1.1.1. Бактерии. Общая характеристика

Форма и размеры бактерий. Форма бактерий весьма разнообразна. Наиболее распространены сферическая (шаровидная) цилиндрическая (палочковидная) и извитая.

Шаровидные бактерии различают по сочетанию клеток (рис. 1, а): кокки или микрококки, диплококки, стрептококки, сардины. Кокки - одиночные шарообразные клетки. Шаровидные клетки, соединенные по две, называются диплококками, соединенные в более длинные цепочки - стрептококками, напоминающие грозди винограда - стафилококками, сочетание по четыре кокка, возникающее при делении клетки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, - тетракокками. Если деление происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то образуются правильные пакеты по восемь и более клеток, так называемые сарцины. Диаметр кокка 0,5 - 1,2 мкм.

Палочковидные бактерии (рис. 1, б) различаются друг от друга размерами. Палочковидные бактерии, образующие в определенных условиях споры, называются бациллами. К ним относятся наиболее крупные из палочковидных форм. Не образующие споры палочковидные формы называются бактериями в узком смысле этого слова. Палочковидные бактерии могут быть одиночными или соединенными попарно - диплобактерии, цепочками по три - четыре и более клеток - стрептобактерии. Соотношения между длиной и толщиной палочек бывают самыми различными.

Рис. 1. Форма бактерий:
а - шаровидные (1 - микрокки, 2 - стрептококки, 3 - диплококки и тетракокки, 4 - стафилококки, 5 - сарцины); б - палочковидные, в - извитые (8 - вирионы, 9 - спириллы, 10 - спирохеты)

7

Длина клеток палочковидных бактерий колеблется от десятых долей мкм до 10 - 15 мкм и более; средняя длина палочковидных бактерий 2 - 5 мкм; диаметр клетки от 0,5 до 1 мкм.

Извитые, или изогнутые, бактерии (рис. 1, в) различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора - спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками - спирохетами.

Форма бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от многих причин, например от условий роста. Масса бактериальной клетки очень мала и составляет приблизительно 4 · 10^-13 г.

Строение бактериальной клетки. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазмитической мембраны, ядра и цитоплазмы с включениями (рис. 2).

Клеточная стенка, толщина которой 0,01 - 0,04 мкм, сохраняет постоянство формы бактерий и выполняет важную роль в жизненных процессах. Вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной она регулирует поступление в клетку необходимых питательных веществ и выделение продуктов обмена. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20 % массы сухого вещества клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между протопластом и окружающей средой. Химический состав клеточной стенки различных видов бактерий неодинаков. Это установлено на основе различной способности клеточных стенок удерживать красители трифенилметанового ряда с йодом. В зависимости от этого с бактерии делятся на две группы. К одной относятся бактерии, в клетках которых комплекс, образуемый красителем и йодом, не обесцвечивается при последующей обработке спиртом. К другой группе принадлежат бактерии, не обладающие свойством удерживать краситель. Этот способ был предложен датским физиком X. Грамом. Бактерии,

Рис. 2. Схема строения бактериальной клетки:
1 - жировые капли; 2 - гранулы полифосфата; 3 - внутрицитоплазматические мембранные образования; 4 - базальное тельце; 5 - жгутики; 6 - капсула; 7 - клеточная стенка; 8 - цитоплазматическая мембрана; 9 - мезосомы; 10 - рибосомы; 11 - полисахаридные гранулы; 12 - цитоплазма; 13 - нуклеоид; 14 - включения серы#

8

окрашивающиеся по Граму, называются грамположительными, а не окрашивающиеся - грамотрицательными. На препарате грамположительные бактерии окрашиваются в сиренево-фиолетовый цвет, грамотрицательные - в розово-малиновый. У грамположительных бактерий клеточные стенки толстые, аморфные. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов.

Некоторые бактерии снаружи окружены особой слизистой капсулой, выполняющей защитную роль: слизь предохраняет от неблагоприятных воздействий среды, защищает от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов и антител, иногда является источником запасных питательных веществ. Ослизнение клеточных стенок временами бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в массу, в которую вкраплены бактериальные клетки. Ослизнению подвергается, например, кожевенное сырье.

Цитоплазматическая мембрана, толщина которой 7 - 10 мм, отделяет от клеточной стенки содержимое клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8 - 15 % массы сухого вещества клетки. В мембране содержится до 70 - 90 % липидов клетки, находятся различные ферменты. Цитоплазматическая мембрана полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой.

Цитоплазма бактериальной клетки представляет собой полужидкую, вязкую, коллоидную систему. Местами она пронизана мезосомами - мембранными структурами, которые выполняют различные функции. В них и в связанной с ними цитоплазматической мембране находятся ферменты, участвующие в снабжении клетки энергией.

В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и различные включения.

Рибосомы рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20 - 30 нм и состоят примерно на 60 % из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и на 40 % из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки.

Методом электронной микроскопии было установлено, что носителем генетической информации бактериальной клетки является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК имеет форму двойной спиральной нити, замкнутой в кольцо; ее еще называют бактериальной хромосомой. Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной. Ядерный аппарат бактериальных клеток называется нуклеоидом.

Цитоплазматические включения бактериальной клетки разнообразны, в основном это запасные питательные вещества, которые

9

откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий откладываются полисахариды: гликоген и крахмалоподобное вещество, которые используются в качестве источников углерода и энергии, обнаруживаются липиды в виде гранул и капелек, которые служат источником энергии.

При неблагоприятных условиях развития (недостатке питательных веществ, изменениях температуры и рН среды, накоплении продуктов обмена) такой способностью обладают в основном палочковидные бактерии. В каждой клетке образуется одна эндоспора, расположенная в центре или на конце клетки. Споры имеют обычно круглую или овальную форму.

После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается, и спора освобождается. Процесс образования споры протекает в течение нескольких часов.

Под микроскопом споры имеют вид бесцветных, ярко светящихся телец. При обычной окраске мазка они не окрашиваются вследствие слабой проницаемости многослойных оболочек.

Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижные, так и неподвижные. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения.

Жгутики - это тонкие, спирально закрученные нити белковой природы, которые могут осуществлять вращательные движения. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10 - 20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после специальной обработки клетки. Бактерии с одним жгутиком на конце клетки получили название монотрихов, с пучком жгутиков - лофотрихов, с пучком жгутиков на обоих концах клетки - амфитрихов; бактерии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клетки, называются перитрихами. Скорость передвижения таких клеток велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстояние в 20 - 50 раз больше, чем длина ее тела.

Размножение бактерий. Для бактериальных клеток характерно простое деление клетки надвое. Палочковидные бактерии делятся поперек, шаровидные формы - в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и числа делений возникают различные формы: одиночные, парные, цепочки, в виде пакетов и гроздьев.

Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бактерии, условий культивирования: одни виды делятся через каждые 15 - 20 мин, другие - через 5 - 10 ч. При таком делении число клеток за сутки достигает огромных величин.

10

Так, парна́я шкура после снятия сразу подвергается консервированию, так как через два часа она под действием гнилостных бактерий значительно теряет свои товарные качества.

Если не вносить в среду питательные вещества и не удалять конечные продукты обмена, то при попадании (посеве) на питательный субстрат развитие бактерий во времени подчиняется определенной закономерности. Отмечается несколько сменяющих друг друга в определенной последовательности стадий (фаз) развития, в течение которых изменяются скорость размножения, морфологические, физиологические и биохимические свойства микроорганизмов.

В начальной стадии развития (рис. 3, а), фазе задержки роста (лагфазе¹) бактерии, попавшие в новую среду, некоторое время не размножаются, как бы приспосабливаясь к ней. При этом клетки увеличиваются в размере, в них возрастает содержание белка и РНК.

Рис. 3. Кривая роста бактерий: а - лагфаза; б - фаза роста; в - стационарная фаза; г - фаза отмирания

По мере приспособления к среде бактерии начинают размножаться с возрастающей скоростью. Затем в течение определенного периода деление клеток идет с постоянной, максимальной скоростью, характерной для каждого вида клеток и определенной среды. Этот период (рис. 3, б) называется фазой роста. Молодые, активные клетки образуют в среде большое количество продуктов жизнедеятельности. Показателем скорости размножения бактерии в этой стадии развития служит продолжительность генерации (g), т.е. время, за которое число клеток удваивается.

К концу фазы роста число клеток достигает максимума, и наступает стационарная фаза развития (рис. 3, в), в течение которой число живых клеток остается более или менее постоянным. Число образующихся клеток примерно соответствует числу отмерших.

Наконец, наступает фаза отмирания (рис. 3, г), когда все большее число клеток теряет жизнеспособность и погибает. Это происходит вследствие истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма.

11

Длительность отдельных фаз развития может значительно колебаться у разных бактерий и у бактерий одного вида в зависимости от условий роста.

Особенности бактерий-деструкторов. Широкие возможности бактерий в процессе биоповреждения связаны с их способностью использовать практически любые, содержащие азот и углерод, источники энергии и питания, органического и неорганического происхождения.

При биоповреждениях промышленных материалов, имеющих неорганическую природу, играет роль особенность многих бактерий существовать без использования органических веществ из окружающей среды.

Бактерии, способные использовать неорганические вещества, называются литотрофными. Из литотрофных бактерий наиболее активными агентами биоповреждений являются сульфатредуцирующие, тионовые, нитрифицирующие и железобактерии. Коррозия металлов, разрушение бетона, камня, кирпича и других материалов неорганической природы, вызываемые ими, достигают колоссальных размеров.

Органотрофы получают энергию путем окисления органических веществ, поэтому многие среди них вызывают деградацию промышленных материалов на основе органических веществ. Однако некоторые из них способствуют и коррозии металлов, образуя агрессивные метаболиты (органические кислоты, аммиак, сероводород). Практически все материалы, а также сырье и изделия органической природы подвержены биодеструкции: кожа, текстильные волокна, мех, пластмассы, косметические эмульсии и т.д.

Разрушение бактериями твердых материалов в известной мере связано с выраженной способностью адсорбироваться на поверхности твердых тел. Зачастую это является первым этапом бактериальной деструкции твердых материалов. Общеизвестна, например, способность бактерий прикрепляться к поверхности стекла. Она отчетливо наблюдается при погружении стекол в культуральную жидкость или воду. Прикрепление бактерий к стеклу происходит в два этапа. При кратковременном контакте стекла и бактерий осуществляется первый этап, когда прикрепление еще недостаточно

12

прочное, и адсорбированные бактерии легко смываются с поверхности. На втором этапе происходит более прочное прикрепление бактерий к стеклу с помощью капсульного вещества или другими способами. В ряде случаев после прикрепления бактерий начинается разрушение стекла. С помощью электронной микроскопии удалось показать, что в месте прикрепления некоторых слизеобразующих бактерий образуются углубления.

Целлюлозоразлагающие микроорганизмы прикрепляются к волокнам целлюлозы и располагаются вдоль волокна. Клетки таких микроорганизмов отличаются очень большой адсорбционной способностью, прочно адсорбируются волокнами целлюлозы.

Опыты с разрушением в почве полихлорвиниловой пленки показали, что на пленке адсорбируются и размножаются определенные формы микроорганизмов и именно под микроколониями этих микроорганизмов происходит наиболее сильное изменение пленки.

Активной деструкции бактериями разнообразных материалов способствует также отсутствие специфичности некоторых бактериальных экзоферментов. Так, ферменты Вас. subtilis помимо гидролиза белков способны катализировать гидролиз амидов, эфиров аминокислот и их производных, эфиров низших жирных кислот и даже некоторые триглицерины. Большую роль играет также способность ряда видов бактерий сохранять жизнеспособность при экстремальных условиях среды: высоких температурах (до +80°С, а иногда и выше) и давлении, сильной кислотности или щелочности, достаточно интенсивном облучении, больших концентрациях солей и т.д. Следовательно, наличие таких условий в каком-либо производстве, технологической операции не может служить гарантией решения проблемы борьбы с биокорозией.

Наиболее активными разрушителями непродовольственных материалов, сырья и изделий на основе органических веществ являются гнилостные бактерии. Они добывают себе энергию путем окисления органических веществ. Среди них есть спорообразующие и бесспоровые, аэробные и анаэробные. Многие из них мезофилы, но есть холодоустойчивые и термостойкие. Большинство их чувствительно к кислотности среды и повышенному содержанию в ней поваренной соли.

Наиболее распространенными гнилостными бактериями являются следующие:

Бактерии рода Bacillus - палочковидные, аэробные, подвижные, грамположительные, спорообразующие бактерии (рис. 4, а). Споры их отличаются высокой термоустойчивостью. Температурный оптимум развития этих бактерий лежит в пределах +(35... 45) °С, максимум роста - при температуре +(55... 60) °С; при температуре ниже + 5 °С они не размножаются.

Бактерии рода Pseudomonas - аэробные подвижные палочки с полярным жгутиком, не образующие спор, грамотрицательные.

13

Рис. 4. Гнилостные бактерии:
а - Bacillus (палочки и овальные споры); б - Pseudomonas

Некоторые виды синтезируют пигменты, их называют флуоресцирующими псевдомонасами. Есть холодоустойчивые виды, минимальная температура роста которых от -(2... 5) °С. Многие псевдомонасы, помимо протеолитической, обладают и липолитичес-кой активностью; они способны окислять углеводы с образованием кислот, выделять слизь (рис. 4, б).

Бактерии рода Bacterium - грамотрицательные палочки, не образующие спор.

14