Лекция 1
Понятие «микроорганизм» объединяет организмы по признаку их малых (как правило видимых только с помощью соответствующих приборов) размеров и связанных с этим специфических методов изучения.
Все объекты, лежащие за пределами 70-80 мкм (1 мм = 103 мкм =106 нм) можно отнести к микроорганизмам. Величина самых крупных представителей микромира около 100 мкм (диатомовые водоросли), около 10 мкм – зеленые водоросли и дрожжи и около 0.5-3 мкм – размеры бактерий. Вирусы имеют размеры 16-200 нм и их можно увидеть только в электронный микроскоп, имеющий высокую разрешающую способность.
На основании особенностей организации клеток, прежде всего генетического аппарата, микроорганизмы подразделяются на эукариоты и прокариоты. К эукариотам относятся водоросли, грибы, простейшие. По строению клеток они мало чем отличаются от макроорганизмов, включая высшие растения и животных. Для эукариот характерно наличие в клетках ядра, окруженного мембраной и содержащего набор хромосом, в которых находится ДНК. Клетки эукариот имеют развитый эндоплазматический ретикулум, митохондрии, рибосомы. У части эукариот наряду с вегетативным и бесполым размножением установлена способность к половому процессу.
У прокариот организация более простая. Ядро, называемое нуклеоидом, не окружено мембраной и представлено одной молекулой ДНК кольцевого характера. Обособленные органеллы отсутствуют, и их функции выполняет клеточная мембрана и (или) внутриклеточные мембраны. Большинство бактерий, также как водоросли и грибы, имеют клеточную стенку, но иного состава.
Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от ее строения прокариоты делятся на две группы – грамположительных и грамотрицательных видов.
При обработке фиксированных клеток кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой, и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных – комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. У грамотрицательных микроорганизмов клеточная стенка многослойная: внутренний слой представлен пептидогликаном, снаружи к нему прилегает наружная мембрана. Между наружной мембраной и пептидогликаном, пептидогликаном и цитоплазматической мембраной - периплазматическое пространство. У грамположительных клеточная стенка плотно прилегает к ЦПМ. Пептидогликан – гетеполисахарид, состоящий из чередующихся остатков N- ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой посредством β-1,4-гликозидных связей. К N-ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа аминокислот. Кроме пептидогликана в состав клеточных стенок грамположительных видов входят тейховые кислоты и полисахариды.
Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки) называются поверхностными структурами. Под капсулой или чехлом (если они имеются) располагается клеточная стенка. Капсулы – слизистые образования, обволакивающие клетку и имеющие аморфное строение. Если слизистое вещество имеет аморфный бесструктурный вид и легко отделяется от поверхности прокариотной клетки, говорят о слизистых слоях. В отличие от капсул чехлы имеют тонкую структуру и более сложный химический состав. Капсулы, слизь, чехлы защищают клетку от механических повреждений, высыхания, препятствуют проникновению фагов, обеспечивают прикрепление клеток к поверхности и друг с другом. Жгутики обеспечивают движение клетки.
Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами (гликоген, крахмал, гранулеза), липидами, полипептидами, полифосфатами, отложениями серы.
Прокариоты могут образовывать покоящиеся формы – споры. Споры характеризуются низкими уровнями метаболической активности (дыхания) и повышенной устойчивостью к действию повреждающих факторов (температурам, кислотности, механическим воздействиям, радиации).
Форма микроорганизмов весьма различна. Прокариоты сферической формы называются кокками. Если деление клеток происходит в одной плоскости, образуются пары клеток, называемые диплококками или цепочки (стрептококки). Если деление происходит равномерно в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и клетки остаются соединенными, возникают пакеты правильной формы (сарцины). Палочковидные бактерии тоже весьма разнообразны (правильной формы, спиралевидной (спириллы), изогнутые (вибрионы)). У многих микроорганизмов палочки остаются соединенными в цепочки.
Особую категорию биологических объектов составляют вирусы. В отличие от бактерий они не имеют клеточного строения, содержат лишь один тип нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) и размножаются только в клетках хозяина, в том числе бактерий. Такие вирусы называются бактериофагами.
Помимо вирусов в клетках микроорганизмов могут находиться дополнительные элементы, содержащие генетическую информацию, например плазмиды. Плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК, определяющие устойчивость содержащих их штаммов к лекарственным препаратам, субстратную специфичность и т.д.
К царству грибов относятся плесени и дрожжи. Широкое промышленное значение получили микроскопические грибы – плесени (продуценты органических кислот, антибиотиков), которые в тоже время являются возбудителями порчи пищевых продуктов, товаров и объектов хозяйственного назначения. Плесени бывают одноклеточные и многоклеточные. В отличие от бактерий, вирусов плесени образуют мицелий, состоящий из нитей – гифов. Мицелий бывает двух видов – субстратный и воздушный. Воздушный образован нитями (спорангионосцами - у одноклеточных плесеней или конидиеносцами – у многоклеточных) с органами спороношения (спорангиями с эндогенными спорами или стеригмами с конидиями). Плесени размножаются спорами, обрывками мицелия (вегетативный способ).
Дрожжи – одноклеточные организмы, отличающиеся от бактерий большими размерами, отсутствием подвижности и наличием дифференцированного ядра. В цитоплазме имеются различные включения: капельки жира, зерна гликогена и волютина, а также вакуоли. Размножаются дрожжи различными способами – почкованием и спорообразованием. Споры от 2 до 16 образуются в цитоплазме при неблагоприятных условиях. Спорообразованию часто предшествует половое слияние клеток. Дрожжи, обладающие свойством спорообразования, называются истинными дрожжами или сахаромицетами. К ним относятся промышленные дрожжи. Неспорообразующие дрожжи называются несахаромицетами и аспорогенными. Обуславливают пороки молочных и мясных продуктов. Дрожжи используются при изготовлении хлеба, вина, пива, спирта, кисломолочных продуктов и др.
Благодаря маленьким размерам микроорганизмы легко переносятся токами воздуха, по воде и другими способами. Поэтому и встречаются в тех местах, где другие формы жизни иногда отсутствуют. Важным свойством микроорганизмов является способность к быстрому размножению. Известны бактерии, которые делятся каждые 30-60 мин и даже через 8-10 мин и только благодаря факторам, ограничивающим их рост, сверхнакопления биомассы не происходит. Третье, что характеризует микроорганизмы – это разнообразие их физиологических и биохимических свойств. Особенно разнообразны по свойствам бактерии.
По отношению к температуре микроорганизмы подразделяются на мезофилы (оптимальная температура 25-35°С), психрофилы (0-20°С), термофилы (40-110°С). Многие микроорганизмы проявляют устойчивость к высокому гидростатическому давлению и сохраняют жизнеспособность в условиях вакуума, особенно если производят высушивание клеток после из предварительного замораживания (на этом основан метод лиофилизации). Некоторые микроорганизмы выдерживают высокие дозы ультрафиолетовой и (или) ионизирующей радиации (в атомных реакторах присутствуют). По отношению к рН среды большинство микроорганизмов предпочитает нейтральное значение (ближе к 7.0). Однако есть ацидофильные виды, которые не растут при рН выше 5.0-5.5 (Thiobacillus ferrooxidans в кислых серных источниках и в месторождениях сульфидных минералов) и алкалофильные микроорганизмы, оптимальное значение рН среды для роста которых 10-11 (Bacillus). Одним из факторов, ограничивающих рост многих микроорганизмов, является осмотическое давление среды. Однако есть осмотолерантные (устойчивые к осмосу) и даже осмофильные виды (некоторые дрожжи и мицелиальные грибы), выдерживающие концентрацию сахара более 20%. Известны экстремальные галофилы, оптимальная концентрация NaCl для которых 20-30%.
В зависимости от отношения микроорганизмов к молекулярному кислороду их принято делить на облигатные аэробы, факультативные анаэробы, аэротолерантные анаэробы и облигатные анаэробы. Большинство микроорганизмов являются облигатными аэробами (для роста им необходим кислород). Есть микроорганизмы, которым кислород необходим в небольшом количестве (2-10%) – микроаэрофилы. Факультативные анаэробы растут как в присутствии, так и в отсутствии кислорода (примером являются дрожжи - аэробное дыхание в присутствии кислорода и спиртовое брожение в отсутствии кислорода). К аэротолерантным анаэробам принадлежат молочнокислые бактерии, способные расти в присутствии кислорода, но при этом метаболизм их остается таким же, как и в анаэробных условиях. Облигатные анаэробы не только не нуждаются в кислороде, но для многих видов он токсичен даже в ничтожно малой концентрации (метанобразующие, сульфатредуцирующие бактерии).
Разнообразны и возможные типы питания микроорганизмов. Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ или метаболизмом. Энергетический метаболизм – поток реакций, сопровождающийся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую или химическую (АТФ) форму. Конструктивный метаболизм (биосинтез) – поток реакций, в результате которого за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток, этот процесс связан с потреблением свободной энергии. В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду. В зависимости от источника углерода все прокариоты делятся на две группы: автотрофы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты и гетеротрофы, источником углерода для которых служат органические соединения. Гетеротрофы подразделяются на облигатных внутриклеточных паразитов, факультативных паразитов (способных расти при определенных условиях вне клетки хозяина) и сапрофитов (не зависящие от других организмов, но нуждающиеся в готовых органических соединениях). Они используют продукты жизнедеятельности других организмов или ткани мертвых организмов. К сапрофитам относится большая часть бактерий. Особую группу гетеротрофных прокариот составляют олиготрофные бактерии, способные расти при низких концентрациях в среде органических веществ. Организмы, предпочитающие высокие концентрации, относят к копиотрофам. Большинство прокариот усваивает азот в восстановленной форме. Это соли аммония, мочевины, органические соединения. Азот используется в метаболизме в форме аммиака, поэтому нитраты перед включением в органические соединения должны восстановлены. Серу прокариоты потребляют в форме сульфата, который при этом восстанавливается до уровня сульфида. Фосфор потребляется в виде фосфатов. Бактериям необходимы также макро (магний, кальций, калий, железо) и микроэлементы (цинк, марганец, натрий, медь, ванадий, никель, кобальт, молибден). Некоторые микроорганизмы нуждаются в факторах роста (витамины, аминокислоты, азотистые основания), такие микроорганизмы называются ауксотрофами (молочнокислые бактерии). Для многих микроорганизмов характерен лабильный метаболизм, способность не только использовать большое количество соединений, но и переключаться с одного типа питания на другой. Некоторые обнаруживают способность к смешанному типу питания.
Роль микроорганизмов в природе и жизни человека велика. В природе они играют важную роль в превращении многих веществ в почве и водоеме, участвуют в формировании и разрушении полезных ископаемых (перегной, торф), принимают активное участие в фиксации молекулярного азота и разложении азотсодержащих органических веществ в почве, ведущих к образованию аммония и нитратов. В результате деятельности микроорганизмов происходит разрушение загрязняющих веществ, в частности пестицидов. Микроорганизмы используются человеком для получения некоторых продуктов питания, антибиотиков, витаминов, органических кислот, аминокислот, гормонов, ферментов. Классические микробиологические производства – пивоварение и виноделие с использованием дрожжей, приготовление молочных продуктов с помощью молочнокислых бактерий, получение пищевого уксуса при участии уксуснокислых бактерий, получение этанола и глицерина с помощью дрожжей, получение молочной и лимонной кислот с помощью молочнокислых бактерий и плесневого гриба Aspergillus niger. Важное значение для микробиологической промышленности имеет получение мутантов, способных к образованию требуемых продуктов в большем количестве, чем исходные штаммы. Широко применяется сейчас генная инженерия для получения штаммов микроорганизмов с полезными свойствами. Однако микроорганизмы наносят также вред. Многие микроорганизмы являются возбудителями различных заболеваний человека, животных, растений. Деятельностью микроорганизмов обусловлена порча сельскохозяйственной продукции и пищевых продуктов, промышленных изделий и сооружений.