9.2: متطلبات الأكسجين للنمو الميكروبي
- Page ID
- 195349
أهداف التعلم
- تفسير البيانات المرئية التي توضح الحد الأدنى والأمثل والحد الأقصى لمتطلبات الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون للنمو
- حدد ووصف الفئات المختلفة من الميكروبات التي تتطلب النمو مع الأكسجين أو بدونه: الأيروب الإلزامي، والأيروب الإلزامي، والأيروب الاختياري، والأنيروب المتحمل للهواء، والميكروروفيل، والكابوفيل
- أعط أمثلة للكائنات الحية الدقيقة لكل فئة من متطلبات النمو
اسأل معظم الناس «ما هي المتطلبات الرئيسية للحياة؟» ومن المرجح أن تشمل الإجابات الماء والأكسجين. قليلون قد يجادلون حول الحاجة إلى الماء، ولكن ماذا عن الأكسجين؟ هل يمكن أن تكون هناك حياة بدون أكسجين؟
الجواب هو أن الأكسجين الجزيئي (O 2) ليس مطلوبًا دائمًا. تعود أولى علامات الحياة إلى فترة كانت فيها الظروف على الأرض تتناقص بشكل كبير وكان غاز الأكسجين الحر غير موجود بشكل أساسي. فقط بعد أن بدأت البكتيريا الزرقاء في إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي واستنفاد قدرة الحديد في المحيطات على امتصاص الأكسجين، زادت مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي. تسبب هذا الحدث، الذي يشار إليه غالبًا باسم حدث الأوكسجين الكبير أو ثورة الأكسجين، في انقراض هائل. لا تستطيع معظم الكائنات الحية البقاء على قيد الحياة بسبب الخصائص المؤكسدة القوية لأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) والأيونات والجزيئات غير المستقرة للغاية المشتقة من الاختزال الجزئي للأكسجين التي يمكن أن تلحق الضرر فعليًا بأي جزيء أو بنية تتلامس معها. الأكسجين الأحادي (O 2 •)، والأكسيد الفائق\((\ce{O2-})\)، والبيروكسيدات (H 2 O 2)، وجذور الهيدروكسيل (OH•)، وأيون هيبوكلوريت (CoL −)، العنصر النشط في التبييض المنزلي، كلها أمثلة على ROS. قامت الكائنات الحية التي تمكنت من إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية بتسخير السلبية الإلكترونية العالية للأكسجين لإنتاج طاقة مجانية لعملية التمثيل الغذائي وازدهرت في البيئة الجديدة.
متطلبات الأكسجين للكائنات الحية الدقيقة
لا تزال العديد من النظم البيئية خالية من الأكسجين الجزيئي. يوجد بعضها في مواقع متطرفة، مثل أعماق المحيط أو في القشرة الأرضية؛ والبعض الآخر جزء من المناظر الطبيعية اليومية، مثل المستنقعات والمستنقعات والمجاري. داخل أجسام البشر والحيوانات الأخرى، توفر المناطق ذات الأكسجين القليل أو المعدوم بيئة لاهوائية للكائنات الحية الدقيقة. (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
يمكننا بسهولة ملاحظة المتطلبات المختلفة للأكسجين الجزيئي عن طريق زراعة البكتيريا في مزارع أنابيب الثيوجليكولات. تبدأ زراعة أنبوب الاختبار بوسط ثيوجليكولات أوتوكلاف يحتوي على نسبة منخفضة من الأجار للسماح للبكتيريا المتحركة بالتحرك في جميع أنحاء الوسط. يحتوي الثيوجليكولات على خصائص اختزال قوية ويقوم الأوتوكلاف بإخراج معظم الأكسجين. يتم تلقيح الأنابيب بالثقافات البكتيرية لفحصها واحتضانها عند درجة حرارة مناسبة. بمرور الوقت، ينتشر الأكسجين ببطء في جميع أنحاء ثقافة أنبوب الثيوجليكولات من الأعلى. تزداد الكثافة البكتيرية في المنطقة التي يكون فيها تركيز الأكسجين هو الأنسب لنمو هذا الكائن الحي بعينه.
يوضح الشكل نمو البكتيريا ذات متطلبات الأكسجين المختلفة في أنابيب الثيوغليكولات\(\PageIndex{2}\). في الأنبوب A، يظهر كل النمو في الجزء العلوي من الأنبوب. البكتيريا عبارة عن هوائيات إلزامية (صارمة) لا يمكن أن تنمو بدون إمدادات وفيرة من الأكسجين. يبدو الأنبوب B عكس الأنبوب A. تنمو البكتيريا في الجزء السفلي من الأنبوب B. هذه هي اللاهوائيات الإجبارية التي يتم قتلها بواسطة الأكسجين. يُظهر الأنبوب C نموًا كبيرًا في الجزء العلوي من الأنبوب ونموًا في جميع أنحاء الأنبوب، وهي نتيجة نموذجية مع اللاهوائيات الاختيارية. اللاهوائيات الاختيارية هي كائنات حية تزدهر في وجود الأكسجين ولكنها تنمو أيضًا في غيابه من خلال الاعتماد على التخمير أو التنفس اللاهوائي، إذا كان هناك مستقبل إلكتروني مناسب بخلاف الأكسجين وكان الكائن الحي قادرًا على إجراء التنفس اللاهوائي. لا تبالي اللاهوائيات القادرة على تحمل الهواء في الأنبوب D بوجود الأكسجين. لا يستخدمون الأكسجين لأنهم عادة ما يخضعون لعملية التمثيل الغذائي التخمري، لكنهم لا يتضررون من وجود الأكسجين مثل اللاهوائيات الإلزامية. يُظهر الأنبوب E على اليمين ثقافة «Goldilocks». يجب أن يكون مستوى الأكسجين مناسبًا تمامًا للنمو، وليس كثيرًا وليس قليلًا جدًا. هذه البكتيريا الدقيقة هي بكتيريا تتطلب الحد الأدنى من الأكسجين للنمو، حوالي 1٪ - 10٪، أقل بكثير من 21٪ الموجودة في الغلاف الجوي.
ومن أمثلة الأيروبات الإلزامية المتفطرة السلية، وهي العامل المسبب لمرض السل، والمكورات اللوتية، وهي بكتيريا إيجابية الجرام تستعمر الجلد. يعتبر النيسرية السحائية، العامل المسبب لالتهاب السحايا الجرثومي الشديد، والنيوريا السيلانية، العامل المسبب لمرض السيلان الذي ينتقل عن طريق الاتصال الجنسي، من الأيروبات الإلزامية أيضًا.
توجد العديد من اللاهوائيات الإلزامية في البيئة حيث توجد الظروف اللاهوائية، كما هو الحال في الرواسب العميقة للتربة والمياه الساكنة وفي قاع المحيط العميق حيث لا توجد حياة التمثيل الضوئي. توجد أيضًا الظروف اللاهوائية بشكل طبيعي في الأمعاء للحيوانات. تمثل اللاهوائيات الإجبارية، وخاصة البكتيريا، جزءًا كبيرًا من الميكروبات في أمعاء الإنسان. تحدث الحالات اللاهوائية العابرة عندما لا يتم تزويد الأنسجة بالدورة الدموية؛ فهي تموت وتصبح أرضًا مثالية لتكاثر اللاهوائيات الإجبارية. هناك نوع آخر من الأندروب الإلزامي الموجود في جسم الإنسان وهو Clostridium spp الإيجابي بالجرام على شكل قضيب. تسمح قدرتها على تكوين المسام الداخلية لها بالبقاء على قيد الحياة في وجود الأكسجين. أحد الأسباب الرئيسية للعدوى المكتسبة من الصحة هو المطثية العسيرة، المعروفة باسم C. diff. يزيد الاستخدام المطول للمضادات الحيوية للعدوى الأخرى من احتمال إصابة المريض بعدوى C. العسيرة الثانوية. العلاج بالمضادات الحيوية يعطل توازن الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء ويسمح باستعمار الأمعاء بواسطة المطثية العسيرة، مما يسبب التهابًا كبيرًا في القولون.
وتشمل الكلوستريديا الأخرى المسؤولة عن حالات العدوى الخطيرة بكتيريا C. tetani، وهي عامل التيتانوس، وC. perfringens، التي تسبب الغرغرينا الغازية. في كلتا الحالتين، تبدأ العدوى في الأنسجة الميتة (الأنسجة الميتة التي لا يتم تزويدها بالأكسجين عن طريق الدورة الدموية). هذا هو السبب في أن الجروح العميقة مرتبطة بالكزاز. عندما يكون موت الأنسجة مصحوبًا بنقص الدورة الدموية، تكون الغرغرينا دائمًا خطرًا.
تتطلب دراسة اللاهوائيات الإلزامية معدات خاصة. يجب أن تنمو البكتيريا اللاهوائية الملزمة في ظروف خالية من الأكسجين. النهج الأكثر شيوعًا هو الاستزراع في جرة لاهوائية (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تشتمل الجرار اللاهوائية على عبوات كيميائية تزيل الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون (CO 2). الغرفة اللاهوائية عبارة عن صندوق مغلق يتم إزالة كل الأكسجين منه. تسمح القفازات المغلقة بفتحات الصندوق بالتعامل مع الثقافات دون تعريض الثقافة للهواء (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
المكورات العنقودية والبكتيريا المعوية هي أمثلة على اللاهوائيات الاختيارية. توجد المكورات العنقودية على الجلد والجهاز التنفسي العلوي. توجد البكتيريا المعوية بشكل أساسي في القناة الهضمية والجهاز التنفسي العلوي ولكنها يمكن أن تنتشر أحيانًا إلى المسالك البولية، حيث تكون قادرة على التسبب في الالتهابات. ليس من غير المعتاد رؤية عدوى بكتيرية مختلطة تستهلك فيها اللاهوائيات الاختيارية الأكسجين، مما يخلق بيئة لازدهار اللاهوائيات الإلزامية.
تشمل أمثلة مضادات الالتهاب اللاهوائية العصيات اللبنية والمكورات العقدية، وكلاهما موجود في الميكروبات الفموية. يُعد عقار Campylobacter jejuni، الذي يسبب التهابات الجهاز الهضمي، مثالاً على الكائنات الدقيقة ويزرع تحت ظروف انخفاض الأكسجين.
تركيز الأكسجين الأمثل، كما يوحي الاسم، هو التركيز المثالي للأكسجين لكائن حي دقيق معين. يُطلق على أقل تركيز للأكسجين الذي يسمح بالنمو الحد الأدنى من تركيز الأكسجين المسموح به. أعلى تركيز مسموح به للأكسجين هو الحد الأقصى لتركيز الأكسجين المسموح به. لن ينمو الكائن الحي خارج نطاق مستويات الأكسجين الموجودة بين الحد الأدنى والحد الأقصى لتركيزات الأكسجين المسموح بها.
التمارين\(\PageIndex{1}\)
- هل تتوقع أن تكون السلالات البكتيرية الأقدم هوائية أو لاهوائية؟
- ما البكتيريا التي تنمو في الجزء العلوي من أنبوب ثيوجليكولات، والتي تنمو في الجزء السفلي من الأنبوب؟
أناروب غير مرحب بها
تشارلز هو سائق حافلة متقاعد أصيب بمرض السكري من النوع 2 منذ أكثر من 10 سنوات. منذ تقاعده، أصبح أسلوب حياته مستقرًا جدًا واكتسب قدرًا كبيرًا من الوزن. على الرغم من أنه شعر بوخز وخدر في قدمه اليسرى لفترة من الوقت، إلا أنه لم يشعر بالقلق لأنه اعتقد أن قدمه كانت ببساطة «نائمة». في الآونة الأخيرة، لا يبدو أن خدش قدمه يشفي وأصبح قبيحًا بشكل متزايد. نظرًا لأن القرحة لم تزعجه كثيرًا، فقد اعتقد تشارلز أنها لا يمكن أن تكون خطيرة حتى لاحظت ابنته تغير اللون الأرجواني المنتشر على الجلد والنضح (الشكل\(\PageIndex{4}\)). عندما شاهده طبيبه أخيرًا، تم نقل تشارلز إلى غرفة العمليات. القرحة المفتوحة، أو القرحة، هي نتيجة القدم السكرية.
القلق هنا هو أن الغرغرينا الغازية ربما ترسخت في الأنسجة الميتة. العامل الأكثر احتمالاً للغرغرينا الغازية هو كلوستريديوم بيرفرينجنز، وهي بكتيريا مكونة للأبواغ وإيجابية الجرام. إنه شريان مائي إلزامي ينمو في الأنسجة الخالية من الأكسجين. نظرًا لأن الأنسجة الميتة لم تعد تزود بالأكسجين من قبل الجهاز الدوري، فإن الأنسجة الميتة توفر جيوبًا من البيئة المثالية لنمو C. perfrengens.
يقوم الجراح بفحص القرحة والصور الشعاعية لقدم تشارلز ويحدد أن العظام لم تصاب بعد. يجب إزالة الجرح جراحيًا (يشير التنضير إلى إزالة الأنسجة الميتة والمصابة) وإرسال عينة لتحليلها في المختبر الميكروبيولوجي، لكن تشارلز لن يضطر إلى بتر قدمه. العديد من مرضى السكري ليسوا محظوظين جدًا. في عام 2008، فقد ما يقرب من 70،000 مريض بالسكري في الولايات المتحدة قدمه أو أحد أطرافه بسبب البتر، وفقًا لإحصاءات مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها.
التمارين\(\PageIndex{2}\)
ما هي شروط النمو التي توصي بها للكشف عن بكتيريا C. perfrengens؟
إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية
ينتج التنفس الهوائي باستمرار أنواعًا من الأكسجين التفاعلي (ROS)، وهي منتجات ثانوية يجب إزالة السموم منها. حتى الكائنات الحية التي لا تستخدم التنفس الهوائي تحتاج إلى طريقة ما لكسر بعض ROS التي قد تتكون من الأكسجين الجوي. تقوم ثلاثة إنزيمات رئيسية بتفكيك تلك المنتجات الثانوية السامة: سوبر أكسيد الديسموتاز والبيروكسيديز والكاتالاز. كل واحد يحفز رد فعل مختلف. يتم تحفيز التفاعلات من النوع الذي يظهر في التفاعل 1 بواسطة البيروكسيداز.
\[\mathrm{X-(2H^+)+H_2O_2 \rightarrow \text{oxidized-}X+2H_2O}\]
في هذه التفاعلات، يقوم مانح الإلكترون (مركب مختزل؛ على سبيل المثال، انخفاض نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد [NADH]) بأكسيد بيروكسيد الهيدروجين، أو البيروكسيدات الأخرى، إلى الماء. تلعب الإنزيمات دورًا مهمًا من خلال الحد من الضرر الناجم عن بيروكسيد الدهون الغشائية. يتم التوسط في التفاعل 2 بواسطة إنزيم الديسموتاز الفائق (SOD) ويكسر أنيونات الأكسيد الفائقة القوية الناتجة عن التمثيل الغذائي الهوائي:
\[\mathrm{2O_2^- + 2H^+ \rightarrow H_2O_2+O_2}\]
يقوم إنزيم الكاتالاز بتحويل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين كما هو موضح في التفاعل 3.
\[\mathrm{2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O+O_2}\]
عادة ما تفتقر اللاهوائيات الإلزامية إلى جميع الإنزيمات الثلاثة. تحتوي اللاهوائيات المتحملة للطيران على SOD ولكن لا تحتوي على الكاتالاز. رد الفعل 3، الموضح في الشكل\(\PageIndex{5}\)، هو أساس اختبار مفيد وسريع للتمييز بين المكورات العقدية، التي تتحمل الهواء ولا تمتلك الكاتالاز، والمكورات العنقودية، وهي اللاهوائيات الاختيارية. ستؤدي عينة من الثقافة التي يتم خلطها بسرعة في قطرة من بيروكسيد الهيدروجين بنسبة 3٪ إلى إطلاق فقاعات إذا كانت الثقافة إيجابية الكاتالاز.
تسمى البكتيريا التي تنمو بشكل أفضل في تركيز أعلى من ثاني أكسيد الكربون وتركيز أقل من الأكسجين عن الموجود في الغلاف الجوي بالكابوفيل. أحد الأساليب الشائعة لزراعة الكابنوفيل هو استخدام جرة الشموع. تتكون جرة الشموع من جرة بغطاء محكم يمكن أن يستوعب الثقافات والشمعة. بعد إضافة الثقافات إلى الجرة، تضاء الشمعة ويغلق الغطاء. عندما تحترق الشمعة، فإنها تستهلك معظم الأكسجين الموجود وتطلق ثاني أكسيد الكربون.
التمارين\(\PageIndex{3}\)
- ما المادة التي تُضاف إلى العينة للكشف عن الكاتالاز؟
- ما وظيفة الشمعة في جرة الشموع؟
التركيز السريري: الجزء 2
كان مقدم الرعاية الصحية الذي رأى جيني قلقًا في المقام الأول بسبب حملها. تزيد حالتها من خطر العدوى وتجعلها أكثر عرضة لتلك العدوى. يتم تقليل تنظيم الجهاز المناعي أثناء الحمل، ويمكن أن تكون مسببات الأمراض التي تعبر المشيمة خطيرة جدًا على الجنين. تشير ملاحظة حول طلب مقدم الخدمة إلى مختبر الأحياء الدقيقة إلى الاشتباه في الإصابة بعدوى الليستيريا أحادية الخلية، بناءً على العلامات والأعراض التي أظهرها المريض.
يتم سحب عينات دم جيني مباشرة على أجار دم الأغنام، وهو وسط يحتوي على أجار الصويا التربتيك المخصب بنسبة 5٪ من دم الأغنام. (يعتبر الدم عقيمًا؛ لذلك، لا يُتوقع ظهور الكائنات الحية الدقيقة المتنافسة في الوسط.) يتم تحضين الألواح الملقحة عند 37 درجة مئوية لمدة 24 إلى 48 ساعة. تظهر مستعمرات رمادية صغيرة محاطة بمنطقة واضحة. هذه المستعمرات نموذجية لليستيريا ومسببات الأمراض الأخرى مثل المكورات العقدية؛ تشير المنطقة الصافية المحيطة بالمستعمرات إلى تحلل كامل للدم في الوسط، ويشار إليه باسم تحلل بيتا الدموي (الشكل\(\PageIndex{6}\)). عند اختبار وجود الكاتالاز، تعطي المستعمرات استجابة إيجابية، حيث تقضي على المكورات العقدية كسبب محتمل. علاوة على ذلك، تُظهر بقعة الجرام عصيات قصيرة إيجابية الجرام. أظهرت الخلايا من مزرعة المرق التي نمت في درجة حرارة الغرفة الحركة المتدهورة التي تتميز بها الليستيريا (الشكل\(\PageIndex{6}\)). كل هذه القرائن تقود المختبر إلى التأكيد بشكل إيجابي على وجود الليستيريا في عينات دم جيني.
التمارين\(\PageIndex{4}\)
ما مدى خطورة حالة جيني وما هو العلاج المناسب؟
المفاهيم الأساسية والملخص
- يمكن العثور على البيئات الهوائية واللاهوائية في مجالات متنوعة في جميع أنحاء الطبيعة، بما في ذلك مواقع مختلفة داخل جسم الإنسان وعلى جسمه.
- تختلف الكائنات الحية الدقيقة في متطلباتها للأكسجين الجزيئي. تعتمد الأيروبات الملزمة على التنفس الهوائي وتستخدم الأكسجين كمستقبل للإلكترون النهائي. لا يمكن أن تنمو بدون الأكسجين.
- لا يمكن أن تنمو اللاهوائيات الإلزامية في وجود الأكسجين. وهي تعتمد على التخمير والتنفس اللاهوائي باستخدام مستقبل إلكتروني نهائي غير الأكسجين.
- تُظهر اللاهوائيات الاختيارية نموًا أفضل في وجود الأكسجين ولكنها ستنمو أيضًا بدونه.
- على الرغم من أن اللاهوائيات التي تتحمل الهواء لا تقوم بالتنفس الهوائي، إلا أنها يمكن أن تنمو في وجود الأكسجين. تُعد نتائج اختبار معظم اللاهوائيات المُتحملة للهواء سلبية بالنسبة لإنزيم الكاتالاز.
- تحتاج الميكروبات الهوائية إلى الأكسجين لتنمو، وإن كان ذلك بتركيز أقل من 21٪ من الأكسجين في الهواء.
- تركيز الأكسجين الأمثل للكائن الحي هو مستوى الأكسجين الذي يعزز أسرع معدل نمو. الحد الأدنى من تركيز الأكسجين المسموح به والحد الأقصى لتركيز الأكسجين المسموح به هما، على التوالي، أدنى وأعلى مستويات الأكسجين التي يتحملها الكائن الحي.
- البيروكسيديز وسوبر أكسيد الديسموتاز والكاتالاز هي الإنزيمات الرئيسية المشاركة في إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية. عادة ما يكون الديسموتاز الفائق موجودًا في خلية يمكنها تحمل الأكسجين. يمكن اكتشاف الإنزيمات الثلاثة عادةً في الخلايا التي تقوم بالتنفس الهوائي وتنتج المزيد من ROS.
- الكابوفيل هو كائن حي يتطلب تركيزًا أعلى من تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للنمو.
الحواشي
- 1 مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها. «التعايش مع مرض السكري: حافظ على صحة قدميك.» http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/