Biotechnologie & microbiologie
1. Micro-organismen in de klassieke biotechnologie
1.1 Indeling in de levende wereld
Organismen worden ingedeeld in plantaardige en dierlijke rijken. Maar er is ook een grote groep van
organismen die moeilijk te plaatsen zijn binnen het plantaardige en dierlijke rijk. Hierdoor een
indeling ‘Het vijfrijkensysteem’ volgens Whitakker.
- Monera: alle prokaryoten
- Protista: de eukaryotische-eencelligen
- Fungi: gisten & schimmels
- Planten: hogere wieren, sporenplanten & zaadplanten
- Dieren: dieren met ingestie
Microbiologie is een discipline die zich bezighoudt met de studie van deze organismen die
microscopische afmetingen hebben zodat ze met het blote oog niet meer waar te nemen zijn.
1.2 Bacteriën
1.2.1 Inleiding
In de huidige systematiek en classificatie van organismen worden de bacteriën als een- of meercellige
organismen bij de groep van de Monera of Prokaryoten gerangschikt.
1.2.2 Morfologie
1.2.2.1 Vorm
Bacteriën worden meestal naar hun celvorm ingedeeld.
- Kokken zijn bolvormig. Zo vormt de verwekker van longontsteking Pneumococcus meestal
dubbele cellen.
- Bacillen zijn naar vorm afgeronde cilindertjes of staafjes. De verwekker van cholera is hiervan
een voorbeeld.
- Spirillen hebben de vorm van een spiraal.
- Spirocheten zijn spiraalvormige bacteriën met een flexibele celwand.
1.2.2.2 Afmetingen
De meeste bacteriën zijn veel kleiner dan een cel uit een meercellige plant of een dier. Gemiddeld
situeert de diameter zich rond de 1µm.
1.2.2.3 Kapsels en flagellen
Vaak zijn de cellen van bacteriën nog bedekt met een laag buiten om de celwand heen. Dit zijn de
kapsels of slijmlagen. Deze kapsels zijn niet zonder betekenis. Stammen van Streptococcus
pneumoniae die een kapsel bevatten zijn pathogeen voor de mens. Kapselloze stammen zijn niet
pathogeen voor de mens.
Zeer veel bacteriën kunnen zich voort bewegen met behulp van flagellen. Dit zijn zweepharen die op
verschillende plaatsen aan de cel vast kunnen zitten.
1
,1.2.2.4 Sporen
Endosporen zijn een kleine groep bacteriën die zich intracellulair bevinden. Clostridium en Bacillus
behoren tot deze groep. Endosporen zijn goed bestand tegen ongunstige omstandigheden, ook tegen
droogte, desinfectantia en warmte. Zodra de sporen weer in een gunstigere omgeving komen, groeit
uit elke spore een bacterie.
1.2.3 Naamgeving
De eerste aanduiding in de naam is de geslachtsnaam. Deze wordt gevolgd door de soortaanduiding.
Binnen de soort wordt verder nog een onderverdeling gemaakt in stammen. Dit is noodzakelijk
omdat binnen een soort nog een variatie in eigenschappen (gevoeligheid voor antibiotica, specifieke
groeibehoeften) blijkt te bestaan.
1.2.4 Voortplanting en groei
1.2.4.1 Voortplanting
Bacteriën vermenigvuldigen zicht over het algemeen door dwarsdeling. Dit in volgende stappen:
- DNA repliceren
- Verdubbelen van plasmiden
- Vorming dwarswand
Met als resultaat 2 identieke dochtercellen. Deze groeien uit, waarna er terug een deling optreedt.
Een deling duurt ongeveer 20 minuten.
Naast ongeslachtelijke voortplanting van hierboven, kan er ok geslachtelijke voortplanting optreden.
Hierbij is er sprake van uitwisseling van DNA tussen 2 bacteriën. 3 mechanismen:
- Conjugatie: genetisch materiaal wordt tussen 2 cellen overgedragen.
- Transformatie: bacterie neemt DNA-fragmenten op uit dode cellen.
- Transductie: virussen brengen DNA-fragmenten van de ene op de andere bacterie over.
1.2.4.2 Groeifasen
1.2.4.3 Milieu-eisen
2
,Elk micro-organisme kent een bepaalde temperatuurtraject waarbinnen het kan groeien. De
optimumtemperatuur is de temperatuur waarbij de bacterie het beste kan groeien. Enkele
voorbeelden: psychrofiel (koud), thermofiel (warm) & mesofiel.
Zuurstof is een andere eis voor micro-organismen. Obligaat aerobe bacteriën groeien alleen in
aanwezigheid van zuurstof. Facultatief anaerobe bacteriën groeien zowel met als zonder zuurstof.
Obligaat anaerobe bacteriën groeien zonder zuurstof.
Groei van de meeste micro-organismen is mogelijk bij pH-waarden tussen 6 en 8. Buiten deze grenzen
is mogelijk, maar minder frequent. In zure milieus is geen groei mogelijk.
De osmotische druk wordt veroorzaakt door in het water opgeloste verbindingen, zoals suikers en
zouten. Niet te grote schommelingen in osmotische druk kunnen door micro-organismen weerstaan
worden. Voedingsmiddelen kunnen houdbaar gemaakt worden door ze in een milieu met hoge
osmotische waarde te bewaren (inzouten).
De wateractiviteit of aw-waarde is een maat voor de hoeveelheid ongebonden water in een substraat
ten opzichte van al het aanwezige water. Naarmate er meer waterbindende stoffen zoals suikers en
zouten aanwezig zijn in het substraat, daalt de aw-waarde.
1.2.4.4 Voedingsbehoeften
Om in leven te blijven hebben organismen stoffen uit de omgeving nodig voor de energievoorziening
en voor de opbouw van nieuw protoplasma. We noemen deze stoffen voedingsstoffen.
1.3 Betekenis van bacteriën en schimmels
Bacteriën kunnen zowel positief als negatief zijn. Sommige zijn zelfs nuttig voor de mens of onmisbaar
voor het leven op aarde.
1.3.1 Ecologie (kringlopen)
Bacteriën komen vrijwel overval voor: in de lucht, in het water, op het land, op de huid en in
ingewanden van mens, dier en planten. Men treft ze aan in gematigde milieus of onder extreme
omstandigheden.
1.3.1.1 Koolstof
Koolstof komt in de natuur voor als CO2, bicarbonaat (HCO3 -), carbonaat (CO3 2- ), vrije koolstof en
organische koolstof (C in organische verbindingen).
3
, Planten kunnen CO2 gebruiken voor de opbouw van organische verbindingen. Deze opgebouwde
organische verbindingen kunnen weer als voeding dienen voor andere levende wezens. Bij de afbraak
van organische koolstofbronnen komt weer CO2 vrij en de cyclus is weer gesloten.
Mineralisatie: omzetting van organisch materiaal in anorganische verbindingen.
De stappen van de cyclus:
- N-fixatie: Sommige bacteriën, zoals Rhizobium en Azotobacter, kunnen stikstof (N₂) uit de
lucht omzetten in een vorm die planten kunnen gebruiken (N-fixatie) bij normale
temperatuur en druk.
- Ammonificatie: de mineralisatie van organische N-verbindingen tot ammonium of ammoniak.
- Nitrificatie: Het gevormde ammoniak of ammonium kan in de bodem door bacteriën van het
geslacht Nitrosomonas worden omgezet in nitriet (= nitritatie). Een andere groep bacteriën,
van het geslacht Nitrobacter, weet nitriet om te zetten tot nitraat (= nitratatie).
- N-opname door planten: Nitraat is een geschikte N-bron voor de planten die dit, evenals
ammoniak (ammonium), uit de bodem opnemen.
- Denitrificatie: Nitraat kan in anaerobe omstandigheden (doornatte bodem) ook door
zogeheten denitrificerende bacteriën worden omgezet tot N2 en in die vorm weer worden
teruggevoerd naar de atmosfeer, waarmee de kringloop weer gesloten is.
1.3.2 Afvalwaterzuivering
We produceren in dichtbevolkte gebieden zoveel afvalwater, dat directe lozing van al dat afvalwater
op het oppervlaktewater, zoals vroeger gebruikelijk, rampzalig zou zijn. De aanleg van een
rioleringssysteem en een daaraan gekoppelde rioolwaterzuivering is van onschatbare waarde voor
ons milieu.
Primaire zuivering: Het afval dat bij de waterzuiveringsstations binnenstroomt wordt in de meeste
gevallen eerst ontdaan van grof materiaal. Vervolgens gaat het afvalwater naar een eerste bezinktank.
Secundaire zuivering: De onopgeloste stoffen worden afzonderlijk (anaeroob) vergist. Het water dat
overblijft, rijk aan opgeloste organische verbindingen en allerlei micro-organismen bevattend, wordt
overgebracht naar een beluchtingstank.
Het organisch materiaal wordt door micro-organismen gemineraliseerd, dit wil zeggen afgebroken tot
CO2, mineralen en water. De organische N-verbindingen worden gemineraliseerd tot ammonium (N-
cyclus). Voor een efficiënte afbraak is een goede beluchting van de tank nodig. De suggestieve naam
voor deze micro-organismen luidt actief slib.
De tertiaire zuivering: is een uitbreiding van de secundaire. Hierbij worden voornamelijk de minerale
N- en P-verbindingen uit het afvalwater gehaald. Dit kan in dezelfde tanks als de secundaire zuivering
plaatsvinden. Het ammonium dat gevormd werd tijdens de mineralisatie (secundaire zuivering) wordt
in aerobe omstandigheden door nitrificerende bacteriën omgezet naar nitraat.
1.3.3 Bacteriën en hygiëne
1.3.4 Plantenziekten
4
1. Micro-organismen in de klassieke biotechnologie
1.1 Indeling in de levende wereld
Organismen worden ingedeeld in plantaardige en dierlijke rijken. Maar er is ook een grote groep van
organismen die moeilijk te plaatsen zijn binnen het plantaardige en dierlijke rijk. Hierdoor een
indeling ‘Het vijfrijkensysteem’ volgens Whitakker.
- Monera: alle prokaryoten
- Protista: de eukaryotische-eencelligen
- Fungi: gisten & schimmels
- Planten: hogere wieren, sporenplanten & zaadplanten
- Dieren: dieren met ingestie
Microbiologie is een discipline die zich bezighoudt met de studie van deze organismen die
microscopische afmetingen hebben zodat ze met het blote oog niet meer waar te nemen zijn.
1.2 Bacteriën
1.2.1 Inleiding
In de huidige systematiek en classificatie van organismen worden de bacteriën als een- of meercellige
organismen bij de groep van de Monera of Prokaryoten gerangschikt.
1.2.2 Morfologie
1.2.2.1 Vorm
Bacteriën worden meestal naar hun celvorm ingedeeld.
- Kokken zijn bolvormig. Zo vormt de verwekker van longontsteking Pneumococcus meestal
dubbele cellen.
- Bacillen zijn naar vorm afgeronde cilindertjes of staafjes. De verwekker van cholera is hiervan
een voorbeeld.
- Spirillen hebben de vorm van een spiraal.
- Spirocheten zijn spiraalvormige bacteriën met een flexibele celwand.
1.2.2.2 Afmetingen
De meeste bacteriën zijn veel kleiner dan een cel uit een meercellige plant of een dier. Gemiddeld
situeert de diameter zich rond de 1µm.
1.2.2.3 Kapsels en flagellen
Vaak zijn de cellen van bacteriën nog bedekt met een laag buiten om de celwand heen. Dit zijn de
kapsels of slijmlagen. Deze kapsels zijn niet zonder betekenis. Stammen van Streptococcus
pneumoniae die een kapsel bevatten zijn pathogeen voor de mens. Kapselloze stammen zijn niet
pathogeen voor de mens.
Zeer veel bacteriën kunnen zich voort bewegen met behulp van flagellen. Dit zijn zweepharen die op
verschillende plaatsen aan de cel vast kunnen zitten.
1
,1.2.2.4 Sporen
Endosporen zijn een kleine groep bacteriën die zich intracellulair bevinden. Clostridium en Bacillus
behoren tot deze groep. Endosporen zijn goed bestand tegen ongunstige omstandigheden, ook tegen
droogte, desinfectantia en warmte. Zodra de sporen weer in een gunstigere omgeving komen, groeit
uit elke spore een bacterie.
1.2.3 Naamgeving
De eerste aanduiding in de naam is de geslachtsnaam. Deze wordt gevolgd door de soortaanduiding.
Binnen de soort wordt verder nog een onderverdeling gemaakt in stammen. Dit is noodzakelijk
omdat binnen een soort nog een variatie in eigenschappen (gevoeligheid voor antibiotica, specifieke
groeibehoeften) blijkt te bestaan.
1.2.4 Voortplanting en groei
1.2.4.1 Voortplanting
Bacteriën vermenigvuldigen zicht over het algemeen door dwarsdeling. Dit in volgende stappen:
- DNA repliceren
- Verdubbelen van plasmiden
- Vorming dwarswand
Met als resultaat 2 identieke dochtercellen. Deze groeien uit, waarna er terug een deling optreedt.
Een deling duurt ongeveer 20 minuten.
Naast ongeslachtelijke voortplanting van hierboven, kan er ok geslachtelijke voortplanting optreden.
Hierbij is er sprake van uitwisseling van DNA tussen 2 bacteriën. 3 mechanismen:
- Conjugatie: genetisch materiaal wordt tussen 2 cellen overgedragen.
- Transformatie: bacterie neemt DNA-fragmenten op uit dode cellen.
- Transductie: virussen brengen DNA-fragmenten van de ene op de andere bacterie over.
1.2.4.2 Groeifasen
1.2.4.3 Milieu-eisen
2
,Elk micro-organisme kent een bepaalde temperatuurtraject waarbinnen het kan groeien. De
optimumtemperatuur is de temperatuur waarbij de bacterie het beste kan groeien. Enkele
voorbeelden: psychrofiel (koud), thermofiel (warm) & mesofiel.
Zuurstof is een andere eis voor micro-organismen. Obligaat aerobe bacteriën groeien alleen in
aanwezigheid van zuurstof. Facultatief anaerobe bacteriën groeien zowel met als zonder zuurstof.
Obligaat anaerobe bacteriën groeien zonder zuurstof.
Groei van de meeste micro-organismen is mogelijk bij pH-waarden tussen 6 en 8. Buiten deze grenzen
is mogelijk, maar minder frequent. In zure milieus is geen groei mogelijk.
De osmotische druk wordt veroorzaakt door in het water opgeloste verbindingen, zoals suikers en
zouten. Niet te grote schommelingen in osmotische druk kunnen door micro-organismen weerstaan
worden. Voedingsmiddelen kunnen houdbaar gemaakt worden door ze in een milieu met hoge
osmotische waarde te bewaren (inzouten).
De wateractiviteit of aw-waarde is een maat voor de hoeveelheid ongebonden water in een substraat
ten opzichte van al het aanwezige water. Naarmate er meer waterbindende stoffen zoals suikers en
zouten aanwezig zijn in het substraat, daalt de aw-waarde.
1.2.4.4 Voedingsbehoeften
Om in leven te blijven hebben organismen stoffen uit de omgeving nodig voor de energievoorziening
en voor de opbouw van nieuw protoplasma. We noemen deze stoffen voedingsstoffen.
1.3 Betekenis van bacteriën en schimmels
Bacteriën kunnen zowel positief als negatief zijn. Sommige zijn zelfs nuttig voor de mens of onmisbaar
voor het leven op aarde.
1.3.1 Ecologie (kringlopen)
Bacteriën komen vrijwel overval voor: in de lucht, in het water, op het land, op de huid en in
ingewanden van mens, dier en planten. Men treft ze aan in gematigde milieus of onder extreme
omstandigheden.
1.3.1.1 Koolstof
Koolstof komt in de natuur voor als CO2, bicarbonaat (HCO3 -), carbonaat (CO3 2- ), vrije koolstof en
organische koolstof (C in organische verbindingen).
3
, Planten kunnen CO2 gebruiken voor de opbouw van organische verbindingen. Deze opgebouwde
organische verbindingen kunnen weer als voeding dienen voor andere levende wezens. Bij de afbraak
van organische koolstofbronnen komt weer CO2 vrij en de cyclus is weer gesloten.
Mineralisatie: omzetting van organisch materiaal in anorganische verbindingen.
De stappen van de cyclus:
- N-fixatie: Sommige bacteriën, zoals Rhizobium en Azotobacter, kunnen stikstof (N₂) uit de
lucht omzetten in een vorm die planten kunnen gebruiken (N-fixatie) bij normale
temperatuur en druk.
- Ammonificatie: de mineralisatie van organische N-verbindingen tot ammonium of ammoniak.
- Nitrificatie: Het gevormde ammoniak of ammonium kan in de bodem door bacteriën van het
geslacht Nitrosomonas worden omgezet in nitriet (= nitritatie). Een andere groep bacteriën,
van het geslacht Nitrobacter, weet nitriet om te zetten tot nitraat (= nitratatie).
- N-opname door planten: Nitraat is een geschikte N-bron voor de planten die dit, evenals
ammoniak (ammonium), uit de bodem opnemen.
- Denitrificatie: Nitraat kan in anaerobe omstandigheden (doornatte bodem) ook door
zogeheten denitrificerende bacteriën worden omgezet tot N2 en in die vorm weer worden
teruggevoerd naar de atmosfeer, waarmee de kringloop weer gesloten is.
1.3.2 Afvalwaterzuivering
We produceren in dichtbevolkte gebieden zoveel afvalwater, dat directe lozing van al dat afvalwater
op het oppervlaktewater, zoals vroeger gebruikelijk, rampzalig zou zijn. De aanleg van een
rioleringssysteem en een daaraan gekoppelde rioolwaterzuivering is van onschatbare waarde voor
ons milieu.
Primaire zuivering: Het afval dat bij de waterzuiveringsstations binnenstroomt wordt in de meeste
gevallen eerst ontdaan van grof materiaal. Vervolgens gaat het afvalwater naar een eerste bezinktank.
Secundaire zuivering: De onopgeloste stoffen worden afzonderlijk (anaeroob) vergist. Het water dat
overblijft, rijk aan opgeloste organische verbindingen en allerlei micro-organismen bevattend, wordt
overgebracht naar een beluchtingstank.
Het organisch materiaal wordt door micro-organismen gemineraliseerd, dit wil zeggen afgebroken tot
CO2, mineralen en water. De organische N-verbindingen worden gemineraliseerd tot ammonium (N-
cyclus). Voor een efficiënte afbraak is een goede beluchting van de tank nodig. De suggestieve naam
voor deze micro-organismen luidt actief slib.
De tertiaire zuivering: is een uitbreiding van de secundaire. Hierbij worden voornamelijk de minerale
N- en P-verbindingen uit het afvalwater gehaald. Dit kan in dezelfde tanks als de secundaire zuivering
plaatsvinden. Het ammonium dat gevormd werd tijdens de mineralisatie (secundaire zuivering) wordt
in aerobe omstandigheden door nitrificerende bacteriën omgezet naar nitraat.
1.3.3 Bacteriën en hygiëne
1.3.4 Plantenziekten
4
