Морфология микроорганизмов - это наука, занимающаяся изучением их формы, строения, способов размножения и передвижения.

Основы и открытие

Данная наука достаточно обширная и занимается изучением многих вопросов. Несмотря на то что все микроорганизмы невидимы для человеческих глаз, они все же существуют и бывают как «хорошими» для организма, так и плохими.

Микробы можно встретить во всех сферах проявления жизни: в воде, почве, воздухе, а также в других организмах.

Впервые о бактериях узнал знаменитый ученый Левенгук, занимающийся изготовлением первых линз, позволяющих увеличивать предметы до двухсот раз. И то, что он увидел, полностью поразило его. Ученый узнал, что микробы повсюду, и все они отличаются друг от друга. Таким образом, Левенгук стал открывателем микроорганизмов.

Луи Пастер начал заниматься таким вопросом, как морфология микроорганизмов, и выяснил, что они имеют не только разное строение и форму, но также отличаются и способами передвижения и размножения. Им было установлено, что некоторые для человеческого организма, а некоторые, наоборот, полезны. Также он открыл, что такие микробы, как дрожжи, способны приводить к процессам брожения.

Морфология организмов дала возможность многим ученым изобрести различные вакцины, помогающие справляться со смертельно опасными человеческими заболеваниями.

Классификация

Микроорганизмы считаются мельчайшими представителями, обитающими на планете Земля. Чаще всего они являются одноклеточными, и рассмотреть их можно только в очень мощный микроскоп.

Размер данной формы жизни измеряется в микрометрах и нанометрах. В природе их встречается огромное количество, поэтому они имеют значительные различия в строении, способах существования и передвижения.

Согласно установленной делятся на неклеточные, одноклеточные и многоклеточные. При этом разделяются они на такие категории: грибы, дрожжи, фаги, бактерии и вирусы.

Немного о бактериях

При изучении такой темы, как морфология микроорганизмов, большое внимание нужно уделить бактериям. Чаще всего они являются одноклеточными организмами (хотя существуют и исключения) и имеют довольно разнообразные размеры. Некоторые из них достигают 500 мкм.

Существует несколько видов бактерий, различающихся своей формой. Сюда можно отнести палочковидных, шаровидных и извитых организмов. Рассмотрим подробнее каждый вид.

В медицине имеют название «кокки». Чаще всего они круглой формы, хотя иногда встречаются также овальные и бобовидные микроорганизмы. Могут располагаться не только поодиночке, но и парами, в виде цепочек или виноградных лоз.

Многие из них оказывают отрицательное влияние на человеческий организм. Например, стрептококки вызывают аллергию, а стафилококки становятся причиной образования гнойных и воспалительных процессов.

Бактерии, имеющие форму палочек, считаются самыми распространенными. К ним относятся микроорганизмы, приводящие к туберкулезу, брюшному тифу, дизентерии.

Некоторые виды палочек при плохих условиях окружающей среды образуют споры. Называются такие бактерии бациллами.

Образование спор - это очень интересный и сложный процесс, так как сама клетка такого типа очень сильно отличается от обычной бациллы. Каждая спора имеет плотную и крепкую оболочку, обладая при этом ничтожно малым количеством воды. Такая клетка вообще не нуждается в питательных веществах, она перестает двигаться и размножаться. При этом споры могут находиться в ужасных для жизнедеятельности условиях, таких как слишком высокие или низкие температуры. Но как только наступает благоприятная для них среда, они сразу же начинают свою жизнедеятельность.

Извитые бактерии чаще всего встречаются в виде запятой или завитков. Обычно подобные микроорганизмы вызывают такие заболевания, как сифилис и холера.

Многие бактерии способны передвигаться, и делают они это с помощью жгутиков различной формы и длины.

Бактерии размножаются с помощью деления. Такой процесс проходит очень быстро (каждые пятнадцать-двадцать минут). Самое быстрое размножение можно заметить на пищевых продуктах и в другой среде, обладающей высокой питательностью.

Вирусы

Вирусы можно отнести к особой группе микроорганизмов, которая не имеет клеточного строения. Такие формы жизни крайне малы, поэтому увидеть их можно только под электронным микроскопом. Некоторые виды вирусов могут состоять лишь из белков и нуклеиновой кислоты.

Каждый человек хотя бы раз в жизни сталкивался с заболеваниями, вызываемыми данными микроорганизмами. Сюда можно отнести грипп, гепатит, корь и многие другие заболевания.

Грибы

Данная группа микроорганизмов тоже является особой. Грибы не имеют в составе хлорофилла, а также не производят синтез органических веществ. Они нуждаются в уже готовых продуктах пропитания. Именно поэтому грибы чаще всего можно встретить на плодородных почвах или на пищевых продуктах.

Для грибов характерны разные способы размножения. Сюда можно отнести не только бесполый и половой способ, но также и вегетативный.

Дрожжи

Дрожжи являются одноклеточными неподвижными организмами, имеющими самую разнообразную форму. Встречаются как круглые и овальные виды, так и палочковидные и серповидные.

Этот вид микроорганизмов довольно широко распространен. Их можно встретить на растениях, в почве, а также в пищевых продуктах, которые при этом портятся. Некоторые из них способны превращать сахара в углекислый газ и этиловый спирт. Такой процесс называется брожением. Он очень востребован в пищевой промышленности.

Морфология микроорганизмов: бактерии

Стоит учесть, что бактерии - это форма жизни, появившаяся на нашей планете самой первой. Их основная особенность заключается в строении клетки. В отличие от эукариот (клетки, содержащие ядро), прокариоты (бактерии) ядра не содержат.

Такие микроорганизмы обитают во всех сферах жизни и непосредственно влияют на человеческую жизнь в том числе.

Ученые классифицируют бактерии также по принципу полезности. Существуют полезные виды и вредные. Полезные участвуют в процессе фотосинтеза, оказывают положительное влияние на пищеварительную систему человека, а также очень часто применяются в промышленности.

Изучение морфологии микроорганизмов дает общее представление об их существовании, а также дает возможность узнать их пользу и вред в тех или иных ситуациях.

Стандартная клетка бактерии состоит из таких составляющих:

Плазматическая мембрана. Данный элемент клетки ничем не отличается от мембраны эукариот.

Мезосома - особая составляющая, с помощью который возможно прикрепление к клетке наследственного материала.

Нуклеотид. Представляет собой не полностью сформированное ядро. В нем находятся все хромосомы.

Рибосомы - особые органоиды, занимающие около сорока процентов клеточного пространства.

Кроме перечисленных выше элементов, в состав клетки прокариот также входят: капсула, стенка клетки и слизистый чехол. Многие бактерии умеют самостоятельно передвигаться и цепляться за поверхности. Делают они это с помощью специальных жгутиков и ворсинок.

Морфология микроорганизмов: микробиология вирусов, грибов и дрожжей

Вирус - это особый организм, не имеющий клеточного строения. Каждая его частица состоит из оболочки, а также из расположенной по центру сердцевины информации.

А вот строение сложнее, чем у других микроорганизмов. В состав их клеток также входят ядра и вакуоли. По строению они очень похожи на растительные, но имеют другую форму. Выглядят как длинные и ветвящиеся нити, которые называются гифами. Обычно такие гифы образуют мицелий.

Клетки дрожжей имеют в составе все элементы эукариотов, однако кроме этого, им присущи и другие компоненты. Их уникальность состоит в том, что они обладают качествами как животных, так и растений.

Обменные процессы

Морфология и физиология микроорганизмов позволяют разобраться в основных этапах их жизнедеятельности. Бактерии, точно так же как и более сложные формы жизни, осуществляют синтез липидов, жиров и углеводов. Но при этом процессы, протекающие в их клетках, отличаются.

Ученые выделяют два типа эукариотов: автотрофы и гетеротрофы.

Первый тип способен синтезировать органические вещества из неорганических соединений, а вот второй производит процессы трансформации органических компонентов.

Существуют также сапрофиты. Они питаются за счет синтезированных веществ умершими организмами.

Морфология строения микроорганизмов - это довольно важная составляющая изучения жизни бактерий. Однако кроме строения клетки также стоит учитывать и типы метаболизма. Конструктивный тип был рассмотрен выше. Существует также и энергетический обмен.

Ученые выделяют такие типы получения энергии:

Фотосинтез. Данная процедура может осуществляться как при наличии кислорода, так и без него.

Брожение. Эта энергетическая реакция происходит благодаря отрыву молекул, которые переносят фосфорную кислоту на АДФ.

Дыхание. Микроорганизмы могут дышать не только за счет кислорода, но также и с помощью органических и минеральных соединений.

Передача наследственной информации

Существует несколько способов передачи наследственной информации прокариотами (морфология и систематика микроорганизмов также описаны в этой статье). Рассмотрим подробно каждый из них:

конъюгация - метод передачи наследственной информации от одного микроорганизма к другому только методом их непосредственного контакта;

трансформация - тип передачи, во время которого доноры делятся информацией с реципиентами;

трансдукция - метод непосредственной передачи наследственного материала с помощью фагов.

Методы исследования морфологии микроорганизмов

Для наиболее точного изучения строения прокариот используют такие методы, как микроскопия и окрашивание.

Морфологии микроорганизмов производятся за счет электронных и световых микроскопов. Специалисты разработали несколько методов для наиболее точного получения результатов.

Морфологический метод исследования позволяет с помощью микроскопа рассмотреть строение клетки, а также ее подвижность и способность к размножению.

Физиологический метод позволяет рассмотреть реакцию микроорганизмов на различные раздражители, а также способность к адаптации к различным условиям.

С помощью культурального метода можно провести исследования микроорганизма в питательной среде. Эта методика позволяет выявлять способности к росту и размножению.

Морфология микроорганизмов (микробиология) - это очень важная наука, занимающаяся изучением бактерий и других одноклеточных. Не стоит думать, что бактерии причиняют только вред природе и человеческому организму. Это далеко не так. Без них жизнь на планете Земля была бы невозможной.

Вопрос 1. Основы микробиологии. Классификация микроорганизмов

1. Основы микробиологии

Микробиология как самостоятельная наука , имеющая свои объекты и методы исследования, сформировалась во второй половине 19 века благодаря работам Пастера, Коха, Эрлиха, Мечникова, Ру и др., но и в настоящее время, также как и тесно связанные с ней, биотехнология и генная инженерия , постоянно и интенсивно развивается.

Зародившись, как наука о возбудителях болезней , т. е. как отрасль медицины, к настоящему времени в зависимости от решаемых задач делится на :

Промышленную;

Сельскохозяйственную;

Ветеринарную;

Санитарную;

Медицинскую микробиологию.

Предметом изучения медицинской микробиологии являются микроорганизмы – представители нормальной микрофлоры тела человека и возбудители различных заболеваний человека , а также методы лабораторной диагностики, специфической профилактики и этиотропной терапии вызываемых ими заболеваний.

2. Классификация (систематика) микроорганизмов

Микроорганизмы – это организмы, невидимые невооруженным глазом из-за их незначительных размеров. Этот критерий – единственный, который их объединяет. В остальном мир микроорганизмов еще более разнообразен, чем мир макроорганизмов. Согласно современной систематике, микроорганизмы относятся к трем царствам:

Vira – к ним относятся вирусы;

Eucariotae – к ним относятся простейшие и грибы;

Procariotae – к ним относятся истинные бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы, спирохеты, актиномицеты.

Основные отличия прокариот от эукариот состоят в том, что прокариоты не имеют :

Морфологически оформленного ядра (нет ядерной мембраны и отсутствует ядрышко ), его эквивалентом является нуклеоид , или генофор , представляющий собой замкнутую кольцевую двунитевую молекулу ДНК , прикрепленную в одной точке к цитоплазматической мембране; по аналогии с эукариотами эту молекулу называют хромосомной бактерией;

сетчатого аппарата Гольджи ;

эндоплазматической сети ;

митохондрий .

Имеется также ряд признаков или органелл , характерных для многих, но не для всех прокариот, которые позволяют отличать их от эукариотов :

Многочисленные инвагинации цитоплазматической мембраны , которые называются мезосомы , они связаны с нуклеоидом и участвуют в делении клетки, спорообразовании , и дыхании бактериальной клетки ;

Специфический компонент клеточной стенки – муреин , по химической структуре – это пептидогликан (диаминопиеминовая кислота);

плазмиды – автономно реплицирующиеся кольцевидные молекулы двунитевой ДНК с меньшей, чем хромосома бактерий молекулярной массой. Они находятся наряду с нуклеоидом в цитоплазме, хотя могут быть и интегрированы в него, и несут наследственную информацию , не являющуюся жизненно необходимой для микробной клетки, но обеспечивающую ей те или иные селективные преимущества в окружающей среде . Наиболее известны плазмиды :

– (F-плазмиды ), обеспечивающие конъюгационный перенос между бактериями;

– (R-плазмиды ) – плазмиды лекарственной устойчивости, обеспечивающие циркуляцию среди бактерий генов, детерминирующих устойчивость к используемым для лечения различных заболеваний химиотерапевтическим средствам.

Также как для растений и животных, для названия микроорганизмов применяется бинарная номенклатура , – то есть родовое и видовое название , но если видовую принадлежность исследователям определить не удается и определена только принадлежность к роду, то употребляется термин «species». Чаще всего это имеет место при идентификации микроорганизмов имеющих нетрадиционные пищевые потребности или условия существования.

Название рода обычно или основано на морфологическом признаке соответствующего микроорганизма (например, Staphylococcus, Vibrio, Mycobacterium) либо являются производными от фамилии автора, который открыл или изучил данный возбудитель (например, Neisseria, Shigella, Escherichia, Rickettsia, Gardnerella).

Видовое название часто связано с наименованием основного вызываемого этим микроорганизмом заболевания (например, Vibrio cholerae – холеры, Shigella dysenteriae – дизентерии, Mycobacterium tuberculosis – туберкулеза) или с основным местом обитания (например, Escherihia coli – кишечная палочка).

Кроме того, в русскоязычной медицинской литературе возможно использование соответствующего русифицированного названия бактерий (например, вместо Staphylococcus epidermidis – эпидермальный стафилококк; Staphylococcus aureus – золотистый стафилококк и т. д.).

Царство прокариот включает в себя отдел цианобактерий и отдел эубактерий , который, в свою очередь, подразделяется на порядки :

Собственно бактерии (отделы Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes);

Актиномицетов;

Спирохет;

Риккетсий;

Хламидий.

Бактерии – это прокариотические , преимущественно одноклеточные микроорганизмы , которые могут также образовывать ассоциации (группы) сходных клеток , характеризующиеся клеточными , но не организменными сходствами.

Порядки подразделяются на группы . Основными таксономическими критериями , позволяющими отнести штаммы бактерий к той или иной группе, являются :

Морфология микробных клеток (кокки, палочки, извитые);

Отношение к окраске по Граму – тинкториальные свойства (грамположительные и грамотрицательные);

Тип биологического окисления – аэробы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы;

Способность к спорообразованию.

Дальнейшая дифференциация групп на семейства, рода и виды , которые являются основной таксономической категорией , проводится на основании изучения биохимических свойст в. Этот принцип положен в основу классификации бактерий, приведенной в специальных руководствах – определителях бактерий .

Вид является эволюционно сложившейся совокупностью особей, имеющих единый генотип , который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками . Для патогенных бактерий определение «вид» дополняется способностью вызывать определенные нозологические формы заболеваний. Существует внутривидовая дифференцировка бактерий на варианты :

По биологическим свойствам (биовары или биотипы);

По биохимической активности (ферментовары);

По антигенному строению (серовары или серотипы);

По чувствительности к бактериофагам (фаговары или фаготипы);

По устойчивости к антибиотикам (резистентовары).

В микробиологии широко применяют специальные термины – культура, штамм, клон.

Культура – это видимая глазом совокупность бактерий на питательных средах . Культуры могут быть чистыми () и смешанными (совокупность бактерий двух или более видов ).

Штамм – это совокупность бактерий одного вида , выделенных из разных источников или из одного источника в разное время . Штаммы могут различаться по некоторым признакам, не выходящим за пределы характеристики вида.

Клон – это совокупность бактерий, являющихся потомством одной клетки .

Вопрос 2. Особенности морфологии микроорганизмов

1. Основные морфологические формы бактерий

Среди основных морфологических форм бактерий различают :

шаровидные (кокковые ), которые по характеру взаиморасположения делятся на :

– микрококки (отдельное изолированное расположение);

– диплококки (сцепленные попарно);

– тетракокки (сцепленные по четыре);

– стрептококки (сцепленные в цепочку);

– сарцины (сцепленные в пакеты по 8, 12, 16 и т. д.);

– стафилококки (сцепленные беспорядочно в виде виноградной грозди);

палочковидные , которые различаются:

по форме :

– правильная (энтеробактерии, псевдомонады);

– неправильная (коринебактерии).

по размеру :

– мелкие (бруцеллы, бордетеллы);

– средние (бактероиды, кишечная палочка);

– крупные (бациллы, клостридии);

по форме концов

– обрубленные (бациллы);

– закругленные (сальмонеллы, псевдомонады);

– заостренные (фузобактерии);

– утолщенные (коринебактерии);

по характеру взаиморасположения все палочки делятся на :

– расположенные поодиночке;

– диплобактерии и диплобациллы (сцепленные попарно);

– стрептобактерии и стрептобациллы (сцепленные в цепочку);

– извитые формы (по характеру и количеству завитков они делятся на :

вибрионы (слегка изогнутые палочки или неполные завитки);

спириллы (один или несколько завитков);

спирохеты, которые в свою очередь, делятся на :

лептоспиры (завитки с загнутыми крючкообразными концами – S-образная форма);

боррелии (4-12 неправильных завитков);

трепонемы (14–17 равномерных мелких завитков).

Структуру бактерий изучают в основном с помощью электронной микроскопии (техника ультратонких срезов), дифференциального ультрацентрифугирования, цитохимических методов.

Структурные компоненты бактериальной клетки делятся на обязательные и необязательные .

Обязательными структурными компонентами являются:

Клеточная стенка,

Цитоплазматическая мембрана,

Цитоплазма с локализованными в ней рибосомами и ядерным аппаратом.

Необязательные структурные компоненты – капсула, микрокапсула, внеклеточная слизь, включения, жгутики, пили, споры.

2. Клеточная стенка

Функции клеточной стенки состоят в том, что она:

Является осмотическим барьером,

Определяет форму бактериальной клетки,

Защищает клетку от воздействий окружающей среды,

Несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений,

Через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена,

В клеточной стенке локализован О-антиген и с ней связан эндотоксин (липид А) бактерий.

Имеется 2 типа строения клеточной стенки у бактерий. В обоих случаях ее основу составляет пептидогликан муреин. У одних бактерий (1-й тип) он составляет до 90 % массы клеточной стенки и образует многослойный (до 10 слоев) каркас, при этом муреин ковалентно связан с тейхоевыми кислотами. Такие бактерии при окраске по методу Грама прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового и йода; они окрашиваются в сине-фиолетовый цвет и называются грамположительными .

У бактерий со 2-м типом строения клеточной стенки поверх 2–3 слоев пептидогликана муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по методу Грама не способны прочно удерживать комплекс генцианового фиолетового и йода и, соответственно, обесцвечиваются спиртом, прокрашиваясь дополнительным красителем – фуксином в розово-красный цвет. Они называются грамотрицательными .

В связи с различиями в строении клеточной стенки все бактерии делятся на 4 отдела:

грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой, грамотрицательные, к ним относятся различные извитые, палочковидные, кокковые формы бактерий, а также риккетсии и хламидии;

фирмикуты – бактерии с толстой клеточной стенкой, грамположительные, к ним относятся палочковидные, кокковые формы бактерий, а также актиномицеты, коринебактерии и микобактерии;

тенерикуты – бактерии без ригидной клеточной стенки (микоплазмы);

мендозикуты – архебактерии, отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и рибосомальных РНК. Эта группа бактерий медицинского значения не имеет.

Из любой бактериальной клетки можно получить формы , полностью или частично лишенные клеточной стенки . Они называются, соответственно, протопласты и сферопласты , и, независимо от исходного морфологического типа бактерии, из-за отсутствия клеточной стенки принимают шарообразную или грушевидную форму. Кроме того, существуют L-формы бактерий, которые, в отличие от протопластов и сферопластов, способны к размножению , являясь вполне полноценными микробными клетками данного вида бактерий. L-формы разных видов бактерий морфологически неразличимы. Независимо от формы исходной клетки (кокки, палочки, вибрионы) они представляют собой сферические образования разных размеров . Различают стабильные L-формы, нереверсирующие в исходный морфотип , и нестабильные L-формы, реверсирующие в исходный при устранении причины , вызвавшей их образование. В процессе реверсии восстанавливается способность бактерий синтезировать пептидогликан (муреин) клеточной стенки. L-формы различных бактерий играют существенную роль в патогенезе многих хронических, рецидивирующих инфекционных заболеваний (бруцеллез, туберкулез, сифилис, хроническая гонорея и т. д.).

3. Цитоплазматическая мембрана

К клеточной стенке бактерий примыкает цитоплазматическая мембрана , строение которой аналогично мембранам эукариотов (состоит из двойного слоя липидов , главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками ). Она обеспечивает :

Селективную проницаемость и транспорт растворимых веществ в клетку,

Транспорт электронов и окислительное фосфорилирование,

Выделение гидролитических экзоферментов, биосинтез различных полимеров.

Цитоплазматическая мембрана ограничивает цитоплазму бактерий , которая представляет собой гранулярную структуру . В цитоплазме локализованы рибосомы и бактериальный нуклеоид , в ней также могут находиться включения и плазмиды (внехромосомная ДНК). Кроме обязательных структур бактериальные клетки могут иметь споры.

Вопрос 3. Необязательные структурные компоненты бактериальной клетки

1. Споры

Спорообразующие палочки называются бациллами .

Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды (располагаются внутри клетки терминально, субтерминально или центрально).

В процессе спорообразования клетка почти полностью теряет воду, сморщивается, клеточная стенка уплотняется. Появляется новое вещество – дипиколинат кальция , которое образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрафиолетовых лучей. В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами, но при попадании в благоприятные условия спора впитывает влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается, и спора превращается в вегетативную клетку.

Таким образом, спору следует рассматривать не как способ размножения, а только как форму существования бактериальной клетки в неблагоприятных условиях. При этом преобразования идут по следующей схеме: 1 клетка – 1 спора – 1 клетка, и увеличения количества бактериальных клеток не происходит.

Спорообразование характерно в основном для грамположительных бактерий. У грамотрицательных бактерий эквивалентом спорообразования является переход в так называемое некультивируемое состояние . В такой форме они также длительно сохраняются в окружающей среде.

При использовании окраски по Граму споры красители не воспринимают, поэтому на окрашенном фоне они бесцветны. Окрашиваются споры с помощью специальных методов окраски , например, по Ожешко или Клейну .

2. Жгутики

Многие бактерии имеют жгутики . Их количество и расположение у разных бактерий неодинаково. Монотрихии имеют только один жгутик (род Vibrio), лофотрихии – пучок жгутиков на одном полюсе клетки (род Pseudomonas), а у амфитрихо в жгутики (один или пучок) расположены на обоих полюсах клетки (род Spirillum), а у перитрихов – по всей поверхности (род Escherichia, Salmonella).

По своему строению жгутики представляют собой спирально закрученные нити , состоящие из специфического белка флагеллина , который по своей структуре относится к сократительным белкам типа миозина.

При окраске по Граму жгутики не видны. Изучать подвижность бактерии можно как с помощью микроскопических методов (фазово-контрастная микроскопия препаратов «висячая» или «раздавленная» капля), так и посевом уколом в полужидкий агар, или специальную среду – среду Пешкова .

3. Ворсинки

На поверхности ряда бактерий обнаружены белковые образования – ворсинки (фимбрии, пили). Фимбрии отходят от поверхности клетки и состоят из белка, называемого пилином . Различают более 60 видов ворсинок, из которых наиболее изучены F-pili (половые пили) и common pili (пили, ответственные за адгезию).

4. Капсула

Капсула бактерий – это утолщенный наружный слой клеточной стенки. Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков (возбудитель сибирской язвы). Большинство бактерий, особенно патогенных, образует капсулу только в организме человека или животных. Однако существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственных питательных средах. Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу (выявляется только при электронной микроскопии), например, эшерихии, или неявно выраженную способность к капсулообразованию – так называемую «нежную» капсулу, например, золотистые стафилококки, менингококки.

Основное предназначение капсул – защита бактерий от фагоцитоза. При окраске мазков по Граму истинно капсульные бактерии имеют характерное взаиморасположение (на расстоянии друг от друга). При световой микроскопии капсулы четко не видны, в связи с чем наличие капсул у бактерий выявляется с помощью специальных методов окраски, например, по методу Гимзе . Для выявления капсул и бактерий, образующих их в организме, используют либо микроскопию мазков, приготовленных из патологического материала или мазков – отпечатков из органов погибших животных.

Вопрос 4. Питание и особенности метаболизма бактерий

1. Химические компоненты бактериальной клетки

По химическому составу и характеру биополимеров (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды) прокариотические клетки не отличаются от эукариотических. Основными химическими компонентами бактериальной клетки являются органогены (кислород, водород, углерод, азот, фосфор).

Процесс , в ходе которого бактериальная клетка получает из окружающей среды компоненты, необходимые для построения ее биополимеров (органоидов), называется питанием .

2. Питание бактерий

Бактериальные клетки не имеют специальных органов питания , т. е. являются голофитными. Поступление питательных веществ в микробную клетку может происходить :

за счет осмоса и диффузии по градиенту концентрации без затрат энергии;

за счет пассивного транспорта , который также осуществляется по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков, но без затрат клеткой энергии, и отличается от диффузии большей скоростью;

за счет активного транспорта , который идет против градиента концентрации с затратой энергии и возможным частичным расщеплением субстрата, осуществляется белками-переносчиками или ферментами – пермеазами .

По источникам углерода , необходимого для построения биополимеров, бактерии делятся на следующие группы :

автотрофы – микроорганизмы, которые используют как единственный источник углерода углекислый газ , и не нуждаются в сложных органических соединениях.

гетеротрофы – микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода разнообразные органические углеродосодержащие соединения (углеводы, углеводороды, аминокислоты, органические кислоты) как биологического , так и не биологического происхождения .

В зависимости от источника получения энергии микроорганизмы делятся на :

фототрофные , способные использовать солнечную энергию,

хемотрофные , получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

В дополнение к этой классификации в зависимости от природы доноров электронов микроорганизмы подразделяются на фототрофные литотрофы и, соответственно, хемотрофные литотрофы , т. е. использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения, а также, соответственно фото– и хемоорганотрофы, использующие только органические соединения. К последним принадлежит значительное большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды.

По источникам азота выделяют:

азотфиксирующие микроорганизмы (способны усваивать молекулярный азот атмосферы),

Микроорганизмы, ассимилирующие неорганический азот солей аммония, нитратов или нитритов и, соответственно, называющиеся аммонифицирующими, нитратредуцирующими и нитритредуцирующими .

Однако большинство патогенных для человека микроорганизмов способны ассимилировать только азот органических соединений.

Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из указанных компонентов, называются прототрофами .

Микроорганизмы, не способные синтезировать какое-либо из необходимых соединений, и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами по этому соединению. Чаще всего ими являются патогенные или условно-патогенные для человека микроорганизмы.

ТЕМА 2

МОРФОЛОГИЯ, СТРОЕНИE И КЛАССИФИКАЦИЯ

МИКРООРГАНИЗМОВ

2.1. Морфология микроорганизмов

2.1.1. Из истории микроскопа

Изучение морфологии микроорганизмов невозможно без увеличительных приборов – микроскопов. Первый увеличительный прибор был сделан в 1608 г Итальянским ученым Г.Галилеем.Он смастерил длинную трубку (типа современного телескопа) с двумя увеличительными линзами внутри и с помощью его смотрел на отдаленные объекты. Затем он усовершенствовал этот прибор и в 1610 году сделал первый «микроскоп», с помощью которого смотрел на мелкие объекты.

В 1625 году Немецкий ученый Иоган Фабер второй прибор Галилея назвал микроскопом.

В 1665 году Английский ученый Роберт Гук усовершенствовал микроскоп добавлением 3–ую собирательную линзу.

В 1667 году Итальянский ученый Евстахий Давини сделал 2–ой линзовый окуляр, в результате которого появился плоское видимое поле.

В 1715 году Немецкий ученый Гертель впервые применил осветительное зеркало для направления лучи цвета к объекту и линзу.

1850 году Итальянский ученый Д.Амиги создал иммерсионный микроскоп и изпользовал водную иммерсию, а в1878 году Английский ученый В.Стефансон предложил масленную иммерсию.

1886 году Немецкий ученый Ф.Эбнер сделал темнополый микроскоп.

В 1908 году Немецкие ученые А.Кёлер и Г.Зидонтонф создали люминесцентный микроскоп.

В 1930 году Е.Руска, М.Кнолль и Б,Боррие создали первый электронный микроскоп.

2.1.2 Морфология и строение бактерий

Формы и размер бактерий

По внешней форме бактерии можно разделить на несколько групп: шаровидные (сферические), палочковидные, извитые, вибрионы, кольцообразные, (тороиды) в форме шестиугольной звезды, бактерии образующие выросты (простеки), червеобразной формы и разветвленные бактерии. Однако большинство известных бактерий имеют шарообразную, палочковидную и извитую форму.

Бактерии сферической формы или кокки имеют размер в диаметре 1-2 мкм (микрометр). В зависимости от расположения клеток после деления они подразделяются на ряд групп. Если после деления клетки располагаются по одиночно, то их называют монококки или микрококки. Если деление происходит в одной плоскости и клетки не разъединяются, а остаются связанными по две, то их называют диплококки. После такой деление, если клетки не разъединяются и образуют цепочки разной длины, то их называют стрептококки. Деление кокков в двух взаимно перпендикулярных плескостьях приводит к образованию форм из четырех клеток-тетракокков. При одновременном делении кокков в трех взаимоперпендикулярных плоскостях образуются пакеты из восьми клеток в виде кубика. Такое скопление кокков называют сарцина. При делении кокков неравномерно в нескольких плоскостях возникают скопления клеток напоминающие гроздья винограда. Это – стафилококки.

Среди кокков имеются представители с неправильно круглой формой клетки. К ним относятся пневмококки, менингококки и гонококки. Форма пневмококков овальная, напоминающая пламя свечи, клетки соединены попарно широкими основаниями. Менингококки и гонококки имеют форму бобов или кофейных зерен, клетки соединены по две вогнутыми сторонами.

Кокковые формы, за исключением Sarsina ureae (мочевой сарцины), не образуют спор, неподвижны, широко распространены в природе. Многие из кокков патогенные-возбудители воспалительных процессов, например, пневмококки, менингококки, гноеродные стрептококки и стафилококки; другие – непатогенные, возбудители молочнокислого брожения, например, Streptococcus lactis, Str.cremoris; некоторые используются в производстве для биосинтеза декстрана – заменителя плазмы крови Leuconostos mesenteroides.

Самые мелькие по размеру бактерии встречаются среди шаровидных форм, которые пренадлежат к микоплазмам. Описаны микоплазмы с

диаметром клеток 0,12-0,15 мкм.

К палочкавидным формам относится самая многочисленная группа бактерий. Клетки имеют цилиндрическую форму, концы их могут быть округлые либо срезанные, прямые и выпуклые. Различают палочки короткие и длинные, толстые и тонкие. Размеры палочкавидных бактерий от нескольких десятых микрона до 100 и больше. У коротких палочек длина лищь ненамного превышает поперечник клетки, так что иногда довольно трудно отличить их от кокков.

У некоторых бактерий палочковидные клетки соединяются в длинные нити, образуя так называемые нитчатые формы. К таким многоклеточным нитевидным формам относятся некоторые железобактерии и бесцветные серобактерии. Длина нити серобактерии Beggiatoa mirabilis достигает 1 см и больше. Она считается гигантом среди бактерий.

По способности к спорообразованию палочковидные формы делятся на две группы: бактерии и бациллы. Клетки, не образующие спор, называются бактериями. Они как правило, располагаются одиночно. В преобладающем большинстве это мелкие палочки, относяшиеся к родам Bacterium и Pseudomonas. Палочковидные формы, образующие споры, называют бациллами (Bacillus). Они различаются между собой по форме клеток, обусловленной размерами и местом расположения спор.

Если спора распологается в центре клетки и диаметр ее не превышает диаметра клетки, то такой тип называют собственно бациллами; если диаметр споры превышает диаметр клетки, то при расположении споры в центре клетки имеет веретеновидное утолщение и называется клостридием (например, у Clostridium pasterianum) а при расположении споры в конце принимает вид барабанной палочки или теннисной ракетки и называется плектридием. Спороносные формы образуют длинные цепочки клеток, так называемые стрептобациллы (например, Bacillus mycoides).

Микроорганизмы спиралевидной формы различаются числом витков. Если у бактерий клетки имеют несколько крупных завитков, то их называют спириллы. Клетки с множеством мелких витков спирали называют спирохеты. Бактерии изогнутые в виде полумесяца или занятой называют вибрионы. Большинство извитых форм представлено паточенными видами (например, холерной вибрион, возбудитель сифилиса). Среди них есть и сапрофиты, обитающие в почве и воде. Извитые формы имеют весьма различные размеры клеток – от мельких 1,5-2,0 мкм (вибрионы) до очень крупных 2-3 х 15-20 мкм (например, Spirillum volutans). Есть среди прокариотов организмы, отличающиеся от описанных выше основных форм. Некоторые бактерии имеют вид кольца, замкнутого или разомкнутого в зависимости от стадии роста (например, бактерии рода Microcyclus). Такие клетки предложено называть тероидами.

У бактерий, в основном размножающихся почкованием, описано образование клеточных выростов, число которых может колебаться от 1 до 8 и больше. Бактерий образующие выросты называют простеки.

Из природных субстратов выделены бактерии червеобразной формы (длинные клетки с загнутыми, очень тонкими концами) и напоминающие по виду правильную шестиугольную звезду.

Для некоторых групп прокариотов характерно слабое ветвление, например, у микобактерий и пропионовых бактерии. У некоторых бактерий имеется хорошо выраженное ветвление. Их называют актиномицеты (стрептомицеты).

Описаны бактерии, обладающие морфологической изменчивостью (племорфизмом), например бактерии, относящиеся к группе коринебактерий, в зависимости от условий могут иметь вид палочек, кокков или слабоветвящихся форм.

Форма клеток прокариотов (бактерий) определятся жесткой (ригидной) клеточной стенкой. Именно последняя придает клетке определенную, наследственно закрепленную внешнюю форму. У ряда бактерий (например, у спирохет, миксобактерий и флексибактерий) клеточная стенка довольно эластична, поэтому они способны в определенных пределах меньят форму клеток, например путем загибания. Наконец известны бактерии, у которых клеточная стенка отсутствует совсем. Это – микоплазмы и L - формы. Микоплазмы существуют в природе и в большинстве патогенны для человека и животных. L – формы получены экспериментально под действием химических веществ, которые разрушают клеточную стенку бактерий или подавляют синтез компонентов клеточный стенки. Для этих бактерий характерен ярко выраженный племорфизм.

Строение и химический состав бактерий

Структуры, расположенные снаружи от цитоплазматической мембраны (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки), называют обычно поверхностными структурами или бактериальной оболочкой. Цитоплазматическая мембрана вместе с цитоплазмой называется протопластом. Рассмотрим сначала строение, химический состав и функции поверхностных клеточных структур.

Жгутики . На поверхности клеток многих бактерий имеются структуры, определяющие способность клеток к движению. Это жгутики. Их наличие, число, размеры, расположение являются признаками, постоянными для определенного вида бактерий и имеющими поэтому важное таксономическое значение.

Если жгутики находятся у полюсов клетки, говорят об их полярном расположении, если вдоль боковой поверхности клетки, говорят об их латеральном расположении. Если один жгутик прикреплен к одному из полюсов клетки, его называют монотрихи. Если на каждом полюсе по одному или пучок жгутиков, - называются амфитрихи (или биополярные политрихи). Если пучок жгутиков расположен на одном из полюсов клетки –

называются лофотрихи (или монополярные политрихи). Если многочисленные жгутики расположены по всей поверхности клетки – называются перитрихи. Толщина жгутиков 100 – 300 А, длина от 3 до 12 мкм. Состоят они из одного вида белка – флагеллин.

Перемещение бактерий осуществляется за счет активных вращательных движений жгутиков. Некоторые бактерии, не имеющие жгутик, перемещаются по твердому субстрату скольжением (например, миксобактерии, флексибактерии, спирохеты, цианобактерии).

Следует отметить, что механизмы движения бактерий пока не выяснен.

Подвижные бактерии активно и направленно перемещаются. Такие направленные перемещения бактерий называются таксисами. Известно, хемотаксисы, аэротаксисы и фототаксисы. Скорость перемещения бактерий велика – за 1 секунду может пройти расстояние в 20 – 50 раз больше, чем длина клеток.

Жгутики и ворсинки не являются обьязательной клеточной структурой, так как без них бактерии тоже хорошо растут и размножаются.

Капсулы и слизистые чехлы . Снаружи клеточная стенка бактерий и цианобактерий часто бывает окружена слизистым веществом. В зависимости от его толщины и консистенции различают макро и микрокапсулы. Под капсулой понимают слизистое образование, обволакивающее клеточную стенку и имеющее четко очерченную поверхность. Если же окружающие клетку слизистое вещество имеет аморфный, бесструктурный вид и легко отделятся от поверхности прокариотной клетки, говорят о слизистом чехле, окружающем клетку. Колонии, состоящие из клеток, окруженных капсулой, имеют гладкую поверхность. Их обозначают как S – колонии (от английского слова smooth -гладкой). Колонии, сформированные из безкапсульных клеток, имеют шероховатую поверхность и называются R – колонии (от английского слова rough - шероховатый).

Клеточная стенка . Клеточная стенка важной и объязательный структурной элемент прокариотной клетки (исключение составляют микоплазмы). На долю клеточной стенки у прокариотных микроорганизмов приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки. Она служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную форму. Клеточная стенка чисто механически защищает клетку от проникновения в нее избытка воды.

Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от строения клеточный стенки бактерии делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные. Было обнаружено, что если фиксированные клетки микроорганизмов обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуются окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба комплекса будет различна. У грамположительных бактерий этот комплекс удерживается клеткой, и последние остаются окрашенными, а у грамотрицательних бактерий, наоборот, окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. Этот способ окрашивания был впервые предложен в 1884 г. датским ученым Х.Грамом.

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий различаются по химическому составу. Считается, что гликопептиды образуют жесткий каркас клеточной стенки. У грамположительных бактерий они составляют основную ее массу (до 90%), а у грамотрицательных их содержание значительно меньше (5-10%).

Клеточная стенка грамположительных бактерий содержит гликопептиды (муреиновый комплекс), полисахариды, тейховые кислоты, липиды. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий содержит полисахариды, липиды (до 90%) , белки, липополисахариды, липопротеиды и гликопептиды. Следовательно, тейховые кислоты отсутствуют у грампотрицательных бактерий и липополисахариды и липопротеиды отсутствуют у

грамположительных бактерий.

Цитоплазматическая мембрана. Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Нарушение целостности ЦПМ приводит к потере клеткой жизнеспособности. ЦПМ – белково – липидный комплекс, в котором белки составляют 50-70%, липиды от 15-30%. Под електронном микроскопом она видна в виде трехслойной структуры. Согласно модели, предложенной Г.Даусоном и Д Даниелли, ЦПМ построена из двух белковых слоев, между которыми расположен липидный слой.

ЦПМ выполняет разнообразные функции. Препараты мембран обладают АТФ-азной активностью, катализируют процессы синтеза веществ, входящих в состав клеточной стенки и слизистого чехла. В мембранах локализованы окислительные ферменты. Здесь же находится ферменты – пермеазы, которые осуществляют активный двусторонней избирательный перенос через мембрану различных органических и неорганических веществ. Между ЦПМ – ой и клеточной стенкой имеется пространство, которое называют периплазматическим пространством. Многие внеклеточные ферменты функцанируют именно в этом пространстве.

Цитоплазма. Содержимые клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. В цитоплазме бактерий, содержится ядерный материал и различные включения.

Ядерный материал бактерий, состояший из ДНК, диффузионно расположен в центральной части цитоплазмы и не ограничен от цитоплазмы мембраной. Его называют нуклеоидом.

В цитоплазме имеются мембранные структуры – мезосомы, у фотосинтезирующих бактерий – тилокоиды и хроматофоры.

Тилокоиды и хроматофоры фотосинтезирующих бактерий являются местом локализации фотосинтетических пигментов.

Мезосомы различаются размерами, формой и локализацией в клетке. Выделяют три основных типа мезосом: пластинчатые (ламеллярные), пузырчатые (везикулярные) и трубчатые (тубуларные). Считается, что они принимают участие в важных процессах клеточного метобализма. Однако истинная функция бактериальных мезосом остается загадочной.

Рибосомы в бактериальной клетке могут существовать свободно в цитоплазме или же быть связанными с мембранными структурами. В синтезе белка участвуют рибосомальные агрегаты,называемые полиробосомами, или полисомами.

В цитоплазме различных бактерий обнаруживаются еще и твердые, жидкие, газообразные вещества.

2.1.3. Классификация бактерий

В настоящее время царство бактерий делится на 4 категории:

1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки;

2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки;

3. Эубактерии, лишенные клеточных стенок;

4. Археобактерии.

Первая категория имеет 16 групп; вторая котегория – 13 групп, третья категория – имеет одну группу, а четвертая категория – 5 групп. (более подробно см: 1) Определитель бактерий Берджи. М.: Мир, 1997, том 1, 430 с.; 2)Шлегель. Общая микробиология. М.: Мир, 1987, 562 с.).

2.1.3. Морфология, строение и классификация грибов

Грибы относятся к эвкариотным микроорганизмам. Все они гетеротрофы и в основном аэробы. Тело большинства грибов состаит из тонких нитей-гиф, а образуемые ими сплетение называется мицелием или грибница. Гифы некоторых грибов разделены перегародками на клетки (септированы), такие грибы называют многоклеточными. Гифы других грибов не имеют перегородок – это одноклеточные грибы. Имеются еще шаровидные или яцевидные одноклеточные грибы, которые называют дрожжи.

Строение клеток грибов мало отличается от строения клеток других эквариотных организмов. Клетки состоят из клеточной оболочки, цитоплазмы и одного, двух или нескольких ядер. Цитоплазма содержит внутриклеточные органеллы, вакуоли и различные включения. Клеточная оболочка состоит из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны.

По современной системе царство грибов дельят на 8 отделов: 1) отдел Myxomycota; 2) отдел Plazmodiophoramycota; 3) отдел Oomycota; 4) отдел

Chytridiomycota; 5) отдел Zygomycota; 6) отдел Ascomycota; 7) отдел Basidiomycota; 8) отдел Deuteromycota. Отделы подразделяются на порядки, порядки – на классы, классы – на семейства, а семейства – на роды (более подробно см: 1) Гарибова Л.В., Лекомцева С.Н. Основы микологии. М. 2005; 2) Мюллер Э.; Леффлер В. Микология, М.: Мир,1995).

Литература

1. Гусев М.В., Минеева Л.А., Микробиология. М. 1978.

2. Коротяев А.И., Бабичев С.А., Медицинская микробиология., Санкт – Петербург,1998.

3. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987.

4. Дараселия Г.Я. Микробиология, гигиена и безопасность питания, Тбилиси, 2006.

5. Бирюзова В.И. Мембранные структуры микроорганизмов. М.: Наука, 1973.

6. Феофилова Е. П. Клеточная стенка грибов. М.: Наука, 1983.

Бактерии относятся к одноклеточным организмам, принадлежат к растительному миру и не содержащим хлорофилла. Наиболее крупными явл.бактерии сибирской язвы и газовой гангрены, а наиболее мелкими ― возбудители бруцеллеза и туляремии.
Три основные формы бактерий : шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии, бациллы) и извитые (вибрионы и спириллы).

Шаровидные формы ― по внешнему виду кокки имеют форму шара. Большинство кокков ― сапрофиты, они не образуют спор, неподвижны, широко распространены в природе. Клетки, остающиеся несоед. друг с другом после деления и видимые в препарате как отдельно лежащие кокки, называются микрококками. Клетки, делящиеся в одной плоскости и после деления остающиеся соедин. по две, называются диплококками. Тетракокки и сарцины широко распростр. и не обладают патогенными свойствами.

Палочковидные формы бывают спороносные и песпороносные. По величине: крупные, средние и мелкие палочки, имеющие цилиндр. и овальную форму. Концы клеток могут быть закруглены или срезаны. Клетки, образ. на концах булавовидные утолщения и зернистые включения, наз. коринебактериями. Из коринебактерий к патогенным видам относ. возбудитель дифтерии.

Извитые формы широко распространены в природе. К ним относятся спириллы и вибрионы. Спириллы имеют штопорообразную извитую форму и несколько завитков. Среди спирилл встречается патогенный вид, вызывающий болезнь Содоку. Вибрионы имеют изогнутую форму, напоминающую запятую.

Под влиянием различных факторов внешней среды (t, влажность, биолог. факторы, искусствен. питательные среды) бактерии часто и резко меняют морфологию и некоторые другие свойства.

Грибы и простейшие имеют четко ограниченное ядро и относятся к эукариотам. Грибы крупнее бактерий, близки к растениям (наличие клеточной стенки, содержащей хитин или целлюлозу, вакуолей с клеточным соком, неспособность к перемещению).

Дрожжевые грибы образуют отдельные овальные клетки. Плесневые грибы формируют клеточные нитеподобные структуры - гифы. Мицелий- переплетение гифов- основная морфологическая структура. У низших грибов мицелий одноклеточный, не имеет внутренних перегородок (септ ). Грибы размножаются половым и вегетативным способом. При вегетативном размножении образуются споры - конидии . Они могут располагаться в специализированных вместилищах - спорангиях (эндоспоры) или отшнуровываться от плодоносящих гиф (экзоспоры). Дрожжевые клетки размножаются почкованием, мицелий не образуют.

Водоросли - относятся к растениям. Содержат светочувствительные пигменты, которые находятся в хлоропластах. Благодаря этим пигментам они способны осуществлять фотосистему.

2 типа: зеленая водоросль, диатомовая водоросль

Вирусы открыты при изучении листьев табачной мазаики.

Особенности:

1.Очень маленький размер

2.Не имеют клеточного строения

3.Не могут расти на питательных средах и осущ. бинарное деление

4.Не имеют собственных метаболических систем

6.Репродукция, т.е. воспроизводство вируса осуществляется только в клетке хозяина

Многоклеточные животные организмы : коловратки, черви, низшие ракообразные

Лекция № 5 Морфология и систематика микроорганизмов. Прокариоты (бактерии и актиномицеты).

1 Морфология и систематика микроорганизмов. Морфология микроорганизмов изучает их внешний вид, форму и особенности строения, способность к движению, спорообразованию, способы размножения. Морфологические признаки играют большую роль в распознавании и классификации микроорганизмов. С древнейших времен живой мир делили на два царства: царство растений и царство животных. Когда был открыт мир микроорганизмов, то их выделили в отдельное царство. Таким образом, до Х1Х века весь мир живых организмов делили на три царства. В начале в основу классификации микроорганизмов были положены морфологические признаки, так как больше о них человек ничего не знал. К концу Х1Х века было описано много видов; разные ученые, в основном ботаники, делили микроорганизмы на группы, принятые для классификации растений. В 1897 году для систематики микробов стали использовать, наряду с морфологическими, и физиологические признаки. Как выяснилось впоследствии, для научно обоснованной классификации одних каких-либо признаков бывает недостаточно. Поэтому используют комплекс признаков:

Морфологические (форма клеток, размеры, подвижность, размножение, спорообразование, окраска по Граму);

Культуральные (характер роста на жидких и плотных питательных средах);

Физиолого-биохимические (характер накапливаемых продуктов);

Генотипические (физико-химические свойства ДНК).

Геносистематика позволяет определить вид микроорганизмов не по сходству, а по родству. Установлено, что нуклеотидный состав суммарной ДНК в процессе развития микроорганизмов в разных условиях не изменяется. Идентичны по составу ДНК S- и R-формы. Обнаружены и такие микроорганизмы, которые имеют сходный нуклеотидный состав ДНК, хотя и относятся к разным систематическим группам: кишечные палочки и некоторые коринебактерии. Это указывает на то, что при систематике (таксономии) микробов следует учитывать разные признаки.

До недавнего времени все живые существа клеточного строения в зависимости от взаимоотношения ядра и органелл с цитоплазмой, состава клеточной стенки и других признаков делили на две группы (царства):

1.1 Прокариоты-доядерные (отнесены – организмы, не имеющие четко выраженного ядра, представленного молекулой ДНК в форме кольца; в состав клеточной стенки входит пептидогликан (муреин) и тейхоевые кислоты; рибосомы имеют константы седиментации 70; энергетические центры клетки находятся в мезосомах и отсутствуют органеллы).

1.2 Эукариоты-ядерные (с четко выраженным ядром, отделенным от цитоплазмы оболочкой; в клеточной стенке отсутствует пептидогликан и тейхоевые кислоты; рибосомы цитоплазмы крупнее; константа седиментации 80; энергетические процессы осуществляются в митохондриях; из органелл имеется комплекс Гольджи и др.).

В дальнейшем оказалось, что среди микроорганизмов есть и неклеточные формы-вирусы и поэтому выделили третье группу (царство) - вира.

Для обозначения микроорганизмов принята двойная (бинарная) номенклатура, которая включает в себя название рода и вида. Родовое название пишется с прописной буквы (заглавной), видовое (даже происходящее от фамилии)- со строчной (маленькой). Например, бациллу сибирской язвы называют Bacillus anthracis, кишечную палочку- Escherichia coli, аспергилл черный-Aspergillus niger.

Основной (низшей) таксономической единицей является вид. Виды объединяются в роды, роды - в семейства, семейства -в порядки, порядки - в классы, классы - в отделы, отделы - в царства.

Вид- это совокупность особей одного генотипа с явно выраженным фенотипическим сходством.

Культура - микроорганизмы, полученные от животного, человека, растения или субстрата внешней среды и выращенные на питательной среде. Чистые культуры состоят из особей одного вида (потомство, полученное из одной клетки - клон).

Штамм- культура одного и того же вида, выделенная из различных сред обитания и отличающиеся незначительными изменениями свойств. Например, кишечная палочка, выделенная из организма человека, крупного рогатого скота, водоемов, почвы, могут быть разными штаммами.

2 Прокариоты (бактерии и актиномицеты). Бактерии (прокариоты)-это большая группа микроорганизмов (около 1600 видов), большинство из которых одноклеточные. Форма и размеры бактерий. Основные формы бактерий: шаровидная, палочковидная и извитая. Шаровидные бактерии - кокки имеют обычную форму шара, встречаются уплощенные, овальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде клеток одиночных - монококки (микрококки) или соединенных в различных сочетаниях: попарно - диплококки, по четыре клетки - тетракокки, в виде более или менее длинных цепочек - стрептококки, а также в виде скоплений кубической формы (в виде пакетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим, - сарцины. Встречаются скопления неправильной формы, напоминающие грозди винограда, - стафилококки. Палочковидные бактерии могут быть одиночными или соединенными попарно - диплобактерии, цепочками по три-четыре и более клеток - стрептобактерии. Соотношения между длиной и толщиной палочек бывают самыми различными. Извитые, или изогнутые, бактерии различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора - спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками - спирохетами. Благодаря использованию электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных природных субстратах были обнаружены бактерии, имеющие особую форму клеток: замкнутого или разомкнутого кольца (тороиды); с выростами (простеками); червеобразной формы - длинные с загнутыми очень тонкими концами; а также в виде шестиугольной звезды.

Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра (мкм) до нескольких микрометров. В среднем размер тела большинства бактерий 0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий - 2-5 мкм. Встречаются бак­терии, размеры которых значительно превышают среднюю величину, а некоторые находятся на грани видимости в обычных оптических микроскопах. Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от возраста и условий роста. Однако при определенных, относительно стабильных условиях бактерии сохраняют присущие данному виду размеры и форму. Масса бактериальной клетки очень мала, приблизительно 4- 10- 1:! г.

Строение бактериальной клетки . Клетка прокариотных организмов, к которым относятся бактерии, обладает принципиальными особенностями ультраструктуры. Клеточная стенка (оболочка) - важный структурный элемент большинства бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20% сухих веществ клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между протопластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток гетерополимерное соединение - пептидогликан (муреин), отсутству­ющий в клеточных стенках эукариотных организмов. По методу окраски, предложенному датским физиком X. Грамом (1884 г.), бактерии делятся на две группы: грамположительные и грамотрицателъные. Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицателъные не удерживают ее, что обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое количество муреина (от 50 до 90% сухой массы клеточной стенки) и тейхоевые кис­лоты. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5-10%) и отсутствуют тейхоевые кислоты.

Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но может быть и значительным, может образовывать капсулу. Нередко по размеру капсула намного превышает бактериальную клетку. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зоогели), в которые вкраплены бактериальные клетки. Образуемые некоторыми бактериями слизистые вещества не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стенки, а диффундируют в окружающую среду. При быстром размножении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии могут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда в сахаристых экстрактах из свеклы при производстве сахара. За короткое время сахарный сироп может превратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от вида бактерий и условий культивирования. Капсула обладает полезными свойствами, слизь предохраняет клетки от неблагоприятных условий - у многих бактерий в таких условиях усиливается слизеобразование. Капсула защищает клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов, антител, иногда она является источником запасных питательных ве­ществ. Цитоплазматическая мембрана отделяет от клеточной стенки содержимое клетки. Это обязательная структура любой клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8-15% сухого вещества клетки. В мембране содержится до 70-90% липидов клетки, толщина ее 7-10 нм 1 . На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной струк­туры - одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев. Цитоплазматическая мембрана местами впячивается внутрь клетки, образуя всевозможные мембранные структуры. В ней находятся различ­ные ферменты; она полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой. Цитоплазма бактериальной клетки представляет собой полужидкую, вязкую, коллоидную систему. Местами она пронизана мембранными структурами - мезосомами, которые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь. Мезосомы выполняют различные функции; в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране имеются ферменты, участвующие в энергетических процессах - в снабжении клетки энергией. Хорошо развитые мезосомы обнаружены только у грамположительных бактерий, у грамотрицательных они развиты слабо и имеют более простое строение. В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и различные включения. Рибосомы рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20-30 нм; рибосомы состоят примерно на 60% из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и на 40% из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке в зависимости от ее возраста и условий жизни может или быть 5-50 тыс. рибосом. Ядерный аппарат бактерий называют нуклеоидом. Электронная микроскопия ультратонких срезов клетки бактерий позволила установить, что носителем генетической информации клетки является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК имеет форму двойной спиральной нити, замкнутой в кольцо; ее еще называют "бактериальная хромосома". Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной.

Цитоплазматические включения бактериальной клетки разнообразны, в основном это запасные питательные вещества, которые откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий откладываются полисахариды: гликоген, крахмалоподобное вещество гранулеза, которые используются в качестве источника углерода и энергии. Липиды обнаруживаются в клетках в виде гранул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты; они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий откладывается молекулярная сера.

Подвижность бактерий . Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижные, так и неподвижные. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Жгутики - это тонкие, спирально закрученные нити белковой природы, которые могут осуществлять вращательные движения. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10-20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после специальной обработки клетки. Наличие, число и расположение жгутиков - постоянные для вида признаки и имеют диагностическое значение. Бактерии с одним жгутиком на конце клетки получили название монотрихов; с пучком жгутиков - лофотрихов", с пучком жгутиков на обоих концах клетки - амфитрихов; бактерии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клетки, называются перитрихами. Скорость передвижения бактерий велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстояние в 20-50 раз больше, чем длина ее тела. При неблагоприятных условиях жизни, при старении клетки, при механическом воздействии подвижность может быть утрачена. Кроме жгутиков, на поверхности некоторых бактерий имеются в большом количестве нитевидные образования, значительно тоньше и короче, чем жгутики - фимбрии (или пили).

Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки надвое. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Палочковидные бактерии делятся попе­рек, шаровидные формы в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и их числа возникают различные формы: одиночные кокки, парные, цепочки, в виде пакетов, гроздьев. Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бактерий, условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15-20 мин, другие - через 5-10 ч. При таком делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах: быстрое скисание молока вследствие развития молочно-кислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы за счет развития гнилостных бактерий и т.д.

Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития: при недостатке питательных веществ, изменении температуры, рН, при накоплении продуктов обмена выше определенного уровня. Способностью образовывать споры обладают в основном па­лочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).

Спорообразование - сложный процесс, в нем различают несколько стадий: сначала наблюдается перестройка генетического аппарата клетки, изменяются морфология нуклеоида. В клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытягивается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концентрируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называется спорогенной зоной. В спорогенной зоне происходит уплотнение цитоплазмы, затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клетки, образуется так называемая проспора. Проспора - это структура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней. Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки. Помимо пептидогликана, в кортексе содержится дипиколиновая кислота (С 7 Н 8 О 4 Мg), которая отсутствует в вегетативных клетках. В дальнейшем по­верх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев. Число, толщина и строение слоев различны у разных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окружающий спору в виде чехла, - экзоспориум.

Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток, изменяется. Клетка приобретает форму веретена (клостридиум ) , если спора расположена в ее центре, или форму барабанной палочки (плектридиум) , когда спора приближена к концу клетки.

После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается, и спора освобождается. Процесс образования споры протекает в течение нескольких часов.

Наличие у бактериальных спор плотной, труднопроницаемой оболочки, малое содержание в ней воды, большое количество липидов, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают высокую устойчивость спор к факторам внешней среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170°С в течение 1,5-2 ч, а при перегретом паре (в автоклаве) -- при 121°С в течение 15-30 мин.

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов.

Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, активизируются ее ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки; освобождаются во внешнюю среду дипиколиновая кислота и кальций. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу "росток" новой клетки, из которого затем формируется вегетативная бактериальная клетка.

Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, которые вызывают их прорастание в вегетативные клетки, имеет значение в выборе способа обработки продуктов с целью предотвращения их микробной порчи.

Изложенные выше сведения характеризуют в основном так называемые истинные бактерии. Существуют и другие, более или менее отличающиеся от них, к которым относятся следующие.

Нитчатые (нитевидные бактерии). Это многоклеточные организмы в виде нитей различной длины, диаметром от 1 до 7 мкм, подвижных или прикрепленных к субстрату. В основном нити со слизистым чехлом. Они могут содержать окись магния или окислы железа. Живут в водоемах, встречаются в почве.

Миксобактерии. Это палочковидные бактерии, передвигаются путем скольжения. Они образуют плодовые тела - скопления клеток, заключенных в слизь. Клетки в плодовых телах переходят в покоящееся состояние - миксоспоры. Эти бактерии живут в почве, на различных растительных остатках.

Почкующиеся и стебельковые бактерии размножаются почкованием, образуют стебельки или то и другое вместе. Есть виды с выростами - простеками. Живут в почве и водоемах.

Актиномицеты. Бактерии имеют ветвистую форму. Одни - палочки слегка разветвленные (см. рис. 2, д), другие - в виде тонких ветвящихся нитей, образующих одноклеточный мицелий. Мицелиальные актиномицеты, называ­емые "лучистые грибки", размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Актиномицеты бывают окрашены; они широко распространены в природе. Встречаются и на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. Продукт приобретает характерный землистый запах. Многие актиномицеты продуцируют антибиотики. Есть виды, патогенные для человека и животных.

Микоплазмы. Организмы без клеточной стенки, покрыты лишь трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопических размеров (около 200 нм), плеоморфные (разнообразной формы) - от кокковидных до нитевидных. Некоторые вызывают заболевания человека, животных, растений.

Основы систематики бактерий Современные системы классификации бактерий по существу являются искусственными, объединяют бактерии в определенные группы на основе сходства их по комплексу морфологических, физиологических, биохимических и генотипических признаков.В этих целях используется руководство Берги по определению бактерий (1974 год, 8-е издание и 1984 г.- 9-е издание). По 8-му изданию все прокариоты делят на два отдела - цианобактерии и бактерии. Первый отдел - цианобактерии (синезеленые водоросли) - это фототрофные микроорганизмы. Второй отдел - бактерии. Этот отдел разделен на 19 групп. К 17-ой группе относят актиномицеты. По 9-му изданию царство прокариот подразделено на четыре отдела в зависимости от наличия или отсутствия клеточной стенки и ее химического состава: в первый отдел - тонкокожие, включены группы бактерий, грамотрицательные, фототрофные и цианобактерии; во 2-ой отдел - твердокожие, включены группы бактерий, относящиеся к окраске по Граму положительно; в третий отдел включены микоплазмы- бактерии, не имеющие клеточной стенки; в четвертый отдел включены метанобразующие и архебактерии(особая группа бактерий, обитающая в экстремальных условиях внешней среды и являющиеся одной из древнейших форм жизни).