Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИИ

по дисциплина МИКРОБИОЛОГИЯ

Лекция 1 Микробиология в пищевой промышленности. Проблемы систематики в микробиологии

Вопросы

1. Проблемы систематики в микробиологии

2. Различия в строении клеток прокариотов и эукариотов. Прокариоты

3. Размеры, форма и сочетание клеток бактерий

4. Размножение, подвижность и классификация прокариот

1. Проблемы систематики в микробиологии

Микробиология - это наука о микроорганизмах, изучающая их морфологию, систематику, физиологические особенности, условия жизнедеятельности, роль в природе и жизни человека. Микробиологи разрабатывают способы использования полезных микробов в пищевой промышленности, а также средства и методы борьбы с микроорганизмами - вредителями производств и возбудителями заболеваний. Микроорганизмы обнаруживаются только при помощи микроскопа. Современные микроскопы увеличивают объект в 750 000 раз.

В настоящее время установившимся считается представление о существовании двух форм жизни, отраженных в клеточной организации прокариотического и эукариотического типа.

Царства живой природы

Экологические группы	Продуценты	Редуценты Консументы
Тип питания:	автотрофный	гетеротрофный
	фотосинтез	абсорбция	Переваривание
Тип строения	Эукариоты тканевые Эукариоты одноклеточные и многоклеточные	Растения Водоросли	Грибы	Животные Простейшие
	Прокариоты преимущественно одноклеточные	Бактерии Риккетсии, микоплазмы

2. Различия в строении клеток эукариот и прокариот

Прокариоты имеют мелкие просто устроенные клетки с единственной мембраной - клеточной. В них отсутствуют органеллы, имеющие обычно мембранную структуру (митохондрии, эндоплазматическая сеть). Мембраны служат полупроницаемой перегородкой, через которую свободно проходят молекулы воды и не проходят большинство простых электролитов. В мембране сосредоточены дыхательные и фосфорилирующие ферменты и ферменты, участвующие в синтезе клеточной оболочки.

Также у прокариот имеется ядерная зона - единичная плотно скрученная двуспиральная молекула ДНК. Эта нитевидная молекула выполняет функцию ядра и располагается в центральной зоне клетки, носящей название нуклеоида. Рибосомы - место синтеза белка. Запасающие гранулы - в них откладываются запасные питательные вещества (крахмал, гликоген). Цитозоль - в нем содержится большинство ферментов, промежуточные продукты метаболизма и неорганические соли.

Различия клеток эукариот и прокариот

Признаки	Эукариоты	Прокариоты
Ядро: мембрана хромосомы ядрышко митоз	двойная >1 + +	- 1 - -
Признаки	Эукариоты	Прокариоты
Мембранные структуры: эндоплазматический ретикулум комплекс Гольджи лизосомы митохондрии хлоропласты циклоз жгутики	+ + + + + (у водорослей) + сложной структуры (29)+2	- - - - - - простые
Фиксация азота	-	+
Анаэробное дыхание с неорганическими екцкпторами углеводов	-	+
Хемосинтез	-	+

Прокариотическая клетка имеет прочную, сохраняющую постоянную форму (регидную) клеточную стенку, состоящую из нескольких слоев. Основной каркасный слой, ответственный за прочность, формируется из особого вещества - муреина, который относится к пептидогликанам. В группе истинных прокариот различают 2 главных типа строения клеточной стенки. У одних это толстый слой муреина, с которым связаны полисахариды. У других муреиновый слой тонкий и сверху перекрыт дополнительными слоями липопротеидов, липополисахаридов и белков.

Эти 2 типа соответствуют грамположительным и грамотрицательным бактериям. Названия групп происходят от способности и неспособности разных бактерий окрашиваться по Граму. Эмпирически найденные различия между 2-мя группами бактерий в отношении окраски по Граму оказались коррелятивно связаны со многими другими признаками.

3. Размеры, форма и сочетания клеток бактерий

Известно около 4000 видов бактерий. Величина клеток различных бактерий сильно варьирует, средний размер колеблется от 0,5 - 10 мкм. Самые крупные бактерии в длину достигают 500 мкм, а мельчайшие (микоплазмы) - 0,1 - 0,2 мкм.

Клетки значительной части бактерий имеют сферическую, цилиндрическую или спиралевидную форму. Существует обширная группа ветвящихся бактерий, а также нитчатые формы.

Сферические бактерии - под микроскопом имеют форму шара, их называют кокки. Кокки, делящиеся в одной плоскости и в одном направлении, могут образовывать пары (диплококки) или цепочки (стрептококки) клеток. Когда деление происходит равномерно в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях, возникают группы из 4-х клеток - тетракокки, а если в 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях, то образуются пакеты правильной формы - сарцины. При неравномерном делении в нескольких плоскостях образуются скопления, напоминающие гроздья винограда - стафилококки.

Цилиндрические (палочковидные) бактерии - под микроскопом имеют вид палочек, наиболее многочисленная группа бактерий. Концы палочек могут быть прямыми, округлыми или заостренными. Палочковидные бактерии нередко образуют пары или цепочки клеток.

Спиралевидные (извитые) бактерии бывают 3-х типов: вибрионы, спириллы, спирохеты. Вибрионы выглядят как слегка изогнутые палочки, похожие на запятую. Спириллы похожи на латинскую букву S или на штопор (имеют несколько спиральных завитков). Спирохеты имеют вид тонких спиралевидных клеток с многочисленными завитками и петлями.

Нитчатые бактерии - это сравнительно небольшая группа многоклеточных организмов. Они представляют собой цепочки из цилиндрических или овальных клеток. Они относятся к крупным микроорганизмам, длина нитей может достигать 40 - 300 мкм.

Ветвящиеся бактерии. К этой группе относятся актиномицеты, имеющие разветвленный мицелий, сохраняющийся на начальных стадиях, а затем распадающийся на палочковидные или палочковидные или сферические фрагменты.

4. Размножение клеток

Большинство бактерий размножаются путем бинарного поперечного изоморфного деления. Клетки основной массы бактерий делятся в одной плоскости. Некоторые бактерии размножаются почкованием (Pseudomonas). У бактерий известны и более сложные способы размножения: нитчатые цианобактерии некоторых родов размножаются с помощью специальных репродуктивных одиночных подвижных клеток, которые образуются в результате многократного деления концевых клеток нити.

Актиномицеты размножаются главным образом подвижными или неподвижными спорами (конидиями). Существует немало бактерий, которые могут размножаться несколькими способами.

Подвижность. Способностью к движению обладает примерно 1/5 часть бактерий. Подвижность большинства из них обусловлена наличием жгутиков, которые берут начало под цитоплазматической мембраной, через поры мембраны и клеточной стенки выходят наружу. различают следующие типы жгутикования у бактерий:

1) монотрихиальное

2) лофотрихиальное

3) латеральное

4) амфитрихиальное

5) перитрихиальное

6) смешанное

У бактерий могут существовать покоящиеся формы, которые позволяют им пережить неблагоприятные условия внешней среды. К ним относят эндоспоры, цисты, акинеты.

Эндоспоры. Спорообразование начинается, если создаются такие условия как дефицит питательных веществ в среде, накопление продуктов метаболизма, изменение кислотности среды, температуры и др. внутри вегетативной клетки образуется новая клетка - эндоспора, отличающаяся от материнской по структуре, химическому составу и физиологическим признакам.

Эндоспоры покрыты толстыми многослойными труднопроницаемыми покровами и имеют очень низкое содержание воды, могут быть округлой, овальной, эллипсовидной формы. В каждой вегетативной клетке формируется только одна эндоспора. Когда спора локализуется в центре клетки, такой тип называется бациллярный. У ряда бактерий середина клетки при формировании споры немного расширяется и клетка приобретает вид веретена - клостридиальный тип. У некоторых бактерий клетка сильно расширяется и округляется на одном конце, становясь похожей на барабанную палочку - плекстридиальный тип спорообразования. Эндоспоры - это не обязательная стадия развития бактерий.

Цисты обнаруживаются у микобактерий, риккетсий. Их образование обычно происходит на поздних стадиях развития бактерий и связано с неблагоприятными условиями. Цисты бывают сферическими, овальными, неправильно округлыми или в виде сильно укороченных палочек. Они крупнее вегетативных клеток, имеют утолщенную клеточную стенку и уплотненную цитоплазму. Цисты по устойчивости уступают эндоспорам.

Акинеты свойственны определенным видам нитчатых бактерий. Это крупные толстостенные клетки, возникающие или из одной вегетативной клетки или путем слияния многих клеток. У некоторых видов акинеты являются обязательной стадией развития.

Современные методы классификации бактерий играют роль диагностических ключей или определителей, которыми пользуются для идентификации микроорганизмов. Выделяют 4 отдела, которые определены в царство прокариот.

1. Грацилекуты - бактерии, имеющие грамотрицательный тип клеточной стенки, не образуют эндоспор. Бывают и подвижными и неподвижными. Грацилекуты размножаются бинарным делением или почкованием. К ним относятся спириллы, азотобактерии, псевдомонады, среди них есть паразиты, аэробы, анаэробы.

2. Фирмикуты - бактерии, имеющие грамположительный тип клеточной стенки, размножаются бинарным делением или спорами. Бывают подвижные и неподвижные, спорообразные и неспорообразные. Среди них нет внутриклеточных паразитов и мало патогенных форм. К этому отделу относятся сахаролитические (сбраживающие простые углеводы) бактерии; бактерии, разлагающие белки и вызывающие гниение; бактерии, окисляющие органические кислоты. Сюда же входит группа актиномицетов, которые отличаются от других микроорганизмов способностью образовывать ветвящиеся гифы и развиваются в мицелий. Актиномицеты отличаются способом размножения (с помощью спор), они участвуют в разложении органических соединений. Многие виды выделяют антибиотики, которые используют для борьбы с бактериальными и вирусными заболеваниями.

3. Тенерикуты - грамотрицательные микроорганизмы, не имеющие регидной клеточной стенки, не синтезируют муреин, с тонкой плазменной мембраной. Размножаются почкованием, фрагментацией и бинарным делением. Это микоплазмы, которые могут быть паразитами и возбудителями болезней.

4. Мендозикуты - бактерии с несовершенной клеточной стенкой, в которой не содержится муреина, эндоспор не образуют, имеют неопределенную форму. Чаще всего встречаются в экстремальных условиях внешней среды (сероокисляющие, серовосстанавливающие бактерии, галабактерии).

Лекция 2 Эукариоты. Вирусы

Вопросы

1. Морфология, строение, размножение эукариотных микроорганизмов

2. Классификация грибов

3. Строение, размножение, форма клеток и классификация дрожжей

4. Строение, размножение и классификация вирусов. Бактериофаги

1. Морфология, строение, размножение эукариотных микроорганизмов

Низшими эукариотными одноклеточными и мицелиальными организмами являются грибы, которые относятся к царству Mycota. Разрастаясь на поверхности или в глубине субстрата, грибы соприкасаются с ним клеточной оболочкой, через которую они выделяют во внешнюю среду ферменты и поглощают питательные вещества абсорбтивным путем. Грибы, являясь более древними организмами, чем растения и животные, имеют признаки, характерные для одного и другого царства.

Признаки грибов, сходные с растениями: полярность клетки, неограниченный верхушечный рост, наличие ригидной клеточной стенки, вакуолей, поперечных перегородок, способность к синтезу витаминов. Общие с животными признаки: отсутствие хлорофилла, гетеротрофные тип питания, наличие в клеточной стенке хитина, а не целлюлозы, образование мочевины в процессе азотного обмена, синтез запасных углеводов в форме гликогена, сходная первичная структура дыхательных ферментов и транспортных РНК.

Специфические признаки и свойства, характерные только для членов царства Mycota: мицелиальная структура вегетативного тела, сложные ядерные циклы, многоядерность. Основная вегетативная структура грибов - гифа, совокупность гиф образует мицелий, или грибницу. Гифы имеют нитевидное строение и, переплетаясь, образуют ложную ткань, из которой строится основа плодовых тел. Гифы бывают без перегородок или могут иметь поперечные перегородки - септы с простыми или сложными отверстиями - порами. Грибы с несептированными гифами называют низшими, с септированными - высшими. Среди септированных есть и одноклеточные формы - дрожжи, и многоклеточные.

Грибы размножаются бесполым (конидиями и спорами) и половым путем (образование различных половых структур - зигоспор, сумок или базидий). Грибы относятся к плейоморфным организмам, то есть один вид может иметь несколько стадий развития, которые различаются морфологически, функционально и проходят в разных местообитаниях или со сменой хозяев. Бесполое размножение осуществляется многими путями. Грибница может вырасти из любого обрывка мицелия; воздушные гифы мицелия могут рассыпаться на отдельные клетки, которые затем прорастают и образуют каждая новый мицелий.

Распространен и бесполый способ размножения грибов - спорообразование, когда споры образуются в специальных вздутиях на концах воздушных гиф, в этом случае они называются эндоспорами. Споры могут образовываться и наружным способом на особых гифах - конидиеносцах. Эти споры являются экзоспорами и называются конидиями. При созревании оболочка разрывается, споры высыпаются и в благоприятных условиях прорастают в новый мицелий.

При половом размножении грибов перед образованием спор сливаются две клетки, имеющие в ядре одинарный набор хромосом - гаплоидные клетки, образуя диплоидную клетку. Далее у разных классов грибов процесс идет по-разному. У одних образуется клетка, покрытая толстой оболочкой - зигота, которая после периода покоя прорастает в новый мицелий. У других образуется многоклеточное плодовое тело, внутри него развиваются сумки со спорами, которые после созревания высыпаются и прорастают в мицелий.

Грибы распространены повсеместно в природе и там, где есть хотя бы следы органических веществ. Все грибы - аэробные организмы, за исключением обитателей рубца жвачных животных. Среди грибов есть паразиты, симбиотрофы, хищники, сапрофиты, возбудители опасных болезней человека, животных и растений. Они могут быть причиной пищевых отравлений. Грибы синтезируют и выделяют во внешнюю среду разнообразные гидролитические ферменты, расщепляющие любые органические субстраты.

2. Классификация грибов

Грибы делят на 5 классов, в основном по особенностям размножения.

1 класс - архимицеты (Archimycetes) объединяет наиболее примитивные организмы, у которых мицелия нет или он слабо развит. Бесполое размножение осуществляется подвижными зооспорами. Большинство архимицетов являются внутриклеточными паразитами растений. Примером может быть гриб, вызывающий заболевание капусты «черная ножка» или рак картофеля.

2 класс - фикомицеты (Phycomycetes) объединяет грибы с хорошо развитым мицелием, почти у всех организмов несептированным. Размножаются половым и бесполым путем. Среди представителей этого класса широко распространены мукоровые грибы или головчатая плесень (род Mucor), обитающие в почве и на различных пищевых продуктах. Мукор имеет хорошо развитый мицелий. От воздушного мицелия отходят плодоносящие гифы-спорангиеносцы, заканчивающиеся шаровидным спорангиемё в котором развиваются тысячи спор. Плесень имеет вид серовато-белого, очень густого пушка. При просмотре головчатой плесени под микроскопом или под лупой в чашке Петри обнаруживаются спорангии, возвышающиеся над общей массой мицелия в виде головок. Многие из грибов данного класса способны к спиртовому или окислительному брожению, некоторые используются в промышленности для производства органических кислот и спирта.

3 класс - аскомицеты (Ascomycetes) - или сумчатые грибы. В этом классе имеются паразиты культурных растений, возбудители порчи пищевых продуктов и грибы, используемые в промышленности. Мицелий аскомицетов многоклеточный, бесполое размножение осуществляется конидиями, половое - спорами, которые образуются в сумках (асках). К аскомицетам относятся распространенные плесневые грибы родов Aspergillus и Penicillium.

Aspergillus - широко распространенная булавовидная плесень, в отличие от других многоклеточных плесеней имеет несептированный, очень длинный конидиеносец, который в верхней части заканчивается булавовидным утолщением. От него радиально во все стороны отходят клеточные выросты - стеригмы. От стеригм отшнуровываются конидии, которые располагаются цепочками. Под микроскопом конидиеносец со стеригмами и конидиями напоминает вид садовойй лейки в момент. Когда из нее выливается вода. Поэтому плесень этого рода называют леечной. Молодые конидии имеют светло-зеленую окраску, затем они темнеют и становятся серо-зелеными и серо-бурыми. Aspergillus часто развивается в сырых помещениях завода, в ёмкостях и таре на остатках продукта.

Penicillium - зеленая кистевидная плесень, в начале развития окраска белая, затем серо-зеленая и, наконец, серо-бурая. Плесени имеют многоклеточный мицелийи конидиеносец. На конце конидиеносца образуется по нескольку клеточных выростов (стеригм), а на них круглые одноклет очные конидии. Плодовое тело (конидиеносец со стеригмами и конидиями) при среднем увеличении микроскопа напоминает кисть руки. Плесень эта распространена повсюду и при наличии влаги появляется на всех пищевых продуктах. Отдельные виды применяются для изготовления лечебного препарата - пенициллина и плесневых сыров.

4 класс - базидиомицеты (Basidiomycetes) объединяет грибы с ветвистым септированным мицелием, размножающиеся половым и бесполым путем. По строению базидий грибы разделяют на 2 группы:

1. Имеющие одноклеточные базидии, к этой группе принадлежат шляпочные грибы (в пищу употребляют плодовые тела), трутовики.

2. Имеющие многоклеточные базидии - паразитические грибы, поражающие растения. Головневые грибы поражают зерновые культуры, вызывая головню; ржавчинные грибы поражают различные культурные растения.

5 класс - грибы несовершенные (дейтеромицеты, Fungi imperfecti) - многоклеточные грибы, которые размножаются только конидиями (бесполое размножение). Многие из них вызывают плесневение пищевых продуктов, некоторые являются паразитами культур. Молочная плесень (Oidium lactis) в виде бархатистой пленки встречается на поверхности квашеных овощей и кисломолочных продуктов, прессованных дрожжах, масле, сыре. Oidium lactis не имеет плодоношения. Несовершенные конидии (оидии) образуются в результате распада концевых нитей воздушного мицелия и представляют собой прямоугольные или овальные клетки, образующие белый пигмент.

3. Строение, размножение, форма клеток и классификация дрожжей

Дрожжи - одноклеточные грибы, не образующие мицелия, в основном относящиеся к классу сумчатых грибов - аскомицетов, но есть отдельные представители в классе базидиомицетов. В природе дрожжи распространены повсеместно, где есть сахаросодержащие жидкости (на плодах, ягодах, листьях растений). Дрожжи имеют огромное значение в пищевой промышленности, так как они способны сбраживать сахар в спирт и углекислый газ.

Форма дрожжевых клеток чаще всего овальная, округлая или эллиптическая. Размножаться они могут бесполым, так и половым путем. Бесполое (вегетативное) размножение осуществляется почкованием, при этом на материнской клетке появляется бугорок - почка, которая постепенно растет и, наконец, отделяется при помощи перетяжки - отшнуровывается. В дочернюю клетку переходит часть ядра, цитоплазмы и других клеточных структур.

При половом размножении первой стадией процесса является образование спор в клетке. При этом ядро делится на части, соответствующие количеству будущих аскоспор (от 2 до 8 шт.), каждая часть окружается цитоплазмой и покрывается оболочкой. При достижении зрелости они высыпаются из сумки и могут размножаться почкованием, образуя ослабленное гаплоидное поколение. При слиянии 2-х гаплоидных аскоспор образуется диплоидная зигота, которая, прорастая, дает поколение жизнеспособных диплоидных клеток. Это свойство дрожжей используют при искусственной гибридизации в промышленности. При этом преимущественно разводят диплоидные или полиплоидные расы дрожжей.

В основу классификации дрожжей положены способы размножения и ряд физиологических признаков. Порядок одноклеточные грибы (дрожжи) включает 3 семейства:

1. Сахаромицетациа (Saccharomycetaceae) - клетки размножаются почкованием. К этому семейству относится род Saccharomyces, имеющий наибольшее техническое значение и еще 16 родов. Различие между родами состоит в форме спор и способе их образования и прорастания.

2. Шизосахаромицетациа (Scizosaccharomycetaceae) - клетки размножаются делением, все аэробы.

3. Сахаромикодацеа (Sacchoromycodacea) - клетки размножаются почкованием, которое заканчивается делением.

4. Строение, размножение и классификация вирусов. Бактериофаги

Внеклеточные организмы (вирусы и фаги).

Вирусы обладают следующими характерными особенностями, отличающими их от других микроорганизмов:

- имеют неклеточное строение

- не способны к росту и бинарному делению

- не имеют собственных систем метаболизма

- содержат нуклеиновые кислоты только одного типа ДНК или РНК

- для их воспроизводства нужна только нуклеиновая кислота

- используют рибосомы клетки - хозяина для образования собственных белков

- не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.

Вирусы могут существовать в 2-х формах - внеклеточной (в виде вириона) и внутриклеточной (в виде вегетативного вируса). У вириона отсутствует обмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточная форма является активным агентом, попав в клетку хозяина использует ее биологический и энергетический аппарат для репродукции новых вирусов, а впоследствии может вызвать гибель самой клетки. Вирионы обладают большой устойчивостью к действию химических и физических факторов окружающей среды. Они переносят низкие температуры до -70 єС, наиболее длительное время выживания вирусов достигается при их высушивании (в течении многих лет). По сравнению с бактериями вирусы устойчивы к рН в диапазоне 3,8-8,5, к УФ-излучению, ионизирующей радиации. Все вирусы чувствительны к нагреванию. Большинство теряет свои инфекционные свойства при 50-60 єС.

Вирусы подразделяют на 2 группы: ДНК - вирусы и РНК-вирусы. Могут иметь разнообразную форму (палочковидная, сферическая, кубическая, ассиметрия). Геномные ДНК и РНК могут находиться в виде линейных и кольцевых молекул. Геном вируса может быть заключен в оболочку различной степени сложности. У простых вирусов вирион представляет собой нуклеопротеид, в котором вирусная нуклеиновая кислота заключена в оболочку из молекул вирусного белка, называемую капсидом. Вирион сложных вирусов включает дополнительные морфологические элементы - липопротеиновую оболочку, модифицированную вирусными белками. Капсид построен из идентичных повторяющихся белковых субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

Основной функцией вирусной частицы является защита и хранение вирусного генома до момента его реализации в клетке-хозяине.

Вирусы, которые поражают бактерии, - бактериофаги. Проникновение фага в клетку хозяина происходит в несколько стадий:

1) адсорбция - происходит при случайном столкновении, представляет собой прикрепление фага к клетке;

2) инъекция - введение нуклеиновой кислоты фага в клетку;

3) скрытый период - когда в клетке хозяина происходит перестройка синтезирующих процессов, собственные органические соединения не синтезируются, образуются ферменты, необходимые для синтеза фаговой нуклеиновой кислоты и белка.

4) созревание.

Вирусы классифицируют в соответствии с природой их генома и структурой вириона. При классификации вирусов используют следующие основные характеристики: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК, одно- или двуцепочечная нуклеиновая кислота, сегментированный геном или нет, линейный или кольцевой, диплоидный геном) или структура вириона (спиральная или комплексная симметрия, наличие липопротеидной оболочки, число капсомеров). Для наименования вида вирусов бинарная номенклатура не применяется.

Лекция 3 Микроорганизмы и окружающая среда

Вопросы

1. Распространение микроорганизмов в природе

2. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

3. Влияние химических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

4. Влияние биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

1. Распространение микроорганизмов в природе

Микроорганизмы широко распространены в природе, они обнаружены в пустынях и вечных льдах, на горных вершинах и в океанах. Главным источником распространения микробов является почва. Благоприятны для развития микроорганизмов растительные и животные остатки, загрязненные воды, пищевые продукты. Благодаря высокой приспособляемости микробы могут жить при температуре от +70-90^оС до -5-8^оС. На распространение микроорганизмов влияют географические и климатические условия, больше микроорганизмов встречается в местах с теплым и влажным климатом.

Кроме почвы источником распространения является воздух, но как среда обитания он неблагоприятен из-за отсутствия в нем питательных веществ. Микробы попадают в воздух с пылью, чаще всего безвредны (возбудители различных брожений, пигментные микроорганизмы, плесневые и дрожжевые грибы). Большее количество микроорганизмов содержится в воздухе летом, чем зимой. Чем больше плотность населения, тем больше в воздухе микроорганизмов. Воздух является источником заражения микробами продовольственных товаров, технологического сырья, значительное содержание микроорганизмов в воздухе свидетельствует о низком санитарном состоянии помещения. При наличии более 500 - 1000 микробных клеток в 1 м³ воздуха - воздух считается очень грязным.

Вода тоже является естественным местообитанием микробов. В ней микроорганизмы могут находиться и размножаться. В водоёмы микроорганизмы попадают с почвой, пылью, различными органическими остатками. Микрофлора воды носит случайный характер, но есть и постоянные воды. Кроме постоянных безвредных сапрофитов, в воде встречаются патогенные микроорганизмы, возбудители желудочно-кишечных заболеваний человека. Согласно требованиям санитарных норм в воде не должно содержаться патогенных микроорганизмов, ионов токсичных металлов.

Все факторы внешней среды делят на 3 группы: физические, химические, биологические.

2. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

1. Температура. По отношению к температурным условиям микроорганизмы делят на 3 группы:

- психрофилы - холодолюбивые формы, температурный оптимум их развития 10^оС, t_min 0C, t_max30C. Для них характерно медленное развитие и небольшая скорость роста, могут развиваться в продуктах, которые хранятся при низких температурах. Наиболее часто встречаются флуоресцирующие бактерии, бактерии из рода Pseudomonas, Chromobacteriym, Flavobacterium; некоторые токсичные формы бактерий Clostridium botulinum. Психрофилы способны развиваться при низких температурах, так как содержат в клетках ферменты, имеющие низкую температуру активации, а также в составе клеточных мембран содержится большое количество ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов. В результате мембраны не замерзают.

- мезофилы - их температурный оптимум 30 - 45^оС, t_min 10-15C. В эту группу входят большинство известных микроорганизмов, в том числе болезнетворные.

- термофилы - теплолюбивые организмы, развиваются в зоне высоких температур, их делят на облигатные (оптимум 65-70^оС, t_min = 40-42^оС), факультативные ( оптимум 45-60^оС, t_min 20С), термотолерантные (t_max 45-50C), экстремальнотермофильные (существуют при t 90^оС).

Возможность существования при высокой температуре объясняется особым составом липидных компонентов мембран, содержащих насыщенные жирные кислоты с разветвленными цепями, а также термостабильностью белков и ферментных и клеточных ультраструктур. Термофильные бактерии широко распространены в природе, обитают в горячих источниках, принимают участие в саморазогревании зерна, некоторые используют в биотехнологии для получения витаминов, ферментов, белков и так далее.

2. Влажность. Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды. Большое внимание на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если эта концентрация мала, то раствор называют гипотоническим. При оптимальной концентрации этих веществ создаются условия для лучшего роста микроорганизмов, а увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста микроорганизмов в связи с повышением остмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называют гипертоническим.

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут, так как вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Это явление называется плазмолизом. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка может лопнуть. Это явление называется плазмопсисом.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, которые называют осмофильными. К ним относятся некоторые дрожжи, которые растут при содержании сахара 70 - 80%, многие плесневые грибы, особенно из рода Aspergillus и Penicillium. Эти грибы растут на едва увлажненных средах. Существуют микроорганизмы, способные жить при очень высоких концентрациях солей. Такие микроорганизмы - галофиты, они представлены двумя группами:

1) умеренные галофиты, которые хорошо растут в среде с 10% соли;

2) экстремальные галофиты растут в 12 - 15% соли, а некоторые - и в 32% растворе хлорида натрия;

Большинство микроорганизмов не переносят концентрации хлорида натрия свыше 5%. Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Некоторые микроорганизмы в условиях недостатка воды обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглощают влагу. При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются, но в высушенных продуктах сохраняется много живых микроорганизмов, хотя развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов (рыба, мясо, фрукты).

Бактерии с мелкими клетками устойчивы к высушиванию, грамположительные более устойчивы, чем грамотрицательные. Хорошо переносят высушивание споры. Применение ПАВ снижает поверхностное натяжение воды и делает растворы токсичными для микроорганизмов, так как происходит изменение физиологических процессов в клетках.

3. Давление. Обычно не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Умеренное давление 1 10⁷ - 510⁷ Па угнетает рост и размножение микрофлоры.

4. Свет - основной фактор роста фотосинтезирующих зеленых и пурпурных бактерий, для большинства других микроорганизмов видимая и невидимая радиация бесполезна, и даже вредна. Бактерицидными являются ультрафиолетовые лучи, используемые для стерилизации воздуха. Их действие основано на повреждении ДНК и мембран клеток. Ионизирующая радиация (рентгеновские лучи, -лучи,-излучение) в низких дозах оказывает мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких - летальное. Ионизирующую радиацию используют для стерилизации различных материалов, консервирования пищевых продуктов.

2. Влияние химических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

1.Реакция среды (рН) - один из наиболее важных факторов, определяющих рост и развитие микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН 7. Но тем не менее, по отношению к кислотности микроорганизмы делят на группы:

a) Нейтрофилы - их оптимальный диапазон реакции среды рН 4-9. К ним относятся молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые бактерии, Bacillus sultillus, Escherichia coli, Streptococus faecalis. Среди нейтрофилов встречаются представители, обладающие кислотной и щелочной устойчивостью;

b) Алкалофилы, для них предпочтительна щелочная реакция среды (рН 10 и выше);

c) Ацидофилы предпочитают кислую реакцию среды (рН 3 и менее);

Известны также микроорганизмы, развивающиеся при экстремальных значениях рН, многие грибы предпочитают кислую реакцию среды рН 5-6. В процессе жизнедеятельности некоторые микроорганизмы способны подкислять среду или вырабатывать щелочные продукты. Это свойство микроорганизмов, а также отрицательное влияние кислотности на большинство микробов, используют при консервировании пищевых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты.

2.Присутствие молекулярного кислорода в среде. По отношению к молекулярному кислороду микроорганизмы делятся на несколько групп:

1) облигатные (строгие) аэробы - нуждаются в кислороде для жизни, без кислорода жить не могут;

2) микроаэрофилы - потребляют кислород, но растут при его концентрации меньше, чем в воздухе;

3) облигатные анаэробы - для них кислород токсичен;

4) факультативные анаэробы - не погибают при контакте с кислородом.

Существуют микроорганизмы, которые в зависимости от условий среды могут иметь либо окислительный, либо бродильный тип обмена. Дрожжи при доступе кислорода окисляют сахар до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях вызывают спиртовое брожение (этиловый спирт + углекислый газ).

3. Химические соединения. Разделены на 3 группы:

1) антисептики - органические и неорганические вещества, обладающие бактерицидным действием (фенолы, спирты, галогены, перманганат калия). Механизм их действия состоит в ингибировании синтеза белка, РНК или в нарушении координации этих процессов;

2) ионы тяжелых металлов - при высокой концентрации обладают бактерицидным эффектом, происходит денатурация и ингибирование синтеза белка;

3) антибиотики - вещества, синтезируемые микроорганизмами и обладающие способностью в небольших концентрациях оказывать избирательное токсичное действие на другие микроорганизмы. Известно более 5000 антибиотиков, принадлежащих к различным группам химических соединений. Механизм их противомикробного действия может быть самым разным: нарушение синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза белка, РНК, ДНК. Способностью вырабатывать антибиотики обладают многие микроорганизмы, но больше таких микроорганизмов в группе актиномицетов.

2. Влияние биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов

Это различные взаимоотношения между живыми существами, которые возникают в природных условиях и обуславливают присутствие разнообразных видов. Взаимоотношения между микроорганизмами могут приносить как пользу, так и вред.

Нейтрализм - взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь, не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция - взаимоотношения между видами, которые соревнуются за питание на одних и тех же субстратах.

Синтрофия - взаимоотношения, когда два или более вида бактерий способны существовать совместно и осуществлять процесс, который ни один из них не в состоянии выполнить самостоятельно.

Симбиоз - тип отношений между микроорганизмами, когда партнеры взаимно приспосабливаются к совместному существованию. Различают несколько типов симбиоза:

1) комменсализм - когда один из партнеров возлагает на другого регуляцию взаимоотношений с окружающей средой, но при этом не вступает с ним в тесный контакт;

2) мутуализм - оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, при этом ни один из них не может существовать без другого;

3) паразитизм - когда симбиоз полезен только одному из партнеров, а другой часто приобретает повреждения различной степени;

Хищничество - взаимоотношение, при котором одна группа микробов использует другую как пищу (вибропиявка).

Антагонизм - тип отношений, когда один микроорганизм задерживает или подавляет рост и развитие другого. Антагонистические отношения в зависимости от эффекта бывают 3-х типов:

1) бактериостатический - угнетается размножение бактерий;

2) бактерицидный - бактерии убиваются антибиотиками;

3) бактериолитический - клетки бактерий убиваются и растворяются;

Аменсализм - оба микроорганизма взаимно угнетают развитие друг друга.

Лекция 4 Физиология микроорганизмов

Вопросы

1. Химический состав клеток микроорганизмов

2. Способы питания и поступления в клетку различных веществ

3. Типы питания и дыхания микроорганизмов

4. Рост и развитие микроорганизмов

1. Химический состав клеток микроорганизмов

Вегетативные клетки микроорганизмов содержат до 85% воды. Сухое вещество тела состоит в основном из органических соединений и небольшого количества минеральных веществ. Среди органических веществ клетки на долю белков у бактерий приходится 50 - 80% от массы сухих веществ (у дрожжей 40 - 60%, у грибов 15 - 40%). Содержание жиров и липидов в клетках микроорганизмов составляет 3 - 7% (у дрожжей до 40% от массы сухих веществ).

Около 15% составляют минеральные вещества. В дрожжевой клетке 50% от всех неорганических соединений составляет фосфорная кислота и 30% - калий, остальное количество процентов от массы сухих веществ составляют углеводы. В дрожжевой клетке они представлениы в основном гликогеном, в клетках других микроорганизмов они встречаются в виде пентоз, гексоз, декстринов, клетчатки и гликогена. В клетках дрожжей содержатся витамины группы В и провитамин Д.

2. Способы питания и поступления в клетку различных веществ

Питание - это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которого они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасных веществ.

Большинство микроорганизмов обладает голофитным способом питания или внеклеточным пищеварением, которое происходит в окружающей среде (субстрате) под влиянием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный тип питания, так называемое внутриклеточное пищеварение, которое происходит внутри клетки под действием эндоферментов.

Существует четыре механизма проникновения веществ из окружающей среды через клеточную мембрану в цитоплазму клетки.

1. Пассивная диффузия. Переносимое вещество не взаимодействует специфически с компонентами клеточной мембраны. Оно проходит сквозь мембрану за счет градиента концентрации компонентов по обе стороны мембраны. То есть до тех пор, пока не установится равновесие между концентрациями внутри и снаружи клетки. Внутреннее напряжение бактериальной клетки (тургор) является одним из основных условий, обеспечивающих нормальное поступление в нее питательных веществ.

2. Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. Кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком-переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики специфичны по отношению к субстрату.

3. Активный транспорт. Совместно с белком-переносчиком функционирует специальная система, обеспечивающая процесс переноса с использованием энергии. Система связана с биологическим окислением в клетке, при котором в дыхательной цепи мембраны происходит выброс протонов, обеспечивающих мембранный потенциал. В процессе жизнедеятельности происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, вследствие чего их концентрация в клетке снижается. Таким образом, образовавшийся вне клетки комплекс переносчик-протон-субстрат, проникнув внутрь клетки, распадается за счет отсоединения протона, и субстрат остается в цитоплазме.

4. Перенос групп. Отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в виде фосфорного эфира.

3. Типы питания микроорганизмов

По типу питания микроорганизмы делят в зависимости от источников потребления энергии и углерода, различают 2 группы в одном и другом случае. По отношению к энергии:

1) фототрофы - организмы, которые пользуются энергией солнечного света;

2) хемотрофы - пользуются энергией, заключающейся в разнообразных органических соединениях;

По отношению к углероду:

1) автотрофы - микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода углекислый газ;

2) гетеротрофы - получают углерод в составе органических соединений.

Таким образом все микроорганизмы можно разделить на 4 группы: фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В каждой из этих групп выделяют также органотрофы, которые получают энергию за счет разложения органических веществ, и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. То есть, возможно, 8 видов питания.

Источник энергии	Окисляемый субстрат	Источник углерода
		Органические соединения	Углекислый газ
Свет	Органические соединения	фотоорганогетеротрофный	фотоорганоавтотрофный
	Неорганические соединения	фотолитогетеротрофный	Фотолитоавтотрофный
Органические соединения	Органические соединения	хемоорганогетеротрофный	Хемоорганоавтотрофный
Неорганические соединения	Неорганические соединения	хемолитогетеротрофный	хемолитоавтотрофный

Наиболее широко распространены 2 вида питания: фотолитоавтотрфный (растения, водоросли, некоторые бактерии) и хемоорганогетеротрофный (все животные, грибы, некоторые бактерии). Остальные виды питания встречаются в специфических условиях. Микроорганизмы, которые питаются мертвой органической материей, - сапрофиты. По источникам азота их делят на 3 группы:

1) могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (молочнокислые, гнилостные бактерии);

2) могут развиваться при наличии одной или двух аминокислот, остальные синтезируют сами (многие грибы, актиномицеты);

3) усваивают азот из атмосферы, затем восстанавливают азот до аммиака, из которого синтезируют аминокислоты (клубеньковые бактерии);

Типы дыхания микроорганизмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делят на 2 группы:

1) аэробы - используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород;

2) анаэробы - используют в качестве конечного акцептора какие-либо другие вещества.

4. Особенности развития и роста микроорганизмов

Все микроорганизмы проходят ряд стадий развития.

1 стадия - лаг-фаза: в это время происходит процесс приспособления бактерий к окружающей среде и процесс приспособления бактериями среды для последующего размножения. На этой стадии бактерии не размножаются, причины могут быть внешними и внутренними. Внешние: не вполне благоприятное значение рН; состав среды не совпадает с тем, к которому уже приспособились бактерии. Внутренние: отсутствие готовности клетки к делению, которое зависит от возраста посевного материала; в клетках повышенное содержание нуклеиновых кислот, увеличивается объем клеток. Длительность этой стадии имеет видовую специфичность.

2 стадия - фаза интенсивного размножения (экспоненциальная). В это время клетки снабжены питательными веществами и не накопили вредных продуктов обмена. Поэтому размножение имеет максимальную скорость.

По мере исчерпания запасов питательных веществ и накопления отбросов жизнедеятельности размножение замедляется, в определенный период количество вновь образующихся и умирающих клеток становится равным. Это 3 стадия - стационарный период.

4 стадия - фаза отмирания. В этот период преобладает отмирание клеток. Если в клетках не содержится активных протеолитических ферментов и нет условий для самопереваривания, то мертвые клетки остаются в среде, создается мутность среды. Если есть активные ферменты, мертвые клетки растворяются и общее число клеток в культуре сильно падает.

Культивирование микроорганизмов. Для выделения микроорганизмов из естественных субстратов, прежде всего, получают накопительные культуры в избирательных условиях. Избирательные (элективные) условия - это условия, благоприятные или переносимые выделенной культурой и неблагоприятные для всех других микроорганизмов. В этих условиях происходит обогащение микробного комплекса выделенными формами и угнетение других организмов. После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Чистая культура представляет собой потомство одной клетки.

В лабораторных условиях микроорганизмы культивируют на питательных средах, которые содержат все вещества, необходимые для их роста. Существуют специальные способы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.

Лекция 5 Генетика микроорганизмов

Вопросы

1. Наследственные факторы микроорганизмов

2. Механизмы, вызывающие изменение генетической информации

3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

1. Наследственные факторы микроорганизмов

В клетках эукариот местом нахождения генетического материала являются ядра, а у прокариот - нуклеоиды. Генетический материал представлен ДНК. Бактериальные клетки ДНК имеют форму нитей, замкнутых в виде кольца, - бактериальная хромосома. Хромосома имеет отдельные участки (фрагменты молекулы ДНК), которые называются генами. Ген - основной фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Кроме того, конкретные признаки микроорганизмов обуславливают отдельные ферменты. Гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах - структурные гены.

Микроорганизмы содержат генетический материал не только в хромосоме, но и в плазмидах, расположенных в цитоплазме. Плазмиды представляют собой молекулы ДНК. Клетка микроорганизма составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов называется фенотипом.

Изменения наследственных признаков, возникающие под влиянием внешней среды, - модификации. Модификации существуют до тех пор, пока действует вызывающий их фактор среды, и не наследуются организмами. Изменения генотипа называются мутациями, они происходят случайно и являются наследственно закрепленными признаками.

2. Механизмы, вызывающие изменения генетической информации

Мутации происходят, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид или в ДНК включается лишний нуклеотид. Различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только 1 ген, а хромосомные распространяются на несколько генов.

Генные мутации:

· точковые мутации - мутации, при которых происходят химическое изменение одного нуклеотида. Среди них различают несколько групп:

1) транзиции - мутации, когда пурин одной из цепей ДНК замещается другим пурином, а пиримидин комплиментарной цепи другим пиримидином.

2) трансверсии - мутации, когда происходит замена пурина пиримидином.

3) мутации со сдвигом рамки - изменения, когда происходит вставка лишнего нуклеотида.

В ряде случаев точковые мутации могут возвращаться к исходной дикой форме в результате процесса обратной мутации - реверсии.

Хромосомные мутации связаны с более крупными перестройками фрагментов ДНК. Среди них выделяются:

1) делеция, которая проявляется в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов;

2) инверсия, которая проявляется в виде поворота участка ДНК на 180^о;

3) дупликация - повторение какого-либо фрагмента ДНК;

Мутации вызывают обычно химические и физические агенты, такие как рентгеновское, ультрафиолетовое излучения, гамма-лучи, соединения тяжелых металлов, перекиси, минеральные масла, алкилирующие соединения, аналоги иприта и другие. Клетки бактерий обладают специальными системами, восстанавливающими поврежденные ДНК. Восстановления осуществляются ферментами, которые находятся под контролем специальных генов.

У микроорганизмов имеются механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененнной наследственности. Эти механизмы заключаются в немедленной перестановке генов (рекомбинации), принадлежащих близкородственным, но генетически различным организмам. У эукариот это образование индивидуумов происходит в результате полового процесса. У прокариот известно 3 процесса рекомбинации генов:

1) трансформация - перенос генов, при котором часть ДНК клетки-донора может проникать в родственную бактериальную клетку. ДНК получается экстрагированием или при естественном растворении клеток.

2) коньюгация - процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи коньюгационных мостиков, через которые происходит обмен генетическим материалом.

3) трансдукция - перенос бактериального материала от одной клетки к другой при участии бактериофага.

3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

Развитие генетики, открывшей методы получения наследственно измененных форм микроорганизмов, расширило возможности использования микроорганизмов в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Основной из этих методов -- это индуцированное получение мутантов воздействием различными мутагенами (излучениями и химическими веществами) на дикие, существующие в природе культуры микроорганизмов. Таким методом удается создать мутанты, которые дают в десятки и сотни раз большее количество ценных продуктов (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и т. д.) по сравнению с дикими формами микроорганизмов.

Процесс получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов состоит из многих этапов. На культуру микроорганизма воздействуют различными мутагенными факторами с последующим отбором наиболее продуктивного штамма. Этот мутантный штамм может подвергнуться дальнейшему воздействию мутагенов и дальнейшему отбору еще более продуктивных мутантов. Часто из тысячи бесполезных мутантов отбирают только один высокопродуктивный штамм. В последние годы методом радиационного и химического мутагенеза микроорганизмов получено большое число промышленных штаммов микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов, ценных пищевых аминокислот, ростовых и других веществ.

Особенно широкие перспективы переделки наследственной природы организмов сулит развитие генной, или генетической, инженерии. Это раздел молекулярной генетики, который разрабатывает методы создания новых генетических структур, несущих заданную информацию, и способов их переноса в клетки прокариот и эукариот.