2. Бактерии
Систематика бактерий — сложная проблема. Единой «естест¬венной» (филогенетической) классификации их, отражающей родственные связи между отдельными группами бактерий, эво-люционное развитие отдельных видов, не существует.
Современные системы классификации бактерий по существу являются искусственными, объединяют бактерии в определен¬ные группы на основе сходства их по комплексу морфологиче-ских, физиологических, биохимических признаков (в частности, по составу ДНК). Эти системы используются для распознавания (определения — идентификации) тех или иных бактерий.
Систематика (таксономия) организмов заключается в рас¬пределении (классификации) их по определенным группам, ка¬ждая из которых имеет название: класс, порядок, семейство, род, вид. Вид — основная таксономическая единица.
В микробиологии часто употребляют термин «штамм». Это более узкое понятие, чем вид. Штаммами называют чистые культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных сред (субстратов).
В соответствии с принятыми в биологии правилами название бактерий, как и других организмов, дается на латинском языке и состоит из двух слов, первое обозначает род, к которому принад¬лежит данная бактерия, второе — вид. Родовое название пишет¬ся с прописной буквы, видовое — со строчной. Например, Streptococcus lactis относится к шаровидным бактериям, образую¬щим цепочки (род Streptococcus), они вызывают скисание молока в результате сбраживания сахара в молбчную кислоту, отсюда и видовое название (эпитет) lactis.
С 1 января 1980 г. введен новый кодекс номенклатуры бакте¬рий. Названия бактерий в учебнике даются в соответствии с но¬вой номенклатурой.
Широко используется признанный во всем мире и регулярно переиздаваемый международным коллективом авторов «Опреде¬литель бактерий Берджи» (перевод 9-го американского издания 1994 г.), который содержит обобщающие знания по разнообра¬зию прокариот.
Определитель предназначен для идентификации бактерий по фенотипическим признакам и содержит концентрированные све¬дения о видах бактерий.
Сейчас идентификация филогенетического положения про¬кариот развивается на основе нуклеотидных последовательно¬стей 16S - рРНК.
В этом издании бактерии разделены по фенотипическим признакам на четыре категории.
1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стен¬ки. В эту категорию входят фототрофы и нефототрофы.
2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. К этой категории относятся простые неспорообразующие и спорообразующие бактерии, актиномицеты.
3. Эубактерии, лишенные клеточных стенок, окрашиваю¬щиеся по Граму отрицательно, способные к скользящему движе¬нию, называемые микоплазмами.
4. Архебактерии, к которым относятся метанообразующие бактерии и особая группа бактерий, имеющих несовершенную клеточную стенку: в ней нет характерного для прокариот муреина, а содержатся другие биополимеры. Как показали исследова¬ния последних лет, эти бактерии значительно отличаются от всех остальных по морфологическим, физиологическим, биохи¬мическим и цитологическим признакам. Эту особую группу бак¬терий назвали археи.
Форма клеток бактерий разнообразна: шар, цилиндр, луч, звезда, квадрат, коробочка и др. Как и у других прокариот, их генетическим аппаратом является нуклеоид, но в цитоплазме имеются характерные для эукариот мембранные органеллы (ми¬тохондрии, эндоплазматический ретикулум и др.). Большинство из них строгие анаэробы, но есть и аэробы, гетеротрофы и автотрофы. Они обитают в экстремальных условиях внешней среды. Многие из них крайне термофильны — температурный оптимум 85-105 °С, обнаружены в горячих источниках. Некоторые край¬не галофильны: выделены из солеварен, где добывается морская соль. Есть и крайне ацидофильные, способные развиваться при рН 1-2. По-видимому, архебактерии — одна из древнейших форм жизни.
Ознакомление с указанными «Определителями» при иденти¬фикации бактерий проводится на лабораторных занятиях.
Общая характеристика
Бактерии (прокариоты) — это большая группа микроорга¬низмов (около 4000 видов), большинство из которых однокле¬точные.
Форма и размеры бактерий. Основные формы бактерий (рис. 2) — шаровидная, палочковидная и извитая.
Шаровидные бактерии (рис. 2, А) — кокки имеют обычную форму шара, встречаются также уплощенные, слабоовальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде одиночных клеток — монококки (микрококки) или клеток, соединенных в различных сочетаниях: попарно — диплококки, по четыре клет¬ки — тетракокки; в виде более или менее длинных цепочек — стрептококки, а также скоплений кубической формы (в виде па¬кетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим, — сарцины. Встречаются скопления неправильной фор¬мы, напоминающие грозди винограда, — стафилококки.
Палочковидные бактерии (рис. 2, Б) могут быть одиночными или соединенными попарно (диплобактерии), цепочками по три, четыре и более клеток (стрептобактерии). Соотношения ме¬жду длиной и толщиной палочек бывают самыми различными.
Извитые, или изогнутые, бактерии (рис. 2, В) различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изо¬гнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора — спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками — спирохетами.
Рис. 2. Форма бактерий: А — шаровидные: 1 — микрококки; 2 — стрептококки; 3 — диплококки и тетра- кокки; 4 — стафилококки; 5 — сарцины; Б — палочковидные: 6 — палочки без спор; 7 — палочки со спорами; В — извитые: 8 — вибрионы; 9 — спириллы; 10 — спирохеты; Г — редкие формы: 11 — тороиды; 12 — бактерии, образующие простеки; 13 — бактерии червеобразной формы; 14 — бактерии в форме шести¬угольной звезды; Д — актиномицеты: 15 — мицелий; 16 — актиномицеты неми-
целиальные; 17—споры
Благодаря использованию электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных природных субстра¬тах, были обнаружены бактерии, имеющие особую форму клеток (рис. 2, Г) в виде замкнутого или разомкнутого кольца (торои¬ды); с выростами (простеками); червеобразной формы — длин¬ные с загнутыми очень тонкими концами; а также в виде шести-конечной звезды.
Строение бактериальной клетки. Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра (мкм) до нескольких микро¬метров. В среднем размер тела большинства бактерий 0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий — 2-5 мкм. Встреча¬ются бактерии, размеры которых значительно превышают сред¬нюю величину, а некоторые находятся на грани видимости в обычных оптических микроскопах.
Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от возраста и условий роста. Однако при опреде¬ленных, относительно стабильных, условиях бактерии сохраня¬ют присущие данному виду размеры и форму. Масса бактериаль¬ной клетки очень мала, приблизительно 4 • 10-13 г.
Клетка прокариотных организмов, к которым относятся бак¬терии, обладает принципиальными особенностями ультраструк¬туры. На рис. 3 представлена схема строения бактериальной клетки.
Клеточная стенка (оболочка) 2 — важный структурный эле¬мент большинства бактерий (рис. 3). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20 % сухих веществ клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между прото¬пластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток гетерополимерное соединение — пептидогликан (муреин), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов.
Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки: 1 — капсула; 2 — клеточная стенка; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — ци¬топлазма; 5 — мезосомы; 6 — рибосомы; 7 — нуклеоид; 8 — внутрицитоплазматические мембранные образования; 9 — жировые капли; 10 — полисахаридные гранулы; 11 — гранулы полифосфата; 12 — включения серы; 13 — жгутики; 14 — базальное тельце
По методу окраски, предложенному датским физиком X. Грамом (1884 г.), бактерии делятся на две группы: грамположитель¬ные и грамотрицательные (рис. 4). Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицательные не удерживают ее, что обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое ко¬личество муреина (от 50 до 90 % сухой массы клеточной стенки) и тейхоевые кислоты. Клеточные стенки грамотрицательных бакте¬рий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5-10 %) и отсутствуют тейхоевые кислоты.
Рис. 4. Схема строения клеточных стенок грамположительных (Грам+) и грамотрицательных (Грам-) бактерий
Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но мо¬жет быть и значительным, может образовывать капсулу (рис. 5). По размеру капсула нередко намного превышает бактериальную клетку. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зооглеи), в которые вкраплены бактериальные клетки. Слизистые вещества, образуемые некоторыми бактериями, не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стен¬ки, а диффундируют в окружающую среду. При быстром раз¬множении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии мо¬гут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда в сахаристых экстрактах из свеклы при про¬изводстве сахара. За короткое время сахарный сироп может пре-вратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от вида бактерий и условий культивирования.
Рис. 5. Схема расположения внешних слоев бактериальной клетки: 1 — микрокапсула; 2 — клеточная стенка; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — слизистый слой; 5 — капсула
Капсула обладает полезными свойствами, слизь предохраня¬ет клетки от неблагоприятных условий — у многих бактерий в таких условиях усиливается слизеобразование. Капсула защища¬ет клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов, антител, иногда является источником за¬пасных питательных веществ.
Цитоплазматическая мембрана 3 отделяет от клеточной стен¬ки содержимое клетки (см. рис. 3). Это обязательная структура любой клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплаз¬матической мембраны приходится 8-15 % сухого вещества клет¬ки. В мембране содержится до 70-90 % липидов клетки, толщи¬на ее 7-10 нм. На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной структуры — одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев. Цито¬плазматическая мембрана местами втягивается внутрь клетки, образуя всевозможные мембранные структуры. В ней находятся различные ферменты; она полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой.
Цитоплазма 4 бактериальной клетки представляет собой по¬лужидкую, вязкую, коллоидную систему (см. рис. 3). Местами она пронизана мембранными структурами — мезосомами, кото¬рые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь.
Мезосомы 5 (см. рис. 3) выполняют различные функции; в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране имеют¬ся ферменты, участвующие в энергетических процессах — в снабжении клетки энергией. Хорошо развитые мезосомы обна¬ружены только у грамположительных бактерий; у грамотрица- тельных они развиты слабо и имеют более простое строение.
В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и раз¬личные включения.
Рибосомы 6 (см. рис. 3) рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20-30 нм; состоят примерно на 60 % из рибонуклеино¬вой кислоты (РНК) и на 40 % из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке в зависимости от ее возраста и условий жизни может быть 5-50 тыс. рибосом.
Ядерный аппарат 7 (см. рис. 3) представляет собой нить де- зоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая имеет форму двойной спирали, замкнутой в кольцо; ее еще называют «бакте¬риальная хромосома». Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной. Этот ядерный аппарат бактериальных клеток называется нуклеоидом.
Цитоплазматические включения бактериальной клетки разно¬образны, в основном это запасные питательные вещества, кото¬рые откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий от¬кладываются полисахариды: гликоген, крахмалоподобное веще¬ство гранулеза, которые используются в качестве источника уг¬лерода и энергии; липиды обнаруживаются в клетках в виде гра¬нул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты; они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий от¬кладывается молекулярная сера.
Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижны¬ми, так и неподвижными. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения.
Жгутики — это тонкие, спирально закрученные нити белко¬вой природы, которые могут осуществлять вращательные движе¬ния. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10-20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после спе¬циальной обработки клетки. Наличие, число и расположение жгутиков — постоянные для вида признаки и имеют диагности¬ческое значение. Бактерии с одним жгутиком на конце клетки называются монотрихами; с пучком жгутиков — лофотрихами; с пучком жгутиков на обоих концах клетки — амфитрихами; бак¬терии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клет¬ки, называются перитрихами (рис. 6). Скорость передвижения велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстоя¬ние в 20-50 раз больше, чем длина ее тела. При неблагоприят¬ных условиях жизни, старении клетки или механическом воз-действии подвижность может быть утрачена. Кроме жгутиков, на поверхности некоторых бактерий в большом количестве имеют¬ся нитевидные образования, значительно тоньше и короче, чем жгутики, так называемые фимбрии (или пили).
Рис. 6. Жгутики бактерий
Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки надвое. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Палочковидные бактерии делятся поперек, шаровидные формы — в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и их числа возникают различные формы: одиночные и парные кокки, цепочки, пакеты, гроздья.
Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бакте¬рий, условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15-20 мин, другие — через 5-10 ч. При таком делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах, например бы¬строе скисание молока вследствие размножения молочнокислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы вследствие развития гни¬лостных бактерий и т.д.
Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития: недостатке питательных ве¬ществ, изменении температуры, значения рН, накоплении про-дуктов обмена выше определенного уровня. Способностью обра¬зовывать споры обладают в основном палочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).
Спорообразование — сложный процесс, в котором различа¬ют несколько стадий (рис. 7). Сначала наблюдается перестройка генетического аппарата клетки, изменяется морфология нуклео- ида; в клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытяги¬вается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концен¬трируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называ¬ется спорогенной зоной; в ней сначала происходит уплотнение цитоплазмы, а затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой) (рис. 7, I—IV). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клет¬ки, образуется так называемая проспора. Проспора — это струк¬тура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней (рис. 7, III—V). Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки (рис. 7, VI). В кортексе содержатся пептидогликан и дипиколиновая кислота (С7Н804N), которая от¬сутствует в вегетативных клетках. В дальнейшем поверх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев (рис. 7, VII). Число, толщина и строение слоев различны у раз¬ных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окру¬жающий спору в виде чехла (рис. 8).
Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диа¬метр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток изменяется. Если спора расположена в ее центре, клетка приобретает форму вере¬тена (клостридиум) или форму барабанной палочки (плектридиум), когда спора приближена к концу клетки.
Рис. 7. Цикл развития эндоспоры у спорообразующих бактерий: I — вегетативная клетка; II — инвагинация цитоплазматической мембраны; III — образование споровой перегородки (септы); IV — формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V — сформированная проспора; VI — формирование кортекса; VII — формирование оболочки споры; VIII — ли¬зис материнской клетки; IX — свободная зрелая спора; X — прорастание споры; 1 — нуклеоид; 2 — цитоплазма; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — клеточ¬ная стенка; 5 — споровая септа; 6 — наружная мембрана споры; 7— внутренняя мембрана споры; 8 — кортекс; 9 — оболочка споры
Рис. 8. Строение эндоспоры у спорообразующих бактерий: I — сердцевина споры; 2 — внутренняя мембрана споры; 3 — кортекс; 4 — на¬ружная мембрана споры; 5 — оболочка споры, состоящая из нескольких слоев; 6 — экзоспориум
После созревания споры материнская клетка отмирает, обо¬лочка ее разрушается и спора освобождается. Процесс образова¬ния споры протекает в течение нескольких часов.
Наличие у бактериальных спор плотной, труднопроницаемой оболочки, малое содержание в ней воды, большое количество липидов, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают высокую устойчивость спор к факторам внешней среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, воз¬раст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170 0С в течение 1,5-2 ч, а при перегре¬том паре (в автоклаве) — при 121 °С в течение 15-30 мин.
В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов (рис. 9).
Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, в ней активизируются ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки; во внешнюю среду высвобождаются дипиколиновая кислота и кальций. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу «росток» новой клетки, из которого затем фор¬мируется вегетативная бактериальная клетка.
Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, вызывающих их прорастание в вегетатив¬ные клетки, имеет значение в выборе способа обработки про¬дуктов с целью предотвращения их микробной порчи.
Рис. 9. Прорастание спор: 1 — латеральное прорастание спор Bacillus subtilis (a) и Bacillus cereus (б); 2 и 3 — полярное прорастание спор Clostridium sprogenes
Изложенные выше сведения характеризуют в основном так называемые истинные бактерии. Существуют и другие, более или менее отличающиеся от них, к которым относятся следующие.
Нитчатые (нитевидные) бактерии — многоклеточные орга¬низмы в виде нитей различной длины, диаметром от 1 до 7 мкм, подвижных или прикрепленных к субстрату. В основном нити со слизистым чехлом. Они могут содержать окись магния или окис¬лы железа. Живут в водоемах, встречаются в почве.
Миксобактерии — палочковидные бактерии, передвигающие¬ся путем скольжения; живут в почве и на различных раститель¬ных остатках. Образуют плодовые тела, представляющие собой скопления клеток, заключенных в слизь. Клетки в плодовых те¬лах переходят в покоящееся состояние — миксоспоры.
Почкующиеся и стебельковые бактерии. Живут в почве и во¬доемах. Размножаются почкованием, образуют стебельки или то и другое вместе. Есть виды с выростами — простеками 12 (см. рис. 2).
Актиномицеты («лучистые грибки») имеют ветвистую форму. Одни — палочки слегка разветвленные (см. рис. 2, Д), другие — имеют вид тонких ветвящихся нитей, образующих одноклеточ¬ный мицелий. Мицелиальные актиномицеты размножаются спо¬рами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Актино¬мицеты бывают окрашены; они широко распространены в при-роде. Встречаются на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. Продукты приобретают характерный землистый запах. Многие актиномицеты продуцируют антибиотики. Есть виды, патогенные для человека и животных.
Риккетсии. Палочковидные и кокковидные микроорганиз¬мы, неподвижны, спор не образуют. Внутриклеточные паразиты; некоторые вызывают заболевания животных и человека. Пере¬носчиками риккетсий являются в основном насекомые (вши, блохи, клещи).
Микоплазмы — организмы без клеточной стенки, покрытые лишь трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопических размеров (ок. 200 нм), плеоморфные (разнообразной формы) — от кокковидных до нитевидных. Не¬которые вызывают заболевания человека, животных, растений.
Систематика бактерий — сложная проблема. Единой «естест¬венной» (филогенетической) классификации их, отражающей родственные связи между отдельными группами бактерий, эво-люционное развитие отдельных видов, не существует.
Современные системы классификации бактерий по существу являются искусственными, объединяют бактерии в определен¬ные группы на основе сходства их по комплексу морфологиче-ских, физиологических, биохимических признаков (в частности, по составу ДНК). Эти системы используются для распознавания (определения — идентификации) тех или иных бактерий.
Систематика (таксономия) организмов заключается в рас¬пределении (классификации) их по определенным группам, ка¬ждая из которых имеет название: класс, порядок, семейство, род, вид. Вид — основная таксономическая единица.
В микробиологии часто употребляют термин «штамм». Это более узкое понятие, чем вид. Штаммами называют чистые культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных сред (субстратов).
В соответствии с принятыми в биологии правилами название бактерий, как и других организмов, дается на латинском языке и состоит из двух слов, первое обозначает род, к которому принад¬лежит данная бактерия, второе — вид. Родовое название пишет¬ся с прописной буквы, видовое — со строчной. Например, Streptococcus lactis относится к шаровидным бактериям, образую¬щим цепочки (род Streptococcus), они вызывают скисание молока в результате сбраживания сахара в молбчную кислоту, отсюда и видовое название (эпитет) lactis.
С 1 января 1980 г. введен новый кодекс номенклатуры бакте¬рий. Названия бактерий в учебнике даются в соответствии с но¬вой номенклатурой.
Широко используется признанный во всем мире и регулярно переиздаваемый международным коллективом авторов «Опреде¬литель бактерий Берджи» (перевод 9-го американского издания 1994 г.), который содержит обобщающие знания по разнообра¬зию прокариот.
Определитель предназначен для идентификации бактерий по фенотипическим признакам и содержит концентрированные све¬дения о видах бактерий.
Сейчас идентификация филогенетического положения про¬кариот развивается на основе нуклеотидных последовательно¬стей 16S - рРНК.
В этом издании бактерии разделены по фенотипическим признакам на четыре категории.
1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стен¬ки. В эту категорию входят фототрофы и нефототрофы.
2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. К этой категории относятся простые неспорообразующие и спорообразующие бактерии, актиномицеты.
3. Эубактерии, лишенные клеточных стенок, окрашиваю¬щиеся по Граму отрицательно, способные к скользящему движе¬нию, называемые микоплазмами.
4. Архебактерии, к которым относятся метанообразующие бактерии и особая группа бактерий, имеющих несовершенную клеточную стенку: в ней нет характерного для прокариот муреина, а содержатся другие биополимеры. Как показали исследова¬ния последних лет, эти бактерии значительно отличаются от всех остальных по морфологическим, физиологическим, биохи¬мическим и цитологическим признакам. Эту особую группу бак¬терий назвали археи.
Форма клеток бактерий разнообразна: шар, цилиндр, луч, звезда, квадрат, коробочка и др. Как и у других прокариот, их генетическим аппаратом является нуклеоид, но в цитоплазме имеются характерные для эукариот мембранные органеллы (ми¬тохондрии, эндоплазматический ретикулум и др.). Большинство из них строгие анаэробы, но есть и аэробы, гетеротрофы и автотрофы. Они обитают в экстремальных условиях внешней среды. Многие из них крайне термофильны — температурный оптимум 85-105 °С, обнаружены в горячих источниках. Некоторые край¬не галофильны: выделены из солеварен, где добывается морская соль. Есть и крайне ацидофильные, способные развиваться при рН 1-2. По-видимому, архебактерии — одна из древнейших форм жизни.
Ознакомление с указанными «Определителями» при иденти¬фикации бактерий проводится на лабораторных занятиях.
Общая характеристика
Бактерии (прокариоты) — это большая группа микроорга¬низмов (около 4000 видов), большинство из которых однокле¬точные.
Форма и размеры бактерий. Основные формы бактерий (рис. 2) — шаровидная, палочковидная и извитая.
Шаровидные бактерии (рис. 2, А) — кокки имеют обычную форму шара, встречаются также уплощенные, слабоовальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде одиночных клеток — монококки (микрококки) или клеток, соединенных в различных сочетаниях: попарно — диплококки, по четыре клет¬ки — тетракокки; в виде более или менее длинных цепочек — стрептококки, а также скоплений кубической формы (в виде па¬кетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим, — сарцины. Встречаются скопления неправильной фор¬мы, напоминающие грозди винограда, — стафилококки.
Палочковидные бактерии (рис. 2, Б) могут быть одиночными или соединенными попарно (диплобактерии), цепочками по три, четыре и более клеток (стрептобактерии). Соотношения ме¬жду длиной и толщиной палочек бывают самыми различными.
Извитые, или изогнутые, бактерии (рис. 2, В) различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изо¬гнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора — спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками — спирохетами.
Рис. 2. Форма бактерий: А — шаровидные: 1 — микрококки; 2 — стрептококки; 3 — диплококки и тетра- кокки; 4 — стафилококки; 5 — сарцины; Б — палочковидные: 6 — палочки без спор; 7 — палочки со спорами; В — извитые: 8 — вибрионы; 9 — спириллы; 10 — спирохеты; Г — редкие формы: 11 — тороиды; 12 — бактерии, образующие простеки; 13 — бактерии червеобразной формы; 14 — бактерии в форме шести¬угольной звезды; Д — актиномицеты: 15 — мицелий; 16 — актиномицеты неми-
целиальные; 17—споры
Благодаря использованию электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных природных субстра¬тах, были обнаружены бактерии, имеющие особую форму клеток (рис. 2, Г) в виде замкнутого или разомкнутого кольца (торои¬ды); с выростами (простеками); червеобразной формы — длин¬ные с загнутыми очень тонкими концами; а также в виде шести-конечной звезды.
Строение бактериальной клетки. Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра (мкм) до нескольких микро¬метров. В среднем размер тела большинства бактерий 0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий — 2-5 мкм. Встреча¬ются бактерии, размеры которых значительно превышают сред¬нюю величину, а некоторые находятся на грани видимости в обычных оптических микроскопах.
Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от возраста и условий роста. Однако при опреде¬ленных, относительно стабильных, условиях бактерии сохраня¬ют присущие данному виду размеры и форму. Масса бактериаль¬ной клетки очень мала, приблизительно 4 • 10-13 г.
Клетка прокариотных организмов, к которым относятся бак¬терии, обладает принципиальными особенностями ультраструк¬туры. На рис. 3 представлена схема строения бактериальной клетки.
Клеточная стенка (оболочка) 2 — важный структурный эле¬мент большинства бактерий (рис. 3). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20 % сухих веществ клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между прото¬пластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток гетерополимерное соединение — пептидогликан (муреин), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов.
Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки: 1 — капсула; 2 — клеточная стенка; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — ци¬топлазма; 5 — мезосомы; 6 — рибосомы; 7 — нуклеоид; 8 — внутрицитоплазматические мембранные образования; 9 — жировые капли; 10 — полисахаридные гранулы; 11 — гранулы полифосфата; 12 — включения серы; 13 — жгутики; 14 — базальное тельце
По методу окраски, предложенному датским физиком X. Грамом (1884 г.), бактерии делятся на две группы: грамположитель¬ные и грамотрицательные (рис. 4). Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицательные не удерживают ее, что обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое ко¬личество муреина (от 50 до 90 % сухой массы клеточной стенки) и тейхоевые кислоты. Клеточные стенки грамотрицательных бакте¬рий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5-10 %) и отсутствуют тейхоевые кислоты.
Рис. 4. Схема строения клеточных стенок грамположительных (Грам+) и грамотрицательных (Грам-) бактерий
Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но мо¬жет быть и значительным, может образовывать капсулу (рис. 5). По размеру капсула нередко намного превышает бактериальную клетку. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зооглеи), в которые вкраплены бактериальные клетки. Слизистые вещества, образуемые некоторыми бактериями, не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стен¬ки, а диффундируют в окружающую среду. При быстром раз¬множении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии мо¬гут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда в сахаристых экстрактах из свеклы при про¬изводстве сахара. За короткое время сахарный сироп может пре-вратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от вида бактерий и условий культивирования.
Рис. 5. Схема расположения внешних слоев бактериальной клетки: 1 — микрокапсула; 2 — клеточная стенка; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — слизистый слой; 5 — капсула
Капсула обладает полезными свойствами, слизь предохраня¬ет клетки от неблагоприятных условий — у многих бактерий в таких условиях усиливается слизеобразование. Капсула защища¬ет клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов, антител, иногда является источником за¬пасных питательных веществ.
Цитоплазматическая мембрана 3 отделяет от клеточной стен¬ки содержимое клетки (см. рис. 3). Это обязательная структура любой клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплаз¬матической мембраны приходится 8-15 % сухого вещества клет¬ки. В мембране содержится до 70-90 % липидов клетки, толщи¬на ее 7-10 нм. На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной структуры — одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев. Цито¬плазматическая мембрана местами втягивается внутрь клетки, образуя всевозможные мембранные структуры. В ней находятся различные ферменты; она полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой.
Цитоплазма 4 бактериальной клетки представляет собой по¬лужидкую, вязкую, коллоидную систему (см. рис. 3). Местами она пронизана мембранными структурами — мезосомами, кото¬рые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь.
Мезосомы 5 (см. рис. 3) выполняют различные функции; в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране имеют¬ся ферменты, участвующие в энергетических процессах — в снабжении клетки энергией. Хорошо развитые мезосомы обна¬ружены только у грамположительных бактерий; у грамотрица- тельных они развиты слабо и имеют более простое строение.
В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и раз¬личные включения.
Рибосомы 6 (см. рис. 3) рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20-30 нм; состоят примерно на 60 % из рибонуклеино¬вой кислоты (РНК) и на 40 % из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке в зависимости от ее возраста и условий жизни может быть 5-50 тыс. рибосом.
Ядерный аппарат 7 (см. рис. 3) представляет собой нить де- зоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая имеет форму двойной спирали, замкнутой в кольцо; ее еще называют «бакте¬риальная хромосома». Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной. Этот ядерный аппарат бактериальных клеток называется нуклеоидом.
Цитоплазматические включения бактериальной клетки разно¬образны, в основном это запасные питательные вещества, кото¬рые откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий от¬кладываются полисахариды: гликоген, крахмалоподобное веще¬ство гранулеза, которые используются в качестве источника уг¬лерода и энергии; липиды обнаруживаются в клетках в виде гра¬нул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты; они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий от¬кладывается молекулярная сера.
Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижны¬ми, так и неподвижными. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения.
Жгутики — это тонкие, спирально закрученные нити белко¬вой природы, которые могут осуществлять вращательные движе¬ния. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10-20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после спе¬циальной обработки клетки. Наличие, число и расположение жгутиков — постоянные для вида признаки и имеют диагности¬ческое значение. Бактерии с одним жгутиком на конце клетки называются монотрихами; с пучком жгутиков — лофотрихами; с пучком жгутиков на обоих концах клетки — амфитрихами; бак¬терии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клет¬ки, называются перитрихами (рис. 6). Скорость передвижения велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстоя¬ние в 20-50 раз больше, чем длина ее тела. При неблагоприят¬ных условиях жизни, старении клетки или механическом воз-действии подвижность может быть утрачена. Кроме жгутиков, на поверхности некоторых бактерий в большом количестве имеют¬ся нитевидные образования, значительно тоньше и короче, чем жгутики, так называемые фимбрии (или пили).
Рис. 6. Жгутики бактерий
Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки надвое. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Палочковидные бактерии делятся поперек, шаровидные формы — в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и их числа возникают различные формы: одиночные и парные кокки, цепочки, пакеты, гроздья.
Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бакте¬рий, условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15-20 мин, другие — через 5-10 ч. При таком делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах, например бы¬строе скисание молока вследствие размножения молочнокислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы вследствие развития гни¬лостных бактерий и т.д.
Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития: недостатке питательных ве¬ществ, изменении температуры, значения рН, накоплении про-дуктов обмена выше определенного уровня. Способностью обра¬зовывать споры обладают в основном палочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).
Спорообразование — сложный процесс, в котором различа¬ют несколько стадий (рис. 7). Сначала наблюдается перестройка генетического аппарата клетки, изменяется морфология нуклео- ида; в клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытяги¬вается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концен¬трируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называ¬ется спорогенной зоной; в ней сначала происходит уплотнение цитоплазмы, а затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой) (рис. 7, I—IV). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клет¬ки, образуется так называемая проспора. Проспора — это струк¬тура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней (рис. 7, III—V). Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки (рис. 7, VI). В кортексе содержатся пептидогликан и дипиколиновая кислота (С7Н804N), которая от¬сутствует в вегетативных клетках. В дальнейшем поверх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев (рис. 7, VII). Число, толщина и строение слоев различны у раз¬ных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окру¬жающий спору в виде чехла (рис. 8).
Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диа¬метр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток изменяется. Если спора расположена в ее центре, клетка приобретает форму вере¬тена (клостридиум) или форму барабанной палочки (плектридиум), когда спора приближена к концу клетки.
Рис. 7. Цикл развития эндоспоры у спорообразующих бактерий: I — вегетативная клетка; II — инвагинация цитоплазматической мембраны; III — образование споровой перегородки (септы); IV — формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V — сформированная проспора; VI — формирование кортекса; VII — формирование оболочки споры; VIII — ли¬зис материнской клетки; IX — свободная зрелая спора; X — прорастание споры; 1 — нуклеоид; 2 — цитоплазма; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — клеточ¬ная стенка; 5 — споровая септа; 6 — наружная мембрана споры; 7— внутренняя мембрана споры; 8 — кортекс; 9 — оболочка споры
Рис. 8. Строение эндоспоры у спорообразующих бактерий: I — сердцевина споры; 2 — внутренняя мембрана споры; 3 — кортекс; 4 — на¬ружная мембрана споры; 5 — оболочка споры, состоящая из нескольких слоев; 6 — экзоспориум
После созревания споры материнская клетка отмирает, обо¬лочка ее разрушается и спора освобождается. Процесс образова¬ния споры протекает в течение нескольких часов.
Наличие у бактериальных спор плотной, труднопроницаемой оболочки, малое содержание в ней воды, большое количество липидов, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают высокую устойчивость спор к факторам внешней среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, воз¬раст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170 0С в течение 1,5-2 ч, а при перегре¬том паре (в автоклаве) — при 121 °С в течение 15-30 мин.
В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов (рис. 9).
Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, в ней активизируются ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки; во внешнюю среду высвобождаются дипиколиновая кислота и кальций. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу «росток» новой клетки, из которого затем фор¬мируется вегетативная бактериальная клетка.
Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, вызывающих их прорастание в вегетатив¬ные клетки, имеет значение в выборе способа обработки про¬дуктов с целью предотвращения их микробной порчи.
Рис. 9. Прорастание спор: 1 — латеральное прорастание спор Bacillus subtilis (a) и Bacillus cereus (б); 2 и 3 — полярное прорастание спор Clostridium sprogenes
Изложенные выше сведения характеризуют в основном так называемые истинные бактерии. Существуют и другие, более или менее отличающиеся от них, к которым относятся следующие.
Нитчатые (нитевидные) бактерии — многоклеточные орга¬низмы в виде нитей различной длины, диаметром от 1 до 7 мкм, подвижных или прикрепленных к субстрату. В основном нити со слизистым чехлом. Они могут содержать окись магния или окис¬лы железа. Живут в водоемах, встречаются в почве.
Миксобактерии — палочковидные бактерии, передвигающие¬ся путем скольжения; живут в почве и на различных раститель¬ных остатках. Образуют плодовые тела, представляющие собой скопления клеток, заключенных в слизь. Клетки в плодовых те¬лах переходят в покоящееся состояние — миксоспоры.
Почкующиеся и стебельковые бактерии. Живут в почве и во¬доемах. Размножаются почкованием, образуют стебельки или то и другое вместе. Есть виды с выростами — простеками 12 (см. рис. 2).
Актиномицеты («лучистые грибки») имеют ветвистую форму. Одни — палочки слегка разветвленные (см. рис. 2, Д), другие — имеют вид тонких ветвящихся нитей, образующих одноклеточ¬ный мицелий. Мицелиальные актиномицеты размножаются спо¬рами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Актино¬мицеты бывают окрашены; они широко распространены в при-роде. Встречаются на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. Продукты приобретают характерный землистый запах. Многие актиномицеты продуцируют антибиотики. Есть виды, патогенные для человека и животных.
Риккетсии. Палочковидные и кокковидные микроорганиз¬мы, неподвижны, спор не образуют. Внутриклеточные паразиты; некоторые вызывают заболевания животных и человека. Пере¬носчиками риккетсий являются в основном насекомые (вши, блохи, клещи).
Микоплазмы — организмы без клеточной стенки, покрытые лишь трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопических размеров (ок. 200 нм), плеоморфные (разнообразной формы) — от кокковидных до нитевидных. Не¬которые вызывают заболевания человека, животных, растений.
Последнее изменение: Воскресенье 11 Сентябрь 2011, 16:26