Морфология бактерий и микроскопические методы исследований в микробиологии
Морфологические типы бактерий, в сравнении с высшими организмами, немногочисленны. Клетки большинства бактерий имеют сферическую, цилиндрическую или извитую форму, но существует небольшая группа мицелийобразующих форм, нитчатых бактерий и бактерий, образующих выросты. В соответствии с этим все бактерии по форме разделяются на следующие группы.
Кокки — (сферические) клетки: могут быть одиночными (микрококки); и парными (диплококки, например нейссерия); тетракокки, располагающиеся по 4 в форме квадратов; пакетообразные кокки, располагающиеся «этажами» (сарцины); располагающиеся цепочками (стрептококки); образующие бесформенные скопления в виде виноградных гроздьев (стафилококки). Диаметр клеток— 1 -2 мкм.
Палочковидные бактерии — наиболее многочисленная группа, клетки представляют собой цилиндрические структуры. Размеры таких клеток сильно варьируют и могут быть от сотых долей до 5 -10 мкм. Такие бактерии часто образуют пары или цепочки клеток (например, палочка сибирской язвы), но могут быть и одиночными (например, энтеробактерии).
Извитые бактерии могут быть трех типов: вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы - бактерии, изогнутые в виде запятой (холерный вибрион, кампилобактер); спириллы имеют несколько крупных завитков (возбудитель возвратного сыпного тифа); спирохеты имеют вид тонких спиралевидных клеток со множеством завитков и петель (возбудитель сифилиса).
Нитчатые бактерии - это цепочки (трихомы) из цилиндрических, овальных или дисковидных клеток. Типичными представителями данных бактерий являются бактерии, окисляющие серу (Biggiatoa, Thiotrix)
К мицелийобразующим бактериям относятся истинные актиномицеты, которые имеют сильно разветвленный мицелий. У нокардий и микобактерий мицелий является временным и возникает на определенных стадиях роста. У коринеподобных бактерий клетки имеют только тенденцию к ветвлению, но при росте культуры наблюдается плейоморфизм клеток.
К бактериям, образующим выросты, относятся почкующиеся и стебельковые бактерии. Выросты - это выпячивания клеточного содержимого, окруженного клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной и не отделенные от клетки перегородкой. У некоторых бактерий выросты служат для размножения, у других - для прикрепления к субстрату или друг к другу.
Кроме выше перечисленных, известны бактерии, которые не имеют клеточной стенки -микоплазмы. В культуре одного вида можно одновременно обнаружить сферические, эллипсовидные, грушевидные, дисковидные и даже разветвленные и неразветвленные нитчатые формы.
Архебактерии представляют собой группу бактерий с клеточной стенкой уникальной структуры, содержащей специфические химические соединения. Морфологически могут быть неправильной формы, сферическими, палочковидными.
Основные задачи микроскопии:
1. Выявление микроорганизмов в различных материалах.
2. Ориентировочная идентификация микроорганизмов в исследуемом образце.
3. Изучение некоторых морфологических признаков и структур микроорганизмов (например, капсул, жгутиков и т. д.).
4. Изучение окрашенных мазков из колоний и чистых культур.
Светлопольная микроскопия позволяет исследовать объекты в проходящем свете в светлом поле. Данный вид микроскопии предназначен для исследования морфологии, размеров клеток, их взаимного расположения, структурной организации клеток и других особенностей. Максимальная разрешающая способность светового микроскопа составляет 0,2 мкм (минимальное расстояние, при котором различимы два объекта). Общее увеличение складывается из произведения увеличений объектива и окуляра. Разрешение микроскопа можно увеличить за счет увеличения коэффициента преломления (иммерсии). В микроскопии применяют несколько иммерсионных систем: масляную, глицериновую, водную.
При работе с микроскопом производят следующие действия:
С помощью зеркала и суховоздушного объектива малого увеличения (Х8) добиваются наиболее интенсивного и равномерного освещения поля зрения. В центральной части столика микроскопа устанавливают препарат.
Если дальнейшие исследования проводят с суховоздушным объективом (Х40), то следует прикрыть диафрагму конденсора, перевести револьвер микроскопа на данное увеличение и опустить вниз тубус микроскопа с помощью микровинта до появления в поле зрения микроскопа исследуемых объектов.
Если исследования проводятся с помощью иммерсионной системы (увеличение Х90), то в центр препарата следует нанести каплю иммерсионного масла, осторожно перевести объектив микроскопа вниз таким образом, чтобы дотронуться до предметного стекла. Затем, глядя в окуляр, поднять объектив вверх с помощью макровинта до появления в поле зрения микроорганизмов. С помощью микровинта добиваются максимальной четкости изображения.
После просмотра всех препаратов следует снять масло с иммерсионного объектива, перевести микроскоп на малое увеличение, снять осветитель, опустить конденсор и тубус микроскопа вниз до упора. Хранить микроскоп следует в условиях, предотвращающих попадание пыли на линзы.
Фазово-контрастная микроскопия ценна прежде всего тем, что с ее помощью можно наблюдать живые объекты, которые имеют коэффициенты преломления, близкие к коэффициентам преломления среды. С точки зрения увеличения изображения объекта, никакого выигрыша не происходит, однако прозрачные объекты видны более четко, чем в проходящем свете обычного светлопольного микроскопа. При отсутствии специального микроскопа обычный световой может быть оснащен специальным фазово-контрастным устройством, которое переводит фазовые изменения световых волн, проходящих через объект в амплитудные. В результате этого живые прозрачные объекты становятся контрастными и видными в поле зрения.
С помощью фазово-контрастной микроскопии изучают форму, размеры, взаимное расположение клеток, их подвижность, размножение, прорастание спор микроорганизмов и т. д.
Темнопольная микроскопия основана на освещении объекта косыми лучами света (эффект Тиндаля). При таком освещении лучи не попадают в объектив, поэтому поле зрения выглядит темным. Если в исследуемом препарате содержатся клетки микроорганизмов, то косые лучи отражаются от их поверхности, отклоняются от своего первоначального направления и попадают в объектив. На интенсивно черном фоне видны сияющие объекты. Такое освещение препарата достигается использованием специального темнопольного конденсора, которым заменяют обычный конденсор светлопольного микроскопа.
При микроскопировании в темном поле можно увидеть объекты, величина которых измеряется сотыми долями микрометра, что находится за пределами разрешающей способности обычного светлопольного микроскопа. Однако наблюдение за объектами в темном поле позволяет исследовать только контуры клеток и не дает возможности рассмотреть ихвнутреннюю структуру.
Люминесцентная микроскопия основана на способности ряда веществ биологического происхождения или некоторых красителей светиться под действием падающего на них света. Микроорганизмы, содержащие хлорофилл, витамин В12 алкалоиды, некоторые антибиотики, обладают первичной люминесценцией. Клетки микроорганизмов, в которых люминесценция слабо выражена или отсутствует, обрабатывают специальными красителями - флуорохромами (акридиновый оранжевый, примулин, родамин и др.) в виде сильно разбавленных водных растворов: 1:500 -1:100000. Такие растворы слабо токсичны, что дает возможность изучать неповрежденную клетку. В зависимости от химического состава клеточные структуры в разной степени адсорбируют красители и люминесцируют различным образом. Кроме того, флуорохромы неодинаково адсорбируются живыми и мертвыми клетками. Это позволяет использовать данный вид микроскопии для цитологических и иммунологических исследований, определения жизнедеятельности клеток, изучения микроорганизмов в почве, воде и т. д. Проведение люминесцентной микроскопии предполагает использование специальных микроскопов (например, МЛ-2).
Разработанные на основе люминесцентной микроскопиииммунофлю-оресцентные методы используются для визуализации иммунохимических реакций, основанных на специфическом взаимодействии антигена изучаемого объекта и меченых флюоресцентными красителями антител.
Электронная микроскопия позволяет обнаружить объекты, которые не разрешаются при использовании световых или ультрафиолетовых лучей. Короткая длина волны электронов, которая уменьшается в прямой зависимости от подаваемого ускоряющего напряжения, позволяет различить объекты размером 0,5 - 1,0 нм (или больше чем 0,0002 мкм). В современных электронных микроскопах достигается увеличение на экране или пленке в 5000 -15000 раз. Благодаря столь высокому увеличению становится возможным выявление деталей бактериальных структур.
Например, с помощью напыления солей тяжелых металлов, окружающих бактерию и проникающих в поверхностные неровности, получают контрастирование за счет дифференциальной задержки электронов. Этот эффект получил название негативного контрастирования.
Детали внутреннего строения выявляют на срезах бактерий, залитых в полимерный материал. Предварительно бактерии фиксируют и обрабатывают солями тяжелых металлов для получения необходимого контраста. Часть электронов проходит через образец, а другие рассеиваются компонентами структуры, в результате чего формируется изображение на экране или пленке. Электронный микроскоп, в котором изображение формируется благодаря прохождению (просвечиванию) электронов через образец, называют просвечивающим, или трансмиссионным.
В сканирующем (растровом) микроскопе, как следует из названия, пучок электронов быстро сканирует поверхность образца, вызывая излучение, которое формирует изображение на светящемся экране. Сканирующий микроскоп дает картину поверхностей и позволяет получать сразу трехмерное изображение.
При методе сколов (замораживании-оттаивании) проводят изучение внутреннего строения клеточных мембран. Клетки замораживают при температуре жидкого азота (-196 °С) в присутствии криопротектора и используют для получения сколов. Плоскости скола проходят через гидрофобную середину двойного слоя липидов. Обнаженную внутреннюю поверхность мембран оттеняют платиной. Полученные реплики изучают в сканирующем электронном микроскопе.
Помимо вышеуказанных, разработаны также и другие методы визуализации:
1. Компьютерная интерференционная микроскопия позволяет получить высококонтрастное изображение при наблюдении субклеточных структур.
2. Лазерная конфокальная микроскопия дает возможность получить четкое изображение и наблюдать объекты в фокусе по всему полю. При сочетании с компьютерной техникой возможна пространственная реконструкция изучаемого объекта.
3. Рентгеновская микроскопия, позитронная эмиссионная томография позволяют наблюдать объекты не в вакууме, а в обычных условиях.
В микробиологической практике для изучения морфологии бактерий используют окрашенные (зафиксированные) или неокрашенные (нативный материал) препараты (мазки), приготовленные из естественных образцов либо из колоний выросших микроорганизмов.
Процесс приготовления мазка состоит из трех этапов:
а) собственно приготовление мазка: на обезжиренное предметное стекло наносят каплю воды. Затем на пламени горелки прокаливают петлю до красного каления, мизинцем правой руки открывают у огня пробирку с культурой, после остывания петли (она не должна плавить агар), берут ею небольшое количество культуры. После этого закрывают пробирку пробкой (через огонь) и эмульгируют бактерии в капле воды так, чтобы она помутнела. Затем прожигают петлю с избытком культуры, охлаждают ее и быстрыми круговыми движениями равномерно распределяют каплю на площади диаметром 15 —25 мм и снова прожигают петлю.
Для приготовления мазка методом отпечатка вырезают блок агара с выросшей колонией и помещают на покровное стекло бактериями вниз, резко прижимают блок к стеклу, после этого препарат сразу же фиксируют.
б) высушивание препарата, препарат после высыхания должен быть равномерно тонким. Высушивание можно ускорить, держа препарат высоко над пламенем спиртовки.
в) фиксация мазка: чаще всего осуществляется термически (фламбирование), т. е. над пламенем горелки. Хотя данный метод фиксации и является достаточно грубым, но сохраняет морфологию и отношение бактерий к красителям. Препарат проносят 2-4 раза над пламенем спиртовки мазком вверх (стекло должно нагреться до такой степени, чтобы при прикосновении к тыльной стороне ладони вызывало легкое жжение).
Фиксация мазка преследует следующие цели: а) инактивировать микроорганизмы; б) закрепить их на поверхности стекла и предотвратить их смывание при последующем окрашивании; в) повысить восприимчивость клеток к красителям.
Для более детального изучения структуры клеток используют фиксирующие растворы, предотвращающие ферментативный аутолиз бактерий и стабилизирующие макромолекулы путем их химического сшивания. Наиболее часто в качестве таковых применяют формалин, спирты, жидкость Карнуа, ацетон и др. Мазки фиксируют, помещая в раствор фиксатора или нанося на мазок.
Окрашивание препаратов проводится с помощью красителей, которые можно разделить на позитивные (метиленовый синий, фуксин) и негативные (нигрозин). Позитивными называются красители, окрашивающие микроорганизмы и другие находящиеся на стекле фиксированные объекты, негативными - красители, заполняющие пространство, окружающее микроорганизмы, в результате чего последние становятся видимыми в виде силуэтов на фоне красителя; кислые (эозин, конго красный) и щелочные (гематоксилин, толуидиновый синий, азур). Кислые красители связываются с веществами, имеющими щелочную реакцию (например, цитоплазматическими белками). Щелочные- связываются с базофильными (кислыми) компонентами клеток (нуклеиновыми кислотами, рибосомами).
Основные цвета окрашивания могут быть следующими:
а) красный (основной фуксин, кислый фуксин, сафранин, конго-красный);
б) фиолетовый (генциановый фиолетовый, метиловый фиолетовый, кристаллический фиолетовый);
в) синий (метиленовый синий, толуидиновый синий, водный синий);
г) зеленый (малахитовый зеленый, бриллиантовый зеленый).
Способность клеток воспринимать различные красители отражаетих тинкториальные свойства. Это определяется структурой и составом клеточной стенки. Выделяют простые и сложные (дифференцирующие) методы окраски.
Простыми методами окрашивания называют окрашивание препаратов каким-либо одним красителем. Чаще всего при этом используется фуксин, генциановый фиолетовый, метиленовый синий. В случае использования негативных красителей среда, в которой находятся микроорганизмы, становится полупрозрачной; в результате клетки, в которые краситель не проникает, выглядят как светлые частицы на равномерно окрашенном фоне. Некоторые микроорганизмы, например спирохеты, плохо выявляемые с помощью позитивных красителей, легко выявляются при окрашивании негативными красителями. Споры имеют вид преломляющих свет включений в вегетативной клетке.