חיידקים

אפיון השפעת סוגי מכסים שונים על התפתחות אוכלוסיית מיקרואורגניזמים

תקציר

חיידקים הם יצורים חד תאיים, לרוב עצמאיים, שבדרך כלל מתרבים על ידי גדילת התא וחלוקתו לשניים (חלוקה בינארית), כשני הצאצאים זהים לתא ההורה. 

למדע מוכרים היום למעלה מ-7000 מיני חיידקים שונים וההערכה היא שהם מהווים כ-2-1 אחוזים ממיני החיידקים הקיימים על פני כדור הארץ.  מתוך אותם 7000, רק כ-100 הם גורמי מחלות ראשוניים (פתוגנים - pathogens, בעלי יכולת לגרום למחלה באנשים בריאים) ועוד כ-200 הם גורמי מחלות משניים (סתגלנים - opportunists, גורמים למחלה משנית במאכסן שמצבו הבריאותי אינו תקין מסיבות אחרות. גודלם של רוב החיידקים נע בין 0.5 מיקרומטר (500 ננומטר) ל-5 מיקרומטר, אך מוכרים לנו חיידקים קטנים יותר וגדולים הרבה יותר .

חיידקים נמצאים כמעט בכל מקום על פני הגלובוס, גם במקומות שבהם לא מוצאים יצורים אחרים. הם נמצאים בבסיסן של כל שרשרות המזון המוכרות לנו, ובלעדיהם לא יתקיימו החיים המוכרים לנו על פני כדור הארץ.

המחקר הנוכחי בוחן את ההשפעה של סוגי מכסים מחומרים שונים על התפתחות אוכלוסיית מיקרואורגניזמים.

מטרת המחקר הנוכחי היא לבחון האם קיים קשר בין סוג המכסה הנבדק על קצב התפתחות מיקרואורגניזמים בתמיסת מים עם תפוחי אדמה.

מתוצאות המחקר עולה כי המיקרואורגניזמים הם יצורים בעלי יכולת הסתגלות למצבים רבים, ישנן תכונות ייחודיות שמקנות להם את העמידות, כושר ההתרבות שלהם הוא אדיר ויתרה מכך היא יכולתם להתקיים בשונה מיצורים חיים רבים אחרים גם ללא נוכחות חמצן. המידע הזה הוכח לנו באמצעות המחקר כיוון שניתן היה לראות בבירור את השוני בקצב התפתחות האורגניזמים לנוכח השוני בסוג המכסה שמה שאפיין אותו זה סוג החומר ממנו עשוי המכסה והיכולת של החמצן לחדור דרכו.

תוכן עניינים

רקע. 4

שיטות המחקר. 9

תוצאות.. 10

דיון ומסקנות.. 12

ביבליוגרפיה. 13

רקע

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

חיידקים הם יצורים חד תאיים, לרוב עצמאיים, שבדרך כלל מתרבים על ידי גדילת התא וחלוקתו לשניים (חלוקה בינארית), כשני הצאצאים זהים לתא ההורה. 

למדע מוכרים היום למעלה מ-7000 מיני חיידקים שונים וההערכה היא שהם מהווים כ-2-1 אחוזים ממיני החיידקים הקיימים על פני כדור הארץ.  מתוך אותם 7000, רק כ-100 הם גורמי מחלות ראשוניים (פתוגנים - pathogens, בעלי יכולת לגרום למחלה באנשים בריאים) ועוד כ-200 הם גורמי מחלות משניים (סתגלנים - opportunists, גורמים למחלה משנית במאכסן שמצבו הבריאותי אינו תקין מסיבות אחרות. גודלם של רוב החיידקים נע בין 0.5 מיקרומטר (500 ננומטר) ל-5 מיקרומטר, אך מוכרים לנו חיידקים קטנים יותר וגדולים הרבה יותר . (בר ניר, 2008)

חיידקים נמצאים כמעט בכל מקום על פני הגלובוס, גם במקומות שבהם לא מוצאים יצורים אחרים. הם נמצאים בבסיסן של כל שרשרות המזון המוכרות לנו, ובלעדיהם לא יתקיימו החיים המוכרים לנו על פני כדור הארץ. חיידקים רבים מאכלסים גם את כל היצורים הגדולים יותר: בגופו של אדם בוגר, למשל, המורכב מ-10¹³ תאים, יש 10¹⁴ חיידקים - ממוצע של כ-10 חיידקים על כל תא בגופנו. מרביתם ממוקמים במערכת העיכול, ויש להם תרומה חשובה לפעילותו התקינה של הגוף. אצל אוכלי הצמחים העניין מורכב יותר, ובקיצור אוכלי הצמחים לא ניזונים מהצמחים אלא מתוצרי פירוקם על-ידי חיידקים ופטריות ומהמיקרואורגניזמים עצמם. 

מיעוטם של חיידקים הם טפילים תוך תאיים הכרחיים: הם חייבים להתקיים בתוך תא מאכסן כדי להתקיים והתרבות. דוגמה לחיידקים טפילים הם חיידקי ה-Treponema, הגורמים לעגבת (Syphilis) ולמחלה העור הטרופית פטלת (Yaws), חיידקי ה-Rickettsia, הגורמים בין היתר לטיפוס ולקדחת הכתמים, ו-Mycobacterium Leprae, הגורמים לצרעת. בחינה מדוקדקת של הגנום שלהם גילתה שהם "איבדו" גנים המקודדים פונקציות מטבוליות חשובות, וזה מחייב אותם "להסתמך" על השלמת הפונקציות החסרות מהתא הפונדקאי.  (בר ניר, 2008)

מיקרואורגניזמים מסוימים אינם מזיקים ואף מועילים, ולעומתם קיימים מיקרואורגניזמים הנקראים פתוגנים, שמזיקים ואף גורמים למחלות.  אופי המיקרואורגניזמים וסוג התהליך קובעים מערכת יחסי גומלין היכולה להביא תועלת, או לגרום נזק.  (קלשטיין, 1994)

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.

מים כסביבה מושלמת להתפתחותם

המים מהווים סביבה מושלמת להתפתחות מיקרואורגניזמים מהסיבות הבאות: 

·         עקב היותם ממיס טוב, המים כוללים את כל היסודות הדרושים לבניית תאים ולצורכי מזון. מיסודות אלה בנויים חלבונים (פרוטאינים) אשר מהווים חומר לבניית תאים של יצורים חיים. 

• 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.

תנאי קיום

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

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. 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. (קלשטיין, 1994(

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.

עכירות מול זמן– גידול בנשימה אירובית/אנארובית שונות

בנוכחות חמצן נושמים החיידקים נשימה אירובית, בה מתקבלת כמות גדולה יותר של אנרגיה הזמינה לגדילה ולחלוקה. בהעדר חמצן, הנשימה הופכת להיות נשימה אנארובית. כמות האנרגיה המתקבלת קטנה מאוד בשל מחסור באנרגיה ולכן כל התהליכים נעשים לאט יותר. על כן, שלב ההסתגלות ארוך וגידול איטי.

טלטול המבחנה עוזר בהזרמת חמצן לתוכה.

מזון: nutrients

נוסף ליסודות הבסיסיים הנדרשים לביוסינתזה כמו: P, S, N, O, H, C  ידועים גם יסודות שיש להם חשיבות משנית, למשל קובלט , נחושת ,בורון , מוליבדן , ברזל , פוטסיום.

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.

לסיכום, לכל היצורים החיים יש תכונות המאפיינים אותם. בפרק זה הוצגו תכונות המאפיינות את אוכלוסיית המיקרואורגניזמים אותה אנו בודקים במחקר זה. נוסף על כך, הוצגה התייחסות לתנאי  הקיום השונים אשר משפיעים על קצב התפתחות אותם מיקרואורגניזמים. תנאי קיום כגון, השפעת החמצן, רמת החומציות, טמפ' ועוד. בפרק הבא יוצגו שיטות המחקר לפיהן פעלנו.

 

שיטות המחקר

על מנת לבדוק את השפעת סוג המכסה על קצב התפתחות  המיקרואורגניזמים בתמיסת מים ותפוחי אדמה מבושלים. השתמשנו בשלושה סוגים של מכסים שונים וכוס אחת השארנו ללא מכסה כלל.

סוגי המכסים היו:

-          בד כותנה

-          ניילון נצמד

-          רשת

בכל כוס שמנו 150 מ"ל מים וכפית תפוחי אדמה מבושלים וכיסינו במכסה אחר. הבדיקה נעשתה פעמיים. כל בדיקה נמשכה ארבעה ימים, כך שבכל יום נלקחה דגימה מהכוסות ,עם המכסים השונים והשמנו במקפיא בכדי למנוע כמה שאפשר התפתחות אורגניזמים נוספים.

בכדי לבדוק את התפתחות האורגניזמים בתמיסות, בחרנו לבדוק את העכירות. בדיקת העכירות מעידה על התפתחות או אי התפתחות אוכלוסיית אורגניזמים בתמיסות. המכשיר אשר נעזרנו בו הינו "ספקטרופוטומטר".

ספקטרופוטומטר הוא מכשיר מדידה המאפשר למדוד את בליעת האור של חומר נבדק באורכי גל שונים. מאחר שלכל חומר ישנו תחום אנרגיות עירור ספציפיות לו (וכתוצאה מכך אורכי גל מסוימים שהוא בולע), יש חשיבות לאורך הגל הנמדד.  אחת הדרכים הנוחות והמהירות לקביעת ריכוז חיידקים, מתבססת על כך שחיידקים בתרחיף גורמים לעכירות. העכירות ניתנת למדידה במכשיר הספקטרופוטומטר. ככל שריכוז החיידקים הכולל (חיים ומתים) גבוה יותר, כך העכירות רבה יותר וכמות האור הנבלע גדולה יותר.  מדדנו את בליעת התרבית באורך גל של 690nm.  רמת העכירות נמדדה ביחידות A  (מתוך אתר האינטרנט, משרד החינוך: הפיקוח על ביוטכנולוגיה)

תוצאות

הבדיקה הראשונה

סוג מכסה יום	ללא מכסה	מכסה מבד כותנה	מכסה מניילון	מכסה מרשת
א'	0.321	0.064	0.063	0.291
ב'	0.352	0.102	0.067	0.342
ג'	0.636	0.188	0.129	0.580
ד'	1.013	0.329	0.254	0.944

איור 1 השפעת מכסים שונים על עכירות המים

בדיקה שנייה

סוג מכסה יום	ללא מכסה	מכסה מבד	מכסה מניילון	מכסה מרשת
א'	0.291	0.022	0.011	0.032
ב'	0.321	0.071	0.024	0.085
ג'	0.465	0.058	0.028	0.170
ד'	0.954	0.361	0.091	0.385

איור 2 השפעת מכסים שונים על עכירות המים

דיון ומסקנות

מחקר זה בדק את השפעת סוגים של מכסים שונים על התפתחות אוכלוסיית מיקרואורגניזמים. המחקר נמשך כשבועיים, כך שכל שבוע נלקחו ארבע דגימות. על מנת לבדוק את התפתחות החיידקים בתמיסה נעזרנו במכשיר שבדק את עכירות המים.

ככל  שריכוז החיידקים הכולל (חיים ומתים) גבוה יותר, כן העכירות רבה יותר. מהתוצאות ניתן להסיק כמה מסקנות:

ככל שהזמן עבר, עכירות המים עלתה בכל סוגי המכסים, וכך ריכוז החיידקים הכולל  בתמיסה גבוה יותר. בשני הגרפים (איור 1 ואיור 2) ניתן לראות שביום ב' רמת העכירות רבה יותר מיום א'. ורמת העכירות ביום ד' גבוהה  יותר מיום ג'.

נוסף על כך, ניתן להבחין בכך שהכוס בלי המכסה כלל (הכוס החשופה) הכילה בתוכה את כמות החיידקים הגדולה ביותר בהשוואה לשאר הכוסות ומהמכסים וזאת במהלך שתי הבדיקות שנעשו. מכאן, אנו מסיקות שהיות והכוס עם התמיסה לא הייתה מכוסה לא היה שום מחסום או כל מעקב אחר שימנע את התפתחות המיקרואורגניזמים.

במקביל ניתן גם להבחין בהצטברות מועטה יחסית בהשוואה לשאר המכסים שהופיעה בכוס בעלת מכסה הניילון. ומכאן אנו מסיקות שבגלל רמת האטימות הגבוהה של הניילון כחומר, התפתחות המיקרואורגניזמים הייתה בקצב איטי יותר. ההאטה בקצב התפתחות מיקרואורגניזמים נובע בעיקר מהשפעת נוכחות החמצן במצע הגידול. כלומר, עכירות מול זמן– גידול בנשימה אירובית/אנארובית שונות. הכוונה היא שבנוכחות חמצן נושמים החיידקים נשימה אירובית, בה מתקבלת כמות גדולה יותר של אנרגיה הזמינה לגדילה ולחלוקה .בהעדר חמצן, הנשימה הופכת להיות נשימה אנארובית. כמות האנרגיה המתקבלת קטנה מאוד בשל מחסור באנרגיה ולכן כל התהליכים נעשים לאט יותר. על כן, שלב ההסתגלות ארוך וגידול איטי.

לסיכום, ממחקר זה עולה כי המיקרואורגניזמים הם יצורים בעלי יכולת הסתגלות למצבים רבים, ישנן תכונות ייחודיות שמקנות להם את העמידות, כושר ההתרבות שלהם הוא אדיר ויתרה מכך היא יכולתם להתקיים בשונה מיצורים חיים רבים אחרים גם ללא נוכחות חמצן. המידע הזה הוכח לנו באמצעות המחקר כיוון שניתן היה לראות בבירור את השוני בקצב התפתחות האורגניזמים לנוכח השוני בסוג המכסה שמה שאפיין אותו זה סוג החומר ממנו עשוי המכסה והיכולת של החמצן לחדור דרכו.

ביבליוגרפיה

בר ניר, ד' (2008). "על חיידקים, נגיפים ומה שביניהם". מגזין the pharma , גיליון 7, עמ' 12-14.

קלשטיין, י' (1994). "מיקרואורגניזמים". מגזין כימיה, גיליון 19, עמ' 25-27.

http://c3.ort.org.il/Apps/WW/Page.aspx?_pstate=item&_item=1c0c381f-eb65-4c52-b3c7-e6919c3c385a&ws=6662c3c3-9722-426b-ac6c-64723750cdba&page=6b4f6ab6-c87f-4b36-a3ce-d923a680e2dc&fol=748531d1-ef03-41e1-b0db-303b2c6dd36f&code=748531d1-ef03-41e1-b0db-303b2c6dd36f