Материал по микробиологии. Теоретический материал по микробиологии. Микробиология пищевых производств
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
Микробиология пищевых производств. 1 .Количественный и качественный состав микрофлоры зерна. 2.Микробиологические пороки хлеба и макарон. 3.Происхождение микрофлоры молока и ее изменение во время хранения. 4.Пороки молока. 5.Порча мяса, вызываемая микроорганизмами. 6.Пищевые отравления. В сельском хозяйстве мы постоянно сталкиваемся с процессами, связанными с жизнедеятельностью микроорганизмов: микробы активно участвуют в процессе почвообразования и переходят из почвы на поверхность растений, а затем на плоды и семена и является причиной порчи с/х-го сырья. Кроме этого мик-мы могут стать причиной болезней и пищевых отравлений населения. 1) Грамм доброкачественного зерна может содержать несколько миллионов зародышей микробов. Ориентировочная численность м-ов на зерне ( в тыс. на 1 г.), взятом с заготовительных пунктов, примерно следующая: рожь-2500 пшеница-1500 овёс(без цветочных пленок)-700 рис(без цветочных плёнок)-250 горох-40 кукуруза-20 просо-20 Однако резкое увеличение численности микробов наблюдается лишь при различного рода порчи зерна (подмочка, самосогревание). В свежеубранном зерне к типичным эпифитным бактериям относятся представители Pseudomonas. Их численность составляет до 96 % общего содержания микробов на поверхности зерна. Среди них преобладают Ps. Herbicola- подвижная мелкая палочка, образующая на плотных средах колонии золотистого цвета. В значительно меньших количествах присутствуют Ps. Fluorescens-палочки образующие бесцветные колонии. Все эти бактерии не могут разрушать оболочки зерна и не участвуют не посредственно в его порче. Лишь в свежеубранной зерновой массе, обладая большой способностью к дыханию, они выделяют много тепла, чем и способствуют возникновению самосогревания. Следует отметить что эти микроорганизмы гибнут при активном размножении на зерне КОККОВ и плесневых грибов. Это позволяет считать Ps. Herbicola биологическим индикатором, характеризующим состояние зерновой массы. (Можно судить о свежести данной партии и продолжительности ее хранения.) Спорообразующие бактерии( бациллы) в зерновой массе представлены главным образом картофельной и сенной палочками(в свежеубранном зерне -0,7%). Обладая высокоустойчивыми спорами, они могут сохраняться в зерновой массе длительное время. Численность картофельных и сенных палочек возрастает при хранении зерна. Они активно участвуют в развивающемся процессе самосогревания и форсируют его в зоне высоких температур (30-40 С). Споры их выдерживают нагревание до 109-113 С в течении 45 минут, а кипячение - нес-ко часов. При помоле зерна значительная их часть попадает в муку, которая является менее стойким продуктом, и при обычных условиях хранения в складах уже на второй год, а иногда и раньше претерпевают существенное изменение(меняется цвет, запах, вкус) в результате таких процессов как плесневение, прокисание, самосогревание. Микрофлора зерновой массы состоит почти полностью из аэробных микроорганизмов, количество строгих анаэробов в ней мало. Актиномицетов и грибов на поверхности зерна немного: приблизительно 1,3 % приходится на долю спор плесневых грибов и около 2% на долю дрожжей. Важнейшим условием определяющим важность развития микробов в зерновой массе, является ее влажность. (Об этом вы будите говорить на технологии хранения). Нарушение целостности зерна и его покровных тканей, а также наличие примесей (зерновых и минеральных), всегда создают благоприятные условия для начала активного развития микроорганизмов. В результате жизнедеятельности микробов меняются все основные показатели качества зерна: от его цвета и блеска до пищевой ценности и посевных свойств. Поэтому необходима очистка зерна. 2) В процессе приготовления печеного хлеба и макарон часть микрофлоры муки не погибают, а в некоторых случаях имеют возможность для размножения, влияя на качество получаемых продуктов. Так, в пшеничном тесте, затем и в печеном хлебе могут сохраняться споры (Вас. Mesentiricus ) и сенной (Вас. Subtilis) палочек, приводящей к развитию тягучей или картофельной болезни хлеба(стр.18 прочесть). Меры борьбы: рН ниже 5 (кислая среда). Существует меловая болезнь хлеба: появление белых пятен в мякише -хлеба, которые через некоторое время становятся сухими, порошкообразными напоминающими мел. Возбудители: особые дрожжи Endomyces fibuligt.-устойчивы к нагреванию и сохраняются при выпечке хлеба. Покраснение мякиши хлеба. Развивается при хранении хлеба в условиях повышенной температуры. Возбудители: палочка кроваво-красный пигмент. К числу таких же заболеваний относятся окрашивание мякиша хлеба в желтый, оранжевый и синий цвет. Вызывает грибками Oidium auranticus и Ascosporum roseus. Несоблюдение технологического режима при производстве макарон также может привести к дефектам, например вспучивание макарон: образование на поверхности макарон бугорков различной величины. В местах вспучивания видны пустоты. Возбудители Bacterium levans, близко стоящие к кишечной палочке. М/б контроль: титры: 1:10-хлеб заражен слабо 1:100-средне 1:1000-сильно Наличие кишечной палочки недопустимо. 3) Молоко представляет собой исключительно хорошую питательную среду для развития и размножения всевозможных микроорганизмов. Основными источниками попадания микробов в молоко являются : вымя и кожный покров животного, навоз, подстилка (особенно соломенная), воздух, посуда, руки доярок, (если ручная дойка), состояние доильного аппарата (при мех дойке). Главный источник бактериального загрязнения молока - вымя коровы, где всегда содержатся бактерии, проникающие через каналы сосков. Необходимо отметить, что в молоке, находящемся в вымени, бактерии не размножаются, не смотря на благоприятные температурные условия(36-37 С) и достаточное количество питательных веществ. Это объясняется тем что молоко обладает бактерицидностью. Природа бактерицидных веществ полностью пока не раскрыта. Предполагают, что основными веществами, убивающих микробов, являются антитела, лактенин 1 (содержащийся в основном в молозиве), лактенин 2 (предп-но это фермент лактипероксидаза) и лактенин 3 ( агглютенины). Бактерицидные вещества при нагревании молока до 70 С разрушаются. Во входном отверстие соска образуются бактериальная пробка. Так, в одном миллилитре молока первых порций содержится 16000 бактерий, в средних около 555, а в последних около 300. Часть их погибает, а часть приживается. Первые 2-3 струйки рекомендуется сдаивать в отдельную посуду, что позволяет установить начало заболевания коров маститом и слить самое загрязненное молоко. Покровы тела животного несут на себе большое кол-во микробов, которые во время доения могут попасть в молоко: молочно-кислые бактерии, б. группы кишечной палочки, вызывающих порчу молока и молочных продуктов. Поэтому животных нужно регулярно чистить. Размножение бактерий в выдоенном молоке зависит от температуры хранения, от продолжительности хранения, от состава микрофлоры только что выдоенного молока. Процесс развития микроорганизмов в молоке можно разделить на несколько фаз: 1. Бактерицидная фаза - в молоке, хранящемся при низкой температуре, в первое время не только не происходить размножение бактерий, но даже отмечается некоторое уменьшение их численности. Этот период задержки и принято называть бактерицидной фазой, продолжительность которой зависит от степени загрязнения молока бактериями, от быстроты и температуры охлаждения молока. Продление этой фазы имеет большое значение, т.к. позволяет дольше сохранить молоко и доставить его потребителям в свежем виде. Фаза смешенной микрофлоры - в молоке начинают развиваться все попавшие в него микроорганизмы. Продолжительность около 12 часов. Фаза молочно-кислого брожения - характеризуется усиленным развитием молочно-кислых бактерий, в первую очередь Streptococcus lactis, что приводит к накоплению молочной кислоты. В конце этой фазы молочно-кислые стрептококки сменяются молочно-кислыми палочками. Фаза отмирания микрофлоры - молочная кислота подавляет развитие молочно-кислых бактерий. Фаза плесневения - при максимальном накоплении молочной кислоты в свернувшемся молоке создаются благоприятные условия для развития плесневых грибов и дрожжей, которые при размножении часть молочной кислоты потребляют в качестве источника углеродов, а часть нейтрализуют продуктами своей жизнедеятельности. Следовательно, кислотность молока снижается. Внешний вид и качество молока меняются. Сначала появляется прогорклость за счет разлагающегося жира, затем дрожжевой и плесневой привкус. Фаза гниения - под пленкой плесени начинают размножаться гнилостные бактерии, которые начинают пептонизацию белков. Сгусток молока превращается в буроватую жидкость. 4) Выделяют 6 основных пороков молока: Горький вкус возникает в рез-те развития чаще всего споровых помочек, реже микрококков. Микрококки вызывают пороки сырого молока, а споровые палочки - пастеризованного. Прогорклый вкус - вызывается главным образом бактериями Pseudomonas fluorescens, которые выделяют фермент липазу, разлагающий жиры. Чаще всего это наблюдается при длительном хранении молока и при низкой температуре. Посторонние запахи и вкус - возникают в следствии развития в молоке бактерий Ps fluorescens и bacterium coli aerogenes. Этот порок развивается чаще всего при поедании животными зеленого корма. Бродящее молоко - отмечается усиленное газообразование. Порок может возникнуть как в сыром, так и в пастеризованном молоке и сливках. В первом случае причиной могут быть кишечная палочка и дрожжи, а во втором - масляно-кислые бактерии. Тягучее молоко - тягучесть молока возникает с нарастанием его кислотности или без нее. В первом случае прокисшее молоко • имеет вид тягучего сгустка. Вызывают этот порок некоторые молочно-кислые стрептококки, образующие при сквашивании молока слизь. Во втором случае сгустка не образуется, но молоко становится тягучим. Возбудитель Bacterium lactis viscosum. 6. Окраска молока - может проявляться в случае развития в нем пигментированных бактерий. Красное молоко - появляется в рез-те размножения палочки чудесной крови (Bacterium prodigiosum), синие - в случае развития -Bacterium cyanogenes, желтое - Bacterium synxanthum. Т. к. эти бактерии аэробы, окраска появляется обычно на поверхности молока сначала в виде отдельных пятен, затем распространяется на всю поверхность и частично идет в глубь. Покраснение молока также может быть связано с попаданием крови при мастите вымени. В этом случае красные хлопья оседают на дно. Через молоко могут передаваться: брюшной тиф, паратиф, дизентерия, холера, скарлатина, дифтерит (от человека к человеку). От животного к человеку: туберкулёз, бруцеллёз, сибир. язва, мастит, ящур. Тема: «Систематика, морфология и размножение бактерий». 1. Предмет микробиологии, роль в системе биологических и сельскохозяйственных наук. Микробиология - наука о мельчайших живых организмах, не видимых невооружённым глазом. Слово «микробиология» греческого происхождения: «микрос» - малый, «биос» - жизнь, «логос» - учение. Микробиология состоит из двух разделов: общего и специального. В общем разделе изучается морфология (т.е. внешнее строение, формы клеток), физиология (питание, размножение, дыхание, влияние факторов внешней среды, роль в природе и жизни человека) микроорганизмов. Кроме того, в общем разделе рассматриваются процессы, вызываемые микроорганизмами (напр. брожение - это анаэробное превращение глюкозы в конечные продукты в зависимости от вида микроорганизма, который действует на эту глюкозу). Специальный раздел включает изучение микроорганизмов почвы, зерна, а также влияние агротехнических мероприятий на деятельность м/орг-ов. Связана микробиология и с различными дисциплинами, изучаемыми в аграрном университете. Так, например, м/б немыслима без изучения химии, ботаники. В тоже время м/б-я обеспечивает изучение таких дисциплин как фитопатология (изучение возбудителей различных заболеваний), почвоведение, агрохимия (питание растений), земледелие (разработка мероприятий по возделыванию растений), растениеводство (изучают условия выращивания растений). 2. Принципы систематики бактерий. Признаки, лежащие в основе систематики. Систематика – наука о распределении микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы - таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике - классификация, идентификация и номенклатура. Классификация - распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фенотипическими признаками) по различным таксонам. Таксономия - наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны) - штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны - семейство, порядок, класс. В современном представлении вид в микробиологии- совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики. Штамм - любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами - сокращенно сероварами), по чувствительности к специфическим фагам - фаготипами, биохимическим свойствам - хемоварами, по биологическим свойствам - биоварами и т.д. Колония - видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон. Культура - вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде. Основной принцип бактериологической работы - выделение и изучение свойств только чистых(однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур. Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Идентификация, т.е. установление таксономического положения микроорганизмов и прежде всего видовой принадлежности - наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства. Номенклатура - название микроорганизмов в соответствии с правилами «Международного кодекса номенклатуры бактерий», разработанного в 1048 году. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры - Shigella flexneri, Rickettsia sibirica. При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики: 1.Морфологические - форма, величина, особенности взаиморасположения, структура. 2.Тинкториальные - отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные. Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам - семейству, роду. 3.Культуральные - характер роста микроорганизма на питательных средах. 4.Биохимические - способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ. 5.Антигенные - зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях. 6.Физиологические - способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы). 7.Подвижность и типы движения. 8.Способность к спорообразованию, характер спор. 9.Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование. 10.Химический состав клеточных стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав. 11.Белковый спектр (полипептидный профиль). 12.Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. 13.Генотипические (использование методов геносистематики). В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1 - 12), все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа - генотипических свойств). Используются все более совершенные методы - рестрикционный анализ, ДНК - ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% (для некоторых групп микроорганизмов - 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40 - 60% - к одному роду. В настоящее время принято разделение прокариотических организмов по Берги (Д.Х. Берги – автор Определителя бактерий). Берги делит прокариоты на четыре отдела (по характеру строения клеточной стенки) и на 33 группы (по совокупности признаков). 3. Строение бактериальной клетки. Размножение и спорообразование у бактерий. Микроорганизмы - это мельчайшие живые существа, невидимые невооружённым глазом. Большинство м/орг-ов имеют одноклеточное строение. Размеры м/орг-ов: микрометр - 10 мм нанометр- 10 мм. Вес 1 клетки - 10 микрограмм. Формы и размеры бактерий значительно изменяются в зависимости от возраста, культуры, состава среды, t и других факторов. Характерные признаки микроорганизмов: 1) Микроскопически малая величина. 2) Преимущественно одноклеточное строение. 3) Простота видимой структуры. По типу строения клетки различают 2 вида м/орг-ов: 1) Прокариоты - доядерные: в клетке нет оформленного ядра, ядерной оболочки, ДНК не связана с белком. Отсутствуют органеллы. Размножаются прокариоты простым делением клетки. Представители: сине - зелёные водоросли, бактерии, риккетсии, актиномицеты. 2) Эукариоты - ядерные: имеется оформленное ядро, молекулы ДНК связаны с белком. В цитоплазме также присутствует аппарат Гольджи, митохондрии и фотосинтез. Представители: зелёные водоросли, плесневые грибы. По форме клеток выделяют шаровидные, палочковидные и извитые бактерии: 1) Кокки - шаровидные бактерии. В зависимости от взаимного расположения клеток после деления, различают: моно - или микрококки, диплококки, тетракокки, стрептококки, стафилококки, сарцины (16-32 и тд шт). 2) Палочковидные: - собственно бактерии - тонкие, не способные образовывать спор внутри клетки (Azotobacter) - бациллы - утолщённые, спорообразующие споры внутри клетки: Clostridium (веретеновидная палочка), Plectridium (барабанная палочка). Для бациллярных клеток спора не является органом размножения, она выполняет приспособительную функциюцию. Шаровидные и палочковидные клетки распространены в почве, на растениях, а извитые - преимущественно в водной среде. 3) Извитые - водные обитатели: - вибрионы - укороченные, в виде запятой - спириллы - волнистые, - спирахеты - спирально закрученные, являются переносчиками холеры. На поверхности питательных сред м/орг-мы могут формировать колонии - скопления слизистых клеток, образованные одной материнской. Колония обычно видна невооруженным глазом. Часто имеет разнообразную окраску. Многие бактерии способны передвигаться. Различают как беспорядочное, так и направленное их движение – таксисы: хемотаксис обусловлен разницей в концентрации химических веществ в среде; аэротаксис – разницей в содержании О2; фототаксис - разницей в интенсивности освещения. Существует 2 типадвижения бактерий: 1) Скользящий (реактивный) - м/орг-мы передвигаются по поверхности в результате волнообразных сокращений, вызывающих периодическое изменение формы клеток или в результате выбрасывания слизистой жидкости (серные бактерии). 2) При плавающем типе м/орг-мы передвигаются с помощью особых нитевидных придатков - жгутиков, состоящих из белка флагеллина. По количеству жгутиков различают: - монотрихи -1 жгутик - лофотрихи - жгутики на одном конце клетки - амфитрихи - жгутики с обоих концов клетки - перитрихи - жгутики по всей поверхности клетки Жгутики являют приспособительным фактором, но не жизненно важным. Кол-во жгутиков различно у разных видов бактерий: у спирилл от 5 до 30, у вибрионов от 1 до 3, у палочковидных бактерий до 100 и более жгутиков. Кроме жгутиков, у бактерий обнаружены фимбрии, выполняющие роль присосок. Имеются также пили, передающие при коньюгации бактерий наследственную информацию от одной клетки к другой. Пили могут служить для прикрепления патогенных бактерий к тканям животного или человека. Фимбрии короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны (от 100 до нескольких тыс.шт.) Строение бактериальной клетки. Структура ядерных организмов наиболее подробно изучалась в соответствующих разделах ботаники (микр. раст.) и зоологии (микр. животное). В м/б-ии мы в основном изучаем доядерные организмы. И рассмотрим сейчас строение бактериальной клетки. Бактериальная клетка по структуре сходна с растительной: 1) Имеется клеточная стенка (оболочка), содержащая гликопептид; цитоплазматическая мембрана; цитоплазма с аналогами органоидов (митохондрий, рибосом, ЭПС). Обнаружены красящие вещества (бактериохлорофилл, антоциан, фикоэретрин). Кроме того, в клетке имеются капли серы, капли животного крахмала, которые являются как запасными веществами, так и продуктами жизнедеятельности. 2) Для бактериальной клетки характерна окраска по Граму (Г+ и Г-) - клетки, содержащие около 5% гликопептида, не окрашиваются и называются Г- (грамотрицательные). - клетки, содержащие около 95% гликопептида, окрашиваются в синий цвет и называются Г+ (грамположительные). 3) Многие бактериальные клетки бактерии способны образовывать вокруг себя слизистой слой - капсулу. - В зависимости от толщины слоя различают макрокапсулы (>0.2 мкм), микрокапсулы (<0.2 мкм) и растворимую слизь. - Капсула выполняет защитную функцию (от высыхания). - Является резервом запасных питательных в-в, так как содержит или жиры (жировая капсула), или белки (белковая), или углеводы (углеводная). - Капсула используется в медицине как плазма — заменитель крови; в м/б-ии - как фильтр. Колония м/орг-ов, погружённая в слизь, образует зооглею. Бактерии, имеющие капсулу, живут практически везде. Таким образом, бактериальная клетка отмечается простой видимой структуры. Размножение бактерий. Основной тип размножения простое деление клеток: 1) изоморфное образуется 2 одинаковые клетки, растущие в противоположных направлениях; 2) гетероморфное - из 2-х образованных клеток развивается одна, вторая отмирает (наблюдается в истощённых питательных средах). 3) Почкование – дрожжи. Скорость размножения, в зависимости от t С, влажности, питания, составляет 1.5-2 часа. Время генерации (от образования новой клетки до её взросления) - 20-40 минут. Самой большой скоростью размножения обладает кишечная палочка -20-30 мин. Чем меньше организм, тем выше скорость размножения. Развитие микроорганизмов идет по следующим фазам: 1) Исходная (стационарная) - 1-2 часа после внесения м/орг-ов на питательную среду. 2) Лаг - фаза - клетки питаются, растут, увеличиваются в объёме, но скорость деления невелика. 3) Фаза усиленного роста и развития - число клеток резко увеличивается. 4) Фаза замедленного роста и развития - среда истощается, накапливаются токсические вещества. 5) Стационарная - период, когда число новых клеток равно числу отмерших. 6-8) Фаза отмирания. Спорообразование у бактерий. Спора- особая покоящаяся клетка, окружённая плотной оболочкой. Она образуется внутри бактериальной клетки. Спора термостойка, т. к. содержит минимальное количество воды; вода связана с белками и осмотически - активными веществами. Спора содержит хилатный комплекс (Са + дипикалиновая кислота); покрывается многочисленными оболочками, корой, имеющими шипы и выросты. Такая спора находится в состоянии анабиоза и сохраняет жизнеспособность сотни и миллионы лет. Спорообразование происходит при наступлении неблагоприятных условий. Например, когда бактерии испытывают недостаток питательных веществ или когда в среде в большом количестве накапливаются продукты обмена веществ бактерий. При благоприятных условиях спора насасывает воду и превращается в трубку, из которой формируется вегетативная клетка. Кора споры и другие образования разрываются и высвобождают новую клетку. Процесс спорообразования длится примерно 1.5 часа. 4. История развития микробиологии. Весь путь развития микробиологии делится на 3 периода: 1) описателъный(романтический, морфологический) 2) физиологический 3) биохимический(современный) 1) Описательный период. Во 2- ой половине 18 века возникла необходимость в подзорных трубах. Люди научились шлифованию. Одним из первых учёных - натуралистов, занимавшихся шлифованием стёкол, был Левенгук, он же является автором книги «Тайны природы, открытые Левенгуком». Левенгука называют «отцом микрографии». В 1698 г было налажено производство простейших микроскопов; в 1741 г АН России имела 21 микроскоп. Первым исследователем м/орг-ов был врач - микробиолог Тереховский, ставший основоположником экспериментального метода. Во время описательного периода зародилось два научных течения: - мономорфизм- суждение о неизменности вида; отрицание теории о ' самозарождении жизни. Предводителем течения был немецкий учёный Кон. - плеоморфизм - теория о непостоянстве вида, его изменчивости, способности видов переходить друг в друга. Учёные – плеоморфисты считали, что жизнь может возникнуть сама из неживой природы в зависимости от условий окружающей среды. Одним из основоположников является немецкий учёный Негели. 2) Физиологический период развития м/б-ии связан с именем французского учёного Луи Пастера. Пастер первым открыл жизнь без кислорода; предложил метод пастеризации (прогревание при t= 60-70 С); является автором прививок от инфекционных заболеваний; основатель иммунологии; открыл биохимическую систему брожения. За огромные заслуги Пастеру была присуждена премия Фр. АН. Среди учёных пастеровского института, который был открыт в 1888 году в Париже, работал врач - микробиолог И.И. Мечников - автор теории о преждевременном старении организма. По Мечникову, продолжительность жизни должна составлять 120-170 лет. Однако, в связи с токсической деятельностью м/орг-ов (бактерий) наступает преждевременное дряхление организма. Немецкий учёный Роберт Кох ввёл в практику м/б-ии плотные питательные среды; понятие «элективные питательные седы»; открыл и изучил туберкулёзную палочку (палочку Коха); разработал метод дезинфекции; метод окрашивания м/орг-ов. Ивановский - открыл вирус табачной мозаики (вирус болезни табака). Основоположник науки вирусологии. Виноградский - основоположник почвенной м/б-ии. Установил и изучил сернистые, железо - и нитрифицирующие бактерии; Установил процесс хемосинтеза у бактерий (процесс образования органических веществ из неорганических с участием энергии внутриклеточных реакций: дыхания и брожения). Омелянский - ученик Виноградского - открыл целлюлозоразлагающие и азотфиксирующие бактерии в почве; написал учебник « Основы м/б-ии». Большой вклад в развитие почвенной м/б-ии внесли отец и сын Костычевы; был создан институт им. Костычева. Флеминг – открыл пенициллин. 3) Биохимический(современный) период связан с изучением процессов дыхания, брожения, хемосинтеза, фотосинтеза на молекулярном уровне. Были созданы м/б-ские лаборатории. Период связан с именами таких учёных, как Палладин, Буткевич, Худяков (написал на русском языке первый учебник по с/х-ной м/б-ии), Максимов, Лебедев. Тема: «Микроорганизмы и окружающая среда». 3.1. Роль микроорганизмов в природных местообитаниях. В природных условиях микроорганизмы никогда не существуют в виде чистых культур. Разнообразие микробных функций в природе определяется их повсеместным распространением и широтой метаболических возможностей. Основными функциями микроорганизмов в природных местообитаниях являются: минерализация органических веществ до СО2, NH3, H2, CH4, H2O и др. в различных физико-химических условиях; поставка доступных питательных веществ (в виде экзометаболитов, запасных соединений, живой и мертвой биомассы) для других организмов (микробные клетки содержат все биогенные элементы, в том числе в среднем 50% углерода, 14% азота и 3% фосфора); модификация и перевод в растворимую или газообразную форму сложных соединений, становящихся доступными для других организмов, путем преобразования их в реакциях микробного обмена веществ или опосредованно (за счет изменения физико-химических условий среды, например, при выделении микроорганизмами кислот); выделение соединений, активирующих или подавляющих функционирование других микроорганизмов, растений и животных (стимуляторов роста, бактериоцинов, антибиотиков, токсинов и т.д.). По способности выполнять определенные функции микроорганизмы подразделяют на физиологические (функциональные) группы. Повсеместное распространение микроорганизмов определяется разнообразием их свойств и способов взаимодействия с окружающей средой. Микроорганизмы могут использовать в качестве источников углерода и энергии практически любые вещества. Системы микробной регуляции позволяют эффективно управлять перестройкой метаболизма при изменении условий окружающей среды. Предельные значения физико-химических факторов для микроорганизмов существенно превышают такие показатели для более высокоорганизованных живых существ. Каждый вид в природе занимает определенное местообитание с конкретным набором абиотических и биотических факторов и выполняет определенную функцию. Функциональное и пространственное положение вида в экосистеме называют его экологической нишей. Для успешного сосуществования виды, занимающие одинаковое местообитание, должны различаться фукциональными характеристиками. Микробные местообитания имеют сложный и постоянно меняющийся характер и зависят от градиентов концентраций питательных и токсических веществ и значений лимитирующих факторов (температуры, рН, света, доступности воды и т.д.). Поэтому экологических ниш для микроорганизмов - бесконечное множество, но именно сочетание вышеперечисленных факторов определяет экологическую нишу для конкретного микроорганизма, где он преобладает. Для точной характеристики местообитания микроорганизма нужно учитывать его микроокружение, т.е. комплекс факторов в непосредственной близости от микробных клеток. Многие специализированные группы микроорганизмов существуют в таких условиях микроокружения, что испытывают минимальную конкуренцию со стороны других микроорганизмов. В среде обитания микроорганизмы могут находиться как в свободном (взвешенном в воде), так и в прикрепленном состоянии. При этом значительно отличаются физическое окружение и поведение микробных клеток. В свободном состоянии пребывают, в основном, молодые активно подвижные микроорганизмы в стадии расселения. В природных местообитаниях большинство микроорганизмов предпочитают расти в прикрепленном состоянии, так как на границе раздела фаз концентрация веществ обычно выше из-за их адсорбции. Прикрепление нитчатых форм к твердым поверхностям с образованием косм можно наблюдать в текучих водах. При этом один конец нити с помощью специальных структур закрепляется на твердом субстрате, а другой свободно колышется в текущей воде. Более сложное образование называется биопленкой. Формирование биопленки начинается с образования монослоя из клеток одного вида, обладающего высокими адгезивными свойствами. Слизистые выделения этих клеток способствуют прикреплению других микроорганизмов. В зависимости от особенностей обитания микроорганизмов (свет, наличие питательных веществ и скорости диффузии) структура биопленки может усложняться. Могут образоваться слои, представленные различными типами микроорганизмов, микроколонии, погруженные в общий полисахаридный матрикс, и смешанные клеточные агрегаты. Такая сложная пленка развивается как трехмерная структура, компоненты которой связаны внутренними порами и сквозными каналами. Биопленка может разрастаться до макроскопического размера, образуя микробный мат. Иногда слои микроорганизмов имеют различный цвет, и тогда структура мата видна невооруженным глазом. Такие маты часто формируются на поверхности камней или осадков в сверхсоленых и пресноводных озерах, лагунах, горячих источниках и морских прибрежных областях. Состояние клеток в биопленках значительно отличается от состояния свободноживущих клеток. В составе агрегатов микроорганизмы находятся в тесном соседстве и погружены в матрикс. Матрикс – это продукт жизнедеятельности микробного сообщества, состоящий из поверхностных клеточных структур и экзометаболитов, в основном, полисахаридной природы. Он является средой обитания клеток и выполняет определенные функции в сообществе. Физико-химические условия матрикса отличаются от условий в водных растворах. Матрикс ограничивает поступление из окружающей среды вредных факторов и концентрирует в себе питательные вещества, продукты обмена и сигнальные молекулы. Поступление веществ к клеткам осуществляется не только путем диффузии, но и через каналы и поры в матриксе. В разных частях агрегата, состоящего даже из микроорганизмов одного вида, клетки находятся в различном физиологическом состоянии из-за разницы в притоке питательных веществ. Ограниченность пространства и тесное соседство микробных клеток в составе агрегатов приводит к более быстрому обмену продуктами жизнедеятельности. Матрикс не только пространственно удерживает микробные клетки, но и связывает их между собой. Сохранение формы под действием внешних нагрузок позволяет ему защищать клетки от механических повреждений и «смягчать» колебания физико-химических факторов, обеспечивая стабильное микроокружение. Матрикс способствует дифференциации клеток внутри популяции и может обеспечивать «коллективные» реакции («чувство кворума»). По достижении определенной плотности клеток в ограниченном пространстве матрикса накапливается сигнальное вещество, действующее на все клетки популяции и приводящее к «коллективному» ответу. В сообществе, содержащем несколько видов микроорганизмов, реакции будут значительно более сложными. Важнейшей земной экосистемой является почва. В почвенной микробиологии экосистему почвы считают продуктом сложных взаимоотношений между химическими и физическими процессами, происходящими в чрезвычайно гетерогенной среде с меняющимися условиями, и живыми существами, представляющими почти все формы жизни. Почва, с одной стороны, сама является результатом действия комплекса физико-химических и биологических факторов, а с другой, – обладает полифункциональностью, открытостью и способностью к самоорганизации и поддерживает постоянный циклический процесс воспроизводства жизни на Земле. Органические компоненты почвы накопились и продолжают аккумулироваться в настоящее время за счет роста и репродукции фототрофных организмов. Основные продуценты в почвенных экосистемах – это растения, хотя водоросли, цианобактерии и хемолитотрофные бактерии также вносят свой небольшой вклад в этот процесс. Плодородие почвы, т.е. ее способность поддерживать рост растений, зависит не только от химического состава почвы, но в значительной мере определяется метаболической активностью почвенных микроорганизмов. Разрушение органического вещества почвы под действием разнообразных групп бактерий и грибов приводит к превращению малорастворимых биополимеров в более растворимую мономерную форму. Дальнейшая конверсия мономеров в неорганические ионы сопровождается сукцессией почвенных микробных популяций. При этом последовательно образующиеся субстраты выступают как источник энергии, углерода и других биогенных элементов для роста и развития микроорганизмов, участвующих в процессах разрушения органического материала почвы. Деградация может происходить как в присутствии, так и в отсутствии кислорода, причем в анаэробных условиях в процессе участвуют как микроорганизмы-бродильщики, так и анаэробно дышащие группы. Органические продукты брожения могут мигрировать в аэробные местообитания, где будут подвергаться окислению и поддерживать рост аэробных бактерий, архей и грибов. Анаэробное дыхание – это один из способов получения энергии для ряда гетеротрофных бактерий, архей и, возможно, некоторых грибов и простейших, сопровождающийся разрушением почвенной органики. Образующиеся неорганические вещества потребляются хемолитоавтотрофными микроорганизмами, которые продуцируют новую биомассу. Микробная масса почвенных микроорганизмов также подвергается разрушению, являясь важным источником питательных веществ для множества других обитателей почвы. В почвах формируются уникальные местообитания для многих организмов (бактерий, грибов, простейших, водорослей, насекомых, нематод, мелких животных). Все эти организмы необходимы для формирования и поддержания почвы. Ряд органических компонентов почвы разрушается крайне медленно и, как правило, не поддается полной минерализации. За счет медленного и неполного разложения лигнина и микробных клеточных стенок формируется важная органическая фракция почвы – гумус, характеризующийся низкой растворимостью и наличием ароматических химических группировок в молекуле. Органическое вещество, постоянно прибавляющееся в виде растительных и животных остатков, постепенно трансформируется в стабильный, богатый питательными веществами гумус почвенными микроорганизмами. Почвы содержат множество поверхностей, которые влияют на доступность питательных веществ и взаимодействия различных микроорганизмов. Различный размер пор делает их в разной степени доступными для использования и колонизации. Распределение микроорганизмов по почвенному профилю связано с изменением концентрации органического материала и значений физико-химических факторов с глубиной. В большинстве почв высокое содержание органики наблюдается в поверхностных слоях, а с увеличением глубины возрастает количество глины. Обычно плотность микробной популяции снижается от поверхности вглубь из-за уменьшения содержания органического углерода и молекулярного кислорода. Участки почвы вокруг корней растений характеризуются более высокими плотностями микробных популяций, высокими значениями микробной биомассы и более значительным уровнем общей микробной активности. Окислительно-восстановительные условия и доступность тех или иных акцепторов электронов в значительной степени определяют, какие группы микроорганизмов будут обитать в данной почве. Почвы формируются в различных условиях окружающей среды. Там, где происходит выветривание нового геологического материала либо после извержения, либо после землетрясения, начинается колонизация его микроорганизмами. Пионерами здесь являются цианобактерии, способные к фотосинтезу и азотфиксации. Большую роль в формировании и функционировании почв играют грамположительные актинобактерии, имеющие разную степень ветвления и развития мицелия. Характерный почвенный запах зависит от выделяемого ими вещества геосмина. Эти группы играют важную роль в расщеплении углеводородов, ископаемых растительных материалов и почвенного гумуса. При анализе микробного «населения» почвы следует помнить, что в настоящее время удается культивировать только около 1-10% почвенных микроорганизмов. Некультивируемые формы можно выявлять с помощью молекулярно-биологических методов, экстрагируя микробную ДНК и амплифицируя ее в полимеразных цепных реакциях с последующим определением последовательности нуклеотидов в гене, кодирующем 16S рРНК. Почвенными считают микроорганизмы, которые хотя бы часть своего жизненного цикла проводят в почве. Это представители всех трех филогенетических доменов Bacteria, Archaea и Eukarya. Почвенные бактерии и грибы – это две наиболее обширные как по биомассе, так и по численности группы. Археи, включая метаногенов, экстремальных галофилов и экстремальных термофилов, также представлены, но их значение в почвах, не характеризующихся экстремальными параметрами и не подвергнутых избыточному обводнению, плохо изучено. На заливных почвах возрастает роль фототрофных бактерий и зеленых водорослей. Многие микроорганизмы в почвах находятся в метаболически инертном состоянии, однако при возникновении благоприятных условий их активность может существенно повышаться. Вирусы, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами многих почвенных обитателей, могут персистировать в почве годами. В микробной популяции почвы они могут играть регулирующую роль. Почвенные микроорганизмы оказывают положительное влияние на атмосферу, разрушая воздушные «загрязнители» такие, как метан, водород, СО, бензол, трихлорэтилен, формальдегид. Почвенные микроорганизмы влияют на глобальное содержание разных газов. Относительно стабильные газы (СО2, NO, N2O, метан) называют парниковыми газами, так как они отражают тепловые лучи, не позволяя теплу уходить от поверхности земли, и вызывают глобальное потепление. Метан может потребляться метанотрофами, обитающими в почве и воде. Критическим фактором, влияющим на потребление метана почвой, является концентрация иона аммония. При увеличении содержания аммония в почве из-за сельскохозяйственной деятельности или вследствие загрязнения, потребление метана снижается. Таким образом, почвенные и водные метанотрофы могут рассматриваться как своеобразный бактериальный газовый фильтр. |