МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет географии и геоэкологии
advertisement
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет географии и геоэкологии Кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ БАКТЕРИЙ Методические указания для студентов 5 курса отделения геоэкологии Составитель Иванова Е.Ю. Воронеж 2000 2 БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА Большинство бактерий являются одноклеточными. Основные формы бактериальных клеток — шаровидная, палочковидная и извитая (рис. 1). Нередко клетки после деления не расходятся, а остаются соединенными между собой, образуя различные сочетания. Шаровидные бактерии могут делиться одной, двух или трех плоскостях (рис. 1). Среди извитых различают вибрионы — короткие, слегка изогнутые клетки наподобие запятой, спириллы, имеющие 2—4 изгиба, и спирохеты — длинные сильно извитые клетки. Иногда встречаются бактерии в форме тороида (замкнутого или незамкнутого кольца), звезды, шестиугольника и др. Рис. 1. Основные формы бактерий: 1 — кокк; 2 — палочка; 3 — вибрион; 4 — спирилла 5 — спирохета; 6 — тороид, 7 — звездчатая; 8 — нитчатая. Сочетание кокков: А — микрококк; Б — диплококк; В — стрептококк; Г — тетракокк; Д — стафилококк; Е — сарцина. Особую группу образуют нитчатые бактерии, состоящие, как правило, из одного ряда клеток, которые соединены в длинные нити (трихомы), нередко одетые общим слизистым чехлом. Форма клеток большинства бактерий является устойчивым видовым признаком. Размеры бактериальных клеток невелики. Длина большинства палочковидных бактерий, вибрионов и спирилл составляет 0,5—3 мкм, 3 толщина — 0,5—1 мкм. Диаметр шаровидных бактерий обычно не превышает 2 мкм. Длина клеток некоторых видов спирохет достигает 500 мкм (0,5 мм). Строение бактериальных клеток Клеточная стенка. Бактериальная клетка (рис.2) состоит из протопласта, окруженного у большинства видов упругой клеточной стенкой. Клеточная стенка составляет от 10 до 40% сухой массы бактерий. Основным компонентом клеточной стенки большинства бактерий является гетерополисахарид пептидогликан. Рис. 2. Схема строения клетки бактерии: 1 — клеточная стенка; 2 — цитоплазматическая мембрана; 3 — нуклеоид; 4 — рибосома; 5 — мезосома; 6 — трубчатые тилакоиды; 7— пластинчатые тилакоиды; 8 — ворсинки (пили); 9 — жгутики; 10 — хлоросомы; 11 — аэросомы. В зависимости от химического состава и ультраструктуры клеточной стенки бактерии делят на грамположительные и грамотрицательные. Окраска по Граму (по имени датского ученого Христиана Грама, предложившего этот метод в 1884 г.) имеет диагностическое значение. Фиксированные клетки окрашивают кристаллическим фиолетовым, затем йодом, что приводит к образованию окрашенного комплекса. После обработки спиртом одни микроорганизмы обесцвечиваются (их называют грамотрицательными), тогда как другие сохраняют фиолетовую окраску (грамположительные). У грамположительных бактерий клеточная стенка имеет однородную структуру. Она состоит из толстого многослойного пептидогликанового комплекса, составляющего до 70% ее сухой массы. Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет толщину 20—50 нм и обладает высокой прочностью, выдерживая давление до 3 МПа (около 30 атм). 4 У грамотрицательных бактерий клеточная стенка очень тонкая (10—13 нм) и выдерживает давление до 0,8 МПа (8 атм). Ее химический состав и структура гораздо сложнее, чем у грамположительных (рис. 3). Внутренний пептидогликановый слой (моно- или бимолекулярный) составляет 10% сухой массы клеточной стенки. Снаружи расположен сложный комплекс, состоящий из белков, липидов, липополисахаридов и фосфолипопротеидов. Эту часть клеточной стенки с полным основанием называют наружной мембраной, выполняющей дополнительную барьерную функцию. Промежуток между цитоплазматической мембраной и слоем пептидогликана называют периплазмагическим пространством. Рис. 3. Модель строения клеточной стенки грамотрицательных бактерий: 1 — цитоплазматическая мембрана; периплазматическое 2 пространство; — 3 — пептидо-гликановый слой; 4 — внешняя мембрана (по Шлегелю, 1987) Капсулы и слизистые слои. Клетки многих бактерий окружены слизистыми веществами. Слизистый материал, имеющий четко очерченную внешнюю поверхность, образует бактериальную капсулу. От капсул следует отличать слизистые слои, границы которых расплывчаты (рис. 4). У многих нитчатых форм образуются слизистые чехлы. Важнейшими функциями капсул являются: 1) предохранение клетки от неблагоприятных условий, в частности от высыхания; 2) накопление необходимых для клетки веществ, в том числе многих высокомолекулярных соединений, которые адсорбируются веществом капсул, а затем расщепляются внеклеточными ферментами; 3) капсулы некоторых патогенных 5 микроорганизмов (возбудителей пневмонии, коклюша, менингита, сибирской язвы и др.) повышают их вирулентность, помогая бактериям противостоять действию фагоцитов и других защитных механизмов инфицированного организма. Придаточные структуры. Клетки многих бактерий имеют придаточные поверхностные структуры, к которым относятся жгутики, ворсинки (пили) и шипы. Мембранные структуры бактериальных клеток. Цитоплазма всех клеток, в том числе и бактериальных, окружена цитоплазматической мембраной (ЦПМ) — белково-липидным комплексом толщиной 7,5—9,0 нм. Основу мембраны большинства бактерий составляет бимолекулярный слой липидов (15—50% сухой массы мембраны), главным образом фосфолипидов. Полярные «головки» фосфолипидов расположены на внешних поверхностях бислоя, а гидрофобные цепочки жирных кислот каждого из слоев взаимодействуют друг с другом и размещаются в середине мембраны. Белки, составляющие около 50% массы мембраны, полностью или частично погружены в липидную фазу. Цитоплазматическая мембрана выполняет разнообразные функции: 1) поддержание неравенства состава и концентрации растворенных веществ в цитоплазме и во внешней среде (барьерная функция); 2) транспорт веществ в клетку; 3) выделение продуктов метаболизма, а также внеклеточных токсинов и ферментов; 4) перенос электронов и мембранное фосфорилирование; 5) биосинтез фосфолипидов, компонентов клеточной стенки и капсулы; 6) прикрепление хромосомы и участие в ее репликации и др. Зону, в которой локализована ДНК, называют ядерным аппаратом бактерий или нуклеоидом. Клетки многих бактерий могут содержать небольшие внехромосомные кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. ДВИЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ Примерно 1/10 всех видов бактерий способна к активному движению в жидкой среде или по плотной поверхности. Различают несколько типов 6 движения бактерий, основным из которых является передвижение в жидкой среде с помощью жгутиков, которые представляют собой спирально изогнутые нити, проходящие через клеточную стенку. Основная нить жгутика (флагелла) построена из белка флагеллина, макромолекулы которого уложены по спирали, образуя центральную полость. Флагелла присоединена к клетке с помощью крючка — белковой структуры, изогнутой под прямым углом. Крючок соединен с базальной структурой, состоящей из стержня и одной или двух пар колец, образованных 9—12 различными белками (рис. 4). Винтообразное движение жгутика обеспечивает нижняя пара колец путем их вращения относительно друг друга. Это вращение передается крючку и далее основной нити жгутика. Рис. 4. Схема строения жгутика грамотрицательной бактерии: 1 — ЦПМ; 2—периплазматическое пространство; 3 — пептидогликан; 4 — внешняя (наружная) мембрана; 5 — крюк; 6 — нить жгутика; А, В, С, D — кольца. Число и расположение жгутиков могут варьировать в зависимости от вида микроорганизма (рис. 5). Движение спирохет в жидкой среде — вращение вокруг длинной оси, изгибание, закручивание — обеспечивает аксиальная (осевая) нить, расположенная между пептидогликановым слоем и наружной мембраной. Нить состоит из двух пучков белковых фибрилл, прикрепленных к противоположным полюсам клетки и перекрывающихся в ее средней части. Рис. 5. Типы жгутикования бактерий: А — перитрих; монотрих; Б — В — политрих; Г — биполярный политрих, 7 Вращаясь в периплазматическом пространстве, фибриллы вызывают изгибы клеточной стенки. Третий тип движения, обнаруженный у некоторых грамотрицательных микроорганизмов, — скольжение при соприкосновении с твердым субстратом. Это движение связано, по-видимому, с волнообразным сокращением белковых микрофибрилл, расположенных между наружной мембраной и слоем пептидогликана. Движение, вызванное односторонним действием какого-либо внешнего фактора, называется таксисом. РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ У подавляющего большинства бактерий размножение осуществляется путем бинарного деления. Перед делением клетки происходит репликация ДНК, начинающаяся с определенного участка («точки инициации») кольцевой молекулы. Одна из цепей ДНК прикрепляется к плазматической мембране, другая цепь постепенно отделяется от нее, после чего с помощью ДНКполимеразы к каждой «половинке» достраивается комплементарная полинуклеотидная цепь. Образовавшиеся две хромосомы расходятся благодаря синтезу компонентов находящейся между ними мембраны. Митоза у бактерий нет. Своеобразный процесс деления наблюдается у некоторых почкующихся бактерий: на одном полюсе материнской клетки формируется почка, куда перемещается одна из хромосом; почка разрастается и превращается в дочернюю клетку. Деление бактерий, может происходить очень быстро. При благоприятных условиях бактерии некоторых видов делятся через каждые 20—30 мин. (иногда даже через 8—10 мин.). ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ У БАКТЕРИЙ Образование спор — очень распространенное явление у бактерий. Бактериальные эндоспоры — это особый тип покоящихся клеток, обладающих 8 специфическими структурами и очень высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Процесс спорообразования состоит из нескольких этапов (стадий): 1. Репликация ДНК с образованием двух нуклеоидов, которые располагаются в центре клетки в виде палочковидного тяжа. 2. Появление на одном из полюсов клетки спорогенной зоны, содержащей одну молекулу ДНК и часть цитоплазмы, отделяемую от остального протопласта мембранной перегородкой (септой). При этом возникает своеобразная двуклеточная структура, но в отличие от обычного клеточного деления между большой и малой клетками поперечной клеточной стенки не образуется. 3. Обволакивание спорогенной зоны мембраной большой клетки. Возникает так называемая проспора, покрытая двумя мембранами, окруженная со всех сторон цитоплазмой материнской клетки. 4. Формирование между двумя мембранами проспоры кортекса, состоящего из пептидогликана. 5. Образование к периферии от наружной мембраны толстой оболочки, составляющей от 30 до 60 % массы споры и состоящей в основном из белков. Рис. 6. Строение зрелой споры (схема): 1— цитоплазма; 2 — ЦПМ; 3 — кортекс; 4 — внутренняя оболочка споры; 5 — наружная оболочка споры; 6 — остаточная часть материнской клетки Характерная особенность спор — чрезвычайно высокая устойчивость к неблагоприятным условиям (высоким температурам, высушиванию, радиации, кислотам и ядовитым веществам). Кроме эндоспор прокариоты могут образовывать другие покоящиеся формы — экзоопоры и цисты. Контрольные вопросы: В чем основные различия эу- и прокариотической 9 клеток? Каковы основные формы клеток бактерий? Какие сочетания кокков вы знаете? Каковы размеры бактериальных клеток? Что такое окраска по Граму? Как различается строение грамположительной бактериии? Каковы функции клеточной стенки? и грамотрицательной Что такое микрокапсула, макрокапсула и чем они отличаются от слизистых слоев? Каковы функции капсул? Что такое придаточные структуры и для чего они служат? Опишите общее строение цитоплазматической мембраны. Каковы ее функции? Что такое мезосомы? Какую роль они играют в клетке? Как называется ядерный аппарат бактерий? Какие включения может содержать бактериальная клетка? Какие органы движения имеет бактерия? Опишите строение жгутика бактерии и принципы его движения. Какие типы жгутикования бактерий вы знаете? Каковы основные способы деления бактерий? Какие этапы включает процесс спорообразования? Чем отличаются эндо- и экзоспоры? Каково строение зрелой эндоспоры? Для чего образуются споры? АУТЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ ТЕМПЕРАТУРА Рис.7. Общий вид зависимости скорости роста бактерий от температуры. Скорость роста Температура Для каждого организма существует минимальная температура, ниже которой рост не наблюдается, как бы долго ни длился период инкубации; оптимальная температура, при которой организм растет с наибольшей скоростью; и максимальная температура, выше которой рост невозможен. Оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к минимальной. 10 Эти три температурные точки, называемые кардинальными, характерны для каждого вида или даже штамма. По отношению к температуре бактерии делят на три группы: психрофилы и психротрофы, относительно быстро размножающиеся при температуре 0°С; термофилы, растущие при температуре выше 45—50 °С, и мезофилы, развивающиеся в диапазоне умеренных температур. Контрольные вопросы: Какую роль в жизни бактерий играет свет? Как действует на микроорганизмы УФ и ионизирующее излучения? Каково влияние солнечной активности? Какие группы бактерий выделяют по отношению к гидростатическому давлению? Что такое кардинальные температуры? Как выглядит график зависимости скорости роста бактерий от температуры среды? Почему? Чем отличаются облигатные и факультативные психрофиллы? Где преимущественно встречаются психрофильные бактерии? Какие физиологические механизмы приспособления к температуре характерны для психрофиллов? Чем определяются верхние и нижние температурные границы роста психрофиллов? Какие группы можно выделить среди термофильных бактерий? Каковы места обитания термофильных бактерий? Какова природа термоустойчивости бактерий? КИСЛОТНОСТЬ СРЕД ОБИТАНИЯ БАКТЕРИИ Кислотность среды является важным фактором, определяющим существование в ней прокариот. В зависимости от отношения к кислотности среды прокариоты могут быть разделены на несколько групп. Для подавляющего большинства оптимальной является среда, близкая к нейтральной. Такие организмы называют нейтрофилами. У некоторых видов бактерий адаптация к определенным значениям рН среды привела к тому, что оптимум рН для роста переместился в кислую (рН 4 и ниже) или щелочную (рН от 9 и выше) области. Такие прокариоты названы ацидо- или алкалофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно. Среди бактерий обеих групп есть облигатные формы, потерявшие способность расти в нейтральной среде, и факультативные, сохранившие эту способность. 11 Контрольные вопросы: Как воздействует на организм прокариот уровень кислотности среды? Какие группы бактерий по отношению к уровню рН различают? Каковы приспособления ацидо- и алкалофильных бактерий к условиям среды? как бактерии способны регулировать уровень рН среды? ВОДНАЯ АКТИВНОСТЬ Для большинства бактерий в качестве основного экологического фактора выступает концентрация электролитов. Рассматривая отношение бактерий к этому фактору и используя при этом раствор NaCI в различной концентрации, можно до некоторой степени условно подразделить их на ряд групп. Вопервых, это негалофильные бактерии, не нуждающиеся в NaС1 и способные существовать в средах с ничтожным содержанием растворенных веществ, даже в дистиллированной воде. Угнетение таких бактерий хлористым натрием обычно начинается при концентрации около 3%. Во-вторых, это морские бактерии, оптимальный рост которых обычно наблюдается при концентрациях NaCI 2,5—5%. В-третьих, это умеренные галофилы, растущие при концентрациях NaCI 5—15%, и, в-четвертых, экстремальные или крайне галофильные бактерии, развивающиеся при концентрациях NaCI, начиная с 12—15% и до насыщенных растворов соли. Контрольные вопросы: Какие группы бактерий принято выделять по отношению к концентрации поваренной соли в среде? Где обитают представители этих групп? Как приспосабливаются бактерии к дефициту влаги? ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА Бактерии, существование которых в природе зависит от их способности размножаться в местах с низким пищевым потоком углерода—до 0,1 мг/л в день, относятся к олиготрофам. Олиготрофные бактерии являются типичными обитателями водоемов и почв, весьма широко распространены в природе. Организмы, не только способные расти на богатых питательных средах, но и предпочитающие изобилие пищевых веществ, относят к копиотрофам. 12 Контрольные вопросы: Как характеризуются места обитания в терминах усредненного пищевого потока за день? Какие группы бактерий по отношению к пищевому потоку различают? Каковы приспособления различных групп к условиям существования? СОЕДИНЕНИЯ И ИОНЫ ТОКСИЧНЫЕ ДЛЯ БАКТЕРИЙ Возможность процветания тех или иных видов бактерий зависит не только от доступности необходимых для их жизни элементов, но и от способности клеток противостоять действию веществ для них ядовитых. Бактериостаз задержка роста неблагоприятных и размножения химических или бактерий, физических вызванная действием факторов. Прекращение действия фактора приводит к возобновлению роста и деления, хотя при длительном его воздействии может начаться гибель клеток, т. е. фактор проявляет бактерицидность. Антисептики - бактерициды, используемые в практической деятельности человека. Антисептики применяют в медицине при лечении ран, для дезинфекции, в пищевой промышленности для защиты продуктов от порчи, для предохранения от гниения деревянных сооружений и т. п. Ионы тяжелых металлов в невысоких концентрациях стимулируют развитие тех или иных микроорганизмов, так как являются для них необходимыми микроэлементами, входящими в состав тех или иных ферментов. При увеличении концентрации солей тяжелых металлов начинает проявляться их токсический эффект. Антибиотики - вещества, образуемые микроорганизмами и способные в малых концентрациях оказывать избирательное токсическое действие на другие микроорганизмы или на клетки высших организмов. Описано более 5 тыс. различных антибиотиков. По химической природе антибиотики принадлежат к различным группам соединений. Контрольные вопросы: Чем различается бактериостатичекое и бактерицидное действие? Что такое пороговая концентрация вещества? Какие вещества являются антисептиками? Как воздействуют на бактерий различные 13 концентрации ионов тяжелых металлов? От чего зависит степень токсичности тяжелых металлов? Как воздействуют тяжелые металлы на популяции почвенных бактерий? Что такое антибиотики? Каково их происхождение и механизм действия? Какова природа устойчивости бактерий к антибиотикам? БАКТЕРИИ В СООБЩЕСТВАХ ПОПУЛЯЦИИ ПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИИ Взаимодействия паразитических бактерий с хозяевами происходят на уровне их популяций, которые неоднородны. Популяции хозяина гетерогенны: 1) по степени резистентности их представителей, зависящей от различных факторов, не связанных с воздействием паразита и 2) по степени их иммунитета, вырабатываемого в процессе такого воздействия. Способность организма к выработке иммунитета также генетически детерминирована и у разных людей неодинакова. Основная часть популяции паразита может быть связана с небольшой долей особей хозяина. Гетерогенность природных популяций бактерий может быть выражена в большей или меньшей степени, но популяции всегда включают клетки разных клонов. Состав популяций патогенных бактерий в большой степени зависит от уровня восприимчивости популяций хозяев. Последние могут состоять, в крайних своих вариантах, преимущественно из восприимчивых или преимущественно из иммунных организмов. В первом случае в популяциях бактерий преобладают высоковирулентные эпидемические варианты, во втором — маловирулентные, резервационные. Контрольные вопросы: В каких случаях принято говорить об ареалах бактерий? Какие виды бактериальных микроценозов принято выделять? Что такое микрофлора рассеения? Каковы общие закономерности развития бактериальной сукцессии? Какие стадии проходит экосистема при силосовании растительной массы? Что такое стратификация и какие зоны выделяют в пресноводных озерах? Какие процессы и микроорганизмы характерны для каждой из зон? В чем особенности почвенных микроценозов? Какие типы микрофлоры почвы выделяют? Что такое микробный пул? Как гетерогенность 14 почвы влияет на жизнедеятельность микрофлоры? Почему для почвы не соблюдается принцип Вольтерры-Гаузе? Как функционируют аэротенки? Что такое активный ил? Когда необходима доочистка сточных вод, поступающих в аэротенк? В чем особенности бактериальных популяций? От чего зависит взаимодействие популяций патогенных бактерий с популяциями хозяина? Как изменяется состав популяции в ходе развития эпидемии? Что такое горизонтальный перенос генов? Как осуществляется этот процесс? Какие гены могут переноситься от вида к виду? Каковы предполагаемые источники генов устойчивости? ВЗАИМООТНОШЕНИЯ БАКТЕРИИ С БЕСПОЗВОНОЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ СИМБИОНТЫ ПРОСТЕЙШИХ Симбиотические отношения бактерий с простейшими широко распространены. Обычно бактерии расположены внутри клеток простейших и являются, таким образом, эндобионтами. Бактериальные клетки неоднократно обнаруживали в цитоплазме и ядрах амеб. Используя обработку хлорамфениколом, можно получить культуры упомянутых видов простейших, свободные от симбионтов. В отличие от исходных форм такие культуры нуждаются в ростовых факторах, т.к. необходимый для их синтеза фермент содержится только в клетках симбионта. Симбиотические бактерии часто обнаруживаются в цитоплазме и ядрах инфузорий различного систематического положения. При этом прослеживается сложный взаимно приспособленный жизненный цикл симбионта и хозяина. Клетка зараженного животного может содержать сотни и даже тысячи бактерий. Биологический смысл рассмотренных примеров симбиоза не всегда понятен. 15 СИМБИОНТЫ ЧЛЕНИСТОНОГИХ Внутриклеточные бактерии обнаружены у многих представителей отрядов насекомых и у клещей. У насекомых симбионты обычно располагаются в клетках специальных органов—мицетомов—или специализированных в определенных клетках—мицетоцитах. участках Существует тела в большое разнообразие анатомической организации мицетомов и способов передачи симбионтов потомству. Симбионты обычны у форм насекомых, питающихся древесиной, соком растений или кровью, и отсутствуют у хищных форм, например, у хищных клопов. Однако у таракановых симбионты присутствуют всегда и у всех видов независимо от хаpaктера питания. Симбионтами обладают насекомые обоего пола или только самки (например, у некоторых тлей). Потомству симбионты обычно передаются через яйца и лишь в редких случаях через сперму. Распространение и развитие симбионтов в организме насекомого-хозяина находится под строгим контролем со стороны последнего. Следует отметить, что формирование мицетомов не является реакцией организма насекомого на внедрение бактерий и происходит и у особей, лишенных симбионтов. При помощи бактерицидных веществ могут быть получены насекомые без симбионтов, однако жизнеспособные особи образуются только из яиц, зараженных симбионтами. СИМБИОНТЫ ПОГОНОФОР, МОЛЛЮСКОВ, ЧЕРВЕЙ И ГУБОК С симбиотическими бактериями связаны и многие виды погонофор, развивающиеся при использовании геотермальной энергии. Продукты хемосинтеза — единственный источник питания как бактерий, так и их хозяев. В зоне глубоководных термальных источников обитает моллюск Calyptogena, в жабрах которого находятся симбиотические бактерии. Симбиотические бактерии имеет корабельный червь Teredo, питающийся преимущественно целлюлозой. Было установлено, что моллюск получает от 16 бактерий синтезированные ими аминокислоты. У корабельных червей обнаружена способность к азотфиксации, видимо, также связанная с активностью симбиотических бактерий. Бактерии-симбионты обнаружены у представителей 13 из 17 исследованных отрядов морских губок. Особенно часто в роли симбионтов губок выступают нитчатые или одноклеточные цианобактерии. Бактерии располагаются внутри клеток-бактериоцитов межклеточном пространстве. Цианобактерии (цианоцитов) развиваются или в только в освещенных частях тела губки. При этом губки, имеющие симбионты, хорошо растут на свету, тогда как на губки, лишенные симбионтов, свет действует угнетающе. Показано, что губки используют продукты фотосинтеза и азотфиксации цианобактерии. Контрольные вопросы: Симбионты каких видов простейших известны в настоящее время? Какую роль играют симбиотические бактерии в жизни амеб? Приведите примеры симбиоза бактерий с инфузориями? Где расположены симбиотические микроорганизмы у насекомых? Как передаются симбионты при размножении? Какую роль играют данные микроорганизмы в жизни насекомых? Как насекомое-хозяин контролирует деятельность симбионта? Расскажите о симбиозе бактерий с погонофорами. Какую роль играют бактерии-симбионты в жизнедеятельности губок, червей и моллюсков? Чем интересен симбиоз бактерий и нематод? Как изменяется численность бактерий при выедании их беспозвоночными? ВЗАИМООТНОШЕНИЯ БАКТЕРИЙ С ПОЗВОНОЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ НОРМАЛЬНАЯ МИКРОФЛОРА ОРГАНИЗМА ПОЗВОНОЧНЫХ В естественных условиях организм любого животного населен множеством бактерий. Среди них могут быть случайные формы, но для многих видов тело животного является основным или единственным местом их обитания. Характер и механизмы взаимодействий микроорганизмов с 17 макроорганизмом многообразны и играют решающую роль в жизни и эволюции многих видов бактерий. Для животного бактерии также важный экологический фактор, определяющий многие стороны его эволюционных изменений. Животные, лишенные бактерий, нормально растут и размножаются, если получают пoлноценную пищу, однако у них не функционируют нормально системы иммунитета и они могут погибнуть от бактерий совершенно безопасных для обычных организмов. Микроорганизмы, населяющие организм здорового животного, образуют его нормальную микрофлору. Кожный покров. Микроорганизмы заселяют главным образом участки кожи, покрытые волосами и увлажненные потом. Обычно на коже преобладают грамположительные бактерии. Представители рода Corynebacterium иногда составляют до 70% всей кожной микрофлоры. Нарушение нормального сообщества бактерий кожи может иметь неблагоприятные последствия для макроорганизма. Кишечный тракт животных—обычное место обитания разнообразных бактерий, преимущественно анаэробных. Характер взаимоотношений этих бактерий с хозяином может быть различным и в первую очередь зависит от особенностей его питания. В кишечном тракте хищных или насекомоядных находится пища по своему биохимическому составу близкая к составу их тела. Она является также прекрасным субстратом для развития бактерий. Поэтому здесь складываются конкурентные взаимоотношения бактерий с хозяином. Последний не может полностью исключить возможность их развития, но ограничивает его благодаря секреции кислоты и быстрому пищеварению, в результате чего почти все продукты деятельности пищеварительных ферментов потребляются животным. Более медленное прохождение пищи через толстый кишечник способствует бурному развитию бактерий, и в задней кишке уже содержится огромное их количество. В кишечник травоядных попадает большое количество клетчатки. Переваривание целлюлозы происходит за счет разрушения ее бактериями, а 18 животное потребляет в качестве пищи продукты деградации и сами клетки микроорганизмов. Таким образом, здесь наблюдается кооперация, или симбиоз. Однако у многих животных взаимодействие с кишечной микрофлорой носит промежуточный характер. Например, у лошадей, кроликов, мышей в кишечнике пища в значительной степени используется до того, как начнется бурное развитие бактерий. Однако в отличие от хищников, у таких животных пища дольше задерживается в кишечнике, что способствует ее сбраживанию бактериями. Наиболее активная жизнедеятельность бактерий всегда происходит в задней кишке. Анаэробы здесь развиваются, осуществляя брожения, при которых образуются органические кислоты, преимущественно уксусная, пропионовая и масляная. Содержимое кишечника - благоприятная среда обитания бактерий. Однако здесь действует и ряд неблагоприятных факторов, способствующих адаптации и специализации кишечных микроорганизмов. Так, в толстом кишечнике накапливаются желчные кислоты до концентраций, уже угнетающих рост некоторых бактерий. Масляная и уксусная кислоты также обладают бактерицидными свойствами. В состав кишечной микрофлоры различных животных входит ряд видов бактерий, способных разрушать целлюлозу, гемицелюлозы, пектины. В составе нормальной микрофлоры кишечника человека насчитывается до 60 видов бактерий. Здесь преобладают неспорообразующие анаэробы, в том числе представители рода Bifidobacterium, которым приписывают благоприятное влияние на организм хозяина благодаря образованию витаминов и антибиотиков. Для кишечной микрофлоры человека характерны стрептококки и кишечная палочка. Нарушение нормального состава кишечной микрофлоры определяется как дисбактериоз. Высокая частота кишечных pасстройств у младенцев, которых лечат антибиотиками, отчасти объясняется отсутствием у них бактерий, обычно покрывающих слизистую и защищающих ее поверхностные рецепторы. К 19 cвободным рецепторам клеток прикрепляются, а затем здесь pазмножаются патогенные формы. Таким образом, состав бактерий, формирующих нормальную микрофлору организма животного, не может быть случайным. Представители нормальной микрофлоры обладают механизмами, нейтрализующими до некоторой степени защитные системы организма хозяина, что и позволяет им иногда переходить к паразитизму. Однако развитие нормальной микрофлоры регулируется и ограничивается хозяином. Более совершенные и специфические механизмы, регулирующие развитие бактерий, наблюдаются при симбиотических взаимодействиях. СИМБИОЗЫ СВЕТЯЩИХСЯ БАКТЕРИЙ В кишечнике многих морских животных, прежде всего рыб, развиваются светящиеся бактерии. Все светящиеся бактерии обнаруживают хитиназную активность и, видимо, в кишечнике осуществляют разрушение этого полимера, не атакуемого ферментами хозяина. Тем самым они способствуют более полному использованию пищи хозяином. Из кишечника светящиеся бактерии попадают в воду. Светящиеся скопления бактерий на остатках фекалий и на частицах детрита привлекают рыб и других животных, которыми и поедаются. Таким образом, бактерии попадают в кишечник, являющийся для них основной экологической нишей. Светящиеся бактерии могут входить в симбиотические системы иного характера, не связанные с пищеварением и иногда высокоспециализированные. Эти бактерии обнаруживаются в специальных светящихся органах, фотофорах, некоторых голоногих моллюсков и морских, преимущественно глубоководных, рыб. К настоящему времени светящиеся бактерии-симбионты обнаружены у 50 видов, представляющих 30 родов 11 семейств. Светящиеся бактерии населяют специальные органы - бактериофотофоры (рис. 8). Строение фотофоров и их расположение в теле хозяина может сильно варьировать. Состав веществ, экскретируемых в полость 20 фотофора, неизвестен, но, очевидно, они поддерживают жизнедеятельность бактерий и регулируют их метаболизм. Свечение бактерий происходит только в присутствии молекулярного кислорода, который поступает из крови рыбы, причем, меняя тонус сосудов, она имеет возможность регулировать интенсивность свечения. Фотофор снабжен светорегулирующими и светораспределительными устройствами, достигающими иногда удивительной сложности и совершенства. В фотофорах рыб обитают светящиеся бактерии различного систематического положения, но у представителей одного вида рыб это обычно представители одного вида бактерий. Рис. 8. Общая схема строения фотофора с симбиотическими бактериями (по: Гительзон и др., 1984). 1 — экранирующая ткань, 2 — соединительная ткань, 3— светоотражающая ткань; 4 - полость фотофора, содержащая слущившиеся эпителиальные клетки и бактерии, 5 — выводной проток фотофора, 6— светопроводящая ткань, 7 — светофокусирующая и светофильтрующая ткань, 8 — капиллярная сеть в складках эпителия, 9 — бактерии в световых трубках, 10 — выстилающий световые трубки эпителий, 11 — артерия, 12 — вена. БАКТЕРИИ-ПАРАЗИТЫ Паразитами, или патогенными, называют бактерии, существующие за счет 21 организма хозяина и приносящие ему вред. Патогенные бактерии вызывают инфекционные болезни, мера патогенности определяется как вирулентность. Патогенность—свойство, определяемое генетически, xoтя возможность его проявления может зависеть от многих условий. Способность к паразитизму определяется наличием у бактерии ряда свойств, которые определяют как факторы патогенности. Среди них можно выделить ряд групп в зависимости от направленности их действия: 1)факторы, способствующие проникновению бактерий в тело жертвы в результате разрушения субстратов, препятствующих такому проникновению; 2) факторы, позволяющие бактерии преодолеть воздействие иммунных систем организма, в частности факторы защиты от фагоцитоза; 3) факторы патогенности с токсической функцией. У многих бактерий в качестве факторов патогенности выступают также адгезины, определяющие способность бактерий прикрепляться к клеткам и тканям хозяина, и структуры, обладающие молекулярным сходством с макромолекулами хозяина, ответственные за иммунологическую мимикрию бактерий. Специфичность паразитизма патогенных бактерий может быть различной. Факторы патогенности обычно специализированы в отношении взаимодействия с организмом ограниченного числа близкородственных видов животных. Существуют высоко специализированные паразиты. Вместе с тем существует немало бактерий, которые способны вызывать заболевания особей разнообразных и даже совершенно неродственных видов. Контрольные вопросы: Что такое нормальная микрофлора? Какие особенности характерны для микрофлоры кожного покрова человека? Как различаются микрофлоры хищных и травоядных животных? Что такое дисбактериоз? Могут ли представители нормальной микрофлоры оказывать неблагоприятное воздействие на организм хозяина? Какова роль бактерий нормальной микрофлоры? Какие виды симбиоза характерны для светящихся бактерий? Как устроен бактериофотофор? Как функционирует этот орган? Что такое вирулентность? Назовите факторы патогенности бактерий? Каковы 22 механизмы проникновения бактерий в тело жертвы? Как бактерии преодолевают воздействие иммунных систем организма? Как действуют бактериальные белковые токсины? Какие адаптации к паразитированию обнаружены у рикеттсий и хламидий? Каковы причины видоспецифичности паразитов? Каковы предположения С.Н.Румянцева об инфекционных болезнях? Каковы механизмы формирующие равновесие между популяциями паразита и хозяина? ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БАКТЕРИИ И РАСТЕНИЙ БАКТЕРИИ, НАСЕЛЯЮЩИЕ РАСТЕНИЯ Поверхность растения, и главным образом поверхность листьев (филлосферы), является местом обитания разнообразных микроорганизмов, которые определяют как эпифитные. Бактерии не только находятся на поверхности листьев, но и активно там развиваются. Особенно обильна эпифитная микрофлора на поверхности растений, растущих в условиях влажного тропического климата. Численность популяций бактерий филлосферы определяется доступностью влаги и питательных веществ, источником которых служат вымываемые водой из листа вещества, секреты и экссудаты растения. Роса и смывы с листьев содержат аминокислоты, углеводы, углеводороды, органические кислоты, фитогормоны, неорганические ионы. В качестве питательных субстратов микробам могут служить также оседающие на поверхность листьев частицы, пыльца, вещества, растворенные в дождевой воде. Систематический состав бактерий филлосферы разнообразен. На разных растениях могут преобладать различные виды, но специфичность микрофлоры филлосферы не доказана. Для многих бактерий филлосферы характерна способность к синтезу меланиновых и (или) каротиноидных пигментов, защищающих клетки от неблагоприятного воздействия солнечной радиации. Обитатели филлосферы часто синтезируют внеклеточные полисахариды, 23 защищающие клетки как от радиации, так и от высыхания. Кроме того, слизи усиливают адгезию клеток, так что даже под проливным дождем бактерии удерживаются на листьях. Бактерии, развивающиеся в филлосфере, могут приносить растению пользу, выделяя стимуляторы роста; значительная часть этих бактерий способна к азотфиксации. Однако в составе микрофлоры филлосферы могут сохраняться и фитопатогенные формы, до некоторых пор не вызывающие заболевания pacтeния. Корневая система растения всегда обильно заселена бактериями. Микроорганизмы находятся непосредственно на поверхности корней и в почве, прилегающей к корням, ризосфере. Число бактерий в ризосфере превышает их число в зоне почвы, удаленной от корней в десятки, а часто в сотни раз. Это так называемый ризосферный эффект, он сильнее выражен у растений, обитающих на бедных почвах, и возрастает с глубиной, в особенности если корни достигают подстилающий грунт. Усиленное размножение бактерий в ризосфере определяется поступлением в прикорневую зону корневых выделений, содержащих различные органические вещества, доступные бактериям, и корневого опада, т. е. отмирающих корней. Популяции многочисленных видов микроорганизмов ризосферы не являются собственно микрофлорой растении, однако они оказывают большое влияние на жизнедеятельность растения: бактерии ризосферы вырабатывают тиамин и ряд других витаминов, синтезируют ростовые вещества — гиббереллин и гетероауксин, разрушают органические и минеральные соединения, способствуя повышению эффективности использования растением минеральных веществ почвы. Развитие в составе ризосферной микрофлоры разнообразных бактерий создает условия для конкуренции между ними за пищевые субстраты, что препятствует развитию здесь случайных форм, в том числе и фитопатогенных. В ризосфере преобладают гетеротрофные грамотрицательные палочки. Состав ризосферной микрофлоры около разных растений различается, хотя 24 строгой приуроченности определенных бактерий к определенным растениям не удается обнаружить. Наиболее интенсивное размножение бактерий в ризосфере наблюдается в период наиболее интенсивного роста растений и перед цветением. После завершения развития однолетних растений их корешки отмирают и постепенно используются pазнообразными микроорганизмами в качестве источника пищи. В этот период состав ризосферной микрофлоры изменяется: pазмножаются бактерии, использующие пектин, клетчатку, увеличивается численность грамположительных форм. В сообществах бактерий, связанных с небобовыми растениями, наблюдается потребление молекулярного азота так называемая ассоциативная азотфиксация. Около 75% видов населяющих почву бактерий способны к азотфиксации. Микрофлора филлосферы и ризосферы растения является до некоторой степени аналогом нормальной микрофлоры организма животного. КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ-СИМБИОНТЫ Клубеньковые бактерии представляют собой грамотрицательные неподвижные аэробные палочки; быстрорастущие формы относят к роду Rhizobium, медленнорастущие—к роду Bradyrhizobium. Клубеньковые бактерии способны формировать симбиотические ассоциации с бобовыми растениями. В образующихся при этом на корнях бобовых растений клубеньках активно идет фиксация молекулярного азота. Клубеньковые бактерии способны существовать в почве вне симбиоза с растением, хотя в этом случае они не всегда оказываются достаточно конкурентоспособными. Первичные этапы взаимодействия клеток бактерий с корневой системой соответствующего растения включают аттракцию бактерий его корневыми выделениями. 25 Клубеньковые бактерии обнаруживают видовую специфичность. Обычно определенный вид бактерий образует клубеньки только на одном или немногих видах бобовых. Существенное значение для взаимного узнавания бактерий и растения имеют лектины бобовых. Это белки или гликопротеины, лишенные ферментативной активности, но способные к специфическому связыванию остатков сахаров. Процессы связывания сахаров лектинами сходны с реакциями антиген—aнтитело. Лектины могут определять хозяйскую специфичность, реагируя с определенными углеводными остатками на поверхности симбиотических бактерий. Рис. 9. Схема первой фазы прикрепления Rhizobium trifolii к корневому волоску клевера (по: Dazzo, 1981). Клевер синтезирует лектин—трифолиин. Поверхности бактерии и клетки растения содержат сходные антигенные детерминанты, реагирующие с трифолиином. Лектин служит мостиком между ними (рис. 9). Известны два пути внедрения клубеньковых бактерий в корень растенияхозяина: через корневые волоски или «расщелины», которые образуются в основаниях боковых ответвлений корня. Искривление корневого волоска является первым признаком заражения растения. Степень деформации волоска зависит от вида растения, инфицирующего штамма бактерии и места их проникновения в растение. 26 Рис. 10. Заражение клубеньковыми бактериями корневого волоска бобового растения (по: Pueppke, Hawes, 1985). Механизм искривления корневого волоска не вполне понятен. Полагают, что прикрепленные к корневому волоску бактерии ингибируют отложение ригидного бета-слоя только в месте прикрепления бактерий, а его одновременное формирование в противоположной стороне приводит к искривлению корневой волоска. В результате сильного закручивания корневого волоска бактерии оказываются внутри его завитка (рис. 10). В корневом волоске клубеньковые бактерии образуют так называемую инфекционную нить, представляющую собой гифообразную слизистую массу, в которую погружены делящиеся клетки бактерий. Нить передвигается к основанию волоска и клеткам эпидермиса со скоростью 5—8 мкм в час. Из корневого волоска нить проникает через клетки коры в паренхиму. Инфекционная нить сразу же по мере роста покрывается целлюлозной оболочкой, которую синтезирует растение, по-видимому, с целью изоляции ризобий. Клубеньковые бактерии способны размножаться лишь в тетраплоидных клетках растения. Когда инфекционная нить пронизывает находящиеся в коре тетраплоидные клетки, часть бактерий переходят из нити в цитоплазму этих клеток и начинают в них размножаться. Инфицирование клетки клубеньковыми бактериями стимулирует деление не только этой, но и соседних незараженных клеток. Таким образом, формируется ткань клубенька. Инфекция распространяется через тетраплоидные клетки. Кора и проводящие сосуды клубенька формируются из диплоидных клеток. Бактерии, перешедшие в цитоплазму клеток, растут, делятся, но затем превращаются в бактероиды— 27 неспособные к делению, увеличенные в объеме клетки нередко Т- или Уобразной формы. Бактероиды могут составлять до 25—50% массы клубенька. Активно фиксирующие азот клубеньки обычно довольно крупные и красноватые из-за наличия леггемоглобина (ЛГ). ЛГ обнаруживают уже на второй день после появления клубенька, а фиксацию азота—на четвертый. ЛГ—один из важнейших продуктов симбиоза, он может составлять до 40% от всего количества растворимых белков клубеньков сои. В синтезе ЛГ участвуют оба симбионта—растение и бактерии. ЛГ не участвует непосредственно в фиксации азота, физиологическая роль ЛГ состоит в снабжении бактерий молекулярным кислородом и ограничении его концентрации путем связывания так, что система нитрогеназы не ингибируется. БАКТЕРИИ-ПАРАЗИТЫ Бактерии, паразитирующие на растениях, называют фигопатогенными. Как и патогены животных, патогены растений обладают факторами патогенности, позволяющими им преодолевать защитные барьеры растения. К таким факторам относятся, прежде всего, ферменты пектиназы и целлюлазы, а также фитотоксины, фитогормоны и факторы адгезии. Бактерии заражают растения, проникая через устьица, чечевички, нектарники и гидатоды, иногда передаются с семенами, некоторые бактерии могут проникать в растение только через свежие ранки, даже очень незначительные. Заражению растения бактериями часто способствуют насекомые. Фитопатогенные бактерии, проникшие в растение, обычно размножаются в межклеточном пространстве и в сосудистых пучках. Они вызывают различные гнили, ожоги, пятнистости, увядания, опухолевые разрастания. Между фитопатогенными специфические бактериями взаимоотношения, и растениями включающие процессы сложились взаимного узнавания и следующих за ним физиологических и регуляторных реакций. Узнавание бактерией растения-хозяина может стимулировать реакции, 28 необходимые для проникновения бактерий в ткани растения и развития в них. Узнавание растением фитопатогенной бактерии стимулирует его защитные реакции. Важным фактором устойчивости растений к фитопатогенным бактериям являются фитоалексины. Это низкомолекулярные соединения, гетерогенные по химической структуре, обладающие бактерицидными свойствами. Фитоалексины не образуются в здоровом растении, но их синтез индуцируется в пораженных бактериями тканях. Индукторами синтеза фитоалексинов могут быть различные соединения, в том числе элементы клеточной стенки бактерии. Защитная реакция растения может инициироваться сигнальными молекулами, образующимися в результате деградации оболочек растительных клеток при инфекции. Контрольные вопросы: Каковы особенности бактерий, населяющих поверхность листьев растений? Какова роль бактерий ризосферы? За счет чего происходит прикрепление клубеньковых бактерий к корневому волоску? Как идет заражение клубеньковыми бактериями корневых волосков? Как формируется клубенек? Для чего служит и как синтезируется леггемоглобин? Как происходит заражение растений патогенными бактериями? Какие взаимоотношения складываются между растением и фитопатогеном? Что такое фитоалексины? Литература: Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий: Учеб. пособие – Л., Изд-во ЛГУ, 1989. – 246 с. Шлегель Г. Общая микробиология / Пер. с нем. Л. Б. Алексеевой и др.; Под ред. Е.Н. Кондратьевой - М., Мир, 1987 – 566 с. Чурикова В.В., Викторов Д.П. Основы микробиологии и вирусологии: учеб. Пособие. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1989. – 272 с. Составила Иванова Екатерина Юрьевна Редактор Тихомирова О.А.