Химия воды и микробиология. Учебное пособие

21

клетки, такие, как оболочка, ядро, вакуоли. Однако увидеть вирусы и изучить ультраструктуры клеток других микроорганизмов позволяет только электронная микроскопия. Современные электронные микроскопы имеют разрешающую способность 0,001 мкм.

Таким образом, микроскопирование микроорганизмов дает возможность изучить строение их клеток.

Микроорганизмы чрезвычайно многообразны не только по организации клеток, но и по своим биохимическим признакам, однако методы работы с ними достаточно однотипны.

Многие микроорганизмы независимо от их вида осуществляют одни и те же биохимические процессы превращения определенных соединений. Такие микробы объединяют в одну физиологическую группу.

Количественное определение микроорганизмов в различных объектах (природной, питьевой, сточной воде, почве, активном иле, биопленке) проводят для оценки общей особенности и санитарно-эпидемиологической опасности, а также в технологических целях при биологической очистки сточных вод. Для понимания роли микроорганизмов в биохимических процессах, происходящих в природе и на очистных сооружениях водопровода и канализации, выделяют и изучают отдельные систематические и физиологические группы.

Основными методами определения количества микроорганизмов являются: 1) метод прямого счета клеток под микроскопом в препарате, подготовленном из анализируемой пробы воды, почвы и т.д.; 2) метод посева на плотные или жидкие питательные среды.

Различные модификации метода прямого счета позволяют наиболее полно учесть численность микроорганизмов в исследуемом образце. Однако методом прямого счета определяются как живые, так и мертвые клетки микробов.

Методом посева на питательные среды учитываются только жизнеспособные клетки. Существуют среды, состав которых позволяет выращивать и определять на них многочисленные виды микроорганизмов. Для выделения определенных физиологических групп применяют специальные среды, пригодные для развития микроорганизмов только одной физиологической группы.

Сущность метода заключается в посеве строго измеренного объема подготовленной пробы на поверхность плотной питательной среды или пробирку с жидкой средой, инкубации посева в оптимальных для тех или иных видов микроорганизмов условиях и подсчете количества клеток во взятом объеме пробы.

При использовании твердых сред после посева и инкубации подсчитывают число выросших колоний. Считается, что каждая колония вырастает из одной клетки. Зная объем пробы, взятой для посева, рассчитывают число микроорганизмов в 1 мл или в 1г исследуемого материала.

Количественный учет микроорганизмов на жидких средах проводится методом предельных разведений. Сущность метода состоит в следующем.

22

Готовят несколько последовательных разведений из исследуемой пробы. Из каждого разведения делают три параллельных посева в пробирки с жидкой средой. По прошествии необходимого срока инкубации в каждой из засеянных пробирок отмечают наличие или отсутствие роста микробов. Расчет ведут по наибольшему разведению, в посевах из которого обнаружен рост. Считается, что этот наименьший объем воды содержал только одну способную к размножению и в процессе инкубации размножившуюся особь. Точные подсчеты производят, пользуясь специальными таблицами.

3.2. Распространение микроорганизмов в природе

Вследствие малых размеров, а также способности усваивать самые разнообразные вещества в качестве источников питания и легко приспосабливаться к условиям внешней среды микроорганизмы широко распространены в природе и могут быть обнаружены там, где отсутствуют другие формы жизни. Широкое распространение микроорганизмов обусловлено также их способностью переносить неблагоприятные условия в виде покоящихся форм, быстро и интенсивно размножаться, переноситься на значительные расстояния водными и воздушными течениями с помощью птиц и насекомых.

Естественной средой обитания микроорганизмов являются почва, вода и организмы человека и животных. Воздух не является благоприятной средой для развития микробов, поскольку не содержит капельно-жидкой воды, но, попадая в воздух с поверхности земли или предметов вместе с пылью, многие микроорганизмы могут временно сохранять жизнеспособность.

Численность и видовой состав микроорганизмов, населяющих почву, определяются наличием в ней влаги и питательных веществ, реакцией среды, температурой, степенью аэрации. Почва, кроме самого верхнего слоя, служит микроорганизмам защитой от губительного действия прямых солнечных лучей. Почва является местом обитания разнообразных видов бактерий, водорослей, грибов, простейших. Наиболее богаты микроорганизмами хоршо обработанные почвы.

Микроорганизмы, населяющие почву, обладают колоссальной общей поверхностью. Большинство бактерий развивается в верхнем слое почвы глубиной 15 – 20 см. Водоросли развиваются в слое до 10 см и иногда вызывают обильное цветение почвы. Выделяя кислород в процессе жизнедеятельности, они способствуют аэрации почвы. В условиях хорошей аэрации верхнего слоя интенсивно развиваются микроскопические грибы. В почве широко представлены черви и личинки насекомых, которые рыхлят почву, обеспечивая проникание кислорода в более глубокие слои.

Микронаселение водных объектов, его численность и видовое разнообразие определяются прежде всего степенью загрязненности воды, т.е наличием в нем органических веществ. Гидробионты – обитатели водной среды – относятся к

24

например Esherchia coli (кишечная палочка), Clostridium tetani (столбнячная палочка), Paramecium caudatum (инфузория туфелька).

Все микроорганизмы делятся на две группы. Первая группа – эукариоты, или высшие протисты, клетки которых по своему строению сходны с клетками высших животных и растений, т.е. имеют обособленное ядро, содержащее заключенную в хромосомах наследственную информацию. Вторая группа – прокариоты, или низшие протисты, клетки которых не имеют четко сформированного ядра, его заменяют ядроподобные образования – нуклеоиды. К прокариотам относятся бактерии, сине – зеленые водоросли, риккетсии, микоплазмы и др. (рис. 3.1.).

Рассмотрим строение прокариотической клетки (рис. 3.2).

Клеточная стенка – у грамположительных бактерий она состоит из двух оболочек (мукопептидный слой и мембрана); у грамотрицательных бактерий имеется наружная оболочка из липоплисахаридов. Клеточная стенка бактерий проницаема, через нее внутрь клетки поступают питательные вещества и выводятся продукты обмена.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) – главный осмотический барьер клетки, прилегающий непосредственно к клеточной стенке. Она регулирует поступление и выброс веществ, водный и солевой обмен. ЦМП имеет многочисленные выпячивания (инвагинации), внутри которых находятся пузырьки и канальца, организованные в трубчатые и пластинчатые тилакоиды, бухтообразные и спиралевидные мезосомы; предполагается, что они выполняют роль митохондрий, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи и т.д. В ЦПМ происходят биохимические превращения, синтез некоторых компонентов клеточной стенки и капсулы.

Цитоплазма – внутреннее содержимое клетки, где находятся все жизненно важные структуры и органоиды, на 70 – 80% состоящее из воды. В центральной части цитоплазмы находятся ядерное вещество. В цитоплазме могут присутствовать гранулы запасных веществ: крахмал, капли жира, сера и т.д.

Ядерное вещество – нуклеоид. В отличие от эукариотической клетки, ДНК бактериальной клетки не отделена от цитоплазмы ядерной мембраной.

Капсула – не является обязательной частью бактериальной клетки, выполняет защитную функцию: защищает от механических повреждений, предохраняет от высыхания, служит препятствием для проникновения фага, создает дополнительный осмотический барьер.

Жгутик – орган передвижения бактериальной клетки, его толщина от 10 до

20 нм.

Фимбрии (пили) – тончайшие ворсинки, покрывающие всю поверхность бактериальной клетки и выполняющие прикрепительные функции, удерживая бактериальную клетку на различных поверхностях, способствуя скреплению клеток между собой; выполняют роль защитного фактора.

Рассмотрим строение эукариотической клетки.

25

Клеточная стенка – прочная эластичная оболочка, отделяющая содержимое клетки от внешней среды и регулирующая проницаемость клетки. Толщина клеточной стенки от 150 до 280 нм, масса 5- 50% по сухому веществу от массы всей клетки. Клеточная стенка многослойна, чаще всего состоит из трех, но иногда даже из 10 слоев. Клеточная стенка имеет поры размером до 3,6 нм, через которые биополимеры с большой молекулярной массой проникают в клетку и выводятся из нее.

Рис. 3.2. Строение прокариотической клетки на примере палочковидной бактерии

ЦПМ – располагается непосредственно за клеточной стенкой, состоит из трех слоев и имеет толщину 8 нм. Поверхность ЦПМ может быть гладкой или иметь инвагинации. ЦПМ регулирует процесс обмена веществ в клетке, захват углеводородов, липидов и белков (пиноцитоз) и выброс (экскрецию) в среду продуктов обмена клетки.

Цитоплазма – внутреннее полужидкое, коллоидное содержимое клетки, ограниченное ЦПМ. Цитоплазма клетки находится в движении, способствуя перемещению растворенных в ней веществ от одних органелл к другим. В цитоплазме находятся все клеточные органоиды: эндоплазматический ретикулум, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии ядро.

Эндоплазматический ретикулум – мембранная система, имеющая вид пузырьков, канальцев и цистерн и контактирующая с ЦПМ и ядром. Эта система не имеет строго определенного места в клетке и может находиться у ЦПМ, в толще цитоплазмы или около ядра. Функция эндоплазматического ретикулума - синтез липидов, накопление и выведение из клетки ядовитых веществ.

Рибосомы – органоиды размером от 15 до 20 нм, состоящие из нуклеопротеидов и распределенные по всей цитоплазме. Количество в клетке

26

рибосом, ответственных за синтез белков, зависит от возраста клетки и среды ее обитания.

Аппарат Гольджи – мембранное образование, состоящее либо из пузырьков диаметром от 15 до 90 нм, либо из пузырьков и нескольких дисковидных пластин. Мембраны в аппарате Гольджи упакованы достаточно плотно, расстояние между ними от 25 до 230 нм. Функции аппарата Гольджи – синтез материала для формирования клеточных стенок, место образования лизосом, накопления продуктов обмена перед выводом их из клетки.

Лизосомы – различные клеточные структуры и образования, выполняющие различные функции: запасающие гранулы, содержащие ферменты в неактивной форме; аутофагирующая вакуоль, участвующая в переваривании (автолизе) частей самой клетки; пищеварительные гранулы (вакуоли); вторичные лизосомы, которые образуются в случае неполного переваривания материала, - остаточные тельца, которые либо накапливаются в клетке либо подвергаются экскреции.

Вакуоли – производные эндоплазматического ретикулума или аппарата Гольджи, выполняющие различные функции: локализация запасных веществ в клетке; накопитель продуктов метаболизма, т.е. непосредственное участие в выделительной функции клетки. Вакуоли отделены от цитоплазмы липопротеидной мембраной, на поверхности которой располагаются ферменты.

Митохондрии – замкнутые клеточные структуры с многочисленными перегородками. Ответственны за энергетический обмен клетки. Митохондрии – самопродуцирующая система, которая в процессе деления производит самостоятельно (независимо от репликации ядерной ДНК) репликацию митохондриальной ДНК. В митохондриях обнаружен полный комплект системы, синтезирующей белок.

Ядро – важнейшее образование клетки, которое играет главную роль в передаче наследственной информации, регулирует обмен веществ, ответственно за дифференциацию клетки, синтез белка, процесс размножения и т.д. Ядро имеет преимущественно округлую форму и отдельно от цитоплазмы двумя трехслойными мембранами. Основным составляющим ядра является хроматин, главный компонент которого – ДНК.

28

Класс «Саркодовые» (Sarcodina)

Отличительная особенность саркодовых заключается в том, что органоиды движения и захвата пищи служат временные выросты цитоплазмы – псевдоподии (ложноножки) в виде лопастей, нитей или лучей. Некоторые саркодовые имеют органоиды движения в форме жгутов – постоянных волосковидных выростов плазматической мембраны. Такая особенность стала одной из основных причин объединения саркодовых и жгутиконосцев в один класс – саркомастигофоров (Sarcomastigophora). Питаются саркодовые бактериями, водорослями и простейшими. Размножение бесполое (деление или почкование) или половое (при нем возникают жгутиковые или амебоидные гаметы). Многие саркодовые образуют цисты (временные формы существования многих одноклеточных микроорганизмов, характеризующиеся наличием защитной оболочкой, также носящей название циста). Саркодовые разделены на четыре подкласса: корненожки, радиолярии акантарии и солнечники. Всего насчитывается свыше 11 тыс. видов.

Подкласс Rhizopoda – настоящие амебы и корненожки – отличаются мягкой изменчивой формой тела с псевдоподиями. Тело амебы может быть голым (Gymnamoebia) или заключено в домик – раковинные корненожки

(Testacealobosia). На рис. 4.1 представлена Amoeba proteus – одна из самых крупных амеб, размер которой достигает 200 - 500 мкм и более.

Рис. 4.1. Amoeba proteus:

A – в ползущем состоянии, Б – зазватывающая пищу

1 – эктоплазма, 2 – эндоплазма, 3 – пищевые частички, 4 – ядро, 5 – псевдоподии, 6 – сократительная вакуоль

В грязной воде и донных отложения часто встречаются Amoeba limax и

Amoeba radiosa.

Раковинные корненожки – амебоидные организмы, тело которых покрыто в большинстве случаев однокамерной раковинкой разнообразной формы – от шаровидной и дисковидной до палочковидной. Питаются раковинные корненожки в основном бактериями, но некоторые виды употребляют в пищу мелкие водоросли и мелких простейших (рис. 4.2).

29

Рис. 4.2. Схема последовательного захвата пищи амебой:

1 – ядро; 2 – сократительная вакуоль; 3 – пищевая частица; 4 – пищеварительная вакуоль

Сами раковинные амебы служат пищей дл более крупных обитателей биоценоза очистных сооружений – коловраток, олигохет и др. Размножение раковинных корненожек осуществляется делением.

Класс «Жгутиконосцы» (Mastigophora)

Этот класс простейших разделяется на растительных жгутиконосцев –

Phytomastigophorea и животных жгутиконосцев – Zoomastigophorea.

Жгутиконосцев подразделяют также на бесцветные жгутиковые (Flagellata) и окрашенные формы (Euglena или Phacus).

Органами движения служат жгутики – тонкие нитевидные выросты протоплазмы (от 1 до свыше 1000). Питаются бесцветные жгутиковые бактериями, отдельные виды могут питаться растворенными органическими веществами. Для захвата пищи жгутиковые выпускают ложноножоки, более развитые формы имеют ротовое отверстие, находящиеся у основания жгута. Сами жгутиковые служат пищей для многих других обитателей биоценоза – саркодовых, олигохет, инфузорий и рачков. Поедая бактерии, бесцветные жгутиконосцы способствуют ответвлению воды, а хлорофиллосодержащие жгутиконоцы в процессе фотосинтеза оптимизируют кислородный режим водоема. Клеточное ядро, как правило, одно. Существуют двуядерные (лямблии) и многоядерные (опалины) жгутиконосцы. Размножение обычно бесполое (продольное деление надвое в свободноподвижном состоянии или в цистах). Половой процесс у некоторых жгутиковых протекает по принципу копуляции гамет. Свободно живущие жгутиковые распространены в воде соленых и пресных водоемов и частично в почве. Они играют важную роль в процессе круговорота веществ в природе, многие служат биологическими индикаторами загрязненности вод. Мелкие бесцветные жгутиковые чаще всего встречаются на очистных сооружениях (рис. 4.3).

Растительные жгутиконосцы (рис. 4.4), как правило, редко встречаются в биоценозе очистных сооружений, за исключением биологических прудов и вторичных отстойников. Основное их местообитание – загрязненные водоемы.

30

Класс «Инфузории» (Infusoria)

Тип инфузории Ciliophora – это наиболее высокоорганизованные простейшие размером от 10 мкм до 3мм. Форма тела разнообразная. На всех или некоторых стадиях жизненного цикла инфузории покрыты ресничками. Иногда пучки ресничек соединены в органы движения – цирры. Инфузории

Рис. 4.3. Бесцветные жгутиковые:

а– Mastigamoeba trichophora, б – Mastigamoeba chlorelligera,

в- Cercobodo ovatus, г - Bodo caudatus, д - Trepomonas steini

Рис. 4.4. Растительные жгутиконосцы:

а- Euglena geniculata, б - Lepocinclis fusiformes, в - Phacus pleuronectes,

г- Urceolus ceclostomus, д - Anisonema ovale

обычно имеют клеточный рот – цитостом. Ядерный аппарат состоит из нескольких ядер, чаще всего из двух. Размножение бесполое (деление надвое, одновременное множественное деление, реже различные формы почкования). При половом процессе размножения большое ядро (макронуклеус) разрушается и образует новое. Малое ядро клетки инфузории (микронуклеус) – носитель наследственной информации.

Питаются инфузории бактериями, водорослями и простейшими. В неблагоприятных условиях окружающей среды инфузории, как правило, образуют цисты.

Существуют два класса инфузорий – ресничные (Ciliata) и сосущие (Suctoria); всего насчитывается свыше 1100 их родов и 7000 видов.