تنفس هوازی و بی‌هوازی

تنفس

نیاز به اکسیژن در یک موجود زنده به نوع متابولیسم آن میکروارگانیسم مربوط می‌شود. تولید انرژی با حرکت الکترون‌ها از طریق زنجیره انتقال الکترون (ETC) مرتبط است، اگر پذیرنده نهایی الکترون در انتهای زنجیره، اکسیژن باشد؛ تنفس هوازی نامیده می‌شود. اگر ملکول دیگری به غیر از اکسیژن پذیرنده الکترون باشد؛ تنفس بی‌هوازی نامیده می‌شود.

تنفس بی‌هوازی خود به دو گروه تقسیم می‌شود در دسته‌ای که تخمیر (Fermentation) نامیده می‌شود، پذیرنده نهایی الکترون یک ملکول آلی مانند الکل یا لاکتات است. در گروه دوم پذیرنده نهایی الکترون ملکولی غیر‌آلی مانند سولفور (S)، نیترات (NO3) یا سولفات (SO4) باشد.

در حالی که استفاده از اکسیژن توسط متابولیسم ارگانیسم دیکته می‌شود، توانایی زندگی در یک محیط اکسیژن دار (صرف نظر از اینکه ارگانیسم از آن استفاده می‌کند یا نه) به دلیل وجود یا عدم وجود چندین آنزیم تعیین می‌شود. محصولات جانبی اکسیژن (به نام گونه‌های اکسیژن فعال یا ROS) می‌توانند برای سلول‌ها سمی باشند، حتی برای سلول‌هایی که از تنفس هوازی استفاده می‌کنند. آنزیم‌هایی که می‌توانند در برابر ROS محافظت کنند عبارتند از سوپراکسید دیسموتاز (Superoxide Dismutase/ SOD) که رادیکال‌های سوپراکسید را تجزیه می‌کند و کاتالاز (Catalase) که پراکسید هیدروژن را تجزیه می‌کند. بی‌هوازی‌های اجباری فاقد هر دو آنزیم هستند و از آنها محافظت کمی در برابر ROS ایجاد می‌کند.

باکتری‌ها از نظر اتمسفر مورد نیاز برای بقا و رشد به انواع متفاوتی تقسیم می‌شوند، مبنای این دسته بندی، نوع متابولیسم باکتری و وجود آنزیم‌های پیش گفته است که قادرند طبق واکنش‌های زیر رادیکال‌های آزاد حاصل از تنفس هوازی را خنثی نمایند:

• SOD: 20₂– + 2H+ -> 0₂ + H₂0₂
• catalase: 2H₂0₂ -> 2H₂0 + 0₂
• peroxidase: H₂0₂ + 2H+ -> 2H₂0

• ۱. باکتری‌های هوازی اجباری (Obligate aerobes):

باکتری‌های هوازی اجباری برای بقا به اکسیژن ۲۰% (با همان غلظت موجود در جو) نیازمندند، از O₂ به عنوان پذیرنده الکترون e استفاده می‌کنند، آنیون پراکسید (^–Peroxide/O₂) حاصل از تنفس هوازی در باکتری‌های هوازی Obligate aerobes توسط سوپراکسید دیسموتاز (SOD) خنثی شده و آب اکسیژنه (H₂O₂) را تولید می‌کند که این ماده سمی هم توسط آنزیم کاتالاز تجزیه می‌گردد.

در میان موجودات، تقریباً همه حیوانات، بیشتر قارچ‌ها و انواعی از باکتری هوازی اجباری هستند. به عنوان نمونه‌هایی از باکتری‌های هوازی اجباری می‌توان مایکوباکتریوم توبرکلوزیس Mycobacterium tuberculosis، سودوموناس آئروژینوزا Pseudomonas aeruginosa، باسیلوس Bacillus و نوکاردیا استروئیدها Nocardia asteroides را نام برد.

• ۲. باکتری‌های بی‌هوازی اجباری (Obligate anaerobes):

از این حیث که فاقد دو آنزیم کاتالاز (Catalase) و سوپراکسید دیسموتاز (SOD) هستند نسبت به حضور اکسیژن O₂ حساس بوده و در مجاورت آن می‌میرند. فقط در محیط‌های عاری از اکسیژن قادر به رشد هستند. از جمله میکروارگانیسم‌ها این گروه می‌توان به اکتینوماسس‌ Actinomyces، کلاستریدیوم Clostridium، فوزوباکتریوم Fusobacterium، پپتواسترپتوکوکوس Peptostreptococcus اشاره کرد.

• ۳. باکتری‌های بی‌هوازی اختیاری (facultative anaerobic):

در حضور و غیاب اکسیژن قادر به حیات هستند و می‌توانند از O₂، نیترات NO₃ و سولفات SO₄ به عنوان پذیرنده اکسیژن استفاده کنند یا از مسیر تخمیر کسب انرژی نمایند، اکثر باکتری‌های پاتوژن در این دسته قرار می‌گیرند. مانند: سودوموناس Pseudomonas، کلبسیلا Klebsiella و استافیلوکوکوس Staphylococcus.

• ۴. باکتری‌های بی‌هوازی تحمل کننده هوا (Aerotolerant):

متابولیسم در این باکتری‌ها از نوع بی‌هوازی است و به وجود اکسیژن نیازی ندارند. در صورت وجود اکسیژن زنده می‌مانند و قادر هستند از خودشان در برابر ROS محافظت کنند. بیشتر بی‌هوازی‌های تحمل‌کننده هوا دارای سوپراکسید دیسموتاز و پراکسیداز (غیر کاتالازی) هستند اما کاتالاز ندارند. به طور خاص، آنها ممکن است از یک سیستم NADH اکسیداز/NADH پراکسیداز (NOX/NPR) یا یک سیستم گلوتاتیون پراکسیداز استفاده کنند. نمونه‌ای از بی‌هوازی‌های تحمل‌کننده هوا کوتی‌باکتریوم آکنه Cutibacterium acnes است کوتی باکتریوم آکنه نوعی سم تولید میکند که عامل عمده تولید کننده التهاب در محل جوش آکنه است.

• ۵. باکتری‌های میکروآئروفیل (Microaerophiles):

این دسته به اکسیژن برای تولید انرژی نیاز دارند چون توانایی تنفس بی‌هوازی یا تخمیر ندارند اما غلظت اکسیژن جوی (۲۱٪) برای آن‌ها مضر است. بسیاری از میکروآیروفیل‌ها، کپنوفیل نیز هستند و به غلظت بالایی دی اکسید کربن (CO₂) برای رشد نیاز دارند. گونه‌های کمپیلوباکتر Campylobacter و هلیکوباکتر پیلوری Helicobacter pylori نیز از این نوع هستند که به حدود ۱۰٪ CO₂ در محیط نیاز دارند.

کشت بی هوازی را می توان در محفظه‌های بی‌هوازی انجام داد. این محفظه‌ها جوی عاری از اکسیژن برای کشت و تکثیر میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی فراهم می‌کنند. در مواردی که تماس جزئی با اکسیژن در زمان محدود مانع تکثیر شود استفاده از این محفظه‌ها ضروری است. محفظه های بی هوازی از مخلوط گاز هیدروژن H₂ و گاز نیتروژن (N₂) (۹۵/۵%) یا دی اکسید کربن برای حذف اکسیژن استفاده می‌کنند. حساسیت انواع میکروارگانیسم‌ها به اکسیژن متفاوت است. روش ساده‌ و در دسترس دیگر استفاده از سیستم گازپک است.

استفاده از جار بی‌هوازی و سیستم گاز پک یکی از راه‌های کشت باکتری‌های بی‌هوازی است که در مقایسه با سایر روش‌ها، آسان، در دسترس و مقرون به صرفه می‌باشد، در این روش براساس دستورالعمل مندرج در بروشور محصول، حجم مشخصی از آب به هر پاکت یا ساشه افزوده می‌گردد، واکنش آب و محتویات ساشه سبب تولید دی اکسید کربن (CO₂) و مصرف همه (گازپک C) یا بخشی (گازپک A) از اکسیژن O₂ موجود در محیط شده و اتمسفر مناسبی به ترتیب برای رشد بی‌هوازی یا میکروائروفیل ایجاد می‌کند.

برای خرید گازپک C و گازپک A تولید شده در شرکت سیب زیست فن بر روی لینک‌های مربوطه کلیک کنید تا به صفحه محصول هدایت شوید. این محصول با نام گازفیت C (برای ایجاد محیط میکروائروفیل) و گازفیت A برای ایجاد اتمسفر بی‌هوازی تولید شده است و نیاز به کاتالیزور ندارد و صرفا با افزودن آب، هر ساشه گازفیت می‌تواند برای تنظیم اتمسفر جار بی‌هوازی ۲/۵ لیتری استفاده شود.