Учебное пособие, Царев. Практикум по дисциплине Основы микробиологии. Предназначено для бакалавров направления 18. 03. 02 Энерго и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
 Скачать 2.32 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Ивановский государственный химико-технологический университет ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ Учебное пособие Иваново 2016 2 УДК 519.22+658.56 Царев Ю.В. Основы микробиологии / Ю.В. Царев, А.Н. Тростин, С.А. Царева; Иван. гос. хим. - технол. ун-т. - Иваново, 2016.- 135 с. Учебное пособие предназначено студентам вузов, специализирующимся в различных технологиях защиты окружающей среды. В пособии рассматриваются вопросы дисциплины «Основы микробиологии». Рассмотрено строение микроорганизмов, их систематика и основные свойства. Главное внимание уделено прокариотам; из числа эукариотных организмов дана характеристика водорослей, простейших и микромицетов. В пособии изложены основные положения генетики микроорганизмов, преимущественно бактерий, закономерности их взаимодействия с факторами окружающей среды, различные типы питания, общие закономерности обменных реакций у микроорганизмов. Конкретные микробиологические процессы превращения веществ и их возбудители рассматриваются в качестве звеньев круговоротов биогенных элементов в природе. В пособии приведен лабораторный практикум по дисциплине «Основы микробиологии». Предназначено для бакалавров направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиля «Защита окружающей среды и промышленная экология». Табл. 4; Ил. 26; Библиогр.: 20 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета Рецензенты: Кафедра И нфекционных и паразитарных болезней Ивановской государственной сельскохозяйственной академии им. Д.К. Беляева ; кандидат ветеринарных наук Шишкарев С.А. ( Ивановская государственная сельскохозяйственная академия ). © Царев Ю.В., Тростин А.Н., Царева С.А. © ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет», 2016 3 ВВЕДЕНИЕ Микроорганизмам, или микробам,— этим бесконечно малым живым существам, по словам Луи Пастера, принадлежит бесконечно большая роль в природе и жизни человека. Торф, каменный уголь, нефть, горючий газ —вот далеко не полный перечень полезных ископаемых, в образовании которых в недрах Земли принимают участие микроорганизмы. Жизнедеятельность этих существ обусловливает плодородие почв и лежит в основе сложного явления самоочищения, протекающего в природных водоемах. Но, пожалуй, самая важная их функция — участие в круговороте веществ, непрерывно совершающемся в природе и обеспечивающем жизнь на Земле. Благодаря способности усваивать разнообразнейшие вещества, чрезвычайно быстро размножаться и легко приспосабливаться к окружающим условиям, микроорганизмы широко распространены в почве, водной среде, атмосфере. Микробы не имеют себе равных и по интенсивности биохимической деятельности. Например, за сутки бактериальная клетка способна переработать количество пищи, в 30— 40 раз превышающее ее собственную массу. Именно этими свойствами микробов и объясняется та исключительно важная роль, которую они играют в жизни нашей планеты. Область практического применения микроорганизмов в народном хозяйстве чрезвычайно широка. Достаточно напомнить об использовании их в промышленном производстве антибиотиков, стероидных препаратов, ряда витаминов, различных продуктов брожения, кормового белка, ферментов, бактериальных удобрений и т. д. Одним из самых распространенных современных методов обработки сточных вод является метод биологической очистки. Активный ил, благодаря которому осуществляется процесс очистки воды, представляет собой сложное сообщество разнообразных микроорганизмов. Метод биологической очистки практически универсален и позволяет обрабатывать 4 стоки самого различного характера, что связано со способностью бионаселения активного ила использовать органические загрязнения сточных вод в качестве источников питания и энергии. Однако микроорганизмы могут приносить и неисчислимый вред. Патогенные (болезнетворные) микробы вызывают различные заболевания человека, животных и растений. Жизнедеятельностью микробов-вредителей объясняется порча пищевых продуктов, разрушение строительных кон- струкций (за счет микробиологической коррозии металла и бетона), закупорка трубопроводов и т. д. Управлять микробиологическими процессами, в том числе процессами очистки воды, направлять их в нужное русло, усиливать и интенсифицировать полезную деятельность микроорганизмов и ликвидировать их вредные воздействия немыслимо без знания основ микробиологии. Микробиология (от греч. «micros» — малый, «bios» — жизнь, «logos» — учение) — часть общей науки биологии; она изучает внешнюю форму, внутреннее строение, закономерность роста и развития, жизнедеятельность мельчайших организмов — микробов. Основная заслуга в открытии микроорганизмов принадлежит голландскому натуралисту А. Левенгуку (1632— 1723). Он искусно изготовлял маленькие, но очень мощные линзы, через которые рассматривал самые разнообразные предметы: пробку, воду, слюну, листья растений. Во многих веществах он обнаружил живые существа, которые назвал «зверьками». Это и были микроорганизмы. Однако во времена Левенгука микробиология еще не оформилась как наука. Наблюдения, проводимые отдельными исследователями, носили чисто описательный характер. Становление микробиологии как науки связано с именем великого французского ученого Л. Пастера (1822—1895). Пастер научно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал микробиальную природу брожения. Им открыты микроорганизмы — возбудители болезней вина и 5 пива и предложен метод борьбы с ними, получивший впоследствии название "пастеризации". Пастер высказал предположение, что и многие болезни человека вызваны мокроорганизмами. Он же дказал, что такие болезни мож- но предотвратить путем введения в организм ослабленной культуры бактерий. Пастер впервые изготовил вакцины против сибирской язвы и бешенства. Родоначальником русской микробиологии по праву считается Л.С. Ценковский (1822—1887). ИсследованияЦенковского, по словам современников, постепенно приподняли перед глазами науки завесу чудесного мира микроорганизмов. Значительный вклад в микробиологию внес немецкий ученый Р. Кох (1843—1910). Он ввел в практику плотные питательные среды для выращивания чистых культур бактерий, что дало возможность изучить особенности жизнедеятельности различных видов микроорганизмов. Методы и принципы, разработанные в лабораториях Пастера, Ценковского, Коха и других ученых, заложили основы микробиологии. Ее дальнейшее развитие неразрывно связано с исследованиями русских ученых- микробиологов. Одним из крупнейших исследователей по праву считается И.И. Мечников (1845—1916), открывший явление фагоцитоза (поглощение болезнетворных микробов лейкоцитами крови) и разработавший фагоцитарную теорию иммунитета. Ближайшим соратником И.И. Мечникова был Н.Ф. Гамалея (1859—1949), занимавшийся изучением изменчивости бактерий, вопросами профилактики инфекционных заболеваний. Он участвовал в создании первой в России пастеровской станции в Одессе. Исследования Д.К. Заболотного (1866—1920), изучавшего эпидемиологию чумы и холеры, составили научную основу санитарно- гигиенических, профилактических и лечебных мероприятий по борьбе с инфекционными заболеваниями. С.Н. Виноградский (1856—-1953) внес большой вклад в развитие почвенной микробиологии, открыв явление фиксации атмосферного азота некоторыми видами бактерий. Изучая процесс нитрификации, он доказал 6 возможность усвоения бактериями углекислого газа без участия хлорофилла и без потребления солнечной энергии. Вместе с С.Н. Виноградским работал его ученик и соратник В.Л. Омелянский — создатель первого русского учебника «Основы микробиологии» (1909). Одним из важнейших достижений биологии конца XIX в. было открытие Д.И. Ивановским вирусов. Изучая мозаичную болезнь табака, он нашел, что возбудителем ее являются организмы, невидимые при максимальных по тому времени увеличениях микроскопа. Эти микробы не росли на средах, не содержащих живых клеток, и проходили через самые мелкие бактериальные фильтры. Вирусы стали величайшей загадкой XX века. Увидеть вирусы удалось только после создания электронного микроскопа. Большой вклад в развитие технической микробиологии внесли работы С.П. Костычева, А.И. Лебедева, В.Н. Шапошникова, В.С. Буткевича. Современная микробиология развивается в нескольких направлениях. Сообразно практическим потребностям человека из нее выделился ряд самостоятельных дисциплин — таких, как санитарная и медицинская микробиология, а также промышленная, сельскохозяйственная, водная, кос- мическая. С позиции подготовки специалистов в области очистки природных и сточных вод наибольший интерес представляют водная и санитарная микробиология. Водная микробиология изучает обитателей природных водоемов, роль микроорганизмов в пищевых цепях и круговороте веществ в Мировом океане. В задачу этой дисциплины входит также изучение микронаселения питьевых и сточных вод и его роль в процессах очистки воды. Санитарная микробиология исследует микрофлору и микрофауну воды, почвы, воздуха, пищевых продуктов и т.д. с точки зрения их опасности для здоровья человека и соответствия гигиеническим требованиям. Как водная, так и санитарная микробиология базируются на знании морфологии и основных закономерностей развития и жизнедеятельности 7 микроорганизмов, т.е. на знании основ общей микробиологии. В соответствии с этим в лекциях, помимо основных вопросов водной и санитарной микробиологии, изложены основы морфологии и физиологии микроорганизмов. Кроме того, дано краткое описание некоторых обитателей водной среды и почвы, не относящихся к микробам, но имеющих важное значение в самоочищении природных водоемов и биохимических процессах очистки воды и обеспечивающих разложение и минерализацию органических веществ. Материал учебного пособия составлен с учетом знания основ общей биологии, поэтому в нем не рассматривается строение животной и растительной клеток, употребляются без пояснения некоторые термины. 8 1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ МИКРОБИОЛОГИИ Микромир объединяет организмы, относящиеся к различным систематическим группам. Это бактерии, простейшие, водоросли, грибы, риккетсии, вирусы. Каждая систематическая группа в свою очередь представлена микроорганизмами, достаточно разнообразными по строению и способам существования. Однако в основе этого удивительного многообразия микромира лежит принцип биохимического единства жизни, сформулированный А.Клюйвером и К. ван Нилем. Этот принцип утверждает, что для всех живых организмов характерны единый механизм передачи наследственной информации, единство энергетических процессов и процессов синтеза клеточного вещества. Это значит, что несмотря на сложность и разнообразие биохимических процессов в клетках различных микроорганизмов, все они могут быть представлены цепью элементарных реакций нескольких типов. 1.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МИКРООРГАНИЗМАХ 1.1.1. Положение микроорганизмов в системе живого мира. Принципы их систематики Еще на ранних этапах развития биологии мир живых организмов ученые делили на два царства: царство растений и царство животных. Принадлежность к тому или другому легко определялась по ряду структурных и функциональных признаков. С открытием микроорганизмов делались попытки распределить их между этими царствами. Основой для определения принадлежности микробов к животным или растительным организмам служили два признака: подвижность и способность к фотосинтезу. Однако постепенное накопление знаний о микроорганизмах, их чрезвычайном разнообразии сделало затруднительным и часто нелогичным отнесение некоторых видов к определенному царству. Ока- залось, что клетки одних микробов по своей структуре напоминают клетки животных, у других они сходны с растительными, третьи могут сочетать признаки тех и других клеток или существенно отличаться от них. 9 В 1866 г. немецкий биолог Э. Геккель предложил выделить микроорганизмы в третье царство живой природы и дал ему название «царство протистов». Основу строения клеток всех протистов, как и клеток высших животных и растений, составляют цитоплазма и ядро. Однако развитие электронной микроскопии и совершенствование методов приготовления биохимических препаратов позволили выявить принципиально важные отличия во внутренней структуре клеток протистов. Оказалось, что несмотря на общность структурной, биохимической и физиологической организации, присущую всем живым организмам, царство протистов четко делится на две группы. Первую составляют высшие протисты —эукариоты, клетки которых по своему строению сходны с клетками высших животных и растений. Важнейшие отличительные особенности эукариотической клетки — структурная организация ядра и способ его деления. Клетки эукариот имеют обособленное ядро, отделенное от цитоплазмы мембраной. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки особого типа. Деление ядра при размножении клеток происходит в результате сложного процесса — митоза. Из микроорганизмов к эукариотам относятся простейшие, грибы, водоросли (кроме сине-зелёных). Вторая группа объединяет низших протистов, называемых прокариотами (доядерными). В клетках прокариот сформированное ядро отсутствует, но есть ядроподобные образования — нуклеоиды (от лат. «nucleus» — ядро). По сравнению с ядрами клеток эукариот нуклеоиды имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы оболочкой. Наследственную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длинную молекулу ДНК. Таким образом, граница, разделяющая все клеточные формы жизни на две группы, соответствующие двум типам клеточной организации, проходит через царство протистов. Наука о распределении живых организмов по отдельным группам- таксонам называется систематикой. Классификация и 10 номенклатура — две основные области систематики. Задачей классификации является объединениеживых организмов, обладающих общими признаками и свойствами, в определенный таксон. Основная единица в систематике живых организмов — вид. Под видом подразумевают совокупность организмов, имеющих общее происхождение, характеризующихся общими морфологическими и физиологическими признаками и приспособленных к существованию в определенных условиях внешней среды. Виды объединяют в таксоны более высокого ранга — роды. Роды в свою очередь группируют в семейства, семейства — в порядки (или отряды в царстве животных), порядки — в классы и т. д. Высшим уровнем таксономической иерархии является царство. Номенклатура как отрасль систематики обеспечивает единство и стабильность названий отдельных таксонов и организмов, принадлежащих к ним. Для наименования вида принята бинарная номенклатура, предложенная К. Линнеем в XVIII в. Видовое название складывается из двух слов. Первое обозначает род и пишется с прописной буквы, второе — вид, к которому принадлежит организм,— пишется со строчной буквы. 1.1.2. Особенности микроорганизмов Отличительные признаки микроорганизмов — ничтожно малые размеры и простота биологической организации. Величина микробов измеряется микро- или нанометрами (1 мм = 10 3 микрометров (мкм) = 10 6 нанометров (нм)) и колеблется в значительном интервале для организмов разных систематических групп. К микроорганизмам обычно относят все живые объекты, величина которых лежит за пределами видимости невооруженным глазом, т. е. не превышает 80—100 мкм. Однако среди них есть и исключения. Так, длина клетки спирохет может достигать 500 мкм, а некоторых грибов — даже не- скольких миллиметров. Большинство же даже самых крупных представителей микромира по величине не превышает 100 мкм. Мельчайшие микроорганизмы (ультрамикробы) имеют размеры 0,016—0,26 мкм. 11 Линейные размеры большинства бактерий лежат в пределах 0,5—3 мкм, хотя самые мелкие из них — микоплазмы — по величине близки к вирусам (0,12—0,15 мкм), а самые крупные, например, клетки некоторых нитчатых бактерий, достигают в длину 50— 55 мкм. Малые размеры микроорганизмов обусловливают целый ряд особенностей в их строении и процессах жизнедеятельности. Большинство протистов — одноклеточные организмы, в силу чего в их строении и функциях сочетаются и клеточные, и организменные черты. В одноклеточном организме специализированные части клетки, называемые органеллами, выполняют роль определенных органов. Например, реснички у инфузорий, жгутики у бактерий являются органами движения. С другой стороны, такие органеллы, как ядро, рибосомы, митохондрии, по своим функциям аналогичны соответствующим органоидам клеток высших растений и животных. При сравнении строения клеток микроорганизмов различных систематических групп, как правило, оказывается, что чем крупнее микробы, тем более сложно организована их клетка. Это связано с тем, что в малых клетках необходимые для жизни продукты обмена достаточно быстро попадают в любую ее часть благодаря процессу диффузии. В крупных клетках диффузия не обеспечивает быстрого перераспределения веществ между отдельными частями клетки, поэтому в них появляются специализированные структуры, выполняющие определенные функции. Чрезвычайно малые размеры микроорганизмов определяют большую величину отношения площади поверхности их клетки к объему. Если представить, что клетка имеет форму правильного шара с радиусом 1 мкм, то объем 24▪10 6 клеток составит только 1 см 3 , а их суммарная поверхность ока- жется равной примерно 3 м 2 . Это объясняет одну из важнейших особенностей микроорганизмов — высокую интенсивность обменных процессов с окружающей средой и внутри клетки. При увеличении размеров клетки ее объем V растет быстрее, чем 12 поверхность S, и, соответственно, снижается S/V. Малые размеры, а следовательно, и малая масса микробов имеют экологическое значение: именно благодаря этому микроорганизмы легко переносятся потоками воздуха, насекомыми и птицами на значительные расстояния. В результате в биосфере практически не существует мест, кото- рые не были бы заселены теми или иными видами микробов. Еще одна важная особенность микроорганизмов — их способность приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. Исключительная пластичность обменных процессов позволяет микробам с большей или меньшей легкостью адаптироваться к самым разнообразным физическим и химическим факторам окружающей среды. 13 |