تغذية الأحياء المجهرية

عناصر التغذية

حاجة الخلايا الحية للمواد الغذائية الضرورية للنمو تعتمد على المكونات الكيميائية الموجودة في هذه الخلايا، ويشكل الماء ما نسبته 80٪ من وزن الخلايا الحية لذلك يعتبر من المواد الغذائية الأساسية للخلايا الحية وهناك العديد من العناصر الأخرى المهمة و التي تتواجد ضمن تركيب الخلايا الحية مثل الكربون والاكسجين والنيتروجين والهيدروجين والفسفور والكبريت والبوتاسيوم وغيرها وبنسب وزنية مختلفة حيث يشكل الكربون النسبة المئوية الأكبر من الوزن الجاف للخلية الحية (50٪) يليه الاوكسجين (20٪) وهكذا بالتسلسل . تحتاج جميع الاحياء المجهرية عناصر البوتاسيوم ،المغنيسيوم ، الكالسيوم ، الحديد بكميات كبيرة كما تحتاج إلى المنغنيز ، الكوبلت والنحاس بكميات قليلة جدا تعرف بالمغذيات الدقيقة وتحصل عليها الأحياء بشكل ايونات موجبة ضمن مركبات لا عضوية. وهناك الكثير من العناصر والتي تحتاجها الاحياء وبشكل كبير ومن هذه العناصر.

1- النيتروجين

يعتبر من العناصر الأساسية للعديد من المكونات الخلوية ومنها البروتينات حيث يشكل 10/1 من وزنها الجاف ويكون النيتروجين بعدة أشكال ويعتمد شكله على قابلية الكائن الاختزالية وهذه الاشكال هي 
(NO3,NO2,N2,NH3,R-NH2)
عندما يكون المصدر النيتروجيني بشكل R-NH2 فإن البكتيريا يمكنها استغلاله من خلال إزالة مجموعة الأمين نزع أمين وبهذا يستغل النيتروجين الموجود في الأمونيا وتقوم البكتيريا بنقل مجموعة الأمين من مصدره إلى مستلم خلوي مناسب بعملية نقل الامينات نقل الأمين
R-CH-C-OH + R1-C-C-OH ----------- R-C-C-OH + R1-CH-C-OH
اما اذا كان مصدر النيتروجين هو الأمونيا فإن هناك العديد من الاحياء المجهرية تعتمده كمصدر وحيد للنيتروجين من خلال قدرتها على ادخال الامونيا في المركبات العضوية الخلوية من خلال تفاعل يتوسطه انزيم Glutamic dehydrogenase
(حامض الكلوتامك)HO-C-C-CH2-CH2-C-C-OH -----------  HO-C-C-CH2-CH2-CH-C-OH
وعند دخول المصدر النيتروجيني في حامض الكلوتامك كمستلم خلوي تقوم الخلية بعدها بتوزيعه إلى المواد الخلوية التي تحتاجه بعملبة حذف الأمين .
من هاتين العمليتين يظهر ان الاحياء المحهرية تتباين في قدرتها على استغلال المصدر النيتروجيني الذي تحتاجه.
وهناك بعض الأحياء المجهرية يمكنها استغلال النيتروجين الجوي بمساعدة انزيم نيتروجيناز فتستغله في تخليق المواد النيتروجينية العضوية الخلوية وهذه العملية تدعى التثبيت الحيوي للنيتروجين Biological Nitrogen Fixation ومن هذه الاحياء الطحالب الخضراء المزرقة وبعض الفطريات وبعض البكتيريا.
اما بالنسبة للنترات NO3 والنيتريت NO2 فيمكن لبعض الأحياء استغلالها كمصدر نيتروجيني من خلال اختزالهما إلى الامونيا.

2- الكبريت

يعتبر الكبريت من العناصر الغذائية المهمة للأحياء المجهرية ويتواجد الكبريت في المركبات الخلوية لهذه الاحياء بشكل مختزل وبهيئة مجموعة سلفاهايدرل SH . معظم الأحياء المجهرية يمكنها استغلال الكبريت وهو مؤكسد من مصادره والمتمثلة بمركبات الكبريت غير العضوية SO4 ولذلك لابد ان تقوم الاحياء باختزاله ولكن هناك مجموعة من الأحياء لا تستطيع القيام بعملية الإختزال لذا لابد ان تستلمه جاهزا أي وهو مختزل بشكل كبريتيد S (مثل كبريتيد الهيدروجين) او بشكل مركبات عضوية تحتوي مجموعة SH (مثل الحامض الأميني السيستين) او على شكل مركبات معقدة مثل البروتينات التي تزود الاحياء بالعديد من العناصر ومنها النيتروجين والكربون والكبريت والطاقة أيضا.

3- مصدر الكربون

تقسم الأحياء اعتمادا على مصدر الكربون الذي تحتاجه إلى نوعين هما:

1-الاحياء ذاتية التغذية

وتضم جميع الأحياء التي تقوم بعملية التركيب الضوئي و البكتيريا التي تحصل على الطاقة من خلال اكسدتها للمواد غير العضوية. هذه الاحياء تستغل ثنائي أكسيد الكربون مصدرا وحيد للكربون فتقوم بتحويله إلى مركبات عضوية خلوية بعميلة اختزالية وتحتاج فيها إلى طاقة تحصل عليها اما من الشمس او من اكسدة المواد العضوية.

2-الأحياء متباينة التغذية

وتشمل جميع الأحياء الباقية وهذه الأحياء يكون مصدر الكربون فيها متعدد فلا تعتمد على مصدر وحيد للكربون بل تحتاج إلى العديد من المركبات العضوية الأخرى ومنها السكريات والأحماض الأمينية بأنواعها المختلفة. وفي هذه المجموعة يكون مصدر الكربون الموجود في المركبات العضوية متشابها مع المركبات العضوية الخلوية من حيث الطاقة ولهذا فإنها لا تحتاج إلى اختزاله كما ان هذه المركبات تزود الخلية أيضا بحاجتها من الطاقة لذا فإن الكربون الموجود في هذه المركبات يدخل التفاعلات المنتجة للطاقة ويطرح أيضا إلى خارج الخلية بشكل ثنائي أكسيد الكربون وبهذا فإن المواد العضوية تعمل كمصدر للكربون ومصدر للطاقةايضا.
ومن الأمثلة على البكتيريا التي لا يمكنها الاعتماد على مصدر عضوي واحد للكربون و
الطاقة وتحتاج للعديد من المواد العضوية في وسطها لكي تنمو E.coli و Lactobacili والتي تختلف المواد الداخلة في تركيب الوسطين من حيث عدد ونوعية المواد العضوية الداخلة في تكوينها هذه المواد تعطي الخلية المكونات الخلوية التي لا تستطيع الخلية تخليقها وهذه المواد تسمى عوامل النمو العضوية.

4- مصدر الطاقة

هناك نظامين أساسيين لتصنيف الأحياء المجهرية أولهما يعتمد على طريقة تغذية الأحياء ويشمل التغذية الذاتية والأحياء التي تعتمد هذا النظام تسمى الأحياء ذاتية التغذية ذاتي التغذية مثل النباتات والتي لا تحتاج إلى المواد العضوية ويمكنها استغلال المغذيات غير العضوية والطريقة الثانية للتغذية هي التغذية المتباينةوالأحياء التي تعتمده تدعى الأحياء متباينة التغذية غيري التغذية مثل الحيوانات والتي تحتاج إلى العديد من المواد العضوية.
اما النظام الثاني فيعتمد على طبيعة مصدر الكربون ومصدر الطاقة فالأحياء التي تستخدم الضوء مصدرا للطاقة تسمى الأحياء ضوئية التغذية ضوئي التغذية والأحياء التي تستخدم المصادر الكيميائية كمصدر للطاقة تسمى الأحياء كيميائية التغذية كيميائي التغذية.
لغرض دراسة صفات وخصائص الأحياء المجهرية من الضروري تنميتها مختبريا في أوساط زراعية مناسبة تحتوي على المغذيات الضرورية لنموها لذلك تنوعت الأوساط الزراعية الغذائية لكي يلائم كل منها مجموعة معينة من الاحياء حسب احتياجاتها الفسلجية. هناك الالاف من الأوساط الزراعية والتي تختلف فيما بينها في مكوناتها الكيمياوية كما يحتاج نمو الأحياء أيضا إلى توفر ظروف فيزياوية مناسبة لكي تنمو بشكل جيد.
.

5- الكبريت

يعتبر الكبريت من العناصر الغذائية المهمة للأحياء المجهرية ويتواجد الكبريت في المركبات الخلوية لهذه الاحياء بشكل مختزل وبهيئة مجموعة سلفاهايدرل SH . معظم الأحياء المجهرية يمكنها استغلال الكبريت وهو مؤكسد من مصادره والمتمثلة بمركبات الكبريت غير العضوية SO4 ولذلك لابد ان تقوم الاحياء باختزاله ولكن هناك مجموعة من الأحياء لا تستطيع القيام بعملية الإختزال لذا لابد ان تستلمه جاهزا أي وهو مختزل بشكل كبريتيد S (مثل كبريتيد الهيدروجين) او بشكل مركبات عضوية تحتوي مجموعة SH (مثل الحامض الأميني السيستين) او على شكل مركبات معقدة مثل  البروتينات التي تزود الاحياء بالعديد من العناصر ومنها النيتروجين والكربون والكبريت والطاقة أيضا.
.

6- عوامل النمو العضوية

هي المواد التي لا يستطيع الكائن النمو بدونها وهذه المواد لا يمكن للخلية ان تصنعها ولذا لابد من ان تضاف إلى الوسط الذي تنمو فيه وتحتاجها الخلية بتراكيز قليلة لذا تسمى المغذيات الدقيقة هذه العوامل قد تكون عضوية او غير عضوية وتشمل العناصر اللاعضوية الكوبلت والنحاس والمنغنيز وغيرهااما العوامل العضوية للنمو فتتمثل في أي مركب يحتاجه الكائن كمادة واهبة او مانحة لاحد المواد الخلوية المهمة للخلية والذي لا تستطيع الخلية تصنيعه عوامل النمو العضوية تضم 3 اقسام اعتمادا على وظائفها الأيضية وتركيبها الكيميائي هي:

الاحماض الأمينية

وتساهم في بناء البروتينات وهناك أكثر من 20 حامض أميني.

القواعد النيتروجينية

وهي أساسية في بناء الأحماض النووية وهناك 5 أنواع.

الفيتامينات

وهذه تمثل الجزء المتمم للإنزيمات.
نمو الأحياء المجهرية يحتاج إلى كميات ضئيلة جدا من عوامل النمو. تخليق هذه العوامل يحتاج إلى سلسلة تفاعلات معقدة وقد تعتمد الأحياء على البيئة في الحصول عليها فمثلا الحامض التربتوفان تحتاجه بكتيريا السالمونيلا وأنواع أخرى ولذا يضاف إلى أوساط التغذية لتتمكن الأحياء من النمو.

7- الأوكسجين

يتواجد الأوكسجين كأحد المكونات الخلوية لأنه موجود ضمن تركيب العديد من المكونات الخلوية و الماء ورغم ذلك فإن الكثير من الأحياء تحتاج إلى الأوكسجين الحر وليس المرتبط كما أن هناك الكثير من الأحياء يكون وجود الأوكسجين قاتل لها ولذا يمكن تقسيم الأحياء اعتمادا إلى حاجتها للأوكسجين إلى عدة مجاميع:

1- الأحياء الهوائية الإجبارية Obligate aerobes

وهذه الأحياء لا بد أن تحصل على الأوكسجين كمصدر للطاقة وهنا يقوم الاوكسجين بعملية الاكسدة النهائية ضمن التفاعلات الأيضية ليحرر الطاقة.

2- الأحياء اللاهوائية الإجبارية Obligate anaerobes

وتمثل الأحياء التي تحصل على الطاقة بتفاعلات لا يدخل فيها الأوكسجين وبذا فإن تعرض هذه الأحياء إلى الأوكسجين قد يكون قاتل أو مثبط للنمو. أحياء هذه المجموعة تحتوي انزيمات يجب أن تبقى بحالة اختزال حتى تعمل بشكل طبيعي وأن وجود الأوكسجين يعطل هذه الإنزيمات وبالتالي يوقف النمو.معظم الأحياء اللاهوائية الإجبارية لا تملك انزيم الكاتاليز كاتالاز الذي يحول بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء واوكسجين كما انها لا تحتوي الانزيمات التي تحول الاوكسجين إلى بيروكسيد الهيدروجين. ان موت الاحياء بوجود الأوكسجين يرجع إلى تكون بيروكسيد الهيدروجين وتجمعه بين الخلايا والذي يعتبر قاتل.

3- الأحياء اللاهوائية الاختيارية Facultatively anaerobes

وتسمى أيضا الهوائية الإختيارية وهذه تنمو بوجود وغياب الأوكسجين وهذه المجموعة تضم مجموعتين الأولى تعتمد على عمليات التخمر في الحصول على الطاقة اللازمة للنمو ولكنها لا تتأثر بوجود الأوكسجين . أما المجموعة الثانية فتشمل الخمائر و بكتيريا القولون وهذه تعتمد على التنفس وليس التخمر في أفعالها الأيضية وبهذا فإن هذه الأحياء تستخدم الأوكسجين إن وجد ليقوم بالأكسدة وتحرير الطاقة وتستخدم تفاعلات التخمر بعدم وجود الأوكسجين.

4- الأحياء الهوائية الدقيقة Microaerophilic Microorganisms

الأحياء تموت أو يتوقف نموها بوجود الأوكسجين بتركيز عال (التركيز الموجود في الهواء)ولكنها تنمو بتراكيز ضئيلة من الأوكسجين تصل إلى أقل من 0٬2 من الضغط الجوي وهذا يرجع إلى وجود إنزيمات حساسة وإلى وجود عامل مؤكسد قوي ولكنها تعمل بشكل طبيعي بوجود ضغط جزئي للأوكسجين. تضم هذه المجموعة البكتيريا التي تحصل على طاقتها من خلال أكسدة الهيدروجين. استغلال الهيدروجين يتطلب تدخل إنزيم هيدروجينيز الذي يتعطل بوجود الأوكسجين.