अवायवीय श्वसन

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अवायवीय श्वसन आणविक ऑक्सीजन (O2) के अतिरिक्त अन्य इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता का उपयोग करके श्वसन है। चूँकि ऑक्सीजन अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता नहीं है, फिर भी यह प्रक्रिया श्वसन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला का उपयोग करती है।[1]

श्वसन से गुजरने वाले एरोबिक जीवों में, इलेक्ट्रॉनों को एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में बंद कर दिया जाता है, और अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता ऑक्सीजन होता है। आणविक ऑक्सीजन एक उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता है। इसके अतिरिक्त अवायवीय जीव कम ऑक्सीकरण वाले पदार्थों जैसे नाइट्रेट (NO
3
), फ्यूमरेट ( C
4
H
2
O2−
4
), सल्फेट (SO2−
4
) या मौलिक सल्फर (S) का उपयोग करते हैं। इन टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में O2 की तुलना में छोटी कमी क्षमता होती है। प्रति ऑक्सीकृत अणु से कम ऊर्जा निकलती है। इसलिए, एरोबिक की तुलना में अवायवीय श्वसन कम कुशल होता है।

फर्मेंटेशन की तुलना में

अवायवीय सेलुलर श्वसन और किण्वन बहुत अलग तरीकों से एटीपी उत्पन्न करते हैं, और शब्दों को समानार्थक शब्द के रूप में नहीं माना जाना चाहिए। सेलुलर श्वसन (एरोबिक श्वसन और एनारोबिक दोनों) एनएडीएच और एफएडीएच2 जैसे अत्यधिक कम रासायनिक यौगिकों का उपयोग करता है (उदाहरण के लिए ग्लाइकोलाइसिस और साइट्रिक अम्ल चक्र के समय उत्पन्न) एक मेम्ब्रेन में एक इलेक्ट्रोकेमिकल ग्रेडिएंट (सामान्यतः एक प्रोटॉन ग्रेडिएंट) स्थापित करने के लिए इसके परिणामस्वरूप मेम्ब्रेन में विद्युत क्षमता या आयन सांद्रता में अंतर होता है। कम किए गए रासायनिक यौगिकों को क्रमिक रूप से बढ़ती कमी क्षमता के साथ श्वसन अभिन्न मेम्ब्रेन प्रोटीन की एक श्रृंखला द्वारा ऑक्सीकरण किया जाता है, जिसमें अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता ऑक्सीजन (एरोबिक श्वसन में) या एक अन्य रासायनिक पदार्थ (एनारोबिक श्वसन में) होता है। एक प्रोटॉन प्रेरक बल एटीपी सिंथेज़ के प्रोटॉन चैनल के माध्यम से प्रोटॉन को स्लोप (मेम्ब्रेन के पार) से नीचे ले जाता है। परिणामी धारा एडेनोसिन डाइफॉस्फेट और अकार्बनिक फॉस्फेट से एटीपी संश्लेषण को संचालित करती है।

इसके विपरीत, किण्वन, इलेक्ट्रोकेमिकल ग्रेडिएंट का उपयोग नहीं करता है, किंतु एटीपी का उत्पादन करने के लिए केवल सब्सट्रेट-स्तर फॉस्फोराइलेशन का उपयोग करता है। इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता NAD+ ऑक्सीकृत यौगिकों की कमी से किण्वन मार्ग के ऑक्सीडेटिव चरणों में गठित NADH से पुनर्जीवित होता है। ये ऑक्सीकृत यौगिक अधिकांशतः किण्वन मार्ग के समय ही बनते हैं, किंतु बाहरी भी हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, होमोफेरमेंटेटिव लैक्टिक अम्ल बैक्टीरिया में, ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट के ऑक्सीकरण के समय गठित एनएडीएच मार्ग में बाद के चरण में पाइरूवेट के लैक्टिक अम्ल में कमी के कारण वापस NAD+ में ऑक्सीकृत हो जाता है। यीस्ट में, NAD+ को पुनर्जीवित करने के लिए एसीटैल्डिहाइड को इथेनॉल में बदल दिया जाता है।


कार्बन डाइऑक्साइड/बाइकार्बोनेट (HCO
3
) कमी (श्वसन) या एसीटेट किण्वन के माध्यम से दो महत्वपूर्ण अवायवीय माइक्रोबियल मीथेन निर्माण मार्ग हैं।[2]

पारिस्थितिक महत्व

अवायवीय श्वसन वैश्विक नाइट्रोजन नियतन, लौह, सल्फर चक्र और कार्बन चक्र चक्र का एक महत्वपूर्ण घटक है, जो नाइट्रोजन, सल्फर और कार्बन के ऑक्सीनियन को अधिक कम यौगिकों में कम करता है। इन यौगिकों का जैव-भू-रासायनिक चक्र जो अवायवीय श्वसन पर निर्भर करता है, कार्बन चक्र और ग्लोबल वार्मिंग पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। अवायवीय श्वसन कई वातावरणों में होता है, जिसमें मीठे पानी और समुद्री तलछट, मिट्टी उपसतह जलभृत गहरे उपसतह वातावरण और बायोफिल्म सम्मिलित हैं। यहां तक ​​कि वातावरण, जैसे कि मिट्टी, जिसमें ऑक्सीजन होता है, में भी सूक्ष्म वातावरण होते हैं जिनमें ऑक्सीजन गैस की धीमी प्रसार विशेषताओं के कारण ऑक्सीजन की कमी होती है।

अवायवीय श्वसन के पारिस्थितिक महत्व का एक उदाहरण नाइट्रेट का टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता या डिसिमिलेटरी अनाइट्रीकरण के रूप में उपयोग है, जो मुख्य मार्ग है जिसके द्वारा निश्चित नाइट्रोजन स्थिरीकरण को आणविक नाइट्रोजन चक्र के रूप में वायुमंडल में लौटाया जाता है।[3] होस्ट -सूक्ष्मजीव अंतःक्रिया में विनाइट्रीकरण प्रक्रिया भी बहुत महत्वपूर्ण है। ऑक्सीजन-श्वसन करने वाले सूक्ष्मजीवों में माइटोकॉन्ड्रिया के समान, कुछ एकल-सेलुलर एनारोबिक सिलिअट्स ऊर्जा प्राप्त करने के लिए डेनिट्रिफाइंग एंडोसिम्बियन्ट्स का उपयोग करते हैं।[4] एक अन्य उदाहरण मेथनोजेनेसिस है, जो कार्बन-डाइऑक्साइड श्वसन का एक रूप है, जिसका उपयोग अवायवीय पाचन द्वारा मीथेन गैस का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। बायोजेनिक मीथेन का उपयोग जीवाश्म ईंधन के टिकाऊ विकल्प के रूप में किया जाता है। ऋणात्मक पक्ष पर, लैंडफिल साइटों में अनियंत्रित मीथेनोजेनेसिस बड़ी मात्रा में मीथेन को वायुमंडल में छोड़ता है, जहां यह एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस के रूप में कार्य करता है।[5] सल्फेट कम करने वाले बैक्टीरिया हाइड्रोजन सल्फाइड का उत्पादन करते हैं, जो तटीय आर्द्रभूमि की विशिष्ट 'सड़े हुए अंडे' की गंध के लिए जिम्मेदार है और इसमें घोल से भारी धातु आयनों को बाहर निकालने की क्षमता होती है, जिससे सल्फाइड खनिज का जमाव होता है।[6]


आर्थिक प्रासंगिकता

नगर निगम के अपशिष्ट जल से नाइट्रेट और नाइट्राट को हटाने में डिसिमिलेटरी डेनाइट्रीकरण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। नाइट्रेट की अधिकता से उन जलमार्गों का सुपोषण हो सकता है जिनमें उपचारित पानी छोड़ा जाता है। पीने के पानी में नाइट्राइट का ऊंचा स्तर इसकी विषाक्तता के कारण समस्याएं उत्पन्न कर सकता है। विनाइट्रीकरण दोनों यौगिकों को हानिरहित नाइट्रोजन गैस में परिवर्तित करता है।[7]

अवायवीय विनाइट्रीकरण (ईटीसी प्रणाली)
उपरोक्त मॉडल विनाइट्रीकरण के माध्यम से अवायवीय श्वसन की प्रक्रिया को दर्शाता है, जिसमें नाइट्रोजन (नाइट्रेट के रूप में) का उपयोग किया जाता है। NO
3
) इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में NO
3
श्वसन डिहाइड्रोजनेज के माध्यम से जाता है और एटीपी सिंथेज़ प्रोटीन के माध्यम से बीसी1 कॉम्प्लेक्स के माध्यम से यूबिकिनोज से प्रत्येक चरण में भी कम होता है। प्रत्येक रिडक्टेस चरण दर चरण ऑक्सीजन को हटाता है ताकि अवायवीय श्वसन का अंतिम उत्पाद N2 हो
1. कोशिका द्रव्य
2. पेरीप्लाज्म इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से तुलना करें।

जैविक उपचार में विशिष्ट प्रकार के अवायवीय श्वसन भी महत्वपूर्ण हैं, जो दूषित समुद्र तटों, जलभृतों, झीलों और महासागरों को साफ करने के लिए जहरीले रसायनों को कम हानिकारक अणुओं में परिवर्तित करने के लिए सूक्ष्मजीवों का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, विषैले आर्सेनेट या सेलेनेट को अवायवीय श्वसन के माध्यम से विभिन्न अवायवीय जीवाणुओं द्वारा कम विषैले यौगिकों में बदला जा सकता है। विनाइल क्लोराइड और कार्बन टेट्राक्लोराइड जैसे ऑर्गेनोक्लोराइड की कमी भी अवायवीय श्वसन के माध्यम से होती है।

अवायवीय श्वसन माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं में विद्युत् उत्पन्न करने में उपयोगी है, जो कम यौगिकों से इलेक्ट्रोड में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए ठोस इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (जैसे ऑक्सीकृत लोहा) को सांस लेने वाले बैक्टीरिया को नियोजित करते हैं। यह प्रक्रिया एक साथ जैविक कार्बन कचरे को विघटित कर सकती है और विद्युत् उत्पन्न कर सकती है।[8]


श्वसन में इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के उदाहरण

प्रकार जीवन शैली इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता उत्पादों Eo′ (V) उदाहरण जीव
एरोबिक श्वसन ओब्लिगेट एरोबेस और ऐच्छिक एनारोबेस O2 H2O, CO2 +0.82 एरोबिक प्रोकैरियोट्स
परक्लोरेट श्वसन एछिक अवायुजीव ClO
4
, ClO
3
H2O, O2, Cl +0.797 एज़ोस्पिरा सुइलम, सेडिमेंटिकोला सेलेनाटिरेड्यूसेंस, सेडिमेंटिकोला थियोटाउरिनी, और अन्य ग्राम नकारात्मक प्रोकैरियोट्स[9]
आयोडेट श्वसन एछिक अवायुजीव IO
3
H2O, H2O2, I +0.72 डेनिट्रोमोनास, एज़ोआर्कस, स्यूडोमोनास और अन्य प्रोकैरियोट्स,[10] [11]
आयरन की कमी ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय Fe(III) Fe(II) +0.75 डेसल्फुरोमोनैडेल्स क्रम के जीव (जैसे जियोबैक्टर, जियोथर्मोबैक्टर, जियोसाइक्रोबैक्टर, पेलोबैक्टर) और शेवेनेला प्रजातियाँ[12]
मैंगनीज ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय Mn(IV) Mn(II) डेसल्फुरोमोनाडेल्स और शीवेनेला प्रजातियाँ[12]
कोबाल्ट कमी ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय Co(III) Co(II) जियोबैक्टर सल्फ्यूरेड्यूसेंस
यूरेनियम की कमी ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय U(VI) U(IV) जियोबैक्टर मेटालिरेड्यूसेन्स, शीवेनेला वनिडेंसिस[13]
नाइट्रेट में कमी (विनाइट्रीकरण) एछिक अवायुजीव नाइट्रेट NO
3
(अंततः) N2 +0.40 पैराकोकस डेनिट्रिफिकन्स, एस्चेरिचिया कोलाई
फ्यूमरेट श्वसन एछिक अवायुजीव फ्यूमरेट सक्सिनेट +0.03 इशरीकिया कोली
सल्फेट श्वसन अवायवीय जीवों को बाध्य करें सल्फेट SO2−
4
सल्फाइड HS −0.22 डेसल्फोबैक्टीरिया, डेसल्फोविब्रियोनेल और सिंट्रोफोबैक्टीरिया क्रम में कई डेल्टाप्रोटोबैक्टीरिया प्रजातियां
मेथनोजेनेसिस (कार्बन डाइऑक्साइड कमी) मेथनोगेंस कार्बन डाईऑक्साइड CO2 मीथेन CH4 −0.25 मेथनोसारसीना बरकेरी
सल्फर श्वसन (सल्फर कमी) ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय सल्फर S0 सल्फाइड HS −0.27 डेसल्फुरोमोनाडेल्स
एसिटोजेनेसिस (कार्बन डाइऑक्साइड कमी) अवायवीय जीवों को बाध्य करें कार्बन डाईऑक्साइड CO2 एसीटेट −0.30 एसिटोबैक्टीरियम वुडी
देहलोरेस्पिरेशन ऐच्छिक अवायवीय और बाध्य अवायवीय हैलोजेनेटेड कार्बनिक यौगिक R-X हैलाइड आयन और डीहेलोजेनेटेड यौगिक X + R–H +0.25 – +0.60[14] देहलोकोकोइड्स और देहलोबैक्टर प्रजातियाँ


यह भी देखें

अग्रिम पठन

  • Gregory, Kelvin B.; Bond, Daniel R.; Lovley, Derek R. (June 2004). "Graphite electrodes as electron donors for anaerobic respiration". Environmental Microbiology. 6 (6): 596–604. doi:10.1111/j.1462-2920.2004.00593.x. ISSN 1462-2912. PMID 15142248.


संदर्भ

  1. Slonczewski, Joan L.; Foster, John W. (2011). Microbiology: An Evolving Science (2nd ed.). New York: W.W. Norton. p. 166. ISBN 9780393934472.
  2. Sapart; et al. (2017). "पूर्वी साइबेरियाई आर्कटिक शेल्फ में मीथेन की उत्पत्ति का खुलासा ट्रिपल आइसोटोप विश्लेषण से हुआ". Biogeosciences. 14 (9): 2283–2292. Bibcode:2017BGeo...14.2283S. doi:10.5194/bg-14-2283-2017.
  3. Simon, Jörg; Klotz, Martin G. (2013-02-01). "माइक्रोबियल नाइट्रोजन यौगिक परिवर्तनों में शामिल जैव ऊर्जा प्रणालियों की विविधता और विकास". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1827 (2): 114–135. doi:10.1016/j.bbabio.2012.07.005. PMID 22842521.
  4. Graf, Jon S.; Schorn, Sina; Kitzinger, Katharina; Ahmerkamp, Soeren; Woehle, Christian; Huettel, Bruno; Schubert, Carsten J.; Kuypers, Marcel M. M.; Milucka, Jana (3 March 2021). "एनारोबिक एंडोसिम्बियोन्ट डिनाइट्रिफिकेशन द्वारा सिलियेट होस्ट के लिए ऊर्जा उत्पन्न करता है". Nature. 591 (7850): 445–450. Bibcode:2021Natur.591..445G. doi:10.1038/s41586-021-03297-6. PMC 7969357. PMID 33658719.
  5. Bogner, Jean; Pipatti, Riitta; Hashimoto, Seiji; Diaz, Cristobal; Mareckova, Katarina; Diaz, Luis; Kjeldsen, Peter; Monni, Suvi; Faaij, Andre (2008-02-01). "Mitigation of global greenhouse gas emissions from waste: conclusions and strategies from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report. Working Group III (Mitigation)". Waste Management & Research. 26 (1): 11–32. doi:10.1177/0734242x07088433. ISSN 0734-242X. PMID 18338699. S2CID 29740189.
  6. Pester, Michael; Knorr, Klaus-Holger; Friedrich, Michael W.; Wagner, Michael; Loy, Alexander (2012-01-01). "Sulfate-reducing microorganisms in wetlands – fameless actors in carbon cycling and climate change". Frontiers in Microbiology. 3: 72. doi:10.3389/fmicb.2012.00072. ISSN 1664-302X. PMC 3289269. PMID 22403575.
  7. Nancharaiah, Y. V.; Venkata Mohan, S.; Lens, P. N. L. (2016-09-01). "जैविक और बायोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रणालियों में पोषक तत्वों को हटाने और पुनर्प्राप्ति में हालिया प्रगति". Bioresource Technology. 215: 173–185. doi:10.1016/j.biortech.2016.03.129. ISSN 1873-2976. PMID 27053446.
  8. Xu, Bojun; Ge, Zheng; He, Zhen (2015-05-15). "Sediment microbial fuel cells for wastewater treatment: challenges and opportunities". Environmental Science: Water Research & Technology (in English). 1 (3): 279–284. doi:10.1039/c5ew00020c. ISSN 2053-1419.
  9. Melnyk, Ryan A.; Engelbrektson, Anna; Clark, Iain C.; Carlson, Hans K.; Byrne-Bailey, Kathy; Coates, John D. (2011). "Identification of a Perchlorate Reduction Genomic Island with Novel Regulatory and Metabolic Genes". Applied and Environmental Microbiology. 77 (20): 7401–7404. Bibcode:2011ApEnM..77.7401M. doi:10.1128/AEM.05758-11. PMC 3194888. PMID 21856823.
  10. Reyes-Umana, Victor; Henning, Zachary; Lee, Kristina; Barnum, Tyler P.; Coates, John D. (2021-07-02). "Genetic and phylogenetic analysis of dissimilatory iodate-reducing bacteria identifies potential niches across the world's oceans". The ISME Journal (in English). 16 (1): 38–49. doi:10.1038/s41396-021-01034-5. ISSN 1751-7370. PMC 8692401. PMID 34215855. S2CID 235722250.
  11. Reyes-Umana, Victor; Henning, Zachary; Lee, Kristina; Barnum, Tyler; Coates, John (2020). "Genetic and phylogenetic analysis of dissimilatory iodate-reducing bacteria identifies potential niches across the world's oceans". bioRxiv 10.1101/2020.12.28.424624.
  12. 12.0 12.1 Richter, Katrin; Schicklberger, Marcus; Gescher, Johannes (2012-02-01). "Dissimilatory reduction of extracellular electron acceptors in anaerobic respiration". Applied and Environmental Microbiology. 78 (4): 913–921. Bibcode:2012ApEnM..78..913R. doi:10.1128/AEM.06803-11. ISSN 1098-5336. PMC 3273014. PMID 22179232.
  13. Wall, Judy D.; Krumholz, Lee R. (13 October 2006). "Uranium Reduction". Annual Review of Microbiology. 60: 149–166. doi:10.1146/annurev.micro.59.030804.121357. PMID 16704344.
  14. Holliger, C.; Wohlfarth, G.; Diekert, G. (1998). "Reductive dechlorination in the energy metabolism of anaerobic bacteria" (PDF). FEMS Microbiology Reviews. 22 (5): 383. doi:10.1111/j.1574-6976.1998.tb00377.x. S2CID 85965965.
  15. Lovley, Derek R.; Fraga, Jocelyn L.; Coates, John D.; Blunt‐Harris, Elizabeth L. (1999). "अवायवीय श्वसन के लिए एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में ह्यूमिक्स". Environmental Microbiology. 1 (1): 89–98. doi:10.1046/j.1462-2920.1999.00009.x. PMID 11207721.