ПО ИЗУЧЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ТЕМ ДИСЦИПЛИНЫ

1 ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

1.1 Микробиология и ее роль в народном хозяйстве

Микробиология (от micros – малый, logos – наука) – наука о жизни мельчай-

ших живых существ, населяющих биосферу Земли: бактерий, микоплазм, хлами-

дий, риккетсий, актиномицетов, дрожжей, микроскопических грибов и др. Микро-

биология изучает строение, функции микроорганизмов, их распространение, раз-

множение в различных условиях среды и использование в интересах человека.

Микроорганизмы на сегодняшний день представляют большой интерес для

биотехнологии и микробиологической промышленности, так как способны

жить в экстремальных условиях, быстро увеличивать биомассу, утилизировать

самые разнообразные вещества и материалы, их производство не зависит от

природных условий и сезонных факторов.

Наиболее перспективная область применения продукции промышленной

микробиологии – животноводство. Эта отрасль тесно связана с созданием проч-

ной кормовой базы, развитие которой в том числе зависит и от ресурсов кормо-

вого белка. Существенное значение в качестве потенциального источника белка

в рационах сельскохозяйственных животных приобретают продукты синтеза

одноклеточных микроорганизмов: дрожжей, бактерий, водорослей, низших

грибов. Широкое применение получили кормовые дрожжи, выращиваемые на

гидролизатах сельскохозяйственного производства, отходах деревообрабаты-

вающей, сахарной и спиртовой промышленности, углеводородах нефти.

Расширяется область внедрения кормовых антибиотиков для стимуляции

роста сельскохозяйственных животных. С высокой эффективностью в животно-

водстве используются кормовые витамины, ферментные препараты, получае-

мые в результате биосинтеза их микроорганизмами.

В области растениеводства микроорганизмы широко используются при

производстве бактериальных удобрений. Важный резерв снижения потерь от

вредителей и болезней растений – использование микробиологических средств

защиты растений, которые отличаются избирательностью действия и безопасны

для окружающей среды.

Принципиально новые возможности биотехнологии открываются с ис-

пользованием методов генетической инженерии. Микроорганизмы, созданные

методом генной инженерии начинают производить вещества, им не свойствен-

ные, но необходимые человеку.

Приступая к изучению микробиологии, необходимо ознакомиться с рас-

пространением и значением микроорганизмов в природе, различных отраслях

народного хозяйства, охране окружающей среды и решении общебиологиче-

ских задач.

Изучая историю развития микробиологии, нужно обратить внимание на

описательный и физиологический периоды в становлении науки, значение от-

крытий А. Левенгука, Л. Пастера, Р. Коха, Л.С. Ценковского, И.И. Мечникова,

Н.Ф. Гамалеи, С.Н. Виноградского, В.Л. Омелянского, Н.А. Михина, Е.А. Кра-

сильникова и др.

Вопросы для самопроверки и выполнения контрольной работы

1. Перспективы развития микробиологии по ускорению развития сельского

хозяйства

2. Современные достижения микробиологии и внедрение их в практику

сельского хозяйства.

3. Мир микроорганизмов и его разнообразие.

4. Роль микроорганизмов в природе и сельскохозяйственном производстве.

5. Роль микробиологии в охране окружающей среды.

6. Описательный период развития микробиологии. Работы А. Левенгука,

Д.С. Самойловича, М.М.Тереховского.

7. Физиологический период развития микробиологии. Роль Л. Пастера в

становлении, развитии микробиологии, организации школы микробиологов.

8. Значение работ Р. Коха, И.И.Мечникова, Л.С.Ценковского.

9. Достижения Н.Ф.Гамалеи, С.Н. Виноградского, В.Л.Омелянского.

10. Значение работ Н.А.Михина, С.Н.Королева, А.Ф.Войткевича,

Н.А.Красильникова.

1.2 Морфология микроорганизмов, основы систематики, классификации,

методы исследования, размеры микробиологических объектов

Объектом исследования микробиологии являются микроорганизмы, кото-

рые не представляют собой единой систематической группы. По строению

клетки микроорганизмы разделяются на прокариоты и эукариоты. Необходимо

хорошо знать их отличительные признаки. Отразите эти различия втаблице 1.

Таблица 1 Отличительные признаки прокариот и эукариот

Основанием для систематизации и классификации микроорганизмов цар-

ства прокариот служат их морфологические признаки, физиологические свойст-

ва, генотипические связи. В настоящее время для идентификации микроорга-

низмов используют «Определитель бактерий Берджи».

При ознакомлении с отдельными представителями прокариот необходимо

учесть признаки истинных бактерий, почкующихся, нитчатых, спирохет, мик-

собактерий, актиномицетов, микоплазм.

Обратите внимание на структуры микробной клетки – поверхностные:

жгутики, ворсинки, пили, капсулы, клеточную стенку и внутренние: цитоплаз-

матическую мембрану, цитоплазму с включениями, нуклеоид и др. органоиды.

Представьтерисунок 1 «Строение микробной клетки» и сделайте соответст-

вующие обозначения: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, нуклео-

ид, цитоплазма, рибосомы, мезосомы, включения (волютин, липопротеины и

др.), капсула, жгутики. Укажите особенности строения клеточной стенки грам-

положительных и грамотрицательных микроорганизмов.

Некоторые прокариоты образуют споры. Выясните их назначение. Обрати-

те внимание на расположение споры в клетке, условия ее образования, прорас-

тания, сроки сохранения в различных субстратах.

Нарисунке 2 зарисуйте основные формы прокариот – шаровидные (мик-

рококки, диплококки, стрептококки, стафилококки, тетракокки, сарцины), па-

лочковидные (бактерии, бациллы, клостридии) и извитые (вибрионы, спириллы,

спирохеты). Приведите примеры представителей всех форм.

Отдельные бактерии способны к передвижению. Проанализируйте различ-

ные способы и скорость движения микроорганизмов. Приведите примеры и

изобразите нарисунке 3 бактерии с различным числом и расположением жгу-

тиков. Отметьте формы, которым присущи другие способы движения.

К прокариотам также относятся микоплазмы, риккетсии и актиномицеты.

Обратите внимание на особенности структуры микоплазм, их сходство и отли-

чия от L-форм бактерий.

Изучите морфологию риккетсий. Отметьте заслуги Г.Риккетса,

С.Провачека, П.Ф.Здоровского в становлении риккетсиологии.

Актиномицеты по своей морфологии приближаются к грибам, но отсутст-

вие истинного ядра относит их к прокариотам.

Нарисунке 4 отразите особенности строения микоплазм, риккетсий и ак-

тиномицетов.

Из эукариотных микроорганизмов подробно ознакомьтесь с микроскопи-

ческими грибами. Необходимо изучить их морфологические признаки: строение

мицелия, виды спороношения, особенности строения немицелиальных грибов

(на примере дрожжей). Нарисунке 5 представьте морфологические признаки

грибов рода Mucor (Мукор), Penicillium (Пенициллиум), Aspergillus (Аспергил-

лус) и отметьте одноклеточный или многоклеточный мицелий, спорангий, спо-

ры, спорангиеносец, конидии, конидиеносец.

Ознакомьтесь с основами систематики грибов, с характеристикой основных

классов: зигомицеты, аскомицеты, дейтеромицеты. Отметьте систематическое по-

ложение грибов и морфологические особенности строения (мицелиальные, неми-

целиальные, одноклеточные, многоклеточные). Данные внесите втаблицу 2.

Таблица 2 Систематическое положение микроскопических грибов

Вирусы – неклеточные организмы, обитающие в клетках позвоночных,

беспозвоночных животных, растений, бактерий, актиномицетов, грибов. Изучи-

те морфологию вирусов, выясните основные принципы их классификации и

репродукции. Отметьте значение и роль вирусов и фагов (бактерио-, мико-, ак-

тинофагов) в природе, сельском хозяйстве, медицине. Нарисунке 6 отразите

строение и основные формы вирусов.

Вопросы для самопроверки и выполнения контрольной работы

11. Риккетсии – прокариотные микроорганизмы. Характеристика риккет-

сий. Значение работ Г. Риккетса, С. Провачека, П.Ф.Здоровского.

12. Строение, расположение и назначение спор у микроорганизмов. Как

выявляют наличие спор у микробов? Приведите примеры и краткую характери-

стику устойчивости спорообразующих и аспорогенных форм микроорганизмов.

13. Микоплазмы. Основные особенности и отличительные признаки от L-

форм бактерий.

14. Вирусы. Размеры, форма, структура, репродукция, основные методы

исследования.

15. Бактериофаги. Их роль и значение в пищевой промышленности и ме-

дицине.

16. Капсула, её назначение у микроорганизмов. Методы окраски капсул.

Приведите примеры микроорганизмов, образующих капсулу.

17. Состав и строение клеточных стенок у грамположительных и грамот-

рицательных микроорганизмов. Строение и функции цитоплазматической мем-

браны.

18. Жгутики и пили микроорганизмов. Принципы и методы их обнару-

жения.

19. Особенности морфологии и структуры хламидий.

20. Понятие о высших и низших грибах, совершенных и несовершенных.

Значение микроскопических грибов в патологии животных и человека.

1.3 Физиология микроорганизмов

Физиология – наука о жизнедеятельности организмов. Для возможности

регулирования микробиологических процессов необходимо знать закономерно-

сти питания, дыхания, роста и размножения.

Бактерии, как и все другие организмы, для существования и воспроизвод-

ства себе подобных нуждаются в постоянном обмене веществ с окружающей

средой. Превращения веществ в клетке (метаболизм) представлены противопо-

ложными, но и взаимосвязанными процессами катаболизма и анаболизма. Дай-

те определение этим понятиям.

Для осуществления процессов метаболизма питательные вещества прони-

кают в бактериальную клетку извне через цитоплазматическую мембрану.

Мембранные белки - пермеазы или транслоказы - обладают ферментативными

свойствами и помогают в транспортировании веществ в клетку. Различают три

механизма транспорта: 1) простая или пассивная диффузия; 2) облегченная

диффузия; 3) активный транспорт. Выясните, каков механизм поступления ве-

ществ в микробную клетку.

Выход продуктов метаболизма из бактериальной клетки в окружающую

среду так же осуществляется путем неконтролируемой диффузии или при уча-

стии транспортных систем.

Необходимо знать химическую природу, основные свойства ферментов

микроорганизмов, их классификацию, механизм действия, роль экзо- и эндо-

ферментов в функционировании клетки. Как можно определить активность

ферментов у микроорганизмов? Ознакомьтесь, как можно использовать мик-

робные ферменты в сельском хозяйстве и промышленности.

Втаблице 3 укажите процессы, в которых участвуют основные классы

ферментов.

Какие ферменты относятся к конститутивным, а какие – к индуцибельным?

Таблица 3 Классификация ферментов микроорганизмов

Питание - это получение из окружающей среды источников энергии и ве-

ществ, необходимых для биосинтеза клеточных компонентов. Для роста микро-

организмов необходимы вода и элементы, которые идут на построение структур

клеток. Качественный химический состав микробов определяет их потребность

в питательной среде. Изучите химический состав микроорганизмов. Обратите

внимание, из каких основных органогенов строятся сложные органические со-

единения (белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты).

Самым необходимым химическим элементом для бактерий является угле-

род, поскольку он служит каркасом биомолекул. Для синтеза собственных ор-

ганических соединений из диоксида углерода микробам необходима энергия,

источником которой может быть свет или энергия окислительно-

восстановительных реакций. Разберитесь, какие микроорганизмы относятся к

автотрофам. Определите источники углерода для этих микроорганизмов.

Необходимо знать, какие микроорганизмы относятся к гетеротрофным. Ука-

жите источник энергии, который используется гетеротрофами, и определите приро-

ду веществ подвергаемых окислению. В чем различие сапрофитов и паразитов?

Некоторые микроорганизмы нуждаются в добавочных веществах, которые

играют роль факторов роста. Их называют ауксотрофами. Другие же способны

переходить от одного типа питания к другому – это миксотрофы. Дайте класси-

фикацию микробов по типу питания, приведите примеры, и данные занесите в

таблицу 4. В качестве источника энергии микроорганизмы могут использовать

химические реакции (хемосинтез) и свет (фотосинтез). Источниками углерода

могут являться неорганические (СО2 и др.) и органические (С6Н12О6) вещества.

Таблица 4 Типы питания микроорганизмов

Дыхание – метаболический процесс с образованием АТФ, в течение кото-

рого одни соединения окисляются, отдавая электроны, а другие восстанавлива-

ются, принимая их. При этом в качестве доноров электронов могут служить как

органические, так и неорганические соединения, а акцепторами электронов яв-

ляются только неорганические соединения.

Для осуществления биосинтеза макромолекул микробам необходима энер-

гия. Большинство микроорганизмов получают энергию в процессе аэробного

дыхания, когда происходит полное окисление органического вещества с выде-

лением большого количества энергии и образованием конечных продуктов –

углекислого газа и воды. Некоторые микроорганизмы получают энергию за счет

окисления неорганических веществ (нитрифицирующие, тионовые, железобак-

терии). Это разновидность аэробного дыхания.

Существуют микроорганизмы, способные использовать для окисления уг-

леводов не свободный, а связанный кислород окисленных соединений (нитра-

тов, сульфатов) – это анаэробное дыхание.

Распространенным способом получения энергии у микроорганизмов явля-

ется брожение – расщепление сложных органических веществ в анаэробных

условиях под влиянием ферментов микроорганизма.

Выясните химизм процессов аэробного, анаэробного дыхания и брожения.

Обратите внимание на ферменты, участвующие в этом процессе. Сравните ко-

личество тепловой энергии, выделяющейся при разных типах дыхания и броже-

ния. Заполнитетаблицу 5.

Таблица 5 Способы получения энергии микроорганизмами

*Молекулярный кислород (О2) или связанный (например, NO3¯)

Рост и размножение микроорганизмов. Рост – это увеличение цитоплаз-

матической массы отдельной клетки или группы бактерий в результате синтеза

клеточного материала. Размножение – это увеличение количества особей мик-

робной популяции.

У прокариотных микроорганизмов существуют различные способы раз-

множения от простого деления до образования спор. Из эукариотных микроор-

ганизмов изучите способы размножения у грибов (бесполое, половое). Обратите

внимание на разные виды полового и бесполого размножения. По результатам

изучения материала заполнитетаблицу 6.

Таблица 6 Способы размножения микроорганизмов

Вопросы для самопроверки и выполнения контрольной работы

21. Химический состав микробной клетки. Значение органических и мине-

ральных веществ в жизнедеятельности микроорганизмов.

22. Экзо- и эндоферменты микроорганизмов. Биологическая роль фермен-

тов микроорганизмов и использование их в промышленности.

23. Способы размножения плесневых и дрожжевых грибов.

24. Механизм и способы питания микроорганизмов.

25. Аэробное дыхание микроорганизмов.

26. Анаэробное дыхание микроорганизмов.

27. Питательные среды для культивирования микроорганизмов. Их клас-

сификация, состав, способы приготовления.

28. Методы выделения чистой бактериальной культуры.

29.Способы размножения прокариотических организмов.

30. Репродукция вирусов. Способы и стадии размножения.

1.4 Генетика микроорганизмов

Генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов. Микро-

организмам, как любые живые существа обладают наследственностью и измен-

чивостью.

Под наследственностью понимают свойство живых организмов воспроиз-

водить одни и те же или сходные морфологические свойства в ряду поколений

благодаря передаче материальных задатков (генов) от родителей потомкам. Из-

менчивость – это изменение специфических свойств под влиянием различных

факторов.

Генетическая система бактерий состоит из ядерных и внеядерных струк-

тур. Аналог ядра прокариотов значительно отличается от ядра эукариотических

клеток. Он представлен нуклеоидом, лишенным оболочки и включающим в се-

бя почти всю ДНК бактерии. Бактериальная хромосома состоит из одной двуни-

тевой молекулы ДНК кольцевой формы. Внеядерные структуры представленны

плазмидами, транспозонами и инсерционными (вставочными) последовательно-

стями. Они не являются жизненно необходимыми, так как не кодируют инфор-

мацию о синтезе ферментов, участвующих в метаболизме бактериальной клет-

ки. Выясните химическое строение ДНК и РНК бактерий; функции плазмид.

Что такое генетический код?

Разберитесь в видах генотипической и фенотипической изменчивости мик-

роорганизмов. Фенотипическая изменчивость возникает в результате изменения

некоторых внешних факторов и исчезает после прекращения их действия. Фе-

нотипические изменения выражаются в изменении формы и размера бактерий,

биохимической активности и ряда других свойств. В основе генотипической

изменчивости лежат мутации и рекомбинации. Что такое мутагенные факторы,

и каково их происхождение?

Обмен генетическим материалом у бактерий осуществляется путем гене-

тических рекомбинаций. Под генетической рекомбинацией подразумевают

взаимодействие между двумя геномами, которое приводит к образованию ре-

комбинаций ДНК и формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих

родителей. Особенности рекомбинаций у бактерий определяются отсутствием

истинного полового процесса и мейоза у прокариот и гаплоидным набором ге-

нов. В процессе рекомбинации бактерии условно делятся на клетки-доноры,

которые передают генетический материал, и клетки-реципиенты, которые этот

материал воспринимают.

Передача генетического материала между бактериями осуществляется

тремя способами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией. Выясните

механизмы данных процессов.

Изучите вопросы изменения морфологических, культуральных, фермента-

тивных и других свойств микроорганизмов.

Вопросы для самопроверки и выполнения контрольной работы

31. Генетический аппарат микроорганизмов. Ядерные и внеядерные струк-

туры.

32. Фенотипическая и генотипическая изменчивость микроорганизмов.

Область их применения.

33. Спонтанные и индуцированные мутации у бактерий. Роль среды в от-

боре и закреплении мутационных изменений в процессе эволюции.

34. Рекомбинационная изменчивость у бактерий (трансформация, транс-

дукция, конъюгация).

35. Принципы генной инженерии.

36. Генетический код микроорганизмов и передача информации.

37. Плазмиды бактерий – внехромосомные генетические детерминанты.

38. Фазы развития бактериальной популяции.

39. Изменение культуральных, антигенных и других свойств микроорга-

низмов

40. Структура ДНК и РНК бактериальной клетки. Репликация ДНК микро-

организмов.

1.5 Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

Микроорганизмы обладают устойчивостью и разнообразными приспосо-

бительными свойствами к воздействию различных условий окружающей среды

(спорообразованием, капсулообразованием, скоростью размножения, фермента-

тивной и антибиотической активностью, токсинообразованием и др.).