Морфология и классификация микроорганизмов

Морфология микроорганизмов изучает форму и особенности строения клеток, способность двигаться, образовывать споры, способы размножения и др.

По современным представлениям все живые организмы, имеющие клеточное строение, делятся на два надцарства: прокариоты и эукариоты (греч. «карион» —ядро).

Организмы, не имеющие клеточного строения, составляют третье надцарство — акариоты (например, вирусы).

К прокариотам относится только одно царство — бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

К эукариотам относятся три царства: животные, растения и грибы.

Рис. 1. Формы бактерий:

а — шаровидные; б — палочковидные; в — извитые; 4— нитчатые; д — новые формы; 1 — микрококки; 2 —стрептококки; 3 —диплококки и тетракокки; 4 — стафилококки; 5 —сарцины; б — палочки без спор; 7 — палочки со спорами - бациллы; 8 — вибрионы; 9 — спириллы; 10 — спирохеты; 11— тороиды; 12 — бактерии, образующие простеки; 13 — червеобразные; 14 — шестиугольные.

Деление живых организмов на прокариоты и эукариоты базируется прежде всего на особенностях строения их ядерного аппарата. С помощью электронного микроскопа было установлено отсутствие у бактерий истинного ядра, поэтому их назва­ли прокариотами, то есть «доядерными» организмами. Известно, что основой ядерного аппарата является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), молекула которой имеет вид двойной спирально закрученной нити. Ядерный аппарат прокариот включает молекулу ДНК в виде замкнутой в кольцо нити, рас­положенную непосредственно в цитоплазме.

Ядерный аппарат прокариот называют нуклеоидом, что в переводе с латинского означает «подобный ядру».

У эукариот имеется истинное ядро с ядрышком, окруженное ядерной мембраной. Внутри ядра заключена ДНК. Наряду с этим основным признаком имеется много специфических особенностей в строении и обмене ве­ществ прокариот.

Основными объектами технической микробиологии являют­ся бактерии, мицелиальные грибы и дрожжи, которые в основ­ном составляют как полезную, так и нежелательную микро­флору пищевых производств.

ПРОКАРИОТЫ (БАКТЕРИИ]

В мире микроорганизмов бактерии по численности (около 4000 видов) и разнообразию осуществляемых ими химических превращений занимают ведущее место. Большинство бактерий — это одноклеточные организмы, но имеются и многокле­точные.

Форма и размеры бактерий. Одноклеточные бактерии по внешнему виду разделяются на три основные группы: шаро­видные, палочковидные и извитые (рис. 1).

Шаровидные бактерии — кокки (рис. \,а) могут быть одиночными — микрококки либо соединенными попарно — диплококки. Часто при делении клетки по тем или иным причи­нам не расходятся и образуют различные сочетания, которые за­висят от расположения делящей перегородки. Когда делящие пе­регородки располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то образуются группы, состоящие из четырех кле­ток — тетракокки.

При делении в трех взаимно перпендикуляр­ных плоскостях образуются пакетообразные скопления, состоя­щие из восьми — шестнадцати кокков, называемые сарцинами.

При делении кокков в разных направлениях образуются скоп­ления клеток, напоминающие грозди винограда, — стафилокок­ки.

Если деление кокков происходит в одном направлении и они при этом не разделяются, то образуются цепочки кле­ток— стрептококки.

Эти сочетания не эквивалентны многоклеточным микроорганизмам, так как каждая клетка в них явля­ется отдельным организмом, способным на самостоятельное существование после отделения от остальных клеток.

Палочковидные бактерии (рис. 1, б) имеют фор­му вытянутого цилиндра, могут быть одиночными или соеди­ненными попарно, а также в виде цепочек из трех и более кле­ток. Отношение длины клетки к ее поперечнику у них сильно варьирует. У коротких палочек длина лишь ненамного превы­шает поперечное сечение и их иногда довольно трудно отли­чить от кокков. Палочковидные бактерии являются наиболее многочисленной группой среди бактерий.

Извитые (рис. 1, в) бактерии бывают трех типов: виб­рионы — палочки, изогнутые в виде запятой; спириллы, имею­щие несколько правильных завитков, и спирохеты, имеющие вид мелких спиралей с многочисленными завитками.

Кроме этих наиболее распространенных в природе форм бактерий имеется небольшое число нитчатых форм (рис. 1, г). Они представляют собой многоклеточные организ­мы в виде ,нитей, состоящих из одинаковых цилиндрических или дисковидных клеток.

Сравнительно недавно в почве и водоемах были обнаруже­ны новые формы бактерий, клетки которых имеют вид разомкнутого или замкнутого кольца (тороиды), шести­угольной звезды, розетки, а также клетки с выростами (простеками) и червеобразной формы (рис. 1, д).

К бактериям относится еще одна, особая группа микроорганизмов — ак­тиномицеты. Их клетки в основ­ном имеют вид очень тонких длинных прямых ветвящихся нитей (рис. 2).

Рис. 2. Актиномицеты: а — мицелий; б — спороносцы

Размеры бактерий ничтожно малы, поперечное сечение клеток большин­ства бактерий не превышает 0,5—0,8 мкм, средняя длина палочковидных бактерий от 0,5 до 3 мкм. Нитчатые бактерии значительно крупнее — некоторые имеют 15 - 125 мкм в длину и 5 — 35 мкм в поперечни­ке. Длина клеток спирохет может достигать 500 мкм. Наибо­лее мелкие из микроорганизмов — микоплазмы, не имеющие клеточной стенки, имеют размер 0,1—0,15 мкм.

Объем бактериальной клетки в среднем составляет 0,07 мкм³, масса — 5-10~¹² г. В 1 мм³ может содержаться до 10⁹ бактери­альных клеток.

В пищевых производствах основное значение имеют шаро­видные и палочковидные бактерии.

Строение, химический состав и функции клеточных струк­тур бактериальной (прокариотной) клетки.

Обязательными клеточными структурами у преобладающего большинства бак­терий являются: клеточная стенка, цитоплазматическая мемб­рана (ЦП*М), ядерный аппарат (нуклеоид) и рибосомы (рис.3).

Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки: 1 — капсула; 2 — клеточная стенка; 3 — цитоплазмати-ческая мембрана; 4— цитоплазма; 5 — мезосомы; 6 — рибосомы; 7 — полисахаридные гранулы; 8 — нуклео-ид; 9 — включения серы; 10 — жировые капли; 11 — полифосфатные гранулы; 12 — внутриплазматические мембранные образования; 13 — базальное тельце; 14 — жгутики

Клетка снаружи покрыта жесткой клеточной стенкой.Она придает форму клетке, предохраняет ее от неблагоприятных внешних тепловых и механических воздействий, защищает клетку от проникновения в нее избытка воды.

У некоторых бактерий на наружной .поверхности клеточной стенки образу­ются капсулыили слизистый слой. Капсула чаще всего состо­ит из полисахаридов (декстрана, левана), реже — из полипептидов. Капсула — необязательная структура бактериальной клетки. Иногда капсулы служат источником запасных питатательных веществ. Например, капсулы из полисахаридов об­разуются у клеток лейконостока на средах с значительным количеством углеводов.

По химическому составу и строению клеточной стенки бак­терии делятся на 2 большие группы: грамположительные и грамотрицательные бактерии (Трам+ и Грам^-).

Рис. 4. Схема строенияклеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Названы так по имени датского ученого Кристиана Грама, предложив­шего специальный способ ок­раски бактерий (окраска по Граму). После окраски препа­рат бактерий обрабатывают спиртом или ацетоном, в ре­зультате чего Грам^- бакте­рии обесцвечиваются, а Грам⁺ бактерии сохраняют темно-фиолетовую окраску. Окраска по Граму имеет важное значе­ние для классификации бакте­рий.

Как у Грам⁺, так и у Грам^- бактерий жесткость клеточной стенки обусловлена наличием полимерного соединения пептидогликана (муреина), но у Грам+ бактерий его количество значительно больше (до 90—95% от веществ кле­точной стенки), а у Грам^- 5 — 10%. Пептидогликановый слой у Грам+ бактерий плотно прилегает к ЦПМ (рис. 4).

Кроме того, в клеточных стенках Грам+ бактерий имеются другие полимеры — тейхоевые кислоты, которые так же, как и пептидогликан, имеются только у прокариот, а у эукариот не обнаруживаются. В составе клеточной стенки Грам+ бакте­рий в небольших количествах содержатся полисахариды. У Грам+ бактерий клеточная стенка имеет толщину 20—80 нм, юна однослойная и плотная.

Клеточная стенка Грам^- бактерий значительно тоньше — 10—13 нм, но она многослойная. Пептидогликан образует только внутренний слой, неплотно прилегающий к ЦПМ. К внутреннему слою прилегает наружная мембрана, состоящая из липопротеидов и липополисахаридов. Тейхоевые кислоты в клеточной стенке Грам^- бактерий отсутствуют.

Наружная мембрана Грам^- бактерий препятствует проник­новению в клетку токсических веществ, поэтому Грам^- бакте­рии значительно устойчивее по сравнению с Грам+ бактериями к действию антибиотиков, ядовитых химических и др. веществ. Поэтому в пищевых производствах борьба с Грам^- бактериями с помощью дезинфицирующих средств не всегда эффективна.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) расположена под клеточной стенкой, ограничивает содержимое клетки и играет очень важную роль в жизни клетки. Нарушение ее целостности приводит к гибели клетки. Химически ЦПМ представляет со­бой белково-липидный комплекс, состоящий из белков (50— 75% от массы ЦПМ), липидов (в основном фосфолипиды — 15 — 45%) и небольшого количества углеводов. В ЦПМ имеются поры, через которые в клетку поступают питательные ве­щества и выводятся конечные продукты обмена веществ.

Поскольку у прокариот ЦПМ единственная, в отличие от эукариот, мембранная структура в клетке, то она выполняет много функций: осуществляет транспорт питательных веществ из внешней среды внутрь * клетки с помощью специфических белков — переносчиков; на внутренней стороне ЦПМ располо­жены окислительно-восстановительные ферменты, участвую­щие в снабжении клетки энергией, и гидролитические фермен­ты, рсуществляющие расщепление высокомолекулярных соеди­нений. У некоторых бактерий ЦПМ образует впячивания внутрь клетки — мезосомы, имеющие различные формы и раз­меры и выполняющие различные функции (участие в энерге­тических процессах, в процессах деления клетки, процессе раз­множения и др.).

Цитоплазма— это внутреннее содержимое клетки, окружен­ное ЦПМ, представляющая собой полужидкую коллоидную систему. Она содержит воду до 70—80% от массы клетки, фер­менты, аминокислоты, набор РНК, субстраты и продукты об­мена веществ клетки. В цитоплазме располагаются остальные жизненно важные структуры клетки — нуклеоид, рибосомы, а также запасные вещества различной природы.

Нуклеоидпредставляет собой ядерный аппарат прокариот. Это компактное образование, занимающее центральную область в цитоплазме, состоящее из двойной спирально закрученной нити ДНК, замкнутой в кольцо, которая еще называется бак­териальной хромосомой. Бактериальная хромосома в одной точке соприкасается с мезосомой. В развернутом виде нить ДНК может иметь длину более 1 мм, т. е. почти в 1000 раз больше длины бактериальной клетки. Вся генетическая инфор­мация у прокариот, так же как и у эукариот, заключена -в ДНК, поэтому функция нуклеоида состоит в передаче наслед­ственных свойств. Перед, делением клетки нуклеоид делится пополам. Ядерный аппарат прокариот не имеет ядрышка и не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной, как это имеет место у эукариот.

Рибосомы— небольшие гранулы, рассеянные в цитоплазме, состоящие из РНК (60%) и белка (40%). Они играют очень важную физиологическую роль, поскольку на них происходит синтез белков. В молодых клетках наблюдается повышенное содержание рибосом.

В клетках бактерий, помимо обязательных клеточных структур, имеются включения запасных веществ. Они накапли­ваются при избытке тех или иных питательных веществ в сре­де, а расходуются при голодании клетки. К запасным вещест­вам клетки бактерий относятся полисахариды, включающие гликоген, крахмал и гранулезу; жировые капли, содержа­щие липиды (жиры) в виде поли-р-оксимасляной кислоты, которая синтезируется на средах богатых углеводами. Поли-р-оксимасляная кислота встречает­ся только у прокариот и ее количест­во может достигать 50% от сухой массы клеток. Гранулеза и липиды служат хорошим источником углеро­да и энергии для клетки. У многих прокариот в клетках накапливаются полифосфаты в виде гранул, называе­мых также валютиновыми или мета-хроматиновыми зернами. Они исполь­зуются клетками как источник фос­фора.

В клетках некоторых бактерий, участвующих в превращениях серы,, откладывается молекулярная сера в виде особых включений.

Подвижность бактерий.

Способностью к движению обладает примерно Уб часть бактерий. Это в основном многие палочковидные и все извитые формы бакте­рий. Неподвижными являются почти все шаровидные бактерии (кокки), более 50% палочковидных бактерий и ряд других.

Чаще всего движение осуществляется с помощью жгутиков (см. рис. 5) —тонких нитей толщиной 10—20 нм, состоящих из особого белка флагеллина. Длина жгутиков во много раз мо­жет превышать длину клетки. Жгутики (рис. 5.) прикрепляют­ся к мембране с помощью двух пар дисков основания и через поры в ней и клеточной стенке выходят наружу. Скорость пе­ремещения бактерий спомощью жгутиков высока (20— 60 мкм/с).

Рис. 5. Схема прикрепления жгутика: 1 — клеточная стенка; 2 — цитоплазматическая мембрана; 3 — мембрана жгутиков; 4—диски основания; 5 — жгутики

Характер расположения жгутиков на поверхности клетки является одним из признаков классификации бактерий.

Их количество может быть от 1 до 100. Бактерии, имеющие один жгутик на конце клетки, называют монотрихами; с пучком жгутиков на одном или обоих концах клетки — лофотрихами; один жгутик на обоих донцах — амфитрихами. Бактерии, у которых жгутики покрывают всю поверхность клетки,, называются перитрихами. Жгутики обеспечивают активное движение клеток только в жидкой среде, и при утрате жгутиков при старении или механическом воздействии клетки теряют способность к движению, но сохраняют жизнеспособность.

К подвижным формам относятся также спирохеты, некото­рые нитчатые (многоклеточные) и другие бактерии, не имеющие жгутиков. Спирохеты могут передвигаться и в жидкой среде, и по твердому субстрату в результате волнообразных сокращений клетки. Нитчатые бактерии, цианобактерии и дру­гие обладают скользящим типом движения по твердому и полутвердому субстрату.

Способность к движению позволяет бактериям переместить­ся в ту область среды, в которой условия для их роста и размножения (концентрация питательных веществ и кислорода в среде, освещенность и др.) наиболее оптимальны.