Розділ 1. Морфологія та систематика мікроорганізмів

Ключові слова: морфологія, мікроорганізми, цитоплазматична мемб­рана, цитоплазма, мезосоми, рибосоми, джгутики, капсули, протопласт, гранульоза, волютин, монотрихи, лофотрихи, перитрихи, амфітрихи, коки, мік­рококи, стрептококи, сарцини, стафілококи, спори, еукаріоти, прокаріоти, вібріони, спірили, спірохети, дріжджі, сахароміцети, несахароміцети, плісеневі грибигіфи, міцелій, спорангії, спорангієносці, зоо­спори, конідії, оїдії, базидії, аскуси, хітридіоміцети, зигоміцети, аскоміцети, базидіоміцети, ультрамікроби, віруси, бактеріофаги.

Мікроорганізми - це найменші живі організми, більшість яких можна побачити тільки за допомогою мікроскопа. Мікроорганізми знаходяться всюди: в ґрунті, воді, повітрі, харчах, на всіх предметах, що нас оточують, вони є і в нашому організмі.

Світ мікроорганізмів надзвичайно різноманітний. Найбільшого значення при переробці та зберіганні товарів широкого вжитку мають такі групи мікроорганізмів: бактерії, дріжджі, гриби.

1.1. Морфологія бактерій

Під назвою "бактерії" об’єднана велика група найменших одноклітинних організмів, які можуть розмножуватися тільки поділом клітин.

Розміри і будова бактерій. Розміри бактерій вимірюються мікронами і коливаються від десятих часток мікрона до кількох мікронів. Середній розмір бактерій складає 1-5 мкм. Проте серед них зустрічаються бактерії як гігантських розмірів, так і надзвичайно малі (табл. 1).

14

Таблиця 1

Розміри деяких бактерій

Завдяки електронному мікроскопу й упьтрамікротому - приладу, за допомогою якого можна робити ультратонкі зрізи мікробної клітини, вдалося встановити, що бактеріальна клітина складається переважно з тих самих частин, що й клітини вищих рослин, а саме з оболонки, протопласту, різних включень, які знаходяться в цитоплазмі тощо (рис. 3).

Рис. 3. Схема будови бактеріальної клітини:

1 - капсула; 2 - клітинна стінка; З - цитоплазматична мембрана; 4 - цитоплазма; 5 - мезосоми; б - рибосоми; 7 - нуклеоїд; 8 - внутрішньоцитоплазматичні мембранні утворення; 9-жирові краплі; 10- полісахариди гранули;

11 - гранули поліфосфату; 12 - вкраплення сірки; ІЗ - джгутики;

14 - базальне тільце

15

Бактеріальна клітина оточена щільною оболонкою (клітинною стінкою). Вона еластична, пружна і е механічним бар’єром між зовнішнім середовищем та протопластом, захищає клітину від несприятливих факторів оточуючого середовища, підтримує її форму, бере активну участь в обміні речовин, рості та поділі клітини.

На клітинну оболонку припадає від 5 до 20% сухої речовини від загальної маси бактеріальної клітини. В складі оболонок бактерій є протеїди, азотисті сполуки, близькі до хітину, амінокислоти, полісахариди, ліпоїди, пектинові та мінеральні речовини. Опорним каркасом клітинної стінки є полімер муреїн. У клітинних оболонках бактерій відбувається багато хімічних реакцій, у тому числі синтез полісахаридів і, можливо навіть, - білків.

Датський вчений X. Грам у 1884 р. запропонував метод фарбу­вання клітини бактерій, за яким одні забарвлюються у фіолетовий колір - грампозитивні, інші — у червоний колір - грамнегативні. Забарвлення бактерій за Грамом є важливою діагностичною ознакою й обумовлене різним хімічним складом та структурою клітинної оболонки. У грампозитивних бактерій клітинна стінка більш товста, аморфна, багатошарова, у ній міститься багато муреїну (50-90% сухої маси клітинної стінки), тейхоєві кислоти, мало білків, полісахаридів, часто зустрічається лізин. У грамнегативних бактерій клітинна стінка тонка, слоїста, одношарова, в ній міститься багато ліпідів у сполуках з протеїдами, сахаридами і фосфатами, мало муреїну (5-10%), відсутні тейхоєві кислоти.

Деякі мікроорганізми під впливом різних факторів мають здатність утворювати навколо клітинної стінки слизистий шар, який називають капсулою. Окремі бактерії утворюють капсули тільки в організмі людини або тварини. Капсульна речовина складається з води, полісахаридів (декстрини, левани), мукополісахаридів або поліпептидів. Хімічний склад капсули залежить від виду мікроорганізмів і поживного середовища. Утворенню капсул сприяє вирощування мікроорганізмів на поживних середовищах, що містять багато вуглеводів, культивування їх при низьких температурах. У деяких бактерій спостерігається утворення загальної капсули для багатьох особин. Такі скупчення мікробів в одній капсулі називають зооглеями.

Капсула може бути тонкою, ледь помітною або досить значною , часом і більшою за бактеріальну клітину (рис. 4).

16

Рис. 4. Капсула у Bacillus megaterium

Капсула захищає клітину від механічних пошкоджень, є захисним осмотичним бар’єром проти висушування і притоку великої кількості води, запобігає проникненню фагів і антитіл, солей важких металів, часом є джерелом запасних поживних речовин. З капсульних слизових речовин бактерій виготовляють замінники плазми крові та інші цінні препарати. Бактерії, що утворюють капсули, можуть бути причиною псування продуктів, яким надають слизувату та в’язку консистенцію.

Протопласт - це сукупність речовин, з яких складається вміст бактеріальної клітини, без клітинної оболонки. У протопласті розрізняють цитоплазму та ядерну речовину.

Зовнішній ущільнений шар цитоплазми утворює цитоплазма­тичну мембрану товщиною 5-7,5 нм, яка щільно прилягає до оболонки клітини бактерії.

Цитоплазматична мембрана має три шари: біомолекулярний шар ліпідів і два мономолекулярні шари білка. До її складу входять білки, фосфоліпіди, ліпопротеїн, вуглеводи та інші сполуки. На поверхні цитоплазматичної мембрани містяться активні ферментні системи, які беруть участь у синтезі білка, ферментів, нуклеїнових кислот, токсинів. У клітинній мембрані відбуваються різноманітні взаємопов’язані реакції. Через неї за допомогою ферментів пермеаз безперервно здійснюється активний транспорт різних речовин та іонів, які необхідні для життєдіяльності клітини. У цитоплазматичній мембрані локалізовані високочутливі рецептори, за допомогою яких клітина розпізнає й обробляє сигнали, що поступають із зовнішнього середовища, диференціює поживні речовини. Цитоплазматична мембрана відділяє від клітинної стінки вміст клітини, вона напівпроникна і регулює осмотичний тиск.

17

Під цитоплазматичною мембраною знаходиться цитоплазма з різними включеннями. За фізико-хімічною природою цитоплазма - складний колоїдний утвір з добре вираженою мікро- і макро­структурою, до складу якого входить близько 80% води, білки, жири та інші ліпоїди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, різні органічні сполуки, мінеральні речовини. Цитоплазма не гомогенна, у ній відбуваються складні процеси обміну речовин. Це зумовлює її структуру і хімічну динамічність.

Цитоплазма місцями пронизана мембранними структурами - мезосомами, які беруть свій початок від цитоплазматичної мембрани і зберігають з нею зв’язок. Вони утворюються шляхом відгалуження і випинання (інвагінації) у клітину цитоплазматичної мембрани в сторону цитоплазми. Ззовні мезосоми вкриті тонкою мембраною, а в середині мають ряд пластинок. Мезосоми виконують різні функції. У них і в зв’язаній з ними цитоплазматичній мембрані розташовані ферменти, які беруть участь в енергетичних процесах, тобто в забезпеченні клітини енергією. У пластинах мезосом є дихальні ферменти, які транспортують електрони. Мезосоми мають важливе значення у процесі поділу клітини, в утворенні клітинних стінок. Добре розвинуті мезосоми тільки у грампозитивних бактеріях. У грамнегативних вони мають простішу будову.

Рибосоми - структури у вигляді дрібних гранул діаметром 10-20 нм, розсіяних у цитоплазмі. В їх складі 60% рибонуклеїнової кислоти (РНК) і 40% протеїну. У бактеріальній клітині міститься від

5. до 50 тис. рибосом, які є основним місцем синтезу білка в клітині.

Генетичний матеріал бактерій представлений молекулами дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), яка здебільшого розмі­щується в ядрі. У бактерій ДНК знаходиться у вигляді компактного утворення, яке займає визначене місце в цитоплазмі, однак не відмежоване від неї оболонкою і не оформлене диференційованим органоїдом. Ядерне утворення в бактеріальній клітині називають нуклеоїдом, на відміну від назви "ядро" у клітинах високоорганізованих живих організмів. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що нуклеоїд бактеріальної клітини - це подвійна спіраль ДНК у вигляді замкнутого кільця довжиною приблизно 1,4 мм, що більше ніж у 1000 разів перевищує довжину самої клітини. ДНК нуклеоїда бактерій називають ще бактеріальною хромосомою.

У цитоплазмі бактерій зустрічаються також інші включення, такі, як: гранульоза, глікоген, жир, волютин, сірка тощо. Це запасні

18

поживні речовини, які накопичуються в клітині, коли вона розвивається в умовах надлишку поживних речовин у середовищі, і використовуються, якщо клітина потрапляє в умови голодування. Про це свідчать факти їх поступового зникнення в разі недостатнього надходження поживних речовин у клітину.

Гранульоза та глікоген - це вуглеводи, які під час гідролізу розпадаються на глюкозу і використовуються як джерела вуглецю та енергії.

Волютин - азотиста сполука, до складу якої входять поліфосфати та РНК. Вперше його було виявлено у Spirillum volutans, звідки й походить назва. Волютин використовується як джерело фосфору й енергії.

Ліпіди знаходяться в клітинах у вигляді гранул і крапель. Вони є добрим джерелом вуглецю й енергії.

У клітинах сіркобактерій відкладається молекулярна сірка.

У цитоплазмі деяких видів бактерій є пігменти - включення, які надають колоніям відповідного забарвлення.

Пігменти бактерій належать до різних класів органічних сполук: каротиноїдів, азахінонів, антоціанів, піролів, феназинових барвників тощо. Пігментоутворення генетично детерміновано і тому викорис­товується при ідентифікації бактерій. Порівняно з пігментованими бактеріями непігментовані гинуть на світлі швидше. Деякі пігменти, зокрема, каротиноїди використовуються як барвники у харчовій промисловості.

Вакуолі - це утворення, що містяться у цитоплазмі, заповнені клітинним соком, який є водним розчином різних мінеральних та органічних речовин. Вакуолі оточені мембраною (тонопласт) ліпопротеїцного походження. Біологічна функція вакуолів остаточно не з’ясована. Одні вчені вважають, що у вакуолях нагромаджуються шкідливі продукти метаболізму, інші - що вони виникають при над­лишку у клітині води. Можливо, вакуолі виконують функцію додат­кових ферментів дихання. Число вакуолів у клітинах коливається від

6. до 20. Вакуолі добре помітні у цитоплазмі бактерій старих культур.

Форма бактерій. За зовнішнім виглядом бактерії поділяють на кулясті, паличкоподібні, звивисті та ниткоподібні. Крім цих основних форм зустрічаються бактерії у вигляді замкненого або незамкненого кільця (тороїди), правильної шестикутної зірки, червоподібної та трикутної форми. Форма клітин більшості бактерій є сталою видовою ознакою.

19

Кулясті бактерії називають коками. Вони бувають округлими, сферичними, еліпсоподібними, ланцетоподібними, бобоподібними. Бактерії кулястої форми (рис. 5) за розміщенням у просторі, характером ділення і біологічними властивостями поділяють на мікрококи (1), стрептококи (2), диплококи (3), тетракоки (4), стафілококи (5) і сарцини (6).

Рис. 5. Сполучення кулястих бактерій

Мікрококи діляться в одній площині і характеризуються одиночним або безладним розміщенням клітин.

Диплококи діляться в одній площині і утворюють сполучення по дві особини.

Стрептококи діляться в одній площині і утворюють ланцюжки різної довжини.

Тетракоки діляться у двох взаємоперпендикулярних площинах і утворюють сполучення по чотири клітини.

Сарцини діляться у трьох взаємно перпендикулярних площинах і мають вигляд пакетів (тюків) по 8, 16, 32 і більше клітин.

Стафілококи діляться у різних площинах і утворюють скупчення неправильної форми, переважно у вигляді виноградного грона.

Паличкоподібні бактерії мають циліндричну форму. Відріз­няються вони між собою товщиною та довжиною палички, а також формою кінця палички. Кінець палички може бути загостреним, заокругленим, тупо зрізаним або увігнутим. Зустрічаються бактерії з бульбоподібними потовщеннями на кінцях або розгалуженнями у вигляді бокових виростів (рис. 6).

20

Рис. 7. Звивисті форми бактерій

Ниткоподібні форми являють собою довгі нитки діаметром від 1 до 7 мкм, які складаються з щеплених коротких паличко­подібних клітин. Нитки покриті тонкою слизовою оболонкою. Серед ниткоподібних бактерій є рухливі та нерухомі форми.

Рухливість бактерій. Багато видів бактерій можуть пересуватися. Кулясті бактерії, за винятком двох видів, нерухливі, паличкоподібні є рухливі та нерухливі, звивисті всі рухливі.

21

Рис. 6. Паличкоподібні форми бактерій

Паличкоподібні бактерії поділяють на просто бактерії, які не утворюють спор, бацили, які утворюють спори та клостридії, які переважно утворюють спори, але можуть і не утворювати їх.

Паличкоподібні бактерії можуть бути розміщені поодиноко без певної системи (більшість бактерій), сполученими попарно по довжині (диплобактерії та диплобацили) та розміщеними у вигляді ланцюжка по три-чотири і більше клітин (стрептобактерії та стрептобацили).

Звивисті бактерії відрізняються між собою ступенем звивистості, довжиною і товщиною клітин. До цієї групи відносять вібріони, які мають вигляд коми, спірили - форми з одним або декількома вигинами спіралі у вигляді штопора та спірохети - довгі, тонкі палички з чисельними закрутками (рис. 7).

Рухливі бактерії поділяються на повзаючі і плаваючі. Повзаючі бактерії повільно пересуваються (ковзають) по поверхні в результаті хвилеподібних скорочень тіла. У клітинній стінці цих бактерій виявлено білкові фібрили, які обертаються. За рахунок цього клітина відштовхується від твердого субстрату і хвилеподібно пересувається.

Плаваючі бактерії пересуваються за допомогою джгутиків - тонких утворень білкової природи. Стінки джгутикової нитки побудовані із укладених по спіралі субодиниць білка флагеліну. У речовині джгутиків виявлено лізин, аспарагінову і глутамінову кислоти, аланін. Довжина джгутиків є різною і коливається від 6-9 мкм до 80-90 мкм, товщина складає 0,02-0,06 мкм. Джгутики пов’язані з тілом бактеріальної клітини за допомогою двох дисків: зовнішнього - у клітинній стінці, і внутрішнього - у цитоплазматич­ній мембрані. Розміщення і число джгутиків на бактеріальній клітині різне, але є постійним для кожного виду і має діагностичне значення. За розміщенням джгутиків мікроорганізми поділяють на:

- моногрихи - з одним джгутиком на кінці;

- амфітрихи - з двома полярно розміщеними джгутиками або пучком джгутиків на обох кінцях;

- лофотрихи - з пучком джгутиків на одному кінці;

- перитрихи - з джгутиком по всій поверхні тіла (рис. 8).

Рис. 8. Розташування джгутиків у бактерій:

1 - монотрихіальне; 2- лофотрихіальне; З - перитрихіальне; 4 - амфітрихіальне

Спрямованість руху бактерій визначається розташуванням джгутиків. Монотрихи і лофотрихи рухаються прямолінійно, пери­трихи під час прямолінійного руху можуть безладно перекидатися.

Залежно від зовнішніх факторів, під впливом яких відбувається пересування, у рухливих бактерій розрізняють спрямовані рухи (таксиси): хемотаксис, термотаксис, аеротаксис, фототаксис, магнітотаксис, віскозотаксис.

22

Швидкість пересування бактерій досить велика. За секунду клітина з джгутиками може пройти відстань у 20-30 разів більшу, ніж довжина її тіла. Найбільш рухливі монотрихи розвивають швидкість

60 мкм/с.

Характер руху бактерій залежить від числа джгутиків, віку і властивостей культури, температури, наявності хімічних речовин та інших факторів. Більшість бактерій мають джгутики на ранній стадії розвитку. Пізніше під впливом різних факторів (під час спороутворення, при механічних пошкодженнях, внаслідок дії антисептиків, при старінні клітини) вони можуть втратити їх.

Крім активної рухливості за допомогою джгутиків і скорочень тіла, для багатьох бактерій характерний молекулярний, пасивний або броунівський рух, який є результатом теплового руху молекул оточуючого середовища і проявляється у коливанні клітин на одному місці.

Розмноження бактерій. Бактерії розмножуються тільки шляхом простого поділу клітини. Коли бактерії знаходяться в сприятливих для розвитку умовах, тобто в умовах відповідних температур, забезпечені достатньою кількістю поживних речовин, тоді вони розмножуються дуже швидко. Приблизно через 20-30 хв відбувається поділ клітини. При такій швидкості розмноження через 15 год із однієї клітини може утворитись 1 млрд клітин. Насправді ж у природі немає таких ідеальних умов, за яких бактерії могли б безперервно розмно­жуватися. Нестача живлення, несприятливі температурні умови, згубний вплив виділених продуктів обміну, поїдання бактерій іншими організмами та інші фактори негативно впливають на розмноження бактерій.

У процесі поділу бактеріальної клітини починає формуватися перегородка, яка ділить цитоплазму материнської клітини на дві дочірні. Далі синтезується оболонка й утворюються дві нові клітини, які в свою чергу також діляться.

Кулясті бактерії (коки) можуть ділитися в одній, у двох і навіть У трьох площинах. Якщо після поділу клітини не роз’єднуються, то при поділі в одній площині завжди утворюється стрептокок, при поділі в двох взаємоперпендикулярних площинах - тетракок, а при поділі в трьох площинах - сарцина (рис. 9). Таким чином, сполучення кулястих бактерій зумовлені послідовністю розташування перего­родок, що виникли під час поділу клітин.

23