22.5 Gagnlegir dreifkjörnungar
Hæfniviðmið
Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:
- Útskýrt þörfina fyrir niturbindingu og hvernig hún fer fram
- Lýst gagnlegum áhrifum baktería sem nema land á húð okkar og í meltingarvegi
- Borið kennsl á dreifkjörnunga sem eru notaðir við vinnslu matvæla
- Lýst notkun dreifkjörnunga í lífhreinsun
Sem betur fer eru aðeins fáar tegundir dreifkjörnunga sjúkdómsvaldandi. Dreifkjörnungar eiga líka gagnleg samskipti við menn og aðrar lífverur á margvíslegan hátt. Til dæmis eru þeir lykilþátttakendur í kolefnis- og niturhringrásunum. Þeir framleiða eða vinna næringarefni í meltingarvegi manna og annarra dýra. Dreifkjörnungar eru notaðir við framleiðslu sumra matvæla og hafa einnig verið nýttir til að brjóta niður hættuleg efni. Í raun væri líf okkar ekki mögulegt án dreifkjörnunga.
Niturbinding
Nitur er mjög mikilvægt frumefni fyrir lífverur, því það er hluti kirna og amínósýra, sem eru byggingareiningar kjarnsýra og próteina. Nitur er yfirleitt takmarkandi frumefnið í vistkerfum á landi og niturgas í andrúmsloftinu, N₂, er stærsti forði aðgengilegs niturs. Heilkjörnungar geta þó ekki notað loftkennt nitur úr andrúmsloftinu til að mynda stórsameindir. Sem betur fer er hægt að „binda“ nitur, það er breyta því í aðgengilegra form, ammoníak (NH₃), annaðhvort líffræðilega eða ólíffræðilega.
Ólíffræðileg niturbinding verður vegna eðlisfræðilegra ferla, svo sem eldinga, eða vegna iðnaðarferla. Líffræðileg niturbinding (BNF) er eingöngu framkvæmd af dreifkjörnungum: jarðvegsbakteríum, blábakteríum og Frankia spp., þráðlaga bakteríum sem eiga í samskiptum við geislarótarplöntur eins og elri, mýrica og sætburkna. Á eftir ljóstillífun er BNF mikilvægasta líffræðilega ferlið á jörðinni. Heildarjafna niturbindingar hér að neðan táknar röð oxunar-afoxunarhvarfa. Pᵢ táknar ólífrænt fosfat.
Heildarmagn niturs sem bundið er með líffræðilegri niturbindingu er um 100 til 180 milljónir tonna á ári, sem leggur til um 65 prósent af því nitri sem notað er í landbúnaði.
Blábakteríur eru mikilvægustu niturbindandi lífverurnar í vatnsumhverfi. Í jarðvegi eru ættkvíslirnar Clostridium og Azotobacter dæmi um frítt lifandi niturbindandi bakteríur. Aðrar bakteríur lifa í samlífi við belgjurtir og veita mikilvægustu uppsprettu bundins niturs. Samlífisverur geta bundið tífalt meira nitur í jarðvegi en frítt lifandi lífverur. Jarðvegsbakteríur sem kallast einu nafni rótarhnýðisbakteríur geta átt í samlífi við belgjurtir og myndað hnúða, sérhæfðar byggingar þar sem niturbinding fer fram (Mynd 22.27). Nítrogenasi, ensímið sem bindur nitur, verður óvirkt í súrefni og hnúðurinn skapar því súrefnislaust svæði þar sem niturbinding getur farið fram. Súrefnið er bundið af plöntuhemóglóbíni sem kallast leghemóglóbín; það verndar nítrogenasann en losar nægilegt súrefni til að styðja við öndunarvirkni.
Samlífisniturbinding veitir náttúrulegan og ódýran plöntuáburð: hún afoxar nitur úr andrúmsloftinu í ammoníak sem plöntur geta auðveldlega nýtt. Notkun belgjurta er góður valkostur við tilbúinn áburð og er sérstaklega mikilvæg í sjálfbærum landbúnaði, sem leitast við að lágmarka efnanotkun og vernda náttúruauðlindir. Í samlífisniturbindingu nýtur plantan góðs af nánast óþrjótandi uppsprettu niturs, andrúmsloftinu. Bakteríurnar njóta góðs af ljóstillífunarafurðum, kolvetnum sem plantan myndar við ljóstillífun, og fá verndaðan sess. Jarðvegurinn nýtur einnig góðs af náttúrulegri frjóvgun. Þess vegna er notkun rótarhnýðisbaktería sem lífáburðar sjálfbær aðferð.
Hvers vegna eru belgjurtir svona mikilvægar? Sumar, eins og sojabaunir, eru lykiluppsprettur próteina í landbúnaði. Meðal mikilvægustu belgjurta sem menn neyta eru sojabaunir, jarðhnetur, ertur, kjúklingabaunir og baunir. Aðrar belgjurtir, svo sem refasmári, eru notaðar sem nautgripafóður.
Örverur á mannslíkamanum
Samvistarbakteríurnar sem búa á húð okkar og í meltingarvegi gera margt gagnlegt fyrir okkur. Þær vernda okkur gegn sýklum, hjálpa okkur að melta fæðuna og framleiða sum vítamín og önnur næringarefni. Þessi virkni hefur lengi verið þekkt. Nýlega hafa vísindamenn safnað gögnum sem benda til þess að þessar bakteríur geti einnig hjálpað til við að stjórna skapi okkar, haft áhrif á virkni okkar og jafnvel stuðlað að þyngdarstjórnun með því að hafa áhrif á fæðuval og upptökumynstur. Human Microbiome Project hefur hafið skráningu á eðlilegum bakteríum okkar og fornbakteríum, svo við getum skilið þessi hlutverk betur.
Sérlega áhugavert dæmi um eðlilega flóru okkar tengist meltingarkerfinu. Fólk sem tekur stóra skammta af sýklalyfjum missir gjarnan margar eðlilegar þarmabakteríur sínar, sem gerir náttúrulega sýklalyfjaónæmri tegund, Clostridium difficile, kleift að fjölga sér óhóflega og valda alvarlegum magavandamálum, einkum langvinnum niðurgangi (Mynd 22.28). Að reyna að meðhöndla vandann með sýklalyfjum gerir hann augljóslega aðeins verri. Hins vegar hefur tekist að meðhöndla hann með saurígræðslu frá heilbrigðum gjöfum, sem endurheimtir eðlilegt örverusamfélag í þörmum. Klínískar rannsóknir eru í gangi til að tryggja öryggi og virkni þessarar aðferðar.
Vísindamenn eru einnig að uppgötva að skortur á tilteknum lykilörverum í meltingarvegi okkar getur gert okkur móttækileg fyrir ýmsum vandamálum. Þetta virðist einkum eiga við um eðlilega starfsemi ónæmiskerfisins. Athyglisverðar niðurstöður benda til þess að skortur á þessum örverum sé mikilvægur þáttur í þróun ofnæmis og sumra sjálfsofnæmissjúkdóma. Rannsóknir standa nú yfir á því hvort viðbót tiltekinna örvera við innra vistkerfi okkar geti hjálpað við meðferð þessara vandamála og einnig við meðferð sumra forma einhverfu.
Snemmbúin líftækni
Samkvæmt samningi Sameinuðu þjóðanna um líffræðilega fjölbreytni er líftækni „hvers kyns tæknileg notkun sem nýtir líffræðileg kerfi, lifandi lífverur eða afleiður þeirra til að búa til eða breyta vörum eða ferlum til sértækra nota“. Hugtakið „sértæk not“ felur í sér einhvers konar viðskiptalega notkun. Erfðatækni, kynbætur, sýklalyfjaframleiðsla og frumuræktun eru núverandi viðfangsefni í líftækni og verður lýst í síðari köflum. Menn notuðu þó dreifkjörnunga áður en orðið líftækni var búið til. Sumar afurðir þessarar snemmbúnu líftækni, svo sem ostur og jógúrt, nýta bakteríur, en aðrar örverur, svo sem ger, sem er sveppur (Mynd 22.29), eru notaðar til að framleiða brauð, vín og bjór.
Ostagerð hófst fyrir um 4.000 til 7.000 árum, þegar menn byrjuðu að ala dýr og vinna mjólk þeirra. Gerjun varðveitir næringarefni í þessu tilviki: mjólk skemmist tiltölulega hratt, en þegar hún er unnin í ost verður hún stöðugri. Elstu heimildir um bruggun bjórs eru um 6.000 ára gamlar og bruggun var mikilvægur hluti súmerskrar menningar. Vísbendingar benda til þess að Súmerar hafi uppgötvað gerjun fyrir tilviljun. Vín hefur verið framleitt í um 4.500 ár og vísbendingar benda til þess að sýrðar mjólkurvörur, svo sem jógúrt, hafi verið til í að minnsta kosti 4.000 ár.
Lífhreinsun
Lífhreinsun með örverum er notkun dreifkjörnunga, eða efnaskipta örvera, til að fjarlægja mengunarefni. Lífhreinsun hefur verið notuð til að fjarlægja landbúnaðarefni, til dæmis varnarefni og áburð, sem skolast úr jarðvegi í grunnvatn og jarðlög. Einnig má fjarlægja tiltekna eitraða málma og oxíð úr vatni með lífhreinsun, svo sem selen- og arseniksambönd. Afoxun SeO₄²⁻ í SeO₃²⁻ og síðan í Se⁰, málmselen, er aðferð til að fjarlægja selenjónir úr vatni. Kvikasilfur (Hg) er dæmi um eitraðan málm sem hægt er að fjarlægja úr umhverfi með lífhreinsun. Kvikasilfur er virkt innihaldsefni í sumum varnarefnum, er notað í iðnaði og er einnig aukaafurð tiltekinna ferla, svo sem rafhlöðuframleiðslu. Metýlkvikasilfur er venjulega í mjög lágum styrk í náttúrulegu umhverfi, en það er mjög eitrað því það safnast fyrir í lifandi vefjum. Nokkrar tegundir baktería geta umbreytt eitruðu kvikasilfri í óeitruð form. Þessar bakteríur, til dæmis Pseudomonas aeruginosa, geta breytt Hg²⁺ í Hg⁰, sem er ekki eitrað mönnum.
Eitt gagnlegasta og áhugaverðasta dæmið um notkun dreifkjörnunga í lífhreinsun er hreinsun olíuslysa. Mikilvægi dreifkjörnunga fyrir lífhreinsun olíu hefur sést í nokkrum olíuslysum á síðustu árum, svo sem Exxon Valdez-slysinu í Alaska (1989) (Mynd 22.30), Prestige-olíuslysinu á Spáni (2002), olíuleka í Miðjarðarhaf frá raforkuveri í Líbanon (2006) og, nýlegar, BP-olíuslysinu í Mexíkóflóa (2010). Þegar olía lekur í hafið á sér gjarnan stað viðvarandi náttúruleg lífhreinsun, því olíuneytandi bakteríur eru í hafinu áður en slysið verður. Auk þessara náttúrulegu olíuniðurbrjótandi baktería velja menn og erfðabreyta bakteríur sem hafa sömu hæfni en með meiri virkni og geta unnið úr fjölbreyttari kolvetnissamböndum. Lífhreinsun er efld með því að bæta við ólífrænum næringarefnum sem hjálpa bakteríum að vaxa.
Sumar kolvetnisniðurbrytjandi bakteríur nærast á kolvetnum í olíudropum og brjóta þau niður í smærri undireiningar. Sumar tegundir, svo sem Alcanivorax borkumensis, framleiða yfirborðsvirk efni sem gera olíuna leysanlega í vatni, en aðrar bakteríur brjóta olíuna niður í koldíoxíð. Við kjöraðstæður hefur verið greint frá því að allt að 80 prósent órokgjarnra efnisþátta olíu geti brotnað niður innan eins árs frá leka. Aðrir olíuhlutar sem innihalda arómatískar og mjög greinóttar kolvetniskeðjur eru erfiðari að fjarlægja og verða lengur eftir í umhverfinu.
