Mikroorganismers vækst

Transkript

1 2010 Mikroorganismers vækst Roketh Punithaseelan Sønderborg Tekniske Gymnasium

2 Titelblad Skrevet af: Roketh Punithaseelan Titel: Mikroorganismer Uddannelse: Sønderborg Tekniske Gymnasium : 3 x Tema: Mikrobiologi Mit emne: Mikroorganismers vækst Projekt periode: 27/ Vejleder: Leo Steffesen Fag: Biologi - matematik Side: 19 Ord: Tegn med mellemrum: Abstract: In this report I will comment on the bacteria living conditions, growth conditions and the growth process and give an example (beer brewing- industrial use of microorganism) and develop a mathematical formula for calculating the growth time. Bacteria are something that we use and need. They are in our bodies and around us, and we can not avoid them. I will in my report give an example of microorganisms used in industry and compare beer brewery with milk production, and describe whether there are some differences. Finally in the report, I will conclude my results, and describe what I will do better in my final SRP. Side 2 af 19

3 Indholdsfortegnelse Titelblad... 2 Abstract:... 2 Indholdsfortegnelse... 3 Forord... 4 Indledning... 5 Problemformulering... 5 Hvad er mikroorganismer?... 6 Info om Bakterier:... 7 Mikroorganismers livsbetingelse?... 8 Næring og stofskifte:... 8 Forbrug af ilt:... 8 Temperatur:... 9 ph:... 9 Hvordan er bakteriernes vækst? ) Lagringsfasen ) Logaritmefasen ) Den stationære fase ) Nedgangsfasen Beregning af væksthastigheden: Hvilken indflydelse har bakterierne i industrien? Sammenligning af ølbrygning mælkeproduktion? Er der nogen forskel? Kurverne: Vurdering Konklusion Litteraturliste: Bøger brugt til rapporten; Internetsider brugt til rapporten: Billede fra bøger Billeder fra internettet: Billeder brugt fra bøger Side 3 af 19

4 Forord Mit navn er Roketh Punithaseelan og går på Sønderborg Tekniske Gymnasium i 3x. I anledning af vores optakt projekt i uge 39 i faget/emnet Biologiteknologi/Biologi matematik, har jeg valgt at skrive om mikroorganismers vækst hvor mit tema. mikroorganismer (Mikrobiologi) og underemne som jeg vil arbejde med; Mikroorganismers vækst. Denne rapport er blevet til i samarbejde med folk, og dem vil vi gerne takke. Vi takker vores biologi lærer Leo Steffensen, med hjælp og vejledning gennem hele projektet, og John, som hjalp til med matematikdelen. Roketh Punithaseelan Tekniske Gymnasium Sønderborg Side 4 af 19

5 Indledning Jeg har valgt at arbejde og skrive om mikroorganismers vækst Vi har valgt dette emne, jeg synes det kunne være spændende at arbejde med emnet, da mikroorganismer findes overalt, selv vi ikke kan se dem er de med i vores livscyklus. I denne rapport vil jeg komme ind på, hvad mikroorganismer er, hvad vi bruger dem til og opstille en formel til at beregne deres væksthastighed på. Problemformulering Emne: Mikroorganismer (Bakteriernes) formering Hovedspørgsmål: I luften, havet, jorden, på dyr og på mennesker. Bakterierne er så små, at der kan være flere 1000 af bakterier på en lille prik, stor som at punktum. Man ikke se bakterier med det blottet øje, men derimod i et mikroskop kan man se dem. Bakterier er det, som vi kalder for mikroorganismer. De kan også være i maden, gærsvampe og skimmelsvampe. Men spørgsmålet er, hvor hurtigt de kan formere (væksthastighed) sig, og hvilken indflydelse det har på industrien? Spørgsmål: Hvad er betingelserne for, at mikroorganismer kan formere sig (vækst)? Formering og Fomeringshastighed? Matematik opstilling af formel Hvad forstås ved generationstid? Hvilken indflydelse har bakteriernes i industrien? De tre spørgsmål som normalt vejlederen stiller os, men som i dette projekt man selv skal udarbejde: 1) Redegørelse for mikroorganismer og deres livsbetingelser 2) Sammenligning - for af mikroorganismers vækst inden for ølbrygning vs. mælkeproduktion 3) Vurdering Side 5 af 19

6 Hvad er mikroorganismer? Mikroorganismer er bakterier, de er encellede og har den evne til at formere sig ved deling. Desuden har bakterier et kromosom, og i den tid en bakterie lever, kan bakterierne udveksle arvemateriale med andre bakterier. Bakterier er encellede mikroorganismer, der er i stand til at formere sig selvstændigt ved deling. Arvematerialet kan indeholde resistens over for antibiotika eller give bakterien nye sygdomsfremkaldende egenskaber. Bakterien har en cellevæg, denne cellevæg gør dem modstandsdygtige for ydre påvirkninger Man kan dog ikke se mikroorganismer med det blotte øje, men derimod kan man se dem i et mikroskop. Hvis man kigger gennem et mikroskop, kan man se, at bakterier har meget forskellige former, så det fx ligner; kugler, stave eller spiraler, og de kan have forskellige farver. Mikroorganismer er noget der findes overalt, i vand, luft, i vores mad, uden på vores kroppe og inden i vores kroppe. Stort set er alle bakterier harmløse, og nogle er gavnlige og nødvendige for os. Hvis vi tager et ex: så har mælkesyrebakterierne en betydning for os i fordøjelsen i vores tarme, fordi mælkesygebakterierne netop forhindre skadelige bakterier kan få fodfæste. Der er også nogle bakterier som kan fremkalde sygdomme. Dettes kan skyldes, at bakterierne kommer ind til det forkerte sted i kroppen, et eksempel kan være, at en tarmbakterie kommer ind i urinveje, og dette kan give blærebetændelse 1. 1 Paul Stein Jensen og Jens Jørgen Nielsen: Mikrobiologi : Bakteriernes formering lejringsformer og sporedannelse. Udgave 5. Erhvervsskolernes Forlag, Side 14 Besøgt den 27/ Side 6 af 19

7 Info om Bakterier: Orden bakterie kommer fra det græske ord baktêrion 2. Det var den tyske biolog Christian Gottfried Ehrenberg som gav navnet i 1828, men bakterien var skam blevet opdaget før af en hollandsk naturforsker Antony van Leeuwenhoek i Navnet blev givet efter en bestemt bakterie, som vi i dag kalde for stav-formede bakterier. 3 Man kan opdele formen på en bakterie i 3 grupper; kugleformet, stavformet og spiraler. Kugleformet bakterier kan fremkomme i forskellige former: Figur 1 Kuglebakterie 4 Figuren nedenunder viser stav- og spiralformede bakterier. Figur 2 Stav- og spiralformede bakterier 5 Bakteriers størrelse: Længden af bakterier er mellem 2 og 10 mikrometre 6. 2 Baktêrion betyder Lille stav 3 Vidensbank: Bakteriers vækst. Udgivet af Salmonella, fra United States Department of Health and Human Services. Internetadresse: - Besøgt d Kuglebakterie: Tetra Pak. År? I: ( Besøgt den 27/ Stav- og spiralformede bakterier: Tetra Pak. År? I: ( Besøgt den 27/ Side 7 af 19

8 Figuren nedenfor viser indholdet af en bakterie. Kernematerialet bliver fordelt i cytoplasmaet. Cytoplasmaet er omgivet en cytoplasmisk hinde, som har mange funktioner, såsom regulering af salte, næringsstoffer og stofskifteprodukter mellem cellen og dens omgivelser den fungere som skelettet i bakterien og giver bakterien facon. Figur 3 Indholdet af en bakterie 7 Mikroorganismers livsbetingelse? Organismer har også brug for bestemte livsbetingelser for at overleve. Ligesom vi mennesker har brug for fx, næring, ilt, vand og varme for at kunne overleve, har bakterier også deres livsbetingelser. Dog er bakterier bedre til at klare sig i kritiske perioder. Næring og stofskifte: Bakterier kan leve under vanskelige forhold. De kan overleve i et glas vand med destilleretvand, fordi der er nok salt og organiske molekyle til, bakterien Pseudomonas kan overleve og dele sig. Hvis det vand, som bakterierne er vi, fx kommes til at bruges til sårpleje, kan der med stor sandsynlighed opstå alvorlige infektioner. 8 Forbrug af ilt: Man kan inddele bakterier i dem: 6 1 mikrometer=0,001 mm. 7 Indholdet af en bakterie: Tetra Pak. År? I: ( Besøgt den 27/ Henrik Andersen, Lene Schade Jensen, Ulla Larsen : Naturfag : For social- og sundhedsassistenter, Udgave 2. Forlag: Munkgaard Danmark, Udgivelsesår: 2004 side Besøgt den 28/ Side 8 af 19

9 som skal have ilt for at overleve (kaldet aerobe). Streptokokbakterien, som ofte skyldes årsagen til halsbetændelse, er aerob. Dem der kun lever, hvor der ikke er noget ilt (kaldet anarobe). Stivkrampebakterien (Clostridium tetani) er en frygtet anarobe bakterie, fordi den danner kraftigt giftstof og beskadiger vores nervesystem Dog har de fleste bakterier evnen til at over gennem længere tid, lige meget om der er ilt eller ej. Temperatur: Ved temperaturerne har bakterierne stor forskel. Nogle bakterier kan klare sig ved -10 grader, og andre klare sig ved +150 grader. De bakterier som fremkalder sygdomme, klarer sig best ved 35 grader. Jo højere temperatur det bliver, jo svære er det at formere sig. Bakterier er svære at slå i hjem i kulde, for nogle undersøgelser 9 har vist, at ved nedfrysning på -252 grader i 10 timer, fik ikke alle bakterier slået ihjel. ph: Bakterier befinder sig bedst ved en neutralt ph på 7, men god kan de fleste klare sig ved en ph på 6-8- Mælkesyrebakterier overlever dog bedst i et surt miljø. I fx tarmsystemet skaber mælkesyrebakterier stofskifeprodukter med lavt ph, og dermed holder den andre bakterier på afstand. Hvordan er bakteriernes vækst? Mikroorganismer formere sig meget hurtigt. Denne formering finder sted ved, at bakterien deler sig og bliver til to, og disse to deler sig og bliver til 4 osv. De fleste bakterier deler sig hvert 20 min, og det uvikler sig som en eksponentiel vækst. Man udnytter nemlig dette i industrien til fremstilling af fx enzymer og antibiotika. For i løbet af ingen tid, kan man producere meget. Dyrkningen af bakterier giver at godt indblik af deres vækst og fire faser, som bakterierne går igennem: 9 Henrik Andersen, Lene Schade Jensen, Ulla Larsen : Naturfag : For social- og sundhedsassistenter, Udgave 2. Forlag: Munkgaard Danmark, Udgivelsesår: 2004 side Besøgt den 28/ Side 9 af 19

10 De 4 faser: 10 1) Lagringsfasen Når/hvis bakterier ugunstige forhold fx, indtørring eller afkøling, går der to timer inden bakterierne er stærke til at dele sig. I lagringsfasen sker der en stærk formering af de enkelte bakterier. De indsamler energi og næring til den næste formering. 2) Logaritmefasen I logaritmefasen deler bakterierne sig regelmæssig. Den tid hvor bakterien er blevet dannet, til den dele sig kalder man for generationstid. For de fleste bakterier, som fremkalder mennesker sygdomme, er tiden 20 min. Dette medføre at fordoblingskonstanten for sig et eksponentiel vækst. Eks: Figur 4 Reproduktion af bakterier 11 3) Den stationære fase Efter et stykke tid, som der bliver samlet affaldstoffer fra bakteriens stofskifte, bliver bakteriernes vækst mindre. Ved bakterierne nedbrydning af protein bliver der dannet ammoniak 10 Henrik Andersen, Lene Schade Jensen, Ulla Larsen : Naturfag : For social- og sundhedsassistenter, Udgave 2. Forlag: Munkgaard Danmark, Udgivelsesår: 2004 side Besøgt den 28/ Reproduktion af bakterier: Forfatter?. År? I: ( Besøgt den: 27/ Side 10 af 19

11 (NH3), som påvirker væksten. Antallet at bakterier vil blive det samme inden for timer. Det derfor man kalder det for den stationære fase. 4) Nedgangsfasen Når der bliver mangel på næringsstoffer, og affaldsstoffer bliver tiltaget, dør størstedelen af bakterierne. For når der bliver dannet ammoniak flutter ph en sig, og bakteriernes miljø bliver basisk. Bakteriernes livsbetingelser, bliver dårligt, og derfor falder antallet af bakterier også meget hurtigt, som det steg under logfasen. Hvilefasen: Nogle af bakterierne er klar forberedt på sådan nogle ugunstige forhold. Disse bakterier nedsætter deres stofskifte og dermed overlever de i længere tid. Figur 5 Viser væksten for bakterier i en dyrkningplade (petriskål). Den vandrette akse viser tiden angivet i timer og den lodrette akse viser logaritmiske antal af bakterier. Ved 2 log er der 100 bakterier Forfatter af Henrik Andersen, Lene Schade Jensen, Ulla Larsen: Tegning ansvarlig: Birgitta Glode : Naturfag : For social- og sundhedsassistenter, Udgave 2. Forlag: Munkgaard Danmark, Udgivelsesår: 2004 side 184 Side 11 af 19

12 Beregning af væksthastigheden: Så længe forholdene er gode for bakterierne, vil tilvæksten hele tiden være proportional med det antal bakterier, som findes på det tidspunkt. Dvs. Jo flere bakterier der er, desto flere bakterier dannes der Man kan udtrykke dette matematisk 13 : Ligning Dette gælder kun for logaritmiske vækstfase: N = antaller af bakterier t = tiden µ = specifikke væksthastighed 1) μ Ligning 1: Viser tilvæksten i antal bakterier pr tidsenhed, dette afhænger af, hvor mange bakterier der er tilstede, og hvor hurtigt de kan vokse (specifikke væksthastighed). Enheden for specifik væksthastighed (µ) er h -1 (pr. time). Hvis vi integrerer ligningen 1 mellem to tider t1 og t2: Nummer 2 ligning kan vi omskrive til: 2) μ 3) ln μ Nummer 3 ligning kan vi omskrive til 10-tals logaritmer: 2,303 er en konstant kaldet e Ligning vi kan vi omskrive til: 4) log, 13 Denne matematiske beregning har jeg fundet hjælp i: Herluf Thougaard, Verner Varlund og René Møller Madsen : Mikrobiologo Fødevarer, Hygiejne, Genteknologi : Mere om mikrooraganismernes vækstforhold, evt. navn Udgave 3 opslag 1. Nyt Teknisk Forlag, Udgivelsesår Side 12 af 19

13 5), Ligning 5 ser næsten ud at beskrive en ret linje (y=ax+b) i et koordinatsystem med logaritmen til antal bakterier (N2) på y-aksen og tiden (t2-t1) på x-aksen. Bakterier som vokser, siges at være i eksponentiel vækst. Man kan bestemme ligningsudtrykket ved, at man til forskellig tid tæller bakterieantal og afsætter logaritmen til dette antal som funktion af tiden, og dermed for man en ret linje. Man kan ud fra denne rette linje finde hældningen, og dermed beregne den specifikke væksthastighed (µ). Eksempel: Hvis man finder t bakterier og 8 timer senere måler til, at der er 10 9 bakterier, så vil den specifikke væksthastighed være: μ 8 4 2, ,151 Man beskriver ofte bakterier vækst, som den tid, det tager dem at fordoble sig (fordoblingstiden eller generationstiden), og det betegner jeg som g. Man kan vise sammenhængen mellem g og µ ud fra ligning 3 vises at være: 2 μ ln2 = 0,693 µ = 1,151 h -1 Sætter tallene ind i formlen: 0,693 1,151 g=0,602 timer Side 13 af 19

14 Hvilken indflydelse har bakterierne i industrien? Hvis man skulle give et eksempel, hvor de bruger mikroorganismer i industrien kunne det fx være ølbrygning. Jeg vil ikke komme ind på hele øl fremstillingsprocessen, men derimod fortælle hvad de bruger mikroorganismerne til hvad deres opgave er. Mikroorganismers brug i ølbrygning: 14 Under forgæringsprocessen sker det som er betegnet på billedet(a og B). A og B delen kalder man for nøglefasen og den eksponentielle vækst fase. I disse fase vender gæren sig til de nye omgivelser og starter at formere sig. Figur 6 Mikroorganismers brug i ølbrygning Under efter gæringen som kan ses på billedet(d og C), kaldes for den stationære fase og nedgangsfasen. Her producere gæren alkohol, fordi der netop ikke kommer mere ilt til. I nedgangsfasen er koncentrationen for alkohol så vokset at gærcellerne dør. Efter det, filtrere man øllet og hælder 65 grader varmt vand over flaskerne i en time. Dette kaldes en pasteurisering 15, og formålet med dette er, at dræbe alle gær- og andre bakterier, så øllet holder på sin smag efter man hælder det i flasken. Dette kan sammenlignes med fx mælk, der dræber man også bakterierne, så de kan holde sig længere tid. Her ved øllet er det samme princip, at man dræber bakterierne så de ikke ødelægger øllet. 14 Figur 6: Mikroorganismers brug i ølbrygning: Jopsen I: ( Besøgt den: 28/ Pasteurisering betyder at man dræber alle bakterier Side 14 af 19

15 Sammenligning af ølbrygning mælkeproduktion? Er der nogen forskel? Figur 7 Mikroorganismers brug i øl produktionen 16 Øl Figur 8 Mælkeproduktion 17 Mælk Som man kan se på de tre diagrammer, er det næsten ingen forskel på de 4 faser, for de følger næsten hinanden. Man kan dog se en lille forskel til starten: I ølbryggeriet for bakterierne en kick-start. De går fra, at der ikke er så mange bakterier til starten, til den stiger lineært, dvs. bakterierne begynder at formerer sig. I log fasen (B)forløber reproduktionen logaritmisk. I d fasen er koncentrationen af alkohol (som skrevet før) blevet så højt, at bakterierne dør. I mælke processen, indeholder bakterierne mælken allerede bakterierne inkl. fra koen. Så bakterierne er allerede vendt sig lidt til omgivelserne. Men ellers er log fasen (B)akkurat det samme som i ølbryggeriet. I d fasen slår man bakterierne ihjel ved at varmebehandle mælken, dermed dør bakterierne. 16 Mikroorganismers brug i ølbrygning: Jopsen I: ( Besøgt den: 28/ Mælkeproduktion: Tetra Pak I: ( 28/ Side 15 af 19

16 Kurverne: Formerne på de 2 kurver, fx længden af de forskellige faser og hældningen på kurven i hver fase Formen på kurven, f.eks. længden af de forskellige faser og hældningen på kurven i hver fase, afhænger efter temperaturen, foder og andre vækstbetingelse. Vurdering Hvis man skulle sammenligne de faser med producering af mælk og alkohol, følger de samme princip. Det kan ses på diagrammerne. Bakterier er med til at forbedre. Side 16 af 19

17 Konklusion Jeg kan konkludere at mikroorganismer af en del af vores livsvyklus, og de er over det hele. Vi har meget gavn af mikroorganismer både i kroppen men også i industrien, selv om de er så små, at vi ikke kan se dem med det blottet øje. Mikroorganismer formere sig meget hurtigt. Formeringen sker ved at en bakterie sig og bliver til to, og disse to deler sig og bliver til 4 osv. Jeg har fundet frem til, at man matematisk kan beregne deres specifikke væksthastighed ved formlen: µ 2 1 2,303 1,151 t2=antal bakterier (slut) t1=antal bakterier (start) og tiden kan beregnes 2 μ Man udnytter nemlig dette i industrien til fremstilling af fx enzymer og antibiotika. For i løbet af ingen tid, kan man producere meget. De følger samme princip ang. Ølbrygning og mælkeproduktion. Batterierne har samme egenskab i begge dele, og kurverne følge hinanden. Jeg synes det har været spændende og lærerigt, da dette er en slags prøve srp for mig, Jeg vil dog i den endelige srp i december, gå mere i dybden og få mere matematik ind i projektet med diagrammer. Jeg vil dog starte lidt før mere litteratursøgning, så jeg er klar til at skrive i december måned. Side 17 af 19

18 Litteraturliste: Har brugt: til at lave mine fodnoter og litteraturliste. Bøger brugt til rapporten; Paul Stein Jensen og Jens Jørgen Nilen: Mikrobiologi. Side udg. Erhvervskolernens Forlag, (Bog) Henrik Andersen, Lene Schade Jensen og Ulla Larsen: Naturfag For Social. Og Sundhedsassistenter. Side udg. Munksgaard Danmark, (Bog) Internetsider brugt til rapporten: Hvorfor skal mælken køles?: Hvorfor skal mælken køles?. Udgivet af DeLaval. Internetadresse: - Besøgt d (Internet) Ølbrygning. Udgivet af Jopsen. Internetadresse: - Besøgt d (Internet) Vidensbank: Bakteriers vækst. Udgivet af Salmonella, fra United States Department of Health and Human Services. Internetadresse: - Besøgt d (Internet) Billede fra bøger. Glode, Birgitta. Vækstkurve for bakterier i petriskål. Set i: Naturfag For Social- og Sundhedsassistenter. Munksgaard Danmark, s (Billede) Billeder fra internettet: Forside: Mikroorganismer. Niels og Peter, Niels og Peter. Set: kilo-bakterier / (Billede) Side 18 af 19

19 Stav- og spiralformede bakterier. Tetra Pak, Tetra Pak. Set: (Billede) Kuglebakterie. Tetra Pak, Tetra Pak. Set: (Billede) Indholdet af en bakterie. Tetra Pak, Tetra Pak. Set: (Billede) Reproduktion af bakterier. Tetra Pak, Tetra Pak. Set: (Billede) Mikroorganismers brug i ølbrygning. Jopsen, Jopsen. Set: (Billede) Mælkeproduktion. Tetra Pak, Tetra Pak. Set: (Billede) Billeder brugt fra bøger Glode, Birgitta. Væksten for bakterier i en petriskål. Set i: Naturfag For Social- Og Sundhedsassistenter. Munksgaard Danmark, s (Billede) Side 19 af 19