Мир микроорганизмов в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Мир микроорганизмов в природе

микроорганизм бактерия гриб вегетативный

1.1 Роль микроорганизмов в круговороте веществ

С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения, водоросли и цианобактерии, фиксирующие СО₂ в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО₂. При аэробном разложении органических веществ образуются СО₂ и вода, а при анаэробном брожении -- кислоты, спирты, СО₂. Так, при спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Процессы пропионовокислого (вызываемого пропионибактериями), маслянокислого, ацетонобутилового (вызываемых клостридиями) и других видов брожения сопровождаются образованием различных кислот и диоксида углерода.

Круговорот азота. Атмосферный азот связывают только клубеньковые бактерии и свободноживущие микроорганизмы почвы. Органические соединения растительных, животных и микробных остатков подвергаются в почве минерализации микроорганизмами, превращаясь в соединения аммония. Процесс образования аммиака при разрушении белка микроорганизмами получил название аммонификации, или минерализации азота. Активно разрушают белок такие бактерии, как псевдомонады, протей, бациллы, клостридии. При аэробном распаде белков образуются диоксид углерода, аммиак, сульфаты и вода; при анаэробном -- аммиак, амины, диоксид углерода, органические кислоты, индол, скатол, сероводород. Разложение мочевины, выделяющейся с мочой, осуществляют уробактерии, расщепляющие ее до аммиака, диоксида углерода и воды. Образующиеся аммонийные соли в результате ферментации бактериями органических соединений могут использоваться высшими зелеными растениями. Но наиболее усвояемыми для растений являются нитраты -- азотнокислые соли. Эти соли появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Данный процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, его вызывающие, -- нитрифицирующими. Нитрифицирующие бактерии выделил и описал русский ученый С.Н. Виноградский (1890--1892). Нитрификация проходит в две фазы: первую фазу осуществляют бактерии рода нитрозомонас и др., при этом аммиак окисляется до азотистой кислоты, образуются нитриты; во второй фазе участвуют бактерии рода нитробактер и др., при этом азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Две фазы нитрификации являются примером метабиоза -- взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма.

Нитраты повышают плодородие почвы, однако существует и обратный процесс: нитраты могут восстанавливаться в результате процесса денитрификации до выделения свободного азота, что обедняет его запас в виде солей в почве, приводя к снижению ее плодородия.

Использование микроорганизмов человеком. Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, домашнем хозяйстве, микробиологической промышленности для получения аминокислот, ферментов, органических кислот, витаминов и др. К классическим микробиологическим производствам относится виноделие, пивоварение, приготовление хлеба, молочнокислых продуктов и пищевого уксуса. Например, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста невозможны без использования дрожжей -- сумчатых грибов, широко распространенных в природе. История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 г. была основана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью около 70 %, которые могли храниться всего несколько недель. Длительное хранение было невозможно, так как клетки прессованных дрожжей оставались живыми, сохраняли свою активность, что и приводило к их автолизу и гибели. Одним из способов промышленного консервирования дрожжей стало высушивание. В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в анабиотическом состоянии и может сохраняться длительное время. Первые сухие дрожжи появились в 1945 г. В 1972 г. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные дрожжи. С середины 1990-х годов появилось третье поколение сухих дрожжей: пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые объединили достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специализированных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи позволяют не только улучшить качество хлеба, но и активно противостоять процессу черствения. Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются и в производстве этилового спирта. Виноделие использует множество разных рас дрожжей, чтобы получить уникальную марку вина с только ему присущими качествами.

Молочнокислые бактерии принимают участие в приготовлении таких пищевых продуктов, как квашеная капуста, соленые огурцы, маринованные маслины и множество других маринованных продуктов. Молочнокислые бактерии преобразуют сахар в молочную кислоту, которая предохраняет пищевые продукты от гнилостных бактерий. С помощью молочнокислых бактерий готовят большой ассортимент молочнокислых продуктов, творог, сыр. Однако многие микроорганизмы играют отрицательную роль в жизни человека, являясь возбудителями болезней человека, животных и растений; они могут вызывать порчу пищевых продуктов, разрушение различных материалов и т.п. Для противоборства с такими микроорганизмами были открыты антибиотики -- пенициллин, стрептомицин, грамицидин и др., которые являются продуктами метаболизма грибов, бактерий и актиномицетов.

Микроорганизмы дают человеку необходимые ферменты. Так, амилазу используют на предприятиях пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Протеаза вызывает разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазу из грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. В настоящее время ее используют при производстве моющих средств. При консервировании фруктовых соков применяют такой фермент, как пектиназа. Микроорганизмы используют для очистки сточных вод, переработки отходов пищевой промышленности.

При анаэробном разложении органического вещества отходов образуется биогаз. В последние годы появились новые производства. Из грибов получают каротиноиды и стероиды. Бактерии синтезируют многие аминокислоты, нуклеотиды и другие реактивы для биохимических исследований.

1.2 Основные вехи истории микробиологии

Основные вехи истории микробиологии, связанные с именами известных естествоиспытателей и микробиологов Микробиологию развивали большие и малые открытия известных и менее известных естествоиспытателей и микробиологов. Иногда это были драматические открытия, особенно в медицинской микробиологии, когда микробиологи, прививая возбудитель себе лично, погибали.

Первооткрывателем микроорганизмов был голландец Антони ван Левенгук (1632 --1723), сконструировавший первый микроскоп в 1676 г. А. Левенгук впервые увидел в прозрачной капле воды множество бактерий, которых он назвал «маленькими зверушками». В 1695 г. он издал книгу «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком». К миру микроорганизмов было привлечено всеобщее внимание, началось описание разных представителей диковинного микроскопического мира. Однако ученые того времени не подозревали о роли, которую играют микроорганизмы в природе. Для них это были лишь весьма курьезные интересные существа.

Накопление знаний о микроорганизмах длилось довольно долго, около 100 лет, так как было крайне трудно их изучать. Этот период принято называть описательным. В XVIII в. шведский естествоиспытатель К.Линней (1707--1778), создатель системы животного и растительного мира, объединил все микроскопические существа в один род, который он назвал «хаос». В одной из работ К.Линней отнес бактерии к червям и высказал мысль о безнадежности более точного познания этих невидимых существ. Однако развитие техники и различных отраслей естествознания в XIX в. дали толчок развитию и микробиологии, которая из описательной постепенно превращалась в исследовательскую, физиологическую науку.

Начало нового этапа микробиологии, названного физиологическим, связано с именем французского микробиолога Л. Пастера (1822--1895), который впервые показал огромную роль микроорганизмов как возбудителей разнообразных биохимических превращений и заболеваний человека. Многочисленные исследования Л. Пастера открыли новый период в развитии микробиологии, который назвали физиологическим и который продолжается до настоящего времени. Первый период научной деятельности Л. Пастера связан с изучением различных видов брожения. Л. Пастер установил, что каждый вид брожения имеет свои возбудители, живущие без воздуха. Было открыто явление анаэробиоза, что имело большое значение для создания теории брожения. Л. Пастер доказал, что микроорганизмы вызывают болезни вина и пива, гниение и распад мочевины.

Второй период научной деятельности Л. Пастера был посвящен изучению возбудителей заболеваний и знаменуется тем, что в это время им были открыты возбудители таких заболеваний, как сибирская язва и бешенство. Против бешенства он создал вакцину. Невозможно переоценить значение открытий Л. Пастера. Его имя навсегда вписано в историю микробиологии. Он первым доказал, что микроорганизмы энергично воздействуют на окружающую природу, в том числе на человека и на пищевые продукты основу жизни человека. В 1885 г. в лаборатории Л. Пастера был изготовлен первый автоклав.

Одним из основоположников современной бактериологии является немецкий микробиолог Р. Кох (1843--1910), доказавший бактериальную природу сибирской язвы. Р. Кох сфотографировал бациллы сибирской язвы и стал основателем микробиологической фотографии. Им был открыт и изучен возбудитель такого заболевания, как туберкулез -- Mycobacterium tuberculosis, который в его честь назван палочкой Коха. Р. Кох открыл также холерный вибрион. Имя Коха золотыми буквами вписано в историю микробиологии. Много времени Р. Кох уделял разработке микробиологических методов исследования: им сконструирован осветительный аппарат к микроскопу, разработан метод микрофотографирования и окрашивания бактерий анилиновыми красителями. Но самым существенным для дальнейшего развития микробиологии было его предложение о введении в микробиологию твердых питательных сред с использованием желатина, а позднее агар-агара. Этот метод дал возможность получать микроорганизмы в виде чистых культур, что открыло совершенно новые подходы для более углубленного изучения микроорганизмов.

Один из сотрудников Р. Коха -- Робер Петри -- предложил особую стеклянную посуду, которую знают и используют микробиологи всего мира, -- чашку Петри. Второй сотрудник -- Джон Тиндаль -- предложил многократное нагревание сред для их стерилизации, получившее название «тиндализация».

Голландским микробиологом М. Бейеринком (1851--1931) была создана знаменитая школа физиологии микроорганизмов в г. Дельфте. Ученый рассматривал очень широкий круг вопросов микробиологии: выделил клубеньковые бактерии, а затем азотфиксирующую бактерию Azotobacter chroococcum. Он занимался изучением процесса денитрификации и др.

В 1921 г. М. Бейеринка сменил А. Клюйвер (1888--1956). Если у М. Бейеринка кафедра была научным Олимпом, где открывались все новые и новые типы микроорганизмов, то у А. Клюйвера кафедра стала мастерской, где учитель вместе с учениками изучал разнообразную биохимическую активность микроорганизмов. На кафедру А. Клюйвера стекались молодые микробиологи из многих стран мира. После работы в Дельфте они возвращались в свои страны и там открывали новые центры изучения физиологии микроорганизмов.

Родоначальником русской микробиологии можно считать И.И. Мечникова (1845--1916). Классические работы И.И. Мечникова положили начало новому этапу в развитии микробиологии. И.И. Мечников работал в основном с патогенными микроорганизмами. Центральная проблема его исследований -- изучение взаимоотношений микроба (паразита) и хозяина (человека). В результате многосторонних и многолетних исследований И.И. Мечников создал фагоцитарную теорию иммунитета, т.е. невосприимчивости человека к повторному заражению после перенесенного инфекционного заболевания. Им было доказано, что защита организма от патогенных микробов является сложной биологической реакцией, которая связана со способностью белых кровяных телец (фагоцитов) захватывать и разрушать посторонние тела, попавшие в организм. Л. Пастер и И.И. Мечников положили начало изучению антагонизма микробов, что явилось основой самостоятельной науки об антибиотиках.

В конце XIX в. русский микробиолог Д.И. Ивановский (1864--1920) открыл вирус табачной мозаики, чем положил начало новой науки -- вирусологии. Спустя годы были открыты вирусы многих болезней растений, животных и человека. Сейчас известно более 500 видов вирусов, которые угрожают человеку, животным и растениям.

Советским микробиологом Н.Ф. Гамалея (1859--1949) был открыт возбудитель холеры птиц -- бактериолизин. Н.Ф. Гамалея было обосновано значение дезинсекции для ликвидации сыпного и возвратного тифов. Н.Ф. Гамалея был организатором первой в России пастеровской станции в Одессе по прививкам против бешенства в 1886 г. Вся деятельность Н.Ф. Гамалея была направлена на решение важнейших вопросов здравоохранения в нашей стране.

Огромный вклад в развитие микробиологии внес русский и советский микробиолог С.Н. Виноградский (1856--1953), много лет изучавший автотрофные бактерии. Вслед за изучением серобактерий и железобактерий С.Н. Виноградский занялся изучением химических превращений аммиака в почве. В 1890 г. он выделил автотрофные нитрифицирующие бактерии, обладающие способностью превращать почвенный аммиак сначала в нитриты, а затем в нитраты. В 1893 г. Виноградский открыл в почве свободноживущие бактерии, фиксирующие азот атмосферы. Он ввел в микробиологическую практику элективные (специфические) среды, пригодные только для роста бактерий с особыми потребностями. Исследования С.Н. Виноградского по физиологии микроорганизмов дали возможность русской микробиологии занять ведущее место в мировой науке о микроорганизмах. С.Н. Виноградский является основоположником сельскохозяйственной микробиологии.

Значительный вклад в физиологию микроорганизмов внес русский советский микробиолог С.П. Костычев (1877--1931), считавший, что физиология начинается там, где изучаются свойства микроорганизмов как целого сложного аппарата. Он исследовал химию и биохимию спиртового брожения; изучал и организовывал производство лимонной кислоты из сахара грибом Asp.niger.

Русским и советским микробиологом В.Л. Омелянским (1867--1928), учеником С.Н. Виноградского, был написан первый учебник по микробиологии на русском языке «Основы микробиологии» (1909 г.), за 30 лет выдержавший 9 изданий. Кроме этого учебника В.Л. Омелянский написал «Практическое руководство по микробиологии». Эти книги до сих пор сохранили свою значимость. По этим учебникам учились многие поколения русских и советских микробиологов.

Советские микробиологи академик В.Н. Шапошников (1884--1968) и профессор Ф.М. Чистяков (1898--1959) в 1930 г. основали завод по производству ацетона и бутилового спирта с использованием бактерий. В.Н. Шапошников написал первый в СССР учебник «Техническая микробиология», за который он в 1950 г. получил Государственную премию.

Итак, этап за этапом развивалась микробиология. Чем больше микробиологи открывали новых видов микроорганизмов и глубже узнавали их свойства, тем больше появлялось новых необходимых продуктов. Но наряду с этим все острее вставали вопросы порчи пищевых продуктов. Из недр фундаментальной микробиологии выделилась пищевая микробиология, объектом изучения которой стали микроорганизмы, как используемые для получения пищевых продуктов, так и вызывающие порчу этих продуктов.

Одним из основателей пищевой микробиологии в СССР является Я.Я. Никитинский (младший) (1871--1941), написавший курс пищевой микробиологии. Совместно с профессором Б.С. Алеевым было написано учебное пособие по микробиологии скоропортящихся продуктов и руководство к практическим работам по микробиологии для студентов, изучающих товароведение продовольственных товаров, общественное питание. Работы Я.Я. Никитинского и его учеников послужили основой для создания консервного производства и холодильного хранения пищевых продуктов. Основоположниками микробиологии молока и молочных продуктов являются С.А. Королев (1876--1932) (Вологодский молочный институт) и А.Ф. Войткевич (1875--1950) (Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева).

В настоящее время все отрасли пищевой промышленности имеют свои научно-исследовательские институты с крупными микробиологическими лабораториями, изучающими микроорганизмы, используемые в данной отрасли. На всех предприятиях пищевой промышленности созданы заводские микробиологические лаборатории, которые строго контролируют технологический процесс и качество готовых пищевых продуктов. Место микроорганизмов среди живых организмов. Во второй половине XIX в. немецкий биолог Э. Геккель (1834--1919) выделил микроорганизмы в отдельное (третье) царство Protista (протиста) (гр. protos -- самый простой), так как они существенно отличаются и от животных, и от растений.

Позднее царство Protista подразделили на высшие и низшие протесты, потому что было выявлено два типа клеточной организации -- эукариотный и прокариотный (термины предложены протозоологом Э. Шаттоном в 30-х гг. XX в.). В прокариотной клетке нет ядра, а есть только одна внутренняя полость, образуемая клеточной оболочкой. В эукариотной клетке есть ядро и вторичная полость, так как ядерная мембрана отграничивает ДНК от остальной цитоплазмы. Кроме того, есть еще мембраны хлоропластов, митохондрий и других органелл. Так как прокариотная и эукариотная организации клеток принципиально различны, было предложено все клеточные организмы подразделить на прокариоты и эукариоты. Исследования продолжались, и в 1938 г. было выделено царство Мопега, в которое были включены бактерии, актиномицеты, цианобактерии. В 1969 г. все живые организмы были подразделены на пять царств: Protista, Мопега, Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные). Такое подразделение стало наиболее популярным. Для подразделения живых существ на пять царств были использованы два критерия -- структурный и экологический. По структурному критерию живые организмы были подразделены на три царства: прокариоты (бактерии), одноклеточные и многоклеточные эукариоты. По экологическому критерию многоклеточные эукариоты, в свою очередь, были подразделены на три царства: растения (Plantae), грибы (Fungi) и животные (Animalia), различающиеся по способу питания. Так, растения обладают фототрофным типом питания за счет фотосинтеза, грибы -- осмотрофным (абсорбционным) типом питания, животные -- голозойным типом питания, заключающимся в захватывании и переваривании твердой пищи. Микроорганизмы занимают три царства: Monera, Protista и Fungi. Кроме того, в изучаются вирусы, которые являются крупнейшими молекулами и в то же время наименьшими формами живой материи. Вирусологи рассматривают их как воспроизводящиеся в организме информационные макромолекулы, которые сами по себе организмами не являются. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру удалось только после изобретения электронного микроскопа. Вирусы занимают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами.

1.3 Общие свойства микроорганизмов

Микроорганизмы -- это особи, имеющие малую величину и видимые только под микроскопом. Так как микроорганизмы очень малы, их размер измеряется в микрометрах: 1 миллиметр (мм) = 1000 микрометров (мкм) = 1000000 нанометров (нм) = 10000000 ангстрем (А). Биофизики вычислили основные параметры бактериальной клетки. Например, шаровидная клетка бактерий диаметром 0,5 мкм имеет поверхность 7,9-10~9 см2, объем 6,5 * 10~14 см3, массу 6,9* 10~14 г; 1 г бактерий содержит 100 млрд клеток. Диаметр большинства бактерий не превышает тысячной доли миллиметра. Эта величина -- микрометр (мкм) -- и стала «аршином » микробиолога. Размеры мелких цианобактерий, дрожжей и простейших находятся в пределах 10 мкм. У таких малых организмов соотношение между поверхностью и объемом очень велико. Если куб с длиной граней 1 см (объем 1 см3) разбить на кубики с длиной граней 1 мкм, мы получим 1012 кубиков объемом по 1 мкм3 каждый. Суммарная поверхность этих кубиков в 10000 раз больше, чем поверхность исходного куба. Объем 1 мкм3 характерен для средней бактериальной клетки. Такое большое отношение поверхности к объему приводит к интенсивнейшему взаимодействию с внешней средой: с этим связан очень быстрый обмен веществами между средой и клеткой многих микроорганизмов. Поскольку интенсивность обмена у микроорганизмов зависит от их размера, скорости прироста микроорганизмов очень высоки. Например, в организме одного быка массой 500 кг за 24 ч образуется примерно 0,5 кг белка. За то же время 500 кг дрожжей могут синтезировать более 50000 кг белка.

Микроорганизмы отличаются очень большой гибкостью метаболизма Для бактерий высокая способность к адаптации (приспособлению) совершенно необходима из-за малых размеров. В клетке микрококка есть только несколько сотен тысяч белковых молекул. Поэтому ненужные в данное время ферменты не могут содержаться про запас. Некоторые ферменты, необходимые для переработки питательных веществ, синтезируются только тогда, когда соответствующее вещество появляется вблизи клетки. Клеточные регуляторные механизмы у микроорганизмов играют существенно большую роль и проявляются более отчетливо, чем у других живых существ. Клетку микроорганизма можно сравнить с микроскопически малой фабрикой, которая получает сырье из окружающей среды и делает из него настоящие чудеса.

Имея малую массу, микроорганизмы легко распространяются с воздушными потоками. Они существуют повсюду. Только среда определяет, какие формы будут в данном месте активно размножаться. Создавая в пробирке селективные условия, можно из небольшого количества земли, из пищевых продуктов получить накопительные культуры, а из них и чистые культуры большинства известных микроорганизмов. Велико значение микроорганизмов в природе: они разрушают трупы животных, остатки корней, стеблей и листьев растений и превращают мертвое органическое вещество в плодородный почвенный гумус, или перегной.

2. Морфология, строение, размножение и классификация прокариотных микроорганизмов (бактерий)

2.1 Форма бактерий

Существуют три основные формы бактерий - шаровидная, палочковидная и спиралевидная, большая группа нитчатых бактерий объединяет преимущественно водные бактерии и не содержит патогенных видов.

Шаровидные бактерии - кокки, подразделяются в зависимости от положения клеток после деления на несколько групп: 1) диплококки (делятся в одной плоскости и располагаются парами); 2) стрептококки (делятся в одной плоскости, но при делении не отделяются друг от друга и образуют цепочки); 3) тетракокки (делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы по четыре особи); 4) саруины (делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы кубической формы); 5) стафилококки (делятся в нескольких плоскостях без определенной системы, образуя скопления, напоминающие виноградные грозди). Средний размер кокков 1,5-1мкм.

Палочковидные бактерии имеют строго цилиндрическую или овоидную форму, концы палочек могут быть ровными, закругленными, заостренными. Палочки могут располагаться попарно в виде цепочек, но большинство видов располагается без определенной системы. Длина палочек варьирует от 1 до 8 мкм.

Спиралевидные формы бактерий подразделяют на виброны и спириллы. Изогнутость тел вибронов не превышает одной четверти оборота спирали. Спириллы образуют изгибы из одного или нескольких оборотов.

Некоторые бактерии обладают подвижность, что отчетливо видно при наблюдении методом висячей капли или другими методами. Подвижные бактерии активно передвигаются с помощью особых органелл - жгутиков либо за счет скользящих движений.

Капсула имеется у ряда бактерий и является внешним структурным компонентом. У ряда бактерий аналогом капсуле имеется образование в виде тонкого слизистого слоя на поверхности клетки. У некоторых бактерий капсула формируется в зависимости от условий их существования. Одни бактерии образуют капсулы только в микроорганизме, другие как в организме, так и вне его, в частности на питательных средах, содержащих повышенные концентрации углеводов. Некоторые бактерии образуют капсулы независимо от условий существования. В состав капсулы большинства бактерий полимиризованные полисахариды, состоящие из пентоз и аминосахаров, урановые кислоты, полипептиды и белки. Капсула не является аморфным образованием, а определенным образом структурирована. У некоторых белков, например, пневмококков, определяет их вирулентность, а также некоторые антигенные свойства.

2.2 Строение бактериальной клетки

Клеточная стенка бактерий определяет их форму и обеспечивает сохранение внутреннего содержимого клетки. По особенностям химического состава и структуры клеточной стенки бактерии дифференцируют с помощью окрашивания по грамму.

Строение у клеточной стенки различно у грамположительных и грамотрицательных бактерий. Основным слоем клеточной стенки.

Цитоплазматическая мембрана бактерии прилипает к внутренней поверхности клеточной стенки, отделяет ее от цитоплазмы и я является очень важным в функциональном отношении компонентом клетки. В мембране локализованы окислительно-восстановительные ферменты, с системой мембран связаны такие важнейшие функции клетки, как деление клетки, биосинтез ряда компонентов, хемо и фотосинтез и др. Толщина мембраны у большинства клеток составляет 7-10нм. Электрономикроскопическим метолом обнаружено, что она состоит из трех слоев: двух электронно-плотных и промежуточнно-электронно-прозрачного. В состав мембраны входят белки, фосфолипиды, микропротеины, небольшое количество углеводов и некоторых других соединений. Многие белки мембраны клетки являются ферментами, участвующие в процессах дыхания, а также в биосинтезе компонентов клетчатой стенки и капсулы. В составе мембраны также определяются пермеазы, обеспечивающие перенос в клетку растворимых веществ. Мембрана служит астрономическим барьером, она обладает избирательной полупроницаемостью и ответственна за поступление внутрь клетки питательных веществ и отходов из нее продуктов обмена.

Помимо цитоплазматической мембраны, в клетке бактерии имеются система внутренних мембран, получивших название мезосом, которые, вероятно, являются производственными цитоплазматической мембраны; их строение варьирует у разных видов бактерий. Наиболее развиты мезосомы у грамположительных бактерий. Строение мезосом неоднотипно, их полиморфизм отмечаются даже у одного и того же вида бактерий. Внутренние мембран структуры могут быть представлены простыми инвагинациями цитоплазматической мембраны, образованиями в виде пузырьков или петель (чаще у грамотрицательных бактерий) в виде вакуялярных, ламелярных, тубулярных образований. Мезосомы чаще всего локализованы у клеточной перегородки, отмечается также их связь с нуклеоидом. Поскольку в мезосомах обнаружены дыхания и окислительного фосфорилирования, многие считают их аналогами митохондрий. Клеток высших. Предполагается, что мезосомы принимают участие в делении клетки, распределении дочерних хромосом в разделяющиеся клетки и спорообразовании. С мембранным аппаратом клетки связано также функции фиксации азота, хемо- и фотосинтеза. Следовательно можно полагать, что мембрана клетки играет своего рода координирующую роль в пространственной организации в пространственной координации ряда ферментных систем и органелл клетки.

Цитоплазма и включения. Внутреннее содержание клетки состоит из цитоплазмы, представляющей собой сложную смесь различных органических соединений, находящихся в коллоидном состоянии. На ультратонких срезах цитоплазмы можно обнаружить большое количество зерен, значительная часть которых является рибосомами. В цитоплазме бактерии могут содержаться клеточные включения в виде гранул гиксогена, крахмала, жировых веществ. У ряда бактерий в цитоплазме находятся гранулы волютина, состоящих из неорганических полифосфатов, метафосфатов и соединений близких к нуклеиновым кислотам. Роль волютина до конца не ясна. Некоторые авторы на основании его исчезновения при голодании клеток рассматривают валютин как запасные питательные вещества. Валютин обладает средством к основным красителям, проявляя хромофильность метохрамазию, легко вживляется в клетках в виде крупных гранул, особенно при специальных метолах окраски.

Рибосомы бактерии являются местом синтеза белков в клетке в процессе которого образуются структуры, состоящие из большого числа рибосом, называемые полирибосомами или чаще пелисомами. В образовании полисом принимает участие м-РНК. По окончании синтеза данного белка полисомы вновь распадаются на одиночные рибосомы, или субъединицы. Рибосомы могут располагаться свободно в цитоплазме, но значительная их часть связана с мембранами клетки. На ультратонких срезах большинства бактерий рибосомы обнаруживаются в цитоплазме в виде гранул диаметром около 20 нм.

Наследственный материал. Бактерии обладают дискретной ядерной структурой, в связи со своеобразием строения, получившей название нуклоида неклеоиды бактерии. Содержат основное количество ДНК клетки. Они окрашиваются методом Фейльгена. Хорошо видны при окраске по романовскому-Шице, после кислотного гидролиза или в живом состоянии при фазово-контрастной микроскопии, а также на ультратонких срезах в электронном микроскопе. Нуклеоид определяется в виде компактного одиночного или двойного образования. У растущих культур нуклеоиды часто выглядят в виде раздвоенных образований, что отражает их деление. Митотического деления ядерных структур у бактерий не обнаружено. Форма нуклеоидов и их распределение в клетке весьма изменчивы и зависят от ряда причин, в том числе и от возраста культуры. На электронных микрофотографиях в местах расположения нуклеоидов видны светлые участки меньшей оптической плотности. Ядерная вакуоль не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой. Форма вакуоли не постоянна. Ядерные участки заполнены пучками тонких нитей, образующих сложное переплетение. В составе ядерных структур бактерий не обнаружены гистоны, предполагают, что их роль у бактерий выполняют полиамины. Ядра бактерий не похожи на ядра других организмов. Это послужило основой для выделения бактерий в группу прокариотов, в отличие от эукариотов, обладающих ядром, содержащим хромосомы, оболочку и делящиеся путем митоза. Нуклеоид бактерии соединен с мезосомой. Характер связи пока не известен. Хромосома бактерии имеет циркулярно-замкнутую структуру. Подсчитано, что длина замкнутой в кольцо ДНК клетки составляет 1100-1400мкм, а молекулярный вес 2,8*10.

Жгутики и ворсинки. На поверхности некоторых бактерий имеются органы движения - жгутики. Их можно обнаружить с помощью особых методов окраски, микрокопирования в темном поле или в электронном микроскопе. Жгутики имеют спиралевидную форму, причем шаг спирали специфичен для каждого вида бактерий. На основании количества жгутиков и их расположения на поверхности клетки различают следующие группы подвижных микробов: монотрихи, амфитрихи, лофотрихи и перетрихи. Монотрихи имеют один жгутик, расположенный на одном из полюсов клетки и реже субполярно или катерально. У амфитрихов на каждом полюсе клетки расположено по одному жгутики. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном или двух полюсах клетки. У перетрихов жгутики расположены без определенного порядка по всему телу клетки.

На поверхности некоторых бактерий (энтеробактерий), кроме жгутиков, имеются ворсинки (фимбрий, пили), видимые только под электронным микроскопом. Различают несколько морфологических типов ворсинок. Наиболее изучен первый тип (общий) и ворсинки существующие только при наличие в клетке половых факторов. Ворсинки общего типа покрывают всю поверхность клетки, состоят из белка; половых ворсинок приходится 1-4 на клетку и те и другие обладают антигенной активностью.

2.3 Пигменты бактерий

Колониям многих бактерий и грибов свойственна яркая окраска, обусловленная выделением окрашенного продукта в окружающую среду или же пигментацией самой клетки. Способность к образованию пигментов детерминирована генетически и поэтому может использоваться в качестве характерного признака. Окрашенные формы легче выявлять и идентифицировать. Среди пигментов могут встречаться представители различных классов веществ: каротиноиды, феназиновые красители, пирролы, азахиноны, антоцианы и др.

2.4 Рост и способы размножения бактерий

Рост прокариотной клетки -- это согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регулярным контролем, и приводит к увеличению массы и размеров клетки. Рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя. Наружные слои синтезируются позднее. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки. Например, у Е. coli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки. Вариантом бинарного деления является почкование, при котором на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки и отделяется от нее. Почкующиеся клетки подвергаются старению. При равновеликом бинарном делении материнская клетка дает начало двум дочерним клеткам, а сама исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке и между ними можно обнаружить морфологические различия.

Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла деления ДНК.

2.5 Спорообразование бактерий

Вегетативные клетки многих прокариот для перенесения неблагоприятных условий образуют специальные клетки (эндоспоры), обладающие повышенной устойчивостью. В основе морфологического дифференцирования лежат биохимические процессы, запрограммированные соответствующей генетической информацией. Образование эндоспор происходит только у прокариот. Эндоспора формируется внутри материнской клетки (спорангия), обладает специфическими структурами: многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом Эндоспоры устойчивы к повышенным температурам, дозам радиации, которые детальны для вегетативных клеток. К спорообразующим бактериям относится большое число прокариот из 15 родов, среди которых есть палочковидные, сферические, спириллы и нитчатые организмы. Все они имеют клеточную стенку, характерную для грамположительных прокариот. В каждой бактериальной клетке образуется, как правило, одна эндоспора.

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium. Перед спорообразованием происходит деление ДНК вегетативной клетки. Образуется тяж вдоль длинной оси клетки, затем приблизительно '/3 тяжа отделяется и переходит в формирующуюся спору в одном из полюсов клетки. 'Затем происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с ДНК обособляется от остального содержимого клеток с помощью перегородки. Перегородка формируется путем впячивания ЦПМ от периферии к центру, где срастается, и образуется споровая оболочка. Отсеченный участок «обрастает» второй мембраной и образуется проспора. На следующем этапе между мембранами проспоры начинает формироваться кортекс, а снаружи синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев.

У многих бактерий поверх покровов эндоспоры формируется еще одна структура -- экзоспориум, структура которого зависит от вида бактерий. У прокариот из рода Clostridium обнаружены придатки на экзоспориуме различного строения, иногда весьма причудливого. Функциональное значение этих выростов не выяснено. Эндоспоры прокариот характеризуются очень низким уровнем метаболизма, они очень устойчивы к воздействию факторов внешней среды: высоким и низким температурам, обезвоживанию, литическим факторам, высокой кислотности среды, радиации, механическим воздействиям и т. п. Механизмы устойчивости эндоспор пока мало изучены. Считается, что эндоспорам прокариот придают устойчивость обезвоженное состояние цитоплазмы, термостойкость споровых ферментов, наличие дипиколиновой кислоты и большое количество двухвалентных катионов. Устойчивости эндоспор способствуют также поверхностные структуры: мембраны, кортекс, покровы, механически защищающие. Эндоспора содержит почти все сухое вещество клетки, но занимает в 10 раз меньший объем. Эндоспоры не являются обязательной стадией жизненного цикла бацилл. При благоприятных условиях питания бациллы могут неограниченное время размножаться делением. Образование эндоспор начинается только тогда, когда не хватает питательных веществ и когда в избытке накапливаются продукты обмена.

В благоприятных условиях большинство эндоспор прорастает. Процент прорастания эндоспор можно увеличить, прогрев одни споры в воде при 60 °С в течение 5 мин, другие -- при 100 °С в течение 10 мин. Тепловой шок должен проводиться непосредственно перед высевом.

В пищевой промышленности для уничтожения термоустойчииых эндоспор бактерий прибегают к дорогостоящей стерилизации пищевых продуктов. Например, если при пастеризации (нагревание при 80 °С в течение 10 мин) пищевых продуктов вегетативные клетки спорообразующих бактерий и все остальные бактерии погибают, то термоустойчивые эндоспоры выдерживают значительно более сильное нагревание, а некоторые споры -- даже кипячение в течение нескольких часов.

2.6 Классификация бактерий

По мере описания все новых бактерий появилась острая необходимость систематизировать и сравнивать с известными вновь описываемые культуры. В конце XIX--начале XX в. появились определители бактерий, которые помогают классифицировать, идентифицировать вновь выделенные бактерии по определенным признакам. При классификации основной задачей является определение вида бактерий. Вид -- это группа близких между собой организмов, имеющих одинаковое происхождение и характеризующихся определенным и морфологическими, биохимическими и физиологическими при шаками, способствующими приспособлению к определенной среде обитания.

Виды объединяются в роды, роды -- в семейства, затем следуют порядки, классы, отделы, царства. Вид бактерий описывают с помощью признаков: морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и др.

Морфологическими признаками являются форма клетки, наличие или отсутствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, окрашивание по Граму. К культуральным признакам относятся общий вид бактериальной колонии, наличие пигмента и др. Физиолого-биохимическими признаками являются способ получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к факторам внешней среды и др.

Самым современным определителем для идентификации бактерий является «Краткий определитель бактерий Берги», наиболее полно описывающий известные бактерии. В 8-м издании этого определителя все бактерии, за исключением цианобактерий, сгруппированы в 19 частях.

3. Морфология, строение, размножение эукариотных микроорганизмов (мицеллиальные грибы и дрожжи)

3.1 Общая характеристика грибов

Грибы (Fungi) - это отдельное царство организмов, насчитывающее свыше 100 тысяч видов, различных по образу жизни, строению и внешнему виду. Считается, что всего на Земле полтора миллиона видов грибов. Царства живых организмов (ЦЖО) грибы Признаки животных и растений Из этих схем видно, что грибы имеют и признаки растений и признаки живот-ных, но у грибов есть и свои особенности: часть грибного организма; его плодовое тело, и самое главное в грибе - это его грибница, состоящее из множества нитей - гиф. Тело гриба представляет мицелий (грибницу), состоящий из совокупности тончайших нитей - гиф. Толщина их не превышает 5-6 мкм. Они могут быть разделены на клетки или представлять собой как бы одну разветвленную клетку. Гифы, плотно сплетаясь, образуют ложную ткань. Клетки грибов лишены пластид, сходных по составу с хитином насекомых, изредка встречается целлюлоза.

В качестве запасных веществ - углевод гликоген, масла, валютин. Крахмал не образуется. Продолжительность их жизни от нескольких дней до нескольких лет. Нахождение грибов из года в год на одном месте объясняется долговечностью мицелия. Велико так же разнообразие в строении и размерах грибов (дрожжевой гриб состоит из одной клетки микроскопических размеров, а трутовик - его мицелий пронизывает ствол дерева от основания до вершины).

Все грибы нуждаются во влаге и тепле. Оптимальная температура для большинства 20-25 градусов. Свет им не нужен. Царство грибов делится на подцарства: Низшие (у которых тело состоит из одной клетки) и Высшие (которые имеют многоклеточный мицелий). Грибы также разделяют по способам питания на паразитические, шляпочные и плесневые Широко известны шляпочные грибы -- лисички, мухоморы, белые, грузди. Пеницилл вырабатывает вещества, губительно действующие на бактерии. Их выделяют и используют для лечения воспалительных заболеваний. К этой же группе относятся дрожжи -- одноклеточные грибы, которые могут образовывать колонии, это используется в хлебопечении. Паразитические грибы живут и питаются за счет живых организмов (растений, животных и человека). Дереворазрушающие макромицеты, или ксилофаги - виды, которые поселяются на древесине.

Многие из них живут за счёт разложения живой древесины - это грибы-паразиты. Паразиты могут жить не только на деревьях, но и на других растениях: так, спорынья поражает рожь. Pleurotus ostreatus - хищный гриб. Небольшие почвенные черви нематоды прилипают к специальным выростам на грибнице таких грибов; гриб прорастает в тело червя и питается им Широко распространены в природе грибы-симбиотрофы, которые получают необходимые для жизни органические вещества.

3.2 Строение клетки грибов

Клетка большинства грибов -- это часть гифы. У аскомицетов и дсйтеромицетов мицелий делится поперечными перегородками на отдельные камеры, но называть эти камеры клетками можно с большой натяжкой, так как у многих видов грибов клетки содержат нефиксированное число ядер, редко одно, чаще 2...3 и даже 20. Клеточная перегородка имеет центральную пору, через которую из одной клетки в другую могут мигрировать питательные вещества, вирусы и даже ядра. Клетка, или камера, грибов состоит из хорошо выраженной клеточной стенки толщиной около 0,2 мкм и цитоплазмы с мембранными структурами.

Клеточная стенка. Клеточная стенка определяет устойчивую форму гифы. Она представляет собой плотную упругую полимерную структуру, выполняющую опорно-механическую функцию, защищает клетку от воздействия внешних факторов, обладает избирательной проницаемостью для веществ различной химической природы. Клеточная стенка у грибов на 80... 90 % состоит из полисахаридов, азотсодержащих (хитин) и безазотистых. В клеточной стенке содержатся также белки, липиды, полифосфаты, нуклеиновые кислоты. В состав клеточной стенки входят РНК (1 % сухой массы), ферменты, которые принимают участие в ее наращивании в длину. В наружных слоях стенки откладываются пигменты -- меланины, содержание которых составляет 2...3 % сухой массы гифы. Постоянные компоненты клеточной стенки грибов -- липиды, которые представлены в основном насыщенными жирными кислотами.

Цитоплазма. Внутреннее содержимое клетки составляет цитоплазма -- коллоидная фаза с различной степенью вязкости. Через цитоплазму осуществляется непосредственная связь между органеллами клетки. В цитоплазме располагаются ядра, мембранные структуры, рибосомы, лизосомы, ломасомы, митохондрии, вакуоли.

Ядро -- основная структура любого эукариотного организма. Оно осуществляет генетическую, формативную и метаболическую функции, контролируя дифференциацию клетки, синтез белка и других соединений, обменные процессы, размножение, синтез клеточных структур de novo. Обычно в грибной клетке содержится не одно, а несколько ядер. Ядро у грибов имеет четкие границы, определяемые двойной мембраной, содержит ядрышко и хроматиновую сеть. Ядерная мембрана имеет поры, через которые идет перенос макромолекул из ядра в цитоплазму. Размеры ядер находятся в пределах 1 ...3 мкм, но у некоторых грибов их размеры достигают 20... 25 мкм. В вегетативном мицелии по мере роста и деления клеток преимущественно осуществляется митотическое деление ядра (все стадии митотического деления ядра хорошо описаны цитологически); при образовании гамет и прорастании зиготы осуществляется мейоз. При митотическом делении ядра идет удвоение хромосом, образуется диплоидное ядро, при мейозе -- уменьшение хромосом и образование гаплоидного ядра.

В мицелии грибов могут быть одновременно ядра диплоидные и гаплоидные. Это так называемый гетерокариоз грибов.

Мембранные структуры представлены цитоплазматической мембраной, цитоплазматическим ретикулюмом и аппаратом Гольджи. Цитоплазматическая мембрана выполняет несколько функций: увеличивает поверхность клетки, участвует в транспорте веществ, осуществляет другие метаболические процессы.

Цитоплазматический ретикулюм (система внутренних мембран, или эндоплазматическая сеть) представляет собой систему канальцев, пузырьков или цистерн.

Аппарат Гольджи представляет собой группу пузырьков различного диаметра или дисковидных пластинок с одинарной мембраной. Аппарат Гольджи морфологически связан с ядерной мембраной и другими мембранами эндоплазматического ретикулюма. Роль аппарата Гольджи многогранна: это транспортная структура, а на отдельных его элементах идет синтез новых мембран.

Рибосомы -- частицы, состоящие из РНК и белков, расположены на внутренней стороне канальцев, пузырьков или цистерны цитоплазматического ретикулюма. На рибосомах осуществляется синтез белка. Рибосомы в основном содержатся в цитоплазме диффузно.

Лизосомы, являющиеся производными аппарата Гольджи, разнообразные по форме тельца. Они отшнуровываются от аппарата Гольджи в виде пузырьков и распределяются по клетке, выполняя различные функции: расщепляют белки; в них отлагаются и расщепляются все вещества, подлежащие удалению из клетки.

Ломасомы -- образования в виде пузырьков, возникающие между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной в результате отслоения мембраны от стенки. В ломасомы поступают ферменты лизиса и синтеза клеточной стенки из апикальных везикул; через них же идет ее новообразование.

Митохондрии -- структуры с двойной мембраной. Наружная поверхность митохондрий гладкая, внутренняя образует впячивания, которые называют кристами. Кристы увеличивают активную поверхность митохондрий. На митохондриях располагаются многие ферменты, в частности ферменты окислительного фосфорилирования, цепи переноса электронов и др., здесь происходит биосинтез белков, углеводов, липидов. Митохондрии имеют собственную ДНК, локализованную в определенных зонах, которые можно назвать митохондриальными «нуклеотидами». Поэтому митохондрии являются саморепродуцирующимися структурами, а не возникают в клетке de novo.

Вакуоли -- производные или эндоплазматического ретикулюма, или аппарата Гольджи, которые находятся в цитоплазме. Если вакуоли являются производными эндоплазматического ретикулюма, то они содержат запасные питательные вещества: волютин, липиды, гликоген. Если же вакуоли являются производными аппарата Гольджи, то они аккумулируют продукты обмена, ставшие токсичными.

3.3 Видоизменения мицелия грибов

Мицелий многих, особенно дереворазрушающих, грибов может распространяться по сосудам древесины на расстояние нескольких метров. Сохранить единство особи на таком протяжении с помощью гиф толщиной несколько микрон невозможно. Поэтому мицелий объединяется в толстые тяжи, состоящие из параллельно идущих гиф, плотно прилегающих друг к другу и имеющих между собой перемычки -- анастомозы, часто склеенные ослизненными наружными оболочками. Эти образования называются ризоморфами. Ризоморфы способствуют вегетативному размножению гриба и инфицированию растения, а также сохранению гриба при неблагоприятных условиях.

Некоторые виды грибов на определенной стадии развития образуют склероции -- тела плотной консистенции, обычно темного цвета или ярко окрашенные, размером от одного или нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров.Самыми большими из известных являются подземные склероции гриба Polyporus mylittae (Австралия) размером с человеческую голову и массой до 15 кг. У аборигенов они считаются съедобными. Известны под названием «black fellow's bread». Склероции обычно служат грибу для перенесения неблагоприятных условий.

У некоторых грибов в образовании склероция может принимать участие и ткань растения-хозяина, пронизанная мицелием. Гак, зараженные возбудителем плодовой гнили Monilia fructigena яблоки чернеют и мумифицируются, превращаясь в склероции.

3.4 Способы размножения грибов

Грибы имеют три способа размножения: вегетативное, бесполое и половое. Способы бесполого и полового размножений грибов чрезвычайно разнообразны и являются основой для классификации этих организмов.

Вегетативное размножение. Вегетативное размножение -- это размножение без образования специализированных структур размножения. Существуют два пути вегетативного размножения. Во-первых, размножение может происходить отдельными участками мицелия, для чего кусочки мицелия переносят с одной среды на другую. Можно также из кусочка плодового тела стерильно вырезать кусочек и поместить на питательную среду. Во-вторых, размножение может осуществляться путем деления многоклеточного таллома на большое число фрагментов, каждый из которых вырастает в новый индивидуум (фрагментация). При фрагментации гифы предварительно образуют частые перегородки и затем распадаются по ним на отдельные клетки овальной или цилиндрической формы, называемые оидиоспорами (цилиндрические). Если такие споры образуют толстую оболочку, то они называются хламидоспорами. Хламидоспоры способны переносить неблагоприятные условия. Вегетативное размножение у дрожжей происходит путем почкования клеток.