ТЕМА 5. СИСТЕМАТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОКАРИОТ


Принципы систематики бактерий

Основные группы бактерий


Принципы систематики бактерий

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.


Основные группы бактерий

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,
не образующие плодовых тел.

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,
не образующие спор.

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.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ