Систематика микроорганизмов
Систематика - раздел биологии, изучающий организмы с точки зрения их морфологического сходства и различия, выявляющий общие признаки и степень родства между организмами на основе их происхождения (филогенеза) и исторического развития, распределяющий организмы по группам - систематическим категориям. Установление естественнонаучной классификации (систематики) живых организмов значительно облегчает их изучение. Необходимость же изучения микроорганизмов во всем многообразии их жизненных проявлений и взаимных связей настоятельно потребовала установления определенных таксономических категорий и в мире микробов. Однако создание естественнонаучной классификации микробов оказалось чрезвычайно затруднительным.
Особенно большие трудности встречаются в систематике бактерий вследствие недостаточности наших знаний об исторических путях их развития, а также из-за кажущейся простоты и элементарности внешней организации бактерий, к тому же зависящей от среды.
Основой классификации является вид - основная единица эволюционного развития органической природы. Определение вида микроорганизма - задача, гораздо более сложная, чем определение вида высших растений или животных. Ботанику или зоологу иногда бывает достаточно беглого взгляда, чтобы определить видовую принадлежность данного растения или животного; микробиологу же для этого приходится проделывать серию кропотливых микробиологических исследований. Сначала устанавливают основные признаки изучаемого микроба. По этим признакам микроб идентифицируют (отождествляют) по определителю с ранее описанными видами и находят его место в классификации микробов.
Понятие о виде является очень важным и вместе с тем сложным вопросом в систематике микроорганизмов. Вид у микробов на основе современных данных науки рассматривают как совокупность родственных организмов: а) имеющих общий корень происхождения; б) обособленных в результате отбора; в) приспособленных к определенной среде обитания; г) обладающих сходным обменом веществ, характером межвидовых отношений; д) близких между собой по морфологическим, физиологическим признакам и генетическому аппарату. Для патогенных видов микробов учитывают также способность вызывать в организме животных и человека образование определенных защитных веществ - антител (К. Пяткин).
Морфологические признаки микроорганизма - это признаки, наблюдаемые непосредственно под микроскопом на живых и мертвых препаратах: форма, размеры и естественное сочетание клеток, способность к движению, спорообразованию, расположение спор в клетке, способность к образованию капсул. Так как указанные признаки однообразны, они позволяют определить только родовую принадлежность исследуемого микроба (бактерии, бациллы, микрококки, стрептококки и пр.).
Культуральные признаки - это признаки, получаемые при наблюдении за развитием культуры данного микроба в различных питательных средах. По характеру культуральные признаки частично состоят из морфологических признаков (форма, цвет, блеск колонии на поверхности твердой питательной среды или в ее толще, характер краев колонии, ее строение, рост микроба в мясопептонном бульоне и пр.) и физиологических признаков (особенности питания и дыхания, отношение к температуре, характер продуктов обмена, способность свертывать молоко, разжижать желатину и пр.).
Только полное выявление всей совокупности морфологических и культуральных признаков микроорганизма дает возможность определить его видовую принадлежность и отличить от близких видов. Таким образом, для получения наиболее полной видовой характеристики микроорганизма, кроме микроскопирования, хотя приемы его тонки и сравнительно быстро выполняются, необходимы самые широкие и разносторонние наблюдения за развитием изучаемой культуры микроба, а для патогенных микробов - еще и целая серия специфических бактериологических анализов.
Наименование видов микробов в микробиологии дается по принципу двойной (бинарной) номенклатуры, предложенной еще Карлом Линнеем. Согласно этой номенклатуре каждый вид микроба имеет родовое и видовое название. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое - со строчной. Виды объединены в роды, роды в еще более высокие системные категории - семейства, семейства - в порядки, порядки - в классы и отделы. Родовое название микроба обозначает либо какой-то морфологический признак, либо фамилию открывшего его ученого. Видовое название чаще всего касается цвета, наиболее вероятного места обитания микроба или означает возбуждаемую микробом болезнь и пр. Например, название Bacillus subtilis указывает, что микроорганизм является спорообразующей палочкой, окрашивающейся по Граму (свойства рода Bacillus), a subtilis по-латыни «сено», т.е. «палочка сенная»; Escherichia colii - кишечная палочка; Escherichia - по фамилии знаменитого немецкого ученого Эшериха; colitis - отдел толстой кишки; Clostridium botulinum - спорообразующая палочка, развивающаяся только в отсутствие кислорода (свойства рода Clostridium); botulus - по-латыни «колбаса» (микроб был впервые обнаружен в колбасных изделиях) и т.д.
Классификация бактерий
Одну из первых систем классификации бактерий разработал Ф. Кон в 1872 г. В основу этой системы был положен исключительно морфологический принцип. В 1897 г. Мигула предложил систему, в которой, кроме морфологических признаков, учитывались и некоторые физиологические, например фиксация азота. В 1909 г. Орла-Иенсен создал систему, в основу которой был положен главным образом физиологический принцип. В 1896 г. К. Леманом и Р. Нейманом была разработана классификация бактерий, положившая начало созданию научно обоснованной систематики микробов. Классификация бактерий Лемана и Неймана постепенно совершенствовалась самими авторами. Как более удачная из всех предложенных классификаций, наиболее четкая и достаточно простая, с определенными изменениями и дополнениями она используется для практических нужд в пищевой микробиологии и в настоящее время.
В медицинской микробиологии принята систематика бактерий, предложенная комитетом американских бактериологов. В определителе, вышедшем в 1924 г. под редакцией Д. Бердже, все бактерии (класс Schizomycetes - дробящиеся грибы) разделены на 10 порядков, каждый порядок делится на семейства, семейства - на роды, роды - на виды. В этом определителе описано более 1500 видов бактерий. Классификация Бердже, однако, не лишена недостатков. В частности, в ней не учитывается изменчивость микробов и их эволюционное развитие. Кроме того, вид микроорганизма рассматривается не как качественный этап развития живой природы, а «как понятие, принятое в систематике».
Советский ученый, член-корреспондент АН СССР Н. А. Красильников (1949) систематизирует микроорганизмы с учетом их происхождения и эволюционного развития и приводит общепринятое описание свыше 6000 видов микроорганизмов (бактерий и актиномицетов). Это наиболее продуманная и полная классификация среди предложенных современных систематик, учитывающая как морфологические, так и культуральные признаки микробов.
Ниже приводится наиболее простая, удовлетворяющая требованиям практики систематика бактерий Лемана и Неймана с соответствующими изменениями и дополнениями. В этой систематике в основу деления бактерий на семейства положена внешняя форма клеток и способность к спорообразованию. Деление на роды осуществляется по признаку расположения делящей перегородки и степени извитости клетки. Видовая принадлежность определяется на основе культуральных (и физиологических) признаков.
Все бактерии и актиномицеты по классификации Лемана и Неймана отнесены к одному классу дробящихся грибов Schizomycetes, разделенному на два порядка: 1) истинные, или настоящие, дробящиеся грибы - шизомицеты (Schizomycetales) и 2) лучистые грибки - актиномицеты (Actinomycetales).
Порядок шизомицеты включает шесть семейств.
I. Семейство кокковых (сем. Соссасеае). К этому семейству отнесены шаровидные бактерии, размножающиеся простым делением. Спор кокки не образуют, по Граму окрашиваются положительно, хотя в редких случаях встречаются и грамотрицательные виды. Это - неподвижные микроорганизмы, на твердых средах образуют как бесцветные, так и окрашенные колонии.
Семейство кокковых подразделяется на следующие роды:
1) микрококки (Micrococcus);
2) стрептококки (Streptococcus);
3) сарцины (Sarcina);
4) стафилококки (Staphylococcus);
5) тетракокки (Tetracoccus);
6) диплококки (Diplococcus).
II. Семейство бацилл (сем. Bacillaceae). В это семейство включены спороносные палочки, обычно грамположительные, подвижные, имеющие жгутики. Встречаются, однако, формы, у которых подвижность не обнаружена. В семейство входят два рода:
1) род бацилл (Bacillus). Спорообразующие палочки, развивающиеся при доступе кислорода воздуха;
2) род клостридий (Clostridium). Спорообразующие палочки, развивающиеся без доступа кислорода воздуха.
III. Семейство бактерий (сем. Bacteriaceae). Неспороносные грамотрицательные подвижные палочки. Жгутование в большинстве случаев перитрихиальное; размножаются делением. В семейство включен род бактерий (Bacterium).
IV. Семейство десмобактерий (сем. Desmobacteriaceae). Сюда включены многоклеточные бактерии, имеющие вид длинных нитей из сцепленных между собой клеток. Из десмобактерий важное значение имеют серобактерии и железобактерии, принимающие участие в превращениях серы и железа в природе.
V. Семейство спирилл (извитых бактерий) (сем. Spirillaсеае). Сюда относится род вибрионов (Vibrio) и род спирилл (Spirillum).
VI. Семейство спирохет (сем. Spirochaetaceae). Подразделяется семейство на несколько родов; некоторые из родов являются патогенными для человека. Основной род - спирохеты (Spirochaeta).
Порядок актиномицеты (Actinomycetales). Бактерии этого порядка называют также лучистыми грибками, они относятся к одноклеточным микроорганизмам. Актиномицеты широко распространены в природе. Особенно часто встречаются они в почве, на различных животных и растительных остатках; могут вызывать порчу пищевых продуктов с образованием специфического землистого запаха.
Тело актиномицетов состоит из мицелия, имеющего вид ветвящихся несептированных нитей (гиф) (рис. 16). Иногда мицелий ветвится слабо. При развитии актиномицетов на питательных средах одна часть мицелия погружена в субстрат, другая находится в воздухе над субстратом в виде пушистого «воздушного мицелия». Однако отдельные представители этого порядка могут иметь и гладкую поверхность.
У молодых клеток актиномицетов цитоплазма имеет вид однородной массы, содержащей отдельные зерна хроматина (ядерного вещества). При старении клеток в их цитоплазме появляются вакуоли, капельки жира. Оболочка клеток становится хрупкой, легко разрушается, причем наступает частичный лизис (растворение) клеток.
Дифференцированного ядра в клетках актиномицетов не обнаружено. Размножаются актиномицеты конидиями (экзоспорами), которые легко отшнуровываются на воздушных нитях мицелия. Колонии актиномицетов различны по величине и окраске (могут быть черными, бурыми, красными, зелеными и др.).
К актиномицетам относятся туберкулезные, дифтерийные бактерии. Некоторые актиномицеты вызывают тяжелые заболевания у человека и животных, сопровождающиеся разрушением тканей и костей (актиномикозы). Есть среди актиномицетов и такие формы, которые вырабатывают специфические вещества, губительно действующие на другие микроорганизмы. Эти вещества получили название антибиотиков (например, стрептомицин, вырабатываемый из лучистого грибка Actinomyces globisporus streptomycini). Антибиотики находят широкое применение в качестве лечебных препаратов.
Классификация грибов
Изучение плесневых грибов все время шло параллельно с изучением бактерий. Это объясняется тем, что плесневые грибы чрезвычайно широко распространены в природе. Особенно богат спорами плесеней воздух. Кроме того, плесневые грибы бывают причиной загрязнения бактериальных культур, так что бактериологам приходится с ними очень часто встречаться. По морфологическим и физиологическим признакам грибы подразделяются на пять классов.
I класс - архимицеты (Archimycetes). Это низшие, наиболее просто устроенные грибы. Они совершенно лишены мицелия. Вегетативное развитие грибов осуществляется за счет голого или в более позднем возрасте защищенного оболочкой комочка цитоплазмы. Размножаются архимицеты спорами и посредством подвижных одножгутиковых зооспор.
Известно 300 видов архимицетов. Многие из них являются паразитами культурных растений. Развиваясь в пораженном органе растений, архимицеты уничтожают цитоплазменное содержимое клеток и их оболочки. Цикл развития архимицетов может заканчиваться образованием внутри растительной ткани особых покоящихся спор (цист), покрытых очень толстой оболочкой. Перезимовав, цисты прорастают, из них образуются подвижные споры, заражающие новые растения. К архимицетам относится гриб, вызывающий заболевание капустной рассады, называемое черной ножкой (Olpidium brassicae), и возбудитель заболевания клубней картофеля - рака (Synchytrium endobioticum).
II класс - фикомицеты (Phycomycetes). Этот класс включает грибы, имеющие несептированный многоядерный мицелий и способные размножаться как половым, так и бесполым путем. При половом размножении у части фикомицетов, объединенных в подкласс оомицетов (Oomycetes), происходит слияние двух дифференцированных клеток (мужской и женской) с образованием ооспоры. Другая часть фикомицетов отнесена к подклассу зигомицетов (Zygomycetes). У них при половом размножении происходит слияние двух недифференцированных клеток с образованием зигоспоры.
Из оомицетов наибольшее значение имеет возбудитель заболевания стеблей и клубней картофеля, баклажанов, томатов - фитофтора (Phytophthora infestans) и гриб, вызывающий заболевание винограда, - милдью, получивший название плазмопары (Plasmopara viticola). При бесполом размножении у оомицетов очень часто образуются подвижные зооспоры, снабженные одним жгутиком.
Типичными представителями зигомицетов являются грибы семейства мукоровых (Mucoraceae), роды мукор, ризопус, тамнидиум. Бесполое размножение у них осуществляется неподвижными спорангиеспорами. У рода мукор (Mucor) образуются крупные спорангии на одиночных или ветвящихся спорангиеносцах. У рода ризопус (Rhizopus) возникают окрашенные в темно-бурый цвет неветвящиеся спорангиеносцы, растущие кустиками. У основания такого кустика спорангиеносцев появляются тонкие корневидные отростки гиф - ризоиды. Ризопусы стелются по поверхности субстрата при помощи длинных гиф - столонов, напоминающих усики клубники. У грибов рода тамнидиум (Thamnidium) возникают два типа спорангиев. На вершине спорангиеносца образуется крупный многоспоровый спорангий, а на боковых ветвях этого же спорангиеносца развиваются мелкие спорангиоли с относительно небольшим количеством спор. В классе фикомицетов насчитывается до 700 видов грибов. Многие фикомицеты являются возбудителями порчи пищевых продуктов.
III класс - сумчатые грибы (Ascomycetes). Этот класс подразделяется на два порядка: первичносумчатые, или голосумчатые, грибы (Protascales), у которых сумки растут непосредственно на мицелии без образования специального плодового тела, и сложносумчатые, или плодосумчатые, грибы (Plectascales).
К голосумчатым грибам относятся дрожжи. Классификация дрожжей приведена ниже. Из мицелиальных голосумчатых грибов наиболее важным представителем является род эндомицес (Endomyces vernalis), получивший название жировых дрожжей из-за способности накапливать в клетках большое количество жира. Мицелий гриба рода эндомицес очень часто распадается на отдельные клетки, размножающиеся, как и дрожжи, почкованием.
К плодосумчатым грибам относятся аспергилловые, пеницилловые плесневые грибы, а также распространенные возбудители болезней плодов, овощей, злаков: спорынья (Claviceps purpurea), склеротиния (Sclerotinia libertiana), ценные съедобные грибы - трюфели и сморчки. Вообще к аскомицетам относится до 20 тысяч видов, различных по строению и свойствам.
IV класс - базидиомицеты (Basidiomycetes). Грибы этого класса также способны размножаться как половым, так и бесполым путем. Основным органом полового размножения у них является базидия с базидиоспорами. Базидиомицеты - обширная группа грибов, насчитывающая около 20 тыс. видов. В этот класс входят следующие грибы:
шляпочные, плодовое тело которых представляет собой шляпку, прикрепленную к ножке; с внутренней стороны шляпки между радиально расходящимися пластинками или в трубках располагаются базидии; многие шляпочные грибы съедобны, но встречаются и ядовитые;
домовые, важнейшим представителем которых является энергичный разрушитель древесины - гриб Merulius lacrymans («плачущий»);
трутовики родов фомес (Fotnes) и полипорус (Polyporus), развивающиеся в виде лопатовидных или веерообразных наростов на стволах пораженных деревьев и на мертвой древесине (нарост - многолетнее плодовое тело);
головневые и ржавчинные - паразиты злаковых растений.
V класс - несовершенные грибы (Fungi imperfecti). К этому классу относится до 25 тысяч видов многоклеточных грибов, у которых не обнаружено полового размножения. Эти грибы размножаются либо посредством конидий (большинство), либо с помощью оидий, а некоторые вообще не имеют никаких органов размножения. Конидиеносцы у несовершенных грибов развиваются на мицелии либо группами, либо одиночно. Наиболее важные роды этого класса: оидиум, ботритис, фузариум, кладоспориум, альтернария, катенулария, монилия (рис. 17).
У рода ботритис (Botrytis) древовидноветвящиеся конидиеносцы заканчиваются массой мелких конидий, которые образуют скопления, напоминающие виноградную гроздь. Конидии окрашены в серый цвет. Ботритис вызывает шейковую гниль репчатого лука, а также серую гниль плодов, овощей (моркови, капусты, томатов), винограда, малины, земляники. Botrytis cinerea совместно с другими грибами является возбудителем кагатной гнили сахарной свеклы.
У рода фузариум (Fusarium) образуются разветвленные конидиеносцы с серповидно изогнутыми и заостренными с концов многоклеточными конидиями, имеющими поперечные перегородки. Иногда конидии возникают цепочками прямо на мицелии. Окрашены конидии в буроватый цвет, а мицелий гриба, особенно с нижней стороны, приобретает розовую окраску. Среди грибов рода Fusarium встречаются как сапрофиты, так и паразиты. Фузариум поражает плоды, овощи, злаки. Сухая гниль картофеля (фузариоз картофеля) связана с проникновением мицелия гриба в клубень. Пораженный участок клубня при этом сморщивается, превращаясь в серовато-белую крахмалистую массу, внутри которой местами образуются полости, заполненные конидиями гриба. Развиваясь на стеблях и корнях растений, фузариум вызывает быстрое увядание и засыхание растений (тыквенных, бобовых и др.). При употреблении хлеба, выпеченного из зерна, пораженного фузариумом, наблюдается отравление, напоминающее опьянение («пьяный хлеб»).
Отдельные виды фузариума образуют гиббереллиновую кислоту, которая обладает ярко выраженной способностью активировать рост ряда растений. Получаемые препараты гиббереллиновой кислоты в последнее время нашли применение в сельском хозяйстве как стимуляторы роста растений.
У рода альтернария (Alternaria) на коротких боковых ветвях вегетативных гиф, играющих роль конидиеносцев, образуются одиночные или соединенные короткими цепочками многоклеточные конидии, имеющие округло-грушевидную или заостренно-вытянутую форму. Мицелий гриба почти черного цвета. Альтернария вызывает черную гниль различных корнеплодов (моркови, петрушки). Порча проявляется в виде темных, почти черных вдавленных пятен, разбросанных по поверхности корнеплода.
Кладоспориум (Cladosporium) имеет прямостоящие конидиеносцы, на них развиваются быстро опадающие конидии разнообразной формы (округлые, овальные или вытянутые). Конидии у кладоспориума могут иметь одну или несколько перегородок или не иметь их совсем. Мицелий и конидии кладоспориума окрашены в темно-оливковый цвет. Чаще всего кладоспориум вызывает порчу пищевых продуктов - мяса; масла, сыров, яиц, образуя на поверхности этих продуктов трудно удаляемые черные пятна.
На медленно растущих колониях катенуларии (Catenularia) настоящие конидиеносцы не возникают. На концах обыкновенных гиф образуются очень длинные цепочки мелких блестящих темно-коричневых конидий, похожих на ожерелье. Catenularis fuliginea («шоколадная плесень») вызывает порчу сгущенного молока с сахаром, образуя в нем комки и подушечки шоколадного цвета.
Грибы рода фома (Phoma) образуют пикниды, окрашенные в черный цвет. Внутри пикнид появляются очень короткие конидиеносцы, несущие мелкие бесцветные споры. Отдельные представители этого рода вызывают сердцевинную гниль свеклы (Phoma betae) и порчу сливочного масла (Phoma pigmentivora).
Грибы рода монилия (Monilia) представляют собой как бы переходную форму от одноклеточных почкующихся грибов к многоклеточным. Размножаются они почкованием, которое напоминает развитие дрожжей. При этом возникают яйцевидные дрожжеподобные конидии. Выше указывалось, что отдельные представители рода Monilia являются возбудителями плодовой гнили семечковых и косточковых плодов. Вид Monilia murmanica используется для производства кормовых (белковых) дрожжей.
Классификация дрожжей
Классификация дрожжей основана на различии их физиологических признаков и способов размножения (почкования, деления, спорообразования). В 1954 г. В. И. Кудрявцевым была разработана классификация истинных дрожжей.
Истинные дрожжи объединены в семейство сахаромицетов (Saccharomycetaceae) - сахарных грибков. Это культурные, важные в хозяйственно-техническом отношении дрожжи. Размножаются они почкованием; спорообразование протекает как после копуляции клеток, так и партеногенетически. Споры имеют шарообразную форму, покрыты одной оболочкой.
Основной род сахаромицес (Saccharomyces). По способности сбраживать глюкозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, виды этого рода разделены на шесть сахарных групп.
Пивные и хлебопекарные дрожжи, дрожжи, используемые в спиртовой промышленности, отнесены к виду церевизиа (Sacch. cerevisiae), винные дрожжи - к виду сахаромицес эллипсоидеус (Sacch. ellipsoideus). Оба эти вида разделяются на очень большое количество рас. Расы различаются между собой определенными свойствами - энергией брожения, количеством образуемого спирта, подъемной силой и пр. Определенные свойства дрожжевых рас учитываются в соответствующем производстве, так как являются важным условием для получения продукта высокого качества.
Ложные дрожжи объединены в семейство несахаромицетов (Non-Saccharomycetaceae). Эти дрожжи также размножаются почкованием, но спор не образуют. Наиболее важными являются роды торула (Torula), микодерма (Mycoderma) и эндомицес (Endomyces).