9.2：微生物生长的氧气需求

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学习目标

解释显示生长所需的最低、最佳和最大氧气或二氧化碳需求的可视数据
识别和描述需要在有氧或不使用氧气的情况下生长的不同类别的微生物：专有气体、专性厌氧菌、兼性厌氧菌、耐空气耐受性厌氧生物、microaerophile 和 capnophile
举例说明每类生长要求的微生物

问大多数人 “生活的主要要求是什么？” 答案可能包括水和氧气。很少有人会争论对水的需求，但是氧气呢？没有氧气会有生命吗？

答案是并不总是需要分子氧（O ₂）。最早的生命迹象可以追溯到地球条件严重恶化且基本上不存在游离氧气的时期。只有在蓝细菌开始释放氧气作为光合作用的副产品并且海洋中铁吸收氧气的能力耗尽之后，大气中的氧气含量才增加。这个事件通常被称为大氧合事件或氧气革命，造成了大规模灭绝。大多数生物无法在活性氧（ROS）、高度不稳定的离子和部分氧气还原产生的分子的强大氧化特性中幸存下来，这些特性几乎会破坏它们所接触的任何大分子或结构。单线氧（O ₂ •）、超氧化物\((\ce{O2-})\)、过氧化物（H _{2 O ₂}）、羟基（OH•）和家用漂白剂的活性成分次氯酸根离子（OcL ⁻）都是活性氧的例子。能够为活性氧排毒的生物利用氧气的高电负性为其新陈代谢产生自由能，并在新环境中蓬勃发展。

微生物的氧气需求

许多生态系统仍然没有分子氧。有些存在于极端的地方，例如海洋深处或地壳中；另一些则是我们日常景观的一部分，例如沼泽、沼泽和下水道。在人类和其他动物体内，氧气很少或没有氧气的区域为微生物提供了厌氧环境。（图\(\PageIndex{1}\)）。

a) 沼泽的照片。 B) 奶牛的照片。 — 图\(\PageIndex{1}\)：厌氧环境在地球上仍然很常见。它们包括诸如（a）未受干扰的密集沉积物几乎没有氧气的沼泽，以及（b）瘤胃（牛胃的第一个隔间），它为甲烷和其他专有厌氧细菌提供无氧培养箱。（来源 a：修改国家公园管理局的工作；来源 b：美国农业部对工作的修改）

通过在硫代乙醇酸管培养物中培养细菌，我们可以很容易地观察到对分子氧的不同需求。试管培养从高压灭菌的硫醇酸盐培养基开始，其中含有低百分比的琼脂，允许活动细菌在整个培养基中移动。硫代乙醇酸盐具有很强的还原特性，高压灭菌可以冲洗掉大部分氧气。在试管中接种了待测试的细菌培养物，然后在适当的温度下孵育。随着时间的推移，氧气从顶部缓慢扩散到整个噻醇酸盐管培养物中。在氧气浓度最适合该特定生物生长的区域，细菌密度会增加。

图中显示了硫代乙醇酸盐管中具有不同氧气需求的细菌的生长\(\PageIndex{2}\)。在管子A中，所有的生长都可以在管的顶部看到。这些细菌是专用（严格）的有氧菌，如果没有充足的氧气供应，就无法生长。试管 B 看起来与 A 管相反。细菌生长在管 B 的底部。它们是专性厌氧菌，会被氧气杀死。试管 C 显示管顶部大量生长，并在整个管道中生长，这是兼性厌氧菌的典型结果。兼性厌氧菌是指在有氧气的情况下茁壮成长，但在没有氧气的情况下也可以依靠发酵或厌氧呼吸生长的生物，前提是除氧气之外还有合适的电子受体，并且生物体能够进行厌氧呼吸。 D 管中的耐空气厌氧菌对氧气的存在漠不关心。它们不使用氧气，因为它们通常具有发酵性新陈代谢，但它们不会像专性厌氧菌那样受到氧气存在的伤害。右边的 Tube E 显示了一种 “金发姑娘” 文化。氧气含量必须恰到好处才能生长，不能太多，也不能太少。这些嗜气微生物是需要最低氧气水平才能生长的细菌，约为1％至10％，远低于大气中发现的21％。

专性有氧菌的例子包括结核分枝杆菌（结核病的病原体）和在皮肤中定植的革兰氏阳性细菌（一种革兰氏阳性细菌）。 严重细菌性@@ 脑膜炎的病原体脑膜炎奈瑟菌和性传播淋病的病原体淋病奈瑟菌也是专性有氧菌。

管内细菌分布图。试管 A 显示了生长在管顶的专有氧细菌。试管 B 显示在管底生长的专有厌氧菌。试管 C 显示兼性厌氧菌，它们在顶部生长得最好，但也会在整个管道中生长。 Tube D 显示了耐空气的厌氧菌，它们在整个过程中生长得同样良好。 Tube E 显示了生长在管顶正下方的微型嗜气生物。 — 图\(\PageIndex{2}\)：硫代乙醇酸盐管中细菌细胞分布图。

许多专有厌氧菌存在于存在厌氧条件的环境中，例如在土壤的深层沉积物、静水中，以及没有光合生命的深海底部。厌氧症也自然存在于动物的肠道中。专性厌氧菌，主要是 Bacteroidetes，占人体肠道中微生物的很大一部分。当组织得不到血液循环时，就会出现短暂的厌氧状况；它们会死亡，成为专性厌氧菌的理想滋生地。人体中遇到的另一种专有厌氧菌是革兰氏阳性的棒状梭菌属。它们形成内孢子的能力使它们能够在有氧气的情况下存活。健康获得性感染的主要原因之一是艰难梭菌，被称为 C. diff。长期使用抗生素治疗其他感染会增加患者继发性艰难梭菌感染的可能性。抗生素治疗会破坏肠道中微生物的平衡，并允许艰难梭菌在肠道中定植，从而导致结肠严重炎症。

其他导致严重感染的梭状芽孢杆菌包括破伤风病原体破伤风梭菌和导致气性坏疽的产气荚膜梭菌。在这两种情况下，感染都始于坏死组织（血液循环不提供氧气的死组织）。这就是深层穿刺伤口与破伤风有关的原因。当组织死亡伴有血液循环不足时，坏疽总是一种危险。

专性厌氧菌的研究需要特殊设备。专性厌氧细菌必须在没有氧气的条件下生长。最常见的方法是在厌氧罐中培养（图\(\PageIndex{3}\)）。厌氧罐包括可去除氧气并释放二氧化碳 (CO ₂) 的化学包装。厌氧室是一个封闭的盒子，所有氧气都从中排出。密封在盒子开口处的手套可以处理培养物，而无需将培养物暴露在空气中（图\(\PageIndex{3}\)）。

a) 一张腔室里一堆琼脂板的照片。 B) 一张带有手臂袖子的房间的照片。 — 图\(\PageIndex{3}\)：(a) 图为一个厌氧罐，里面装有九个支撑培养物的培养板。 (b) 厌氧箱侧面的开口用手套状的袖子密封，便于处理箱内的培养物。（来源 a：修改疾病控制与预防中心的工作；来源 b：NIST 对作品的修改）

葡萄球菌和 Enterobacteriaceae 就是兼性厌氧菌的例子。葡萄球菌存在于皮肤和上呼吸道中。 Enterobacteriaceae 主要存在于肠道和上呼吸道中，但有时会扩散到尿道，在那里它们能够引起感染。混合细菌感染的情况并不少见，在这种感染中，兼性厌氧菌消耗了氧气，为专有厌氧菌的繁殖创造了环境。

耐空气厌氧菌的例子包括乳酸杆菌和链球菌，两者都存在于口腔微生物群中。空肠@@ 弯曲杆菌会引起胃肠道感染，是微氧爱好者的一个例子，是在低氧条件下生长的。

顾名思义，最佳氧气浓度是特定微生物的理想氧气浓度。允许生长的最低氧气浓度称为最低允许氧气浓度。允许的最高氧气浓度是允许的最大氧气浓度。生物体不会在最低和最大允许氧浓度之间的氧气水平范围之外生长。

练习\(\PageIndex{1}\)

你会期望最古老的细菌谱系是有氧还是厌氧？
哪些细菌在硫代乙醇酸盐管的顶部生长，哪些细菌生长在管的底部？

不受欢迎的 Anaerobe

查尔斯是一位退休的公交车司机，他在10多年前患上了2型糖尿病。自从他退休以来，他的生活方式变得久坐不动，体重也增加了很多。尽管他感到左脚刺痛和麻木已有一段时间了，但他并不担心，因为他认为自己的脚只是 “睡着了”。最近，他脚上的划痕似乎无法治愈，而且变得越来越丑陋。因为疼痛并没有给他带来太大的困扰，所以查尔斯认为直到他的女儿注意到皮肤上有紫色的变色并渗出物之前，情况才会很严重（图\(\PageIndex{4}\)）。当他的医生终于看见他时，查尔斯被送往手术室。他的开放性溃疡或溃疡是由糖尿病足造成的。

这里令人担忧的是，气体坏疽可能已经在死组织中扎根。气性坏疽最有可能的病原体是产气荚膜梭菌，这是一种形成内孢子的革兰阳性细菌。它是一种专用的厌氧生物，生长在没有氧气的组织中。由于循环系统不再为死组织提供氧气，因此死组织为产气荚膜梭状芽孢杆菌的生长提供了理想的环境。

外科医生检查了查尔斯足部的溃疡和X光片，确定骨头尚未被感染。必须通过外科手术清理伤口（清创是指去除死亡和受感染的组织），并将样本送去微生物实验室进行分析，但查尔斯不必截肢。许多糖尿病患者并不那么幸运。根据美国疾病控制与预防中心的统计数据，2008年，美国有近70,000名糖尿病患者因截肢而失去了一只脚或一肢。

脚部肿胀，皮肤脱皮，皮肤下有黑色区域。 — 图\(\PageIndex{4}\)：这张临床照片描绘了一名糖尿病患者的足部溃疡。溃疡中积聚的死组织可以为厌氧菌 *C. perfringens*（气性坏疽的病原体）提供理想的生长环境。（来源：河野茂雄、中川内玲子、Jun Arata、Benjamin A Lipsky）

练习\(\PageIndex{2}\)

你会推荐哪种生长条件来检测产气荚膜梭菌？

活性氧的排毒

有氧呼吸会不断产生活性氧（ROS），这是必须排毒的副产物。即使是不使用有氧呼吸的生物也需要某种方法来分解一些可能由大气氧气形成的活性氧气。三种主要酶分解这些有毒副产物：超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶。每一种催化不同的反应。反应1中出现的反应类型是由过氧化物酶催化的。

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

在这些反应中，电子供体（还原化合物；例如还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 [NADH]）将过氧化氢或其他过氧化物氧化成水。这些酶通过限制膜脂质过氧化造成的损害起着重要作用。反应 2 由超氧化物歧化酶 (SOD) 酶介导，分解有氧代谢产生的强力超氧化物阴离子：

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

过氧化氢酶将过氧化氢转化为水和氧气，如反应 3 所示。

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

专性厌氧菌通常缺少所有三种酶。 Aerotolerant 厌氧菌确实有超氧化物歧化酶，但没有过氧化氢酶。如图所示\(\PageIndex{5}\)，反应 3 是区分具有空气耐受性且不含过氧化氢酶的链球菌和兼性厌氧菌葡萄球菌的有用而快速的测试的基础。如果培养物为过氧化氢酶阳性，则快速混合到一滴3％的过氧化氢中的培养物样本会释放气泡。

一张装有两滴透明液体的幻灯片。左边的水滴没有冒泡，被标记为过氧化氢酶阴性。右滴正在冒泡，标记为过氧化氢酶阳性。 — 图\(\PageIndex{5}\)：过氧化氢酶测试通过观察向培养样本中添加过氧化氢时是否释放气泡来检测过氧化氢酶的存在。比较阳性结果（右）和负面结果（左）。（来源：疾病控制与预防中心）

在比大气中更高的_二氧化碳浓度和更低的氧气浓度下生长得最好的细菌被称为嗜血细菌。培育嗜血球菌的一种常见方法是使用蜡烛罐。蜡烛罐由一个盖紧的罐子组成，盖子可以容纳培养物，还有一支蜡烛。将培养物添加到罐子中后，蜡烛点燃并盖上盖子。当蜡烛燃烧时，它会消耗大部分存在的氧气并释放_二氧化碳。

练习\(\PageIndex{3}\)

样品中添加了什么物质来检测过氧化氢酶？
蜡烛罐里的蜡烛有什么作用？

临床重点：第 2 部分

看过杰尼的医疗保健提供者之所以担心，主要是因为她怀孕了。她的病情增加了感染的风险，使她更容易受到这些感染。怀孕期间免疫系统下调，穿过胎盘的病原体可能对胎儿非常危险。根据患者表现出的体征和症状，关于提供者向微生物实验室下达命令的说明提到了单核细胞增生李斯特菌感染的怀疑。

杰尼的血液样本直接涂在绵羊血琼脂上，羊血琼脂是一种含有富含 5% 绵羊血的胰蛋白酶大豆琼脂的培养基。（血液被认为是无菌的；因此，预计培养基中不会有竞争的微生物。）接种的板在37°C的温度下孵育24至48小时。出现了被清澈区域包围的灰色小殖民地。此类菌落是典型的李斯特菌和链球菌等其他病原体；菌落周围的空白区域表明培养基中的血液已完全裂解，称为β溶血（图\(\PageIndex{6}\)）。当检测是否存在过氧化氢酶时，菌落会产生阳性反应，从而消除了可能的链球菌。此外，革兰染色显示短的革兰阳性杆菌。在室温下生长的肉汤培养物中的细胞显示出李斯特菌的翻滚运动特征（图\(\PageIndex{6}\)）。所有这些线索使实验室肯定地证实了杰尼的血液样本中存在李斯特菌。

a) 两块红色的血琼脂板。左侧板标有 alpha 溶血，菌落周围有轻微空隙。右侧标有 β 溶血标志，显示菌落周围有完全空隙。 B) 两根管子。左管为正，显示混浊从管道中间的中心线向下扩散。右管为阴性，没有从这条中心线蔓延出来的混浊。 — 图\(\PageIndex{6}\)：(a) 血琼脂样本测试显示β-溶血。 (b) 样本活力试验，显示阳性和阴性结果。（来源 a：修改疾病控制与预防中心的工作；来源 b：修改 “VeeDunn” /Flickr 的作品）

练习\(\PageIndex{4}\)

杰尼的病情有多严重，适当的治疗方法是什么？

关键概念和摘要

有氧和厌氧环境存在于自然界的不同利基中，包括人体内部和人体上的不同部位。
微生物对分子氧的要求各不相同。 强制性有氧呼吸依赖于有氧呼吸，并使用氧气作为终端电子受体。没有氧气它们就无法生长。
专性厌氧菌不能在有氧气的情况下生长。它们依赖于使用除氧气之外的最终电子受体进行发酵和厌氧呼吸。
兼性厌氧菌在有氧气的情况下表现出更好的生长，但如果没有氧气也会生长。
尽管耐气厌氧菌不进行有氧呼吸，但它们可以在有氧气的情况下生长。大多数耐气厌氧菌的过氧化氢酶检测结果均为阴性。
微型嗜气生物需要氧气才能生长，尽管其浓度低于空气中氧气的21％。
生物体@@ 的最佳氧气浓度是促进最快生长速度的氧气水平。 最低允许氧浓度和最大允许氧浓度分别是生物体所能耐受的最低和最高氧气水平。
过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶是参与活性氧排毒的主要酶。超氧化物歧化酶通常存在于能够耐受氧气的细胞中。这三种酶通常都可以在进行有氧呼吸并产生更多活性氧的细胞中检测到。
capnophile 是一种需要高于大气浓度的_二氧化碳才能生长的生物。

脚注

1 疾病控制与预防中心。 “与糖尿病共存：保持双脚健康。” http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/