Водоросли

Вирусы

Морфология микроорганизмов

Морфоло́гия (в биологии) изучает как внешнее (форму, структуру, цвет, образцы) организма, таксона или его составных частей, так и внутреннее строение живого организма (например, морфология человека). Подразделяется на наружную морфологию (или эйдономию) и внутреннюю морфологию (или анатомию). Морфология отличается от физиологии тем, что последняя изучает в первую очередь функционирование.

Также применяется термин «общая морфология», который указывает на известные или главные отличительные стороны организма или морфологии таксона. Описание общей морфологии организма могло бы включать, к примеру, его форму, главные цвета, основную расцветку и т. д., но не мелкие детали.

Ультрамикробы – единственные представители живого мира, не имеющие клеточного строения. К ним относятся вирусы– внутриклеточные паразиты, поражающие клетки животных, растений и микроорганизмов. Особенность паразитизма вирусов заключается в том, что они действуют на генетическом уровне. Не обладая свойственной любой клетке способностью к синтезу белка, они внедряют в клетку свой генетический материал, в результате чего клетка начинает синтезировать вирусные частицы.

Вне клетки вирусы существуют в виде вирионов – вирусных частиц, находящихся в покоящемся состоянии. Вирионы обнаруживаются в воздухе, почве, природной и сточной воде. Размер, форма и химический состав вирионов очень разнообразны. В вирусной частице различают две основные структуры: белковую оболочку – капсид и генетический материал вируса, представленный одной молекулой ДНК или РНК.

В состав вирусов входит 1 молекула РНК или ДНК, заключенная в белковую оболочку (капсид). Вирусы относятся к внутриклеточным паразитам.

По типу питания делятся на:

- гетеротрофные

- автотрофные.

Внедряются через клеточную мембрану внутрь клетки, встраиваются в структуру ДНК или РНК, вследствие чего в клетке нарушается обмен веществ, и клетка начинает работать на воспроизводство вируса.

Существуют вирусы поражающие микроорганизмы – они называются фагами.

- Бактереофаги поражают бактерии;

- актинофаги – акциномицеты;

- микофаги – грибы;

- альгофаги – водоросли.

 

Рис. 1 – Схема строения вируса

 

На рисунке показана схема строения бактериофага. Фаг имеет головку 1, внутри которой заключена ДНК, полый стержень 2, покрытый чехлом З, базальную пластинку 4 и отростки 5. Отростки способствуют адсорбции фаговой частицы на поверхности клетки. У бактериофагов с таким строением чехол способен сокращаться. При его сокращении стержень проходит через клеточную стенку и мембрану, и, фаг, действуя как шприц, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. Фаговая ДНК так перестраивает механизм обмена бактерии, что в ней начинают синтезироваться частицы фага. Через определенное время все содержимое клетки превращается в зрелые фаговые частицы, оболочка клетки растворяется и фаги выходят наружу.

 

Цианобактерии

Древнейшие обитатели Земли, представленные одноклеточными, колониальными и нитчатыми формами.

Отличительная особенность цианобактерий – своеобразная синезеленая, оливковозеленая, желтозеленая или фиолетовая окраска, обусловленная уникальным набором светочувствительных пигментов. В тилакоидах цианобактерии кроме зеленого хлорофилла «а» обнаружены желтые каротиноиды, синий фикоциан и красный фикоэритрин. Количественные соотношения пигментов определяют цвет клетки и зависят от вида и условий обитания.

Колониальные формы цианобактерии образуются путем слияния слизи отдельных клеток. Как правило, колонии не имеют определенной формы.

У нитчатых форм клетки в пределах одной нити могут быть одинаковыми или разными по величине и форме. Вверху клетки нити покрыты общим слизистым чехлом. У некоторых видов нити способны ветвиться. Часто образуются гетероцисты, расположенные в нити через определенное число клеток. Гетеродисты происходят из вегетативных клеток, но по размеру значительно больше их. Они имеют плотную оболочку, но через поры сообщаются соседними клетками. Предполагают, что гетероцисты – специализированные клетки, способные фиксировать азот. Для многих видов характерны гормогонии – многоклеточные участки, отделяющиеся от материнской нити и дающие начало новому организму.

 

Рис 2 – Цианобактерии. А – Соеlosphaerturn kutzingianum; Б – Gloeotrichia pisum; В – Anabaena affinis

 

Цианобактериям свойственно образование спор. У одних видов споры, как у истинных бактерий, являются формой приспособления к неблагоприятным условиям. В этом случае из одной клетки формируется только одна спора. У других цианобактерий споры, как у грибов, служат форой размножения. В этом случае материнские клетки заполняются множеством мелких спор, освобождающихся при разрыве оболочки.

Многие цианобактерии способны передвигаться, хотя обычные органы движения – жгутики – у них отсутствуют. Активное движение осуществляется за счет одностороннего выделения слизи.

Распространены цианобактерии повсеместно. Их находят в больших и малых, соленых и пресных водоемах, в почве, на скалах, в пустыне и в Арктике. Такое широкое распространение связано прежде всего с их чрезвычайной устойчивостью к действию неблагоприятных условий и удивительной нетребовательностью к питательным веществам. Некоторые представители цианобактерии показаны на рисунке 2.

 

Бактерии (0,4-10 мкм).

У бактерий выделяют три основные формы клетки: сферическую, цилиндрическую и извитую.

Основной способ размножения – деление клеток. Существуют три основные формы бактерий.

- сферические (кокки) в диаметре 1-2 мкм. Сферические, или шаровидные, бактерии называются кокками (от греч. «coccus» – ягода). У разных видов бакте рнй закономерность расположения клеток после деления неодинакова. В зависимости от этого различают: 1) монококки – одиночные клетки; 2) диплококки, группирующиеся попарно, так как деление клетки происходит в одной плоскости; 3) стрептококки, клетки которых также делятся в саной плоскости, но особи не отделяются друг от друга и формируют длинные цепочки; 4) тетракокки, образующие группы из четырех клеток, что обусловлено делением клетки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; 5) сарцины, имеющие вид скоплений кубической формы в результате деления в трех взаимно перпендикулярных плоскостях; 6) стафилококки, делящиеся неправильно в нескольких плоскостях, скопления которых напоминают кисть винограда.

- палочковидные (цилиндрические). Цилиндрические, или палочковидные, бактерии, как и кокки, могут быть одиночными, соединяться попарно или в длинную цепочку по три и более клеток. Средняя длина палочковидных бактерий составляет 2–7 мкм при диаметре 0,5–1 мкм. Однако есть как значительно более крупные формы, так и очень мелкие, величина которых находится на грани видимости в обычные световые микроскопы.

- извитые формы бактерий. В зависимости от степени изогнутости подразделяют на вибрионы, спириллы и спирохеты. Самые мелкие из них – вибрионы, имеющие вид запятой. Длина клетки вибрионов не превышает 1–3 мкм. Клетки спирилл длиной от 5 до 30 мкм имеют один или несколько завитков. Характерная особенность спирохет – крайне малый диаметр клетки (0,1–0,6 мкм) при относительно большой (5–500 мкм) длине тела. Клетки спирохет имеют вид штопора, покрыты эластичной оболочкой, позволяющей им винтообразно изгибать тело.

Среди бактерий особую группу составляют актиномицеты. Клетки актиномицет способны ветвиться. У некоторых видов переплетение нитей образует мицелий, подобный мицелию гриба. Эти актиномицеты, как и грибы, размножаются спорами. Клетки их имеют признаки и бактерий, и грибов, но в отличие от последних лишены структур, свойственных эукариотам. Клетки других видов (микобактерии) похожи на искривленные палочки с боковыми выростами; размножаются делением и перешнуровыванием.

Актиномицеты обитают в воде, почве, на растительных и животных остатках. Многие из них, развиваясь в воде, придают ей специфический землистый запах.

Несколько особняком стоят нитчатые бактерии, представляющие собой длинные нити из соединенных вместе палочковидных клеток, покрытых общей тонкой оболочкой – чехлом. Нитчатые бактерии – типичные водные организмы. Нити их имеют толщину в среднем I–7 мкм. Нитчатые бактерии относятся к числу наиболее крупных, некоторые из них видны даже невооруженным глазом. Среди нитчатых бактерий наиболее известна Sphaerotitus natans, обитающая в сточных водах, в загрязненной проточной воде. Она образует в воде нити и хлопья. Бурное развитие этих бактерий может привести к зарастанию труб.

 

 

Рис. 3 – Морфологические типы бактерий:

1 – монококки, 2 – диплококки, 3 – стрептококки, 4 – тетракокки, 5 –

сарцин'ы, 6 – стафилококки, 7 – палочки, 8 – вибрионы, 9 – спириллы, 10 – спирохеты, 11 – актиномицеты, 12 – микобактерии, 13 – нитчатые бактерии.

 

Каждому виду бактерии и присущи определенные форма и размер, на которые значительное влияние оказывают условия роста.

Бактериальное население сточных вод представлено практически всеми формами, но большинство составляют палочковидные.

Движение бактерий. Среди бактерий есть как подвижные, так и неподвижные формы. Большинство подвижных бактерий активно передвигается только в жидкой среде. Исключение составляют микобактерии, способные к скользящему движению по твердому субстрату. Органами движения бактериям служат жгутики – длинные, очень тонкие нити, спиральные, волнистые или изогнутые. Длина их может во много раз превышать длину тела бактерии, достигая 10–80 мкм и более. Поперечный размер жгутиков составляет 1 – 0,03 мкм.

Число и расположение жгутиков – характерный видовой признак. Некоторые виды бактерий имеют один жгутик (монотрихи), у других жгутики располагаются пучками на одном или обоих концах клетки (лофотрихи), у третьих покрывают всю поверхность клетки (перитрихи),

К неподвижным формам относятся большинство кокков и некоторые палочковидные бактерии. Извитые бактерии все подвижны, из них только спирохеты не имеют жгутиков и передвигаются, изгибая тело.

Спорообразование. Некоторые виды бактерий, главным образом палочковидные, способны образовывать споры, по своим функциям аналогичные цистам простейших, Обычно спорообразование индуцируется неблагоприятными условиями среды: понижением содержания влаги, отсутствием питательных веществ, изменением рН и т. д. Спорообразование не является обязательной стадией развития спороносных бактерий.

В клетке всегда образуется только одна спора. Процесс начинается с обезвоживания и уплотнения цитоплазмы в ядерной зоне и обособления этой зоны с ДНК с помощью перегородки, образующейся из цитоплазматической мембраны. Затем на отсеченном участке цитоплазмы формируются двухслойная мембрана и оболочка споры, выполняющая защитные функции. Оболочка мало проницаема для воды и растворенных веществ и обеспечивает большую устойчивость спop к внешним воздействиям. Споры многих болезнетворных бактерий сохраняют жизнеспособность в почве в течение нескольких лет. Особенность бактериальных спор – их высокая термостойкость Например, спора сенной палочки выдерживает трехчасовое кипячение.

Попадая в благоприятные условия, спора прорастает. Процесс превращения споры в растущую (вегетативную) клетку начинается с поглощения ею воды и набухания споры. При этом происходят глубокие физиологические изменения: усиливается дыхание и активизируются ферменты. В этот же период спора теряет свою термоустойчивость. Затем внешняя оболочка ее разрывается и из образовавшейся структуры формируется вегетативная клетка.

Систематика бактерий. Основные морфологические признаки, используемые при классификации бактерий,– форма клетки, особенности ее строения, устройство двигательного апарата, наличие спор, окрашивание по Граму. Однако простота строения клетки бактерий, ограниченность различий Б перечисленных признаках не дают возможности создать на их основе соответствующую классификацию. Поэтому классификация бактерий базируется не только на морфологических, но и на функциональных признаках. Функциональные характеристики бактерий чрезвычайно разнообразны, к тому же далеко не всегда прослеживается корреляция между морфологическими и функциональными признаками. В силу этого создать единую иерархическую классификацию бактерий до сих пор не удалось.

Из всех работ по классификации бактерий наибольшее распространение и авторитет имеет «Руководство Берги по определению бактерий». Составители определителя преследовали цель создать руководство, позволяющее быстро идентифицировать бактерии по совокупности морфологических и культуральных (строение колоний, характер роста на жидких средах и г. д.) признаков и некоторых физиологических особенностей.

Все бактерии разделены на 19 групп, названия которых включают легко определяемые признаки. Например., группа 3 имеет название «Бактерии, образующие слизистую оболочку»; группа 5 – «Спирохеты»; группа 7 – «Грамотрицателькые аэробные палочки и кокки»; группа 17 – «Актиномицеты и родственные организмы» и т. д.

В некоторых группах виды объединены в роды, которые описаны в случайной последовательности, в других роды сгруппированы в семейства и порядки.

Бактерии играют особую роль процессе самоочищения окружающей среды. Они обитают практически везде. 1 бактерия за 1 час может переработать в 40 раз больше субстрата по сравнению с размерами своего тела. Также бактерии играют решающую роль при очистке почвы и воды. При очиске сточных вод перерабатывают основную часть загрязнений. Являются доминирующими живыми организмами в составе живого ила.

Окраска по Г.К.Граму. Метод окраски по Граму позволяет идентифицировать бактерии (и др. микроорганизмы) по биохимическим свойствам их стенки. Ганс Кристиан Йоахим Грам (датск. Hans Christian Joachim Gram ; 13 сентября 1853 — 14 ноября 1938) — датский бактериолог.

По Граму бактерии окрашивают основными красителями — генциановым или метиловым фиолетовым и др., затем краситель фиксируют раствором йода. При последующем промывании окрашенного препарата спиртом те виды бактерий, которые оказываются прочно окрашенными, называют грамположительными бактериями (обозначаются Грам (+)) — в отличие от грамотрицательных (Грам (-)), которые при промывке обесцвечиваются.

 

Рис. 4 – Препарат: Грам-положительные бактерии сибирской язвы (пурпурные палочки) в спинномозговой жидкости.

Окраска по Грамму имеет большое значение для микробиологической диагностики. При микроскопировании Грамм (+) имеют темно-синий цвет, а Грамм (-) красный, розовый.

К Грам(+) относятся: -кокковые; - спороносные (дрожжи, бактерии)

Грибы

Грибы составляют обширную группу организмов совершенно особой биологической организации. Тело большинства видов грибов состоит из тонких нитей – гиф, образующих разветвленную структуру, называемую мицелием. Гифы представляют собой жесткие трубочки, заполненные многоядерной цитоплазмой. Некоторые грибы не имеют мицелиального строения. У грибов нет светочувствительных пигментов. Питаются они, поглощая всей поверхностью тела разнообразные органические вещества Основное местообитание грибов .– почва, но некоторые виды живут и в водной среде. Среди грибов много форм паразитирует на водорослях, простейших, рыбах, в организме человека и животных, на высших растениях.

Основные способы размножения грибов:

1) Деление;

2) Почкование;

3) Спорами;

4) Половым путем;

Наиболее устойчивы к загрязненной среде: пенициллы, аспергиллы, дрожжи.

Грибы вида пенициллиум выдерживают высокие концентрации нефти в почве и воде.

 

Рис. 5 – Грибы. А – Mucor mucedo; Б – водный В – дрожжи

 

Тело гриба представляет собой спорангий – мешочек (около 100 мкм), прикрепленный к субстрату с помощью тонких ветвящихся нитей. При созревании гриба спорангий разветвляется, споры выходят наружу и, прорастая, образуют новый гриб.

Существуют воздушные и водные грибы.

Различают низшие и высшие грибы. Низшие, или примитивные, грибы относятся к классу фикомицетов. Мицелий фикомицетов несептирован, т. е. гифы не имеют поперечных перегородок. Споры образуются внутри специальных структур.

Для почвенных фикомицетов (рис. 5, А) характерно образование воздушных гиф – спорапгиеносцев, расширяющихся на конце и переходящих в округлый спорангий, внутри которого развивается большое количество спор. Водные формы фикомицетов размножаются с помощью подвижных зооспор. Один из водных фикомицетов показан на рисунке 5, Б. Тело гриба представляет собой зооспорангий – мешочек диаметром около 100 мкм, прикрепленный к субстрату с помощью тонких ветвящихся нитей. При созревании спор зооспорангий разрывается и споры выходят наружу. Прорастая, спора образует новый гриб.

В пресных водах встречаются как собственно водные грибы, так и некоторые виды почвенных грибов, приспособившиеся к водной среде.

Высшие грибы имеют септированный мицелий. В гифах этих грибов на определенных расстояниях друг от друга образуются поперечные перегородки. Многие высшие грибы широко используются в промышленности, поэтому могут обнаруживаться в сточных водах некоторых производств: Например, отдельные виды грибов рода Aspergillus применяют при производстве лимонной кислоты, ферментных препер атов, а грибы рода Penicillium используют в фармацевтической промышленности и для приготовления сыра.

Отдельную, группу составляют дрожжи, или сахаромицеты. Дрожжи не образуют мицелия, их клетки размером 10–15 мкм имеют округлую или яйцевидную форму (рис. 5, В). Применение дрожжей в промышленности связано с их способностью превращать сахар в этиловый спирт и угольную кислоту. Дрожжи применяют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, спиртовой промышленности. Соответственно и сточные воды этих производств содержат клетки дрожжей.

 

Водоросли относятся к группе низших растений, обитающих в воде. Различают сине-зеленые (Cyanobacteria), зеленые (Chlorophyta) и диатомовые (Bacillariophyta (Diatomeae)) водоросли.

Систематика водорослей основана на различиях в пигментном составе хлоропластов и в организации клетки. В пресных водоемах наиболее распространены зеленые, диатомовые и сине-зеленые. Сине-зеленые водоросли в настоящее время чаще называют цианобактериями. В связи с принципиальным отличием типа клеточной организации цианобактерий от остальных групп водорослей они рассматриваются в теме, посвященной прокариотам.

Особенности сине-зеленых водорослей (цианобактерий):

- не имеется вакуолей;

- обособленные ядра;

- в клетках содержатся пигменты отличные от хлорофилла. Фикоциан (синий), фикоэретрин (красный), каротин (оранжевый);

- наиболее характерны одноклеточные, нитчатые формы.

Наличие хлорофилла у многих видов водорослей обуславливает их способность к фотосинтезу.

Большинство клеток водорослей имеет жесткую оболочку, которая выполняет защитные функции и участвует в регуляции осмотического давления в клетке.

В клетках имеется одна или несколько вакуолей, заполненных клеточным соком. Тело водорослей может состоять из одной или нескольких клеток, образующих колонии или многоклеточные организмы. Некоторые водоросли подвижны, некоторые нет.

 

Рис. 6 – Зеленые водоросли. А – Chlamidomonas simplex; Б – Volгох aareus;

В – Chlorella vulgaris; Г – Scenedesmus acuminatus; Д – Ulothrix zonaia; E – Cladophora glomerata; Ж – Spirogira porticalis

Способы размножения водорослей очень разнообразны:

- бесполое размножение происходит с помощью спор образующихся в материнской клетке, у большинства водорослей споры подвижны (зооспоры), хотя у некоторых неподвижны (апланоспоры);

- вегетативное размножение происходит в результате деления одноклеточных водорослей, или раскола колонии;

- при половом размножении происходит слияние двух половых клеток-гамет с образованием зиготы, дающей затем начало новой особи.

Основные места обитания: водоемы, другие влажные места, входят в состав активного ила.