ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ ПРОЦЕССА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Микроорганизмы, их свойства

Все виды микробов носят название «протисты», или «простейшие». Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру, называют протофитами (простейшие растения), а к животному миру - протозоями (простейшие животные).

Большинство микроорганизмов - одноклеточные существа, видимые только под микроскопом. К ним относятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, риккетсии и некоторые водоросли. К многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и большинство плесневых грибов, которые иногда достигают таких размеров, что бывают видимы даже невооруженным глазом. Кроме многоклеточных и одноклеточных микроорганизмов, в природе существуют живые существа бесклеточной структуры -ультрамикробы. Из них наиболее важное значение имеют вирусы и бактериофаги.

Бактерии

Это обширная группа мельчайших, преимущественно одноклеточных организмов. Они относятся к растительному миру. По внешней форме бактерии делят на три основные группы: шаровидные (кокки), палочковидные или цилиндрические (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы и спирохеты).

Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цитоплазмы, ядерного аппарата и цитоплазматических включений.

Оболочка клетки - тонкая, отчетливо очерченная, относительно плотной структуры, толщиной от 100 до 600 А, составляет около 20 % от веса ее сухой массы.

Клеточную оболочку можно выявить с помощью специальной окраски. В неокрашенном виде она заметна только у крупных бактериальных форм, например у железобактерий и серобактерий. Оболочка придает клетке определенную форму, регулирует прохождение (внутрь) питательных элементов, выделение (наружу) продуктов обмена, ферментов и других веществ. Оболочка защищает клетку от воздействия внешней среды и выдерживает значительное внутриклеточное осмотическое давление (3.. .6 атм.).

В зависимости от особенностей химического состава оболочки все виды бактерий неодинаково относятся к одному из дифференциальных способов окраски, разработанному датским ученым Грамом. По этому способу окраски бактерии могут быть разделены на грамположительные - окрашивающиеся в фиолетовый цвет (меньшинство видов) и грамотрицательные -окрашивающиеся в розовый цвет (большинство видов).

На поверхности оболочки некоторых видов микроорганизмов имеется капсула. У одних видов она представляет собой утолщенную оболочку, у других - слизистый слой. Чаще всего капсула и клеточная оболочка - отдельные структурные элементы. Капсульное вещество состоит из полисахаридов, глюкопротеидов или полипептидов, а у некоторых видов - из протеинов. Капсула защищает клетку от неблагоприятного действия внешней среды (высушивания, фагоцитоза и др.). У многих видов бактерий капсула образуется при высоком содержании в питательной среде углеводов и низком - белков.

К клеточной оболочке тесно прилегает внешний слой цитоплазмы - цитоплазматическая мембрана (перипласт). Она обладает физическими и химическими свойствами, отличающими ее от остальной цитоплазмы. Толщина мембраны не превышает 50... 100 А. Она служит местом интенсивной физиологической активности, так как является носителем многих ферментов.

Мембрана защищает цитоплазму. Кроме того, она поддерживает постоянное внутриклеточное осмотическое давление, задерживает в цитоплазме питательные вещества и соли и одновременно способствует выделению продуктов обмена. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью, от которой зависит жизнь клетки. Она составляет свыше 10 % от веса сухой клетки и состоит из липидов, протеинов и углеводов.

Цитоплазма у бактерий представляет прозрачную водянистую или слегка вязкую однородную смесь коллоидов. В ней могут быть суспендированы также пигменты, запасные питательные вещества и жиры. Химический состав цитоплазмы представляет сложную смесь белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, воды и других органических соединений. Она содержит те же аминокислоты, что и белки высших растений. В цитоплазме бактерий совершаются сложные процессы обмена веществ, в результате внутренняя структура клетки беспрерывно обновляется. Цитоплазма обладает мелкогранулярной структурой.

В цитоплазме бактериальной клетки находятся различные включения:

• • митохондрии - образования в виде мелких зерен, богатые рибонуклеиновой кислотой (РНК), содержащие окислительно-восстановительны е ф ер менты;
• • рибосомы - множество мелких гранул, богатых белком и рибонуклеиновой кислотой. Они являются основным местом, где происходит биосинтез белков;
• • волютин - комплекс неорганических метафосфатов с рибонуклеиновой кислотой. Его считают запасным питательным веществом микробов при голодании.

Наряду с этим встречаются гранулы, содержащие гликоген, жир, серу, железо, из которых одна часть служит запасным питательным материалом, другая - продуктами обмена.

Ядерный аппарат бактериальной клетки истинных бактерий рассматривается как своеобразный пузырек, расположенный в центральной части цитоплазмы, в котором находится ядерный аппарат бактерии - основной носитель наследственных свойств клетки. Он контролирует обмен веществ.

Споры и спорообразование у бактерий. Спорообразование -это одно из свойств определенных микроорганизмов, которое приобретается в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Вегетативные клетки всех образующих споры бактерий имеют цилиндрическую (палочковидную) форму. В группе кокков спорообразование отмечается редко. У извитых форм его не наблюдается.

При спорообразовании клетка теряет до 60 % воды. Цитоплазма постепенно сгущается, собирается в определенном участке клетки и покрывается плотной оболочкой, пропитанной смолистыми и липоидными веществами.

Плотная оболочка, минимальное содержание воды, высокая концентрация магния и кальция в споре обеспечивают ее высокую устойчивость к вредным воздействиям внешней среды. Она легко переносит высокие температуры, большие концентрации химических веществ, высушивание. Споры некоторых бацилл сохраняют жизнеспособность при кипячении в течение 1...3 ч и более. Они погибают в автоклаве только при 115...125 °С, а также под влиянием сухого жара в печи Пастера (150...170 °С). В высушенном состоянии они могут сохранять жизнеспособность десятки лет.

Спорообразование у бацилл наступает обычно при неблагоприятных условиях существования. Это не способ размножения, так как каждая клетка образует одну спору, и число особей при этом не возрастает.

Основными факторами, способствующими спорообразованию у бактерий, являются обеднение питательной среды и накопление в ней ядовитых продуктов жизнедеятельности.

После формирования споры оболочка бывшей клетки разрушается, спора освобождается и начинает самостоятельное существование в состоянии анабиоза (покоя). Процесс возникновения спор у разных бацилл происходит в течение 4...8 ч и более.

В благоприятных условиях спора начинает прорастать. Вначале она набухает, обогащается водой, размеры ее увеличиваются почти в 2 раза. Внутри набухшей споры усиливается активность ферментов и происходит частичный гидролиз наружной оболочки. В дальнейшем оболочка разрывается и через образовавшееся отверстие проросток выходит наружу. Прорастание споры в зависимости от условий среды осуществляется за несколько часов (4...5), но в некоторых случаях достаточно 40...50 мин.

Размножение бактерий. Бактерии размножаются простым поперечным делением клетки на две части. У ряда бактерий установлено размножение отпочкованием от материнской клетки дочерних особей. Цилиндрические формы обычно делятся перпендикулярно их длинной оси, шаровидные - в любом направлении.

В благоприятных условиях одно деление происходит через каждые 20...30 мин. При такой интенсивности размножения одна бактерия за 5 сут могла бы дать такую массу особей, которые способны заполнить собой бассейны всех морей и океанов. Однако размножение бактерий в природе ограничено различными неблагоприятными факторами внешней среды: действием солнечного света, высыханием, антагонизмом между различными видами, накоплением собственных продуктов обмена в среде и рядом других. На быстроту размножения бактерий влияют: питательная среда, влажность, температура, аэрация и ряд других условий.

А ктиномицеты (actinomyc?tes)

Актиномицеты - лучистые грибы. Это одноклеточные микроорганизмы, по строению сходные с бактериями. Занимают промежуточное положение между бактериями и плесневыми грибами. Одни растут в виде тонких ветвящихся нитей диаметром около 0,5...0,8 мкм, образующих мицелий, другие похожи на обычные палочковидные бактерии, чаще всего искривлены или с небольшими боковыми выростами, напоминающими ветви. Клетки состоят из оболочки, цитоплазмы и ядра. Все актиномицеты положительно красятся по Граму. Размножение происходит распадом мицелия на отдельные фрагменты (род proactinomyces), которые при благоприятных условиях могут дать начало новому мицелию, а также спорами (роды streptomyces и micromonospora). Актиномицеты широко распространены в различных типах почв, в воде, навозе и других веществах животного и растительного происхождения. Им принадлежит большая роль в почвообразовании. Они усиливают разложение органических веществ, разрушают клетчатку, участвуют в создании гумуса.

Некоторые актиномицеты (род streptomyces) вырабатывают вещества, токсичные для различных микроорганизмов. Эти вещества, называемые антибиотиками, широко используют как лечебные средства (стрептомицин, биомицин и др.).

Почвенные лучистые грибы преимущественно аэробы (развиваются лишь при доступе кислорода воздуха) или факультативные анаэробы (жизнедеятельность проявляется при отсутствии свободного кислорода), и только болезнетворные рода асбпотусеБ относятся к облигатным анаэробам (развиваются без свободного кислорода). Оптимальная температура развития актиномицетов - 23...37 °С. Они легко переносят высушивание, могут сохраняться в сухой почве более 10 лет. Ак-тиномицеты широко распространены в почвах с pH = 6,8...8,0. Численность их в почвах по отношению к общей микрофлоре зависит от сезона года. Так, весной они составляют 20 %, осенью 30 и зимой 13 %. По мере увеличения глубины количество актиномицетов в почве уменьшается.

Миксобактерии (тухоЬаМепае)

Особую группу составляют миксобактерии, или слизистые бактерии. Большинство миксобактерии - сапрофиты. Клетки их представляют преимущественно палочки размером от 1...2 до 10 мкм. Миксобактерии - облигатные аэробы, живут и размножаются только при доступе свободного кислорода. Они предпочитают нейтральную среду, хотя переносят кислую и щелочную с высокой влажностью. Оптимальная температура для развития миксобактерий составляет 30 °С. Встречаются в почве, навозе, на разлагающихся растительных остатках в виде слизистых образований. Они активно разрушают самые разнообразные вещества животного и растительного происхождения, в том числе клетчатку, хитин, превращая их в соединения, пригодные для питания растений.

Спирохеты (эртоскаеЛе)

К этому классу относят спирально изогнутые клетки, форма которых меняется при их движении. Спирохеты не имеют жесткой оболочки, поэтому способны сгибаться и извиваться. Движение осуществляется с помощью эластичной осевой нити или мембраны. Некоторые особи имеют жгутик. Отдельные виды болезнетворны для человека и животных. По строению эта группа микробов занимает промежугочное положение между бактериями и простейшими.

Грибы (fungi)

Грибы представляют обширную и разнообразную группу растительных гетеротрофных организмов, лишенных хлорофилла. Гетеротрофное питание обусловливает их участие в разложении растительных и животных остатков в почве. Широкое распространение грибов в почвах и значительная активность объясняются большой устойчивостью их к факторам внешней среды. Многие грибы хорошо развиваются в условиях высокой кислотности (pH = 4...3), при которой задерживается или прекращается активная жизнедеятельность большинства бактерий.

Грибы в основном аэробы, поэтому обычно развиваются на поверхности субстрата. Они устойчивы к высыханию, но для развития предпочитают влажную среду. Тело большинства грибов состоит из тонких нитей - гиф, а образуемое ими сплетение называют мицелием (грибницей). Гифы некоторых грибов разделены перегородками на клетки (септированы), такие грибы называют многоклеточными. Гифы других грибов не имеют перегородок (не септированы) - это одноклеточные грибы. Строение клеток грибов мало отличается от строения клеток других организмов. Клетки состоят из клеточной оболочки, цитоплазмы и одного, двух или нескольких ядер. Цитоплазма содержит вакуоли и различные включения.

Некоторые виды грибов размножаются вегетативно, когда отрезок мицелия с одной или большим количеством клеток, попадая на питательный субстрат, разрастается и дает начало новой грибнице, после чего гифы мицелия распадаются на отдельные клетки. Такую же функцию выполняет и почкующий мицелий у дрожжевых грибов. Однако наиболее характерным способом размножения у грибов является образование особых спор или конидий. На определенной стадии развития на поверхности мицелия появляются особые гифы, несущие споры, с помощью которых гриб размножается. Зрелая спора, попадая на подходящий влажный субстрат, прорастает, постепенно удлиняясь и разветвляясь, образует мицелий.

У одних грибов споры возникают снаружи, на специализированных гифах - конидиеносцах (экзоспоры); такие споры называют конидиями. У других грибов споры образуются в шарообразном спорангии, сидящем на растущем конце гифы. Формирующиеся в них споры (эндоспоры) называют споран-гиеспорами, а гифы, несущие спорангии - спорангиеносцами. У некоторых грибов в спорангиях образуются подвижные споры, снабженные жгутиками - зооспоры. Созревшие конидии осыпаются, а зрелые спорангии лопаются, и споры из них высыпаются. Грибы могут размножаться и половым путем.

Почвенные водоросли

Это обширная группа микроскопических растений, содержащих хлорофилл. Они распространены повсеместно, особенно во влажных почвах, хотя и способны выдерживать длительные периоды засухи. Водоросли характеризуются микроскопическими размерами, состоят из одной клетки или имеют нитевидную форму. Некоторые водоросли имеют жгутики и активно передвигаются подобно простейшим. Все водоросли в зависимости от цвета пигмента можно подразделить на три группы: зеленые, сине-зеленые и диатомовые.

Зеленые водоросли окрашены в ярко-зеленый цвет благодаря преобладанию внутри клеток хлорофилла. Размножение - чаще всего простое бесполое деление, однако известно и половое.

Сине-зеленые водоросли в некоторых отношениях напоминают бактерии, но значительно крупнее их. За отдельными исключениями, в сине-зеленых водорослях содержится три пигмента; зеленый - хлорофилл, голубой - фикоцианин и красный -фикоэритрин. Сине-зеленые водоросли не содержат четко оформленного ядра, для них характерно так называемое диффузное ядро, состоящее из гранул ядерного вещества, рассеянного в содержимом клетки.

У диатомовых водорослей цитоплазма заключена в клеточную оболочку, пропитанную кремнием. Хроматофор окрашен в бурый цвет благодаря обилию бурых пигментов (диато-мин), сопровождающих хлорофилл. Подвижные диатомовые водоросли при высыхании верхнего горизонта почвы перемещаются в более глубокие и влажные слои.

Водоросли первых двух групп более многочисленны, и в благоприятных условиях количество клеток их может достигать 100 000 на 1 г почвы. Установлено, что развиваясь в почве, водоросли увеличивают содержание в ней органического вещества. Некоторые виды сине-зеленых водорослей способны фиксировать атмосферный азот и превращать его в органические соединения азота, входящие в состав их цитоплазмы. Особенно важную роль водоросли играют в поддержании плодородия почвы рисовых полей. Здесь они пополняют запас кислорода, снижают интенсивность вредных восстановительных процессов, а отдельные виды фиксируют за вегетационный период 15...20 кг азота на 1 га.

Простейшие животные (protozoa)

К простейшим животным относят микроскопические одноклеточные организмы, более высокоорганизованные по сравнению с бактериями. Простейшие, живущие в почве, широко распространены и часто встречаются по всему земному шару. Эти микроскопические существа представлены в почве тремя основными группами, различающимися по способу передвижения: корненожки, жгутиковые и реснитчатые.

Корненожки. Типичный представитель - амеба. Размеры ее 10...40 мкм. Она не имеет оболочки и постоянной формы. Цитоплазма, лишенная оболочки, переливаясь, образует ложноножки, благодаря которым клетка передвигается и захватывает пищу. Размножается простым делением. Корненожки часто встречаются в слизи, покрывающей гниющие листья, а также в сырой почве, иле.

Жгутиковые. Эти простейшие покрыты снаружи плотной оболочкой, имеют один или несколько жгутиков, с помощью которых передвигаются в воде. Форма тела у них овальная, вытянутая или шарообразная, размером 5...20 мкм. Жгутиковые встречаются в воде, содержащей много органического вещества, и в сырых почвах. Размножение чаще делением клетки и реже половое.

Реснитчатые. Особенно многочисленны в растительных настоях (infusions), откуда и произошло их второе название -инфузории. На поверхности клетки они имеют многочисленные жгутики. Тело определенной постоянной формы длиной 20 ...80 мкм. Питание у них происходит через ротовое отверстие, за которым расположены пищевод и выходное отверстие. Реснитчатые живут в пресной и морской воде, а также в сильно влажной почве. Размножаются делением или половым путем. При благоприятных условиях простейшие ускоряют минерализацию органических остатков в почве и воде.

Вирусы

Вирусы получили название от латинского слова virus, что означает слизистую ядовитую жидкость - яд. Ранее ученые предполагали, что жидкость является живой «живое жидкое заразное начало». В 1892 г. русский ученый Д. И. Ивановский открыл мир ультрамикроскопических существ. Изучая природу мозаичной болезни табака, он установил, что заразное начало содержится в растительном соке и проходит через бактериальные фильтры. Полученный фильтрат, не содержащий видимых под микроскопом микроорганизмов, нанесенный на здоровые листья табака, вызывал заражение, а следовательно, появление болезни.

В настоящее время принято рассматривать вирусы как особый класс микроорганизмов, отличающихся от всех живых существ отсутствием клеточной структуры. Они не имеют ни ядра, ни клеточной оболочки, ни каких-либо других структур, присущих живым клеткам. С помощью электронной микроскопии установлено, что вирусы могут быть шаровидные или эллипсоидные, палочковидные, нитевидные, кубоидальные и головчатые.

Наиболее простая вирусная частица (вирион) состоит из нуклеопротеида, в котором нуклеиновая кислота (РНК или ДНК) заключена в белковую капсулу - капсид. Составными частями капсида являются отдельные белковые субъединицы, так называемые капсомеры. У более сложных вирусов имеется и оболочка, в которой находятся энзимы (ферменты), облегчающие проникновение вируса в клетку. Некоторые вирусы кроме белка и нуклеиновых кислот содержат углеводы, липиды и различные металлы.

Размеры вирусных частиц колеблются от 10 до 350 нм (1 нм = КГ⁹м).

Для вирусов характерны следующие основные признаки:

• • крайне малая величина;
• • фильтруемость, т.е. способность проходить через бактериальные фильтры, задерживающие все известные бактерии;
• • неспособность развиваться в искусственных питательных средах;
• • абсолютный паразитизм, т.е. способность размножаться только внутри клетки живого организма. Размножение идет включением вируса в метаболизм клетки хозяина (саморепро-дукция);
• • способность развиваться в культурах тканей (клеток), гомогенатах (измельченных) различных органов и тканей, а также в эмбрионе куриного яйца;
• • способность некоторых вирусов образовывать кристаллы.

Вирусам свойственна изменчивость при изменении условий существования. На этом свойстве вирусов основан метод изготовления эффективных профилактических вакцин (против бешенства, оспы и др.).

На физическое и химическое раздражение вирусы реагируют по-разному. Наиболее устойчивы вирусы в кристаллической форме. Низкая температура не вызывает гибели вирусов. Температура 55...60 °С на одних влияет губительно, а другие погибают только при 90 °С. Вирусы легко переносят высушивание, но обладают малой устойчивостью к бактерицидным ультрафиолетовым лучам. Многие вирусы длительно устойчивы к действию этилового и метилового спиртов, к эфиру, хлороформу, а также к действию иных, сильно влияющих на бактерии и грибы химических веществ. Ряд вирусов является возбудителями различных инфекционных заболеваний человека, животных и растений (грипп, оспа и др.).

По патогенности вирусы делят на группы - вирусы растений, животных, человека и микроорганизмов (фаги - вирусы бактерий и актиномицетов).

Фаги

Фаги (греч. фагейн - пожирать) - живые существа, ультрамикробы, вирусы, поражающие бактериальные клетки. Бактериофагия - процесс лизиса, растворения микробных клеток под влиянием бактериофага. Феномен бактериофагии впервые был открыт русским ученым Н.Ф. Гамалея в 1898 г. в опытах с возбудителем сибирской язвы. В 1917 г. в Пастеровском институте Ф. д'Эрелль наблюдал аналогичные явления в отношении возбудителя дизентерии. Изученный им агент, способный лизировать дизентерийные бактерии, был назван бактериофагом, считая, что он «поедает» бактерии изнутри. Феномен бактериофагии обнаружен не только у бактерий, но и у актиномицетов. У дрожжей, плесневых грибов и водорослей фаги не выявлены.

По форме все фаги имеют вид барабанной палочки. Диаметр головки - 60...95 нм, длина отростка - 250 нм. Головка одета белковой оболочкой, а внутри фага содержится ДНК или РНК. Фаги сравнительно устойчивы к воздействиям факторов внешней среды. Установлено, что фаги обладают видовой и типовой специфичностью, т. е. каждый из них наиболее активно влияет на определенный вид бактерий или на группу родственных видов.

Различают несколько последовательных стадий в размножении фагов.

• 1. Адсорбция (фиксация) фага на поверхности микробной клетки.
• 2. Проникновение фагового содержимого в микробную клетку. Вслед за прикреплением фага к бактериальной клетке из отростка выделяется энзим (лизоцим), который способствует образованию отверстия в клеточной стенке. В это отверстие вводится фаговое содержимое (ДНК), после чего оно закрывается, и на поверхности клеток остаются пустые фаговые оболочки.
• 3. После проникновения фага в клетку наступает фаза латентного периода. Во время этого периода образуются новые фаговые частицы, количество которых постепенно увеличивается до 50 100. Биохимические исследования показали, что при заражении фагом весь метаболизм (обмен веществ) клетки хозяина изменяется для воспроизведения фага.
• 4. По окончании латентного периода в разных местах клетки наступает растворение (лизис) бактериальной оболочки и освобождение фаговых частиц.

Все стадии размножения протекают в течение 30...90 мин.

Фаги широко распространены в природе. Везде, где имеются бактерии, могут создаваться условия для развития фагов. Некоторые из них используют в медицине и ветеринарии с профилактической и лечебной целью при инфекционных заболеваниях (дизентерия, холера и др.). Однако фаги нередко приносят большой вред при производстве антибиотиков, молочнокислых продуктов, бактериальных препаратов вследствие подавления ими полезных микроорганизмов.