IIntermediate · deel I9 · Leven en biotechnologie

Handboek · hoofdstuk 35Micro-organismen en biotechnologie

Onzichtbare helpers en belagers: van gist in je brood tot insuline uit een bacterie, en een compostvat voor Habitat

Er leven meer bacteriën in je darmen dan er mensen op aarde zijn, en toch zie je er geen enkele. Micro-organismen maken ons brood, onze yoghurt en ons biogas, ze ruimen afval op en ze maken geneesmiddelen. Sommige maken ons ziek. In dit hoofdstuk leer je ze kennen, kweken zonder risico, hun groei beschrijven met de groeicurve, en benutten in fermentatie en biotechnologie. Voor Habitat ontwerp je een compostvat en een hygiëneplan.

10× uitleg5× uitgewerkt voorbeeld3× proef1× ontleed1× naslag2× verhaal1× het geheel1× code16 opdrachten in het werkboek± 10 lestijden

BLeven en systemen OOnderzoeken en meten WWiskundig modelleren

Elk stipje is een kolonie van miljoenen cellen, gegroeid uit één enkele bacterie of spore.

Na dit hoofdstuk

Je kan bacteriën, gisten, schimmels en virussen onderscheiden naar bouw, grootte en manier van vermeerderen.
Je kan uitleggen hoe je steriel werkt, en een kweekproef veilig opzetten en afronden.
Je kan de vier fasen van een groeicurve benoemen en verklaren, op een lineaire en op een logaritmische as.
Je kan met een verdunningsreeks het aantal bacteriën per mL berekenen, en een generatietijd bepalen uit metingen.
Je kan uitleggen hoe temperatuur de groei van bacteriën beïnvloedt, en waarom koelen, pasteuriseren en steriliseren werken.
Je kan fermentaties (alcohol, melkzuur, azijn, methaan) als reactievergelijking schrijven en er mee rekenen.
Je kan uitleggen hoe bacteriën menselijke insuline maken.
Je kan een compostvat en hygiëneregels voor de kweekruimte van Habitat onderbouwen.

Uitleg · 35.1

Wat je al weet, en wat nu komt

1/24

In F26 bekeek je eencelligen onder de microscoop, in F28 zag je hoe reducenten dood materiaal afbreken, en in hoofdstuk 5 rekende je met bacteriën die elke 20 minuten verdubbelen. In hoofdstuk 34 zag je dat gist zonder zuurstof suiker kan vergisten. Nu brengen we het samen.

wat je al weet	waar	wat er nu bij komt
eencelligen, de microscoop, vergroting	F26	bacteriën, gisten, schimmels en virussen: bouw en grootte
reducenten breken dood materiaal af	F28	compost en biogas: reducenten aan het werk
bacteriën verdubbelen elke 20 minuten: exponentiële groei	hoofdstuk 5	de volledige groeicurve, met aanloop, plafond en afsterven
een gistfles maakt CO₂ uit suiker	hoofdstuk 14	fermentatie in brood, yoghurt en biogas
enzymen, temperatuuroptimum, gisting levert 2 ATP	hoofdstuk 34	waarom de koelkast werkt en koken ontsmet

In dit hoofdstuk

leer je de vier grote groepen kennen: bacteriën, gisten, schimmels en virussen;
leer je steriel werken en kweek je veilig kiemen van je handen en je smartphone;
beschrijf je de volledige groeicurve, tel je bacteriën met een verdunningsreeks en bepaal je een generatietijd;
zie je waarom de koelkast, pasteuriseren en koken werken;
maak je zelf CO₂ met gist en yoghurt met melkzuurbacteriën, en meet je wat er gebeurt;
leer je hoe biogas en insuline uit micro-organismen komen;
ontwerp je voor Habitat een compostvat en een hygiëneplan voor de kweekruimte.

Brood, yoghurt, zuurkool, kaas en azijn: allemaal het werk van micro-organismen.

Verhaal · 35.2

Delft: gist, spiritus, een virus en een geheime penicilline

2/24

In 1869 stichtten Jacques van Marken en zijn vrouw Agneta Matthes in Delft de Nederlandsche Gist- en Spiritusfabriek. Ze maakten bakkersgist, en uit het gistingsproces ook spiritus (alcohol). Gist kweken is kiemen kweken: één besmetting met de verkeerde bacterie en een hele productie is bedorven. Daarom haalde Van Marken in 1885 een jonge bioloog naar zijn fabriek, Martinus Willem Beijerinck, en richtte hij voor hem een laboratorium in.

Beijerinck bleef tien jaar. In 1888 haalde hij uit de wortelknolletjes van erwten en bonen de bacteriën die stikstof uit de lucht vastleggen (hoofdstuk 36). In 1895 werd hij hoogleraar aan de school die vandaag de TU Delft is. Daar onderzocht hij de mozaïekziekte van tabak. Hij perste het sap van zieke bladeren door een porseleinen filter dat alle bacteriën tegenhoudt. Het heldere sap maakte gezonde planten toch ziek, en de ziekte ging over van plant op plant. In 1898 besloot hij dat het ging om iets dat kleiner is dan elke bacterie en zich alleen in levende cellen vermenigvuldigt: een contagium vivum fluidum, een 'levende besmettelijke vloeistof'. Hij noemde het een virus. Beijerinck geldt daarom als een van de grondleggers van de virologie.

In 1928 zag de Schotse arts Alexander Fleming in Londen dat een schimmel die toevallig op een bacteriekweek gevallen was, de bacteriën eromheen doodde: penicilline. Tijdens de Duitse bezetting kreeg Albert Jan Kluyver, de opvolger van Beijerinck, van de directie van de gistfabriek de ruimte om in het geheim penicilline te leren maken. Om de bezetter te misleiden kreeg het project een schuilnaam: Bacinol. Op 15 november 1945 kreeg een Delftse patiënte met een levensgevaarlijke infectie als eerste Delftse penicilline toegediend; ze genas. De fabriek werd later Gist-Brocades en hoort sinds 1998 bij DSM: nog altijd een grote plek voor biotechnologie.

Waarom dit verhaal ertoe doet

Een fabriek die gist maakte, leverde de ontdekking van het virus, stikstofbindende bacteriën en penicilline. Biotechnologie begint bij zorgvuldig kweken: steriel werken, tellen, en precies weten wat er in je vat groeit. Dat leer je in dit hoofdstuk.

Een gistfabriek aan het water: in zo'n omgeving begon de Delftse school van de microbiologie.

Uitleg · 35.3

Hoe klein? Van virus tot gistcel

3/24

Micro-organismen zijn levende wezens die te klein zijn om met het blote oog te zien, dat tot ongeveer 0,1 mm scherp ziet. De belangrijkste groepen:

bacteriën (en de verwante archaea): cellen zonder kern, meestal 1 tot 5 µm;
gisten: eencellige schimmels met een kern, 5 tot 10 µm;
schimmels: draden (hyfen) van enkele µm dik, die samen een zichtbaar pluis vormen;
algen en eencellige dieren (F26): meestal groter, tot enkele tienden van een millimeter;
virussen: geen cellen, maar deeltjes van 20 tot 300 nm.

Een micrometer (µm) is een duizendste millimeter; een nanometer (nm) een duizendste micrometer. Een lichtmicroscoop onderscheidt details tot ongeveer 0,2 µm: bacteriën zie je als stipjes en staafjes, virussen niet. Die werden pas in 1939 zichtbaar, met de elektronenmicroscoop.

Een logaritmische schaal

De figuur loopt van 10 nm tot 1 mm: vijf decaden. Op een gewone as zou een virus onzichtbaar klein naast een haar staan. Elke stap naar rechts is tien keer groter (hoofdstuk 5): een haar is ongeveer duizend keer zo dik als een griepvirus.

Balkjes tonen de gewone grootte. Wat rechts van ± 0,2 µm staat, zie je met een lichtmicroscoop.

Ontleed · 35.4

De bacterie

4/24

Een bacterie is een volledige cel, maar eenvoudiger gebouwd dan een planten- of dierencel (F26): ze heeft geen kern en geen mitochondriën of bladgroenkorrels. Zo'n cel heet een prokaryoot. De darmbacterie E. coli is ongeveer 2 µm lang: vijfhonderd achter elkaar is een millimeter.

Schematische doorsnede van een staafvormige bacterie.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Kapsel
Een slijmlaag rond sommige bacteriën: bescherming tegen uitdrogen en tegen afweercellen, en een lijm om zich vast te hechten.
2
Celwand
Een stevig net dat de vorm geeft en de cel beschermt tegen barsten. Penicilline verhindert dat bacteriën hun celwand kunnen bouwen: daardoor werkt het tegen bacteriën en niet tegen jouw cellen, die geen celwand hebben.
3
Celmembraan
Het vlies dat bepaalt wat de cel in en uit gaat, zoals bij elke cel. Hier zitten ook de enzymen van de celademhaling: een bacterie heeft geen mitochondriën nodig.
4
Cytoplasma
De vloeistof in de cel, vol enzymen: hier gebeuren de meeste reacties van de stofwisseling.
5
DNA
Eén groot, ringvormig chromosoom, los in het cytoplasma (geen kern). Het bevat de informatie voor alle eiwitten van de bacterie.
6
Plasmide
Klein, extra ringetje DNA, dat bacteriën onderling kunnen doorgeven, bijvoorbeeld met genen voor resistentie tegen antibiotica. Biotechnologen gebruiken plasmiden om een gen in een bacterie te brengen (insuline, verderop).
7
Ribosomen
Duizenden kleine eiwitfabriekjes. Ze zijn anders gebouwd dan de onze, en daarom kan een antibioticum ze stilleggen zonder jouw cellen te raken.
8
Zweepdraad
Een draad die ronddraait als een scheepsschroef, aangedreven door een klein motortje in de celwand: zo zwemt de bacterie naar voedsel toe. De korte haartjes (pili) dienen om zich vast te hechten.

Uitleg · 35.5

Gisten en schimmels

5/24

Gisten en schimmels horen samen bij de fungi, een eigen rijk naast planten en dieren. Hun cellen hebben een kern, zoals de jouwe, en een celwand van chitine, de stof van het pantser van insecten. Ze hebben geen bladgroen: ze leven van wat anderen maakten, als reducent of als parasiet.

Gisten zijn eencellig. Bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) is een ovale cel van 5 tot 10 µm. Ze vermeerdert door knopvorming: er groeit een uitstulping die een kopie van de kern krijgt en loslaat. Met zuurstof ademt gist suiker volledig af; zonder zuurstof vergist ze het tot alcohol en koolstofdioxide (hoofdstuk 34).

Schimmels groeien met lange draden van enkele µm dik, de hyfen. Samen vormen ze een netwerk, het mycelium: het pluis op oud brood, of onder de grond het netwerk waarvan een paddenstoel alleen de vrucht is. Schimmels verspreiden zich met sporen: piepkleine cellen die met de lucht meewaaien en jaren kunnen overleven. Daarom groeit er op elke vochtige boterham na een paar dagen schimmel.

Nuttig en schadelijk

Penicillium levert penicilline en de blauwe aders in blauwe kaas. Aspergillus maakt sojasaus en citroenzuur, maar sommige soorten maken giftige stoffen op beschimmelde noten. Botrytis, de grauwe schimmel, laat aardbeien en sla rotten als de lucht vochtig is: een belager van de kweekruimte van Habitat.

Links een gistcel met een knop. Rechts schimmeldraden met sporenhouders: elk bolletje bevat duizenden sporen.

Uitleg · 35.6

Virussen: leven lenen

6/24

Een virus is geen cel. Het is een pakketje erfelijk materiaal (DNA of RNA) in een mantel van eiwit, soms met een vetlaagje eromheen. Het heeft geen eigen stofwisseling en kan zich niet zelf delen. Het moet een levende cel binnendringen en die cel dwingen om nieuwe virussen te maken:

het virus hecht aan een cel waarvan het de buitenkant 'herkent' (elk virus heeft zijn eigen gastheren);
het erfelijk materiaal gaat de cel binnen;
de enzymen en ribosomen van de cel kopiëren het virus-DNA of -RNA en bouwen nieuwe mantels;
honderden nieuwe virussen komen vrij, vaak doordat de cel openbarst en sterft.

Er zijn virussen voor elke vorm van leven. Bacteriofagen ('bacterie-eters') infecteren bacteriën; het tabaksmozaïekvirus van Beijerinck infecteert planten; griep, verkoudheid, norovirus en het coronavirus infecteren mensen.

Antibiotica helpen tegen griep

Antibiotica werken op onderdelen die alleen bacteriën hebben: de celwand, de bacteriële ribosomen. Een virus heeft die niet. Tegen virussen helpen je afweer, vaccins, enkele antivirale middelen, en hygiëne. Wie antibiotica slikt tegen een verkoudheid, helpt alleen de bacteriën in zijn lichaam om resistent te worden.

Leeft een virus?

Volgens de levenskenmerken van F26 niet: geen stofwisseling, geen groei, geen voortplanting op eigen kracht. Maar het heeft erfelijk materiaal, het verandert door mutaties en het evolueert. Biologen noemen virussen daarom soms 'op de grens van het leven'.

Een bacteriofaag spuit zijn DNA in een bacterie. De cel maakt daarna zelf de nieuwe virussen.

Uitgewerkt voorbeeld · 35.7

Wat zie je met welke microscoop?

7/24

Een lichtmicroscoop vergroot 1000 keer (objectief 100 ×, oculair 10 ×, F26). (a) Hoe groot lijkt een E. coli van 2 µm, en een gistcel van 8 µm? (b) Hoe groot zou een griepvirus van 100 nm lijken, en waarom zie je het toch niet? (c) Welke vergroting heb je nodig om het virus 5 mm groot te zien?

Gegeven

vergroting $V = 1000$
$ℓ_{E. coli} = 2 μ m$ , $ℓ_{gist} = 8 μ m$ , $ℓ_{virus} = 100 nm$
oplossend vermogen lichtmicroscoop $\approx 0, 2 μ m$

Gevraagd

schijnbare grootte
benodigde vergroting

Oplossing

1
(a) Schijnbare grootte = echte grootte × vergroting: $2 μ m \cdot 1000 = 2000 μ m = 2 mm$ ; gist: $8 mm$ . De bacterie is een streepje, de gistcel een duidelijke ovaal met een knop.
2
(b) $100 nm \cdot 1000 = 0, 1 mm$ . Dat zou je net kunnen zien, maar het virus is kleiner dan de halve golflengte van licht (± 0,2 µm): de microscoop beeldt het niet scherp af. Meer vergroten geeft alleen een grotere vlek.
3
(c) $V = 5 mm /100 nm = 5 \cdot 1 0^{- 3} /1 \cdot 1 0^{- 7} = 50000$ . Dat haalt een elektronenmicroscoop moeiteloos: elektronen hebben een veel kleinere golflengte dan licht.

Antwoord

De bacterie lijkt 2 mm, de gistcel 8 mm. Het virus zou 0,1 mm lijken, maar ligt onder het oplossend vermogen; met een elektronenmicroscoop die 50 000 keer vergroot, wordt het 5 mm.

Klopt dit? Vergroting en oplossend vermogen zijn twee verschillende dingen. Een foto van een bacterie kan je op je scherm eindeloos vergroten, maar je ziet er niet meer details door: dat heet 'lege vergroting'.

Uitleg · 35.8

Steriel werken en kweken

8/24

Ontstaan micro-organismen vanzelf in bedorven voedsel? Rond 1860 beslechtte Louis Pasteur die vraag met een slimme kolf. Hij kookte bouillon in een kolf met een lange, S-vormige hals. Lucht kon vrij in en uit, maar stof en kiemen bleven in de bocht hangen. Het bouillon bleef maandenlang helder. Brak hij de hals af, dan werd het binnen enkele dagen troebel. Leven komt van leven, ook bij micro-organismen.

Wie micro-organismen kweekt, wil precies weten wat er groeit. Dat vraagt steriel (kiemvrij) en aseptisch werken:

Steriliseren: voedingsbodems en glaswerk 15 minuten op 121 °C in een autoclaaf (een snelkookpan doet hetzelfde: stoom onder ongeveer 1 bar overdruk). Ook sporen sterven dan.
Een voedingsbodem: een oplossing van voedingsstoffen, gestold met agar (uit zeewier). Het idee kwam in 1881 van Fanny Hesse, die in het labo van Robert Koch werkte; Julius Petri bedacht in 1887 de platte schaal met deksel. Op agar groeit elke cel uit tot een zichtbare kolonie.
Aseptisch werken: werkblad ontsmetten met ethanol 70 %, handen wassen, het deksel zo kort en zo schuin mogelijk openen, een entoog uitgloeien in een vlam.
Kweken bij een gekozen temperatuur, en vernietigen na afloop: opnieuw steriliseren.

Elke kweek kan een ziekteverwekker bevatten

Wat je uit de omgeving kweekt, ken je niet. Daarom gelden op school vaste regels: platen dicht met twee of vier korte stroken plakband (niet helemaal rondom: dan groeien juist de gevaarlijke bacteriën die geen zuurstof willen), kweken bij 20 à 25 °C (niet bij 37 °C, de temperatuur van je lichaam), nooit openen na het kweken, en de leerkracht steriliseert de gesloten platen voor ze weggegooid worden.

Links bleef het bouillon helder: de lucht kon erbij, de kiemen niet. Rechts viel stof met kiemen erin.

Proef · 35.9

Kiemen op agar: waar zitten de meeste bacteriën?

9/24

Onderzoeksvraag

Hoeveel micro-organismen draag je mee op je handen, en helpt handen wassen? Zit er meer op je smartphone of op een deurklink?

Materiaal

zes steriele petrischalen met voedingsagar (kant-en-klaar gekocht)
steriele wattenstaafjes
plakband, watervaste stift
zeep, ethanol 70 % voor het werkblad
een plek bij 20-25 °C (of een broedstoof, ingesteld op 25 °C)

VeiligheidWerkblad eerst ontsmetten met ethanol 70 % (ontvlambaar: geen vlam in de buurt). Schrijf op de bodem, niet op het deksel. Plak elke plaat na het beënten dicht met twee of vier korte stroken plakband aan tegenoverliggende kanten. Leg ze omgekeerd weg bij 20-25 °C. Na het kweken open je ze nooit meer: je telt door het deksel. De leerkracht steriliseert de gesloten platen (snelkookpan of autoclaaf, 121 °C, 15 min) of legt ze een nacht in javel voor ze in het afval gaan. Handen wassen na elke stap.

Ethanol 70 % is ontvlambaar. Javel is bijtend of irriterend en giftig voor waterleven.

Werkwijze

1Nummer de bodems 1 tot 6. Plaat 1 blijft dicht: de blanco.
2Plaat 2: deksel 10 minuten van de plaat, open in de klas.
3Plaat 3: druk drie ongewassen vingertoppen zacht op de agar. Plaat 4: dezelfde vingers, na 30 s wassen met zeep en water.
4Plaat 5 en 6: wrijf een steriel wattenstaafje over een smartphonescherm en over een deurklink, en daarna zigzag over de agar.
5Plak alle platen dicht, leg ze omgekeerd weg en tel na 2 à 3 dagen de kolonies door het deksel.

Waarneming

plaat	wat	kolonies na 3 dagen
1	niet geopend (blanco)	0
2	10 minuten open in de klas	6
3	vingertoppen, ongewassen	48
4	vingertoppen na 30 s wassen met zeep	9
5	wattenstaafje over een smartphonescherm	21
6	wattenstaafje over een deurklink	35

Voorbeeldresultaat van een klas, telkens één plaat.

Verklaring

Elke kolonie groeide uit één cel of één spore: een kolonievormende eenheid (KVE). Kolonies met een andere kleur, vorm of rand zijn andere soorten: glanzende ronde stipjes zijn meestal bacteriën, pluizige vlekken schimmels. De blanco bewijst dat de platen en de werkwijze kiemvrij waren: anders kan je niets besluiten. Handen wassen verminderde het aantal hier met 80 %. Eén plaat per situatie is een steekproef van één (hoofdstuk 2): wie een besluit wil, herhaalt.

Tellen door het deksel: de platen blijven dicht.

Uitleg · 35.10

Groei: delen, verdubbelen, en de groeicurve

10/24

Een bacterie groeit tot ze ongeveer twee keer zo groot is, kopieert haar DNA en deelt zich in tweeën. Bij E. coli in een rijke voedingsbodem bij 37 °C duurt dat ongeveer 20 minuten. Zo lang er voedsel is, verdubbelt het aantal dus in gelijke tijden: exponentiële groei (hoofdstuk 5).

exponentiële fase

N (t) = N_{0} \cdot 2^{t / t_{d}}

N_{0}

het aantal bij de start,

t_{d}

de generatietijd (verdubbelingstijd). Op een logaritmische as is dit een rechte.

In een afgesloten cultuur, zoals een buisje bouillon, blijft het daar niet bij. Een groeicurve telt vier fasen:

aanloopfase (lag-fase): de bacteriën passen zich aan hun nieuwe omgeving aan en maken de enzymen die ze nodig hebben. Het aantal verandert nog nauwelijks;
exponentiële fase (log-fase): elke generatietijd een verdubbeling;
stationaire fase: het voedsel raakt op en afvalstoffen hopen zich op. Er komen evenveel bacteriën bij als er sterven;
afstervingsfase: er sterven er meer dan er bijkomen, en het aantal daalt, vaak ook exponentieel.

De figuur toont één en dezelfde groeicurve twee keer, berekend met het programma op het codeblad. Op de lineaire as lijkt er acht uur lang niets te gebeuren en dan plots alles. Op de logaritmische as zie je de aanloop, de rechte van de exponentiële fase, het plafond van ongeveer $1 0^{9}$ per mL en de trage daling.

Een model met een geldigheidsgebied

Het model gebruikt gekozen waarden die passen bij E. coli bij 37 °C in een buisje bouillon. Echte curven verschillen per soort, per voedingsbodem en per temperatuur. In hoofdstuk E31 leer je het Monod-model, waarmee bioprocesingenieurs zo'n curve voor een bioreactor voorspellen.

Boven lineair, onder logaritmisch: de exponentiële fase is onderaan een rechte (model uit groei.py).

Na één uur zijn er uit één bacterie acht; na acht uur, zonder rem, meer dan tien miljoen.

Uitgewerkt voorbeeld · 35.11

Bacteriën tellen met een verdunningsreeks

11/24

Hoeveel bacteriën zitten er in een staal yoghurtdrank? Je verdunt telkens 1 mL in 9 mL steriel water, zes keer na elkaar. Van de laatste drie buisjes strijk je 0,1 mL uit op een plaat. Na drie dagen tel je: te veel om te tellen, 87 kolonies en 9 kolonies. Hoeveel KVE per mL bevat het staal?

Zes keer tien keer verdunnen; alleen de middelste van de drie platen is goed te tellen.

Gegeven

verdunningen $1 0^{- 1}$ tot $1 0^{- 6}$
0,1 mL per plaat
$1 0^{- 4}$ : te veel; $1 0^{- 5}$ : 87 kolonies; $1 0^{- 6}$ : 9 kolonies

Gevraagd

KVE per mL in het staal

Oplossing

1
Elke stap verdunt tien keer (1 mL in samen 10 mL). Na vijf stappen zit er van elke mL staal nog $1 0^{- 5}$ mL in elke mL van het buisje.
2
Kies de plaat met 30 tot 300 kolonies: minder is te onnauwkeurig (toeval), meer groeit samen. Hier de plaat van $1 0^{- 5}$ met 87 kolonies.
3
87 kolonies in 0,1 mL van een $1 0^{- 5}$ -verdunning: $N = \frac{87}{0 , 1 mL \cdot 1 0 ^{- 5}} = 8, 7 \cdot 1 0^{7} KVE/mL$ .
4
Controle met de volgende plaat: $9/ (0, 1 \cdot 1 0^{- 6}) = 9 \cdot 1 0^{7}$ . Dat klopt binnen de toevalsfout van een klein aantal kolonies.

Antwoord

Het staal bevat ongeveer

8, 7 \cdot 1 0^{7}

KVE per mL.

Klopt dit? Dat is een gewone waarde voor een gefermenteerde melkdrank: meer dan een miljard levende bacteriën per flesje van 100 mL. Een getal zonder eenheid of zonder verdunning zegt niets: schrijf altijd KVE per mL (of per g).

Uitgewerkt voorbeeld · 35.12

De generatietijd uit een meetreeks

12/24

Een groep volgt een cultuur bij 30 °C met een troebelheidsmeter die ze eerst geijkt heeft met plaattellingen. Bepaal de generatietijd in de exponentiële fase.

t (h)	0	1	2	3	4	5	6	7	8
N (per mL)	1,0 · 10⁴	1,1 · 10⁴	2,0 · 10⁴	7,5 · 10⁴	2,9 · 10⁵	1,1 · 10⁶	4,4 · 10⁶	1,5 · 10⁷	3,0 · 10⁷

Op een logaritmische as vallen de middelste punten op een rechte: dat is de exponentiële fase.

Gegeven

de meetreeks
exponentieel: $N = N_{0} \cdot 2^{t / t_{d}}$

Gevraagd

generatietijd $t_{d}$

Oplossing

1
Zet de metingen op een logaritmische as: tussen 3 en 6 uur liggen ze op een rechte. Daar is de groei exponentieel; daarvoor zit de aanloop, daarna begint de afvlakking.
2
Van 3 tot 6 uur: $N$ gaat van $7, 5 \cdot 1 0^{4}$ naar $4, 4 \cdot 1 0^{6}$ , een factor $4, 4 \cdot 1 0^{6} /7, 5 \cdot 1 0^{4} = 58, 7$ .
3
Aantal verdubbelingen: $2^{g} = 58, 7$ , dus $g = \frac{lo g 58 , 7}{lo g 2} = \frac{1 , 769}{0 , 301} = 5, 87$ (hoofdstuk 5).
4
$t_{d} = \frac{3 h}{5 , 87} = 0, 51 h = 31 min$ .

Antwoord

De generatietijd bij 30 °C is ongeveer 31 minuten.

Klopt dit? Dat past bij het temperatuurmodel verderop: bij 30 °C verdubbelt E. coli ongeveer om het halfuur, bij 37 °C om de 20 minuten. Neem nooit de eerste of de laatste punten mee: daar is de groei niet exponentieel, en je generatietijd wordt te lang.

Code · 35.13

Python: de groeicurve simuleren

13/24

Het model achter de grafiek van de groeicurve, in één functie. Het rekent in stappen van één minuut (de methode van Euler, E4): per stap komen er $μ \cdot N \cdot Δ t$ bacteriën bij en sterven er enkele. Drie ideeën zitten erin:

klaar groeit van 0 naar 1: de aanloop;
voedsel / (0.05 + voedsel) is de verzadigingskromme van hoofdstuk 34: bij veel voedsel volle snelheid, als het opraakt valt de groei stil;
honger telt hoe lang het voedsel al op is; hoe langer, hoe meer bacteriën sterven.

Pythongroei.py35 regelsDownload

# groei.py - de groeicurve van een bacteriecultuur: een eenvoudig model (stap van 1 minuut)import math MU_MAX = math.log(2) / (20 / 60)   # per uur: E. coli bij 37 graden verdubbelt elke 20 minutenN_MAX = 1e9                        # bacteriën per mL als al het voedsel op isAANLOOP = 1.5                      # uur om zich aan te passen (aanloopfase)STERFTE = 0.2                      # per uur, als de honger lang genoeg duurt  def groeicurve(n0=1e3, uren=48, dt=1 / 60):    """Geeft een lijst (t in uur, N per mL) terug."""    n, voedsel, honger = n0, 1.0, 0.0            # voedsel: 1 = vol, 0 = op    klaar_q = 1 / (math.exp(MU_MAX * AANLOOP) - 1)    punten = [(0.0, n)]    for stap in range(1, round(uren / dt) + 1):        klaar = klaar_q / (1 + klaar_q)           # 0 bij de start, 1 als de cel is aangepast        mu = MU_MAX * klaar * voedsel / (0.05 + voedsel)        erbij = mu * n * dt                       # nieuwe bacteriën in deze stap        voedsel = max(0.0, voedsel - erbij / N_MAX)        klaar_q = klaar_q * math.exp(MU_MAX * dt)        if voedsel < 0.01:            honger += dt                          # hoe lang is het voedsel al op?        sterf = STERFTE * min(1.0, honger / 16) ** 2 * n * dt        n = n + erbij - sterf        punten.append((stap * dt, n))    return punten  if __name__ == "__main__":    curve = groeicurve()    print("  t (h)    N per mL    log N")    for t, n in curve[::180]:                     # elke 3 uur        print(f"{t:6.0f}   {n:10.2e}   {math.log10(n):5.2f}")    top_t, top_n = max(curve, key=lambda p: p[1])    print(f"hoogste waarde {top_n:.2e} per mL na {top_t:.1f} h")

Uitvoer (gedraaid bij het bouwen van deze pagina):

  t (h)    N per mL    log N
     0     1.00e+03    3.00
     3     1.93e+04    4.29
     6     6.42e+06    6.81
     9     1.00e+09    9.00
    12     9.90e+08    9.00
    15     9.36e+08    8.97
    18     8.09e+08    8.91
    21     6.13e+08    8.79
    24     3.90e+08    8.59
    27     2.15e+08    8.33
    30     1.18e+08    8.07
    33     6.46e+07    7.81
    36     3.54e+07    7.55
    39     1.94e+07    7.29
    42     1.07e+07    7.03
    45     5.84e+06    6.77
    48     3.20e+06    6.51
hoogste waarde 1.00e+09 per mL na 8.8 h

Na 8,8 uur is het plafond bereikt; na 48 uur zijn er nog 3,2 · 10⁶ per mL over. In opdracht 35.12 laat je de bacteriën koeler groeien en start je met meer of minder bacteriën.

Uitleg · 35.14

Temperatuur en hygiëne: waarom de koelkast werkt

14/24

Bacteriën groeien met enzymen, en dus heeft hun groei een temperatuuroptimum (hoofdstuk 34). Elke soort heeft een minimum, een optimum en een maximum. De meeste ziekteverwekkers zijn aangepast aan ons lichaam: ze groeien het snelst tussen 30 en 40 °C. De figuur toont een eenvoudig model (van de Australische voedingsmicrobioloog David Ratkowsky) voor twee soorten.

E. coli groeit niet onder ongeveer 7 °C. In de koelkast (4 °C) staat ze stil, bij 20 °C verdubbelt ze om de 1,6 uur, bij 37 °C om de 20 minuten.
Listeria monocytogenes groeit ook in de koelkast, traag: bij 4 °C verdubbelt ze ongeveer elke 30 uur. Daarom is ze gevaarlijk in kant-en-klaar voedsel dat lang koel bewaard wordt: gerookte vis, paté, voorgesneden sla.

Wat de voedselveiligheid daaruit haalt:

koelen (ten hoogste 4 à 7 °C) vertraagt de groei sterk, maar doodt niets; invriezen legt de groei stil, maar de meeste bacteriën overleven het;
tussen ongeveer 7 en 60 °C groeien ziekteverwekkers vlot: daarom houd je voedsel niet uren lauw;
pasteuriseren: kort verhitten, bijvoorbeeld melk 15 seconden op 72 °C, doodt de meeste ziekteverwekkers (hun enzymen denatureren) zonder de melk te koken;
steriliseren doodt ook sporen: 15 minuten op 121 °C (conserven, autoclaaf);
zuur (pH onder ongeveer 4,5), veel zout of veel suiker remmen de groei: yoghurt, zuurkool, pekelvlees, confituur.

De koelketen

Voedsel dat van de winkel naar huis anderhalf uur in een warme auto ligt, is niet meteen gevaarlijk, maar het heeft een deel van zijn 'groeitijd' opgebruikt. Houd de koelketen zo ononderbroken mogelijk: koelwaren als laatste in het winkelwagentje en thuis meteen in de koelkast. Een koelkast die op 7 °C staat in plaats van 4 °C, laat Listeria in het model meer dan twee keer zo snel groeien.

Model: E. coli staat stil in de koelkast, Listeria groeit er traag door. Beide hebben hun optimum rond 37-40 °C.

Uitleg · 35.15

Fermentatie: brood, bier, yoghurt en azijn

15/24

Zonder zuurstof halen micro-organismen een klein beetje energie uit suiker met fermentatie: 2 ATP per glucose in plaats van ongeveer 30 (hoofdstuk 34). Wat voor hen afval is, is voor ons voedsel.

alcoholgisting (gist)

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}

In brood blaast de koolstofdioxide het deeg op; de alcohol verdampt in de oven. In bier en wijn blijft de alcohol.

melkzuurgisting (melkzuurbacteriën)

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 2 C_{3} H_{6} O_{3}

In yoghurt, kaas, zuurkool en zuurdesem. Melkzuur verlaagt de pH, en dat houdt andere bacteriën tegen: een oude manier om voedsel te bewaren.

azijnzuurvorming (azijnzuurbacteriën, met zuurstof)

C_{2} H_{5} OH + O_{2} ⟶ C H_{3} COOH + H_{2} O

Wijn of bier die open blijft staan, wordt azijn.

Melk bevat melksuiker (lactose, C₁₂H₂₂O₁₁). Melkzuurbacteriën splitsen die eerst met een enzym in twee kleinere suikers en vergisten die tot melkzuur. Samen: $C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O ⟶ 4 C_{3} H_{6} O_{3}$ .

Lambiek: bier van de lucht

In het Pajottenland en de Zennevallei, rond Brussel, brouwt men lambiek met spontane gisting. Na het koken laat de brouwer het wort een nacht afkoelen in een brede, ondiepe bak, het koelschip. Gisten en bacteriën uit de lucht vallen erin. Het bier gist en rijpt daarna een tot drie jaar in houten vaten; geuze is een mengsel van jonge en oude lambiek. Het is het omgekeerde van steriel werken, en het werkt omdat de brouwer weet welke micro-organismen in zijn brouwerij leven.

Dezelfde glucose, vier soorten micro-organismen, vier producten.

Proef · 35.16

Gist en suiker: koolstofdioxide in een ballon

16/24

Onderzoeksvraag

Hoe snel maakt gist koolstofdioxide uit glucose, en hoe hangt dat af van de temperatuur?

Materiaal

drie flesjes of erlenmeyers van 250 mL
droge bakkersgist (3 × 5 g), glucose (3 × 5,0 g)
lauw water, drie ballonnen, touwtje en lintmeter
waterbaden van 20, 35 en 50 °C (bakken met water en een thermometer)

VeiligheidGeen gevaarlijke stoffen. Maak geen flesjes met een vaste dop dicht: de druk kan oplopen. De ballon is de veiligheidsklep.

Snelst bij 35 °C; bij 50 °C houdt de gisting na een kwartier op.

Werkwijze

1Los in elk flesje 5,0 g glucose op in 100 mL water. Zet de flesjes 5 minuten in hun waterbad.
2Voeg 5 g gist toe, schud kort en trek er meteen een lege ballon over.
3Meet om de 10 minuten met het touwtje de omtrek C van de ballon op zijn dikste plek.
4Bereken het volume als een bol: $V = C^{3} / (6 π^{2})$ . Zet het volume uit tegen de tijd.

Waarneming

t (min)	0	10	20	30	40	50	60
20 °C: V (mL)	0	30	80	140	200	260	320
35 °C: V (mL)	0	60	170	290	410	520	610
50 °C: V (mL)	0	40	70	80	85	85	85
35 °C: C (cm)	0,0	15,3	21,6	25,8	29,0	31,3	33,1

Voorbeeldmeting. De volumes zijn uit de omtrek berekend; de ballon begint pas merkbaar op te zwellen na een paar minuten.

Verklaring

Bij 35 °C werkt gist het best: haar enzymen zitten dicht bij hun optimum. Bij 20 °C gaat het ongeveer half zo snel. Bij 50 °C zwelt de ballon eerst op, maar na een kwartier stopt de gisting: de enzymen denatureren en de gistcellen sterven (hoofdstuk 34). Het volgende voorbeeld rekent uit hoeveel koolstofdioxide er maximaal kan ontstaan.

De ballon vangt de koolstofdioxide op; een touwtje meet hoe dik hij wordt.

Uitgewerkt voorbeeld · 35.17

Hoeveel koolstofdioxide past er in de ballon?

17/24

In de proef vergist 5,0 g glucose. Hoeveel gram en hoeveel liter koolstofdioxide kan er maximaal ontstaan bij 35 °C? Welk deel is er na 60 minuten gevormd?

Gegeven

$C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}$
$m = 5, 0 g$ , $M (C_{6} H_{12} O_{6}) = 180, 16 g/mol$
$V_{m} = 25, 3 L/mol$ bij 35 °C (hoofdstuk 14: evenredig met de absolute temperatuur)
gemeten: 610 mL na 60 min

Gevraagd

$m (C O_{2})$ , $V (C O_{2})$ , het deel na 60 min

Oplossing

1
$n (glucose) = 5, 0/180, 16 = 0, 0278 mol$ ; molverhouding 1 : 2, dus $n (C O_{2}) = 0, 0555 mol$ .
2
$m = 0, 0555 \cdot 44, 01 = 2, 44 g$ ; $V = 0, 0555 \cdot 25, 3 = 1, 40 L$ .
3
Na 60 minuten: $0, 61/1, 40 = 0, 43$ , ongeveer 43 % van het maximum.

Antwoord

Maximaal 2,4 g of 1,4 L koolstofdioxide. Na een uur is er ongeveer 43 % van gevormd.

Klopt dit? Het echte volume is kleiner dan wat de reactie maakt: een deel van de koolstofdioxide lost op in het water (in hoofdstuk 15 zag je dat er zo koolzuur ontstaat), en de ballon zelf drukt het gas een beetje samen. De gist gebruikt ook wat glucose om te groeien. Wie het hele maximum wil halen, moet uren wachten.

Proef · 35.18

Yoghurt maken en de pH volgen

18/24

Onderzoeksvraag

Wat doen yoghurtbacteriën met melk, en hoe snel? Wat is de rol van de temperatuur?

Materiaal

1 L volle melk, 3 eetlepels natuuryoghurt (met levende culturen)
drie schone potjes met deksel
thermosfles of yoghurtmaker (43 °C), thermometer
pH-meter (geijkt, hoofdstuk 15) of pH-papier

VeiligheidWerk met schone potjes en lepels. Proef alleen van de yoghurt als alles in de keuken of een voedselveilig lokaal gebeurde, niet in het labo. Wat raar ruikt of kleurt, gaat weg.

Met yoghurtbacteriën bij 43 °C zakt de pH in 5 uur onder 4,6: de melk wordt dik.

Werkwijze

1Verwarm de melk tot net onder de kook en laat ze afkoelen tot 43 °C: zo sterven de meeste bacteriën die er al in zaten.
2Potje A: melk + 1 eetlepel yoghurt, bij 43 °C. Potje B: hetzelfde, bij kamertemperatuur (20 °C). Potje C: melk zonder yoghurt, bij 43 °C.
3Meet elk uur de pH, en kijk of de melk dik wordt (kantel het potje).

Waarneming

t (h)	0	1	2	3	4	5	6	8
A: 43 °C	6,6	6,5	6,2	5,6	5,0	4,6	4,4	4,2
B: 20 °C	6,6	6,6	6,6	6,5	6,5	6,4	6,4	6,2
C: zonder	6,6	6,6	6,6	6,6	6,6	6,6	6,5	6,5

Voorbeeldmeting. Potje A is na ongeveer 5 uur dik en ruikt fris zuur.

Verklaring

De yoghurtbacteriën (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus en Streptococcus thermophilus) vergisten melksuiker tot melkzuur. De pH daalt eerst traag (aanloop, weinig bacteriën), dan snel (exponentiële groei), en vlakt af rond 4,2 als het zuur de bacteriën zelf afremt. Rond pH 4,6 verliest het belangrijkste melkeiwit, caseïne, zijn lading: de eiwitten klonteren samen tot een gel en de melk wordt dik. Bij 20 °C werken de bacteriën, die van warmte houden, veel trager. Zonder yoghurt gebeurt er in 8 uur bijna niets: de verwarmde melk bevatte weinig melkzuurbacteriën.

De pH-meter toont het zuur worden; kantel het potje om te zien of het al gestremd is.

Uitleg · 35.19

Biogas: methaan uit afval

19/24

Als organisch afval (mest, groenteresten, slib) zonder zuurstof in een gesloten tank ligt, breekt een gemeenschap van bacteriën en archaea het af tot biogas: 50 tot 70 % methaan, de rest vooral koolstofdioxide. Dat gebeurt in vier stappen, telkens door andere micro-organismen:

methaanvorming, samengevat voor suiker

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 3 C H_{4} + 3 C O_{2}

Anaeroob. Methaan verbrandt later met zuurstof: 890 kJ per mol (hoofdstuk 14).

Opvallend: in de 3 mol methaan zit $3 \cdot 890 = 2670 kJ$ , dat is 95 % van de 2803 kJ in de glucose. De micro-organismen houden er zelf maar een paar procent van over (ze groeien traag), bijna alle energie blijft in het gas. Daarom is vergisten zo'n goede manier om energie uit nat afval te halen, beter dan verbranden, dat eerst al het water moet verdampen.

In Vlaanderen staan vergisters bij boerderijen, afvalverwerkers en waterzuiveringen. Het gas drijft een motor met een generator aan (warmtekrachtkoppeling) of wordt gezuiverd tot aardgaskwaliteit. Wat overblijft, het digestaat, bevat de mineralen en gaat als meststof terug naar het land.

Methaan mag niet ontsnappen

Methaan is een sterk broeikasgas: per kilogram warmt het de aarde over twintig jaar tientallen keren sterker op dan koolstofdioxide. Een lekkende vergister of een mesthoop zonder dak doet meer kwaad dan goed. Verbranden maakt er weer koolstofdioxide van, die de plant eerder uit de lucht haalde.

Vier groepen micro-organismen werken na elkaar; alleen de laatste maakt methaan.

Een vergister op een boerderij: de groene koepels vangen het biogas op.

Verhaal · 35.20

Insuline: van alvleesklieren naar bacteriën

20/24

Wie diabetes type 1 heeft, maakt geen insuline: het hormoon dat de cellen glucose laat opnemen (E33). Tot 1922 betekende dat een zekere dood. In 1921 haalden de Canadezen Frederick Banting en Charles Best in Toronto een werkzaam extract uit de alvleesklier van honden. In januari 1922 kreeg de veertienjarige Leonard Thompson, die al bijna dood was, als eerste mens een gezuiverd extract; hij herstelde. Banting en zijn labochef John Macleod kregen in 1923 de Nobelprijs.

Zestig jaar lang kwam insuline uit alvleesklieren van varkens en runderen uit slachthuizen. Dat werkte, maar dierlijke insuline verschilt een of enkele bouwstenen van de onze, en de voorraad hing af van het vlees dat gegeten werd. In 1978 lukte het de Amerikaanse firma Genentech om het menselijke insulinegen in de darmbacterie E. coli te brengen. In 1982 werd die insuline goedgekeurd: het eerste geneesmiddel dat door genetisch gewijzigde bacteriën gemaakt wordt. Vandaag maken bacteriën en gisten in grote fermentatietanks alle insuline, en ook groeihormoon, stollingsfactoren, vaccins en het stremsel (chymosine) voor de meeste kaas.

Insuline is een klein eiwit van 51 aminozuren. Een patiënt gebruikt ongeveer 40 eenheden per dag, ongeveer 1,4 mg: ongeveer een halve gram per jaar.

Waarom een bacterie het kan

De genetische code is voor alle levende wezens dezelfde (E29). Een bacterie leest het menselijke gen dus correct en maakt precies hetzelfde eiwit. Omdat bacteriën elke twintig minuten verdubbelen, groeit een fermentatietank op een paar dagen van een buisje tot duizenden liter.

Het gen in een plasmide, het plasmide in een bacterie, de bacterie in een tank: recombinant DNA (E30).

In zulke tanks maken genetisch gewijzigde bacteriën of gisten insuline.

Uitleg · 35.21

Habitat: ziekteverwekkers en hygiëne in de kweekruimte

21/24

In een station wonen mensen, planten en micro-organismen dicht op elkaar, met water dat rondgepompt wordt en lucht die gerecycleerd wordt. Een ziekteverwekker die binnenraakt, vindt er veel kansen, en hulp van buiten komt pas na dertig dagen. Welke gevaren zijn er?

soort	voorbeeld	waar in Habitat?	wat helpt
bacterie	Salmonella, E. coli (sommige stammen), Listeria	op sla via handen, water, insecten; Listeria groeit in de koelkast	handen wassen, schoon water, oogst koel en snel opeten
bacterie	Legionella	lauw water (25-45 °C) in vaten en leidingen; besmet via fijne druppels	water koud (onder 25 °C) of heet (boven 60 °C), geen nevel, vaten doorspoelen
virus	norovirus (buikgriep), griep	van bewoner tot bewoner, via handen en oppervlakken	handen wassen met zeep (handgel werkt slecht tegen norovirus), zieken van de oogst weg
schimmel	grauwe schimmel (Botrytis)	op bladeren bij hoge luchtvochtigheid	ventileren, geen condens op de bladeren, zieke planten verwijderen
waterschimmel	Pythium (wortelrot)	warme voedingsoplossing	reservoir onder 24 °C, ontsmetten tussen twee teelten

Pythium lijkt op een schimmel, maar is er eigenlijk geen: het hoort bij de oömyceten, die nauwer verwant zijn aan bruinwieren. In de tuinbouw heet het toch een waterschimmel.

Voor Habitat leggen we acht hygiëneregels vast voor de kweekruimte:

Handen wassen met zeep (30 s) voor je de kweekruimte binnengaat en na het compostvat.
Geen eten of drinken in de kweekruimte; wie ziek is (braken, diarree, koorts), oogst niet.
Scharen en messen na gebruik reinigen en ontsmetten met ethanol 70 %.
Het reservoir blijft lichtdicht en onder 24 °C. Na elke oogst wordt de goot met haar netpotjes geschrobd, ontsmet volgens het etiket van het middel en nagespoeld; om de vijf weken wordt het reservoir helemaal ververst en gereinigd (hoofdstuk 36).
Zieke planten meteen verwijderen, in een gesloten zak, niet in het compostvat.
Geen water vernevelen en geen lauw water laten staan (Legionella); vaten en leidingen die stilstaan, doorspoelen.
Oogsten met schone handen of handschoenen, de sla meteen koelen (4 °C) en binnen enkele dagen opeten.
Het compostvat staat buiten de kweekruimte, gesloten. Compost die enkele dagen boven 55 °C was, gaat onder de potgrond van de meetkas; nooit iets van het compostvat in het NFT-systeem.

Waarom hydroponie hier voordelen heeft

Zonder aarde komen er geen bodembacteriën en -schimmels mee met de planten, en de oogst is proper. Het nadeel: alles hangt aan hetzelfde water. Eén besmetting in het reservoir bereikt binnen één rondgang van de pomp (12,5 minuten pompen, hoofdstuk 11) alle 48 planten.

Een wasbak bij de deur: de eenvoudigste bescherming van de kweekruimte.

Uitgewerkt voorbeeld · 35.22

Habitat: een compostvat voor de plantenresten

22/24

Per teelt blijft er van elke krop ongeveer 50 g over: wortels en buitenbladeren, samen 2,4 kg. Dat is voedsel voor reducenten (F28). Compost werkt het best met een C/N-verhouding (massa koolstof gedeeld door massa stikstof) rond 30 en een vochtgehalte van 50 à 60 %. Slaresten zijn nat en stikstofrijk; karton van de bevoorrading is droog en koolstofrijk. (a) Wat is de C/N van slaresten? (b) Hoeveel karton per kg slaresten geeft C/N = 30? (c) Is het vochtgehalte dan goed? (d) Hoeveel koolstofdioxide geeft het composteren van één teelt, als de helft van de koolstof als CO₂ vrijkomt?

Een groot, geïsoleerd vat blijft dagen boven 55 °C (de dip op dag 10: omgeschept); een klein vat zonder isolatie niet.

Gegeven

slaresten: droge stof 5 %; daarvan 40 % koolstof en 4,0 % stikstof
karton: droge stof 90 %; daarvan 42 % koolstof en 0,14 % stikstof
rekenwaarden, typische grootte

Gevraagd

C/N van slaresten
kg karton per kg slaresten
vochtgehalte
g CO₂ per teelt

Oplossing

1
(a) In 1 kg slaresten: 50 g droge stof, met 20 g C en 2,0 g N. $C / N = 20/2, 0 = 10$ : te veel stikstof. Het teveel ontsnapt als ammoniak (het stinkt).
2
(b) 1 kg karton bevat $900 \cdot 0, 42 = 378 g$ C en $900 \cdot 0, 0014 = 1, 26 g$ N. Met $m$ kg karton: $\frac{20 + 378 m}{2 , 0 + 1 , 26 m} = 30$ , dus $20 + 378 m = 60 + 37, 8 m$ en $m = 40/340, 2 = 0, 118 kg$ : ongeveer 118 g karton per kg slaresten.
3
(c) Water: $950 + 0, 1 \cdot 118 = 962 g$ in $1118 g$ : 86 %. Veel te nat: het vat wordt zuurstofloos en begint te rotten in plaats van te composteren.
4
(d) Koolstof in de slaresten van één teelt: $2, 4 \cdot 50 g \cdot 0, 40 = 48 g$ ; de helft wordt CO₂: $24/12, 01 \cdot 44, 01 = 88 g$ per teelt, 2,5 g per dag.

Antwoord

Slaresten hebben C/N = 10. Met 118 g karton per kg haal je C/N = 30, maar het mengsel bevat dan nog 86 % water. Je hebt dus ook droog materiaal nodig, of je laat de resten eerst drogen. Het composteren van een teelt geeft maar 2,5 g CO₂ per dag.

Klopt dit? Vergelijk: één bewoner ademt 1000 g CO₂ per dag uit, de sla neemt er 24 g op (hoofdstuk 14). Het compostvat is geen CO₂-bron van betekenis. Wel verbruikt het zuurstof: in Biosphere 2 (F28) was te veel compost in de bodem een oorzaak van het zuurstoftekort. De stikstof in de slaresten (4,8 g per teelt) is maar een vijfde van wat de sla opnam: de rest eten de bewoners op (hoofdstuk 36).

Naslag · 35.23

Overzicht: micro-organismen en biotechnologie

23/24

exponentiële fase

N (t) = N_{0} \cdot 2^{t / t_{d}}

symbool	betekenis	eenheid
$N_{0}$	aantal bij de start	per mL
$t_{d}$	generatietijd	min of h

generatietijd uit twee metingen in de log-fase

t_{d} = \frac{Δ t}{lo g ( N _{2} / N _{1} ) / lo g 2}

tellen met een verdunningsreeks (plaat met 30-300 kolonies)

N_{staal} = \frac{aantal kolonies}{V _{uitgestreken} \cdot verdunning}

alcoholgisting (gist)

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}

melkzuurgisting

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 2 C_{3} H_{6} O_{3}

methaanvorming (biogas)

C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 3 C H_{4} + 3 C O_{2}

C/N-verhouding: compost ± 25-30

C / N = \frac{m _{C}}{m _{N}}

	bacterie	gist	schimmel	virus
cel?	ja, zonder kern	ja, met kern	ja, met kern, in draden	nee
grootte	1-5 µm	5-10 µm	draden 2-10 µm dik	20-300 nm
vermeerdering	deling	knopvorming	sporen, groei van hyfen	alleen in een gastheercel
nuttig	yoghurt, compost, insuline	brood, bier	penicilline, kaas	fagen tegen bacteriën, vectoren in de geneeskunde
schadelijk	Salmonella, Legionella	schimmelinfecties	grauwe schimmel	griep, norovirus
bestrijding	antibiotica, hitte	schimmelwerende middelen	droog houden, ventileren	vaccins, hygiëne

behandeling	wat	effect
koelen	4 à 7 °C	vertraagt; Listeria groeit traag door
invriezen	−18 °C	groei staat stil, de meeste bacteriën overleven
pasteuriseren	bv. 15 s op 72 °C	doodt de meeste ziekteverwekkers, niet alle sporen
steriliseren	15 min op 121 °C	doodt alles, ook sporen
verzuren	pH onder ± 4,5	remt de meeste ziekteverwekkers

Habitat: rekenwaarden uit dit hoofdstuk
plantenresten	± 50 g per krop: 2,4 kg per teelt (0,12 kg droge stof, 4,8 g stikstof)
keukenafval	± 0,25 kg per dag voor twee bewoners (rekenwaarde)
compostvat	120 L, geïsoleerd, buiten de kweekruimte; C/N 25-35, vocht 50-65 %; compost (na enkele dagen boven 55 °C) onder de potgrond van de meetkas
CO₂ uit het compostvat	± 2,5 g per dag voor de slaresten: verwaarloosbaar
hygiëne	acht regels voor de kweekruimte (blad Habitat: ziekteverwekkers en hygiëne)

Het geheel · 35.24

Waar micro-organismen terugkomen

24/24

Micro-organismen verbinden de biologie met de chemie (fermentatie is stoichiometrie), met de wiskunde (exponentiële groei en logaritmen) en met de techniek (steriel werken, bioreactoren). In Habitat zijn ze tegelijk helpers (compost, straks algen en nitrificerende bacteriën) en belagers (ziekteverwekkers in water, op de oogst en bij de bewoners).

F26 Cellen en organismen

Eencelligen, de microscoop en de levenskenmerken.

F28 Ecosystemen en kringlopen

Reducenten en kringlopen; Biosphere 2 en de compost die zuurstof opat.

I2 Experimenten ontwerpen en rapporteren

Controlegroep, blanco en herhalingen bij een kweekproef.

I5 Groei en verval: exponentiële modellen

Verdubbelingstijd, logaritmen en de logaritmische as.

I14 Reacties en stoichiometrie

Rekenen met gisting, CO2-volumes en het molair volume.

I15 Zuren, basen en pH

De pH van yoghurt meten; zuur als bewaarmiddel.

I34 Enzymen en stofwisseling

Gisting levert 2 ATP; enzymen verklaren het temperatuuroptimum van de groei.

I36 Hydroponie en voedselproductie

Nitrificerende bacteriën in aquaponie en de stikstofkringloop.

E4 Differentiaalvergelijkingen en simulatie

Logistische groei en de methode van Euler, zoals in groei.py.

E25 Thermochemie en reactiesnelheid

Waarom compost in de winter stilvalt: reactiesnelheid en temperatuur.

E30 Biotechnologie en genetische technieken

Recombinant DNA, PCR en CRISPR: de technieken achter insuline uit bacteriën.

E31 Bioprocestechniek

Het Monod-model, batch en continu, opschalen: de groeicurve in een bioreactor.

E33 Het lichaam als regelsysteem

Insuline en de regeling van de bloedsuiker.

HabitatVoor Habitat leggen we vast: de plantenresten (± 50 g per krop, 2,4 kg per teelt) en het keukenafval gaan naar een geïsoleerd compostvat van 120 L buiten de kweekruimte, met karton van de bevoorrading als droog, koolstofrijk materiaal; compost die enkele dagen boven 55 °C was, gaat onder de potgrond van de meetkas, nooit in het NFT-systeem. Voor de kweekruimte gelden acht hygiëneregels. In opdracht 35.13 ontwerp je het compostvat, in 35.14 werk je het hygiëneplan uit.

Samenvatting

In het kort

Micro-organismen zijn te klein voor het blote oog: bacteriën (1-5 µm, geen kern), gisten (5-10 µm), schimmels (hyfen, sporen) en virussen (20-300 nm, geen cel).
Een virus heeft geen eigen stofwisseling en laat zich vermenigvuldigen door een gastheercel; antibiotica werken er niet tegen.
Steriel werken: steriliseren (121 °C, 15 min), aseptisch werken, gesloten platen bij 20-25 °C, nooit openen, vernietigen na gebruik.
Een groeicurve heeft vier fasen: aanloop, exponentieel (een rechte op een logaritmische as), stationair en afsterven.
Met een verdunningsreeks tel je bacteriën: kolonies gedeeld door (uitgestreken volume × verdunning), op een plaat met 30-300 kolonies.
Bacteriën groeien het snelst rond hun optimum; koelen vertraagt, pasteuriseren en steriliseren doden. Listeria groeit ook in de koelkast.
Fermentatie maakt brood en bier (alcohol + CO₂), yoghurt en zuurkool (melkzuur), azijn en biogas (methaan, dat bijna alle energie van de suiker bewaart).
Genetisch gewijzigde bacteriën en gisten maken menselijke insuline sinds 1982.
Habitat composteert plantenresten met karton (C/N ± 30, niet te nat) en volgt acht hygiëneregels in de kweekruimte.

Begrippen

Wat je nu kent

micro-organisme: Levend wezen dat te klein is om met het blote oog te zien: bacteriën, archaea, gisten, veel schimmels, algen en eencellige dieren.
bacterie: Eencellig organisme zonder celkern (prokaryoot), meestal 1 tot 5 µm groot; vermeerdert door zich in tweeën te delen.
plasmide: Klein ringvormig stukje DNA in een bacterie, los van het grote chromosoom; in de biotechnologie gebruikt om een gen binnen te brengen.
gist: Eencellige schimmel die zich vermeerdert door knopvorming en suiker kan vergisten tot alcohol en koolstofdioxide.
schimmel: Organisme met een celkern en een celwand van chitine, zonder bladgroen; groeit met draden (hyfen) en verspreidt zich met sporen.
virus: Deeltje van DNA of RNA in een eiwitmantel, zonder eigen stofwisseling; kan zich alleen in een levende gastheercel laten vermenigvuldigen.
steriel: Zonder levende micro-organismen of sporen.
kolonie: Hoopje micro-organismen op een voedingsbodem, gegroeid uit één cel of spore; zichtbaar met het blote oog.
KVE: Kolonievormende eenheid: een cel of klompje cellen dat één kolonie oplevert. Aantallen bacteriën worden in KVE per mL of per g opgegeven.
groeicurve: Het aantal micro-organismen in een cultuur in functie van de tijd: aanloop-, exponentiële, stationaire en afstervingsfase.
generatietijd: De tijd waarin een populatie in de exponentiële fase verdubbelt.
pasteuriseren: Voedsel kort verhitten (bv. melk 15 s op 72 °C) zodat de meeste ziekteverwekkers sterven, zonder het voedsel te koken.
steriliseren: Alle micro-organismen en sporen doden, bv. 15 minuten op 121 °C in een autoclaaf.
fermentatie: Omzetting van stoffen door micro-organismen, vaak zonder zuurstof: gisting, melkzuurvorming, methaanvorming.
C/N-verhouding: De massa koolstof gedeeld door de massa stikstof in organisch materiaal; voor goede compost ongeveer 25 tot 30.
recombinant DNA: DNA waarin een stuk van een ander organisme is ingebouwd, bv. het menselijke insulinegen in een plasmide van een bacterie.

Aan de slag in het werkboek16 opdrachten, van oefenen tot uitdagen