Величина микробов измеряется в микрометрах (1 мкм = 10–6м) и нанометрах (1 нм = 10–9м).
По форме клеток бактерии подразделяются на три основные группы: шаровидные, или кокки, палочковидные и извитые.
Кокки по форме напоминают шар (размер 0,7–1,2 мкм], но бывают овальные, односторонне вогнутые и др. В зависимости от взаимного расположения клеток после деления различают: микрококки, стафилококки, стрептококки, тетракокки и сарцины. Если деление происходит последовательно в одной плоскости и клетки соединены в виде цепочки — это стрептококки, при делении кокков в разных плоскостях образуются стафилококки и сарцины.
Палочковидные формы (размеры 1,6–10 мкм) делятся на неспоровые палочки — бактерии; палочки, образующие споры — бациллы. Палочки, у которых диаметр споры превышает ширину вегетативной клетки, принято называть клостридиями — веретенообразными.
Извитые бактерии обладают спиральной симметрией. К ним относятся: вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы напоминают по форме запятую. Спириллы образуют 3–5 крупных завитков. Спирохеты — тонкие длинные нити S и C образной формы с множеством микрозавитков вокруг осевой нити, которые видно только под электронным микроскопом.
Микробные клетки имеют сложное строение. Структурные компоненты бактериальной клетки делят на основные и временные.
Основными структурами являются: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана с ее производными, цитоплазма с рибосомами, различными включениями и нуклеоидом в центре клетки; временными: капсула, жгутики, ворсинки, эндоспоры.
Клеточная стенка обладает ригидностью и придает микробной клетке определенную форму, толщина клеточной стенки бактерий колеблется от 0,01 до 0,04 мкм. Различные виды бактерий имеют разный химический состав, отличаются по строению клеточной стенки, которая пронизана по рами различного диаметра, и поэтому неодинаково воспринимают окрашивание анилиновыми красками.
Отношение бактерий к различным красителям называют тинкториальными свойствами. Для дифференциации бактерий применяется метод окраски, предложенный в 1884 г. датским ученым Грамом. По отношению бактерий к этой окраске все бактерии разделены на две группы — грамотрицательные и грамположительные.
При окрашивании бактерий по Граму генцианом фиолетовым в присутствии ионов йода с компонентами клетки образуется прочный комплекс, который при действии на него этиловым спиртом не вымывается через узкие поры и бактерии остаются фиолетовыми. Грамотрицательные бактерии не образуют прочный комплекс, поэтому краситель под действием спирта вымывается через широкие поры и бактерии обесцвечиваются, их дополнительно окрашивают. В результате грамположительные микробы окрашиваются в цвет основного красителя (фиолетовый], а грамотрицательные — принимают красный цвет дополнительного красителя (фуксина).
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) отделяет цитоплазму от клеточной стенки, обладает избирательной проницаемостью и играет роль осмотического барьера. Разрушение ЦПМ приводит к гибели микробной клетки.
Мезосомы представляют собой локальные выпячивания ЦПМ, функционально они эквивалентны митохондриям, участвуют в окислительновосстановительных реакциях и снабжают клетку энергией.
Цитоплазма представляет собой сложную коллоиднуюсистему, в ней находятся рибосомы (место синтеза белка], внутриклеточные включения (полисахариды, липиды, полифосфаты) различного химического состава и назначения.
Нуклеоид, расположенный в центре клетки, представляет собой двойную нить ДНК, свернутую в кольцо. Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т. е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. В период интенсивного деления в клетках можно обнаружить несколько нуклеоидов.
Физиология микроорганизмов изучает особенности развития, питания, энергетического обмена и других процессов жизнедеятельности микробов в различных условиях среды.
Питание микроорганизмов
Питание микробов осуществляется путем диффузии через оболочку и мембрану растворенных в воде питательных веществ. Нерастворимые сложные органические соединения предварительно расщепляются вне клетки с помощью ферментов, выделяемых микробами в субстрат.
По способу питания микроорганизмы разделяют на аутотрофные и гетеротрофные.
Аутотрофы способны синтезировать из неорганических веществ (в основном углекислого газа, неорганического азота и воды) органические соединения. В качестве источника энергии для синтеза эти микробы используют световую энергию (фотосинтез) или энергию окислительных реакций (хемосинтез).
Гетеротрофы используют для питания в основном готовые органические соединения. Микробы, питающиеся органическими веществами отмерших животных или растительных организмов, называют сапрофитами. К ним относятся бактерии гниения, грибы и дрожжи. Паратрофные микроорганизмы, или паразиты, живут за счет питательных веществ живых клеток организма хозяина. К паратрофам относится большинство болезнетворных микробов.
Обмен веществ и состав микроорганизмов
Все реакции обмена веществ в микробной клетке происходят при помощи биологических катализаторов - ферментов. Большинство ферментов состоят из белковой части и простетической небелковой группы. Некоторые ферменты состоят только из простых белков. Ферменты специфичны и действуют только на одно определенное вещество. Поэтому в каждом микроорганизме находится целый комплекс ферментов, некоторые ферменты способны выделяться наружу, где участвуют в подготовке к усвоению сложных органических соединений. Ферменты микроорганизмов используются в пищевой и других видах промышленности.
Вода. Микробная клетка на 75-85 % состоит из воды. Большая часть воды находится в цитоплазме клетки в свободном состоянии. В воде протекают все биохимические процессы обмена веществ, вода является также растворителем этих веществ, так как питательные вещества поступают в клетку только в виде раствора, а продукты обмена удаляются из клетки тоже с водой. Часть воды в клетке находится в связанном состоянии и входит в состав некоторых клеточных структур. В спорах бактерий и грибов количество свободной воды снижено до 50 % и менее. При значительной потере связанной воды микробная клетка погибает.
Органические вещества микробной клетки представлены белками (6-14 %), жирами (1-4%), углеводами, нуклеиновыми кислотами.
Белки — основной пластический материал любой живой клетки, и микробной в том числе. Белки составляют основу цитоплазмы, входят в состав оболочки клетки и некоторые клеточные структуры. Они выполняют очень важную каталитическую функцию, так как входят в состав ферментов, катализирующих реакции обмена в микробной клетке.
В клетке микробов содержатся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК находится в основном в ядре клетки или нуклеотидах, РНК — в цитоплазме и рибосомах, где участвует в синтезе белка.
Содержание жиров у различных микроорганизмов различно, у некоторых дрожжей и плесеней оно выше в 6-10 раз, чем у бактерий. Жиры (липиды) являются энергетическим материалом клетки. Жиры в виде липопротеидов входят в состав цитоплазматической мембраны, которая выполняет важную функцию в обмене клетки с окружающей средой. Жиры могут находиться в цитоплазме в виде гранул или капелек.
Углеводы входят в состав оболочек, капсул и цитоплазмы. Они представлены в основном сложными углеводами — полисахаридами (крахмал, декстрин, гликоген, клетчатка), могут быть в соединении с белками или липидами. Углеводы могут откладываться в цитоплазме в виде зерен гликогена, как запасного энергетического материала.
Минеральные вещества (фосфор, натрий, магний, хлор, сера и др.) входят в состав белков и ферментов микробной клетки, они необходимы для обмена веществ и поддержания нормального внутриклеточного осмотического давления.
Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Они участвуют в процессах обмена веществ, так как входят в состав многих ферментов. Витамины, как правило, должны поступать с пищей, однако некоторые микробы обладают способностью синтезировать витамины, например В2 или В12.
Дыхание микроорганизмов
Процессы биосинтеза веществ микробной клетки протекают с затратой энергии. Большинство микробов используют энергию химических реакций с участием кислорода воздуха. Этот процесс окисления питательных веществ с выделением энергии называется дыханием. Энергия высвобождается при окислении неорганических (аутотрофы) или органических (гетеротрофы) веществ.
Аэробные микроорганизмы (аэробы) используют энергию, выделяемую при окислении органических веществ кислородом воздуха с образованием неорганических веществ, углекислого газа и воды. К аэробам относятся многие бактерии, грибы и некоторые дрожжи. В качестве источника энергии они чаше всего используют углеводы.
Анаэробные микроорганизмы (анаэробы) не используют для дыхания кислород, они живут и размножаются при отсутствии кислорода, получая энергию в результате процессов брожения. Анаэробами являются бактерии из рода клостридий (ботулиновая палочка и палочка перфрингенс), маслянокислые бактерии и др.
В анаэробных условиях проходят спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение, при этом процесс превращения глюкозы в спирт, молочную или масляную кислоту происходят с выделением энергии. Около 50 % выделенной энергии рассеивается в виде тепла, а остальная часть аккумулируется в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).
Некоторые микроорганизмы способны жить как в присутствии кислорода, гак и без него. В зависимости от условий среды они могут переходить с анаэробных процессов получения энергии на аэробные, и наоборот. Такие микроорганизмы называются факультативными анаэробами.
Генетика — это наука, изучающая наследственность и изменчивость микроорганизмов. Микроорганизмы способны изменять свои основные признаки (морфологические, культуральные, биохимические, биологические) и свойства в зависимости от среды обитания. Знание законов генетики помогает понять жизнедеятельность микроорганизмов и их адаптацию к различным факторам среды.
Генетика микроорганизмов, раздел общей генетики, в котором объектом исследования служат бактерии, микроскопические грибы, вирусы животных и растений, бактериофаги и др. микроорганизмы.
До 40-х гг. 20 в. считалось, что у микроорганизмов нет ядерного аппарата и мейоза и на них не распространяются Менделя законы и хромосомная теория наследственности. С начала 40-х гг. микроорганизмы становятся объектом интенсивных генетических исследований. Именно на них были решены многие кардинальные вопросы современные генетики. Так, первое указание на то, что материальным носителем наследственности служит ДНК, было получено в опытах на пневмококках. Примерно в то же время были начаты интенсивные генетические исследования на хлебной плесени — нейроспоре. Изучение многочисленных биохимических мутантов нейроспоры привело к установлению очень важного положения: «один ген — один фермент» (ныне «один ген — одна полипептидная цепь»). Генетические исследования микроорганизмов особенно интенсивно стали развиваться после того, как американские генетики показали на кишечной палочке, что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям. Ранее существовавшее представление об адекватной, адаптивной изменчивости у бактерий возникло вследствие методической ошибки, заключавшейся в изучении культуры как единицы изменчивости. Был предложен новый принцип изучения изменчивости у бактерий — клональный анализ, т. е. изучение потомства одной клетки — родоначальницы клона. Важной вехой в развитии Г. м. явился разработанный американскими генетиками метод реплик, или отпечатков, позволивший доказать, что мутации возникают у бактерий независимо от условий культивирования, и, кроме того, значительно упростивший приёмы отбора вариантов микроорганизмов с желаемыми свойствами. Оказалось, что в больших популяциях бактериальных клеток мутации возникают спонтанно. В 1946 был открыт половой процесс у бактерий (конъюгация), что позволило применить для их исследования генетический анализ. В результате установлены наличие у бактерий рекомбинации, существование у них генетических групп сцепления и построены генетические карты их хромосом. Почти одновременно был открыт парасексуальный процесс грибов, что расширило возможности генетического анализа грибов, не имеющих полового цикла размножения. Вскоре в генетические исследования были вовлечены бактериофаги и др. вирусы (в частности, вирус табачной мозаики — ВТМ). Был открыт эффект переноса генетической информации от одной бактериальной клетки к другой при посредстве бактериофага — генетической трансдукция, что положило начало изучению генетических взаимоотношений в системе «фаг — бактерия». Вслед за тем была обнаружена рекомбинация у фагов. Если использование бактерий в качестве объекта генетических исследований резко повысило разрешающую способность генетическиого анализа, то благодаря фагам удалось перейти к изучению явлений наследственности на молекулярном уровне.
Микотоксины - это вторичные метаболиты микроскопических грибов, обладающие выраженными токсическими свойствами, т. е. метаболиты, не являющиеся эссенциальными для роста и развития продуцирующих их микроорганизмов. В настоящее время известно около 250 видов различных микроскопических грибов, продуцирующих более 100 токсичных метаболитов.
Продуцентами микотоксинов являются многие виды микроскопических грибов, и разнообразные сельскохозяйственные культуры могут служить природными субстратами для продуцентов микотоксинов. Хотя в характере токсического действия большинства микотоксинов имеется определенная специфичность мико- токсикозы не имеют строго ограниченной клинической картины, что существенно затрудняет их диагностику, которая основывается на обнаружении в кормах и биологических жидкостях, тканях соответствующих микотоксинов.
Микотоксины образуются в цепи последовательных ферментных реакций из относительно небольшого числа химически простых промежуточных продуктов основного метаболизма, таких как ацетат, мадонат, мевалонат и аминокислоты. Наиболее важными этапами биосинтеза микотоксинов являются реакции конденсации, окисления - восстановления, алкилирования и галогенизации, которые приводят к образованию различных по структуре предшественников микотоксинов.
Микотоксины отличаются высокой токсичностью, а многие из них также мутагенными, тератогенными и канцерогенными свойствами. Они могут попадать в организм человека и через систему пищевых цепей с молоком и тканями животных, потреблявших загрязненный микотоксинами корм.
Микобактерии (Mycobacterium) — род аэробных грамположительных медленнорастущих кислотоустойчивых палочкообразных бактерий, содержащий большое количество сапрофитных и болезнетворных видов. (Туберкулезная палочка)
Клостридии – это почвенные анаэробы, включающие 61 вид, из которых только 12 патогенны. Вызывают тяжелые инфекционные заболевания и токсико- зы. Отдельные ученые считают их хищными бактериями, т.к. вначале их токсины вызывают гибель жертвы, затем возбудитель, питаясь тканями трупа, увеличивает численность своей популяции.
Клостридии, в том числе и патогенные - естественные обитатели почвы и водоемов, способные к сапрофическому существованию. Некоторые виды постоянно присутствуют в желудочно-кишечном тракте животных, но не всегда вызывают заболевания.
Клостридии - грамположительные, крупные до 10 мкм, полиморфные, под- вижные перитрихи, за исключением C. perfringens. Образуют споры, капсулы не образуют, за исключением C. perfringens. Строгие анаэробы.
Культивируются на средах с добавлением белкового гидролизата, мышц, печени, сахара в анаэробных условиях (среды Китта-Тароцци, Цейслера, бульон Хоттингера).
Клостридии, в том числе и патогенные, обитают на всех континентах, чаще в низменных участках с увлажненными почвами. Загрязнение открытых ран почвой нередко приводит к развитию клостридиозов. Чем более удобрена почва, тем чаще в ней обнаруживаются клостридии. Возбудителей клостридиозов называют случайными паразитами, т.к. их основная среда обитания почва. В почве патогенные клостридии размножаются и способны существовать неограниченно длительное время.
Споруляция — процесс образования спор; встречается у споровых растений, а также у простейших