Что такое анаэроб: Анаэробы | это… Что такое Анаэробы?

Содержание

Анаэробы. Не ругательство, но честь / Хабр

Все чаще в научной литературе всплывают статьи о микроорганизмах и их применении в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Но все реже в абзацах с характеристикой и классификацией микробных культур встречаются слова «аэробный» и «анаэробный». Почему так происходит? Все дело в неоднозначности т.н. традиционных наименований.

Анаэробы (от греч. αν — отрицательная частица, греч. αέρ — «воздух» и греч. βιοζ — «жизнь») – общее собирательное наименование организмов, способных жить в условиях частичного или полного отсутствия кислорода. Многие из них получают энергию не окислительно-восстановительной реакцией с кислородом, а конкретным окислением какого-нибудь субстрата ( неорганических соединений, органических веществ, минералов). Так, существуют серобактерии, азотобактерии и железобактерии, использующие для дыхания окисление соединений серы, азота и железа соответственно.

История вопроса

Как термин «анаэробный» получил широкое применение?

Все дело в том, что впервые ввел его в научный оборот отец микробиологии Луи Пастер. В 1861 году он исследовал брожение, выделяя ответственные за него микроорганизмы, и обнаружил, что бактерии масляно-кислого брожения (т.н. «трупные» бактерии, например, Clostridium) в пробирке с жидкой средой концентрируются на дне оной, в то время как другие свободно плавают в виде взвеси, оседают на стенках или концентрируются у поверхности. Последующие опыты Пастера и его учеников привели к созданию классификации микроорганизмов по толерантности к кислороду.

Старое деление на основе опыта выглядело так. Аэробные и анаэробные бактерии предварительно идентифицируются в жидкой питательной среде по градиенту концентрации O2: 1. Облигатные аэробные бактерии в основном собираются в верхней части пробирки, чтобы поглощать максимальное количество кислорода. (Исключение: микобактерии — рост плёнкой на поверхности из-за восколипидной мембраны). 2. Облигатные анаэробные бактерии собираются в нижней части, чтобы избежать кислорода (либо не дают роста). 3. Факультативные бактерии собираются в основном в верхнем (окислительное фосфорилирование является более выгодным, чем гликолиз), однако они могут быть найдены на всём протяжении среды, так как от O2 не зависят.

4. Микроаэрофилы собираются в верхней части пробирки, но их оптимум — малая концентрация кислорода. 5. Аэротолерантные анаэробы не реагируют на концентрации кислорода и равномерно распределяются по пробирке.

Современная классификация выглядит так:

Факультативные анаэробы: аэробный или анаэробный рост при наличии или отсутствии кислорода.
Микроаэрофильные анаэробы.
Облигатные анаэробы: не способны к аэробному метаболизму, но в различной степени толерантны к кислороду.

Облигатные анаэробы – организмы, которые гибнут в присутствии молекулярного кислорода (свободного О2). Строгих анаэробов немного – это некоторые бактерии, отдельные виды дрожжей, некоторые жгутиконосцы, несколько видов инфузорий и архей. Большая часть анаэробной биоты погибла много миллионов лет назад, когда на планете появился свободный кислород в больших количествах. Сейчас многие из них живут глубоко в почве, на дне водоемов и внутри других организмов (паразитические и инфекционные бактерии). Многие из них входят в состав нормальной флоры слизистых оболочек человека и животных, в том числе бактерий-симбионтов ЖКТ.

В свою очередь, облигатные анаэробы подразделяют на:

Строгие анаэробы: выдерживают только ≤0,5% кислорода
Умеренные анаэробы: выдерживают от 2 до 8% кислорода
Аэротолерантные анаэробы: переносят атмосферную концентрацию кислорода в течение ограниченного времени.

Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы – «класс» организмов, часто встречавшийся в научных работах по микробиологии до 1991 года. Считается, что капнеистические микроорганизмы и микроаэрофилы требуют пониженной концентрации кислорода и повышенной концетрации углекислого газа: им требуется низкая концентрация кислорода (обычно 2–10%) и, для многих, высокая концентрация углекислого газа (например, 10%), в анаэробных условиях растут, но очень плохо.

Сейчас этот термин в биологии практически не применяют, так как тогда к капнеистическим организмам пришлось бы причислить и человека – ткани животных, культивируемые отдельно от организма (in vitro), также требуют понижения содержания О2 и повышения СО2, иначе верхний слой клеток окисляется и погибает. Животных от подобной участи спасает кожа. Однако в медицине так все еще обозначают некоторые виды инфекционной флоры.

Аэротолерантные анаэробы – организмы, способные переживать некоторое количество кислорода в среде, но не использующие его для своих нужд. При этом организм в присутствии О2 не погибает, продолжая размножаться и расти. К этой группе относятся почти все молочнокислые микроорганизмы, многие маслянокислые бактерии и дрожжи.

Умеренно-строгие анаэробы – организмы, которые могут выживать при низких концентрациях молекулярного кислорода, но не размножаются и не используют его. Гибнут при концентрациях кислорода, превышающих 2 – 8%.

Факультативные анаэробы – организмы, способные в зависимости от условий среды и стадии своего развития жить как в кислородных, так и безкислородных условиях. При этом в условиях наличия кислорода они используют его в процессе обмена веществ, что отличает их от других групп. Кроме очень большой группы эубактерий, факультативными анаэробами могут быть водоросли, растения и даже некоторые животные. Так, например, многие паразитические черви на стадии личинки являются свободноживущими животными, использующими растворенный в воде О2 для дыхания. Однако, попадая в организм хозяина они утрачивают не только органы дыхания, но и «ненужные» циклы биохимических реакций, используя только ресурсы хозяина и субстратное окисление.

Минутка интересных фактов

В начале прошлого века была популярна теория об эволюционной стадийности анаэробов. Считалось, что анаэробные организмы более древние, что анаэробные прокариоты возникли они во времена до появления кислородной атмосферы Земли. Позднее, с меняющимися на планете условиями, некоторые из них эволюционировали в аэробных. Аэробные реакции быстрее, «дешевле» для организма при более высокой продуктивности энергии: при брожении общий выход АТФ составляет 4 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД*Н2, тогда как при дыхании общий выход составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, аэробы получили эволюционное преимущество.

Однако с открытием анаэробных эукариот, включая анаэробных многоклеточных, эта теория частично потеряла свои позиции. Еще больше вопросов вызвал генетический анализ. Оказалось, что многие облигатные анаэробы никак друг с другом не связаны. Более того, не имеют общего предка. Еще один интересный момент – обнаружилось несколько вторично анаэробных организмов (не путать с вторичными анаэробами при брожении) – в процессе приспособления они частично или полностью утратили способность к кислородному окислению. Так, например, Zymomonas mobilis, а также клостридии произошли от цитохром-содержащих (т.е. скорее всего аэробных) организмов.

Сходства в строении Zymomonas и дрожжей, живущих в похожих средах и осуществляющих брожение

Основы процесса

Для справки:

Люди, да и вообще млекопитающие животные, а также рыбы, птицы, рептилии и амфибии, даже многие черви, грибы и растения относятся к аэробным организмам – для получения энергии нам нужен кислород.

Именно поэтому нам необходимо дышать – кислород, поступающий в легкие, связывается гемоглобином (у некоторых животных – гемоцианином) и разносится по всему организму к каждой клетке тела. Далее каждая клетка самостоятельно проводит цикл окислительно-восстановительных реакций, именуемых клеточным (митохондриальным) дыханием.

Сам процесс дыхания имеет три этапа (подготовительный, безкислородный и кислородный), множество ступеней, побочных продуктов, а также использует вещества, предварительно полученные в других реакциях (ацетил-КоА, убихинон, НАД и другие). Все это доставляется к мембране митохондрий и участвует в окислительном фосфорилировании – непосредственно клеточном дыхании. Оно также называется полным окислением – за бескислородным этапом неполного анаэробного окисления (гликолиза) следует дополнительный.

Общая упрощенная формула этого процесса выглядит так:

Схематично весь цикл изображен на рисунке.

Конечный результат процесса клеточного дыхания – АТФ (аденозин-трифосфат) и СО2. АТФ – это то, что организм использует почти во всех процессах как универсальный источник энергии. По сути своей, молекулы АТФ – это батарейки, а электроно-транспортная цепь на заключительном этапе клеточного дыхания – это «зарядка». Человек и близкие к нему животные используют кислород для получения АТФ. Однако это не единственный путь.

Альтернативы дыхания

Для справки:

В тканях человека может происходить синтез АТФ и безкислородным путем в особых условиях. Так, у бегунов на длинные дистанции при длительной нагрузке на мускулатуру в мышцах заканчивается кислород, а новый с кровью поступать не успевает, как не успевает и доставка АТФ из других источников.

В таком случае включается резервный механизм – анаэробный синтез АТФ.

Анаэробные пути пополнения энергии в организме человека включаются при чрезмерном утомлении, гипоксии (нехватке кислорода для дыхания), воспалениях и нарушениях обмена веществ (например, заболеваниях крови). Три характерных для мышц следующие:

Креатинфосфатазный (фосфогеный или алактатный) механизм — перефосфорилирование между креатинфосфатом и АДФ
Миокиназный — синтез (иначе ресинтез) АТФ при реакции трансфосфорилирования 2 молекул АДФ (аденилатциклаза)
Гликолитический — анаэробное расщепление глюкозы крови или запаса гликогена, заканчивающийся образованием молочной кислоты (иначе именуется «лактатным»).

Они имеют различные триггеры (механизмы запуска), различную эффективность и различное эффективное время работы.

При этом необходимо помнить, что все бескислородные пути клеточного дыхания у человека являются резервным механизмом, защитой от смерти в критической ситуации. Они намного менее эффективны, чем кислородный путь (обеспечивают меньший выход АТФ). Кроме того, все они сильно изменяют рН ткани, что может привести к угнетению других функций и отмиранию клеток.

Итого

В современной литературе термины «аэробный» и «анаэробный» используются редко, в основном для характеристики условий культивирования микроорганизмов, а также в медицине при характеристике инфекционных бактерий.

Систематика не использует анаэробность как такономическую категорию, а генетики и биохимики находят все больше доказательств перехода анаэробных организмов в аэробные формы и обратно. Кроме того, все аэробные организмы так или иначе имеют резервные анаэробные пути получения энергии, оставшиеся в «наследство» и включаемые в критических ситуациях.

Однако фактор аэробности по-прежнему осается важен при исследованиях некоторых инфекционных заболеваний, а также при исследовании микробиоты человека. Более того, некоторые ученые остановили свое внимание на анаэробных организмах экстремальных сред обитания (вулканов, гейзеров, глубоководных впадин, шельфовых льдов и изолированных пещер) с космической целью — выяснить, какой может быть иная жизнь.

Но об этом поговорим в следующий раз.

Всего хорошего и не болейте!

Статья написана биотехнологом Людмилой Хигерович и опубликована в научном сообществе Фанерозой.

Источники:

Обухов Д. К., Кириленко В.Н. Биология. Клетки и ткани. Учебное пособие для СПО – М.: Юрайт, 2018.

Brook I. Antimicrobials therapy of anaerobic infections. J Chemother. 2016 Jun;28(3):143-50.

Wang Q, Song K, Hao X, Wei J, Pijuan M, van Loosdrecht MCM, Zhao H. Evaluating death and activity decay of Anammox bacteria during anaerobic and aerobic starvation. Chemosphere. 2018 Jun;201:25-31.

Morris JG. Obligately anaerobic bacteria in biotechnology. Appl Biochem Biotechnol. 1994 Aug;48(2):75-106.

Michiko M. Nakano, Peter Zuber. Anaerobic growth of a “strict aerobe” (Bacillus subtilis) // Annual Review of Microbiology

Dhar K, Subashchandrabose SR, Venkateswarlu K, Krishnan K, Megharaj M. Anaerobic Microbial Degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: A Comprehensive Review. Rev Environ Contam Toxicol. 2020;251:25-108.

Larry M. Bush, Maria T. Vazquez-Pertejo. Overview of Anaerobic Bacteria – Charles E. Schmidt College of Medicine, Florida Atlantic University, 2019

J. H. Brewer, D. L. Allgeier. Safe self-contained carbon dioxide-hydrogen anaerobic system. — Appl. Microbiol.16:848-850. — 1966

Hanqi Gu, Jian Zhang, Jie Bao. High tolerance and physiological mechanism of Zymomonas mobilis to phenolic inhibitors in ethanol fermentation of corncob residue // Biotechnology Bioengineering, vol. 112, Issue 9, 07 April 2015

Аэробная и анаэробная среда — Статья в Екатеринбурге

При выполнении гематологических исследований используются два типа организмов аэробные и анаэробные. Они отличаются потребностью в наличии кислорода в окружающей среде. Аэробные микроорганизмы могут функционировать только при наличии кислорода, в то время, как анаэробные в нем совсем не нуждаются.

Классификация этих видов проводится на основе реакции на наличие или отсутствие кислорода. Из-за этого аэробные и анаэробные микроорганизмы по-разному выполняют свои функции в процессе клеточного дыхания.

Особенности аэробных микроорганизмов

Аэробные микроорганизмы не могут существовать без кислорода. Он необходим им для роста, развития и участвует в процессах размножения. Благодаря кислороду они способны окислять моносахариды, например, глюкозу.

Генерация энергии в этих микроорганизмах происходит при гликолизе. После него следует цикл Кребса и цепь переноса электронов. Среды, насыщенные кислородом – отличная питательная среда для таких микроорганизмов. Примеры аэробов – бациллы и нокардии.

Типы аэробов

Аэробные микроорганизмы классифицируют по уровню необходимого для жизнедеятельности кислорода:

Облигатные аэробы или аэрофилы. В обязательном порядке нуждаются в кислороде. Они используют его для клеточного дыхания и окисления органических веществ – сахаров и жиров, из которых получают энергию. Примеры облигатных аэробных микроорганизмов — Nocardia, Mycobacterium tuberculosis и Vibrio cholerae.
Микроаэрофильные аэробы. Обладают способностью выживать при малых концентрациях кислорода (около 10 процентов). Пример – Хеликобактер пилори.

Бактерии, нуждающиеся в кислороде для выживания, легко выделяются при культивировании в жидкой среде. Так для полноценной жизнедеятельности им необходим кислород, то чтобы выжить они всплывают на поверхность.

В процессе энергетического обмена эти микроорганизмы не используют кислород. Для этого им необходимы марганец, сера, кобальт, азот, метал или железо. В процессе образования энергии анаэробные микроорганизмы подвергаются ферментации. Для выживания они используют энергию, производимую при анаэробных процессах брожения:

Молочной кислоты;
Этанола.

Классификация анаэробных микроорганизмов также определяется по уровню токсичности кислорода:

Аэротолерантные. Для выживания кислород им не требуется, а его присутствие не наносит им вреда. Пример – лактобациллы.
Облигатные. Для таких микроорганизмов кислород губителен. Они живут и растут только при полном его отсутствии в среде. Пример – клостридии, метаносарцины.
Факультативные. На их развитие и жизнедеятельность не влияет наличие кислорода. Они могут жить как при его наличии, так и при отсутствии. Пример – кишечная палочка.

Анаэробы не способны выживать в среде, богатой кислородом. Для облигатных разновидностей он токсичен, а вот факультативным видам он не вредит.

Сходства между аэробами и анаэробами

Являются прокариотическими микроорганизмами.
Их начальная стадия клеточного дыхания – гликолиз.
Их основу составляют патогенные болезнетворные микроорганизмы.
Применяются в различных сферах промышленности.

Различия аэробов и анаэробов

Отличительные особенности микроорганизмов представлены в таблице.

Параметр сравнения	Аэробы	Анаэробы
Условия выживания	Нуждаются в кислороде, так как он конечный акцептор электронов в их клеточном дыхании	Для клеточного дыхания им не нужен кислород
Конечные электронные акцепторы	Кислород	Сера, метан, азот, железо
Процессы, участвующие в клеточном дыхании	Гликолиз, Цикл Кребса, Цепь переноса электронов	Гликолиз, Ферментация
Разновидности	Облигатные, Микроаэрофильные, Факультативные, Аэротолерантные	Облигатные, Факультативные
Среда для роста	Богатые уровнем кислорода среды	Среды, в которых отсутствует кислород
Токсичность кислорода	Нетоксичен	Токсичен
Кислородные детоксифицирующие ферменты	Присутствуют	Отсутствуют
Уровень производства энергии	Высокая эффективность производства энергии	Низкая эффективность производства энергии
Примеры	Сенная палочка (Bacillus spp), Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa), Палочка Коха (Mycobacterium tuberculosis)	Актиномицеты (Actinomyces), Бактероиды (Bacteroides), Пропионовокислые бактерии (Propionibacterium), Вейлонелла (Veillonella), Пептострепококки (Peptostreptococcus), Порфиромонас (Porphyromonas), Клостридии (Clostridium spp)

Аэробы и анаэробы требуют различных по уровню кислорода питательных сред для выживания. Аэробным микроорганизмам кислород необходим для энергетического обмена, а анаэробные микроорганизмы его не используют. Вместо этого они используют нитраты, серу и метан. Именно поэтому ключевыми отличиями этих микроорганизмов являются типы конечных акцепторов электронов, которые используются в процессе клеточного дыхания.

Внимание! Компания Медика Групп занимается продажей автоматических микробиологических анализаторов и флаконов с питательными средами, но не оказывает услуги по сбору или расшифровке результатов анализов крови.

Поделиться ссылкой:

Анаэробы: общая характеристика – медицинская микробиология

Общие понятия

Клинические проявления

Симптомы связаны с отсутствием кислорода в пораженной области: отсюда абсцессы, омертвевшие ткани и проникновение инородных тел приводят к клинической инфекции.

Кислородная токсичность

Низкие или неопределяемые уровни супероксиддисмутазы и каталазы позволяют кислородным радикалам образовываться в анаэробных бактериях и инактивировать другие бактериальные ферментные системы.

Патогенные анаэробы

Анаэробы являются потенциально патогенными при перемещении из нормальной среды (толстая кишка человека, почва) и имплантации в мертвые или отмирающие ткани; в результате возникают абсцессы, пневмонии, оральные и тазовые инфекции.

Обработка клинических образцов

Анаэробные условия необходимы для сбора образцов, культивирования и идентификации.

Введение

Широкая классификация бактерий на анаэробные, аэробные или факультативные основана на типах реакций, которые они используют для выработки энергии для роста и других видов деятельности. В метаболизме энергосодержащих соединений аэробы нуждаются в молекулярном кислороде в качестве конечного акцептора электронов и не могут расти в его отсутствие (см. главу 4). Анаэробы, с другой стороны, не могут расти в присутствии кислорода. Кислород для них токсичен, и поэтому они должны зависеть от других веществ как акцепторов электронов. Их метаболизм часто представляет собой ферментативный тип, при котором они восстанавливают доступные органические соединения до различных конечных продуктов, таких как органические кислоты и спирты. Факультативные организмы наиболее универсальны. Они предпочтительно используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, но также могут метаболизироваться в отсутствие кислорода, восстанавливая другие соединения. Гораздо больше полезной энергии в виде высокоэнергетического фосфата получается, когда молекула глюкозы полностью катаболизируется до углекислого газа и воды в присутствии кислорода (38 молекул АТФ), чем когда она лишь частично катаболизируется ферментативным ферментом. процесс в отсутствие кислорода (2 молекулы АТФ). Способность использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов обеспечивает организмы чрезвычайно эффективным механизмом выработки энергии. Понимание общих характеристик анаэробиоза позволяет понять, как анаэробные бактерии могут размножаться в поврежденных тканях и почему требуется особая осторожность при обработке клинических образцов, которые могут их содержать.

Кислородная токсичность

Несколько исследований показывают, что аэробы могут выжить в присутствии кислорода только благодаря сложной системе защиты. Без этой защиты ключевые ферментные системы в организмах перестают функционировать, и организмы умирают. Облигатные анаэробы, живущие только в отсутствие кислорода, не обладают защитой, которая делает возможной аэробную жизнь, и поэтому не могут выжить на воздухе.

Во время роста и метаболизма в микроорганизмах образуются продукты восстановления кислорода, которые секретируются в окружающую среду. Анион супероксида, один из продуктов восстановления кислорода, образуется путем одновалентного восстановления кислорода:

O ₂ ^e- → O ₂ ^–

Образуется при взаимодействии молекулярного кислорода с различными компонентами клетки, включая восстановленные флавины, флавопротеины, хиноны, тиолы и железо-серные белки. Точный процесс, посредством которого он вызывает внутриклеточное повреждение, неизвестен; однако он способен участвовать в ряде деструктивных реакций, потенциально летальных для клетки. Более того, продукты вторичных реакций могут усиливать токсичность. Например, согласно одной из гипотез, анион супероксида реагирует с перекисью водорода в клетке:

O ₂ ^– + H ₂ O ₂ → OH ^– + OH ^. + O ₂

Эта реакция, известная как реакция Габера-Вейсса, приводит к образованию свободного гидроксильного радикала (ОН·), который является самым сильным из известных биологических окислителей. Он может атаковать практически любое органическое вещество в клетке. Последующая реакция между супероксидным анионом и гидроксильным радикалом приводит к образованию синглетного кислорода (O ₂ * ), который также повреждает клетку:

O ₂ ^– + OH → OH + O ₂ *

Возбужденная молекула синглетного кислорода очень реакционноспособна. Следовательно, супероксид должен быть удален, чтобы клетки могли выжить в присутствии кислорода.

Большинство факультативных и аэробных организмов содержат высокую концентрацию фермента, называемого супероксиддисмутазой. Этот фермент превращает анион супероксида в основное состояние кислорода и перекиси водорода, тем самым избавляя клетку от деструктивных анионов супероксида:

2O ₂ ^— + 2H ⁺ ^{Супероксиддисмутаза} O ₂ + H ₂ O ₂

Girtoxde Generated Gistrated в этом гидроксексидном. не повреждает клетку так сильно, как анион супероксида, и имеет тенденцию диффундировать из клетки. Многие организмы обладают каталазой или пероксидазой, или и тем и другим, для удаления H ₂ O ₂ . Каталаза использует H ₂ O ₂ в качестве окислителя (акцептора электронов) и восстановителя (донора электронов) для превращения перекиси в воду и кислород в основном состоянии:

H ₂ O ₂ + H ₂ O ₂ ^Catalase 2H ₂ O + O ₂

Peroxidase uses a reductant other than H ₂ O ₂ :

H ₂ O ₂ + H ₂ R ^{Пероксидаза} 2H ₂ O + R

Одно исследование показало, что факулятивные и аэробные организмы не имеют супероксида. Высокие концентрации этих ферментов могут снизить потребность в супероксиддисмутазе, поскольку они эффективно удаляют H9.0031 2 O ₂ до того, как он сможет прореагировать с анионом супероксида с образованием более активного гидроксильного радикала. Однако у большинства организмов обнаруживается положительная корреляция между активностью супероксиддисмутазы и устойчивостью к токсическому действию кислорода.

В другом исследовании факультативные и аэробные организмы продемонстрировали высокие уровни супероксиддисмутазы. Фермент присутствовал, как правило, в более низких количествах у некоторых исследованных анаэробов, но полностью отсутствовал у других. Наиболее чувствительные к кислороду анаэробы, как правило, содержали мало или совсем не содержали супероксиддисмутазы. В дополнение к активности супероксиддисмутазы было определено, что скорость, с которой организм поглощает и восстанавливает кислород, является фактором толерантности к кислороду. Очень чувствительные анаэробы, которые восстанавливали относительно большое количество кислорода и не проявляли активности супероксиддисмутазы, погибали после кратковременного воздействия кислорода. Более толерантные организмы восстанавливали очень мало кислорода или демонстрировали высокий уровень активности супероксиддисмутазы.

Непрерывный спектр толерантности к кислороду среди бактерий, по-видимому, обусловлен частично активностью супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в клетке и частично скоростью, с которой клетка поглощает кислород (). Ясно, что на толерантность влияют и другие факторы: расположение защитных ферментов в клетке (поверхность или цитоплазма), скорость, с которой клетки образуют токсичные продукты кислорода (например, гидроксильный радикал или синглетный кислород), и чувствительность ключевых клеточных компонентов к действию кислорода. токсичные кислородсодержащие продукты.

Рисунок 17-1

Воздействие кислорода на аэробные, анаэробные и факультативно-анаэробные бактерии.

Патогенные анаэробы

Анаэробные бактерии широко распространены в природе в бескислородных средах обитания. Многие представители местной флоры человека являются анаэробными бактериями, включая спирохеты, грамположительные и грамотрицательные кокки и палочки. Например, толстая кишка человека, где напряжение кислорода низкое, содержит большие популяции анаэробных бактерий, превышающие 10 ¹¹ организмов/г содержимого толстой кишки. Анаэробы в этой области часто превосходят по численности факультативные микроорганизмы по крайней мере в 100 раз. Чувствительные к кислороду микроорганизмы также многочисленны в других областях тела, таких как десневые щели, крипты миндалин, носовые складки, волосяные фолликулы, уретра и влагалище. и поверхности зубов.

Анаэробные компоненты местной флоры являются потенциально патогенными, если они перемещены из их обычной среды обитания. Большинство анаэробных инфекций передается эндогенно от представителей микрофлоры, хотя Clostridium , обнаруженный в основном в почве, также вызывает инфекции у людей. Размножение анаэробных бактерий в тканях зависит от отсутствия кислорода. Кислород исключается из ткани при нарушении местного кровоснабжения в результате травмы, обструкции или хирургических манипуляций. Анаэробы хорошо размножаются в мертвых тканях. Размножение аэробных или факультативных организмов в сочетании с анаэробами в инфицированных тканях также снижает концентрацию кислорода и создает среду обитания, которая поддерживает рост анаэробных бактерий.

Инфекции, вызванные анаэробными бактериями, встречаются во всех частях тела человека (). Инфицированные ткани обычно содержат смесь нескольких видов анаэробов, а также часто содержат аэробные и факультативные бактерии. Типы инфекций, обычно вызываемых анаэробными бактериями, следующие:

Рисунок 17-2

Типы инфекций, обычно вызываемые анаэробными бактериями.

Внутрибрюшные инфекции.: Абсцессы, послеоперационные раневые инфекции и распространенный перитонит, вызванные анаэробами, возникают как следствие перфорации кишечника во время операции или травмы.
Легочные инфекции.: Анаэробные инфекции легких могут возникать в бронхах или крови. Аспирации из верхних дыхательных путей, которые содержат большое количество анаэробных бактерий, ответственны за инициирование инфекции в бронхах.
Тазовые инфекции.: Анаэробные инфекции влагалища и матки иногда возникают после гинекологических операций или в связи со злокачественными новообразованиями органов малого таза.
Абсцессы головного мозга.: Анаэробы редко вызывают менингит, но часто вызывают абсцессы головного мозга. Инфекционные организмы обычно возникают в верхних дыхательных путях.
Инфекции кожи и мягких тканей.: Комбинации анаэробов, аэробов и факультативных организмов часто действуют синергически, вызывая эти инфекции.
Оральные и зубные инфекции.: Эти местные инфекции часто распространяются на лицо и шею, а иногда и на другие области тела, например, на головной мозг.
Бактериемия и эндокардит.: Анаэробная бактериемия может следовать за нарушением в области тела, где существует установившаяся флора или инфекция. Эндокардит, воспаление эндотелиальной выстилки полостей сердца, иногда вызывается анаэробными бактериями, особенно анаэробными стрептококками.

За исключением клостридий, которые широко изучались, механизмы, с помощью которых анаэробы вызывают инфекции у людей, изучены недостаточно. Виды Clostridium продуцируют различные токсины, которые разрушают клетки тканей, а два вида, C botulinum и C tetani , выделяют нейротоксины, ответственные за ботулизм и столбняк, соответственно. Ферменты, выделяемые другими анаэробными бактериями, в том числе протеазы, липазы, гиалуронидаза, хондроитинсульфатаза и нейраминидаза, могут играть роль в инфекции, вызывая разрушение клеток тканей, а бета-лактамаза может действовать как фактор вирулентности, инактивируя антибиотики, обладающие бета-активностью. лактамное кольцо, такие как пенициллины и цефалоспорины. Кроме того, капсулы, окружающие некоторые анаэробные бактерии, вероятно, препятствуют фагоцитозу и действуют как барьер против проникновения антимикробных агентов.

Обработка клинических образцов

При сборе образцов у пациентов для выделения и идентификации анаэробных бактерий, связанных с инфекциями, необходимо принять меры предосторожности для исключения попадания воздуха (). Материалы для анаэробной культуры лучше всего получать с помощью иглы и шприца. Если образец не может быть немедленно отправлен в лабораторию, его помещают в анаэробную транспортную пробирку, содержащую бескислородный диоксид углерода или азот. Образец вводится через резиновую пробку в транспортную трубку и остается в анаэробной среде трубки до обработки в бактериологической лаборатории. Если образец собирается тампоном, используется только специальная доступная в продаже система транспортировки анаэробных тампонов.

Рисунок 17-3

Выделение и идентификация анаэробов.

Образцы не должны содержать контаминирующих бактерий. Материал из мест, которые обычно стерильны, например, кровь, спинномозговая или плевральная жидкости, не представляет проблемы, если приняты обычные меры предосторожности для надлежащей дезинфекции кожи перед ее проколом для получения образца. Образцы кала, образцы мокроты или вагинальные выделения нельзя рутинно культивировать на наличие патогенных анаэробов, поскольку они обычно содержат другие анаэробные организмы. В этих случаях необходимо получить аспираты из абсцессов или конкретных очагов инфекции, чтобы избежать чрезмерного загрязнения компонентами местной флоры.

Хотя существует несколько методов поддержания бескислородной среды во время обработки образцов для анаэробной культуры, наиболее распространенным является анаэробный сосуд. Это стеклянная или пластиковая банка среднего размера с плотно закрывающейся крышкой, содержащая частицы оксида алюминия, покрытые палладием, которые служат катализатором. Его можно настроить двумя способами. В самом простом случае используется коммерчески доступная оболочка генератора водорода и углекислого газа (GasPak), которую помещают в банку вместе с культуральными планшетами. Генератор активируется водой. Кислород внутри сосуда и образующийся водород превращаются в воду в присутствии катализатора, создавая таким образом анаэробные условия. Углекислый газ, который также образуется, необходим для роста одних анаэробов и стимулирует рост других. Альтернативный метод достижения анаэробиоза в банке состоит из вакуумирования и замены. Из запечатанного сосуда с культуральными планшетами откачивают воздух и заменяют бескислородной смесью, состоящей из 80 процентов азота, 10 процентов водорода и 10 процентов углекислого газа.

Более сложные процедуры используются для изоляции чрезвычайно чувствительных к кислороду микроорганизмов, которые невозможно выделить с помощью анаэробного сосуда. Один, метод с вращающейся пробиркой, состоит из закрытой пробкой пробирки, содержащей бескислородный газ и тонкий слой предварительно восстановленной агаровой среды на ее внутренней поверхности. Среду в пробирке инокулируют петлей при вращении пробирки. Это создает спиральную дорожку на поверхности агара. Пробирку промывают струей углекислого газа, чтобы предотвратить попадание воздуха, пока она открыта во время инокуляции.

Анаэробный изолятор для перчаток — еще одна инновация, разработанная для изоляции анаэробных бактерий. По сути, это большая камера из прозрачного винила с прикрепленными к ней перчатками, содержащая смесь 80 процентов азота, 10 процентов водорода и 10 процентов углекислого газа. Замок на одном конце камеры снабжен двумя люками, один из которых выходит наружу, а другой внутрь камеры. Образцы помещают в шлюз, наружный люк закрывают, воздух в шлюзе откачивают и заменяют газовой смесью. Затем внутренний люк открывается, чтобы ввести образец в камеру. Для обработки образца в бескислородной атмосфере используются обычные бактериологические процедуры.

Хотя эти сложные системы необходимы для изоляции анаэробных компонентов флоры, исследования показали, что анаэробный сосуд подходит для выделения клинически значимых анаэробов. Чрезвычайно чувствительные к кислороду бактерии микрофлоры, по-видимому, не связаны с инфекционными процессами.

Хорошо известны процедуры культивирования и идентификации анаэробных бактерий (). Для культивирования анаэробов доступны различные селективные и неселективные среды. Надежная неселективная среда состоит из 9Агар 0161 Brucella с добавлением овечьей крови, гемина, цистеина, карбоната натрия и менадиона. Для идентификации анаэробов используются обычные бактериологические процедуры. Они основаны на реакциях окрашивания по Граму, морфологии клеток и колоний, профилях чувствительности к антибиотикам, реакциях ферментации углеводов и других биохимических тестах. Анализ конечных продуктов метаболизма, особенно органических кислот, дает дополнительную информацию, полезную для классификации этих организмов.

Ссылки

Балоуз А., ДеХаан Р.М., Доуэлл В.Р., Гуз Л.Б. (ред.): Анаэробные бактерии. Чарльз Томас, Спрингфилд, Иллинойс, 1974 г. .
Finegold SM: Анаэробные бактерии при заболеваниях человека. Академическая пресса, Сан-Диего, 1977 г. .
Finegold SM, George WL (eds): Анаэробные инфекции у людей. Академическая пресса, Сан-Диего, 1989 г. .
Holdeman LV, Cato EP, Moore WEC (eds): Лабораторное руководство по анаэробам. 4-е изд. Политехнический институт Вирджинии и лаборатория анаэробов государственного университета, Блэксбург, Вирджиния, 1977 .
Леннетт Э.Х., Сполдинг Э.Х., Труант Дж.П. (ред.): Руководство по клинической микробиологии. 2-е изд. Американское общество микробиологии, Вашингтон, округ Колумбия, 1974 г. .
Моррис Дж.Г. Физиология облигатного анаэробиоза. Ад Микроб Физиол. 1975; 12: 169–246.
Sutter VL, Citron DM, Edelstein MAC, Finegold SM: Wadsworth Anaerobic Bacteriology Manual, 4th Ed. Издательство Star Publishing, Белмонт, Калифорния, 1985 г. .