споры необходимы бактериям для чего
Споры бактерий
Что такое споры бактерий
Во времена зарождения жизни на Земле, первыми ее обитателями были бактерии.
Чтобы пережить неблагоприятные погодные условия, засуху, отсутствие полезных веществ в окружающей среде, их защитной реакцией стала способность к спорообразованию.
В наше время, бактерии могут прижиться там, где больше не сможет выжить ни один организм.
Значение слова спора, в переводе с греческого означает «семя», «посев». Это, своего рода, «служащие» для расселения, хранители генетической информации бактериальной клетки.
Образования имеют овальную или округлую форму, зарождаются в сердцевине бактерий на определенном этапе их существования, как правило, в негативной среде обитания.
При наличии многослойной защитной оболочки, споры имеют особую устойчивость к физическим и химическим реакциям, а также тенденцию сохраняться на десятки и даже сотни лет.
Особенности спор бактерий
В процессе спорообразования на спорах вырастают «колпачки» конусовидной или серповидной формы. Их строение похоже на «ячейки», что помогает им сохранить плавучесть в воде.
В состоянии спор, бактерии переносят колоссальные химические и термические нагрузки. Некоторые из них могут выдержать многочасовое кипячение.
Бактерии, в виде спор, гораздо эффективнее распространяются, так как клетка в обезвоженном состоянии имеет наименьшую массу.
Споры могут иметь разную форму: одни — шаровидную, другие — овальную. Часто диаметр превышает плотность клетки, вследствие чего она деформируется, происходит «вздутие». Эти особенности используют при лабораторных бактериологических исследованиях.
Бактерии, образующие споры
Всего два вида бактерий, патогенных для человека, способны образовывать споры (спорангии) – это клостридии и бациллы.
Клостридии – относятся к грамположительному и анаэробному роду, образующих эндоспоры. Они насчитывают более 90 типов бактерий, каждая их которых — спорообразующая.
Это возбудители легочной и газовой гангрены. По их вине происходят осложнения после родов и абортов. Они являются частью флоры, желудочно-кишечного тракта, женских половых путей, реже обитают на коже и в полости рта.
Клостридии круглой формы, являются возбудителями столбняка. Овальная спора той же бактерии, является причиной развития ботулизма.
Бациллы – относятся к свободным, аэробным, палочковидным клеткам, формирующим эндоспоры. Количество бактерий этого рода, сводится к более 200 видам.
Размножение происходит путем поперечного деления клеток. Является возбудителем некоторых болезней у животных и человека, а именно сибирской язвы.
Функции спор бактерий. Зачем бактериям споры
За счет спор, бактерии могут выполнять дыхательную и питательную функции. Их расселение во внешней среде происходит путем распространения в новые места.
Главная задача – уберечь генетический материал от неблагоприятных условий. В отличие от грибных и растительных спор, бактериальные не предназначены для размножения.
Споры для бактерий – важная часть их существования, благодаря которым сохраняется их жизненная и родовая функция.
Этапы спорообразования у бактерий
Спорообразование – это сверхзащитное свойство бактерий. С его помощью, они выживают в неблагоприятной обстановке. Этот процесс довольно длительный, на протяжении суток от 18 до 20 часов. Состоит из 4 основных этапов.
Подготовительный этап – к моменту спорообразования целостность ДНК снижается, клетки перестают делиться. Накапливается обильное количество резервного питательного материала, собирающегося в гранулы.
Клетки становятся больше в размерах, похожими на лимон или барабанную палочку. Иногда они сохраняются в обычной палочковидной форме.
К противоположным сторонам клетки, отходит вновь образовавшийся нуклеоид. Вокруг него формируется спорогенный участок. Это часть цитоплазмы, лишенная свободной влаги.
Возникновение проспоры (предспоры). В одной из точек клетки происходит процесс, в котором участвуют мезосомы. За счет спаивания мембран образуется септа. Она дает начало оболочке споры. Именно в этот момент совершается необратимый этап споруляции.
Образование кортекса – происходит благодаря возникновению пленки между внешней и внутренней мембраной проспоры, состоящей из молекул пептидогликана. Кортекс играет предохранительную функцию сердцевины от разрушающих ферментов.
Стадия созревания. Со стороны наружной мембраны образуется внешняя толстая оболочка споры, которая состоит из липидов, дипиколиновой кислоты и кальциевой соли.
Спора покрывается экзоспориумом и на завершающей стадии процесса, после активизации литических ферментов, происходит полное отмирание материнской вегетативной клетки.
В результате чего взрослая спора, покрытая твердой слабопроницаемой, многослойной оболочкой, оказывается во внешней среде.
Характеристика спор бактерий
Жизнедеятельность в спорах бактерий почти не действует, о чем говорит наличие густой цитоплазмы в малом количестве. Процент влаги в ней снижен на 50%. Зато в большом составе магний и катионы кальция.
Достаточно много белка цистеина и аминокислот. Обмен веществ, практически не происходит. Устойчивая жизнеспособность. Толстый слой оболочки, которым покрыта спора, защищает её от негативного воздействия внешней среды.
Споры содержат ДНК бактерий. Попадая в благоприятные для себя условия, они прорастают и образуют полнофункциональную клетку.
Устойчивость спор бактерий
Споры могут сохраняться в окружающей среде сотнями лет. У них стойкая резистентность к нагреванию, высыханию, радиации и к различным химическим веществам. Могут удерживать кипячение на протяжении нескольких часов.
Они погибают от открытого огня или автоклавирования при 121 – 125 градусов по Цельсию на протяжении 15-30 минут. Крайне устойчивые к перепадам температур, высоким концентрациям кислот, дезинфицирующим веществам.
Губительным фактором для бактериальных спор, впрочем, как и для всех микробов, является ультрафиолет. Под его излучением микроорганизмы быстро погибают, поэтому его принято считать лучшим средством для дезинфекции.
Способность спор патогенных бактерий к устойчивости в окружающей среде, становится причиной развития тяжелых инфекционных заболеваний.
Виды спор бактерий
Прокариоты принадлежат к типу простейших, образующих виды покоящихся форм. Такое название формы приобрели из-за заниженной энергии и обмена веществ, в стадии развития микробов. К некоторым из них относятся: миксоспоры, цисты и акиенты.
Все покоящиеся формы отличаются предельно низким уровнем метаболических процессов.
Цисты – имеют овальную форму средних размеров, покрытую толстым слоем слизи. Они устойчивы к термодинамике и засушливости.
Их функция заключается в защите популяций от негативного воздействия и в сохранении ДНК. Цисты прорастают под влиянием благоприятных внешних условий.
Миксоспоры – формируются путем преобразования целой клетки, как правило, имеют овальную утолщенную форму с плотной цитоплазмой.
Акиенты – относятся к нитчатым цианобактериям. Образуются при низких температурах, засухе и повышенном содержании глутамина.
Форма и признаки спор бактерий
К формам прокариот, относятся эндоспоры и экзоспоры. В основном бактерии формируют эндоспоры, которые относятся к палочковидным микроорганизмам.
« Эндо» – означает «внутри». Когда споры созревают, происходит изменение клеточной мембраны, при этом внутри бактерии зарождается будущая спора, куда и попадает ДНК. В этой зоне образуется плотная прослойка коры для ее защиты.
Эндоспоры у палочковидных бактерий образуются в различных местах клетки: в центре, у края и ближе к концу.
Также существует тип бактерий, который формируют экзоспоры. « Экзо» – в переводе значит «вовне». Процесс происходит путем созревания специальных клеточных почек. Как только почки покроются плотной оболочкой, они трансформируются и отсоединяются.
В определенный момент спорообразования, на некоторых спорах образуются наросты. Они разнообразны и специфичны. Это наследственно закрепленный и постоянный признак для каждой бактерии. Наросты состоят из белка. Их функциональная задача по сей день изучается специалистами.
Расположение спор бактерий
Один из таксономических признаков бактерий — это их расположение. Оно может быть центральным, субтерминальным и терминальным. У единичных видов спорообразующих, диаметр спор превышает клеточный поперечник.
Расположение споры ближе к концу клетки, придает бактерии форму веретена. У некоторых, например, у клостридий, споры располагаются терминально, и имеют вид теннисных ракеток.
Прорастание спор бактерий
Действие происходит в три этапа.
Активация – в этот момент спора готова прорастать, хоть она еще обладает термоустойчивостью и способностью к светопреломлению. Сам процесс зависит от повышения температуры, чем выше, тем быстрее происходит активация.
Инициация – необратимый процесс, длящийся в течение нескольких минут. Спора, уже не устойчива к нагреванию и теряет способность к светорассеиванию.
Вырастание – это процесс интенсивного роста, во время которого происходит синтез РНК с белком. Прорастая, спора проходит через лизис оболочки. Разрыв в произвольном месте предполагает выход вегетативной клетки, которая снабжена жгутиковым аппаратом у подвижных клеток.
Смысл в том, что вегетативная клетка может размножаться. Спора нет. Сам процесс занимает от 2 до 4 часов. После предварительной специальной обработки, количество проросших спор прибавляется. У продолговатых форм отмечается специфический тип прорастания.
Самый распространенный из них — полярный и экваториальный. Косое прорастание встречается крайне редко. Чтобы успешно различать виды спороносных бактерий, нужно обратить внимание на культуральные особенности в питательной среде.
Чем отличается свободная бактерия от споры
Размер спор бактерий – варьируется от 0.1 до 5 мкм. Те, что крупнее, обычно видимые под микроскопом, размножаются делением клеток. Виды, которые превышают ширину клетки, называются плектридиальными или клостридиальными, в зависимости от месторасположения споры. В бациллярной клетке, спора диаметр не превышает.
Стадия активации споры
Спора может сохраняться годами до наступления благоприятных условий, которые её активируют, для освобождения вегетативной клетки. Благоприятными условиями, например, могут быть прогревания, повышение влажности, различные химические взаимодействия.
Под воздействием аутолиза, происходит растворение кортекса: поглощение воды и набухание. Спора как будто сдувается. При этом она затрачивает много энергии на дыхание, выделение ферментов, аминокислот и пептидов.
В этот промежуток времени спора перестает быть терморезистентной. Так происходит стадия активации.
Окрашивание спор бактерий
При исследовании, споры различают по светопреломлению. Из-за устойчивости к кислой среде, их процесс окрашивания затруднен. Объясняется это высоким содержанием липидов и плотностью оболочки.
Поэтому к ним применяют усиленные методы окраски: химические вещества, которые меняют структуру защитной пленки. В основном, окрашивание происходит по методу Пешкова и Циля-Нельсона.
Споры в жизни бактерий
Это абсолютно уникальное явление. Споры помогают бактерии выживать и сохраняться в отрицательных условиях внешней среды. Они играют важную роль в идентификации бактерий и образовании лидирующей клетки.
Спора бактериальная
Свойства спор
Бактериальная спора содержит небольшое количество воды и характеризуется наличием более плотной, чем у вегетативной бактериальной клетки, стенкой. Появляется новое вещество – дипиколинат кальция. Оно образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрафиолета.
В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами. При попадании в благоприятные условия бактериальные споры впитывают влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается. В результате спора превращается в вегетативную бактериальную клетку.
Споры рассматриваются не как способ размножения, а как форма существования бактериальной клетки в условиях неблагоприятных для ее роста и развития. При этом преобразования идут по схеме: 1 бактериальная клетка – 1 бактериальная спора – 1 бактериальная клетка. Увеличения количества бактериальных клеток не происходит.
При использовании окраски по Граму споры красители не воспринимают и остаются бесцветными на окрашенном фоне. Споры могут быть окрашены с помощью специальных методов.
Типы спор и покоящихся форм прокариот
Активно метаболизирующие и размножающиеся бактерии – это вегетативные формы. Некоторые бактерии наряду с вегетативными формами образуют покоящиеся формы.
К покоящимся формам прокариот относятся споры бактерий:
К другим покоящимся формам бактерий относят:
Для всех покоящихся форм характерен предельно низкий уровень метаболических процессов. Основное механизмы, обеспечивающие устойчивое пребывание бактериальных клеток в состоянии покоя:
В отличие от исходных вегетативных бактериальных клеток, все покоящиеся формы характеризуются повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам окружающей среды, что обеспечивает надежное сохранение вида в природе.
Наибольшей устойчивостью к действию температуры, кислотности, недостатку влаги, литическим ферментам характеризуются эндоспоры.
Эндоспоры некоторых бактерий отмирают на 90% только в результате нагревания при 100°Cв течение 10–15 мин. Цисты азотобактера полностью гибнут уже после прогревании при 60°Cв течение 15–20 мин. Акинеты цианобактерий отмирают на 95% после прогревания при 40°Cв течение 10 мин.
Технология выживания спорообразующих бактерий
Бактериальные споры
В природе несколько типов бактерий могут образовывать споры. Это скрытые, устойчивые и невоспроизводительные структуры, образованные бактериями, принадлежащими Firmicutes (от firmus и cutis).
Многие из этих микроорганизмов обычно обитают в почве и воде и в неблагоприятных условиях образуют споры, которые позволяют выжить.
В медицинской микробиологии только спорообразующие бактериальные виды называются терминами бацилл.
Типичные представители микробов аэробных рода Bacillus (например. Бацилла болезни antracis), анаэробы из рода Clostridium с патогенными агентами C. botulinum (возбудитель ботулизма), С. Perfringens (газовая гангрена), C. tetani (столбняк), C. difficile (псевдомембранозный колит) и непатогенные кокки рода Sporosarcina.
Бактериальные споры являются средством выживания бактерий в условиях неадекватной температуры, отсутствия питательных веществ, изменений кислотности среды, и в этой форме бациллы не могут быть размножены. В неблагоприятных условиях вегетативная бактериальная форма переходит в споры (споруляция) в течение от нескольких часов до одного дня.
Процесс приводит к образованию так называемых эндоспор, которые встречаются в вегетативной клетке.
Для достижения этого требуется активный метаболизм в клетке, поскольку для конструирования эндопротеза необходим синтез ряда новых ферментов и его компонентов оболочки, а также соответствующей температуры, питательных веществ, наличия или отсутствия кислорода и т. д.
Таким образом, аэробные бациллы спорообразуются только в аэробной (кислород) среде, и клостридии — только в анаэробных (бескислородных) условиях. Бациллы образуют споры только тогда, когда они попадают в окружающую среду. Эндоспорины позволяют бактериям существовать в скрытом состоянии в течение длительных периодов времени (лет, столетий).
Активация споруляции происходит в отсутствие преимущественно углеводов или из-за наличия плохо усваиваемых питательных веществ.
В начале процесса споруляции одну из клеток вегетативной клетки выделяют путем вторжения в цитоплазматическую мембрану, которая окружает ядро и обертывает его двойной мембраной. После его образования двойная мембрана активно участвует в развитии сферической оболочки.
Он состоит из стенки спор и коры, расположенной между внешней мембраной и внутренней мембраной, а над внешней мембраной — оболочка и экзоспорий.
Устройство бактериальных спор
Ядро споры (протопласт) содержит бактериальную ДНК, мало рибосом и ограниченное количество воды. Над внутренней мембраной, покрывающей сердечник, помещена стена позвоночника.
Он состоит из нормального пептидогликана, из которого клеточная стенка вегетативной формы образуется при благоприятных условиях.
Над стеной сфинктера находится кора, самый толстый слой слоя, и состоит из определенного пептидогликана — нескольких слоев и очень восприимчивых к лизоциму и другим протеолитическим ферментам. В коре содержится вещество дипиколиновая кислота, Ca ++ и Mg ++ионов.
Эта кислота является специфическим веществом для спор и помогает поддерживать эндоспоры в скрытом состоянии. Это химическое вещество составляет до 10% от массы эндоспоры. Над внешней оболочкой находится оболочка спор, состоящая из кератинового белка и экзоспориума, состоящего из липопротеиновой мембраны.
В зависимости от положения эндоспора внутри вегетативной клетки он может быть расположен централизованно, субтеррально или в конце.
Характеристика споров клостридий — их больший диаметр, чем у растительной клетки, которые в своем образовании раздувают ее в области ее образования. Из-за этого клетка имеет шпиндельную форму.
Споры рода Bacillus расположены централизованно и не приводят к росту вегетативной формы.
Устойчивость к спорам бактерий
Оболочка эндоспора сложна и обусловлена исключительной устойчивостью к различным химическим и физическим факторам. Они устойчивы к ультрафиолетовому излучению, сушке, высокотемпературному, экстремальному замораживанию и химическим дезинфицирующим средствам. Через него никакие химикаты или вода не могут проникнуть.
Состояние называется анабиозом и характеризуется полностью увлажненными метаболическими процессами. В этом состоянии споры могут сохраняться годами. К примеру, anacrax bacillus (Bacillus antracis) образует споры в почве после смерти животных, перенесших сибирскую язву.
В этом состоянии споры остаются жизнеспособными на срок до 50 лет.
Напротив, вегетативные формы спорообразующих бактерий и других микроорганизмов выживают в температуре от 100 ° С до 1-2 мин. В такой среде споры могут выжить в течение 2 часов.
В автоклаве при 121 ° С споры погибают примерно через 15 минут и в сухом стерилизаторе со скоростью. от 160 до 180 ° С в течение 1-2 часов. Их высокая термостойкость обусловлена присутствием в коре споры дипиколиновой кислоты и ионов магния.
Способы стерилизации согласуются с наиболее устойчивыми формами жизни — бактериальными спорами.
Клетки роста спорообразующих клеток восстанавливаются, когда споры попадают в подходящие условия. Этот процесс происходит на трех основных этапах:
Окрашивание спор происходит с помощью сложных методов, таких как Пешков. В других методах окрашивания споры рассматриваются как легкие огнеупоры из-за конденсации их цитоплазмы. Споры также можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, который в основном используется в исследовательских целях.
Спорообразующие бактерии
В эту группу входят бактерии разной морфологи, большинство из них окрашивается по Граму положительно. Клетки обычно подвижные за счет перитрихиальных жгутиков, образуют устойчивые к нагреванию, сильно преломляющие свет эндоспоры. В группу входят пять основных родов: Bacillus,
Sporosarcina, Sporolactobacillus, Clostridium и Desulfotomaculum.
Первичное таксономическое деление основано на отношении к молекулярному кислороду. Роды Bacillus и Sporosarcina – облигатные аэробны и факультативные анаэробы. Представители рода Bacillus – грамположительные палочковидные, рода Sporosarcina – грамположительные кокковидные бактерии.
Представители родов Clostridium и Desulfotomaculum являются облигатными анаэробами.
Бактерии рода Clostridium окрашиваются по Граму положительно и синтезируют энергию в основном за счет брожения. Бактерии рода Desulfotomaculum по Граму окрашиваются отрицательно, хотя имеют клеточную стенку грамположительного типа, энергию получают путем анаэробного сульфатного дыхания. Бактерии рода Sporolactobacillus – микроаэрофилы. Клетки палочковидные, подвижные, грамположительные.
Метаболизм бродильный, осуществляют гомоферментативное молочнокислое сбраживание гексоз с образованием молочной кислоты. Клетки не содержат каталазы и цитохромов. Типовой (и единственный) вид Sporolactobacillus inulinus.
Наиболее широко распространенных относятся бактерии родов Bacillus и Clostridium.
К роду Bacillus относятся аэробные или факультативно-анаэробные палочковидные бактерии, большинство из них подвижны. Хемоорганотрофы. Метаболизм строго дыхательный, строго бродильный или дыхательный и бродильный одновременно. Некоторые способны получать энергию за счет нитратного дыхания.
Для большинства характерно брожение с образованием 2,3-бутандиола, глицерина и СО2, а также небольших количеств молочной кислоты и этанола. Можно разделить на три группы, по структуре и внутриклеточной локализации эндоспор:
1. Споры овальные, расположение их в материнской клетке централь-ное, растяжение клетки спорой не происходит. У большинства бацилл (B. subtilis, B. cereus, B.
megaterium, B. anthracis, B. thuringiensis).
2. Споры овальные, имеющие толстую оболочку с выростами, расположение их в материнской клетке центральное. Они «растягивают» клетки изнутри (B. polymyxa, B. stearothermophilus).
3. Споры сферические, расположение полярное. Эндоспоры «растягивают» кл-ку (B. pasteurii).
Представителями патогенных бацилл являются B. anthracis и B. thuringiensis. B. anthracis – возбудитель сибирской язвы (нуждающиеся в факторах роста неподвижные бактерии с пептидной капсулой, содержащей в большом количестве D- и L-формы глутаминовой кислоты). B. thuringiensis – возбудитель паралитического заболевания у гусениц многих чешуекрылых насекомых.
Каждая спорулирующая клетка бактерий B. thuringiensis образует примыкающий к споре кристалл, состоящий из Cry-белков или из Cyt-белков. Специфичность действия Cry-белков очень высока.
Бактерии рода Bacillus являются активными продуцентами антибиотических веществ(полимиксины, колистин, бацитрацин). B. subtilis – для них описано более 70 различных антибиотиков. B.
Brevis, B. polymyxa, B. cereus, B. circulans, B. megaterium. Большинство антибиотиков – полипептиды, против грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также дрожжей и микроскопических грибов. Антибиотик бутирозин, продуцируемый бактериями B. circulans, является аминогликозидом, а антибиотик протицин бактерий B. licheniformis – фосфосодержащим триеном.
Анаэробные спорообразующие бактерии рода Clostridium – палочки с закругленными концами, часто расположенные в парах или коротких цепочках. Большинство из них. Образуют овальные или сферические эндоспоры, располагающиеся субтерминально, центрально или терминально. Как правило, диаметр спор больше диаметра вегетативной клетки.
Большинство штаммов рода Clostridium – облигатные анаэробы, хотя некоторые могут расти в присутствии воздуха. Хемоорганотрофы, энергию получают в основном за счет маслянокислого брожения. Возбудителями классического маслянокислого брожения являются C. butyricum, C. pasteurianum, C. rubrum.
В качестве основных продуктов они образуют масляную и уксусную кислоты, углекислый газ и молекулярный водород. Другие (C. acetobutyricum, C. felsineum, C. sporogenes) осуществляют ацетонобутиловое брожение, кроме масляной кислоты образуются нейтральные продукты: ацетон, бутиловый, этиловый, изопропиловый спирты.
Сбраживают большое число субстратов, включая полисахариды, белки, аминокислоты и пурины. В зависимости от вида сбраживаемого субстрата:
• сахаролитические, использующие в качестве субстратов моносахара, крахмал, пектин, целлюлозу и другие вещества углеводной природы (C. pasteurianum, C. butyricum, C. acetobutyricum, C.
• протеолитические, сбраживающие белки, пептиды, аминокислоты (C. botulinum, C. tetani, C. putribicum, C. sporogenes, C. histolyticum и др.);
• пуринолитические, сбраживающие гетероциклические азотсодержащие соединения – пурины и пиримидины (C. acidiurici, C. cylindrosporum).
Для них выявлена потребность в определенных витаминах и наборе аминокислот. Для многих сахаролитических клостридий характерна способность фиксировать атмосферный азот. Естественной средой их обитания является почва, особенно ее глубокие слои, ил различных водоемов, сточные воды, кишечный тракт травоядных животных и человека. К сапрофитным относятся C.
pasteurianum, C. acetobutyricum, C. butyricum (типовой вид). Патогенные клостридии: C. tetani – возбудитель столбняка; C. botulinum – возбудитель ботулизма; C. histolyticum, C. septicum, C. perfringens, C. novyi, C. sordelli – возбудители газовой гангрены. Патогенные клостридии, как правило, относятся к протеолитическим.
Спорообразующие бактерии
По современным представлениям, аэробные спорообразующие бактерии, или бациллы, объединяются в отдельный род Bacillus семейства Bacillaceae.
Этот род, включающий много разнообразных видов, имеет ряд характерных особенностей и отличается от других бактериальных организмов комплексом морфолого-физиологических признаков, из которых наиболее важными являются палочковидная форма клеток, способность образовывать эндоспоры, потребность в свободном кислороде для роста. Эндоспоры образуются внутри бактериальной клетки и представляют собой тельца округлой или овальной формы. Споры у бактерий образуются при не благоприятных условиях их существования: обеднении питательной среды, изменения ее влажности и pH, старения культуры, а также при попадании вегетативных клеток в почву. Спорообразование не является способом размножения у бактерий, а служит для сохранения вида.
Процесс спорообразования начинается с появления в цитоплазме бактериальной клетки уплотненного участка, называемого «спорогенная зона», в котором содержится нуклеоид. Затем спорогенная зона обособляется от остальной цитоплазмы с помощью врастающей внутрь с обеих сторон ЦПМ.
В дальнейшем мембрана клетки начинает обрастать отдельную спорогенную зону, образуя двойную мембранную оболочку. Далее между наружным и внутренним слоями мембраны образуются так называемый кортикальный слой, или кортекс, состоящий из пептидогликана.
С внешней стороны наружной мембраны образуется оболочка споры, состоящая из белков, липидов и гликопептидов, после чего вегетативная часть клетки лизируется, освобождая спору.
Устойчивость спор к действию физических и химических факторов затрудняет борьбу со спороносными патогенными бактериями, которые в виде спор могут сохраняться во внешней среде длительное время без потери своей жизнеспособности.
Прорастание спор в вегетативные клетки начинается при их попадании в благоприятные условия существования. При этом спора набухает в результате увеличения в ней содержания воды, происходит активирование ферментов, энергетических и биосинтетических процессов.
Начинает разрушаться кортекс, исчезает дипиколиновая кислота, затем оболочка споры разрывается и из нее выходит сформировавшаяся ростовая трубка. Далее синтезируется клеточная стенка, и сформировавшаяся вегетативная клетка начинает делиться.
Процесс прорастания споры в вегетативную клетку происходит значительно быстрее (4-5 ч), чем спорообразование (18-20 ч).
Споры различных бактерий отличаются по форме, размеру и положению в клетке. У сирибреязвенных бацилл спора располагается в центре клетке, ее диаметр не превышает поперечника бактерии. Споры клостридий имеют овальную форму, их диаметр больше, чем поперечный размер бактерии. Клетка со спорой, расположенной в центре, приобретает веретенообразную форму.
Большинство видов является грамположительными бактериями, часть — грамвариабильными. Клетки хорошо окрашиваются обычными анилиновыми красками.
Ни один представитель рода не является типично кислотоустойчивым организмом. У многих видов отмечается наличие внутриклеточного жира, гликогена, волютина и других включений.
Капсула встречается лишь у сибиреязвенного бацилла и некоторых других видов при специфических условиях роста.
В бактериальных клетках в общем количестве оснований ДНК 32-65 мол. % гуанина и цитозина.
Большинство видов, исключая некоторые, главным образом энтомопатогенные, формы, хорошо растет на мясопептонном агаре (МПА) при реакции среды, близкой к нейтральной. Отдельные виды развиваются в щелочной среде ж требуют особых источников азота или углерода.
Культуральные особенности видов, выросших на разных средах, резко различны. На твердых питательных средах образуются колонии от 1-2 до 5 мм и более в диаметре: гладкие, зернистые, пленчатые, складчато-морщинистые и сухие, слизеобразующие и пастообразные с характерной структурой края. При развитии на жидких средах обнаруживается тенденция к образованию поверхностной пленки.
Некоторые аэробные бактерии — возбудители болезней. Bac. anthracis вызывает сибирскую язву у человека и животных; Bac. larvae — возбудитель американского гнильца медоносной пчелы; Bac. alvei и Bac.
pulvifaciens трактуются как организмы, играющие определенную роль в болезнях пчел; Bac. popilliae и Bac. lentimorbus — возбудители молочной болезни японского жука; некоторые виды группы Bac.
cereus-thuringiensis вырабатывают специфические энтомоцидные токсины.
Классификация видов аэробных спорообразующих бактерий разработана недостаточно полно. Одной из причин этого является ограниченность различий во внешних признаках бактерий.
Известно, что большинство видов различаются между собой малозначимыми признаками строения и развития клеток, по форме колоний, а также физиологическим признакам.
Многие вопросы биологии спороносных бактерий требуют глубоких исследований.
Классификация, основанная на различиях в способности аэробных спорообразующих бактерий сбраживать субстраты, предусматривала подразделение этих организмов на три группы по способности сбраживать глюкозу и образовывать ацетилметилкарбинол.
Согласно другой классификации, которую в настоящее время используют наиболее часто, данный род бактерий разделяется на три группы по соотношению поперечных размеров спор и вегетативных клеток.
Группа I — наиболее обширная — включает виды спороносных бактерий, у которых не отмечается отчетливого раздувания спорангия в процессе образования спор. Группа II объединяет бактерии, образующие овальные споры, раздувающие спорангий.
Группа III охватывает бациллярные виды, характеризующиеся округлыми или шаровидными спорами, раздувающими спорангий; объединяет редко встречающиеся виды спорообразующих бактерий.
Вопросы классификации различных видов аэробных спорообразующих бактерий разрабатывались многими отечественными авторами. Особенно тщательно были изучены морфологофизиологические особенности отдельных групп и видов этих бактерий Е. Н.
Мишустиным с сотрудниками.
Данные этих исследований свидетельствуют о большом многообразии видов и экологических разновидностей спорообразующих бактерий в зависимости от мест их обитания, почвенно-климатической зональности и микробного ценоза разных типов почв.
В настоящее время для определения видов спорообразующих бактерий наряду с морфолого-физиологическими особенностями используют и многие другие признаки.
Важными критериями для определения и дифференциации бактерий являются отношение к действию специфичных фагов, агглютинация с гомологичными сыворотками к споровому, соматическому и жгутиковому антигенам, рост при высокой концентрации солей, различной температуре и т. п.
Многие отмеченные особенности применяются для внутривидового подразделения и выделения культур спороносных бактерий в отдельные разновидности, серотипы и другие мелкие систематические подразделения. В ряде случаев некоторые признаки служат основой для выделения культур спорообразующих бактерий в новые виды.
Так, например, в качестве новых видов описаны психрофильные, развивающиеся при низкой температуре культуры спорообразующих бактерий. Подобным же образом выделены некоторые активные продуценты амилолитических и целлюлолитических ферментов.
В литературе было описано много новых видов бацилл, патогенных для некоторых насекомых, растений и животных, что в большинстве случаев не подтвердилось в последующие годы.
Аэробные спорообразующие бактерии относятся к гетеротрофам, т. е. к микроорганизмам, нуждающимся в готовых органических соединениях. Для огромного большинства спорообразующих бактерий лучшими источниками азотного питания являются белки и аминокислоты сложных органических соединений. На средах с минеральными соединениями азота большинство этих бактерий развивается слабо.
Спорообразующие бактерии обладают активными протеолитическими ферментами. Они разлагают сложные белковые соединения на аминокислоты, а затем и на более простые азотистые вещества и аммиак.
Способность спорообразующих бактерий к энергичному разложению сложных органических соединений до простых продуктов распада стала основой для физиологической характеристики этой группы бактерий как активных аммонификаторов.
Однако различные виды спорообразующих бактерий по-разному относятся к источникам азотистого питания.
Так, например, культуры группы сенного и картофельного бацилла более энергично сбраживают углеводы с образованием разнообразных промежуточных соединений.
Для наиболее распространенных видов спорообразующих бактерий лучшими источниками азотного питания оказались пептон, гидролизат казеина, автолизат дрожжей, и мочевина.
Среди почвенных аэробных спорообразующих бактерий имеются виды, которые довольно хорошо развиваются на безазотистой среде. К ним относятся олигонитрофильные бактерии, обладающие способностью усваивать атмосферный азот.
Эти микроорганизмы характеризуются слабой азотфиксирующей способностью, однако их накопление в почве может значительно содействовать обогащению ее азотом.
В этом отношении всестороннее изучение данной группы микроорганизмов представляет большое значение для повышения плодородия почв.
Большинство видов спорообразующих бактерий, широко распространенных в почве, обладает способностью использовать в качестве источника азота нитраты.
Благодаря этому они вызывают процессы восстановления нитратов (денитрификацию) и переводят их в состав органических азотистых соединений. Таким образом, спорообразующие бактерии усваивают азот из различных источников в неодинаковой степени.
Одни предпочитают аммонийный азот, другие — азот аминокислот; многие хорошо потребляют азот нитратов, тогда как некоторыми он не усваивается или используется слабо.
Выбор способа очистки отработанного воздуха при культивировании спорообразующих бактерий
Е. В. Перушкина, А. Р. Хабибуллина, С. А. Александровский
ВЫБОР СПОСОБА ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ВОЗДУХА ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ
Ключевые слова: воздух, аэрозоль, удаление, споры, бактерии, культивирование.
Культивирование спорообразующих бактерий в технологическом процессе сопровождается возникновением аэрозолей бактериальных спор. Удаление микробных частиц из отработанного воздуха представляет важную задачу для обеспечения стерильности производства.
Целью данной работы является выбор системы очистки воздуха, отходящего с ферментации бактерий рода Bacillus, для дальнейшего его использования в качестве питательного газового субстрата для выращивания одноклеточной зеленой водоросли.
Предлагаются два варианта комбинированного удаления бактериальных спор из газовых потоков, включающие физические и химические методы стерилизации.
Keywords: air, aerosols, removal, spores, bacteria, cultivation.
The cultivation process of spore-forming bacteria is followed by the bacterial spore aerosols formation. The removal of those particles is a major task to increase sterility of the production.
The aim of the work presented here is a choice of the air cleaning system for the cultivation process of bacteria Bacillus sp. That airflow will be used as a nutrient gas substrate for the unicellular green algae cultivation.
This study demonstrates two combined air cleaning systems for the bacterial spores’ removal by physical and chemical sterilization methods.
В настоящее время область применения спорообразующих бактерий в биотехнологической промышленности очень широка. Согласно современным исследованиям известно более 15 родов бактерий, способных к образованию эндоспор, среди них рр.
Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sporosarcina [1].
Важнейшими биотехнологическими продуцентами считаются бактерии рода Bacillus, которые применяются для производства препаратов микробных инсектицидов и фунгицидов, в частности штамм Bacillus subtilis 24Д (ВНИИСХМ 129) является действующим веществом микробиологического фунгицида «Интеграл»[2].
Бактериальные эндоспоры представляют собой внутриклеточные тельца сферической или эллиптической формы, появляющиеся обычно при недостатке питательных веществ в среде или накоплении в большом количестве продуктов обмена. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако у отдельных видов Clos-tridium и других родов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами.
Споры представляют собой стадию покоя бактерии и приспособлены для выживания в неблагоприятных условиях среды, таких как высушивание, нагревание до 150-160 °С в течение нескольких часов, кипячение; воздействие низких температур, радиации, давления, агрессивных химических соединений, ферментов, антибиотиков [1]. Достаточно высокая устойчивость спор к ферментам, ядам, органическим растворителям объясняется барьерной ролью белковых покровов споры.
При культивировании спорообразующих бактерий в технологических процессах необходимо контролировать чистоту и стерильность не только воздуха, подаваемого в больших количествах на аэрацию, но и чистоту отходящих газов и воздуха лабораторных и производственных помещений. Также важна очистка и стерилизация воздуха, который используется для вентиляции цехов и боксов,
для передачи под давлением стерильных культу-ральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях [3]. Очистка газов, образующихся в процессе ферментации, представляет собой отдельную задачу, в силу повышенной загрязненности этих газов микробными частицами.
В настоящее время в комплексной лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» ФГ БОУ ВПО Казанский Национальный Исследовательский Технологичес-кий Университет выполняются исследовательские работы по созданию технологической линии производства биологически активных веществ ветеринарного назначения.
Для отработки режимов выращивания ино-кулята и посевного материала С. Г. Мухачевым, Р.Т. Валеевой и В.М. Емельяновым разработан лабораторный биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания [4], осуществлено моделирование периодического роста посевной культуры при различной величине удельной поверхности мембраны [5].
В качестве продуцентов выбраны культуры спорообразующих бактерий рода Bacillus.
В соответствии с проектом предлагается задействовать отходящий воздух с ферментации, содержащий углекислый газ, в качестве питательного газового субстрата для выращивания водоросли. Основная задача при данной компоновке процессов – обеспечить стерильность воздуха, выходящего с первой ферментации.
Практика отечественных и зарубежных предприятий микробиологической промышленности показывает, что степень очистки аэрирующего воздуха, взятого из атмосферы, для достижения его стерильности составляет 99,9999999%.
Такая высокая степень очистки достигается за счет двухступенчатой очистки аэрирующего воздуха перед биореактором (обычно с помощью волокнистых фильтров), плюс грубая очистка заби-
раемого из атмосферы воздуха на масляных фильтрах. Что в совокупности и обеспечивает достижение требуемой чистоты.
В то же время, требования к очистке газовых выбросов биотехнологических производств бывшего СССР всегда были ниже, и очистка отходящих газов обычно ограничивалась улавливанием аэрозолей с помощью тканевых фильтров и аппаратов мокрой очистки (абсорберов Вентури) с эффективностью порядка 99%.
Повышение степени очистки отходящих газов – актуально, но затратно. В нашем случае появляются весомые аргументы в пользу этих затрат.
Предлагается не выбрасывать отходящий воздух с повышенным содержанием углекислого газа в атмосферу, а использовать его (с доочисткой) в качестве субстрата для следующего по цепи процесса – выращивания водоросли. Т.е.
употребить его повторно и снизить содержание СО2. Поэтому стоит задача компоновки системы очистки из существующих способов и устройств.
Все используемые в настоящее время способы очистки и обеззараживания воздуха (газов) можно разделить на физические и химические.
К физическим методам относятся фильтрация газов, обработка ультрафиолетовым излучением, тепловая стерилизация.
Химические методы предполагают использование химических веществ, вызывающих гибель микроорганизмов и малоопасных для человека, таких как триэтиленгликоль, молочная кислота, хлорсодержащие соединения.
Для удаления аэрозольных микробных частиц из воздуха чаще используются волокнистые или пористые материалы.
К числу первых относятся бумаги, картоны, фильтрующие маты из полимерных волокон, ко вторым – микропористые мембраны из полимеров, керамики, металлических порошков [3].
При выборе типа фильтра руководствуются их стоимостью, производительностью по воздуху и гидравлическим сопротивлением (при равной степени очистки). Пористые мембраны имеют значительно большее АР и, поэтому, проигрывают по экономическим показателям, хотя долговечны.
Типичными представителями волокнистых фильтров тонкой очистки газов (воздуха) являются известные фильтры Петрянова и фильтры НЕРА. Они состоят из полимерных волокон со средним диаметром 1,5 мкм и способны эффективно задерживать аэрозольные частицы размером свыше 0,3 мкм.
Эффективность фильтров тонкой очистки достигает 99,9999% [6]. Испытания фильтров НЕРА в идеальных лабораторных условиях, показали, что они могут удалять споры бактерий с эффективностью 99,9999% и вирусы с эффективностью 99,999%.
Но исследования фильтров в ходе эксплуатации показали, что в реальных условиях показатели фильтров НЕРА никогда не достигают величин, по-
лученных в лабораториях. НЕРА фильтры не предназначены для задержания частиц с размерами менее 0,3 мкм, а это размеры микробактерий и всех вирусов.
Стерилизация ионизирующим излучением допустима в условиях малой производительности.
Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха включает в себя выбор условий и системы обеззараживания, а также режима и длительности облучения [7].
Экспериментальные значения антимикробной активности поверхностной H(S) и объемной H(V) доз (экспозиций) при различном уровне бактерицидной эффективности 1(БК) для некоторых микроорганизмов приведены в табл. 1
Таблица 1 – Значения поверхностной H(S) и объемной H(V) доз (экспозиций) при различном уровне бактерицидной эффективности Л(БК) для некоторых микроорганизмов [7]
Вид микроорганизма H(S П1 ), Дж/кв. м ри ДБК) H(V), Дж/куб. м при ДБК)
90% 95% 99,9% 90% 95% 99,9%
Bacillus anthracis 45 63 87 118 185 507
Bac. megatherium 11 17 25 30 50 146
Bac. megatherium (spores) 273 357 520 718 1046 3032
Bac. paratyphosus 32 44 61 84 129 356
Bacillus subtilis (mixed) 71 89 110 187 261 641
Bacillus subtilis 305 398 580 802 1166 3380
Таким образом, для Bacillus subtilis достижение бактерицидной эффективности 99,9% возможно при дозе объемной экспозиции 3,38 Дж/л.
Возможности применения химических де-зинфектантов для стерилизации газовых потоков следует рассматривать в связи с конструкциями аппаратов, из которых можно выбрать насадочные или тарельчатые абсорберы, скрубберы.
Предлагаются два варианта исполнения системы очистки воздуха с использованием физических и физико-химических методов очистки. В первом предлагается использование физических методов очистки воздуха для стерилизации выходящих из ферментера газов. Схема данного фильтра приведена на рис. 1.
Очистка воздуха в рассматриваемой схеме будет проходить в два этапа: Первый – задержание вегетативных клеток и спор на волокнистом фильтре Петрянова фланцевой конструкции со сменной фильтрующей кассетой (материал – БСТВ, полистирол или перхлорвинил).
Проскок частиц для этого фильтра может составлять 0,01-0,1%. Поэтому считаем необходимой наличие второй стадии очистки.
Для уничтожения спор, проникающих за фильтр, предлагается использовать обработку отходящего воздуха водяным паром. Установка (рис. 1) предусматривает паровую камеру с инжекцией острого пара, и последующий охладитель для отделения конденсата пара. В холодильнике водяной пар
конденсируется, а очищенныи воздух продолжит движении по технологической цепи. Конденсат стекает в камеру нагрева, где за счет подвода тепла происходит образование пара, подаваемого на стерилизацию воздуха.
Рис. 1 – Очистка воздуха на основе физических методов: 1 – фильтр, 2 – диффузор, 3 – термокамера выдержки, 4 – холодильник, 5 – сборник конденсата, 6 – нагреватель
Второй вариант системы очистки (рис.2) совмещает в себе действие как физических, так и химических методов. В качестве первой ступени предлагается трехсекционный насадочный абсорбер [8]. Или возможно применение тарельчатого газопромывателя из 2-3 ступеней.
Рис. 2 – Система очистки воздуха с использованием физико-химических методов: 1 – абсорбер, 2 – насадочная секция, 3 – камера УФ облучения, 4 – циркуляционный насос
Жидкий сорбент представляет собой водный раствор химических веществ, обладающих бактерицидными свойствами, например, пероксид водорода или хлорамин. Материал для насадок выбирается исходя из устойчивости этого материала к воздействию температур, химических соединений, например, керамика или металл [9].
В качестве второй ступени очистки газа для его полной стерилизации после абсорбера устанавливается камера ультрафиолетового облучения.
Если сопоставлять предложенные варианты, то первый более компактен, но у него больше гидравлические потери.
Значение степени очистки на данном этапе можно полагать только оценочно, а в случае ее недостаточности – наращивать число или качество фильтровальных перегородок (естественно, с дополнительными гидравлическими потерями).
К недостаткам абсорбционного метода можно отнести образование и накопление осадков [9]. А непрерывное функционирование ультрафиолетовых излучателей потребует их изоляции от работников.
Реализация предлагаемых систем очистки позволит использовать отходящие газы как субстрат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов или выбрасывать их в атмосферу с минимальными негативными последствиями для окружающей среды.
1. М.В. Гусев, Л.А. Минеева. Микробиология. Академия, Москва, 2003. 464 с.
3. И.В. Тихонов, Е.А. Рубан, Т.Н. Грязнева, А.Я. Самуй-ленко, В.А. Гаврилов. Биотехнология. ГИОРД, Санкт-Петербург, 2008. 704 с.
4. М.Ф. Шавалиев, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Д.С. Виноградов, В.М. Емельянов. Вестник Казанского технологического университета, 5, 150-153 (2011).
5. С.Г. Мухачев, Ю.П. Александровская, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов. Вестник Казанского технологического университета, 2, 168-171 (2003).
7. Руководство Р 3.5.1904-04.
8. Ю.И. Дытнерский. Основные процессы и аппараты химической технологии. Химия, Москва, 1991. 496 с.
9. Лабораторный практикум по процессам и аппаратам химической технологии / под ред. проф. Г.С. Дьяконова; Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2005. 236с.
© Е. В. Перушкина – канд. техн. наук, доцент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, elena.peroushkina@gmail.com; А. Р. Хабибуллина – студент группы 612-121 каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, aida_khabibullin@mail.ru; С. А. Александровский – канд. техн. наук, доцент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, alex-androvsky@rambler.ru.
© E. V. Perushkina – candidate of technical science of industrial biotechnology department, KNRTU, elena.peroushkina@gmail.com; A. R. Khabibullina – student of industrial biotechnology department, KNRTU, aida_khabibullin@mail.ru; S. A. Alexandrovskiy – candidate of technical science of industrial biotechnology department, KNRTU, alex-androvsky@rambler.ru.
Споры бактерий | Санитарный контроль
Некоторые бактерии обладают способностью образовывать споры. Это относится прежде всего к палочковидным формам; у кокков спорообразование встречается редко, а для вибрионов и спирилл оно отсутствует.
Процесс спорообразования заключается в том, что в определенном месте бактериальной клетки цитоплазма начинает сгущаться, затем этот участок покрывается довольно плотной оболочкой. Остальная часть клетки постепенно разрушается.
Таким образом, бактериальная клетка в течение нескольких часов превращается в спору.
В бактериальной клетке спора может располагаться центрально, на конце или занять промежуточное положение (субтерминальное). Споры различных видов имеют неодинаковую форму. Они могут быть шаровидными, овальными. Иногда диаметр спор превышает толщину клетки, и это приводит к ее деформации — вздутию.
Эти особенности спорообразования у различных бактерий являются довольно постоянными признаками и часто используются в диагностике, т. е. при распознавании бактерий. Спорообразование стимулируется наступлением неблагоприятных для развития условий, обеднением питательной среды.
Жизненные процессы обменного характера, например дыхание, хотя и происходят в спорах, но, крайне замедленно.
Споры более устойчивы, чем вегетативные формы этих же бактерий, к действию проникающей радиации, ультразвука, высушиванию, замораживанию, разрежению, гидростатическому давлению, действию ядовитых веществ и др.
Споры некоторых бактерий остаются жизнеспособными даже после нахождения в течение 20 мин в кипящей концентрированной кислоте.
Устойчивость спор повышается при их предварительном обезвоживании.
Термостойкость спор можно объяснить сравнительно невысоким содержанием свободной воды в цитоплазме (по некоторым данным, всего 40 %) и относительно большим содержанием сухого вещества (в основном белка). Плотная, многослойная оболочка хорошо защищает споры от проникновения вредных веществ.
Благодаря способности к образованию спор, обладающих исключительно высокой устойчивостью к внешним воздействиям, спорообразующие бактерии остаются жизнеспособными при крайне неблагоприятных условиях.
Подавление жизнеспособности и уничтожение спорообразующих бактерий являются одной из основных практических задач консервной промышленности, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов.
Споры являются особой, устойчивой формой существования бактерий, способствующей сохранению данного вида. Спорообразование у бактерий не связано с размножением, так как бактериальная клетка способна образовывать лишь одну спору.
Если споры попадают в благоприятные условия, каждая из них в течение нескольких часов превращается в обычную (вегетативную) бактериальную клетку. Вначале лопается оболочка споры, а затем в этом месте появляется проросток клетки, постепенно превращающийся в нормальную клетку.
Прорастание длится несколько часов. В практике нередко приходится наблюдать так называемые «дремлющие» споры.
Это те, которые отстают от общей массы в скорости прорастания и, сохраняя жизнеспособность в течение долгого времени, могут прорастать постепенно через продолжительные сроки, исчисляемые временем от нескольких суток до многих лет.
Способность к образованию спор учитывается в систематике бактерий, при выборе методов стерилизации пищевых продуктов, оборудования, инвентаря. Спорообразование может утрачиваться при частых пересевах бактерий на свежую среду, культивировании их при высоких температурах.
Спорообразующие бактерии
ПЕРМСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ