Анаероби: определение, видове, метаболизъм и значение

Анаеробен организъм е всяко живо същество, което не се нуждае от кислород за растежа си. Анаеробите могат да живеят в напълно безкислородни среди или в среди с много ниско съдържание на кислород; те включват бактерии, археи и някои едноклетъчни еукариоти. Способността им да използват или да избягват кислорода зависи от молекулярните механизми за енергийно преобразуване и от наличието на ензими, които неутрализират реактивните кислородни видове (напр. каталаза, супоксид дисмутаза).

Видове анаероби

• Облигатните анаероби — умират или не могат да растат при атмосферни нива на кислород. Липсата на ензими за детоксикация на реактивните кислородни видове прави кислорода токсичен за тях.
• Факултативните анаероби — могат да използват кислород, когато той е наличен, но при липса на кислород превключват към анаеробни метаболитни пътища. Те са гъвкави и често доминират в променливи среди.
• Аеротолерантните — оцеляват в присъствието на кислород, но не го използват като краен акцептор на електрони; обичайно при тях основният начин за добиване на енергия е ферментацията.

Допълнителни категории: микроаерофили — организми, които могат да използват кислород, но само в ниски концентрации (ниски микромоларни стойности); техният растеж се потиска при нормални концентрации на кислород (приблизително 200 μM). Един добре познат пример за микроаерофил е Helicobacter pylori. Нанаероби са организми, които не могат да растат в присъствието на микромоларни концентрации на кислород, но могат да растат с наномоларни концентрации и да се възползват от тях — това са адаптации към изключително бедни на кислород среди, например дълбоки седименти.

Метаболизъм и енергетика

Анаеробите използват различни метаболитни стратегии за добиване на енергия:

• Ферментация — разграждане на органични съединения до по-прости продукти (напр. млечна киселина, етанол), при което електроните се прехвърлят върху органични молекули. Ферментацията дава по-малко енергия (АТР) в сравнение с аеробното дишане, но е жизненоважна при липса на външни акцептори на електрони. (виж и ферментация).
• Анаеробно дишане — използване на некислородни крайни акцептори на електрони, като нитрат (NO3−), сулфат (SO4^2−), фумарат или въглероден диоксид (при метаногенезата). Анаеробното дишане обикновено осигурява повече енергия от ферментацията, но по-малко отколкото аеробното дишане. (виж и анаеробно дишане).
• При наличието на кислород много факултативни организми преминават към аеробно дишане, което дава най-висок добив на АТР.

Различните крайни акцептори определят и екологичната роля на микроорганизмите: нитратните редуктори влияят на азотния цикъл, сулфатредуциращите бактерии влияят на серния цикъл, а метаногените (археи) произвеждат метан от CO2 и водород и са важни за производството на биогаз.

Физиологични особености и токсичност на кислорода

Кислородът сам по себе си не е непременно вреден, но при метаболизма на много организми се образуват реактивни кислородни видове (ROS) — супероксид, водороден пероксид, хидроксилен радикал. Организми с липсващи или слабо изразени антиоксидантни ензими са чувствителни към тези видове и затова са облигатни анаероби. Някои анаеробни бактерии произвеждат токсини — например причинителите на тетанус и ботулинов токсин

Екологична и медицинска значимост

Анаеробите играят ключова роля в:

• разлагането на органична материя и рециклирането на хранителни вещества в почви и седименти;
• чревната микробиота — множество анаеробни бактерии са нормална част от човешката флора (напр. Bacteroides) и влияят върху храносмилането и имунитета;
• индустриални процеси — ферментация за производство на етанол, кисели млека, сирена; метаногенезата при добив на биогаз;
• медицината — анаеробните инфекции (напр. абсцеси, газова гангрена) и токсини (~Clostridium spp.) изискват специфична диагноза и лечение.

Диагностика и култивиране

Култивирането и изследването на анаероби в лабораторията изисква специални условия за изключване на кислород: анаеробни камери, анаеробни буркани с газ-пакети, среди с редуциращи вещества (напр. тиогликолат). Медийни компоненти и транспорт на пробите трябва да запазват анаеробните условия, иначе чувствителните организми може да загинат и да не бъдат открити. За определяне на кислородната толерантност се използват и ензимни тестове (каталаза, пероксидаза, супоксид дисмутаза).

Примери за анаеробни организми

• Clostridium spp. — облигатни анаероби, някои видове произвеждат силно токсини (тетанус, ботулизъм).
• Bacteroides spp. — чести представители на човешката чревна микробиота; могат да причинят инфекции при навлизане в стерилни тъкани.
• Много сулфатредуциращи бактери и метаногени (археи) — участници в дълбоки седименти, рифи и анаеробни дигестори.

Обобщено, анаеробите са разнообразна група организми с важна роля в природата, индустрията и здравеопазването. Разбирането на техните метаболитни пътища и толерантност към кислорода е ключово за тяхната изолация, контрол и използване.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява анаеробният организъм?

В: Каква е разликата между задължителен анаероб и факултативен анаероб?

В: Какво представлява аеротолерантният организъм?

В: Какво е микроаерофил?

В: Какво е нанаероб?

В: Кои са различните начини, по които анаеробните организми могат да генерират енергия?

Въпрос: Някои анаеробни бактерии произвеждат ли опасни токсини?

Търсене по буква