Бактерии: места обитания, строение, процессы жизнедеятельности, значение бактерий в природе и жизни человека

Жгутики и ворсинки.На поверхности некоторых бактерий имеются органы движения – жгутики. Их можно обнаружить с помощью особых методов окраски, микрокопирования в темном поле или в электронном микроскопе. Жгутики имеют спиралевидную форму, причем шаг спирали специфичен для каждого вида бактерий. На основании количества жгутиков и их расположения на поверхности клетки различают следующие группы подвижных микробов: монотрихи, амфитрихи, лофотрихи и перетрихи. Монотрихи имеют один жгутик, расположенный на одном из полюсов клетки и реже субполярно или катерально. У амфитрихов на каждом полюсе клетки расположено по одному жгутики. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном или двух полюсах клетки. У перетрихов жгутики расположены без определенного порядка по всему телу клетки.

На поверхности некоторых бактерий (энтеробактерий), кроме жгутиков, имеются ворсинки (фимбрий, пили), видимые только под электронным микроскопом. Различают несколько морфологических типов ворсинок. Наиболее изучен первый тип (общий) и ворсинки существующие только при наличие в клетке половых факторов. Ворсинки общего типа покрывают всю поверхность клетки, состоят из белка; половых ворсинок приходится 1-4 на клетку и те и другие обладают антигенной активностью.

Физиология.По химическому составу бактерии не отличаются от других организмов.

В состав бактерии входят углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера, кальций, калий, магний, натрий, хлор и железо. Их содержание зависит от вида бактерии и условий культивирования. Обязательным химическим компонентом клеток бактерии, как и других организмов, является вода, представляющая собой универсальную  дисперсионную среду живой материи. Основная часть воды находится в  свободном состоянии; ее содержание различно у разных бактерий и составляет 70-85% влажного веса бактерии. Коме свободной, имеется ионная фракция воды и  вода, связанная с коллоидными  веществами. По составу органических компонентов клетки бактерий сходны с клетками других организмов, отличаясь  однако наличием некоторых соединений. В состав бактерий входят белки, нуклеиновые  кислоты, жиры, моно-, ди- и полисахариды, аминосахара и др. У бактерий имеются необходимые аминокислоты: диалициопимелиновая (содержащая еще сине-зеленых водорослий и риккетсий); N-метиллизин, входящий в состав флагеллина некоторых бактерий; D-изомеры некоторых аминокислот. Содержание нуклеиновых кислот зависит от условий культивирования, фаз роста, физиологического и функционального состояния клеток. Содержание ДНК в клетке более постоянно, нежели РНК. Нуклеотидный состав ДНК не изменяется в процессе развития бактерии, видоспецифичен и используется как один из важнейших таксономических признаков. Бактериальные липиды разнообразны. Среди них встречаются жирные кислоты, фосфолипиды, воски, стероиды. Некоторые бактерии образуют пигменты с интенсивностью, которая широко варьируется у одного и того же вида и зависит от условий выращивания.

Твердые питательные среды более  благоприятны для образования пигментов. По химическому строению различают  каратиноидные, хиновые, меланиновые и другие пигменты, которые могут быть красного, оранжевого, желтого, коричневого, черного, синего или зеленого цвета. Чаще пигменты нерастворимы в питательных средах и окрашивают только клетки. Пигменты, растворимые в воде (пиоцианин), диффундируют в среду, окрашивая ее. К пигментам бактерий относятся также бактериохларофилл,  придающий фиолетовую или зеленую окраску некоторым фотосинтезирующим бактериям.

Ферменты бактерий делятся на функционирующие  только внутри клетки (эндоферменты) и только вне клетки (экзоферменты). Эндоферменты в основном катализируют синтетические процессы, дыхание и т.п. Эндоферменты катализируют главным образом гидролиз высокомолекулярных субстратов до  соединения с более низким молекулярным весом, способных проникать внутрь клетки.

В клетке ферменты связаны с соответствующими структурами и органеллами. Например, аутолитические ферменты связаны с клеточной стенкой, окислительно-восстановительные ферменты с цитоплазматической мембраной, ферменты, связанные с репликацией ДНК с мембраной или нуклеоидом.

Активность ферментов зависит  от ряда условий, в первую очередь  от температуры выращивания бактерий и pHсреды.

3. Процессы жизнедеятельности бактерии

3. а) Питание

Используют питательные вещества только в относительно небольших  молекул, проникающих внутрь клетки. Такой способ питания, характерный  для всех организмов растительного  происхождения, называют голофитным. Сложные органические вещества (белок, полисахариды, клетчатка и т.д.) могут служить источником питания и энергии только после их предварительного гидролиза до более простых соединений, растворимых в воде либо в липоидах. Способность различных соединений проникать в цитоплазму в клетку зависит от проницаемости цитоплазматической мембраны и химической структуры питательного вещества.

Вещества, которые служат источником питания бактерии поразительно разнообразны. Важнейшим элементом, необходимым  для живых организмов, является углерод. Одни виды бактерий (аутотрофы) могут использовать неорганический углерод из углекислоты и ее солей, другие (гетеротрофы) только из органических соединений. Подавляющее большинство бактерий, относятся к гетеротрофам. Для усвоения углерода требуется посторонний источник энергии. Немногочисленные виды бактерий, обладающие фотосинтетическими пигментами, используют энергию солнечного света. Эти бактерии называются фотосинтезирующими. Среди них имеются аутотрофы (зеленые и пурпурные серобактерии) и гетеротрофы (несерные пурпурные бактерии) их называют также, соответственно, фотолитотрофами и фотоорганотрофами. Большинство же бактерий используют энергию химических реакций и называются хемосинтезирующими. Хемосинтезирующие аутотрофы называются хемолитотрофами, а гетеротрофы – хемоорганотрофами.

Гетеротрофные бактерии усваивают  углерод усваивают углерод из органических соединений различной  химической природы, легко усваивают  вещества, содержащие ненасыщенные связи  или атомы углерода с частично окисленными валентностями. В связи  с этим наиболее доступными источниками  углерода, являются сахара, многоатомные спирты и др. некоторые гетеротрофы  наряду с усвоением органического  углерода могут усваивать и неорганический углерод.

Отношение бактерий к источникам азота  также различно. Существуют бактерии, усваивающие минеральный и даже атмосферный азот.  Другие бактерии неспособны синтезировать белковые молекулы или некоторые аминокислоты из простейших соединений азота. В этой группе имеются формы, использующие азот из отдельных аминокислот, из пептонов, сложных белковых веществ и из минеральных источников азота с добавлением несинтезируемых ими аминокислот. К этой группе принадлежат многие виды патогенных бактерий.

Кроме источников азота и углерода, бактерии нуждаются в фосфоре, сере, калии, магнии, железе, микроэлементах, а также в дополнительных факторах роста.

З. б) размножение

Бактериальная клетка начинает делится  после завершения последовательных реакций, связанных с воспроизведением ее компонентов.

У быстро растущих культур имеется  несколько репликационных точек. Процесс  репликации ДНК сопровождается сегрегацией  синтезирующих цепей ДНК клетки. В разделении нитей ДНК большую  роль играют мезосомы клетки.

Во время деления рост клетки замедляется и начинается вновб после деления.

Окончание репликации ДНК является моментом, инициирующим деление клетки. Угнетение синтеза до окончания  репликации приводит к нарушению  процесса деления: клетка перестает  делится и растет в длину. На примере E. Coliпоказано, что для начала деления требуется наличие термолабильного белка и такое состояние между отдельными полиаминами в клетке, при котором количество путресцина должно превышать количество спермидина. Имеются данные о значении фосфолипидов и аутолизинов для процесса деления клеток.

Механизм воспроизведения мезосом, как и мембранного аппарата клетки, еще не ясен. Предполагают, что при росте бактериальной клетки мезосомы постепенно разделяются.

При росте бактериальной клетки клеточная перегородка формируется  рядом с мезосомой. Образование перегородки приводит к делению клетки. Вновь образованные дочерние клетки отделяются друг от друга. У некоторых бактерий образование перегородки не приводит к разделению клеток: образуются многокамерные клетки.

Получен ряд мутантов у E. Coli, у которых клеточная перегородка образуется либо в необычном месте, либо на ряду с перегородкой с обычной локализацией формируется добавочная перегородка близко от полюса клетки, так и маленькие клетки (мини-клетки) размером 0,3-0,5мкм. Мини-клетки лишены, как правило, ДНК, так как при делении родительской клетки Нуклеоид не попадает в них. В связи с отсутствием ДНК мини-клетки используются в генетике бактерий для изучения выражения функции генов у внехромосомных факторов наследственности и других вопросов. После посева клеток в свежую питательную среду некоторое время бактерии не размножаются – эту фазу называют начальной стационарной или лаг-фазой. Лаг-фаза переходит в фазу положительного ускорения. В этой фазе начинается деление бактерии. Когда скорость роста клеток всей популяции достигает постоянной величины начинается логарифмическая фаза размножения. Логарифмическая фаза сменяется фазой отрицательного ускорения, затем наступает стационарная фаза. Количество жизнеспособных клеток в этой фазе постоянно. Затем следует фаза отмирания популяции. Влияют: вид культуры бактерии, возрастной состав культуры, состав питательной среды, температура выращивания, аэрация и др.

Не смотря на постоянную скорость роста популяции бактерий в логарифмической  фазе, отдельные клетки все же находятся  в разных стадиях деления. Иногда важно синхронизировать рост всех клеток популяции, то есть получить синхронную культуру. Простыми методами синхронизации  являются изменение температурных  условий или культивирование  в условиях недостатка питательных  веществ. Вначале культуру помещают в неоптимальные условия, затем  сменяют их оптимальными. При этом у всех клеток популяции синхронизируется цикл деления, но синхронное деление  клеток происходит обычно не более 3-4 циклов.

3. в) Спорообразование

Бактерии рода BacillisClostnidiumи PesuifotomaCulumтак же как и отдельные виды кокки и спириллы способны образовать споры (эндеспоры) – тельца сферической или устойчивые к воздействию неблагоприятных факторов. Споры четко преломляют споры и четко видны в световом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако в последнее время у отдельных видов  Clostnidium обнаружены клетки с двумя и более спорами. Обычно спорообразование начинается когда бактерия испытывает недостаток питательных веществ или когда в среде в большом количестве накапливаются продукты обмена веществ бактерий. Поэтому споры можно рассматривать как приспособление организма для выживания в неблагоприятных условиях среды.

Формирование спор зависит от условии  роста. Споры могут оставаться живыми в условиях, когда вегетативные клетки, то есть клетки не образовавшие споры  погибают. Большинство спор хорошо переносят высушивание, многие споры нельзя убить даже кипячением в течении нескольких часов. Для их уничтожения требуется температура пара 120  при давлении его 1атм (1,01*10 Па). При этих условиях споры погибают через 20 минут. В сухом состоянии они погибают лиши при сильном нагревании (до 150-160 ) в течении нескольких часов. Споры отдельных видов бактерий отличаются особенной термоустойчивостью. Общая схема спорообразования может быть представлена в следующем виде. В результате неравномерного деления бактериальной клетки, сопровождающееся впячиванием цитоплазматической мембраны, наблюдается обособление части нуклеоида с небольшой частью цитоплазмы. Образовавшаяся проспора затем покрывается цитоплазматической мембраной бактериальной клетки.

Таким образом внутри клетки возникает  новая клетка-спора, окруженная двумя  мембранами. Затем между мембранами образуется кортикальный слой или кортекс, состоящий из особых молекул пептидогликана.

Дальнейшее развитие споры заключается  в образовании нескольких слоев  споровых покрытий и ее созревании. Споровые покровы синтезируются  в основном из вновь синтезированных  особых белков, а также липидов  и гликолипидов. Электронномикроскопическое изучение ультратоных срезов многих бактерий показало, что поверх покровов споры образуется еще одна структура – экзеспориум, часто состоящий из ряда слоев и имеющий подчас разнообразную «лепную» форму. Диаметр споры приблизительно равен диаметру клетки, которая при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки. У других спора образуется в центре клетки и последняя либо не меняет формы (род Bacillis), либо расширяется в середине, принимая вид веретена (род Clostnidium).

После созревания споры клеточная  стенка вегетативной части клетки разрушается  и спора выходит в окружающую среду. При попадании в благоприятные  условия спора начинает прорастать.

Прорастанию предшествует поглощение спорой воды и последующее набухание. Затем оболочка, под влиянием давления, вызванного ростом, разрывается, возникает  ростовая трубка. В дальнейшем происходит удлинение освободившегося бактериального организма и, наконец, деление уже  удлиненной клетки.

Споры бактерий могут длительное время (десятки, сотни и даже тысячи лет) существовать в покоящемся состоянии.

Имеются микроорганизмы, образующие относительно устойчивые к неблагоприятным  условиям среды (температура, кислотность, аэрация и др.) покоящиеся клетки – циститы, не являются спорами. Например, азотобактерии образуют циститы, устойчивые к высушиванию и теплу.

Известны и другие группы покоящихся клеток (микроспоры, миксобактерии, эндоскопы актиномицетов и др.)

4. Значение бактерий в природе и жизни человека

В природе бактерии распространены чрезвычайно широко. Они населяют почву, выполняя роль разрушителей органического  вещества – остатков погибших животных и растений. Преобразуя органические молекулы в неорганические, бактерии тем самым очищают поверхность  планеты от гниющих остатков и  возвращают химические элементы и биологический  круговорот.

И в жизни человека роль бактерий огромна. Так, получение многих пищевых  и технических продуктов невозможно без участия различных бродильных бактерий. В результате жизнедеятельности  бактерий получают простоквашу, кефир, сыр, кумыс, а также ферменты, спирты, лимонную кислоту. Процессы квашения пищевых  продуктов тоже связаны с бактериальной  активностью.