Влияние кислорода на жизнедеятельность микробов. Классификация микроорганизмов по отношению к кислороду. Использование в практической деятельности этих знаний.
Условия внешней среды имеют большое значение для жизни микроорганизмов. Температура и влажность, наличие кислорода, освещенность и другие факторы среды влияют на рост микроорганизмов и распространение их в природе.
Большинству живых существ необходим кислород. Микроорганизмы, нуждающиеся для жизни в кислороде, получили название облигатных ( строгих) аэробов. К ним относится большая часть бактерий и грибов.
Некоторые микроорганизмы совсем не используют кислород. Это анаэробы. Они бывают двух типов: облигатные анаэробы, для них кислород токсичен, и аэротолерантные анаэробы, которые не погибают при контакте с кислородом. Токсичность кислорода для облигатных анаэробов определяется тем, что эти организмы не имеют окислительных ферментов – супероксиддисмутазы и каталазы, обычно содержащихся в клетках аэробов и аэротолерантных анаэробов и защищающих организм от токсичных продуктов кислородного обмена (Н2О2 и др.). К облигатным анаэробным микроорганизмам относятся например: бактерии рода Clostridium, ряд представителей которого может фиксировать азот атмосферы, вызывать некоторые болезни (газовую гангрену и т.д., а также анаэробные актиномиценты.
Существует факультативные анаэробы – микроорганизмы, имеющие анаэробный тип метаболизма, но в то же время нечувствительные к кислороду. К ним относятся некоторые кишечные бактерии, представители рода Serratia и др. факультативно анаэробные микроорганизмы в зависимости от условий среды могут иметь или окислительный, или бродильный тип обмена. Так, многие дрожжи способны при доступе воздуха окислять сахар до СО2 и Н2О, а в анаэробных условиях они вызывают спиртовое брожение. Сахар при этом превращается в этиловый спирт и углекислоту.
К факультативно – анаэробным бактериям относятся представители родов Bacillus, Vibrio, Escherichia, патогенные бактерии из родов Salmonella, Shigella, Staphylococcus и др.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему
Влияние кислорода на жизнедеятельность микробов. Классификация микроорганизмов по отношению к кислороду. Использование в практической деятельности этих знаний.
Влияние кислорода на жизнедеятельность микробов. Классификация микроорганизмов по отношению к кислороду. Использование в практической деятельности этих знаний.
Влияние кислорода на жизнедеятельность микробов. Классификация микроорганизмов по отношению к кислороду. Использование в практической деятельности этих знаний.
Кислород – важный химический элемент, необходимый для поддержания жизни большинства организмов на планете. Однако, чистый кислород это токсичный газ. Почему кислород ускоряет старение и как организм с этим борется?
Для чего нам нужен кислород?
Человек, также как подавляющее большинство животных, растений и микроорганизмов, относится к аэробным организмам. Аэробы нуждаются в молекулах кислорода для синтеза энергии.
Все дело в том, что газ O₂ является мощным окислителем. Наверняка вы замечали, что если надкусить яблоко и оставить его на некоторое время на столе, то оно потемнеет. Полифенол, содержащийся во фрукте, вступит в химическую реакцию с атмосферным кислородом и окислится. Подобным образом, газ провоцирует появление ржавчины на металле. За определенное время, кислород способен «разъесть» практически любой материал.
В нашем случае, атмосферный кислород разлагается в легких до молекул и насыщает собой кровь. Благодаря кровообращению, организм доставляет эти молекулы к каждой клетке нашего тела. В клетках расположены митохондрии – «энергетические станции» организма. С помощью кислорода они окисляют питательные вещества и высвобождают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Это процесс метаболизма. Условно, кислород позволяет митохондриям сжигать питательные вещества, как дрова в каминной топке.
Существуют и анаэробные организмы, способные получать энергию без окисления кислородом. Однако благодаря O₂ из одной и той же молекулы высвобождается в несколько раз больше энергии, чем без него. Именно поэтому аэробная жизнь доминирует на планете.
В атмосфере содержится почти 21% чистого кислорода. Безопасное для человека содержание составляет до 60%. При длительном вдыхании от 60 до 90% чистого O₂ клетки начинают гибнуть, провоцируя патологические процессы в организме, прежде всего, в легких. В конечном итоге, переизбыток газа приводит к смерти.
Однако даже нормальное содержание газа негативно сказывается на здоровье человека. Почему так происходит?
В процессе метаболизма в митохондриях 98% кислорода восстанавливается до воды. Однако 2% молекул газа превращаются в активные формы кислорода (АФК) – пероксиды и свободные радикалы с исключительной реактивностью. Они повреждают ДНК митохондрии, истощают энергетический запас клетки и провоцируют её преждевременную гибель. По-научному это называют окислительным стрессом. На окислительном стрессе основана теория старения английского ученого Денхама Хармана.
Разумеется, действия АФК организм старается держать под контролем. В частности, свободные радикалы используются для апоптоза – регулируемый процесс гибели инфицированных и поврежденных клеток. Каждый день в нашем теле умирает до 300 миллиардов клеток, а вместо них «рождаются» новые.
Окислительной стресс также является причинами синдрома хронической усталости, повышенного давления, атеросклероза (болезнь артерий), болезни Альцгеймера (деменция) и многих других заболеваний.
Как продлить свою молодость?
Одной из причин, что среди горцев Кавказа, Тибета, Памира и т.д. много долгожителей – малое количество потребляемого кислорода. Организм горцев привык компенсировать недостаток повышением уровня гемоглобина, а клетки приспосабливаются использовать O₂ экономичнее. В результате, отравление молекулой у них ниже.
Как можно дольше сохранять интенсивный обмен веществ – один из способов противостоять кислородному отравлению. Для этого исследователи рекомендуют вести активный образ жизни.
Российские ученые предлагают более действенный метод – разработать искусственные антиоксиданты и помочь клеткам бороться со свободными радикалами. Данные антиоксиданты получили название «ионы Скулачева». На их производство государство потратило 710 миллионов рублей.
«Эликсир молодости» уже испытали на животных. Согласно исследователям, искусственные антиоксиданты увеличили максимальный возраст подопытных и снизили риск развития определенных заболеваний. Возможно, вскоре человечество научится справляться с токсичностью кислорода, а продолжительность жизни увеличится.
При выполнении гематологических исследований используются два типа организмов аэробные и анаэробные. Они отличаются потребностью в наличии кислорода в окружающей среде. Аэробные микроорганизмы могут функционировать только при наличии кислорода, в то время, как анаэробные в нем совсем не нуждаются.
Классификация этих видов проводится на основе реакции на наличие или отсутствие кислорода. Из-за этого аэробные и анаэробные микроорганизмы по-разному выполняют свои функции в процессе клеточного дыхания.
Особенности аэробных микроорганизмов
Аэробные микроорганизмы не могут существовать без кислорода. Он необходим им для роста, развития и участвует в процессах размножения. Благодаря кислороду они способны окислять моносахариды, например, глюкозу.
Генерация энергии в этих микроорганизмах происходит при гликолизе. После него следует цикл Кребса и цепь переноса электронов. Среды, насыщенные кислородом – отличная питательная среда для таких микроорганизмов. Примеры аэробов – бациллы и нокардии.
Типы аэробов
Аэробные микроорганизмы классифицируют по уровню необходимого для жизнедеятельности кислорода:
Бактерии, нуждающиеся в кислороде для выживания, легко выделяются при культивировании в жидкой среде. Так для полноценной жизнедеятельности им необходим кислород, то чтобы выжить они всплывают на поверхность.
Особенности анаэробов
В процессе энергетического обмена эти микроорганизмы не используют кислород. Для этого им необходимы марганец, сера, кобальт, азот, метал или железо. В процессе образования энергии анаэробные микроорганизмы подвергаются ферментации. Для выживания они используют энергию, производимую при анаэробных процессах брожения:
Классификация анаэробных микроорганизмов также определяется по уровню токсичности кислорода:
Анаэробы не способны выживать в среде, богатой кислородом. Для облигатных разновидностей он токсичен, а вот факультативным видам он не вредит.
Сходства между аэробами и анаэробами
Различия аэробов и анаэробов
Отличительные особенности микроорганизмов представлены в таблице.
Кроме состава питательной среды, рост бактерий сильно зависит от условий окружающей среды, поэтому эти условия нужно строго контролировать. Микроорганизмы лучше растут при определенных температурах и рН, и они чувствительны к ряду факторов, таких как концентрация кислорода и интенсивность света. Оптимальными являются условия, при которых обеспечивается самое короткое время генерации. Каждый вид микроорганизмов приспосабливается к определенным условиям окружающей среды.
Температура и рост бактерий
Требования к температуре у разных микроорганизмов существенно различаются, поэтому от температуры во многом зависит, какие микроорганизмы вырастут в определенных условиях. Влияние температуры легко объяснить, если рассмотреть действие температуры на ферменты. Все клетки содержат ферменты, и скорость работы ферментов, а следовательно, и скорость реакций и роста клетки, зависит от температуры. Для каждого данного микроорганизма есть оптимальная температура, при которой он лучше всего растет, а также диапазон температур, вне которого он расти не может. Верхним пределом обычно является температура, при которой начинается денатурация некоторых жизненно важных белков. Границы оптимальных температур сильно варьируют: от 0—5 °С для некоторых бактерий, обитающих в полярных областях океанов, до 70 °С и выше — для бактерий, живущих в горячих источниках или гниющих растительных остатках, таких как компост и силос, где температуры могут быть достаточно высокими. Некоторые глубоководные бактерии, живущие в вулканических кратерах, на дне океана или вблизи них, выживают при 118 °С.
В зависимости от температуры, при которой растут микроорганизмы, их можно разделить на четыре группы. Приведенные ниже значения температур являются ориентировочными, поскольку в действительности существует непрерывный ряд различных типов.
Рн и рост бактерий
Концентрация кислорода и рост бактерий
Ионный, осмотический баланс и рост бактерий
Когда клетка находится в растворе, более концентрированном, чем ее внутреннее содержимое, она обычно теряет воду путем осмоса. Тем не менее существуют галофилы — организмы, которые приспособились к жизни при высоких концентрациях соли, например в Большом Соленом озере в Америке, Мертвом море в Израиле и соляных топях. Примером галофила является Halobacterium. И наоборот, если простейшие не имеют сократительной вакуоли, которая собирает избыток воды и удаляет его, они разбухают и лопаются в разведенной среде, поскольку не имеют клеточной стенки. При этом важное значение имеет также правильный баланс ионов.
Атмосферный воздух содержит-78% азота, 20% кислорода и 0,03—0,09% углекислого газа. Углекислота и азот воздуха могут быть использованы только аутотрофами. Кислород же играет важную роль в метаболизме (обмене веществ), дыхании и получении энергии большинства видов бактерий.
Дыхание (или биологическое окисление) — это сложный процесс, который сопровождается выделением энергии, необходимой микроорганизмам для синтеза различных органических соединений. Бактерии, как и высшие животные, для дыхания используют кислород. Однако Л. Пастером было доказано существование таких бактерий, для которых наличие свободного кислорода является губительным, энергия, необходимая для жизнедеятельности, получается ими в процессе брожения.
Все бактерии по типу дыхания подразделяются на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.
Облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии в атмосфере 20% кислорода (микобактерии туберкулеза), содержат ферменты, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха.
Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, и его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост (актиноисцеты, бруцеллы, лептоспиры).
Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов — возбудители брюшного тифа, паратифов, кишечная палочка).
Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является губительным (клостри-дии столбняка, ботулизма).
Аэробные бактерии в процессе дыхания окисляют различные органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические кислоты и пр.).
Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Процессы разложения органических веществ в безкислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют брожением. В зависимости от участия определенных механизмов различают следующие виды брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами, молочно-кислое, вызываемое мол очно-кислыми бактериями, масляно-кислое и пр.
С выделением большого количества тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.
РН среды.
К кислой среде вегетативные клетки бактерий менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Подавление роста гнилостных микроорганизмов при подкислении среды имеет практическое применение. Добавление уксусной кислоты используется при мариновании продуктов, что препятствует процессам гниения и позволяет сохранить продукты. Образующаяся при квашении молочная кислота также подавляет рост гнилостных бактерий.
В зависимости от отношения к рН среды микроорганизмы делятся на три группы:
• алкалофилы (щелочелюбивые). К этой группе относятся микроорганизмы, которые растут и развиваются при рН 9 и выше. Примером алкалофилов является холерный вибрион.
Если рН не соответствует оптимальной величине, то микроорганизмы не могут нормально развиваться, так как активная кислотность оказывает влияние на активность ферментов клетки и проницаемость цитоплазматической мембраны.
Некоторые микроорганизмы, образуя продукты обмена и выделяя их в среду, способны изменять реакцию среды.
Для бактерий кислая среда более опасна, чем щелочная (особенно для гнилостных бактерий). Это используется для консервирования продуктов путем маринования или квашения. При мариновании к продуктам добавляют уксусную кислоту, при квашении создаются условия для развития молочнокислых бактерий, которые образуют молочную кислоту и тем самым способствуют подавлению роста гнилостных бактерий.
