Лекция по "Микробиологии"

Предмет и задачи микробиологии

 

 

Микробиология (от греч. mikros – малый, bios – жизнь, logos – учение) изучает строение, жизнедеятельность, закономерности и условия развития мельчайших организмов, использование их полезных свойств и устранение вредных. Различают: общую (изучает основные закономерности развития и жизнедеятельности микробов и их роль в природе; является основой для других направлений), медицинскую (изучает патогенные для человека микробы, разрабатывает методы профилактики, диагностики и лечения болезней), ветеринарную, сельскохозяйственную (изучает роль микробов в почвообразовательных процессах, увеличение плодородия почвы и т.д.), техническую (изучает научные основы использования действия микробов в промышленности с целью создания полезных продуктов, разрабатывание методов предохранения различного сырья от порчи), водную (изучает микрофлору различных водоемов, питьевой воды, роль микробов при очистке сточных вод), экологическую и др. микробиологии. Объектами исследования являются бактерии (бактериология), вирусы (вирусология), грибы (микология), водоросли (альгология) и т.д. Задачи: 1) получение высокоактивных штаммов; 2) изучение закономерностей смешанного культивирования (Z.B. получение биотоплива, очистка сточных вод, получение антибиотиков и витаминов); 3) защита высокоактивных штаммов от бактериофагов; 4) разработка методов сохранения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов (морозильная (-270о), сушка, пересев).

Основные этапы развития микробиологии

1) Открытие в 1676 г. Антонием  ван Левенгуком; изготовление линз, увеличивающих в 200–300 раз. В книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» описал и зарисовал многие микроорганизмы, обнаруженные в различных настоях, в колодезной воде, на мясе и др. объектах. Открытие Левенгука вызвали интерес ученых, но слабое развитие в XVII и XVIII вв. промышленности и с/х, господствующее в науке схоластическое направление препятствовали развитию естественных наук Þ долгое время наука о микробах носила описательный характер. Важное принципиальное значение имеют малоизвестные работы М.М. Тереховского (диссертация 1775 г.), он изучал влияние на микробы охлаждения и нагревания, действия различных хим. веществ; он считал, что микробы представляют собой особую группу живых существ, которые не способны самопроизвольно зарождаться.

 

2) Прогресс промышленности  в XIX в., вызвавший развитие техники  и различных отраслей естествознания, обусловил развитие микробиологии,  возросло ее практическое значение. Микробиология стала опытной наукой, изучающей роль «загадочных» организмов в природе и жизни человека. Появились более совершенные микроскопы. Луи Пастер (1822–1895) показал, что микробы различаются не только внешним видом, но и характером жизнедеятельности; они вызывают разнообразные химические превращения в субстратах, на которых развиваются; он изучал различные виды брожения (спиртовое, маслянокислое), доказал существование анаэробных организмов, доказал, что жизнь может произойти только от другой жизни.

 

Значительным вкладом  в микробиологию явились исследования немецкого ученого Роберта Коха (1843–1910). Им были введены в практику плотные питательные среды для  выращивания микробов; это позволило  разработать методы выделения (изолирования) микробов в «чистые культуры», т.е. культуры каждого вида в отдельности, развившиеся в одной клетке. Изучал возбудителей сибирской язвы, туберкулеза, холеры и др. заразных болезней; ввел методы окраски микробов анилиновыми  красителями. В 1905 – нобелевская  премия.

 

Л.С. Ценковский (1822–1877) изучал генетические связи протистов, низших водорослей, слизистых грибов и бактерий с животными и растениями. Он впервые в России изготовил и применил на практике вакцину против сибирской язвы овец.

 

И.И. Мечников (1845–1916) разработал фагоцитарную теорию иммунитета –  невосприимчивости организма к  заразным болезням. Ему принадлежит  идея использования антагонистических  отношений между микробами, что  легло в основу современного учения об антибиотиках; с ним связано  развитие микробиологии в России; он организовал первую в России бактериологическую лабораторию (в Одессе). В 1903 – нобелевская  премия.

 

Н.Ф. Гамалея (1859–1949) изучал вопросы медицинской микробиологии; открыл станцию по прививкам против бешенства; описал явление бактериофагов.

 

3) Эколого-физиологическое  направление. С.Н. Виноградский (1856–1953) открыл процесс нитрификации  – окисление аммонийного азота  до азотной кислоты при участии  особой группы бактерий, эти бактерии  не нуждаются для своего роста  в готовых органических соединениях;  они ассимилируют CO2 без участия  хлорофилла и солнечной энергии  (хемосинтез). Открыл явление фиксации  атмосферного азота анаэробными  бактериями; найдены бактерии анаэробного  разложения пектиновых веществ.  Открыл новый вид жизни хемолитоавтотрофный: СО2-источник углерода; Fe, S, H2- источник энергии. Вместе с Мартином Бейеринком (1851–1931) открыли метод элективных сред (среды подходят только для одного вида микробов, а для др. нет). Бейеринк открыл клубеньковые бактерии. Они изучали микробы в природных условиях, в основном в почве. Д.И. Ивановский в 1892 г. открыл вирусы (вирус табачной мозаики).

 

4) Биохимическое направление.  А. Клюйер (1888–1956); К. ван Ниль. Принцип биохимического единства жизни: а) единство конструктивных процессов; б) единство энергетических процессов; в) единство хранения и передачи генетической информации.

 

 

Общая характеристика микроорганизмов

I. Роль: 1) Круговорот биогенных  элементов (круговорот в-в в природе C, N, O, H, CO2, P, S); 2) Санитары планеты (разложение отмерших организмов, освобождает среду от токсичных в-в H2S, CH4 и др.) 3) Геохимические процессы (формирования месторождений нефти, Сu, железосодержащих руд, серы, фосфоритов). Место: Микробы различаются по способу питания: С-гетеротрофный (орг. в-ва), С-автотрофный (неорг. в-ва). Э. Геккель (1866 г.): царство протисты (простейшие): 1) высшие (грибы, микроводоросли), 2) низшие (синезеленые водоросли, бактерии); Р. Станнер, К. ван Ниль: деление на прокариот (низшие – одна внутренняя полость); эукариот (высшие – много полостей, органеллы в клетке). Виттекер (1969 г.) monera (прокариоты – 3,5 млрд. лет)Þ Protista (простейшие – 900 млн. лет)Þ 1) растения (фототрофное – питание посредством фотосинтеза); 2) животные (фагоцитарное – питание твердыми частицами орг. в-ва); 3) грибы (осмотрофное – питание готовыми растворенными орг. в-вами).

 

II. Св-ва: 1) микроскопические размеры (1 мкм) – в 1г бактериальной массы – 1012 бакт. клеток; 2) Быстрый обмен в-в через цитоплазматическую мембрану. Правило Рубмера: энергетический обмен клетки пропорционален поверхности клетки, а не объему. 3) Общие методы исследования и культивирования (микроскопические методы).

 

III. Виды и размеры

 

 

Группы 

Размеры

 

Эукариоты

 

Прстейшие

 

Микроводоросли

 

Грибы

 

Дрожжи 

 

 

100–300

 

10–100

 

5–10 мкм

 

3–5*10

 

Прокариоты

 

Бактерии 

 

 

0,1–5 мкм

 

Неклеточн. Строение

 

Вирусы

 

Бактериофаги 

 

 

20–300 нм

 

20–300 нм

 

Молекула белка

 

Диаметр

Характеристика общих  свойств микроорганизмов

 

Микроорганизмы - это организмы, невидимые невооруженным глазом из-за их незначительных размеров. Этот критерий - единственный, который их объединяет. В остальном мир микроорганизмов  еще более разнообразен, чем мир  макроорганизмов. Согласно современной систематике, микроорганизмы относятся к трем царствам:

 

Vira - к ним относятся вирусы;

 

Eucariotae - к ним относятся простейшие и грибы;

 

Procariotae - к ним относятся истинные бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы, спирохеты, актиномицеты.

 

Количество и жизнедеятельность  микробов зависят от условий существования (питания, температуры, влажности).

 

По характеру питания  микробы делятся на автотрофные, питающиеся минеральными веществами, и гетеротрофные, питающиеся готовыми органическими соединениями. Гетеротрофные микробы делятся на сапрофиты (метатрофы), разлагающие органические вещества в природе и вызывающие порчу пищевых продуктов, и паразиты (паратрофы), развивающиеся в теле других организмов и питающиеся сложными органическими веществами. К группе паразитов относятся разнообразные возбудители заболеваний человека и животных.

 

По типу дыхания микробы  делятся на аэробы, развивающиеся  только при доступе кислорода  воздуха, и анаэробы, не нуждающиеся  в кислороде воздуха. Анаэробные микробы подразделяются на облигатные, для которых кислород вреден, и  факультативные, которые могут жить как при доступе воздуха, так  и без него Температура является одним из наиболее важных факторов, влияющих на жизнедеятельность микробов.

 

По отношению к температуре  микробы подразделяют на три группы мезофилы, психрофилы и термофилы.

 

Большинство микробов, находящихся  в стадии активного размножения (вегетативная стадия), погибает при  температуре около 70° С за 1—5 мин. Споры некоторых бактерий выдерживают кипячение в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий погибают при 120° С через 20—30 мин, а в с^хой — при 160—170° С через 1—2 ч Споры большинства дрожжей и плесеней менее устойчивы к воздействию высоких температур, чем споры бактерий и быстро погибают при нагревании до 65—80° С

 

Влияние температуры на жизнедеятельность  микробов обусловливает возможность  хранения пищевых продуктов (рыба, мясо и др.) при пониженных температурах, замедляющих размножение микробов и угнетающих деятельность ферментов. Наблюдения показывают, что количество микробов, погибших при замораживании  продуктов, нередко достигает 80—90% от их первоначального содержания. Микроорганизмы, оставшиеся в живых, вначале инактивируются холодом, но при дальнейшем хранении охлажденного или замороженного продукта при  температуре не ниже минус 8° С их жизнедеятельность постепенно восстанавливается Губительно действуют на микробы повторное замораживание и оттаивание продукта.

 

Большое влияние на жизнедеятельность  микробов оказывает влажность среды. В результате высушивания продукта останавливается развитие многих видов  содержащихся в нем микробов, так  как при отсутствии воды они не могут питаться. Так, минимум содержания влаги в среде обитания для  развития бактерии составляет 30%, а  для многих плесеней около -13% . Споры  некоторых плесневых грибов сохраняют  способность к прорастанию при  отсутствии влаги в течение нескольких лет.

Роль микроорганизмов в круговороте  веществ в природе

 

С помощью микроорганизмов  органические соединения растительного  и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

 

Круговорот углерода. В  круговороте углерода активное участие  принимают растения, водоросли и  цианобактерии, фиксирующие СО2 в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО2. При аэробном разложении органических веществ образуются СО2 и вода, а при анаэробном брожении — кислоты, спирты, СО2. Так, при спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Процессы пропионовокислого (вызываемого пропионибактериями), маслянокислого, ацетонобутилового (вызываемых клостридиями) и других видов брожения сопровождаются образованием различных кислот и диоксида углерода.

 

Круговорот азота. Атмосферный  азот связывают только клубеньковые бактерии и свободноживущие микроорганизмы почвы. Органические соединения растительных, животных и микробных остатков подвергаются в почве минерализации микроорганизмами, превращаясь в соединения аммония. Процесс образования аммиака при разрушении белка микроорганизмами получил название аммонификации, или минерализации азота. Активно разрушают белок такие бактерии, как псевдомонады, протей, бациллы, клостридии. При аэробном распаде белков образуются диоксид углерода, аммиак, сульфаты и вода; при анаэробном — аммиак, амины, диоксид углерода, органические кислоты, индол, скатол, сероводород. Разложение мочевины, выделяющейся с мочой, осуществляют уробактерии, расщепляющие ее до аммиака, диоксида углерода и воды. Образующиеся аммонийные соли в результате ферментации бактериями органических соединений могут использоваться высшими зелеными растениями. Но наиболее усвояемыми для растений являются нитраты — азотнокислые соли. Эти соли появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Данный процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, его вызывающие, — нитрифицирующими. Нитрифицирующие бактерии выделил и описал русский ученый С. Н. Виноградский (1890—1892). Нитрификация проходит в две фазы: первую фазу осуществляют бактерии рода нитрозомонас и др., при этом аммиак окисляется до азотистой кислоты, образуются нитриты; во второй фазе участвуют бактерии рода нитробактер и др., при этом азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Две фазы нитрификации являются примером метабиоза — взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма.

 

Нитраты повышают плодородие почвы, однако существует и обратный процесс: нитраты могут восстанавливаться  в результате процесса денитрификации до выделения свободного азота, что  обедняет запас в виде солей в  почве, приводя к снижению ее плодородия. Кле́тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо состоят из множества клеток (многоклеточные животные, растения и грибы), либо являются одноклеточными организмами (многие простейшие и бактерии). Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологию.    Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

прокариоты (доядерные) — более простые по строению и возникли в процессе эволюции раньше;

эукариоты (ядерные) — более  сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

 

Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых  организмов подчинена единым структурным  принципам.

 

Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в  которой расположены различные  органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в  виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в ц Наука » Биология » Микробиология » Общая характеристика основных групп микроорганизмов

Со времени открытия микроорганизмов  А. Левенгуком и до ХIХ в. их рассматривали как мельчайшие существа животного происхождения. Только во второй половине ХIХ в. немецкий биолог Э. Геккель (1834 -1919 гг.) пришел к выводу, что микроорганизмы существенно отличаются от всех известных ранее представителей царств животных и растений, и предложил их выделить в отдельное царство Protista (протисты, первосущества). В настоящее время нет общепринятой теории или представления об общей системе живого мира. Согласно одной точке зрения выделяют только два царства Plantae (растения) и Animalia (животные), микроорга низмы рассматриваются как примитивные растения или животные и соот ветственно входят в состав одного из этих двух царств. Согласно второй точке зрения, по Э. Геккелю, микроорганизмы выделяют в самостоятель ную группу по признаку малых (видимых только с помощью соответст вующих приборов) размеров и связанных с этим специфических методов изучения.