Грамположительные палочковидные спорообразующие бактерии
Эти микроорганизмы объединены в 18 группе определителя бактерий Берджи наряду со спорообразующими кокками (Sporosarcina, раздел 2.2.1.). Наиболее типичными представителями данной группы являются бактерии родов Васillus, Clostridium, Sporolactobacillus, – грамположительные аэробные, факультативно-анаэробные и анаэробные палочковидные бактерии, образующие эндоспоры. Большинство бактерий этой группы обладают подвижностью за счет наличия жгутиков, могут образовывать капсулу как полисахаридной, так и полипептидной природы (в отличие от многих других бактерий, образующих полисахаридную капсулу)
Споры могут располагаться в различных частях материнской клетки (рис. 4): центрально (например, у B. subtilis и B. anthracis, рис. 4,А), терминально (на конце клетки, например у Cl. tetani, рис.4, Г) или субтерминально (ближе к концу клетки, например у Cl. botulinum, Cl. perfringens, B. thuringiensis, B. cereus, рис.4, Б, В) и являются формой сохранения вида в неблагоприятных условиях.
У части спорообразующих бактерий спорообразование может быть этапом жизненного цикла, и далеко не всегда образование спор происходит в неблагоприятных условиях. Для другой части бацилл споры не являются обязательной стадией существования. Последние при благоприятных условиях могут неограниченное время размножаться делением как вегетативные клетки. Образованию спор у этой части бацилл способствует недостаток питательных веществ и накопление в избытке продуктов метаболизма. В зрелых спорах не происходит активных метаболических процессов. Спора содержит значительное количество вещества материнской клетки, мало воды (15-25%), имеет многослойную защитную оболочку и устойчива к действию химических агентов (например, кислот), высоких температур, различным видам облучений, высушиванию.
Терморезистентность спор обусловлена очень низким содержанием воды и, возможно, зависит от содержания особого вещества - дипиколиновой кислоты
Рис. 4. Расположение спор в клетках бактерий. А – центральное, Б, В – субтерминальное, Г – терминальное.
(пиридин-2,6-дикарбоновой кислоты), образующей с ионами кальция хелатные комплексы. Устойчивость спор к кислотам и другим химическим веществам связана с непроницаемостью их многослойной оболочки. Формирование споры осуществляется в несколько этапов.
Этапы образования споры
В течение первых пяти часов споруляции в клетке синтезируется специфическое для спор вещество – дипиколинат кальция, которого нет в вегетативной клетке. При этом происходит накопление белкового материала в месте образования споры.
Формирование споры начинается с неравного деления клетки (рис. 5). При инвагинации цитоплазматической мембраны от материнской клетки отделяется часть протопласта, содержащего генетический материал – нуклеоид, в результате образуется проспора.
Затем протопласт будущей споры окружается цитоплазматической мембраной материнской клетки.
Обе мембраны, окружающие проспору, участвуют в синтезе оболочек споры. Мембрана протопласта споры синтезирует наружу стенку зародышевой клетки, в то время как мембрана материнской клетки участвует в синтезе компонентов коры споры (кортекса). Кортекс формируется между внутренней и наружной мембранами проспоры. Основное вещество кортекса – пептидогликан с более высокой степенью сшивки. Наружная оболочка споры, состоящая из полипептидов и липидов, синтезируется с участием ферментов материнской клетки. Многослойная оболочка споры составляет примерно половину сухой массы зрелой споры (рис. 6).
Рис. 5. Основные этапы образования эндоспор у бактерий.
Рис. 6. Строение зрелой эндоспоры бактерий. 1 – уплотненная цитоплазма с генетическим материалом, окруженная цитоплазматической мембраной; 2 – зародышевая клеточная стенка; 3 – кора споры (кортекс); 4 – белковые оболочки споры (внутренняя и наружная); 5 – экзоспорий.
У некоторых спорообразующих бактерий (например, у B. cereus) спора имеет экзоспорий – дополнительную тонкую полипептидную оболочку, которая также синтезируется материнской клеткой.
Для выявления спор у бактерий применяют специальные сложные методы окраски кислотоустойчивых бактерий, в частности метод Циля-Нильсена. Принцип метода заключается в использовании при окраске мазка споробразующих бактерий фуксина Циля, содержащего фенол (карболовую кислоту), и прогревании мазка над пламенем для разрыхления оболочки споры. При этом окрашиваются как спора, так и вегетативная клетка. При дальнейшей обработке препарата серной кислотой клетка обесцвечивается, а кислотоустойчивая спора сохраняет окраску. После промывания мазка водой его докрашивают метиленовым синим, в результате клетки приобретают синий цвет, а споры – красный.
·родBacillus
Данный род включает большое количество аэробных и факультативно-анаэробных видов, в основном, сапрофитов, обитающих в почве, воде и на растениях. Некоторые представители рода являются патогенными и условно-патогенными для человека, а также энтомопатогенными (то есть поражающими насекомых). Бациллы имеют форму палочек правильной формы с центрально, субтерминально и, реже, терминально расположенной спорой, диаметр которой, как правило, не превышает диаметра материнской клетки. Для многих бацилл характерно образование цепочек клеток различной длины (например, B. subtilis, B.licheniformis, B. cereus, B. anthracis).
Наиболее известными бациллами, вызывающими заболевания у человека и животных, являются B. anthracis и B. cereus.
B. anthracis – возбудитель зоонозного заболевания – сибирской язвы. Источником возбудителя являются животные (крупный и мелкий рогатый скот). Образует цепочки клеток с центрально расположенной спорой (рис. 1,Г), неподвижен. Клетки имеют полипептидную капсулу (полимер глутаминовой кислоты). Название возбудителя происходит от характерного вида гнойно-воспалительного очага (язвы) на коже, в центре которого образуется черный струп, похожий на уголь (антракс).
B. cereus – условно-патогенный микроорганизм. Это подвижные спорообразующие бактерии, обитают в почве. Споры этих бацилл контаминируют (от лат. contaminatio – заражение) пищевые продукты, в которых прорастают и размножаются, выделяя энтеротоксин. С действием энтеротоксина связаны пищевые отравления – токсикоинфекции.
К числу энтомопатогенных бацилл относят B. thuringiensis, которые представляют собой аэробные мезофильные палочки, образующие овальные субтерминально расположенные споры и параспоральное тело – кристаллы белка на противоположном конце клеток. Этот белковый эндотоксин является токсичным для чешуекрылых насекомых (бабочек шелкопряда, колорадских жуков и др.) – вредителей растений. На основе токсина и клеток B. thuringiensis созданы препараты для защиты сельскохозяйственных культур.
Примерами сапрофитных бацилл являются B. subtilis, B. licheniformis, B. brevis, B. polymyxa. Сапрофитные бациллы используются в качестве продуцентов ферментов, некоторых аминокислот, антибиотиков.
Аэробная бактерия B. subtilis, получившая название “сенная палочка” (была выделена из экстракта сухой травы), является продуцентом полипептидного антибиотика субтилина, используемого главным образом в качестве консерванта в пищевых продуктах, ферментов протеазы и β-лактамазы, а также аминокислот триптофана и аргинина.
B. licheniformis является факультативным анаэробом, продуцирует фермент амилазу, катализирующую гидролиз полисахарида крахмала, и полипептидные антибиотики, например бацитрацин.
B. brevis является аэробом, используется для получения антибиотика-циклопептида грамицидина С.
B. polymyxa (от греч. mýxa – слизь ), получившая свое название из-за образования большого количества внеклеточной слизи, является продуцентом полипептидных антибиотиков полимиксинов (А, В, С, D, Е и др.).
Все вышеназванные бациллы – мезофилы, они размножаются при температурах от 20 до 40оС. Выраженным термофилом является B. stearothermophilus, для которого оптимальная температура размножения составляет 50 – 65оС. Споры этой культуры применяют в качестве биологического индикатора для контроля эффективности процесса стерилизации в автоклаве.
Некоторые сапрофитные бациллы, живущие в почве, например B. macerans и B. polymyxa, участвуют в процессе фиксации азота из атмосферного воздуха. Кроме того, бациллы играют огромную роль в круговороте углерода и азота в природе, минерализируя разнообразные биополимеры (белки, крахмал, гемицеллюлозы, пектин и другие).
· род Clostridium
Род насчитывает более 60 видов бактерий. Это анаэробные, чаще всего подвижные (перитрихи) спорообразующие палочки, как правило, одиночные, некоторые образуют пары и короткие цепочки, могут образовывать капсулу. Диаметр спор клостридий больше диаметра клетки, форма спор – овальная или сферическая. Форма клетки в зависимости от расположения споры может быть веретенообразной (если спора находится в центре, рис. 2, Б), в виде барабанной палочки, теннисной ракетки (при терминальном и субтерминальном расположении спор соответственно, рис. 4).
Клостридии обитают в почве, пресных и соленых водах (в придонных осадках), кишечнике травоядных животных, некоторые живут в организме человека в толстом кишечнике. Большинство видов являются сапрофитами, но есть патогенные и условно-патогенные виды – Cl.tetani, Cl.botulinum, Cl.septicum, Cl.novyi, Cl.perfringens, Cl.histolyticum,Cl.difficile Сапрофитные формы содержат больший набор ферментов, чем патогенные. Почвенные сапрофитные клостридии участвуют в анаэробном разрушении клетчатки (целлюлозы), гемицеллюлоз, пектинов, крахмала, а также в процессах аммонификации и фиксации азота атмосферного воздуха в анаэробных условиях.
Клостридии используют углеводы в процессах маслянокислого (Cl. pasteurianum, Cl.butyricum) и ацетобутилового (Cl. acetobutylicum) брожения. Конечными продуктами этих видов брожения являются масляная и уксусная кислоты, а также ацетон, бутанол, изопропиловый спирт и ряд других соединений. При интенсивном гидролизе белков и других азотсодержащих полимеров образуются соединения (аминокислоты, азотистые основания), последующее расщепление которых в анаэробных условиях приводит к образованию продуктов, обладающих неприятным запахом – индол, скатол, NH3, H2S.
Cl. pectinovorum – сапрофитная бактерия, способная к разрушению межклеточного вещества растений - пектина, используется для получения целлюлозных волокон при анаэробной обработке льна - важного этапа обработки сырья в текстильной промышленности.
Патогенные для человека клостридии образуют белковые экзотоксины, с которыми связано тяжелое течение клостридиальных инфекций. Cl.perfringens – условно-патогенный представитель нормальной микробиоты кишечника человека. Из кишечника эти бактерии попадают в почву, где, как правило, сохраняются длительное время в виде спор. В организм человека попадают споры клостридий через раневые поверхности (Cl.tetani, Cl.perfringens, Cl.novyi, Cl.septicum), либо экзотоксины клостридий с пищевыми продуктами (Cl. botulinum).
Cl.tetani – возбудитель столбняка, имеет форму барабанной палочки с терминально расположенной шаровидной спорой (рис. 4,Г), капсулу не образует, обитает в кишечнике животных и человека. Культура выделяет нейротоксин, вызывающий спазм мышц и нарушение сердечной деятельности.