Видом в микробиологии принято называть совокупность близких между собой организмов, имеющих общее происхождение, приспособленных к определенной среде обитания, обладающих сходным обменом веществ и характером межвидовых отношений, близких между собой по генетическому аппарату, морфологическим, физиологическим и биохимическим признакам.
Научные названия для бактерий и архей, а также правила наименования таксонов бактерий в соответствии с их относительным рангом регулирует Международный кодекс номенклатуры прокариот (ICNP). В соответствии с международными правилами номенклатуры микроорганизм получает название, состоящее из двух латинских слов: название рода (с прописной буквы) и признак конкретного вида (со строчной буквы).
Род Bacillus Вид Bacillus subtilis – сенная палочка Вид Bacillus anthracis – возбудитель сибирской язвы
|
Среди всех таксонов особое положение занимает род: новый вид не может получить названия, пока не будет отнесен к определенному роду. Таксоны более высокой категории (семейства, порядки, классы) имеют менее определенные критерии и используются по-разному в зависимости от принятой тем или иным автором системы классификации.
Для идентификации бактерий и установления степени родства между ними используют многие признаки, которые можно подразделить на пять групп:
1. Морфологические признаки – форма, размер клеток и их сочетания, тип жгутикования, наличие пилей и капсул, способность образовывать споры, особенности внутреннего строения, окраска по Граму.
2. Культуральные признаки – признаки, которые проявляются при выращивании бактерий на различных питательных средах: особенности роста на плотной питательной среде (окраска, форма, характер колоний) и в жидких питательных средах (осадок, пленка, помутнение и т. д.).
3. Физиологические признаки включают: возможность использовать те или иные источники углерода и азота, потребность в факторах роста, тип энергетических процессов (аэробное дыхание, брожение, анаэробное дыхание), отношение к температуре, влажности, кислотности среды, засолению почвы и другим факторам.
4. Биохимические признаки: химический состав клеток, тип запасных веществ, наличие тех или иных ферментов, продуктов метаболизма (кислоты, спирты, газы и т. д.), молярная доля суммы гуанина и цитозина (Г+Ц) в процентах от общего количества азотистых оснований в молекуле ДНК, сопоставление последовательности нуклеотидов в 16S pPHK.
5. Серологические признаки – критерии систематики, основанные на специфических реакциях взаимодействия антигенов (компоненты клеточных стенок, жгутиков, капсул, ДНК и токсинов) идентифицируемых микроорганизмов с антителами, содержащимися в сыворотках.
Практическое применение нашла морфофизиологическая классификация, основы которой заложил
доктор бактериологии
Д.-Х. Берджи. Эта классификация отражена в «Определителе бактерий Берджи» («Bergey’s
Manual of Determinative Bacteriology»). Первое издание Определителя было издано
в 1923 г. обществом американских бактериологов и периодически обновляется и
переиздается. Это наиболее полная сводка известных в настоящее время бактерий.
Прокариоты относятся к трем подцарствам: архебактерии, эубактерии и цианобактерии. В девятом издании
Определителя (1984–1989)
все прокариоты разделены на 35 групп. Деление Procaryotae на высшие таксоны (отделы, клаcсы)
проведено по основному признаку – характеру пограничного слоя клеток (таблица 1).
Таблица 1 – Основные группы прокариот по «Определителю бактерий Берджи» (9-е издание, 1997 г.)
ОТДЕЛ |
ГРУППА |
Отдел Gracilicutes (бактерии с грамотрицательной клеточной стенкой)
|
1. Спирохеты. 2. Аэробные (или микроаэрофильные), подвижные, спиралевидные (или вибриоидные) грамотрицательные бактерии. 3. Неподвижные или редко подвижные грамотрицательные изогнутые бактерии. 4. Грамотрицательные аэробные (или микроаэрофильные) палочки и кокки. 5. Факультативно аэробные грамотрицательные палочки. 6. Грамотрицательные анаэробные прямые, изогнутые или спиралевидные палочки. 7. Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстановление серы или сульфата. 8. Анаэробные грамотрицательные кокки. 9. Риккетсии и хламидии. 10. Аноксигенные фототрофные бактерии. 11. Оксигенные фототрофные бактерии. 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие организмы. 13. Почкующиеся и/или образующие выросты бактерии. 14. Бактерии, имеющие чехлы. 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела. |
Отдел Firmicutes(бактерии с грамположительной клеточной стенкой)
|
17. Грамположительные кокки. 18. Грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры. 19. Грамположительные палочки правильной формы, 20. Грамположительные палочки неправильной формы, не образующие спор. 21. Микобактерии. 22–29. Актиномицеты. |
Отдел Tenеricutеs (бактерии без клеточных стенок) |
30. Микоплазмы.
|
Отдел Mеndosicutеs (бактерии с ригидной клеточной стенкой, не содержащей пептидогликана)
|
31. Метаногены. 32. Сульфатредуцирующие архебактерии. 33. Экстремально галофильные архебактерии (галобактерии). 34. Архебактерии, лишенные клеточной стенки. 35. Экстремально термофильные и гипертермофильные архебактерии, метаболизирующие серу. |
Отдел Gracilicutes включает грамотрицательные организмы, имеющие тонкую (10–13 нм) клеточную стенку. Бактерии делятся перетяжкой, некоторые – почкованием. Эндоспор не образуют. Двигаются при помощи жгутиков, изгибанием, скольжением и всплывание с помощью аэросом. У многих имеются ворсинки.
Отдел подразделяется на три класса: Scotobacteria, Anoxyphotobactеria, Oxyphotobacteria.
Класс Scotobacteria объединяет грамотрицательные бактерии, не использующие световой энергии. Самый крупный класс бактерий.
К группе «Спирохеты» относится семейство Spirochaetaceae. Представители имеют длинные (5–250 мкм) и тонкие (0,1–0,6 мкм) многократно извитые клетки. Передвижение их в жидкой среде обеспечивает аксиальная нить. Встречаются аэробы, облигатные и факультативные анаэробы, хемоорганотрофы. Виды рода Spirocheta (длина клеток до 500 мкм) преимущественно представлены сапрофитными водными формами. Виды рода Teponema (длина клеток до 16 мкм) – паразиты, вызывающие опасные заболевания человека (например, Teponema pallidum – возбудитель сифилиса) (рисунок 22).
Рисунок 22 – Teponema pallidum
К группе «Грамотрицательные аэробные (или микроаэрофильные) палочки и кокки» относится ряд семейств, в том числе содержащие азотфиксирующие фрмы. Семейство Azotobactеriaceae включает свободноживущие аэробные азотфиксирующие бактерии рода Azotobacter – крупные (шириной до 2 мкм) палочки, склонные изменять свою форму в зависимостиот возраста культуры, облигатные аэробы, хемоорганотрофы. Представители рода Azotobacter (рисунок 23) выделяют большое количество слизи, формирующей макрокапсулу на поверхности клетки; они способны образовывать цисты. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы фиксируют по 15–18 кг азота на 1 га.
Рисунок 23 – Azotobacter
Семейство Rhizobacteriaceae представлено симбиотическими клубеньковыми азотфиксирующими микроорганизмами рода Rhizobium, входящими в симбиоз с бобовыми растениями и вызывающими клубеньки – опухолевидные разрастания клеток паренхимы коры корня (рисунок 24). В результате симбиотической азотфиксации за счет посевов бобовых культур в почве накапливается до 70–80 кг азота на га.
Рисунок 24 – Клубеньки на корнях бобовых
Группа «Факультативные анаэробные грамотрицательные палочки» включает семейство Enterobacteriaceae. Энтеробактерии – это подвижные или неподвижные бесспоровые палочки, хемоорганотрофы, аэробы или факультативные анаэробы. Escherichia соli входит в состав микрофлоры кишечника человека и животных, Shigella и Salmonella являются возбудителями острых кишечных заболеваний (дизентерии и брюшного тифа, салмонеллезов). Бактерии Escherichia соli используют как санитарный показатель загрязнения внешней среды (коли-индекс, коли-титр). Наличие бактерий указывает на загрязнение воды фекальными массами и возможную опасность возникновения острых кишечных инфекций – дизентерии, брюшного тифа, холеры и т.п.
Группа «Риккетсии и хламидии» объединяет представителей с плеоморфными, неподвижными, очень мелкими (сравнимы по размерам с крупными вирусами) клетками. Аэробы. Культивируются на специальных средах или в культуре клеток позвоночных, посколько являются облигатными внутриклеточными паразитами и потребляют макроэргические соединения из клетки-хозяина. Rickettsia prowazekii – возбудитель эпидемического сыпного тифа (рисунок 25). Виды рода Chtamydia – возбудители болезней человека и позвоночных животных (трахома, орнитоза). Большинство из них является непатогенными паразитами.
Рисунок 25 – Rickettsiaprowazekiiв пораженной клетке
В группу «Скользящие бактерии, образующие плодовые тела» входят роды Myxococcus, Polyangium, Chondromyces и др. из семейства Myxobacteriaceae. Миксобактерии являются аэробами, хемоорганотрофами. В цикле их развития после ряда делений многочисленные палочки объединяются в плодовые тела миксобактерий грибовидной или древовидной формы диаметром до 1 мм, нередко окрашенные в желтый, розовый, красный цвет (рисунок 26). Затем клетки в плодовых телах укорачиваются, покрываются толстой оболочкой, превращаясь в цисты (миксоспоры), которые после высыхания слизи разносятся ветром. Миксобактерии принимают активное участие в аэробном разложении целлюлозы, белков, хитина, нуклеиновых кислот.
Рисунок 26 – Плодовые тела миксобактерий
Класс Anoxyphotobacteria включает группу «Аноксигенные фототрофные бактерии», объединяющие фототрофные бактерии относятся к трем семействам: Chlorobiaceae –зеленые серные бактерии; Chromatiacaea –пурпурные бактерии; Rodospirillaceae – несерные пурпурные бактерии.
Пурпурные и зеленые бактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез (без выделения кислорода), используя в качестве донора электронов не воду, a H2S, Н2 или другие вещества. Пурпурные и зеленые бактерии содержат в клетках бактериохлорофиллы, способные поглощать инфракрасные лучи и каротиноиды. Фототрофные бактерии обитают преимущественно в водоемах. На сегодняшний день известно более 50 видов.
Класс Oxyphotobacteria включает группу «Оксигенные фототрофные бактерии», представленную цианобактериями.
Цианобактерии – морфологически разнообразная группа, включающая одноклеточные, колониальные (Gloeocapsa,Chroococcus, Microcistis) и многоклеточные формы (Nostoc, Anabaena, Oscillatoria, Lyngbya). Клетки могут быть сферическими, палочковидными или изогнутыми, одиночными или образующими скопления, удерживаемые совместно после ряда делений с помощью окружающего их общего чехла. Многоклеточные формы имеют нитевидное строение. Нити (трихомы или филаменты) бывают простые или ветвящиеся. У ряда многоклеточных имеются особые клетки – гетероцисты, у которых изменяются оболочки и внутреннее строение (нарушается структура ДНК), вследствие чего эти клетки неспособны делиться. Главная особенность гетероцист – наличие ферментной системы фиксации молекулярного азота. Встречаются и одноклеточные азотфиксирующие цианобактерии. Для разных представителей этой группы прокариот характерна способность к скользящему движению, осуществляющемуся по твердому субстрату без помощи жгутиков. Подобно зеленым растениям, цианобактерии осуществляют фотосинтез с выделением молекулярного кислорода (используют в качестве донора электронов воду). В клетках содержат фотосинтетические пигменты – хлорофилла, каротиноиды и фикобилипротеиды.
Отдел Firmicutes объединяет грамположительные бактерии с довольно толстой клеточной стенкой, содержащей до 90 % пептидогликана, соединенного с тейхоевыми кислотами. Бактерии чувствительны к пенициллину. Клетки могут быть разной формы: кокки, палочки, нитевидные, ветвящиеся. Большинство из них неподвижны; подвижные формы имеют перитрихиальное жгутикование. Некоторые виды образуют эндоспоры. Отдел состоит из двух классов: Firmibactеria и Thallobacteria.
Класс Firmibactеria включает большое количество неветвящихся грамположительных бактерий. Например, из семейства Streptococcaceae, Bacillaceae, Clostridiaceae, Lactobacillaceae и др.
Род Clostridium (семейство Clostridiaceae, группа «Грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры») объединяет облигатных анаэробов, подвижные палочки размером в среднем 3–8 мкм. При спорообразовании они нередко приобретают форму веретена (клостридиальный тип спороношения) или барабанной палочки (плектридиальный тип спороношения). Хемоорганотрофы, большинство сапрофиты. Представители рода Clostridium обитают в почвах, являются возбудителями маслянокислого брожения и участвуют в процессах трансформации углеродсодержащих соединений (целлюлозы, клетчатки, пектина), а также азотфиксации (например, Clostridium pasteurianum).
Представители семейства Lactobacillaceae (группа «Грамположительные палочки правильной формы, не образующие спор») – одиночные или в цепочках палочки, строгие или факультативные аэробы, хемоорганотрофы, растут на сложных средах (нуждаются в углеводах, витаминах, солях, аминокислотах). К этой группе относятся молочнокислые бактерии, широко распространенные в почве, молоке, кишечнике животных. Они используются при изготовлении кисломолочных продуктов, квашении овощей и силосовании кормов.
Класс Thallobacteria объединяет бактерии, клетки которых способны ветвиться: коринеформные (коринебактерии), микобактерии и актиномицеты.
Например, актиномицеты – большая и своеобразная группа грамположительных бактерий, клетки которых способны к ветвлению, нередко приводящему к образованию мицелия (рисунок 27). Нити, образующие мицелий актиномицетов, имеют ширину 0,3–1 мкм, реже несколько микрометров (грибов – около 50 мкм). Колонии многих актиномицетов окрашены различными пигментами (красным, фиолетовым, черным). Размножаются делением клеток, почкованием или фрагментацией, заключающейся в том, что после многократной репликации ДНК мицелий распадается на мелкие клетки. Для многих актиномицетов характерно образование экзоспор. Многие актиномицеты образуют плотный субстратный мицелий, врастающий в питательную среду. У некоторых из них на поверхности колонии вырастает рыхлый воздушный мицелий. Актиномицеты являются хемоорганотрофами.
Рисунок 27 – Актиномицеты
Отдел Tenericutes состоит из одного класса Mollicutеs и группы «Микоплазмы». Это мельчайшие из известных прокариотических оpганизмов. Размер некоторых составляет иногда всего лишь 0,12 мкм (так называемые минимальные тельца). Микоплазмы лишены клеточной стенки, поэтому форма их клеток непостоянна: в чистой культуре одного вида одновременно присутствуют шаровидные, палочковидные, дискообразные, нитевидные клетки, нередко ветвящиеся. Пограничный слой микоплазм представлен эластичной цитоплазматической мембраной. Основным компонентом липидной фракции мембран является холестерин – полициклический спир (С27Н45ОН).
Представители семейства Mycoptasmataceae нуждаются в холестерине, тогда как для семейства Acholeplasmatacеae характерна независимость роста от экзогенного холестерина, однако и они включают его в мембраны, если он присутствует в среде.
Большинство видов, относящихся к роду Mycoplasma, паразиты или симбионты животных и растений. Mycoplasma pneumoniae – возбудитель ОРЗ (рисунок 28). Встречаются и сапрофитные формы, обитающие в почве и горячих источниках, при температурном оптимуме около +60 ºС.
Рисунок 28 – Mycoplasma pneumoniae
Отдел Mendosicutes состоит из одного класса Archaеbactеria, объединяющего около 23 родов и более 50 видов, относящихся к группам 31–35 (таблица 1). Среди архебактерий преобладают сферические и цилиндрические клетки, а также необычные плоские клетки, имеющие вид пластинок и коробочек разнообразной геометрической формы, сходные с кусочками битого стекла. По внутренней ультраструктуре архебактерии сходны с грамположительными бактериями.
Впервые архебактерии стали известны в 1977 г. благодаря работам американских ученых К. Вёзе и Г. Фокса по изучению молекулярно-биохимических свойств биополимеров клеток разных видов бактерий.
Ведущую роль в их открытии сыграл анализ состава и определение последовательности нуклеотидов в 16S рРНК. Установлено, что архебактерии обладают рядом уникальных общих свойств, благодаря которым их выделили в отдельный класс. Этот ряд признаков столь существенен, что некоторые авторы выделяют архебактерии в отдельное царство (домен) (рисунок 29). Однако, учитывая прокариотический тип строения клеток архебактерий, можно объединить царства Eubacteria и Archaebacteria в надцарство Procaryotae.
К. Вёзе
(1928 – 2012)
Рисунок 29 – Три домена жизни по К. Вёзе
Наиболее существенные особенности архебактерий:
1. Состав и первичная структура16S рРНК и тРНК. В тРНК архебактерий изменена общая для всех других организмов петля тимин-псевдоуридин-цитидин, в которой вместо тимина присутствуют другие основания.
2. Химический состав клеточной стенки. Клеточная стенка архебактерий ригидная, т. е. не содержит пепгидогликана муреина. Вместо муреина в состав клеточной стенки входят кислые полисахариды, белки или псевдомуреин, не содержащий, в отличие от муреина, мурамовой кислоты, а в пептидных мостиках – D-аминокислот. Это определило устойчивость архебактерии к антибиотикам, нарушающим синтез клеточных стенок у эубактерий.
3. Липиды цитоплазматической мембраны не содержат жирных кислот и представлены простыми эфирами глицерина и остатков С20-спирта дигидрофитола либо тетраэфирами, состоящими из двух остатков глицерина и двух одинаковых цепей С40-спирта бифитанилдиола (в этом случае мембрана содержит как бы один липидный слой).
4. Некоторые коферменты архебактерий уникальные – не встречаются у других организмов. Например, метаногенные бактерии синтезируют не встречающиеся у других организмов коферменты – кофермент М, никельтетрапиррольный фактор F430, фактор F420 (производное 5-деазафлавина), тетрагидрометаноптерин, метанофуран и др.
Архебактерии неспособны использовать сложные высокомолекулярные соединения. Среди них не обнаружено активных продуцентов гидролитических ферментов, что, возможно, является одной из причин отсутствия патогенных и паразитических форм. Архебактерии занимают необычные, часто экстремальные по условиям окружающей среды высокоспециализированные экологические ниши. В настоящее время к архебактериям отнесены несколько физиологических групп микроорганизмов: метаногенные, анаэробные серовосстанавливающие бактерии, экстремальные термофилы, метаболизирующие молекулярную серу, термоацидофильные микоплазмы, экстремально галофильные бактерии.