Микробиологические методы очистки воды

Микробиологические методы очистки воды
Мир бактерий и бактериология
Бактерии (от греч. bacterion - палочка) - это наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов, представляющих собой большой и чрезвычайно разнообразный мир микроскопических существ.
К настоящему времени описано около 10000 видов бактерий, но предполагается, что их существует свыше миллиона.
Впервые бактерий увидел в оптический микроскоп и описал в 1676 году голландский натуралист Антоний ван Левенгук. Как и всех микроскопических существ, он назвал их «анималькули».
Название «бактерии» ввёл в употребление в 1828 году Христиан Эренберг.
Прокариоты - организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра. К ним относятся все бактерии, включая архебактерий и циано-бактерий. Аналог ядра прокариотов представляет собой структуру, состоящую из ДНК, белков и РНК.
До конца 1970-х годов термин «бактерия» был синонимом прокариотов (клетки, не имеющие оформленного ядра), но в 1977 году, на основании данных молекулярной биологии, прокариоты были разделены на архебактери (бактерии с дефектной клеточной стенкой) и эубактерии (настоящие бактерии).
Впоследствии, чтобы подчеркнуть различия между ними, они были переименованы в археи и бактерии. Хотя до сих пор под бактериями часто понимают всех прокариотов.

Микробиологические методы очистки воды
Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Систематика - распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством.
Таксоны – это упорядоченные группы микроорганизмов, объединенные по однородным свойствам.
Систематика занимается всесторонним описанием видов микроорганизмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы - таксоны.
Основные цели систематики микроорганизмов:
1) наименование микроорганизма, в т.ч. описание таксонов;
2) определение места микроорганизма в системе;
3) экстраполяция, т.е. предсказание признаков микроорганизма, основывающееся на том, что он относится к тому или иному таксону.
Например, если на основании тинкториальных свойств бактерии, мы отнесли ее к грамположительным микроорганизмам, то мы можем предположить, что такая бактерия имеет толстую клеточную стенку и относится к отделу фирмикутов (жесткие).
Другими словами, основная цель систематики - идентифицировать микроорганизм.

Микробиологические методы очистки воды
Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Систематика микроорганизмов предполагает, что:
окружающее нас разнообразие микроорганизмов имеет определённую внутреннюю структуру;
эта структура организована иерархически, т.е. разные таксоны последовательно подчинены друг другу;
эта структура познаваема до конца, а значит, возможно построение полной и всеобъемлющей системы микромира.
Таксономия – (от греч. - строй, порядок, закон) – это учение о принципах и практике классификации и систематизации.
Каждый таксон должен иметь определённый ранг, то есть относиться к какой-либо таксономической категории.
Этот принцип построения системы получил название Линнеевской иерархии, по имени шведского натуралиста Карла Линнея, труды которого были положены в основу традиции современной научной систематики.

Микробиологические методы очистки воды
Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Классификация микроорганизмов (корневой таксон) – это распределение микроорганизмов по сходным или отличительным признакам в упорядоченные группы.
Классификация микроорганизмов является одним из наиболее трудных разделов микробиологии. Чем полнее наши сведения об организмах, тем точнее мы их классифицируем.
Современная классификация микроорганизмов построена по иерархическому принципу.
Различные уровни иерархии (таксономические категории, ряды, ранги) имеют собственные названия (от высших к низшим): царство, отдел, класс, порядок, семейство, род, вид.
Принято, что любой конкретный микроорганизм должен последовательно принадлежать ко всем 7 категориям.

Микробиологические методы очистки воды
Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Царство (лат. regnum) – это иерархическая ступень научной классификации микроорганизмов, таксон самого высо­кого уровня среди основных.
Исторически выделяют пять царств живых организмов:
животные;
растения;
грибы;
бактерии;
вирусы.
С 1977 года к ним присоединены ещё два царства:
протисты;
археи.
С 1998 выделяют ещё одно:
хромисты.

Микробиологические методы очистки воды
Современная классификация живой природы
по Кавалье-Смиту
Современная классификация живой природы по Кавалье-Смиту (1998) делит ее на
2 домена и 7 царств:

Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Отдел (лат. divisio) - один из высших рангов таксономиче­ской иерархии в микробиологии. В иерархии таксономических категорий отдел находится выше класса и ниже царства.
Названия отделов, как и названия других таксонов, ранг которых выше рода, являются униномиальными, то есть состоят из одного слова – существительного, или прилагательного, используемого как существительное, во множественном числе, написанного с заглавной буквы.
Класс (лат. classis) — один из основных рангов иерархической классификации в биологической систематике.
В иерархии систематических категорий класс стоит ниже отдела и выше порядка.
Названия классов, как и названия других таксонов, ранг которых выше рода, являются униномиальными.
Порядок (лат. ordo) - один из основных рангов иерархической классификации. В иерархии систематических категорий стоит ниже класса и выше семейства.
В бактериологии для названия порядков используется стандартизированное окончание –ales.
Карл Линней высказал мнение, что «порядок есть подразделение классов, вводимое для того, чтобы не разграничивать роды в числе большем, чем их легко может воспринять разум».
Микробиологические методы очистки воды
Семейство (лат. familia) - один из основных рангов иерар­хической классификации в биологической систематике. В иерархии систематических категорий семейство стоит ниже порядка и выше рода.
Названия семейств образуются по правилам, регулируемым международным кодексом номенклатуры бактерий. Название семейства образуется от названия типового рода, к основе которого добавляется стандартное окончание -aceae.

Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Вид (лат. species) - таксономическая, систематическая единица, группа особей с общими морфофизиологическими, биохимическими и поведенческими признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду поколений плодовитое потомство, закономерно распространённая в пределах определённого ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов внешней среды.
Вид - реально существующая единица живого мира, основная структурная единица в системе организмов.
В классификации микроорганизмов проблема вида является самой важной и трудной. Без определения вида нельзя строить классификацию.
Вид - совокупность микроорганизмов, имеющих единое происхождение и генотип, сходные морфологические и биологические свойства.
Вид у бактерий определяется суммой разнообразных при­знаков и свойств и представляет собой продукт эволюции живой материи, имеющий свою историю развития, формирования и стабилизации в результате приспособления к условиям существования.
Микробиологические методы очистки воды
Чистая культура - совокупность однородных микроорганизмов, выделенных на питательной среде, для которых характерно сходство биологических свойств.
Штамм - чистая культура микроорганизма, выделенная из определенного источника, и отличающаяся от других представителей вида.
Клон - совокупность потомков, выращенных из единственной микробной клетки.
В современных классификациях используют любой признак, лишь бы он выделялся и давал возможность распознать изучаемый микроорганизм.

Особенности систематики и номенклатуры
микроорганизмов
Идентификация микроорганизмов - определение видовой принадлежности выделенных микроорганизмов путем изучения и сравнения их основных биологических свойств с признаками, описанными в литературе (справочники, определитель Берги (Берджи) - широко известный справочник по микробиологии, подготовленный и регулярно переиздаваемый международным коллективом авторов).
Номенклатура микроорганизмов - присвоение упорядоченным группам микроорганизмов научных наименований.
Пример систематики патогенной лептоспиры:
Царство - Procariotae
Отдел - Gracilicutes
Класс - Scotobacteria
Порядок - Spirochetales
Семейство - Leptospiraceae
Род - Leptospira
Вид - Leptospira interrogans
Прокариоты (бактерии) делятся на 2 царства – собственно бактерии (эубактерии) и археи.
Микробиологические методы очистки воды

Морфология бактерий
Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицентов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны и размножаются поперечным делением.
Бактерии имеют разнообразную форму и размеры. В при­роде наиболее широко распространены тонкостенные грамотрицательные и толстостенные грамположительные бактерии.
Микробиологические методы очистки воды

Морфология бактерий
По внешнему виду среди бактерий различают шарообразные формы (кокки), извитые формы и палочки.
Микробиологические методы очистки воды

Морфология бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Палочковидные формы представлены бактериями, не образующими спор; бациллами – аэробными бактериями, образующими споры, диаметр которых равен толщине бактерии; клостридиями – анаэробными бактериями, образующими споры, диаметр которых больше толщины бактерий.
Монококки представляют собой одиночно расположенные шаровидные (кокковидные) бактерии, диплококки – соединенные вместе 2 бактерии, стрептококки – цепочка шаровидных бактерий, тетракокки – 4 соединенные вместе шаровидные бактерии, стафилококки – шаровидные бактерии, соединенные в виде грозди винограда, сарцины – кокки, уложенные в виде квадратных тюков.

Морфология бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Размеры бактерий варьируют в широких пределах.
1. Очень мелкие - до 0,1 мкм (микоплазмы, хламидии).
2. Мелкие - до 1,5 мкм (бруцеллы, стрептококки).
3. Средние - до 3,0 мкм (пастереллы, сальмонеллы).
4. Крупные - до 10,0 мкм (бациллы, клостридии).
Извитые формы представлены вибрионами – изогнутыми бактериями; спириллами – спиралевидными бактериями; спирохетами – бактериями, изогнутыми и закрученными в виде локона.

Формы бактерий
Микробиологические методы очистки воды

Строение бактериальной клетки
Микробиологические методы очистки воды
Строение бактериальной клетки характеризуется простотой, т.к. бактерии не имеют собственной энергетической системой и все питательные вещества и энергию получают из окружающей среды.
Схематическое изображение строения бактериальной клетки

Строение бактериальной клетки
Микробиологические методы очистки воды
Структурные компоненты бактериальной клетки делятся на обязательные (жизненно необходимые) и необязательные.
Обязательными структурными компонентами являются:
клеточная стенка;
цитоплазматическая мембрана;
цитоплазма;
рибосомы;
нуклеотид (ДНК).
Необязательные структурные компоненты:
капсула;
включения;
жгутики;
пили;
плазмиды;
споры.

Клеточная стенка бактерий
Микробиологические методы очистки воды
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 бактериофагов, макрофагов, фагоцитов, антител, 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.

Клеточная стенка бактерий
Микробиологические методы очистки воды
У бактерий имеется 2 типа строения клеточной стенки. В обоих случаях ее основу составляет пептидогликан - муреин.
У одних бактерий (1-й тип) он составляет до 90 % массы кле­точной стенки и образует многослойный (до 10 слоев) каркас, при этом муреин ковалентно связан с тейхоевыми кислотами. Такие бактерии при окраске по методу Грама прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового и йода, окрашиваются в сине-фиолетовый цвет и называются грамположительными.
У бактерий со 2-м типом строения клеточной стенки поверх 2-3 слоев пептидогликана муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по методу Грама не способны прочно удерживать комплекс генцианового фиолетового и йода и, соответственно, обесцвечиваются спиртом, прокрашиваясь дополнительным красителем - фуксином в розово-красный цвет. Они называются грамотрицательными.
а) б) в)
Грамотрицательные палочки (а), грамположительные кокки (б), смесь грамположительных и грамотрицательных бактерий

Клеточная стенка бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Грамположительная и грамотрицательная бактерии
В связи с различиями в строении клеточной стенки все бактерии делятся на 4 отдела:
грациликуты - бактерии с тонкой клеточной стенкой, грамотрицательные (к ним относятся различные извитые, палочковидные, кокковые формы бактерий, а также риккетсии и хламидии);
фирмикуты - бактерии с толстой клеточной стенкой, грам­положительные (к ним относятся палочковидные, кокковые формы бактерий, а также актиномицеты, коринебактерии и микобактерии);
тенерикуты – бактерии без клеточной стенки, имеющие трехслойную цитоплазматическую мембрану (микоплазмы);
мендозикуты – археи (экстремальлные бактерии), отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и рибосомальных РНК. Эта группа бактерий не обладает патогенными свойствами.

Строение цитоплазматической мембраны бактерий
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).
Микробиологические методы очистки воды
1 - молекулы липидов:
а – гидрофильная "голова";
б - гидрофобный "хвост";
Строение цитоплазматической мембраны бактерий
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) обеспечивает:
- селективную проницаемость и транспорт растворимых веществ в клетку;
- транспорт электронов и окислительное фосфорилирование;
- выделение гидролитических экзоферментов;
- биосинтез различных полимеров.
ЦПМ отделяет цитоплазму от клеточной стенки, служит осмотическим барьером клетки, регулирует транспорт веществ. Нередко она образует впячивания - мезосомы.
С ЦПМ и её производными связан также биосинтез клеточной стенки, спорообразование и т.д. К ней прикреплены жгутики, геномная (хромосомная) ДНК.
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).
2 - молекулы белков:
в – интегральная;
г – периферическая;
д - поверхностная

Бактерии, образующие капсулу
Капсула бактерий - это утолщенный наружный слой клеточной стенки, представляющий собой слизистое образование.
Микробиологические методы очистки воды
Бактерии, образующие капсулу
Основные свойства капсулы бактерии:
различима в мазках-отпечатках и при специальных методах окраски;
гидрофильна;
предохраняет бактерию от фагоцитоза, бактериофагов, антибиотиков и др. неблагоприятных факторов;
источник запаса питательных веществ для бактерий;
препятствует высыханию бактерии.
Основное предназначение капсул - защита бактерий от фагоцитоза.
Капсулы могут быть состоять из полисахаридов (пневмококки) или белков (возбудитель сибирской язвы).
Большинство бактерий, особенно патогенных, образует капсулу только в организме человека или животных. Однако существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственных питательных средах.
Некоторые бактерии могут образовывать микрокапсулу (выявляется только при электронной микроскопии), например, эшерихии, микобактерии.

Споры бактерий
Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды.
Споры располагаются внутри бактериальной клетки терминально, субтерминально, центрально, иногда латерально.
Микробиологические методы очистки воды
1 2 3 4 5 6 7
Расположение спор:
1, 4 – центральное; 2, 3, 5 – терминальное; 6 – латеральное; 7 – субтерминальное
В процессе спорообразования бактериальная клетка почти полностью теряет воду, сморщивается, клеточная стенка уплотняется. Появляется новое вещество - дипиколинат кальция, которое образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрафиолетовых лучей.
В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами, но при попадании в благоприятные условия спора впитывает влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается, и спора превращается в вегетативную (способную размножаться) клетку. Бактерии в споровой форме не размножаются.
Поэтому, спору следует рассматривать не как способ размножения, а только как форму существования бактериальной клетки в неблагоприятных условиях.

Этапы спорообразования у бацилл
Микробиологические методы очистки воды
Этапы спорообразования у бацилл
I - вегетативная клетка: II - инвагинация ЦПМ; III - образование споровой перегородки (септы); IV - формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V - сформиро­ванная проспора; VI - формирование кортекса; VII - формирова­ние покровов споры; VIII - лизис материнской клетки;
IX - свободная зрелая спора; Х - прорастание споры.
1 - нуклеоид; 2 - цитоплазма; 3 - ЦПМ; 4 - клеточная стенка; 5 - споровая перегородка; 6 - наружная мембрана споры; 7 - внутренняя мембрана споры; 8 - кортекс; 9 - покровы споры.

Жгутики бактерий
Микробиологические методы очистки воды
По своему строению жгутики представляют собой спи­рально закрученные нити, состоящие из специфического белка флагеллина, который по своей структуре относится к сократи­тельным белкам типа миозина.
Количество и расположение жгутиков у разных бактерий неодинаково, в связи с чем бактерии подразделяются на 4 группы:
1. Монотрихии.
2. Лофотрихии.
3. Амфитрихии.
4. Перитрихии.
Монотрихии имеют только один жгутик (род Vibrio), ло­фотрихии - пучок жгутиков на одном полюсе клетки (род Pseudomonas), у амфитрихов жгутики (один или пучок) распо­ложены на обоих полюсах клетки (род Spirillum), у перитрихов жгутики расположены по всей поверхности клетки (род Escherichia, Salmonella).
Многие бактерии имеют жгутики.
Характеристика жгутиков:
органоиды движения (скользящее, плавающее) бакте­рий;
способность прикрепляться к поверхностям;
белковая природа;
тонкие, длинные;
состоят из спиральной нити, крюка и базального тельца.

Жгутики бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Монотрихии Амфитрихии Лофотрихии
Перитрихии
Расположение жгутиков у бактерий

Ворсинки бактерий
Микробиологические методы очистки воды
На поверхности ряда бактерий обнаружены белковые об­разования – ворсинки (фимбрии, пили, микроворсинки).
Характеристика ворсинок:
прямые белковые цилиндры;
слипание бактерий между собой;
прикрепление бактерий к поверхностям;
адгезия (прилипание к эукариотам);
транспорт метаболитов;
агглютинация эритроцитов;
половые sex-пили для конъюгации.
Ворсинки у бактерий
Ворсинки отходят от по­верхности клетки и состоят из белка, называемого пилином.
Различают более 60 видов ворсинок, из которых наиболее изу­чены F-pili (половые пили) и common pili (пили, ответственные за адгезию).

Хромосомная ДНК бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (нуклеоид, хромосомная ДНК).
ДНК бактерии представлена кольцевой двунитиевой молекулой, длиной около 1 мм, которая свободно располагается в цитоплазме в центральной зоне клетки, прикрепившись в одной точке к цитоплазматической мембране.
Хромосомная ДНК, выделенная из бактерии
При делении бактериальной клетки ДНК удваивается сразу целиком, поэтому бактерии - гаплоидные организмы, т.е. они имеют 1 хромосому. В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явле­ние доминантности.
Хромосомную ДНК бактерий можно наблюдать в электронный или фазово-контрастный микроскоп, где она выглядит как менее плотный участок цитоплазмы.

Плазмиды бактерий
Микробиологические методы очистки воды
Плазмида – это внехромосомный фактор наследственности бактерий, представляющий собой кольцевую цитоплазматическую молекулу ДНК, в которой закодирована информация о 2-5 свойствах бактериальной клетки.
Плазмиды имеются только у бактерий и содержат структурные гены, наделяющие бактери­альную клетку важными для нее свойствами:
• R-плазмиды - лекарственной устойчивостью;
• Col-плазмиды - способностью синтезировать колицины;
• F-плазмиды - передавать генетическую информацию;
• Шу-плазмиды - синтезировать гемолизин;
• Тох-плазмиды - синтезировать токсин;
• плазмиды биодеградации - разрушать тот или иной субстрат и т. д.
Плазмиды внутри бактериальной клетки
Плазмиды могут встраиваться в хромосомную ДНК в строго определенные участки, а могут существовать автономно. В этом случае они обладают способностью к удвоению, поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 и более копий такой плазмиды.
Многие плазмиды способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией).

Сходства и отличия в строении эукариотов
и прокариотов
Микробиологические методы очистки воды
Бактерии – наиболее просто устроенные клетки, которые не содержат многих структурных элементов и органелл, свойственных эукариотам.
Общими структурными компонентами бактерий и эукариот являются хромосомная ДНК, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы.
Одной из отличительных особенностей бактерий является то, что они способны синтезировать разнообразные ферменты, необходимые им для утилизации питательных субстратов и приспособления к неблагоприятным факторам окружающей среды.