Аэробная и анаэробная среда. Чем аэробы отличаются от анаэробов

Классификация микроорганизмов основывается на их реакции на взаимодействие с кислородом, что существенно определяет различные функции, которые аэробные и анаэробные организмы выполняют в процессе клеточного дыхания.

Анаэробы. Не ругательство, но честь

В последние годы научная литература все больше уделяет внимание микроорганизмам, исследуя их применение в самых различных сферах, включая медицину, промышленность и сельское хозяйство. Однако термины «аэробный» и «анаэробный» становятся все менее распространенными в параграфах, посвященных классификации микробных культур. Это обусловлено неясностью и многозначностью так называемых традиционных названий, которые могут привести к недопониманию.

Анаэробные бактерии, термин происходящий от греческого слова «anaerobion» (греческое a — «отрицательный», «air» — «воздух» и «bioz» — «жизнь»), обозначают организмы, способные существовать при частичном или полном отсутствии кислорода. Они черпают энергию не из окислительно-восстановительных реакций, связанных с кислородом, а с помощью специализированного окисления субстратов, среди которых можно выделить неорганические соединения, органические вещества и минералы. Примеры таких бактерий включают серные, азотные и железные организмы, которые используют в процессе дыхания окисление соединений серы, азота и железа соответственно.

Записи.

Как термин «анаэробный» вошел в широкий научный оборот?

Впервые этот термин был введен Луи Пастером, считается основоположником микробиологии. В 1861 году он осуществил эксперименты по ферментации, изолировав микроорганизмы, ответственные за этот процесс. При этом он обнаружил, что ферментирующие маслянистые бактерии, известные как «мертвые» бактерии (например, Clostridium), образуют скопления на дне пробирок, перемешиваясь с жидкими средами. В результате последующих экспериментов Пастера и его учеников была разработана классификация микроорганизмов, основанная на их способности переносить кислород.

Согласно традиционной практике, распределение аэробных и анаэробных бактерий в жидких питательных средах изучается по градиенту концентрации кислорода. В основном аэробные бактерии сосредотачиваются в верхней части пробирки, где кислород наиболее доступен (за исключением некоторых микобактерий, которые образуют пленку на поверхности благодаря наличию восковой мембраны). Анаэробные бактерии, наоборот, обычно скапливаются в нижней части пробирки с целью избежать воздействия кислорода или вообще не развиваются в таких условиях. Факультативные бактерии, способные существовать как в присутствии, так и без кислорода, чаще всего встречаются в верхней части пробирки, так как окислительное фосфорилирование является для них более выгодным по сравнению с гликолизом. Микроаэрофильные организмы располагаются в верхней части пробирки, но оптимальной для них является низкая концентрация кислорода. Аэротолерантные анаэробные бактерии равномерно распределены по всей пробирке, поскольку они не зависят от уровня кислорода.

Новая классификация анаэробных бактерий выглядит следующим образом:

• Ориентированные анаэробы: способны к росту как в присутствии, так и в отсутствии кислорода.
• Микроаэрофильные анаэробы: выживают при низкой концентрации кислорода.
• Изолированные анаэробы: не могут осуществлять аэробный метаболизм и погибают при наличии кислорода.
• Эссенциальные анаэробы: организмы, погибающие в присутствии молекулярного кислорода (свободного O2). К числу таких бактерий относятся некоторые виды Clostridium, дрожжей и других организмов.

Большинство из известных анаэробных организмов исчезло миллионы лет назад, когда на Земле значительно возрос уровень свободного кислорода. Тем не менее, некоторые из них, такие как бактерии и инфекционные организмы, обитают глубоко в почве, на дне различных водоемов и даже внутри других организмов, потенциально являясь паразитами или частью нормальной микрофлоры, например, кишечника человека и животных.

Один интересный факт

В начале прошлого века существовала общепринятая теория о происхождении анаэробных бактерий, которая утверждала, что они развивались задолго до появления кислородной атмосферы Земли, что делало их «древними» формами жизни. Однако с изменением планетарных условий некоторые анаэробы адаптировались и перешли к аэробному метаболизму. Это обстоятельство сделало аэробные реакции более предпочтительными, так как они происходят быстрее и энергетически эффективнее. Например, общая продукция АТФ в процессе ферментации составляет всего четыре молекулы АТФ и две молекулы NADH, тогда как при аэробном дыхании — 30 молекул АТФ. Следовательно, аэробные микроорганизмы получили эволюционное преимущество.

Но открытие анаэробных эукариот, включая некоторые многоклеточные организмы, сделало эту теорию менее актуальной. Генетические исследования открыли множество вопросов о родстве между различными группами анаэробов. Многие основные анаэробы оказались совершенно неродственными и даже не имели общего предка. Интересным является то, что некоторые вторичные анаэробы, которые не следует путать с вторичными анаэробами, адаптировались и частично или полностью утратили способность окислять кислород. Например, бактерии Zymomonas mobilis и Clostridium произошли от цитохромсодержащих организмов, что предполагает их аэробное происхождение.

Следует отметить, что молочнокислое брожение, являющееся важным анаэробным процессом, находит широкое применение в легкой пищевой промышленности для производства таких продуктов, как кефир, йогурт и творог.

Особенности аэробных микроорганизмов

Аэробные микроорганизмы не способны существовать без кислорода. Это вещество является необходимым для их роста, развития и репродукции, так как кислород позволяет эффективно окислять моносахариды, такие как глюкоза. Производственный процесс энергии в этих микроорганизмах основывается на гликолизе, за которым следуют цикл Кребса и цепь переноса электронов. Среды, насыщенные кислородом, считаются крайне благоприятными для их жизни и размножения. Примерами аэробных микроорганизмов служат Bacillus и Nocardia.

Виды аэробики.

Аэробные микроорганизмы могут быть классифицированы в зависимости от их потребностей в кислороде:

• Эссенциальные аэробы (или строгие аэробы): для их жизнедеятельности необходим кислород. Они используют его для клеточного дыхания и окисления органических веществ, таких как сахара и жиры, из которых получают энергию. Примеры таких аэробов включают Nocardia, Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium cholerae.
• Микроаэробные организмы: способны выживать при низкой концентрации кислорода, которая составляет примерно 10%. Примером может служить Helicobacter pylori, который вызывает гастрит и может быть связан с развитием язвы желудка.

Бактерии, которые нуждаются в кислороде для своего существования, подвержены риску погибнуть в условиях ограниченной кислородом среды. При этом они часто поднимаются на поверхность, чтобы обеспечить себе необходимые условия для выживания.

Особенности анаэробов

Эти микроорганизмы не используют кислород для своего энергетического метаболизма. Вместо этого они нуждаются в других элементах, таких как марганец, сера, кобальт, азот или железо, чтобы вырабатывать энергию. Анаэробные микроорганизмы используют ферментацию как способ получения энергии. Это означает, что для их выживания и функционирования требуется энергия, производимая в процессе анаэробной ферментации:

Классификация анаэробных микроорганизмов также зависит от уровня их восприимчивости к кислороду:

• Аэротолерантные анаэробы: они не имеют нужды в кислороде для выживания, и его присутствие им не причиняет вреда. Аэротолерантные микроорганизмы могут функционировать без кислорода и не реагируют негативно на его наличие.
• Облигатные анаэробы: кислород опасен для них, и они могут расти и развиваться только в условиях полного его отсутствия. Примеры таких бактерий включают Clostridium и Methanosarcina.
• Факультативные анаэробы: их рост и активность не зависят от наличия кислорода; они могут жить как в его присутствии, так и вне его. К известным примерам можно отнести кишечную палочку.

Важно отметить, что анаэробы не способны выжить в среде, насыщенной кислородом. Для облигатных анаэробов кислород является токсичным, в то время как факультативные анаэробы могут переносить его наличие без вреда для себя.

Сходства между аэробами и анаэробами

• Оба являются прокариотическими микроорганизмами.
• Начальная стадия клеточного дыхания для них идентична — это гликолиз.
• Оба типа микроорганизмов могут быть патогенными.
• Аэробы и анаэробы находят применение в различных отраслях промышленности, включая биотехнологии и медицину.

Теперь рассмотрим отличия этих микроорганизмов в таблице ниже:

Аэробные и анаэробные микроорганизмы отличаются по потребностям в питательных веществах для своего выживания. Аэробные организмы требуют кислород для осуществления энергетического метаболизма, тогда как анаэробы обходятся без него, используя вместо этого нитраты, серу и метан. Краеугольные отличия между этими микроорганизмами проявляются в типах конечных акцепторов электронов, которые они используют в процессе клеточного дыхания.

Предупреждение. Компания «Медика» продает автоматизированные микробиологические анализаторы и флаконы с питательной средой, однако Мы не предлагаем услугу по сбору или расшифровке образцов крови.

Общая формула гетероферментативного молочнокислого брожения может быть представлена следующим образом: 2C6H12O6 (глюкоза) → C3H6O3 (молочная кислота) + C4H6O4 (гликолевая кислота) + C2H4O2 (уксусная кислота) + C2H5OH (этиловый спирт) + CO2 (углекислый газ) + H2 (водород) + энергия.

Анаэробное дыхание

Анаэробное дыхание происходит в условиях отсутствия кислорода и включает два основных этапа. Первый этап, как и в аэробном дыхании, представляет собой гликолиз, который преобразует глюкозу в АТФ. На втором этапе происходит ферментация, которая может приводить к образованию молочной кислоты или этанола, в зависимости от типа ферментации. В частности, молочная кислота формируется в результате молочнокислого брожения, тогда как этанол является продуктом спиртового брожения. Из-за этого дрожжи широко используются в производстве хлеба и алкоголя для получения этанола.

Анаэробное дыхание осуществляется микроорганизмами, такими как бактерии, которые, как правило, являются прокариотами и не имеют оформленного ядра. В то же время молочнокислое брожение также наблюдается у животных. Примером можно привести ощущение жжения в мышцах после интенсивного бега, что происходит в условиях недостатка кислорода; в этих случаях клетки начинают дышать анаэробно. Молочная кислота, возникающая при этом, вызывает неприятные физические ощущения, а недостаток АТФ может привести к быстрой усталости.

Отличия

Как уже упоминалось, наиболее значительное различие между аэробным и анаэробным дыханием заключается в наличии кислорода. Аэробное дыхание требует кислорода для функционирования, тогда как анаэробное дыхание его не требует. Именно это различие определяет состав производимых в каждом из случаев продуктов: аэробное дыхание приводит к образованию углекислого газа, воды и АТФ, в то время как анаэробное дыхание создает молочную кислоту, этанол и, опять же, АТФ.

Учитывая, что во время анаэробного дыхания синтезируется лишь две молекулы АТФ, в отличие от 36 молекул, формируемых при аэробном дыхании, можно утверждать, что аэробное дыхание обычно более выгодно для организмов с клеточными ядрами. Однако стоит отметить, что некоторые животные клетки также подвержены молочнокислому брожению, что является формой анаэробного дыхания, и это происходит, когда мышцы испытывают дефицит кислорода.

В классификации анаэробных микроорганизмов выделяют добровольных анаэробов, аэробных анаэробов и обязательных анаэробов. Основным критерием для этой классификации служит уровень восприимчивости к токсичности кислорода, по сравнению с аэробами.

1. Все эти прокариоты имеют неопределенное ядро.
2. Они размножаются как путем прорастания, так и делением.
3. С помощью дыхательных процессов как аэробные, так и анаэробные организмы расщепляют значительное количество органических веществ.
4. Бактерии являются единственными организмами, обладающими способностью связывать молекулярный азот с органическими соединениями в процессе дыхания.
5. Аэробные и анаэробные микроорганизмы имеют возможность функционировать в широком диапазоне температур. Одноклеточные прокариоты, как правило, классифицируются следующим образом:

• Криофильные — обитают при температурах около 0 °C.
• Мезофильные — активны в диапазоне 20-40 °C.
• Термофильные — могут жить и дышать при температурах 50-75 °C.

Я работаю ветеринаром и увлечён научно-популярной литературой. Мне нравятся танцы, спорт и йога как способы поддержания физической активности и духа. Мои приоритеты связаны с саморазвитием и изучением различных духовных практик, а также с путешествиями. Я предпочитаю обсуждать темы, касающиеся ветеринарии, биологии, строительства и ремонта. Однако я избегаю разговоров о праве, политике, информатике и видеоиграх.