КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА 1

МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП

Морфология микроорганизмов изучает форму и строение их клеток, способы передвижения и размножения. Микроорганизмы различаются по внешнему виду и по размерам. Строение клеток микроорганизмов также различно, в связи с чем они относятся к различным систематическим группам.

Все живые организмы на Земле , имеющие клеточное строение, делят на два надцарства: прокариоты и эукариоты. Это деление живых организмов основано главным образом на особенностях строения ядерного аппарата. В клетках прокариот ядро отсутствует. Ядерный аппарат их представлен молекулой ДНК, расположенной в ядерной зоне непосредственно в цитоплазме. Клетки эукариот имеют ядро, отделенное от цитоплазмы двойной ядерной мембраной.

БАКТЕРИИ

Известно около 4000 видов бактерий. Их разнообразие особенно выражено в отношении физиолого-биохимических свойств. В опреде­ленной степени оно проявляется и в морфологии.

Величина клеток различных бактерий сильно варьирует. Размеры многих бактериальных форм находятся в пределах 0,5-10 мкм. Одна­ко величина ряда бактерий не укладывается в эти границы. Среди них есть немало относительно крупных форм, есть и крайне мелкие формы. Значительной длины достигают, например, нитчатые бактерии рода Beg­giatoa - до 60 мкм и более и Saprospira - до 500 мкм. Это одни из наиболее крупных бактерий. Гигантские формы встречаются среди спирохет: длина некоторых достигает 500 мкм. Мельчайшие из извест­ных организмов клеточного строения – микоплазмы. Размеры отдель­ных форм микоплазм не превышают 0,1-0,2 мкм, что лежит на грани­це или даже за пределами разрешающей способности светового ми­кроскопа. У одного и того же вида бактерий размеры клеток могут в большей или меньшей степени варьировать в зависимости от возраста культур и (или) от условий культивирования. У многих бактерий особенно заметно меняется длина клетки. Диаметр клеток является более устойчивым признаком.

Основная масса бактерий - одноклеточные организмы. Но неред­ко клетки после деления не расходятся и образуют сочетания различ­ной формы, которая определяется расположением делящей перегород­ки. Эти сочетания не равноценны многоклеточным организмам, так как каждая клетка в них автономна и может существовать самостоятельно после отделения от остальных клеток.

Бактерии, за исключением микоплазм, имеют определен­ную форму клетки. У боль­шинства бактерий она поддерживается благодаря прочной (ригидной)

клеточной стенке. Клеточная стенка спирохет эластична, и их извитая форма поддерживается с помощью аксиальных фибрилл, расположенных под кле­точной стенкой. Форма клетки многих бактерий отличается постоян­ством и сохраняется в течение всей жизни. Но есть бактерии, у кото­рых наблюдается более или менее выраженный плеоморфизм. Нередко он отражает стадии цикла развития микроорганизма. В этом случае обнаруживается упорядоченное, регулярное чередование определенных форм. Изменения морфологии могут происходить и под влиянием условий культивирования. Полиморфность микоплазм связана с отсутст­вием у них клеточной стенки.

Морфологические типы бактерий по сравнению с высшими организмами немногочисленны. Клетки значительной части бактерий имеют сферическую, цилиндрическую или спиралевидную форму. Сущест­вует обширная группа ветвящихея бактерий, сравнительно небольшое количество нитчатых форм и бактерий, образующих выросты (простеки).

Сферические бактерии - кокки. Под микроскопом они имеют форму шара. Многим коккам свойственно образование различных сочета­ний (рис. 2). Кокки, делящиеся в одной плоскости и одном направле­нии, могут образовывать пары (диплококки) или цепочки (стрептокок­ки) клеток. Когда деление происходит равномерно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, возникают группы

Рисунок 2. Сочетания кокков: 1 – диплококки; 2 – стрептококки; 3 – тетракокки и сарцины; 4 – стафилококки и микрококки

из четырех клеток­ – тетракокки, а если в трёх, то образуют пакеты правильной формы – сарцины. При неравномерном делении в нескольких плоскостях наблюдаются скопления неправильной формы, напоминающие гроздь ви­нограда. Они свойственны представителям стафилококков и микрокок­ков. Микрококками часто называют и одиночные шаровидные клетки.

Под влиянием различных факторов среды некоторые кокки могут пре­вращаться в овальные, конические и эллипсоидные клетки.

Цилиндрические (палочковидные) бактерии под микроскопом име­ют вид палочек. Это одна из наиболее многочисленных групп бактерий. Разные виды могут заметно отличаться друг от друга размерами кле­ток. Одной из самых крупных палочковидных бактерий является Васilllus megaterium. Ее длина 5-10 мкм, поперечник около 1 мкм. К наи­более коротким относятся риккетсии, размеры которых могут быть всего 0,3 Х 1,0 мкм. В тех случаях, когда длина лишь ненамного превы­шает диаметр клетки, палочки трудно отличить от кокков. Концы палочек бывают пря­мыми, округлыми или заострёнными (рис. 3).

Рисунок 3. Палочковидные бакте­рии: 1 - Pseudomonas aerugi­nosa; 2 - Bacillus mycoides; 3 – Васillus megaterium; 4 – Cytophaga

Палочковидные бактерии нередко образуют пары или цепочки клеток. Парные сочетания клеток наблюдаются, например, у опреде­ленных видов рода Pseudomonas, длинные цепочки можно увидеть в культуре Bacillus mucoides. Для ряда палочковид­ных бактерий характерен выраженный плеоморфизм.

Изменение формы, связанное с развитием бактерий, наблюдается у видов Azotobacter и Rhizobium; у миксобактерий и риккетсий. Так уже в молодой культуре азотобактера можно видеть клетки не только палочковидной, но и овальной или кокковидной формы. Они часто со­единяются попарно или образуют скопления, а иногда цепочки из 4 и более клеток. В старых культурах преобладают крупные округлые, не­правильной формы покоящиеся клетки-цисты .Риккетсии, помимо коротких пало­чек длиной 1-1,5 мкм могут быть представлены кокками диаметром менее 0,5 мкм, длинными палочками - 3-4 мкм, или причудливо изо­гнутыми нитями, длина которых достигает 40 и более микрометров. Есть бактерии, у которых изменение формы клетки связано со спорооб­разованием.

В неблагоприятных условиях в культурах многих палочковидных бактерий возникают различные дегенеративные формы с признаками лизиса, гранулированием содержимого, большими вакуолями и др. Это можно наблюдать, например, в культуре Bacillus megaterium (рис. 3).

Извитые одноклеточные бактерии бывают трех типов: вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы выглядят как слегка изогнутые палочки, похожие на запятую (рис. 4). В пpoцecce развития некоторые из них могут менять форму клеток. Так, паразиты бактерий Bdellovib­rio при развитии в периплазматическом пространстве клетки хозяина становятся спиралевидными. Впоследствии спиралевидные клетки рас­падаются на вибрионы. Спириллы похожи либо на латинскую букву S, либо на штопор, т. е. имеют несколько правильных завитков. Спирохе­ты имеют вид тонких спиралевидных клеток с многочисленными завитками и петлями. Длина клеток спиро­хет превышает толщину в 5 - 200 раз. Спирохеты нередко образуют аномаль­ные формы - гранулы, сфероиды и др.

Рисунок 4 Извитые формы: 1 – вибрионы; 2 – спириллы; 3 – спирохеты

Бактерии, образующие выросты (про­стеки). Основную часть этой группы со­ставляют бактерии, у которых простеки - это выпячивания клеточного содер­жимого, окруженного клеточной стенкой цитоплазматической мембраной и не отде­ленного от клетки перегородкой. У одних бактерий, например у видов рода Hyphomicrobium, образование выро­стов связано с размножением. Клетки представителей этого рода чаще имеют вид палочек с заостренными концами, но бывают также оваль­ной, яйцеобразной или бобовидной формы. Нитевидные выросты обра­зуются на одном или обоих полюсах клетки. Bыросты могут ветвиться, давая гифо­подобные структуры. На конце каждой ветви формируется почка, являющаяся до­чернеи клеткой. Иногда созревшие почки не отделяются от материнской клетки и тоже образуют выросты и почки. Тогда возникает скопление гиф и клеток (рис. 5).

Рисунок 5 Бактерии, образующие выросты: 1 – Caulobacter; 2 – Hyphomicrobium; 3 – Ancalomicrobium; 4 – Gallionella

У других бактерий простеки не имеют отношения к размножению. К таким бактериям принадлежат, например, виды рода Caulobacter и Ancalomicrobium. Клетки Caulobacter – это слегка изогнутые палочки с одним полярным жгутиком. Сравни­тельно короткий вырост - стебелек возникает на одном полюсе клетки. На конце стебелька имеется небольшое утолщение из липкого материала - фик­сатор. С его помощью клетки прикрепляются к какому-либо субстрату, а иногда друг к другу. В последнем случае образуются характерные скопления. У видов Аnса­lomicrobium на клетке неправильной формы возникает несколько про­стеков - от 2 до 8. Клетка приобретает причудливый звездообразный вид.

Иногда к стебельковым относят бактерии, образующие слизистые придатки, не связанные с цитоплазмой клетки. Это, например, виды Gallionella, бобовидные клетки которой выделяют с вогнутой стороны слизь в виде тонкой нити. Под микроскопом такая нить выглядит как спирально изогнутая лента.

Рисунок 6. Нитчатые бактерии: 1 - Beggiatoa; 2 - Thiothrix; 3 - Saprospira; 4 - Si­monsiella; 5 - Caryophanon; 6 - цианобактерии класса Hormogoneae; 7 - Leptothrix; 8 - Sphaerotilus; 9 - Crenothrix

Нитчатые бактерии. Это сравнительно небольшая группа много­клеточных организмов. Они представляют собой цепочки (трихомы) из цилиндрических, овальных или дисковидных клеток. Типичными пред­ставителями нитчатых форм являются бактерии родов Beggiatoa и Thiothrix (рис.6). Их нити имеют равную толщину на всем протяже­нии. Трихомы видов Thiothrix собраны в пучки и прикрепляются осно­ванием к субстрату. Нити Leucothrix, подобно Thiothrix, большей ча­стью также растут пучком, прикрепляясь к твердой поверхности, но, в отличие от Thiothrix, они сужаются к концу.

Трихомы видов Saprospira скручены в виде спирали, а у видов Simоnsiella они уплощены и похожи на ленты. У ви­дов Caryophanoп поперечные клеточные стенки большинства составляющих нити клеток не сплошные, так как их формирование отстает от роста трихома. Нитчатые бактерии относятся к крупным микроорганизмам. Так, длина нитей некоторых представителей рода Caryophanon достигает 40 мкм, а толщина 4 мкм. Нити зеленых бактерий группы Chloroflexus могут иметь длину 300 мкм. Особенно длинные трихомы образуют, как уже отмечалось, виды Beggiatoa и Saprospira (до 500 мкм).

Ветвящиеся бактерии. К этой многочисленной группе относятся истинные актиномицеты, нокардии, микобактерии, коринеподобные бак­терии и ряд других организмов. Истинные актиномицеты имеют сильноразветвленный мицелий, сохраняющийся в течение всей жизни, что де­лает их внешне сходными с мицелиальными грибами (рис. 7). Однако общая длина нитей актиномицетов обычно не превышает нескольких миллиметров, а толщина составляет всего 0,5-1,5 мкм, тогда как дли­на грибного мицелия достигает нескольких сантиметров, а диаметр мо­жет быть около 50 мкм. У представителей рода Streptomyces в мице­лии образуются перегородки, но их мало, поэтому составляющие его клетки в основном многоядерные. Мицелий большинства актиномицетов лишен перегородок, и этим он напоминает многоядерный несептирован­ный мицелий фикомицетов.

Рисунок 7. Мицелий актиномицета (1) и гриба (2) при одинаковом увеличении

У нокардий и микобактерий мицелиальный тип развития имеет временный и часто ограниченный характер. Виды рода Nocardia обра­зуют обильный, недифференцированный мицелий на начальных стади­ях развития. В дальнейшем он распадается на палочковидные или сфе­рические фрагменты.

Микоплазмы. Это довольно большая группа бактерий, у которых нет клеточной стенки. Поэтому они очень полиморфны. В культуре од­ного вида можно одновременно обнаружить мелкие зерновидные обра­зования, кокковидные, эллипсовидные, грушеобразные, дисковидные, палочковидные и даже разветвленные и неразветвленные нитевидные формы (рис. 8). Размеры крупных клеток микоплазм достигают 10 мкм, а величина мелких структур не превышает 0,1 мкм.

Рисунок 8. Микоплазмы. Схема электронной микрофотографии

Большинство бактерий размножаются путем бинарного поперечно­го изоморфного деления. Такой способ размножения свойствен кок­кам, многим палочковидным формам и вибрионам, спириллам, спиро­хетам, некоторым нитчатым бактериям. Клетки основной массы бакте­рий делятся в одной плоскости. У многих кокков деление происходит в нескольких плоскостях. Расходящиеся после деления клетки большинства бактерий располагаются одна за другой или беспорядоч­но, а у видов Arthrobac­ter и Corynebacteriuт под углом друг к другу. Если после де­ления клетки не расхо­дятся, то наблюдается образование различных скоплений клеток - пар, цепочек, пакетов и другие. В ряде случаев имеет место неравномерное де­ление. Фрагментацией мицелия или его руди­ментов на палочки и кок­ки размножаются, напри­мер, виды Nocardia и Mycobacteriuт. Размножение распадом нитей на участки наблюдается у Beggiatoa и Sapro­spira. Две неодинаковые клетки - одна подвижная со жгутом, но без простеки, а другая неподвижная без жгутика, но со стебельком - об­разуются при делении клеток Caulobacter (рис. 9). К делению спо­собны только неподвижные клетки с простекой.

Некоторые бактерии (виды Hyphoтicrobiuт и Rhodopseudoтonas, Ancaloтicrobiuт и др.) размножаются почкованием. У Rhodopseudo­тoпas и Aпcaloтicгobiuт почки формируются прямо на поверхности клеток, а у Hyphoтicrobiuт - на концах гиф .

Рисунок 9. Схема роста и деления клеток Caulobacter

Рисунок 10. Гонидии (1) и гормогонии (2) нитчатых бактерий

У бактерий известны и более сложные способы размножения. Нит­чатые цианобактерии класса Chaтaesiphoneae и бактерии родов Thio­thrix, Caryophanon, Sphaerotilus, Leptothrix, Leucothrix размножаются с помощью специальных репродуктивных одиночных подвижных кле­ток - гонидий (рис. 10), которые образуются в результате многократ­ного деления концевых клеток нити. Подвижность гонидий связана с наличием у них жгутиков. Для нитчатых цианобактерий класса Horтogoпeae характерно размножение гормогониями. Это короткие цепочки, возникающие, как и гонидии, при делении клеток нити. Они не имеют жгутиков и перемещаются скольжением благодаря выделе­нию слизи. Размножение гормогониями наблюдается также у видов Leucothrix.

Актиномицеты размножаются главным образом подвижными или неподвижными спорами (конидиями). Конидии располагаются пооди­ночке или цепочками, непосредственно на мицелии, на концах споро­носящих гиф - спорангиеносцах (спорангиофорах) или в специальных органах спороношения - спорангиях. Спорангиеносцы (и соответствен­но цепочки спор) разных видов различаются между собой. Они могут быть длинными или короткими, прямыми, волнистыми или спиралевидными; иметь последовательное, супротивное или мутовчатое располо­жение (рис. 11). Спорангии бывают сферической или неправильной формы (рис. 12), в них формируются эндогенные споры.

Существует немало бактерий, которые могут размножаться не­сколькими способами. Например, представители рода Rhizobiuт размножаются делением и почкова­нием, актиномицеты - спорами и кусочками вегетативного мицелия. Нитчатые цианобактерии размно­жаются гонидиями или гормогония­ми, а также путем распада трихо­ма на отдельные участки, бактерии рода Chloroflexus - бинарным де­лением и участками нити. Caryophanon и Sphaerotilus - с помощью гонидий и поперечным изоморфным делением трихома, Leucothrix­ гонидиями и гормогониями. У микоплазм можно наблюдать бинарное деление, фрагментацию нитей и крупных клеток до кокков, а также процесс, напоминающий почкование.

Рисунок 11 Форма воздушных спороносцев у актиномицетов

Рисунок 12. Спорангии актиномицетов: 1 – Actinoplanes; 2 – Amorphosporangium; 3 - Spirillospora

Многие бактерии неподвижны. Неподвижными являются почти все кокки, более 50% палочковидных бактерий, почкующиеся и ветвящи­еся бактерии, значительная часть нитчатых форм, риккетсии, мико­плазмы. Способностью к движению обладает примерно 1/5 часть бакте­рий. Подвижность большинства из них обусловлена наличием специ­альных локомоторных структур - жгутиков. Жгутики обнаруживаютсяу некоторых кокков (отдельные пред­ставители рода Methylococcus), ряда палочковидных бактерий (виды Bacil­lus, Clostridiuт, Pseudoтoпas, Rhizo­bium, Azotobacter, Escherichia и др.), у вибрионов и спирилл, у нитчатых бактерий рода Caryophanon. У бактерий некоторых групп специальные репродуктивные клетки со жгутиками ­появляются только в определенной ­стадии развития. Это подвижные клетки каулобактерий, гонидии большинства нитчатых организмов, споры (конидии) некоторых актиномицетов (виды Actinoplaпes и Geoderтato­pftilus).

Рисунок 13. Типы жгутикования у бактерий: 1 – монотрихиальное; 2 – лофотрихиальное; 3 – латеральное; 4 – амфитрихиальное; 5 – перитрихиальное; 6 – «смешанное» полярно - перитрихиальное

Жгутики берут начало под цитоплазматической мембраной и через поры мембраны и клеточной стенки выходят наружу. У разных бактерий длина жгутиков колеблется от 3 до 20 мкм, толщина - от 10 до 20 им, а их число - от 1 до 100. Жгутики могут быть расположены монополярно, биполярно, вдоль боковой или по всей поверхности клетки (рис. 13). Клетки некоторых бактерий имеют одновременно два раз­ных набора жгутиков: полярные и перитрихиальные, различающиеся по длине и толщине.

Наличие, число, размеры и расположение жгутиков имеют диаг­ностическое значение. Например, виды рода Vibrio снабжены одним по­лярным жгутиком, у Selenoтonas один жгутик прикрепляется сбоку. Для представителей рода Pseudoтonas характерно монотрихиалыюе или лофотрихиальное монополярное жгутикование, а для спирилл ­лофотрихиальное моно- и биполярное. Перитрихиальное расположение жгутиков свойственно видам Clostridium, Escherichia, Rhizobium, Саryophanon и др. Нередко в пределах одного рода бактерий обнаружи­ваются подвижные и неподвижные виды, а у подвижных форм может быть разный тип жгутикования. Так, у подвижных представителей рода Bacillus жгутики расположены латерально или перитрихиально.

Активное движение большинства бактерий, обладающих жгути­ками, возможно только в жидкой среде. Однако некоторые бактерии - перитрихи могут передвигаться и по твердому субстрату. К ним отно­сится, например, Proteus vulgaris, который довольно быстро распрост­раняется по поверхности. влажной агаризованной среды, образуя об­ширный тонкий налет. Движение жгутиконосных бактерий наблюдает­ся преимущественно в молодых культурах. С возрастом клетки посте­пенно теряют жгутики и становятся неподвижными, хотя и сохраняют жизнеспособность.

К подвижным формам относятся спирохеты, миксобактерии, мно­гие нитчатые цианобактерии и флексибактерии, не имеющие жгутиков.

Они способны передвигаться по твердому или полутвердому субстрату

путем скольжения. Спирохеты могут перемещаться и в жидкой среде

вращательными, легкими волнообразными движениями. Скользящее

движение обусловлено, возможно, неравномерным выделением слизи

через поры клеточной стенки. Подвижность спирохет и некоторых мик­собактерий (виды Myxococcus) связывают также с сокращением аксиальных микрофибрилл, расположенных под клеточной стенкой (у спирохет) или под цитоплазматической мембраной (у миксобактерий).

К покоящимся формам бактерий относятся эндоспоры, цисты, аки­неты. Они позволяют клетке более или менее длительное время пере­носить неблагоприятные условия. В условиях, подходящих для роста, покоящиеся формы развиваются в обычную вегетативную клетку.

Эндоспоры. Способностью образовывать эндоспоры обладают па­лочковидные бактерии, относящиеся к родам Bacillus, Clostridiuт и

Desulfotoтaculuт, а также некоторые кокки (род Sporosarcina) и тер­мофильные актиномицеты рода Therтoactinoтyces. Спорообразование представляет собой сложный процесс дифференцировки, начинающийся в культуре, когда она переходит в стационарную фазу роста и когда создаются условия, индуцирующие его. Эти условия весьма разнообраз­ны: дефицит питательных веществ в среде, накопление продуктов ме­таболизма, изменение кислотности среды, температуры и др. В резуль­тате внутри вегетативной клетки образуется новая клетка - эндоспора, полностью отличающаяся от материнской по структуре, химическому составу и физиологическим свойствам. Эндоспоры одеты толстыми мно­гослойными труднопроницаемыми покровами и имеют очень низкое со­держание воды, поэтому при микроскопическом исследовании их легко узнать по высокой светопреломляющей способности.

Форма клеток многих бактерий в процессе спорообразования не меняется. Эндоспора локализуется в центре клетки, эксцентрально или (и) терминально, что зависит от вида бактерий. Это так называемый бациллярный тип спорообразования (рис. 14, 1). У ряда бактерий сере­дина клетки при формировании споры несколько расширяется, и клетка приобретает вид челнока или веретена. Спора располагается в утол­щенной части - в центре клетки или эксцентрально (рис. 14, 2). Это - клостридиальный тип спорообразования. У некоторых бактерий клетка при спорообразовании сильно расширяется и округляется на одном конце, становясь похожей на барабанную палочку. Спора локализуется в расширенном конце (рис. 14, 3). Такой тип спорообразования назы­вается плектридиальным. Бациллярный тип спорообразования свойст­вен многим представителям рода Bacillus, клостридиальный и плектри­диальный - в основном видам рода Clostridiuт. Нередко в культуре одного вида этого рода встречаются одновременно и клостридиальные и плектридиальные формы.

Рисунок 14. Типы образования эндоспор у бактерий: 1 – бациллярный; 2 – клостридиальный; 3 – плектридиальный

Эндоспоры бывают округлой, овальной или эллипсовидной формы. Их оболочка может быть гладкой или с выростами. Диаметр эндоспор ряда бактерий значительно превышает поперечник клетки. Тип спорообразования, а также форма, размеры и расположение эндоспоры в вегетативной клетке используются для диагностики бактерий.

В каждой вегетативной клетке формируется, как правило, только одна эндоспора. После созревания эндоспоры освобождаются вследст­вие лизиса материнских клеток и переходят в стадию покоя. Эндо­споры чрезвычайно устойчивы к различным неблагоприятным факто­рам и могут сохранять жизнеспособность в течение многих лет, пока не попадут в условия, способствующие их прорастанию.

Спорообразование - не обязательная стадия развития бактерий. Можно создать такие условия, в которых клетки не будут переходить к формированию спор.

Цисты обнаруживаются у миксобактерий, риккетсий, представите­лей родов Azotobacter, Bdellovibrio, Arthrobacter. Их образование про­исходит обычно на поздних стадиях развития бактерий и связано с не­благоприятными условиями культивирования - исчерпанием питатель­ного субстрата, загрязнением среды вредными продуктами обмена, вы­сушиванием и т. д. Цисты можно увидеть только в старых культурах.

Цисты бывают сферическими, овальными, неправильно округлыми или в виде сильно укороченных палочек. Чаще всего они крупнее вегетативных клеток . Иногда же по форме и размерам ци­сты почти не отличаются от них. У большинства бактерий цисты име­ют утолщенную клеточную стенку и уплотненную цитоплазму, поэтому они сильнее преломляют свет, чем вегетативные клетки. Цисты устой­чивее вегетативных клеток к неблагоприятным факторам, но уступают в этом эндоспорам.

Акинеты свойственны определенным видам нитчатых цианобакте­рий. Это крупные толстостенные клетки (рис. 15), возникающие либо из одной вегетативной клетки, либо путем слияния многих клеток. У не­которых цианобактерий акинеты обнаруживаются всегда и являются, вероятно, обязательной стадией развития, у других они образуются только в неблагоприятных условиях.

Рисунок 15. Акинеты (а) и гетероцисты ( Г) нитчатой цианобактерии Cylindrospermum

Клетки всех бактерий, за исключением микоплазм, покрыты снару­жи клеточной стенкой, толщина которой у разных видов колеблется в пределах 0,01-0,04 мкм. В соответствии с различиями в химическом составе клеточных стенок и их ультраструктуре, выражающимися в неодинаковой способности клеточных стенок удерживать красители трифенилметанового ряда с йодом, прокариотные микроорганизмы де­лятся на две группы. К одной относятся бактерии, в клетках которых комплекс, образуемый кристаллическим или генциановым фиолетовым и йодом, не обесцвечивается при последующей обработке спиртом. К другой группе принадлежат бактерии, не обладающие свойством удерживать краситель и обесцвечивающиеся при обработке спиртом. Этот способ дифференциальной окраски бактерий был предло­жен в 1884 году датским физиком Христианом Грамом. Бактерии, которые способны окра­шиваться по Граму, называются грамположительными, а не способные окраши­ватьсся - грамотрицательными. К первой группе относится боль­шинство кокковых форм, спорообразующие палочковидные бактерии родов Bacillus и Clostridium, нитчатые бактерии Сагуорhanon, ветвящи­еся бактерии. Ко второй приyадлежат различные палочковидные бакте­рии, не образующие эндоспор (роды Pseudoтonas, Escherichia и др.), простекобактерии, миксобактерии, риккетсии, многие нитчатые формы, спириллы, спирохеты, некоторые кокки и др. Химический состав и стро­ение клеточных стенок грамотрицательных микроорганизмов значитель­но сложнее, чем грамположительных.

С особенностями химического состава клеточных стенок связыва­ют и кислотоустойчивость микобактерий. Она выражается в способности клеток, фиксированных и окрашенных при подогревании карболо­вым фуксином, прочно удерживать окраску после обработки раство­ром минеральной кислоты или подкисленным спиртом .

Определенными способами, например, под действием лизоцима, бактериальные клетки могут быть лишены клеточных стенок. В таком виде они способны существовать только в изотонической питательной среде.

Клеточная стенка многих бактерий снаружи может быть окруже­на слизистым слоем - капсулой. Капсулы бывают полисахаридной, иногда гликопротеидной или полипептидной природы. Капсулы толщиной менее 0,2 мкм, неразличимые в световом микроскопе, называют микрокапсулами. Капсула и кле­точная стенка являются поверхностными структурами бактериаль­ной клетки, к которым относят также жгутики и обнаружи­ваемые у многих подвижных и неподвижных бактерий ворсинки (фим­брии, пили). Ворсинки короче и тоньше большинства жгутиков – их длина 3-4 мкм, диаметр 4-35 нм. Число ворсинок у разных бактерий бывает от нескольких единиц до многих тысяч. К подвижности бакте­рий они, по-видимому, не имеют отношения. Капсулы и ворсинки не яв­ляются необходимыми клеточными структурами. Бактерии нормально функционируют и без них.

Обязательной структурой любой клетки является цитоплазматиче­ская мембрана, которая отделяет цитоплазму от клеточной стенки. Толщина мембраны. 5-10 нм. При нарушении ее целостности клетки утрачивают жизнеспособность. Цитоплазма ряда бактерий пронизана мембранными структурами, которые являются производными цитоплаз­матической мембраны. У гетеротрофных бактерий их называют мезо­сомами. Они имеют вид пластинок (ламелл), пузырьков (везикул) или трубочек. Мезосомы могут быть расположены в зоне клеточного деле­ния, вблизи нуклеотида и на периферии клетки, недалеко от цитоплаз­матической мембраны. У грамположительных бактерий мезосомальные структуры развиты в большей степени, чем у грамотрицательных. У фототрофных бактерий мембранные образования в виде пузырьков называют хроматофорами, а уплощенной формы - тилакоидами. Есть бактерии, у которых мембранная система не обнаруживается.

Определенную область в цитоплазме бактериальной клетки зани­мает нуклеоид. Он состоит из одной двойной спирально закрученной нити ДНК, замкнутой в кольцо. Ядерный аппарат прокариот не име­ет ядрышка и не отделен от цитоплазмы мембраной. Через мезосомы нуклеоид связан с цитоплазматической мембраной. В период интенсив­ного деления в клетках ряда бактерий (Escherichia соli, Oscillatoria атоеnа) можно обнаружить несколько нуклеоидов.

В цитоплазме бактерий в свободном виде или в связи с мембран­ными структурами находятся рибосомы. Они имеют константу седи­ментации 70S, их размеры колеблются в пределах от 15 до 30 нм. Чис­ло рибосом может быть от 5 до 50 тыс., что зависит от возраста клет­ки и условий культивирования. Рибосом больше в молодых клетках.

В клетках различных бактерий часто обнаруживаются включения

запасных веществ. Это полисахариды, липиды, полифосфаты, сера. Они накапливаются при избытке тех или иных питательных веществ в окружающей среде, а расходуются при голодании. Из резервных полисахаридов особенно распространены глюканы: гликоген, крахмал и крахмалопо­добное вещество - гранулёза. Они выявляются в клетках спорообра­зующих бактерий родов Bacillus и Сlоstгidium, а также у пурпурных бактерий и др. Полисахариды откладываются в цитоплазме равномерно или в виде гранул. Запасные липиды 6актерий представлены полиэфиром - оксимасляной кислоты и восками. Поли­оксибутират накапливается на средах с избытком углерода у многих

бактерий: видов Bacillus, Pseudoтanas, Spirilluт, Azotobacter, Sphae­rotilus и др. Он обнаружен только у прокариот. Воска - эфиры вы­сокомолекулярных жирных кислот и спиртов характерны для микобак­терий. Полисахариды и липиды служат хорошим источником углерода и энергии для клетки.

В условиях, препятствующих синтезу нуклеиновых кислот, у мно­гих бактерий создается резерв фосфора в виде гранул полифосфатов. Впервые они были описаны у Spirillит volutans, поэтому их назвали волютином. Эти образования называют также метахроматиновыми зер­нами, так как они проявляют метахроматический эффект: приобретают красную окраску при обработке синим красителем.

Отдельные виды спорообразующих бактерий (Bacillus thuringien­sis, Bacillus cereus, Bacillus popilliae и др.) в определенных условиях образуют в клетках кристаллы белковой природы, которые имеют пра­вильную бипирамидальную форму и расположены непосредственно около споры. Их называют параспоральными тельцами.

Некоторые бактериальные структуры и включения, сильно прелом­ляющие свет (эндоспоры, аэросомы, отложения полиоксибутирата и серы), хорошо заметны в световом микроскопе без специальной обра­ботки. Часть структур (жгутики, клеточная стенка, нуклеоид, волютин и др.) можно выявить с помощью светооптического микроскопа только после окрашивания соответствующими красителями. Ряд структурных элементов бактерий - микрокапсулы, ворсинки, мезосомы, рибосомы и др. ­различимы только

Рисунок 16. Схема строения бактериальной клетки: 1 – рибосомы, 2 – начавшееся образование поперечной перегородки, 3 и 4 – запасные отложения, 5 – ядерный район, 6 – капсула, 7 – стенки клетки, 8 – протоплазматическая мембрана, 9 – зерно, от которого начинается жгутик

в электронном микроскопе (рис.16).

ДРОЖЖИ

В группу дрожжей объединяются грибные организмы, которые в ростовой фазе существуют преимущественно в виде отдельных кле­ток. Примерно 2/3 дрожжей относится к классу сумчатых грибов(Ascoтycetes). Дрожжи есть также в классе базидиомицетов (Basidioтycetes) и дейтеромицетов - не­совершенных грибов (Deuteroтyce­tes - Fungi iтperfecti).

Клетки разных видов дрожжей морфологически весьма разнообраз­ны. Они бывают круглые, овальные, цилиндрические, яйцевидные, лимо­новидные, колбовидные, треуголь­ные, стреловидные и серповидные. Дрожжевые клетки значительно крупнее бактериальных. Длина их варьирует у разных видов от 2 до 20, иногда до 50 мкм, ширина от 1,5 до 10 мкм. К числу наиболее крупных дрожжей относятся, например, представители родов Saccharo­тyces и Lipoтyces, наиболее мелкими являются виды Pichia и Наn­senula.

Как уже отмечалось, дрожжи существуют в основном в однокле­точной форме. Однако в культурах многих видов наблюдаются скопле­ния разных размеров и очертаний, а некоторые дрожжи на определен­ной стадии развития могут образовывать мицелиальные структуры (рис. 17). Дрожжи являются неподвижными организмами.

Рисунок 17. Мицелиальные формы дрожжей: 1 – псевдомицелий; 2 – истинный мицелий; а – артроспоры; б – эндоспоры

Дрожжи размножаются разными способами: вегетативно, бесполы­ми спорами и половым путем. Наиболее распространенным способом вегетативного размножения является почкование (рис. 18, 1). К почку­ющимся дрожжам относятся, например, виды родов Saccharoтyces и Lipoтyces. Если при почковании вновь возникающие клетки не отделя­ются друг от друга, то образуется псевдомицелий. Он отличается тем, что в зоне перегородок между клетками имеются перетяжки (рис. 18, 1). Образование псевдомицелия особенно характерно для дрожжей рода Candida.

Размножение делением (рис. 18, 2) встречается реже. Оно свойст­венно, например, видам Schizosaccharoтyces. Когда не расходятся де­лящиеся клетки, формируется истинный мицелий. Между клетками истинного мицелия четко различается перегородка, но нет перетяжек (рис. 18, 2). У ряда дрожжей (определенные виды Saccharoтyces, виды Nadsonia и др.) наблюдается так называемое почкующееся деление, при котором почка формируется на широком основании (рис. 18, 3). Почкующееся деление имеет морфологическое сходство с почкованием и делением.

Рисунок 18. Способы вегетативного размножения дрожжей: 1 – почкование; 2 – деление; 3 – почкующееся деление

Бесполое и половое размножение связано с формированием специ­ализированных репродуктивных структур. При половом размножении их появлению предшествует слияние клеток и последующее объедине­ние ядер, при бесполом размножении предварительное слияние клеток и ядер не происходит.

Размножение бесполыми спорами - баллистоспорами - характер­но для видов Sporoboloтyces, Sporidiobolus и др. Баллистоспоры воз­никают на заостренных выростах клеток - стеригмах (рис. 19). При созревании они с силой отбрасываются на некоторое расстояние. Бал­листоспоровые дрожжи относятся к базидиомицетам. Истинный мице­лий таких дрожжей может распадаться на

Рисунок 19. Баллистоспоры на отдельных клетках и гифах мицелия: 1 – Sporobolomyces; 2 - Sporidiobolus

отдельные клетки, называемые артроспо­рами.

Рисунок 20. Жизненные циклы некоторых дрожжей: 1 – Saccharomyces cerevisiae; 2 – Schizosaccharomyces (Octosporomyces) octosporus

Половое размножение большинства дрожжей (аско­мицетов) связано с образова­нием асков (сумок) и аско­спор. у одних (виды Saccharo­тyces, Debaryoтyces и др.) образование асков происходит сразу после изо- или гетеро­гамной копуляции почек или вегетативных гаплоидных кле­ток в диплоидную. У других (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces, Saccharoтycodes и др.). Аски формируются из ранее возникших диплоидных клеток партеноге­нетически, т. е. без непосредственно предшествующей копуляции. В ас­ках в результате мейоза образуются гаплоидные аскоспоры. В каждом аске бывает, как правило, от 2 до 8 спор. Иногда (виды Liроту­ces) их число достигает нескольких десятков. Аскоспоры многих дрож­жей (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces) освобождаются из сумок и превращаются в вегетативные клет