Характеристика спороутворювальних бактерій

ЕНДОСПОРИ ТА ІНШІ ФОРМИ СПОКОЮ У БАКТЕРІЙ.

До утворення спор здатна лише невелика група бактерій. Велике значення спор пов'язано з їх термостійкістю. У той час, як майже вся решта бактерій, а також вегетативні клітини споро-утворювальних видів гинуть при 80 °С (температура пастеризації) через 10 хв, терморезистентні спори витримують кип'ятіння впродовж кількох годин. Трудомістка та дорога техніка стери­лізації (знезараження) розрахована на знищення спор. З іншо­го боку, терморезистентність спор є своєрідною можливістю вибір­кового збагачення культур спороутворювальних форм. Ґрунт чи інший матеріал (мул, сіно, вода) прогрівають упродовж 10 хв при 80 °С. Така операція призводить до загибелі вегетативних клітин, і тільки терморезистентні спори залишаються життє­здатними і проростають у відповідному поживному середовищі.

Спороутворювальні бактерії, за одним винятком, належать до паличкоподібних грампозитивних бактерій. Грамнегативними спороутворювальними бактеріями є представники роду Desulfotomaculum. Описано понад 10 родів бактерій, які утворюють ендоспори, наприклад, Bacillus, Clostrldium, Desulfotomaculum, Sporo lactobacillus, Oscillospora та ін. Більшість із цих бактерій є рухли­вими завдяки перитрихально розміщеним джгутикам. Бактерії, які належать до роду Bacillus, є строгими аеробами або факульта­тивними анаеробами. Роди Clostridium і Desulfotomaculum об'єд­нують анаеробні бактерії, здатні до утворення спор. Клостридії одер­жують енергію за рахунок бродіння, види Desulfotomaculum — шляхом анаеробного дихання. SporolactobaciUus належить до молочно­кислих бактерій. Sporosarcina має сферичні клітини, але за свої­ми фізіологічними ознаками належить до бацил.

Характерною особливістю спороутворювальних бактерій є низький вміст ГЦ (гуанін + цитозин) у ДНК клітин. Так, у клостридій ДНК містить від 22 до 27 % ГЦ.

Спори різних видів бактерій розрізняються за формою, роз­міром, положенням у клітині (рис. 2.10). За формою вони можуть бути круглими, овальними. Поверхня спор буває гладенькою, хвилястою, остеподібною та ін.

Спори можуть займати таке поло­ження в клітині:

Рис.2.10. Розміщення спор у клітині (а) і поверхня спор (6):

1 — Bacillus megaterium; 2 — В. thuringiensis; 3 — Clostridium polymyxa; 4 — С. butyricum; 5 — С. tetani; 6 — остеподібна; 7 — з полігональними опуклостями; 8 — гладенька; 9 та 10 — хви­ляста; 11 — остеподібна у конідієспор актиноміцетів

1) бацилярне, коли спора локалізується в клітині централь­но, ексцентрально чи термінально, і при цьому клітина не змі­нює своєї форми. Такі клітини називають бацилами (Bacillus);

2) клостридіальне, коли при формуванні спори клітина змінює свою форму, набуваючи вигляду човника чи веретена. Такі клітини називають клостридіями (Clostridium, від грец. clos-ter — веретено);

3) плектридіальне, коли спора локалізується терміналь­но, у місці її розміщення клітина розширюється і набуває фор­ми ракетки. Клостридіальний і плектридіальний типи розміщення спор властиві в основному видам роду Clostridium і нерідко одночас­но зустрічаються в культурі одного виду.

Виявлення ендоспор. При мікроскопічному дослідженні спори видимі завдяки своєму високому показникові заломлення світла — такому самому, як у знезводненого білка. Це вказує на те, що в спорах велика кількість багатого білком матеріалу сконцент­рована в малому об'ємі. Спора містить майже всю суху речовину материнської клітини, але займає в 10 разів менший об'єм. У сум­нівних випадках виявити в клітинах істинні ендоспори можна за допомогою спеціального фарбування. Якщо препарат бакте­рій, фіксований нагріванням, прокип'ятити з карболовим роз­

чином фуксину, то спори міцно зв'язують барвник і не знебарв­люються навіть при обробці етанолом чи ЇМ оцтовою кислотою (в умовах, коли решта вмісту клітини стає безбарвною),

3.2. Спороутворення (споруляція)

Спори утворюються всередині бактеріальної клітини. Цей процес починається з накопичення білкового матеріалу, тому показник заломлення у місці утворення спори збільшується. При цьому відбувається споживання запасних речовин (полі-в-гідроксимасляної кислоти у аеробів і полісахаридів у анаеробів). Упро­довж перших 5 год спороутворення значна частина білків мате­ринської клітини розкладається. При цьому утворюється специ­фічна для спор речовина — дипіколінова кислота, яка не зустрі­чається у вегетативних клітинах. У ході синтезу дипіколінової кислоти відбувається поглинання іонів кальцію; очевидно, в зрі­лих спорах ця кислота міститься у вигляді хелату з кальцієм і може становити 10—15 % сухої речовини спор. Дипіколінова кислота міститься тільки в терморезистентних спорах.

Спороутворення є одним з найскладніших процесів диферен­ціації бактеріальної клітини. Воно починається з особливого нерівномірного поділу клітини (рис.2.11).

У результаті інвагінації цитоплазматичної мембрани части­на протопласта відділяється від материнської клітини. Цей прото­пласт містить частину ядерного матеріалу — один геном. Утво­рення клітинної стінки між обома протопластами (як за звичай­ного поділу клітини) не відбувається. Замість цього протопласт чохлика. Екзоспорій міститься тільки у не багатьох бактерій (наприклад у Bacillus cereus). майбутньої спори оточується, мовби обростає, плазматичною мемб­раною материнської клітини. В результаті навкруги протопласта розміщуються дві плазматичні мембрани і кожна з них бере участь у синтезі стінки спори. Мембрана протопласта спори синтезує назовні від себе стінку зародкової клітини, а мембрана, яка похо­дить від материнської клітини, синтезує всередину кору спори (кортекс). Кортекс складається з багатошарового пептидогліканового остова, який відрізняється від каркаса стінок вегетатив­ної клітини ступенем зшивання. Зовнішню оболонку спори утво­рює материнська клітина. Ця оболонка складається з поліпепти­дів. Материнська клітина утворює також ще один додатковий поліпептидний шар — екзоспорій, який оточує спору у вигляді особливого чохлика.Єкзоспорій містеться у не багатьох бактерій.

Рис. 2.11. Спороутворення і будова зрілої спори:

А, Б — процес відділення протопласта спори; В, Г,Д — утворен­ня передспори; Е — зріла спора; 1 — цитоплазма; 2 — плазматична мембрана; 3 — клітинна стінка зародкової клітини; 4 — кора спори; 5,6 — відповідно внутрішня і зовнішня оболонки спори; 7 — екзоспоріум

Індукція спороутворення. Спори не є обов'язковою стаді­єю життєвого циклу бактерій. За сприятливих умов бактерії можуть необмежений час розмножуватися поділом, як вегета­тивні клітини. Утворення спор починається лише тоді, коли не вистачає поживних речовин або коли в надлишку накопичують­ся продукти обміну. Інакше кажучи, воно відбувається лише тоді, коли для цього створюються певні умови. Висихання не сти­мулює спороутворення. Якщо помістити вегетативні клітини в дистильовану воду, можна спостерігати "ендотрофну споруляцію", тобто утворення спор за рахунок внутрішньоклітинних запасних речовин. У таких випадках утворення спор, очевидно, викликане браком екзогенного субстрату. Індукція спороутво­рення відбувається впродовж декількох годин. Якщо, наприк­лад, до суспензії вегетативних клітин Bacillus cereus у перші 5 год після внесення їх у дистильовану воду добавити глюкозу, то утво­рення спор припиниться: добавлення субстрату пригнічує споруляцію. Але якщо глюкозу добавити пізніше, ніж через 6 год, пригнічення спороутворення не відбувається. Індукція споро­утворення продовжується, і вже через 10-13 год після внесення у воду близько 90 % клітин утворюють спори. Отже, споруляція регулюється зовнішніми факторами.Кількість клітин, що утворюють спори, у багатьох випадках збільшується після добавлення в середовище солей марганцю.

Здатність утворювати ендоспори поступово втрачається за багаторазових пересівів вегетативних клітин. Оскільки сус­пензія спороутворювальних бактерій містить і спори, і вегета-

тивні клітини, перед кожним пересіванням культуру, як пра­вило, піддають короткочасному кип'ятінню. Це сприяє збері­ганню чи підвищеній здатності клітин утворювати спори.

Властивості зрілих спор. Спори вивільнюються при авто­лізі материнських клітин. Зрілі спори не виявляють ніякої мета­болічної активності. Вони надзвичайно стійкі до дії високих тем­ператур, різного роду опромінень, хімічних агентів. Терморезистентність зумовлена низьким вмістом води у спорах — 15 % (стіль­ки само, скільки в сухому казеїні або у вовні) і приблизно про­порційна вмісту в них дипіколінової кислоти.

Проростання спор. У відповідних сприятливих умовах біль­шість спор проростають. Відповідне попереднє оброблення, певні умови зберігання та прогрівання можуть підвищити "схожість" спор — збільшити процент проростання. У випадку Bacillus subtills оптимальними умовами для стимуляції проростання спор вважають семиденний період спокою і п'ятихвилинне прогрі­вання у воді при 60 °С. Інші спори можуть бути активовані коротко­часним кип'ятінням (10 хв, 100 °С). Теплове оброблення спор повинно проводитися безпосередньо перед висіванням, оскіль­ки процес активації є зворотним.

Проростанню спор передує поглинання ними води та набу­хання. Для проростання активованих спор у ряді випадків необ­хідною є наявність глюкози, амінокислот, нуклеозидів та інших речовин. У ході проростання відбуваються глибокі фізіологічні зміни: дихання та ферментативна активність швидко підвищу­ються, починається виділення амінокислот, дипіколінової кис­лоти та пептидів. У процесі проростання втрати сухої речовини досягають 25-30 %. Під час проростання спори втрачають термо­стійкість. Ростова трубка, яка виходить із спори, оточена дуже тонкою, не до кінця сформованою клітинною стінкою, так що в протопласт може проникати навіть ДНК. Ростова трубка може утворюватись як у полярному, так і латеральному положенні {рис.2.12). В одному випадку оболонка спори при цьому розри­вається, в іншому — ростова трубка її проколює.

Тривалість життя спор. Бактерії у вигляді спор можуть три­валий час перебувати у стані анабіозу. Так, у зразках ґрунту, що зберігалися 50-100 років, були виявлені спори бацил. За даними такого роду експериментів, у сухому ґрунті за 50 років зберігання до 90 % спор втрачають життєздатність. Але при цьому 1 т сухого ґрунту навіть через 1000 років міститиме життєздатні спори.

Рис. 2.12. Проростання спори:

1,2 — полярне; 3 — латеральне; а — Bacillus cereus; б — Bacillus subtilis

У сухому стані багато бактерій (якщо не всі з них) упро­довж багатьох років зберігають життєздатність. Для консервації бактерій у колекціях культур вегетативні клітини, як правило, піддають ліофільному висушуванню (висушуванню з замороже­ного стану) і зберігають при кімнатній температурі або низьких температурах у вакуумі. Бактерії, які не витримують ліофілі-зації, зберігаються упродовж багатьох років у вигляді суспензії при температурі рідкого азоту.

3.3. Інші форми спокою (цисти, екзоспори, міксоспори)

Крім ендоспор, у деяких бактерій спостерігається утворен­ня інших форм спокою — екзоспор і цист. Екзоспори утворю­ють метаноокиснювальні бактерії роду Methylosinus і фототрофна пурпурова бактерія Rhodomicrobium vannielii. Екзоспори утво­рюються брунькуванням материнської клітини. Екзоспори знач­но менш термостійкі, ніж ендоспори, але стійкіші до висушу­вання, ультрафіолетового опромінення, ніж вегетативні кліти­ни. Екзоспори не містять дипіколінової кислоти, вони не стійкі до дії лізоциму, погано фарбуються різними барвниками.

Деякі бактерії утворюють кулеподібні товстостінні кліти­ни — цисти,. Цисти містять цитоплазму з нуклеоїдом (і грану­лами полі-в-гідроксимасляної кислоти у Azotobacter vinelandli), оточену цитоплазматичною мембраною та двома оболонками. Виникають у старих культурах за відсутності поживних ресур­сів, при цьому в цисту перетворюється вся клітина. На відміну від вегетативних клітин, цисти містять багато ліпідів. Цисти стійкіші до висушування, механічних пошкоджень, дії лізоци­му, ніж вегетативні клітини, але малорезистентні до темпера­тури. У сприятливих умовах (за наявності джерел вуглецю) цис­ти проростають. Цисти утворюють бактерії родів Azotobacter, Bdellovlbrio, Methylococcus, спірохети. У метанотрофних бакте­рій роду Methylococcus цисти утворюються в несприятливих умовах, наприклад, за браку кисню. У багатьох випадках цистоутворення у цих бактерій супроводжується зміною пігментації клітин від жовтого до темно-коричневого кольору. Культура, яка не утворює цист, залишається кремовато-білою. Але у Methylo­coccus thermophilus цистоутворення не завжди супроводжуєть­ся посиленням пігментації.

У міксобактерій утворення цист, які називаються міксоспорами, є закономірною стадією їх життєвого циклу. Вегета­тивні клітини міксобактерій після закінчення стадії активного бінарного поділу за умов дефіциту джерел живлення збираються разом у масу і формують різної форми плодові тіла, які складаються із слизу та міксоспор. При цьому тільки части­на клітин перетворюється на міксоспори, решта гине, лізується і є будівельним матеріалом для утворення плодових тіл.

Міксоспори мало відрізняються від вегетативних клітин, але є такі, що сильно різняться за формою, стійкістю до висушу­вання, УФ-опромінення, температури, наявністю додаткових оболонок. Такі міксоспори називаються мікроцистами.

У деяких прокаріот спори є одночасно і формами спокою, і репродуктивними системами. У актиноміцетів родів Thermoactinomyces та Actinobifida спостерігається ендогенне утворен­ня спор, але у більшості родів актиноміцетів спори формуються екзогенно — артроспори, конідієспори та ін. Артроспори фор­муються виникненням поперечних перетинок у гіфах з відді­ленням сегментів так, що утворюється ланцюжок спор. Конідіє­спори утворюються на поверхні особливих гіфів конідієносців, або конідієфорів. Спорангіоспори — спори, що формуються в спорангіях. Оскільки спорангіоспори утворюються всередині сі рангіів, їх називають ендогенними. Спорангії утворюються на гіфах — спорангіофорах.

Форми спокою деяких ціанобактерій називають акінетами. Вони більші ніж вегетативні клітини, мають подо­вжену або сферичну форму товсту оболонку. Утворення акінет відбувається в період затримки росту культури. Кліти­на при цьому збільшується в розмірах, у цитоплазмі накопи­чуються гранули запасних речовин (глікоген, поліфосфати, ціанофіцинові гранули), а також має місце утворення карбоксисом. Одночасно потовщується пептидоглікановий шар, ущільнюється слизовий чохол. В цілому, оболонки акінет ма­ють більший вміст ліпідів і полісахаридів, а цитоплазма —менше води, ніж вегетативна клітина. У процесі формування акінет збільшується вміст ДНК, кількість рибосом, змен­шується кількість хлорофілу і фікобілінових пігментів.

Форми спокою прокаріот характеризуються низьким рів­нем метаболічної активності, підвищеною стійкістю до дії неспри­ятливих факторів, здатністю тривалий час перебувати у життє­здатному стані..

Дата добавления: 2014-01-06