeri ile ifade edilir. As ya da Aw, gıdadaki suyun buhar basıncının, aynı sıcaklıktaki saf suyun buhar basıncına oranıdır. As değeri ne kadar düşük ise, gıda o denli az su içeriyordur ve mikroorganizmaların gelişmesi o denli zordur.

Asitlik

Mikroorganizmaların yaşamlarını sürdürebilmeleri ve gelişmeleri için bulundukları ortamın asitliği önemlidir. Mikroorganizmalar çok genel olarak nötr ve asidik ortamlarda gelişmeyi tercih ederler. Farklı türler, farklı asitliklerde optimum olarak gelişirler. Funguslar, asit ortamları; bakteriler ise nötr ve hafif ortamları tercih ederler.

O/R Potansiyeli

Oksidasyon/Redüksiyon potansiyeli olarak bilinen bu kavram, mikroorganizmalara özgüdür. Solunumda, son H elektronunun tutulacağı madde ile ilgilidir.

Tetanos bakterisi (Clostridium tetani) gibi bazı bakteriler için oksijen varlığı zehir etkisi yapar. Bu gibi mikroorganizmalarda son H elektronu, sülfat, nitrat, kükürt, demir, CO2 gibi kimyasal maddelere tutulur.

Bir başka grup ise mikroaerofillerdir. Bunların gelişmesi için ortamda mutlak olarak az bir miktar (%5-6) oksijen bulunması zorunludur. Bu gruba kapneikler de denilir.

Fakültatif anaerob olarak tanımlanan grup ise solunumu en karmaşık olandır. Oksijen bulunması ya da bulunmaması bunların gelişimini etkilemez, her ortamda gelişip çoğalırlar.

Diğerleri

Ortamda çok yüksek basınç, titreşim ve vb. uygulamalar da mikroorganizmaların gelişmesini olumsuz şekilde etkiler.

Mikroorganizmaların Beslenmesi

Mikroorganizmalar, diğer tüm canlı türlerinde olduğu gibi gelişme ve çoğalmaları için besin maddeleri almak, bunları metabolik faaliyetler sonunda hücre bileşenlerinin yapılması ve enerji üretimi için kullanmak zorundadırlar.

Canlılarda temel olarak 4 beslenme şekli vardır. Buna göre canlılar; Fotolitotrof-ototrof, Fotoorganotrof-heterotrof, Kemolitotrof-ototrof ve Kemoorganotrof-heterotrof olmak üzere 4 ana grupta toplanırlar.

• Fotolitotrof-ototrof beslenme grubunun tipik örnekleri algler, siyanobakterler, purpur sülfür bakterileri ve yeşil sülfür bakterileridir. Enerjilerini ışıktan alırlar.
• Fotoorganotrof-heterotrof grubu enerjilerini ışıktan sağlarlar.
• Kemolitotrof-ototrof grubunda enerji, anorganik bileşiklerden kimyasal enerji olarak sağlanır.
• Kemoorganotrof-heterotrof beslenme grubuna ise fotosentetik olmayan diğer bakteriler, tüm fungi âlemi ve hayvanlar âlemi girer.

Mikroorganizmalarda Hücre Yapıları

Monera ve protista olarak içinde toplanan mikroorganizma hücrelerinde temel yapı ise hücreyi oluşturan maddelerin yapıtaşları (nükleotitler, aminoasitler, şekerler vb.) aynı olmakla birlikte gerek organeller gerek bu organellerin bileşenleri arasında büyük farklar vardır. Organel, ökaryotik hücrede bulunan mitokondri, kloroplast vb. yapılar, yüksek canlılarda önemli yaşamsal işlevleri üstlenen organlara benzetilmekte ve buna bağlı olarak organcık anlamında kullanılmaktadır.

Sitoplazma membranı, çok ince olup sadece elektron mikroskobu ile görülebilir. 3 katmanlıdır ve ökaryot hücrelerdeki yapıya benzerlik gösterir. içerdiği protein ve lipit miktarı türlere göre değişir.

Hücre duvarı ve Dış Membran, sitoplazma membranın dışında yer alır ve hücreye şeklini verir.

Kapsül ve Mukoza, bazı bakterilerde görülen ve bakteriyi fagositoz, deterjanlar, toksik maddelerden koruyan polisakkarit yapıda bir maddedir. Fagositoz: Vücuda giren bir mikroorganizmanın yakalanarak tahrip edilmesi veya vücuttan uzaklaştırılması, en önemli savunma mekanizmalarından birisidir. Bunların, özel bağışıklık sistem hücreleri tarafından yakalanarak yutulmasına fagositoz denir.

Pilus, Pek çok Gram negatif bakteride görülen, flagellaya göre çok daha kısa ve sayısı10-1000 arasında değişen, genellikle yüzeye tutunma işlevini gerçekleştiren organellerdir.

Flagella, hareket organelidir. Farklı bakteri türlerinde farklı sayıda ve konumda flagella bulunur. Flagella çoğul kelime olup, tekili flagellum’dur.

Protoplast (protoplazma), plazma membranı ile çevrelenmiş akışkan sıvıdır. DNA dâhil tüm yapıları içerir.

Sitoplazma Martiksi, Genetik materyalin yoğun olarak toplandığı bölgedir. Hücrenin içerdiği suyun tamamına yakın kısmı burada bulunur.

Depo maddeleri, olarak nişasta ve glikojen bulunmakla birlikte asıl depo maddesi glikojendir.

Genetik Materyal, esas olarak hücreye dağılmış durumda olan DNA’dır. Genellikle “bakteri genomu” olarak adlandırılır. Asıl DNA’ya bağlı olmayan küçük DNA parçalarına plazmit adı verilir.

Enerji Kazanımı

Doğada bulunan tüm canlılar enerjiyi 2 yolla üretebilirler. Temel enerji, ATP molekülü üzerinden sağlanır. ATP molekülü, ya fotosentez yolu ile güneş ışığı kullanılarak ya da oksidasyon/ redüksiyon (indirgeme/ yükseltgenme) reaksiyonları sonucu salınan serbest enerji kullanılarak sentezlenir. ATP: Adenozin-tri-fosfat. Ayrıca; ADP: Adenozin-difosfat ve AMP: Adenozinmono- fosfat.

Bitkiler ile algler, siyanobakterler ve fotosentetik bakteriler, enerjilerini fotosentez yolu ile kazanırlar. Bakterilerin büyük bölümü, hayvanlar âlemi ve fungi beslenme açısından kemotrof (Kemoorganotrof-heterotrof) karakterlidir ve enerjilerini oksidasyon/ redüksiyon reaksiyonları ile kazanır.

Mikroorganizmalarda enerji kazanımı temel olarak 3 yolla yapılmaktadır. Her anayolun içinde farklı alt yollar vardır. Bu 3 temel yol;

• Enerjinin Oksidatif Fosforilasyon ile kazanılması,
• Enerjinin Fermantasyon ile kazanılması,
• Enerjinin Anaerobik Solunum ile kazanılmasıdır.