Материал: Морфология бактерий. Спиртовое брожение

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium. Перед спорообразованием происходит деление ДНК вегетативной клетки. Образуется тяж вдоль длинной оси клетки, затем приблизительно 1/3 тяжа отделяется и переходит в формирующуюся спору в одном из полюсов клетки. Затем происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с ДНК обособляется от остального содержимого клеток с помощью перегородки. Перегородка формируется путем впячивания ЦПМ от периферии к центру, где срастается, и образуется споровая оболочка. Отсеченный участок «обрастает» второй мембраной и образуется проспора. На следующем этапе между мембранами проспоры начинает формироваться кортекс, а снаружи синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев.

Рис. 4 а и б -образование септы, в и г -окружение протопласта споры протопластом материнской клетки, д образование кортекса и оболочек споры; е -схема строения зрелой споры: 1 - экзоспориум, 2 - наружная оболочка споры; 3 - внутренняя оболочка споры, 4 - кортекс; 5 -клеточная стенка зародыша, 6 -цитоплазматическая мембрана, 7 - цитоплазма с ядерным веществом

У многих бактерий поверх покровов эндоспоры формируется еще одна структура - экзоспориум, структура которого зависит от вида бактерий. У прокариот из рода Clostridium обнаружены придатки на экзоспориуме различного строения, иногда весьма причудливого (рис. 8.). Функциональное значение этих выростов не выяснено.

Эндоспоры прокариот характеризуются очень низким уровнем метаболизма, они очень устойчивы к воздействию факторов внешней среды: высоким и низким температурам, обезвоживанию, литическим факторам, высокой кислотности среды, радиации, механическим воздействиям и т. п. Механизмы устойчивости эндоспор пока мало изучены. Считается, что эндоспорам прокариот придают устойчивость обезвоженное состояние цитоплазмы, термостойкость споровых ферментов, наличие дипиколиновой кислоты и большое количество двухвалентных катионов. Устойчивости эндоспор способствуют также поверхностные структуры: мембраны, кортекс, покровы, механически защищающие содержимое эндоспоры от проникновения извне агрессивных веществ.

Сформировавшиеся покоящиеся эндоспоры могут находиться в жизнеспособном состоянии в течение разного времени: от нескольких суток до 1000 лет и более. Ниже приводится зависимость выживания спор разных групп бактерий от повреждающих факторов (высокой температуры и высушивания).

Таблица 1

Эндоспора содержит почти все сухое вещество клетки, но занимает в 10 раз меньший объем. Эндоспоры не являются обязательной стадией жизненного цикла бацилл. При благоприятных условиях питания бациллы могут неограниченное время размножаться делением. Образование эндоспор начинается только тогда, когда не хватает питательных веществ и когда в избытке накапливаются продукты обмена.

В благоприятных условиях большинство эндоспор прорастает. Процент прорастания эндоспор можно увеличить, прогрев одни споры в воде при 60 °С в течение 5 мин, другие - при 100 °С в течение 10 мин. Тепловой шок должен проводиться непосредственно перед высевом.

В пищевой промышленности для уничтожения термоустойчииых эндоспор бактерий прибегают к дорогостоящей стерилизации пищевых продуктов. Например, если при пастеризации (нагревание при 80 °С в течение 10 мин) пищевых продуктов вегетативные клетки спорообразующих бактерий и все остальные бактерии погибают, то термоустойчивые эндоспоры выдерживают значительно более сильное нагревание, а некоторые споры - даже кипячение в течение нескольких часов.

Классификация бактерий

По мере описания все новых бактерий появилась острая необходимость систематизировать и сравнивать с известными вновь описываемые культуры. В конце XIX - начале XX в. появились определители бактерий, которые помогают классифицировать, идентифицировать вновь выделенные бактерии по определенным признакам. При классификации основной задачей является определение вида бактерий.

Вид - это группа близких между собой организмов, имеющих одинаковое происхождение и характеризующихся определенным и морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, способствующими приспособлению к определенной среде обитания.

Виды объединяются в роды, роды - в семейства, затем следуют порядки, классы, отделы, царства. Вид бактерий описывают с помощью признаков: морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и др.

Морфологическими признаками являются форма клетки, наличие или отсутствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, окрашивание по Граму.

К культуральным признакам относятся общий вид бактериальной колонии, наличие пигмента и др.

Физиолого-биохимическими признаками являются способ получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к факторам внешней среды и др.

Самым современным определителем для идентификации бактерий является «Краткий определитель бактерий Берги», наиболее полно описывающий известные бактерии. В 8-м издании этого определителя все бактерии, за исключением цианобактерий, сгруппированы в 19 частях. Ниже приводитсяих краткая характеристика:

Часть 1. Фототрофные бактерии. В этой части сгруппированы фотосинтезирующие бактерии, характеризующиеся специфическим набором пигментов и особым типом фотосинтеза: пурпурные бактерии и зеленые серобактерии. Пигменты представлены различными видами бактериохлорофилла и каротиноидами. Фотосинтез не сопровождается выделением кислорода. Это преимущественно водные микроорганизмы.

Часть 2. Скользящие бактерии. В состав бактерий этой части отнесены два порядка: миксобактерии (Mixobacteriales) и цитофаги (Cytoppagales). К первому порядку относятся бактерии, образующие слой слизи вокруг клетки. Бактерии подвижны. Миксобактерии образуют так называемые плодовые тела, внутри которых клетки переходят в покоящееся состояние. Ко второму порядку относятся бактерии, по типу движения сходные с миксобактериями, но не образующие плодовых тел. В состав порядка входит четыре семейства преимущественно водных бактерий.

Часть 3. Хламидобактерии. В состав этой части входят нитевидные бактерии, окруженные общим влагалищем, слизистой оболочкой. Влагалище состоит из гетерополисахарида, часто инкрустированного окислами железа или марганца. Встречаются в водоемах и почве.

Часть 4. Почкующиеся и (или) стебельковые бактерии. В состав этой части входят бактерии, образующие придатки (стебельки), состоящие из слизи и не связанные с цитоплазмой клетки, а также бактерии, образующие нитевидные клеточные выросты - простеки. Бактерии широко распространены в почве и водоемах.

Часть 5. Спирохеты. Эта часть объединяет бактерии, имеющие вид тонких спиралевидных одноклеточных форм. Многие бактерии патогенны, вызывают сифилис, возвратный тиф.

Часть 6. Спиральные и изогнутые бактерии. Клетки бактерий имеют вид изогнутых палочек или спиралевидных форм с несколькими витками. Эти бактерии являются обитателями морских вод, некоторые из них паразиты, есть и патогенные. К этой же части относится Bdellovibrio - паразит бактерий.

Часть 7. Грамотрицательные аэробные палочки и кокки. В эту часть бактерий входят пять семейств, одно из которых - Pseudomonas -широко распространено в природе: в воздухе, почве, морских и пресных водах, илах, сточных водах, в пищевых продуктах. В последних бактерии этого семейства вызывают порчу.

Часть 8. Грамотрицательные факультативно-анаэробные палочки. В состав этой части входят два семейства: энтеробактериацеа (Enterobacteriaceae) и вибрионацеа (Vibrionaceae). Энтеробактериацеа представляет собой Грамотрицательные, бесспоровые, аэробные или факультативно-анаэробные палочки. Наиболее изученными представителями этого семейства являются бактерии Escherichia coli, которые всегда содержатся в кишечнике человека и животных, поэтому о загрязнении воды и пищевых продуктов судят по наличию в них Е. coli. E. coli относятся к числу условнопатогенных бактерий. К числу возбудителей тяжелых кишечных заболеваний человека принадлежат бактерии этого семейства из родов сальмонелла (Salmonella) и шигелла (Shigella). Бактерии Salmonella typhi являются возбудителями брюшного тифа. Бактерии рода Shigella - возбудители бактериальной дизентерии. К семейству вибрионацеа (Vibrionaceae) относятся бактерии вида Vibrio cholerae - возбудители азиатской холеры.

Часть 9. Грамотрицательные анаэробные бактерии. Бактерии, сгруппированные в этой части, относятся к семейству Bacteroidaceae. Все они представляют собой палочки; это облигатные анаэробы. Основное место обитания этих бактерий - кишечник человека и животных, пищеварительный тракт насекомых. Некоторые виды являются патогенными и вызывают различные поражения кожи, ряда органов и тканей тела.

Часть 10. Грамположительные кокки и коккобациллы. В этой части представлено одно семейство - Neisseriaceae. Бактерии этого семейства - неподвижные палочки или кокки, образующие пары, цепочки или массовые скопления; аэробы. Многие из них ведут паразитический образ жизни, некоторые являются патогенами.

Часть 11. Грамотрицательные анаэробные кокки. Представителями этой части являются шаровидные бактерии, в основном соединенные попарно и образующие цепочки или скопления клеток. Это анаэробы и, как правило, паразиты теплокровных животных: обитают в пищеварительном тракте, ротовой полости и дыхательных путях человека и животных.

Часть 12. Грамотрицательные хемолитотрофные бактерии. К этой части относятся три группы бактерий. Первая группа - бактерии, получающие энергию за счет окисления восстановленных неорганических соединений азота, серы, железа, марганца. Например, представители семейства Nitrobacteriaceae используют в качестве источника энергии процессы окисления аммонийного азота или нитратов. Представители первой группы - это облигатные аэробы, палочки, кокки, спириллы; паразитические формы отсутствуют. Обитают в почве, в морях, водоемах. Вторая группа - бактерии, получающие энергию в результате процессов окисления восстановленных соединений серы. Третья группа - бактерии, способные откладывать вне клетки окислы железа или марганца, которые накапливаются в капсулах или во внеклеточном материале. Основные места обитания - железосодержащие воды. Не выделены в чистой культуре.

Часть 13. Метанобразующие бактерии. Эта часть представлена одним семейством - Methanobacteriaceae. Все бактерии однородны по физиологическим признакам: это облигатные анаэробы; главный продукт энергетического обмена - метан. Основные места обитания - болота, различные очистительные сооружения, рубец жвачных животных.

Часть 14. Грамположительные кокки. К этой части относятся две группы. Первая группа - аэробные и (или) факультативноанаэробные бактерии семейств Micrococcaceae и Streptococcaceae. Вторая группа - облигатные анаэробы семейств Peptococcaceae. Бактерии семейства Micrococcaceae - это кокки, делящиеся более чем в одной плоскости, иногда не расходятся, образуя скопления сферической или неправильной формы. Энергию получают за счет дыхания или брожения. В основном это сапрофиты, разрушающие многие сложные органические вещества и выполняющие функцию «мусорщиков». Многие из них являются возбудителями порчи пищевых продуктов. Среди них есть патогенные формы, относящиеся к роду Staphylococcus. Развиваясь на пищевых продуктах, вырабатывают токсины, вызывающие отравления.

Бактерии семейства Streptococcaceae - это кокки, неподвижные, бесспоровые, факультативно-анаэробные. Бактерии родов Streptococcus, Pediococcus, Aerococcus являются гомоферментативными молочнокислыми; бактерии рода Leuconostoc - гетероферментативными молочнокислыми.

Бактерии семейства Peptococcaceae - это облигатно-анаэробные кокки, обитающие в почве, на поверхности злаков, в ротовой полости, желудочно-кишечном тракте, дыхательных путях человека и животных; некоторые виды являются патогенными.

Часть 15. Палочки и кокки, образующие эндоспоры. Эта часть представлена одним семейством - Bacillaceae, в состав которого входит пять родов. Два из них - бациллы (Bacillus) и клостридии (Clostridium) - наиболее многочисленны и представляют наибольший интерес. Бациллы - это палочковидные бактерии; большинство из них подвижны; образуют эндоспоры; облигатные или факультативные аэробы. Бациллы синтезируют различные литические ферменты, расщепляющие белки, жиры, полисахариды и другие макромолекулы. Некоторые виды образуют антибиотики. Большинство сапрофиты. Основным местом обитания является почва. Многие бациллы являются возбудителями порчи пищевых продуктов. Среди них есть патогенные для человека и животных виды, например Bacillus anthracis - возбудитель сибирской язвы.

В состав рода Clostridium входят палочки, отличающиеся от бацилл формой спорообразования и облигатно-анаэробным способом существования. Вызывают маслянокислое брожение, большинство клостридий - сапрофиты, обитатели почвы. Некоторые виды живут в кишечнике человека и животных, например Cl. teteni - возбудитель столбняка, Cl. perfringens - возбудитель газовой гангрены, CL botulinum - продуцент экзотоксина, одного из самых сильных биологических ядов.

Часть 16. Грамположителъные аспорогенные палочковидные бактерии. Эта часть также представлена одним семейством - Lactobacillaceae, в состав которого входит один род - Lactobacillus. Бактерии получают энергию за счет гомоферментативного или гетероферментативного молочнокислого брожения, широко распространены в природе: в почве, на разлагающихся остатках животного и растительного происхождения, в кишечнике позвоночных, в молоке, молочных продуктах. Встречаются патогенные формы. Многие бактерии используются при изготовлении кисломолочных продуктов, сыров, квашения овощей, теста и др.

Часть 17. Актиномицеты и родственные организмы. Эта часть объединяет коринебактерии, пропионово-кислые бактерии и актипомицеты.

Коринебактерии - формы, склонные к морфологической изменчивости. В культуре можно обнаружить короткие палочки, кокковидные формы, клетки, имеющие булавовидные выпячивания, слабоветвящиеся формы. Коринебактерии являются облигатными микробами, есть свободноживущие виды, есть паразиты человека и животных. Встречаются патогенные формы, например Согуп. diphteriae - возбудитель дифтерии.

Из существующих видов пропионово-кислых бактерий наибольший интерес в микробиологии продовольственных товаров представляет вид Propionibacterium freudenreichii рода Propionibacterium. Бактерии этого рода - грамположительные неподвижные палочки, не образующие спор. Это облигатные анаэробы. Пропионово-кислые бактерии широко используются при производстве сыров.

К актиномицетам относятся бактерии, образующие ветвящиеся нити, иногда развитый мицелий. Имеют разные способы размножения. Большинство актиномицетов размножаются с помощью спор, образующихся на спорангиях, которые могут быть длинные пли короткие, прямые или спиралевидные с разным числом завитков и расположением. Актиномицеты представлены двумя семействами: Mycobacteriaceae и Streptomycetaccae. Семейство Mycobacteriaceae представлено одним родом - Mycobacterium, характерным признаком которого является образование ветвящихся форм в молодом возрасте.

Большинство микобактерий являются сапрофитами, живут в почве и используют самые различные органические соединения: белки, углеводы, жиры, воска, парафины. Некоторые виды патогенны, например М. tuberculosis - возбудитель туберкулеза, М. leprae - возбудитель проказы.

Представители семейства Streptomycetaceae образуют хорошо развитый воздушный мицелий, размножаются спорами, формирующимися на концах гиф, кусочками мицелия. Их около 500 видов. Многие стрептомицеты синтезируют антибиотики, которые проявляют активность против бактерий, грибов, водорослей, простейших, фагов и обладают противоопухолевым действием.