Анаэробные микроорганизмы

Как анаэробы получают энергию?

Анаэробные организмы могут получить энергию разными путями:

1. Некоторые микроорганизмы получают энергию в процессе катаболизма различных соединений аминокислот, например, белков и пептидов, а также самих аминокислот. Как правило, такой процесс высвобождения энергии называется гниением. А саму среду, в энергообмене которой наблюдается много процессов катаболизма соединений аминокислот и самих аминокислот, называют гнилостной средой.
2. Другие анаэробные бактерии способны расщеплять гексозы (глюкозу). При этом могут использоваться разные пути расщепления:
   • гликолиз. После него в среде происходят бродильные процессы;
   • окислительный путь;
   • реакции Энтнера-Дудорова, которые проходят в условиях маннановой, гексуроновой или глюконовой кислоты.

При этом только анаэробные представители могут использовать гликолиз. Он может делиться на несколько разновидностей брожения в зависимости от продуктов, которые образуются после реакции:

• спиртовое брожение;
• молочнокислое брожение;
• вид энтеробактерий муравьиной кислоты;
• маслянокислое брожение;
• пропионовокислая реакция;
• процессы с выделением молекулярного кислорода;
• метановое брожение (используется в септиках).

Классификация по типу дыхания

Чтобы получить необходимую биоэнергию для жизни и питания из органических и неорганических веществ, одни бактерии используют для этого О₂, для других он, наоборот, смертелен, а третьи прекрасно приспосабливаются к любым условиям и любому его содержанию. Учитывая такую сущность, их делят по способу на два типа: аэробные, для которых необходим кислород, и анаэробные ─ те, для которых он губителен.

У грибов, так же как у бактерий, два типа дыхания: аэробное и анаэробное. Яркий пример грибов-анаэробов ─ дрожжи. Процесс выработки энергии анаэробных грибов происходит в цитоплазме и носит название гликолиз.

Такие съедобные грибы, как лисички, белые, моховики, и многие другие дышат так же, как растения и другие аэробные формы жизни. Процесс выработки энергии у аэробных грибов и растений происходит в митохондриях.

Растения являются аэробами, им, чтобы дышать, необходим О₂, а продуктом его переработки является углекислый газ. Но в отличие от грибов у растений, как и у сине-зеленых водорослей, параллельно с дыханием происходит процесс фотосинтеза. Растения и сине-зеленые водоросли при этом выделяют О₂ больше чем поглощают, когда дышат. При отсутствии солнечного света растения только дышат. И при нехватке кислорода растения гибнут, что не страшно факультативным формам.

Лечение

Чтобы вылечить анаэробную инфекцию у ребенка, большое значение имеют дренирование и санация раны. При тяжелых поражениях широко используют хирургические методы терапии с удалением всех инфицированных тканей.

1. В качестве этиотропной терапии назначают растворы: бензилпенициллин в больших дозах (до 10-20 млн. ЕД в сутки) внутривенно; используют метронидазол, ванкомицин, тетрациклины.
2. В тяжелых случаях чтобы провести лечение анаэробной инфекции применяют антибиотики широкого спектра действия: тиментин (тикарциллин в сочетании с клавулановой кислотой), аугментин (амоксициллин в сочетании с клавулановой кислотой), клиндамицин или цефалоспорины II-III поколений с аминогликозидами, карбапенемы.
3. Гипербарическая оксигенация положительно влияет на течение процесса при прогрессирующем мионекрозе, особенно конечностей, дополняя хирургическое вмешательство и антибиотикотерапию.

Прогноз лечения при клостридиозном целлюлите благоприятный. Прогрессирующий миозит и мионекроз заканчиваются летально в 20% случаев.

Профилактика анаэробной инфекции заключается в тщательной хирургической обработке ран.

Многоклеточность

Немногие многоклеточные формы жизни являются анаэробными, поскольку только О ₂ с его слабой двойной связью может обеспечить достаточно энергии для сложного метаболизма. Исключение составляют три вида Loricifera (размером <1 мм) и 10-клеточная Henneguya zschokkei .

В 2010 году три вида анаэробных лорицифер были обнаружены в гиперсоленом бескислородном бассейне Л’Аталанте на дне Средиземного моря . У них отсутствуют митохондрии, которые содержат путь окислительного фосфорилирования , который у всех других животных объединяет кислород с глюкозой для выработки метаболической энергии, и поэтому они не потребляют кислород. Вместо этого эти лорициферы получают энергию из водорода с помощью гидрогеносом .

Что такое анаэробные бактерии

Анаэробные бактерии — это микроорганизмы, которые растут в отсутствие кислорода. Бактерии, неспособные переносить кислород, называются обязать анаэробов. Факультативные анаэробы может расти без кислорода. Но они способны использовать кислород, если он доступен в среде, чтобы генерировать больше энергии, чем при обычном анаэробном дыхании. Хоть аэротолерантные бактерии не используйте кислород, они могут выжить в присутствии кислорода. Анаэробные бактерии играют главную роль в циклах питания, таких как цикл азота. Анаэробные бактерии в азотном цикле и их роль показаны в фигура 2.

Рисунок 2: Азотный цикл

Некоторые из обязательных анаэробов используют ферментацию, в то время как другие используют анаэробное дыхание. Аэротолерантные бактерии строго ферментируются, в то время как факультативные анаэробы используют ферментацию, анаэробное дыхание или аэробное дыхание.

Ферментация

Два типа брожения — брожение молочной кислоты и брожение этанола. Оба метода соответствуют гликолизу. Второй шаг — ферментация. Электронная транспортная цепь не используется в процессе ферментации. Химические реакции для каждого типа ферментации показаны ниже.

Брожение этанола

Конечный акцептор электронов анаэробного дыхания не является молекулярным кислородом, как при аэробном дыхании. Различные типы организмов используют различные типы конечных акцепторов электронов. Это могут быть ионы, такие как сера, трехвалентное железо, марганец (IV), кобальт (III) и уран (VI), и такие соединения, как фумарат, сульфат, нитрат или диоксид углерода. Метаногенные бактерии являются одним из таких типов организмов, которые используют углекислый газ в качестве конечного акцептора электронов в отсутствие кислорода. Они производят газообразный метан как побочный продукт. Bacteroides, Clostridium, а также Кишечная палочка Вот некоторые примеры анаэробных бактерий.

тип

Есть несколько путей, которыми организм может дышать без кислорода. Если нет цепи переноса электронов, окисление органического вещества будет сочетаться с восстановлением других атомов источника энергии в процессе ферментации (см. Ниже)..

При наличии конвейерной цепи в конечную акцепторную бумагу могут быть взяты разные ионы, среди которых нитрат, железо, марганец, сульфаты, углекислый газ и другие..

Цепь переноса электронов представляет собой систему окислительно-восстановительных реакций, которая приводит к выработке энергии в форме АТФ с помощью метода, называемого окислительным фосфорилированием..

Ферменты, участвующие в процессе, находятся внутри бактерий, прикрепленных к мембране. Прокариоты имеют такие инвагинации или пузырьки, которые напоминают митохондрии эукариотических организмов. Эта система широко варьируется среди бактерий. Наиболее распространенными являются:

Использование нитратов в качестве акцептора электронов

Большая группа бактерий с анаэробным дыханием занесена в каталог как нитратредуцирующие бактерии. В этой группе конечным акцептором цепи переноса электронов является ион NO₃-.

Внутри этой группы существуют различные физиологические условия. Восстановители нитрата могут быть респираторного типа, где ион NO₃— бывает НЕТ₂-; может быть денитрифицирующим, когда указанный ион идет к N₂, или ассимилирующего типа, где рассматриваемый ион становится NH₃.

Донорами электронов могут быть пируват, сукцинат, лактат, глицерин, NADH и другие. Типичным организмом этого метаболизма является известная бактерия Кишечная палочка.

Использование сульфатов в качестве акцептора электронов

Только несколько видов строгих анаэробных бактерий способны принимать сульфат-ион и превращать его в S2- и вода. Для реакции используются несколько субстратов, среди которых наиболее распространенными являются молочная кислота и четырехуглеродистые дикарбоновые кислоты..

Использование диоксида углерода в качестве акцептора электронов

Археи — это прокариотические организмы, которые обычно обитают в экстремальных регионах и характеризуются очень специфическими метаболическими путями..

Одним из них являются археи, способные производить метан, и для достижения этого они используют углекислый газ в качестве конечного акцептора. Конечным продуктом реакции является газообразный метан (СН₄).

Эти организмы обитают только в очень специфических областях экосистем, где концентрация водорода высока, поскольку он является одним из элементов, необходимых для реакции — в качестве дна озер или пищеварительного тракта некоторых млекопитающих..

Общие свойства для аэробов и анаэробов

1. Все эти прокариоты не имеют выраженного ядра.
2. Размножаются или почкованием, или делением.
3. Осуществляя дыхание, в результате окислительного процесса, как аэробные, так и анаэробные организмы разлагают огромные массы органических остатков.
4. Бактерии являются единственными живыми существами, чье дыхание связывает молекулярный азот в органическое соединение.
5. Аэробные организмы и анаэробы способны осуществлять дыхание в широком диапазоне температур. Существует классификация, согласно которой безъядерные одноклеточные организмы подразделяют на:

психрофильные – условия жизни в районе 0°С;

Организмы, которые способны получать энергию в условиях отсутствия кислорода, называются анаэробами. Причём к группе анаэробов относятся как микроорганизмы (простейшие и группа прокариотов), так и макроорганизмы, к которым можно отнести некоторые водоросли, грибы, животных и растения. В нашей статье мы подробно рассмотрим анаэробные бактерии, которые используются для очистки сточных вод в локальных очистных сооружениях. Поскольку наряду с ними в очистных сооружениях могут применяться аэробные микроорганизмы, мы проведём сравнение этих бактерий.

Что такое анаэробы, мы разобрались. Теперь стоит понять, на какие виды они делятся. В микробиологии используется следующая таблица классификации анаэробов:

• Факультативные микроорганизмы
  . Факультативно-анаэробными называют бактерии, которые могут менять свой метаболический путь, то есть способны менять дыхание с анаэробного на аэробное и наоборот. Можно утверждать, что они живут факультативно.
• Капнеистические представители группы
  способны жить только в среде с пониженным содержанием кислорода и повышенным содержанием углекислого газа.
• Умеренно-строгие организмы
  могут выживать в среде с содержанием молекулярного кислорода. Однако тут они не способны размножаться. Макроаэрофилы могут и выживать, и размножаться в среде с пониженным парциальным давлением кислорода.
• Аэротолерантные микроорганизмы
  отличаются тем, что они не могут жить факультативно, то есть не в состоянии переключаться с анаэробного дыхания на аэробное. Однако от группы факультативно-анаэробных микроорганизмов они отличаются тем, что не гибнут в среде с молекулярным кислородом. В эту группу входит большинство маслянокислых бактерий и некоторые виды молочнокислых микроорганизмов.
• Облигатные бактерии
  быстро гибнут в среде с содержанием молекулярного кислорода. Они способны жить только в условиях полной изоляции от него. В эту группу входят инфузории, жгутиковые, некоторые виды бактерий и дрожжи.

Ссылки [ править ]

1. ^ Upcroft P, Upcroft JA (январь 2001). «Лекарственные мишени и механизмы резистентности в России» . Clin. Microbiol. Ред . 14 (1): 150–164. DOI : 10.1128 / CMR.14.1.150-164.2001 . PMC  88967 . PMID  11148007 .
2. Перейти ↑ Levinson, W. (2010). Обзор медицинской микробиологии и иммунологии (11-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 91–93. ISBN 978-0-07-174268-9.
3. ^ a b c Дановаро Р; Dell’anno A; Pusceddu A; Гамби С; и другие. (Апрель 2010 г.). «Первые метазоа, постоянно живущие в бескислородных условиях» . BMC Biology . 8 (1): 30. DOI10.1186 / 1741-7007-8-30 . PMC 2907586 . PMID 20370908 .
4. ^ a b Гест, Ховард. (2004) Открытие микроорганизмов Робертом Гуком и Антони ван Левенгук, членами Королевского общества , в: Королевское общество, май 2004 г. Том: 58 Выпуск: 2: стр. 12.
5. Перейти ↑ Prescott LM, Harley JP, Klein DA (1996). Микробиология (3-е изд.). Wm. C. Brown Publishers. С. 130–131. ISBN 978-0-697-29390-9.
6. ^ Брукс Ф., Carroll KC, Butel JS, Морзе SA (2007). Явец, Медицинская микробиология Мелника и Адельберга (24-е изд.). Макгроу Хилл. С. 307–312. ISBN 978-0-07-128735-7.
7. ^ a b c Хогг, С. (2005). Основная микробиология (1-е изд.). Вайли. С. 99–100. ISBN 978-0-471-49754-7.
8. ^ La Scola, B .; Khelaifia, S .; Lagier, J.C .; Рауль, Д. (2014). «Аэробная культура анаэробных бактерий с использованием антиоксидантов: предварительный отчет». Европейский журнал клинической микробиологии и инфекционных заболеваний . 33 (10): 1781–1783. DOI10.1007 / s10096-014-2137-4 . ISSN 0934-9723 . PMID 24820294 . S2CID 16682688 .
9. ^ Dione, N .; Khelaifia, S .; La Scola, B .; Lagier, JC; Рауль, Д. (2016). «Квазиуниверсальная среда для преодоления дихотомии аэробных / анаэробных бактериальных культур в клинической микробиологии» . Клиническая микробиология и инфекции . 22 (1): 53–58. DOI10.1016 / j.cmi.2015.10.032 . PMID 26577141 .
10. ^ Khelaifia, S .; Lagier, J.C .; Нкамга, В.Д .; Guilhot, E .; Drancourt, M .; Рауль, Д. (2016). «Аэробная культура метаногенных архей без внешнего источника водорода». Европейский журнал клинической микробиологии и инфекционных заболеваний . 35 (6): 985–991. DOI10.1007 / s10096-016-2627-7 . ISSN 0934-9723 . PMID 27010812 . S2CID 17258102 .
11. ^ Траоре, SI; Khelaifia, S .; Armstrong, N .; Lagier, JC; Рауль, Д. (2019). «Выделение и культивирование Methanobrevibacter smithii путем совместного культивирования с водородпродуцирующими бактериями на чашках с агаром» . Клиническая микробиология и инфекции . 25 (12): 1561.e1–1561.e5. DOI10.1016 / j.cmi.2019.04.008 . PMID 30986553 .
12. ^ Pommerville, Джеффри (2010). Основы микробиологии Алькамо . Jones and Bartlett Publishers. п. 177. ISBN. 9781449655822.
13. ^ Слоним, Антоний; Поллак, Мюррей (2006). Педиатрическая реаниматология . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 130. ISBN 9780781794695.
14. ^ «GasPak System» Архивировано 28 сентября 2009 г. на Wayback Machine . Доступ 3 мая 2008 г.
15. ^ Миллион, Матье; Рауль, Дидье (декабрь 2018 г.). «Связь окислительно-восстановительного потенциала кишечника с микробиомом человека» . Журнал микробиома человека . 10 : 27–32. DOI10.1016 / j.humic.2018.07.002 .
16. ^ Миллион, Матье; Тиджани Алоу, Марьям; Хелаифия, Сэйбер; Бачар, Дипанкар; Лагье, Жан-Кристоф; Диона, Ниохор; Брах, Сулейман; Хьюгон, Перрин; Ломбард, Винсент; Армугом, Фабрис; Фромонот, Жюльен (май 2016 г.). «Повышенный окислительно-восстановительный потенциал кишечника и истощение анаэробных и метаногенных прокариот при тяжелой острой недостаточности питания» . Научные отчеты . 6 (1): 26051. Bibcode2016NatSR … 626051M . DOI10.1038 / srep26051 . ISSN 2045-2322 . PMC 4869025 . PMID 27183876 .
17. ^ Гилхот, Элоди; Хелаифия, Сэйбер; Ла Скола, Бернар; Рауль, Дидье; Дубур, Грегори (март 2018 г.). «Методы культивирования анаэробов из образцов человека». Будущая микробиология . 13 (3): 369–381. DOI10,2217 / FMB-2017-0170 . ISSN 1746-0913 . PMID 29446650 .
18. ^ Ученые обнаружили первое животное, которому не нужен кислород для жизни
19. ^ Обнаружены бескислородные животные — первое, новости National Geographic

Аэрофильные микроорганизмы

Аэробами называют микроорганизмы, чье дыхание невозможно без свободного кислорода воздуха, а их культивирование проходит на поверхности питательных сред.

По степени зависимости от кислорода все аэробы делят на:

• облигатные (аэрофилы) – способны развиваться только при высокой концентрации кислорода в воздухе;
• факультативно-аэробные микроорганизмы, развивающиеся и при пониженном количестве кислорода.

Свойства и особенности аэробов

Аэробные бактерии обитают в почве, воде и воздухе и активно участвуют в круговороте веществ. Дыхание бактерий, которые являются аэробами, осуществляется путем прямого окисления метана (СН₄), водорода (Н₂), азота (N₂), сероводорода (Н₂S), железа (Fe).

К облигатным аэробным микроорганизмам, которые являются патогенными для человека, относятся туберкулезная палочка, возбудители туляремии и холерный вибрион. Всем им для жизнедеятельности необходимо высокое содержание кислорода. Факультативно-аэробные бактерии, такие как сальмонелла, способны осуществлять дыхание при весьма незначительном количестве кислорода.

Аэробные микроорганизмы, осуществляющие свое дыхание в кислородной атмосфере, способны существовать в весьма широком диапазоне при парциальном давлении от 0,1 до 20 атм.

Выращивание аэробов

Культивирование аэробов подразумевает использование подходящей питательной среды. Необходимыми условиями являются также количественный контроль кислородной атмосферы и создание оптимальных температур.

Дыхание и рост аэробов проявляется в виде образования мути в жидких средах или, в случае плотных сред, в виде образования колоний. В среднем для выращивания аэробов в условиях термостатирования потребуется о 18 до 24 часов.

Особенности анаэробов для септика

В анаэробных септиках используются микроорганизмы, которые способны производить переработку стоков без доступа кислорода. Как правило, в отсеке, где находятся анаэробы, значительно ускоряются процессы гниения сточных вод. В результате этого процесса твёрдые соединения выпадают на дно в виде осадка. При этом жидкая составляющая стоков качественно очищается от различных органических включений.

Во время жизнедеятельности этих бактерий образуется большое количество твёрдых соединений. Все они оседают на дне локального очистного сооружения, поэтому оно нуждается в регулярной очистке. Если очистку производить не своевременно, то эффективная и слаженная работа очистной установки может быть полностью нарушена и выведена из строя.

Поскольку анаэробные представители бактерий в процесс своей жизнедеятельности вырабатывают метан, очистные сооружения, которые работают с использованием этих организмов, должны укомплектовываться эффективной системой вентиляции. В противном случае неприятный запах способен испортить окружающий воздух.

Классификация

Аэробные и анаэробные бактерии можно идентифицировать, выращивая их в пробирках с тиогликолатным бульоном : 1. Облигатные аэробы нуждаются в кислороде, потому что они не могут ферментировать или дышать анаэробно. Они собираются в верхней части трубки, где концентрация кислорода самая высокая. 2: Облигатные анаэробы отравлены кислородом, поэтому они собираются на дне трубки, где концентрация кислорода самая низкая. 3. Факультативные анаэробы могут расти с кислородом или без него, потому что они могут метаболизировать энергию аэробно или анаэробно. Они собираются в основном наверху, потому что при аэробном дыхании образуется больше аденозинтрифосфата (АТФ), чем при ферментации или анаэробном дыхании. 4. Микроаэрофилы нуждаются в кислороде, потому что они не могут ферментировать или дышать анаэробно. Однако они отравлены высокой концентрацией кислорода. Они собираются в верхней части пробирки, но не в самом верху. 5: Аэротолерантные организмы не нуждаются в кислороде, поскольку они метаболизируют энергию анаэробно. Однако в отличие от облигатных анаэробов они не отравляются кислородом . Их можно найти равномерно распределенными по всей пробирке.

Для практических целей различают три категории анаэробов:

• Облигатные анаэробы , которым вредит присутствие кислорода. Двумя примерами облигатных анаэробов являются Clostridium botulinum и бактерии, обитающие возле гидротермальных источников на глубоководном дне океана.
• Аэротолерантные организмы , которые не могут использовать кислород для роста, но переносят его присутствие.
• Факультативные анаэробы , которые могут расти без кислорода, но используют кислород, если он присутствует.

Однако эта классификация была подвергнута сомнению после того, как недавние исследования показали, что человеческие «облигатные анаэробы» (такие как Finegoldia magna или метаногенные археи Methanobrevibacter smithii ) можно выращивать в аэробной атмосфере, если питательная среда дополнена антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота, глутатион и др. мочевая кислота.

Первое наблюдение [ править ]

В своем письме Королевскому обществу от 14 июня 1680 года Антони ван Левенгукописал эксперимент, который он провел, наполнив две одинаковые стеклянные пробирки примерно наполовину измельченным перцовым порошком, в который было добавлено немного чистой дождевой воды. Ван Левенгук запечатал одну из стеклянных трубок с помощью пламени, а другую оставил открытой. Несколькими днями позже он обнаружил в открытой стеклянной трубке «множество очень маленьких животныхкуул разных видов, имеющих свое собственное движение». Не ожидая увидеть никакой жизни в запечатанной стеклянной трубке, Ван Левенгук, к своему удивлению, увидел «своего рода живые животные, которые были круглыми и крупнее, чем самые большие виды, которые, как я сказал, находились в другой воде». Условия в запаянной пробирке стали достаточно анаэробными из-за потребления кислорода аэробными микроорганизмами.

В 1913 году Мартинус Бейеринк повторил эксперимент Ван Левенгука и идентифицировал Clostridium butyricum как заметную анаэробную бактерию в запечатанной жидкости из перцовой трубки для инфузии. Бейеринк прокомментировал:

Анаэробы

Для дыхания этих микроорганизмов О₂ не нужен. Это называется брожением. Нужную энергию они получают путем расщепления сложных молекул органики на простые. Процесс брожения происходит в результате распада глюкозы без наличия воздуха, к примеру, спиртовое брожение, где глюкоза преобразуется в спирт и выделяется углекислый газ. В результате такого брожения выделяется биоэнергия, температура субстрата повышается на несколько градусов. Жизнедеятельность такого вида хорошо видна при брожении и нагревании зерна, сена, силоса.

Основными особенностями анаэробов являются:

• Образование метана. Этот биопроцесс происходит в результате деятельности метановых бактерий путем разложения органических соединений.
• Образование сероводорода. Это является продуктом работы сероводородных бактерий.
• Винное брожение.

Облигатные формы погибают там, где есть свободный О₂. Анаэробные облигатные виды представлены двумя типами: спорообразующими (клостридиями) и неспорообразующими.

Спорообразующие часто являются возбудителями многих инфекционных заболеваний: ботулизма, гнойных инфекций, столбняка.

Неспорообразующие являются жителями организмов человека и животных. Часто они являются возбудителями таких инфекционных заболеваний, как пневмония, перитонит, отит, абсцесс головного мозга и легких, сепсис и другие. Их развитие происходит в основном при переохлаждении, снижении общей сопротивляемости организма, травмах.

В жизнедеятельности микробов, грибов и растений есть много схожих химических процессов, но только бактерии способны существовать в любой среде, при любых температурах, что привело к их расселению на планете в таких масштабах.