Дыхание микробов - микробиология с техникой микробиологических исследований. Как дышат бактерии? Аэробы и анаэробы

Практически все живые организмы на Земле нуждаются в процессе дыхания. Кислород является одним из наиболее распространенных окислителей в дыхательной цепи животных, растений, протистов, многих бактерий. Однако не всем известно, насколько наш организм отличается по сложности строения от маленьких клеток микроорганизмов. Возникает вопрос: как дышат бактерии? Отличается ли их способ получения энергии от нашего?

Все ли бактерии дышат кислородом?

Не все знают, что кислород не всегда является обязательным компонентом в Он играет, прежде всего, роль акцептора электронов, поэтому данный газ хорошо окисляется и взаимодействует с протонами водорода. АТФ - это та причина, по которой все живые организмы дышат. Однако многие виды бактерий обходятся без кислорода, и все равно получают такой заветный источник энергии, как аденозинтрифосфат. Как дышат бактерии такого типа?

Процесс дыхания в нашем организме протекает на протяжении двух стадий. Первая из них - анаэробная - не требует наличия кислорода в клетке, и для нее необходимы только источники углерода и акцепторы протонов водорода. Вторая стадия - аэробная - протекает исключительно в присутствии кислорода и характеризуется большим количеством поэтапных реакций.

У бактерий, которые не усваивают кислород и не используют его для дыхания, протекает только анаэробная стадия. По ее окончанию микроорганизмы также получают АТФ, однако его количество очень сильно отличается от того, которое получаем мы после прохождения сразу двух стадий дыхания. Получается, что не все бактерии дышат кислородом.

АТФ - универсальный источник энергии

Для любого организма важно поддерживать свою жизнедеятельность. Поэтому нужно было в процессе эволюции найти источники энергии, которые при использовании смогут дать достаточно ресурсов для протекания всех необходимых реакций в клетке. Сначала появилось брожение у бактерий: так называется этап гликолиза или анаэробный этап дыхания прокариот. И только потом у более совершенных многоклеточных организмов развились приспособления, благодаря которым, с участием атмосферного кислорода КПД дыхания заметно увеличивалось. Так появился аэробный этап

Как дышат бактерии? 6 класс школьного курса биологии показывает, что для любого организма важно получение определенной доли энергии. В процессе эволюции она стала запасаться в специально синтезированных для этого молекулах, которые называются аденозинтрифосфат.

АТФ представляет собой макроэргическое вещество, основой которого является пентозное углеродное кольцо, азотистое основание (аденозин). От него отходят фосфорные остатки, между которыми и образуются высокоэнергетические связи. При разрушении одной из них высвобождается в среднем около 40 кДж, а одна молекула АТФ способна хранить в себе максимум три фосфорных остатка. Так, если АТФ распадается до АДФ (аденозиддифосфат), то клетка получает 40 кДж энергии в процессе дефосфорилирования. И, наоборот, запасание происходит путем фосфорилирования АДФ до АТФ с затратой энергии.

Гликолиз дает 2 молекулы аденозинтрифосфата, когда аэробный этап дыхания по завершению может снабдить клетку сразу 36 молекулами этого вещества. Поэтому на вопрос «Как дышат бактерии?» ответ можно дать следующий: процесс дыхания для многих прокариот заключается в образовании АТФ без наличия и затраты кислорода.

Как дышат бактерии? Типы дыхания

По отношению к кислороду все прокариоты делятся на несколько групп. Среди них:

1. Облигатные анаэробы.
2. Факультативные анаэробы.
3. Облигатные аэробы.

Первая группа состоит только из тех бактерий, которые не могут жить в условиях доступа кислорода. О2 для них токсичен и ведет к гибели клетки. Примерами таких бактерий могут служить чисто симбиотические прокариоты, которые проживают внутри другого организма в условиях отсутствия кислорода.

Как дышат бактерии третьей группы? Эти прокариоты отличаются тем, что они могут жить только в условиях хорошей аэролизации. Если недостаточно кислорода в воздухе, такие клетки быстро погибают, поскольку для дыхания им жизненно необходим О2.

Чем брожение отличается от кислородного дыхания?

Брожение у бактерий - это тот же самый процесс гликолиза, который у разных видов прокариот может давать различные продукты реакции. Например, приводит к образованию побочного продукта молочной кислоты, спиртовое брожение - этанола и углекислого газа, масляно-кислое - масляной (бутановой) кислоты и т. д.

Кислородное дыхание - это полная цепь процессов, которые начинаются с этапа гликолиза с образованием и заканчиваются выделением СО2, Н2О и энергии. Последние реакции проходят в условиях присутствия кислорода.

Как дышат бактерии? Биология (6 класс) школьного курса микробиологии

В школе нам давали лишь простейшие знания о том, как происходит процесс дыхания прокариот. Митохондрий у этих микроорганизмов нет, однако, есть мезосомы - выпячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Но эти структуры играют не самую ключевую роль в дыхании бактерий.

Поскольку брожение - это разновидность гликолиза, то оно протекает в цитоплазме прокариот. Там же находятся многочисленные ферменты, необходимые для проведения всей цепочки реакций. У всех бактерий без исключения сначала образуются две молекулы пировиноградной кислоты, как у человека. И только потом они превращаются в другие побочные продукты, которые зависят от типа брожения.

Заключение

Мир прокариот, несмотря на видимую простоту клеточной организации, полон сложных и порой необъяснимых моментов. Теперь есть ответ, как дышат бактерии на самом деле, ведь не всем из них необходим кислород. Напротив, большинство приспособилось использовать другой, менее практичный способ получения энергии - брожение.

Страница 16 из 91

Жизнь микробов, как и всех живых существ, связана с беспрерывным расходованием энергии, и, следовательно, для поддержания физиологического равновесия необходимо постоянное возобновление ее запасов. Последнее осуществляется микроорганизмами при помощи процесса дыхания.
В отличие от животных и высших растений процесс дыхания у микробов, несмотря на их микроскопическую величину, отличается своей сложностью и многообразием, в основе которого лежит действие различных ферментов. По типу дыхания микроорганизмы делятся на три группы:

1. облигатные аэробы, развивающиеся только при свободном доступе кислорода. Процесс дыхания у них осуществляется при участии молекулярного кислорода воздуха (например, холерный вибрион).
2. облигатные анаэробы, способные жить только в отсутствие кислорода воздуха (например, столбнячная палочка).
3. факультативные анаэробы, к которым относится огромное большинство патогенных микроорганизмов; они могут существовать как в отсутствие кислорода воздуха, так и при незначительном доступе его.

Работами Пастера впервые было установлено, что ряд микроорганизмов может развиваться в бескислородной среде, получая необходимую энергию при расщеплении сложных органических веществ питательного субстрата. Процессы глубокого расщепления безазотистых органических соединений, в основе которого лежит обычно анаэробное дыхание, называется брожением. Процесс аэробного и анаэробного дыхания осуществляется биологическими катализаторами (ферментами), которые способны при дыхании активировать течение окислительных реакций. При аэробном и анаэробном дыхании в первой фазе процесса отмечается активация водорода ферментами из группы дегидрогеназ, которые отнимают водород от субстрата (питательной среды) и переносят его от одной органической молекулы к другой- от одного акцептора к другому (от лат. acceptor- воспринимающий). А так как в структуре атома водорода на орбите имеется один электрон, то процесс отнятия водорода от субстрата является окислительным. В последней фазе при аэробном дыхании аэробные дегидрогеназы передают отнятый от субстрата водород непосредственно кислороду воздуха, который является конечным акцептором. При этом может образоваться перекись водорода, которая играет роль окислителя органических соединений. Фермент каталаза, имеющийся у всех аэробных организмов, разлагает перекись водорода на воду и кислород, а фермент пероксидаза активирует кислород перекиси.
Анаэробные дегидразы не могут отдавать водород кислороду воздуха, а передают его другим акцепторам (ферментам, другим веществам, появляющимся в процессе брожения).
Как при аэробном, так и при анаэробном дыхании наблюдается, окисление одних веществ и восстановление других.
Сущность окисления состоит в потере электронов окисляющимся веществом, а при восстановлении происходит присоединение электронов восстанавливающимся веществом.
Таким образом, акты дыхания у микроорганизмов представляют собой ряд последовательных окислительно-восстановительных процессов, которые приводят к освобождению необходимой для их жизнедеятельности энергии.
Наиболее доступными продуктами для окисления аэробными микробами являются сахара, спирты и органические кислоты. Сложные азотистые соединения используются для дыхания в последнюю очередь. Анаэробные микробы в качестве окисляемого субстрата используют органические соединения и минеральные вещества.

Анаэробное дыхание является менее экономичным, чем аэробное, что видно из следующего примера. В процессе аэробного расщепления одной молекулы виноградного сахара освобождается 674 калории тепла. (СбН120б+602=6С02+6Н20+674 калории), а при анаэробном разложении той же молекулы - лишь 27 калорий (C6Hi206=2C2H50H+2C02+27 калорий).
Примечание. Тип дыхания микроорганизмов находит свое отражение в характере их роста на искусственных питательных средах. Так, например, туберкулезная палочка, являясь облигатным аэробом, в пробирке или колбе с питательным бульоном растет только поверхностно, в виде пленки, оставляя среду прозрачной, анаэробные бациллы - только придонио, а бактерии кишечно-тифозной группы (факультативные анаэробы) растут одинаково во всех слоях бульона, давая диффузный рост.
Методы культивирования анаэробов. Для культивирования анаэробов, помимо соответствующих питательных сред, необходимо создать бескислородные условия среды. Методов культивирования анаэробных микробов существует много. По принципам, положенным в основу этих методов, их можно разделить на химические, физические и биологические.
Химические методы. Есть два метода выращивания анаэробов. Первый метод заключается в том, что засеянные анаэробами пробирки или чашки помещают в замкнутое пространство (например, эксикатор) и ставят какой-нибудь поглотитель кислорода - гипосульфит натрия и щелочной раствор пирогаллола. На 1 г пирогаллола берут 10 мл 10% раствора NaOH; это количество вещества способно связать кислород в объеме около 200 мл воздуха.
Самые простые способы осуществления анаэробиоза с помощью этой смеси следующие:

1. Ватную пробку пробирки с посевом данной культуры подрезают, опускают несколько вглубь и смачивают раствором (0,5- 1 мл). Доступ воздуха прекращается путем закупоривания резиновой пробкой или резиновым колпачком.

1. Удаление воздуха из питательных сред перед засевом кипячением в водяной бане в течение 15 минут и последующим быстрым охлаждением до 45-50°. Для того чтобы не дать возможности воздуху вновь проникнуть в среду, пробирки запаивают, либо поверхность среды заливают стерильным парафиновым маслом.
2. Получение изолированных колоний в глубоких слоях среды по способу Виньяля. Техника посева по методу Виньяля следующая: в 3-4 пробирки с расплавленной агаровой средой делают посев испытуемого материала с постепенным его разведением. Не застывший еще после засева агар из каждой пробирки набирают в пастеровские пипетки, которые затем запаивают только с оттянутого конца (при запайке во избежание разбрызгивания материала нельзя держать противоположный конец зажатым). Трубки быстро охлаждают и переносят в термостат. Через 2-3 дня при удачном разведении исходного материала можно наблюдать отдельные колонии.

Для выделения колонии у намеченного на трубке места делают надрез напильником, после чего трубка легко надламывается. На этом месте содержимое выливают в стерильную чашку Гейденрейха - Петри, колонию берут петлей или втягивают в тонкую оттянутую пипетку и переносят в бульон или уколом в столбик сахарного агара.

1. Удаление воздуха (а следовательно, и кислорода) из среды механическим путем. Для этого пользуются особыми приборами - анаэростатами (рис. 41). Анаэростат в простейшей форме представляет собой прямоугольную или цилиндрическую металлическую коробку, закрывающуюся крышкой на резиновой прокладке. Цилиндр снабжен металлическим краном, присоединяющимся к насосу. Пробирки и чашки с посевами помещают внутрь, воздух выкачивают насосом. Для культивирования строгих анаэробов достаточно снизить давление до 1 мм.

Биологические методы. Из биологических методов чаще всего применяется заражение животных и метод Фортнера.
При заражении животных используемый материал вводят животному в смеси со специфической сывороткой. Этот метод может быть использован в двух направлениях:

1. Для выделения микробов из смеси. Если микроб соответствует сыворотке, он погибает. Другие же микробы, не соответствующие данной сыворотке, выделяются из животного.
2. Для определения токсинов. При наличии в исследуемом материале токсина животное, получившее его в смеси с антитоксической сывороткой, выживает. Контрольное животное погибает. Такая постановка диагноза широко применяется при биологической пробе на токсин.

Метод Фортнера. Этот метод приближает лабораторную технику к природным условиям развития анаэробных микроорганизмов. Фортнер применил метод симбиоза аэробных микробов, способных энергично поглощать кислород воздуха (Bact. prodigiosum), с анаэробами, засеянных на кровяной агар в чашке Гейденрейха - Петри. Чашка разделена на две части вырезанной полоской агара, чтобы при сплошном росте избежать смешивания культур. На одну половину чашки засевают исследуемый на анаэробы материал, на другую - заведомо известный облигатный аэроб (Bact. prodigiosum Сас. subtilis и др.).
Для изоляции внутреннего пространства чашки от внешней атмосферы края ее заливают воском или заклеивают пластилином. Методом Фортнера можно получить хороший поверхностный рост анаэробов.
Питательные среды для выращивания анаэробов. Бульон Китта - Тароцци. В пробирку с мясо-пептонным бульоном, прибавляют кусочки сваренной и промытой кипятком на сите печени (3-5 г на пробирку) или мясной фарш, заливают вазелиновым маслом и стерилизуют при 115° в течение 30 минут.
Кровяной агар с глюкозой (Цейсслера). Слабощелочной агар, содержащий 2-3% агар-агара и 2% глюкозы, разливают в большие пробирки (25 см длины и 2,5 см в поперечнике), приблизительно по 60 мл в каждую, стерилизуют 30 минут при 110° и в таком виде сохраняют. Перед употреблением агар растапливают в водяной бане, охлаждают до 45°, в каждую пробирку добавляют 12-15 мл стерильной дефибринированной крови, перемешивают и разливают в 3-4 чашки Гейденрейха-Петри. Готовые чашки выдерживают перед посевом 2 суток при комнатной температуре.
Агар для трубок Вейона. К мартеновскому бульону добавляют 2% агара и 0,5% глюкозы. Устанавливают pH 7,4, разливают в узкие пробирки (диаметр 0,3-0,5 см, длина 20 см). Столбик агара должен быть не выше 2/3 длины пробирки и стерилизуют дробно 3 дня по 40 минут в текучепаровом аппарате.

Дыхание относится к реакциям катаболизма. В результате дыхания происходит расщепление сложных молекул до простых с выделением энергии, которая запасается в молекулах АТФ (КПД около 40%).

АДФ + Ф + Е = АТФ

Процесс дыхания – это реакция окисления углеводов, которая может происходить в бескислородных условиях – анаэробный тип дыхания или гликолиз, и в присутствии кислорода – аэробный тип дыхания или окислительное фосфорилирование.

По типу дыхания бактерии делятся на аэробные и анаэробные. Существуеют бактерии облигатные ааэробы – растут только в присутствии кислорода (например микобактерии туберкулеза). Облигатные анаэробы растут только в бескислородных условиях (например возбудитель ботулизма). Факультативные анаэробы могут расти как в кислородной, так и бескислородной среде (кишечная палочка). Микроаэрофилы – им требуется для своего роста низкая концентрация кислорода (гемофильная палочка).

Брожение не является в полном смысле дыханием – это субстратное фосфорилирование углеводов или гликолиз с образованием пирувата и последующим превращением его в конечные продукты брожения – органические кислоты и спирты.

В результате гликолиза из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.

Аэробный тип дыхания или окислительное фосфорилирование

Схема Глюкоза- окислительное фисфирилирование- 38АТФ + 6СО2 + 6Н2О

Анаэробный тип дыхания . Схема та же, что при аэробном, но акцептором электронов служат нитриты, либо нитраты, либо фосфаты.

Факультативные анаэробы при отсутствии кислорода получают АТФ с помощью брожения.

Молекулы образовавшегося АТФ участвуют в синтезе органических соединений, отдавая свою энергию и првращаясь в АДФ

А + В + АТФсинтез АВ + АДФ + Ф

Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие молекулярного кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов).

Облигатные анаэробы - бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является вредным, задерживающим рост фактором (клостридии столбняка, анаэробной инфекции, ботулизма и др.).

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Медицинская микробиология, ее предмет, методы, связь с другими науками

Микроскопия люминесцентная свечение под воздействием энергии света эл лучей ионизир излуч собственная без окраски наведенная окр.. микроскопич метод метод изучения моРФ и тинкториальных св в бактерий на.. химический состав бактериальной клетки вода..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Медицинская микробиология, ее предмет, методы, связь с другими науками
Микробиология –наука о микроорганизмах, т.е. о живых существах, размеры которых меньше 0,1 мм. Микроорганизмы весьма разнообразны. К ним относятся некоторые многоклеточные организмы, простейшие, не

Основные этапы развития микробиологии
I. Эвристический – Гиппократ – причина болезней невидимые вещества – миазмы II. Морфологический – Левенгук – обнаружил в микроскоп живые организмы. Ивановский – открыл вирусы. III

Микроорганизмы и их положение в системе живого мира
Классификация микроорганизмов. Представлены доклеточными (царство Vira – вирусы) и клеточными формами (бактерии, грибы, простейшие). Среди клеточных форм жизни различают 3 домена: Bacteria

Структура бактериальной клетки
Главными отличиями прокариотической (бактериальной) клетки от эукариотической является: отсутствие оформленного ядра (т.е. ядерной мембраны), отсутствие внутриклеточных мембран,ядрышек, комплекса Г

Химический состав бактериальной клетки
Химический состав бактерий Вода – 70%, Сухое вещество – 30%. Белки – 52, полисахариды – 16. Липиды – 9,4, РНК – 16, ДНК – 3.2, неорганические соединения – 0,4. Потребность бактери

Спорообразование
При неблагоприятных условиях некоторые бактерии способны образовывать эндоспоры - покоящиеся клетки. Одна клетка образует одну эндоспору, т.е. спорообразование не является формой размножения, а слу

Действие физических факторов на микроорганизмы
Стерилизация - полное освобождение какого-либо вещества или предмета от вегетативных форм и спор микро­организмов путем воздействия на них физических и химичес­ких факторов. В хирургии стерилизуют

Действие химических факторов на микроорганизмы. Дезинфекция
Дезинфекция (обеззараживание) - (франц. "des" означающее удаление, уничтожение чего-либо; лат "inficere" -заражать, портить, отравлять) - удаление и уничтожение ве­гетативных фо

Питание бактерий
По типу питания бактерии подразделяются на аутотрофов и гетеротрофов. Аутотрофы способны усваивать углерод из СО2. Гетеротрофы усваивают углерод только из органических соединений.

Питательные среды
В лабораторных условиях бактерии выращивают на пита­тельных средах. Большое значение для роста и размножения бактерий имеют температурные условия. Все микроорганизмы по отношению к температурному р

Ферменты бактерий, их биологическая роль
Ферменты - биологические катализаторы высокомолекулярной структуры, вырабатываемые живой клеткой. Они имеют белковую природу, строго специфичны и играют важнейшую роль в обмене веществ микроорганиз

Рост и размножение микроорганизмов
Под размножением бактерий подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Рост означает увеличение массы бактерий в результате синтеза клеточного

Актиномицеты, их морфология
Актиномицеты (аей§ - луч, туЬм - гриб) - лучистые грибы, представляют собой многочисленную группу микроорганизмов, вклю­ченных в порядок АсйпотусеШез, Большинство актиномицетов - свободнож

Риккетсии, их морфология и биологические свойства
Риккетсии представляют собой полиморфные микроорганизмы, живут и размножаются только в клетках (цитоплазме и ядре) тканей животных, человека и переносчиков. Кокковидные формы имеют вид очень мелких

Морфология и ультраструктура микоплазм
Микоплазмы принадлежат к классу Mollicutes, порядку Mycoplasmatales, семейству Мусор1аsmaсеае. Это мелкие бакте­рии размером 100-150 нм, иногда 200-700 нм, не образующие спор, неподвижные, грамотри

Хламидии, морфология и другие биологические свойства
К роду Chlamydia, семейству Chlamydiaceae, порядку Chlamydiales принадлежат возбудители трахомы, конъюнктивитов (бленнореи с включениями), пахового лимфогранулематоза (бо­лезнь Никола - Фавра), орн

Грибы, их морфология и биологические свойства
Систематика и классификация грибов. Грибы отнесены к растительным гетеротрофным организмам-эукариотам, ли­шенным хлорофилла. Тип грибов (Fungi s. Mycetes) насчитыва­ет свыше 100 000 видов, объедине

Дрожжеподобные грибы рода кандида
Возбудители кандидоза. К ним относят дрожжеподобные грибы из рода Candida. Они представляют собой одноклеточные организмы (рис. 134), размножающиеся почкованием; конидий и аскоспор не образуют, ист

Дейтеромицеты
Дейтеромицеты - несовершенные грибы (Fungi imperfecti), очень большая группа (25 000 видов) грибов, обладающих многоклеточным мицелием, но не имеющих ни сумчатого, ни базидиального спороношения, а

Взаимодействие вируса с клеткой
Репродукция вирусов. Цикл репродукции вирусов состоит из ряда последовательных событий: Специфическая адсорбция вируса на поверхности клетки Проникновение внутрь клетки

Культуры клеток, их виды
Для культивирования вирусов используют культуры клеток, куриные эмбрионы и лабораторных животных. Наиболее широкое применение нашли однослойные культуры трипсинизированных клеток, а также перевивае

Изменчивость микроорганизмов
Исследователи, стоявшие у истоков бактериологии, столкнулись с разнообразием видов бактерий и кажущейся возможностью метаморфоз, взаимопревращений одних бактерий в другие создали учение о плеоморфи

Мутации
Изменения последовательности азотистых оснований в ДНК. Виды: Выпадение (делеция) или вставка (инсерция) одного или нескольких оснований со сдвигом рамки считывания. Заме

Генетические рекомбинации
Рекомбинации - Наследственная изменчивость, обусловленная обменом участками ДНК между микроорганизмами, один из которых является донором, а другой – реципиентом. Виды рекомбинаций: Трансформация, к

Распространение микробов в природе
Объект Характер загрязнения Санитарно-показательные бактерии Вода Фекаль

Нормальная микрофлора тела человека
Макроорганизм и среда представляют единую экологическую систему, в которой важная физиологическая роль принадлежит микроорганизмам. Макроорганизм и его микрофлора (аутофлора) в нормальных условиях

Дыхание - это физиологический процесс, необходимый всем живым организмам для получения энергии. Большинство микроор­ганизмов получают энергию в результате сложного процесса фер­ментативных окислительно-восстановительных реакций, в основе которых лежит отделение и присоединение водорода. Принято счи­тать, что перенос водорода равноценен переносу электрона. Веще­ство, которое отдает электроны, окисляется и является донором. Вещество, которое принимает электроны, восстанавливается и на­зывается акцептором. В качестве доноров электронов могут быть органические и неорганические соединения, а конечными акцепто­рами - только неорганические соединения. В зависимости от ко­нечного акцептора водорода различают аэробное дыхание, анаэ­робное дыхание и брожение . Если конечным акцептором водоро­да является молекулярный кислород, то дыхание называют аэроб­ным, При анаэробном дыхании акцептором являются неорганичес­кие соединения типа нитратов или сульфатов. Если донором и ак­цептором водорода является органический субстрат, то такой энер­гетический процесс называется брожением. При брожении водо­род передается на органическое соединение, образующееся в ходе самого брожения.

В процессе брожения высвобождается меньше энергии, чем в аэробных условиях. В аэробных условиях окисление происходит наиболее полно, с выделением максимального количества энергии. При этом конечными продуктами окисления являются диоксид угле­рода и вода. В анаэробных условиях брожение сопровождается лишь частичным высвобождением энергии, связанной в органических веще­ствах. Поэтому для получения того же количества энергии бактериям в анаэробных условиях приходится расходовать больше органи­ческого субстрата. Это сопровождается накоплением в субстрате не полностью окислившихся веществ, содержащих запасы химичес­кой энергии - спирта, молочной кислоты, лимонной кислоты, масля­ной кислоты и др. В зависимости от продукта, который накапливает­ся в результате такого типа брожения, процессы получили название спиртового, молочного, маслянокислого брожения и т.п.

По отношению микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято подразделять на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.

Облигатные аэробы (от лат. obligatus - обязательный, стро­гий) развиваются при наличии в атмосфере 20 % кислорода, растут на поверхности плотных и жидких питательных сред, содержат ферменты оксидазы, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха. Реакция протекает по схеме рис. 27. Создаваемая разность потенциалов между водородом и кислородом является источником энергии для всех аэробов.

Передача электронов на кислород происходит не прямым путем, а в результате сложного многоступенчатого процесса - дыха­тельной цепи. В эту цепь входит сложный комплекс ферментов и ко ферментов, в том числе цитохромов, которые представляют собою белковые молекулы, соединенные с химической группиров­кой - гемом. Гем содержит атом железа, обладающий способнос­тью попеременно окисляться и восстанавливаться.

Во время прохождения электронов по цепи энергия освобож­дается отдельными небольшими порциями. Часть освобождающей­ся энергии аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфата (АТФ) - происходит окислительное фосфорилирование. Определенное количество энергии выделяется во внешнюю среду. Молодая бактериальная культура вырабатывает больше энергии, чем ей необходимо для жизненных процессов, поэтому иногда на­блюдается саморазогревание субстрата (зерно, навоз, торф и др.), а в отдельных случаях даже самовозгорание.

Рис. 27. Основные схемы цепи переноса электронов

у аэробных микроорганизмов.

Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем коли­честве кислорода. Высокая концентрация кислорода задерживает рост этих микроорганизмов (актиномицеты, лептоспиры, бруцеллы и др.).

Факультативные анаэробы могут размножаться как в при­сутствии, так и в отсутствии кислорода. В первом случае они ис­пользуют в процессах биологического окисления атмосферный кис­лород в качестве конечного акцептора водорода. При недостатке кислорода в качестве акцептора они используют нитраты, сульфа­ты и другие вещества. К этой группе относится большинство мик­роорганизмов. Типичными представителями факультативных анаэ­робов являются кишечная палочка, сальмонеллы и др.

Облигатные анаэробы размножаются в условиях полного отсутствии кислорода в среде обитания. В середине XIX века Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь воз­можна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных ус­ловиях, т.е. без кислорода, метаболизм основан на брожении. Пастер так и говорил, что брожение - «это жизнь без кислорода)».

В анаэробных условиях микроорганизмы получают энергию при окислении органических субстратов не кислородом воздуха, а связанным кислородом неорганических соединений (нитратов, суль­фатов), которые при этом восстанавливаются. Это объясняется свойством дыхательных анаэробных ферментов - анаэробных или первичных дегидрогеназ, которые могут передавать водород толь­ко на органический субстрат или другим дегидрогеназам. В аэроб­ных условиях аэробные, или вторичные, дегидрогеназы передают водород кислороду воздуха с образованием пероксида водорода. который затем быстро разрушается каталазой. Анаэробы не обла­дают способностью продуцировать фермент каталазу, разрушающему высокотоксичный для бактерий пероксид водорода. Поэто­му для многих видов анаэробов кислород токсичен даже в ничтож­ных концентрациях.

Кроме того, при наличии кислорода в среде происходит инак­тивация жизненно важных ферментов анаэробов, в результате чего они теряют способность к нормальному питанию. При добавлении в среду редуцирующих веществ, например, глюкозы, жизнедеятель­ность микроорганизмов восстанавливается.

Коблигатным анаэробам относятся: палочка масляиокислого брожения (Clostridium butirycum), палочка ботулизма (Clostridium botulinum), палочка столбняка (Clostridium tetani) и др.

Дыхание микроорганизмов – сопряженный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит перенос электронов и протонов от окисляемого вещества до восстанавливаемого, в результате образуется АТФ – универсальный аккумулятор химической энергии.

Все физиологические процессы – питание, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов – осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа и воды, а отнятый от них пиридиновыми и флавиновыми ферментами электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах. У микроорганизмов, кроме цикла трикарбоновых кислот, может проходить цикл дикарбоновых кислот, пентозофосфатный шунт.

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на:

1) облигатные (строгие) аэробы ,

2) облигатные анаэробы ,

3) факультативные (необязательные) анаэробы ,

4) микроаэрофилы.

Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis ) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии.

Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением . По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н 2 О 2 ; понижен окислительно-восстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы.

Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии , которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.

Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О 2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы , которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО 2 .

Выделяют также капнофильные микроорганизмы . Они представляют собой бактерии, растущие в присутствии повышенных концентраций углекислого газа (3-5%). К ним относятся бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.

Методы культивирования строгих анаэробов :

1) Посев уколом в высокий столбик сахарного агара, который сверху заливается слоем вазелинового масла.

2) Посев на среду Китта-Тароцци (МПБ, глюкоза, кусочки печени или мяса в качестве редуцирующих веществ, сверху среда залита слоем вазелинового масла).

3) Удаление воздуха из среды механическим путем. Используют анаэростаты, из которых выкачивается воздух.

4) Замена воздуха другим индифферентным газом, например азотом, аргоном, водородом.

5) Механическая защита от кислорода воздуха (метод Виньяль-Вейона). Берут стеклянную трубку, один конец которой вытягивают в капилляр, расплавляют агар, в него засевают культуру и затем насасывают агар в стерилизованную трубку, затем капилляр запаивают и трубку помещают в термостат. В среде вырастают колонии, которые можно извлечь, распилив трубку.

6) Химическое поглощение кислорода воздуха, например щелочным раствором пирогаллола.

7) Биологический метод – комбинированный посев культур анаэробов и аэробов. Посев производят на чашку с толстым слоем кровяного агара с глюкозой, разделенную пополам небольшой дорожкой, вырезанной посередине чашки прокаленным скальпелем. На одной половине чашки делают посев культуры аэробов, а на другой – анаэробов. Края чашки смазывают парафином для герметизации и помещают в термостат. Сначала происходит рост аэробов, когда они исчерпывают из чашки кислород, начинается рост анаэробов.