Морфология микроорганизмов изучает форму и особенности строения их клеток, способность к движению, спорообразованию, размножению. Морфологические признаки играют большую роль в распознавании микроорганизмов и их систематике. Большинство микроорганизмов являются одноклеточными организмами, но есть и многоклеточные. На основании особенностей строения ядерного аппарата микроорганизмы подразделяются на прокариоты (безъядерные) и эукариоты (истинно ядерные). В отличие от прокариот, ядерный аппарат которых представлен клубком нитей ДНК, эукариоты имеют ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Типичными представителями прокариот являются бактерии, эукариот — микроскопические грибы. Помимо клеточных существуют неклеточные организмы, называемые вирусами.  

БАКТЕРИИ (ПРОКАРИОТЫ)

Формы и размеры клеток. По внешним признакам бактерии принято делить на три основные группы: шаровидные, палочковидные и извитые. Шаровидные бактерии, или кокки, различаются размерами и. взаимным расположением отдельных клеток. Так, микрококки, образующиеся по окончании деления клетки, располагаются одиночно:

  • диплококки — попарно;
  • тетракокки — по четыре;
  • стрептококки — в виде цепочек различной длины;
  • сарцины образуют сочетания по 8, 16 и более кокков в виде тюков или пакетов правильной формы;
  • стафилококки - скопления кокков, напоминающие гроздья винограда.

Палочковидные бактерии различаются по длине, диаметру, форме концов клеток, взаимному расположению, образованию спор и т. д. и встречаются либо в виде одиночных клеток, соединенных попарно (диплобактерий), либо в виде цепочек (стрепто-бактерий). Извитые бактерии различаются по длине и диаметру клетки, числу и характеру завитков. К извитым формам бактерий относятся вибрионы и спириллы. Вибрионы представляют собой слегка изогнутые в виде запятой палочки, спириллы — палочки, образующие несколько завитков (от одного до пяти). К извитым бактериям относят также спирохеты — длинные и тонкие извитые формы с многочисленными мелкими завитками. Кроме перечисленных основных групп существует ряд других групп бактерий. Нитчатые бактерии представляют собой многоклеточные организмы в виде нитей различной длины, иногда до 40 мкм. К ним относятся некоторые серо- и железобактерии, флексибактерии. Ветвистые, стебельковые, почкующиеся бактерии имеют ветвистую форму. К ним относятся актиномицеты, или лучистые грибки, микобактерии. 

Новые формы бактерий были выделены в последние годы из природных субстратов. Они представляют собой клетки различной формы либо с выростами — простеками, либо в виде замкнутого или разомкнутого кольца - тороиды, либо червеобразные (длинные с очень тонкими концами), либо в виде правильной шестиугольной звезды. Величина бактерий измеряется в тысячных долях миллиметра — микрометрах (1 мкм = 103 мм) ; внутриклеточные структуры — нанометрах (1 нм = 103 мкм). Диапазон размеров микроорганизмов велик. Среди бактерий встречаются как "гиганты", например серобактерия Beggiatoamirabilis, достигающая 1 — 2 см в длину и 50 мкм в ширину, так и очень мелкие формы — Micrococcusprogrediens размером 0,15 мкм. 

Объем бактериальной клетки в среднем составляет 0,07 мкм3, а масса 5 х 10"12 г. В одном кубическом миллиметре может содержаться до 1000 млн. бактериальных клеток.

Форма и размеры бактерий непостоянны и варьируют в зависимости от возраста, состава питательной среды, условий развития и т. д.

Строение бактериальной клетки. Бактериальная клетка по строению является одним из наиболее простых организмов. В ней различают клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с различными включениями и ядерный аппарат. Некоторые виды бактерий имеют капсулы, жгутики, а отдельные образуют споры.

Каждая бактериальная клетка отделена от внешней среды клеточной стенкой. В электронном микроскопе она легко отличается от цитоплазмы. Клеточная стенка, обладая эластичностью и достаточной прочностью, выдерживает внутриклеточное давление, достигающее 1 — 2 МПа. Она выполняет механическую функцию: придает постоянную форму клетке, предохраняет от неблагоприятных факторов и т. и. Клеточную стенку можно растворить или разрушить. Клетки с частично удаленными клеточными стенками называются сферопластами. Известны бактерии, у которых клеточная стенка отсутствует совсем. Это микоплазмы и формы.

В состав клеточной стенки входят два новых класса органических соединений, присущих только бактериям: пептидгликан (муреин) и тейхоевые кислоты. Кроме этих соединений имеются и другие компоненты: липиды, полипептиды, полисахариды, аминокислоты, в частности диаминопимелиновая, которая отсутствует у других организмов. Соотношение этих веществ у разных бактерий неодинаково. При специальной окраске, предложенной датским физиком X. Грамом в 1884 г., одни бактерии окрашиваются в темно-фиолетовый цвет (грамположительные), другие не восприни мают краситель (грамотрицательные) . В зависимости от этого все бактерии делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные

Таблица I

Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий

Компонент клеточной стенки

Грамположительные бактерии

Грамотрицательные бактерии

Пегггидогликан (муреин)

+++

+

Полисахариды

+

+

Тейхоевые кислоты

+

-

Белки

+

-

Липиды

+

+++

Липополисахариды

-

+

Липо протеиды

-

+

Примечание: (+) - присутствует; (+++) - присутствует в большом количестве; (-)  — отсутствует; (±) — присутствует не у всех видов.

По структуре и химическому составу клеточной стенки грамположительные бактерии существенно отличаются от грамотрицательных. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая, аморфная, содержит до 95% (от сухой массы) муреина, который связан в основном с полисахаридами — тейхоевыми кислотами. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий более тонкая, слоистая, содержит много липидов, мало муреина (5 — 10%), тейхоевые кислоты отсутствуют.

Клеточная стенка полупроницаема, имеет поры, через которые внутрь клетки могут проникнуть вещества с молекулярной массой до 75 000.

У многих бактерий клеточная стенка снаружи ослизняется и образует капсулу, выполняющую защитную функцию. В зависимости от толщины и консистенции капсульного слоя различают микро- и макрокапсулу. Микрокапсула имеет толщину 0,2 мкм и прилегает непосредственно к клеточной стенке. За микрокапсулой следует макрокапсула. Размер капсул может в 20 раз превышать диаметр бактериальной клетки.

Химический состав капсул у разных микроорганизмов неодинаков. Капсулы чаще всего состоят из полисахаридов (декстран, леван) реже — из гликопротеидов и полинептидов, способствующих образованию слизи. Слизеобразование иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зооглеи), в которые вкраплены бактериальные клетки. Интенсивность слизеобразования в значительной степени зависит от условий внешней среды. У одних бактерий слизеобразование стимулируется при росте в условиях низких положительных температур (5 — 6°С). Так, при хранении рыбы и рыбной кулинарии (колбас, сосисок и др.) в охлажденном виде, т. е при 5 — 6 С, ослизнение их происходит через 6 — 7 дней. У других бактерий слизеобразование стимулируется недостатком в питательной среде белков и избытком углеводов. Например, Leuconostocmesenteroides может превращать сахар в декстрановый студень. Продуцируемые некоторыми бактериями слизистые вещества (полисахарид леван) не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стенки, а диффундируют в окружающую среду. Поэтому слизеобразующие бактерии при быстром размножении в жидких субстратах (тузлуках) могут вызывать их тягучесть.

Капсула защищает клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов.

Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. Цитоплазматическая мембрана плотно прилегает к клеточной стенке и состоит из трех слоев: центрального — липидного и примыкающих к нему двух белковых. Цитоплазматическая мембрана образует "впячивания" внутрь клетки - внутриклеточные мембраны, которые могут быть собраны в сложные клубки — пластинчатые, сотовидные или трубчатые образования.

Во время деления клетки близ закладки поперечной перегородки формируются спиралевидные тельца - мезосомы, принимающие участие в распределении наследственного материала между дочерними клетками. Основная функция мезосом — синтез веществ клеточной стенки. У грамположительных бактерий мезосомы хорошо развиты, у грамотрицательных — слабо, кроме того, они имеют более простое строение. Менее сложные мембраны имеют вид простых петель или канальцев различной протяженности. Величина активной поверхности их превышает таковую цитоплазматической мембраны, что, очевидно, предполагает большую функциональную активность данных структур в клетках.

Цитоплазматическая мембрана является главным осмотическим барьером клетки и обладает избирательной проницаемостью: при помощи расположенных в ней специфических белков — пермеаз осуществляется перенос веществ, происходит поступление питательных веществ в клетку и выведение конечных продуктов обмена. На внутренней стороне мембраны расположены в основном окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в снабжении клетки энергией; на ее внешней стороне — гидролитические ферменты.

Внутреннее пространство клетки заполнено цитоплазмой, которая представляет собой полужидкую коллоидную систему и содержит очень тонкие нитевидные структуры различной длины и гранулы. Они представляют собой молекулы белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот (дезоксирибонуклеиновой — ДНК и рибонуклеиновой — РНК), а также других веществ.

Цитоплазма бактериальной клетки характеризуется повышенной вязкостью, которая в 800 — 8000 раз больше вязкости воды (приближается к вязкости глицерина). В молодых клетках вязкость цитоплазмы незначительна, что обусловливает ее более высокую активность, обеспечивает интенсивный перенос продуктов обмена от одних внутриклеточных структур к другим. У стареющих клеток вязкость повышается, напоминая гель. Повышение вязкости стареющих клеток является одним из факторов, Обусловливающих снижение физиологической активности клеток.

Цитоплазма является средой, связывающей все внутриклеточные структуры в единую систему. В цитоплазме диффузно расположены небольшие гранулы — рибосомы, содержащие примерно 60% РНК и 40% белка.

Количество рибосом в клетке зависит от условий и возраста (от 5 000 до 50 000). В молодых клетках наблюдается повышенное содержание рибосом.

В цитоплазме часто содержатся гранулы резервных или запасных веществ, которые при избыточном количестве питательных веществ накапливаются, а при условиях, менее благоприятных в отношении питания, расходуются.

В цитоплазме диффузно или в виде гранул содержится метахроматин (волютин) — сложный комплекс из рибонуклеиновой кислоты (РНК), связанной полифосфатами, белка и липидов. Благодаря полифосфатам метахроматин является своеобразным аккумулятором энергии, используемой клеткой в процессе обмена веществ.

Кроме метахроматина, в цитоплазме в качестве запасных веществ могут откладываться полисахарид — гликоген (он обнаружен у бацилл, сальмонелл, кишечной палочки, сарцин и др.), крахмалоподобное вещество — гранулеза (у анаэробных споровых бактерий), капли жира, капли серы (у серобактерий).

У многих бактерий имеются большие так называемые липидные гранулы, которые представляют собой полиоксимасляную кислоту, которая нерастворима в воде и может при необходимости использоваться клеткой в качестве источника энергии. В цитоплазме некоторых бактерий находятся красящие вещества — пигменты.

В центральной части бактериальной клетки расположено ядерное вещество — нуклеоид, представляющий собой клубок закрученных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Типичного ядра с ядрышком, отграниченного от цитоплазмы ядерной мембраной, у бактерий нет. Бактериальный нуклеоид, так же как ядро клеток растений и животных, является носителем наследственной информации, регулирует белковый синтез, специфичность синтезируемых белков, обеспечивает функционирование всех внутриклеточных процессов.

Движение бактерий. Многие бактерии не обладают способностью к движению. У подвижных форм движение обусловливается наличием жгутиков, которые прикрепляются к цитоплазматической мембране с помощью двух пар дисков и через поры в мембране выходят наружу. Толщина их от 10 до 20 нм, поэтому они невидимы в световой микроскоп; длина может достигать 20 мкм. У одних бактерий жгутик может быть полым, у других он заполнен веществом липидной природы. Жгутик совершает спиральные волнообразные движения вследствие ритмичных сокращений. Клетки, имеющие жгутики, могут двигаться с большой скоростью; за одну секунду клетка проходит расстояние, примерно в 50 раз превышающее ее длину.

Шаровидные формы бактерий, как правило, лишены жгутиков, у 50% палочковидных они имеются, извитые бактерии почти все имеют жгутики. Бактерии с жгутиком на одном конце называются монотрихами, на обоих — амфитрихами, с пучком жгутиков на одном или обоих концах — лофотрихами. Бактерии, у которых жгутики расположены по периметру клетки, называются перитрихами. Клетки, утратившие жгутики, теряют способность к движению, но остаются жизнеспособными.

Способность двигаться позволяет бактериям находить наиболее благоприятные условия для развития. Обнаружить жгутики можно с помощью окраски и микроскопирования в темном поле или в электронном микроскопе.

Спорообразование. Способностью образовывать внутри клетки особое тельце округлой или овальной формы — спору (эндоспору) обладают только палочковидные бактерии, относящиеся к родам Bacillusи Clostridium. В каждой клетке образуется, как правило, одна спора. К спорообразованию способны только зрелые клетки бактерий. Споры появляются только при неблагоприятных условиях существования бактерий, таких, как недостаток питательных веществ, наличие вредных продуктов обмена, неблагоприятная температура, высушивание и др. Таким образом, спорообразование у бактерий является одним из способов приспособления, который выработался в процессе эволюции и способствует сохранению вида в измененных условиях.

Расположение спор в зависимости от вида бактерий бывает либо центральным (при этом клетка может сохранять форму) — бациллярный тип, либо ближе к одному концу, либо на самом конце — плектридаальный тип. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма клеток меняется и приобретает вид веретена — клостридиальный тип спорообразования.

Спорообразование — сложный процесс. В нем различают четыре стадии: подготовительную (образование спорогенной зоны), стадию проспоры, стадию образования оболочек и стадию созревания.

Подготовительная стадия спорообразования начинается с прекращения роста клетки. Происходит перестройка белков, появляется новое, специфическое для спор соединение — дипиколиновая кислота, отсутствующая в вегетативной клетке. В споре она содержится в виде дипиколината кальция, составляя 15% сухого вещества споры. Помимо физико-химических изменений подготовительная стадия характеризуется и внутриклеточными структурными изменениями. Наблюдается деление ядерного вещества. Одна часть ядерного вещества (геном) окружается более плотной цитоплазмой, превращаясь в центр образования эндоспоры.

Стадия проспоры начинается с "впячивания" (инвагинации) цитоплазматической мембраны, которая обособляет ядерное вещество с небольшой частью уплотненной цитоплазмы.

Стадия образования оболочек характеризуется тем, что проспора отделяется от материнской клетки двумя оболочками — наружной и внутренней, между которыми образуется кортекс. Кортекс заполняется муреином и дипиколиновой кислотой. При прорастании споры кортекс превращается в клеточную стенку вегетативной клетки.

Стадия созревания споры характеризуется тем, что спора приобретает характерную для вида форму и размеры, занимает соответствующее положение в клетке. Когда спора сформируется, остатки материнской клетки разрушаются и спора освобождается.

Зрелые споры очень устойчивы, они переносят высушивание, нагревание при высоких температурах, длительное кипячение. Например, споры возбудителя пищевого отравления Clostridiumbotulinum выдерживают нагревание до 106°С в течение 5 — 6 ч и до 120°С в течение 10 — 20 мин. В отличие от вегетативных клеток споры обладают высокой устойчивостью к повышенным концентрациям солей, различных ядовитых веществ, радиации и другим неблагоприятным факторам. Известны споры, остававшиеся жизнеспособными при кипячении в концентрированной соляной кислоте в течение 20 мин.

Устойчивость спор объясняется тем, что оболочка их труднопроницаема, содержит много липидов, а активность ферментов подавлена Высокая термоустойчивость обусловливается низкой концентрацией воды в них, что предохраняет белки от денатурации при высоких температурах. Споры бактерий могут сохранять жизнеспособность десятки и даже сотни лет. Попав в благоприятные условия, спора поглощает воду и набухает, ее термоустойчивость снижается, усиливается дыхание и возрастает активность ферментов. Затем под действием липолитических ферментов растворяются сначала внутренняя, а затем наружная оболочки, появляется "росток" новой клетки, освобождаются и удаляются дипиколиновая кислота и кальций. Далее следует удлинение ростка и формирование вегетативной клетки. Прорастание споры происходит за 4 — 5 ч.

Систематика бактерий. Микроскопическая величина бактерий и изменчивость их под влиянием внешних условий в значительной степени затрудняют их классификацию. Поэтому до настоящего времени единой научно обоснованной классификации нет.

При классификации учитывают комплекс признаков:

морфологические форма клеток, ее размеры, способность к движению и спорообразованию, отношение к окраске по Граму;

культуральные — характер роста на различных плотных и жидких питательных субстратах;

физиологические особенности питания, дыхания; способность разлагать белки, сбраживать углеводы;

биохимические — тип ДНК и серологические свойства бактерий, т. е их реакции с телами кровяной сыворотки.

По установленным признакам идентифицируют исследуемые бактерии с ранее описанными видами по определителю.

Наименование бактерий, как и других организмов, в соответствии с правилами научной классификации состоит из двух слов (на латинском языке): первое обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе является видовым названием. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое — со строчной. Например, Clostridiumbotulinum относится к спорообразующим бактериям рода Clostridium. Этот микроорганизм впервые был выделен из колбасы, отсюда видовое название botulinum. Pseudomonas fluorescens относится к неспорообразующим бактериям рода Pseudomonas, образует флюоресцирующие пигменты (видовое название fluorescens — светящийся).

При определении видов бактерий в настоящее время используются "Руководство Берги по определению бактерий" и "Краткий определитель бактерий Берги". Согласно этому руководству прокариоты разделены на два отдела: цианобактерии и бактерии.

Цианобактерии — грамотрицательные, фотосинтезирующие (используют солнечную энергию) микроорганизмы. Этот большой и разнообразный отдел включает различные нитчатые и одноклеточные организмы, обитающие в водоемах. Некоторые цианобактерии используются для получения пищевого белка в промышленном масштабе.

Отдел бактерий разделен на 19 частей, каждая из которых делится на порядки, порядки - на семейства, семейства — на роды, роды — на виды. Наиболее важными из них для технической и водной микробиологии являются следующие части.

1. Фототрофные бактерии — фотосинтезирующие, различной формы бактерии. В клетках этих бактерий содержатся бактериохлорофилл и каротиноидные пигменты. Фотосинтез сопровождается выделением кислорода. В эту группу входят три семейства: несерные пурпурные, серные пурпурные и зеленые серные бактерии. Большинство из них является обитателями водоемов.

2. Грамотрицательные аэробные папочки и кокки (живущие при доступе кислорода) — одиночные прямые и слегка изогнутые подвижные палочки. Широко распространены в природе: воздухе, почве, морских и пресных водоемах, илах, сточных водах. Вызывают болезни человека и растений, порчу многих пищевых продуктов, в том числе и рыбы. Среди них есть солелюбивые (галофильные) бактерии, способные размножаться на средах с высокой концентрацией соли (20 — 30%) и способствовать порче соленой рыбы.

3. Грамотрицательные факультативно — аэробные папочки (способные жить как при доступе, так и без доступа кислорода) — подвижные и неподвижные бесспоровые, аэробные и факультативно-аэробные палочки, некоторые из которых образуют капсулы. Среди них много болезнетворных (патогенных) и неболезнетворных (непатогенных) бактерий, обитающих в морских и пресных водах, разлагающихся растительных и животных остатках, в кишечнике человека, животных, рыб, птиц. Встречаются возбудители тяжелых инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дизентерия, холера) и возбудители пищевых отравлений (рода Salmonella, Proteus) .

4. Грамотрицательные хемотрофные бактерии — палочки, кокки, спириллы, подвижные и неподвижные формы. Получают энергию за счет окисления восстановленных неорганических соединений азота, серы, железа, марганца. Углерод поглощают из углекислого газа. Живут в почве и воде.

5. Грамположительные кокки шаровидной формы — в основном сапрофиты. Расположены после деления по два, в виде правильных или неправильных цепочек, пакетов. Являются возбудителями порчи рыбы, рыбных и других продуктов. Некоторые виды патогенны, вызывают пищевые отравления. Их можно обнаружить в почве, кишечнике и дыхательных путях человека и животных.

6. Палочки и кокки, образующие эндоспоры — палочковидные организмы, большинство подвижные, грамположительные и грамотрицательные или положительные только в молодой культуре. Аэробы, анаэробы, факультативные анаэробы. Основное место обитания — почва. Среди них есть возбудители порчи рыбы, рыбных и других пищевых продуктов, а также возбудители заболеваний человека и животных (сибирская язва, столбняк), пищевых интоксикаций (ботулизм).

7. Грамположительные аспорогенные палочковидные бактерии (не образующие спор) — прямые или изогнутые палочки, неподвижные и подвижные, получающие энергию за счет молочнокислого брожения. Широко распространены в природе: почве, на растениях, в кишечнике человека и животных. Могут вызывать порчу пищевых продуктов и т.д.