Царство Бактерии

Бактерии

Для абитуриентов

Бактерии

Докембрийский строматолит

• Бактерии – древнейшая известная группа организмов Слоистые каменные структуры – строматолиты, – датируемые в ряде случаев началом археозоя (архея), т.е. возникшие 3,5 млрд. лет назад, – результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих, так называемых сине-зеленых водорослей.

Бактерии

• Первые ядерные клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.
• Самыми древними из ныне существующих живых организмов считаются археобактерии термоацидофилы (thermoacidophiles). Они живут в воде горячих источников с высоким содержанием кислоты. При температуре ниже 55oC (131oF) они гибнут!

История изучения бактерий

• Впервые бактерий увидел в оптический микроскоп и описал голландский натуралист Антони ван Левенгук в 1676 году. Как и всех микроскопических существ он назвал их «анималькули».

Рисунки Левенгука

Название «бактерии» ввёл в употребление Христиан Эренберг

в 1828 .

Эренберг Христиан Готфрид

Член-корреспондент,

иностранный член,

почетный член РАН

Луи Пастер в 1850-е положил начало изучению физиологии и метаболизма бактерий, а также открыл их болезнетворные свойства.

Дальнейшее развитие медицинская микробиология получила в трудах Роберта Коха , которым были сформулированы общие принципы определения возбудителя болезни ( постулаты Коха ). В 1905 он был удостоен Нобелевской премии за исследования туберкулёза

РОБЕРТ КОХ

(Koch, Robert)

(1843–1910),

Основы общей микробиологи и изучения роли бактерий в природе заложили М. В. Бейеринк и

С. Н. Виноградский .

БЕЙЕРИНК Мартин

(1851-1931),

нидерландский ботаник

ВИНОГРАДСКИЙ Сергей Николаевич

(1/13.09.1856, Киев, – 24.02.1953, Париж)

Изучение строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е .

Сканирующий электронный микроскоп

Бактерии и их классификация

• Бактериями называются микроскопические одноклеточные организмы, виды которых различаются по нескольким признакам.
• В зависимости от формы известны:
• кокки – имеют шаровидную форму;
• палочки – обладают цилиндрической формой;
• спирохеты – характеризуются спиралевидной формой.

Форма бактерий

По форме клеток они могут быть:

• шаровидными ( кокки )
• палочковидными ( бациллы , клостридии , псевдомонады )
• извитыми ( вибрионы , спириллы , спирохеты )
• звездчатыми
• тетраэдрическими
• кубическими
• C- или O-образными

Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ

Строение бактерий

• относятся к прокариотам («доядерным» одноклеточным организмам)

• нет ядра и большинства других органелл

• Бактериальная клетка окружена клеточной стенкой и защитной капсулой

• Палочковидные бактерии (бациллы) покрыты волосками - пилями, которыми прикрепляются к питательному субстрату или к другим клеткам.

Строение бактерий

Клетки многих бактерий имеют нехромосомные генетические элементы — плазмиды . Они представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные реплицироваться независимо от хромосомной ДНК. Среди них различают F-фактор — плазмиду, контролирующую половой процесс.

Жгутики. Среди бактерий имеется много подвижных форм. Основную роль в передвижении играют жгутики.

Жгутики бактерий только внешне похожи на жгутики эукариот, строение же их иное. Они имеют меньший диаметр и не окружены цитоплазматической мембраной. Нить жгутика состоит из 3-11 винтообразно скрученных фибрилл, образованных белком флагеллином.

900igr.net

Образование спор

• «Спора» - от греч. «спора» - «семя»
• Образуются при неблагоприятных условиях (недостатке пищи, влаги, резких изменениях температуры)
• Легко разносятся ветром, водой и т.п.
• В благоприятных условиях становится жизнедеятельной бактерией
• Спора – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Образование спор.

Споры бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

эндоспоры

• Палочковидные бактерии, способные образовывать термоустойчивые эндоспоры, называются бациллами.

При наступлении неблагоприятных условий, у некоторых бактерий происходит образование эндоспор . При этом клетка обезвоживается, нуклеоид сосредотачивается в спорогенной зоне. Образуются защитные оболочки, предохраняющие споры бактерий от действия неблагоприятных условий (споры многих бактерий выдерживают нагревание до 130˚С, сохраняют жизнеспособность десятки лет). При наступлении благоприятных условий спора прорастает, и образуется вегетативная клетка.

Питание бактерий

• Большинство – готовыми органическими веществами
• Сине-зеленые (цианобактерии) - сами создают органическое вещество

Многоклеточная нитчатая

цианобактерия Anabaena sphaerica

По способу питания

БАКТЕРИИ

Паразиты –

(от греч. «паразитос» - нахлебник )

Питаются органическими

веществами живых организмов

Сапрофиты –

от греч. «сапрос» - гнилой

Довольствуются органическими

веществами отмерших

организмов или выделениями

живых организмов

Физиология бактерий. Питание

Другая группа, автотрофы , способна синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

фотоавтотрофов, синтезирующих органические вещества за счет энергии света, и хемоавтотрофов , синтезирующих органические вещества за счет химической энергии окисления неорганических веществ: серы, сероводорода, аммиака и т.д. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородные бактерии и т.д.

Фотоавтотрофы:

Фотосинтезирующие серобактерии (зеленые и пурпурные) Имеют фотосистему-1 и при фотосинтезе не выделяют кислород, донор водорода – Н 2 S:

6СО 2 + 12Н 2 S → С 6 Н 12 О 6 + 12S + 6Н 2 О

У цианобактерий (синезеленых) появилась фотосистема-2 и при фотосинтезе кислород выделяется, донором водорода для синтеза органики является Н 2 О:

6СО 2 + 12Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О

Хемосинтез – это…

• — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO 2 служат реакции окисления неорганических соединений.
• Подобный способ получения энергии используется только бактериями .

• Хемосинтез открыт в 1887 С. Н. Виноградским

Физиология бактерий

Хемоавтотрофы:

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу или соли серной кислоты:

2Н 2 S + О 2 = 2Н 2 О + 2S + 272 кДж

При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты:

2S + 3О 2 + 2Н 2 О = 2Н 2 SО 4 + 636 кДж

Железобактерии окисляют двувалентное железо до трехвалентного:

4FeCO 3 + O 2 + H 2 O = 4Fe(OH) 3 + 4CO 2 + 324 кДж

Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении молекулярного водорода:

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + 235 кДж

Характеризуются:

• высокой скоростью роста
• могут давать большую биомассу
• в зависимости от субстрата могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами (миксотрофы)

Нитрифицирующие бактерии

• Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до HNO 3 и HNO 2 , которые, взаимодействуя с почвенными минералами , образуют нитриты и нитраты .

• 2NH 3 +3O 2 = 2HNO 2 + 2H 2 O+158ккал
• 2HNO 2 + O 2 =2HNO 3 +48Ккал

Метанобактерии

• Хемосинтез описывается по реакции 4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O.

Бескислородное (анаэробное) дыхание

Бескислородное (анаэробное) дыхание

Анаэробные хемоавтотрофы

Важное значение в природе имеют бактерии способные получать энергию

из неорганических соединений в условиях отсутствия кислорода .

• Денитрифицирующие бактерии способны восстановить нитраты до газообразного азота и закиси азота:

10Н + 2Н + + 2NO 3 -  N 2 + 6H 2 O + АТФ

В отсутствии данных бактерий содержание азота в атмосфере

уменьшилось бы и рост растений и биомассы на Земле остановился.

• Сульфатредуцирующие бактерии способны образовывать сероводород из сульфата:

8Н + SO 4 2-  H 2 S + 2H 2 O + 2OH - + АТФ

Водород для этой реакции бактерии берут из продуктов гликолиза.

Энергия, которая запасается в этом процессе, используется для синтеза

органических соединений.

Эти бактерии встречаются сероводородном иле (например, в Черном море на глубине более 200м). Большинстве месторождений серы – это биогенные отложения серы.

Анаэробный путь обмена веществ и энергии характерен в основном для бактерий. Одни из них исполь-

зуют в качестве доноров водорода и электронов органические соединения и являются, таким образом,

гетеротрофами, другие используют для этих целей неорганические соединения, причем углерод

они получают из углекислого газа и являются, таким образом, анаэробными хемоавтотрофами.

Аэробных хемоавтотрофы

Появившийся в атмосфере Земли молекулярный кислород выступал в качестве

сильного окислителя. Одним из первых стали использовать аэробный обмен

бактерии, окисляющие неорганические соединения азота, серы, железа.

• Нитрифицирующие бактерии – окисляют аммиак до нитратов.

NH 4 + нитритные бактерии  NO 2 - нитратные бактерии  NO 3 -

Несмотря на присутствие кислорода в реакциях окисления аммиака, энергетический баланс у нитрифицирующих бактерий оказался очень низким.

• Серные бактерии – способны окислять соединения серы, образуя в конце реакции сульфаты:

S 2- + 2O 2  SO 4 2- или S 2- + SO 2 + 2H 2 O  SO 4 2- + 4H +

Многие серные бактерии живут в экстремальных условиях горячих серных вулканических источников. Они выдерживают температуру до 75 0 С и способны окислять серу или сероводород до серной кислоты. Эти бактерии называются термофилами.

• Железобактерии – способны окислять двухвалентное железо до трехвалентного.

FeS 2 + 3SO 3 + H 2 O  FeSO 4 + H 2 SO 4.

Железобактерии живут в рудничных водах, содержащих различные соединения металлов, в том числе и железа. Человек использует

свойства этих бактерий при обогащении руд для получения

меди, цинка, молибдена.

В процессе эволюции эти бактерии были вынуждены для получения энергии окислять

неорганические субстраты, а единственным источником углерода для них служил

углекислый газ. Поэтому эти бактерии по типу питания можно отнести к особой группе

аэробных хемоавтотрофов.

Значение хемосинтеза

• Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как они являются непременным звеном природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др.
• Хемосинтетики важны также в качестве природных усвоителей таких ядовитых веществ, как аммиак и водород.
• Огромное значение имеют нитрифицируюие бактерии, которые обогащают почву нитритами и нитратами, в форме которых растения усваивают азот . Некоторые хемосинтетики (в частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.

Значение хемосинтеза

• -непременное звено природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др.
• -природные усвоители таких ядовитых веществ, как аммиак и водород.
• -нитрифицируюие бактерии обогащают почву нитритами и нитратами, в форме которых растения усваивают азот .
• -некоторые хемосинтетики (в частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.

Размножение

• Делением одной клетки на две
• При благоприятных условиях – через каждые 20-30 минут

Группы бактерий

• патогенные – всегда приводят к развитию болезни (бацилла Люффнера, бацилла антрацис, сальмонелла, гонококк, бледная трепонема);
• условно патогенные – живут на теле или в кишечнике человека, не нанося ему никакого вреда, но при определенных условиях становятся источником инфекций (кишечная палочка, стафилококк, стрептококк);
• непатогенные – никогда не вызывают болезни.

Разнообразие бактериальных болезней

Болезнь

Возбудитель

дифтерия

бацилла Люффнера

сальмонеллез

сальмонелла

сибирская язва

бацилла антрацис

гонорея

гонококк

сифилис

бледная трепонема

брюшной тиф

дизентерия

брюшнотифозная палочка

шигеллы

холера

холерный вибрион

чума

палочка чумы

лептоспироз

лептоспира

туберкулез

микобактерия, или палочка Коха

рожа, пиодермия, ангина, скарлатина

гнойный стрептококк

ревматизм

бетагемалитический стрептококк

пневмония, бронхит, отит, гайморит, остеомиелит

стафилококк

Респираторные бактериальные инфекции

• Респираторными заболеваниями являются болезни, которые передаются через дыхательные пути. Среди респираторных инфекций самыми распространенными являются пневмония, ринит, бронхит, фарингит, гайморит, ангина, или острый тонзиллит.
• Возбудителями респираторных бактериальных инфекций являются пневмококки, стафилококки, стрептококки, менингококк, микоплазмы, микобактерии, коклюшная палочка.

Причины болезней и способы заражения

• Бактериальные заболевания часто поражают людей с ослабленной иммунной системой и приводят к развитию инфекций.
• Возбудители болезни проникают в организм человека несколькими способами:
• воздушно-капельным – через воздух, этим путем в основном происходит распространение респираторных инфекций (дифтерии, скарлатины, коклюша);
• пылевым – бактерии длительное время могут находиться в пыли, не теряя своей жизнеспособности (дифтерия, скарлатина, туберкулез);
• контактно-бытовым – через предметы повседневного использования: посуду, книги, телефоны, игрушки (скарлатина, дифтерия, дизентерия, туберкулез);
• алиментарным, или фекально-оральным – с загрязненной водой и зараженными продуктами (брюшной тиф, холера, дизентерия);
• через половой контакт – возбудители оказываются в организме при сексуальном контакте (сифилис, гонорея);
• трансплацентарным – заражение плода происходит от матери через плаценту (туберкулез, сифилис, лептоспироз).

Всегда ли заражение равносильно болезни?

• Чтобы у человека произошло развитие болезни от болезнетворных бактерий, необходимо совпадение нескольких условий:
• достаточно большое количество бактерий;
• полноценность возбудителей, наличие у них всех патогенных свойств (ослабленные микроорганизмы, которые используются при вакцинации, не вызовут болезнь, а только помогут выработать иммунитет);
• попадание бактерий в такое место, где возможно их развитие (сальмонелла сможет жить только в желудочно-кишечном тракте, на коже она погибнет);
• неподготовленная или ослабленная иммунная система (если в организме выработался иммунитет к определенному виду возбудителя, то человек не заболеет).

Инкубационный период и его особенность

• Любая инфекция характеризуется наличием инкубационного периода. Его длительность может сильно варьировать: от нескольких часов (при пищевой токсикоифекции) до нескольких лет (при лепре, или проказе). На протяжении этого времени возбудители приспосабливаются к новым условиям обитания, размножаются и распространяются по организму. В инфекционный период не обнаруживается никаких признаков заболевания и человек чаще всего даже не подозревает и заражении.
• Возникновение первых симптомов болезни свидетельствует об окончании инкубационного периода и начале болезни.

Бактериальные болезни

• Все болезни человека, вызываемые бактериями, сопровождаются, лихорадкой и симптомами интоксикации организма: тошнотой, рвотой, болью в области живота, в суставах и мышцах, головной болью, апатией, общим ухудшением самочувствия.
• Но помимо общих признаков имеется характерная симптоматика для каждой разновидности болезни.

Лечение инфекционных заболеваний

• Все болезни человека, вызываемые бактериями, сопровождаются, лихорадкой и симптомами интоксикации организма: тошнотой, рвотой, болью в области живота, в суставах и мышцах, головной болью, апатией, общим ухудшением самочувствия.
• Но помимо общих признаков имеется характерная симптоматика для каждой разновидности болезни.
• С некоторыми видами бактериальных заболеваний иммунная система человека способна справиться самостоятельно. Для борьбы же с особо опасными возбудителями ей потребуется помощь врача.
• Всем больным необходимо пить побольше воды (не меньше 2 литров в сутки). Она понизит концентрацию токсических веществ и выведет их часть с мочой.

В чем опасность антибиотиков?

• К применению антибиотиков следует подходить с осторожностью, так как патогенные микроорганизмы привыкают к ним и перестают на них реагировать. Поэтому приходится прибегать к более сильным препаратам, а со временем возникают разновидности бактерий, которые совершенно перестают реагировать на антибиотики.
• В связи с такой ситуацией стало возможным появление инфекций, на которые не действуют стандартные антибиотики. Раньше они носили название госпитальных (ГИ) или внутрибольничных (ВБИ), а сейчас их именуют инфекциями, связанными с оказанием медицинской помощи (ИСОМП).

Болезни растений.

Пятнистость листьев, увядание, гниение стеблей и др.

Значение бактерий

Бактерии играют огромное значение и в биосфере, и в жизни человека. Бактерии принимают участие во многих биологических процессах, особенно в круговороте веществ в природе. Значение для биосферы:

Гнилостные бактерии разрушают азотсодержащие органические соединения неживых организмов, превращая их в перегной.

Минерализующие бактерии разлагают сложные органические соединения перегноя до простых неорганических веществ, делая их доступными для растений.

Многие бактерии могут фиксировать атмосферный азот. Причем, азотобактер , свободноживущий в почве, фиксирует азот независимо от растений, а клубеньковые бактерии проявляют свою активность только в симбиозе с корнями высших растений (преимущественно бобовых), благодаря этим бактериям почва обогащается азотом и повышается урожайность растений.

Значение бактерий

Симбиотические бактерии кишечника животных (прежде всего, травоядных) и человека обеспечивают усвоение клетчатки, образуют витамины (В 12 , К).

Существенную роль играют бактерии и в процессах почвообразования (разрушение минералов почвообразующих пород, образование гумуса).

Значение бактерий

Значение для человека:

• Получение молочнокислых продуктов, для квашения капусты, силосования кормов;
• Для получения органических кислот, спиртов, ацетона, ферментативных препаратов;

Значение бактерий

• Активно используются в качестве продуцентов многих биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, витаминов и др.), используемых в медицине, ветеринарии и животноводстве;
• Благодаря методам генетической инженерии, с помощью бактерий получают такие необходимые вещества, как человеческий инсулин и интерферон;

Значение бактерий

• Человек использует бактерии и для очистки сточных вод.
• Отрицательную роль играют патогенные бактерии, вызывающие заболевания растений, животных и человека.
• Многие бактерии вызывают порчу продуктов, выделяя при этом токсичные вещества .