Semasa pembangunan, pertumbuhan, dan pembiakan sel mikroorganisma, transformasi kompleks nutrien berlaku, memerlukan sejumlah tenaga. Sel mikrob menerima tenaga melalui proses respirasi. Intipati proses ini ialah bahan organik kompleks dioksidakan kepada yang lebih mudah dengan pembebasan tenaga.
Untuk mengoksidakan bahan organik, sesetengah mikroorganisma menggunakan oksigen, yang lain dapat melakukannya tanpanya, dan bagi yang lain, oksigen malah berbahaya. Bergantung kepada ini, mikroorganisma dibahagikan kepada mikroorganisma aerobik, yang menerima tenaga hasil daripada pengoksidaan bahan organik menggunakan oksigen molekul. Dalam mikroorganisma lain, proses oksidatif berlaku tanpa penyertaan oksigen; mereka dipanggil anaerobes. Mikroorganisma anaerobik dibahagikan kepada obligat, atau tanpa syarat, yang mana oksigen bukan sahaja tidak diperlukan, tetapi juga berbahaya, dan fakultatif, atau bersyarat, yang boleh hidup dengan dan tanpa akses kepada udara. Tahap anaerobik anaerobes fakultatif berbeza-beza. Sebahagian daripada mereka berkembang lebih baik dalam keadaan anaerobik atau dengan kandungan oksigen yang boleh diabaikan dalam persekitaran (microaerophiles), yang lain - dengan akses kepada udara. Anaerob fakultatif diketahui (contohnya, sesetengah yis), mampu bertukar daripada respirasi anaerobik kepada aerobik, bergantung kepada keadaan pembangunan. Pertumbuhan mikroorganisma dengan pelbagai jenis pernafasan dalam tabung uji dengan medium nutrien pepejal boleh berada di permukaan, di tengah dan di dalam.
Nisbah mikroorganisma kepada udara ditentukan oleh kaedah metabolisme tenaga mereka.
Mikroorganisma aerobik, dalam proses pernafasan, mengoksidakan bahan organik hampir sepenuhnya, kepada pembentukan karbon dioksida dan air sebagai produk akhir. Pengoksidaan lengkap disertai dengan pembebasan semua tenaga produk teroksida. Pengoksidaan sedemikian, contohnya gula, boleh dinyatakan dengan persamaan berikut:
C 6 H 12 0 6 + 60 2 = 6C0 2 + 6H 2 0 2822 kJ.
Dengan pengoksidaan bahan organik yang tidak lengkap, kurang tenaga yang dibebaskan berbanding dengan pengoksidaan lengkap. Bahagian tenaga yang tidak dibebaskan kekal dalam kes ini dalam produk pengoksidaan tidak lengkap. Oleh itu, pengoksidaan etil alkohol oleh bakteria asid asetik boleh meneruskan ke peringkat pembentukan asid asetik dan air dengan pembebasan tenaga yang tidak lengkap:
C 2 H 5 OH + 0 2 = CH 3 COOH + H 2 0 485.7 kJ.
Pengoksidaan lengkap alkohol berjalan mengikut skema
C 2 H 5 OH + 30 2 = 2CO 2 + ZN 2 0 1365 kJ.
Dalam kes ini, semua tenaga yang terkandung dalam etil alkohol dibebaskan.
Mikroorganisma anaerobik memperoleh tenaga hasil daripada pernafasan bebas oksigen, yang dipanggil penapaian. Dengan pernafasan tanpa oksigen, pengoksidaan sentiasa berlaku secara tidak lengkap. Contoh respirasi anoksik ialah penapaian alkohol yang disebabkan oleh yis dalam keadaan anaerobik. Penapaian ini berjalan mengikut skema
C 6 H 12 O 6 = 2C 2 H 5 OH + 2C0 2 113 kJ.
Hasil daripada penapaian alkohol, gula ditukar kepada etil alkohol dan karbon dioksida dengan pembebasan tenaga. Seperti yang dapat dilihat dari dua persamaan terakhir, gula tidak teroksida sepenuhnya dalam kes ini, kerana salah satu produk akhir penapaian alkohol - etil alkohol - mempunyai bekalan tenaga yang ketara, yang tidak dikeluarkan dalam keadaan anaerobik.
Penapaian asid laktik, yang memainkan peranan utama dalam pengeluaran produk tenusu, juga merupakan proses respirasi anaerobik. Penapaian jenis ini dijalankan terutamanya oleh bakteria asid laktik, yang merupakan anaerobes bersyarat, kebanyakannya tumbuh dengan baik dengan kehadiran oksigen atmosfera. Penapaian asid laktik melibatkan penguraian molekul gula kepada dua molekul asid laktik dengan pembebasan haba:
C 6 H 12 0 6 = 2CH 2 CHONCOOH 75.4 kJ.
Dalam proses penapaian asid laktik, hanya sebahagian kecil daripada tenaga potensi gula dibebaskan, kerana bekalan tenaga yang ketara kekal dalam asid laktik.
Contoh mikroorganisma anaerobik yang ketat ialah bakteria asid butirik, proses pernafasan yang disertai dengan penguraian gula dengan pembentukan asid butirik, karbon dioksida dan hidrogen. Proses ini dipanggil penapaian asid butirik dan pada asasnya mengikut skema berikut:
C 6 H 12 O 6 = C 3 H 7 COOH + 2C0 2 + 2H 2 62.8 kJ.
Persamaan yang diberikan hanya menyatakan hasil akhir proses. Pada hakikatnya, proses ini berlaku dalam beberapa fasa, disertai dengan pembentukan beberapa perantaraan dan hasil sampingan.
Berhubung dengan udara, mikroorganisma susu dan produk tenusu boleh disusun dalam urutan berikut: acuan dan bakteria reput (kebanyakan) - aerobes;
bakteria asid asetik, yis, micrococci, bakteria koliform, bakteria pendarfluor, beberapa jenis bakteria spora - anaerobes bersyarat (berkembang lebih baik dengan kehadiran udara);
streptokokus asid laktik adalah anaerobes bersyarat;
rod asid laktik, bakteria asid propionik - anaerobes bersyarat (berkembang lebih baik jika tiada udara);
bakteria asid butirik, beberapa jenis bakteria spora adalah anaerobes yang ketat.
Fisiologi mikroorganisma mengkaji ciri-ciri perkembangan, pemakanan, metabolisme tenaga dan proses hidup mikrob lain dalam pelbagai keadaan persekitaran.
Pemakanan mikroorganisma
Mikrob memberi makan melalui penyebaran nutrien yang terlarut dalam air melalui cangkerang dan membran. Sebatian organik kompleks yang tidak larut dipecahkan terlebih dahulu di luar sel dengan bantuan enzim yang dirembeskan oleh mikrob ke dalam substrat.
Mengikut kaedah pemakanan, mereka dibahagikan kepada autotropik dan heterotropik.
Autotrof mampu mensintesis sebatian organik daripada bahan tak organik (terutamanya karbon dioksida, nitrogen tak organik dan air). Sebagai sumber tenaga untuk sintesis, mikrob ini menggunakan tenaga cahaya (fotosintesis) atau tenaga tindak balas oksidatif (chemosynthesis).
Semua tindak balas metabolik dalam sel mikrob berlaku dengan bantuan pemangkin biologi - enzim. Kebanyakan enzim terdiri daripada bahagian protein dan kumpulan bukan protein prostetik. Kumpulan prostetik mungkin termasuk logam seperti besi, tembaga, kobalt, zink, serta vitamin atau derivatifnya. Sesetengah enzim hanya terdiri daripada protein ringkas. Enzim adalah spesifik dan bertindak hanya pada satu bahan tertentu. Oleh itu, setiap mikroorganisma mengandungi keseluruhan kompleks enzim, dan beberapa enzim dapat dilepaskan di luar, di mana mereka mengambil bahagian sebagai persediaan untuk asimilasi sebatian organik kompleks. Enzim daripada mikroorganisma digunakan dalam makanan dan industri lain.
air. Sel mikrob terdiri daripada 75-85% air. Kebanyakan air terdapat dalam sitoplasma sel dalam keadaan bebas. Semua proses metabolik biokimia berlaku di dalam air; air juga merupakan pelarut untuk bahan-bahan ini, kerana nutrien memasuki sel hanya dalam bentuk larutan, dan produk metabolik juga dikeluarkan dari sel dengan air. Sebahagian daripada air dalam sel berada dalam keadaan terikat dan merupakan sebahagian daripada beberapa struktur selular. Dalam spora bakteria dan kulat, jumlah air bebas dikurangkan kepada 50% atau kurang. Dengan kehilangan air terikat yang ketara, sel mikrob mati.
Bahan organik sel mikrob diwakili oleh protein (6-14%), lemak (1-4%), karbohidrat, asid nukleik.
- bahan plastik utama mana-mana sel hidup, termasuk yang mikrob. Protein membentuk asas sitoplasma dan merupakan sebahagian daripada membran sel dan beberapa struktur selular. Mereka melakukan fungsi pemangkin yang sangat penting, kerana ia adalah sebahagian daripada enzim yang memangkinkan tindak balas metabolik dalam sel mikrob.
Sel mikrob mengandungi asid deoksiribonukleik (DNA) dan asid ribonukleik (RNA). DNA ditemui terutamanya dalam nukleus sel atau nukleotida, RNA ditemui dalam sitoplasma dan ribosom, di mana ia terlibat dalam sintesis protein.
Kandungan lemak mikroorganisma yang berbeza berbeza-beza; dalam beberapa yis dan acuan ia adalah 6-10 kali lebih tinggi daripada bakteria. Lemak (lipid) adalah bahan tenaga sel. Lemak dalam bentuk lipoprotein adalah sebahagian daripada membran sitoplasma, yang melakukan fungsi penting dalam pertukaran sel dengan persekitaran. Lemak boleh terdapat dalam sitoplasma dalam bentuk butiran atau titisan.
Karbohidrat adalah sebahagian daripada membran, kapsul dan sitoplasma. Mereka diwakili terutamanya oleh karbohidrat kompleks - polisakarida (kanji, dekstrin, glikogen, serat), yang boleh digabungkan dengan protein atau lipid. Karbohidrat boleh disimpan dalam sitoplasma dalam bentuk butiran glikogen sebagai bahan tenaga simpanan.
(fosforus, natrium, magnesium, klorin, sulfur, dll.) adalah sebahagian daripada protein dan enzim sel mikrob ia diperlukan untuk metabolisme dan mengekalkan tekanan osmotik intraselular yang normal.
Diperlukan untuk fungsi normal mikroorganisma. Mereka mengambil bahagian dalam proses metabolik, kerana ia adalah sebahagian daripada banyak enzim. Vitamin, sebagai peraturan, mesti datang dari makanan, tetapi sesetengah mikrob mempunyai keupayaan untuk mensintesis vitamin, contohnya B 2 atau B 12.
Respirasi mikroorganisma
Proses biosintesis bahan sel mikrob berlaku dengan perbelanjaan tenaga. Kebanyakan mikrob menggunakan tenaga tindak balas kimia yang melibatkan oksigen atmosfera. Proses pengoksidaan nutrien untuk membebaskan tenaga ini dipanggil respirasi. Tenaga dibebaskan oleh pengoksidaan bahan tak organik (autotrof) atau organik (heterotrof).
Mikroorganisma aerobik (aerob) Mereka menggunakan tenaga yang dibebaskan semasa pengoksidaan bahan organik dengan oksigen atmosfera untuk membentuk bahan bukan organik, karbon dioksida dan air. Aerobes termasuk banyak bakteria, kulat dan beberapa yis. Mereka paling kerap menggunakan karbohidrat sebagai sumber tenaga.
Mikroorganisma anaerobik (anaerob) Mereka tidak menggunakan oksigen untuk bernafas; mereka hidup dan membiak tanpa kehadiran oksigen, memperoleh tenaga hasil daripada proses penapaian. Anaerobes ialah bakteria daripada genus Clostridia (botulinum bacillus dan perfringens bacillus), bakteria asid butirik, dsb.
Di bawah keadaan anaerobik, penapaian alkohol, laktik dan asid butirik berlaku, manakala proses menukar glukosa kepada alkohol, asid laktik atau butirik berlaku dengan pembebasan tenaga. Kira-kira 50% daripada tenaga yang dibebaskan dilesapkan sebagai haba, dan selebihnya terkumpul dalam ATP (asid trifosforik adenosin).
Sesetengah mikroorganisma boleh hidup dengan kehadiran oksigen dan tanpanya. Bergantung pada keadaan persekitaran, mereka boleh bertukar daripada proses anaerobik untuk mendapatkan tenaga kepada proses aerobik, dan sebaliknya. Mikroorganisma sedemikian dipanggil anaerob fakultatif.
Respirasi adalah proses metabolik yang berlaku dalam sel dengan pembebasan tenaga dan penjanaan ATP, di mana sebatian tak organik berfungsi sebagai penerima terakhir elektron (hidrogen). Bergantung kepada penerima elektron terakhir, respirasi aerobik dan anaerobik dibezakan. Dalam respirasi aerobik, penerima hidrogen adalah oksigen, dalam respirasi anaerobik, sebatian teroksida tak organik seperti nitrat dan sulfat.
Pernafasan aerobik. Mikroorganisma menggunakan pelbagai sebatian semula jadi sebagai substrat tenaga untuk metabolisme pernafasan. Tanpa mengira kerumitan struktur substrat teroksida, penggunaannya sebagai sumber tenaga adalah berdasarkan prinsip yang sama: pecahan beransur-ansur kepada pembentukan sebatian ringkas yang mampu memasuki tindak balas kitaran asid trikarboksilik. Sambungan laluan metabolik utama ini adalah piruvat.
Pengoksidaan piruvat semasa respirasi aerobik berlaku dalam kitaran Krebs, di mana ia masuk melalui asetil-KoA. Pengoksidaan lengkapnya membawa kepada pembebasan dua molekul karbon dioksida dan lapan atom hidrogen. Penerima hidrogen, seperti yang ditunjukkan di atas, dalam bakteria aerobik adalah oksigen. Siarkan
hidrogen (elektron) kepada oksigen dijalankan melalui rantaian berurutan molekul pembawa, yang dipanggil rantai pernafasan, atau rantai pengangkutan elektron:
Substrat gt; NAD* H2 gt; Flavoprotein gt; Koenzim O
gt; Sitokrom c gt; Sitokrom aa3 gt; 02
Rantai pernafasan ialah sistem molekul pembawa tersusun secara ruang yang memindahkan elektron daripada substrat teroksida kepada penerima. Ia dibangunkan dalam aerobes dan anaerobes fakultatif, hanya pada penerima elektron terminal, sebagai tambahan kepada oksigen, adalah nitrat dan sulfat.
Komponen rantai pernafasan, yang dilokalkan dalam membran, adalah pembawa protein seperti flavoprotein, protein FeS, sitokrom, dan pembawa bukan protein - kuinon (ubiquinones, menaquinones). Dehidrogenase yang bergantung kepada NAD(P) yang mengabstraksi hidrogen daripada substrat teroksida ialah enzim larut; flavoprotein dehidrogenase boleh didapati sama ada dalam membran atau dalam bentuk larut dalam sitoplasma.
kuinon menjalankan pemindahan atom dan sitokrom - elektron. Oleh kerana pembawa elektron yang mengandungi direndam dalam sitoplasma, terdapat interaksi langsung antara rantai pernafasan, di satu pihak, dan substrat teroksida, ADP dan fosfat tak organik sitoplasma, di pihak yang lain. Interaksi bebas rantai pernafasan dengan sitoplasma ini menentukan ciri-ciri tersendiri fungsi alat pernafasan prokariot daripada eukariota. Oleh itu, rantai pernafasan prokariot kurang stabil dari segi komposisi pembawa elektron dan kurang cekap dari segi tenaga. Dalam rantai pernafasan eukariota terdapat tiga bahagian di mana pembebasan proton dan
A/l +, dalam kebanyakan prokariot - hanya satu - n
dua bahagian, iaitu jumlah keluaran tenaga dalam prokariot adalah lebih rendah.
Fungsi rantai pernafasan dijalankan
dengan cara berikut. Hidrogen daripada substrat boleh teroksida,
dibebaskan dalam tindak balas kitaran Krebs atau digerakkan secara langsung oleh dehidrogenase yang bergantung kepada NAD (H2) dipindahkan ke rantai pernafasan kepada flavin dehidrogenase, kemudian ke ubiquinones. Di sini atom hidrogen dipecah menjadi proton dan elektron. Proton dilepaskan ke dalam medium, elektron dipindahkan ke sistem cytochrome kepada cytochrome oxidase. Ia memindahkan elektron ke penerima terminal oksigen, yang diaktifkan dan bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air dan peroksida. Yang terakhir diuraikan oleh katalase menjadi air dan oksigen. Pemindahan elektron membawa kepada perubahan ketara dalam tenaga bebas dalam sel.
Pengiraan keseimbangan tenaga menunjukkan bahawa semasa pemecahan glukosa oleh laluan glikolitik dan melalui kitaran asid tradsarboksilik, diikuti dengan pengoksidaan dalam rantai pernafasan kepada CO2 dan H20, 38 mol ATP terbentuk untuk setiap mol glukosa. Selain itu, jumlah maksimum ATP terbentuk dalam rantai pernafasan - 34 tahi lalat; 2 tahi lalat - dalam laluan EPM dan 2 - dalam TTC.
Oleh kerana pelbagai jenis sistem enzim yang termasuk dalam rantai pernafasan, substrat boleh teroksida dan penerima terminal, bakteria mempunyai sejumlah besar rantai pernafasan yang berbeza. Oleh itu, dalam rantaian pernafasan bakteria asid asetik tidak terdapat sitokrom a + az: dehidrogenase -*C -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. Rantaian pernafasan Agrobacterium tumefaciens mempunyai set komponen yang lebih kecil lagi: NADH dehidrogenase -»Q -»C-102. Rantaian pernafasan bakteria nodul dan Azotobacter dicirikan oleh kehadiran pelbagai sitokrom: dehidrogenase -gt; b-gt; c->a-gt; az -gt;02. Rantaian pernafasan yang dipendekkan adalah ciri-ciri banyak bakteria. Dalam metabolisme tenaga, mereka kurang berguna untuk bakteria kerana pengeluaran ATP yang rendah.
Bioluminesensi. Sesetengah bakteria mempunyai cabang dari rantai pernafasan utama. Elektron daripada NAD dipindahkan bukan kepada FAD tetapi kepada FMN (flavomononucleotide). Yang terakhir bertindak balas dengan enzim luciferase, oksigen dan aldehid asid palmitik. Luciferase (L) memangkin
tindak balas aldehid reduktif (AH2) dengan ATP (hasil tindak balas ini memancarkan cahaya yang boleh dilihat semasa pengoksidaan berikutnya):
Tindak balas ini dipanggil tindak balas "kelip-kelip" kerana kehadirannya dalam kelip-kelip Photinus pialis. Ia digunakan untuk penentuan kuantitatif ATP, kerana keamatan cahaya secara langsung bergantung kepada jumlah ATP.
Mekanisme bioluminescence ialah hasil daripada interaksi FMN dengan luciferase, oksigen dan aldehid, elektron dalam beberapa molekul masuk ke dalam keadaan teruja dan kembalinya mereka ke aras tanah disertai dengan pancaran cahaya. ATP tidak terbentuk semasa luminescence. Oleh itu, kecekapan fungsi rantai pernafasan berkurangan, iaitu sel tidak menerima semua tenaga yang terkandung dalam substrat teroksida, kerana sebahagian daripadanya ditukar menjadi cahaya.
Lebih sengit cahayanya, lebih baik keadaan pengudaraan tanaman. Bakteria bercahaya adalah penunjuk oksigen molekul yang sangat sensitif. M. Beijerinck menggunakan bakteria bercahaya sebagai penunjuk untuk mengesan oksigen semasa fotosintesis bakteria (pada masa itu tidak diketahui bahawa fotosintesis bakteria berlaku tanpa pembebasan oksigen).
Bakteria marin anaerobik fakultatif, bersatu dalam genus Photobacterium (bakteria bercahaya), mempunyai keupayaan untuk bioluminesensi Di bawah keadaan aerobik, mereka mengoksidakan substrat organik dengan pancaran cahaya biru bulan. Bioluminescence dianggap sebagai penyesuaian beberapa mikroorganisma untuk melindungi diri mereka daripada kesan berbahaya oksigen.
Pengoksidaan tidak lengkap. Kebanyakan mikroorganisma aerobik, dalam proses pernafasan, menjalankan pengoksidaan lengkap karbohidrat kepada karbon dioksida dan air*. Di mana
semua tenaga yang terkandung dalam substrat dibebaskan. Contohnya ialah pengoksidaan glukosa oleh yis pembuat roti:
Walau bagaimanapun, pengoksidaan mungkin tidak lengkap. Ini bergantung kepada spesies mikrob dan keadaan pembangunan. Biasanya, pengoksidaan tidak lengkap berlaku apabila terdapat lebihan karbohidrat dalam persekitaran dan kekurangan oksigen. Hasil akhir pengoksidaan tidak lengkap ialah asid organik, seperti asetik, sitrik, fumarik, glukonik, dll. Contoh tipikal pengoksidaan tidak lengkap ialah pembentukan asid asetik daripada alkohol oleh bakteria genus Acetobacter:
Proses pengoksidaan ini digunakan oleh mikroorganisma untuk mendapatkan tenaga. Dalam kes pengoksidaan yang tidak lengkap, pembentukan ikatan fosfat bertenaga tinggi berlaku semasa proses pemindahan elektron. Walau bagaimanapun, jumlah hasil tenaga adalah jauh lebih rendah daripada dengan pengoksidaan lengkap. Sebahagian daripada tenaga substrat awal teroksida disimpan dalam asid organik yang terhasil. Disebabkan fakta bahawa asid yang serupa (suksin, laktik) terbentuk semasa penapaian karbohidrat, pengoksidaan yang tidak lengkap dipanggil "penapaian oksidatif." Ciri tersendiri pengoksidaan tidak lengkap ialah penyertaan oksigen dalam tindak balas. Oleh itu, pengudaraan adalah syarat yang diperlukan untuk pembentukan asid organik oleh mikroorganisma. Telah ditetapkan bahawa pembentukan asid aglutamik oleh bakteria (Corynebacterium glutamicum) berlaku hanya dalam keadaan aerobik yang ketat. Selain itu, hasil asid amino ini boleh menjadi sangat tinggi - 0.6 mol glutamin setiap 1 mol glukosa yang digunakan.
Mikroorganisma yang berkembang akibat tenaga pengoksidaan tidak lengkap digunakan dalam industri mikrobiologi untuk menghasilkan asid organik, termasuk asid amino.
Pernafasan anaerobik. Di bawah keadaan anaerobik, iaitu, dalam ketiadaan oksigen molekul, beberapa mikroorganisma
seperti Micrococcus denitrificans dan bakteria genera Desulfovibrio dan Desulfotomaculum menggunakan sebatian mineral teroksida sebagai penerima hidrogen - nitrat, sulfat, yang mudah melepaskan oksigen, bertukar menjadi bentuk terkurang. Hasil pengurangan nitrat ialah nitrit dan nitrogen molekul; sulfat dikurangkan kepada hidrogen sulfida dan sebatian lain. Produk berkurangan yang terhasil dikeluarkan dari sel. Pengoksidaan bahan organik dalam keadaan anaerobik berlaku melalui penyahhidrogenan Hidrogen yang diasingkan memasuki rantai pernafasan dan dipindahkan ke penerima yang sepadan. Reaksi akhir dimangkinkan oleh reduktase nitrat. Yang terakhir berfungsi sebagai sitokrom oksidase dalam keadaan anaerobik.
Nitrat reduktase adalah enzim yang boleh diinduksi. Sintesisnya berlaku hanya dalam keadaan anaerobik dengan kehadiran nitrat. Oksigen menghalang sintesis nitrat reduktase. Dengan kehadiran reduktase nitrat dalam sel (jika bakteria dipindahkan dari keadaan anaerobik ke aerobik), oksigen bersaing dengan nitrat untuk elektron dalam rantai pernafasan, dengan itu menghalang fungsi enzim ini. Inilah sebabnya mengapa respirasi nitrat dan sulfat berlaku hanya dalam keadaan anaerobik.
Keupayaan mikroorganisma menggunakan nitrat dan sulfat sebagai penerima elektron membolehkan mereka mengoksidakan substrat sepenuhnya dan dengan itu memperoleh jumlah tenaga yang diperlukan. Oleh itu, bakteria denitrifikasi semasa respirasi nitrat menghasilkan pengoksidaan lengkap substrat organik, manakala pengeluaran tenaga hanya 10% lebih rendah daripada semasa respirasi aerobik. ATP terbentuk hasil daripada fosforilasi dalam rantai pernafasan.
Respirasi mikroorganisma.
| Nama parameter | Maknanya |
| Topik artikel: | Respirasi mikroorganisma. |
| Rubrik (kategori tematik) | Pendidikan |
Respirasi mikroorganisma ialah pengoksidaan biologi pelbagai sebatian organik dan beberapa bahan mineral. Hasil daripada proses redoks dan penapaian, tenaga haba dijana, sebahagian daripadanya digunakan oleh sel mikrob, dan selebihnya dilepaskan ke alam sekitar. Hari ini pengoksidaan ditakrifkan sebagai proses penyingkiran hidrogen (dehidrogenasi), dan pemulihan - penyertaannya. Istilah ini digunakan untuk tindak balas yang melibatkan pemindahan proton dan elektron atau elektron sahaja. Apabila bahan teroksida, elektron hilang, dan apabila bahan dikurangkan, ia ditambah. Adalah dipercayai bahawa pemindahan hidrogen dan pemindahan elektron adalah proses yang setara.
Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas redoks terkumpul dalam sebatian tenaga tinggi ADP dan ATP (adenosina difosfat dan adenosin trifosfat). Sebatian ini mempunyai ikatan tenaga tinggi yang mempunyai bekalan tenaga biologi yang banyak. Οʜᴎ disetempatkan dalam struktur kompleks sel mikrob - mesosom, atau mitokondria.
Berdasarkan jenis pernafasan, mikroorganisma dibahagikan kepada aerob, anaerob dan anaerob fakultatif.
Pernafasan aerobik mikroorganisma ialah satu proses di mana penerima terakhir hidrogen (proton dan elektron) ialah oksigen molekul. Hasil daripada pengoksidaan sebatian organik kompleks terutamanya, tenaga dijana, yang dilepaskan ke alam sekitar atau terkumpul dalam ikatan fosfat tenaga tinggi ATP. Perbezaan dibuat antara pengoksidaan lengkap dan tidak lengkap.
Pengoksidaan lengkap. Sumber tenaga utama bagi mikroorganisma ialah karbohidrat. Hasil daripada pemecahan glukosa dalam keadaan aerobik, proses pengoksidaan diteruskan kepada pembentukan karbon dioksida dan air dengan pembebasan sejumlah besar tenaga bebas:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 674 kcal.
Pengoksidaan tidak lengkap. Tidak semua aerobes melengkapkan tindak balas pengoksidaan. Dengan lebihan karbohidrat dalam persekitaran, produk pengoksidaan tidak lengkap terbentuk, yang mengandungi tenaga. Produk akhir pengoksidaan aerobik gula yang tidak lengkap adalah asid organik: sitrik, malik, oksalik, suksinik dan lain-lain, yang dibentuk oleh kulat acuan. Respirasi aerobik juga dilakukan oleh bakteria asid asetik, di mana pengoksidaan etil alkohol tidak menghasilkan karbon dioksida dan air, tetapi asid asetik dan air:
C 2 H 5 OH + O 2 → CH 3 COOH + H 2 O + 116 kcal.
cuka etil alkohol. untuk itu
Pengoksidaan etil alkohol oleh bakteria asid asetik boleh pergi lebih jauh - sehingga karbon dioksida dan air muncul, dan sejumlah besar tenaga dibebaskan:
C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O + 326 kcal.
etanol
Pernafasan anaerobik dijalankan tanpa penyertaan oksigen molekul. Membezakan respirasi anaerobik sebenar (nitrat, sulfat) dan penapaian . Semasa respirasi anaerobik, penerima hidrogen adalah sebatian tak organik teroksida, yang mudah melepaskan oksigen dan ditukar kepada bentuk yang lebih berkurangan. Nafas nitrat- pengurangan nitrat kepada molekul nitrogen . Respirasi sulfat - pengurangan sulfat kepada hidrogen sulfida.
Penapaian- pecahan sebatian yang mengandungi karbon organik di bawah keadaan anaerobik. Ia dicirikan oleh fakta bahawa penerima hidrogen terakhir adalah molekul bahan organik dengan ikatan tak tepu. Bahan tersebut hanya terurai kepada produk perantaraan, iaitu sebatian organik kompleks (alkohol, asid organik). Tenaga yang terkandung di dalamnya tidak digunakan oleh mikrob, dan tenaga yang dihasilkan dalam kuantiti yang kecil dilepaskan ke alam sekitar.
Contoh biasa respirasi anaerobik ialah:
Penapaian alkohol (pernafasan yis dalam keadaan anaerobik):
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 27 kcal;
etil alkohol
Penapaian asid laktik (pernafasan bakteria asid laktik):
C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + 18 kcal;
tenusu untuk itu
Penapaian asid butirik (pernafasan bakteria asid butirik):
C 6 H 12 O 6 → C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 + 15 kcal;
minyak untuk itu
Seperti yang dapat dilihat daripada persamaan di atas, respirasi anaerobik mengeluarkan tenaga yang jauh lebih sedikit daripada respirasi aerobik. Atas sebab ini, semasa respirasi anaerobik, untuk memenuhi keperluan jumlah tenaga yang amat penting, adalah amat penting bagi mikroorganisma untuk mengambil lebih banyak gula berbanding semasa respirasi aerobik.
Kebanyakan tenaga yang dijana semasa respirasi dilepaskan ke persekitaran. Ini menyebabkan makanan menjadi panas di mana mikroorganisma berkembang. Ini adalah bagaimana wain di mana penapaian alkohol berlaku dipanaskan; bijirin basah, gambut, jerami dipanaskan.
Respirasi mikroorganisma. - konsep dan jenis. Klasifikasi dan ciri kategori "Pernafasan mikroorganisma." 2017, 2018.
Muka surat 16 daripada 91
Kehidupan mikrob, seperti semua makhluk hidup, dikaitkan dengan perbelanjaan tenaga yang berterusan, dan, oleh itu, untuk mengekalkan keseimbangan fisiologi, pembaharuan berterusan rizabnya adalah perlu. Yang terakhir ini dijalankan oleh mikroorganisma melalui proses pernafasan.
Tidak seperti haiwan dan tumbuhan yang lebih tinggi, proses pernafasan dalam mikrob, walaupun saiz mikroskopiknya, dibezakan oleh kerumitan dan kepelbagaiannya, yang berdasarkan tindakan pelbagai enzim. Berdasarkan jenis pernafasan, mikroorganisma dibahagikan kepada tiga kumpulan:
- mewajibkan aerobes yang berkembang hanya dengan akses bebas kepada oksigen. Proses pernafasan mereka dijalankan dengan penyertaan oksigen molekul dari udara (contohnya, Vibrio cholerae).
- obligat anaerobes yang boleh hidup hanya jika tiada oksigen atmosfera (contohnya, bacillus tetanus).
- anaerobes fakultatif, yang merangkumi sebahagian besar mikroorganisma patogenik; mereka boleh wujud dalam ketiadaan oksigen atmosfera dan dengan akses yang tidak penting kepadanya.
Kerja Pasteur adalah yang pertama untuk membuktikan bahawa beberapa mikroorganisma boleh berkembang dalam persekitaran bebas oksigen, memperoleh tenaga yang diperlukan daripada pecahan bahan organik kompleks substrat nutrien. Proses pemecahan mendalam sebatian organik bebas nitrogen, yang biasanya berdasarkan respirasi anaerobik, dipanggil penapaian. Proses respirasi aerobik dan anaerobik dijalankan oleh pemangkin biologi (enzim), yang mampu mengaktifkan perjalanan tindak balas oksidatif semasa pernafasan. Semasa respirasi aerobik dan anaerobik, dalam fasa pertama proses, hidrogen diaktifkan oleh enzim dari kumpulan dehidrogenase, yang mengambil hidrogen dari substrat (medium nutrien) dan memindahkannya dari satu molekul organik ke yang lain - dari satu penerima ke yang lain. (dari bahasa Latin acceptor - perceiving). Dan kerana dalam struktur atom hidrogen terdapat satu elektron dalam orbit, proses penyingkiran hidrogen daripada substrat adalah oksidatif. Pada fasa terakhir, semasa respirasi aerobik, dehidrogenase aerobik memindahkan hidrogen yang dikeluarkan dari substrat terus ke oksigen atmosfera, yang merupakan penerima terakhir. Dalam kes ini, hidrogen peroksida boleh dibentuk, yang memainkan peranan sebagai agen pengoksidaan untuk sebatian organik. Enzim katalase, yang terdapat dalam semua organisma aerobik, menguraikan hidrogen peroksida kepada air dan oksigen, dan enzim peroksidase mengaktifkan oksigen peroksida.
Dehydrase anaerobik tidak boleh memberikan hidrogen kepada oksigen udara, tetapi memindahkannya kepada penerima lain (enzim, bahan lain yang muncul semasa proses penapaian).
Kedua-dua semasa respirasi aerobik dan anaerobik, pengoksidaan beberapa bahan dan pengurangan bahan lain diperhatikan.
Inti pengoksidaan ialah kehilangan elektron oleh bahan yang dioksidakan, dan semasa pengurangan, elektron diperolehi oleh bahan yang dikurangkan.
Oleh itu, tindakan pernafasan dalam mikroorganisma mewakili satu siri proses redoks berurutan yang membawa kepada pembebasan tenaga yang diperlukan untuk kehidupan mereka.
Produk yang paling mudah diakses untuk pengoksidaan oleh mikrob aerobik ialah gula, alkohol dan asid organik. Sebatian nitrogen kompleks digunakan terakhir untuk pernafasan. Mikrob anaerobik menggunakan sebatian organik dan mineral sebagai substrat boleh teroksida.
Respirasi anaerobik adalah kurang ekonomik daripada respirasi aerobik, seperti yang dapat dilihat daripada contoh berikut. Pecahan aerobik satu molekul gula anggur membebaskan 674 kalori haba. (CbH120b + 602 = 6C02 + 6H20 + 674 kalori), dan dengan penguraian anaerobik molekul yang sama - hanya 27 kalori (C6Hi206 = 2C2H50H + 2C02 + 27 kalori).
Catatan. Jenis respirasi mikroorganisma dicerminkan dalam sifat pertumbuhannya pada media nutrien tiruan. Jadi, sebagai contoh, bacillus tuberkulosis, sebagai aerobe obligat, dalam tabung uji atau kelalang dengan sup nutrien hanya tumbuh secara dangkal, dalam bentuk filem, meninggalkan bacilli anaerobik yang telus sederhana - hanya di pangkalan, dan bakteria kumpulan typhoid enterik (anaerobes fakultatif) tumbuh sama rata dalam semua lapisan sup, memberikan pertumbuhan meresap.
Kaedah untuk memupuk anaerobes. Untuk memupuk anaerobes, sebagai tambahan kepada media nutrien yang sesuai, adalah perlu untuk mewujudkan keadaan persekitaran bebas oksigen. Terdapat banyak kaedah untuk memupuk mikrob anaerobik. Mengikut prinsip yang mendasari kaedah ini, ia boleh dibahagikan kepada kimia, fizikal dan biologi.
Kaedah kimia. Terdapat dua kaedah untuk menanam anaerob. Kaedah pertama ialah tabung uji atau hidangan yang disuntik dengan anaerobes diletakkan di dalam ruang tertutup (contohnya, desikator) dan beberapa penyerap oksigen diletakkan - natrium hiposulfit dan larutan alkali pyrogallol. Untuk 1 g pyrogallol ambil 10 ml larutan NaOH 10%; jumlah bahan ini mampu mengikat oksigen dalam isipadu kira-kira 200 ml udara.
Cara paling mudah untuk mencapai anaerobiosis menggunakan campuran ini adalah seperti berikut:
- Palam kapas tabung uji dengan inokulasi budaya ini dipangkas, diturunkan agak dalam dan dibasahi dengan larutan (0.5-1 ml). Akses udara dihentikan dengan menyumbat dengan penyumbat getah atau penutup getah.
- Mengeluarkan udara dari media nutrien sebelum menyemai dengan mendidih dalam tab mandi air selama 15 minit dan kemudian dengan cepat menyejukkan hingga 45-50°. Untuk mengelakkan udara daripada memasuki semula medium, tiub dimeteraikan, atau permukaan medium diisi dengan minyak parafin steril.
- Mendapatkan koloni terpencil dalam lapisan dalam medium menggunakan kaedah Vignal. Teknik inokulasi menggunakan kaedah Vignal adalah seperti berikut: 3-4 tabung uji dengan medium agar cair disuntik dengan bahan ujian dan dicairkan secara beransur-ansur. Agar-agar, yang masih belum menjadi pepejal selepas inokulasi, dikumpulkan dari setiap tabung uji ke dalam pipet Pasteur, yang kemudiannya dimeteraikan hanya dari hujung yang dilukis (semasa mengelak, untuk mengelakkan percikan bahan, anda tidak boleh mengekalkan hujung yang bertentangan dengan diapit. ). Tiub disejukkan dengan cepat dan dipindahkan ke termostat. Selepas 2-3 hari, dengan pencairan bahan permulaan yang berjaya, koloni individu boleh diperhatikan.
Untuk mengasingkan koloni, hirisan dibuat dengan fail di tempat yang ditetapkan pada tiub, selepas itu tiub mudah pecah. Pada ketika ini, kandungan dituangkan ke dalam hidangan Heidenreich-Petri steril, koloni diambil dengan gelung atau ditarik ke dalam pipet yang ditarik nipis dan dipindahkan ke sup atau melalui suntikan ke dalam lajur agar gula.
- Mengeluarkan udara (dan oleh itu oksigen) dari persekitaran secara mekanikal. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan peranti khas - anaerostat (Rajah 41). Anaerostat dalam bentuk paling ringkas ialah kotak logam segi empat tepat atau silinder yang ditutup dengan penutup pada gasket getah. Silinder dilengkapi dengan injap logam yang disambungkan ke pam. Tabung uji dan cawan dengan kultur diletakkan di dalam, udara dipam keluar. Untuk memupuk anaerobes yang ketat, cukup untuk mengurangkan tekanan kepada 1 mm.
Kaedah biologi. Antara kaedah biologi, jangkitan haiwan dan kaedah Fortner paling kerap digunakan.
Apabila haiwan dijangkiti, bahan yang digunakan diberikan kepada haiwan dalam campuran dengan serum tertentu. Kaedah ini boleh digunakan dalam dua cara:
- Untuk mengasingkan mikrob daripada campuran. Jika mikrob sepadan dengan serum, ia akan mati. Mikrob lain yang tidak sepadan dengan serum ini diasingkan daripada haiwan.
- Untuk menentukan toksin. Sekiranya terdapat toksin dalam bahan ujian, haiwan yang menerimanya dalam campuran dengan serum antitoksik akan bertahan. Haiwan kawalan mati. Diagnosis ini digunakan secara meluas dengan ujian biologi untuk toksin.
Kaedah Fortner. Kaedah ini membawa teknologi makmal lebih dekat dengan keadaan semula jadi untuk pembangunan mikroorganisma anaerobik. Fortner menggunakan kaedah simbiosis mikrob aerobik yang mampu menyerap oksigen udara dengan kuat (Bact. prodigiosum) dengan anaerobes yang disemai pada agar darah dalam hidangan Heidenreich-Petri. Pinggan dibahagikan kepada dua bahagian dengan jalur agar-agar yang dipotong untuk mengelakkan pencampuran kultur semasa pertumbuhan berterusan. Bahan yang akan diuji untuk anaerob disuntik pada separuh hidangan, dan pada satu lagi, aerobik obligat yang diketahui (Bact. prodigiosum Сас. subtilis, dsb.) diinokulasi.
Untuk mengasingkan bahagian dalam cawan dari atmosfera luar, tepinya diisi dengan lilin atau dimeterai dengan plastisin. Pertumbuhan permukaan anaerob yang baik boleh didapati menggunakan kaedah Fortner.
Media nutrien untuk pertumbuhan anaerob. Kuah Kitta - Tarozi. Dalam tabung uji dengan sup daging-pepton, masukkan kepingan hati yang direbus dan dibasuh dengan air mendidih pada ayak (3-5 g setiap tabung uji) atau daging cincang, isi dengan jeli petroleum dan sterilkan pada suhu 115° selama 30 minit.
Agar darah dengan glukosa (Zeissler). Agar-agar beralkali lemah yang mengandungi 2-3% agar-agar dan 2% glukosa dituangkan ke dalam tabung uji besar (25 cm panjang dan 2.5 cm diameter), kira-kira 60 ml setiap satu, disterilkan selama 30 minit pada suhu 110 ° dan dalam bentuk ini simpan. Sebelum digunakan, agar-agar dicairkan dalam tab mandi air, disejukkan hingga 45°, 12-15 ml darah steril defibrinated ditambah ke setiap tabung uji, dicampur dan dituangkan ke dalam 3-4 hidangan Heidenreich-Petri. Cawan yang disediakan disimpan selama 2 hari pada suhu bilik sebelum disemai.
Agar tiub Vayon. 2% agar dan 0.5% glukosa ditambah ke dalam sup perapian terbuka. Tetapkan pH kepada 7.4 dan tuangkan ke dalam tabung uji yang sempit (diameter 0.3-0.5 cm, panjang 20 cm). Lajur agar tidak boleh lebih tinggi daripada 2/3 daripada panjang tabung uji dan disterilkan dalam pecahan 3 hari selama 40 minit dalam radas wap mengalir.