Предмет, методы и содержание микробиологии

Биологическое окисление (энергетический метаболизм)

Процесс биологического окисления дает энергию, необходимую для жизни клетки. Сущность процесса заключается в последовательном окислении субстратов с постепенным освобождением энергии. Энергия запасается в молекулах АТФ.

Окислению подвергаются углеводы, спирты, органические кислоты, жиры и другие вещества. Но для большинства микроорганизмов источником энергии служат гексозы, в частности, глюкоза.

У микроорганизмов существует два типа биологического окисления: аэробный и анаэробный. При аэробном типе участвует кислород, и этот процесс называется дыханием в строгом смысле слова. При анаэробном типе биологического окисления освобождение энергии из органических молекул происходит без участия кислорода и называется брожением.

Начальный этап анаэробного расщепления глюкозы с образованием пировиноградной кислоты (ПВК) происходит одинаково. Эта кислота является тем центральным пунктом, от которого расходятся пути дыхания и многих видов брожений.

При аэробном типе дыхания пировиноградная кислота вступает в цикл трикарбоновых кислот. Водород ПВК поступает в дыхательную цепь. Это цепь окислительных ферментов (цитохромы и цитохромоксидаза). По цепи цитохромов передается водород и присоединяется к активированному под действием цитохромоксидазы кислороду с образованием воды. Конечные продукты аэробного окисления глюкозы - диоксид углерода (углекислота) и вода. В процессе дыхания на одну молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

При анаэробном типе биологического окисления энергия образуется в результате брожений. При спиртовом брожении ПВК превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Конечным продуктом молочнокислого брожения является молочная кислота, маслянокислого брожения - масляная кислота. При процессах брожения на одну молекулу глюкозы образуется только 2 молекулы АТФ.

Микробную природу брожений впервые открыл и доказал Пастер. Изучая маслянокислое брожение, Пастер впервые столкнулся с возможностью жизни без кислорода, то есть с анаэробиозом. Он также установил явление, которое впоследствии было названо "эффектом Пастера": прекращение процесса брожения при широком доступе кислорода.

Анаэробиоз существует только среди прокариотов. Все микроорганизмы по типу дыхания делятся на следующие группы: облигатные аэробы, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы, микроаэрофилы.

Облигатные аэробы размножаются только при наличии свободного кислорода. К ним можно отнести микобактерии туберкулеза, холерный вибрион, чудесную палочку.

Облигатные или строгие анаэробы получают энергию при отсутствии доступа кислорода. Они имеют неполный набор окислительно-восстановительных ферментов, у них нет цитохромной системы, поэтому у них не происходит полного окисления субстрата (глюкозы) до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О. Более того, в присутствии свободного кислорода образуются токсические соединения: перекись водорода Н₂О₂ и свободный перекисный радикал кислорода О₂. Аэробы при этом не погибают, так как продуцируют ферменты, разрушающие эти токсические соединения (супероксиддисмутазу и каталазу). Спорообразующие анаэробы в этих условиях прекращают размножение и превращаются в споры. Неспорообразующие анаэробы погибают даже при кратковременном контакте с кислородом.

К облигатным спорообразующим анаэробам относятся клостридии столбняка, ботулизма, анаэробной раневой инфекции; к неспорообразующим анаэробам - бактероиды, пептобактерии, бифидумбактерии.

Большинство патогенных бактерий - факультативные (условные) анаэробы, например, энтеробактерии. Они имеют полный набор ферментов и при широком доступе кислорода окисляют глюкозу до конечных продуктов; при низком содержании кислорода они вызывают брожение.

Микроаэрофилы размножаются в присутствии небольших количеств кислорода. Например, кампилобактеры могут размножаться при 3-6% кислорода.

Рост и размножение микроорганизмов

Термином "рост" обозначают увеличение размеров отдельной особи, а "размножение" - увеличение числа особей в популяции.

Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. У грамположительных бактерий из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны образуется перегородка, врастающая внутрь. У грамотрицательных бактерий образуется перетяжка, и затем происходит разделение клетки на две особи.

Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу. При этом двуспиральная цепь ДНК раскручивается, каждая нить достраивается комплиментарной нитью и в результате каждая дочерняя клетка получает одну материнскую нить и одну вновь образованную.

Быстрота размножения разных видов бактерий различна. Большинство бактерий делятся каждые 15-30 минут. Микобактерии туберкулеза делятся медленно - одно деление за 18 часов, спирохеты - одно деление за 10 часов.

Если посеять бактерии в жидкую питательную среду определенного объема и затем каждый час брать пробу и определять количество живых бактерий в такой замкнутой среде и составить график, на котором по оси абсцисс откладывать время в часах, а по оси ординат логарифм количества живых бактерий, то получим кривую роста бактерий. Рост бактерий подразделяют на несколько фаз (рис. 5):

1) латентная фаза (лаг-фаза) - бактерии адаптируются к питательной среде, количество их не увеличивается;

2) фаза логарифмического роста - количество бактерий увеличивается в геометрической прогрессии;

3) фаза стационарного роста, во время которой число вновь образованных бактерий уравнивается числом погибших, и количество живых бактерий остается постоянным, достигая максимального уровня. Это М-концентрация - величина, характерная для каждого вида бактерий;

4) фаза отмирания, когда число отмирающих клеток начинает преобладать над числом жизнеспособных бактерий вследствие накопления продуктов метаболизма и истощения среды.

Культура бактерий в такой замкнутой несменяющейся среде называется периодической. Если же в засеянный объем непрерывно подают свежую питательную среду и удаляют такое же количество жидкости, то такую культуру называют непрерывной. Количество живых бактерий в такой культуре будет постоянно в М-концентрации. Непрерывное культивирование применяют в микробиологической промышленности.

Образование микробами пигментов, ароматических веществ. Светящиеся микроорганизмы

Некоторые виды микробов вырабатывают красящие вещества -пигменты. Если пигмент растворим в воде, то окрашенными представляются и колонии микробов, и питательная среда. Например, синий пигмент, выделяемый синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa), окрашивает среду в синий цвет. Пигменты, растворимые в органических растворителях, но нерастворимые в воде, не окрашивают питательную среду. Такой пигмент красного цвета, так называемый продигиозан, растворимый в спирте, выделяет чудесная палочка (Serratia marcescens). К этой же группе относятся пигменты желтого, оранжевого, красного цвета, характерные для кокковой воздушной микрофлоры. У некоторых видов микробов пигменты настолько прочно связаны с протоплазмой клетки, что не растворяются ни в воде, ни в органических растворителях. Среди патогенных бактерий такие пигменты золотистого, палевого, лимонно-желтого цвета образуют стафилококки.

Цвет пигмента используется для определения вида бактерий.

Некоторые микроорганизмы в процессе метаболизма вырабатывают ароматические вещества. Например, для синегнойной палочки характерен запах жасмина. Характерный запах сыров, сливочного масла, особый "букет" вина объясняется жизнедеятельностью микробов, которые используются для производства этих продуктов.

Свечение (люминесценция) микробов происходит в результате освобождения энергии при биологическом окислении субстрата. Свечение бывает тем интенсивнее, чем сильнее приток кислорода Светящиеся бактерии были названы фотобактериями. Они придают свечение чешуе рыб в море, грибам, гниющим деревьям, пищевым продуктам, на поверхности которых размножаются. Свечение может наблюдаться при низких температурах, например, в холодильнике. Патогенных для человека среди фотогенных бактерий не установлено.

Свечение пищевых продуктов, вызванное бактериями, не приводит к их порче, и даже может свидетельствовать о том. что в этих продуктах не происходит гниения, поскольку оно прекращается при развитии гнилостных микроорганизмов.

ГЛАВА 5 МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ. ИЗУЧЕНИЕ КУЛЬТУРАЛЬНЫХ И БИОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Культивирование, то есть выращивание микроорганизмов в лаборатории, применяется для изучения их свойств и для получения биомассы. Бактерии, грибы, актиномицеты, спирохеты и некоторые простейшие культивируются на питательных средах. Хламидии, риккетсии, вирусы и некоторые простейшие способны размножаться только в организме животного или в живых клетках.

Культуральные свойства данного вида микроорганизмов - это: 1) условия, необходимые для размножения, и 2) характер роста на питательных средах. Культуральные свойства - это одна из характеристик, которые учитываются при идентификации (определения вида) микроорганизмов.

Питательные среды

Питательные среды должны соответствовать определенным требованиям. Они должны содержать все питательные вещества, необходимые для размножения данного вида микробов. Одни патогенные микроорганизмы растут на простых питательных средах, другие для своего размножения нуждаются в добавлении крови, сыворотки крови, витаминов.

В питательных средах должны быть созданы определенные условия путем добавления хлорида натрия или буферных растворов. Для большинства бактерий благоприятной является питательная среда, содержащая 0,5% хлорида натрия. Реакция питательной среды, благоприятная для большей части патогенных бактерий - слабощелочная, что соответствует рН=7,2-7,4. Холерный вибрион растет при рН=7,8-8,5, грибы - при рН=5-5,5. Питательные среды должны быть влажными, то есть содержать достаточное количество воды, быть по возможности прозрачными и стерильными, то есть до посева не содержать микробов.

По составу и происхождению питательные среды бывают естественные, искусственные и синтетические. Естественные питательные среды - это натуральный продукт, например, картофель, другие овощи. Искусственные питательные среды готовят по определенной прописи из продуктов с добавлением органических и неорганических соединений. Синтетические среды содержат определенные химические соединения в известных концентрациях.

По консистенции питательные среды бывают жидкие, полужидкие, плотные. В качестве уплотнителя обычно применяют агар-агар -полисахарид, выделенный из морских водорослей. Агар-агар не используется микроорганизмами в качестве питательного вещества, образует в воде гель, плавящийся при 100°С и застывающий при 45°С.

Для получения плотной питательной среды агар-агар добавляют в концентрации 1,5-2%, для полужидкой - 0,5%.

По целевому назначению питательные среды могут быть разделены на обычные (простые), специальные, элективные, дифференциально-диагностические.

Обычные (простые) питательные среды применяют для культивирования большинства микроорганизмов, это мясопептонный бульон (МПБ), мясопептонный агар (МПА).

Специальные питательные среды применяют для культивирования микроорганизмов, которые не растут на простых средах. Например, кровяной агар и сахарный бульон для стрептококка, сывороточный агар для менингококка и гонококка.

Элективные питательные среды используют для выделения одного какого-либо вида из смеси различных бактерий. Данный вид бактерий растет на этой среде быстрее и лучше других, опережая их в своем росте; рост других бактерий задерживается на этой среде. Например, свернутая сыворотка для палочки дифтерии, щелочная пептонная вода для холерного вибриона, желчный бульон для палочки брюшного тифа, солевые среды для стафилококка.

Дифференциально-диагностические питательные среды применяются для отличия одних видов бактерий от других по их ферментативной активности (см. соответствующий раздел).

Культивирование и выделение чистых культур аэробных бактерий

Для культивирования микроорганизмов необходимы определенные условия: температура, аэробные или анаэробные условия.

Температура должна быть оптимальной для данного вида. Большинство патогенных бактерий размножаются при 37°С. Однако для некоторых видов оптимальной является более низкая температура, что связано с особенностями их экологии. Так, для палочки чумы, естественным местом обитания которой являются грызуны в период зимней спячки, оптимум температуры составляет 28°С, как и для лептоспир, для палочки ботулизма - 28°С-35°С.

Кроме оптимальной температуры, для культивирования микроорганизмов, в зависимости от вида, необходима аэробность или анаэ-робность среды.

Для того, чтобы изучить морфологию, Культуральные, биохимические и другие свойства микробов, необходимо получить чистую культуру. Обычно культурой микробов называют скопление их на питательной среде в виде помутнения, придонного (пристеночного) роста или пленки на поверхности жидкой среды или колоний на плотной среде. Отдельная колония образуется из одной микробной клетки. Чистая культура - это культура микробов одного вида, полученная из одной колонии. В лабораториях для различных исследований применяют определенные известные штаммы микробов. Штамм - это чистая культура микробов, полученная из определенного источника, в определенное время, обладающая известными свойствами. Как правило, штаммы микробов обозначают определенным номером. Например, штамм Staphylococcus aureus 209P применяется для определения активности пенициллина.

Выделение чистых культур аэробов занимает, как правило, три дня и производится по следующей схеме:

1-й день - микроскопия мазка из исследуемого материала, окрашенного (обычно по Граму) - для предварительного ознакомления с микрофлорой, что может быть полезным в выборе питательной среды для посева. Затем посев материала на поверхность застывшего питательного агара для получения изолированных колоний. Рассев можно произвести по методу Дригальского на три чашки Петри с питательной средой. Каплю материала наносят на первую чашку и распределяют шпателем по всей чашке. Затем этим же шпателем распределяют оставшуюся на нем культуру на второй чашке и таким же образом - на третьей. Наибольшее количество колоний вырастет на первой чашке, наименьшее - на третьей. В зависимости от того, сколько было микробных клеток в исследуемом материале, на одной из чашек вырастут изолированные колонии.

Такого же результата можно достигнуть, произведя рассев на одной чашке. Для этого делят чашку на четыре сектора. Исследуемый материал засевают бактериологической петлей штрихами на первом секторе, затем, прокалив и остудив петлю, распределяют посев из первого сектора во второй и таким же образом последовательно в третий и четвертый сектор. Из отдельных микробных клеток после суточного инкубирования в термостате образуются изолированные колонии.

2-й день - изучение колоний, выросших на чашках, описание их. Колонии могут быть прозрачными, полупрозрачными или непрозрачными, они имеют различные размеры, округлые правильные или неправильные очертания, выпуклую или плоскую форму, гладкую или шероховатую поверхность, ровные или волнистые, изрезанные края. Они могут быть бесцветными или иметь белый, золотистый, красный, желтый цвет. На основании изучения этих характеристик выросшие колонии разделяются на группы. Затем из исследуемой группы отбирают изолированную колонию, готовят мазок для микроскопического исследования с целью проверки однородности микробов в колонии. Из этой же колонии производят посев в пробирку со скошенным питательным агаром.

3-й день - проверка чистоты культуры, выросшей на скошенном агаре путем микроскопии мазка. При однородности исследуемых бактерий выделение чистой культуры можно считать законченным.

Для идентификации выделенных бактерий изучаются культураль-ные признаки, то есть характер роста на жидких и плотных питательных средах. Например, стрептококки на сахарном бульоне образуют придонный и пристеночный осадок, на кровяном агаре - мелкие, точечные колонии; холерный вибрион образует пленку на поверхности щелочной пептонной воды, а на щелочном агаре - прозрачные колонии; палочка чумы на питательном агаре образует колонии в виде «кружевных платочков» с плотным центром и тонкими волнистыми краями, а в жидкой питательной среде - пленку на поверхности, а затем -нити, отходящие от нее в виде «сталактитов».

Культивирование и выделение чистых культур анаэробных бактерий

Для культивирования анаэробов необходимо понизить окислительно-восстановительный потенциал среды, создать анаэробиоз путем удаления кислорода физическими, химическими или биологическими методами.

К физическим методам можно отнести:

1) механическое удаление воздуха с помощью насоса из анаэ-ростата, в котором помещают чашки с посевами. Одновременно можно заменить воздух индифферентным газом: азотом, водородом, углекислым газом.

2) выращивание в среде, содержащей редуцирующие вещества. Среда Китта-Тароцци - это сахарный бульон с кусочками печени или мяса. Глюкоза и кусочки органов обладают редуцирующей способностью. Среду заливают сверху слоем вазелинового масла, чтобы преградить доступ кислорода воздуха.

3) Наиболее простой, но менее надежный способ - выращивание в глубине высокого столбика сахарного агара.

Химические методы заключаются в том, что чашки с посевами анаэробов ставят в герметически закрытый эксикатор, куда помещают химические вещества, например, пирогаллол и щелочь, реакция между которыми идет с поглощением кислорода.

Биологический метод основан на одновременном выращивании анаэробов и аэробов на плотных питательных средах в чашках Петри, герметически закрытых после посева. Вначале кислород поглощается растущими аэробами, а затем начинается рост анаэробов.

Выделение чистой культуры анаэробов начинают с накопления анаэробных бактерий путем посева на среду Китта-Тароцци. В дальнейшем получают изолированные колонии одним из двух способов:

1) посев материала производят путем смешивания с расплавленным теплым сахарным агаром в стеклянных трубках. После застывания агара в глубине его вырастают изолированные колонии, которые извлекают путем распила трубки и пересевают на среду Китта-Тароцци (способ Вейнберга);

2) посев материала производят на чашки с питательной средой и инкубируют в анаэростате. Выросшие на чашке изолированные колонии пересевают на среду Китта-Тароцци (способ Цейсслера).

Культивирование других микроорганизмов

Культивирование микоплазм

Микоплазмы культивируются на питательных средах с добавлением сыворотки и углеводов. Поскольку микоплазмы лишены клеточной стенки, они растут только в изотонических или гипертонических средах. На плотных питательных средах в течение нескольких суток образуются очень мелкие колонии, напоминающие яичницу-глазунью - с выпуклым центром и плоской полупрозрачной периферией. Микоплазмы можно выращивать также на курином эмбрионе или культуре клеток.

Культивирование риккетсий и хламидий

Риккетсии и хламидий - облигатные внутриклеточные паразиты. Для их культивирования используют культуры клеток, куриный эмбрион и заражение животных.

Культивирование грибов

Для культивирования грибов применяют плотные и жидкие питательные среды: чаще всего среду Сабуро, а также среды, содержащие пивное сусло. Грибы растут медленнее, чем бактерии, они образуют видимый рост в течение нескольких суток. Температура культивирования ниже, чем у бактерий - 22-30°С.

Культивирование спирохет и простейших

Среди спирохет наиболее легко выращивать лептоспиры, питательной средой для которых может служить вода с примесью сыворотки крови кролика. Боррелии и трепонемы культивируют в анаэробных условиях на более сложных питательных средах, содержащих сыворотку, кусочки тканей животных.

Среди простейших культивируются на питательных средах дизентерийная амеба, лямблии, трихомонады, лейшмании, трипаносомы, балантидии.Токсоплазмы культивируют в куриных эмбрионах и культурах тканей. Методы культивирования малярийных плазмодиев разрабатываются.

Методы изучения ферментативной активности (биохимических свойств)

В микробиологической практике изучение ферментативной активности используют для идентификации микроорганизмов, поскольку каждый микробный вид обладает определенным набором ферментов.

Для определения протеолитической активности микробы засевают уколом в столбик желатина и после 3-5 суток инкубирования при комнатной температуре отмечают характер разжижения желатина: в виде воронки, гвоздя, чулка или в виде опрокинутой елки. Протеолитическую активность определяют также по образованию продуктов разложения белка: индола, сероводорода, аммиака. Для их определения засевают микроорганизмы в мясо-пептонный бульон, и между горлышком пробирки и ватной пробкой помещают индикаторные бумажки, исключая их контакт со средой. При образовании индола бумага, пропитанная насыщенным раствором щавелевой кислоты, приобретает розовый цвет; в присутствии сероводорода бумага, пропитанная ацетатом свинца, чернеет; при образовании аммиака красная лакмусовая бумажка синеет.

Для определения сахаролитических свойств микробов применяют дифференциально-диагностические среды такие, как среды Гисса, среда Олькеницкого, среда Эндо, среда Левина, среда Плоскирева.

Среды Эндо, Левина, Плоскирева в чашках Петри применяются для дифференцировки бактерий кишечной группы по их способности сбраживать лактозу. Эти среды содержат питательный агар, лактозу и индикатор, изменяющий свой цвет в кислой среде - индикатор рН. Если посеять на такую среду бактерии, которые сбраживают лактозу, например кишечную палочку, то в результате сбраживания лактозы образуется кислота, и индикатор изменит свой цвет в кислой среде. Поэтому колонии кишечной палочки на таких средах будут окрашенными соответственно цвету индикатора: на среде Эндо и среде Плоскирева - в красный цвет, на среде Левина - в черно-синий. Колонии бактерий, не сбраживающих лактозу, таких как сальмонеллы и палочки дизентерии, будут бесцветными.

Среды Гисса (среды "пестрого ряда") готовятся на основе пептон-ной воды или полужидкого мясо-пептонного агара. Содержат какой-либо один углевод или многоатомный спирт и индикатор. При росте на среде Гисса микроба, сбраживающего данный субстрат с образованием кислоты и газа, среда изменит цвет, в полужидкой среде появятся пузырьки и разрывы в толще агара, в жидкой среде - пузырек газа в стеклянном поплавке. При сбраживании субстрата только до кислоты происходит лишь изменение цвета среды.

Применяются также комбинированные среды, содержащие не один углевод, а два или три, например, среда Олькеницкого. Одна пробирка этой среды заменяет скошенный агар и среды Гисса с лактозой, глюкозой и сахарозой. После стерилизации в расплавленном виде среду в пробирке скашивают так, чтобы получился столбик и скошенная часть. Посев производится штрихом по скошенной части и уколом в столбик. При сбраживании лактозы или сахарозы изменяется цвет всей среды, при сбраживании одной глюкозы изменяется цвет только столбика. Образование газа определяется по наличию пузырьков в столбике агара. При выделении микробами аммиака цвет среды не меняется. Образование сероводорода проявляется почернением в столоике агара.

Для экспресс-метода определения ферментативной активности бактерий применяются микротестсистемы и система индикаторная бумажная (СИБ)

Микротестсистема представляет собой контейнер из прозрачного полистирола, состоящий из нескольких ячеек Ячейки содержат высушенные питательные среды с углеводами и индикаторами рН В каждую ячейку засевают взвесь культуры бактерий определенной густоты В контрольные ячейки наливают физ раствор Результат учитывают после 3 - 4-хчасовой инкубации в термостате по изменению цвета индикатора

Системы индикаторные бумажные (СИБ) для идентификации семейства энтеробактерий представляет собой диски или полоски хроматографической бумаги, покрытые защитной пленкой и содержащие определенный субстрат и индикатор В пробирки с физиологическим или буферным раствором вносят исследуемую культуру, затем помещают диски В контрольные пробирки культуру бактерий не вносят Результат учитывают по изменению цвета индикатора Для определения сероводорода диск помещают на поверхность МПА, засеянного уколом, что позволяет одновременно определить подвижность

Во всех пробирках учитывают предварительный результат в тот же день и окончательный - на следующий день

Оксидазная активность определяется путем растирания культуры на индикаторной бумажке Результат учитывается через минуту.

ГЛАВА 6 ОБЩАЯ ВИРУСОЛОГИЯ

Общая характеристика вирусов, морфология и структура вирионов

Первооткрывателем вирусов, основоположником вирусологии является русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский, открывший в 1892 году вирус табачной мозаики (ВТМ)

Вирусы настолько отличаются от микроорганизмов, что выделены в особое царство - царство Vira

Особенности вирусов, отличающие их от всех других живых существ

1) наличие только одного типа нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, в то время как клетки всех остальных живых существ содержат ДНК и РНК, взаимодействие которых необходимо для биосинтеза белков,

2) отсутствие собственных белоксинтезирующих систем и клеточного строения;

3) внутриклеточный паразитизм на молекулярном (генетическом) уровне.

Внеклеточная форма вируса - вириои и вирус, находящийся внутри клетки хозяина - это две разные формы вируса.

Вирионы разных вирусов имеют размеры от 15 до 400 нанометров. Нанометр - это 10^-9 метра (рис. 6). Наиболее мелкие вирусы - вирусы полиомиелита - имеют вирион размером 17-25 им, средние - вирус гриппа - 80-120 нм, крупные - вирус оспы - 300-400 им.

В центре вириона располагается его геном. Это нуклеиновая кислота - ДНК или РНК (однонитевая или двунитевая). Плюс-однонитевая РНК несет две функции: наследственную и информационную, например у вируса полиомиелита. Минус-однонитевая РНК, как, например, у вируса гриппа, несет только наследственную функцию, и только в процессе репродукции вируса к ней достраивается плюс-нить иРНК.

Вокруг нуклеиновой кислоты симметрично располагаются белковые молекулы - капсомеры, составляющие капсид (лат. capsa - коробка). Различают спиральный тип симметрии, когда капсомеры уложены по всей длине молекулы нуклеиновой кислоты, и кубический, когда капсомеры располагаются в виде двадцатигранника (икосаэдра).

Вирионы, содержащие только нуклеиновую кислоту и белок, составляют нуклеокапсид. Это простые вирусы, например, ВТМ, вирус полиомиелита.

У вирионов сложноорга-низованных вирусов имеется еще поверхностная оболочка - суперкапсид, содержащий, кроме белков, также углеводы, липиды, компоненты клетки хозяина. Строение вириона лежит в основе классификации вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их делят на: рибовирусы и дезоксири-бовирусы, далее по структуре вирионов, по месту размножения и по другим признакам проводится деление на семейства и роды.

Вследствие малых размеров вирусы не видны в световом микроскопе. Только наиболее крупный из них - вирус оспы - можно наблюдать в виде мелких точечных образований - элементарных телец Пашена.

Размножаясь в чувствительных клетках организма, вирусы оспы, бешенства, гриппа образуют в них внутриклеточные включения. Их можно обнаружить в световом или в люминесцентном микроскопе. Обнаружение внутриклеточных включений используется для диагностики. Например, включения Бабеша-Негри в нервных клетках обнаруживаются при бешенстве.

Морфологию вирионов изучают в электронном микроскопе. Вирусы имеют разные формы: сферическую, нитевидную, палочковидную.

Репродукция вирусов

Вирусы не способны размножаться на питательных средах - это строгие внутриклеточные паразиты. Более того, в отличие от риккетсий и хламидий, вирусы в клетке хозяина не растут и не размножаются путем деления. Составные части вируса - нуклеиновые кислоты и белковые молекулы синтезируются в клетке хозяина раздельно, в разных частях клетки - в ядре и в цитоплазме. При этом клеточные белоксинтезирующие системы подчиняются вирусному геному, его НК.

Репродукция вируса в клетке происходит в несколько фаз (рис.7):

- Первая фаза - адсорбция вируса на поверхности клетки, чувствительной к данному вирусу.

- Вторая фаза - проникновение вируса в клетку хозяина путем виропексиса.

- Третья фаза - «раздевание» вирионов, освобождение нуклеиновой кислоты вируса от суперкапсида и капсида. У ряда вирусов проникновение нуклеиновой кислоты в клетку происходит путем слияния оболочки вириона и клетки-хозяина. В этом случае вторая и третья фазы объединяются в одну.

В зависимости от типа нуклеиновой кислоты этот процесс совершается следующим образом.

ДНК-содержащие (ДНК --> иРНК -->белок)

1. Репродукция происходит в ядрх: аденовирусы, герпес,папо-вавирусы. Используют ДНК-зависимую РНК - полимеразу клетки.

2. Репродукция происходит в цитоплазме: вирусы имеют свою ДНК-зависимую РНК полимеразу. РНК-содержащие.

1. Рибовирусы с позитивным геномом (плюс-нитиевые): пикор-

на-, тога-, коронавирусы. Транскрипции нет.

РНК -->белок

2. Рибовирусы с негативным геномом (минус- нитиевые): грипп,

корь, паротит, орто-, парамиксовирусы.

(-)РНК --> иРНК --> белок (иРНК комплементарная (-)РНК) Этот процесс идет при участии специального вирусного фермента - вирионная РНК-зависимая PHK-полимераза ( в клетке такого фермента быть не может).

3. Ретровирусы

(-)РНК -> ДНК --> иРНК -->белок (и РНК гомологична РНК) В этом случае процесс образования ДНК на базе (-)РНК возможен при участии фермента - РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы или ревертазы)

- Четвертая фаза - синтез компонентов вириона. Нуклеиновая кислота вируса образуется путем репликации. На рибосомы клетки транслируется информация вирусной иРНК, и в них синтезируется вирус-специфический белок.

- Пятая фаза - сборка вириона. Путем самосборки образуются нуклеокапсиды.

- Шестая фаза - выход вирионов из клетки. Простые вирусы, например, вирус полиомиелита, при выходе из клетки разрушают ее. Сложноорганизованные вирусы, например, вирус гриппа, выходят из клетки путем почкования. Внешняя оболочка вируса (суперкапсид) формируется в процессе выхода вируса из клетки. Клетка при таком процессе на какое-то время остается живой.

Описанные типы взаимодействия вируса с клеткой называются продуктивными, так как приводят к продукции зрелых вирионов.

Иной путь - интегративный - заключается в том, что после проникновения вируса в клетку и "раздевания" вирусная нуклеиновая кислота интегрирует в клеточный геном, то есть встраивается в определенном месте в хромосому клетки и затем в виде так называемого прови-руса реплицируется вместе с ней. Для ДНК- и РНК-содержащих вирусов этот процесс совершается по-разному. В первом случае вирусная ДНК интегрирует в клеточный геном. В случае РНК-содержащих вирусов вначале происходит обратная транскрипция: на матрице вирусной РНК при участии фермента "обратной транскриптазы" образуется ДНК, которая встраивается в клеточный геном. Провирус несет дополнительную генетическую информацию, поэтому клетка приобретает новые свойства. Вирусы, способные осуществить такой тип взаимодействия с клеткой, называются интегративными. К интегративным вирусам относятся некоторые онкогенные вирусы, вирус гепатита В, вирус герпеса, вирус иммунодефицита человека, умеренные бактериофаги.

Кроме обычных вирусов, существуют прионы - белковые инфекционные частицы, не содержащие нуклеиновую кислоту. Они имеют вид фибрилл, размером до 200 нм. Вызывают у человека и у животных медленные инфекции с поражением мозга: болезнь Крейтцфельда-Якоба, куру, скрепи и другие.

Методы культивирования вирусов

Вирусы - строгие внутриклеточные паразиты, поэтому их можно выращивать только в живых клетках. Для культивирования вирусов используют лабораторных животных, развивающиеся куриные эмбрионы и культуры клеток.

Лабораторные животные: белые мыши (для вирусов гриппа, Коксаки), кролики (вирус бешенства). Индикацию, то есть обнаружение вируса, проводят на основании развития типичных признаков заболевания и изменений органов животного.

Куриные эмбрионы 5-19-дневной инкубации пригодны для культивирования большинства вирусов: Преимущества метода: стерильность и отсутствие скрытых вирусных инфекций, возможность получения вирусов в больших количествах, простота техники работы. В зависимости от цели и от вида вируса материал вносят на хорион-аллантоисную оболочку, в аллантоисную полость, желточный мешок, амниотическую полость. Индикацию вирусов проводят по характеру колоний вируса на хорион-аллантоисной оболочке. В аллантоисной жидкости вирусы обнаруживают по реакции гемагглютинации. Эта реакция основана на способности вируса гриппа и некоторых других вирусов агглютинировать (склеивать) куриные эритроциты.

Культура клеток - это клетки из органа животного или человека, которые живут и размножаются вне организма в питательном растворе (в среде 199 или в среде Хенкса). Культивирование в культуре клеток - один из наиболее распространенных методов в вирусологии. Чаще всего применяются однослойные культуры клеток, прикрепленные к стенкам пробирок или плоских флаконов. Различают несколько типов культур.

1) первично-трипсинизированные, которые получают, обрабатывая трипсином исходную ткань, например, почки обезьян, или эмбриональную ткань человека. Культура клеток используется однократно.

2) перевиваемые культуры клеток способны размножаться при многократных посевах на свежие питательные среды. Они могут поддерживаться в лаборатории путем постоянных пересевов в течение десятков лет. Во многих лабораториях применяются перевиваемые культуры, полученные из раковой ткани человека: HeLa, ИЕр-2 и др.

3) полуперевиваемые культуры клеток - это, например, диплоидные клетки из фибробластов человеческого эмбриона, способные размножаться в течение 40-50 пассажей (пересевов), сохраняя исходный диплоидный набор хромосом.

Обнаружение вирусов в культуре клеток. Вирусы в культуре клеток обнаруживаются по цитопатическому действию (ЦПД), которое вызывают многие вирусы, например, вирус полиомиелита. ЦПД проявляется в дегенерации и разрушении клеток, или в формировании многоядерных клеток.

ЦПД можно обнаружить по цветной пробе. Для этого используют клетки, помещенные в питательную среду с индикатором, например, метиловым красным. При размножении незараженных клеток образуются кислые продукты метаболизма, и индикатор меняет цвет на желтый. Если клетки заражены вирусом, происходит нарушение нормального метаболизма клеток, и цвет среды не меняется.

Репродукцию вируса в клетке можно обнаружить и по образованию внутриклеточных включений.

Для подсчета количества вирионов используют метод бляшек. Клеточный монослой, покрытый тонким слоем агара, в плоском флаконе, заражают вирусом и по количеству бляшек или "стерильных пятен" подсчитывают количество вирионов. Считается, что одна бляшка образуется при размножении одного вириона.

Репродукцию вируса в клетке можно обнаружить также по реакции гемадсорбции. Это вариант реакции гемагглютинации. Эритроциты, внесенные в культуру клеток, адсорбируются на поверхности клеток, зараженных вирусом. Реакцию применяют, например, для обнаружения вируса гриппа.

ГЛАВА 7 БАКТЕРИОФАГИ И БАКТЕРИОФАГИЯ

Явление бактериофагии открыл и изучил французский микробиолог д'Эррель. В 1917 г. он наблюдал лизис культуры бактерий дизентерии после внесения в нее фильтрата испражнений больного, выздоравливающего от дизентерии. При многократных пассажах, то есть переносе из одной культуры в другую, фильтраты сохраняли свою лизирующую активность и даже усиливали ее. Ученый сделал из этого правильный вывод о том, что лизирующий агент - живой и при пассажах размножается в бактериях. Д'Эррель назвал этот агент бактериофагом (лат. phagos -пожирающий), а само явление лизиса - бактериофагией.

Позже было подтверждено, что бактериофаг - живой. Это вирус бактерий, он размножается в бактериях, вызывая их лизис. Добавление бактериофага в культуру бактерий на жидкой питательной среде вызывает просветление среды. На плотных питательных средах при посеве смеси бактерий и бактериофага на фоне сплошного роста бактерий появляются стерильные пятна или негативные колонии фагов (рис. 8).

Бактериофаг и специфичны, то есть лизируют определенные виды бактерий. Отсюда их названия: дизентерийный бактериофаг, стафилококковый бактериофаг. Обнаружены фаги не только бактерий, но и актиномицетов.

В практической медицине бактериофаги нашли применение как лечебные и профилактические средства,

Важное значение имеет то, что на примере бактериофагии были открыты и изучены многие проблемы общей вирусологиии и молекулярной генетики.

Структура бактериофагов

Размеры бактериофагов колеблются от 20 нм до 200 нм. Как все вирусы, содержат ДНК, или РНК, и белковый капсид. Чаще всего встречаются и лучше изучены бактериофаги, имеющие форму сперматозоида или головастика. Состоят они из головки, хвостового отростка, батальной пластинки с короткими шинами и хвостовыми нитями. Внутри головки располагается спирально скрученная пить ДНК, покрытая белковым капсидом. Хвостовой отросток - что полый цилиндрический стержень, окруженный сократительным чехлом. Базальная пластинка и нити осуществляют процесс адсорбции бактериофага на бактериальной клетке (рис. 9). Существуют бакте-риофаш. имеющие другое строение: с короткими отростком, с отростком без сократительного чехла, без отростка, нитевидной формы.

Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой

Как все вирусы, бактериофаги не размножаются на питательных средах. Их размножение происходит только в чувствительных к ним бактериальных клетках, в процессе взаимодействия, в котором наблюдаются те же фазы, что при взаимодействии других вирусов с клеткой.

Адсорбция бактериофага. Как все вирусы, фаги неподвижны, и столкновение с бактерией происходит случайно, затем адсорбция становится прочной, если у клетки имеются на поверхности фагос-пецифические рецепторы. Фаги, имеющие сократительный чехол, адсорбируются с помощью хвостового отростка.

Внедрение фага внутрь клетки. Под действием фермента лизо-цима, который находится в хвостовом сегменте, в клеточной стенке бактерии образуется отверстие. Через это отверстие в результате сокращения хвостового чехла внутрь бактериальной клетки переходит ДНК фага. Белковый капсид остается снаружи.

Синтез ДНК и белка бактериофага. В клетке прекращается синтез бактериальных белков. Образуются фаговые ДНК, а на рибосомах бактерий синтезируются молекулы фагового белка.

Формирование фага. Сборка зрелых фагов из ДНК и капсида происходит в цитоплазме клетки. Выход зрелых фагов из клетки происходит при разрушении бактерий с помощью лизоцима, а затем зрелые фаги внедряются в новые клетки.

"Урожай" фага, в зависимости от его вида, составляет от 20 до 200 частиц. Весь цикл взаимодействия, занимающий от 10 минут до нескольких часов, называется литическим циклом, а фаг при таком взаимодействии - вирулентным.

В отличие от вирулентных, умеренные фаги не лизируют бактерии. Их геном, проникнув в клетку, встраивается в хромосому бактерии и в дальнейшем остается в хромосоме в виде профага и реплицируется вместе с ней. Бактерии, несущие профаг, называются лизогенными, а само явление - лизогенией. Лизогенные бактерии встречаются очень часто. Профаг, находясь в геноме бактерии, придает ей какие-либо новые свойства. Так, например, продукция экзотоксина у палочек дифтерии и ботулизма связана с наличием профага.

В определенных условиях (воздействия температуры, химических веществ и др.) профаги могут превратиться в вирулентные бактериофаги. Размножаясь, они лизируют бактерии и могут переходить в другие бактериальные клетки. При выходе из хромосомы профаг может захватить соседние гены бактериальной хромосомы и при заражении другой бактерии, встроившись в ее хромосому, передать эти гены. Передача генетического материала от одной бактерии к другой с помощью умеренного бактериофага называется трансдукцией. Таким образом могут передаваться такие признаки, как устойчивость к антибиотикам, способность продуцировать какие-либо ферменты. Умеренные бактериофаги применяются в генетической инженерии в качестве вектора - переносчика генов.

Практическое значение бактериофагов

Препараты бактериофагов применяются для диагностики, профилактики и лечения. Фагодиагностика основана на специфичности бактериофагов: видоспецифические бактериофаги лизируют только определенные виды бактерий. Более того, бактерии одного и того же вида различаются по чувствительности к разным типовым бактериофагам, Таким образом можно с помощью набора типовых бактериофагов определять фаговары стафилококков, сальмонелл, вибрионов, Фаготипирование помогает установить источник инфекции и пути передачи.

Лечебно-профилактическое действие фагов основано на их литической активности.

Для получения препарата бактериофага культуру бактерий заражают бактериофагом. На следующий день лишрованную культуру фильтруют через бактериальный фильтр. К фильтрату в качестве консерванта добавляют хинозол.

Для количественной характеристики бактериофагов используют такой критерий, как титр бактериофага. Титр фага можно выразить двумя показателями:

1) наибольшее разведение препарата, при котором бактериофаг

лизирует соответствующие бактерии:

2) количество активных корпускул бактериофага в 1 мл препарата. Методы титрования бактериофага:

1) метод серийных разведении в пробирках с жидкой питательной

средой по Аппсльману;

2) двуслойный агаровый метод, при котором подсчитывают число негативных колоний фага на фоне сплошного роста бактерий - метод Грациа.

Готовый жидкий препарат бактериофага должен быть совершенно прозрачным. При кишечных инфекциях препарат применяют вместе с раствором питьевой соды, так как кислое содержимое желудка разрушает бактериофаг. Препараты некоторых бактериофагов для инъекций и местного применения выпускают в ампулах. Для приема внутрь препараты бактериофагов выпускаются также в виде таблеток с кислотоустойчивым покрытием, которое в щелочной среде тонкого кишечника растворяется. В качестве покрытия применяется пектин или ацетилфталилцеллюлоза (ЛФП).

В нашей стране выпускаются препараты дизентерийного, сальмонсллезного, коли-протейпого, стафилококкового и других бактериофагов, а также наборы типовых фагов для фаготиинрования стафилококков, брюшнотифозных и других бактерий.

ГЛАВА 8 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ (МИКРОЭКОЛОГИЯ)

Экологическая микробиология изучает взаимоотношения микро-и макроорганизмов, совместно обитающих в биотопах. Это часть общей экологии - науки, изучающей взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и с окружающей средой.

Основные понятия:

- биотоп - участок биосферы с относительно однородными условиями жизни;

- популяция - совокупность особей одного вида, обитающих в определенном биотопе;

- микробиоценоз - сообщество популяций разных микроорганизмов, обитающих в определенном биотопе;

- экосистема (экологическая система) - совокупность организмов и среды их обитания, то есть система, состоящая из биотопа и биоценоза;.

- геосфера - почвенная экосистема;

- гидросфера - водная экосистема;

- атмосфера - воздушная экосистема;

- биосфера - общая сумма всех экосистем, область распространения жизни на Земле.

В зависимости от среды обитания микроорганизмы разделяют на свободноживущяе и симбионты. Свободноживущие заселяют почву, воду, воздух и различные объекты внешней среды. В природе микроорганизмы распространены гораздо шире, чем другие живые существа. Благодаря малым размерам, приспособляемости к изменению условий существования, разнообразию источников питания, микроорганизмы можно обнаружить там, где другие живые существа жить не могут.

Характеризуя микрофлору почвы, воды и воздуха, целесообразно придерживаться определенного плана:

1) постоянная микрофлора данной среды;

2) значение данной среды как фактора передачи возбудителей заболеваний;

3) определение микробной флоры.

При исследовании объектов внешней среды методами санитарной микробиологии определяются количественные показатели - общее количество микроорганизмов в определенном объеме. Важной задачей исследования является обнаружение патогенных микробов и их токсинов. Однако непосредственное их выявление представляет значительные трудности. Причина в том, что патогенные микроорганизмы встречаются во внешней среде непостоянно, обычно в небольших количествах, их трудно культивировать на питательных средах, некоторые из них вообще не культивируются на искусственных средах. Поэтому возможное загрязнение внешней среды патогенными микробами определяют по косвенному показателю - обнаружению санитарно-показа-тельного микроорганизма.

В качестве санитарно-показательных выбирают те микробы, которые постоянно и в больших количествах содержатся в тех выделениях человека, которые для данной среды наиболее опасны. Сроки их выживания во внешней среде должны совпадать примерно со сроками выживания патогенных микробов. Санитарно-показательные микроорганизмы не должны интенсивно размножаться во внешней среде и должны легко обнаруживаться при лабораторном исследовании.

Микрофлора почвы

Почва является основной средой обитания многих микроорганизмов, которые вместе с растениями и животными составляют разнообразные биогеоценозы. Состав микробиоценозов почвы зависит от многих внешних факторов, в том числе от агротехнических мероприятий, таких как вспашка, внесение удобрений, ядохимикатов.

Самый поверхностный тонкий слой почвы содержит мало микроорганизмов, так как они погибают под влиянием солнечных лучей и высушивания. Наиболее обильна микрофлора почвы на глубине 10-20 см, а в более глубоких слоях количество микробов уменьшается.

Видовой состав почвенной микрофлоры весьма разнообразен: анаэробные и аэробные бактерии, грибы, простейшие, вирусы.

Значение микрофлоры почвы велико для круговорота веществ в природе. Микробы осуществляют разложение и минерализацию органических животных и растительных остатков, попадающих в почву, процесс очищения ее от нечистот и отбросов.

Среди патогенных микробов имеются такие, для которых почва является постоянным местом обитания. Это возбудители ботулизма, ак-тиномицеты и грибы - возбудители микозов. Вторая группа - это спо-рообразующие бациллы и клостридии, которые попадают в почву с выделениями человека и животных и могут длительно здесь сохраняться в виде спор. Это бациллы сибирской язвы, клостридии столбняка и газовой анаэробной инфекции.

К третьей группе относятся неспорообразующие бактерии и вирусы, которые попадают в почву с выделениями человека и животных, сохраняются здесь в течение нескольких дней и месяцев. Это бактерии - возбудители брюшного тифа и дизентерии, палочки туберкулеза, лептоспиры, вирусы. Значение почвы как фактора передачи при этих инфекциях относительно невелико.

Микробиологическое исследование почвы имеет значение при строительстве жилищ, детских учреждений, водохранилищ. Пробы почвы берут из глубины. Определяют микробное число - общее количество микроорганизмов в 1 г почвы и наличие санитарно-показательных микроорганизмов. Присутствие в почве Escherichia coli и Streptococcus faecalis указывает на свежее фекальное загрязнение, бактерий рода

Citrobacter и Enterobacter - на несвежее, a Clostridium perfringens - на давнее.

Микрофлора воды

Вода открытых водоемов, подобно почве, является естественной средой обитания многих видов бактерий, грибов, вирусов, простейших. В воде обитают также различные виды микробов, принимающих участие в круговороте веществ в природе и способствующих самоочищению воды благодаря разложению органических соединений. Характер микрофлоры воды зависит от многих причин, и в особенности от загрязнения стоками ливневых, фекальных и промышленных нечистот. По мере удаления от населенных пунктов число микробов постепенно уменьшается. Наиболее чистыми являются воды глубоких артезианских скважин и родников.

Вода имеет эпидемиологическое значение как фактор передачи инфекций. Наблюдались водные эпидемии холеры, брюшного тифа, леп-тоспирозов и других инфекционных болезней.

Санитарно-гюказательными микроорганизмами для воды являются бактерии группы кишечной палочки (БГКП), принадлежащие к разным родам семейства энтеробактерий. Санитарно-микробиологическое состояние воды оценивается по следующим показателям:

1) микробное число - общее количество бактерий в 1 мл воды;

2) коли-титр - наименьший объем воды в миллилитрах, в котором обнаруживаются БГКП;

3) коли-индекс - количество БГКП в 1 литре воды;

4) кроме того, в воде определяют наличие патогенных и условнопатогенных микроорганизмов: энтерококков, сальмонелл, холерного вибриона, энтеровирусов.

В соответствии с ГОСТом на питьевую водопроводную воду, микробное число ее должно быть не более 100, коли-титр должен быть не ниже 300, коли-индекс - не более 3.

Микрофлора воздуха

В воздух микробы попадают из почвы с поверхностей растений и животных, а также с промышленными отходами некоторых предприятий. В отличие от воды и почвы, где микробы могут размножаться, в воздухе они только сохраняются в течение некоторого времени, а затем гибнут вследствие высыхания и влияния солнечных лучей. Устойчивые к таким воздействиям микроорганизмы могут долго сохраняться в воздухе. Это споры грибов, споры бактерий, сарцины и другие кокки, образующие пигменты. Больше всего микробов в воздухе промышленных городов, меньше всего - в воздухе лесов и гор. В открытом воздухе количество микробов летом больше, чем зимой, в воздухе закрытых помещений - наоборот.

...