Аэробные и анаэробные бактерии: классификация и культивирование, дыхание

Классификационное деление прокариотов

Видовое разнообразие этих безъядерных одноклеточных организмов огромно: наукой описано всего 10 000 видов, но считается, что видов бактерий существует более миллиона. Их классификация чрезвычайно сложна и осуществляется на основе общности следующих функций и характеристик:

• морфологические – форма, способ передвижения, способность образовывать споры и др);
• физиологические — дыхание кислородом (аэробы) или безкислородный вариант (анаэробы), природы продуктов обмена и другие;
• биохимический;
• сходство генетических признаков.

Например, морфологическая классификация по внешнему виду делит все бактерии на:

• палочковидный;
• запутанный;
• сферический.

Физиологическая классификация по отношению к кислороду делит всех прокариот на:

• анаэробы – микроорганизмы, для дыхания которых не требуется наличие свободного кислорода;
• аэробные – микроорганизмы, которым для жизнедеятельности необходим кислород.

Промежуточные формы

К ним относятся:

• капнейные анаэробы – они лучше себя чувствуют при низкой концентрации кислорода и высоком углекислом газе;
• микроаэрофилы хорошо растут при концентрации кислорода ок. 2%. Он нужен им для окислительных процессов, но в высоких концентрациях подавляет активность важных ферментов;
• аэротолеранты могут жить в присутствии О2, хотя и не используют его для энергетического обмена;
• умеренно строгие анаэробы могут вести активную жизнь в кислородсодержащей среде, но при этом теряют способность к размножению.

Сходства между аэробами и анаэробами

• Это прокариотические микроорганизмы.
• Их первой стадией клеточного дыхания является гликолиз.
• В их основе лежат патогенные возбудители.
• Их используют в различных отраслях промышленности.

Анаэробные микроорганизмы и их роль в природе

Анаэробные организмы – это те, которым не требуется кислород. Они также неоднородны. Выделять:

• факультативные анаэробы. Функция – они могут одинаково эффективно существовать как в присутствии свободного кислорода, так и без него. Без доступа воздуха они переходят к простым реакциям (например, гликолизу);
• облигатные анаэробы – существуют только при отсутствии О2 или при самых низких концентрациях.

Среди анаэробов различают бактерии, способные к образованию спор (клостридии), и не обладающие такой способностью (бактерии, актиномицеты, велионеллы). Интересно, что в споровой форме микроорганизмы становятся нечувствительными к кислороду и могут сохранять жизнеспособность длительное время, тогда как без этого они быстро погибли бы.

К анаэробам также относятся бактерии, которые используют фотосинтез для производства энергии. Человечество нашло применение таким микроорганизмам в повседневной жизни. Например, их можно использовать для очистки загрязненной воды.

Анаэробные бактерии, образующие споры, используются в текстильной промышленности для производства льняного волокна. А азотфиксирующие микроорганизмы улучшают плодородие почвы и участвуют в расщеплении целлюлозы и пектинов.

Анаэробные прокариоты

Анаэробные микроорганизмы полностью соответствуют своему названию – приставка отменяет значение слова, аэро – воздух, а б – жизнь. Оказывается – безвоздушная жизнь, организмы, для дыхания которых не требуется свободный кислород.

Аноксические микроорганизмы делятся на две группы:

• факультативные анаэробы – способны существовать как в среде, содержащей кислород, так и в его отсутствие;
• облигатные микроорганизмы – погибают при наличии свободного кислорода в окружающей среде.

Классификация анаэробных бактерий делит облигатную группу по возможности спорообразования на следующие:

• спорообразующие клостридии — грамположительные бактерии, большинство из которых подвижны, характеризуются интенсивным метаболизмом и большой изменчивостью;
• неклостридиальные анаэробы – грамположительные и отрицательные бактерии, входящие в состав микрофлоры человека.

Свойства клостридий

Спорообразующие анаэробные бактерии в большом количестве встречаются в почве и желудочно-кишечном тракте животных и человека. Среди них известно более 10 видов, ядовитых для человека. Эти бактерии производят высокоактивные экзотоксины, специфичные для каждого вида.

Хотя возбудителем может быть разновидность анаэробного микроорганизма, более характерно отравление различными микробными ассоциациями:

• несколько видов анаэробных бактерий;
• анаэробные и аэробные микроорганизмы (чаще всего клостридии и стафилококки).

Бактериальный посев

Вполне естественно в привычной нам кислородной среде, что для достижения облигатных аэробов необходимо использовать специальное оборудование и микробиологические среды. По сути, культивирование бескислородных микроорганизмов сводится к созданию условий, при которых доступ воздуха к средам культивирования прокариот полностью перекрывается.

При микробиологическом анализе на облигатные анаэробы чрезвычайно важное значение имеют методы отбора проб и способ транспортировки пробы в лабораторию. Поскольку облигатные микроорганизмы под воздействием воздуха сразу погибают, образец необходимо хранить либо в герметично закрытом шприце, либо в специализированных средах, предназначенных для такой транспортировки.

Особенности ДНК у аэробов и анаэробов

Считается, что анаэробные формы жизни предшествовали аэробным. По мере накопления кислорода в атмосфере богатство и разнообразие бактерий постоянно увеличивалось. Замечено, что более простые микроорганизмы без цитохромов имеют другой состав ДНК — в молекуле преобладают основания аденин и тимин. Более поздние и более эволюционно развитые формы имеют цитохромы, а генетический материал содержит несколько оснований Гуанин и Цитозин. Некоторые анаэробные организмы не имеют четко выраженного ядра, и ДНК обнаруживается в виде нуклеоида в цитоплазме.

Аэрофильные микроорганизмы

Аэробы – микроорганизмы, дыхание которых невозможно без свободного кислорода воздуха, а их культивирование происходит на поверхности питательных сред.

По степени зависимости от кислорода все аэробы делятся на:

• облигатные (аэрофильные) – способны развиваться только при высокой концентрации кислорода в воздухе;
• факультативные аэробные микроорганизмы, развивающиеся даже в небольших количествах кислорода.

Свойства и особенности аэробов

Аэробные бактерии обитают в почве, воде и воздухе и активно участвуют в круговороте веществ. Дыхание бактерий, являющихся аэробами, осуществляется путем прямого окисления метана (СН4), водорода (Н2), азота (N2), сероводорода (H2S), железа (Fe).

К облигатным аэробным микроорганизмам, патогенным для человека, относятся туберкулезная палочка, возбудители туляремии и холерный вибрион. Всем им для функционирования требуется высокий уровень кислорода. Факультативные аэробные бактерии, такие как сальмонелла, способны дышать при очень небольшом количестве кислорода.

Аэробные микроорганизмы, дышащие кислородной атмосферой, способны существовать в очень широком диапазоне парциальных давлений от 0,1 до 20 атм.

Выращивание аэробов

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

Дыхание и рост аэробов проявляется в образовании помутнений в жидких средах или, в случае плотных сред, в образовании колоний. В среднем культивирование аэробов в термостатических условиях занимает около 18–24 часов.

Анаэробное дыхание

Анаэробное дыхание происходит при отсутствии кислорода. Он состоит из двух этапов. Как и при аэробном дыхании, первой стадией является гликолиз, при котором из глюкозы образуется АТФ. На втором этапе, ферментации, образуется молочная кислота или этанол, в зависимости от типа ферментации. Молочная кислота образуется в результате брожения молочной кислоты, а этанол образуется в результате брожения спирта. Вот почему дрожжи используются при производстве хлеба и пива для производства этанола.

Это интересно: Гидрозатвор для брожения: необходимость, конструкция и применение для брожения вина. Зачем нужна гидроизоляция.

Анаэробное дыхание обычно осуществляется микроорганизмами, например бактериями, которые являются прокариотами и не имеют ядра. Бактерии и животные клетки используют молочнокислое брожение. Примером молочнокислого брожения является ощущение жжения в мышцах после бега. Это происходит, когда мышечные клетки не получают достаточного количества кислорода и вынуждены дышать анаэробно. Молочная кислота дает ощущение жжения в мышцах, а недостаток АТФ приводит к усталости.

Примеры заболеваний, которые вызывают анаэробы

Одним из самых опасных заболеваний является ботулизм. Клостридии размножаются в анаэробных условиях. Он часто сохраняется в виде спор в консервах, мясе и рыбе, не прошедших полной термической обработки. В течение жизни он выделяет ботулотоксин, который поражает нервную систему человека. Без своевременного лечения ботулизм может привести к летальному исходу.

Столбняк – еще одно смертельное заболевание. Вызывается Clostridium tetanus. Встречается в почве в виде спор. При попадании в рану он переходит в вегетативную форму и продуцирует столбнячный экзотоксин. Он влияет на центральную нервную систему. Патология сопровождается сокращениями всех мышц тела человека (повышенным тонусом и судорогами), снижением глотания, дыхания и работы сердца. Возникает распад эритроцитов, сепсис, поражение сердца и пневмония.

Газовую гангрену вызывают Clostridium perfringens. Он попадает в рану с пылью и почвой. Он высвобождает ферменты и газ внутри тканей. По этой причине при надавливании на края раны ощущается крепитация и слышен хруст. Ферменты этого микроба вызывают гемолиз эритроцитов. Учитывая особенности бактерий, такие раны при первичной хирургической обработке необходимо вскрывать как можно шире и удалять все отмершие ткани. Раневую поверхность обильно обрабатывают перекисью и применяют гипербарическую оксигенацию (воздействие кислорода под давлением). Верх не связывают, а оставляют открытым для доступа кислорода.

понимание особенностей процессов жизнедеятельности аэробных и анаэробных микроорганизмов помогает успешно использовать их в промышленных процессах, очистке сточных вод и почв, а также бороться с вызываемыми ими заболеваниями.

Основное различие между аэробными и анаэробными микроорганизмами заключается в потребности в кислороде для выживания аэробных микроорганизмов, тогда как анаэробным микроорганизмам кислород не требуется. То есть аэробные микроорганизмы используют кислород в процессе преобразования энергии, тогда как анаэробные микроорганизмы в нем не нуждаются.

Классификация микроорганизмов на аэробные и анаэробные производится на основании их реакции на кислород. Из-за различия в этой реакции аэробные и анаэробные микроорганизмы имеют разные особенности выполнения своих функций при клеточном дыхании. Так, аэробные микроорганизмы осуществляют аэробное дыхание, а анаэробные микроорганизмы — анаэробное дыхание.

Что такое Аэробные микроорганизмы?

Аэробные микроорганизмы — это группа микроорганизмов, которым необходим кислород для основного процесса выживания, роста и размножения. Они окисляют моносахариды, такие как глюкоза, в присутствии кислорода.

Аэробные микроорганизмы

Основными процессами, генерирующими энергию у аэробов, являются гликолиз, за ​​которым следуют цикл Кребса и цепь переноса электронов. Поскольку уровень кислорода не токсичен для этих микроорганизмов, они хорошо растут в среде, богатой кислородом. Таким образом, они являются облигатными аэробами. Примерами аэробных микроорганизмов являются Bacillus и Nocardia.

Классификация

Облигатные аэробы и микроаэрофилы — это два типа аэробов. В основе этой классификации лежит уровень токсичности кислорода для этих микроорганизмов.

• Облигатные аэробные микроорганизмы, также называемые аэрофилами, представляют собой микроорганизмы, которым для клеточного дыхания необходим кислород. Кроме того, они используют кислород для окисления органических соединений, таких как сахар и жир, т е для получения энергии. Примерами этого микроорганизма являются Nocardia, Mycobacterium Tuberculosis и Vibrio cholerae.
• Микроаэрофильные микроорганизмы – выживают при низких концентрациях кислорода (около 10%). Примером этого микроорганизма является бактерия Helicobacter pylori.

Аэробные микроорганизмы — это типы бактерий, которым необходим кислород для основного процесса выживания, роста и размножения. Эти бактерии очень легко изолировать, выращивая множество бактериальных штаммов в жидкой среде. Поскольку для выживания им необходим кислород, они склонны подниматься на поверхность, пытаясь получить как можно больше кислорода.

Идентификация аэробных и анаэробных бактерий по концентрации кислорода

Что такое Анаэробные микроорганизмы?

Классификация

К анаэробным микроорганизмам относятся факультативные анаэробы, аэротолерантные анаэробы и облигатные анаэробы. В основе этой классификации, в том числе и для аэробики, лежит уровень токсичности кислорода для этих микроорганизмов.

• Аэротолерантные анаэробы – для выживания им не нужен кислород. Присутствие кислорода не вредит этим микроорганизмам. Примером этого микроорганизма являются бактерии Lactobacillus.
• Облигатные анаэробы – микроорганизмы, которые живут и растут только при отсутствии кислорода в окружающей среде, поскольку он для них губителен. Примером этого микроорганизма являются клостридии (Clostridium Butyricum) и Methanosarcina barkeri).
• Факультативные анаэробы. Эти микробы могут выживать как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Примером этого микроорганизма является бактерия Escherichia coli.

Примером анаэробных бактерий является Escherichia coli

Анаэробные микроорганизмы не выживают в среде, богатой кислородом, поскольку кислород токсичен для облигатных анаэробов. Напротив, избыток кислорода не вредит факультативным анаэробам.

Каковы сходства между Аэробными и Анаэробными микроорганизмами?

• По своей природе как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы являются прокариотами.
• Оба этих микроба подвергаются гликолизу, который является первой стадией клеточного дыхания.
• Аэробные и анаэробные состоят из патогенных возбудителей.
• Оба типа микробов используются в различных отраслях промышленности.

Особенности метаболизма

Аэробные организмы используют глюкозу в качестве источника энергии. В ходе гликолиза он распадается до пировиноградной кислоты, а затем в присутствии кислорода превращается в воду и углекислый газ. При этом распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 38 молекул АТФ.

Процесс окислительного фосфорилирования происходит у аэробов в митохондриях на мембранах. Здесь сосредоточена цепочка цитохромов, которые передают электроны друг другу вплоть до конечного акцептора — кислорода.

Аэробы способны добывать энергию за счет окисления метана, сероводорода, железа и азотсодержащих веществ и водорода.

У анаэробов происходит только гликолиз, затем пировиноградная кислота подвергается брожению:

• молочнокислые – бифидобактерии, лактобактерии, стрептококки;
• алкоголь – грибы рода Кандида;
• масляная кислота – клостридии;
• муравьиная кислота – энтеробактерии.

Производство энергии в этом случае составляет 2 молекулы АТФ. Ферменты, принимающие участие в этих реакциях, дегидрогеназы, расположены на клеточной мембране и внутри цитоплазмы.

В норме преобладают процессы брожения в кишечнике. При этом pH среды смещается в кислую сторону – гнилостная флора в таких условиях существовать не может. При недостаточной активности нормальной микрофлоры активируются патогенные кишечные бактерии (bacillus perfringens, sporogenus), доминирует деградация белков, происходит сдвиг рН в щелочную сторону. Этот процесс сопровождается признаками отравления, неприятным запахом и проблемами с дефекацией.

Наличие систем, защищающих клетку от агрессивных форм кислорода

В воздухе могут жить только те микроорганизмы, которые имеют защитную антиоксидантную систему. При превращении кислорода образуются различные токсичные соединения: супероксид-анион, синглетный кислород, перекись водорода.

Их нейтрализуют специальные ферменты – супероксиддисмутаза, каталаза, цитохромы. Последние встречаются у аэробов (их обычно 3). У факультативных анаэробов их меньше (1–2), а у облигатных анаэробов они полностью отсутствуют.

Многие анаэробные микроорганизмы в присутствии каталазы обычно способны переносить воздействие кислорода. У них нет собственного фермента.

При повышении концентрации кислорода до 40–50% аэробные организмы перестают расти. Чистый O2 оказывает вредное воздействие на все живое. Дело даже не в концентрации свободных молекул кислорода, а в соотношении водорода и кислорода. Его называют окислительно-восстановительным индексом. Диапазон условий оптимального существования бактерий от 0 до 40. Для анаэробов подходит среда с ОВП менее 14.

Особенности аэробных микроорганизмов

Аэробные микроорганизмы не могут существовать без кислорода. Он необходим им для роста, развития и размножения. Кислород позволяет им окислять моносахариды, такие как глюкоза.

Производство энергии у этих микроорганизмов происходит посредством процесса гликолиза. Далее идет цепь Кребса и система транспорта электронов. Богатая кислородом среда очень питательна для этих микроорганизмов. Примерами аэробов являются Bacillus и Nocardia.

Виды аэробики.

Аэробные микроорганизмы классифицируются в зависимости от их потребности в кислороде.

• Незаменимая аэробика или аэробика. Аэробика требует кислорода. Они используют его для клеточного дыхания и окисления органических веществ, таких как сахар и жир, из которых они получают энергию. Примерами крупных аэробных микроорганизмов являются Nocardia, Mycobacterium Tuberculosis и Mycobacterium cholerae.
• Микроаэробная аэробика. Они обладают способностью выживать при низких концентрациях кислорода (около 10%). Примером является Хеликобактер пилори.

Это интересно: Особенности системы канализации частного дома: какие виды бывают, инструкция, как сделать своими руками, схемы и расчеты, полезные советы. Канализация для частного дома какой она должна быть.

Бактерии, которым для выживания необходим кислород, легко погибают при выращивании в жидких средах. Поскольку для полноценного выживания им необходим кислород, они всплывают на поверхность, чтобы выжить.

Читайте также: Самые большие озера России : список самых крупных по площади и глубоких водоемов РФ с названиями, фото и описанием