Anaerobni organizmi: definicija, vrste, metabolizem in pomen za zdravje

Anaerobni organizem je vsako živo bitje, ki za rast ne potrebuje kisika. Anaerobne vrste vključujejo bakterije, arheje in nekatere evkarionte (npr. določene praživaliče). Razumevanje razlik med različnimi tipi anaerobov je pomembno tako za biologijo in ekologijo kot za medicino in industrijo.

Vrste anaerobov

Obligatni anaerobi – umrejo ali so močno ovirani, če so izpostavljeni atmosferski ravni kisika; pogosto nimajo učinkovitih encimskih sistemov za razgradnjo reaktivnih kisikovih spojin.
Fakultativni anaerobi – lahko uporabljajo kisik, kadar je ta prisoten (aerobno dihanje), vendar rast nadaljujejo tudi brez njega z uporabo fermentacije ali anaerobnega dihanja.
Aerotolerantni – lahko preživijo v prisotnosti kisika, vendar ga ne uporabljajo kot končnega akceptorja elektronov; praviloma izvajajo fermentacijo.
Mikroaerofili – potrebujejo kisik, vendar v nizkih koncentracijah (nizko mikromolarno območje); običajne atmosferske koncentracije (~200 µM) njihovo rast zavirajo.
Nanaerobi – ne rastejo pri mikromolarnih koncentracijah kisika, lahko pa rastejo in imajo korist pri nanomolarnih koncentracijah kisika.

Metabolizem anaerobov

Obligatni anaerobi lahko uporabljajo fermentacijo ali anaerobno dihanje. Pri fermentaciji se organska spojina delno oksidira in kot končni produkt nastanejo molekule, kot so mlečna kislina, etanol, vodik, ocetna kislina ali kratkoverižne maščobne kisline. Pri anaerobnem dihanju je elektronski akceptor nekaj drugega kot kisik — pogosti akceptorji so nitrate, sulfati, ogljikov dioksid (pri metanogenezi) ali železovi oksidi.

Ob prisotnosti kisika fakultativni anaerobi uporabljajo aerobno dihanje; brez kisika nekateri od njih fermentirajo, nekateri pa uporabljajo anaerobno dihanje. Aerotolerantni organizmi so strogo fermentativni. Mikroaerofili izvajajo aerobno dihanje, nekateri med njimi pa lahko izvajajo tudi anaerobno dihanje.

Primeri elektronskih akceptorjev pri anaerobnem dihanju:

nitrati → denitrifikacija (produkti: NO, N2O, N2)
sulfati → sulfatredukcija (produkt: H2S)
CO2 → metanogeneza pri arhejah (produkt: CH4)
željezo(III) → Fe(II)

Fermentacijski produkti (npr. acetat, propionat, butirat, H2, CO2) imajo velik pomen v ekologiji (npr. črevesna flora) in industriji (bioplin, fermentacija hrane).

Zakaj kisik škoduje nekaterim anaerobom

Kisik sam po sebi ni nujno strupen, a pri njegovem prisotnemju nastajajo reaktivne kisikove vrste (ROS) — superoksid (O2•−), vodikov peroksid (H2O2) in hidroksilni radikal (•OH) —, ki poškodujejo DNA, proteine in membrane. Veel bolezni anaerobi pogosto nimajo ali imajo nizke ravni obrambnih encimov, kot so superoksid dismutaza, katalaza in peroksidaza, zato so izpostavljeni oksidativni škodi in ne preživijo v kisikovi atmosferi.

Primeri in toksini

Nekatere anaerobne bakterije proizvajajo toksine, ki so zelo nevarni za višje organizme, vključno s človekom. Znani primeri:

Clostridium tetani – proizvaja tetanusni toksin; povzroča krče in spastičnost mišic.
Clostridium botulinum – proizvaja botulinski toksin; povzroča paralizo zaradi blokade acetilholinskih sinaps.
Druge pomembne anaerobne vrste: Bacteroides fragilis, Fusobacterium, Clostridioides difficile (prej Clostridium difficile), mnoge so del normalne črevesne ali oralne flore, a lahko povzročijo oportunistične okužbe.

Okolja in vloga v naravi

Anaerobi naseljujejo območja z nizko ali brez kisika: globlje plasti tal, blato, sedimenta jezer in morja, prebavni trakt sesalcev, dlesni in zobni žepi, gnojna tkiva in anaerobne reaktorje za čiščenje odpadnih voda. Njihove glavne ekološke vloge vključujejo:

razgradnjo organske snovi in kroženje ogljika, dušika in žvepla;
participacijo v procesih, kot sta denitrifikacija in sulfatna reducenska pot;
produkcija bioplina (metan) v anaerobnih digestorjih;
vzdrževanje zdravja gostiteljev preko proizvodnje kratkoverižnih maščobnih kislin in modulacije imunskega sistema v črevesju.

Pomen za zdravje in medicina

Anaerobne bakterije so tako koristne kot tudi patogene:

Kot del normalne mikrobiote (npr. črevesne) sodelujejo pri prebavi, sintezi nekaterih vitaminov in zaviranju patogenov.
Vendar lahko ob premiku na napačno mesto ali pri oslabljenem imunskem sistemu povzročijo resne okužbe: abscesi, anaerobne pljučnice, intraabdominalne okužbe, bakteriemija, septikemija, infekcije mehkih tkiv in gnojne rane.
Posebna skrb: nekatere vrste proizvajajo močne toksine (npr. tetanus, botulizem) ali pa so odporne na določena antibiotika (npr. nekateri Bacteroides proizvajajo beta-laktamaze).

Diagnoza in zdravljenje

Vzrok aneorobnih okužb praviloma zahteva poseben način vzorčenja (brez izpostavitve zraku), transport v anaerobnem mediju in kultivacijo v anaerobnih komorah ali z uporabo anaerobnih kozarcev/bojlerjev. Laboratorijske metode vključujejo tudi molekularne teste (PCR) in masno spektrometrijo (MALDI-TOF) za identifikacijo.

Za zdravljenje anaerobnih okužb se pogosto uporabljajo:

metronidazol (učinkovit proti mnogim anaerobom),
clindamycin (vendar se pojavlja odpornost pri nekaterih vrstah),
beta-laktamski antibiotiki z zaviralci beta-laktamaz ali karbapenemi pri resnih okužbah,
kirurško drenažo abscesov in odstranitev nekroticnega tkiva sta pogosto nujna.

Pomembno je ciljano zdravljenje, saj neustrezna terapija poveča smrtnost pri globokih anaerobnih okužbah.

Gojenje in laboratorijska tehnologija

Anaerobne kulture zahtevajo posebne pogoje: izključitev O2 z uporabo anaerobnih komor, generatorjev plinov (CO2/H2) ali kemijskih paketov v anaerobnih kozarcih ter indikatorjev, ki potrjujejo odsotnost kisika. Vzorec je treba vzeti in transportirati pravilno (npr. transportne epruvete brez zraka), saj lahko izpostavljenost kisiku zmanjša odstotek živih anaerobov in ovira diagnostiko.

Industrijske in biotehnološke uporabe

Anaerobne bakterije se uporabljajo v:

anaerobnih digesterjih za proizvodnjo bioplina (metan) iz organskih odpadkov,
industrijskih fermentacijah (npr. proizvodnja etanola ali mlečne kisline),
čistilnih postopkih (bioremediacija, odstranjevanje dušika in žvepla),
razvoju probiotikov in raziskavah mikrobioma za izboljšanje zdravja prebavnega trakta.

Varnost in preventiva

Pri delu z anaerobi v laboratoriju in medicinskih okoljih je pomembno upoštevati aseptične postopke, pravilno vzorčenje, osebno varovalno opremo in sterilizacijo. V zdravstvu preventiva vključuje higieno, nadzor nad ranim zdravljenjem ran ter ustrezno ravnanje z živili (saj nekatere vrste povzročajo zastrupitve s hrano).

Na kratko: anaerobni organizmi so raznolika skupina z edinstvenimi presnovnimi potmi, ki imajo ključno vlogo v naravnih ciklih, industriji in zdravju ljudi — obenem pa lahko povzročijo tudi resne bolezni, zato so razumevanje njihove biologije in pravilno ravnanje z njimi ključnega pomena.

Tioglikolatni bujon je gojišče, ki se uporablja predvsem za ugotavljanje potreb mikroorganizmov po kisiku. 1: Obligatni aerobi potrebujejo kisik. Zberejo se na vrhu epruvete, kjer je njegova koncentracija najvišja. 2: Obligatne anaerobe kisik zastruplja, zato se zbirajo na dnu epruvete, kjer je koncentracija kisika najnižja. 3: Fakultativni anaerobi lahko rastejo kjer koli v cevki, vendar se večinoma zbirajo na vrhu, ker imajo s kisikom več energije. 4: Mikroaerofili potrebujejo kisik: ne morejo fermentirati ali dihati anaerobno. Vendar jih visoke koncentracije kisika zastrupljajo. Zberejo se v zgornjem delu epruvete, vendar ne na samem vrhu. 5: Aerotolerantni organizmi ne potrebujejo kisika, saj presnavljajo energijo anaerobno. Za razliko od obligatnih anaerobov pa jih kisik ne zastruplja. Nahajajo se enakomerno razporejeni po celi epruveti

Sorodne strani

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je anaerobni organizem?

O: Anaerobni organizem je vsako živo bitje, ki za rast ne potrebuje kisika.

V: Kakšna je razlika med obligatnim anaerobom in fakultativnim anaerobom?

O: Obligatni anaerobi umrejo, če so izpostavljeni atmosferski ravni kisika, medtem ko lahko fakultativni anaerobi uporabljajo kisik, če je prisoten.

V: Kaj je aerotoleranten organizem?

O: Aerotolerantni organizmi lahko preživijo v prisotnosti kisika, vendar so anaerobni, ker ne uporabljajo kisika kot končnega akceptorja elektronov.

V: Kaj je mikroaerofil?

O: Mikroaerofili so organizmi, ki lahko uporabljajo kisik, vendar le v nizkih koncentracijah (nizko mikromolarno območje); njihovo rast zavirajo običajne koncentracije kisika (približno 200 mikromolarjev).

V: Kaj je nanaerob?

O: Nanaerobi so organizmi, ki ne morejo rasti v prisotnosti mikromolarnih koncentracij kisika, lahko pa rastejo z nanomolarnimi koncentracijami kisika in imajo od njih koristi.

V: Na katere različne načine lahko anaerobni organizmi pridobivajo energijo?

O: Obligatni anaerobi lahko uporabljajo fermentacijo ali anaerobno dihanje. Ob prisotnosti kisika fakultativni anaerobi uporabljajo aerobno dihanje; brez kisika nekateri med njimi fermentirajo, drugi pa uporabljajo anaerobno dihanje. Aerotolerantni organizmi so strogo fermentativni. Mikroaerofili izvajajo aerobno dihanje, nekateri med njimi pa lahko izvajajo tudi anaerobno dihanje.

V: Ali nekatere anaerobne bakterije proizvajajo nevarne toksine?

O: Da, nekatere anaerobne bakterije proizvajajo toksine (npr. tetanusni ali botulinski toksini), ki so zelo nevarni za višje organizme, vključno s človekom.