पर्यावरणीय सूक्ष्मजीवविज्ञान: सूक्ष्मजीव समूह, कोशिका जीवविज्ञान, उपापचय, वृद्धि बलगतिकी व जल-गुणता सूक्ष्मजीवविज्ञान

GATE पर्यावरण विज्ञान एवं अभियांत्रिकी (ES) पेपर का खंड 3, उसके पाँच उप-शीर्षकों के क्रम में और उसी गहराई पर जिस पर पाठ्यक्रम उन्हें शब्दबद्ध करता है। पहले जीव: प्राक्केंद्रकी व सुकेंद्रकी, उनका वर्गीकरण, और अपशिष्ट जल उपचार, जैव-उपचारण तथा कार्बन, नाइट्रोजन, सल्फ़र व फ़ॉस्फ़ोरस चक्रों में प्रत्येक समूह की भूमिका। फिर कोशिका: जैव-अणुओं के चार वर्ग, झिल्ली, भित्ति, बाह्य झिल्ली व ग्लाइकोकैलिक्स, और दो व्यवहार जो अब अभियंता को जानने होते हैं — रोगाणुरोधी प्रतिरोध व कोरम संवेदन। फिर उपापचय: फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण, ग्लाइकोलिसिस, TCA चक्र, इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला, किण्वन व अवायवीय श्वसन, ऊर्जा संतुलन व एंज़ाइम बलगतिकी। फिर वृद्धि: विशिष्ट वृद्धि दर व द्विगुणन काल, मोनॉड प्रतिरूप, संवर्धन माध्यम, बैच व सतत संवर्धन, पर्यावरणीय कारक व नियंत्रण। अंत में स्वास्थ्य: रोगजनक व उनके संचरण के ढंग, सूचक जीव, तथा MPN व झिल्ली निस्यंदन से कोलिफ़ॉर्म गणना।

1. प्राक्केंद्रकी व सुकेंद्रकी सूक्ष्मजीव, और पर्यावरण में उनकी भूमिका

प्राक्केंद्रकी — जीवाणु व आर्किया — में केंद्रक या झिल्ली-बद्ध कोशिकांग नहीं होते; उनका DNA केंद्रकाभ में रहता है, प्रायः अतिरिक्त प्लाज़्मिड सहित, और उनके राइबोसोम 70S हैं। सुकेंद्रकी — कवक, शैवाल व प्रोटोज़ोआ, और बहुकोशिकीय प्राणी कृमि (हेल्मिन्थ) — में केंद्रक, माइटोकॉन्ड्रिया (शैवाल में हरितलवक भी) व 80S राइबोसोम होते हैं। विषाणु कोशिका नहीं हैं: वे प्रोटीन आवरण में न्यूक्लिक अम्ल हैं जो केवल परपोषी के भीतर प्रतिकृत होते हैं। आधुनिक त्रि-अधिक्षेत्र वर्गीकरण (जीवाणु, आर्किया, सुकेंद्रकी) 16S/18S राइबोसोमी RNA अनुक्रमों पर आधारित है, और वही अनुक्रमण किसी आपंक ऊर्णक या मृदा की सूक्ष्मजीवी विविधता प्रकट करता है — हज़ारों टैक्सा, जिनमें से अधिकांश कभी संवर्धित नहीं हुए।

सूक्ष्मजीवों का उनकी जीवन-शैली से वर्गीकरण
आधारवर्गपर्यावरणीय उदाहरण
कार्बन स्रोतस्वपोषी (CO₂) या परपोषी (कार्बनिक कार्बन)नाइट्रीकारी स्वपोषी हैं; सक्रियित आपंक के BOD-हटाने वाले जीवाणु परपोषी हैं
ऊर्जा स्रोतप्रकाशपोषी (प्रकाश) या रसायनपोषी (रासायनिक ऑक्सीकरण); अश्मपोषी (अकार्बनिक दाता) या कार्बनिकपोषीस्थिरीकरण तालाबों के शैवाल प्रकाश-स्वपोषी हैं; नाइट्रोसोमोनास रसायन-अश्म-स्वपोषी है
ऑक्सीजनअविकल्पी वायुजीवी, विकल्पी, सूक्ष्मवायुरागी, वायु-सहिष्णु, अविकल्पी अवायुजीवीमीथेनजनक अविकल्पी अवायुजीवी हैं; अधिकांश सक्रियित-आपंक जीवाणु विकल्पी हैं
तापशीतरागी (लगभग 20 °C से नीचे), मध्यतापरागी (लगभग 20–45 °C), ऊष्मारागी (लगभग 45 °C से ऊपर)कंपोस्ट ढेर एक ऊष्मारागी चरण से गुज़रते हैं जो रोगजनकों को मारता है
  • अपशिष्ट जल उपचार में: परपोषी जीवाणु BOD ऑक्सीकृत करते हैं और बाह्यकोशिकी बहुलकों से बँधे ऊर्णक बनाते हैं; नाइट्रीकारी (नाइट्रोसोमोनास: NH₄⁺ → NO₂⁻; नाइट्रोबैक्टर: NO₂⁻ → NO₃⁻) व विनाइट्रीकारी (ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में NO₃⁻ → N₂) नाइट्रोजन हटाते हैं; फ़ॉस्फ़ेट-संचयी जीव अवायवीय चरण के बाद अतिरिक्त फ़ॉस्फ़ोरस ग्रहण करते हैं; मीथेनजनक आर्किया अवायवीय पाचन पूरा करते हैं; प्रोटोज़ोआ व रोटिफ़र मुक्त जीवाणु चरते हैं और स्वस्थ आपंक के संकेतक हैं; अधिकता में तंतुमय जीवाणु फुलाव (bulking) करते हैं।
  • जैव-उपचारण में: सूक्ष्मजीव प्रदूषकों को स्थान पर (in situ) या उत्खनन के बाद (ex situ) निम्नीकृत या स्थिर करते हैं। जैव-उद्दीपन देशी समुदाय को पोषक या ऑक्सीजन देता है; जैव-संवर्धन चुने हुए जीव जोड़ता है; जैव-संवातन, भूमि-कृषि, कंपोस्टन व जैव-ढेर इसके अभियांत्रिक रूप हैं, और कुछ जीवाणु विषैले Cr(VI) को Cr(III) में या U(VI) को अविलेय U(IV) में अपचयित करते हैं।
  • जैव-भू-रासायनिक चक्रों में: नाइट्रोजन स्थिरीकरण (N₂ → NH₃, राइज़ोबियम, एज़ोटोबैक्टर व सायनोबैक्टीरिया द्वारा), अमोनीकरण, नाइट्रीकरण, विनाइट्रीकरण व ऐनैमॉक्स (NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂, अवायवीय रूप से); सल्फ़ेट का H₂S में अपचयन (डीसल्फ़ोविब्रियो) व सल्फ़ाइड का पुनः सल्फ़्यूरिक अम्ल में ऑक्सीकरण (थायोबैसिलस — मल-नाली शिखर संक्षारण का कारण); प्रकाश-संश्लेषण द्वारा कार्बन स्थिरीकरण व श्वसन तथा मीथेनजनन द्वारा उसकी वापसी; और खनिज फ़ॉस्फ़ेटों से फ़ॉस्फ़ोरस का विलेयीकरण।

2. कोशिका रसायन व कोशिका जीवविज्ञान

कोशिका चार वर्गों के बृहदणुओं से बनती है। प्रोटीन पेप्टाइड बंधों से जुड़े बीस अमीनो अम्लों की शृंखलाएँ हैं; उनकी प्राथमिक संरचना (अनुक्रम) द्वितीयक संरचनाओं (α-कुंडली, β-पट्ट), तृतीयक आकार और बहु-शृंखला प्रोटीनों में चतुष्क विन्यास में मुड़ती है — और यही आकार एंज़ाइम को कार्यशील बनाता है, इसीलिए ऊष्मा व चरम pH उसे खोलकर मार देते हैं। न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों की शृंखलाएँ हैं: DNA डीऑक्सीराइबोज़ न्यूक्लियोटाइडों की द्वि-कुंडली है जिसमें क्षारक A, T, G व C, A–T व G–C के रूप में युग्मित हैं; RNA एकल-सूत्री है, राइबोज़ और T के स्थान पर U प्रयोग करता है, और संदेशवाहक, स्थानांतरण व राइबोसोमी RNA के रूप में आता है। लिपिड में वे फ़ॉस्फ़ोलिपिड शामिल हैं जिनकी द्विपरत कोशिका झिल्ली है (आर्किया विशिष्ट ईथर-बंधित लिपिड प्रयोग करते हैं)। बहुशर्कराइड ऊर्जा संचित करते हैं (ग्लाइकोजन, मंड), भित्तियाँ बनाते हैं (जीवाणुओं में पेप्टिडोग्लाइकन, शैवाल व पौधों में सेलुलोज़, कवकों में काइटिन) और अधिकांश बाह्यकोशिकी श्लेष्मा बनाते हैं।

जीवाणु आवरण, भीतर से बाहर
संरचनासंघटनकार्य
कोशिका-द्रव्य झिल्लीअंतःस्थापित प्रोटीनों सहित फ़ॉस्फ़ोलिपिड द्विपरतचयनात्मक पारगम्यता; निष्क्रिय व सक्रिय परिवहन व समूह स्थानांतरण; प्राक्केंद्रकियों में इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला व प्रोटॉन प्रेरक बल का स्थल
कोशिका भित्तिपेप्टिडोग्लाइकन — ग्राम-धनात्मक कोशिकाओं में टाइकोइक अम्लों सहित मोटी, ग्राम-ऋणात्मक में पतलीआकार व परासरणी विलयन का प्रतिरोध; ग्राम अभिरंजन दोनों प्रकारों को अलग करता है
बाह्य झिल्ली (केवल ग्राम-ऋणात्मक)पोरिन वाहिकाओं सहित लाइपोपॉलीसैकेराइड (LPS) बाह्य पत्रकअनेक प्रतिजैविकों व अपमार्जकों हेतु अवरोध; LPS अंतर्विष है
ग्लाइकोकैलिक्स (संपुट या श्लेष्म परत)बाह्यकोशिकी बहुशर्कराइड व प्रोटीनसतहों से जुड़ाव, जैव-परत निर्माण, सूखने व चराई से सुरक्षा; कोशिकाओं को निक्षेपणीय सक्रियित-आपंक ऊर्णकों में बाँधता है

रोगाणुरोधी प्रतिरोध तब उत्पन्न होता है जब जीवाणु ऐसी औषधि से बच जाते हैं जो कभी उन्हें मारती थी। क्रियाविधियाँ हैं एंज़ाइमी निष्क्रियण (β-लैक्टमेज़ जो पेनिसिलिन का वलय खोलते हैं), औषधि बाहर निकालने वाले बहिःस्राव पंप, औषधि के लक्ष्य में परिवर्तन, और घटी पारगम्यता। प्रतिरोध जीन संतति कोशिकाओं में ऊर्ध्वाधर और कोशिकाओं के बीच क्षैतिज रूप से फैलते हैं — संयुग्मन (पिलस द्वारा प्लाज़्मिड स्थानांतरण), रूपांतरण (मुक्त DNA का ग्रहण) व पारक्रमण (जीवाणुभोजी द्वारा वहन)। अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र, जहाँ सघन मिश्रित समुदाय अस्पतालों व घरों से आए अ-घातक प्रतिजैविक अवशेषों से मिलते हैं, इस आदान-प्रदान के मान्य केंद्र हैं। कोरम संवेदन विसरणशील स्व-प्रेरकों — ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं में ऐसिल-होमोसेरीन लैक्टोन, ग्राम-धनात्मक में लघु पेप्टाइड — द्वारा कोशिका-से-कोशिका संकेतन है: जब समुदाय इतना सघन हो कि संकेत देहली पार कर ले, तो जैव-परत निर्माण, जैव-संदीप्ति या उग्रता के जीन एक साथ चालू होते हैं। इसे रोकना (कोरम शमन) झिल्ली जैव-दूषण सीमित करने के उपाय के रूप में अध्ययनाधीन है।

3. सूक्ष्मजीवी उपापचय व एंज़ाइम बलगतिकी

उपापचय अपचय है, जो क्रियाधारों को तोड़कर ऊर्जा मुक्त करता है, और उससे युग्मित उपचय, जो उस ऊर्जा से कोशिका पदार्थ बनाता है। ऊर्जा मुद्रा ATP है, जो तीन प्रकार से बनता है: क्रियाधार-स्तरीय फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण (उच्च-ऊर्जा मध्यवर्ती से फ़ॉस्फ़ेट का सीधा स्थानांतरण, जैसे ग्लाइकोलिसिस में), ऑक्सीकारी फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण (इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला द्वारा बनी प्रोटॉन प्रवणता से चालित) व प्रकाश-फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण (वही, प्रकाश से चालित)। ग्लाइकोलिसिस एक ग्लूकोज़ को दो पाइरुवेट में बदलता है, 2 ATP व 2 NADH के शुद्ध लाभ सहित। ऑक्सीजन के साथ पाइरुवेट ऐसिटिल-CoA बनकर TCA चक्र में प्रवेश करता है, जिसका प्रत्येक चक्कर 2 CO₂ मुक्त करता है और 3 NADH, 1 FADH₂ व 1 ATP (या GTP) देता है। NADH व FADH₂ अपने इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला से अंतिम ग्राही तक भेजते हैं; बाहर पंप किए प्रोटॉन ATP सिंथेज़ से लौटते हैं। अतः ग्लूकोज़ का वायवीय श्वसन अकेले ग्लाइकोलिसिस से कहीं अधिक ATP देता है — परंपरागत प्राक्केंद्रकी गणना में 38 तक।

इलेक्ट्रॉनों के निपटान के तीन मार्ग
विधिअंतिम इलेक्ट्रॉन ग्राहीऊर्जा प्राप्ति व उदाहरण
वायवीय श्वसनO₂, बाह्यसर्वाधिक; सक्रियित आपंक, टपक निस्यंदक
अवायवीय श्वसनबाह्य अकार्बनिक ग्राही — NO₃⁻, SO₄²⁻, CO₂ — इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला द्वारावायवीय से कम, रेडॉक्स सीढ़ी पर नीचे घटती; विनाइट्रीकरण, सल्फ़ेट अपचयन, मीथेनजनन
किण्वनआंतरिक कार्बनिक मध्यवर्ती (पाइरुवेट या उसके उत्पाद); कोई इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला नहींन्यूनतम, क्रियाधार-स्तरीय फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण से प्रति ग्लूकोज़ लगभग 2 ATP; लैक्टिक अम्ल, एथेनॉल व मिश्रित-अम्ल किण्वन, पाचन का अम्लजनक चरण

ऊर्जा संतुलन इस रसायन को आपंक उत्पादन से जोड़ते हैं। इलेक्ट्रॉन दाता व ग्राही को प्रति इलेक्ट्रॉन तुल्यांक अर्ध-अभिक्रियाओं के रूप में लिखकर, मुक्त ऊर्जा तय करती है कि संश्लेषण पर कितना व्यय हो सकता है: वायवीय परपोषी, प्रति इलेक्ट्रॉन सर्वाधिक ऊर्जा के साथ, क्रियाधार का बड़ा अंश नई कोशिकाओं में बदलते हैं (उच्च प्राप्ति Y, लगभग 0.4–0.6 g VSS/g BOD की कोटि), जबकि मीथेनजनक, प्रति इलेक्ट्रॉन अल्प ऊर्जा के साथ, धीरे बढ़ते हैं और कम आपंक बनाते हैं — यही व्यावहारिक कारण है कि अवायवीय उपचार वायवीय उपचार के आपंक का एक अंश ही बनाता है। एंज़ाइम प्रोटीन उत्प्रेरक हैं जो स्वयं खपे बिना सक्रियण ऊर्जा घटाते हैं; अनेकों को सहकारक (धातु आयन) या सहएंज़ाइम (NAD⁺, FAD) चाहिए। उनकी दर माइकेलिस–मेंटेन बलगतिकी v = V_max S/(K_m + S) का पालन करती है, जहाँ K_m वह क्रियाधार सांद्रता है जो अधिकतम दर का आधा देती है। द्वि-व्युत्क्रम लाइनवीवर–बर्क आलेख 1/v = (K_m/V_max)(1/S) + 1/V_max इसे सीधी रेखा बना देता है। प्रतिस्पर्धी अवरोधक आभासी K_m बढ़ाता है और V_max अपरिवर्तित छोड़ता है; अप्रतिस्पर्धी अवरोधक V_max घटाता है और K_m अपरिवर्तित छोड़ता है।

4. सूक्ष्मजीवों की वृद्धि व नियंत्रण

सूक्ष्मजीवों को कार्बन, ऊर्जा स्रोत, बृहत्पोषक N व P (वायवीय उपचार हेतु BOD : N : P लगभग 100 : 5 : 1 सामान्य नियम है), सल्फ़र, सूक्ष्म धातुएँ और कभी-कभी विटामिन जैसे वृद्धि कारक चाहिए। बंद बैच संवर्धन में समुदाय पश्चता, चरघातांकी (लॉग), स्थिर व मृत्यु प्रावस्थाओं से गुज़रता है। चरघातांकी प्रावस्था में dX/dt = μX, जहाँ μ विशिष्ट वृद्धि दर है, अतः X = X₀e^(μt) और द्विगुणन काल t_d = ln 2/μ है। पीढ़ियों से गिनने पर पीढ़ियों की संख्या n = (log N − log N₀)/log 2 व पीढ़ी काल g = t/n है। मोनॉड प्रतिरूप μ को सीमाकारी क्रियाधार से जोड़ता है: μ = μ_max S/(K_s + S), जहाँ अर्ध-संतृप्ति स्थिरांक K_s वह क्रियाधार सांद्रता है जिस पर μ = μ_max/2। S ≫ K_s पर वृद्धि क्रियाधार में शून्य कोटि की है; S ≪ K_s पर प्रथम कोटि की।

सतत संवर्धन में केमोस्टैट को आयतन V में प्रवाह F पर पोषित किया जाता है, जिससे तनुकरण दर D = F/V मिलती है। स्थिर अवस्था में कोशिकाएँ ठीक उतनी तेज़ी से बढ़ती हैं जितनी तेज़ी से बहकर निकलती हैं, अतः μ = D, और मोनॉड समीकरण तब अवशिष्ट क्रियाधार तय करता है: S = K_s D/(μ_max − D)। यदि D को उस अधिकतम वृद्धि दर से आगे बढ़ाया जाए जो पोषण अनुमत करे, D_crit = μ_max S₀/(K_s + S₀), तो संवर्धन बह जाता (washout) है। इसी तर्क से सक्रियित-आपंक संयंत्र को अपना ठोस धारण काल उस न्यूनतम से ऊपर रखना पड़ता है जो सबसे धीमे जीवों को चाहिए — नाइट्रीकारी सबसे पहले बहते हैं। संवर्धन माध्यम परिभाषित (संश्लेषित) या जटिल, द्रव या अगर से ठोसीकृत होते हैं, और वरणात्मक (अवांछित जीवों को रोकने वाले), विभेदक (रंग से अभिक्रिया दिखाने वाले) या समृद्ध बनाए जाते हैं: मैककॉन्की व EMB अगर दोनों लैक्टोज़-किण्वक ग्राम-ऋणात्मकों हेतु वरणात्मक व विभेदक हैं, इसीलिए कोलिफ़ॉर्म कार्य में आते हैं।

पर्यावरणीय कारक वृद्धि को खिसकाते हैं: जीव के परिसर में प्रत्येक 10 °C वृद्धि पर दर लगभग दोगुनी होती है और इष्टतम से ऊपर ढह जाती है; अधिकांश जीवाणु लगभग उदासीन pH पसंद करते हैं (कवक अम्ल सह लेते हैं); कम जल सक्रियता व उच्च लवण कोशिकाओं को निर्जलित करते हैं; जीव के वर्ग के अनुसार ऑक्सीजन आवश्यक, सहनीय या घातक है। नियंत्रण भौतिक या रासायनिक है। भौतिक: आर्द्र ऊष्मा (121 °C व लगभग 15 psi गेज़ पर 15 मिनट ऑटोक्लेवन बीजाणु मारता है), शुष्क ऊष्मा, पाश्चुरीकरण, लगभग 0.22–0.45 μm की झिल्लियों से निस्यंदन, और लगभग 254–260 nm का पराबैंगनी विकिरण, जो DNA क्षतिग्रस्त करता है। रासायनिक: क्लोरीन व उसके यौगिक, ओज़ोन, ऐल्कोहॉल, फ़िनॉलिक, ऐल्डिहाइड व चतुष्क अमोनियम यौगिक। मारण लगभग प्रथम कोटि का है, N = N₀e^(−kt), अतः प्रत्येक समान अंतराल समान अंश हटाता है; चिक–वॉटसन नियम विसंक्रामक सांद्रता जोड़ता है, ln(N/N₀) = −k′Cⁿt, जो विसंक्रमण के "C × t" अभिकल्प का उद्गम है।

⚠️ μ = D केवल स्थिर अवस्था में, और केवल बहाव-सीमा से नीचे
μ_max = 0.4 h⁻¹, K_s = 50 mg/L व S₀ = 450 mg/L के साथ बहाव D = 0.4 × 450/500 = 0.36 h⁻¹ पर आरंभ होता है, 0.4 h⁻¹ पर नहीं: पोषण सांद्रता वह तीव्रतम वृद्धि सीमित करती है जो रिएक्टर टिका सके। D = 0.1 h⁻¹ पर अवशिष्ट क्रियाधार S = 50 × 0.1/(0.4 − 0.1) = 16.7 mg/L है, S₀ से स्वतंत्र।

5. सूक्ष्मजीवविज्ञान व स्वास्थ्य: रोगजनक, सूचक, MPN व झिल्ली निस्यंदन

समूहवार जलजनित रोगजनक
समूहउदाहरण व रोगअभियांत्रिक टिप्पणी
जीवाणुविब्रियो कॉलेरी (हैज़ा), साल्मोनेला टाइफ़ी (टाइफ़ाइड), शिगेला (पेचिश), रोगजनक E. coli, कैम्पिलोबैक्टर; लीजिओनेला (फुहार से श्वसित)क्लोरीन से सहजता से नष्ट
विषाणुहेपेटाइटिस A व E, रोटावायरस, नोरोवायरस, पोलियोवायरस सहित एंटरोवायरसअति सूक्ष्म, कम संक्रामक मात्रा, जीवाणुओं से अधिक प्रतिरोधी
प्रोटोज़ोआजिआर्डिया लैम्ब्लिया, क्रिप्टोस्पोरिडियम पार्वम, एंटअमीबा हिस्टोलिटिका (अमीबी पेचिश)पुटी व ऊसिस्ट क्लोरीन का प्रतिरोध करते हैं (क्रिप्टोस्पोरिडियम प्रबलतः) — निस्यंदन से हटते, UV से निष्क्रिय होते हैं
कृमिऐस्केरिस (गोलकृमि), अंकुशकृमि, टीनिया (फीताकृमि)अंडे बड़े होते हैं और बैठ जाते हैं — आपंक व फ़सलों पर अपशिष्ट जल पुनःउपयोग में चिंता

संचरण के ढंग इस आधार पर वर्गीकृत हैं कि जल कैसे सम्मिलित है: जलजनित (रोगजनक पिया जाता है — हैज़ा, टाइफ़ाइड, हेपेटाइटिस), जल-धौत (स्वच्छता हेतु जल की कमी से फैलने वाले — ट्रेकोमा, खुजली, और पुनः मल–मुख रोग), जल-आधारित (रोगजनक अपने जीवन-चक्र का भाग किसी जलीय परपोषी में बिताता है — घोंघों में शिस्टोसोमियासिस, नारू कृमि), और जल-संबंधी कीट वाहक (जल में पनपने वाले मच्छर — मलेरिया, डेंगू, फ़ाइलेरिया)। दूषित जल, भोजन व हाथों से मल–मुख मार्ग आंत्र रोगजनकों हेतु प्रधान है।

रोगजनक इतने अधिक, इतने विरल व संवर्धन में इतने कठिन हैं कि उनका नियमित परीक्षण नहीं हो सकता, अतः जल का परीक्षण इसके स्थान पर सूचक जीवों हेतु होता है। अच्छा सूचक तब सदा उपस्थित होता है जब मल-संदूषण (और अतः संभवतः रोगजनक) उपस्थित हो और अन्यथा अनुपस्थित; रोगजनकों से अधिक संख्या में होता है; जल में कम से कम उतनी देर जीवित रहता व उपचार का कम से कम उतना प्रतिरोध करता है; स्वयं हानिकारक नहीं होता; और शीघ्र व सस्ते में गिना जाता है। कुल कोलिफ़ॉर्म (ग्राम-ऋणात्मक, बीजाणु न बनाने वाले दंडाणु जो 35 °C पर गैस सहित लैक्टोज़ किण्वित करते हैं) में मृदा जीव भी शामिल हैं; मल (ताप-सहिष्णु) कोलिफ़ॉर्म, जो ऐसा 44.5 °C पर करते हैं, और सर्वोपरि E. coli मल-उद्गम के विशिष्ट हैं। मल स्ट्रेप्टोकॉकाई (एंटरोकॉकाई), क्लोस्ट्रिडियम पर्फ़्रिंजेंस के बीजाणु (स्थायी, पुराने या आंतरायिक प्रदूषण के सूचक) व कोलिफ़ेज (विषाणुओं के प्रतिनिधि) समुच्चय पूरा करते हैं। पेयजल हेतु मान्य मानदंड यह है कि किसी भी 100 mL नमूने में E. coli या ताप-सहिष्णु कोलिफ़ॉर्म संसूचनीय न हों।

कोलिफ़ॉर्म की गणना
विधिप्रक्रियापरिणाम
बहु-नलिका किण्वन (MPN)नलिकाओं की शृंखला (जैसे 10, 1 व 0.1 mL की पाँच-पाँच); 35 °C पर 24–48 h लैक्टोज़ या लॉरिल ट्रिप्टोज़ शोरबे में पूर्वानुमानी परीक्षण (गैस = धनात्मक); ब्रिलियंट ग्रीन लैक्टोज़ बाइल शोरबे में पुष्टि परीक्षण; अगर पर पूर्ण परीक्षणसांख्यिकीय आकलन, MPN/100 mL, धनात्मक नलिकाओं के प्रतिरूप की सारणियों से, या थॉमस सूत्र से: MPN/100 mL = 100P/√(N T), जहाँ P = धनात्मक नलिकाएँ, N = ऋणात्मक नलिकाओं में नमूने के mL, T = सभी नलिकाओं में नमूने के mL
झिल्ली निस्यंदनमापा गया आयतन 0.45 μm झिल्ली से छाना जाता है, जिसे m-Endo (धात्विक चमक वाली कोलिफ़ॉर्म कॉलोनियाँ) पर या मल कोलिफ़ॉर्म हेतु 44.5 °C पर m-FC माध्यम पर ऊष्मायित किया जाता हैप्रत्यक्ष गणना: कॉलोनी/100 mL = गिनी कॉलोनियाँ × 100/छाने गए mL; आयतन ऐसा चुनें कि प्लेट पर गिनने योग्य संख्या (लगभग 20–80 कोलिफ़ॉर्म कॉलोनियाँ) हो
ℹ️ MPN आकलन है, MF गणना है
MPN आविल नमूने सँभालता है और विश्वास्यता सीमाएँ देता है परंतु दो से चार दिन लेता है; झिल्ली निस्यंदन एक दिन में प्रत्यक्ष गणना देता है और स्वच्छ जल के बड़े आयतन प्रयोग करता है, परंतु आविलता निस्यंदक बंद करती है और निलंबित ठोस कॉलोनियाँ छिपाते हैं। इसीलिए MF पेयजल हेतु और MPN अपशिष्ट जल व अवसाद हेतु उपयुक्त है।

मुख्य बिंदु

  • प्राक्केंद्रकियों में केंद्रक नहीं और 70S राइबोसोम हैं; सूक्ष्मजीवों को कार्बन स्रोत, ऊर्जा स्रोत, ऑक्सीजन व ताप से वर्गीकृत करें, और जानें कौन क्या करता है: परपोषी BOD हटाते हैं, नाइट्रीकारी स्वपोषी हैं, मीथेनजनक आर्किया व अविकल्पी अवायुजीवी हैं।
  • ग्राम-धनात्मक भित्तियाँ मोटी पेप्टिडोग्लाइकन हैं; ग्राम-ऋणात्मक कोशिकाएँ LPS बाह्य झिल्ली जोड़ती हैं। प्रतिरोध जीन संयुग्मन, रूपांतरण व पारक्रमण से क्षैतिज फैलते हैं; कोरम संवेदन स्व-प्रेरकों द्वारा सघनता-निर्भर जीन चालू करता है।
  • ग्लाइकोलिसिस शुद्ध 2 ATP देता है; श्वसन इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला से बाह्य ग्राही प्रयोग करता है, किण्वन आंतरिक कार्बनिक। माइकेलिस–मेंटेन v = V_max S/(K_m + S); प्रतिस्पर्धी अवरोध K_m बढ़ाता है, अप्रतिस्पर्धी V_max घटाता है।
  • t_d = ln 2/μ; मोनॉड μ = μ_max S/(K_s + S); केमोस्टैट में μ = D व S = K_s D/(μ_max − D), μ_max S₀/(K_s + S₀) से ऊपर बहाव। मारण समय में प्रथम कोटि का है, और चिक–वॉटसन सांद्रता जोड़ता है।
  • सूचक रोगजनकों का प्रतिनिधित्व करते हैं: मल कोलिफ़ॉर्म 44.5 °C पर बढ़ते हैं और E. coli विशिष्ट मल-चिह्नक है। थॉमस सूत्र से MPN = 100P/√(NT); झिल्ली निस्यंदन कॉलोनी × 100/छाने गए mL गिनता है।

अभ्यास प्रश्न (18)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. निम्न में से कौन प्राक्केंद्रकी है?

    1. एक मीथेनजनक आर्किया
    2. जिआर्डिया लैम्ब्लिया
    3. एक हरा शैवाल
    4. एक तंतुमय कवक
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — एक मीथेनजनक आर्किया

    आर्किया, जीवाणुओं की भाँति, केंद्रक-रहित व 70S राइबोसोम वाले हैं, अतः प्राक्केंद्रकी हैं, यद्यपि जीवाणुओं से अलग अधिक्षेत्र हैं। जिआर्डिया प्रोटोज़ोआ है, शैवाल व कवक केंद्रक व कोशिकांगों वाले सुकेंद्रकी हैं।

  2. सूक्ष्मजीवी नाइट्रोजन रूपांतरणों के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. नाइट्रोसोमोनास अमोनियम को नाइट्राइट में ऑक्सीकृत करता है
    2. विनाइट्रीकरण उच्च घुलित ऑक्सीजन पर सबसे तेज़ होता है
    3. ऐनैमॉक्स अवायवीय परिस्थितियों में अमोनियम व नाइट्राइट को N₂ में बदलता है
    4. नाइट्रोजन स्थिरीकरण N₂ को अमोनिया में अपचयित करता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — नाइट्रोसोमोनास अमोनियम को नाइट्राइट में ऑक्सीकृत करता है; C — ऐनैमॉक्स अवायवीय परिस्थितियों में अमोनियम व नाइट्राइट को N₂ में बदलता है; D — नाइट्रोजन स्थिरीकरण N₂ को अमोनिया में अपचयित करता है

    (a) नाइट्रीकरण का पहला चरण है। (c) अवायवीय अमोनियम ऑक्सीकरण है, NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂। (d) सही है: नाइट्रोजिनेज़ N₂ को NH₃ में अपचयित करता है। (b) असत्य है — विनाइट्रीकारी नाइट्रेट को इलेक्ट्रॉन ग्राही के रूप में तभी प्रयोग करते हैं जब ऑक्सीजन अनुपस्थित हो, अतः विनाइट्रीकरण को ऑक्सीजन-रहित परिस्थिति चाहिए।

  3. लाइपोपॉलीसैकेराइड किसका अभिलक्षणिक घटक है?

    1. ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं की बाह्य झिल्ली
    2. ग्राम-धनात्मक जीवाणुओं की मोटी पेप्टिडोग्लाइकन भित्ति
    3. कवकों का केंद्रक आवरण
    4. विषाणु का कैप्सिड
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं की बाह्य झिल्ली

    LPS ग्राम-ऋणात्मक बाह्य झिल्ली का बाह्य पत्रक बनाता है और अंतर्विष का कार्य करता है। ग्राम-धनात्मक भित्तियाँ इसके स्थान पर टाइकोइक अम्ल रखती हैं; कवकों में LPS नहीं; विषाणु कैप्सिड प्रोटीन है।

  4. रोगाणुरोधी प्रतिरोध व कोरम संवेदन के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. संयुग्मन भिन्न प्रजातियों के जीवाणुओं के बीच प्रतिरोध प्लाज़्मिड स्थानांतरित कर सकता है
    2. ऐसिल-होमोसेरीन लैक्टोन ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं द्वारा प्रयुक्त स्व-प्रेरक हैं
    3. कोरम-संवेदन अनुक्रियाएँ केवल तब चालू होती हैं जब कोशिका सघनता पर्याप्त ऊँची हो
    4. प्रतिरोध जीन अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र के भीतर कोशिकाओं के बीच नहीं जा सकते
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    उत्तर: A — संयुग्मन भिन्न प्रजातियों के जीवाणुओं के बीच प्रतिरोध प्लाज़्मिड स्थानांतरित कर सकता है; B — ऐसिल-होमोसेरीन लैक्टोन ग्राम-ऋणात्मक जीवाणुओं द्वारा प्रयुक्त स्व-प्रेरक हैं; C — कोरम-संवेदन अनुक्रियाएँ केवल तब चालू होती हैं जब कोशिका सघनता पर्याप्त ऊँची हो

    (a) प्लाज़्मिड संयुग्मन से प्रजाति-सीमाएँ पार करते हैं, इसीलिए प्रतिरोध इतनी तेज़ी से फैलता है। (b) व (c) कोरम संवेदन का वर्णन हैं: संकेत समुदाय सघनता के साथ संचित होता है और देहली पर जीन सक्रिय करता है। (d) असत्य है — सघन मिश्रित समुदाय व प्रतिजैविक अवशेष उपचार संयंत्रों को क्षैतिज जीन स्थानांतरण के केंद्र बनाते हैं।

  5. एक ग्लूकोज़ अणु से ग्लाइकोलिसिस द्वारा उत्पन्न ATP अणुओं की शुद्ध संख्या क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 2

    ग्लाइकोलिसिस पहले अर्ध में 2 ATP निवेश करता है और दूसरे में क्रियाधार-स्तरीय फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण से 4 बनाता है, शुद्ध लाभ 2 ATP (2 NADH सहित)। 4 बताना निवेश भूलना है; 36–38 बताना पूर्ण वायवीय श्वसन है।

  6. किण्वन व अवायवीय श्वसन के बीच मूल अंतर यह है कि किण्वन:

    1. अंतिम इलेक्ट्रॉन ग्राही के रूप में नाइट्रेट प्रयोग करता है
    2. चलने हेतु ऑक्सीजन की अल्प मात्रा चाहता है
    3. इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला के बिना आंतरिक कार्बनिक मध्यवर्ती को देता है
    4. वायवीय श्वसन से प्रति ग्लूकोज़ अधिक ATP देता है
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    उत्तर: C — इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला के बिना आंतरिक कार्बनिक मध्यवर्ती को देता है

    किण्वन में ग्लूकोज़ के इलेक्ट्रॉन उसके अपने विखंडन के कार्बनिक उत्पाद पर पहुँचते हैं (पाइरुवेट लैक्टेट या एथेनॉल बनता है), और ATP केवल क्रियाधार-स्तरीय फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण से आता है। अवायवीय श्वसन इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला से बाह्य अकार्बनिक ग्राही (NO₃⁻, SO₄²⁻, CO₂) प्रयोग करता है। विकल्प A विनाइट्रीकरण का वर्णन है, जो अवायवीय श्वसन का रूप है; विकल्प D सत्य का उलटा है।

  7. किसी एंज़ाइम का प्रतिस्पर्धी अवरोधक:

    1. V_max घटाता है और K_m अपरिवर्तित छोड़ता है
    2. आभासी K_m बढ़ाता है और V_max अपरिवर्तित छोड़ता है
    3. K_m व V_max दोनों को अनुपात में घटाता है
    4. किसी भी क्रियाधार सांद्रता पर प्रभावहीन है
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    उत्तर: B — आभासी K_m बढ़ाता है और V_max अपरिवर्तित छोड़ता है

    प्रतिस्पर्धी अवरोधक सक्रिय स्थल हेतु होड़ करता है, अतः पर्याप्त क्रियाधार उसे पछाड़ देता है: अधिकतम दर फिर भी मिलती है, परंतु उसके आधे हेतु अधिक S चाहिए — K_m बढ़ता है, V_max अपरिवर्तित, और लाइनवीवर–बर्क आलेख पर रेखाएँ 1/v अक्ष पर मिलती हैं। विकल्प A अप्रतिस्पर्धी अवरोध है; विकल्प C अस्पर्धी (uncompetitive) है।

  8. कोई एंज़ाइम K_m = 5 mg/L के साथ माइकेलिस–मेंटेन बलगतिकी का पालन करता है। किस क्रियाधार सांद्रता पर, mg/L में, दर V_max के 80% तक पहुँचती है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 20

    0.8 = S/(K_m + S) से 0.8K_m + 0.8S = S, अतः S = 4K_m = 20 mg/L। दर V_max के निकट धीरे-धीरे ही पहुँचती है: 50% हेतु S = K_m, 80% हेतु 4K_m, और 90% हेतु 9K_m चाहिए।

  9. चरघातांकी वृद्धि में एक जीवाणु संवर्धन की विशिष्ट वृद्धि दर 0.35 h⁻¹ है। उसका द्विगुणन काल, घंटों में, दो दशमलव स्थानों तक क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 1.98

    t_d = ln 2/μ = 0.693/0.35 = 1.98 h। 1/μ = 2.86 h लेना e-गुना वृद्धि का समय है, द्विगुणन का नहीं।

  10. एक संवर्धन चरघातांकी वृद्धि के 10 घंटों में 10³ से 10⁹ कोशिका/mL तक बढ़ता है। वह कितनी पीढ़ियों से गुज़रा है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 19.9

    n = (log N − log N₀)/log 2 = (9 − 3)/0.301 = 19.9 पीढ़ियाँ, अतः पीढ़ी काल 10/19.9 = 0.50 h है। दस-लाख गुना वृद्धि का आधार-2 लघुगणक लेने के बजाय उसे 2 से भाग देना बचने योग्य भूल है।

  11. एक जीव का μ_max = 0.5 h⁻¹ व K_s = 20 mg/L है। जब सीमाकारी क्रियाधार 30 mg/L पर हो, तो उसकी विशिष्ट वृद्धि दर, h⁻¹ में, क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.3

    μ = μ_max S/(K_s + S) = 0.5 × 30/(20 + 30) = 15/50 = 0.3 h⁻¹। S = K_s = 20 mg/L पर यह ठीक μ_max का आधा, 0.25 h⁻¹, होता।

  12. एक केमोस्टैट 0.1 h⁻¹ तनुकरण दर पर ऐसे जीव के साथ चलाया जाता है जिसका μ_max = 0.4 h⁻¹ व K_s = 50 mg/L है। रिएक्टर में स्थिर-अवस्था क्रियाधार सांद्रता, mg/L में, एक दशमलव स्थान तक क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 16.7

    स्थिर अवस्था में μ = D = 0.1 h⁻¹। मोनॉड से S = K_s D/(μ_max − D) = 50 × 0.1/(0.4 − 0.1) = 5/0.3 = 16.7 mg/L। यह पोषण सांद्रता पर निर्भर नहीं, जो केवल कोशिका सांद्रता तय करती है।

  13. उसी प्रकार के जीव (μ_max = 0.4 h⁻¹, K_s = 50 mg/L) को 450 mg/L क्रियाधार सांद्रता पर पोषित करने पर, किस तनुकरण दर, h⁻¹ में, से ऊपर केमोस्टैट बह जाता है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.36

    बहाव तब होता है जब D पोषण सांद्रता पर वृद्धि दर से अधिक हो: D_crit = μ_max S₀/(K_s + S₀) = 0.4 × 450/(50 + 450) = 0.36 h⁻¹। μ_max = 0.4 h⁻¹ बताना मानता है कि कोशिकाएँ S ≫ K_s पर बढ़ सकती हैं, जो पोषण नहीं देता।

  14. विसंक्रमण किसी रोगजनक को k = 0.46 min⁻¹ के साथ प्रथम-कोटि बलगतिकी से मारता है। कितना संपर्क समय, मिनटों में, 3-log (99.9%) मारण देता है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 15

    N/N₀ = 10⁻³ = e^(−kt), अतः t = ln 1000/k = 6.908/0.46 = 15.0 min। ln 1000 के स्थान पर log₁₀ 1000 = 3 लेने पर 6.5 min आता है, 2.303 गुना छोटा।

  15. निम्न में से कौन मल-संदूषण के आदर्श सूचक की आवश्यकता नहीं है?

    1. जब भी मल रोगजनक उपस्थित हों तब वह उपस्थित हो
    2. वह रोगजनकों से अधिक संख्या में हो
    3. वह स्वयं रोगजनक हो, ताकि उसकी उपस्थिति रोग-जोखिम सिद्ध करे
    4. वह जल में कम से कम उतनी देर जीवित रहे जितनी रोगजनक
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    उत्तर: C — वह स्वयं रोगजनक हो, ताकि उसकी उपस्थिति रोग-जोखिम सिद्ध करे

    सूचक हानिरहित होना चाहिए, ताकि प्रयोगशालाएँ उसे सुरक्षित व नियमित रूप से सँभाल सकें; उसका मूल्य मल-प्रदूषण से सांख्यिकीय संबद्धता है, रोगजनकता नहीं। शेष तीन मानक मानदंड हैं।

  16. मल (ताप-सहिष्णु) कोलिफ़ॉर्म कुल कोलिफ़ॉर्म से किस ताप पर गैस उत्पादन सहित लैक्टोज़ किण्वन की क्षमता से अलग पहचाने जाते हैं?

    1. 20 °C
    2. 35 °C
    3. 44.5 °C
    4. 60 °C
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    उत्तर: C — 44.5 °C

    कुल कोलिफ़ॉर्म 35 °C पर ऊष्मायित होते हैं; 44.5 °C का उन्नत ताप उष्ण-रक्त आंत्र-उद्गम वाले ताप-सहिष्णु जीवों, मुख्यतः E. coli, को चुनता है। 20 °C BOD ऊष्मायन ताप है, कोलिफ़ॉर्म परीक्षण नहीं।

  17. झिल्ली-निस्यंदन परीक्षण में जल नमूने का 50 mL छाना जाता है और 36 कोलिफ़ॉर्म कॉलोनियाँ उगती हैं। प्रति 100 mL कोलिफ़ॉर्म गणना क्या है?

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    उत्तर: 72

    प्रति 100 mL गणना = कॉलोनियाँ × 100/छाना गया आयतन = 36 × 100/50 = 72। 36 प्रति 100 mL बताना भूल जाता है कि 100 mL का केवल आधा छाना गया।

  18. प्रत्येक में 10 mL नमूना डाली गई पाँच नलिकाओं का परीक्षण होता है और 3 धनात्मक आती हैं। थॉमस सूत्र से प्रति 100 mL MPN, एक दशमलव स्थान तक, क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 9.5

    P = 3 धनात्मक नलिकाएँ; 2 ऋणात्मक नलिकाओं में N = 20 mL नमूना; सभी नलिकाओं में T = 50 mL। MPN/100 mL = 100P/√(NT) = 300/√(20 × 50) = 300/31.62 = 9.5। सरल अनुपात 3 × 100/50 = 6 उपेक्षा करता है कि एक धनात्मक नलिका में एक से अधिक जीव हो सकते हैं।