Wakati wa maendeleo, ukuaji, na uzazi wa seli za microorganism, mabadiliko magumu ya virutubisho hutokea, yanayohitaji kiasi fulani cha nishati. Kiini cha microbial hupokea nishati kupitia mchakato wa kupumua. Kiini cha mchakato huu ni kwamba vitu ngumu vya kikaboni hutiwa oksidi kwa rahisi zaidi na kutolewa kwa nishati.
Ili oxidize vitu vya kikaboni, vijidudu vingine hutumia oksijeni, wengine wanaweza kufanya bila hiyo, na kwa wengine, oksijeni ni hatari hata. Kulingana na hili, microorganisms imegawanywa katika microorganisms aerobic, ambayo hupokea nishati kama matokeo ya oxidation ya vitu vya kikaboni kwa kutumia oksijeni ya molekuli. Katika microorganisms nyingine, michakato ya oxidative hutokea bila ushiriki wa oksijeni; wanaitwa anaerobes. Viumbe vidogo vya anaerobic vimegawanywa kuwa lazima, au bila masharti, ambayo oksijeni sio tu ya lazima, lakini pia ni hatari, na yenye uwezo, au ya masharti, ambayo inaweza kuishi na bila upatikanaji wa hewa. Kiwango cha anaerobicity ya anaerobes ya kitivo hutofautiana. Baadhi yao hukua vyema katika hali ya anaerobic au kwa maudhui ya oksijeni kidogo katika mazingira (microaerophiles), wengine - na upatikanaji wa hewa. Anaerobes ya kiakili hujulikana (kwa mfano, chachu fulani), yenye uwezo wa kubadili kutoka kwa anaerobic hadi kupumua kwa aerobic, kulingana na hali ya maendeleo. Ukuaji wa microorganisms na aina tofauti za kupumua katika zilizopo za mtihani na kati ya virutubisho imara inaweza kuwa juu ya uso, katikati na kwa kina.
Uwiano wa microorganisms kwa hewa imedhamiriwa na njia ya kimetaboliki yao ya nishati.
Vijidudu vya Aerobic, katika mchakato wa kupumua, oksidi ya vitu vya kikaboni karibu kabisa, kuunda dioksidi kaboni na maji kama bidhaa za mwisho. Oxidation kamili inaambatana na kutolewa kwa nishati yote ya bidhaa iliyooksidishwa. Oxidation kama hiyo, kwa mfano, sukari, inaweza kuonyeshwa kwa hesabu ifuatayo:
C 6 H 12 0 6 + 60 2 = 6C0 2 + 6H 2 0 2822 kJ.
Kwa oxidation isiyo kamili ya vitu vya kikaboni, nishati kidogo hutolewa kuliko kwa oxidation kamili. Sehemu ya nishati ambayo haijatolewa inabaki katika kesi hizi katika bidhaa za oxidation isiyo kamili. Kwa hivyo, oxidation ya pombe ya ethyl na bakteria ya asidi ya asetiki inaweza kuendelea hadi hatua ya malezi ya asidi asetiki na maji na kutolewa kamili kwa nishati:
C 2 H 5 OH + 0 2 = CH 3 COOH + H 2 0 485.7 kJ.
Oxidation kamili ya pombe huendelea kulingana na mpango
C 2 H 5 OH + 30 2 = 2CO 2 + ZN 2 0 1365 kJ.
Katika kesi hiyo, nishati zote zilizomo katika pombe ya ethyl hutolewa.
Vijidudu vya anaerobic hupata nishati kama matokeo ya kupumua bila oksijeni, ambayo huitwa fermentation. Kwa kupumua bila oksijeni, oxidation daima hutokea bila kukamilika. Mfano wa kupumua kwa anoxic ni fermentation ya pombe, inayosababishwa na chachu chini ya hali ya anaerobic. Fermentation hii inaendelea kulingana na mpango
C 6 H 12 O 6 = 2C 2 H 5 OH + 2C0 2 113 kJ.
Kama matokeo ya fermentation ya pombe, sukari inabadilishwa kuwa pombe ya ethyl na dioksidi kaboni na kutolewa kwa nishati. Kama inavyoonekana kutoka kwa hesabu mbili za mwisho, sukari haijaoksidishwa kabisa katika kesi hii, kwani moja ya bidhaa za mwisho za Fermentation ya pombe - pombe ya ethyl - ina usambazaji mkubwa wa nishati, ambayo haikutolewa chini ya hali ya anaerobic.
Uchachushaji wa asidi ya lactic, ambayo ina jukumu kuu katika uzalishaji wa bidhaa za maziwa, pia ni mchakato wa kupumua kwa anaerobic. Aina hii ya fermentation inafanywa hasa na bakteria ya lactic asidi, ambayo ni anaerobes ya masharti, ambayo wengi wao hukua vizuri mbele ya oksijeni ya anga. Uchachushaji wa asidi ya lactic unahusisha mtengano wa molekuli ya sukari katika molekuli mbili za asidi ya lactic na kutolewa kwa joto:
C 6 H 12 0 6 = 2CH 2 CHONCOOH 75.4 kJ.
Wakati wa uchachushaji wa asidi ya lactic, sehemu ndogo tu ya nishati inayowezekana ya sukari pia hutolewa, kwani usambazaji mkubwa wa nishati unabaki katika asidi ya lactic.
Mfano wa vijidudu madhubuti vya anaerobic ni bakteria ya asidi ya butyric, mchakato wa kupumua ambao unaambatana na mtengano wa sukari na malezi ya asidi ya butyric, dioksidi kaboni na hidrojeni. Utaratibu huu unaitwa Fermentation ya asidi ya butyric na kimsingi hufuata mpango ufuatao:
C 6 H 12 O 6 = C 3 H 7 COOH + 2C0 2 + 2H 2 62.8 kJ.
Milinganyo iliyotolewa huonyesha tu matokeo ya mwisho ya michakato. Kwa kweli, michakato hii hutokea kwa awamu kadhaa, ikifuatana na uundaji wa idadi ya kati na ya bidhaa.
Kuhusiana na hewa, microorganisms ya maziwa na bidhaa za maziwa inaweza kupangwa katika mlolongo wafuatayo: molds na bakteria putrefactive (wengi) - aerobes;
bakteria ya asidi asetiki, chachu, micrococci, bakteria ya coliform, bakteria ya fluorescent, aina fulani za bakteria ya spore - anaerobes ya masharti (huendeleza vizuri mbele ya hewa);
streptococci asidi ya lactic ni anaerobes ya masharti;
vijiti vya asidi ya lactic, bakteria ya asidi ya propionic - anaerobes ya masharti (huendeleza bora kwa kutokuwepo kwa hewa);
bakteria asidi butyric, baadhi ya aina ya bakteria spore ni anaerobes kali.
Fizikia ya vijidudu husoma sifa za ukuaji, lishe, kimetaboliki ya nishati na michakato mingine ya maisha ya vijidudu katika hali tofauti za mazingira.
Lishe ya microorganisms
Vijiumbe maradhi hulisha kwa kueneza virutubishi vilivyoyeyushwa ndani ya maji kupitia ganda na utando. Misombo ya kikaboni changamano isiyoyeyuka huvunjwa awali nje ya seli kwa usaidizi wa vimeng'enya vinavyotolewa na vijiumbe kwenye substrate.
Kulingana na njia ya lishe, wamegawanywa katika autotrophic na heterotrophic.
Nyaraka otomatiki yenye uwezo wa kuunganisha misombo ya kikaboni kutoka kwa vitu isokaboni (hasa kaboni dioksidi, nitrojeni isokaboni na maji). Kama chanzo cha nishati kwa usanisi, vijidudu hivi hutumia nishati nyepesi (photosynthesis) au nishati ya athari za oksidi (chemosynthesis).
Athari zote za kimetaboliki katika seli ya microbial hutokea kwa msaada wa vichocheo vya kibaolojia - vimeng'enya. Enzymes nyingi hujumuisha sehemu ya protini na kikundi bandia kisicho na protini. Kikundi cha bandia kinaweza kujumuisha metali kama vile chuma, shaba, cobalt, zinki, pamoja na vitamini au derivatives zao. Baadhi ya Enzymes hujumuisha tu protini rahisi. Enzymes ni maalum na hufanya kazi kwa dutu moja maalum. Kwa hiyo, kila microorganism ina tata nzima ya enzymes, na Enzymes zingine zinaweza kutolewa nje, ambapo hushiriki katika maandalizi ya kunyonya misombo ya kikaboni tata. Enzymes kutoka kwa microorganisms hutumiwa katika chakula na viwanda vingine.
Maji. Kiini cha microbial kina maji 75-85%. Maji mengi yanapatikana kwenye cytoplasm ya seli katika hali ya bure. Michakato yote ya kimetaboliki ya biochemical hufanyika ndani ya maji; maji pia ni kutengenezea kwa vitu hivi, kwani virutubishi huingia kwenye seli tu kwa njia ya suluhisho, na bidhaa za kimetaboliki pia huondolewa kutoka kwa seli na maji. Baadhi ya maji kwenye seli yako katika hali ya kufungwa na ni sehemu ya miundo ya seli. Katika spora za bakteria na kuvu, kiasi cha maji ya bure hupunguzwa hadi 50% au chini. Kwa hasara kubwa ya maji amefungwa, kiini cha microbial kinakufa.
Jambo la kikaboni seli za microbial zinawakilishwa na protini (6-14%), mafuta (1-4%), wanga, asidi nucleic.
- nyenzo kuu ya plastiki ya seli yoyote hai, ikiwa ni pamoja na microbial. Protini huunda msingi wa cytoplasm na ni sehemu ya membrane ya seli na baadhi ya miundo ya seli. Wanafanya kazi muhimu sana ya kichocheo, kwa kuwa ni sehemu ya vimeng'enya vinavyochochea athari za kimetaboliki katika seli ya microbial.
Seli za microbial zina asidi ya deoksiribonucleic (DNA) na asidi ya ribonucleic (RNA). DNA hupatikana hasa katika kiini cha seli au nyukleotidi, RNA hupatikana katika saitoplazimu na ribosomu, ambapo inahusika katika usanisi wa protini.
Yaliyomo ya mafuta ya vijidudu tofauti hutofautiana; katika chachu na ukungu fulani ni mara 6-10 zaidi kuliko bakteria. Mafuta (lipids) ni nyenzo ya nishati ya seli. Mafuta kwa namna ya lipoproteins ni sehemu ya membrane ya cytoplasmic, ambayo hufanya kazi muhimu katika kubadilishana kwa seli na mazingira. Mafuta yanaweza kuwepo kwenye cytoplasm kwa namna ya granules au matone.
Wanga ni sehemu ya utando, vidonge na saitoplazimu. Wao huwakilishwa hasa na wanga tata - polysaccharides (wanga, dextrin, glycogen, fiber), ambayo inaweza kuunganishwa na protini au lipids. Wanga inaweza kuwekwa kwenye saitoplazimu kwa namna ya nafaka za glycogen kama nyenzo ya hifadhi ya nishati.
(fosforasi, sodiamu, magnesiamu, klorini, sulfuri, nk) ni sehemu ya protini na vimeng'enya vya seli ya microbial, ni muhimu kwa kimetaboliki na kudumisha shinikizo la kawaida la osmotiki ya intracellular.
Muhimu kwa kazi ya kawaida ya microorganisms. Wanashiriki katika michakato ya metabolic, kwani ni sehemu ya enzymes nyingi. Vitamini, kama sheria, lazima zitoke kwenye chakula, lakini vijidudu vingine vina uwezo wa kuunda vitamini, kwa mfano B2 au B12.
Kupumua kwa microorganisms
Michakato ya biosynthesis ya dutu za seli za microbial hutokea kwa matumizi ya nishati. Viumbe vidogo vingi hutumia nishati ya athari za kemikali zinazohusisha oksijeni hewani. Utaratibu huu wa virutubishi vioksidishaji kutoa nishati huitwa kupumua. Nishati hutolewa na oxidation ya isokaboni (autotrophs) au vitu vya kikaboni (heterotrophs).
Vijidudu vya Aerobic (aerobes) Wanatumia nishati iliyotolewa wakati wa uoksidishaji wa vitu vya kikaboni na oksijeni ya anga ili kuunda vitu vya isokaboni, dioksidi kaboni na maji. Aerobes ni pamoja na bakteria nyingi, kuvu na baadhi ya chachu. Mara nyingi hutumia wanga kama chanzo cha nishati.
Vijidudu vya anaerobic (anaerobes) Hawatumii oksijeni kwa kupumua; wanaishi na kuzaliana kwa kukosekana kwa oksijeni, kupata nishati kama matokeo ya michakato ya Fermentation. Anaerobes ni bakteria kutoka kwa jenasi Clostridia (botulinum bacillus na perfringens bacillus), bakteria ya asidi ya butyric, nk.
Chini ya hali ya anaerobic, fermentations ya pombe, lactic na butyric hufanyika, wakati mchakato wa kubadilisha glucose kuwa pombe, asidi ya lactic au butyric hutokea kwa kutolewa kwa nishati. Takriban 50% ya nishati iliyotolewa hutawanywa kama joto, na iliyobaki hukusanywa katika ATP (adenosine triphosphoric acid).
Baadhi ya microorganisms wanaweza kuishi wote mbele ya oksijeni na bila hiyo. Kulingana na hali ya mazingira, wanaweza kubadili kutoka kwa michakato ya anaerobic ya kupata nishati hadi ya aerobic, na kinyume chake. Microorganisms vile huitwa anaerobes facultative.
Kupumua ni mchakato wa kimetaboliki ambao hutokea katika seli na kutolewa kwa nishati na kizazi cha ATP, ambapo misombo ya isokaboni hutumika kama kipokezi cha mwisho cha elektroni (hidrojeni). Kulingana na kipokeaji cha mwisho cha elektroni, kupumua kwa aerobic na anaerobic kunajulikana. Katika kupumua kwa aerobiki, kipokezi cha hidrojeni ni oksijeni, katika kupumua kwa anaerobic, misombo ya oksidi isokaboni kama vile nitrati na salfati.
Kupumua kwa Aerobic. Viumbe vidogo hutumia anuwai ya misombo ya asili kama substrates za nishati kwa kimetaboliki ya kupumua. Bila kujali ugumu wa muundo wa substrate iliyooksidishwa, matumizi yake kama chanzo cha nishati yanategemea kanuni hiyo hiyo: kuvunjika kwa taratibu kwa malezi ya misombo rahisi yenye uwezo wa kuingia katika athari za mzunguko wa asidi ya tricarboxylic. Uunganisho huu wa njia kuu za kimetaboliki ni pyruvate.
Oxidation ya pyruvate wakati wa kupumua kwa aerobic hutokea katika mzunguko wa Krebs, ambayo huingia kupitia acetyl-CoA. Oxidation yake kamili husababisha kutolewa kwa molekuli mbili za dioksidi kaboni na atomi nane za hidrojeni. Kipokeaji hidrojeni, kama ilivyoonyeshwa hapo juu, katika bakteria ya aerobic ni oksijeni. Tangaza
hidrojeni (elektroni) hadi oksijeni hufanywa kupitia mlolongo wa mtiririko wa molekuli za carrier, kinachojulikana kama mnyororo wa kupumua, au mnyororo wa usafiri wa elektroni:
Substrate gt; NAD* H2 gt; Flavoprotein gt; Coenzyme O
gt; Cytochrome c gt; Cytochrome aa3 gt; 02
Mlolongo wa kupumua ni mfumo wa molekuli za carrier zilizopangwa kwa anga ambazo huhamisha elektroni kutoka kwa substrate iliyooksidishwa hadi kwa kipokezi. Inatengenezwa katika aerobes na anaerobes ya facultative, tu katika mwisho wa mwisho wa kupokea elektroni, pamoja na oksijeni, ni nitrati na sulfates.
Vipengele vya mnyororo wa upumuaji, vilivyowekwa ndani ya utando, ni vibeba protini kama vile flavoproteini, protini za FeS, saitokromu, na vibeba visivyo vya protini - quinones (ubiquinones, menaquinones). dehydrogenase tegemezi NAD(P) ambazo hidrojeni abstract kutoka substrate iliyooksidishwa ni vimeng'enya mumunyifu; flavoprotein dehydrogenases inaweza kupatikana ama katika utando au katika fomu mumunyifu katika saitoplazimu.
quinones hufanya uhamisho wa atomi na cytochromes - elektroni. Kwa kuwa flygbolag zenye elektroni huingizwa kwenye cytoplasm, kuna mwingiliano wa moja kwa moja kati ya mnyororo wa kupumua, kwa upande mmoja, na substrate iliyooksidishwa, ADP na phosphate ya isokaboni ya cytoplasm, kwa upande mwingine. Uingiliano huu wa bure wa mnyororo wa kupumua na cytoplasm huamua vipengele tofauti vya utendaji wa vifaa vya kupumua vya prokaryotes kutoka kwa eukaryotes. Kwa hivyo, minyororo ya kupumua ya prokaryotes haina utulivu katika suala la utungaji wa flygbolag za elektroni na haifanyi kazi kwa nguvu. Katika mlolongo wa kupumua wa eukaryotes kuna sehemu tatu ambapo protoni hutolewa na
A/l +, katika prokaryotes nyingi - moja tu - n
sehemu mbili, i.e. jumla ya pato la nishati katika prokariyoti ni chini.
Utendaji wa mnyororo wa kupumua unafanywa
kwa njia ifuatayo. Hidrojeni ya substrate inayoweza oksidi,
iliyotolewa katika athari za mzunguko wa Krebs au kuhamasishwa moja kwa moja na dehydrogenases tegemezi NAD (H2) huhamishiwa kwenye mnyororo wa kupumua kwa dehydrogenases ya flavin, kisha kwa ubiquinones. Hapa atomi ya hidrojeni imegawanywa katika protoni na elektroni. Protoni hutolewa katikati, elektroni huhamishiwa kwenye mfumo wa cytochrome kwa oxidase ya cytochrome. Inahamisha elektroni kwa kipokezi cha oksijeni-terminal, ambayo imeamilishwa na kuchanganya na hidrojeni kuunda maji na peroxides. Mwisho huo hutengana na katalasi ndani ya maji na oksijeni. Uhamisho wa elektroni husababisha mabadiliko makubwa katika nishati ya bure katika seli.
Mahesabu ya usawa wa nishati yalionyesha kuwa wakati wa kuvunjika kwa glucose kwa njia ya glycolytic na kupitia mzunguko wa asidi ya tradsarboxylic, ikifuatiwa na oxidation katika mnyororo wa kupumua kwa CO2 na H20, moles 38 za ATP huundwa kwa kila mole ya glucose. Zaidi ya hayo, kiwango cha juu cha ATP kinaundwa katika mnyororo wa kupumua - moles 34; 2 moles - katika njia ya EPM na 2 - katika TTC.
Kutokana na aina mbalimbali za mifumo ya kimeng'enya iliyojumuishwa katika mnyororo wa upumuaji, substrates zinazoweza oksidi na vipokeaji wa mwisho, bakteria wana idadi kubwa ya minyororo tofauti ya kupumua. Kwa hiyo, katika mlolongo wa upumuaji wa bakteria ya asidi asetiki hakuna saitokromu a + az: dehydrogenases -*C -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. Msururu wa upumuaji wa tumefaciens wa Agrobacterium una seti ndogo zaidi ya vijenzi: NADH dehydrogenase -»Q -»C-102. Mlolongo wa kupumua wa bakteria ya nodule na Azotobacter ina sifa ya kuwepo kwa cytochromes mbalimbali: dehydrogenase -gt; b-gt; c->a-gt; az -gt;02. Minyororo iliyofupishwa ya kupumua ni tabia ya bakteria nyingi. Katika kimetaboliki ya nishati, hazina manufaa kwa bakteria kutokana na pato lao la chini la ATP.
Bioluminescence. Baadhi ya bakteria wana tawi kutoka kwa mnyororo mkuu wa kupumua. Elektroni kutoka NAD hazihamishwi kwa FAD bali kwa FMN (flavomononucleotide). Mwisho humenyuka pamoja na kimeng'enya cha luciferase, oksijeni na aldehyde ya asidi ya palmitic. Luciferase (L) huchochea
mmenyuko wa aldehyde reductive (AH2) na ATP (bidhaa ya mmenyuko huu hutoa mwanga unaoonekana wakati wa oxidation inayofuata):
Mwitikio huu unaitwa mwitikio wa "kimulimuli" kutokana na uwepo wake katika kimulimuli Photinus piralis. Inatumika kwa uamuzi wa kiasi cha ATP, kwa sababu ukubwa wa mwanga unategemea moja kwa moja kiasi cha ATP.
Utaratibu wa bioluminescence ni kwamba kama matokeo ya mwingiliano wa FMN na luciferase, oksijeni na aldehyde, elektroni katika molekuli fulani huenda katika hali ya msisimko na kurudi kwao kwenye ngazi ya chini kunafuatana na utoaji wa mwanga. ATP haifanyiki wakati wa luminescence. Kwa hiyo, ufanisi wa utendaji wa mlolongo wa kupumua hupungua, yaani, kiini haipati nishati zote zilizomo kwenye substrate iliyooksidishwa, kwani sehemu yake inabadilishwa kuwa mwanga.
Kadiri mwanga unavyokuwa mkali, ndivyo hali ya hewa ya mmea inavyokuwa bora zaidi. Bakteria nyepesi ni viashiria nyeti sana vya oksijeni ya molekuli. M. Beijerinck alitumia bakteria mwanga kama kiashirio cha kutambua oksijeni wakati wa usanisinuru ya bakteria (wakati huo haikujulikana kuwa usanisinuru ya bakteria hutokea bila oksijeni kutolewa).
Bakteria wa baharini wenye uwezo wa anaerobic, waliounganishwa katika jenasi Photobacterium (bakteria nyepesi), wana uwezo wa bioluminescence. Chini ya hali ya aerobiki, wao huoksidisha substrates za kikaboni kwa utoaji wa mwanga wa mwezi-bluu. Bioluminescence inachukuliwa kama urekebishaji wa baadhi ya vijidudu ili kujilinda kutokana na athari mbaya za oksijeni.
Oxidation isiyo kamili. Viumbe vidogo vingi vya aerobic, katika mchakato wa kupumua, hufanya oxidation kamili ya wanga kwa dioksidi kaboni na maji *. Ambapo
nishati zote zilizomo katika substrate hutolewa. Mfano ni oxidation ya glukosi na chachu ya waokaji:
Hata hivyo, oxidation inaweza kuwa haijakamilika. Hii inategemea aina ya microbes na hali ya maendeleo. Kwa kawaida, oxidation isiyo kamili hutokea wakati kuna ziada ya wanga katika mazingira na ukosefu wa oksijeni. Bidhaa za mwisho za uoksidishaji usio kamili ni asidi za kikaboni, kama vile asetiki, citric, fumaric, gluconic, nk. Mfano wa kawaida wa oxidation isiyo kamili ni uundaji wa asidi asetiki kutoka kwa pombe na bakteria ya jenasi Acetobacter:
Utaratibu huu wa oxidative hutumiwa na microorganisms kupata nishati. Katika kesi ya oxidation isiyo kamili, uundaji wa vifungo vya juu vya phosphate hutokea wakati wa mchakato wa uhamisho wa elektroni. Walakini, jumla ya mavuno ya nishati ni kidogo sana kuliko na oxidation kamili. Sehemu ya nishati ya substrate ya awali iliyooksidishwa huhifadhiwa katika asidi za kikaboni zinazosababishwa. Kwa sababu ya ukweli kwamba asidi zinazofanana (succinic, lactic) huundwa wakati wa uchachushaji wa wanga, oxidation isiyo kamili inaitwa "fermentation ya oxidative." Kipengele tofauti cha oxidation isiyo kamili ni ushiriki wa oksijeni katika athari. Kwa hiyo, aeration ni hali ya lazima kwa ajili ya malezi ya asidi kikaboni na microorganisms. Imeanzishwa kuwa uundaji wa asidi ya aglutamic na bakteria (Corynebacterium glutamicum) hutokea tu chini ya hali madhubuti ya aerobic. Zaidi ya hayo, mavuno ya asidi hii ya amino yanaweza kuwa ya juu sana - 0.6 mol ya glutamine kwa mol 1 ya glucose kutumika.
Microorganisms zinazoendelea kutokana na nishati ya oxidation isiyo kamili hutumiwa katika sekta ya microbiological kuzalisha asidi za kikaboni, ikiwa ni pamoja na amino asidi.
Kupumua kwa anaerobic. Chini ya hali ya anaerobic, yaani, kwa kutokuwepo kwa oksijeni ya molekuli, baadhi ya microorganisms
kama vile Micrococcus denitrificans na bakteria wa jenasi Desulfovibrio na Desulfotomaculum hutumia misombo ya madini iliyooksidishwa kama vipokezi vya hidrojeni - nitrati, salfati, ambazo hutoa oksijeni kwa urahisi, na kugeuka kuwa fomu zilizopunguzwa. Bidhaa za kupunguza nitrati ni nitriti na nitrojeni ya molekuli; sulfati hupunguzwa kuwa sulfidi hidrojeni na misombo mingine. Bidhaa zilizopunguzwa zinazosababishwa hutolewa kutoka kwa seli. Uoksidishaji wa vitu vya kikaboni chini ya hali ya anaerobic hutokea kwa uondoaji hidrojeni.Hidrojeni ambayo imetenganishwa huingia kwenye mnyororo wa kupumua na kuhamishiwa kwa kipokezi sambamba. Mmenyuko wa mwisho huchochewa na upunguzaji wa nitrate. Mwisho hufanya kazi kama cytochrome oxidase chini ya hali ya anaerobic.
Nitrate reductase ni enzyme inducible. Mchanganyiko wake hutokea tu chini ya hali ya anaerobic mbele ya nitrati. Oksijeni huzuia awali ya reductase ya nitrate. Katika uwepo wa upunguzaji wa nitrate kwenye seli (ikiwa bakteria huhamishwa kutoka kwa anaerobic hadi hali ya aerobic), oksijeni inashindana na nitrate kwa elektroni kwenye mnyororo wa kupumua, na hivyo kuzuia kazi za kimeng'enya hiki. Ndiyo maana kupumua kwa nitrati na sulfate hutokea tu chini ya hali ya anaerobic.
Uwezo wa vijidudu kutumia nitrati na salfati kama vipokezi vya elektroni huwaruhusu kuoksidisha substrate kabisa na hivyo kupata kiwango kinachohitajika cha nishati. Kwa hivyo, bakteria za kutofautisha wakati wa kupumua kwa nitrati hutoa oxidation kamili ya substrates za kikaboni, wakati pato la nishati ni 10% tu chini kuliko wakati wa kupumua kwa aerobic. ATP huundwa kama matokeo ya phosphorylation katika mnyororo wa kupumua.
Kupumua kwa microorganisms.
| Jina la kigezo | Maana |
| Mada ya kifungu: | Kupumua kwa microorganisms. |
| Rubriki (aina ya mada) | Elimu |
Kupumua kwa microorganisms ni oxidation ya kibiolojia ya misombo mbalimbali ya kikaboni na baadhi ya vitu vya madini. Kama matokeo ya michakato ya redox na fermentation, nishati ya joto huzalishwa, sehemu ambayo hutumiwa na kiini cha microbial, na wengine hutolewa kwenye mazingira. Leo uoksidishaji hufafanuliwa kama mchakato wa kuondolewa kwa hidrojeni (dehydrogenation), na kupona - kujiunga kwake. Masharti haya yanatumika kwa miitikio inayohusisha uhamisho wa protoni na elektroni au elektroni pekee. Wakati dutu iliyooksidishwa, elektroni hupotea, na wakati dutu inapungua, huongezwa. Inaaminika kuwa uhamisho wa hidrojeni na uhamisho wa elektroni ni michakato sawa.
Nishati iliyotolewa wakati wa athari za redox hujilimbikiza katika misombo ya juu ya nishati ADP na ATP (adenosine diphosphate na adenosine trifosfati). Misombo hii ina vifungo vya juu vya nishati ambavyo vina usambazaji mkubwa wa nishati inayopatikana kwa kibayolojia. Οʜᴎ zimejanibishwa katika miundo changamano ya seli ndogo ndogo - mesosomes, au mitochondria.
Kulingana na aina ya kupumua, microorganisms imegawanywa katika aerobes, anaerobes na anaerobes kitivo.
Kupumua kwa Aerobic microorganisms ni mchakato ambao mpokeaji wa mwisho wa hidrojeni (protoni na elektroni) ni oksijeni ya molekuli. Kama matokeo ya oxidation ya misombo ngumu ya kikaboni, nishati hutolewa, ambayo hutolewa kwenye mazingira au kusanyiko katika vifungo vya juu vya nishati ya phosphate ya ATP. Tofauti inafanywa kati ya oxidation kamili na isiyo kamili.
Oxidation kamili. Chanzo kikuu cha nishati kwa microorganisms ni wanga. Kama matokeo ya kuvunjika kwa sukari chini ya hali ya aerobic, mchakato wa oxidation unaendelea hadi malezi ya dioksidi kaboni na maji na kutolewa kwa kiwango kikubwa cha nishati ya bure:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 674 kcal.
Oxidation isiyo kamili. Sio aerobes zote hukamilisha athari za oksidi. Kwa ziada ya wanga katika mazingira, bidhaa za oxidation isiyo kamili huundwa, ambayo ina nishati. Bidhaa za mwisho za oxidation ya aerobic isiyo kamili ya sukari ni asidi za kikaboni: citric, malic, oxalic, succinic na wengine, ambayo hutengenezwa na fungi ya mold. Kupumua kwa Aerobic pia hufanywa na bakteria ya asidi asetiki, ambayo oxidation ya pombe ya ethyl haitoi dioksidi kaboni na maji, lakini asidi asetiki na maji:
C 2 H 5 OH + O 2 → CH 3 COOH + H 2 O + 116 kcal.
siki ya pombe ya ethyl. kwa-hiyo
Oxidation ya pombe ya ethyl na bakteria ya asidi ya asetiki inaweza kwenda zaidi - hadi dioksidi kaboni na maji kuonekana, na kiasi kikubwa cha nishati hutolewa:
C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O + 326 kcal.
ethanoli
Kupumua kwa anaerobic kufanyika bila ushiriki wa oksijeni ya molekuli. Tofautisha kupumua kwa anaerobic halisi (nitrate, sulfate) na uchachushaji . Wakati wa kupumua kwa anaerobic, kipokeaji hidrojeni ni misombo ya isokaboni iliyooksidishwa, ambayo hutoa oksijeni kwa urahisi na kubadilishwa kuwa fomu zilizopunguzwa zaidi. Pumzi ya nitrati- kupunguzwa kwa nitrati kwa nitrojeni ya Masi . Kupumua kwa sulfate - kupunguzwa kwa sulfates kwa sulfidi hidrojeni.
Uchachushaji- kuvunjika kwa misombo ya kikaboni iliyo na kaboni chini ya hali ya anaerobic. Inajulikana na ukweli kwamba mpokeaji wa mwisho wa hidrojeni ni molekuli ya suala la kikaboni na vifungo visivyojaa. Dutu hii hutengana tu kwa bidhaa za kati, ambazo ni misombo ngumu ya kikaboni (pombe, asidi za kikaboni). Nishati iliyomo ndani yao haitumiwi na microbes, na nishati inayozalishwa kwa kiasi kidogo hutolewa kwenye mazingira.
Mifano ya kawaida ya kupumua kwa anaerobic ni:
Kuchacha kwa pombe (kupumua kwa chachu chini ya hali ya anaerobic):
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 27 kcal;
ethyl pombe
Uchachishaji wa asidi ya lactic (kupumua kwa bakteria ya lactic acid):
C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + 18 kcal;
Maziwa kwa-hiyo
Uchachishaji wa asidi ya Butyric (kupumua kwa bakteria ya asidi ya butyric):
C 6 H 12 O 6 → C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 + 15 kcal;
mafuta kwa-hiyo
Kama inavyoonekana kutoka kwa milinganyo hapo juu, kupumua kwa anaerobic hutoa nishati kidogo sana kuliko kupumua kwa aerobic. Kwa sababu hii, wakati wa kupumua kwa anaerobic, ili kukidhi haja ya kiasi muhimu sana cha nishati, ni muhimu sana kwa microorganisms kutumia sukari zaidi kuliko wakati wa kupumua kwa aerobic.
Nishati nyingi zinazozalishwa wakati wa kupumua hutolewa kwenye mazingira. Hii inasababisha chakula kuwasha moto ambapo microorganisms kuendeleza. Hivi ndivyo divai ambayo fermentation ya pombe hutokea inapokanzwa; nafaka mvua, peat, nyasi ni joto.
Kupumua kwa microorganisms. - dhana na aina. Uainishaji na vipengele vya jamii "Kupumua kwa microorganisms." 2017, 2018.
Ukurasa wa 16 wa 91
Maisha ya vijidudu, kama viumbe vyote vilivyo hai, yanahusishwa na matumizi ya kila wakati ya nishati, na, kwa hivyo, kudumisha usawa wa kisaikolojia, upyaji wa mara kwa mara wa akiba yake ni muhimu. Mwisho unafanywa na microorganisms kupitia mchakato wa kupumua.
Tofauti na wanyama na mimea ya juu, mchakato wa kupumua katika microbes, licha ya ukubwa wao wa microscopic, unajulikana na utata na utofauti wake, ambao unategemea hatua ya enzymes mbalimbali. Kulingana na aina ya kupumua, microorganisms imegawanywa katika vikundi vitatu:
- lazimisha aerobes ambayo hukua tu na ufikiaji wa bure wa oksijeni. Mchakato wao wa kupumua unafanywa na ushiriki wa oksijeni ya Masi kutoka hewa (kwa mfano, Vibrio cholerae).
- kulazimisha anaerobes ambayo inaweza kuishi tu kwa kukosekana kwa oksijeni ya anga (kwa mfano, bacillus ya tetanasi).
- anaerobes facultative, ambayo ni pamoja na idadi kubwa ya microorganisms pathogenic; wanaweza kuwepo wote kwa kutokuwepo kwa oksijeni ya anga na kwa upatikanaji usio na maana kwa hiyo.
Kazi ya Pasteur ilikuwa ya kwanza kuanzisha kwamba idadi ya microorganisms inaweza kuendeleza katika mazingira yasiyo na oksijeni, kupata nishati muhimu kutokana na kuvunjika kwa vitu vya kikaboni vya substrate ya virutubisho. Michakato ya kuvunjika kwa kina kwa misombo ya kikaboni isiyo na nitrojeni, ambayo kwa kawaida inategemea kupumua kwa anaerobic, inaitwa fermentation. Mchakato wa kupumua kwa aerobic na anaerobic unafanywa na vichocheo vya kibiolojia (enzymes), ambazo zina uwezo wa kuamsha mwendo wa athari za oxidative wakati wa kupumua. Wakati wa kupumua kwa aerobic na anaerobic, katika awamu ya kwanza ya mchakato, hidrojeni huwashwa na enzymes kutoka kwa kikundi cha dehydrogenases, ambayo huchukua hidrojeni kutoka kwa substrate (kati ya virutubisho) na kuihamisha kutoka kwa molekuli moja ya kikaboni hadi nyingine - kutoka kwa kipokezi kimoja hadi kingine. (kutoka kwa kikubali Kilatini - kuona). Na kwa kuwa katika muundo wa atomi ya hidrojeni kuna elektroni moja katika obiti, mchakato wa kuondoa hidrojeni kutoka kwenye substrate ni oxidative. Katika awamu ya mwisho, wakati wa kupumua kwa aerobic, dehydrogenases ya aerobic huhamisha hidrojeni iliyoondolewa kutoka kwenye substrate moja kwa moja hadi oksijeni ya anga, ambayo ni kipokezi cha mwisho. Katika kesi hii, peroxide ya hidrojeni inaweza kuundwa, ambayo ina jukumu la wakala wa oxidizing kwa misombo ya kikaboni. Catalase ya enzyme, inayopatikana katika viumbe vyote vya aerobic, hutenganisha peroxide ya hidrojeni ndani ya maji na oksijeni, na peroxidase ya enzyme huwezesha oksijeni ya peroxide.
Upungufu wa maji wa anaerobic hauwezi kutoa hidrojeni kwa oksijeni ya hewa, lakini uhamishe kwa wapokeaji wengine (enzymes, vitu vingine vinavyoonekana wakati wa mchakato wa fermentation).
Wakati wa kupumua kwa aerobic na anaerobic, oxidation ya vitu vingine na kupunguzwa kwa wengine huzingatiwa.
Kiini cha oxidation ni upotevu wa elektroni na dutu iliyooksidishwa, na wakati wa kupunguza, elektroni hupatikana kwa kupunguzwa kwa dutu.
Kwa hiyo, vitendo vya kupumua katika microorganisms vinawakilisha mfululizo wa taratibu za redox zinazofuatana ambazo husababisha kutolewa kwa nishati muhimu kwa maisha yao.
Bidhaa zinazopatikana zaidi kwa oxidation na microbes aerobic ni sukari, alkoholi na asidi za kikaboni. Mchanganyiko wa nitrojeni tata hutumiwa mwisho kwa kupumua. Vijiumbe vya anaerobic hutumia misombo ya kikaboni na madini kama substrate inayoweza oksidi.
Kupumua kwa anaerobic sio kiuchumi kuliko kupumua kwa aerobic, kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa mfano ufuatao. Kuvunjika kwa aerobic ya molekuli moja ya sukari ya zabibu hutoa kalori 674 za joto. (CbH120b + 602 = 6C02 + 6H20 + 674 kalori), na kwa mtengano wa anaerobic wa molekuli sawa - kalori 27 tu (C6Hi206 = 2C2H50H + 2C02 + 27 kalori).
Kumbuka. Aina ya kupumua kwa microorganisms inaonekana katika hali ya ukuaji wao kwenye vyombo vya habari vya virutubisho vya bandia. Kwa hivyo, kwa mfano, bacillus ya kifua kikuu, kuwa aerobe ya lazima, kwenye bomba la majaribio au chupa iliyo na mchuzi wa virutubishi hukua tu juu, kwa namna ya filamu, na kuacha uwazi wa kati, bacilli ya anaerobic - tu kwenye msingi, na bakteria. kundi la enteric typhoid (facultative anaerobes) hukua kwa usawa katika tabaka zote za mchuzi, na kutoa ukuaji wa kuenea.
Njia za kukuza anaerobes. Ili kulima anaerobes, pamoja na vyombo vya habari vya virutubisho vinavyofaa, ni muhimu kuunda hali ya mazingira isiyo na oksijeni. Kuna njia nyingi za kukuza vijidudu vya anaerobic. Kulingana na kanuni za msingi za njia hizi, zinaweza kugawanywa katika kemikali, kimwili na kibaiolojia.
Mbinu za kemikali. Kuna njia mbili za kukuza anaerobes. Njia ya kwanza ni kwamba zilizopo za majaribio au sahani zilizochanjwa na anaerobes zimewekwa kwenye nafasi iliyofungwa (kwa mfano, desiccator) na baadhi ya absorber oksijeni huwekwa - hyposulfite ya sodiamu na ufumbuzi wa alkali wa pyrogallol. Kwa 1 g ya pyrogallol kuchukua 10 ml ya ufumbuzi wa NaOH 10%; kiasi hiki cha dutu kinaweza kumfunga oksijeni kwa kiasi cha 200 ml ya hewa.
Njia rahisi zaidi za kupata anaerobiosis kwa kutumia mchanganyiko huu ni kama ifuatavyo.
- Plagi ya pamba ya bomba la mtihani iliyochanjwa na tamaduni hii hupunguzwa, kupunguzwa kwa kina zaidi na kulowekwa na suluhisho (0.5-1 ml). Ufikiaji wa hewa unasimamishwa kwa kuziba na kizuizi cha mpira au kofia ya mpira.
- Kuondoa hewa kutoka kwa vyombo vya habari vya virutubisho kabla ya kupanda kwa kuchemsha katika umwagaji wa maji kwa dakika 15 na kisha baridi haraka hadi 45-50 °. Ili kuzuia hewa kuingia tena kati, zilizopo zimefungwa, au uso wa kati umejaa mafuta ya taa ya kuzaa.
- Kupata makoloni yaliyotengwa katika tabaka za kina za kati kwa kutumia njia ya Vignal. Mbinu ya chanjo kwa kutumia njia ya Vignal ni kama ifuatavyo: mirija 3-4 ya mtihani na kati ya agar iliyoyeyuka huingizwa na nyenzo za mtihani na hupunguzwa hatua kwa hatua. Agar, ambayo bado haijaimarishwa baada ya chanjo, inakusanywa kutoka kwa kila bomba la majaribio ndani ya bomba la Pasteur, ambalo hutiwa muhuri tu kutoka kwa ncha iliyochorwa (wakati wa kuziba, ili kuzuia kunyunyiza kwa nyenzo, huwezi kuweka mwisho mwingine umefungwa. ) Mirija hupozwa haraka na kuhamishiwa kwenye thermostat. Baada ya siku 2-3, na dilution ya mafanikio ya nyenzo za kuanzia, makoloni ya mtu binafsi yanaweza kuzingatiwa.
Ili kutenganisha koloni, chale hufanywa na faili kwenye eneo lililowekwa kwenye bomba, baada ya hapo bomba huvunjika kwa urahisi. Katika hatua hii, yaliyomo hutiwa ndani ya sahani isiyo na kuzaa ya Heidenreich-Petri, koloni inachukuliwa kwa kitanzi au kuvutwa kwenye pipette nyembamba inayotolewa na kuhamishiwa kwenye mchuzi au kwa sindano kwenye safu ya agar ya sukari.
- Kuondoa hewa (na kwa hivyo oksijeni) kutoka kwa mazingira kwa kiufundi. Kwa kufanya hivyo, hutumia vifaa maalum - anaerostats (Mchoro 41). Anaerostat katika fomu yake rahisi ni sanduku la chuma la mstatili au cylindrical lililofungwa na kifuniko kwenye gasket ya mpira. Silinda ina vifaa vya valve ya chuma ambayo imeunganishwa na pampu. Vipu vya mtihani na vikombe vilivyo na tamaduni vimewekwa ndani, hewa hutolewa nje. Ili kulima anaerobes kali, inatosha kupunguza shinikizo hadi 1 mm.
Mbinu za kibiolojia. Miongoni mwa njia za kibaolojia, maambukizi ya wanyama na njia ya Fortner hutumiwa mara nyingi.
Wakati wanyama wameambukizwa, nyenzo zinazotumiwa hutumiwa kwa mnyama katika mchanganyiko na serum maalum. Njia hii inaweza kutumika kwa njia mbili:
- Ili kutenganisha vijidudu kutoka kwa mchanganyiko. Ikiwa microbe inafanana na serum, inakufa. Vijidudu vingine ambavyo haviendani na seramu hii hutengwa na mnyama.
- Kuamua sumu. Ikiwa kuna sumu katika nyenzo za mtihani, mnyama aliyeipokea katika mchanganyiko na serum ya antitoxic huishi. Mnyama anayedhibiti hufa. Utambuzi huu hutumiwa sana na mtihani wa kibiolojia kwa sumu.
Njia ya Fortner. Njia hii huleta teknolojia ya maabara karibu na hali ya asili kwa ajili ya maendeleo ya microorganisms anaerobic. Fortner alitumia mbinu ya ulinganifu wa vijiumbe vya aerobic vinavyoweza kufyonza kwa nguvu oksijeni ya hewa (Bact. prodigiosum) na anaerobes iliyopandwa kwenye agari ya damu kwenye sahani ya Heidenreich-Petri. Sahani imegawanywa katika sehemu mbili na kipande kilichokatwa cha agar ili kuzuia kuchanganya tamaduni wakati wa ukuaji unaoendelea. Nyenzo zinazojaribiwa kwa anaerobes huingizwa kwenye nusu moja ya sahani, na kwa upande mwingine, aerobe inayojulikana ya lazima (Bact. prodigiosum Сас. subtilis, nk) inaingizwa.
Ili kutenganisha mambo ya ndani ya kikombe kutoka kwa anga ya nje, kingo zake zimejaa nta au zimefungwa na plastiki. Ukuaji mzuri wa uso wa anaerobes unaweza kupatikana kwa kutumia njia ya Fortner.
Vyombo vya virutubisho vya kukuza anaerobes. Mchuzi wa Kitta - Tarozzi. Katika bomba la mtihani na mchuzi wa nyama-peptoni, ongeza vipande vya ini iliyochemshwa na kuosha na maji ya moto kwenye ungo (3-5 g kwa kila tube ya mtihani) au nyama ya kusaga, jaza mafuta ya petroli na sterilize kwa 115 ° kwa dakika 30.
Agar ya damu na glucose (Zeissler). Agari dhaifu ya alkali iliyo na 2-3% ya agar-agar na 2% ya glukosi hutiwa kwenye zilizopo kubwa za mtihani (urefu wa 25 cm na kipenyo cha 2.5 cm), takriban 60 ml kila moja, iliyopigwa kwa dakika 30 kwa 110 ° na kwa fomu hii kuokoa. Kabla ya matumizi, agar inayeyuka katika umwagaji wa maji, kilichopozwa hadi 45 °, 12-15 ml ya damu isiyo na uchafu huongezwa kwa kila tube ya mtihani, iliyochanganywa na kumwaga ndani ya sahani 3-4 za Heidenreich-Petri. Vikombe vilivyotayarishwa huwekwa kwa siku 2 kwenye joto la kawaida kabla ya kupanda.
Vayon tube agar. 2% ya agar na 0.5% ya glucose huongezwa kwenye mchuzi wa wazi. Weka pH hadi 7.4 na uimimine ndani ya zilizopo nyembamba za mtihani (kipenyo cha 0.3-0.5 cm, urefu wa 20 cm). Safu ya agar haipaswi kuwa ya juu kuliko 2/3 ya urefu wa bomba la majaribio na inafanywa kuzaa kwa sehemu za siku 3 kwa dakika 40 kwenye kifaa cha mvuke kinachotiririka.