Бактерии

Бактерии относятся к растительному миру, но в отличие от высших растений большинство бактерий не содержит в своих клетках зеленого пигмента - хлорофилла. Бактерии размножаются простым делением и имеют три основные формы клеток: шаровидную, палочковидную и извитую.

Шаровидные (сферические) бактерии получили название кокков (от греческого kokkos - зерно) (рис. 1 ,а). Кокки не обязательно имеют форму правильного шара, они могут быть слегка овальными или ланцетовидными. Если в препарате клетки микроба наблюдаются в виде отдельных шариков, то его называют микрококк; при парном сочетании шариков - диплококк; в соединении по четыре - тетракокк; цепочкой, в виде нити бус - стрептококк; пакетами - сарцины; беспорядочным скоплением, напоминающим виноградную гроздь, - стафилококк.

Палочковидные (цилиндрические) формы бактерий, не способные к образованию спор, также называются бактериями (от греческого bacteriae - палочка) (рис. 1,6). Таким образом, в микробиологии термин «бактерия» применяется в двух смыслах; в широком понимании для обозначения специфической группы микроорганизмов и в более узком - как название неспорообразующих палочковидных форм этой группы.

Палочковидные бактерии, как и шарообразные, могут встречаться поодиночке, попарно (диплобактерии), цепочками (стрептобактерии). Палочки бывают длинные и короткие, тонкие и толстые, с обрубленным», закругленными или заостренными концами. В старых культурах могут встречаться палочки ветвистые, с боковыми выростами (выпячиванием). Специальных названий для всех измененных форм нет, но эти внешние признаки имеют большое значение при распознавании видов бактерий.

Извитые бактерии также различаются между собой по длине и толщине клеток, по количеству и характеру завитков (рис. 1, в). Изогнутые в виде запятой палочки называются вибрионами (от латинского vibrio - трепещущий, что характеризует интенсивную подвижность вибрионов). При наличии у извитых форм нескольких правильных завитков (до пяти) бактерии называются спириллами, штопорообразные с многочисленными равномерными и неглубокими завитками бактерии называются спирохетами (от латинского spira - изгиб).

Строение бактериальной клетки

При изучении строения бактерий под микроскопом в живом неизмененном виде они представляются почти прозрачными, бесцветными, бесструктурными клетками. Выявить особенности строения бактериальных клеток позволили специальные методы окраски препаратов и успехи электронной микроскопии. Установлено, что бактериальная клетка имеет достаточно сложное строение. Ее основными элементами являются оболочка, цитоплазма (протоплазма) и ядерное вещество.

Оболочка. Оболочка защищает бактерии от неблагоприятных воздействий внешней среды и принимает активное участие в обмене веществ клетки. Это полупроницаемая многослойная мембрана (перепонка), обладающая достаточной плотностью, благодаря чему бактерии сохраняют постоянную форму. Оболочка у бактерий просматривается в электронном микроскопе, когда клетки находятся в состоянии плазмолиза.

По новейшим данным, оболочка состоит по меньшей мере из трех слоев: наружной (слизистой) клеточной стенки (кутикулы), средней клеточной стенки и внутренней, или цитоплазматической, мембраны. Толщина всех трех слоев оболочки достигает 0,005 мкм. По химическому составу бактериальная оболочка неоднородна: она состоит в основном из протеиновых и липоидных веществ; у некоторых видов бактерий в составе клеточной оболочки при микрохимических исследованиях были обнаружены полисахариды типа гемицеллюлоз, пектиновые вещества и вещества типа хитина.

Наружный слой оболочки рыхлый, в определенных условиях он набухает и может ослизняться. Внутренний слой оболочки, более плотный, по-видимому, имеет мозаичную структуру - состоит из соединенных между собой липоидных и протеиновых молекул. Благодаря наличию полупроницаемой оболочки бактерии, как и высшие организмы, обладают внутриклеточным осмотическим давлением. Оболочка определяет также и электрический заряд бактериальных клеток.

Ядро. Обнаружение ядра - одна из наиболее трудных задач цитологии бактерий. Оформленное (обособленное) ядро встречается лишь у немногих бактерий. Большинство же бактерий морфологически обособленного ядра не имеет; ядерное вещество у них диффузно распределено по всей цитоплазме и поэтому получило название диффузного ядра.

Химическая природа ядерного вещества очень сложна. Это белковое вещество нуклеопротеид, или хроматин, в составе которого обнаружено особое, специфичное для ядра вещество - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Ядерное вещество в бактериальной клетке обнаруживают пользуясь специфическими методами окраски препаратов по способу Фельгена. Сущность этого микрохимического метода заключается в том, что альдегиды, возникающие при гидролизе ДНК, реактивом Шиффа окрашиваются в типичный красно-фиолетовый цвет.

Биохимические исследования последних лет показывают, что в виде ДНК ядерное вещество обнаруживается в 20-30% всего содержимого бактериальной клетки; это подтверждает теорию диффузного ядра.

Цитоплазма. Цитоплазма - внутреннее содержимое бактериальной клетки, ее «живое вещество». Это полужидкая коллоидно-белковая масса, в 800-8000 раз более вязкая, чем вода. Цитоплазма молодых бактериальных клеток кажется прозрачной и однородной (гомогенной). В цитоплазме старых клеток появляются вакуоли (полости), наполненные клеточным соком. Кроме того, в цитоплазме старых бактериальных клеток ясно различимы включения, представляющие собой либо резервные питательные вещества (капельки жира, зерна гликогена, зерна волютина и пр.), либо продукты обмена веществ клетки (кристаллы углекислой извести, щавелевокислого кальция и пр.). Цитоплазма пигментных бактерий содержит красящие вещества.

Капсула. В процессе жизнедеятельности некоторые бактерии выделяют большое количество слизистых веществ, обволакивающих клетку. Наружный слой оболочки бактерий, впитывая в себя воду, набухает и превращается в студенистую, клейкую массу, образуя вокруг клетки так называемые капсулы (рис. 2). Иногда капсулы бывают больше, чем сами бактериальные клетки. Очень часто некоторые бактерии вместо капсул образуют слизь.

Капсулы для бактерий являются полезными образованиями. Они защищают бактериальные клетки от вредного воздействия внешней среды. Палочки сибирской язвы, например, образуют капсулы в организме пораженного животного, а попадая во внешнюю среду, утрачивают их. Установлено, что образование капсул и слизи зависит от условий существования бактерий. Так, избыток углеводов и недостаток белков в питательной среде создают благоприятные условия для образования капсул у стрептококка лейконосток (Leuconostoc mesenterioides). Размер капсул, возникающих у лейконостока, может в 20 раз превышать диаметр клетки самого микроба. Обычно капсула окружает от одной до трех микробных клеток. Однако наблюдаются случаи (а у лейконостока значительно чаще, чем у других бактерий), когда капсула обволакивает значительно большее количество микробных клеток. При этом образуются большие скопления слизи, называемые зооглея мн. На свеклосахарных заводах неочищенный свекловичный сок при отсутствии надлежащего технологического режима может превратиться в камедистую безвкусную массу, состоящую из зооглей лейконостока.

Иногда подвергаются ослизнению и другие пищевые продукты: мясо, колбасы, творог, молоко, рассол квашеных овощей, вино. Но в некоторых случаях слизеобразующие молочнокислые бактерии используются для получения кисломолочных продуктов с тягучей консистенцией (ацидофильное молоко и пр.).

Движение бактерий

Только некоторые виды бактерий способны самостоятельно передвигаться. Органы, с помощью которых бактерии осуществляют активное движение, получили название жгутиков. Жгутики представляют собой особые выросты (цитоплазматические нити), отходящие от тела бактерий. Это очень нежные образования с диаметром, не превышающим 1/20 части диаметра бактериальной клетки. Длина жгутиков у разных бактерий колеблется в довольно широких пределах: у многих не превышает длины их тела, а у некоторых в десятки раз больше бактериальной клетки. В оптическом микроскопе жгутики бактерий различимы только после специальной окраски препарата.

По характеру расположения жгутиков бактерий разделяют на четыре группы (рис. 3):

а - с одним жгутиком на одном из концов бактериальной клетки - монотрихи, или бактерии с монотрихиальным жгутованием; к монотрихам относится холерный вибрион, синегнойная палочка;

б - с несколькими жгутиками, расположенными пучком на одном из концов клетки, - лофотрихи (например, палочки синего молока);

в - со жгутиками, полярно расположенными на обоих концах клетки, - амфитрихи (например, Spirillum volutans);

г - с большим числом жгутиков, расположенных по всей поверхности клетки, - перитрихи (например, гнилостная бактерия протей - Proteus vulgaris, кишечная палочка Escherichia coli).

Характер движения бактерий зависит от характера жгутования, а также от возраста культуры, температуры, наличия в среде химических веществ и пр. Передвижение бактерий осуществляется благодаря сокращению жгутиков. Большой подвижностью обладают монотрихи: холерный вибрион, например, считается самой подвижной бактерией. Очень подвижен и протей, относящийся к перитрихам.

Наличие жгутиков у бактерий - видовой признак. Однако жгутики не являются жизненно необходимым образованием, поэтому классификация бактерий по характеру жгутования условна. При длительном выращивании на твердых средах бактерии могут утратить жгутики, а в жидкой среде вновь их приобретают. Потеря жгутиков бактериями наблюдается и при спорообразовании, а также при некоторых воздействиях (например, при механическом встряхивании).

Электронная микроскопия позволила выявить у различных видов микробов реснички - образования значительно короче и тоньше жгутиков, густо покрывающие клетку. На поверхности тела бактерии находится до 250 ресничек. Длина ресничек 0,3-1,0 мкм при толщине 0,01 мкм. Реснички не являются органами передвижения. По-видимому, они служат органами прикрепления бактерий к питательному субстрату, а также принимают участие в процессе поглощения питательных веществ из среды, так как сильно увеличивают поверхность бактериальной клетки. Лишь у некоторых бактерий активное движение является результатом сокращения тела (у спирохет).

Размножение бактерий

При внесении небольшого количества бактерий в свежую питательную среду сначала наблюдается их рост: бактериальные клетки увеличиваются в размерах, происходит увеличение массы цитоплазмы в результате синтеза клеточного вещества в процессе питания. После того как бактерии достигнут предельного роста и определенной зрелости, наступает деление клеток (размножение), при котором возрастает количество особей в единице объема - микроорганизм воспроизводит себе подобные клетки.

Бактерии размножаются простым поперечным делением (вегетативное размножение). Внутри бактериальной клетки образуется перегородка, расщепляющая клетку надвое. У шарообразных форм бактерий плоскость деления может оставаться параллельной самой себе либо меняться в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях. Если клетки остаются при этом сцепленными, то и образуются различные комбинации кокковых форм, получившие особые названия (цепочки - стрептококки; гроздья - стафилококки; тюки или пакеты - сарцины и т.д.). Вдоль длинной оси тела бактерии плоскость делений проходит только у спирохет.

Перегородка у бактерии при делении образуется постепенно. Сначала на стенках клетки появляются выросты, кольцеобразно двигающиеся внутрь клетки. Затем перегородка смыкается. Если при делении клетки образовавшиеся особи будут одинакового размера, то деление называется изоморфным. Если же возникающие клетки оказываются неодинаковыми, деление называется гетероморфным. Гетероморфное деление наблюдается редко и только в старых культурах бактерий, растущих на истощенной питательной среде.

Скорость деления у бактерий различна. Она зависит от вида микроба, возраста культуры, питательной среды, температуры, концентрации ионов водорода и многих других факторов. Если высеять культуру бактерий в питательный субстрат и через равные промежутки времени подсчитывать число живых развивающихся клеток, то легко заметить определенную закономерность развития бактерий; можно построить кривую этого развития. На оси абсцисс откладывают время наблюдения, на оси ординат - логарифм числа живых клеток развивающегося микроба. Наносить на график действительное число бактерий нерационально, потребуется вычерчивать гигантский график ибо число бактерий в 1 мл среды иногда исчисляется миллиардами. Кривую роста микроба можно разделить на несколько отрезков, характеризующих развитие его в определенный момент времени (рис. 4).

I. Фаза задержки роста - лаг-фаза (lag по-английски запаздывание, отставание). Бактерии, попав в новую питательную среду, некоторое время не размножаются - как бы приспосабливаются к ней. По прошествии определенного периода (в среднем после 2 ч) бактерии начинают усиленно размножаться. Наступает следующая фаза.

II. Фаза логарифмического роста. В этой фазе, которая продолжается в среднем 5-6 ч, бактерии размножаются со все возрастающей скоростью. Отрезок кривой на рисунке, соответствующий II фазе, резко поднимается. В период логарифмической фазы роста большинство бактериальных клеток является физиологически молодыми, биологически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам - к дезинфицирующим и вредным веществам, к повышенной температуре и т.д. Через несколько часов после начала логарифмической фазы условия развития культуры в среде меняются: истощается запас питательных веществ, накапливаются ядовитые продукты обмена. В силу этого интенсивность деления клеток снижается, все большее число их отмирает, а численность живых клеток увеличивается все медленнее. Наступает следующая фаза.

III. Стационарная фаза. В этой фазе число вновь возникающих клеток примерно равняется числу отмирающих, поэтому количество живых бактерий некоторое время остается почти постоянным. Участок кривой на рис. 4, соответствующий этой фазе, приобретает вид прямой, параллельной оси х. По мере истощения питательных веществ в среде и накопления ядовитых продуктов обмена все большее число бактерий отмирает и меньше появляется новых живых клеток. Наступает последняя фаза.

IV. Фаза отмирания. В этой фазе условия для жизнедеятельности бактерий становятся все более неблагоприятными, в связи с чем наблюдается ускоренное снижение числа живых бактерий в культуре. В конце концов большинство бактерий отмирает, а оставшиеся живыми переходят в покоящееся состояние (споры).

Эта схема размножения в какой-то степени закономерна для всех микроорганизмов, причем, как уже указывалось, кривая роста может меняться в зависимости от тех или иных факторов. Если, например, культуру резко охладить (поместить в ледяную воду), то рост бактерий прекратится и на кривой появится участок, характеризующий замедление роста; через некоторое время кривая начнет опускаться. Аналогичное влияние оказывают повышение концентрации ионов водорода, снижение концентрации питательных веществ, повышение температуры и пр.

Спорообразование

Споры (эндоспоры, или внутренние споры) - особые внутриклеточные образования овальной или округлой формы, наблюдаемые в цикле развития преимущественно палочковидных бактерий. Способность к спорообразованию и его характер имеют большое значение при диагностике бактерий. Как уже указывалось, бактерии палочковидной формы, не образующие спор, сохраняют название бактерий (обозначаются Bacterium или Bact.). Спорообразующие палочковидные бактерии получили название бацилл (Bacillus или Вас.) и клостридий (Clostridium или Сl.).

Если диаметр сформировавшейся споры не превышает размеров поперечника клетки, в которой она образовалась, то форма тела бактерии не претерпевает заметных изменений. Такой тип спороношения получил название бациллярного (бациллы). Если же диаметр споры больше диаметра образующей ее клетки, то в месте расположения споры клетка раздувается; форма тела бактерии резко меняется. Такой тип спороношения получил название клостридиального (от латинского closter - веретено).

Спорообразование рассматривается как переход бактериальной клетки из вегетативного (развивающегося) состояния в состояние покоя. Считают, что переход к спорообразованию связан с исчерпыванием питательных веществ в среде и накоплением в ней продуктов жизнедеятельности микроба. Продолжительность образования спор даже в клетках одного и того же вида бактерий различна - приблизительно она равна суткам (18-20 ч).

При спорообразовании в определенном месте бактериальной клетки (в так называемой спорогенной зоне) возникают структурные изменения: вся или большая часть цитоплазмы уплотняется, образуется проспора. При таком уплотнении цитоплазма резко меняет свои свойства: вода, содержащаяся в вегетативных клетках большей частью в свободном состоянии, частично теряется, а частично связывается с плазменными коллоидами. Уменьшение содержания в цитоплазме свободной воды приводит к повышению концентрации кальция и магния в ней. Образующаяся проспора постепенно покрывается очень плотной, плохо проницаемой многослойной оболочкой - цистой. Циста расчленяется на два слоя: наружный (экзина) и внутренний (интина). Экзина выполняет роль защитного покрова. Она трудно проницаема для воды и растворенных в воде веществ, так как состоит из смолистых и липоидных соединений. Интина, тонкая и эластичная, играет очень важную роль при прорастании споры, так как образует оболочку молодой вегетативной клетки. Постепенно проспора формируется в зрелую спору, а остальная часть бактериальной клетки отмирает, разрушается и, наконец, полностью растворяется. Сформировавшаяся вместо вегетативной формы спора составляет примерно 1/10 часть материнской клетки.

В теле бацилл и клостридий споры могут располагаться (рис. 5) центрально (в центре клетки), терминально (на одном из концов клетки) или субтерминально (ближе к одному из концов клетки). Уже указывалось, что способность к спорообразованию, его характер и место расположения (локализация) спор в клетке имеют очень большое значение при определении (идентификации) бактериальных видов.

Споры бактерий очень устойчивы к неблагоприятным условиям внешней среды. Они легко выдерживают губительное действие солнечных лучей, высоких температур, дезинфицирующих и консервирующих веществ, хорошо противостоят высушиванию и пр. Споры палочки сибирской язвы выдерживают кипячение в течение 15 мин, сенной палочки - до 2 ч, а бациллы ботулизма, вызывающей тяжелое пищевое отравление, - даже до 7 ч. Термоустойчивость бактериальных спор необходимо учитывать в процессе консервирования пищевых продуктов - при стерилизации консервов.

Попадая в благоприятные для развития условия (например, в свежую питательную среду), споры бактерий прорастают, превращаясь в вегетативную форму. При прорастании они набухают: объем их в связи с впитыванием большого количества воды увеличивается почти вдвое. Экзина лопается, и через образовавшееся отверстие росток выходит наружу. Прорастание споры в благоприятных условиях длится несколько часов (у сенной палочки 4-5 ч). Способность к спорообразованию может быть утрачена бактериями, если производить их частые пересевы на свежую среду или культивировать при высокой температуре.

Образование споры - поворотный момент в жизни микробной клетки. Оно требует громадных энергетических затрат, клетка при этом как бы мобилизует все свои внутренние ресурсы.

При неблагоприятных условиях, которые часто создаются в окружающей среде (недостаток влаги, питательных веществ и т.д.), большинство бактерий отмирает. Необычайная распространенность и многочисленность бактерий в природе объясняется прежде всего быстротой их размножения и способностью отдельных видов к спорообразованию. Попадая в продукты питания, бактерии в короткий срок могут размножиться и, развиваясь, вызвать их порчу.