Лекции по "Основам микробиологии и биотехнологии"

Конспекты лекций курса «ОСНОВЫ  МИКРОБИОЛОГИИ И  БИОТЕХНОЛОГИИ»

для специальности «Инженерная  экология» ф-та Инженерной экологии МГУИЭ 
 

1.1. Предмет микробиологии,  значение микроорганизмов  в природе и  различных отраслях  человеческой деятельности. 

    Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь и logos – наука) – наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом живых организмах, называемых микроорганизмами или микробами.

    Микробиология изучает морфологию, систематику  и физиологические особенности  микроорганизмов, условия их жизнедеятельности, роль в природе и жизни человека. Микробиологи разрабатывают способы использования полезных микробов в промышленности и сельском хозяйстве, средства и методы борьбы с патогенными микроорганизмами, вызывающими болезни растений, животных и человека.

    Микроорганизмы  представляют собой разнородную  группу, общей характеристикой которой  является малый размер. Самые крупные  микробы не превышают 100 микрон (1 микрон=10^-6 метра), большая часть имеет размер 0,1-10 мкМ, а размер отдельных представителей равен сотым долям микрона. Микробы нельзя увидеть невооруженным глазом. Для их изучения используют оптические (макс. увеличение 3 тыс. раз) или электронные (макс. увеличение 750 тыс. раз) микроскопы.

    Представителями микроорганизмов являются:

    Бактерии

    Архебактерии

    Микроскопические  водоросли

    Микроскопические  грибы

    Простейшие  животные

    Вирусы.

    Микроорганизмы  широко распространены в природе. Они  могут развиваться в скальных породах на глубине до 6 км,  на вершинах высоких гор (6-7 км), в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений, памятников. Некоторые микробы могут обитать в экстремальных условиях  - при высоких (до 113°С) и низких (до -36°С) температурах, при давлении до 1400 атм, при полном отсутствии кислорода, в условиях высокой солености (насыщенный раствор NaCl), высокой кислотности (pH 0-1) и щелочности (pH до 11). Споры микроорганизмов чрезвычайно устойчивы, они могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20-30 млн лет (например, в кишечнике пчелы, замурованной в кусочке янтаря).

    Микроорганизмы  имеют огромное значение в природных  процессах и человеческой деятельности.

• Они участвуют в глобальном круговороте элементов, причем ряд стадий был бы невозможен без них, например, фиксация атмосферного азота, денитрификация и минерализация сложных органических веществ. От деятельности микробов зависит плодородие почв, образование каменного угля, нефти, природного газа, других полезных ископаемых.
• На деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств (хлебопечение, пивоварение, виноделие, получение молочнокислых продуктов, производство различных химических веществ, антибиотиков, гормонов, ферментов и др).
• Микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений.
• Многие микробы являются возбудителями заболеваний человека, животных и растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов.

 

1.2. История развития  микробиологии 

    С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, долгое время даже не догадываясь об их существовании. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания. Однако до средины XIX века не было доказано, что разного рода бродильные процессы и эпидемии могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

    Первым, кто увидел и описал различные  микроорганизмы, был голландский  торговец сукном Антони ван Левенгук. А. Левенгук в свободное время конструировал микроскопы, и ему удалось добиться увеличения в 280 раз. Непосредственное открытие микробов произошло в 1676 г., когда А. Левенгук в капле дождевой воды из бочки заметил огромное количество очень маленьких движущихся организмов. Описания своих наблюдений, сопровождаемые тщательными зарисовками, А. Левенгук отсылал в Английское Королевское общество, где они привлекли внимание других исследователей. С этого времени начинается первый период развития микробиологии – описательный, или микрография.

    А. Левенгук и его последователи  описывали морфологию микроорганизмов, которых они видели под микроскопом  в разных субстратах. Был сделан вывод о вездесущности микроорганизмов. Позднее предпринимались попытки  систематизировать мельчайшие существа, которые тогда называли анималькулями (живыми зверьками) или инфузориями (от»развивающиеся в настоях). Методики работы были еще несовершенны, культуры микроорганизмов нередко загрязнялись посторонней микрофлорой. Отсюда родилась теория плеоморфизма, согласно которой микробы способны легко менять форму в зависимости от условий существования. С плеоморфистами спорили приверженцы другой теории – мономорфизма, признававшие у бактерий как и у высших организмов, постоянство видов.

    К середине XIX века был накоплен большой материал о разнообразных группах микроорганизмов. Однако физиологию и обмен веществ микробов исследования не затрагивали, поэтому роль микромира в природе, а также в жизни и деятельности человека оставалась невыясненной.

    Физиологический этап развития микробиологии начался примерно с середины XIX века и связан, прежде всего, с именем французского ученого Луи Пастера. Выясняя причину прокисания вина, Л.Пастер показал, что брожение вызывается микроорганизмами, а не является чисто химическим процессом, как считали раньше. При этом каждый вид брожения обусловлен активностью определенных микробов. Позднее, изучая возбудителей маслянокислого брожения, Л. Пастер обнаружил что они могут жить только в отсутствие кислорода, таким образом, были открыты анаэробные организмы. Долгое время считалось, что микроорганизмы в природе зарождаются самопроизвольно. Лишь работы Л.Пастера позволили окончательно установить невозможность самозарождения микробов. Безупречные опыты ученого показали, что если питательные среды простерилизованы, то есть надежно освобождены от микроорганизмов, то жизнь в них даже в примитивной форме зародиться не может. Современные дезинфекция, антисептика и асептика основаны с теоретической точки зрения на работах Л.Пастера. Способ тепловой обработки продуктов, предохраняющий их от порчи, получил название «пастеризация».

    Много внимания Л. Пастер уделял изучению возбудителей болезней. Он разработал микробную  теорию заразных болезней, предложил  предохранительные прививки от сибирской язвы и бешенства, которые спасли жизнь тысячам людей.

    Работы  по медицинской микробиологии успешно  продолжил немецкий исследователь  Роберт Кох. Он выделил в чистом виде возбудителей многих болезней, в том числе и возбудителя туберкулеза, названный в его честь «палочкой Коха». В лаборатории Р. Коха были разработаны многие методы микробиологии, применяемые и в наши дни.

    Признание огромной роли микроорганизмов в  круговоротах элементов на Земле  связано с именами Сергея Николаевича Виноградского и Мартинуса Бейеринка. С.Н.Виноградскому принадлежит открытие уникального образа жизни – хемолитоавтотрофии и изучение серных и нитрифицирующих бактерий. С.Н.Виноградский и М. Бейеринк независимо друг от друга обнаружили, что у бобовых растений на корнях развиваются специфические образования – клубеньки, в которых поселяются особые бактерии, способные усваивать азот из воздуха и превращать его в нитратные, нитритные или аммонийные соли, легко усваиваемые растениями.

    На  рубеже XIX и XX веков русский ученый Дмитрий Иванович Ивановский открыл вирус табачной мозаики, обнаружив особую группу биологических объектов, не имеющих клеточного строения. 

    В XX и XXI веках продолжается описание и систематизация новых микроорганизмов. Большое внимание уделяется изучению физиологии и биохимических особенностей микробов. На основании фундаментальных знаний разработаны сотни биотехнологий, использующих свойства микроорганизмов.

    Современная микробиология развивается в  следующих основных направлениях:

• фундаментальные исследования (выяснение путей метаболизма, выделение и очистка ферментов, регуляция обмена веществ и т.д.);
• систематика микроорганизмов, изучение их эволюции;
• экологическая микробиология (роль микроорганизмов в природных экосистемах и пищевых цепях);
• популяционная микробиология (выяснение природы межклеточных контактов и взаимосвязь клеток в популяции);
• медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная микробиология;
• промышленная микробиология (включает все практические аспекты).

Основными методами микробиологических исследований являются:

• микроскопия (световая, люминисцентная, электронная, лазерная);
• выделение чистых культур и контролируемое культивирование;
• аналитические методы (физиолого-биохимические, генетические, молекулярно-биологические и т.д.).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Строение клеток  микроорганизмов 

    Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение. В зависимости  от клеточной организации их делят  на прокариотные и эукариотные. Прокариотные (от греч. pro – перед, karyon – ядро) клетки имеют только одну полость, эукариоты (от греч. eu – истинный,  karyon – ядро) имеют вторичные полости, отделяющие ядро и другие клеточные структуры от цитоплазмы. Прокариотами являются эубактерии и археи, эукариотами – водоросли, грибы и простейшие, а также растения и животные.

    Строение  бактериальной клетки

 

    Различают внешние и внутренние структуры  бактерий. К внешним структурам относятся  клеточная стенка, а также капсулы, жгутики, пили или фимбрии. Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембрана. Внутреннее содержание бактериальной клетки представлено цитоплазмой, в которой находится нуклеоид, рибосомы, мембранные структуры и разнообразные включения.

    Капсулы. Клетки большинства бактерий окружены слизистым слоем – капсулой. Капсулы содержат до 98% воды. Они защищают клетку от высыхания и механических повреждений, от действия токсинов, солнечной радиации и других неблагоприятных факторов. Наличие капсулы расширяет область распространения и выживаемость бактерий. Некоторым бактериям слизистый слой помогает передвигаться путем скольжения. Встречаются макрокапсулы с толщиной слоя более 0,2 мкм, микрокапсулы – менее 0,2 мкм, а также слизистый слой и растворимая слизь. По химическому составу капсулы можно разделить на 2 типа: полисахариды и полипептиды. Существуют капсулы с высоким содержанием липидов, гетерополисахаридов и др. веществ. Некоторые бактерии, например, уксуснокислые способны синтезировать своеобразную капсулу, состоящую из аморфной массы молекул целлюлозы.

    Жгутики. Бактерии передвигаются с помощью особых нитевидных структур – жгутиков. Число и форма жгутиков не одинаковы у разных видов бактерий. Клетка может иметь один жгутик (монотрих), пучок жгутиков на одном конце (лофотрих), жгутики на обоих концах клетки (амфитрих), много жгутиков, расположенных по всей поверхности клетки (перитрих). Толщина жгутиков колеблется от 12 до 20 нм, длина – 10-20мкм. В строении жгутика можно выделить нить, крюк и базальное тельце, расположенное под цитоплазматической мембраной. Жгутиковая нить состоит из белка флагеллина. Белковые молекулы собраны в спиральные цепи, закрученные вокруг полой середины. Крюк жгутика – изогнутый полый цилиндр, служит для подвижной связи нити с базальным тельцем. Вращательное или поступательное движение жгутика осуществляется в результате работы базального тельца, представляющего собой своеобразный «электромотор».

    Пили (фимбрии) это длиннные, тонкие прямые нити. Они значительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны (50-400 на клетку). Пили обнаружены как у подвижных, так и у неподвижных бактерий. Их длина – 1,5 мкм, толщина – 7 нм. Пили расположены по всей поверхности клетки и состоят из белка пилина. Пили помогают бактериям прикрепляться к субстрату или другим клеткам. Есть специальные половые F-пили; они имеют внутри канал, по которому ДНК из одной клетки может передаваться в другую при конъюгации бактерий. Пили, как и жгутики, не считаются обязательной структурой бактериальной клетки, так как без них бактерии могут расти и размножаться.

    Клеточная стенка – один из главных элементов структуры клетки.  Она обладает определенной жесткостью и вместе с тем эластичностью. Функции клеточной стенки – придание формы, защита от действия механических и осмотических внешних воздействий. Клеточной стенке принадлежит важная роль в регуляции деления и роста бактерий. Толщина клеточной стенки колеблется от 20 до 100 нм и составляет около 20% сухого вещества клетки. Благодаря наличию пор, клеточная стенка проницаема для крупных молекул.