Микробиология и основы биотехнологии

ных. Присутствие в водоемах мельчайших растительных организмов определяет существование биоты. Однако обилие микроскопических водорослей в водоемах отрицательно сказывается на органолептических свойствах воды, приобретающей неприятные запахи и привкусы. Многие водоросли, вызывающие «цветение» водоемов, могут выделять при распаде клеток ядовитые вещества, губительно влияющие на животные организмы водного объекта.

Являясь продуцентами, водоросли участвуют в биотическом круговороте веществ, циклический характер которого поддерживает существование и развитие жизни в биосфере.

Âисторическом и геологическом прошлом водоросли участвовали

âобразовании горных и меловых пород, известняков, рифов, особых разновидностей угля, ряда горючих сланцев, они являются родоначальниками растений суши.

Совместно с гетеротрофными организмами водоросли (вольвоксовые, эвгленовые, диатомовые, желто-зеленые, пирофитовые) являются активными агентами, осуществляющими процессы естественного само- очищения водоемов и сточных вод, и индикаторами загрязнения.

Азотфиксирующие и сине-зеленые почвенные водоросли повышают плодородие почвы.

Âпоследние годы водоросли, культивируемые на коммунально-бы- товых и промышленных сточных водах с целью их биологической очистки, используются в промышленности и сельском хозяйстве для получе- ния метана путем сбраживания органической массы. Биомасса микроскопических водорослей используется как дополнительный источник белка и биостимуляторов, используемых в животноводстве и птицеводстве. Способность хлореллы ассимилировать до 10–18 % световой энергии позволила использовать ее для регенерации воздуха в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения человека при длительных космических полетах и подводном плавании. Некоторые водоросли (например, хлорелла) способны накапливать радионуклиды, что позволяет использовать их для дополнительной очистки сточных вод атомных электростанций.

Многие микроскопические водоросли, такие как хлорококковые (Chlorella, Scenedesmus), используются как объекты исследования

âобласти физиологии, биохимии, генетики, биофизики, общей биологии.

31

Простейшие организмы (Protozoa)

Ýòî одноклеточные организмы животного происхождения [11]. Большинство из них в сотни раз больше многих бактерий. Простейшие организмы широко распространены в природной среде. Они встречаются в воде, почве, активном иле. Простейшие лишены твердой оболочки и имеют мягкую относительно хрупкую внешнюю клеточную мембрану, состоящую чаще всего из хитина или родственных ему соединений и не содержащую целлюлозу.

Под оболочкой простейших находятся обособленное ядро, цитоплазма, которая содержит вакуоли, выполняющие различные функции (пищеварительную, сократительную). В цитоплазме обнаруживаются гранулы с запасными питательными веществами.

Простейшие являются аэробными организмами. Большинству простейших организмов свойственен голозойный способ питания (использование только растворимых веществ, как у животных). Они заглатывают плотные частицы пищи, превращая их в растворимые вещества.

Размножаются простейшие делением клетки пополам. Для жгутиковых характерно продольное деление, для ресничных — попереч- ное.

Попадая в неблагоприятные условия, некоторые простейшие образуют цисты, имеющие плотную оболочку, устойчивую к воздействию вредных факторов среды. Цисты могут существовать без влаги в течение нескольких лет. После высыхания прудов и рек цисты разносятся ветром в различных направлениях, заражая почву и открытые водоемы.

Простейшие организмы принадлежат к трем классам: Sarcodina

(представители класса — амебы, раковинные корненожки, солнечники); Mastigophora, èëè Flagellata (бесцветные жгутиковые инфузории (Flagellata) и окрашенные формы, например Euglena); Ciliata, èëè Infusoria (ресничные инфузории, разнообразные по форме, расположению и количеству ресничек, способам питания и образу жизни).

Коловратки (Rotatoria)

Представители животного мира, имеющие более сложное строение, чем простейшие. Участвуют в процессах самоочищения водоема и сточ- ных вод, являясь постоянными обитателями активного ила сооружений по биологической очистке сточных вод.

32

Черви (Vermes)

Участвуют в деструкции органических веществ в естественных и искусственных экосистемах. Существенная роль в этом процессе принадлежит круглым червям Nematodes и малощетинковым червям —

Oligochaeta.

Водные личинки и куколки насекомых

К этой группе организмов относятся наиболее часто встречающиеся личинки и куколки мушки Psychoda, личинки комаров Chironomida è Podurà.

Водные клещи (Hydracarina)

Водные клещи — мелкие животные длиной меньше 1 см.

Низшие ракообразные

Встречаются в пресной воде. Основные представители: ветвистоусые рачки — дафнии (Daphnia) и веслоногие рачки — циклопы (Cyclops).

Термин «микроорганизм», часто используемый в литературе, не имеет таксономического смысла, так как характеризует любой организм микроскопических размеров. В современной классификации микроорганизмов принята следующая иерархия таксонов: домен (надцарство), царство, филум (отдел), класс, порядок, семейство, род, вид [12]. Основной таксономической единицей является вид.

В настоящее время большое количество накопленного фактического материала потребовало разработки новой (филогенетической) классификации микроорганизмов для удобства работы с ними. Целью филогенетической классификации является объединение родственных форм, связанных общностью происхождения, и создание филогенетического «древа» микроорганизмов.

Для идентификации микроорганизмов в этом случае используются следующие критерии:

•морфология клеток, выращенных на определенных средах при определенных условиях;

•культуральные признаки (характер роста на твердых и жидких средах);

•физиологические свойства (использование различных субстратов, отношение к аэрации, рН, температуре и т. д.);

33

•биохимические свойства (метаболитические пути);

•цитология клеток (проили эукариоты);

•серодиагностика (реакция антиген — антитело, особенно для патогенных микроорганизмов);

•фаготипирование (использование специфических фагов);

•молекулярно-биологические свойства (содержание пар ГЦ–АТ (мол. %), гибридизация нуклеиновых кислот, анализ нуклеотидной последовательности 16S рРНК);

• хемотаксономия (химический состав различных соединений и структур: спектр жирных и тейхоевых кислот у актиномицетов, миколовых кислот у нокардий, микобактерий, коринебактерий).

В настоящее время для идентификации микроорганизмов-прокари- от используют определитель Берги [13].

Существует и более формальная нумерическая таксономия, позволяющая дать количественную оценку степени сходства и различия организмов путем вычисления коэффициента сходства или соответствия. Для использования этой классификации необходимо как можно полнее изучить фенотипические признаки микроорганизма, так как от этого зависит его принадлежность к данной группе [1].

Филогенетический подход к систематике микроорганизмов, учитывающий родственные связи, позволил бы наиболее точно определить принадлежность объекта к определенной группе и виду, однако при отсутствии в большинстве случаев ископаемых остатков микроорганизмов невозможно установить их генеалогическое древо.

Попытка перехода к филогенетической классификации микроорганизмов была предпринята профессором Иллинойского университета К. Веза (C. Wose) [1]. На основе множества сравнений нуклеотидных последовательностей 16S рРНК с помощью компьютера было построено филогенети- ческое древо. Анализ 16S рРНК позволяет определить место микроорганизма на филогенетическом древе, а видовая принадлежность определяется традиционными методами. При этом 90 % совпадений указывает на принадлежность к определенному роду, а 97 % — к определенному виду.

Для более четкого дифференцирования микроорганизмов на уровне рода и вида таксономии, основанной на молекулярно-биологических приемах, недостаточно. С этой целью в 1970 г. профессором-микробиоло- гом Р. Колвеллом предложено использовать полифилетическую таксономию, которая включает в себя и объединяет несколько уровней информа-

34

ции, от молекулярного до экологического. В настоящее время полифазной таксономией обозначают консенсусную таксономию, использующую всю имеющуюся информацию для выделения консенсусных таксономических групп.

Для получения полифилетической информации необходимо:

•провести предварительный поиск сложных штаммов;

•определить филогенетические позиции этих групп;

•оценить различия между группами и их ближайшими соседями;

•провести сбор данных, дифференцирующих группы, предпочтительно на разных уровнях клеточной организации.

Âразрабатываемой классификации на основании анализа нуклеотидной последовательности 16S рРНК выделены три домена (надцарства): Bacteria, Archaea, Eukaróa.

Âдомен Eukarya вошли все эукариотические организмы, как одноклеточные, так и многоклеточные, включая человека и микроорганизмы: водоросли, грибы, дрожжевые анаморфы грибов и простейшие.

Домен Bacteria включает прокариотические организмы, имеющие типичные признаки бактерий, в частности клеточные оболочки, содержащие пептидогликан.

К домену Archaea отнесены микроорганизмы, разделенные на три филума: Euróarchaeota, Crenarchaeota è Korarchaeota.

Первый филум объединяет повсеместно распространенные микроорганизмы: метаногены, экстремальные галофилы.

Во второй филум вошли микроорганизмы, имеющие очень узкие

èспецифические места обитания,— экстремофилы, жизнедеятельность которых зависит от наличия серных соединений, экстремальных значений рН и температуры.

Третий филум зарезервирован до настоящего времени для некультивируемых прокариот с известной последовательностью генов, кодирующих молекулу 16S рРНК [1].

Вопросы для самоконтроля

1.Что изучает микробиология?

2.Какую роль играют микроорганизмы в природе? Каково их зна- чение в народном хозяйстве и жизни человека?

3.Какие этапы исторического развития прошла микробиология?

35

Глава 2 МОРФОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

КЛЕТКИ — ОСНОВНОГО ОБЪЕКТА БИОТЕХНОЛОГИИ

2.1. Размеры, форма, подвижность, размножение, спорообразование

Отличительный признак микробиологической клетки — малые размеры отдельной особи. Размеры дрожжей, водорослей (сине-зеленые) не превышают 10 мкм. Самый большой размер у нитчатой бактерии Beggiatoa mirabilis — 50 мкм. Диаметр большинства бактерий не превышает 1 мкм. Детали тонких структур микроорганизмов измеряют в нанометрах (1 нм = 10–6 ìì = 10–3 мкм). Размер средней бактериальной клетки составляет 4 мкм.

Клетки бактерий могут быть палочковидной или кокковидной формы. Среди кокковидных клеток выделяются:

–монококки — шары, часто уплощенные, слабо овальные или бобовидные;

–диплококки — соединенные попарно монококки;

–тетракокки — соединенные попарно диплококки;

–стрептококки — цепочки различной длины;

–сарцины — скопления кубической формы, состоящие из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим;

–стафилококки — скопления неправильной формы, напоминающие грозди винограда.

Бывают клетки в виде розеток, плоских табличек, сети и трихомов (цепочки клеток, тесно примыкающие друг к другу, прямые и ветвящиеся).

Извитые или изогнутые бактерии отличаются по длине, толщине и степени изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, назы-

37

âàþò вибрионами; палочки с одним или несколькими завитками — спириллами; со многими завитками — спирохетами. Различные формы бактерий представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Морфология бактериальной клетки: à — палочки; á — монококк; â — диплококк; ã — тетракокк; ä — стрептококк; å — сарцина; æ — стафилококк

Существуют микроорганизмы необычной формы: квадратные, прямоугольные, бобовидные, звездчатые, тарелкообразные, ветвящиеся и образующие мицелий (актинобактерии), имеющие гифы с почками (Hóphomicrobium), стебельки (Galionella), простеки (Campólobacter). Встречаются бактерии, обладающие плейоморфизмом и меняющие свою морфологию в течение жизненного цикла (Ñorónebakterium, Mócobacterium, Nocardia) [1].

Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться под влиянием условий развития. Однако при определенных и относительно стабильных условиях бактерии сохраняют присущие данному виду свойства: размеры, форму.

Шаровидные бактерии, за редким исключением, не способны к движению. Среди палочковидных бактерий имеются подвижные и неподвижные формы. Изогнутые бактерии все подвижны.

Движение бактерий осуществляется с помощью жгутиков, которые представляют собой спирально закрученные тонкие нити белковой природы, способные сокращаться. Каждая нить состоит из нескольких тонких волоконец, скрученных вместе. Жгутики некоторых бактерий дости-

38

гают значительной длины, превышающей в десятки и более раз длину тела клетки, но у большинства длина их составляет 5–10 мкм, а толщина — 0,01–0,03 мкм, т. е. разрешающая способность светового микроскопа не позволяет их увидеть. Рассмотреть жгутики можно с помощью электронного микроскопа или после специальных методов обработки с помощью светового микроскопа. В зависимости от расположения жгутиков на поверхности тела бактерий различают несколько видов жгутикования (рис. 2.2):

•монотрихиальное (жгутики расположены поодиночке);

•лофотрихиальное (жгутики располагаются пучком на одном конце тела);

•амфитрихиальное (жгутики на обоих концах);

•перитðихиальное (жгутики

распределены по всей поверхности).

Характер и скорость движения у разных видов бактерий различны. Самым подвижным является холерный вибрион, способный

за 1 с преодолеть расстояние до 30 мкм. Подвижность может быть утра- чена под влиянием неблагоприятных условий жизни, при старении клеток и механическом воздействии.

Размножаются бактерии обычно делением клетки пополам. При этом в средней части клетки путем кольцевидного врастания оболочки образуется перегородка, которая, расщепляясь, разделяет клетку на две новые.

Перегородка может появиться в центре клетки (изоморфное деление) или сместиться к какому-либо концу (гетероморфное деление), вследствие чего новые клетки получаются неодинакового размера. Делению клетки предшествуют значительные изменения — перегруппировка содержимого, ядерной субстанции, включений и др.

Палочковидные и извитые формы образуют перегородку перпендикулярно их длинной оси. У шаровидных бактерий перегородка может проходить по любому из диаметров клетки. Если при делении кокков перегородка последовательно располагается в одной плоскости (парал-

39

лельно предыдущей) и клетки не разъединяются, то образуются различ- ной длины цепочки из кокков (стрептококки). Когда кокки делятся последовательно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуются сростки из восьми клеток в виде пакетов (сарцины), а при последовательном делении в различных плоскостях возникают беспорядочные скопления клеток, которые у некоторых бактерий сходны с гроздями винограда (стафилококки).

К характерным особенностям бактерий относится способность к чрезвычайно быстрому размножению. В благоприятных условиях среды количество бактерий может удваиваться через каждые 20–30 мин. При таком интенсивном размножении число поколений одной клетки в течение суток будет около 60. Например, в результате массового размножения кислотообразующих бактерий происходит быстрое скисание молока, порча мясных, рыбных и других продуктов.

Спорообразование происходит почти исключительно у палочковидных бактерий. В клетке бактерий образуется только одна спора. Спорообразование у бактерий — это не способ размножения; споры являются покоящимися клетками, обладающими устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, и служат для сохранения вида. Спорообразование — сложный процесс, начинающийся при обеднении среды питательными веществами и накоплении в ней метаболитов. Перед спорообразованием в клетке происходит накопление питательных веществ (белки, липиды) и образование специфичного для спор вещества — дипиколиновой кислоты, которая отсутствует в вегетативной клетке.

Эта кислота в виде кальциевой соли входит в состав оболочки зрелой споры. Спора развивается из части протопласта (цитоплазмы с ядерным материалом) материнской вегетативной клетки. По мере развития и созревания споры закладываются ее оболочки, число и толщина которых варьируются у разных бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть либо гладкой, либо с выростами и выступами. Процесс образования споры происходит в течение нескольких часов. Обычно споры имеют круглую или овальную форму. Они располагаются в центре клетки, ближе к концу (субтерминально) или на самом конце (терминально). У одних видов бактерий расположение спор строго определено, у других строгая локализация отсутствует.

Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, и клетка приобретает форму веретена (клостридиум), если спора распо-

40