Влияние кислорода на рост микроорганизмов

По отношению к растворенному в воде молекулярному кислороду выделяют 3 группы микроорганизмов:

· облигатные аэробы нуждаются в кислороде, используя его в энергетическом обмене в качестве окислителя (акцептора электронов);

· облигатные анаэробы не нуждаются в кислороде, напротив, кислород подавляет их развитие;

· факультативные анаэробы (факультативные аэробы) в среде с кислородом ведут себя как аэробы (используют аэробный путь метаболизма), а в среде без кислорода переключаются на анаэробный метаболизм, т.е. способны расти как в аэробных, так и анаэробных условиях, но для перехода от аэробного к анаэробному метаболизму (и обратно) им требуется период времени в несколько генераций.

Прокариоты, для роста которых кислород необходим, называют облигатными (обязательными) аэробами. К ним относится большинство прокариотных организмов. Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы не способны к росту при концентрации кислорода, равной атмосферной, но могут расти, если содержание кислорода в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%). Такие облигатно аэробные прокариоты получили название микроаэрофилов.

Потребность прокариот в низкой концентрации кислород в окружающей среде связана с их метаболическими особенностями. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации кислорода ниже 2%, т. е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например аммонийного, - на воздухе. Аналогичная картина обнаружена у многих водородокисляющих бактерий. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании кислорода. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации кислорода_. Последнее связывают с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы - фермента, катализирующего использование H₂.

Наконец, среди облигатных аэробов существуют значительные различия в устойчивости к высоким уровням кислорода в среде. 100%-ный молекулярный кислород подавляет рост всех облигатных аэробов. Многие аэробные бактерии могут формировать колонии на поверхности твердой питательной среды в атмосфере, содержащей 40% кислорода, но рост их прекращается, когда содержание СO₂ в атмосфере повышается до 50%.

Известны прокариоты, для метаболизма которых кислород не нужен, т. е. энергетические и конструктивные процессы у них происходят без участия молекулярного кислорода. Такие организмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся метанобразующие архебактерии, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии. До сравнительно недавнего времени считали, что облигатные анаэробы могут получать энергию только в процессе брожения. В настоящее время известно много облигатно анаэробных прокариот, которые произошли от аэробов в результате вторичного приспособления к анаэробным условиям, приведшего к потере способности использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов в процессе дыхания. Такие облигатные анаэробы получают энергию в процессах анаэробного дыхания, т. е. переноса электронов по цепи переносчиков на CO₂, SO₄^2– , фумарат и другие акцепторы.

В ряду облигатно анаэробных прокариот, не включающих кислород в метаболические реакции, существует широкий спектр степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде. Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Такие организмы называют строгими анаэробами. К числу строгих анаэробов относятся представители родов Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium и др. Маслянокислые бактерии, относятся также к группе облигатных анаэробов, но среди них есть виды, умеренно (Clostridium tetani, С. carnis, С. tertium, С. sporogenes) или достаточно высоко (C. perfringens, C. acetobutylicum) толерантные к кислороду. Наконец, молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов.

Хотя облигатно анаэробные бактерии в целом очень чувствительны к кислороду, они могут в природе находиться в аэробных зонах. Широкое распространение представителей рода Clostridium в местах с высоким парциальным давлением кислорода объясняется наличием у них эндоспор, не чувствительных к молекулярному кислороду. Однако и многие не образующие спор строго анаэробные прокариоты обнаружены в природе в местах, где наблюдается активное развитие облигатных аэробов. Вероятно, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией кислорода, создает возможности и для развития строго анаэробных видов.

Описаны прокариотные организмы, которые могут расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Изучение этого явления показало, что природа его различна. Бактерии, не нуждающиеся в кислороде (последний не участвует в осуществляемых ими метаболических реакциях), но способные расти в его присутствии, являются по типу осуществляемого ими метаболизма облигатными анаэробами, устойчивыми к кислороду внешней среды. Примером таких организмов служат молочнокислые бактерии. Многие прокариоты, относящиеся к этой же группе, приспособились. в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в среде переключаться с одного метаболического пути на другой, например с дыхания на брожение и наоборот. Такие организмы получили название факультативных анаэробов, или факультативных аэробов. Представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания. В анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания.

Для указанных групп микроорганизмов зависимость удельной скорости роста от концентрации растворенного кислорода показана на рис. 2.10. Рост анаэробных клеток подавляется уже при концентрации кислорода 0,01-0,1 мг/л. Высокие концентрации кислорода (10-30 мг/л) ингибируют рост аэробов и факультативных форм. В диапазоне концентраций кислорода, где его ингибирующее действие не проявляется, для аэробов справедливо уравнение Моно:

,

где С – концентрация растворенного кислорода (вблизи поверхности клеток); - константа Моно (константа полунасыщения по кислороду).

Для гетеротрофных бактерий типичные значения константы Моно по кислороду составляют: =0,05-0,5 мг/л (чаще около 0,1 мг/л), для автотрофов, например, нитрифицирующих бактерий =1 мг/л. Если рост лимитирован диффузией кислорода к поверхности клетки, то, как и для субстрата (см. разд. 2.3), кажущаяся константа может быть существенно больше и достигать значений 0,5-5 мг/л.

Рис. 2.10. Зависимость удельной скорости роста от концентрации растворенного кислорода для аэробов (1), факультативных анаэробов (2) и анаэробов (3)

При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С растворимость кислорода воздуха в воде составляет 9 мг/л. При аэрации воздухом для поддержания достаточной скорости абсорбции кислорода его концентрация в биореакторе не должна превышать 1-2 мг/л. В этих условиях кислород часто является фактором, лимитирующим рост клеток. Чтобы снять лимитирование роста по кислороду, применяют аэрацию чистым кислородом (или его смесью с воздухом), при которой растворимость кислорода в воде в 5 раз выше, а рабочая концентрация в биореакторе может быть доведена до 10-12 мг/л.

Дата добавления: 2014-12-27