Экология микроорганизмов Методы исследования микроорганизмов Методы микроскопирования

Экология микроорганизмов

Методы исследования микроорганизмов Методы микроскопирования Обычная световая микроскопия Люминисцентная микроскопия Сканирующий электронный микроскоп Просвечивающий электронный микроскоп

Метод посева Исследуемый субстрат Стерильная вода RPM Десорбирование Посев суспензии на питательную среду Инкубация Выделение чистых культур Подсчет колоний

Молекулярно-биологические методы, основанные на использовании ДНК-зондов: метод FISH Клетки в исходном образце Флюоресцирующая молекула Комплементарная олигонуклеотидная последовательность Рибосомальная РНК Фиксация Фиксированные клетки Рибосомы Фиксированный препарат Олигонуклеотидные последовательности, связанные с флуоресцирующей молекулой Результат: окрашены только клетки с комплементарными последовательностями р. РНК, они светятся в люминисцентном микроскопе

Молекулярно-биологические методы: анализ суммарной ДНК Камера для электрофореза Центрифугирование Фильтрование Отделение микробных клеток Разрушение клеточных стенок (лизоцим) Амплификатор Амплификация генов 16 S р. РНК Градиент температуры (TGGE) или концентрации денатурирующего вещества (DGGE) Градиентный гель-электрофорез Природный образец Гелевая пластинка

Функциональная структура микробного сообщества: метод мультсубстратного тестирования (МСТ) Отбор проб Инкубация Приготовление суспензии Регистрация Раскапывание планшетов Анализ данных Основан на определении способности микробного сообщества к утилизации различных источников углерода. В каждую лунку планшета вносится определенный источник углерода, исследуемая суспензия микроорганизмов и индикатор. После инкубации степень окраски лунки зависит от активности потребления субстрата.

Прокариоты

Архебактерии (археи) Отличительные особенности: Классификация 1. Своеобразие рибосомальных и транспортных РНК 2. В составе мембран – многоатомные спирты (а не жирные кислоты) 3. Особое строение клеточных стенок (с белковым слоем) 4. Уникальные биохимические процессы (метаногенез) Археи Кренархеоты Эвриархеоты Метанообразующие Галофильные 5. Большинство – экстремофилы 6. Неспособны к паразитизму Термоацидофильные

Кренархеоты: Sulfolobus acidocaldarius - Факультативные автотрофы, за счет окисления S 0, H 2 S - Обитают в горячих вулканических источниках, p. H 2 -3, T 75 -80°C - Биотехнологическое значение: источник термостабильных ферментов Клетки Sulfolobus acidocaldarius Горячий серный вулканический источник – местообитание Sulfolobus acidocaldarius

Кренархеоты: Pyrodictium occultum Получают энергию за счет окисления серы: H 2 + S → H 2 S Гипертермофилы: 100 -110 ºС Обитают в гидротермах Черный курильщик Отложения серы Фильтрация воды Магма Гидротерма, или «Черный курильщик» Схема строения «Черного курильщика»

Эвриархеоты: метанобразующие археи Строгие анаэробы Места обитания: 1. Анаэробная зона водоемов, богатых органическими соединениями (речные и озерные илы, болота). Основной энергетический процесс: 4 H 2 + CO 2 → CH 4 + 2 H 2 O Реже – другие источники: Формиат: 4 HCOOH → CH 4 + З CO 2 + 2 H 2 O Окись углерода: 4 CO + 2 H 2 O → CH 4 + З CO 2 2. Заболоченные почвы 3. Кишечный тракт животных Ацетат: CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 Methanococcus Methanomicrobium Methanosarcina

Эвриархеоты: галофильные археи Способны к росту в насыщенных растворах Na. Cl (250 -300 г/л) Гетеротрофы, но на свету образуют красный пигмент бактериородопсин (аналогичен родопсину человеческого глаза), участвующий в синтезе АТФ Места обитания – соляные озера, солончаки, соленые продукты. Соленое озеро, красное от развития галобактерий Скопления соли на берегу Мертвого моря Ретиналь (пигмент бактериородопсина) Halobacterium halobium

Эвриархеоты: термоацидофильные археи Устойчивы к низким p. H (<2, до 0 !) Термофилы – оптимальная температура роста >50ºС Места обитания – горячие и кислые вулканические источники Thermoplasma acidophilum Picrophilus torridus

Эубактерии Морфо-физиологическая классификация Берджи На основе фенотипических признаков Филогенетическая классификация На основе 16 S р. ДНК Эукариоты Эубактерии Археи ●Цианобактерии ●Фототрофные бактерии ●Миксобактерии и цитофаги ●Простекобактерии ●Спирохеты ●Спириллы ●Псевдомонады ●Клубеньковые бактерии ●Энтеробактерии (кишечные) ●Хемолитотрофные бактерии ●Бациллы ●Анаэробные спорообразующие бактерии ●Коринеподобные бактерии ●Актиномицеты

Морфологическое разнообразие бактерий

Цианобактерии Gleocapsa Chamaesiphon Хамесифоновые Хроококковые Nostoc Spirulina Гормогониевые

Природные местообитания цианобактерий «Цветение» воды Эндолитические цианобактерии Пустынный «краст» Эктремальные местообитания (вулканические источники) Цианобактерии – компоненты лишайников Строматолиты

Зеленые и пурпурные фототрофные бактерии Аноксигенный фотосинтез, содержат бактериохлорофилл Факультативные или облигатные анаэробы В основном водные обитатели на средних глубинах (проникает свет, низкая концентрация O 2) Строение клетки: внутриклеточные мпмбраны, содержащие бактериохлорофилл Капли серы в клетках Chlorobium Признак Горячий источник с массовым развитием зеленых бактерий Пурпурные бактерии Несерные Серные Морфология различных фототрофных бактерий Зеленые бактерии Нитчатые Серные Донор электронов Органические соединения, H 2 S, S 0, H 2 Органические соединения, S 2 O 3 H 2 S, S 0, H 2 Источники углерода Органические соединения, CO 2 Отношение к O 2 Факультативные анаэробы Облигатные анаэробы Представители Rhodospirillum Thiospirillum Chloroflexus Chlorobium

Миксобактерии Клетки способны к скользящему движению Образуют плодовые тела Цисты Размножение клеток Роение Плодовое тело Скопление клеток Экологические функции: ● Мощные гидролитики, разлагают целлюлозу, хитин – в подстилке, в почве ● Бактериолизис (лизис живых бактерий) – в основном на экскрементах животных

Простекобактерии Hyphomicrobium Prosthecomicrobium Asticcacaulis Ancalomicrobium Caulobacter Олиготрофы – способны жить в очень разбавленных растворах Эффективный метаболизм, выросты – для увеличения отношения поверхности к объему Места обитания – природные пресные воды, бедные минеральные горизонты почв

Спирохеты Аксиальная нить Клетка Двигаются за счет сокращения аксиальной нити, «вбуравливаясь» в среду. Способны передвигаться в вязких средах. Экологические особенности: 1. Сапротрофы в пресной и соленой воде, донных отложениях, гниющем иле 2. Возбудители заболеваний человека: сифилиса (Treponema), возвратного тифа (Borellia)

Псевдомонады Палочки с полярными жгутиками Аэробы Используют широкий круг питательных веществ Широко распространены в природе. Pseudomonas fluorescens Обычный обитатель почв и воды Pseudomonas syringae Паразиты растений Pseudomonas aeruginosa Факультативный патоген Инфекции после ран, ожогов

Клубеньковые бактерии Формируют клубеньки на корнях бобовых растений, в которых происходит симбиотическая азотфиксация. Клетка Rhizobium в почве Клетки Rhozobium Инфекционнй канал Корневой волосок 1. Бактерии «узнают» растение и начинают активно размножаться в районе корневых волосков 2. Клетки бактерий проникают в корень через инфекционный канал и внедряются в клетки корня 3. Инфицированные клетки корня интенсивно делятся и образуют клубенек. Бактероиды в клетках клубенька

Леггемоглобин Мутуализм клубеньковых бактерий и бобовых растений: Бактерии обеспечивают растения азотом Растения образуют белок леггемоглобин, защищающий нитрогеназу бактерий от кислорода Гемоглобин животных Леггемоглобин бобовых растений Имеют лишь 10% гомологии, но очень сходную третичную структуру

Энтеробактерии Escherichia coli – «кишечная палочка» – компонент нормальной кишечной микрофлоры человека и животных. Факультативный патоген (кишечные растройства). Salmonella, Shigella – возбудители кишечных инфекций (сальмонеллиоз, дизентерия). Yersinia pestis – возбудитель чумы E. coli – индикатор фекального загрязнения при санитарно-гигиеническом контроле окружающей среды Определение титра E. coli методом посева Серологическая тест-система для экспресс-определения присутствия E. coli

Хемоавтотрофные бактерии Группа Нитрифицирующие бактерии Окисляемый субстрат Окисленный Акцептор продукт электронов Представители Окисляющие аммоний NH 3 NO 2 - O 2 Nitrosomonas Окисляющие нитрит NO 2 - NO 3 - O 2 Nitrobacter H 2 S, S, S 2 O 32 - SO 42 - O 2, NO 3 - Fe 2+ Fe 3+ O 2 H 2 O O 2, NO 3 - Бактерии, окисляющие серу Железобактерии Водородные бактерии Nitrosomonas Nitrobacter Beggiatoa, Thiothrix, Achromatium Thiobacillus ferrooxidans Pseudomonas, Paracoccus Thiobacillus

Хемоавтотрофные бактерии, окисляющие серу Beggiatoa alba 2 H 2 S + O 2 → 2 S 0 + H 2 O Нитевидные клетки Beggiatoa alba с включениями серы Бактериальный мат на морском дне в Мексиканском заливе

Железобактерии Fe 2 O 3 Клетки Leptothrix

Спорообразующие бактерии Внешний чехол Эндоспора Внутренний чехол Кортекс Сердцевина Нуклеоид Клеточная стенка ДНК Эндоцитоз Оболочка споры (кортекс) Зрелая спора Мембрана Процесс формирования эндоспоры

Спорообразующие бактерии: бациллы Широко распространены, в основном сапротрофы в почвах, есть патогены животных Bacillus subtilis и Bacillus cereus Бациллы широко распространены в почвах: посев на мясопептонный агар из почвенной суспензии, прогретой 10 мин при 80ºC (пастеризация) Bacillus thuringiensis В процессе спорообразования образует белок, токсичный для многих насекомых. Используется как биологический инсектицид Bacillus anthracis Возбудитель сибирской язвы. Фигурировал как бактериологическое оружие

Спорообразующие бактерии: клостридии В основном – анаэробы Маслянокислое брожение: Глюкоза Ацетат Сбраживание аминокислот (реакция Стикленда) Бутират Основная функция в природе: анаэробное разложение органических соединений Clostridium difficile Clostridium tetani Clostridium butiricum Clostridium botulinum Анаэробное разложение пектина (мочка льна) Анаэробное разложение белка (гниение) Порча консервов (бомбаж) Газовая гангрена

Коринеподобные бактерии Своеобразное деление «защелкой» 1 -суточная культура 7 -суточная культура Палочки, распадающиеся на кокки Патогенные Corynebacterium diphtheriae – дифтерит Mycobacterium leprae – проказа Mycobacterium tuberculosis – туберкулез Эврибионтные сапротрофы Arthrobacter – преобладающие бактерии в минеральных горизонтах почв

Молочнокислые бактерии (кокки) Молочная кислота Streptococcus Leuconostoc Staphylococcus Молочнокислое брожение Силосование Квашение Кисломолочные напитки

Актиномицеты Мицелий Streptomyces Споры ● Мицелиальная организация ● Морфологическое разнообразие ● Активные гидролитики ● Основное местообитание – почва ● Экологическая роль – деструкция трудноразложимого органического вещества (целлюлоза, хитин, лигнин, гумус) ● Продуценты антибиотиков Антибиотическая активность