Ekologie mikroorganizmů

Sylabus

* Syllabus:

1. Úvod do ekologie mikroorganizmů.  Úkoly dnešní mikrobiální ekologie. Ekologie mikroorganizmů ve srovnání s obecnou ekologií a ekologií makroorganizmů. Malá měřítka mikroorganizmů, niky, biogeografie mikro- a makroorganizmů, habitáty mikroorganizmů, funkční skupiny, úloha v ekosystému. Fundamentální a realizovaná nika a problémy s kultivací mikroorganizmů, důvody a možná řešení. Definice druhu, druhová pestrost, diverzita, genomické přístupy a systematika mikroorganizmů

2. Společenstva mikroorganizmů a jejich prostředí Funkční skupiny mikroorganizmů a energetický metabolizmus, charakteristika a diverzita půdního a vodního prostředí, typičtí zástupci mikroorganizmů a jejich úloha, biofilmy a nárosty mikroorganizmů, růst mikroorganizmů na površích - biofilmy, výhody života v biofilmu, adheze. Životní strategie a limity prostředí, r- a K- strategie, mikrobiální smyčka.

3. Mikroorganizmy a prostředí. Zákon tolerance a zákon minima, působení fyzikálních faktorů na mnohobuněčné organizmy a mikroorganizmy, srovnání. Extremofilové, faktory prostředí v přírodě a laboratoři. Teplota - rozdělení do skupin na základě optimální teploty růstu, charakteristika chladných prostředí a prostředí vysokých teplot, adaptace cytoplazmatických membrán a enzymů. Kyslík, toxické podoby kyslíku, vztah mikroorganizmů ke kyslíku a typ energetického metabolizmu. Redoxní potenciál prostředí a metabolizmus. Voda, vodní aktivita, osmofilní a halofilní organizmy a jejich prostředí a adaptace, vysychání buňky, endolithické bakterie. pH prostředí, acidofilní a alkalifilní organizmy, problémy se zachováním intracelulárního pH.

4. Metabolizmus mikroorganizmů  Gradient redoxního potenciálu prostředí a typy metabolizmů. Kyslík a oxygenázové reakce, aerobní respirace. Anaerobní respirace nitrátu a denitrifikace, další akceptory elektronů pro anaerobní respirace (ionty železa a ostatních kovů, TMAO, DMSO, fumarát). Fermentace jako neúplná oxidace uhlíkatých sloučenin. Cesty další oxidace produktů fermentace: redukce iontů železa a manganu, sekundární syntrofní fermentace, respirace síranu a methanogeneze jako dokončení mineralizace v anaerobním prostředí. Chemolithotrofie - oxidace sulfanu a železnatých iontů v závislosti na pH a redoxním potenciálu, nitrifikace, anammox, oxidace vodíku jako alternativa chemoorganotrofie. Fototrofie - spektrum světla v různých prostředích, anoxygenní a oxygenní fotosyntéza, fotopigmenty a maxima absorbce, skupiny fototrofních organizmů a jejich prostředí.

5. Biogeochemické cykly - koloběh uhlíku, dusíku, síry, železa.  Zdroje uhlíku v prostředí, živočišné a rostlinné polymery, důvody pomalé degradace, huminové kyseliny. Fototrofie prokaryot a primární produkce, oxid uhličitý a methan jako skleníkové plyny, konkurence o vodík v anaerobním prostředí, metabolizmy v horninách hluboko pod zemským povrchem. Dusík: zdroje v prostředí, fixace dusíku, amonifikace a asimilace dusíku, DNRA , denitrifikace a nitrifikace. Síra: zdroje v prostředí, asimilace a mineralizace, význam chemolithotrofní oxidace sulfanu a respirace síranu, možnost primární produkce pomocí chemolithotrofie na dně oceánu. Železo: zdroje v prostředí, jeho redoxní cykly v neutrálním a kyselém pH, acidifikace důlních vod.

6. Funkce mikroorganismů v prostředí a metody jejich studia Ekosystémové funkce: význam jednotlivých druhů a mikrobiálních komunit. Metodické přístupy v ekologii mikroorganismů. Kultivace a izolace čistých kultur mikroorganismů z přírody, obohacovací a selekční metody, fyziologická charakterizace kultur. Stanovení mikrobiální biomasy. Respirometrie a stanovení enzymových aktivit. Měření metabolických aktivit a metabolické diverzity mikroorganizmů v přirozeném prostředí.

7. Diverzita mikroorganizmů. Mikroorganismy v prostředí - (ne)kultivovatelnost; prostředky popisu druhové a metabolické diversity. Meze možností a přesnosti. Geny využívané pro taxonomický a funkční popis složení a dynamiky společenstva, databáze sekvencí. Izolace environmentální DNA, využití molekulárních metod pro analýzu genové diversity. Sekvenace metagenomů, nové metody sekvenování (next-generation sequencing) a jejich využití v mikrobiální ekologii.

8. Interakce mikroorganizmů.  Životní strategie a jejich důsledky. Reprodukce a rozdělení K,r. Disturbance a reakce na stresové situace. Biorytmy, migrace, diverzita, distribuce a jejich souvislosti ve vztahu k populaci a společenstvu. Základní trofické vztahy. Intra a interspecifická konkurence, predace, rozklad, parazitismus, symbioza a mutualismus, komunikace mezi mikroorganismy. Sekundární metabolity a jejich funkce, konkurence nebo komunikace?

9. Houby v ekosystému. Základní fyziologické charakteristiky a ekologická specifika hub a houbových mikroorganismů. Růst hyfálních mikroorganismů, příjem živin. Saprotofní a houby, rozklad organických látek a vněbuněčné trávení pomocí enzymů. Symbióza - mykorrhizní houby a lišejníky. Adaptace hub na podmínky prostředí. Interakce hub s dalšími organismy v ekosystému.

10. Mikroorganizmy v půdě.  Faktory ovlivňující a limitující život mikroorganizmů v terestrických ekosystémech. Struktura půdy jako prostředí pro koexistenci mikroorganizmů. niky, redundance, sukcese. Degradace půdního prostředí. Stabilita. Příklady: vztah mezi diverzitou a aktivitou - denitrifikační bakterie; sezónní změny bakteriálního společenstva; funkční redundance bakteriálního společenstva v závislosti na stupni meliorace půdy.

11. Mikroorganizmy ve sladkých vodách.  Faktory ovlivňující a limitující život mikroorganizmů ve vodním prostředí. Procesy převládající v různých hloubkách vod stojatých a v různých fázích toku vod tekoucích. Mikrobiální trofická smyčka. Příklady: sezónní dynamika mikrobních společenstev v proudící vodě a sedimentu; vertikální a sezónní variabilita skupin bakterioplanktonu ve stojaté sladké vodě; zastoupení, aktivita a struktura společenstva metan oxidujících bakterií ve vodním sloupci.

12. Genová výbava mikroorganizmů Genová výbava mikroorganizmů - genomika; informace vyplývající ze sekvenace bakteriálních genomů: podíl sdílených genů, genová výbava specifická pro určité životní prostředí, výskyt a organizace genů šířených horizontálně. Přirozená diverzita enzymové výbavy a adaptabilita. Komunikace, produkce biologicky aktivních látek. Adaptace na antropogenní vlivy, rezistence vůči antibiotikům. Přístupy ke studiu horizontálně sdílených genů v prostředí: metagenomové knihovny, metody obohacování a selekce klonů.

Anotace

Přednáška ukazuje úlohu mikroorganizmů v ekosystémech, kde jsou tyto organizmy podstatnou a nezastupitelnou komponentou. Probírá fyziologické a molekulárně biologické metody analýzy mikrobiálních společenstev, úlohu mikroorganizmů v biogeochemických cyklech, konkrétní příklady prostředí a úlohy mikroorganizmů v něm.

Přednáška počítá se základními znalostmi z biochemie, molekulární biologie, ekologie a mikrobiologie. Je určena studentům bakalářských oborů studijního programu Biologie, případně i studentům navazujících magisterských oborů.