Bacteriën

Bacteriën vormen een veelvormige groep van microscopisch kleine organismen, ééncellig en zonder duidelijk afgegrensde kern. De celwand bestaat van binnen naar buiten uit een cytoplasmamembraan, een steunlaag en een kapsel van slijm. Eén of meer zweepharen zorgen voor beweeglijkheid.

Criteria voor de classificatie van bacteriën zijn de vorm, de groepering van individuen en de kleurbaarheid.

Er zijn vier hoofdvormen:

• De bolvormige Coccen.
• De rechte staafvormige Bacillen.
• De kromme staafjes: Komma-bacteriën.
• De schroefvormige staafjes: Spirillen.

De Deen Christian Gram onderscheidde twee soorten bacteriën:

• Zij die hun aniline en jodium-kleur behielden bij spoeling met alcohol (grampositieve).
• Zij die hun kleur weer loslieten (gram-negatieve). De indeling van bacteriën op systematische kenmerken is erg ingewikkeld en op veel punten nog steeds onduidelijk.

Bacteriën zijn overal om ons heen, in de natuur, in de lucht, in huis, en op en in het lichaam. Ze kunnen zich razendsnel vermeerderen, vooral bij een gunstige voedingsbodem. Deze vermeerdering verloopt via celdeling. Daarbij vormt zich een dikke scheidingswand die het celmateriaal in tweeën deelt. Daarna valt de oorspronkelijke cel in twee dochtercellen uiteen. Onder gunstige omstandigheden kan de deling binnen enkele tientallen minuten plaatsvinden, zodat zich binnen enkele uren uit één cel meer dan duizend bacteriën vormen. Dat geldt ook voor de vele soorten ziekteverwekkende bacteriën, maar normalerwijze is ons afweermechanisme (en dat van koi) in staat een invasie van zulke ongewenste indringers af te slaan. Het erfelijk materiaal bevindt zich vaak in ringvormige DNA- moleculen, plasmiden genaamd. Deze plasmiden kunnen vreemd erfelijkheidsmateriaal in zich opnemen door tussenvoeging van een brokstukje met genen van andere herkomst. Van dit principe wordt veel gebruik gemaakt in de biotechnologie, waar men op deze wijze bacteriën dwingt tot het produceren van stoffen als insuline. Biotechnologie is de toegepaste wetenschap, waarin gebruik wordt gemaakt van levende organismen en biologische processen voor de grootschalige productie van goederen: landbouw, veeteelt, bio-industrie, rasveredeling, biologische oorlogvoering, bestrijding van plagen, voedingsmiddelen industrie, farmaceutische industrie. De recente stormachtige ontwikkelingen binnen de biotechnologie maken het gewenst een onderscheid aan te brengen tussen oude en nieuwe biotechnologie. De traditionele tak omvat de productie van allerlei dranken en voedsel via fermentatie- of gistingsprocessen.

Kaas krijgt smaak door stoffen die door bacteriën worden afgescheiden. Witte kool wordt zuurkool door melkzuurbacteriën. Bier, brood, wijn, maar ook biologische wasmiddelen kunnen niet worden gemaakt zonder bacteriën. Ze kunnen gebruikt worden om voedsel te conserveren, maar ze kunnen ook rotting en gisting veroorzaken. Enkele voorbeelden hiervan zijn de zuivering van afvalwater door micro-organismen en de verbetering van vijver water door de inzet van nitrificerende bacteriën.

Wetenschappers ontdekken nog steeds nieuwe bacteriën en nieuwe eigenschappen van bekende soorten. Zo is sinds kort bekend dat bacteriën een ingebouwde biologische klok hebben: ze werken overdag anders dan “s nachts.

Bij de nieuwe tak van de biotechnologie gaat het vooral om genetische manipulatie. Het sleutelen aan de erfelijke eigenschappen van organismen, wordt ook recombinant DNA-techniek genoemd. Men maakt daarbij nieuwe, transgene organismen die in dienst van de mens een aantal bruikbare producten kunnen samenstellen. Dergelijke voorgeprogrammeerde organismen zijn vaak bacteriën, die hun erfelijk materiaal in een ringvormige molecule van DNA dragen. DNA is de afkorting van Dioxyribo Nucleic Acid. Dat is een kernzuur dat de chromosomen van alle levende organismen vormt. Het is als het ware de drager van alle erfelijke eigenschappen.

Men is in staat om vreemde stukjes DNA, afkomstig van een ander levend wezen, in te bouwen, waarmee ook de functie van dit stukje erfelijkheidsmateriaal kan worden overgedragen.

U kunt zich voorstellen wat een revolutie dit zou teweegbrengen indien men dit ook daadwerkelijk in de koikweek zou gebruiken.

Andere vormen van genetische manipulatie zijn het inplanten van stukjes DNA in de chromosomen van voedingsgewassen zodat ze een hogere opbrengst, een verbeterde resistentie tegen ziekten of ongevoeligheid voor bepaalde bestrijdingsmiddelen krijgen.

Om bij de vermeerdering van zon planten de erfelijke constellaties intact te houden, wordt meestal niet meer gezaaid, maar gebruikt men kleine celklompjes van de oorspronkelijke plant, die op een speciaal voedingsmedium worden opgekweekt tot kiemplanten die geheel identiek zijn. Dit proces noemt men kloneren. Kloneren kennen we in een andere vorm ook bij dieren. Een belangrijke medische toepassing van de biotechnologie is het inzetten van antistoffen die specifiek op één bepaalde stof reageert en zich eraan koppelt. Men kan deze nieuwe stof isoleren en vermeerderen door weefselkweek (in vitro), of door deze in te brengen in de milt van proefdieren (in vivo).

De meeste bacteriën voeden zich met organisch afval. Daarbij brengen ze veel koolstof en stikstof in gemineraliseerde vorm terug in de kringloop.

Veel bacteriën overleven ongunstige omstandigheden gedurende lange tijd door de vorming van een dikke celwand, waarbinnen de levensprocessen voor langere tijd vrijwel stil komen te liggen. Men spreekt dan van een spore. Zon sporen kunnen gemakkelijk door de lucht of het water worden verspreid. Een veelgebruikte voedingsbodem voor bacteriën is Agar-agar. In droge vorm is het bladderig, hard en licht in gewicht. Met water vermengd vormt het een gelatine en bevat het diverse koolhydraten.

Koolhydraten zijn suikers waarvan er een grote verscheidenheid voorkomen in de natuur. De bekendste zijn glucose, melksuiker, sucrose, glycogeen en cellulose. Bacteriologen nemen een uitstrijkje van een zieke vis. Ze zullen vervolgens proberen om de kwaadaardige bacteriën te doen groeien op een Agar-agar plaatje. Wanneer ze trachten de ziektekiem te identificeren, hebben ze de nodige moeilijkheden: er zijn zo veel andere bacteriën die er ook op groeien…

Als een vijverfilter een grote hoeveelheid aan biologisch afvalmateriaal bezit, en in volle werking is, zal het verschillende bacteriën bevatten. Door de goede voedingsbodem zullen sommige kolonies vormen en de andere organismen gaan domineren. De vuile filter zal twee groepen bacteriën bezitten: de Heterotrofen en de Autotrofen.

De meeste bacteriën zijn heterotroof

Heterotrofie betekent het ontbreken van het vermogen om uit anorganische stoffen organische stoffen op te bouwen. Niet-groene planten, alle dieren en de mens zijn heterotroof en moeten voor opbouw en energievoorziening organische stoffen met het voedsel opnemen.

Anorganisch zijn chemische stoffen die niet van levende organismen afkomstig zijn. Organische stoffen zijn koolstofverbindingen zoals vetten, suikers, eiwitten, die door andere organismen worden gevormd. Indien we al de heterotrofe bacteriën zouden opnoemen, zou dit meer dan de twee volgende bladzijden vullen. Het vulstaat met te onthouden dat ze zich voeden met biologisch materiaal, door het gebruik van zuurstof uit de lucht, om de modderbrij door gisting af te breken. Het uiteindelijke product van al deze complexe biologische reacties is een poedervormige neerslag, die door viskwekers molm wordt genoemd. Dit is het wolkachtige schuim, dat soms boven drijft of zich vastzet aan de in- en uitlaat van de filters. Meestal wordt er maar over twee bacteriën gesproken die in onze vijvers ammoniak in minder gevaarlijke producten omzetten. Het zijn de Nitrosomonas die ammoniak omzetten in nitriet, en de Nitrobacter bacteriën die het nitriet verwerken tot nitraat. Een cultuur van heterotrofen wordt soms verkocht om een filter op te starten, of om de werking ervan te versnellen. Ze bevatten niet die nitrificerende organismen. Men kan geen van deze twee bacteriën inpakken voor verkoop: het blijft te gevoelig om ze te isoleren en om ze in een doosje te bewaren…

De natuurlijke oplossing

De natuurlijke stappen om problemen te vermijden en de waterkwaliteit te controleren, is het gebruik van de processen en organismen die overal in gemotoriseerde vijvers gevonden worden. Een eenvoudig voorbeeld is de bezinking van zwaardere afvalstoffen naar de bodem van de vijver. Dit maakt het water helder. Filterbacteriën en grazende organismen op de bodem van de vijver verwijderen veel kleine afbraakbestanddelen uit de vijver. Zij voeden zich als het ware met deze afvalstoffen. Ze zijn een deel van de complexe voedselketen die men in natuurlijke vijvers aantreft. Organismen, zoals zwammen en bacteriën, kunnen solide afvalstoffen en ingewikkelde moleculen afbreken en ontbinden.

Deze anaërobe organismen gebruiken de organische resten als een voedselbron en zetten die om in meer simpele afvalproducten, zoals ammonium en kooldioxide. Planten en algen voeden zich op hun beurt met deze opgeloste afvaldeeltjes en met de mineralen in het water. Ze verbruiken de nitraten en de kooldioxide en zetten die door fotosynthese in zuurstof om.

De cyclus

In een nieuwe filter zijn het de heterotrofen die zich het eerst zullen ontwikkelen. Ze zullen zich voeden met de uitwerpselen van de vissen, resten van planten en visvoeding, in feite met alles wat biologisch is. Ze komen in het water terecht door sporen, aangebracht door de wind, door nieuwe planten of vissen, die op de vijver geplaatst worden, of door dieren die er komen drinken of baden. Zodra er een biomassa is om hen te voeden, zullen ze door simpele deling een explosieve groei kennen. De volgende groep bacteriën die zich zullen ontwikkelen zijn de autotrofe organismen, die zelf alle benodigde stoffen kunnen opbouwen uit anorganische stoffen. Sommige met behulp van chemische energie (chemie-autotrofie), andere met behulp van zonlicht (fototrofie). Een aantal is parasitisch en is pathogeen (ziekteverwekkend), een minderheid leeft symbiotisch (tijdelijk of blijvend samenleven van twee verschillende soorten organismen, tot voordeel van beide partijen), zoals bepaalde wortelbacteriën en darmbacteriën. Autotrofie is het vermogen van vooral planten om de voor hun stofwisseling benodigde energie uit het zonlicht te betrekken. Groene planten vormen de grootste groep autotrofe organismen. Zij verkrijgen energie door de fotosynthese. Met behulp van zonlicht worden water en koolstofdioxide omgezet in koolhydraten en zuurstof (fotoautotroof). Autotrofie is ook de omzetting (oxidatie) van anorganische stoffen. Enkele micro-organismen (zoals nitrificerende bacteriën) gebruiken als energiebron geen zonlicht, maar chemische reacties (chemo-autotroof). Daarmee zijn we, bij de grote vraag beland, hoe het water kan gezuiverd worden in een koivijver waar planten ontbreken… Het zijn de autotrofe bacteriën die deze taak zullen overnemen. De naam betekent zelfvoedend, want ze kunnen zelf hun voeding ontwikkelen, via chemische reacties. Het zijn nitrificerende bacteriën. Ze hebben het vermogen om met behulp van energie, verkregen door oxidatie van anorganische stoffen (ijzer, zwavel, ammoniak) , organische stoffen op te bouwen uit kooldioxide en water (chemosynthese). De autotrofen hebben geen biologische materiaal nodig om zich te voeden. Maar, omdat ze levende wezens zijn, hebben ze koolstof nodig. Dit ontlenen ze aan koolstofdioxide in het water. Dit product komt o.a. voor in de door de mens uitgeademde lucht. Het wordt door planten opgenomen en door fotosynthese in koolstofverbindingen omgezet. In het lichaam vervult het een belangrijke rul bij de handhaving van een constant intern milieu. De kringloop van het element koolstof is essentieel voor alle levende wezens. Nitrificatie is het oxidatieproces waarbij ammoniak, een basische stof, wordt omgezet in nitriet en vervolgens in nitraat, waardoor een zuurder milieu ontstaat. De twee oxidatie stappen worden veroorzaakt door twee onafscheidelijk gekoppelde typen van bacteriën: Nitrosomonas voor de omzetting van ammoniak in nitriet en nitrobacter voor de omzetting in nitraat. Het geproduceerde nitraat wordt gebruikt als een voedingsbron door planten en algen, of wordt (in de koivijver door regelmatige waterverversingen) constant op een laag peil gehouden. biologische afbraak door autotrofen kan soms vrij snel verlopen, maar dan moet dit wel gebeuren onder aërobe omstandigheden. Om dit proces te bevorderen is dus een goede beluchting van de filters nodig.

Aërobe bacteriën zijn organismen die, om in hun energiebehoefte te voorzien, vrije zuurstof opnemen. Zij hebben een citroenzuur cyclus en een ademhalingsketen. De ademhaling in de cellen van deze organismen speelt zich af in en bij de mitochondriën. Organismen die onder bepaalde omstandigheden zonder zuurstof kunnen leven, noemt men facultatief anaëroob. Gebruikt een organisme nooit zuurstof, dan is het anaëroob.

Anaërobe bacteriën zijn organismen die voor hun energiebehoefte geen zuurstof uit de lucht of het water gebruiken. Organismen die zich uitsluitend in een zuurstof vrije omgeving kunnen handhaven, noemt men obligaat anaëroob. Facultatief anaërobe organismen handhaven zich goed in een zuurstofloos milieu, maar kunnen de aanwezigheid van zuurstof wel verdragen.

De wereld van de micro-organismen

Al de bacteriën in de filter moeten hun benodigde zuurstof uit het water halen. De hoeveelheid zuurstof in water (ongeveer 4%) is echter beduidend lager dan in de lucht (ongeveer 20%). De bacteriën ontwikkelen zich dus veel beter in (natte) lucht dan ondergedompeld in water. Daarom zijn nat en droog filters (koi liefhebbers noemen ze trickle of druppelfilters) véél efficiënter dan de door ons gebruikte soorten. Ze geven de bacteriën toegang tot de extra zuurstof die ze voor de nitrificatie broodnodig hebben. Een andere reden voor de efficiëntie van de trickle filter is dat de heterotrofe bacteriën constant kunnen voorzien worden van aan-gevoerde zuurstof en biologisch materiaal voor de voeding.

Het systeem is feitelijk een filter met verdiepingen waar het bioslib wordt opgevangen (eten voor de heterotrofen), maar waar het water naar een lager gedeelte doorstroomt om ammoniak aan te voeren voor de autotrofen. Zo zijn het de twee groepen die het systeem reinigen. Deze werking zal minder voorkomen in ondergedompelde systemen. Mechanische filters met kiezel of grind, of de filtereenheden die geen bodemdrainage bezitten, zullen voor een deel dichtslibben. Deze opbouwende slib laag zal ervoor zorgen dat er anaërobe (cellen die geen zuurstof nodig hebben voor hun energiebehoefte) activiteiten zullen ontplooien. De heterotrofen zullen de zuurstof van de autotrofen stelen, met de dood van deze laatste groep tot gevolg. Met het resultaat dat ammoniak vrijkomt, in plaats van omgezet te worden. Het afbreken van slib zal niet resulteren in molm, maar in onopgeloste resten.

De modderbacteriën kunnen overal rondzwemmen, maar vegeteren liever op het oppervlak van het biomateriaal, voor een gemakkelijke bevoorrading van zuurstof. De nitrificerende bacteriën (de gezamenlijke benaming voor nitrosomonas en nitrobacter) huizen op eender welk oppervlak omdat ze niet genoeg energie kunnen opwekken om rond te zwemmen. In tegenstelling tot de heterotrofen vermenigvuldigen de nitrificerende bacteriën zich erg traag en hebben een goede hechtingsbasis nodig. Men kan ze voelen als slijm, dat zich vasthecht op de binnenkant van een goed werkende filter.

Het zijn uw vrienden: gooi ze niet overboord!

Een trickle filter heeft een groot oppervlak nodig, met een goed aanhechtingsmateriaal voor de micro-organismen, samen met de open ruimte om het water door te laten. biologisch slib moet opgevangen worden zonder dat heel het systeem gaat blokkeren. Al wie in waterzuiveringsinstallaties werkzaam is, en die regelmatig geconfronteerd met rioolslijk wordt, heeft hier een goede benaming voor… In trickle filters (ze noemen ze perculator filters) wordt een blokkade, door slib gevormd, poelvorming genoemd. De blokkering van het water leidt tot de vorming van een kleine vijver op zichzelf. De mogelijkheid van de heterotrofen om zich te voeden (en te groeien) in anaërobische (zuurstofloze) omstandigheden kunnen we optimaal aanwenden, door de nitraten die de autotrofen produceren te laten omzetten in stikstofgas. Dit noemen we denitrificatie. Denitrificatie is een reductieproces waarbij uit nitrieten en nitraten uiteindelijk moleculaire stikstof of stikstofoxide ontstaat: de anaërobe ademhaling bij denitrificerende bacteriën in de bodem. Die gebruiken de zuurstof uit nitraat of nitriet voor de oxidatie van o.a. zwavel of waterstof. Dit gebeurt meestal alleen bij condities met een laag peil aan opgeloste zuurstof, zoals in bezinksel.

Denitrificatie

Door denitrificatie kan een overmaat aan nitraat, als gevolg van nitraat verontreiniging, afgebroken worden. Denitrificatie is een belangrijke factor in de stikstofcyclus. Eens de trickle filter geïnstalleerd, is het mogelijk om een reducerend nitraatmedium aan te sluiten. Dit steunt op de mogelijkheid van heterotrofe bacteriën om hun zuurstof op te nemen uit nitraat.

Als er geen oplosbare- of atmosferische zuurstof voorhanden is, zullen de heterotrofen een reactieketen teweegbrengen, dat zal resulteren in een eindproduct van water en stikstof. Dit zal tevens een daling van de nitraten veroorzaken.

Maar hoe bereik je een zuurstofloze toestand, in een zuurstofrijke omgeving zoals die in een trickle filter? Die wordt bereikt via smalle tubes, langs één zijde gesloten. Ze vormen blinde gaten in de filtermedia. In deze gaten zullen de bacteriën vlug alle zuurstof opgebruiken, vervolgens werken ze verder als anaëroben (cellen die geen zuurstof nodig hebben) tot het stikstofgas is gevormd. Het gas borrelt op en stroomt weer in het gat van de tube. Eens die gevuld is, start het hele proces opnieuw.

Er bestaan nu filtermedia van plastic ballen met ingebouwde tubes; ze voldoen aan de vereisten om dit speciaal effect te creëren. Er zijn druipvormige glazen kegels, met uitstulpsels, die ook blinde gaten bezitten, zoals Siporax en Biohomeglas. Het geheim van een gezonde vijver biotoop is de waterkwaliteit… En niets garandeert op dit moment beter resultaat als een trickle filter, in samenwerking met denitrificerende filtermedia.

Antibiotica

Slechts enkele jaren geleden werd in Japan een overgebruik van antibiotica geconstateerd, voor de behandeling van koi. Dit resulteerde in een waar drama voor Europa. De meeste geïmporteerde koi waren immers immuun tegen deze antistoffen… Antibiotica zijn door micro-organismen gevormde stoffen die andere micro-organismen kunnen doden of in hun groei remmen. Die worden vooral gebruikt als geneesmiddel tegen ziekten door bacteriën veroorzaakt. Een bacterie kan van nature ongevoelig (resistent) zijn voor een aantal antibiotica. Daarnaast kan ongevoeligheid ook ontstaan door overmatig gebruik.

Probiotica

Een totaal ander aspect en een nieuwe trend, is de probiotica. Iedereen kent de kleine flesjes Yakult die in België en Nederland op de markt worden gebracht. Het is de weg naar een heel nieuwe benadering…

Probiotica betekent letterlijk “Voor leven” en wordt als verzamelnaam gebruikt voor levende micro-organismen die de darmen kunnen bereiken zonder onderweg door maagzuur of gal te worden aangetast. Yakult was de eerste van een inmiddels lange reeks zuiveldranken die deze extra-functie kunnen uitoefenen. Maar u kunt probiotica ook kopen bij de drogist, in de vorm van capsules en poeders. Het zijn zeker geen medicijnen, maar voedingssupplementen met miljarden (!) melkzuur-bacteriën, die over het algemeen worden gebruikt om problemen in het spijsverteringskanaal te voorkomen of te bestrijden. Misschien spelen ze ook een rul bij het versterken van het hele immuniteitssysteem, of zelfs bij het voorkomen van kanker, maar zon beweringen zijn nog niet hard te maken. Wel schrijven de meer biologisch georiënteerde artsen soms probiotica voor, na een kuur met medicijnen die de darmflora verstoren. Ook lijkt het middel te werken bij een regelmatig terugkerende infectie door de schimmel candia alblicans en tegen de verst orende invloeden van stress en milieuvervuiling…

Misschien kunnen we dit product ooit eens voor onze koi gebruiken? Stress, milieuverontreiniging en infecties zijn woorden die koi-liefhebbers bekent in de horen klinken!

Bacteriën op de huid

Ook de huid, het grootste orgaan van de mens, wordt door bacteriën beschermd. Bepaalde bacteriestammen zorgen voor de juiste zuurtegraad, waardoor een beschermende laag ontstaat, de zuurtegraadmantel.

Ook bij onze koi leven miljoenen bacteriën in de beschermende slijmlaag die hen omringd. Deze goede bacteriën voorkomen dat ziekteverwekkende bacteriesoorten en schimmels zich op de huid kunnen vermeerderen. Bovendien produceren sommige bacteriën als extra bescherming een soort natuurlijke antibiotica.

De studie van microscopische kleine organismen zoals bacteriën en andere ééncelligen, zeer kleine meercelligen en virussen, staat sterk in de belangstelling…

Bacteriologie is een wetenschap waarin bacteriën bestudeerd worden. De opkomst is vooral te danken aan Louis Pasteur (1822-1895). In de ontwikkeling van de medische bacteriologie heeft Robert Koch (1843-1910) een belangrijk aandeel gehad. Hij kweekte ziekteverwekkende bacteriën in reincultuur (kweek van één soort organisme door middel van ongeslachtelijke voortplanting uit één individu). Na de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop verkreeg men inzicht in de fijnere bouw en structuur van die bacteriën. Dank zij de vorderingen in de biochemie werden vele chemische processen in de bacteriecel opgehelderd.

Bron & Referenties

Schets: koiquestion.com