Дихання мікроорганізмів та типи дихання. Дихання мікроорганізмів, сутність процесу

Практично всі живі організми Землі потребують процесі дихання. Кисень є одним з найбільш поширених окислювачів у дихальному ланцюзі тварин, рослин, протистів, багатьох бактерій. Однак не всім відомо, наскільки наш організм відрізняється за складністю будови від дрібних клітин мікроорганізмів. Постає питання: як дихають бактерії? Чи відрізняється їхній спосіб отримання енергії від нашого?

Чи всі бактерії дихають киснем?

Не всі знають, що кисень не завжди є обов'язковим компонентом. Він відіграє, перш за все, роль акцептора електронів, тому даний газ добре окислюється і взаємодіє з протонами водню. АТФ - це причина, через яку всі живі організми дихають. Однак багато видів бактерій обходяться без кисню, і все одно одержують таке заповітне джерело енергії, як аденозинтрифосфат. Як дихають бактерії такого типу?

Процес дихання у нашому організмі протікає протягом двох стадій. Перша з них - анаеробна - не вимагає наявності кисню в клітці, і для неї необхідні лише джерела вуглецю та акцептори протонів водню. Друга стадія – аеробна – протікає виключно у присутності кисню та характеризується великою кількістюпоетапних реакцій

У бактерій, які не засвоюють кисень і не використовують його для дихання, протікає лише анаеробна стадія. Після її закінчення мікроорганізми також отримують АТФ, проте його кількість дуже відрізняється від того, яке отримуємо ми після проходження відразу двох стадій дихання. Виходить, що не всі бактерії дихають киснем.

АТФ – універсальне джерело енергії

Для будь-якого організму важливо підтримувати свою життєдіяльність. Тому потрібно було в процесі еволюції знайти джерела енергії, які з використанням зможуть дати достатньо ресурсів для протікання всіх необхідних реакцій у клітині. Спочатку з'явилося бродіння у бактерій: так називається етап гліколізу або анаеробний етап дихання прокаріотів. І тільки потім у більш досконалих багатоклітинних організмів розвинулися пристосування, завдяки яким за участю атмосферного кисню ККД дихання помітно збільшувалося. Так з'явився аеробний етап

Як дихають бактерії? 6 клас шкільного курсубіології показує, що для будь-якого організму важливе отримання певної часткиенергії. У процесі еволюції вона почала запасатися у спеціально синтезованих при цьому молекулах, які називаються аденозинтрифосфат.

АТФ є макроергічною речовиною, основою якої є пентозне вуглецеве кільце, азотна основа (аденозин). Від нього відходять фосфорні залишки, між якими утворюються високоенергетичні зв'язки. При руйнуванні однієї з них вивільняється в середньому близько 40 кДж, а одна молекула АТФздатна зберігати в собі максимум три фосфорні залишки. Так, якщо АТФ розпадається до АДФ (аденозиддифосфат), то клітина отримує 40 кДж енергії у процесі дефосфорилювання. І, навпаки, запасання відбувається шляхом фосфорилювання АДФ до АТФ із витратою енергії.

Гліколіз дає 2 молекули аденозинтрифосфату, коли аеробний етап дихання по завершенню може забезпечити клітину відразу 36 молекулами цієї речовини. Тому на запитання "Як дихають бактерії?" відповідь можна дати наступний: процес дихання для багатьох прокаріотів полягає в утворенні АТФ без наявності та витрати кисню.

Як дихають бактерії? Типи дихання

По відношенню до кисню всі прокаріоти поділяються на кілька груп. Серед них:

1. Облігатні анаероби.
2. Факультативні анаероби.
3. Облігатні аероби.

Перша група складається з тих бактерій, які можуть жити за умов доступу кисню. О2 їм токсичний і веде до загибелі клітини. Прикладами таких бактерій можуть бути суто симбіотичні прокаріоти, які проживають всередині іншого організму в умовах відсутності кисню.

Як дихають бактерії третьої групи? Ці прокаріоти відрізняються тим, що вони можуть жити лише за умов гарної аеролізації. Якщо недостатньо кисню повітря, такі клітини швидко гинуть, оскільки дихання їм життєво необхідний О2.

Чим бродіння відрізняється від кисневого дихання?

Бродіння у бактерій - це той же процес гліколізу, який у різних видівПрокаріот може давати різні продукти реакції. Наприклад, призводить до утворення побічного продукту молочної кислоти, спиртове бродіння - етанолу та Вуглекислий газ, масляно-кисле - масляної (бутанової) кислоти і т.д.

Кисне дихання - це повний ланцюг процесів, які починаються з етапу гліколізу з утворенням та закінчуються виділенням СО2, Н2О та енергії. Останні реакції відбуваються за умов присутності кисню.

Як дихають бактерії? Біологія (6 клас) шкільного курсу мікробіології

У школі нам давали лише найпростіші знання у тому, як відбувається процес дихання прокаріотів. Мітохондрій у цих мікроорганізмів немає, проте є мезосоми - випинання цитоплазматичної мембрани всередину клітини. Але ці структури відіграють не ключову роль у диханні бактерій.

Оскільки бродіння - це різновид гліколізу, воно протікає в цитоплазмі прокаріотів. Там же знаходяться численні ферменти, необхідні для проведення всього ланцюга реакцій. У всіх бактерій без винятку спочатку утворюються дві молекули піровиноградної кислоти, як у людини. І лише потім вони перетворюються на інші побічні продукти, які залежать від типу бродіння.

Висновок

Світ прокаріотів, незважаючи на видиму простоту клітинної організації, сповнений складних і часом незрозумілих моментів. Тепер є відповідь, як дихають бактерії насправді, адже не всім з них потрібний кисень. Навпаки, більшість пристосувалася використати інший, менш практичний спосіб отримання енергії – бродіння.

Основи мікробіології, фізіології харчування та санітарії

методичка

2.3 Дихання мікроорганізмів

Описані вище процеси асиміляції їжі протікають із витратою енергії. Потреба енергії забезпечується процесами енергетичного обмінусутність яких полягає в окисленні органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії. Отримані при цьому продукти окислення виділяються в навколишнє середовище.

Схематично реакцію окислення-відновлення за участю ферменту дегідрогенази можна представити так:

АН 2 + В – А + ВН 2 + енергія

Способи одержання енергії у мікроорганізмів різноманітні.

У 1861 р. французький вчений Л. Пастер вперше звернув увагу на унікальну здатністьмікроорганізмів розвиватися без доступу кисню, у той час як всі вищі організми- рослини та тварини - можуть жити лише в атмосфері, що містить кисень.

За цією ознакою (за типами дихання) Л.Пастер розділив мікроорганізми на дві групи – аероби та анаероби.

Аероби для отримання енергії здійснюють окислення органічного матеріалукиснем повітря. До них відносяться гриби, деякі дріжджі, багато бактерій та водоростей. Багато аероби окислюють органічні речовини повністю, виділяючи у вигляді кінцевих продуктів СО 2 і Н 2 О. Цей процес в загальному виглядіможе бути представлений наступним рівнянням:

З 6 Н 12 Про 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 Про + 2822 кДж.

Анаероби – це мікроорганізми, здатні до дихання без використання вільного кисню. Анаеробний процес дихання у мікроорганізмів відбувається за рахунок відібрання у субстрату водню. Типові анаеробні дихальні процеси прийнято називати бродіннями. Прикладами такого типу отримання енергії можуть бути спиртове, молочнокисле і маслянокисле бродіння. Розглянемо з прикладу спиртового бродіння:

З 6 Н 12 Про 6 = 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2 + 118 кДж.

Ставлення анаеробних мікроорганізмів до кисню по-різному. Одні з них зовсім не переносять кисню і звуться облігатних, або строгих, анаеробів. До них відносяться збудники маслянокислого бродіння, правцева паличка, збудники ботулізму. Інші мікроби можуть розвиватися як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Їх називають – факультативними, або умовними анаеробами; це молочнокислі бактерії, кишкова паличка, протей та ін.

2.4 Ферменти мікроорганізмів

Ферменти – речовини, здатні каталітично впливати на швидкість біохімічних реакцій. Вони грають важливу рольу життєдіяльності мікроорганізмів. Відкриті ферменти 1814 р. російським академіком К.С.Кирхгофом.

Як і інші каталізатори, ферменти в реакціях перетворення речовин беруть участь лише як посередники. Кількісно у реакціях вони не витрачаються. Ферменти мікроорганізмів мають цілу низку властивостей:

1) При температурі до 40-50єС збільшується швидкість ферментативної реакції, але потім швидкість падає, фермент перестає діяти. При температурі вище 80 ° С практично всі ферменти необоротно інактивуються.

2) хімічної природиферменти бувають однокомпонентними, що складаються тільки з білка, і двокомпонентними, що складаються з білкової та небілкової частин. Небілкова частина у ряду ферментів представлена ​​тим чи іншим вітаміном.

3) На активність ферменту надає великий впливрН середовища. Для одних ферментів найкращою є кисле середовищедля інших - нейтральна або слаболужна.

4) Ферменти мають високу активність. Так, молекула каталази руйнує за хвилину 5 млн молекул пероксиду водню, а 1 г амілази при сприятливих умовперетворює на цукор 1 т крохмалю.

5) Кожен фермент має суворої специфічністю дії, т. е. здатністю проводити лише певні зв'язки у складних молекулах чи лише певні речовини. Наприклад, амілаза викликає розщеплення тільки крохмалю, лактазу - молочного цукру, целюлазу - целюлози і т.д.

6) Ферменти, властиві даному мікроорганізму і які входять до компонентів його клітини, називаються конститутивними. Існує й інша група - ферменти, що індукуються (адаптивні), які виробляються клітиною тільки при додаванні до середовища речовини (індуктора), що стимулює синтез даного ферменту. У цих умовах мікроорганізм синтезує фермент, яким він не володів.

7) За характером дії ферменти поділяються на екзоферменти, які виділяються клітиною зовнішнє середовище, та ендоферменти, які міцно пов'язані з внутрішніми структурами клітини та діють усередині неї.

8) Хоча ферменти виробляються клітиною, але після її смерті вони тимчасово ще залишаються в активному станіі може статися автоліз (від грец. аutos – сам, lysis – розчинення) – саморозчинення або самоперетравлення клітини під впливом її власних внутрішньоклітинних ферментів.

Нині відомо понад 1000 ферментів. Ферменти поділяються на 6 класів:

1-й клас – оксидоредуктази – грають велику рольу процесах бродіння та дихання мікроорганізмів, тобто в енергетичному обміні.

2-й клас - трансферази (ферменти перенесення) каталізують реакції перенесення груп атомів від однієї сполуки до іншої.

3-й клас – гідролази (гідролітичні ферменти). Вони каталізують реакції розщеплення складних сполук (білки, жири та вуглеводи) з обов'язковою участюводи.

4-й клас - ліази включають двокомпонентні ферменти, що відщеплюють від субстратів певні групи(З 2 , Н 2 Про, NН з і т. д.) негідролітичним шляхом (без участі води).

5-й клас - ізомерази - це ферменти, що каталізують оборотні перетворення органічних сполук в їх ізомери.

6-й клас - лігази (синтетази) - це ферменти, що каталізують синтез складних органічних сполук із більш простих. Лігази відіграють велику роль у вуглеводному та азотному обміні мікроорганізмів.

Застосування ферментів мікробів у харчовій та легкої промисловостідозволяє значно інтенсифікувати технологічний процес, підвищити вихід та покращити якість готової продукції. Препарати амілолітичних ферментів застосовують при виробництві етилового спиртуз крохмалевмісної сировини замість зернового солоду, а в хлібопекарській промисловості замість солоду при приготуванні заварного житнього хліба; додають грибні амілази та в пшеничне тісто. Оскільки в цьому препараті крім амілази є, хоча й у невеликій кількості, інші ферменти (мальтаза, протеази), процес виготовлення тіста прискорюється, збільшуються об'єм та пористість хліба, покращуються його зовнішній вигляд, аромат та смак. Застосування цих ферментних препаратів у пивоварінні дозволяє частково замінити солод ячменем. За допомогою грибної глюкоамілази одержують глюкозну патоку та кристалічну глюкозу з крохмалю. Пектолітичні ферментні грибні препарати використовують у соко-морсовому виробництві та виноробстві. Внаслідок руйнування пектину цими ферментами прискорюється процес виділення соку, підвищується його вихід, фільтрація та освітлення. Ферментні препарати, що містять мікробні протеази, використовують для підвищення стійкості (запобігання білковому помутнінню) вина та пива, а в сироробстві - замість (частково) сичужного ферменту. Доцільно застосовувати мікробні протеази для розм'якшення м'яса, прискорення дозрівання м'яса та оселедця, отримання з відходів рибної та м'ясної промисловості харчових гідролізатів та інших технологічних процесівпереробки тваринної та рослинної сировини.

2.5 Хімічний складмікроорганізмів

За складом речовин клітини мікроорганізмів мало чим відрізняються від клітин тварин та рослин. Вони містяться 75-85% води, інші 16-25% становить суха речовина. Вода в клітині знаходиться у вільному та у зв'язаному стані. Пов'язана вода входить до складу колоїдів клітини (білки, полісахариди та ін) і важко вивільняється з них. Вільна вода бере участь у хімічних реакціях, служить розчинником для різних з'єднань, що утворюються у клітині у процесі обміну речовин.

Суха речовина клітини складається з органічних та мінеральних речовин.

білки – до 52%,

полісахариди – до 17%,

нуклеїнові кислоти (РНК до 16%, ДНК до 3%),

ліпіди – до 9%

Ці сполуки входять до складу різних клітинних структурмікроорганізмів і виконують важливі фізіологічні функції. У клітинах мікроорганізмів знаходяться й інші речовини. органічні кислоти, їх солі, пігменти, вітаміни та ін.

Контрольні питання

1. Що таке тургор?

2. Що таке дисиміляція?

3. Які мікроорганізми називаються автотрофними?

4. Що таке осмос?

5. Які мікроорганізми називають факультативними?

6. Що таке плазмоліз?

7. у яких процесах беруть участь ліпази?

8. Яка кількість води входить до складу мікроорганізмів?

10. Які мікроорганізми називаються анаеробними?

Аеробне дихання - це окислювальний процес, під час якого витрачається кисень. При диханні субстрат без залишку розщеплюється до бідних енергією неорганічних речовин з високим виходоменергії...

Аеробне та ан аеробне диханнярослин

Анаеробне дихання. Деякі мікроорганізми здатні використовувати для окислення органічних або неорганічних речовин не молекулярний кисень, а інші окислені сполуки, наприклад, солі азотної, сірчаної та вугільної кислот.

Гетеротрофні організми. Окислення органічних речовин (дихання) для енергетичного забезпечення життєдіяльності

Дихання. Спочатку люди називали диханням просто вдихання та видихання повітря. Довгий часвважали навіть, що людина ніяк не змінює склад повітря при диханні, і взагалі вдихає повітря, щоб охолодити «перегріті» легені.

Дихальна системалюдини

Розрізняють зовнішнє дихання - сукупність процесів, що забезпечують надходження в організм кисню та видалення вуглекислого газу клітинне або тканинне...

Іммобілізовані рослинні клітини

Про життєздатність клітин судять з їхнього дихання, яке можна вимірювати протягом інкубації через різні проміжки часу. Вимірювання проводять за допомогою кисневого електрода Кларка за наступною стандартною методикою. Клітини...

Морфологія та метаболізм дріжджів

При зростанні в аеробних умовах за низького вмісту глюкози в середовищі дріжджі отримують АТФ за рахунок процесів дихання, як це робить більшість аеробних організмів.

При анаеробному диханні кінцевим акцептором електронів можуть бути вуглеводи, серед інших органічних речовин, але з молекулярний кисень. Бактерії, здатні до анаеробного дихання, мають укорочений дихальний ланцюг.

Перетворення мікроорганізмами сполук вуглецю

При аеробному диханні донором водню чи електронів є органічні (рідше неорганічні) речовини, а кінцевим акцептором – молекулярний кисень. При аеробному диханні піруват, утворений у ході гліколізу та шляху Ентнера-Дудорова.

Предмет, завдання та методи фізіології рослин

У процесі дихання бере участь складний ланцюг окислювально-відновних перетворень вуглеводів та жирів. Під окисленням будь-якої сполуки розуміють процес втрати ним електрона (протона), під відновленням - їх приєднання.

Регуляція дихання

На активність нейронів дихального центру виражений вплив мають рефлекторні впливи. Розрізняють постійні та непостійні (епізодичні) рефлекторні впливи на дихальний центр.

Способи розмноження у різних мікроорганізмів, сутність та хімізм їх дихання

Потреба енергії забезпечується процесами енергетичного обміну, сутність яких полягає в окисленні органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії.

Стадії дихання насіння злакових

Анаеробне окислення вуглеводів йде шляхом гліколізу. Гліколіз - це анаеробний процес, що веде до розпаду однієї молекули глюкози на дві молекули піровиноградної кислоти. При цьому вивільняється енергія.

Будова, властивості та функції білків

Клітинне дихання, або тканинне дихання, або внутрішнє дихання - це сукупність керованих окислювально-відновних реакцій у клітині, головним призначенням та результатом яких є утворення енергії.

Фізіологія дихання

Дихання- це сукупність процесів, що забезпечують споживання організмом кисню та виділення двоокису вуглецю. - В умовах спокою в організмі за 1 хвилину споживається в середньому 250 - 300 мл О2 і виділяється 200 - 250 мл СО2.

Фізіологія дихання

Зовнішнє дихання здійснюється завдяки змінам обсягу грудної кліткита супутнім змінам обсягу легень. Під час вдиху обсяг грудної клітки збільшується, а під час видиху – зменшується.

За типом дихання мікроорганізми ділять на аеробів, анаеробів та факультативних анаеробів.

Аеробне дихання мікроорганізмів - це процес, при якому останнім акцептором водню (протонів та електронів) є молекулярний кисень. В результаті окислення переважно складних органічних сполук утворюється енергія, яка виділяється в середу або накопичується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. Розрізняють повне та неповне окислення.

Повне окиснення.Основне джерело енергії у мікроорганізмів - вуглеводи. В результаті розщеплення глюкози в аеробних умовах процес окислення йде до утворення діоксиду вуглецю та води з виділенням великої кількості вільної енергії:

З 6 Н 12 Про 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 Про + 674 ккал.

Неповне окиснення. Не всі аероби доводять реакції окиснення до кінця. При надлишку вуглеводів у середовищі утворюються продукти неповного окислення, у яких енергія. Кінцевими продуктами неповного аеробного окиснення цукру можуть бути органічні кислоти: лимонна, яблучна, щавлева, янтарна та інші, що утворюються цвілевими грибами. Так само здійснюється аеробне дихання оцтовокислими бактеріями, в яких при окисленні етилового спирту утворюється не діоксид вуглецю і вода, а оцтова кислотата вода:

С 2 Н 5 ВІН + О 2 → СН 3 СООН + Н 2 О + 116 ккал.

етиловий спирт оцет. до-та

Окислення етилового спирту оцтовокислими бактеріями може йти і далі - до появи діоксиду вуглецю і води, при цьому звільняється велика кількістьенергії:

З 2 Н 5 ОН + 3О 2 → 2СО 2 + 3Н 2 О + 326 ккал.

етиловий спирт

Анаеробне диханняздійснюється без участі молекулярного кисню. Розрізняють власне анаеробне дихання (нітратне, сульфатне) та бродіння . При анаеробному диханні акцептором водню є окислені неорганічні сполуки, які легко віддають кисень і перетворюються на більш відновлені форми. Нітратне дихання- Відновлення нітратів до молекулярного азоту . Сульфатне диханнявідновлення сульфатів до сірководню.

Бродіння - розщеплення органічних вуглецевмісних сполук в анаеробних умовах. Воно характеризується тим, що останнім акцептором водню служить молекула органічної речовини з ненасиченими зв'язками. Речовина при цьому розкладається лише до проміжних продуктів, що являють собою складні органічні сполуки (спирти, органічні кислоти). Укладена в них енергія не використовується мікробами, а енергія, що утворилася в невеликих кількостях виділяється в навколишнє середовище.

Типовими прикладами анаеробного дихання є:

Спиртове бродіння (дихання дріжджів в анаеробних умовах):

З 6 Н 12 Про 6 → 2С 2 Н 5 ВІН + 2СО 2 + 27 ккал;

етилів. спирт

Молочнокисле бродіння (дихання молочнокислих бактерій):

З 6 Н 12 О 6 → 2С 3 Н 6 О 3 + 18 ккал;

молочний. до-та

Маслянокисле бродіння (дихання олійнокислих бактерій):

З 6 Н 12 Про 6 → З 3 Н 7 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 + 15 ккал;

маслян. до-та

Як видно з наведених рівнянь, при анаеробному диханні звільняється значно менше енергії, ніж при аеробному. Тому при анаеробному диханні для того, щоб забезпечити потребу в необхідної кількостіенергії, мікроорганізмам необхідно споживати більше цукрів, ніж за аеробного.

Більша частинаенергії, що утворюється при диханні, звільняється у довкілля. Це викликає нагрівання продуктів, у яких розвиваються мікроорганізми. Саме так нагрівається вино, у якому відбувається спиртове бродіння; нагрівається вологе зерно, торф, сіно.

Сторінка 16 з 91

Життя мікробів, як і всіх живих істот, пов'язане з безперервним витрачанням енергії, і, отже, підтримки фізіологічного рівноваги необхідне постійне відновлення її запасів. Остання здійснюється мікроорганізмами за допомогою процесу дихання.
На відміну від тварин і вищих рослинпроцес дихання у мікробів, незважаючи на їхню мікроскопічну величину, відрізняється своєю складністю та різноманіттям, в основі якого лежить дія різних ферментів. За типом дихання мікроорганізми поділяються на три групи:

1. облігатні аероби, що розвиваються тільки при вільному доступікисню. Процес дихання вони здійснюють за участю молекулярного кисню повітря (наприклад, холерний вібріон).
2. облігатні анаероби, здатні жити тільки за відсутності кисню повітря (наприклад, правцева паличка).
3. факультативні анаероби, до яких належить величезна більшість патогенних мікроорганізмів; вони можуть існувати як без кисню повітря, так і при незначному доступі його.

Роботами Пастера вперше було встановлено, що низка мікроорганізмів може розвиватися у безкисневому середовищі, отримуючи необхідну енергію при розщепленні складних органічних речовин живильного субстрату. Процеси глибокого розщеплення безазотистих органічних сполук, основу якого лежить зазвичай анаеробне дихання, називається бродінням. Процес аеробного та анаеробного дихання здійснюється біологічними каталізаторами (ферментами), які здатні при диханні активувати перебіг окисних реакцій. При аеробному і анаеробному диханні в першій фазі процесу відзначається активація водню ферментами з групи дегідрогеназ, які віднімають водень від субстрату (живильного середовища) і переносять його від однієї органічної молекули до іншої - від одного акцептора до іншого (від лат. acceptor - сприймає). Оскільки в структурі атома водню на орбіті є один електрон, то процес відібрання водню від субстрату є окислювальним. В останній фазі при аеробному диханні аеробні дегідрогенази передають відібраний від субстрату водень безпосередньо кисню повітря, який є кінцевим акцептором. При цьому може утворитися перекис водню, що грає роль окислювача органічних сполук. Фермент каталаза, що є у всіх аеробних організмів, розкладає перекис водню на воду та кисень, а фермент пероксидаза активує кисень перекису.
Анаеробні дегідрази що неспроможні віддавати водень кисню повітря, а передають його іншим акцепторам (ферментам, іншим речовинам, що у процесі бродіння).
Як при аеробному, так і при анаеробному диханні спостерігається окислення одних речовин і відновлення інших.
Сутність окислення полягає в втраті електронів речовиною, що окислюється, а при відновленні відбувається приєднання електронів речовиною, що відновлюється.
Таким чином, акти дихання у мікроорганізмів є рядом послідовних окислювально-відновних процесів, які призводять до звільнення необхідної для їх життєдіяльності енергії.
Найбільш доступними продуктами для окислення аеробними мікробами є цукри, спирти та органічні кислоти. Складні азотисті сполуки використовуються для дихання в останню чергу. Анаеробні мікроби в якості субстрату, що окислюється, використовують органічні сполуки і мінеральні речовини.

Анаеробне дихання є менш економічним, ніж аеробне, що видно з наступного прикладу. У процесі аеробного розщеплення однієї молекули виноградного цукру звільняється 674 калорії тепла. (СбН120б+602=6С02+6Н20+674 калорії), а при анаеробному розкладанні тієї ж молекули - лише 27 калорій (C6Hi206=2C2H50H+2C02+27 калорій).
Примітка. Тип дихання мікроорганізмів знаходить своє відображення у характері їх зростання на штучних живильних середовищах. Так, наприклад, туберкульозна паличка, будучи облігатним аеробом, в пробірці або колбі з поживним бульйоном росте тільки поверхнево, у вигляді плівки, залишаючи середовище прозорої, анаеробні бацили - тільки придоніо, а бактерії кишково-тифозної групи шарах бульйону, даючи дифузне зростання.
Методи культивування анаеробів. Для культивування анаеробів, окрім відповідних поживних середовищ, необхідно створити безкисневі умови середовища. Методів культивування анаеробних мікробів є багато. За принципами, покладеними в основу цих методів, їх можна поділити на хімічні, фізичні та біологічні.
Хімічні методи. Є два методи вирощування анаеробів. Перший метод полягає в тому, що засіяні анаеробами пробірки або чашки поміщають в замкнутий простір (наприклад, ексікатор) і ставлять якийсь поглинач кисню - гіпосульфіт натрію і лужний розчин пірогаллола. На 1 г пірогалолу беруть 10 мл 10% розчину NaOH; ця кількість речовини здатна зв'язати кисень обсягом близько 200 мл повітря.
Найкращі прості способиздійснення анаеробіозу за допомогою цієї суміші наступні:

1. Ватну пробку пробірки з посівом цієї культури підрізають, опускають трохи вглиб і змочують розчином (0,5-1 мл). Доступ повітря припиняється шляхом закупорювання гумовою пробкоюабо гумовим ковпачком.

1. Видалення повітря з живильних середовищ перед засівом кип'ятінням у водяній бані протягом 15 хвилин і швидким охолодженням до 45-50°. Для того щоб не дати можливості повітрю знову проникнути в середу, пробірки запаюють або поверхню середовища заливають стерильним парафіновим маслом.
2. Отримання ізольованих колоній у глибоких шарах середовища за способом Віньяля. Техніка посіву за методом Віньяля наступна: у 3-4 пробірки з розплавленим агаровим середовищем роблять посів випробуваного матеріалу з поступовим розведенням. Агар з кожної пробірки, що не застиг ще після засіву, набирають у пастерівські піпетки, які потім запаюють тільки з відтягнутого кінця (при запаюванні, щоб уникнути розбризкування матеріалу не можна тримати протилежний кінець затиснутим). Трубки швидко охолоджують та переносять у термостат. Через 2-3 дні при вдалому розведенні вихідного матеріалуможна спостерігати окремі колонії.

Для виділення колонії у наміченого на трубці місця роблять надріз напилком, після чого трубка легко надламується. На цьому місці вміст виливають у стерильну чашку Гейденрейха - Петрі, колонію беруть зашморгом або втягують у тонку відтягнуту піпетку і переносять у бульйон або уколом у стовпчик цукрового агару.

1. Видалення повітря (а отже, і кисню) із середовища механічним шляхом. Для цього користуються особливими приладами – анаеростатами (рис. 41). Анаеростат у найпростішою формоює прямокутною або циліндричною металевою коробкою, що закривається кришкою на гумовій прокладці. Циліндр має металевий кран, що приєднується до насоса. Пробірки та чашки з посівами поміщають усередину, повітря викачують насосом. Для культивування суворих анаеробів достатньо знизити тиск до 1 мм.

Біологічні методи З біологічних методів найчастіше застосовується зараження тварин та метод Фортнера.
При зараженні тварин матеріал, що використовується, вводять тварині в суміші зі специфічною сироваткою. Цей метод може бути використаний у двох напрямках:

1. Для виділення мікробів із суміші. Якщо мікроб відповідає сироватці, він гине. Інші мікроби, що не відповідають даній сироватці, виділяються з тварини.
2. Для визначення токсинів. За наявності в досліджуваному матеріалі токсину тварина, яка отримала його в суміші з антитоксичною сироваткою, виживає. Контрольна тварина гине. Така постановка діагнозу широко застосовується при біологічній пробі на токсин.

Метод Фортнер. Цей метод наближає лабораторну техніку до природним умовамрозвитку анаеробних мікроорганізмів Фортнер застосував метод симбіозу аеробних мікробів, здатних енергійно поглинати кисень повітря (Bact. prodigiosum), з анаеробами, засіяними на кров'яний агар у чашці Гейденрейха – Петрі. Чашка розділена на дві частини вирізаною смужкою агару, щоб при суцільному зростанні уникнути змішування культур. На одну половину чашки засівають матеріал, що досліджується на анаероби, на іншу - завідомо відомий облігатний аероб (Bact. prodigiosum Сас. subtilis та ін).
Для ізоляції внутрішнього просторучашки від зовнішньої атмосфери краю її заливають воском або заклеюють пластиліном. Методом Фортнера можна отримати хороше поверхневе зростання анаеробів.
Поживні середовища для вирощування анаеробів. Бульйон Кітта - Тароцці. У пробірку з м'ясо-пептонним бульйоном, додають шматочки звареного і промитого окропу на ситі печінки (3-5 г на пробірку) або м'ясний фарш, заливають вазеліновим маслом і стерилізують при 115° протягом 30 хвилин.
Кров'яний агар із глюкозою (Цейсслера). Слаболужний агар, що містить 2-3% агар-агару і 2% глюкози, розливають у великі пробірки (25 см довжини і 2,5 см у поперечнику), приблизно по 60 мл у кожну, стерилізують 30 хвилин при 110° і в такому вигляді зберігають. Перед вживанням агар розтоплюють у водяній бані, охолоджують до 45°, кожну пробірку додають 12-15 мл стерильної дефібринованої крові, перемішують і розливають у 3-4 чашки Гейденрейха-Петрі. Готові чашки витримують перед посівом 2 діб за кімнатної температури.
Агар для трубок Вейона. До мартенівського бульйону додають 2% агару та 0,5% глюкози. Встановлюють pH 7,4, розливають у вузькі пробірки (діаметр 03-05 см, довжина 20 см). Стовпчик агару повинен бути не вище 2/3 довжини пробірки і стерилізують дрібно 3 дні по 40 хвилин у текучепаровому апараті.

Дихання – це фізіологічний процес, необхідний для всіх живих організмів для отримання енергії. Більшість мікроорганізмів одержують енергію внаслідок складного процесу ферментативних окисно-відновних реакцій, в основі яких лежить відділення та приєднання водню. Вважають, що перенесення водню рівноцінний перенесення електрона. Речовина, що віддає електрони, окислюється та є донором. Речовина, що приймає електрони, відновлюється та називається акцептором. Як донори електронів можуть бути органічні та неорганічні сполуки, а кінцевими акцепторами - тільки неорганічні сполуки. Залежно від кінцевого акцептора водню розрізняють аеробнедихання, анаеробнедихання та бродіння. Якщо кінцевим акцептором водню є молекулярний кисень, то дихання називають аеробним. При анаеробному диханні акцептором є неорганічні сполуки типу нітратів або сульфатів. Якщо донором і акцептором водню є органічний субстрат, такий енергетичний процес називається бродінням. При бродінні водень передається на органічна сполука, що утворюється під час самого бродіння.

У процесі бродіння вивільняється менше енергії, ніж у аеробних умовах. В аеробних умовах окислення відбувається найбільш повно, з виділенням максимальної кількостіенергії. При цьому кінцевими продуктамиокислення є діоксид вуглецю та вода. У анаеробних умовах бродіння супроводжується лише частковим вивільненням енергії, що у органічних речовинах. Тож отримання тієї самої кількості енергії бактеріям в анаеробних умовах доводиться витрачати більше органічного субстрату. Це супроводжується накопиченням в субстраті не повністю окислених речовин, що містять запаси хімічної енергії - спирту, молочної кислоти, лимонної кислоти, олійної кислоти та ін. і т.п.

По відношенню мікроорганізмів до молекулярного кисню їх прийнято поділяти на облігатні аероби, мікроаерофіли, факультативні анаероби, облігатні анаероби.

Облігатні аероби(Від лат. obligatus - обов'язковий, строгий) розвиваються за наявності в атмосфері 20% кисню, ростуть на поверхні щільних і рідких поживних середовищ, містять ферменти оксидази, за допомогою яких здійснюється перенесення водню від субстрату, що окислюється до кисню повітря. Реакція протікає за схемою рис. 27. Різниця потенціалів, що створюється між воднем і киснем, є джерелом енергії для всіх аеробів.

Передача електронів на кисень відбувається не прямим шляхом, а внаслідок складного багатоступеневого процесу - дихального ланцюга. У цей ланцюг входить складний комплекс ферментів і ко ферментів, у тому числі цитохромів, які є білковими молекулами, поєднаними з хімічним угрупованням - гемом. Гем містить атом заліза, що має здатність поперемінно окислюватися і відновлюватися.

Під час проходження електронів ланцюгом енергія звільняється окремими невеликими порціями. Частина енергії, що звільняється, акумулюється в макроергічних зв'язках аденозинтрифосфату (АТФ) - відбувається окисне фосфорилювання. Певну кількістьенергії виділяється у зовнішнє середовище. Молода бактеріальна культура виробляє більше енергії, ніж їй необхідно для життєвих процесів, тому іноді спостерігається саморозігрів субстрату (зерно, гній, торф та ін), а в окремих випадках навіть самозаймання.

Мал. 27. Основні схеми ланцюга перенесення електронів

у аеробних мікроорганізмів.

Мікроаерофілипотребують значно меншої кількості кисню. Висока концентрація кисню затримує зростання цих мікроорганізмів (актиноміцети, лептоспіри, бруцели та ін.).

Факультативні анаеробиможуть розмножуватися як у присутності, і у відсутності кисню. У першому випадку вони використовують у процесах біологічного окислення атмосферний кисень як кінцевий акцептор водню. При нестачі кисню як акцептор вони використовують нітрати, сульфати та інші речовини. До цієї групи належать більшість мікроорганізмів. Типовими представниками факультативних анаеробів є кишкова паличка, сальмонели та ін.

Облігатні анаеробирозмножуються в умовах повної відсутності кисню в середовищі. У середині XIXстоліття Пастер у своїх дослідженнях з бродіння показав, що життя можливе і без кисню. У організмів, що у анаеробних умовах, тобто. без кисню, метаболізм заснований на бродінні. Пастер так і говорив, що бродіння - це життя без кисню).

В анаеробних умовах мікроорганізми одержують енергію при окисленні органічних субстратів не киснем повітря, а пов'язаним киснем неорганічних сполук(нітратів, сульфатів), які при цьому відновлюються. Це пояснюється властивістю дихальних анаеробних ферментів - анаеробних або первинних дегідрогеназ, які можуть передавати водень тільки на органічний субстрат або іншим дегідрогеназам. В аеробних умовах аеробні, або вторинні, дегідрогенази передають водень кисню повітря з утворенням пероксиду водню. який потім швидко руйнується каталазою. Анаероби не мають здатності продукувати фермент каталазу, що руйнує високотоксичний для бактерій пероксид водню. Тому для багатьох видів анаеробів кисень токсичний навіть у незначних концентраціях.

Крім того, за наявності кисню в середовищі відбувається інактивація життєво важливих ферментів анаеробів, внаслідок чого вони втрачають здатність до нормального харчування. При додаванні в середу речовин, що редукують, наприклад, глюкози, життєдіяльність мікроорганізмів відновлюється.

Коблігатним анаеробам відносяться: паличка масляніокислого бродіння (Clostridium butirycum), паличка ботулізму (Clostridium botulinum), паличка правця (Clostridium tetani) та ін.