Общая характеристика бактерий, образующих эндоспоры

По определителю Берджи данные организмы объединены в группу 18 -грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры.

Данная группа создана для удобства; ее таксономические связи в настоящее время неясны. Клетки в форме палочек или кокков и иногда нитей, диаметром 0,3—2 мкм. Большинство представителей окрашиваются по Граму положительно и обладают толстой клеточной стенкой грамоложительного типа. Клетки обычно подвижные за счет перитрихиальных жгутиков; образуют устойчивые к нагреванию, сильно преломляющие свет эндоспоры. Эндоспоры покрыты непроницаемой оболочкой и слабо окрашиваются обычными красителями, но поддаются окрашиванию специальными методами. Эндоспоры легко спутать с липидными включениями. Количество эндоспор может быть незначительным. Целесообразно подтверждать природу визуально обнаруженных эндоспор, проверяя для этого культуры на выживание после 10-минутного прогревания при 70—80°С (критерий — последующий рост в благоприятных условиях). Метаболизм и экология представителей группы сильно варьируют. Многие штаммы Clostridium спорулируют очень слабо и дают слабую положительную окраску по Граму.

2. АЭРОБНЫЕ СПОРООБРАЗУЮЩИЕ БАКТЕРИИ (Род Bacillus)

ХАРАКТЕРИСТИКА РОДА

Прямые палочки, 0,5—2,5 х 1,2—10 мкм, с закругленными или «обрубленными» концами, часто в парах или цепочках. Грамположительные. Подвижные за счет перитрихиальных жгутиков. Эндоспоры овальные или иногда сферические либо цилиндрические, высокоустойчивые ко многим неблагоприятным воздействиям. В клетке образуется не более одной споры. Споруляция не подавляется в атмосфере воздуха. Аэробы или факультативные анаэробы. Отношение к повышенной температуре, рН и солености сильно варьирует. Хемоорганотрофы; метаболизм бродильного или дыхательного типа. Обычно каталазоположительные. Обнаруживаются в раз­нообразных местообитаниях; некоторые виды патогенны для позвоночных или беспозвоночных.

Типовой вид: Bacillus subtilis.

Большинство аэробных спорообразующих бактерий являются всеядными хемогетеротрофами, способными использовать в качестве субстратов, окисляемых при дыхании, разнообразные простые органические соединения (сахара, аминокислоты, органические кислоты). Некоторые из них могут также сбраживать углеводы. Отдельные виды не требуют органических факторов роста, другие нуждаются либо в аминокислотах, либо в витаминах группы В, либо в тех и других. Большинство аэробных спорообразующих бактерий — мезофиллы с температурным оптимумом от 30 до 45°, хотя имеется и ряд термофильных представителей, растущих при температуре вплоть до 65°.

Мезофильные виды рода Bacillus можно разделить на три группы, различающиеся по структуре и внутриклеточной ло­кализации эндоспор (таблица 2).

Таблица 2 – Группы мезофильных видов рода BACILLUS

Исходя из размеров клеток и наличия или отсутствия поли-р-оксимасляной кислоты в качестве запасного клеточного вещества, из группы I можно выделить подгруппы В. subtilis и В. cereus (таблица 3).

Таблица 3 – Отличительные признаки В. SUBTILIS и В.CEREUS

Подгруппа В. cereus: ширина вегетативных клеток больше 1 мкм, образуют в качестве запасного вещества поли-3-оксимасляную кислоту

Большинство видов группы I может расти в анаэробных условиях за счет использования сахаров. Им присущ характерный тип брожения: основными конечными продуктами его являются 2,3-бутандиол, глицерин и С0₂; кроме того, образуются небольшие количества молочной кислоты и этанола.

В. subtilis в отличие от большинства других видов группы I не может расти в анаэробных условиях за счет использования глюкозы; на воздухе этот вид сбраживает глюкозу с образованием больших количеств 2,3-бутандиола. В. licheniformis может расти в анаэробных условиях за счет использования несбраживаемых органических субстратов при наличии нитрата, поскольку способен к активной денитрификации. Этим свойством обладает только данный вид Bacillus.

Характерными представителями группы I являются В. cereus, одна из самых распространенных почвенных аэробных спорообразующих бактерий, и два родственных патогена — В. anthracis и В. thuringensis. У всех этих трех видов эндоспоры заключены в неплотно прилегающий наружный чехол, называемый экзоспориумом; другие бациллы такого чехла не имеют. Некоторые штаммы В. cereus образуют характерные неплотные расползающиеся колонии, отдаленно напоминающие колонии грибов. В. anthracis является возбудителем сибирской язвы — заболевания крупного рогатого скота и овец, передающегося и людям. Это одна из немногих спорообразующих бактерий, являющихся истинным паразитом в том смысле, что она может развиваться в организме животного-хозяина. Кроме патогенных свойств, биохимический механизм которых подробно исследован, В. anthracis отличается от В. cereus полной неподвижностью.

В. thuringensis — возбудитель паралитического заболевания у гусениц многих чешуекрылых насекомых. Параличи возникают в результате поедания ими растительной пищи, на поверхности которой имеются споры или спорулирующие клетки этого вида бактерий. Каждая спорулирующая клетка В. thuringensis образует примыкающий к споре правильный бипирамидальный белковый кристаллик, который высвобождается вместе со спорой при автолизе родительской клетки. Белок, образующий кристаллик, токсичен для насекомых. Поскольку околоспоровый белок В. thuringensis токсичен для личинок большого числа чешуекрылых насекомых, но не токсичен для позвоночных, препараты спорообразующих кле­ток этого организма нашли широкое применение в сельском хозяйстве в качестве инсектицида.

Два основных вида Bacillus группы II, В. polyтуха и В. macerans, образуют споры, обладающие характерной толстой наружной оболочкой с выростами, отчего в разрезе спора имеет звездчатый вид. Оба вида растут за счет брожения, расщепляя крахмал и пектины, а также моносахариды; интенсивный рост возможен только при наличии соответствующего углевода. В. polymyxa осуществляет бутандиоловое брожение, химически отличное от брожения у бацилл группы I: кроме 2,3-бутандиола в качестве основных продуктов брожения образуются этанол, СО₂ и Н₂. Продук­тами сбраживания сахаров у В. macerans являются этанол, ацетон, муравьиная кислота, СО₂ и Н₂. Образование Н₂ в качестве основного конечного продукта и неспособность образовывать глицерин отличает процесс сбраживания сахаров этими видами от сбраживания его бактериями группы I. Другим отличительным признаком и В. polymyxa, и В. macerans является способность фиксировать N₂ при росте в анаэробныхусловиях; пока это единственные известные виды Bacillus обладающие данным свойством.

Виды Bacillus группы III, для которых характерно образование сферических спор, локализованных у одного из полюсов спорулирующей клетки, по нескольким физиологическим и метаболическим признакам образуют отдельную подгруппу бацилл. Пептидогликан их клеточной стенки имеет другую химическую структуру, чем пептидогликан других аэробных спорообразующих бактерий. Виды Bacillus группы III не способны к брожению и к эффективному использованию углеводов в качестве источников энергии при дыхании. Основны­ми субстратами дыхательного метаболизма являются аминокислоты и органические кислоты. Многие (хотя и не все) виды образуют большое количество уреазы, катализирующей гидролиз мочевины:

Хотя эта реакция не приводит к синтезу АТФ, она имеет важное физиологическое значение для бацилл, расщепляющих мочевину. Основной представитель этой группы, В. pasteurii, не может расти на обычных сложных средах (например, в питательном бульоне) при рН, равном 7, без добавления мочевины.Мочевину можно заменить аммиаком при высоком исходном рН (8,5). Никакой другой моновалентный катион заменить аммиак не может, причем он необходим В. pasteurii и для дыхания, и для роста. Следовательно, фактически потребность в мочевине отражает специфическую потребность В. pasteurii в аммиаке и высоком рН. К В. pasteurii в метаболическом и физиологическом отношении, а также по составу клеточной стенки весьма близок единственный вид рода Sporosarclna, S. ureae.

3. АНАЭРОБНЫЕ СПОРООБРАЗУЮЩИЕ БАКТЕРИИ: РОД CLOSTRIDIUM

ХАРАКТЕРИСТИКА РОДА

Палочки, 0,3—2,0 x 1,5—20,0 мкм, с закругленными или иногда заостренными концами, часто расположенные в парах или коротких цепочках. Как правило, плеоморфные. В молодых культурах обычно окрашиваются по Граму положительно. Чаще всего подвижные за счет перитрихиальных жгутиков. Образуют овальные или сферические эндоспоры, обычно растягивающие клетки. Большинство видов хемоорганотрофные; некоторые могут также расти хемоавтотрофно или хемолитотрофно. Могут быть сахаролитическими, протеолитическими, обладать обоими этими свойствами или ни тем, ни другим. Из углеводов или пептона обычно образуют смесь органических кислот и спиртов. Не осуществляют диссимиляционную сульфатредукцию. Обычно каталазоотрицательные и облигатные анаэробы. Рост на воздухе, если и возможен, то скудный, а споруляция подавлена. Метаболически весьма разнообразны; оптимальная температура для роста 10—65°С. Широко распространены в природных средах. Многие виды образуют сильные экзотоксины. Некоторые виды патогенны для животных и человека в результате либо раневой инфекции, либо попадания в организм токсинов.

Типовой вид: Clostridium butyricum.

Анаэробные спорообразующие бактерии, осуществляющие брожение (род Clostridium), были открыты Пастером в середине XIX в., когда он обнаружил, что некоторые из этих организмов осуществляют сбраживание сахаров, сопровождаемое образованием масляной кислоты. Вскоре было показано, что клостридии являются основными агентами, вызывающими анаэробное расщепление белков (гниение). К концу XIX в. стало очевидным, что некоторые клостридии вызывают ряд заболеваний у человека и животных. Как и другие представители этой группы, патогенные клостридии — это нормальные обитатели почвы; они почти не способны заселять организм животного: заболевания, вызываемые ими, возникают вследствие образования разнообразных высокотоксичных белков (экзотоксинов). Так, ботулизм (вызываемый С. botulinum), является чистыми интоксикациями. Другие серьезные заболевания, вызываемые клостридиями, — столбняк (возбудитель — С. tetani) и газовая гангрена (вызываемая не­сколькими другими видами клостридиев) — являются результатом раневых инфекций; повреждение тканей создает анаэробные условия, обеспечивающие локальный рост этих организмов и образование токсинов. Некоторые токсины клостридиев (вызывающие симптомы ботулизма и столбняка) являются сильными ингибиторами нервных функций. Другие (вызывающие газовую гангрену) представляют собой ферменты, разрушающие ткани; среди этих ферментов имеются лецитиназы, гемолизины и разнообразные протеазы.

К настоящему времени описано более 60 видов Clostridium, однако принятое сейчас таксономическое подразделение этой группы бактерий нельзя признать удовлетворительным. Наиболее надежную основу для такого подразделения дает, по-видимому, чрезвычайно большое разнообразие механизмов диссимиляции у бактерий этого рода. Поэтому их описание будет проведено здесь на основании прежде всего именно этих свойств.

МАСЛЯНОКИСЛЫЕ КЛАСТРИДИИ

Многие клостридии сбраживают растворимые углеводы, крахмал или пектин с образованием уксусной и масляной кислот, СО₂ и Н₂. Эти маслянокислые бактерии плохо или совсем не растут в сложных средах в отсутствие сбраживаемого углевода. Для данной подгруппы характерны еще два отличительных признака: в качестве клеточного запасного вещества они синтезируют крахмалоподобный полисахарид. Отличительной особенностью многих видов маслянокислых бактерий является их способность весьма эффективно фиксировать молекулярный азот.

АНАЭРОБНАЯ ДИССИМИЛЯЦИЯ КЛОСТРИДИЯМИ АМИНОКИСЛОТ

Многие виды Clostridium могут хорошо расти в сложных средах, содержащих пептоны или дрожжевой экстракт, в отсутствие сбраживаемых углеводов. Эти организмы осуществляют разложение азотистых соединений (гниение) в природе. К, ним относятся также основные патогенные клостри-дии (С. botulinum, С. tetani и С. perfringens). Рост в сложных средах сопровождается образованием аммиака, С0₂, Н₂, жирных кислот и множества других летучих соединений, часто обладающих неприятным запахом.

Многие клостридии, сбраживающие аминокислоты, могут сбраживать и углеводы. Эти субстраты подвергаются типичному маслянокислому сбраживанию. Очевидно, что клостридии, способные сбраживать глутаминовую кислоту и превращать глюкозу в пировиноградную кислоту по пути Эмбде-на — Мейергофа, обладают всем набором ферментов для осуществления маслянокислого брожения. Однако многие клостридии, сбраживающие аминокислоты, совершенно неспособны сбраживать углеводы: примерами таких организмов являются С. tetani и С. histolyticum. Следовательно, имеется широкий спектр бактерий, различающихся по характеру сбраживаемых субстратов, начиная от маслянокислых бактерий с низкой способностью сбраживать аминокислоты или не обладающих такой способностью вообще и кончая такими организмами, как С. tetani и С. histolyticum, которые неспособны сбраживать углеводы.

Большое число клостридиев, сбраживающих аминокислоты, являются протеолитическими организмами и обладают разнообразными протеазами. Часто один организм образует несколько разных гидролитических ферментов этого типа с разной субстратной специфичностью. Для представителей данной группы бактерий, получающих энергию за счет сбраживания аминокислот, протеолиз, конечно, является необходимым первоначальным этапом образования из белков сбраживаемых субстратов. Однако из этого отнюдь не следует, что все клостридии, сбраживающие аминокислоты, являются протеолитическими организмами. Есть и непротеолитические виды, рост которых зависит от наличия в качестве субстратов свободных аминокислот.

СБРАЖИВАНИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Некоторые клостридии могут получать энергию за счет сбраживания циклических соединений, в частности пуринов, пиримидинов и никотиновой кислоты. Сбраживание пуринов (гуанина, мочевой кислоты, гипоксантина, ксантина) осуществляют виды с высокоспециализированными пищевыми потребностями; они неспособны сбраживать другие субстраты. Продуктами брожения являются уксусная кислота, глицин, муравьиная кислота, СО₂ или другие вещества-предшественники.