Типы дыхания микроорганизмов. Методы создания анаэробных условий для культивирования. Основные принципы культивирования.
Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание - биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О2), при анаэробном - связанный кислород (-NO3, =SO4, =SO3).
По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов:
1.) Облигатные (строгие) аэробы. Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.
2.) Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO2, например до 10% концентрации.
3.) Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода - т.е. аэротолерантные, а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.
4.) Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.
Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).
В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H2O2- перекись водорода, - О2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно-восстановительного потенциала (rH2).
Основные методы создания анаэробных условий для культивирования микроорганизмов:
1.) Физический - откачивание воздуха, введение специальной газовой бескислородной смеси (чаще- N2- 85%, CO2- 10%, H2- 5%).
2.) Химический - применяют химические поглотители кислорода.
3.) Биологический - совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов (аэробы поглощают кислород и создают условия для размножения анаэробов).
4.) Смешанный - используют несколько разных подходов.
Необходимо отметить, что создание оптимальных условий для строгих анаэробов - очень сложная задача. Очень непросто обеспечить постоянное поддержание бескислородных условий культивирования, необходимы специальные среды без содержания растворенного кислорода, поддержание необходимого окислительно-восстановительного потенциала питательных сред, взятие и доставка, посев материала в анаэробных условиях.
Существует ряд приемов, обеспечивающих более подходящие условия для анаэробов:предварительное кипячение питательных сред, посев в глубокий столбик агара, заливка сред вазелиновым маслом для сокращения доступа кислорода, использование герметически закрывающихся флаконов и пробирок, шприцев и лабораторной посуды с инертным газом, использование плотно закрывающихся эксикаторов с горящей свечой. Используются специальные приборы для создания анаэробных условий - анаэростаты. Однако в настоящее время наиболее простым и эффективным оборудованием для создания анаэробных и микроаэрофильных условий является система “Газпак” со специальными газорегенерирующими пакетами, действующими по принципу вытеснения атмосферного воздуха газовыми смесями в герметически закрытых ёмкостях.
Основные принципы культивирования микроорганизмов на питательных средах:
1.) Использование всех необходимых для соответствующих микробов питательных компонентов. 2.) Оптимальные температура, рН, rH2, концентрация ионов, степень насыщения кислородом, газовый состав и давление.
Микроорганизмы культивируют на питательных средах при оптимальной температуре в термостатах, обеспечивающих условия инкубации.
По температурному оптимуму роста выделяют три основные группы микроорганизмов:
1.) Психрофилы- растут при температурах ниже +20 градусов Цельсия. 2.) Мезофилы- растут в диапозоне температур от 20 до 45 градусов (часто оптимум - при 37 градусах С). 3.) Термофилы- растут при температурах выше плюс 45 градусов.
Требования к питательным средам:
- должны быть стерильными; - иметь нужные для роста бактерий компоненты; - оптимальные значения рН и ОВ потенциала, осмотическое давление.