Бактерии – это мельчайшие организмы, обладающие клеточным
строением.
Они были открыты голландцем Антони
ван Левенгуком в 1674 году, который увидел их в лупу ( первый микроскоп),
дающую увеличение в 160 – 270 раз. Диаметр бактериальной клетки в среднем 1
мкм, а размеры в пределах от 0,1 до 10 мкм.
1 мкм (микрометр) – 10-6 м.
1 нм (нанометр) – 10-9 м.
1 А (ангстрем) – 10-10 м.
Бактерии можно рассмотреть только
под микроскопом, потому их называют микробами или микроорганизмами. Изучением
бактерий занимается бактериология, одна из дисциплин микробиологии, в которую
входят также разделы: вирусология, микология (изучение грибов) и другие.
Основателем науки о
микроорганизмах является Луи Пастер (1822 - 1895 гг.)
Илья Ильич Мечников (1845 -
1916 гг.) установил роль молочно-кислых бактерий в уничтожении гнилостных
микроорганизмов.
Р. Кох (1843 -1910 гг.) ввёл
агаровые среды для выделения чистых культур микроорганизмов, выделил
возбудителя туберкулёза – ВК (бацилла Коха).
С.Н. Виноградский (1856 – 1953) –
открыл хемосинтез, предложил метод элективных культур для
выделения и изучения физиологии почвенных микроорганизмов, также предложил твёрдую
синтетическую среду для выделения чистой культуры.
Сейчас бактерии относят к Царству
Дробянок, подцарству Бактерии, которое включает следующие группы:
1.
Эубактерии – настоящие бактерии.
2.
Актиномицеты – палочковидные, нитчатые без
клеточных перегородок, похожи на крохотные грибки. Mycobacterium tuberculosis – возбудитель
туберкулёза у человека.
3.
Хламидобактерии – палочковидные нитчатые
хемосинтезирующие железобактерии, откладывающие Fe2O3 вокруг клетки, обычно в
болотах.
4.
Миксобактерии – слизистые, передвигаются путём
скольжения в почве или навозе.
5.
Микоплазмы – неподвижные мелкие паразиты.
6.
Риккетсии – паразиты позвоночных, возбудители
тифа.
Строение.
Бактерии по строению –
прокариотические клетки, размером 10-13 мкм. Содержимое клетки - протопласт. Оболочка бактерии
включает три части:
Плазматическая
мембрана – полупроницаемая, обеспечивает избирательно веществ, вывод
продуктов обмена и образует впячивания – мезосомы – складчатые
мембранные структуры на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в
дыхании, а у фотосинтезирующих – пигменты. Мезосомы выполняет функцию аппарата
Гольджи, митохондрий, ЭПС, хлоропластов.
Клеточная
стенка – придаёт клетке определённую форму и жёсткость. Как и у растений,
клеточная стенка бактерий, препятствует осмотическому набуханию и разрыву
клеток, когда они попадают в гипотоническую среду. Вода, мелкие молекулы, ионы
легко проникают через крошечные поры в клеточной стенке, но через них не
проходят крупные молекулы белков и других веществ. Стенка обладает антигенными
свойствами, которые ей придают белки и полисахариды, содержащиеся в ней.
По строению клеточной стенки
бактерии можно разделить на две группы:
- Грамположительные – окрашиваются
по грамму.
- Грамотрицательные –
обесцвечиваются при отмывке красителя.
В составе клеточной стенки нет хитина, но есть опорный каркас из
полипептида – муреина, молекула которого представляет собой правильную сеть из
параллельно расположенных полисахаридных цепей, слитых с друг другом короткими
цепями пептидов. Это значит каждая клетка окружена сетевидным мешком, образованным
одной молекулой.
Слизистая капсула – находится сверху
клеточной стенки, состоит из полисахаридов или гликопротеидов. Этот слизистый
футляр иногда бывает больше, чем сама клетка. Он плохо воспринимает окраску, и
поэтому капсула легко обнаруживается в виде светлого неокрашенного ободка
вокруг окрашенных микробных тел. У некоторых патогенных бактерий капсула
закрепилась в процессе эволюции как полезное для них защитное образование.
Такие бактерии образуют капсулу в организме человека и животных, а во внешней
среде теряют её (пневмококк, палочка сибирской язвы). Некоторые бактерии
выделяют слизь во внешнюю среду. Многие бактерии подвижны, что обусловлено
наличием жгутиков и тонких палочковидных белковых выростов – пилий (фимбрий).
Жгутики бактерий устроены проще, чем у эукариот: это полые цилиндры, стенки
которых состоят из белка флагеллина (похожего на мышечный актин), с
диаметром 10-20 нм, цитоплазматическая мембрана и микротрубочки отсутствуют.
Жгутик ввинчивается в среду, обеспечивая движение бактерий.
Пили(фимбрии)
– короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления клеток друг к другу или к
какой-нибудь поверхности, придавая специфическую «липкость».
Цитоплазма
бактерий зернистая, это сложная смесь белков, жиров, углеводов, минеральных
веществ и воды. Большая часть органических веществ находиться в коллоидном
(неподвижном) состоянии. В центре клетки – нуклеоид – гигантская
кольцевидная молекула ДНК, длиной около 1 мм, она содержит ~ 5 * 106 пар
нуклеотидов. Суммарное содержание ДНК в бактериальной клетке намного
меньше, чем в эукариотической, следовательно, меньше и объём генетической
информации в ней. В среднем ДНК содержит несколько тысяч генов, что примерно в 500
раз меньше, чем в клетке человека. ДНК находиться прямо в цитоплазме и не
имеет ядерной оболочки. Нить ДНК прикрепляется к какой-либо частью к
цитоплазматической мембране или её выростам с помощью специфических белков,
таким образом, мембрана принимает участие в делении нуклеоида.
Нуклеоид
выполняет функции ядра:
1. Регулирует все внутриклеточные процессы.
2. Является носителем генетической информации.
Ядрышек нет. Количество рибосом до 20 тысяч. В матриксе широко
представлены мембранные структуры: канальцы, ламеллы, пузырьки и тилакоиды
(мешочки), содержащие ферменты и пигменты. Также как мезосомы они являются
аналогами многих органелл клетки. У водных и почвенных бактерий в цитоплазме
есть газовые вакуоли. У водных за счёт регулирования количества газов в
вакуолях обеспечивается погружения или поднятия, а у почвенных передвижение в
капиллярах почвы.
Запасные
питательные вещества: полисахароиды (крахмал, гликоген), жиры, полифосфаты,
сера. Колонии большинства бактерий, растущих на неокрашенных сферах –
сероватые или беловатые, полупрозрачные. Некоторые виды содержат пигменты:
бактериохлорофилл (зелёные бактерии), пурпурин (пурпурные бактерии), цитохромы.
Процессы
жизнедеятельности.
Дыхание:
1.
Аэробы –
живут в кислородной среде.
2.
Анаэробы
– живут в бескислородной среде (бактерии брожения, гниения).
3. Факультативные анаэробы – способны жить в кислородной
и бескислородной среде.
Питание:
1.Автотрофы
– синтезируют органические вещества из неорганических, среди них различают:
а) фотосинтетики
– зелёные и пурпурные бактерии, используют энергию солнца.
б) хемосинтетики
– извлекают энергию химических реакций окисления неорганических веществ.
Это – железобактерии – живут в
железистых источниках и болотистой среде. Переводят соли Fe+2 в Fe3- , а выделившуюся энергию используют.
Серобактерии – поглощают H2S выделяющийся
при гниении белковых соединений, восстанавливая его в серу, а затем в H2SO4 и её соли.
Нитробактерии:
а) аммонифициующие переводят мочевину
в (NH4)2CO3.
б) нитрифицирующие переводят (NH4)2CO3 в
соли азотной кислоты – нитраты.
Водородные бактерии – окисляют H2
2.
Гетеротрофы – питаются готовыми органическими веществами, синтезированными
другими организмами. Это
сапрофиты, симбионты и паразиты.
Сапрофиты используют органические вещества мёртвых
организмов или органические субстраты. К ним относят почвенные бактерии
(различают перегной), молочнокислые (переводят сахар в молочную
кислоту), маслянокислые (углеводы, спирты, органические кислоты –
масляной кислоты), бактерии гниения (расщепляют азотосодержащие
соединения).
Симбионты – вступают в сожительство с другими
организмами, как например, клубеньковые бактерии (фиксируют азот в
корнях бобовых), кишечная палочка (питается продуктами распада пищи в
толстом кишечнике).
Паразиты – обитают в живых организмах, питаясь за их
счёт. Это паразиты животных, растений и человека, вызывают инфекционные
заболевания: ангину, столбняк и другие.
Размножение.
1.Деление
– равновеликое бинарное, поперечное при достижении критических размеров, приводит
к образованию двух одинаковых дочерних клеток. В благоприятных условиях каждые
15-20 минут. Бесполое размножение.
2.Половое, при
котором не образуются гаметы и нет слияния клеток, но происходит обмен
генетическим материалом, т.е. передача наследственной информации. Половое
размножение у бактерий протекает в трёх формах:
а) конъюгация
б) трансформация
в) трансдукция
Конъюгация – половой процесс – обмен генетической
информацией, без образования новых клеток. Происходит прямой контакт двух
клеток , клетка донор, выполняющая мужские функции образует специальный вырост
– копуляционный канал, по которому генетический материал (ДНК) передаётся в
клетку-реципеент. Чаще передаётся часть ДНК.
Трансформация – открыто в 1928 году у пневмококков.
Происходит внесение ДНК разрушенных клеток одной культуры в живую культуру
другой бактерии.
Трансдукция – перенос генетического материала от
одной культуры к другой с помощью
Спорообразование.
Спорообразование характерно для
ряда бактерий. В клетке уменьшается количество воды, снижается активность
ферментов, протопласт сжимается и клетка покрывается толстой оболочкой. В
результате образуется эндогенная спора (внутри клетки). Спора сохраняет
жизнеспособность десятки лет, выдерживает длительное высыхание, нагревание
свыше 100 градусов Цельсия, охлаждение до абсолютного нуля -273 градуса
Цельсия. В обычном состоянии бактерии неустойчивы при высушивании, действия
прямых солнечных лучей, температуры до 65-85 градусов Цельсия, спирта,
дезинфицирующих веществ. В благоприятных условиях спора набухает и прорастает.
Значение спорообразование – выживание в неблагоприятных условиях.
Значение
бактерий.
- Участие в круговороте C, N, P , S, Fe и другие.
Благодаря деятельности бактерий
происходит разрушение мёртвого органического материала и минерализация тел растений
и животных. Образующиеся при этом простые соединения: NH3, H2S, CO2 и другие, вовлекаются в общий круговорот веществ.
Бактерии – редуценты.
2.Почвообразование вместе с грибами, водорослями и лишайниками.
Разрушая горные породы они образуют почву.
3.Участие в фиксации свободного азота, что имеет значение в
круговороте веществ и почвообразовании. Это симбиотические виды (клубеньковые
бактерии) и несимбиотические (азотобактерии), связывающие N2 воздуха и переводящие его
в форму доступную растениям. Населяя почву, такие бактерии обогащают её азотом.
Клубеньковые бактерии
поселяются на корнях бобовых (горох, клевер, люпин), проникая через корневой
волосок в корень, они вызывают сильное разрастание клеток корня в форме
клубеньков. Бактерии фиксируют N2
из воздуха и переводят его в NH3,
из которого образуются нитриты и нитраты. Азотистых веществ оказывается
достаточно и для бактерий и для растения, а часть накапливается в почве. Это
взаимовыгодное сожительство – симбиоз: бактерии получают органические вещества
и снабжают растение азотосодержащими соединениями.
4. В народном хозяйстве для промышленного
получения молочной, уксусной кислот, сыра, бутилового спирта, ацетона и других,
в результате брожения. Молочнокислые бактерии используются в пищевой
промышленности при получении молочнокислых продуктов. При этом молочный сахар
(лактоза) превращается в молочную кислоту, которая свертывает белок молока – казеин
в плотную массу и образуется простокваша. Молочнокислое брожение лежит в основе
квашения, приготовления силоса. При участи молочно кислых бактерий сахар
разлагается до масляной кислоты с выделением CO2 и H2.
Этот процесс идёт в сыре,
молоке, вызывая порчу продуктов. Бактерии обуславливают процессы происходящие
при сушке листьев табака, дублении кож; с их участие получают сахара и
полимеры.
5. В очистных сооружениях используется
способность бактерий расщеплять органические вещества, превращая сточные воды в
очищенные от токсичных веществ.
6. В получении антибиотиков (стрептомицин),
витаминов, гормонов, ферментов.
7. Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих
и человека (микрофлора), расщепляют клетчатку, а кишечная палочка синтезирует
витамины группы B и K.
8. В генетической инженерии, как объекты в
работах по пересадке генов. Так, удалось получить человеческий инсулин путём
переноса в клетки бактерий генов, кодирующих синтез инсулина у человека. В
клетки бактерий удалось также перенести ген интерферона. Возможно, в будущем
методы генной инженерии позволят широко применять бактерии для производства
гормонов, антибиотиков, ферментов.
9. Отрицательная роль бактерий – порча
продуктов, сена, кормов, повреждение книг, рукописей. Бактерии – возбудители
многих болезней растения животных и человека. У человека – это опасные инфекции:
тиф, холера, чума, сибирская язва, ангина, коклюш, скарлатина. Заражение
может происходить воздушно-капельным путём, через воду, продукты питания,
предметы домашнего обихода, при контакте с больными. Для предупреждения и
ограничения распространения инфекционных заболеваний необходимо: контроль за
источниками воды и пищевыми продуктами, пастеризация и термическая обработка
продуктов, дезинфекция помещений, стерилизация инструментов и перевязочного
материала, проведение предохранительных прививок, соблюдение основных
гигиенических требований.
Болезнетворные
(патогенные) – бактерии проникая в организм выделяют вещества, угнетающие
защитные силы организма и усиливающие патогенное действие возбудителей
болезней, вещества называетмые агрессины. Многие болезнетворные
микроорганизмы (дифтерийная палочка, столбнячная палочка, холерные вибрион,
стафилококк и другие) выделяют токсины – ядовитые продукты
жизнедеятельности. Возбудители чумы, туляремии, сибирской язвы, пневмококки,
способны образовывать капсулу в организме человека и животных, которая
обеспечивает их устойчивость против фагоцитоза и антител.
Для борьбы с болезнетворными
бактериями применяют меры:
1.
Контроль
над продуктами питания и водой.
2.
Прививки
– введение убитых или ослабленных живых клеток возбудителя или обезвреженных токсинов. Этот приём называется вакцинация.
В крови привитого человека накапливаются специфические антитела против данного
микроорганизма.
Делают прививки против туберкулёза новорождённым, детям постарше –
против коклюша, дифтерии, столбняка, брюшного тифа. Для получения лечебной
сыворотки лошадям делают прививки, затем у них берут кровь и отделяют от неё
сыворотку, в которой содержаться антителам (животное переболело и у него
выработались в крови антитела – белки уничтожающие данного возбудителя).
Лечебная сыворотка используется при лечении столбняка, дифтерии, газовой
гангрены. Из таких сывороток можно выделить активный белок – гамма-глобулин,
ещё более эффективный чем сыворотка крови, так как в нём нет балластных
веществ.
3.
Антибиотики – вещества, угнетающие микроорганизмы. Вырабатываются
плесневыми и лучистыми грибами.
Примеры антибиотиков: а) пенициллин – описан в 1928 году вырабатывается
плесневым грибом. Открыт Флемингом. Эффективен против гноеродных кокков, применяется
при сепсисе, скарлатине, гонорее и другими. б) стрептомицин – открыт в 1943
году американцами Ваксманом, Шатцем и Бьюджи, образуется лучистым грибом.
Применяется при лечении менингита, болезни мочеполового тракта. в) группа
тетрациклинов – активна против многих микроорганизмов (трахомы, брюшного тифа).
г) левомицитин –
вырабатывается лучистым грибом, сейчас получают синтетическим путём, обладает
широким спектром действия.
Меры борьбы в очагах.
Стерилизация – полное уничтожение всех микроорганизмов, вегетативных и споровых
форм, патогенных и непатогенных в каком-либо объекте. Высокая температура
вызывает денатурацию белка и гибель всех микроорганизмов.
Методы стерилизации.
1.Кипячение в воде в
течение 10 - 15 минут.
2. Стерилизация сухим
жаром и горячим воздухом в сушильном шкафу. Полное уничтожение происходит при
температуре 160 градусов Цельсия в течение одного часа.
3. Дробная стерилизация
текучим паром при температуре 100 градусов Цельсия по тридцать минут три дня
подряд. При первом нагревании споры прорастают в вегетативные формы, при втором
и третьем – убиваются.
4. Стерилизация паром в
автоклаве при температуре 112 - 120 градусов Цельсия под давлением 1,5 – 2 атмосферы.
30 минут однократно. Этот метод наиболее
надёжен применяется в хирургии, баклабораториях, консервной промышленности.
5. Пастеризация – однократное
нагревание при температуре 65 градусов Цельсия в течение 10 – 20 минут. Споры при этом не погибают, а
убиваются вегетативные формы, в том числе патогенные: брюшнотифозная палочка,
бруцеллёзная и тифозные палочки. Этот способ используется для сохранения
молока, вина, соков. Предложен Л.Пастером.
Дезинфекция
– обеззараживание, происходит уничтожение болезнетворных организмов.
Средства дезинфекции:
Фенол (карболовая кислота)
– C6H5OH в
3 – 5 % растворе для рук и заразного
материала в течение 5 – 10 минут.
Спирт – 75% раствор, H2O2, KMnO4,
формалин, раствор йода, хлорная известь в виде 10 – 20 % для уборных и выгребных
ям, медный и железный купорос для обработки плодовых насаждений.
Свет
– рассеянный мало влияет, а прямой действует губительно. Наиболее
действенны ультрафиолетовые лучи, которые применяются для стерилизации воздуха
в операционных, цехах бродильных, производстве вакцин, антибиотиков.
Стерилизации воды им молока применяют ртутно-кварцевые лампы.
Влажная
уборка помещений – проветривание, кислород уничтожает
микроорганизмы ( в большинстве они –
анаэробны).
Бактерии
гниения.
Бактерии гниения вызывают порчу
продуктов, выделяя при этом CO2
и NH3 и
энергию.
Избыток энергии вызывает
нагревание субстрата (зерно, сено, навоз) вплоть до самовоспламенения. Кроме
того образуются ядовитые вещества. Для борьбы с бактериями гниения используются
методы:
1)
Высушивание
плодов, грибов, мяса, рыбы, зерна.
2)
Действие низких температур. Бактерии очень
устойчивы к понижению температуры и у большинства наступает анабиоз – временная
остановка жизненных процессов, но не смерть. Низкие температуры действуют
угнетающе на бактерии. На этом основано хранение продуктов на холоде в охлаждённом
виде (температура от 0 да -4 градусов Цельсия) или в замороженном ( температура
до -10, -15 градусов Цельсия) виде.
3)
Маринование в уксусной кислоте (кислая среда
угнетает бактерии).
4)
Консервирование – действие крепких растворов для
сохранения рыбы и мяса. Развитие большинства микроорганизмов прекращается при 5
– 10 % растворе NaCl;
для надежности берут 20 – 30 % соли.
Способ - засолка (соление). При этом в результате
деятельности молочнокислых бактерий образуется молочная кислота, а кислая среда
угнетает развитие других бактерий (квашение капусты, силосование кормов).
5) Раствор
сахара также оказывает консервирующее действие, концентрация должна быть
не менее 70%. Высокая
концентрация сахара вызывает плазмолиз в клетке бактерии и нарушение её
жизнедеятельности. Так приготавливают варенье, джемы, повидла.
|