кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Карбоксидобактерии Это аэробные прокариоты, способные расти, используя оксид углерода в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas и др. Это грамотрицательные прямые или слегка изогнутые палочки, подвижные. Карбоксидобактерии могут расти автотрофно, ассимилируя СО 2 в цикле Кальвина, а также использовать в качестве единственного источника углерода и энергии различные органические соединения и некоторые одноуглеродные субстраты, такие как метанол и формиат. При выращивании на среде с СО 2 в качестве единственного источника углерода все карбоксидобактерии энергию могут получать за счет окисления молекулярного водорода. В большинстве случаев рост этих бактерий на среде с СО 2 + Н 2 происходит активнее, чем на среде с СО. Это дало основание рассматривать карбоксидобактерии как особую физиологическую подгруппу водородных бактерий. Использование СО карбоксидобактериями происходит путем его окисления в соответствии с уравнением 2СО + О 2 2СО 2 Далее продукт реакции используется по каналам автотрофного метаболизма. Таким образом, при выращивании карбоксидобактерий на среде с СО в качестве единственного источника углерода и энергии источником углерода служит не СО, а СО 2 Общее уравнение обмена карбоксидобактерий может быть представлено в виде следующего уравнения: 24СО + 11О 2 + Н 2 О 23СО 2 + [СН 2 О] Окисление СО карбоксидобактериями осуществляется с участием СО- дегидрогеназы. Электроны, освобождающиеся при этом, поступают в электронтранспортную цепь, состав которой аналогичен таковому водородных бактерий. Карбоксидобактерии приносят существенную пользу, улучшая экологическую ситуацию благодаря своей способности очищать атмосферу от токсичного оксида углерода, который в больших количествах присутствует в выхлопных газах, выбросах многих промышленных предприятий. 55 Семейство Pseudomonadaceae Семейство Pseudomonadaceae состоит из четырех основных родов: Pseudomonas, Xanthomonas, Zoogloea, Frateuria, в состав которых входят как сапрофитные, так и патогенные штаммы. Сапрофиты могут быть почвенными и обитающими в пресной или морской воде. Патогенные штаммы включают как фитопатогенных (вызывающих заболевания растений), так и патогенных для человека и животных представителей. Общие признаки представителей семейства Pseudomonadaceae – это грамотрицательные, аэробные, не образующие спор, в большинстве своем хемоорганотрофные бактерии. Метаболизм дыхательный, никогда не бродильный. Растут при температуре от 4 до 43 ºС. По морфологии это прямые или изогнутые палочки, передвигающиеся с помощью полярно расположенных жгутиков. Важным систематическим признаком является то, что представители семейства Pseudomonadaceae катаболизируют углеводы по пути Энтне-ра – Дудорова с образованием пировиноградной кислоты. Гликолиза и окислительного пентозофосфатного пути у них не обнаружено. Содержание ГЦ-пар в ДНК находится в пределах 58–71 %. Краткая характеристика родов, входящих в семейство Pseudomonadaceae, представлена в табл. 12. Таблица 12 Дифференциальные характеристики родов сем. Pseudomonadaceae Характеристики Pseudomonas Xanthomonas Frateuria Zoogloea Зависимость в факторах роста – + – + Рост при рН 3,6 – – + – Продукция ксантомонадинов – + – – Патогенность для растений ± + – – Образование хлопьев с древовидными выростами – – – + Род Pseudomonas. Впервые псевдомонады были описаны К. Флюгге в 1886 г. и названы им Bacillus fluorescens. В 1894 г. был создан род Pseu- domonas. Размеры клеток бактерий 0,5–1 × 1,5–4 мкм. Все представители подвижны. Жгутикование полярное (монополярное, амфитрихиальное, лофотрихиальное). 56 В большинстве случаев хемоорганотрофы, но встречаются и хемоли- тоавтотрофы. Метаболизм строго дыхательный. Оксидазная реакция положительная. Отдельные представители способны к денитрификации. Типовой вид – Pseudomonas aeruginosa. Род Xanthomonas. Отличительными признаками от представителей рода Pseudomonas являются некоторые особенности метаболизма, к числу которых относится способность продуцировать экстрацеллюлярные полисахариды ксантаны, а также желтые внутриклеточные не растворимые в воде пигменты ксантомонадины, которые представляют собой бромированные или метилированные арилполиены. Оксидазная реакция отрицательная. Нитраты не восстанавливают. Пищевые потребности для роста сложны, бактерии зависят от наличия в среде метионина, глутаминовой и никотиновой кислот. Все представители рода Xanthomonas патогенны для растений. Типовой вид – Xanthomonas campestris. Род Frateuria. Представители, относящиеся к этому роду, имеют вид палочек, встречающихся парами и поодиночке. Выделяют подвижные с полярным жгутикованием и неподвижные формы. Облигатные аэробы. Оптимальная температура роста 25–30 ºС. Растут при рН 3,6. На среде с глюкозой образуют типичный водорастворимый коричневый пигмент. На среде с дрожжевым экстрактом или пептоном формируют желтые, либо оранжевые колонии. Хемоорганотрофы. Образуют органические кислоты из этанола и большинства других источников углерода. Не нуждаются в факторах роста. Нитраты не восстанавливают. Представители рода Frateuria выделены из растений рода Lilium (лилия) и рода Rubus (малина, ежевика) в Японии. Типовой (и единственный) вид – Frateuria aurantia. Род Zoogloea. Бактерии, относящиеся к этому роду, являются массовыми обитателями активного ила очистных сооружений. Молодые клетки быстро передвигаются при помощи одиночных полярных жгутиков, со временем клетки агрегируют в хлопья, которые свободно плавают или прикрепляются к какой-нибудь поверхности, а также образуют пленки. Клетки погружены в гелеобразный матрикс и образуют зооглеи – структуры с характерной «древовидной» или «пальцевидной» морфологией. Хемоорганотрофы, окисляют многие углеводы, аминокислоты. Восстанавливают нитраты. Не пигментированы. Для роста нуждаются в витамине В 12 . Мезофилы с оптимальной для роста температурой 28–37 ºС. Встречаются как свободноживущие в загрязненных органическими веществами пресных водах и в сточных водах на всех стадиях очистки. 57 Типовой вид – Zoogloea ramigera. Типовым родом семейства Pseudomonadaceae является род Pseudomonas как самый многочисленный и уникальный. Интерес исследователей во всем мире к этим бактериям постоянно растет. Бактерии рода Pseudomonas – это и сапрофиты, и патогены. Способны утилизировать в качестве источника углерода и энергии разнообразные природные и неприродные соединения. Они являются продуцентами большого числа биологически активных соединений, таких как пигменты, антибиотики, аминокислоты, полисахариды, токсины, витамины, а также другие органические вещества, используемые в иммунологии, медицине и сельском хозяйстве. Наибольший интерес с практической точки зрения представляют пигменты и антибиотики, синтезируемые этими бактериями. Пигменты бактерий рода Pseudomonas относятся к различным химическим группам соединений. Способность к синтезу пигментов в значительной степени зависит от условий культивирования клеток-продуцен-тов: состав среды, степень аэрации, температура влияют на этот процесс. У бактерий рода Pseudomonas наиболее разнообразно представлена группа феназиновых пигментов. Эти пигменты синтезируются по метаболическому пути биосинтеза ароматических аминокислот. Производными феназина являются следующие пигменты: пиоцианин, йодинин, хлорорафин, оксихлорорафин, аэругинозин А, аэругинозин В, феназин-1-карбоновая кислота. Феназиновые пигменты синтезируются многими флуоресцирующими псевдомонадами. Например, разные штаммы бактерий P. aeruginosa продуцируют аэругинозин А, аэругинозин В, оксихлорорафин, хлорорафин и синий пигмент – пиоцианин; P. aureofaciens – феназин-1- карбоновую кислоту; P. iodininum – пурпурный пигмент йодинин. В определенных условиях некоторые представители рода Pseudomonas (P. fluorescens, P. putida, P. aeruginosa, P. chlororaphis и др.) синтезируют водорастворимые флуоресцирующие желто-зеленые пигменты, названные пиовердинами. Молекула пиовердина состоит из хинолинового хромофора, связанного с циклическим пептидом, и короткой алифатической цепи. Пиовердины являются железохелатами (сидерофорами) и выполняют специфическую роль в транспорте Fe 3+ . Синтез пиовердинов происходит при недостатке железа в среде. Появились сообщения, что эти пигменты имеют полезные свойства, так как при обработке семян растений культуральной жидкостью, содержащей флуоресцирующие пигменты, или после поливки ею вегетирующих растений наблюдается существенная прибавка урожая. Стимулирующий и защитный эффект флуоресцирующих пигментов можно объяснить следующим: пигменты связывают железо почвы, в результате чего находящиеся в ризосфере растения фитопатогенные микроорганизмы не 58 размножаются, так как их рост ограничивается недостатком железа. В следствие этого растение развивается более здоровым и лучше плодоносит. Третья группа пигментов, продуцируемых бактериями рода Pseudomonas, – каротиноидные пигменты меланины. Эти пигменты не растворимы в воде и остаются связанными с клетками, придавая колониям желтый или оранжевый цвет. Каротиноидные пигменты продуцируют представители видов P. mendocina, P. flava, P. palleronii, P. radiora, P. aeruginosa, P. rodos и др. Большинство бактерий рода Pseudomonas синтезируют вещества антибиотической природы. Эти вещества составляют обширную группу различных соединений, объединяемых общей функцией. Количество антибиотиков, синтезируемых бактериями рода Pseudomonas, достигло более 50. По этому свойству псевдомонады почти достигли уровня бацилл и уступают лишь актиномицетам. По химической природе антибиотики псевдомонад принадлежат к феназинам, пирролам, производным индола и являются промежуточными или конечными продуктами метаболизма ароматических соединений. Антибиотики, образуемые бактериями Pseudomonas, делятся на следующие группы. 1. Антибиотики ациклического строения, например: • псевдомоновая кислота (мупироцин) – действует на грамположительные и грамотрицательные бактерии, дрожжи. Обладает гемолитическими свойствами. Продуцент – P. fluorescens; • тиоформин – высокоактивен против грамположительных и грамотрицательных бактерий, клеток раковых опухолей, однако in vivo токсичен. Продуцент – P. fluorescens. 2. Антибиотики циклического строения, например: • салициловая кислота. Продуценты – P. fluorescens, P. aeruginosa, P. denitrificans; • флюороглюцины – высокоактивны против грамположительных бактерий. Продуцент – P. aurantiaca. 3. Антибиотики гетероциклического строения, например: • феназиновые антибиотики – действуют на грамположительные и грамотрицательные бактерии. Продуценты – P. сhlororaphis, P. aureofaciens, P. fluorescens. 4. Антибиотики-производные пиррола, например: • пирролнитрин – активен против большинства плесневых грибов и дрожжей. На его основе приготовлен медицинский препарат, используемый в медицине для лечения различных дерматомикозов. Продуценты – P. aureofaciens, P. fluorescens, P. azotoformans и др. 5. Антибиотики-аминогликозиды, например: 59 • сорбистины – угнетают рост грамположительных и грамотрицательных бактерий. Продуценты – P. fluorescens, P. sorbistini. 6. Антибиотики-пептиды, например: • сирингомицин. Продуцент – P. syringae; • микроцины. Продуцент – P. aeruginosa. 7. β-Лактамные антибиотики, например: • табтоксины – высокотоксичны для бактерий, водорослей, высших растений и млекопитающих. Продуцент – P. tabaci; • сульфазецин – высокоактивен в отношении грамотрицательных бактерий, на грамположительные бактерии действует слабо. Продуцент – P. acidophila. Бактерии рода Pseudomonas обладают редкой способностью использовать широкий круг источников питания – до 150 наименований природных и синтетических соединений. Уникальной особенностью псевдомонад является способность использовать в качестве источника углерода и энергии ароматические соединения, такие, как фенол, камфора, салицилат, нафталин, толуол и другие, не утилизируемые большинством микроорганизмов. Первым этапом катаболизма ароматических соединений является образование катехола: HOOC OH OH Затем происходит разрыв ароматического кольца в орто- или мета- положении: HOOC OH OH HOOC COOH COOH орто-Расщепление 60 HOOC OH COOH HOOC OH OH мета-Расщепление CHO Показано, что бактерии P. putida расщепляют ароматические соединения по орто-пути. Некоторые другие бактерии рода Pseudomonas, такие, как P. testosteroni, P. fluorescens и P. acidovorans, расщепляют ароматические соединения по мета-пути. Бактерии рода Pseudomonas могут деградировать большую группу токсических соединений (гербициды, инсектициды, пестициды), содержащих в своем составе атомы хлора, фтора, ртути, брома. Некоторые представители псевдомонад способны расщеплять поверхностно-актив-ные вещества (сульфанол, алкилсульфонат, додецилсульфат натрия и др.), синтетические полимеры (капролактам, тринитротолуол, n-нитро-анилин и др.). Установлено, что генетические детерминанты утилизации неприродных углеродсодержащих соединений находятся в плазмидах, которые относятся к плазмидам биодеградации, или D-плазмидам. Таким образом, можно сделать вывод, что большинство бактерий рода Pseudomonas – типичные хемогетеротрофы. Вместе с тем в составе рода Pseudomonas имеюся виды, способные к хемолитотрофному росту за счет окисления молекулярного водорода. Это бактерии видов P. faci-lis, P. saccharophila, P. flava, P. palleronii и др. Некоторые виды бактерий рода Pseudomonas способны к денитрификации, к их числу относятся P. aeruginosa, P. denitrificans, P. fluorescens, P. mendocina и др. В процессе денитрификации нитраты и нитриты восстанавливаются до N 2 O, NO или N 2 В последние годы получены данные о том, что некоторые бактерии рода Pseudomonas, обитающие в ризосфере различных растений, способны фиксировать молекулярный азот. Азотфиксирующие свойства выявлены у штаммов P. saccharophila, P. dеlafieldii, P. aurantiaca и др. Имеются также данные, свидетельствующие в пользу того, что бактерии одних и тех же видов микроорганизмов могут осуществлять два диаметрально противоположных процесса – азотфиксацию и денитрификацию. Бактерии рода Pseudomonas широко распространены в природе: почве; морских и пресноводных водоемах; илах; сточных водах; пластовых водах нефтяных месторождений; почвах, загрязненных нефтью; почве около 61 горячих источников; филосфере и ризосфере растений; в рудных месторождениях и т. д. Широкая распространенность псевдомонад обеспечивается их способностью развиваться в самых разных условиях в природе, используя различные соединения углерода и азота в энергетическом и конструктивном обмене. Среди псевдомонад много сапрофитов (P. fluorescens, P. putida и др.), но есть виды, патогенные для человека и животных (P. aeruginosa) и для растений (P. syringae, P. cichorii, P. glуcinea и др.). Метаболическое разнообразие бактерий рода Pseudomonas позволяет широко использовать их в народном хозяйстве: • для борьбы с загрязнением окружающей среды, утилизацией ксенобиотиков (выступают как детоксиканты); • производства микробного белка при выращивании бактерий на дешевых субстратах (спирты, ароматические соединения, углеводороды и др.); • производства уникальных антибиотиков и изыскания новых антимикробных, противоопухолевых и противовирусных соединений; • извлечения остаточной нефти из скважин и месторождений; • производства аминокислот и витаминов на дешевых субстратах; • защиты сельскохозяйственных растений от фитопатогенов. Бактерии- антагонисты из рода Pseudomonas используются в качестве средства биологической борьбы с заболеваниями растений бактериальной и грибной этиологии. Семейство Enterobacteriaceae Семейство Enterobacteriaceae объединяет бактерии, которым присущи следующие признаки: • отрицательная окраска по Граму; • прямые палочки (0,3–1,8 мкм), подвижные за счет перитрихи-альных жгутиков или неподвижные, не образующие спор; • оксидазоотрицательные и каталазоположительные (за исключением Shigella dysentheriae); • катаболизм углеводов с образованием кислоты и газа или только кислоты; • факультативные анаэробы, обладающие метаболизмом дыхательного и бродильного типа; • восстанавливают нитраты в нитриты (кроме ряда видов родов Erwinia, Yersinia и Pantoea); 62 • хемоорганогетеротрофы, хорошо растущие на обычных питательных средах; • не содержат цитохромоксидазу; • некислотоустойчивые; • большинство видов хорошо растет при температуре 37 ºС, однако представители некоторых видов лучше осуществляют жизнедеятельность при 25–30 ºС. Семейство получило свое название Enterobacteriaceae, так как некоторые типичные его представители являются постоянными обитателями толстого кишечника млекопитающих и человека (от греч. entero – кишечник). Семейство Enterobacteriaceae насчитывает более 30 родов и более 100 видов. Наибольший интерес для человека представляют роды Escherichia, Shigella, Salmonella, Citrobacter, Klebsiella, Enterobacter, Erwinia, Pantoea, Serratia, Hafnia, Proteus, Yersinia, Edwardsiella, Providencia, Morganella. Энтеробактерии распространены повсеместно: их можно обнаружить в почве, воде, на фруктах, овощах, зерне, цветковых растениях и деревьях, в организмах животных (от червей и насекомых до млекопитающих) и человека. Входящие в это семейство микроорганизмы весьма разнообразны по особенностям экологии, кругу хозяев, а также патогенности для человека, животных, насекомых и растений. Энтеробактерии с их типичным представителем E. coli, часто рассматривающимся как прототип бактерий вообще,являются объектами интенсивного исследования по следующим причинам. 1. Имеют медицинское и экономическое значение. Ряд видов энтеробактерий вызывают желудочно-кишечные заболевания, включая брюшной тиф и бактериальную дизентерию. Кроме того, большинство видов энтеробактерий могут быть возбудителями разнообразных внекишечных инфекций, таких как бактериемия, менингит, инфекции мочевыводящих и дыхательных путей, а также раневые инфекции. Бактерии семейства Enterobacteriaceae являются причиной 50 % случаев внутрибольничных инфекций; наиболее часто их вызывает E.coli, представители родов Klebsiella, Enterobacter, Proteus, Providencia и вида Serratia marcescens. Фитопатогенные виды бактерий рода Erwinia наносят значительный ущерб продукции сельского хозяйства, вызывая заболевания картофеля, капусты, огурцов, арбузов и др. Установлено, что в отдельных случаях при хранении картофеля 20–50 % урожая гибнет от поражения «мягкими» гнилями, возбудителями которых являются данные микроорганизмы. Они также вызывают заболевания вегетирующих растений, снижая урожайность сельскохозяйственных культур. Однако помимо вреда, который наносят 63 бактерии рода Erwinia, они могут выступать в качестве продуцентов пектолитических ферментов, которые могут найти широкое применение в пищевой промышленности для осветления фруктовых и овощных соков, в промышленной мочке льна и др. 2. Быстро растут и размножаются. Например, время генерации бактерий E. coli в оптимальных условиях составляет 20 мин. 3. Не требуют для роста сложных сред. 4. Удобны для проведения генетических манипуляций, для них разработаны и осуществлены все способы генетического обмена. |