9.2: Mahitaji ya oksijeni kwa ukuaji wa Microbial

Malengo ya kujifunza

• Kutafsiri data ya kuona kuonyesha kiwango cha chini, optimum, na kiwango cha juu oksijeni au dioksidi kaboni mahitaji kwa
• Kutambua na kuelezea makundi mbalimbali ya microbes na mahitaji ya ukuaji na au bila oksijeni: wajibu aerobe, wajibu anaerobe, anaerobe kitivo, anaerobe aerotolerant, microaerophile, na capnophile
• Kutoa mifano ya microorganisms kwa kila aina ya mahitaji ya ukuaji

Waulize watu wengi “Ni mahitaji gani makubwa ya maisha?” na majibu ni uwezekano wa ni pamoja na maji na oksijeni. Wachache watasema juu ya haja ya maji, lakini vipi kuhusu oksijeni? Je! Kunaweza kuwa na maisha bila oksijeni?

Jibu ni kwamba oksijeni ya molekuli (O ₂) haihitajiki kila wakati. Ishara za mwanzo za maisha zinatokana na kipindi ambapo hali duniani zilipungua sana na gesi ya oksijeni ya bure haikuwepo kimsingi. Tu baada ya cyanobacteria kuanza kutoa oksijeni kama matokeo ya usanisinuru na uwezo wa chuma katika bahari kwa kuchukua oksijeni ulichoka alifanya viwango vya oksijeni viliongezeka katika angahewa. Tukio hili, mara nyingi hujulikana kama Tukio Kuu la Oxygenation au Mapinduzi ya Oksijeni, lilisababisha kutoweka kwa kiasi kikubwa. Viumbe wengi hawakuweza kuishi nguvu mali oxidative ya tendaji oksijeni aina (ROS), ions msimamo sana na molekuli inayotokana na kupunguza sehemu ya oksijeni ambayo inaweza kuharibu karibu yoyote macromolecules au muundo na ambayo wao kuja katika kuwasiliana. Singlet oksijeni (O ₂ •), superoxide\((\ce{O2-})\), peroksidi (H _{2 O 2}), hidroksili radical (OH•), na ioni ya hipokloriti (OCL ^-), kiungo hai cha bleach ya kaya, ni mifano yote ya ROS. Viumbe vilivyoweza detoxify aina za oksijeni tendaji ziliunganisha electronegativity ya juu ya oksijeni ili kuzalisha nishati ya bure kwa kimetaboliki yao na kustawi katika mazingira mapya.

Mahitaji ya oksijeni ya microorg

Mazingira mengi bado hayana oksijeni ya molekuli. Baadhi hupatikana katika maeneo uliokithiri, kama vile kina katika bahari au katika ukanda wa dunia; wengine ni sehemu ya mazingira yetu ya kila siku, kama vile mabwawa, mabwawa, na maji taka. Ndani ya miili ya wanadamu na wanyama wengine, mikoa yenye oksijeni kidogo au hakuna hutoa mazingira ya anaerobic kwa microorganisms. (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mazingira ya Anaerobic bado ni ya kawaida duniani. Wao ni pamoja na mazingira kama (a) bog ambapo sediments zenye undisturbed ni karibu bila ya oksijeni, na (b) rumen (compartment kwanza ya tumbo la ng'ombe), ambayo hutoa incubator ya bure ya oksijeni kwa methanogens na wengine wajibu bakteria anaerobic. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Huduma ya Hifadhi ya Taifa; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Idara ya Kilimo ya Marekani)

Tunaweza kuchunguza kwa urahisi mahitaji tofauti ya oksijeni ya Masi kwa kuongezeka kwa bakteria katika tamaduni za tube za thioglycolate. Utamaduni wa tube ya mtihani huanza na katikati ya thioglycolate ya autoclaved iliyo na asilimia ndogo ya agar ili kuruhusu bakteria ya motile kuhamia katikati. Thioglycolate ina mali ya kupunguza nguvu na autoclaving hupunguza oksijeni nyingi. Vipande vinaingizwa na tamaduni za bakteria ili kupimwa na kuingizwa kwa joto linalofaa. Baada ya muda, oksijeni hupungua polepole katika utamaduni wa tube ya thioglycolate kutoka juu. Uzito wa bakteria huongezeka katika eneo ambako ukolezi wa oksijeni unafaa zaidi kwa ukuaji wa kiumbe hicho.

Ukuaji wa bakteria na mahitaji tofauti ya oksijeni katika zilizopo thioglycolate ni mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Katika tube A, ukuaji wote unaonekana juu ya tube. Bakteria ni wajibu (kali) aerobes ambazo haziwezi kukua bila ugavi mwingi wa oksijeni. tube B inaonekana kama kinyume cha tube A. bakteria kukua chini ya tube B. wale ni wajibu anaerobes, ambayo ni kuuawa na oksijeni. Tube C inaonyesha ukuaji nzito juu ya tube na ukuaji katika tube, matokeo ya kawaida na anaerobes ya kitivo. Anaerobes ya kitivo ni viumbe vinavyostawi mbele ya oksijeni lakini pia hukua kwa kutokuwepo kwake kwa kutegemea fermentation au kupumua anaerobic, ikiwa kuna kibali cha elektroni kinachofaa zaidi ya oksijeni na viumbe vinaweza kufanya kupumua anaerobic. Aerotolerant anaerobes katika tube D ni tofauti na kuwepo kwa oksijeni. Hawana kutumia oksijeni kwa sababu kwa kawaida wana kimetaboliki fermentative, lakini wao si kuumiza na kuwepo kwa oksijeni kama anaerobes wajibu ni. Tube E upande wa kulia inaonyesha utamaduni wa “Goldilocks”. Ngazi ya oksijeni inapaswa kuwa sawa tu kwa ukuaji, sio sana na sio kidogo sana. Microaerophiles hizi ni bakteria zinazohitaji kiwango cha chini cha oksijeni kwa ukuaji, takriban 1% — 10%, vizuri chini ya 21% zinazopatikana angahewa.

Mifano ya aerobes wajibu ni Mycobacterium kifua kikuu, wakala causative ya kifua kikuu na Micrococcus luteus, bakteria gram-chanya ambayo colonizes ngozi. Neisseria meningitidis, wakala wa causative wa meningitis kali ya bakteria, na N. gonorrheae, wakala wa causative wa kisonono ya ngono, pia ni wajibu wa aerobes.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mchoro wa usambazaji wa seli za bakteria katika zilizopo za thioglycolate.

Wengi wajibu anaerobes hupatikana katika mazingira ambapo hali anaerobic zipo, kama vile katika sediments kina ya udongo, bado maji, na chini ya bahari ya kina ambapo hakuna maisha photosynthetic. Hali ya Anaerobic pia ipo kwa kawaida katika njia ya matumbo ya wanyama. Kuwajibisha anaerobes, hasa Bacteroidetes, kuwakilisha sehemu kubwa ya microbes katika tumbo la binadamu. Hali ya anaerobic ya muda mfupi iko wakati tishu hazipatikani na mzunguko wa damu; hufa na kuwa ardhi bora ya kuzaliana kwa anaerobes ya lazima. Aina nyingine ya anaerobe ya lazima iliyokutana katika mwili wa mwanadamu ni gram-chanya, fimbo-umbo Clostridium spp. Uwezo wao wa kuunda endospores huwawezesha kuishi mbele ya oksijeni. Moja ya sababu kubwa za maambukizi ya afya ni C. difficile, inayojulikana kama C. tofauti. Matumizi ya muda mrefu ya antibiotics kwa maambukizi mengine huongeza uwezekano wa mgonjwa kuendeleza maambukizi ya sekondari ya C. difficile. Matibabu ya antibiotic huharibu uwiano wa microorganisms ndani ya tumbo na inaruhusu ukoloni wa tumbo na C. difficile, na kusababisha kuvimba kwa kiasi kikubwa cha koloni.

Clostridia nyingine zinazohusika na maambukizi makubwa ni pamoja na C. tetani, wakala wa pepopunda, na C. perfringens, ambayo husababisha kuoza gesi. Katika matukio hayo yote, maambukizi huanza katika tishu za necrotic (tishu zilizokufa ambazo hazipatikani na oksijeni na mzunguko wa damu). Hii ndiyo sababu ya majeraha makubwa ya kupigwa yanahusishwa na tetanasi. Wakati kifo cha tishu kinafuatana na ukosefu wa mzunguko, nguruwe daima ni hatari.

Utafiti wa anaerobes wajibu unahitaji vifaa maalum. Kuwajibisha bakteria ya anaerobic lazima ipandwe chini ya hali isiyo na oksijeni. Njia ya kawaida ni utamaduni katika jar anaerobic (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). _{Mitungi ya Anaerobic ni pamoja na pakiti za kemikali zinazoondoa oksijeni na kutolewa dioksidi kaboni (CO} Chumba cha anaerobic ni sanduku lililofungwa ambalo oksijeni yote huondolewa. Kinga zilizofunikwa kwa fursa katika sanduku kuruhusu utunzaji wa tamaduni bila kufichua utamaduni kwa hewa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): (a) Jar anaerobic ni picha kwamba ni kufanya tisa Petri sahani kusaidia tamaduni. (b) Kufungua kwa upande wa sanduku la anaerobic ni muhuri na sleeves kama kinga ambayo inaruhusu utunzaji wa tamaduni ndani ya sanduku. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa; mikopo b: mabadiliko ya kazi na NIST)

Staphylococci na Enterobacteriaceae ni mifano ya anaerobes ya kitendaji. Staphylococci hupatikana kwenye ngozi na njia ya kupumua ya juu. Enterobacteriaceae hupatikana hasa katika utumbo na njia ya kupumua ya juu lakini wakati mwingine huweza kuenea kwenye njia ya mkojo, ambapo zina uwezo wa kusababisha maambukizi. Sio kawaida kuona maambukizi ya bakteria yaliyochanganywa ambayo anaerobes ya kitivo hutumia oksijeni, na kujenga mazingira kwa anaerobes zinazohitajika kustawi.

Mifano ya anaerobes ya aerotolerant ni pamoja na lactobacilli na streptococci, wote hupatikana katika microbiota ya mdomo. Campylobacter jejuni, ambayo husababisha maambukizi ya utumbo, ni mfano wa microaerophile na hupandwa chini ya hali ya chini ya oksijeni.

Mkusanyiko bora wa oksijeni, kama jina linamaanisha, ni mkusanyiko bora wa oksijeni kwa microorganism fulani. Mkusanyiko wa chini kabisa wa oksijeni ambayo inaruhusu ukuaji huitwa mkusanyiko wa oksijeni wa chini wa kuruhusiwa. Mkusanyiko mkubwa wa oksijeni ni ukolezi wa oksijeni unaoruhusiwa. Viumbe havikua nje ya viwango mbalimbali vya oksijeni vinavyopatikana kati ya viwango vya chini na vya juu vya oksijeni vinavyoruhusiwa.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

1. Je, unatarajia lineages kongwe bakteria kuwa aerobic au anaerobic?
2. Ni bakteria gani zinazokua juu ya tube ya thioglycolate, na ambayo inakua chini ya tube?

Anaerobe unwelcome

Charles ni mstaafu dereva wa basi ambaye maendeleo ya aina 2 ugonjwa wa kisukari zaidi ya miaka 10 iliyopita. Tangu kustaafu kwake, maisha yake yamekuwa ya kimya sana na ameweka kiasi kikubwa cha uzito. Ingawa amehisi kusonga na kufa ganzi katika mguu wake wa kushoto kwa muda, hakuwa na wasiwasi kwa sababu alidhani mguu wake ulikuwa “amelala usingizi.” Hivi karibuni, mwanzo juu ya mguu wake hauonekani kuwa uponyaji na unazidi kuwa mbaya. Kwa sababu kidonda hakuwa na wasiwasi sana, Charles figured haikuweza kuwa mbaya mpaka binti yake aliona kuzorota rangi ya purplish kuenea juu ya ngozi na oozing (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Alipoonekana hatimaye na daktari wake, Charles alikimbizwa kwenye chumba cha uendeshaji. Ugonjwa wake wa wazi, au ulcer, ni matokeo ya mguu wa kisukari.

Wasiwasi hapa ni kwamba mimba ya gesi inaweza kuwa imechukua katika tishu zilizokufa. Wakala wa uwezekano mkubwa wa ugonjwa wa gesi ni Clostridium perfringens, bakteria ya endospore-forming, gram-chanya. Ni anaerobe ya lazima ambayo inakua katika tishu bila oksijeni. Kwa kuwa tishu zilizokufa hazipatikani tena na oksijeni na mfumo wa mzunguko, tishu zilizokufa hutoa mifuko ya mazingira bora kwa ukuaji wa C. perfringens.

Daktari wa upasuaji anachunguza kidonda na radiographs za mguu wa Charles na huamua kwamba mfupa haujaambukizwa bado. Jeraha litastahili kupasuliwa upasuaji (debridement inahusu kuondolewa kwa tishu zilizokufa na zilizoambukizwa) na sampuli iliyotumwa kwa ajili ya uchambuzi wa maabara ya microbiological, lakini Charles hatastahili kukatwa mguu wake. Wagonjwa wengi wa kisukari hawana bahati sana. Mwaka 2008, karibu wagonjwa wa kisukari 70,000 nchini Marekani walipoteza mguu au kiungo kwa kukatwa, kulingana na takwimu kutoka Kituo cha Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Picha hii ya kliniki inaonyesha vidonda kwenye mguu wa mgonjwa wa kisukari. Tissue zilizokufa zinazokusanya katika vidonda zinaweza kutoa mazingira bora ya ukuaji wa anaerobe C. perfringens, wakala wa causative wa kuoza gesi. (mikopo: Shigeo Kono, Reiko Nakagawachi, Jun Arata, Benjamin A Lipsky)

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Ni hali ya ukuaji gani kupendekeza kwa ajili ya kugundua C. perfringens?

Detoxification ya aina tendaji oksijeni

Kupumua kwa aerobic daima huzalisha aina ya oksijeni tendaji (ROS), byproducts ambayo lazima detoxified Hata viumbe visivyotumia kupumua aerobic wanahitaji njia fulani ya kuvunja baadhi ya ROS ambayo inaweza kuunda kutoka oksijeni ya anga. Enzymes tatu kuu huvunja bidhaa hizo za sumu: superoxide dismutase, peroxidase, na catalase. Kila mmoja huchochea mmenyuko tofauti. Mitikio ya aina inayoonekana katika mmenyuko 1 huchochewa na peroxidases.

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

Katika athari hizi, wafadhili wa elektroni (kupunguzwa kiwanja; kwa mfano, kupunguzwa kwa nikotinamidi adenini dinucleotide [NADH]) huoksidisha peroksidi hidrojeni, au peroksidi nyingine, kwa maji. Enzymes zina jukumu muhimu kwa kupunguza uharibifu unaosababishwa na peroxidation ya lipids ya membrane. Mmenyuko 2 ni mediated na enzyme superoxide dismutase (SOD) na huvunja anions nguvu superoxide yanayotokana na kimetaboliki aerobic:

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

Kikatalesi ya enzyme inabadilisha peroxide ya hidrojeni kwa maji na oksijeni kama inavyoonekana katika

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

Kuwajibisha anaerobes kawaida hawana enzymes zote tatu. Aerotolerant anaerobes wana SOD lakini hakuna catalase. Majibu 3, inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\), ni msingi wa mtihani muhimu na wa haraka wa kutofautisha streptococci, ambayo ni aerotolerant na hawana catalase, kutoka staphylococci, ambayo ni anaerobes kitivo. Sampuli ya utamaduni iliyochanganywa haraka katika tone la peroxide ya hidrojeni 3% itatoa Bubbles ikiwa utamaduni ni catalase chanya.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Mtihani wa catalase hutambua kuwepo kwa catalase ya enzyme kwa kutambua kama Bubbles hutolewa wakati peroxide ya hidrojeni imeongezwa kwenye sampuli ya utamaduni. Linganisha matokeo mazuri (kulia) na matokeo mabaya (kushoto). (mikopo: Vituo vya Kudhibiti Magonjwa na Kuzuia)

Bakteria zinazokua bora katika mkusanyiko mkubwa wa CO ₂ na mkusanyiko wa chini wa oksijeni kuliko sasa katika angahewa huitwa capnophiles. Njia moja ya kawaida ya kukua capnophiles ni kutumia jar ya mshumaa. Jarida la mshumaa lina jar yenye kifuniko kinachofaa ambacho kinaweza kuzingatia tamaduni na mshumaa. Baada ya tamaduni kuongezwa kwenye chupa, mshumaa unafungwa na kifuniko kilifungwa. Kama mshumaa unawaka, hutumia zaidi ya oksijeni ya sasa na hutoa CO ₂.

Zoezi\(\PageIndex{3}\)

1. Ni dutu gani inayoongezwa kwenye sampuli ili kuchunguza catalase?
2. Je, ni kazi gani ya mshumaa katika jar ya mshumaa?

Mwelekeo wa kliniki: Sehemu ya 2

Mtoa huduma wa afya aliyemwona Jeni alikuwa na wasiwasi hasa kwa sababu ya ujauzito wake. Hali yake huongeza hatari ya maambukizi na inamfanya awe hatari zaidi kwa maambukizi hayo. Mfumo wa kinga umewekwa chini wakati wa ujauzito, na vimelea vinavyovuka placenta vinaweza kuwa hatari sana kwa fetusi. Maelezo juu ya utaratibu wa mtoa huduma kwenye maabara ya microbiolojia inataja tuhuma ya maambukizi ya monocytogenes ya Listeria, kulingana na ishara na dalili zilizoonyeshwa na mgonjwa.

Sampuli za damu za Jeni zimepigwa moja kwa moja kwenye agar ya damu ya kondoo, katikati iliyo na agar ya soya ya tryptic yenye utajiri na damu ya kondoo 5%. (Damu inachukuliwa kuwa mbolea; kwa hiyo, vijiumbe vya mashindano hazitarajiwi katikati.) Sahani za inoculated zinaingizwa saa 37 °C kwa masaa 24 hadi 48. Makoloni madogo ya kijivu yaliyozungukwa na eneo la wazi hujitokeza. Makoloni hayo ni ya kawaida ya Listeria na vimelea vingine kama vile streptococci; eneo la wazi linalozunguka makoloni linaonyesha lisisi kamili ya damu katikati, inajulikana kama beta-hemolysis (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Wakati wa kupimwa kwa uwepo wa catalase, makoloni hutoa majibu mazuri, kuondoa Streptococcus kama sababu inayowezekana. Zaidi ya hayo, stain Gram inaonyesha short gramu-chanya bacilli. Viini kutoka kwenye utamaduni wa mchuzi mzima kwenye joto la kawaida huonyesha tabia ya kutembea ya Listeria (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Dalili hizi zote zinaongoza maabara kuthibitisha vyema kuwepo kwa Listeria katika sampuli za damu za Jeni.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): (a) sampuli ya damu agar mtihani kuonyesha beta-hemolysis. (b) sampuli motility mtihani kuonyesha wote matokeo chanya na hasi. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “Veedunn” /Flickr)

Zoezi\(\PageIndex{4}\)

Hali ya Jeni ni mbaya sana na ni matibabu gani sahihi?

Dhana muhimu na Muhtasari

• Mazingira ya Aerobic na anaerobic yanaweza kupatikana katika niches tofauti katika asili, ikiwa ni pamoja na maeneo tofauti ndani na juu ya mwili wa mwanadamu.
• Microorganisms hutofautiana katika mahitaji yao kwa oksijeni ya Masi. Kuwajibisha aerobes hutegemea kupumua kwa aerobic na kutumia oksijeni kama mpokeaji wa elektroni wa terminal. Hawawezi kukua bila oksijeni.
• Kuwajibisha anaerobes haiwezi kukua mbele ya oksijeni. Wanategemea fermentation na kupumua anaerobic kwa kutumia kibali cha mwisho cha elektroni isipokuwa oksijeni.
• Anaerobes ya kitivo inaonyesha ukuaji bora mbele ya oksijeni lakini pia itakua bila hiyo.
• Ingawa anaerobes ya aerotolerant haifanyi kupumua aerobic, wanaweza kukua mbele ya oksijeni. Wengi aerotolerant anaerobes mtihani hasi kwa catalase enzyme.
• Microaerophiles wanahitaji oksijeni kukua, ingawa katika mkusanyiko wa chini kuliko oksijeni 21% katika hewa.
• Ukolezi bora wa oksijeni kwa kiumbe ni kiwango cha oksijeni kinachokuza kiwango cha ukuaji wa haraka zaidi. Kiwango cha chini cha permissive oksijeni mkusanyiko na upeo permissive oksijeni mkusanyiko ni, kwa mtiririko huo, kiwango cha chini kabisa na cha juu cha oksijeni ambacho viumbe vitavumilia.
• Peroxidase, superoxide dismutase, na catalase ni enzymes kuu zinazohusika katika detoxification ya aina ya oksijeni tendaji. Superoxide dismutase kawaida iko katika kiini ambacho kinaweza kuvumilia oksijeni. Enzymes zote tatu ni kawaida detectable katika seli kwamba kufanya aerobic kupumua na kuzalisha ROS zaidi.
• Capnophile ni kiumbe kinachohitaji mkusanyiko mkubwa kuliko anga wa CO ₂ kukua.

maelezo ya chini

1. 1 Vituo vya Kudhibiti Magonjwa na Kuzuia. “Kuishi na ugonjwa wa kisukari: Weka miguu Yako Afya.” http://www.cdc.gov/Features/DiabetesFootHealth/