Где и как человек использует бактерии. Роль бактерий в природе и жизни человека

Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

История применения микроорганизмов

Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти.древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду технологиях.

Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц «из моечных вод, остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли некоторые надежды и в значительной степени определили области применения микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов.

Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки - это полимеры. Однако на сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального назначения.

Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.

Современные сферы применения

Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.

1 группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.

2 группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.

3 группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.

Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бесклеточная биотехнология.

Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.

Другие сферы применения

В медицине

Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК.

В нефтедобыче:

В последние годы получают развитие методы увеличения нефтеотдачи с применением микроорганизмов. Их перспектива связана, в первую очередь, с простотой реализации, минимальной капиталоемкостью и экологической безопасностью. В 1940 - х годах во многих нефтедобывающих странах были начаты исследования по применению микроорганизмов для интенсификации притока в добывающих скважинах и восстановления приемистости нагнетательных скважин.

В пищевой и хим. промышленности:

К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Существуют ли лекарственные средства, не вызывающие побочных эффектов и осложнений, высокоэффективные и безопасные? Ближе всего к этим идеальным характеристикам подобрались пробиотические препараты (из живых микроорганизмов - симбионтов человека) и бактериофаги (вирусы бактерий). При введении в организм человека они вступают в борьбу за существование с возбудителями инфекционных заболеваний или, в случае бактериофагов, по-партизански разлагают их изнутри. Пробиотики и фаги с разной специфичностью влияют на патогенные бактерии, все процессы развиваются в пределах микробиоценоза определенной области человеческого тела и направлены на сохранение среды обитания, иначе говоря, на подержание гомеостаза. Пробиотики и фаги обычно применяют по отдельности, но перспективным может оказаться их совместное использование.

Обратите внимание!

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни ». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon .

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science .

Клин клином выбивают.

Народная мудрость

Биотехнология - медицине

В современной медицинской практике используется большое количество средств, получаемых благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. Сюда относятся витамины, ферменты, генно-инженерные гормоны и интерфероны, заменители крови и, конечно же, антибиотики. Собственно, даже медицинский спирт - этот универсальный антисептик, народный анальгетик и антидепрессант - является продуктом бродильного метаболизма дрожжевых грибков. Традиционные и новые высокоэффективные, различные по структуре и механизму действия природные и химически модифицированные лекарственные препараты, в создании которых участвовали микроорганизмы, применяются для лечения различных заболеваний.

Когда лекарство опаснее болезни

В практике применения лекарственных средств врачу приходится встречаться с так называемыми побочными явлениями, которые могут развиваться наряду с основным действием лекарства и ограничивать возможности его применения. Побочные реакции особенно часто возникают в случаях применения лекарств, обладающих многосторонним фармакологическим эффектом (вспомним тот же этиловый спирт), тогда как цель лечения достигается благодаря использованию лишь некоторых сторон фармакодинамики данного лекарства.

Особенного внимания заслуживают в этом смысле антибиотики, поскольку они являются препаратами выбора при лечении большинства инфекционных заболеваний, а назначению антибиотиков далеко не всегда предшествует проведение необходимых микробиологических исследований. Нередки случаи нерационального применения антибиотиков широкого спектра действия, нарушения пациентами схем приема препаратов, а то и вовсе бесконтрольного самолечения. И даже при правильном использовании антибактериальное действие антибиотиков распространяется не только на патогенную, но и на нормальную микробную флору организма. Под действием антибиотиков гибнут бифидобактерии , лактобациллы , симбиотические штаммы кишечной палочки и другие полезные микробы. Освободившиеся экологические ниши тут же заселяют условно-патогенные бактерии и грибки (как правило, обладающие резистентностью к антибиотикам), которые до этого присутствовали на коже и в нестерильных полостях организма в незначительном количестве - их размножение сдерживалось нормальной микрофлорой. Антибиотикотерапия, например, может способствовать превращению мирных сапрофитных дрожжеподобных грибков Candida albicans (рис. 1), обитающих на слизистых оболочках полости рта, трахеи и кишечника, в бурно размножающиеся микроорганизмы, вызывающие ряд местных и общих поражений.

Рисунок 1. Дрожжеподобные грибки Candida albicans и последствия их активного размножения. а - Клетки Candida albicans под электронным микроскопом. б - Проявления кандидоза. Рисунки с сайтов velvet.by и www.medical-enc.ru .

В основе других побочных эффектов могут лежать индивидуальные особенности взаимодействия организма с антибиотиком: непереносимость препарата может иметь аллергическую или псевдоаллергическую природу, быть следствием ферментопатий или попадать в загадочную категорию идиосинкразий (до выяснения механизма непереносимости).

Пробиотики вместо антибиотиков?

В настоящее время перед медицинской наукой и органами охраны здоровья всего мира стоит ответственная задача - создание эффективных антибактериальных препаратов, вызывающих как можно менее выраженные побочные реакции.

Одним из возможных решений проблемы является разработка и широкое фармакотерапевтическое использование препаратов на основе живых культур представителей нормальной микрофлоры (пробиотиков ) для коррекции микробиоценозов человека и для лечения патологических состояний. Применение бактериальных препаратов основано на понимании роли нормальной микрофлоры организма в процессах, обеспечивающих неспецифическую резистентность к инфекциям, в формировании иммунного ответа, а также на установлении антагонистической роли нормофлоры и ее участия в регуляции метаболических процессов .

Основоположником теории пробиотиков считают И.И. Мечникова . Он полагал, что сохранение здоровья человека и продление молодости во многом зависит от обитающих в кишечнике молочнокислых бактерий, способных подавлять процессы гниения и образования токсичных продуктов. Еще в 1903 году Мечников предложил практическое использование микробных культур-антагонистов для борьбы с болезнетворными бактериями.

По некоторым данным, термин «пробиотики» был введен Вернером Коллатом в 1953 году, затем его неоднократно и по-разному толковали как ученые, так и регулирующие организации. Коллат назвал пробиотиками вещества, необходимые для развития здорового организма, своего рода «промоторы жизни» - в противоположность антибиотикам. С концовкой этого утверждения соглашались также Лилли и Стилвелл, которым часто приписывают изобретение термина, однако они уточняли, что пробиотики представляют собой вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами и стимулирующие рост других. Подавляющее же большинство определений вращалось вокруг принятия жизнеспособных микробов с целью модуляции кишечной микрофлоры. Согласно консенсусной трактовке экспертного совета ВОЗ и ФАО , пробиотики представляют собой живые микроорганизмы, которые при принятии в достаточном количестве приносят пользу здоровью . Существенный вклад в развитие современной концепции пробиотиков внес известный биохимик, специалист по питанию животных Марсель Ванбелле . Т.П. Лайонс и Р.Дж. Фэллон в 1992 году назвали наше время «наступающей эпохой пробиотиков» (и не ошиблись, судя по невероятному росту их продаж - Ред. ) .

По сравнению с традиционными антибактериальными препаратами пробиотики имеют ряд преимуществ: безвредность (однако не при всех диагнозах и не для всех пациентов - Ред. ), отсутствие побочных реакций, аллергизации и отрицательного воздействия на нормальную микрофлору. В то же время авторы ряда исследований связывают прием этих биопрепаратов с выраженным клиническим эффектом при лечении (долечивании) острых кишечных инфекций. Важной особенностью пробиотиков, по некоторым данным, является их способность модулировать иммунные реакции, оказывать в ряде случаев противоаллергическое действие, регулировать пищеварение.

В настоящее время в медицине широко используют ряд подобных бактериальных препаратов. Одни из них содержат бактерии, постоянно обитающие в организме человека («Лактобактерин », «Бифидумбактерин », «Колибактерин », «Бификол »), другие состоят из микроорганизмов, не являющихся «резидентами» человеческого тела, но способных на определенное время колонизировать слизистые оболочки или раневые поверхности, создавая на них защитную биопленку (рис. 2) и вырабатывая вещества, губительные для патогенных бактерий. К таким препаратам относятся, в частности, «Биоспорин » на основе сапрофитной бактерии Bacillus subtilis и «А-бактерин», состоящий из живых клеток зеленящего аэрококка - Aerococcus viridans .

Полезный микроб - аэрококк

Некоторых аэрококков (рис. 3) относят к условно-патогенным микробам, поскольку они способны вызывать заболевания у животных (например, гаффкемию у омаров) и людей с иммунодефицитами. Аэрококки часто обнаруживаются в воздухе больничных палат и на предметах медицинского назначения, выделяются от больных со стрептококковыми и стафилококковыми инфекциями и к тому же имеют определенное морфологическое сходство с этими опасными бактериями.

Рисунок 3. Клетки и колонии аэрококков. а - Бактерии под обычным световым микроскопом. б - Бактерии под электронным микроскопом. Видны округлые клетки, расположенные парами и тетрадами. в - Колонии аэрококков на питательной среде с добавлением крови. Зеленое окрашивание вокруг колоний - результат частичного разрушения гемоглобина. Фото (а) с сайта codeofconduc.com , (б) и (в) - сделаны авторами статьи.

Рисунок 4. Подавление аэрококками роста патогенных бактерий. Зоны значительной задержки роста зарегистрированы при культивировании вибрионов, стафилококков, дифтерийной палочки, провиденции. Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa ) к антагонистическому действию аэрококков устойчива. Фото авторов статьи.

Но коллективу кафедры микробиологии Днепропетровской медицинской академии удалось выявить среди аэрококков штамм не просто безвредный для человека, но и проявляющий выраженную антагонистическую активность в отношении широкого спектра возбудителей инфекционных болезней. Так был разработан и внедрен препарат, не имеющий аналогов в мировой практике, - пробиотик «А-бактерин » для наружного и перорального применения, который не уступает по своему воздействию на микрофлору человека дорогостоящим препаратам антибиотического направления (рис. 4).

Антагонистические свойства аэрококков связаны с продукцией перекиси водорода (вещества, широко применяемого в медицине в качестве антисептика) - стабильным признаком производственного штамма А. viridans , из которого готовится «А-бактерин». Другим бактерицидным веществом, продуктом метаболизма аэрококков, является супероксидный радикал (рис. 5), образуемый этими бактериями при окислении молочной кислоты. Причем способность аэрококков окислять молочную кислоту очень важна в случае применения препарата в стоматологии, так как одной из причин кариеса является молочная кислота, образуемая стрептококками.

Рисунок 5. Бактерицидные вещества, образуемые аэрококками: перекись водорода (а ) и супероксидный радикал (б ) . Рисунок с сайта tofeelwell.ru .

В культуральной жидкости аэрококков был выявлен низкомолекулярный кислотоустойчивый и термостабильный пептид виридоцин , обладающий широким спектром антагонистической активности в отношении тех микроорганизмов, которые чаще всего вызывают госпитальные инфекции и участвуют в формировании физиологического и патологического микробиоценоза кишечника человека . Кроме того, А. viridans продуцирует во внешнюю среду пептид аэроцин *, способный убивать дрожжеподобные грибки. Использование «А-бактерина» с йодидом калия и этонием эффективно при урогенитальных кандидозах, так как обеспечивает направленное повреждение мембран кандид . Тот же эффект достигается в случае применения препарата как средства профилактики кандидозов, возникающих, например, вследствие угнетения иммунитета при ВИЧ-инфекции .

* - Наряду с продукцией перекиси водорода (за счет НАД-независимой лактатдегидрогеназы), а в присутствии иодида калия и образованием гипойодида (за счет глутатионпероксидазы) с более выраженным, чем у пероксида водорода, бактерицидным действием, аэрококки располагают и неоксидными компонентами антагонистической активности. Они образуют низкомолекулярный термостабильный пептид аэроцин, относящийся к классу микроцинов, активный в отношении протеев, стафилококков, эшерихий и сальмонелл. Аэроцин был выделен из культуральной жидкости методами высаливания, электродиализа и бумажной хроматографии, после чего был установлен его аминокислотный состав и показана терапевтическая эффективность при экспериментальной сальмонеллезной инфекции у мышей . Аэрококкам также свойственна адгезия к эпителиальным и некоторым другим клеткам, то есть противодействие патогенным бактериям идет в том числе на уровне биопленок и колонизационной резистентности.

Кроме способности подавлять размножение патогенных бактерий, «А-бактерин» способствует регенерации поврежденной ткани, проявляет адъювантное действие, стимулирует фагоцитоз и может быть рекомендован больным, сенсибилизированным к антибиотикам и химиотерапевтическим средствам. Сегодня «А-бактерин» успешно применяется для лечения ожоговых и хирургических ран, для профилактики и лечения диареи, а также в стоматологической, урологической и гинекологической практике. Перорально «А-бактерин» используется для коррекции микрофлоры кишечника, профилактики и лечения кишечных инфекций, коррекции отдельных биохимических показателей (холестеринового профиля и уровня молочной кислоты) и активации иммунитета . Другие пробиотики тоже широко применяются для лечения и профилактики кишечных инфекций, особенно у детей раннего возраста, находящихся на искусственном вскармливании . Пользуются популярностью и пищевые продукты, содержащие живые пробиотические культуры.

Лечебные вирусы

При лечении инфекций важно создать высокую концентрацию антимикробного препарата именно в месте локализации возбудителя. Применяя антибиотики в виде таблеток или инъекций, добиться этого довольно трудно. Но в случае фаготерапии достаточно, если в инфекционный очаг доберутся хотя бы одиночные бактериофаги. Обнаружив патогенные бактерии и проникнув в них, фаги начинают очень быстро размножаться. С каждым циклом размножения, который длится около получаса, количество фагов возрастает в десятки, а то и сотни раз. После разрушения всех клеток возбудителя фаги более не способны размножаться и, благодаря своим мелким размерам, беспрепятственно выводятся из организма вместе с другими продуктами распада.

Пробиотики и фаги вместе

Бактериофаги хорошо зарекомендовали себя в профилактике и лечении кишечных инфекций и гнойно-воспалительных процессов. Возбудители этих заболеваний часто приобретают устойчивость к антибиотикам, но остаются чувствительными к фагам . В последнее время ученых заинтересовала перспектива совместного использования бактериофагов и пробиотиков. Предполагается, что при назначении такого комплексного препарата сначала фаг уничтожает патогенные бактерии, а потом освободившуюся экологическую нишу заселяют полезные микроорганизмы, формируя стабильный микробиоценоз с высокими защитными свойствами. Такой подход уже был опробован на сельскохозяйственных животных . Вероятно, он войдет и в медицинскую практику.

Возможно и более тесное взаимодействие в системе «бактериофаг + пробиотик». Известно, что бактерии - представители нормальной микрофлоры человека - способны адсорбировать на своей поверхности различные вирусы, не позволяя им проникнуть в клетки человека . Оказалось, что таким же образом могут адсорбироваться и бактериофаги: они не способны внедриться в клетку устойчивой к ним бактерии, но используют ее как «транспортное средство» для перемещения в организме человека. Такое явление получило название транслокации бактериофагов .

Внутренняя среда организма, его ткани и кровь считаются стерильными. На самом деле через микроскопические повреждения слизистых оболочек бактерии-симбионты периодически проникают в кровяное русло (рис. 7), хотя и быстро там уничтожаются клетками иммунной системы и бактерицидными веществами . При наличии инфекционного очага барьерные свойства окружающих тканей часто нарушены, их проницаемость возрастает. Это повышает вероятность проникновения туда циркулирующих пробиотических бактерий вместе с прикрепившимися к ним фагами . В частности, у людей с инфекциями мочевыводящих путей, принимающих «А-бактерин» перорально, аэрококки обнаруживались в моче, причем их количество было стабильно низким, что говорило именно о переносе аэрококков, а не об их размножении в этих органах . Аэрококки и наиболее распространенные возбудители урологических инфекций относятся к совершенно разным группам бактерий, а значит, чувствительны к разным бактериофагам. Это открывает интересные перспективы для создания комплексного препарата, например, на основе А. viridans и фагов, поражающих кишечные бактерии . Такие разработки ведутся на кафедре микробиологии Днепропетровской медицинской академии, однако они пока не вышли за стадию лабораторного исследования.

Статья написана при участии Юргель Л.Г. и Кременчуцкого Г.Н.

От редакции

Редакция «Биомолекулы» обращает внимание читателей на то, что авторы статей из номинации «Своя работа» делятся важными и интересными деталями своих исследований, приводят собственный взгляд на ситуацию в своей отрасли. Коллектив же «Биомолекулы» не считает, что вопрос о целесообразности применения пробиотиков уже решен.

Результаты исследований подобных веществ, какими бы потрясающими они ни были, должны подтверждаться соответствующим образом: препарат должен пройти необходимые фазы клинических испытаний , чтобы медицинское сообщество могло признать его безопасным и эффективным лекарственным средством , и лишь после этого рекомендовать пациентам. Естественно, речь идет об испытаниях по международным нормам, а не так, как это иногда у нас бывает - на 12 пациентах сельского лазарета, заявивших, что им ну-просто-жуть-как-помогло. Неплохим ориентиром для врачей и пациентов было бы одобрение каких-либо пробиотических препаратов, например, американским FDA , но увы...

Пока же принимаемые внутрь пробиотики следует рассматривать не как лекарства, а как пищевые добавки . Причем заявленные производителем свойства препарата нельзя переносить на другие пробиотики: критичны штамм (не род и даже не вид) и количество колониеобразующих единиц . А еще нужно иметь в виду, что на такую продукцию влияет множество факторов, связанных с производством, условиями и сроками хранения, употреблением и пищеварением.

Крупнейшие контролирующие питание и лечение организации мира считают : пока не достаточно доказательств для утверждения, что пробиотики положительно влияют на здоровье (тем более всех поголовно, вне зависимости от исходного состояния этого самого здоровья). И не то чтобы контролеры были убеждены в неэффективности этих препаратов - просто, как правило, в проведенных медисследованиях они не усматривают достоверной причинно-следственной связи приема пробиотиков с позитивными изменениями. А еще стоит помнить о тех исследованиях, где какой-то пробиотик оказывался неэффективным или даже влиял отрицательно.

Так или иначе, потенциал у пробиотического направления есть - как минимум в профилактике и лечении разных энтеритов (если речь идет о пероральном приеме). Просто не всё так просто. Не так просто, как хотелось бы производителю, врачу и пациенту. Наверное, пробиотики на полках наших магазинов и аптек просто «родились немного недоношенными». Так что ждем от ученых-разработчиков и производителей убойных доказательств. А авторам статьи пожелаем успехов на этом нелегком поприще и, конечно, в поиске новых интересных свойств микроорганизмов.

Литература

1. Кременчуцкий Г.Н., Рыженко С.А., Волянский А.Ю., Молчанов Р.Н., Чуйко В.И. А-бактерин в лечении и профилактике гнойно-воспалительных процессов. Днепропетровск: Пороги, 2000. - 150 с.;
2. Vanbelle M., Teller E., Focant M. (1990). Probiotics in animal nutrition: a review . Arch. Tierernahr. 40 (7), 543–567;
3. Риженко С.А., Кременчуцький Г.М., Бредихіна М.О. (2008). Вплив рідкого пробіотику «А-бактерину» на мікробіоту кишечника . Медичні перспективи . 2 , 47–50;
4. Акилов О.А. (2000). Современные методы лечения кандидоза . Сайт «Русский Медицинский Сервер» .;
5. Edwards J.E. Jr., Bodey G.P., Bowden R.A., Büchner T., de Pauw B.E., Filler S.G. et al. (1997). International conference for development of consensus on the management and prevention of severe candidal infections . Clin. lnfect. Dis. 25 , 43–59;
6. Antoniskis D., Larsen R.A., Akil B., Rarick M.U., Leedom J.M. (1990). Seronegative disseminated Coccidioidomycosis in patients with HIV infection . AIDS . 4 , 691–693;
7. Jones J.L., Fleming P.L., Ciesielski C.A., Hu D.J., Kaplan J.E., Ward J.W. (1995). Coccidioidomycosis among persons with AIDS in the United States . J. Infect. Dis. 171 , 961–966;
8. Степанский Д.А., Рыженко С.А., Кременчуцкий Г.Н., Шарун О.В., Юргель Л.Г., Крушинская Т.Ю., Кошевая И.П. (2012). Неоксидные компоненты антагонистической активности аэрококков (НКА) . Аннали Мечниковського інституту . 4 , 9–10;
9. Ардатская М.Д. (2011). Пре- и пробиотики в коррекции микроэкологических нарушений кишечника . Фарматека . 12 , 62–68;
10. Бехтерева М.К., Иванова В.В. (2014). Место бактериофагов в терапии инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта . Педиатрия . 2 , 24–29;
11. Григорьева Г.И., Гордеева И.В., Кульчицкая М.А., Аникина Т.А. (2006). Эффективное применение биологических препаратов (пробиотики и бактериофаги) при лечении коров с острым течением эндометрита . Ветеринарная патология . 1 , 52–56;
12. Бондаренко В.М. (2013). Механизмы транслокации бактериальной аутофлоры в развитии эндогенной инфекции . Бюллетень оренбургского научного центра УРО РАН (электронный журнал) . 3 ;
13. Кременчуцкий Г.Н., Рыженко С.А., Юргель Л.Г. (2008). Явление транслокации E.coli (Hem + , Str r) . Труды XVI Международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии, экологии» . 250–251;
14. Кутовий А.Б., Василишин Р.Й., Мешалов В.Д., Кременчуцкий Г.Н. (2002). Ентерально органа транслокація бактерій і генералізація інфекційного процесу в експерименті. Вісник наукових досліджень . 2 , 121–123;
15. Шарун А.В., Нікуліна О.О., Кременчуцький Г.М. (2005). Порівняльний аналіз біологічних властивостей аерококів, виділених із різних екологічних ніш організму людини . Медичні перспективи . 3 , 72–78;
16. Зимин А.А., Васильева Е.А., Васильева Е.Л., Фишман К.С., Скобликов Н.Э., Кременчуцкий Г.Н., Мурашев А.Н. (2009). Биобезопасность в фаговой и пробиотической терапии: проблемы и решения . Вестник новых медицинских технологий . 1 , 200–202..

Методы определения суммарной биохимической активности почвенной микрофлоры

Характеристика микробов клеточной организации

Роль микроорганизмов в природе и сельском хозяйстве

Широкое распространение микроорганизмов свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах.

Многие микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.

Микроорганизмы оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

Наряду с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и человека. В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества.

Последние научные данные не только существенно расширили представления о почвенных микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов. Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.

Открытие новых методов получения наследственно измененных форм полезных микроорганизмов позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты.

С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, тысячелетия даже не догадываясь об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические. Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.

В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют на ряд групп в зависимости от источников потребления энергии и углерода. Так, выделяют фототрофы, пользующиеся энергией солнечного света, и хемотрофы, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.

В зависимости от того, в какой форме микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две группы: автотрофные ("сами себя питающие"), использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода, и гетеротрофные ("питающиеся за счет других"), получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений.

Таким образом, по способу получения энергии и углерода микроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы. Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания.

Каждой группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.

При фототрофии источник энергии - солнечный свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С0 2 и неорганических соединений (Н 2 0, Н 2 S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез. К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий.

Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С0 2 до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды:

С0 2 + Н 2 0 свет-› (СH 2 O) * + O 2

Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.

Для восстановления С0 2 в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н 2 5. При этом в цитоплазме накапливаются гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты:

С0 2 + 2Н 2 S свет-› (СH 2 O) + Н 2 + 2S

3CO 2 + 2S + 5H 2 O свет-› 3 (СН 2 0) + 2Н 2 S0 4

Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными анаэробами.

Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды. Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^" 2 .

Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.

Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды. Они не способны окислять сероводород (Н 2 S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду.

При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения. Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н 2 , NH 4 + , N0 2 - , Fе 2+ , Н 2 S, S°, S0з 2 - , S 2 0з 2- , СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.

Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. Виноградским. Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д.

Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции:

NH3 + 11/2 0 2 - HN0 2 + Н 2 0 + 2,8 10 5 Дж

HN0 2 + 1/2 0 2 - HN0 3 + 0,7 105 Дж

Н 2 S + 1/2 0 2 - S + Н 2 0 + 1,7 10 5 Дж

S + 11/2 0 2 - Н 2 S0 4 + 5,0 10 5 Дж

Н 2 + 1/ 2 0 2 - Н 2 0 + 2,3 10 5 Дж

2FеС0 3 + 1/2 0 2 + ЗН 2 0 - 2Fе (ОН) 3 + 2С0 2 + 1,7 10 5 Дж

Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений. Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.

Введение

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах.

Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Основная цель данной работы – изучить методы и условия культивирования микроорганизмов

· Ознакомиться с областями применения микроорганизмов

· Изучить морфологию и физиологию микроорганизмов

· Изучить основные виды и состав питательных сред

· Дать понятие и ознакомиться с биореактором

· Раскрыть основные методы культивирования микроорганизмов

Морфология и физиология микроорганизмов

Морфология

Классификация микроорганизмов

Бактерии

Бактерии - это одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Ве­личина их измеряется в микрометрах (мкм). Различают три основные формы: шаровидные бактерии - кокки, палочковидные и извитые.

Кокки (греч. kokkos - зерно) имеют шаровидную или слегка вытя­нутую форму. Различаются между собой в зависимости от того, как они располагаются после деления. Одиночно расположенные кокки - мик­рококки, расположенные попарно - диплококки. Стрептококки де­лятся в одной плоскости и после деления не расходятся, образуя цепоч­ки (греч. streptos - цепочка). Тетракокки образуют сочетания из четырех кокков в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины (лат. sarcio - связывать) образуются при делении в трех взаимно перпендику­лярных плоскостях и имеют вид скоплений по 8-16 кокков. Стафило­кокки в результате беспорядочного деления образуют скопления, напо­минающие гроздь винограда (греч. staphyle - виноградная гроздь).

Палочковидные бактерии (греч. bacteria - палочка), способные образовывать споры, называют бациллами в том случае, если спора не шире самой палочки, и клостридиями, если диаметр споры превышает диаметр палочки. Палочковидные бактерии, в отличие от кокков, разнообразны по ве­личине, форме и расположению клеток: короткие (1 -5 мкм) толстые, с зак­ругленными концами бактерии кишечной группы; тонкие, слегка изогну­тые палочки туберкулеза; располагающиеся под углом тонкие палочки дифтерии; крупные (3-8 мкм) палочки сибирской язвы с "обрубленными" концами, образующие длинные цепочки - стрептобациллы.

К извитым формам бактерий относятся вибрионы, имеющие слегка изогнутую форму в виде запятой (холерный вибрион) и спириллы, состоящие из нескольких завитков. К извитым формам также относятся кампилобактеры, похожие под микроскопом на крылья летящей чайки.

Структура бактериальной клетки.

Структурные элементы бактери­альной клетки можно условно разделить на:

а) постоянные структурные элементы - имеются у каждого вида бактерий, в течение всей жизни бакте­рии; это клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид;

Б) непостоянные структурные элементы, которые способны обра­зовывать не все виды бактерий, а те бактерии, которые образуют их, могут терять их и вновь приобретать в зависимости от условий существования. Это капсула, включения, пили, споры, жгутики.

Рис. 1.1. Структура бактериальной клетки

Клеточная стенка покрывает всю поверхность клетки. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая: до 90% - это полимерное соединение пептидогликан, связанный с тейхоевыми кис­лотами, и слой белка. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но сложнее по составу: состоит из тонкого слоя пептидогликана, липополисахаридов, белков; она покрыта наружной мембраной.

Функции клеточной стенки состоят в том, что она:

Является осмотическим барьером,

Определяет форму бактериальной клетки,

Защищает клетку от воздействий окружающей среды,

Несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений,

Через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена,

В клеточной стенке локализован О-антиген и с ней связан эндотоксин (липид А) бактерий.

Цитоплазматическая мембрана

К клеточной стенке бактерий примыкает цитоплазматическая мембрана , строение которой аналогично мембранам эукариотов (состоит из двойного слоя липидов , главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками ). Она обеспечивает :

Селективную проницаемость и транспорт растворимых веществ в клетку,

Транспорт электронов и окислительное фосфорилирование,

Выделение гидролитических экзоферментов, биосинтез различных полимеров.

Цитоплазматическая мембрана ограничивает цитоплазму бактерий , которая представляет собой гранулярную структуру . В цитоплазме локализованы рибосомы и бактериальный нуклеоид , в ней также могут находиться включения и плазмиды (внехромосомная ДНК). Кроме обязательных структур бактериальные клетки могут иметь споры.

Цитоплазма - внутреннее гелеобразное содержимое бактериальной клетки, пронизано мембранными структурами, создающими жест­кую систему. В цитоплазме содержатся рибосомы (в которых осуще­ствляется биосинтез белков), ферменты, аминокислоты, белки, рибонуклеиновые кислоты.

Нуклеоид - это хромосома бактерий, двойная нить ДНК, коль­цевидно замкнутая, связанная с мезосомой. В отличие от ядра эукариотов, нить ДНК свободно располагается в цитоплазме, не имеет ядерной оболочки, ядрышка, белков-гистонов. Нить ДНК во много раз длиннее самой бактерии (например, у кишечной палочки длина хро­мосомы более 1 мм).

Помимо нуклеоида, в цитоплазме могут находиться внехромосомные факторы наследственности, называемые плазмидами. Это ко­роткие кольцевидные нити ДНК, прикрепленные к мезосомам.

Включения содержатся в цитоплазме некоторых бактерий в виде зерен, которые можно обнаружить при микроскопии. Большей частью это запас питательных веществ.

Пили (лат. pili - волоски) иначе реснички, фимбрии, бахромки, вор­синки - короткие нитевидные отростки на поверхности бактерий.

Жгутики. Многие виды бактерий способны передвигаться благо­даря наличию жгутиков. Из патогенных бактерий только среди пало­чек и извитых форм имеются подвижные виды. Жгутики представляют собой тонкие эластичные нити, длина которых у некоторых видов в несколько раз больше длины тела самой бактерии.

Число и располо­жение жгутиков является характерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи - с одним жгутиком на конце тела, лофотрихи - с пучком жгутиков на конце, амфитрихи, имеющие жгути­ки на обоих концах, и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. К монотрихам относится холерный вибрион, к перитрихам - сальмонеллы брюшного тифа.

Капсула - наружный слизистый слой, который имеется у многих бактерий. У одних видов он настолько тонок, что обнаруживается толь­ко в электронном микроскопе - это микрокапсула. У других видов бак­терий капсула хорошо выражена и видна в обычном оптическом мик­роскопе - это макрокапсула.

Микоплазмы

Микоплазмы относятся к прокариотам, размеры их 125-200 нм. Это наиболее мелкие из клеточных микробов, величина их близка к преде­лу разрешающей способности оптического микроскопа. У них отсут­ствует клеточная стенка. С отсутствием клеточной стенки связаны характерные осо­бенности микоплазм. Они не имеют постоянной формы, поэтому встре­чаются сферические, овальные, нитевидные формы.

Риккетсии

Хламидии

Актиномицеты

Актиномицеты - одноклеточные микроорганизмы, относятся к прокариотам. Их клетки имеют такую же структуру, как бактерии: кле­точную стенку, содержащую пептидогликан, цитоплазматическую мем­брану; в цитоплазме расположены нуклеоид, рибосомы, мезосомы, внутриклеточные включения. Поэтому патогенные актиномицеты чувс­твительны к антибактериальным препаратам. В то же время они име­ют сходную с грибами форму ветвящихся переплетающихся нитей, а некоторые актиномицеты, относящиеся к семейству стрентомицет, раз­множаются спорами. Другие семейства актиномицет размножаются путем фрагментации, то есть распада нитей на отдельные фрагменты.

Актиномицеты широко распространены в окружающей среде, осо­бенно в почве, участвуют в круговороте веществ в природе. Среди актиномицетов есть продуценты антибиотиков, витаминов, гормонов. Большинство антибиотиков, применяемых в настоящее время, проду­цируется актиномицетами. Это стрептомицин, тетрациклин и другие.

Спирохеты.

Спирохеты относятся к прокариотам. Имеют признаки, общие как с бактериями, так и с простейшими микроорганизмами. Это од­ноклеточные микробы, имеющие форму длинных тонких спирально изогнутых клеток, способны к активному движению. В неблагоприят­ных условиях некоторые из них могут переходить в форму цисты.

Исследования в электронном микроскопе позволили установить структуру клеток спирохет. Это цитоплазматические цилиндры, окру­женные цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой, содер­жащей пептидогликан. В цитоплазме находятся нуклеоид, рибосомы, мезосомы, включения.

Под цитоплазматической мембраной располо­жены фибриллы, обеспечивающие разнообразное движение спирохет - поступательное, вращательное, сгибательное.

Патогенные представители спирохет: Treponema pallidum - вызывает сифилис, Borrelia recurrentis - возвратный тиф, Borrelia burgdorferi - болезнь Лайма, Leptospira interrogans - лептоспироз.

Грибы

Грибы (Fungi, Mycetes) - эукариоты, низшие растения, лишенные хлорофилла, в связи с чем они не синтезируют органические соедине­ния углерода, то есть это гетеротрофы, имеют дифференцированное ядро, покрыты оболочкой, содержащей хитин. В отличие от бактерий, грибы не имеют в составе оболочки пептидогликана, поэтому нечув­ствительны к пенициллинам. Для цитоплазмы грибов характерно при­сутствие большого количества разнообразных включений и вакуолей.

Среди микроскопических грибов (микромицетов) имеются однок­леточные и многоклеточные микроорганизмы, различающиеся между собой по морфологии и способам размножения. Для грибов характер­но разнообразие способов размножения: деление, фрагментация, поч­кование, образование спор - бесполых и половых.

При микробиологических исследованиях наиболее часто прихо­диться сталкиваться с плесенями, дрожжами и представителями сбор­ной группы так называемых несовершенных грибов.

Плесени образуют типичный мицелий, стелющийся по питатель­ному субстрату. От мицелия вверх подымаются воздушные ветви, ко­торые оканчиваются плодоносящими телами различной формы, несущими споры.

Мукоровые или головчатые плесени (Mucor) - одноклеточные гри­бы с шаровидным плодоносящим телом, наполненным эндоспорами.

Плесени рода Aspergillus - многоклеточные грибы с плодоносящим телом, при микроскопии напоминающим наконечник лейки, разбрыз­гивающей струйки воды; отсюда название "леечная плесень". Некото­рые виды аспергилл используются в промышленности для производства лимонной кислоты и других веществ. Есть виды, вызывающие заболе­вания кожи и легких у человека - аспергиллезы.

Плесени рода Penicillum, или кистевики - многоклеточные грибы с плодоносящим телом в виде кисточки. Из некоторых видов зеленой плесени был получен первый антибиотик - пенициллин. Среди пенициллов есть патогенные для человека виды, вызывающие пенициллиоз.

Различные виды плесеней могут быть причиной порчи пищевых про­дуктов, медикаментов, биологических препаратов.

Дрожжи - дрожжевые грибы (Saccharomycetes, Blastomycetes) име­ют форму круглых или овальных клеток, во много раз крупнее бакте­рий. Средний размер дрожжевых клеток приблизительно равен попе­речнику эритроцита (7-10 мкм).

Вирусы

Вирусы - (лат. virus яд) - мельчайшие микроорганизмы, не имеющие клеточного строения, белоксинтезирующей системы и способные к воспроизведению лишь в клетках высокоорганизованных форм жизни. Они широко распространены в природе, поражают животных, растения и другие микроорганизмы.

Зрелая вирусная частица, известная как вирион, состоит из нуклеиновой кислоты - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет информацию о нескольких типах белков, необходимых для образования нового вируса - покрытой защитной белковой оболочкой - капсидом. Капсид складывается из одинаковых белковых субъединиц, называемыхкапсомерами . Вирусы могут также иметь липидную оболочку поверх капсида (суперкапсид ), образованную из мембраны клетки-хозяина. Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом, а его форма лежит в основе классификации вирусов по морфологическому признаку . Сложноорганизованные вирусы, кроме того, кодируют специальные белки, помогающие в сборке капсида. Комплексы белков и нуклеиновых кислот известны как нуклеопротеины , а комплекс белков вирусного капсида с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом .

Рис. 1.4. Схематичное строение вируса: 1 - сердцевина (однонитчатая РНК); 2 - белковая оболочка (Капсид); 3 - дополнительная липопротеидная оболочка; 4 - Капсомеры (структурные части Капсида).

Физиология микроорганизмов

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.

Метаболизм

Метаболизм – совокупность биохимических процессов, направленных на получение энергии и воспроизведение клеточного материала.

Особенности метаболизма у бактерий:

1) многообразие используемых субстратов;

2) интенсивность процессов метаболизма;

4) преобладание процессов распада над процессами синтеза;

5) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.

Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (энергетический метаболизм) – это процесс расщепления крупных молекул до более простых, в результате которого выделяется энергия, накапливающаяся в форме АТФ:

а) дыхание;

б) брожение.

Анаболизм (конструктивный метаболизм) – обеспечивает синтез макромолекул, из которых строится клетка:

а) анаболизм (с затратами энергии);

б) катаболизм (с выделением энергии);

При этом используется энергия, полученная в процессе катаболизма. Для метаболизма бактерий характерны высокая скорость процесса и быстрая адаптация к меняющимся условиям окружающей среды.

В микробной клетке ферменты являются биологическими катализаторами. По строению выделяют:

1) простые ферменты (белки);

2) сложные; состоят из белковой (активного центра) и небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.

По месту действия выделяют:

1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий);

2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ).

В зависимости от катализируемых химических реакций все ферменты делят на шесть классов:

1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами);

2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп);

3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей);

4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а также осуществляют обратные реакции);

5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров);

6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).

Питание

Под питанием понимают процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и метаболизм клетки.

Различные органические и неорганические вещества поступают в бактериальную клетку в процессе питания. Специальных органов питания у бактерий нет. Вещества проникают через всю поверхность клетки, в виде мелких молекул. Такой способ питания называется голофитным . Необходимым условием для прохождения питательных веществ в клетку является их растворимость в воде и малая величина (т.е. белки должны быть гидролизованы до аминокислот, углеводы – до ди- или моносахаридов и т. д.).

Основным регулятором поступления веществ в бактериальную клетку является цитоплазматическая мембрана. Существует четыре основных механизма поступления веществ:

-пассивная диффузия - по градиенту концентрации, энергонезатратная, не имеющая субстратной специфичности;

- облегченная диффузия - по градиенту концентрации, субстратспецифичная, энергонезатратная, осуществляется при участии специализированных белков пермеаз ;

- активный транспорт- против градиента концентрации, субстратспецифичен (специальные связывающие белки в комплексе с пермеазами), энергозатратный (за счет АТФ), вещества поступают в клетку в химически неизмененном виде;

- транслокация (перенос групп) - против градиента концентрации, с помощью фосфотрансферазной системы, энергозатратна, вещества (преимущественно сахара) поступают в клетку в форфорилированном виде.

Основные химические элементы- органогены , необходимые для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород, кислород.

Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразные типы питания. Микробы нуждаются в углероде, кислороде, азоте, водороде, сере, фосфоре и других элементах (органогенах).

В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на:

1) аутотрофы (используют неорганические вещества – СО2);

2) гетеротрофы;

3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);

4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).

Процессы питания должны обеспечивать энергетические потребности бактериальной клетки.

По источникам энергии микроорганизмы делят на:

1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);

2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);

3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);

4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).

Среди бактерий выделяют:

1) прототрофы (способны сами синтезировать необходимые вещества из низкоорганизованных);

2) ауксотрофы (являются мутантами прототрофов, потерявшими гены; ответственны за синтез некоторых веществ – витаминов, аминокислот, поэтому нуждаются в этих веществах в готовом виде).

Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить источниками питания только после расщепления их экзоферментами до более простых соединений.

Дыхание микроорганизмов.

Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О 2), при анаэробном- связанный кислород (-NO 3 , =SO 4 , =SO 3).

Аэробное дыхание донор водорода H 2 O

Анаэробное дыхание

Нитратное окисление NO 3

(факультативные анаэробы) донор водорода N 2

Сульфатное окисление SO 4

(облигатные анаэробы) донор водорода H 2 S

По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.

1.Облигатные (строгие) аэробы . Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.

2.Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO 2 , например до 10- процентной концентрации.

3.Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода - т.е. аэротолерантные,

а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.

4.Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.

Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).

В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H 2 O 2 - перекись водорода, -О 2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза . У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH 2).

Рост и размножение бактерий

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.

Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы, и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия. Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам. Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки. Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Питательные среды

Для культивирования бактерий используют питательные среды, к которым предъявляется ряд требований.

1. Питательность. Бактерии должны содержать все необходимые питательные вещества.

2. Изотоничность. Бактерии должны содержать набор солей для поддержания осмотического давления, определенную концентрацию хлорида натрия.

3. Оптимальный рН (кислотность) среды. Кислотность среды обеспечивает функционирование ферментов бактерий; для большинства бактерий составляет 7,2–7,6.

4. Оптимальный электронный потенциал, свидетельствующий о содержании в среде растворенного кислорода. Он должен быть высоким для аэробов и низким для анаэробов.

5. Прозрачность (наблюдался рост бактерий, особенно для жидких сред).

6. Стерильность (отсутствие других бактерий).

Классификация питательных сред

1. По происхождению:

1) естественные (молоко, желатин, картофель и др.);

2) искусственные – среды, приготовленные из специально подготовленных природных компонентов (пептона, аминопептида, дрожжевого экстракта и т. п.);

3) синтетические – среды известного состава, приготовленные из химически чистых неорганических и органических соединений (солей, аминокислот, углеводов и т. д.).

2. По составу:

1) простые – мясопептонный агар, мясопептонный бульон, агар Хоттингера и др.;

2) сложные – это простые с добавлением дополнительного питательного компонента (кровяного, шоколадного агара): сахарный бульон,

желчный бульон, сывороточный агар, желточно-солевой агар, среда Китта-Тароцци, среда Вильсона-Блера и др.

3. По консистенции:

1) твердые (содержат 3–5 % агар-агара);

2) полужидкие (0,15-0,7 % агар-агара);

3) жидкие (не содержат агар-агара).

Агар- полисахарид сложного состава из морских водорослей, основной отвердитель для плотных (твердых) сред.

4. В зависимости от назначения ПС различают:

Дифференциально-диагностические

Элективные

Селективные

Ингибиторные

Среды для поддержания культуры

Накопительные (насыщения, обогащения)

Консервирующие

Контрольные.

Дифференциально-диагностические - это сложные среды, на кото­рых микроорганизмы разных видов растут по-разному, в зависимости от биохимических свойств культуры. Они предназначены для иденти­фикации видовой принадлежности микроорганизмов, широко исполь­зуются в клинической бактериологии и проведении генетических ис­следований.

Селективные, ингибиторные и элективные ПС предназначены для выращивания строго определенного вида микроорганизма. Эти среды служат для выделения бактерий из смешанных популяций и диффе­ренцирования их от сходных видов. В их состав добавляют различные вещества, подавляющие рост одних видов и не влияющие на рост дру­гих.

Среду можно сделать селективной за счет величины рН. В последнее время в качестве веществ, придающих средам селективный характер, применяют антимикробные агенты, такие как антибиотики и другие химиотерапевтические вещества.

Элективные ПС нашли широкое применение при выделении возбу­дителей кишечных инфекций. При добавлении малахитовой или брил­лиантовой зелени, солей желчных кислот (в частности, таурохолево-кислого натрия), значительного количества хлорида натрия или ли­моннокислых солей подавляется рост кишечной палочки, но рост па­тогенных бактерий кишечной группы не ухудшается. Некоторые элек­тивные среды готовят с добавлением антибиотиков.

Среды для поддержания культуры составляют так, чтобы в них не было селективных веществ, способных вызывать изменчивость куль­тур.

Накопительные ПС (обогащения, насыщения) - это среды, на кото­рых определенные виды культур или группы культур растут быстрее и интенсивнее сопутствующих. При культивировании на этих средах обычно не применяются ингибиторные вещества, а, наоборот, создают благоприятные условия для определенного присутствующего в смеси вида. Основой сред накопления являются желчь и ее соли, тетратионат натрия, различные красители, селенитовые соли, антибиотики и др.

Консервирующие среды служат для первичного посева и транспор­тировки исследуемого материала.

Выделяют также контрольные ПС, которые применяют для контро­ля стерильности и общей бактериальной обсемененности антибиоти­ков.

5. По набору питательных веществ выделяют:

Минимальные среды, которые содержат лишь источники питания, достаточные для роста;

Богатые среды, в состав которых входят многие дополнительные вещества.

6. По масштабам использования ПС подразделяются на:

> производственные (технологические);

> среды для научных исследований с ограниченным по объему применением.

Производственные ПС должны быть доступными, экономичными, удобными в приготовлении и использовании для крупномасштабного культивирования. Среды для научных исследований, как правило, бы­вают синтетическими и богатыми по набору питательных веществ.

Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред

Качество ПС во многом определяется полноценностью состава пи­тательных субстратов и исходного сырья, используемого для их при­готовления. Большое разнообразие видов сырьевых источников ставит сложную задачу выбора наиболее перспективных, пригодных для кон­струирования ПС требуемого качества. Определяющую роль в данном вопросе играют, прежде всего, биохимические показатели состава сы­рья, от которых зависит выбор способа и режимов его переработки с целью наиболее полного и эффективного использования содержащих­ся в нем питательных веществ.

Для получения ПС с особо ценными свойствами применяют прежде всего традиционные источники белка животного происхождения, а именно мясо крупного рогатого скота (КРС), казеин, рыбу и продукты ее переработки. Наиболее полно разработаны и широко применяются ПС на основе мяса КРС.

Учитывая дефицит кильки каспийской, широко применяемой в не­далеком прошлом, для получения рыбных питательных основ стала использоваться более дешевая и доступная непищевая продукция рыб­ной промышленности - сухой криль, отходы переработки мяса криля, филетированный минтай и его перезрелую икру. Наибольшее же рас­пространение получила рыбная кормовая мука (РКМ), удовлетворяю­щая требованиям биологической ценности, доступности и относитель­ной стандартности.

Довольно широкое распространение получили ПС на основе казеи­на, который содержит все компоненты, имеющиеся в молоке: жир, лак­тозу, витамины, ферменты и соли. Однако необходимо отметить, что в связи с удорожанием продуктов переработки молока, а также повыше­нием спроса на казеин на мировом рынке, применение его носит не­сколько ограниченный характер.

Из непищевых источников белка животного происхождения в каче­стве сырья для конструирования полноценных ПС необходимо выде­лить кровь убойных животных, которая богата биологически активны­ми веществами и микроэлементами и содержит продукты клеточного и тканевого обмена.

Гидролизаты крови сельскохозяйст­венных животных используются в качестве заменителей пептона в дифференциально-диагностических питательных средах.

К другим видам белоксодержащего сырья животного происхожде­ния, которые могут быть использованы для конструирования ПС, от­носятся: плацента и селезенка КРС, сухой белковый концентрат - про­дукт переработки мясных отходов, спилковая обрезь, получаемая при обработке кожи, эмбрионы домашних птиц - отход вакцинного произ­водства, кровезаменители с истекшим сроком годности, творожная сыворотка, мягкие ткани моллюсков и ластоногих.

Перспективно использование тушек пушных зверей из зверохозяйств, крови КРС, получаемой на мясокомбинате, обезжиренного молока и молочной сыворотки (отходы маслозаводов).

В целом же ПС, приготовленные из сырья животного происхожде­ния, имеют высокое содержание основных питательных компонентов, являются полноценными и сбалансированными по аминокислотному составу и достаточно хорошо изучены.

Из продуктов растительного происхождения в качестве белкового субстрата для ПС возможно использование кукурузы, сои, гороха, кар­тофеля, люпина и др. Однако, растительное сельскохозяйственное сы­рье содержит белок, несбалансированный состав которого зависит от условий выращивания культур, а также липиды в больших количест­вах, чем продукты животного происхождения.

Обширную группу составляют ПС, изготавливаемые из белкового сырья микробного происхождения (дрожжи, бактерии и т.д.). Амино­кислотный состав микроорганизмов, служащих субстратом для приготовления ПС, хорошо изучен, а биомасса используемых микроорга­низмов является полноценной по составу питательных веществ и ха­рактеризуется повышенным содержанием лизина и треонина.

Разработан целый ряд ПС комбинированного состава из белковых субстратов различного происхождения. К ним относятся дрожжевая казеиновая питательная среда, дрожжевая мясная и т.д. Основой большинства известных ПС являются гидролизаты казеи­на, мяса КРС и рыбы (до 80%).

Удельный же вес непищевого сырья в технологии конструирования ПС составляет всего 15% и в дальней­шем требует увеличения.

Используемое для получения питательной основы (ПС) непищевое сырье должно удовлетворять определенным требованиям, а именно быть:

^ полноценным (количественный и качественный состав сырья должен, в основном, удовлетворять питательным потребностям микро­организмов и клеток, для которых разрабатываются ПС);

^ доступным (иметь достаточно обширную сырьевую базу);

^ технологичным (затраты на внедрение в производство должны осуществляться с использованием имеющегося оборудования или су­ществующей технологии);

^ экономичным (затраты на внедрение технологии при переходе на новое сырье и его переработку не должны превосходить нормы за­трат для получения целевого продукта);

^ стандартным (иметь длительные сроки хранения без изменения физико-химических свойств и питательной ценности)

Периодическая система

Периодической системой культивирования называют систему, в которой после внесения бактерий (засева) в питательную среду не производится ни добавления, ни удаления каких-либо компонентов, кроме газовой фазы. Отсюда следует, что периодическая система может поддерживать размножение клеток в течение ограниченного времени, на протяжении которого состав питательной среды изменяется от благоприятного (оптимального) для их роста до неблагоприятного, вплоть до полного прекращения п

Бактерии представляют собой одноклеточные безъядерные микроорганизмы, относящиеся к классу прокариотов. На сегодняшний день существует более 10 тысяч изученных видов (предполагается что их около миллиона), многие из них являются патогенными и могут возбуждать различные заболевания у человека, животных и растений.

Для их размножения необходимо достаточное количество кислорода и оптимальная влажность. Размеры бактерий варьируются от десятых долей микрона до нескольких микронов, по форме они делятся на шаровидные (кокки), палочковидные, нитеобразные (спириллы), в виде изогнутых палочек (вибрионы).

Первые организмы, появившиеся миллиарды лет назад

(Бактерии и микробы под микроскопом )

Бактерии играют очень важную роль на нашей планете, являясь важным участником любого биологического круговорота веществ, основы существования всего живого на Земле. Большая часть как органических, так и неорганических соединений под влиянием бактерий существенно изменяются. Бактерии, появившиеся на нашей планете более 3,5 миллиарда лет назад, стояли у первоисточников основания живой оболочки планеты и до сих пор активно перерабатывают неживую и живую органику и вовлекают результаты обменного процесса в биологический круговорот.

(Строение бактерии )

Сапрофитные почвенные бактерии играют огромную роль в почвообразовательном процессе, именно они перерабатывают остатки растительных и животных организмов и помогают в образовании гумуса и перегноя, повышающих её плодородие. Наиболее важную роль в процессе повышения плодородия почвы играют азотофиксирующие клубеньковые бактерии-симбионты, «живущие» на корнях бобовые растений, благодаря им почва обогащается ценными азотными соединениями, необходимым для роста растений. Они улавливают азот из воздуха, связывают его и создают соединения в форме, доступной для растений.

Значение бактерий в круговороте веществ в природе

Бактерии обладают отличными санитарными качествами, они удаляют грязь в сточных водах, расщепляют органические вещества, превращая их в безвредную неорганику. Уникальные цианобактерии, зародившиеся в первозданных морях и океанах 2 миллиарда лет назад, были способны к процессу фотосинтеза, они поставляли в окружающую среду молекулярный кислород, и таким образом сформировали атмосферу Земли и создали озоновый слой, защищающий нашу планету от пагубного влияния ультрафиолетовых лучей. Многие полезные ископаемые создавались на протяжении многих тысяч лет под воздействием воздуха, температуры, воды и бактерий на биомассу.

Бактерии наиболее распространенные организмы на Земле, они определяют верхнюю и нижнюю границу биосферы, проникают повсюду и отличаются большой выносливостью. Если бы бактерий не было, умершие животные и растения не перерабатывались бы дальше, а просто накапливались в огромных количествах, без них биологический круговорот станет невозможным, и вещества не смогут вновь возвращаться в природу.

Бактерии - важное звено в трофических цепях питания, они выступают в роли редуцентов, раскладывая остатки умерших животных и растений, тем самым очищая Землю. Многие бактерии играют в организме млекопитающих роль симбионтов и помогают им разложить клетчатку, которую те не в состоянии переварить. Процесс жизнедеятельности бактерий — источник витамина К и витаминов группы В, играющих важную роль в процессе нормального функционирования их организмов.

Полезные и вредные бактерии

Большое количество болезнетворных бактерий могут приносить здоровью человека, домашних животных и культурных растений огромный вред, а именно вызывать такие инфекционные заболевания как дизентерию, туберкулез, холеру, бронхит, бруцеллез и сибирскую язву (животные), бактериоз (растения).

Существуют бактерии, приносящие человеку и его хозяйственной деятельности пользу. Люди научились использовать бактерии на промышленных производствах, изготовляя ацетон, этиловый и бутиловый спирт, уксусную кислоту, ферменты, гормоны, витамины, антибиотики, белково-витаминные препараты. Очищающая способность бактерий применяется на водочистных сооружениях, для очистки сточных вод и превращения органики в безвредные неорганические вещества. Современные достижения генных инженеров позволили получать такие лекарственные препараты как инсулин, интерферон из бактерии кишечной палочки, кормовой и пищевой белок из некоторых бактерий. В сельском хозяйстве используют специальные бактериальные удобрения, также с помощью бактерий фермеры борются с различными сорняками и вредными насекомыми.

(Бактерии любимое блюдо инфузории туфельки )

Бактерии участвуют в процессе дубления кожи, сушки табачных листьев, с их помощью изготовляют шелк, каучук, какао, кофе, замачивают коноплю, лен, выщелачивают металлы. Они участвуют в процессе изготовления лекарств, таких сильнейших антибиотиков как тетрациклин и стрептомицин. Без молочнокислых бактерий, вызывающих процесс брожения, невозможен процесс приготовления таких молочных продуктов как простокваша, ряженка, ацидофилин, сметана, масло, кефир, йогурт, творог. Также молочнокислые бактерии участвуют в процессе засолки огурцов, квашении капусты, силосовании кормов.