Анаэробный организм - Anaerobic organism

Spinoloricus nov. sp. , метазоа, который метаболизируется с водородом, лишен митохондрий и вместо этого использует гидрогеносомы .

Анаэробный организм или анаэробный любое организм , который не требует молекулярного кислорода для роста. Он может отрицательно отреагировать или даже умереть, если присутствует свободный кислород. Напротив, аэробный организм (аэроб) - это организм, которому требуется насыщенная кислородом среда. Анаэробы могут быть одноклеточными (например, простейшие , бактерии ) или многоклеточными. Большинство грибов являются облигатными аэробами , которым для выживания необходим кислород. Однако некоторые виды, такие как Chytridiomycota , обитающие в рубце крупного рогатого скота, являются облигатными анаэробами; для этих видов используется анаэробное дыхание, потому что кислород нарушает их метаболизм или убивает их. Глубокие воды океана - обычная бескислородная среда.

Первое наблюдение

В своем письме Королевскому обществу от 14 июня 1680 года Антони ван Левенгук описал эксперимент, который он провел, наполовину наполнив две одинаковые стеклянные пробирки измельченным перцовым порошком, в который было добавлено немного чистой дождевой воды. Ван Левенгук запечатал одну из стеклянных пробирок пламенем, 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 запечатанной 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:

Таким образом, мы приходим к замечательному выводу, что, вне всякого сомнения, Ван Левенгук в своем эксперименте с полностью закрытой пробиркой культивировал и видел настоящие анаэробные бактерии, что повторилось бы только через 200 лет, а именно около 1862 г., Пастер. То, что Левенгук за сто лет до открытия кислорода и состава воздуха не осознавал смысла своих наблюдений, понятно. Но тот факт, что в закрытой пробирке он наблюдал повышенное давление газа, вызванное ферментативными бактериями, и, кроме того, видел бактерии, в любом случае доказывает, что он не только был хорошим наблюдателем, но и смог спланировать эксперимент, из которого был сделан вывод. можно было нарисовать ».

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.

Энергетический обмен

Некоторые облигатные анаэробы используют брожение , другие - анаэробное дыхание . Аэротолерантные организмы строго ферментируют. В присутствии кислорода факультативные анаэробы используют аэробное дыхание ; без кислорода некоторые из них ферментируют; некоторые используют анаэробное дыхание.

Ферментация

Существует множество анаэробных ферментативных реакций.

Ферментативные анаэробные организмы в основном используют путь молочнокислого брожения:

C 6 H 12 O 6 + 2 АДФ + 2 фосфата → 2 молочная кислота + 2 АТФ + 2 H 2 O

Энергия, выделяемая в этой реакции (без АДФ и фосфата), составляет примерно 150 кДж на моль , что сохраняется при образовании двух АТФ из АДФ на глюкозу . Это всего лишь 5% энергии на молекулу сахара, которую генерирует типичная аэробная реакция с использованием высокой энергии O 2 .

Растения и грибы (например, дрожжи) обычно используют спиртовое (этанольное) брожение, когда кислород становится ограниченным:

C 6 H 12 O 6 ( глюкоза ) + 2 ADP + 2 фосфата → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 ↑ + 2 ATP + 2 H 2 O

Выделяемая энергия составляет около 180 кДж на моль, что сохраняется при выработке двух АТФ из АДФ на глюкозу.

Анаэробные бактерии и археи использовать эти и многие другие ферментативные пути, например, кислоты , пропионовой брожения, масляная кислота брожения, ферментации растворителя, кислоты брожения смешивают, бутандиол ферментации , Stickland ферментации , acetogenesis или Метаногенез .

Культивирование анаэробов

Поскольку нормальное культивирование микробов происходит в атмосферном воздухе, который является аэробной средой, культивирование анаэробов представляет проблему. Поэтому микробиологи используют ряд методов при культивировании анаэробных организмов, например, обращение с бактериями в перчаточном ящике, заполненном азотом, или использование других специально герметичных контейнеров, или таких методов, как инъекция бактерий в двудольные растения, которые это среда с ограниченным содержанием кислорода. Система GasPak представляет собой изолированный контейнер, в котором создается анаэробная среда за счет реакции воды с борогидридом натрия и таблетками бикарбоната натрия с образованием газообразного водорода и диоксида углерода. Затем водород реагирует с газообразным кислородом на палладиевом катализаторе с образованием большего количества воды, тем самым удаляя газообразный кислород. Проблема с методом GasPak заключается в том, что может иметь место побочная реакция, при которой бактерии могут погибнуть, поэтому следует использовать среду с тиогликолятом . Тиогликолят обеспечивает среду, имитирующую среду двудольных растений, тем самым обеспечивая не только анаэробную среду, но и все питательные вещества, необходимые для размножения бактерий.

Недавно французская группа ученых доказала связь между окислительно-восстановительным потенциалом и кишечными анаэробами на основе клинических исследований тяжелого острого недоедания. Эти открытия привели к созданию аэробной культуры «анаэробов» путем добавления антиоксидантов в культуральную среду.

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 .

использованная литература