Бактерии: места обитания, строение, процессы жизнедеятельности, значение

1. Предмет и задачи микробиологии

Микробиология (от греч. mikros - малый, bios - жизнь, logos - учение) изучает строение, жизнедеятельность, закономерности и условия развития мельчайших организмов, использование их полезных свойств и устранение вредных. Различают: общую (изучает основные закономерности развития и жизнедеятельности микробов и их роль в природе; является основой для других направлений), медицинскую (изучает патогенные для человека микробы, разрабатывает методы профилактики, диагностики и лечения болезней), ветеринарную, сельскохозяйственную (изучает роль микробов в почвообразовательных процессах, увеличение плодородия почвы и т.д.), техническую (изучает научные основы использования действия микробов в промышленности с целью создания полезных продуктов, разрабатывание методов предохранения различного сырья от порчи), водную (изучает микрофлору различных водоемов, питьевой воды, роль микробов при очистке сточных вод), экологическую и др. микробиологии. Объектами исследования являются бактерии (бактериология), вирусы (вирусология), грибы (микология), водоросли (альгология) и т.д. Задачи: 1) получение высокоактивных штаммов; 2) изучение закономерностей смешанного культивирования (Z.B. получение биотоплива, очистка сточных вод, получение антибиотиков и витаминов); 3) защита высокоактивных штаммов от бактериофагов; 4) разработка методов сохранения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов (морозильная (-270^о), сушка, пересев).

2. Основные этапы развития микробиологии

1) Открытие в 1676 г. Антонием ван Левенгуком; изготовление линз, увеличивающих в 200-300 раз. В книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» описал и зарисовал многие микроорганизмы, обнаруженные в различных настоях, в колодезной воде, на мясе и др. объектах. Открытие Левенгука вызвали интерес ученых, но слабое развитие в XVII и XVIII вв. промышленности и с/х, господствующее в науке схоластическое направление препятствовали развитию естественных наук долгое время наука о микробах носила описательный характер. Важное принципиальное значение имеют малоизвестные работы М.М. Тереховского (диссертация 1775 г.), он изучал влияние на микробы охлаждения и нагревания, действия различных хим. веществ; он считал, что микробы представляют собой особую группу живых существ, которые не способны самопроизвольно зарождаться.

2) Прогресс промышленности в XIX в., вызвавший развитие техники и различных отраслей естествознания, обусловил развитие микробиологии, возросло ее практическое значение. Микробиология стала опытной наукой, изучающей роль «загадочных» организмов в природе и жизни человека. Появились более совершенные микроскопы. Луи Пастер (1822-1895) показал, что микробы различаются не только внешним видом, но и характером жизнедеятельности; они вызывают разнообразные химические превращения в субстратах, на которых развиваются; он изучал различные виды брожения (спиртовое, маслянокислое), доказал существование анаэробных организмов, доказал, что жизнь может произойти только от другой жизни.

Значительным вкладом в микробиологию явились исследования немецкого ученого Роберта Коха (1843-1910). Им были введены в практику плотные питательные среды для выращивания микробов; это позволило разработать методы выделения (изолирования) микробов в «чистые культуры», т.е. культуры каждого вида в отдельности, развившиеся в одной клетке. Изучал возбудителей сибирской язвы, туберкулеза, холеры и др. заразных болезней; ввел методы окраски микробов анилиновыми красителями. В 1905 - нобелевская премия.

Л.С. Ценковский (1822-1877) изучал генетические связи протистов, низших водорослей, слизистых грибов и бактерий с животными и растениями. Он впервые в России изготовил и применил на практике вакцину против сибирской язвы овец.

И.И. Мечников (1845-1916) разработал фагоцитарную теорию иммунитета - невосприимчивости организма к заразным болезням. Ему принадлежит идея использования антагонистических отношений между микробами, что легло в основу современного учения об антибиотиках; с ним связано развитие микробиологии в России; он организовал первую в России бактериологическую лабораторию (в Одессе). В 1903 - нобелевская премия.

Н.Ф. Гамалея (1859-1949) изучал вопросы медицинской микробиологии; открыл станцию по прививкам против бешенства; описал явление бактериофагов.

3) Эколого-физиологическое направление. С.Н. Виноградский (1856-1953) открыл процесс нитрификации - окисление аммонийного азота до азотной кислоты при участии особой группы бактерий, эти бактерии не нуждаются для своего роста в готовых органических соединениях; они ассимилируют CO₂ без участия хлорофилла и солнечной энергии (хемосинтез). Открыл явление фиксации атмосферного азота анаэробными бактериями; найдены бактерии анаэробного разложения пектиновых веществ. Открыл новый вид жизни хемолитоавтотрофный: СО₂-источник углерода; Fe, S, H₂- источник энергии. Вместе с Мартином Бейеринком (1851-1931) открыли метод элективных сред (среды подходят только для одного вида микробов, а для др. нет). Бейеринк открыл клубеньковые бактерии. Они изучали микробы в природных условиях, в основном в почве. Д.И. Ивановский в 1892 г. открыл вирусы (вирус табачной мозаики).

4) Биохимическое направление. А. Клюйер (1888-1956); К. ван Ниль. Принцип биохимического единства жизни: а) единство конструктивных процессов; б) единство энергетических процессов; в) единство хранения и передачи генетической информации.

3. Общая характеристика микроорганизмов

I. Роль: 1) Круговорот биогенных элементов (круговорот в-в в природе C, N, O, H, CO₂, P, S); 2) Санитары планеты (разложение отмерших организмов, освобождает среду от токсичных в-в H₂S, CH₄ и др.) 3) Геохимические процессы (формирования месторождений нефти, Сu, железосодержащих руд, серы, фосфоритов). Место: Микробы различаются по способу питания: С-гетеротрофный (орг. в-ва), С-автотрофный (неорг. в-ва). Э. Геккель (1866 г.): царство протисты (простейшие): 1) высшие (грибы, микроводоросли), 2) низшие (синезеленые водоросли, бактерии); Р. Станнер, К. ван Ниль: деление на прокариот (низшие - одна внутренняя полость); эукариот (высшие - много полостей, органеллы в клетке). Виттекер (1969 г.) monera (прокариоты - 3,5 млрд. лет) Protista (простейшие - 900 млн. лет) 1) растения (фототрофное - питание посредством фотосинтеза); 2) животные (фагоцитарное - питание твердыми частицами орг. в-ва); 3) грибы (осмотрофное - питание готовыми растворенными орг. в-вами).

II. Св-ва: 1) микроскопические размеры (1 мкм) - в 1г бактериальной массы - 10¹² бакт. клеток; 2) Быстрый обмен в-в через цитоплазматическую мембрану. Правило Рубмера: энергетический обмен клетки пропорционален поверхности клетки, а не объему. 3) Общие методы исследования и культивирования (микроскопические методы).

III. Виды и размеры

IV. Распространенме: Могут занимать любые экологические ниши, не связаны с ареалом: почва, вода, воздух.

4. Строение клеток прокариотов и эукариотов; архебактерии

Архебактерии не относятся ни к прокариотам, ни к эукариотам: нет муреинового слоя: другой способ фиксации углекислоты (Z.B. метанобразующие, галобактерии, сероокисляющие, серовосстанавливающие бактерии).

7. Грибы. Fungi (лат.); Mices (греч.)

Распространение; повсеместно, споры грибов встречаются в любых экосистемах. Почвенные, водные, паразиты животных, человека, растений. Наибольшее кол-во грибов встречается в почве. Способны разлагать биополимеры, питаются продуктами их гидролиза, поэтому выполняют очень большую работу в биохим. Цикле, особенно С, по минерализации орг. в-в. Цитология: эукариоты, имеют общие черты и с растениями и с животными (есть вакуоли, не способны к движению, но являются гетеротрофами, т. к. нет хлорофилла). Состав клеточной стенки: хитин, целлюлоза. Морфология форма клеток - нитевидная (гифы, в совокупности образуют мицелий). Гифы бывают вегетативные и плодоносящие. Мицелий может быть как с перегородками, так и без них (одноклеточный и многоклеточный). Толщина 5-50 мкм. Размножение: 1) вегетативное (верхушечный рост или обрывками мицелия); 2) бесполое (Споры образуются на плодоносящих гифах (конидиеносцах). Спороношение - важный таксономический признак. Споры могут быть эндоспорами (у более примитивных) и экзоспорами). 3) Половое (спорообразованию предшествует половой процесс, в качестве органа размножения у многоклеточных образуются базидии со спорами или сумки со спорами; у одноклеточных - зигота (зигоспора))

8. Классификация грибов, значение

1) Архимицеты - наиболее примитивные, микроскопических размеров; зачаточный мицелий или нет мицелия; тело представляет собой голый комочек протоплазмы, который покрывается оболочкой в процессе превращения в спорангий; размножаются бесполым путем посредством подвижных спор - зооспор, развивающихся в спорангие. Являются внутриклеточными паразитами низших и высших растений. Z.B. Ольпидиум Olpidium brassicae; Синхитриум Synchytrium endobioticum.

2) Фикомицеты - хорошо развитый одноклеточный, многоядерный мицелий; бесполое размножение присходит при помощи неподвижных спорангиеспор или подвижных зооспор, при половом процессе образуется зигота. Z.B. Фитофтора Phytophthora infenstans; Мукор Mucor; Ризопус Rhizopus/

3) Аскомицеты - сумчатые грибы, мицелий многоклеточный, состоит из многоядерных клеток. Бесполым путем размножаются при помощи конидий; при половом процессе образуются аскоспоры в сумках (асках). Голосумчатые - не образуют плодовые тела Z.B. эндомицес Enlomyces. Плодосумчатые - образуют плодовые тела Z.B. пенициллиум Penicillium; аспергилловые Aspergillus niger, awamori.

4) Базидиомицеты - бесполое размножение редко; основными органами размножения являются базидии с базидиоспорами. Одноклеточные базидии: базидии развиваются слоями на плодовых телах Z.B. шляпочные, трутовики, домовые грибы. Многоклеточные базидии - большинство не имеет плодовых тел; Z.B. головневые грибы; ржавчинные грибы. Являются основной массой съедобных грибов р. Boletus, Вешенки, шампиньоны - немикаридные, не нуждаются в симбиозе с высшими растениями, могут выращиваться на экстрактах.

5) Несовершенные грибы - многоклеточные грибы, половое раз0множение не обнаружено; большинство размножается конидиями, некоторые образуют оидии, другие способны к почкованию или не имеют специальных органов размножения. Z.B. фузариум, ботритис, оидиум и др.

Применение: 1) экологическое (цикл С); 2) отрицательная роль: многие грибы вызывают биоразрушения, выделяя экзоферменты (резина, древесина), 3) биотехнологическое: получение орг. к-т, антибиотиков, сыров, ферментов.

9. Дрожжи

Одноклеточные, неподвижные орг-мы: (3-5)*(8-10) мкм; форма округлая, овально-яйцевидная, эллипсоидальная, редко цилиндрическая или лимонообразная; она может меняться в зависимости от условий среды. Дрожжи относятся к грибам, но истинного мицелия не дают, у некоторых есть псевдомицелий. Размножение: вегетативное (почкование) и половое. Распространение: в почве, на плодах и листьях растений. Представители и применение:

Saccharomyces cerevisiae - в пр-ве спирта, в пивоварении, квасоварении, хлебопечении; vini - в виноделии; lactis - спиртовое брожение в кисломолочных продуктах; Candida - «кормовые дрожжи», образуют пленки на спиртных напитках, на пов-ти квашенных овощей, в бродильных аппаратах; Torulopsis kefirii - пр-во кумыса и кефира, «кормовые дрожжи».

10. Строение клетки эукариотов

Цитоплазма - коллоидный р-р аминокислот, углеводов, минеральных солей в воде (50-60% объема клетки); вязкость превышает вязкость воды в 800 раз; Митохондрии явл. «силовыми станциями» клетки; Рибосомы - органеллы, в которых происходит синтез белка; Лизосомы содержат ферменты, расщепляют чужие биополимеры, обязательно окружены мембраной (Автолиз - самопереваривание клетки, когда клетка старая: разрушаются мембраны); Аппарат Гольджи - упаковка ненужных в-в и транспорт их из клетки через мембрану; Эндоплазматическая сеть связывает ядро с рибосомами, это сложная сис-ма взаимосвязанных каналов, пронизывающих всю толщу клеток (гладкая, шероховатая - связана с рибосомами). Клетка представляет собой сис-му из 2^х несмешивающихся между собой фаз: водной (цитоплазма со всеми переходами) и мембранной сис-мой (относительно жидкая, липопротеиновая фаза, которая пронизывает всю цитоплазму).

11. Строение клетки прокариотов

Цитоплазма полужидкая, вязкая, коллоидная масса, в нее входят белки, нуклеиновые к-ты, липиды, вода; Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью, богата липидами и ферментами; Рибосомы - синтез белка; Мезосомы - энергетические процессы: окисление орг. в-в, синтез энергозапасающих в-в (АТФ); различные включения, являющиеся запасными питательными в-вами (гликоген, волютин); Ядро отсутствует, но имеется большое кол-во ядерного в-ва, в частности дезоксирибонуклеиновой к-ты (ДНК); Слизистый чехол (полисахариды) - необязательный компонент клетки, предохраняет от высыхания, от мех-ого повреждения, д-ия хим. агентов и лекарственных в-в; Клеточная стенка (также необязательна) состоит из муреинового комплекса (гликопептиды).

12. Бактерии

Главным образом одноклеточные, иногда образуют нити и колонии; относятся к растительному миру, но не имеют хлорофилла. Морфология: 1) Шаровидные - кокки (микрококки, диплококки, тетракокки, стрептококки, сарацины стафилококки); 2) Палочковидные - цилиндрические (одиночные, диплобактерии, стрептобактерии); 3) Извитые - изогнутые (вибрионы, спириллы, спирохеты); Некоторые бактерии меняют форму в зав-ти от стадии развития - плеоморфизм. Размножение: путем деления клетки пополам, при этом в средней части клетки образуется перегородка, которая, расщепляясь, разделяет клетку на 2 новые. Спорообразование служит для перенесения неблагоприятных условий; спора покрыта спец. в-вом: дипикалиновой к-той, все в-во сгущается в центре и занимает объем в 10 раз меньше, чем объем самой клетки, в споре мало воды, белок находится в спец. состоянии, спора может выдержать нахождение в H₂SO₄. В благоприятных условиях споры набухают вследствие поглощения воды и прорастают в вегетативные клетки, происходит растворение или разрыв внешней оболочки и молодая бактерия выходит наружу. Способы движения 1) Жгутики - спирально извитые тонкие белковые нити, способные сокращаться: а) монотрихи - 1 жгутик, б) лофотрихи - пучком, в) перитрихи - на всей пов-ти тела; 2) Скольжение (по твердому или полутвердому экстракту) - имеется спец. слой белка, который может сокращаться по типу бегущей волны (с выделением слизи или без нее); 3) Таксисы - направленное движение бактерий: а) хемотаксисы - в сторону необходимых пит в-в; б) фототаксисы - к свету; в) аэротаксисы - к кислороду (у аэробных бактерий).

13. Грамположительные и грамотрицательные бактерии

По строению клет. стенки и содержанию гликопептида бактерии делятся на грам+ и грам - (обеспечиваются)

14. Классификация бактерий

Видродсемействопорядоккласс. Сущ. естественная (только создается в настоящее время) и искусственная классификация; используется морфо-физиологический метод: 1) морфологические признаки (размер, форма, окраска…), 2) физиологические признаки (тип питания отношения к t^o, O₂, pH, потребность к факторам роста - витамины), 3) культуральные признаки (видно невооруженным глазом при посеве на разные среды), 4) генетические ((А+Т)/(Г+Ц)*100%), 5) гибридизация ДНК, 6) Строение 16S_РНК (небольшие отрезки РНК). Определитель бактерий Берджи: по морфологическим и физиологическим признакам, всего 35 групп бактерий, они разделяются на 4 основные категории: 1) Грам - эубактерии, имеющие клеточные стенки; 2) Грам+ -''-; 3) Эубактерии, лишенные клеточных стенок; 4) Архебактерии. Применение: 1) Древнее пр-во пищевых продуктов и напитков, 2) антибиотики и стероидные препараты, 3) получение внеклеточных полисахаридов (для переливания крови) Lenconosta mesentraids, 4) получение витаминов «С» Gluconodacter oxydans; «В» Propioni bacterium, 5) растворители (ацетон, бутанол, спирт, орг. к-ты), 6) материалы (смазочные масла Xanthomonas) 7) выщелачивание металлов из бедных руд Thiobacillus ferrooxidans), 8) в с/х пр-во удобрений, борьба с вредителями, 9) энергетика, 10) сбраживание различных отходов, 11) получение биогаза (СН₄ и Н₂), 12) получение микробных биосенсеров и биочипов, 13) охрана окр. Среды - переработка отходов, биодеградация ксенобиотиков.

15. Вирусы

Группа микробов, не имеющих клеточной структуры, отсутствуют ядро, цитоплазма и оболочка; открыты в 1892 г. Д.И. Ивановским. Размеры очень маленькие, проходили в бактериальные фильтры, видно только в электронный микроскоп, размер между мелкой бактерией и крупной белковой молекулой. Признаки: 1) аблигатные паразиты (не могут расти на искусственной среде), 2) не имеют клеточного строения (внеклеточная форма жизни), 3) отсутствие собственного обмена в-в (нет собственных ферментов), 4) мельчайшие размеры (20-300 нм). Мельчайшая частица вируса наз. вируоном, в виде них вирусы переносятся в орг-мы. Хим. состав - нуклеопротеид (ДНК или РНК, окруженная белковой оболочкой). Размножение включает: 1) прикрепление вирусных частиц к клетке хозяина, 2) проникновение вируса внутрь клетки, 3) внутриклеточное размножение вируса, 4) выход частиц вируса из клетки. Форма: сферическая, кубическая, палочковидная. 1) in vivo, 2) метод культивирования в курином бульоне (с 30-х гг.), 3) культивирование в клетках (in vitro) - клетки берут из эмбриональных тканей, 4) культивирование из опухолевых (самый передовой метод) создание противовирусных вакцин.