Иванова Е.Ю. (сост.) Основы микробиологии и экологии бактерий

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет географии и геоэкологии

Кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ БАКТЕРИЙ

Методические указания

для студентов 5 курса отделения геоэкологии

Составитель

Иванова Е.Ю.

Воронеж 2000

БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА

Большинство бактерий являются одноклеточными. Основные формы

бактериальных клеток — шаровидная, палочковидная и извитая (рис. 1).

Нередко клетки после деления не расходятся, а остаются соединенными

между собой, образуя различные сочетания. Шаровидные бактерии могут

делиться одной, двух или трех плоскостях (рис. 1). Среди извитых различают

вибрионы — короткие, слегка изогнутые клетки наподобие запятой, спириллы,

имеющие 2—4 изгиба, и спирохеты — длинные сильно извитые клетки. Иногда

встречаются бактерии в форме тороида (замкнутого или незамкнутого кольца),

звезды, шестиугольника и др.

Рис. 1. Основные формы бактерий: 1 — кокк; 2 — палочка; 3 — вибрион;

4 — спирилла 5 — спирохета; 6 — тороид,

7 — звездчатая; 8 — нитчатая.

Сочетание кокков: А — микрококк; Б — диплококк; В — стрептококк; Г —

тетракокк; Д — стафилококк; Е — сарцина.

Особую группу образуют нитчатые бактерии, состоящие, как правило, из

одного ряда клеток, которые соединены в длинные нити (трихомы), нередко

одетые общим слизистым чехлом.

Форма клеток большинства бактерий является устойчивым видовым

признаком. Размеры бактериальных клеток невелики. Длина большинства

палочковидных бактерий, вибрионов и спирилл составляет 0,5—3 мкм,

толщина — 0,5—1 мкм. Диаметр шаровидных бактерий обычно не превышает 2

мкм. Длина клеток некоторых видов спирохет достигает 500 мкм (0,5 мм).

Строение бактериальных клеток

Клеточная стенка. Бактериальная клетка (рис.2) состоит из протопласта,

окруженного у большинства видов упругой клеточной стенкой. Клеточная

стенка составляет от 10 до 40% сухой массы бактерий. Основным компонентом

клеточной стенки большинства бактерий является гетерополисахарид

пептидогликан.

Рис. 2. Схема строения

клетки бактерии: 1 — клеточная

стенка; 2 — цитоплазматическая

мембрана; 3 — нуклеоид; 4 —

рибосома; 5 — мезосома; 6 —

трубчатые тилакоиды; 7—

пластинчатые тилако иды; 8 — вор-

синки (пили); 9 — жгутики; 10 — хлоросомы; 11 — аэросомы.

В зависимости от химического состава и ультраструктуры клеточной

стенки бактерии делят на грамположительные и грамотрицательные. Окраска

по Граму (по имени датского ученого Христиана Грама, предложившего этот

метод в 1884 г.) имеет диагностическое значение. Фиксированные клетки

окрашивают кристаллическим фиолетовым, затем йодом, что приводит к

образованию окрашенного комплекса. После обработки спиртом одни

микроорганизмы обесцвечиваются (их называют грамотрицательными), тогда

как другие сохраняют фиолетовую окраску (грамположительные).

У грамположительных бактерий клеточная стенка имеет однородную

структуру. Она состоит из толстого многослойного пептидогликанового

комплекса, составляющего до 70% ее сухой массы. Клеточная стенка

грамположительных бактерий имеет толщину 20—50 нм и обладает высокой

прочностью, выдерживая давление до 3 МПа (около 30 атм).

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка очень тонкая (10—13

нм) и выдерживает давление до 0,8 МПа (8 атм). Ее химический состав и

структура гораздо сложнее, чем у грамположительных (рис. 3). Внутренний

пептидогликановый слой (моно- или би молекулярный) составляет 10% сухой

массы клеточной стенки. Снаружи расположен сложный комплекс, состоящий

из белков, липидов, липополисахаридов и фосфолипопротеидов. Эту часть

клеточной стенки с полным основанием называют наружной мембраной, вы-

полняющей дополнительную барьерную функцию. Промежуток между

цитоплазматической мембраной и слоем пептидогликана называют

периплазмагическим пространством.

Рис. 3. Модель строения клеточной

стенки грамотрицательных бактерий: 1 —

цитоплазматическая мембрана; 2 —

периплазматическое пространство; 3 —

пептидо-гликановый слой; 4 — внешняя

мембрана (по Шлегелю, 1987)

Капсулы и слизистые слои. Клетки многих бактерий окружены

слизистыми веществами. Слизистый материал, имеющий четко очерченную

внешнюю поверхность, образует бактериальную капсулу. От капсул следует

отличать слизистые слои, границы которых расплывчаты (рис. 4). У многих

нитчатых форм образуются слизистые чехлы.

Важнейшими функциями капсул являются: 1) предохранение клетки от

неблагоприятных условий, в частности от высыхания; 2) накопление

необходимых для клетки веществ, в том числе многих высокомолекулярных

соединений, которые адсорбируются веществом капсул, а затем расщепляются

внеклеточными ферментами; 3) капсулы некоторых патогенных

микроорганизмов (возбудителей пневмонии, коклюша, менингита, сибирской

язвы и др.) повышают их вирулентность, помогая бактериям противостоять

действию фагоцитов и других защитных механизмов инфицированного

организма.

Придаточные структуры. Клетки многих бактерий имеют придаточные

поверхностные структуры, к которым относятся жгутики, ворсинки (пили) и

шипы.

Мембранные структуры бактериальных клеток. Цитоплазма всех

клеток, в том числе и бактериальных, окружена цитоплазматической

мембраной (ЦПМ) — белково-липидным комплексом толщиной 7,5—9,0 нм.

Основу мембраны большинства бактерий составляет бимолекулярный слой

липидов (15—50% сухой массы мембраны), главным образом фосфолипидов.

Полярные «головки» фосфолипидов расположены на внешних поверхностях

бислоя, а гидрофобные цепочки жирных кислот каждого из слоев

взаимодействуют друг с другом и размещаются в середине мембраны.

Белки, составляющие около 50% массы мембраны, полностью или

частично погружены в липидную фазу. Цитоплазматическая мембрана

выполняет разнообразные функции: 1) поддержание неравенства состава и

концентрации растворенных веществ в цитоплазме и во внешней среде

(барьерная функция); 2) транспорт веществ в клетку; 3) выделение продуктов

метаболизма, а также внеклеточных токсинов и ферментов; 4) перенос

электронов и мембранное фосфорилирование; 5) биосинтез фосфолипидов,

компонентов клеточной стенки и капсулы; 6) прикрепление хромосомы и

участие в ее репликации и др.

Зону, в которой локализована ДНК, называют ядерным аппаратом

бактерий или нуклеоидом. Клетки многих бактерий могут содержать небольшие

внехромосомные кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

ДВИЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Примерно 1/1 0 всех видов бактерий способна к активному движению в

жидкой среде или по плотной поверхности. Различают несколько типов

движения бактерий, основным из которых является передвижение в жидкой

среде с помощью жгутиков, которые представляют собой спирально изогнутые

нити, проходящие через клеточную стенку.

Основная нить жгутика (флагелла) построена из белка флагеллина,

макромолекулы которого уложены по спирали, образуя центральную полость.

Флагелла присоединена к клетке с помощью крючка — белковой структуры,

изогнутой под прямым углом. Крючок соединен с базальной структурой,

состоящей из стержня и одной или двух пар колец, образованных 9—12

различными белками (рис. 4). Винтообразное движение жгутика обеспечивает

нижняя пара колец путем их вращения относительно друг друга. Это вращение

передается крючку и далее основной нити жгутика.

Рис. 4. Схема строения жгутика

грамотрицательной бактерии: 1 — ЦПМ;

2—периплазматическое пространство; 3 —

пептидогликан; 4 — внешняя (наружная)

мембрана; 5 — крюк; 6 — нить жгутика; А,

В, С, D — кольца.

Число и расположение жгутиков могут варьировать в зависимости от вида

микроорганизма (рис. 5).

Движение спирохет в жидкой среде — вращение вокруг длинной оси,

изгибание, закручивание — обеспечивает аксиальная (осевая) нить,

расположенная между пептидогликановым слоем и наружной мембраной. Нить

состоит из двух пучков белковых фибрилл, прикрепленных к

противоположным полюсам клетки и

перекрывающихся в ее средней части.

Рис. 5. Типы жгутикования

бактерий: А — перитрих; Б —

монотрих; В — политрих; Г —

биполярный политрих,

Вращаясь в периплазматическом пространстве, фибриллы вызывают

изгибы клеточной стенки.

Третий тип движения, обнаруженный у некоторых грамотрицательных

микроорганизмов, — скольжение при соприкосновении с твердым субстратом.

Это движение связано, по-видимому, с волнообразным сокращением белковых

микрофибрилл, расположенных между наружной мембраной и слоем

пептидогликана.

Движение, вызванное односторонним действием какого-либо внешнего

фактора, называется таксисом.

РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

У подавляющего большинства бактерий размножение осуществляется

путем бинарного деления. Перед делением клетки происходит репликация

ДНК, начинающаяся с определенного участка («точки инициации») кольцевой

молекулы. Одна из цепей ДНК прикрепляется к плазматической мембране,

другая цепь постепенно отделяется от нее, после чего с помощью ДНК-

полимеразы к каждой «половинке» достраивается комплементарная

полинуклеотидная цепь. Образовавшиеся две хромосомы расходятся благодаря

синтезу компонентов находящейся между ними мембраны. Митоза у бактерий

нет.

Своеобразный процесс деления наблюдается у некоторых почкующихся

бактерий: на одном полюсе материнской клетки формируется почка, куда

перемещается одна из хромосом; почка разрастается и превращается в

дочернюю клетку.

Деление бактерий, может происходить очень быстро. При благоприятных

условиях бактерии некоторых видов делятся через каждые 20—30 мин. (иногда

даже через 8—10 мин.).

ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ У БАКТЕРИЙ

Образование спор — очень распространенное явление у бактерий.

Бактериальные эндоспоры — это особый тип покоящихся клеток, обладающих

специфическими структурами и очень высокой устойчивостью к

неблагоприятным факторам внешней среды.

Процесс спорообразования состоит из нескольких этапов (стадий):

1. Репликация ДНК с образованием двух нуклеоидов, которые

располагаются в центре клетки в виде палочковидного тяжа.

2. Появление на одном из полюсов клетки спорогенной зоны, содержащей

одну молекулу ДНК и часть цитоплазмы, отделяемую от остального

протопласта мембранной перегородкой (септой). При этом возникает

своеобразная двуклеточная структур а, но в отличие от обычного клеточного

деления между большой и малой клетками поперечной клеточной стенки не

образуется.

3. Обволакивание спорогенной зоны мембраной большой клетки.

Возникает так называемая проспора, покрытая двумя мембранами, окруженная

со всех сторон цитоплазмой материнской клетки.

4. Формирование между двумя мембранами проспоры кортекса, состоящего

из пептидогликана.

5. Образование к периферии от наружной мембраны толстой оболочки,

составляющей от 30 до 60 % массы споры и состоящей в основном из белков.

Рис. 6. Строение зрелой споры

(схема): 1— цитоплазма; 2 — ЦПМ; 3 —

кортекс; 4 — внутренняя оболочка споры; 5

— наружная оболочка споры; 6 —

остаточная часть материнской клетки

Характерная особенность спор — чрезвычайно высокая устойчивость к

неблагоприятным условиям (высоким температурам, высушиванию, радиации,

кислотам и ядовитым веществам).

Кроме эндоспор прокариоты могут образовывать другие покоящиеся

формы — экзоопоры и цисты.

Контрольные вопросы: В чем основные различия эу- и прокариотической

клеток? Каковы основные формы клеток бактерий? Какие сочетания кокков вы

знаете? Каковы размеры бактериальных клеток? Что такое окраска по Граму?

Как различается строение грамположительной и грамотрицательной

бактериии? Каковы функции клеточной стенки? Что такое микрокапсула,

макрокапсула и чем они отличаются от слизистых слоев? Каковы функции

капсул? Что такое придаточные структуры и для чего они служат? Опишите

общее строение цитоплазматической мембраны. Каковы ее функции? Что

такое мезосомы? Какую роль они играют в клетке? Как называется ядерный

аппарат бактерий? Какие включения может содержать бактериальная клетка?

Какие органы движения имеет бактерия? Опишите строение жгутика бактерии

и принципы его движения. Какие типы жгутикования бактерий вы знаете?

Каковы основные способы деления бактерий? Какие этапы включает процесс

спорообразования? Чем отличаются эндо- и экзоспоры? Каково строение

зрелой эндоспоры? Для чего образуются споры?

АУТЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

ТЕМПЕРАТУРА

Рис.7. Общий вид зависимости скорости роста бактерий от температуры.

Скорость

роста

Температура

Для каждого организма существует минимальная температура, ниже

которой рост не наблюдается, как бы долго ни длился период инкубации;

оптимальная температура, при которой организм растет с наибольшей

скоростью; и максимальная температура, выше которой рост невозможен.

Оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к минимальной.

Эти три температурные точки, называемые кардинальными, характерны

для каждого вида или даже штамма.

По отношению к температуре бактерии делят на три группы : психрофилы и

психротрофы, относительно быстро размножающиеся при температуре 0°С;

термофилы, растущие при температуре выше 45—50 °С, и мезофилы,

развивающиеся в диапазоне умеренных температур.

Контрольные вопросы: Какую роль в жизни бактерий играет свет? Как

действует на микроорганизмы УФ и ионизирующее излучения? Каково

влияние солнечной активности? Какие группы бактерий выделяют по

отношению к гидростатическому давлению? Что тако е кардинальные

температуры? Как выглядит график зависимости скорости роста бактерий от

температуры среды? Почему? Чем отличаются облигатные и факультативные

психрофиллы? Где преимущественно встречаются психрофильные бактерии?

Какие физиологические механизмы приспособления к температуре характерны

для психрофиллов? Чем определяются верхние и нижние температурные

границы роста психрофиллов? Какие группы можно выделить среди

термофильных бактерий? Каковы места обитания термофильных бактерий?

Какова природа термоустойчивости бактерий?

КИСЛОТНОСТЬ СРЕД ОБИТАНИЯ БАКТЕРИИ

Кислотность среды является важным фактором, определяющим

существование в ней прокариот. В зависимости от отношения к кислотности

среды прокариоты могут быть разделены на несколько групп. Для

подавляющего большинства оптимальной является среда, близкая к

нейтральной. Такие организмы называют нейтрофилами. У некоторых видов

бактерий адаптация к определенным значениям рН среды привела к тому, что

оптимум рН для роста переместился в кислую (рН 4 и ниже) или щелочную

(рН от 9 и выше) области. Такие прокариоты названы ацидо- или

алкалофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно. Среди

бактерий обеих групп есть облигатные формы, потерявшие способность расти в

нейтральной среде, и факультативные, сохранившие эту способность.