Лекція 2. Морфологія та систематика мікроорганізмів

План лекції

1. Предмет і завдання мікробіології.

2. Значення мікроорганізмів у природі і житті людини.

3. Короткий історичний нарис розвитку мікробіології.

4. Зв'язок мікробіології з товарознавством харчових продуктів і непродовольчих товарів.

Мікробіологія (від греч. micros - малий, bios - життя, logos - наука) - наука про життєдіяльність мікроскопічно малих істот, які називають мікроорганізмами. Мікробіологія вивчає морфологію, фізіологію, біохімію, систематику, генетику та екологію мікроорганізмів, їх роль і значення в круговороті речовин, патології людини, тварин і рослин. До мікроорганізмів відносять переважно одноклітинні організми - бактерії, мікроскопічні гриби і водорості, а також організми із неклітинною будовою - віруси. Предметом вивчення мікробіології є бактерії та неклітинні форми життя - віруси.

Мікроорганізми у таксономічному відношенні дуже різноманітна група, представники якої відрізняються один від одного морфологією, будовою, фізіологією, типами конструктивного і енергетичного метаболізму, а також особливостями живлення клітини, але загальною їх ознакою є малі розміри особин. Наприклад, лінійні розміри бактерій знаходяться в межах 0,5-3,0 мкм, але є серед бактерій свої «гіганти» і «карлики». Зокрема, клітини нитчастої сіркобактерії Beggiatoa alba мають діаметр до 500 мкм; довжина клітин бактерії Achromatium oxaliferum складає 15-100 мкм з діаметром приблизно 5-33 мкм, а довжина клітин спірохет можуть сягати 250 мкм. Найдрібніші із відомих бактерій - мікоплазми, діаметр клітин яких складає 0,1-0,15 мкм. Розміри клітин дріжджів, міцеліальних грибів і водоростей знаходяться в межах 10-100 мкм. У мікроорганізмів дуже велике відношення площі поверхні клітини до її об'єму, що сприяє активному обміну із зовнішнім середовищем. Показано, що метаболічна активність мікроорганізмів у розрахунку на одиницю біомаси є набагато вищою, ніж у більших клітин рослин та тварин.

Однією з найважливіших характеристик мікроорганізмів є висока пластичність їх метаболізму, що призводить до швидкого пристосування до змінних умов довкілля. Ця властивість також пов'язана з малими розмірами клітин. Одночасно клітинах мікроорганізмів можуть міститись тільки декілька сотень тисяч білкових молекул. Тому непотрібні, в даних умовах існування, ферменти ніколи не відкладаються про запас. Вони синтезуються лише тоді, коли відповідна поживна речовина (субстрат) з'являється у середовищі. Такі ферменти називаються індуцибельними, вони можуть складати до 10 % загального білка, що міститься у клітині. Іншою причиною високої пластичності метаболізму мікроорганізмів є, за визначенням І. Вернадського, їх «всюдність». Мікроорганізми можна виявити в арктичних областях, гарячих джерелах, високих шарах атмосфери, шахтах з великим вмістом сірководню і цим вони відрізняються від макроорганізмів, які часто поширені лише на окремих континентах або в географічних зонах. Відмінною властивістю мікроорганізмів є також їх здатність до швидкого розмноження. У оптимальних умовах, наприклад, бактерії Escherichia coli можуть ділитися кожні 20 хв. У мікроорганізмів відсутнє диференціювання на тканини і органи, що також робить їх несхожими на рослини і тварини. Відповідно до сучасних принципів класифікації всі мікроорганізми залежно від будови клітини діляться на еукаріоти (ядерні) і прокаріоти (доядерні). До еукаріотів відносять водорості, гриби, до прокаріотів - бактерії. Окрім будови клітини, прокаріоти і еукаріоти розрізняються і за іншими ознаками:

• прокаріоти морфологічно недиференційовані, тому основними формами бактерій вважають коки, прямі і зігнуті палички;

• багато груп прокаріот здатні існувати лише в анаеробних умовах (без молекулярного кисню), отримуючи необхідну для життєдіяльності енергію в результаті бродіння або анаеробного дихання.

Поділ клітин бактерій починається, як правило, після завершення циклу реплікації ДНК. У більшості грампозитивних бактерій і нитчастих ціанобактерій поділ відбувається шляхом синтезу поперечної перегородки, що йде від периферії до центру. Поперечна перегородка формується із цитоплазматичної мембрани і пептидоглікану. Роз’єднання дочірніх клітин відбувається в результаті лізису серединної пластинки поперечної перегородки за допомогою ферментів автолізинів. Клітини більшості грамнегативних бактерій діляться за допомогою перетяжки, яка формується у процесі звуження цитоплазматичної мембрани і клітинної стінки у центральній частині клітини. Діаметр клітини в центрі поступово зменшується, неначе хтось перетягує її навпіл, отвір між компартментами, що утворилися, зникає і перетяжка ділить клітину на дві частини. Для представників групи бактерій, що брунькуються, а також багатьох ціанобактерій характерний інший спосіб розмноження - брунькування. При цьому у визначеному місці на поверхні клітини утворюється брунька, в яку переходить копія нуклеоїда. Брунька розростається в дочірню клітину і відділяється від материнської. Деякі одноклітинні ціанобактерії розмножуються множинним поділом. Він розпочинається з попередньої реплікації хромосоми та збільшення розмірів вегетативної клітини, яка потім зазнає ряд швидких послідовних бінарних поділів, що відбуваються усередині клітини. Це призводить до утворення великої кількості дрібних клітин, що отримали назву баєоцитів. Вивільнення баєоцитів відбувається шляхом розриву материнської клітинної стінки. Таким чином, в основі множинного поділу лежить принцип рівновеликого бінарного ділення. Відмінність його від бінарного ділення звичайного типу полягає у тому, що при множинному діленні дочірні клітин не збільшуються у розмірах і знову починають ділитися. Актиноміцети розмножуються або фрагментами міцелія, або шляхом утворення нестатевих спор. Ці способи розмноження характерні для еукаріотів, проте відрізняються від них тим, що в останніх цим процесам передує мітотичний поділ ядра, а у бактерій мітоз відсутній.

Широке розповсюдження, швидке розмноження і особливості метаболізму

мікроорганізмів впливають на життя всієї планети. Процеси, у яких беруть участь мікроорганізми, є важливими та необхідними ланками кругообігу таких елементів, як вуглець, азот, сірка, фосфор та інших біогенних елементів. Без мікроорганізмів припинився б кругообіг речовин у природі і життя на Землі стало б неможливим. Мікроорганізми першими заселяються на материнській гірській породі і забезпечують ґрунтоутворюючі процеси. Утворюючи в результаті своєї життєдіяльності мінеральні і органічні кислоти, мікроорганізми прискорюють розчинення і вивітрювання гірських порід, залучення звільнених мінералів в біологічний кругообіг. Мікроорганізми беруть участь і в утворенні гумусу, що визначає основну властивість ґрунту - родючість. Крім того, тільки у результаті життєдіяльності мікроорганізмів забезпечується доступність гумусу для рослин. Особливу роль у формуванні і підтриманні родючості ґрунту відіграють бактерії, які беруть участь у кругообігу азоту в природі. Це азотфіксуючі бактерії, які здатні перетворювати недоступний для рослин молекулярний азот атмосферного повітря у зв'язаний, збагачуючи тим самим ґрунт сполуками азоту. Важливим етапом кругообігу азоту в природі є надходження мінерального азоту до атмосфери, яке здійснюють денітрифікуючі бактерії у процесі нітратного (анаеробного) дихання. Якби цей цикл не був замкнутий, то окислені форми азоту вимивалися б із ґрунту в моря і океани, залишаючись недоступними для рослин. Оксиди азоту, що утворюються в процесі денітрифікування, беруть участь у підтримці озонового шару планети.

Багато мікроорганізмів утворюють у процесі метаболізму і виділяють у зовнішнє середовище різні органічні і неорганічні кислоти. Під впливом останніх водонерозчинні солі переходять в розчинну форму та покращують живлення рослин. Мікроорганізми – редуценти - «санітари» природи. Вони розкладають залишки рослинних і тваринних організмів, перетворюючи їх на мінеральні речовини. Мінералізація органічних речовин має велике значення, оскільки при цьому необхідні зеленим рослинам елементи переходять з недоступної форми в доступну. Мікроорганізми здатні здійснювати деградацію окремих штучно синтезованих органічних речовин (ксенобіотиків) - пестицидів, гербіцидів, поверхнево-активних речовин, складових пакувальних матеріалів, нафталіну, толуолу та ін. Якби такі процеси не відбувалися, ксенобіотики безконтрольно накопичувалися б у довкіллі, забруднюючи його.

Мікроорганізми беруть активну участь у біологічному самоочищенні водойм, виконуючи функцію знешкодження та окислення речовин, які забруднюють водойми. Широко використовують мікроорганізми і в системах біологічного очищення стічних вод. Воно відбувається на полях зрошування і полях фільтрації, куди надходять води, що підлягають очищенню. Просочуючись через шари ґрунту, вони піддаються окислювальній дії цілого комплексу ґрунтових мікроорганізмів. Органічні речовини, що виділяються, повністю мінералізуються. У даний час, у зв'язку із високим рівнем розвитку промисловості та величезною кількістю стічних вод створюються спеціальні споруди аеробної біологічної очистки - біотенки, біофільтри і аеротенки.

Людина із давніх давен інтуїтивно використовувала унікальні особливості мікроорганізмів, навіть не підозрюючи про це. Ще у сиву давнину процеси бродіння застосовували для приготування тіста для хліба пива, вина, оцту, кисломолочних продуктів, вимочування льону та ін. І тільки через століття стало відомо, що всі ці процеси відбуваються за участі мікроорганізмів.

Вивчення біосинтетичної діяльності мікроорганізмів дозволило встановити їх здатність до синтезу найрізноманітніших сполук, що мають велике народногосподарське значення. У наш час за допомогою мікроорганізмів у промислових масштабах отримують мікробний білок, амінокислоти (глутамінову, треонин, лізин, пролін, глутамін), вітаміни (В12, рибофлавін), ферменти (амілази, пектинази, протеази, целюлази, ліпази, изомерази, трипсини, стрептокинази, діастази), інтерферон, інсулін, гормон росту людини, органічні кислоти (лимонну, молочну, масляну, оцтову, глюконову), етанол, гліцерин, ацетон, бутанол, пропанол, бутандіол, полісахариди (декстрини, ксантани, пуллулан, альгінати), засоби захисту рослин, антибіотики, стероїди, каротиноїди, рибонуклеотиди, кортизон, преднізолон, гідрокортизон і інші корисні продукти.

Досягнення мікробіології знаходять практичне значення і в металургії для виплавлення різних металів із руд. Наприклад, вже реалізовано спосіб мікробіологічного вилуговування міді з сульфідної руди халькопирита. У перспективі можливе використання мікроорганізмів для отримання кольорових та рідких металів - золота, свинцю, германію, літію і ін. Мікробіологія знайшла своє застосування і в такій небіологічній галузі виробництва як здобуття енергетичної сировини (біогаз метан), видобуток нафти.

Мікроорганізми здатні підвищувати міцність бетону. Встановлено, що при додаванні на тонну бетону декількох кілограмів біомаси мікроорганізмів підвищується міцність і пластичність будівельного матеріалу.

Успіхи в сфері мікробіології відкрили нові можливості в профілактиці і лікуванні багатьох інфекційних захворювань, в боротьбі з якими раніше медицина була безсилою. За порівняно невеликий період часу майже повністю ліквідовані такі захворювання, як чума, віспа, холера, малярія, які у минулому були трагедією людства. На даний час увага мікробіологів зосереджена на проблемі злоякісних пухлин, пташиного грипу і синдромі набутого імунодефіциту. Вивчення властивостей патогенних мікроорганізмів дозволило отримувати в промислових масштабах вакцини, сироватки і інші лікувальні препарати.

Таким чином, мікробіологія вносить істотний вклад до вирішення багатьох практичних завдань, проблем охорони здоров'я і сільського господарства, сприяє розвитку певних галузей промисловості. Слід зазначити, що сьогодні відкриваються нові перспективи із застосування мікроорганізмів – це забезпечення людства продуктами харчування, відновлення енергетичних ресурсів, охорона довкілля.

Відкриття мікроорганізмів пов'язане з ім'ям голландського дослідника природи Антонія ван Левенгука (1632-1723), який зацікавившись будовою

Розвиток мікробіологічної науки у кінці XIX ст був тісно пов'язаний із роботами відомого німецького ученого Роберта Коха (1843-1910). Він займався вивченням збудників інфекційних захворювань. Свої дослідження Кох почав із вивчення сибірської виразки і показав, що збудниками цього захворювання є бактерії роду Bacillus anthracis. Пізніше він відкрив збудників туберкульозу (бактерії виду Mycobacterium tuberculosis), які в його честь і були названі «паличкою Коха». У 1905 році Коху за дослідження туберкульозу була присуджена Нобелівська премія з фізіології та медицини. Він та його учні відкрили збудників і інших захворювань, наприклад азіатської холери, дифтерії, черевного тифу, правця, гонореї. Дослідження специфічних збудників дозволили Коху сформулювати ряд положень, необхідних для ідентифікації збудника захворювання, які увійшли до історії медичної мікробіології як постулати Коха.

1. Мікроорганізми виявляють у кожному випадку конкретного передбачуваного захворювання, а також в умовах, відповідальних за патологічні зміни та клінічний перебіг хвороби.

2. Мікроорганізм не виділяють при інших хворобах як випадковий або не патогенний паразит.

3. Після ізоляції з організму хворого і виділення чистої культури патогенний мікроорганізм повинен викликати аналогічне захворювання у сприйнятливої тварини.

Р. Кох та його учні ввели у мікробіологію нові методи досліджень:

• методи фарбування мікроорганізмів аніліновими барвниками;

• удосконалили техніку мікроскопіювання - конденсор Аббе та іммерсійні об'єктиви, що дало можливість виявляти погано помітні мікробні форми;

• ввели в мікробіологічну практику тверді поживні середовища, на яких мікроорганізми здатні утворювати колонії, що дає змогу неозброєним оком визначати кількість життєздатних мікроорганізмів в пробі. В якості желюючого агента, для створення твердих поживних середовищ, випробували рідину ока забитої худоби, крохмаль, желатин і нарешті агар-агар (речовини, що складається з двох кислих полісахаридів - агарози і агаропектина червоних водоростей);

• розробили методику виділення чистих культур бактерій з ізольованих колоній на твердих середовищах;

• розробили скляні ємкості для культивування мікроорганізмів на твердих середовищах (стажист Р. Коха - Р. Петрі), які і сьогодні називаються чашками Петрі;

• упровадили в мікробіологічну практику дезінфекцію, як спосіб видалення мікроорганізмів з поверхонь.

Родоначальником російської мікробіології є Л. С. Ценковський (1822-1887). Він уперше дав науково обґрунтовану класифікацію мікроорганізмів, встановив спорідненість бактерій і синьо-зелених водоростей, цікавився проблемами медичної мікробіології і створив вакцину проти сибірської виразки, яка в його честь отримала назву «Жива вакцина Ценковського» і до тепер успішно застосовується у ветеринарній практиці.

Послідовником І. І. Мечникова був мікробіолог та епідеміолог Н. Ф. Гамалея (1859-1949), який зробив великий внесок по вивченню туберкульозу, холери, сказу, організував у Росії першу бактеріологічну станцію і ввів у практику вакцинацію людей проти сказу. Він створив протихолерну і віспову вакцини, вперше описав явище лізису бактерій під дією агентів, які згодом були названі бактеріофагами. Н. Ф. Гамалея вважається одним із основоположників не лише медичної мікробіології, але і імунології та вірусології. У Москві на його честь названо Інституту епідеміології і мікробіології.

C. Н. Виноградський (1856-1953). Створення вчення про екологію ґрунтових мікроорганізмів нерозривно пов'язане з ім'ям видатного російського дослідника С. Н. Виноградського, який зробив значний внесок з визначення фізіологічного різноманіття мікроорганізмів. На прикладі нітрифікуючих бактерій, сіркобактерій і залізобактерій він відкрив процес хемосинтезу та показав, що у природі існують мікроорганізми, здатні отримувати енергію за рахунок окислення відновлених неорганічних сполук. Виноградський також довів, що автотрофні бактерії можуть рости на мінеральних середовищах, отримуючи необхідну для цього енергію шляхом окислення відновлених неорганічних з'єднань і використовуючи як джерело вуглецю вуглекислий газ. Заслугою Виноградського є і те, що він вперше виділив з ґрунту анаеробні бактерії, здатні фіксувати молекулярний азот та названі на честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum. Для виділення в лабораторних умовах бактерій з певними властивостями (певної фізіологічної групи) Виноградський запропонував створювати специфічні (елективні) умови, які сприятимуть переважному розвитку тільки даної групи мікроорганізмів, тобто він розробив метод накопичувальних культур. С.Н. Виноградський опублікував понад 300 наукових робіт з екології та фізіології ґрунтових мікроорганізмів і тому його по праву вважають родоначальником ґрунтової мікробіології.

М. Бейеринк (1851-1931). Принцип виділення мікроорганізмів, заснований на методі накопичувальних культур, був успішно розвинений голландським мікробіологом М. Бейеринком. Він уперше виділив з ґрунту чисті культури бульбочкових бактерій (симбіотичних азотфіксаторів) та аеробних азотфіксуючих бактерій Azotobacter chroоcoccum. Крім того, він виділив чисті культури сульфатредукуючих бактерій, які відіграють важливу роль у кругооббігу сірки. Йому належать роботи з вивчення денітрифікування і ферментів різних груп мікроорганізмів.

В. Л. Омелянський (1851-1931). Учень С. Н. Виноградського В. Л. Омелянський уперше виділив целюлозорозкладаючі бактерії, описав їх фізіологію і хімізм бродіння клітковини. В. Л. Омелянський написав перший підручник з мікробіології російською мовою.

Таким чином, видатні учені в другій половині XIX ст заклали міцний фундамент загальної мікробіології, на якому в ХХ ст.. ця наука досягла розквіту.

Розвиток мікробіології в ХХ ст. ознаменувався важливими відкриттями в біохімії і генетиці мікроорганізмів. Так, у 1925 р. Р. А. Хадсон (1867-1940) уперше отримав індуковані мутації дріжджів за допомогою опромінення клітин рентгенівськими променями. Він також вивчав роль мікроорганізмів у кругооббігу речовин у природі та їх геологічну діяльність.

У середині 50-х років ХХ ст. А. Клюйвер (1888-1956) та Корнеліс ван Ніль (1897-1985) провели порівняльне біохімічне вивчення відносно далеко віддалених один від одного фізіологічних груп мікроорганізмів. Вони виявили, що закономірності процесів енергетичного і конструктивного метаболізму для всіх мікроорганізмів єдині. На підставі цього Клюйвер та Ніль сформулювали основи теорії біохімічної єдності життя.

У 1941 р. американські дослідники Дж. Бідл (1903-1989) та Е. Татум (1909-1975), вивчаючи виявлення індукованих мутацій у грибів роду eurospora, зуміли наблизитися до розуміння функцій генів і сформулювали свій відомий постулат «один ген - один фермент». Це відкриття збіглося за часом з досягненнями генетики мікроорганізмів, і його можна вважати початком «генетичного» періоду в історії розвитку мікробіології.

Провівши експерименти з генетичної трансформації бактерій, у 1944 р. американські вчені О. Евері, К. Мак-Леод і М. Мак-Карті довели роль ДНК у зберіганні та передачі спадкової інформації. З 1946 до 1952 р. дослідження Дж. Ледерберга, Е. Татума та Н. Циндера показали наявність статевої диференціації в бактерій. Вони відкрили і вивчили трансдукцію і кон'югацію, а також закономірності рекомбінації генетичного матеріалу в бактерій за таких способів обміну генетичною інформацією.

У 1953 р. Дж. Уотсон і Фр. Крик розшифрували будову молекули ДНК, розкрили генетичний код, механізми реплікації ДНК і регуляції синтезу білка. Успіхи в сфері генетики мікроорганізмів сприяли розвитку нового напрямку - молекулярної генетики, що є основою генетичної інженерії. Генетична інженерія внесла потенційно нові ідеї і методи у виробництво широкого спектра біологічно активних речовин. Відкриття та досягнення, отримані на мікроорганізмах, були також основою для виникнення таких наукових напрямів, як молекулярна біологія, молекулярна біотехнологія, молекулярна вірусологія, білкова інженерія та ін.

Сучасний період розвитку мікробіології тісно пов'язаний із науково-технічним прогресом, потребами народного господарства і охорони здоров'я. Він характеризується комплексністю досліджень, направлених на вирішення загальнобіологічних проблем та завдань, пов'язаних із раціональним використанням природних ресурсів, охороною довкілля, розвитком сільського господарства, охорони здоров'я, мікробіологічної, гірничодобувної та біотехнологічної промисловості.

Перспективи розвитку. У ХХІ ст. мікробіологія, вірусологія і імунологія представляють один з провідних напрямів біології і медицини, які інтенсивно розвиваються і розширюють межі людських знань. Імунологія підійшла до регулювання механізмів самозахисту організму, корекції іммунодефіцитів, вирішення проблеми СНІДУ, боротьби із онкозахворюваннями. Створюються нові генно-інженерні вакцини, з'являються нові дані про відкриття інфекційних агентів - збудників “соматичних” захворювань (виразкова хвороба шлунку, гастрити, гепатити, інфаркт міокарду, склероз, окремі форми бронхіальної астми, шизофренія тощо). З'явилося поняття про нові і ті, що повертаються, інфекції (emerging and reemerging infections). Приклади «старих патогенів» - це мікобактерії туберкульозу, рикетсії групи кліщової плямистої лихоманки і ряд інших збудників інфекцій. Серед нових патогенів вірус імунодефіциту людини (ВІЧ), легіонелли, бартонелли, эрліхії, хелікобактер, хламідії (Chlamydia pneumoniae). Нарешті, відкриті віроїди і пріони - нові класи інфекційних агентів. Віроїди - інфекційні агенти, що викликають у рослин ураження, схожі на вірусні, проте ці збудники відрізняються від вірусів рядом ознак: відсутністю білкової оболонки (гола інфекційна РНК), антигенних властивостей, одноланцюговою кільцевою РНК (з вірусів - лише у вірусу гепатиту D), малими розмірами РНК. Пріони (proteinaceous infectious particle - білоквмісна інфекційна частинка) представляють позбавлені РНК білкові структури, що є збудниками деяких повільних інфекцій людини і тварин, що характеризуються летальними ушкодженнями центральної нервової системи за типом губкоподібних энцефалопатій - куру, хвороба Крейтцфельдта - Якоба, синдром Герстманна- Страусслера - Шайнкера, амніотрофічний лейкоспонгіоз, губкоподібна енцефалопатія корів (коров'ячий “сказ”). Передбачається, що пріони можуть мати значення в етіології шизофренії, міопатій. Істотні відмінності від вірусів: відсутність власного генома, не дозволяють поки що розглядати пріони як представників живої природи.

До методів мікробіологічної діагностики можна віднести такі:

1. Мікроскопічний - з використанням приладів для мікроскопії. Визначають форму, розміри, взаєморозташування мікроорганізмів, їх структуру, здатність забарвлюватися певними барвниками. До основних способів мікроскопії можна віднести світлову мікроскопію (із різновидами - іммерсійну, темнопольну, фазово - контрастну, люмінесцентну і ін.) і електронну мікроскопію.

2. Мікробіологічний (бактеріологічний і вірусологічний) - виділення чистої культури та її ідентифікація.

3. Біологічний - зараження лабораторних тварин із відтворенням інфекційного процесу на чутливих моделях (біопроба).

4. Імунологічний (варіанти - серологічний, алергологічний) - використовують для виявлення антигенів збудника або антитіл до них.

5. Молекулярно- генетичний - ДНК- і РНК- зонди, полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) та багато інших.

Узагальнюючи викладений матеріал, необхідно відзначити теоретичне значення сучасної мікробіології. Досягнення цієї науки дозволило вивчити фундаментальні процеси життєдіяльності на молекулярно-генетичному рівні. Вони обумовлюють сучасне розуміння суті механізмів розвитку багатьох захворювань і напряму їх ефективного попередження та лікування.

Саме за допомогою мікробіології можна виявити корисні властивості харчових продуктів. Від того наскільки глибоко в товарознавстві використовують досягнення цієї дисципліни залежить якість харчових продуктів. Харчові продукти, за деяким винятком, є гарним поживним середовищем для мікроорганізмів, тому саме з мікробіологічної науки для товарознавства отримує знання про збудників, які псують продукти харчування та методи, які запобігають розвитку мікроорганізмів. Мікробіологічні процеси лежать і в основі переробки багатьох продуктів, а також виробництва вітамінів, ферментів, антибіотиків, кормових білків і ін. Отже, мікробіологія, особливо харчова, тісно пов'язана з товарознавством харчових продуктів.

Контрольні запитання

1. У чому полягає зв'язок мікробіології харчових продуктів з іншими науками?

2. За якими напрямами відбувається зв'язок мікробіології з товарознавством харчових продуктів і непродовольчих товарів?

3. Охарактеризуйте морфологічний і фізіологічний періоди розвитку мікробіології.

4. Розкрийте вклад вітчизняних учених у розвиток мікробіології.

5. Розкрийте вклад зарубіжних учених у розвиток мікробіології.

6. Назвіть основні досягнення мікробіологічної науки у XX ст.

Лекція 2. Морфологія та систематика мікроорганізмів

План лекції

1. Систематика бактерій.

2. Розміри, форма та будова бактеріальної клітини.

3. Розмноження та рухливість бактерій.

4. Спороутворення бактерій.

Систематика - розподіл мікроорганізмів відповідно до їх походження і біологічної схожості. Систематика займається всебічним описом видів організмів, з'ясуванням родинних зв’язків між ними та об'єднанням їх у класифікаційні одиниці - таксони. Основні питання, які вирішують під час систематики (три аспекти, три кити систематики), - класифікація, ідентифікація та номенклатура.

Класифікація - розподіл (об'єднання) організмів відповідно до їх загальних властивостей (схожими генотиповими та фенотиповими ознаками) по різних таксонах.

Таксономія - наука про методи і принципи розподілу (класифікації) організмів відповідно до їх ієрархії. Найчастіше використовують такі таксономічні одиниці (таксони) - штам, вид, рід. Їх об’єднують у більші таксони - родина, порядок, клас. Вид - сукупність мікроорганізмів, що мають загальне еволюційне походження, близький генотип (високу міру генетичної гомології, як правило більше 60%) і максимально близькі фенотипні характеристики. Велика кількість фенотипних ознак, які порівнюють, та принцип їх рівної значущості ускладнювало класифікацію. У процесі вивчення, ідентифікації та класифікації мікроорганізмів найчастіше вивчають такі (гено- і фенотипічні) характеристики:

1. Морфологічні - форма, величина, особливості взаєморозташування, структура.

2. Тенкторіальні - відношення до різних барвників (характер фарбування), перш за все до забарвлення за Грамом. За цією ознакою всі мікроорганізми поділяють на грампозитивні та грамнегативні. Морфологічні властивості та фарбування за Грамом дозволяють віднести мікроорганізми до великих таксонів - родини, роду.

3. Культуральні - характер збільшення мікроорганізмів на поживних середовищах.

4. Біохімічні - здатність розщеплювати різні субстрати (вуглеводи, білки і амінокислоти і ін.), утворювати у процесі життєдіяльності різні біохімічні продукти за рахунок активності різних ферментних систем і особливостей обміну речовин.

5. Антигенні - залежать переважно від хімічного складу та будови клітинної стінки, наявності джгутиків, капсули, їх розпізнають за здатністю макроорганізму (господаря) виробляти антитіла та інші форми імунної відповіді, виявляють в імунологічних реакціях.

6. Фізіологічні - способи вуглеводного (аутотрофи, гетеротрофи), азотного (аміноавтотрофи, аміногетеротрофи) та інших видів живлення, тип дихання (аероби, мікроаерофіли, факультативні анаероби, строгі анаероби).

7. Рухливість і типи руху.

8. Здатність до спороутворення, характер спор.

9. Чутливість до бактеріофагів, фаготипування.

10. Хімічний склад клітинних стінок.

11. Білковий спектр.

12. Чутливість до антибіотиків та інших лікарських препаратів.

13. Генотипічні (використання методів геносистематики).

В останні десятиліття для класифікації мікроорганізмів, окрім їх фенотипних характеристик, широко і ефективно використовують різні генетичні методи - рестрикційний аналіз, ДНК- гібридизація, ПЛР аналіз, сиквенс та ін. В основі більшості методів лежить принцип визначення ступеню гомології генетичного матеріалу (ДНК, РНК).

Ідентифікація. Основні фено- і генотипові характеристики, які використовуютьдля класифікації мікроорганізмів та їх ідентифікації, тобто встановлення таксономічного положення, і перш за все, видової належності. Ідентифікацію здійснюють на основі вивчення фено- і генотипових характеристик інфекційного агента та порівняння їх із характеристиками відомих видів. У процесі такої роботи часто користуються еталонними штамами мікроорганізмів, стандартними антигенами та імунними сироватками до відомих прототипних мікроорганізмів.

Номенклатура - назва мікроорганізмів відповідно до міжнародних правил. Для позначення видів бактерій використовують бінарну латинську номенклатуру рід/вид, що складається із назви роду (пишеться із великої літери) і виду (з малої літери): Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

У мікробіології часто використовують і багато інших термінів для характеристики мікроорганізмів, наприклад штам. Штам - будь-який конкретний зразок (ізолят) даного виду. Штами одного виду, які відрізняються за антигенними характеристиками, називають серотипами (сероваріантами - скорочено сероварами), за чутливістю до специфічних фагів - фаготипами, біохімічними властивостями - хемоварами, за біологічними властивостями- біоварами і так далі. Колонія - видима ізольована структура бактерій на твердих поживних середовищах. Вона може розвиватися з однієї або декількох батьківських клітин. Якщо колонія утворилася із однієї батьківської клітини, то потомство називається клоном. Культура - сукупність мікроорганізмів одного виду, які виросли на твердому або рідкому поживному середовищі. Основний принцип мікробіологічної роботи - виділення і вивчення властивостей лише чистих (однорідних, без сторонньої мікрофлори) культур.

Прокаріоти відрізняються від еукаріот за такими ознаками.

1. Відсутність справжнього диференційованого ядра (ядерної мембрани).

2. Відсутність розвиненої ендоплазматичної сітки, апарату Гольджі.

3. Відсутність мітохондрій, хлоропластів, лізосом.

4. Нездатність до ендоцитозу (захвату часток їжі).

5.Клітинний поділ не пов'язаний із циклічними змінами будови клітини.

За формою виділяють такі основні групи мікроорганізмів.

1. Шароподібні або коки.

2. Палочковидні.

3. Звивисті.

4. Ниткоподібні.

Кокоподібні бактерії (коки) за характером розташування клітин після поділу поділяють на ряд варіантів.

1. Мікрококи. Клітини розміщенні поодинці. Вони входять до складу

нормальної мікрофлори кишечника, знаходяться у зовнішньому середовищі. Захворювань у людей не викликають.

2. Диплококи. Поділ цих мікроорганізмів відбувається в одній площині, і як результат, утворюються пари клітин. Серед диплококів багато патогенних мікроорганізмов - гонокок, менінгокок, пневмокок.

3. Стрептококи. Поділ здійснюється в одній площині, і клітини, які розмножуються, зберігають зв'язок (не розходяться), утворюючи ланцюжки. Серед них багато патогенних мікроорганізмів - збудники ангіни, скарлатини, гнійних запальних процесів.

4. Тетракоки. Поділ відбувається у двох взаємоперпендикулярних площинах із утворенням тетрад (по чотири клітини). Медичного значення не мають.

5. Сарцини. Поділ відбувається у трьох взаємоперпендикулярних площинах, утворюючи пакунки (пакети) з 8, 16 і більшої кількості клітин. Їх часто виявляють у повітрі.

6. Стафілококи. Діляться безладно у різних площинах, утворюючи скупчення, що нагадують грона винограду. Викликають численні хвороби, перш за все, гнійно- запальні.