МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

3.4. ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ ПРОКАРИОТ

Многие бактерии способны образовывать структуры, помогающие им переживать в течение длительного времени неблагоприятные условия и возвращаться в вегетативные формы при попадании в подходящие для размножения условия. К таким структурам относятся эндоспоры, цисты, акинеты.

Эндоспоры образуют бактерии родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, Sporolactobacillus, Sulfobacillus и некоторые другие. Образование эндоспор у бактерий не связано с их размножением, так как одна вегетативная клетка образует лишь одну спору. Бактериальные эндоспоры представляют собой покоящиеся клетки грамположительных бактерий, которые формируются внутри цитоплазмы материнской клетки и обладают высокой устойчивостью к высоким температурам, дозам радиации.

Спорообразование у бактерий следует рассматривать как стадию покоя в жизненном цикле клетки, связанную обычно с действием неблагоприятных факторов среды. В благоприятных условиях вегетативные клетки этих микроорганизмов могут неограниченное время размножаться делением.

Факторы, индуцирующие спорообразование, различны: недостаток питательных веществ в среде, изменение pH, температуры, накопление в среде избытка продуктов метаболизма и др. Процесс спорообразования состоит из нескольких стадий (рис. 9).

Рис. 9. Схема формирования эндоспоры у бактерий и строение зрелой споры (Шлегель, 1987): а, б — процесс отделения протопласта споры; в, г, д — образование проспоры; е — зрелая спора: 1 — цитоплазма с нуклеоидом; 2 — плазматическая мембрана; 3 — клеточная стенка зародыша; 4 — кора споры (кортекс); 5 — внутренняя мембрана; 6 — наружная мембрана; 7 — экзоспориум

1-я стадия — подготовительная. В вегетативной клетке бактерий, переходящих к спорообразованию, прекращаются ростовые процессы, происходит изменение морфологии нуклеоидов, перестраивается метаболизм. Начинается усиленное накопление белкового материала, поэтому показатель преломления в месте образования споры возрастает. Этот участок клетки с уплотненной цитоплазмой и генетическим материалом, представляющим собой реплицированную хромосому, называется спорогенной зоной. В этот же период появляется новое, специфическое только для спор соединение — дипиколиновая кислота (рис. 9). Она образуется из мезо-диаминопимелиновой кислоты.

Дипиколиновая кислота образует с кальцием хелат — дипиколинат кальция, присутствие которого в зрелой споре обеспечивает ее высокую термоустойчивость.

2-я стадия — формирование проспоры. Цитоплазматическая мембрана впячивается вовнутрь, в результате чего часть протопласта отделяется от материнской клетки. Протопласт будущей споры обрастает плазматической мембраной будущей клетки, формируя проспору — структуру, расположенную внутри клетки и полностью отделенную от нее двумя мембранами — наружной (экзина) и внутренней (энтина).

3-я стадия — образование оболочек споры. Внутренняя мембрана протопласта проспоры синтезирует снаружи от себя стенку зародышевой клетки. Поверх наружной мембраны проспоры формируется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев. Между внутренней и наружной мембранами синтезируется кора споры — кортекс, представляющий собой пептидогликановыи каркас, который отличается от муреина степенью поперечной сшивки. У некоторых бактерий поверх оболочки споры образуется еще одна структура — экзоспориум. Часто экзоспориум многослойный и окружает спору в виде свободного чехла (например, у В. cereus).

4-я стадия — созревание споры. Спора приобретает характерную для данного вида форму и занимает определенное место в клетке. Различают центральное, эксцентральное (несколько смещенное от центра) и терминальное (на конце клетки) расположение. Спорообразующие аэробные бактерии, у которых диаметр споры не превышает диаметра клетки, называются бациллами, а спорообразующие анаэробные бактерии, у которых диаметр споры больше диаметра клетки, называются клостридиями (от лат. closter — веретено). Клостридии с терминально расположенными спорами называют плектридиями (рис. 10).

Рис. 10. Расположение спор у спорообразующих бактерий:

1,2 — бациллярное; 3,4 — клостридиальное; 5 — плектридиальное; 6 — латериальное

По мере созревания споры материнская клетка лизируется и спора освобождается. Строение зрелой споры у разных видов бактерий приблизительно одинаково. Центральная часть споры, в которой находится нуклеоид, окружена цитоплазматической мембраной; к ней прилегает муреиновый слой клеточной стенки зародыша, а далее идет мощный слой кортекса. На поверхности кортекса расположена наружная мембрана. Снаружи спора одета многослойной оболочкой. Оболочка споры состоит в основном из белков и в небольшом количестве — из липидов и гликопептидов.

По химическому составу споры существенно не отличаются от вегетативных клеток. Исключение составляет только дипиколиновая кислота, содержание которой может достигать 15 % от массы сухого вещества споры. Споры отличаются от вегетативных клеток более высоким содержанием липидов; особенно велика их концентрация в оболочках.

Прорастание спор. При попадании в благоприятные условия споры прорастают и дают начало вегетативной клетке. Процесс прорастания длится 4—5 ч и может быть разделен на несколько стадий:

1) активация. Индуцируют прорастание спор различные питательные вещества (аланин, глюкоза), ионы некоторых металлов, кислая среда, кратковременное прогревание («тепловой шок»);

2) инициация. В этот период споры теряют до 1/3 первоначальной массы, что связано с удалением дипиколиновой кислоты. Спора интенсивно поглощает воду, набухает, теряет способность к светопреломлению. В споре происходят глубокие физиологические изменения; дыхание и ферментативная активность быстро возрастают;

3) вырастание. Литические ферменты разрушают многослойные покровы споры, на месте разрыва оболочки появляется ростовая трубка, окруженная очень тонкой клеточной стенкой. Она увеличивается в размерах, пока не примет форму вегетативной клетки. На этом процесс прорастания споры завершается.

Устойчивость спор. Зрелые споры не проявляют никакой метаболической активности. Они чрезвычайно устойчивы к воздействию неблагоприятных факторов. Споры выдерживают высокие и низкие температуры, длительное высушивание, воздействие радиации, высокого осмотического давления, токсичных веществ. Споры могут десятки и сотни лет сохраняться в почве, выдерживать кипячение в течение 1 ч и кратковременную стерилизацию при 125 °С, а также воздействие высоких концентраций дезинфицирующих веществ. Жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов, египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями.

Терморезистентность спор обусловлена очень низким содержанием в них воды. Вода в спорах находится в связанном состоянии и не может участвовать в метаболических процессах. Устойчивость к высокой температуре придает спорам также присутствие в них дипиколината кальция.

Радиорезистентность спор также выше, чем у вегетативных клеток. Белки оболочки споры по составу сходны с кератином и содержат много цистеина, что обеспечивает споре повышенную механическую прочность и устойчивость к радиации. Химическая устойчивость спор обусловлена непроницаемостью их оболочки для многих веществ.

Высокая термоустойчивость спор бактерий вызывает большие проблемы в пищевой промышленности. Споры выдерживают температуру пастеризации и, оставаясь в пастеризованных продуктах, вызывают их порчу при благоприятных условиях. Проблема стерилизации пищевых продуктов — это прежде всего проблема уничтожения споровых форм. Режимы стерилизации определяются химическим составом продукта, значением его pH, размерами упаковки, видовым составом исходной микрофлоры и т. д.

Цисты — покоящаяся форма существования у разных групп эубактерий (спирохет, риккетсий, микробактерий, азотобактера), предназначенная для переживания в неблагоприятных условиях. Цисты имеют дополнительные клеточные покровы, их цитоплазма содержит мало свободной воды, обмен веществ и энергии в них резко заторможен.

Акинеты — покоящиеся клетки некоторых цианобактерий, обладающие повышенной устойчивостью к высушиванию, пониженным температурам. В оболочках акинет содержится больше липидов и полисахаридов, а в цитоплазме — меньше свободной воды, чем у вегетативных клеток.