9.2: Вимоги до кисню для росту мікробів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 4071

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Інтерпретувати візуальні дані, що демонструють мінімальні, оптимальні та максимальні вимоги до кисню або вуглекислого газу для зростання
Визначте та опишіть різні категорії мікробів з вимогами до росту з киснем або без нього: облігатний аероб, облігатний анаероб, факультативний анаероб, аеротолерантний анаероб, мікроаерофіл та капнофіл
Наведіть приклади мікроорганізмів для кожної категорії вимог до зростання

Запитайте більшість людей «Які основні вимоги до життя?» і відповіді, ймовірно, включають воду і кисень. Мало хто б сперечався про необхідність води, а як щодо кисню? Чи може бути життя без кисню?

Відповідь полягає в тому, що молекулярний кисень (O ₂) потрібен не завжди. Найбільш ранні ознаки життя датуються періодом, коли умови на землі сильно скорочувалися, а вільний газ кисню фактично не існував. Лише після того, як ціанобактерії почали виділяти кисень як побічний продукт фотосинтезу, а здатність заліза в океанах для поглинання кисню була вичерпана, рівень кисню в атмосфері збільшився. Ця подія, яку часто називають Великою подією оксигенації або кисневою революцією, спричинила масове вимирання. Більшість організмів не змогли пережити потужних окислювальних властивостей активних форм кисню (ROS), сильно нестабільних іонів і молекул, отриманих в результаті часткового відновлення кисню, які можуть пошкодити практично будь-яку макромолекулу або структуру, з якою вони контактують. Синглетний кисень (O ₂ •), супероксид\((\ce{O2-})\), пероксиди (H ₂ _{O 2}), гідроксильний радикал (OH•) та іон гіпохлориту (OCl ⁻), активний інгредієнт побутового відбілювача, є прикладами ROS. Організми, які змогли детоксикувати активні форми кисню, використовували високу електронегативність кисню для вироблення вільної енергії для їх метаболізму і процвітали в новому середовищі.

Потреби в кисні мікроорганізмів

Багато екосистем все ще вільні від молекулярного кисню. Деякі зустрічаються в екстремальних місцях, таких як глибоко в океані або в земній корі; інші є частиною нашого повсякденного ландшафту, таких як болота, болота та каналізація. У тілах людей та інших тварин регіони з невеликою кількістю кисню або відсутністю забезпечують анаеробне середовище для мікроорганізмів. (Малюнок\(\PageIndex{1}\)).

а) Фотографія болота. Б) Фотографія корів. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Анаеробні середовища все ще поширені на землі. Вони включають такі середовища, як (а) болото, де непорушені щільні опади практично позбавлені кисню, і (б) рубець (перший відсік коров'ячого шлунка), який забезпечує безкисневий інкубатор для метаногенів та інших облігатних анаеробних бактерій. (кредит a: зміна роботи Службою національних парків; кредит b: модифікація роботи Міністерства сільського господарства США)

Ми можемо легко спостерігати різні вимоги до молекулярного кисню, вирощуючи бактерії в культурах тіогліколятних труб. Культура пробірки починається з автоклавного тіогліколятного середовища, що містить низький відсоток агару, щоб рухливі бактерії могли рухатися по всьому середовищу. Тіогліколят має сильні відновлювальні властивості і автоклавування вимиває більшу частину кисню. Трубки інокулюють бактеріальними культурами, які потрібно випробувати та інкубувати при відповідній температурі. Згодом кисень повільно дифундує по всій культурі тіогліколятної трубки зверху. Щільність бактерій збільшується в тій області, де концентрація кисню найкраще підходить для росту цього конкретного організму.

Зростання бактерій з різною потребою в кисні в тіогліколатних трубках проілюстровано на малюнку\(\PageIndex{2}\). У трубці А весь наріст видно у верхній частині трубки. Бактерії - це облігатні (суворі) аероби, які не можуть рости без рясного надходження кисню. Трубка В виглядає як протилежна трубці А. Бактерії ростуть на дні трубки Б. Це облігатні анаероби, які гинуть киснем. Трубка С показує важке зростання у верхній частині трубки і зростання по всій трубці, типовий результат при факультативних анаеробів. Факультативні анаероби - це організми, які процвітають у присутності кисню, але також ростуть за його відсутності, спираючись на бродіння або анаеробне дихання, якщо є відповідний акцептор електронів, крім кисню, і організм здатний виконувати анаеробне дихання. Аеротолерантні анаероби в трубці D байдужі до присутності кисню. Вони не використовують кисень, оскільки зазвичай мають ферментативний метаболізм, але їм не шкодить присутність кисню, як облігатні анаероби. На трубці Е праворуч зображена культура «Золотоволоса». Рівень кисню повинен бути правильним для росту, не занадто багато і не занадто мало. Ці мікроаерофіли - бактерії, яким для росту потрібен мінімальний рівень кисню, близько 1% - 10%, що значно нижче 21%, виявленого в атмосфері.

Прикладами облігатних аеробів є Mycobacterium tuberculosis, збудник туберкульозу та Micrococcus luteus, грампозитивна бактерія, яка колонізує шкіру. Neisseria meningitidis, збудник важкого бактеріального менінгіту, і N. gonorreae, збудник гонореї, що передається статевим шляхом, також є облігатними аеробами.

Діаграма поширення бактерій в трубках. На трубці А зображені облігатні аероби, які ростуть у верхній частині трубки. Трубка В показує облігатні анаероби, які ростуть на дні трубки. Трубка С показує факультативні анаероби, які найкраще ростуть у верхній частині, але також ростуть по всій трубці. Трубка D показує аеротолерантні анаероби, які однаково добре ростуть у всьому протязі. На трубці E зображені мікроаерофіли, які ростуть трохи нижче верхньої частини трубки. — Рисунок\(\PageIndex{2}\): Діаграма розподілу бактеріальних клітин у тіогліколятних трубках.

Багато облігатні анаероби знаходяться в середовищі, де існують анаеробні умови, наприклад, в глибоких відкладеннях ґрунту, нерухомих водах, і на дні глибокого океану, де немає фотосинтетичного життя. Анаеробні умови також існують природним чином в кишковому тракті тварин. Облігатні анаероби, переважно бактероїдети, являють собою велику частку мікробів в кишечнику людини. Транзиторні анаеробні стани існують, коли тканини не забезпечуються кровообігом; вони гинуть і стають ідеальним середовищем для розмноження облігатних анаеробів. Ще один вид облігатного анаеробу, що зустрічається в організмі людини, - грампозитивний, стрижневий Clostridium spp. Їх здатність утворювати ендоспори дозволяє їм виживати в присутності кисню. Однією з основних причин інфекцій, набутих здоров'ям, є C. difficile, відомий як C. diff. Тривале застосування антибіотиків при інших інфекціях збільшує ймовірність розвитку у пацієнта вторинної C. difficile інфекції. Лікування антибіотиками порушує баланс мікроорганізмів в кишечнику і дозволяє колонізувати кишечник C. difficile, викликаючи значне запалення товстої кишки.

Інші клостридії, відповідальні за серйозні інфекції, включають C. tetani, збудник правця, і C. perfringens, що викликає газову гангрену. В обох випадках інфекція починається в некротизованій тканині (мертвій тканині, яка не забезпечується киснем шляхом кровообігу). Це і є причиною того, що глибокі проколоті рани пов'язані з правцем. Коли відмирання тканин супроводжується відсутністю кровообігу, гангрена завжди становить небезпеку.

Дослідження облігатних анаеробів вимагає спеціального обладнання. Облігатні анаеробні бактерії необхідно вирощувати в умовах, позбавлених кисню. Найпоширеніший підхід - культура в анаеробній банці (рис.\(\PageIndex{3}\)). Анаеробні банки включають хімічні пакети, які видаляють кисень і виділяють вуглекислий газ (СО ₂). Анаеробна камера являє собою закриту коробку, з якої видаляється весь кисень. Рукавички, герметичні до отворів в коробці, дозволяють обробляти культури, не піддаючи культуру повітрям (рис.\(\PageIndex{3}\)).

а) Фото стопки агарових пластин в камері. Б) Фото камери з рукавами для зброї. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) Анаеробна банка зображена, яка містить дев'ять пластин Петрі, що підтримують культури. (b) Отвори в бічній частині анаеробної коробки герметизуються рукавичками, схожими на рукавички, які дозволяють обробляти культури всередині коробки. (кредит a: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань; кредит b: модифікація роботи NIST)

Стафілококи і Enterobacteriaceae є прикладами факультативних анаеробів. Стафілококи виявляються на шкірі і верхніх дихальних шляхах. Ентеробактерії знаходяться в основному в кишечнику та верхніх дихальних шляхах, але іноді можуть поширюватися на сечовивідні шляхи, де вони здатні викликати інфекції. Незвично бачити змішані бактеріальні інфекції, при яких факультативні анаероби використовують кисень, створюючи середовище для процвітання облігатних анаеробів.

Приклади аеротолерантних анаеробів включають лактобактерії та стрептококи, обидва містяться в пероральній мікробіоті. Campylobacter jejuni, який викликає шлунково-кишкові інфекції, є прикладом мікроаерофіла і вирощується в умовах низького вмісту кисню.

Оптимальна концентрація кисню, як випливає з назви, - ідеальна концентрація кисню для конкретного мікроорганізму. Найнижча концентрація кисню, що дозволяє зростати, називається мінімально допустимою концентрацією кисню. Найвища переносима концентрація кисню - це максимально допустима концентрація кисню. Організм не буде рости поза діапазоном рівнів кисню, виявлених між мінімальною та максимальною дозволеною концентрацією кисню.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Чи очікуєте ви, що найстаріші бактеріальні лінії будуть аеробними або анаеробними?
Які бактерії ростуть у верхній частині тіогліколятної трубки, а які ростуть внизу трубки?

Небажаний анаероб

Чарльз - водій автобуса у відставці, який розвинув діабет 2 типу більше 10 років тому. З моменту виходу на пенсію його спосіб життя став дуже малорухливим, і він набрав значну кількість ваги. Хоча він деякий час відчував поколювання і оніміння в лівій нозі, він не хвилювався, тому що думав, що його нога просто «засинає». Останнім часом подряпина на нозі, здається, не загоюється і стає все більш негарною. Оскільки болячка не турбувала його сильно, Чарльз вважав, що це не може бути серйозним, поки його дочка не помітила пурпурове знебарвлення, що поширюється на шкірі і сочиться (рис.\(\PageIndex{4}\)). Коли його нарешті побачив його лікар, Чарльза кинулися в операційну. Його відкрита болячка, або виразка, є результатом діабетичної стопи.

Занепокоєння тут полягає в тому, що газова гангрена, можливо, заволоділася мертвою тканиною. Найбільш ймовірним збудником газової гангрени є Clostridium perfringens, ендоспорообразующая, грампозитивна бактерія. Це облігатний анаероб, який росте в тканині, позбавленої кисню. Оскільки мертва тканина більше не забезпечується киснем кровоносної системи, мертва тканина забезпечує кишені ідеального середовища для росту C. perfringens.

Хірург оглядає виразку і рентгенограми стопи Чарльза і визначає, що кістка ще не інфікована. Рану доведеться хірургічно знешкодити (санація стосується видалення мертвої та інфікованої тканини) та зразок, відправлений на мікробіологічний лабораторний аналіз, але Чарльзу не доведеться ампутувати ногу. Багатьом хворим на цукровий діабет не так пощастило. У 2008 році майже 70 000 хворих на цукровий діабет в США втратили стопу або кінцівку від ампутації, згідно зі статистикою Центрів контролю та профілактики захворювань.

Набрякла стопа з лущиться шкірою і чорними областями під шкірою. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): На цій клінічній фотографії зображені виразки на стопі хворого на цукровий діабет. Омертвілі тканини, що накопичуються в виразках, можуть забезпечити ідеальне середовище росту для анаеробу *C. perfringens*, збудника газової гангрени. (кредит: Шігео Коно, Рейко Накагавачі, Джун Арата, Бенджамін А Ліпський)

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Які умови росту ви б рекомендували для виявлення C. perfringens?

Детоксикація активних форм кисню

Аеробне дихання постійно генерує активні форми кисню (РОС), побічні продукти, які необхідно детоксикувати. Навіть організмам, які не використовують аеробне дихання, потрібен якийсь спосіб зруйнувати деякі ROS, які можуть утворюватися з атмосферного кисню. Три основні ферменти розщеплюють ці токсичні побічні продукти: супероксиддисмутазу, пероксидазу та каталазу. Кожен каталізує різну реакцію. Реакції типу, що спостерігаються в Реакції 1, каталізуються пероксидазами.

\[\mathrm{X-(2H^+)+H_2O_2 \rightarrow \text{oxidized-}X+2H_2O}\]

У цих реакціях донор електронів (відновлена сполука; наприклад, відновлений нікотинамід аденіндинуклеотид [NADH]) окислює перекис водню або інші пероксиди до води. Ферменти відіграють важливу роль, обмежуючи пошкодження, спричинені перекисним окисленням мембранних ліпідів. Реакція 2 опосередкована ферментом супероксиддисмутазою (СОД) і розщеплює потужні супероксидні аніони, що генеруються аеробним метаболізмом:

\[\mathrm{2O_2^- + 2H^+ \rightarrow H_2O_2+O_2}\]

Фермент каталаза перетворює перекис водню у воду та кисень, як показано в Реакція 3.

\[\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O+O_2}\]

Облігатні анаероби зазвичай не вистачає всіх трьох ферментів. Аеротолерантні анаероби мають СОД, але немає каталази. Реакція 3, показана на малюнку\(\PageIndex{5}\), є основою корисного і швидкого тесту для відрізнення стрептококів, які є аеротолерантними і не володіють каталазою, від стафілококів, які є факультативними анаеробами. Зразок культури, швидко змішаний в краплі 3% перекису водню, вивільнить бульбашки, якщо культура каталаза позитивна.

Гірка з двома краплями прозорої рідини. Ліва крапля не пузириться і позначена каталазою негативною. Права крапля бульбає і позначена каталаза позитивна. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Тест каталази виявляє наявність ферменту каталази, відзначаючи, чи виділяються бульбашки при додаванні пероксиду водню до культурального зразка. Порівняйте позитивний результат (праворуч) з негативним результатом (зліва). (кредит: Центри контролю та профілактики захворювань)

Бактерії, які найкраще ростуть у більш високій концентрації CO ₂ і меншій концентрації кисню, ніж присутній в атмосфері, називаються капнофілами. Одним із поширених підходів до вирощування капнофілів є використання баночки зі свічками. Банка для свічок складається з банки з щільно закривається кришкою, яка вміщує культури і свічки. Після того як культури будуть додані в банку, свічку запалюють і закривають кришку. Коли свічка горить, вона споживає більшу частину присутнього кисню і виділяє СО ₂.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Яку речовину додають в пробу для виявлення каталази?
Яка функція свічки в баночці зі свічкою?

Клінічна спрямованість: Частина 2

Постачальник медичних послуг, який бачив Джені, стурбований насамперед через її вагітність. Її стан підвищує ризик інфекцій і робить її більш вразливою до цих інфекцій. Імунна система порушується під час вагітності, і збудники, які перетинають плаценту, можуть бути дуже небезпечними для плода. У примітці про замовлення постачальника до мікробіологічної лабораторії згадується підозра на зараження Listeria monocytogenes, виходячи з ознак та симптомів, виявлених пацієнтом.

Зразки крові Джені розміщені безпосередньо на агарі овечої крові, середовищі, що містить триптичний соєвий агар, збагачений 5% овечою кров'ю. (Кров вважається стерильною; тому конкуруючі мікроорганізми не очікуються в середовищі.) Інокульовані пластини інкубують при 37° C протягом 24-48 годин. З'являються невеликі сіруваті колонії, оточені чіткою зоною. Такі колонії характерні для лістерій та інших збудників, таких як стрептококи; чітка зона, що оточує колонії, свідчить про повний лізис крові в середовищі, іменований бета-гемолізом (рис.\(\PageIndex{6}\)). При тестуванні на наявність каталази колонії дають позитивну відповідь, усуваючи стрептокок як можливу причину. Крім того, пляма за Грамом показує короткі грампозитивні бацили. Клітини з бульйонної культури, вирощеної при кімнатній температурі, відображали рухливість, характерну для лістерій (рис.\(\PageIndex{6}\)). Всі ці підказки змушують лабораторію позитивно підтвердити наявність Лістерії в зразках крові Дженні.

а) Дві пластинки агару крові, які мають червоний колір. Ліва пластинка позначена альфа-гемолізом і показує невеликі просіки навколо колоній. Права пластинка позначена бета-гемолізом і показує повні вирубки навколо колоній. Б) Дві трубки. Ліва трубка позитивна і показує хмарність, що поширюється від центральної лінії вниз по середині трубки. Права трубка негативна і не показує хмарності, що поширюється від цієї центральної лінії. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Зразок тесту на агар крові, що показує бета-гемоліз. (b) Тест на рухливість зразка, який показує як позитивні, так і негативні результати. (кредит а: модифікація роботи Центрів контролю та профілактики захворювань; кредит b: модифікація роботи «VeeDunn» /Flickr)

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Наскільки серйозним є стан Джені і яке відповідне лікування?

Ключові поняття та резюме

Аеробні та анаеробні середовища можна знайти в різних нішах по всій природі, включаючи різні місця всередині і на тілі людини.
Мікроорганізми різняться за своїми потребами в молекулярному кисні. Облігатні аероби залежать від аеробного дихання і використовують кисень як кінцевий акцептор електронів. Вони не можуть рости без кисню.
Облігатні анаероби не можуть рости в присутності кисню. Вони залежать від бродіння і анаеробного дихання з використанням кінцевого електронного акцептора, відмінного від кисню.
Факультативні анаероби показують кращий ріст у присутності кисню, але також будуть рости і без нього.
Хоча аеротолерантні анаероби не виконують аеробного дихання, вони можуть рости в присутності кисню. Більшість аеротолерантних анаеробів тест негативний на фермент каталази.
Мікроаерофіли потребують кисню, щоб рости, хоча і в меншій концентрації, ніж 21% кисню в повітрі.
Оптимальна концентрація кисню для організму - це рівень кисню, який сприяє найшвидшим темпам росту. Мінімальна допустима концентрація кисню і максимальна допускна концентрація кисню - це, відповідно, найнижчий і найвищий рівень кисню, який буде переносити організм.
Пероксидаза, супероксиддисмутаза та каталаза є основними ферментами, які беруть участь у детоксикації активних форм кисню. Супероксиддисмутаза зазвичай присутня в клітині, яка може переносити кисень. Всі три ферменти зазвичай виявляються в клітині, які виконують аеробне дихання і виробляють більше РОС.
Капнофіл - це організм, якому для зростання потрібна більша, ніж атмосферна концентрація CO ₂.

Виноски

1 Центри з контролю та профілактики захворювань. «Життя з діабетом: тримайте ноги здоровими». http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/