Что изучает микробиологическая морфология

ГК «Униконс»

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

«АльтерСтарт»

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

ВНИМАНИЕ: Уважаемые клиенты и дистрибьюторы!

1.1.4. Морфология и физиология микроорганизмов

Микроорганизмы в зависимости от молекулярно-биологической организации подразделяют на прокариотов и эукариотов.

Одной из основных таксономических категорий является вид совокупность особей, объединенных по близким свойствам, но отли­чающихся от других представителей рода. Совокупность однородных микроорганизмов, выделенных на питательной среде, характеризую­щаяся сходными морфологическими, тинкториальными (отношение к красителям), культуральными, биохимическими и антигенными свойствами, называется чистой культурой.

Морфология бактерий в некоторой степени зависит от условий их культивирования, состава питательной среды, факторов окружающей среды и других. В оптимальных условиях культивирования молодые, активно растущие клетки являются наиболее типичными морфоло­гически, в то время как старые могут иметь атипичную морфологию. Бактериальные клетки одного штамма могут отличаться между собой.

Одноклеточные бактерии по внешним признакам могут быть ша­рообразные (кокки), палочковидные и извитые. На рисунке 1.8 изо­бражены основные формы микробов.

Кокки не всегда имеют правильную круглую форму, для некото­рых видов они принимают закругленную, овальную, продолговатую форму.

Например, менингококк (возбудитель эпидемического менин­гита) имеет форму кофейных зерен, обращенных вогнутой поверхно­стью друг к другу.

Большинство палочковидных бактерий располагается беспоря­дочно, так как после деления клетки расходятся.

Многоклеточные бактерии делят на два типа нитчатые и сли­зистые. Отличаются от одноклеточных более сложным строением и определенным циклом развития.

Бактериальная клетки имеет сложное строение (рис. 1.9). В со­став входят клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цито­плазма с включениями и ядро, называемое нуклеоидом. Бактерии могут иметь и дополнительные структуры: капсулу, микрокапсулу, слизь, жгутики, пили; некоторые бактерии способны образовывать споры.

Стрелкой указано деление грамотрицательной бактерии
путем образования перетяжки.

Цитоплазматическая мембрана является трехслойной структу­рой и окружает наружную часть цитоплазмы бактерий. По структуре она состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками. Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобиль­ную, текучую структуру. Она участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки.

Цитоплазма бактерий коллоидная система, занимает основной объем клетки и состоит из растворимых белков. В молодых клетках она оптически однородна, в более старых имеет зернистость. Основ­ная функция обмен веществ. В цитоплазме имеются различные включения митохондрии, рибосомы, полисахариды, полимасляная кислота и полифосфаты (волютин). Митохондрии выполняют дыха­тельные функции и анаэробный бродильный распад веществ; в рибо­сомах происходит биосинтез белков. Волютин выполняет роль запас­ных питательных веществ. При механическом или ином повреждении цитоплазмы клетка погибает.

У многих бактерий имеются жгутики, благодаря которым бакте­рии подвижны. Жгутики представляют собой тонкие нити, отходящие от цитоплазматической мембраны. Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелыми метал­лами (рис. 1.10), или в световом микроскопе после обработки препа­ратов специальными методами (например, после серебрения). Число жгутиков специфично для каждого вида бактерий от одного (холер­ный вибрион) до десятков, сотен (кишечная палочка, протей). В зави­симости от расположения и числа жгутиков различают основные типы жгутикования (рис. 1.11).

Также у бактерий существуют такие образования, как ворсинки и пили, нитевидные тонкие образования. В функции входит прикре­пление к поражаемой клетке, или конъюгация.

Термин «пили» чаще означает особые ворсинки, способствующие выполнению половых функций.

Из семейства сахаромицетов наибольшее промышленное значение имеет большой род сахаромицес, в который входит множество видов, в том числе дрожжи, применяемые в виноделии, пивоварении, хлебопе­чении, производстве спирта. Из семейства несахаромицетов наиболее часто встречаются роды торула и кандида, причиняющие значительный ушерб на пищевых предприятиях.

Дрожжи часто обнаруживают на мясе и мясопродуктах; они вы­зывают ослизнение мяса при хранении, образование пигментных пятен, а осмофильные дрожжи развиваются в рассолах.

В клетках плесени различают клеточную стенку, цитоплазму с включениями, одно или несколько ядер, в отличие от бактерий. Раз­множаются половым, бесполым путем и вегетативно. Основной способ распространения спорообразование.

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность ми­кробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания, пита­ние осуществляется всей поверхностью клетки. Интенсивность проник­новения питательных веществ в клетку зависит от степени проницаемо­сти клеточной оболочки, растворимости питательных веществ в воде, разности концентраций питательных веществ в клетке и во внешней среде. Чем сложнее химическое строение вещества, тем хуже оно про­никает в клетку.

По способности усвоения углерода микроорганизмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны самостоя­тельно продуцировать органические соединения из углекислого газа и солей азотной кислоты, способны существовать только в неорганиче­ской среде. Гетеротрофы используют готовые органические соединения (сахар, многоатомные спирты, органические кислоты) для получения углерода, минеральные вещества неспособны использовать в качестве энергетического материала. Нерастворимые источники углерода, такие как жиры, крахмал, также могут быть использованы после расщепления микроорганизмами.

Гетеротрофы делят на метатрофы и наратрофы. К метатрофам в первую очередь относятся сапрофиты, т.е. гнилостные микробы и большинство возбудителей брожения, а также значительное количе­ство патогенных микроорганизмов. Для синтеза белков необходим азот, поэтому источником азота могут быть белковые вещества организмов, а в искусственных питательных средах используются пептоны и амино­кислоты. Паратрофы организмы-паразиты, пользующиеся готовыми веществами клетки-хозяина (вирусы, риккетсии).

Рис. 1.12. Фазы роста и размножения бактерий

Быстрота размножения микробов изменяется во времени. На жид­кой искусственной питательной среде наиболее четко видна динамика развития колонии, которое проходит четыре основные фазы (рис. 1.12). Лаг-фаза, фаза задержки роста, продолжается 3-5 ч, когда бактерии приспосабливаются к новым условиям среды, клетки увеличивают­ся в объеме, но размножение не происходит. Логарифмическая фаза роста характеризуется усиленным размножением бактерий, скорость появления клеток во много раз превышает скорость отмирания, фаза продолжается 5-6 ч. Во время этой фазы бактерии наиболее уязвимы и наилучшие возможности дня применения уничтожающих их агентов. В стационарной фазе число образующихся клеток постепенно стано­вится равным числу отмирающих, фаза может быть очень продолжи­тельной. Фаза отмирания наступает по мере истощения питательной среды и накопления продуктов обмена. Скорость отмирания варьиру­ется. Часть оставшихся в живых клеток переходят в споры.

К числу основных факторов, оказывающих влияние на рост и раз­множение микроорганизмов, относятся факторы внешней среды.

Источник

ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

4.1. Методы изучения морфологии микроорганизмов

Исследованиями микробной клетки занимаются цитология, цитохимия, биохимия, биофизика, молекулярная биология, генетика, микроскопия и другие научные дисциплины. Они изыскивают различные методы, стараясь «заглянуть» внутрь клетки, изучить ее строение и связанные с ним жизненные процессы.

Основным методом изучения морфологии микробной клетки является микроскопия, то есть наблюдение за живыми или мертвыми клетками с помощью микроскопа. Вначале это был световой микроскоп, позднее появились фазово-контрастный, стереоскопический, ультрафиолетовый, люминесцентный, поляризационный и, наконец, электронный микроскопы.

Световые микроскопы подразделяются на студенческие, рабочие, лабораторные и исследовательские, различающиеся по конструкции и комплектации.

Микробиологическое исследование начинается обычно с микроскопии нативного материала (биологический материал, продукты питания и др.). Результаты микроскопии в подавляющем большинстве случаев недостаточны для идентификации микроорганизма, но дают возможность получить ориентировочное представление о количестве содержащихся в материале микроорганизмов и их принадлежности к палочковидной или кокковой микрофлоре. Для определения формы микроорганизмов с помощью светового микроскопа чаще всего используют препараты фиксированных (убитых) клеток, которые окрашивают различными красителями, подразделяемые по их способности выявлять определенные структурные образования микробных клеток. Обычно различают 4 большие группы красителей:

— кислые (или цитоплазматические) красители, которые окрашивают преимущественно цитоплазму, реже клеточные стенки;

— нейтральные красители, избирательно окрашивающие отдельные компоненты цитоплазмы, например, Судан III или нильский синий окрашивают капельки жира;

Существуют методы окраски у микробов ядерного вещества (по Романовскому-Гимзе) спор (методы Ожешко, Пешкова), капсул (метод Бурри), клеточной стенки (метод Гутштейна, Циля-Нильсена), жгутиков (метод Морозова), зерен волютина (полифосфата, метод Раскиной).

Уже в XIX веке ученые установили, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена длиной световой волны. Самые мелкие бактерии находятся около предела видимости наиболее совершенного оптического микроскопа. Фазово-контрастный микроскоп не преодолел нижней границы наблюдаемых размеров, но с его помощью можно наблюдать живые клетки микроорганизмов. В фазово-контрастном микроскопе благодаря изменению длины пути световых волн возникает «фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны». В результате усиливается рельеф, что позволяет увидеть некоторые малые элементы структуры клеток.

4.2. Морфологические типы бактерий

Кокки бывают сферические, элипсовидные, бобовидные и ланцетовидные (обоюдоострые лезвия). В зависимости от расположения отдельных клеток по отношению друг к другу кокки делятся на следующие группы:

Рис. 1. Форма сферических бактериальных клеток

Общее число палочковидных бактерий значительно больше, чем кокковидных.

Извитые, или спиралевидные формы. К этой группе бактерий относятся (рис 3):

— спирохеты имеют штопорообразную извитую форму.

Обнаружены также бактерии, имеющие треугольную, нитевидную, звездообразную и другие формы.

4.3. Ультраструктура бактериальной клетки

Строение типичной бактериальной клетки показано на рис. 4.

Оболочка бактерий состоит из цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и капсульного слоя, превращающегося у некоторых видов в истинную капсулу.

Под влиянием различных факторов среды некоторые микробы обладают способностью откладывать на поверхности мощный слизистый слой вокруг клеточной стенки, получивший название капсулы. В зависимости от плотности и толщины слизистого слоя различают макро- микрокапсулы, слизистый чехол (гликокаликс) и S-слои:

— макрокапсула (собственно капсула);

— слизистый чехол (гликокаликс) так же, как и капсула, образован высокополимерными мукополисахаридами и отличается от микрокапсулы тем, что не имеет постоянной прочной связи с клеточной стенкой;

— S-слои выстилают наружную поверхность клеточной стенки равномерно упакованными белковыми структурами правильной формы. Они имеют упаковку и расположены подобно паркетным дощечкам, плотно прикрывающим клетку.

Капсульное вещество бактерий состоит из полисахаридов, мукополисахаридов (гиалуроновой кислоты) или полипептидов. В зависимости от особенностей микроорганизмов и состава питательной среды химический состав капсул весьма вариабелен. Благодаря высокому содержанию воды (до 98 %) они слабо окрашиваются красителями. Капсулообразование считается приспособительной функцией микробов. Капсулы защищают клетку от действия токсических веществ, механических повреждений и высыхания. Патогенные капсульные микробы более устойчивы к фагоцитозу, действию защитных факторов организма. Капсулы не являются необходимой частью клетки. Несмотря на то, что капсулообразование является видовым признаком, оно может быть утрачено как в естественных, так и в искусственных условиях.

Жгутики. Многие бактерии подвижны, на основании чего их подразделяют на плавающие и скользящие. Подвижность плавающих бактерий (энтеробактерий, псевдомонад, спирилл) обусловлена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики устроены в виде микротрубочек и состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина, которые расположены по спирали и образуют полый цилиндр. Длина жгутиков 10-20 мкм, толщина 12-20 нм.

Движение клеток осуществляется путем вращения жгутика по или против часовой стрелки (у монотрихов), при этом сама клетка медленно вращается по часовой стрелке. При вращении жгутика по часовой стрелке клетка тянется за жгутиком вперед (жгутик впереди). При вращении жгутика против часовой стрелки клетка выталкивается жгутиком вперед (жгутик сзади). Некоторые монотрихи вращают жгутик только по часовой стрелке, и для смены направления им надо остановиться и переориентироваться. Перитрихи вращают жгутики (пучок жгутиков) против часовой стрелки (жгутики остаются сзади клетки по направлению движения). Наибольшей подвижностью обладают монотрихи (до 60 мкм/с).

Все подвижные бактерии передвигаются в направлении, определяемом внешними воздействиями. В зависимости от природы внешнего фактора, под воздействием которого осуществляется движение, различают хемотаксис (движение относительно того или иного химического соединения), аэротаксис (связан с разницей содержания в среде кислорода), магнетотаксис (способность двигаться по силовым линиям магнитного поля Земли), вискозитаксис (реакция бактерий на изменение вязкости раствора).

Еще одним способом движения бактерий является скольжение клеток по твердой поверхности в результате их волнообразных сокращений. Механизм этого типа движения изучен недостаточно. В некоторых случаях скольжение осуществляется за счет белков внешней мембраны и движение вперед по поверхности представляет собой вид отталкивания. Скользящие бактерии не имеют жгутиков и при движении по поверхности оставляют слизистый след. У некоторых бактерий описано «прыгающее» движение, природа которого не выяснена.

Клеточная стенка является чрезвычайно важным элементом структуры бактерий. Она придает клетке определенную форму и жесткость, защищает внутренне содержимое клетки, препятствует осмотическому набуханию и разрыву клеток, когда они попадают в гипотоническую среду. Ей принадлежит важная роль в регуляции роста и делении бактерий. Вода, другие малые молекулы, ионы легко проникают через крошечные поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Толщина клеточной стенки колеблется от 20 до 100 нм и составляет около 20 % сухого вещества бактериальной клетки.

По строению клеточной стенки бактерии делят на две группы. Одни окрашиваются по Граму, поэтому их называют грамположительными, а другие обесцвечиваются при отмывке красителя и их называют грамотрицательными. В клеточной стенке и тех и других есть особая жесткая решетка, состоящая из муреина, или пептидогликана. Молекула муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. У грамположительных бактерий пептидогликан составляет 40-60 % сухой массы клеточной стенки. У этих микроорганизмов в муреиновую сетку встроены дополнительные структуры, образованные полисахаридами, белками или гликопротеидами. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но устроена она сложнее. Муреиновый слой у этих бактерий составляет около 10 % массы клеточной стенки, снаружи покрыт гладким слоем липидов, образующих так называемую наружную мембрану, состоящую из фосфолипидов, липополисахарида, липопротеида и белков. Липидный слой придает клетке устойчивость к ферментам и антибиотикам (пенициллину). Под наружной мембраной расположена периплазма, или перизматическое пространство. Периплазма содержит слой пептидогликана, специфические для нее белки и олигосахариды, а также неорганические соединения. Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, называются протопластами, они имеют шаровидную форму, обладают способностью к делению, дыханию, синтезу белков и спорообразованию. Однако протопласты очень чувствительны к изменениям осмотического давления, механическим воздействиям и аэрации, не обладают активной подвижностью. Если происходит частичное растворение клеточной стенки, то бактерии превращаются в сферические тела, называемые сферопластами.

Цитоплазматическая мембрана прилегает к внутренней поверхности стенки клетки, ее толщина составляет 7-8 нм. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) служит главным барьером между цитоплазмой клетки и окружающей внешней средой. Ключевым компонентом биологических мембран, представляющих бислойные структуры, являются полярные липиды, в основном фосфолипиды, содержащие жирные кислоты. ЦПМ выполняет функцию разделительной перегородки, через нее с помощью ферментов непрерывно осуществляется активный транспорт различных веществ и ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы.

Генетический аппарат прокариот (хромосома или нуклеоид), в котором содержится генетическая информация относительно всех признаков, присущих клетке, представлен гигантской двухспиральной молекулой ДНК длиной 1 мм, толщиной около 2 нм. Нуклеоид представлен замкнутой структурой, не отграничен от цитоплазмы какой-либо мембраной и не связан с белками бактериальной клетки. При быстром росте бактерий деление хромосомы обычно опережает деление самой клетки, поэтому молодые клетки могут содержать несколько идентичных копий одной хромосомы. Например, клетки кишечной палочки при быстром росте на полноценной питательной среде содержат до 11 нуклеоидов, в медленно растущих клетках обнаруживают 1-2 хромосомы.

У многих бактерий, помимо основной хромосомы, обнаружены дополнительные внеядерные (внехромосомные) кольцевые и линейные двухцепочечные молекулы ДНК, которые могут существовать и реплицироваться как независимо от хромосомы, так и быть интегрированными в нее. К ним относятся плазмиды, транспозоны и инсерционные (IS)последовательности. Плазмиды бактерий представляют собой двунитевые молекулы ДНК размером от 106 до 10 8 Д, несущие от 40 до 50 генов. Они выполняют регуляторные и кодирующие функции. Количество плазмидной ДНК составляет обычно не более нескольких процентов от хромосомной ДНК, а число плазмид от 1 до 200. Плазмиды содержат от 1500 до 40000 пар нуклеотидов. Плазмиды, как и другие внехромосомные элементы, не являются жизненно необходимыми, так как не кодируют информацию о синтезе ферментов, участвующих в метаболизме бактериальной клетки. Однако они могут изменять питательные потребности бактерий, придавать клетке такие свойства, как устойчивость к антибиотикам, солям тяжелых металлов, способность к продукции факторов патогенности, метаболических ферментов и др. Важная роль внехромосомных генетических элементов заключается в том, что они обеспечивают обмен генетическим материалом по горизонтали (от одной клетки популяции к другой) и играют определенную роль в эволюции прокариот. Таким образом, внехромосомные элементы делают возможным существование бактерий в более широком диапазоне условий окружающей среды, то есть действуют как фактор адаптации.

Цитоплазма содержит мелкие зерна диаметром 15-20 нм, состоящие из белка и нуклеиновых кислот (РНК), получившие название рибосом. Они являются обязательными и весьма важными структурами для жизнедеятельности бактерий. Количество рибосом в клетке колеблется от 5000 до 90000. Общая масса рибосом может составлять до четверти клеточной массы. Они являются местом белкового синтеза.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они построены из двух субъединиц: 30Sи 50S, 30S частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка более 20 видов. 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S). В ее состав входит более 30 различных белков, также представленных одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.

4.4. Споры и спорообразования

Микроорганизмы родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sporosarcina и некоторых других (всего около 20 родов) способны образовывать споры(эндоспоры), представляющие собой тельца круглой или овальной формы. Спорообразование присуще как патогенным (возбудители сибирской язвы, ботулизма столбняка и др.), так и сапрофитным видам, обитающим в почве, воде, организме животных. Чаще всего споры образуют палочковидные микроорганизмы, сравнительно редко наблюдается образование спор у кокков и извитых форм.

Споры располагаются в клетках по-разному. Диаметр споры может быть приблизительно равен или несколько превышать диаметр клетки, из которой образовалась спора. У одних бактерий спора формируется на конце клетки (терминальное расположение), последняя при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки; у других образуется в центре клетки, и последняя либо не меняет форму (род Bacillus), либо расширяется в центре, принимая вид веретена (род Clostridium) (рис. 6).

Споры характеризуются большой преломляемостью света и при микроскопическом исследовании в неокрашенном состоянии имеют вид блестящих зерен; они с трудом прокрашиваются красителями. Вследствие наличия плотной многослойной оболочки, имеющей пластинчатое строение, минимального количества свободной воды и высокого содержания кальция и липидов споры обладают повышенной устойчивостью к действию факторов внешней среды и могут длительно (десятки лет) сохраняться в неблагоприятных условиях. Споры некоторых бацилл выдерживают кипячение и действие высоких концентраций дезинфицирующих веществ. Они погибают в автоклаве от воздействия, насыщенного пара при температуре 115-125 °С (1,5-2 атм) спустя 20 минут, а также под влиянием температуры 150-170 °С в сухожаровом шкафу (1 час).

Попадая в благоприятные условия, споры прорастают и превращаются снова в вегетативные формы. При этом они набухают, увеличиваются в размерах, содержание воды в них возрастает, процессы обмена усиливаются. На первом этапе происходит активация ферментов, идет активный синтез белка и РНК, но репликация ДНК начинается лишь через 1-2 часа после начала прорастания споры. В последующем происходит разрушение толстого слоя молекул пептидогликана, расположенного между двумя мембранами проспоры, разрыв споровых покровов и выход сформировавшейся к этому времени структуры, называемой ростовой трубочкой. В дальнейшем наблюдается ее удлинение, достраивание клееночной стенки и деление удлиненной клетки. Обычно прорастание идет значительно быстрее, чем образование споры (в течение 4-5 часов).

Способность к спорообразованию используют в систематике микробов, однако она может быть утрачена в результате частых пересевов на питательных средах или культивирования при высокой температуре.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2018-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

Источник