какую форму могут иметь бактерии

Лекция по микробиологии Морфология бактерий

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Лекция №3 Морфология бактерий.

Различают несколько основных форм бактерий:

Сферические формы, или кокки — шаровидные бактерии размером 0,5—1 мкм, которые по взаимному расположению делятся на:

Микрококки (от греч. micros — малый) — отдельно расположенные клетки.

Диплококки (от греч. diploos — двойной), или парные кокки, располагаются парами (пневмококк, гонококк, менингококк), так как клетки после деления не расходятся.

Стрептококки (от греч. streptos — цепочка) — клетки округлой или вытянутой формы, составляющие цепочку вследствие деления клеток в одной плоскости и сохранения связи между ними в месте деления.

Стафилококки (от греч. staphyle — виноградная гроздь) — кокки, расположенные в виде грозди винограда в результате деления в разных плоскостях.

Сарцины (от лат. sarcina — связка, тюк) располагаются в виде пакетов из 8 кокков и более.

Палочковидные бактерии различаются по размерам, форме концов клетки и взаимному расположению клеток. Длина клеток 1 — 10 мкм, толщина 0,5—2 мкм.

Палочки могут быть правильной (кишечная палочка и др.) и неправильной булавовидной (коринебактерии и др.) формы. К наиболее мелким палочковидным бактериям относятся риккетсии.

Вибрионы – имеют форму запятой (холерный вибрион).

Извитые формы — спиралевидные бактерии

Спириллы имеют вид штопорообразно извитых клеток с крупными завитками. К патогенным спириллам относятся возбудитель содоку (болезнь укуса крыс).

Спирохеты представляют тонкие длинные извитые бактерии, отличающиеся от спирилл более мелкими завитками и характером движения. (Сифилис).

Особенности строения бактериальной клетки. Основные органеллы и их функции

Наноме́тр (русское обозначение: нм ; международное: nm) равная одной миллиардной части метра (то есть 10 −9 метра ).

Отличия бактерий от других клеток

1. Бактерии относятся к прокариотам, т. е. не имеют обособленного ядра.

2. В клеточной стенке бактерий содержится особый пептидогликан – муреин.

3. В бактериальной клетке отсутствуют аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, митохондрии.

4. Роль митохондрий выполняют мезосомы – инвагинации цитоплазматической мембраны.

5. В бактериальной клетке много рибосом.

6. У бактерий могут быть специальные органеллы движения – жгутики.

7. Размеры бактерий колеблются от 0,3–0,5 до 5—10 мкм.

Бактериальная клетка состоит из следующих частей: трехслойной оболочки, цитоплазмы с различными включениями и ядерного вещества (нуклеоида). Дополнительными структурными образованиями являются капсулы, споры, жгутики, пили.

Оболочка клетки состоит из наружного слизистого слоя, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны.

Слизистый капсульный слой находится снаружи клетки и выполняет защитную функцию.

Клеточная стенка – упругое ригидное образование толщиной 15–20 нм. Выполняет следующие функции:

1) защитную, осуществление фагоцитоза;

2) регуляцию осмотического давления;

4) принимает участие в процессах питания деления клетки;

5) антигенную (определяется продукцией эндотоксина – основного соматического антигена бактерий);

6) стабилизирует форму и размер бактерий;

7) обеспечивает систему коммуникаций с внешней средой;

8) косвенно участвует в регуляции роста и деления клетки.

Клеточная стенка имеет два слоя:

1) наружный – пластичный;

2) внутренний – ригидный, состоящий из муреина

Клеточная стенка при обычных способах окраски не видна, но если клетку поместить в гипертонический раствор (при опыте плазмолиза), то она становится видимой.

В зависимости от содержания муреина в клеточной стенке различают грамположительные и грамотрицательные бактерии (по отношению к окраске по Грамму).

Клеточная стенка вплотную примыкает к цитоплазматической мембране

клеточная стенка отделена от цитоплазматической мембраны периплазматическим пространством.

муреиновый слой составляет 80 % от массы клеточной

слой составляет 20 % от массы клеточной стенки

окрашиваются в синий цвет

окрашиваются в красный цвет

Цитоплазматическая мембрана плотно прилегает к клеточной стенке с внутренней стороны. Она очень тонкая (8-10 нм) и состоит из белков и фосфолипидов. Это пограничный полупроницаемый слой, через который осуществляется питание клетки. Цитоплазматическая мембрана образует мезосомы, принимающие участие в делении клетки.

Рибосомы находятся в цитоплазме клетки и выполняют функцию синтеза белка. В состав рибосомы входит 60% РНК и 40% белка. Количество рибосом в клетке достигает 10000. Соединяясь вместе, рибосомы образуют полисомы.

Дополнительные органеллы бактерий

Споры встречаются только у палочковидных бактерий. Они образуются при попадании микроорганизма в неблагоприятные условия внешней среды (действие высоких температур, высыхание, изменение рН, уменьшение количества питательных веществ в среде и т. д.).

Споры находятся внутри бактериальной клетки и представляют уплотненный участок цитоплазмы с нуклеоидом, одетый собственной плотной оболочкой. По химическому составу они отличаются от вегетативных клеток малым количеством воды, увеличенным содержанием липидов и солей кальция, что способствует высокой устойчивости спор.

Спорообразование происходит в течение 18-20 ч; при попадании микроорганизма в благоприятные условия спора в течение 4-5 ч прорастает в вегетативную форму.

Источник

Какие есть формы бактериальной клетки и зачем микроорганизмам такое разнообразие?

Заболевания кожных покровов

Кожа чаще всего подвергается воздействию внешних факторов, из-за чего кожные заболевания широко распространенные. Причиной их развития часто становятся бактерии различных форм. Распространенным возбудителем являются стрептококковые формы, которые вызывают стрептодермию.

В процессе заражения кокки выделяют токсины, которые провоцируют появления отеков. Они возникают из-за вытекания плазмы в межтканевое пространство. Заболевания, вызываемые бактериями, также часто связаны с поражением кожи стафилококком. Различные формы заболеваний, вызванных такими возбудителями, сопровождаются воспалением волосяного фолликула и тканей вокруг него.

Заболевания кожных покровов

Также следует отметить, что инфекции провоцирует развитие фурункулов и карбункулов (скопление нескольких фурункулов). Они сопровождаются поражением кожи и жировой ткани, что приводит к развитию гнойно-некротических процессов. Если своевременно не приступить к лечению, большая часть ткани может отмереть. Лечение следует проводить с помощью антибиотиков под присмотром лечащего врача.

Антибиотикорезистентность

Заболевания, вызываемые бактериями, часто устойчивы к медицинским препаратам, что связано с резистентностью микробов. Это свойство микроорганизмов приобретать устойчивость к антибактериальным средствам. Стоит отметить, что бактерии такого свойства не имели до появления соответствующих медикаментов. Это свойство позволяет инфекции сохраняться в организме даже после приема антибиотиков.

Обычно симптомы болезни исчезают, кажется, что человек здоров, но после прекращения антибиотикотерапии бактерии снова размножаются и симптомы болезни возвращаются. Причем устойчивость к медикаментам может быть природной, когда бактерия получила ее на генетическом уровне, и приобретенной, полученной в процессе жизнедеятельности.

Антибиотикорезистентность

Чтобы избавить себя от проблемы резистентности бактерию, стоит придерживаться нескольких правил:

Как распознать бактерии в быту и защититься от них

Среди всего множества микроорганизмов, живущих на Земле, болезнетворных (тех, которые вызывают различные инфекции и воспаления в человеческом организме) очень немного. Не более пяти процентов. И вот эти пять процентов являются серьезной угрозой для человека.

Как в относительно чистой обстановке, которая окружает человека в быту, могут появиться патогенные микробы:

К основным заболеваниям, которые вызывают микробные раздражители, относятся следующие виды воспалений:

воспаление нерва, которое могут вызвать разные группы сапрофитных микроорганизмов.

Воспаление нерва является одним из самых болезненных и трудноизлечимых. По причине бактериальной инфекции могут воспаляться:

Поражение периферических нервов вызвано не столько воздействием непосредственно на них болезнетворных микроорганизмов, сколько общим заражением организма токсическими веществами, на которые может отреагировать любой нерв.

Особенности строения

Клетка бактерии отличается не только тем, что в ней нет ядра, но и отсутствием митохондрий и пластид. ДНК данного прокариота находится в специальной ядерной зоне и имеет вид замкнутого в кольцо нуклеоида. У бактерии строение клетки состоит из клеточной стенки, капсулы, капсулоподобной оболочки, жгутиков, пили и цитоплазматичной мембраны. Внутреннее строение оформляют цитоплазма, гранулы, мезосомы, рибосомы, плазмиды, включения и нуклеоид.

Клеточная стенка бактерии выполняет функцию обороны и опоры. Вещества могут свободно протекать сквозь неё, благодаря проницаемости. Данная оболочка имеет в своем составе пектин и гемицеллюлозу. Некоторые бактерии выделяют особую слизь, которая может помочь защититься от пересыхания. Слизь формирует капсулу – полисахарид по химическому составу. В такой форме бактерия способна переносить даже очень большие температуры. Также она выполняет и другие функции, к примеру слипание с любыми поверхностями.

На поверхности клетки бактерии находятся тонкие белковые ворсинки – пили. Их может быть большая численность. Пили помогают клетке передавать генетический материал, а также обеспечивают слипание с другими клетками.

Под плоскостью стенки находится трехслойная цитоплазматичная мембрана. Она гарантирует транспорт веществ, а также имеет немалую роль в образовании спор.

Цитоплазма бактерий на 75 процентов произведена из воды. Состав цитоплазмы:

Обмен веществ у прокариотов возможен, как с участием кислорода, так и без его него. Большая их часть питаются уже готовыми питательными веществами органического происхождения. Очень мало видов способны сами синтезировать органические вещества из неорганических. Это сине-зеленые бактерии и цианобактерии, которые отыграли немалую роль в формировании атмосферы и насыщении её кислородом.

Классификация бактерий

Самой распространенной считается фенотипическая группировка, включенная в девятое издание Определителя Берджи. Ее принципы базируются на структуре стенок клетки.

Определитель Берджи также классифицирует бактерии по окраске по Граму. Методика Грама – это способ исследования, при котором окрашивание позволяет дифференцировать организмы по биохимическим свойствам стенок их клетки. Метод разработал в 1884 году датский врач Грам.

Крупнейшие группы бактерий в классификации Берджи:

В последние годы популярность набирает филогенетическая классификация, которая строится на принципах молекулярной биологии. В 60-е годы прошлого столетия был открыт один из первых способов определения родственных связей по схожести генома – методика сопоставления концентрации гуанина (элемента нуклеиновой кислоты) и цитозина (составляющей ДНК) в макромолекуле ДНК. Идентичные показатели их концентрации не свидетельствуют об эволюционной схожести микроорганизмов, но разница в 10% указывает на то, что бактерии относятся к разным родам.

В 70-е годы разработали еще одну методику, в корне изменившую теорию микробиологии – оценка последовательности генов в 16s рРНК. Посредством данного метода стало возможным выделение нескольких филогенетических группировок микроорганизмов и анализ их взаимосвязи.

Классификация на уровне вида осуществляется с помощью методики ДНК-ДНК гибридизации. Изучение досконально исследованных видов показывает, что 70% степени гибридизации описывают один вид, от 10% до 60% – один род, меньше 10% – различные роды.

Филогенетическая классификация частично копирует фенотипическую. Так, например, грамотрицательные входят и в ту, и в другую. Вместе с тем система грамотрицательных организмов практически полностью видоизменена. Архебактерии определены как независимый таксон высшего звена, некоторые таксономические группировки перераспределены, к одной категории отнесены микроорганизмы с различным экологическим предназначением.

Формы бактерий

Бактерии можно классифицировать, ориентируясь на их морфологию. Один из главных морфологических признаков – форма.

Выделяют несколько разновидностей:

На рисунке изображены их формы:

Шарообразные бактерии имеют сферическую форму, также бывают овальные и бобовидные организмы.

Чаще всего встречаются палочкообразные бактерии. Палочки собираются поодиночке, в парах (диплобактерии) или в цепях (стрептобактерии). Ряд палочкообразных организмов может при тяжелых условиях формировать споры. Бациллы являются споровыми палочками. Бациллы, похожие на веретено, называются клостридиями.

Витиеватые микроорганизмы имеют форму запятой (вибрионы), тонкой извилистой палочки (спирохеты), также могут иметь несколько завитков (спириллы).

У архебактерий нет пептидогликана (компонента, выполняющего механическую функцию) в стенках клетки. Они обладают специфическими рибосомами и рибосомными РНК (рибонуклеиновая кислота).

Морфология тонкостенных грамотрицательных организмов:

Среди толстостенных грамположительных микроорганизмов выделяют:

Распознавание видов

Отличить вирусы от бактерии в микроскоп – задача несложная даже для неспециалиста в микробиологии. А вот точно определить, каким бактериальным видом являются обнаруженные и выделенные из определенных сред прокариотические клетки, задача посложнее.

В лабораториях для дифференциации бактерий используются различные питательные среды, на которых проверяется выработка и действие тех ферментов, которые могут вырабатываться только представителями определенных видов, групп, семейств прокариотических организмов.

Принципы дифференциации на питательных средах:

Такими сложными операциями по определению видов, групп, семейств микробов могут себе позволить заниматься только специалисты-микробиологи в специально оборудованных лабораториях.

В быту эти методы недоступны, тем не менее человек практически постоянно сталкивается с действием болезнетворных микробов и должен знать, какие из них вызывают опасные инфекции и воспаления, а какие будут без особых сложностей нейтрализованы собственной иммунной системой человека.

Диагностика

Диагностика причин заболевания играет важнейшую роль в процессе лечения любой болезни. И чем раньше ее сделать, тем проще провести лечение. Первичная диагностика может проводиться самим пациентом в домашних условиях.

Если появились хотя бы малейшие подозрения о наличии заболевания, следует обратиться в клинику для проведения лабораторной диагностики. Наиболее распространенным методом является бакпосев. Для него нужно чтобы пациент сдал биоматериал.

Диагностика

В зависимости от целей исследования это может быть кровь, моча, частицы кожи, различные секреции или мокрота. Зараженный материал засеивается на 2 суток в специальные условия, способствующие развитию бактерий. После размножения микроорганизмов и создания колонии можно идентифицировать возбудитель.

Также можно дополнительно провести проверку бактерий на чувствительность к медикаментам. Также дополнительно используется общий анализ крови, серологическое исследование и исследование биоматериала под микроскопом.

Источник

МИКРОБИОЛОГИЯ

Вехи развития микробиологии

Микробиология
Микробиология изучает организмы настолько малые, что их можно увидеть только с помощью микроскопа. Их размер исчисляется в микрометрах (мкм).
1 мкм = 0,001 мм

Микрооранизмы в природе

Микроорганизмы живут везде – в атмосфере, в воде, на растениях, животных и в почве. Поскольку они разлагают органический материал, они играют важную роль в природном цикле. Наиболее обильно микроорганизмы представлены в местах, где они могут найти много питательных веществ, влажность и температуру, подходящие для их роста. Учитывая, что условия, способствующие выживанию и росту многих микроорганизмов, –это как разте условия, в которых обычно живут люди, неизбежно то, что мы живем среди множества микробов. Ниже перечислены ключевые особенности различных групп микроорганизмов, см. таблицу 4.1.

Простейшие

Водоросли

Дрожжи

Плесени

Бактерии

Вирусы

Сапрофиты = микроорганизмы, живущие в мертвом органическом материале
Паразиты = микроорганизмы, обитающие в живых животных и растениях

Биотехнология

Концепция «биотехнологии» – довольно недавно созданный термин для обозначения техники рационального использования биологических процессов. Биотехнология имеет историю, предшествующую современным научным дисциплинам микробиологии, биохимии итехнологии производства на тысячи лет.

До конца девятнадцатого столетия эти процессы были в основном связаны с пищей и прежде всего – с сохранением пищевых продуктов.

Микробные процессы до сих пор играют значительную роль в пищевой промышлености, однако биотехнология в современном понимании широко связана с промышленным применением полезных свойств живых клеток или компонентов клеток с целью производства множества веществ, таких как ферменты, гормоны и некоторые вакцины. Для достижения этого необходимо применять знания биологических наук – биохимии, микробиологии, клеточной биологии, молекулярной биологии и иммунологии – наряду с другими методами, такими как технология создания приборов, технология промышленных процессов, методы разделения смесей и аналитические методы.

Этот раздел в основном посвящен микроорганизмам, значимым для молока и производства молока, однакотакже здесь описываются специфические вирусы под названием бактериофаги. Бактериофаги являются причиной серьезныхтрудностейвпроизводстве продуктов, гдетребуется участие микроорганизмов для получения особого вкуса, текстуры или других свойств.

Бактерии

Бактерии одноклеточные микроорганизмы, в нормальных условиях размножающиеся бинарным делением, т. е. расщеплением клетки на две части. Бактерии в основном классифицируют по внешнему виду их клеток. Однако чтобы иметь возможность увидеть бактерии, необходим микроскоп с примерно 1000-кратным увеличением.

Кроме того, бактерии можно окрашивать, и наиболее широко используемый метод окраски был открыт датским бактериологом Грамом и получил его имя. Бактерии в зависимости от окрашивания по методу Грама разделяются на две главные группы: грамотрицательные бактерии красного цвета, и грамположительные бактерии синего цвета.Такие различия в окраске связаны с разной структурой клеточной капсулы, что обусловливает разные свойства двух групп бактерий.

Морфология бактерий

Морфология – это изучение строения бактерий. В это понятие входят форма, размер, структура клетки, подвижность (возможность двигаться в жидкой среде), спорообразование и инкапсуляция.

Форма бактерий

Существует много различных форм бактериальных клеток. Однако все формы имеют три основные характеристики, которые можно отличить глазом: сферические, палочко- и спиралевидные.

Сферические бактерии носят название «кокки», когда они упорядочиваются в пары, их называют диплококками (рис. 4.2 а), а при упорядочивании в длинные цепочки – стрептококками (б). Кокки могут упорядочиваться нетипично – в кластеры наподобие виноградной грозди (в) или в группы по четыре клетки, или наподобие куба (г).

Палочковидные бактерии варьируют как по длине, так и по толщине. Многие из них формируют цепи тем же способом, что и представители видов Bacillus (рис. 4.3). Латинское слово «bacilli» означает «маленькие палочки».

Спиральные бактерии могут быть различной длины и толщины. Кроме того, варьируется количество оборотов спирали. Среди наиболее крупных бактерий – спиральные бактерии с множеством оборотов, нередки экземпляры до 20 мкм.

Сферические бактерии (кокки) могут быть различных разновидностей.

Палочковидные и спиралевидные бактерии.

Клеточная структура и функции бактерий

Схематический вид бактериальной клетки

Функции клеточных структур
Клеточная придает клетке
стенка специфическую форму
Клеточная активный транспорт
мембрана питательных веществ и метаболитов
Цитоплазма место синтеза составных частей клетки
Хромосомы переносчики генетической информации

Подвижность бактерий

Жгутики могут находиться по всей поверхности бактерии либо быть расположенными только на одном или обоих полюсах клетки.

Многие кокки и бациллы способны к движению в жидких питательных средах. Они толкают вперед сами себя посредством жгутиков, которые представляют собой длинные жесткие нити наподобие отростков, выходящих из цитоплазматической мембраны (рис. 4.5). Длина и количество жгутиков у разных видов бактерий варьируются. Обычно бактерии двигаются со скоростью от одной до десяти длин клетки в секунду. Возможно, одними из самых быстрых бактериальных клеток являются бактерии холеры; они могут двигаться со скоростью 30 длин клетки в секунду.

К прокариотам относятся все бактерии.

Спорообразование

Различные типы формирования эндоспоры у бактерий.

Формируют споры лишь несколько родов бактерий: наиболее известные – Bacillus и Clostridium. Спорообразование – способ защиты клетки от неблагоприятных условий среды, например перегрева, дезинфектантов, засухи или недостатка питательных веществ. На рис. 4.6 показаны некоторые виды спорообразования. Когда родительская клетка формирует спору, она может сохранять свою исходную форму либо увеличиваться посередине или с одного конца, в зависимости от того, где расположена эндоспора. В течение процесса спорообразования вегетативная часть бактериальной клетки умирает. Постепенно клетка разлагается и спора высвобождается. При наступлении благоприятных условий спора снова превращается в вегетативную клетку, начиная размножение. Споры – дремлющие клетки, в которых отсутствуют метаболические процессы, поэтому они не могут размножаться. Они могут выживать в сухом воздухе в течение многих лет, кроме того, они менее чувствительны к химическим стерилизаторам, антибиотикам, высушиванию и ультрафиолетовому излучению. Также устойчивы они и к нагреванию: разрушить споры можно при кипячении их при температуре 120 °C в течение 20–30 минут. Тем не менее все спорообразующие вегетативные клетки бактерий, как и любые другие бактериальные клетки, разрушаются кипячением при 100 °C за несколько секунд.

Инкапсуляция

Многие бациллы и кокки окружены капсулой из плотной слизи. Это позволяет им более стойко переносить высушивание. Рост таких бактерий в молоке делает его тягучим и липким. В обоих случаях этот феномен приводит к образованию кисломолочных продуктов.

Факторы роста бактерий

Питательные вещества

Для роста бактериям необходимы определенные питательные вещества. Потребность в веществах варьируется среди различных бактерий. К основным источникам питания относятся органические соединения, содержащие белки, жиры и углеводы. Кроме того, для роста необходимы следовые количества витаминов и микроэлементов. Органические вещества наряду с формированием структур клетки также являются источником энергии. Все вещества должны быть растворимы в воде и иметь низкий молекулярный вес, т. е. состоять из очень малых молекул, чтобы иметь возможность проникнуть через цитоплазматическую мембрану и быть переработанными бактерией. В связи с этим бактериям необходим доступ к воде. Некоторым микроорганизмам не хватает способности высвобождать ферменты для разложения сложных веществ за пределами клетки. Они вынуждены использовать вещества, уже разложенные другими микроорганизмами. Если обе стороны этого взаимодействия получают выгоду, такой вид взаимоотношений называется симбиозом. Когда какой-то организм вырабатывает вещества, подавляющие жизнедеятельность других микроорганизмов, процесс называется антибиоз.

Симбиоз.
Постоянная форма взаимодействия организмов, где каждый зависит от другого в своем существовании.

Антибиоз.
Форма противодействия организмов, когда один организм вырабатывает вещества, подавляющие рост других микроорганизмов.

Активность воды

Рост и обмен веществ микроорганизмов требует наличия воды в доступной форме. Наиболее удобный способ измерения доступности воды – активность воды, а_w. В пище a_w можно снизить посредством увеличения концентрации растворимых веществ в жидкой части пищи, либо путем удаления чистой воды, либо путем добавления растворимых веществ извне. Некоторые молекулы воды ориентируются вокруг растворимых молекул, остальные абсорбируются в нерастворимых составляющих пищи. В обоих случаях вода становится менее доступной для других химических реакций.

Дегидратация – метод сохранения пищи, который заключается в снижении а_w путем удаления воды. При засолке и засахаривании снижение а_w достигается добавлением растворимых веществ, после чего пища сохраняется долгое время неиспорченной. Даже небольшое уменьшение а_w достаточно для сохранения пищи в сочетании с другими способами.

Определения активности воды

A_w продукта или раствора равняется отношению давления насыщенного водяного пара над продуктом (p) к давлению насыщенного водяного пара чистой воды (p₀) при одной и той же температуре. Когда раствор становится более концентрированным, давление насыщенного водяного пара падает, и a_w становится значительно ниже максимального значения 1 для чистой воды.

Влияние активности воды на рост бактерий

Многие микроорганизмы, включая патогенные бактерии, наиболее активно растут при a_w в диапазоне 0,99–0,98. Ниже этих значений a_w скорость роста снижается, а длительность lag-фазы возрастает (рис. 4.7). Большинство микроорганизмов, содержащихся в пищевых продуктах, растет с наибольшей скоростью при a_w = 0,98 и выше. Тот же интервал значений a_w имеет отношение к молоку и напиткам в целом. Несколько грамотрицательных бактерий наиболее конкурентоспособны благодаря своей скорости роста, т. е. при их наличии они доминируют над остальной микробной флорой. В молоке, например, грамотрицательные бактерии часто перекрывают грамположительные.

В интервале a_w между 0,98 и 0,93 грамположительные бактерии Lactobacillus, Bacillus и Micrococcus доминируют,заисключениемнесколькихвидовбактерийгруппыкишечныхпалочек, которые могут присутствовать. Пищевые бактериальные патогены (Salmonella, C. botulinum и C. perfringens) не могут размножаться. Напротив, рост Staphylococcus при a_w = 0,94 происходит с 50 % скоростью. В этом интервале возможна порча низкокислой пищи плесенью, при этом она может конкурировать с бактериальной флорой.

Влияние a_w на рост

При значениях При значениях a_w между 0,93 и 0,85 возможные группы микроорганизмов, участвующих в порче продуктов, – кокки, плесень и дрожжи. Единственный бактериальный патоген, растущий в этом интервале, – S. aureus. Пища с промежуточным показателем влажности производится с значением a_w

Температурные условия для роста бактерий.

Температура – наиболее важный фактор, влияющий на рост, размножение и порчу пищи (рис. 4.8). Бактерии могут развиватьсятольковопределенномтемпературном интервале, который варьируется от одного вида к другому. В принципе, бактерии могут расти в температурном интервале между точкой замерзания воды и температурой, при которой белки цитоплазмы денатурируют. Оптимальная температура находится где-то между максимумом и минимумом температур, т. е. верхним и нижним пределом. Это температура, при которой бактериальный штамм размножается наиболее активно.

Температуры ниже минимальных останавливают рост бактерий, но не убивают их. При температурах, близких к точке замерзания воды, жизненные функции бактерий почти полностью приостанавливаются. Поскольку клетки имеют в составе большое количество воды, она замерзает при такой температуре. Когда это происходит, бактерии не могут больше абсорбировать питательные вещества через клеточную мембрану.

Если температура поднимается выше максимальной, бактерии быстро погибают. Большинство клеток погибает в течение нескольких секунд при выдерживании в температуре 70 °C, однако некоторые могут выживать и при 80 °C в течение 5 минут, при этом не образуя спор.

Необходимо гораздо больше тепла, чтобы уничтожить бактериальные споры, сухой жар в этом менее эффективен, чем влажный. Обработка в течение 30 мин при температуре 120 °C обеспечивает разрушение всех спор, но в сухом жаре необходимо выдерживать бактерии при 160 °C в течение 2 часов, чтобы гарантировать разрушение всех спор.

Классификация по температуре

Классификация бактерий по предпочитаемым температурным режимам.

В соответствии с предпочитаемым для жизни интерваломтемператур бактерии можно поделить на следующие категории (рис. 4.9): Психрофилы (холодолюбивые) бактерии могут расти при 0 °C с оптимальной температурой 12–15 °C, максимальной – ниже 20 °C.

Психротрофы (холодостойкие) бактерии – штаммы мезофильных бактерий, которые способны размножаться при температуре коммерческих холодильных установок с оптимальной температурой роста 20–30 °C.

Мезофильные бактерии размножаются при минимальной температуре около 10 °C, их оптимальный температурный интервал – 30–35 °C, а максимальная для них температура – до 50 °C. Без сомнения, это самый распространенный температурный интервал для роста бактерий. Приблизительно 90 % всех бактерий может расти в данном интервале температур.

Термофилы (теплолюбивые) бактерии растут при оптимальных температурах 55–65 °C. Минимальная температура роста 37 °C, максимум находится около отметки 70 °C.

Для молочной индустрии наибольший интерес представляют психротрофные бактерии, поскольку в фермерском и рыночном молоке микробная активность протекает притемпературе 7 °C и ниже.

Кислород

Многие микроорганизмы нуждаются в свободном кислороде для окисления питательных веществ и выработки энергии для поддержания своих жизненных процессов. Полное окисление органических соединений приводит к образованию CO₂ и воды. Многие микроорганизмы могут использовать воздух при атмосферном давлении, они называются аэробными микроорганизмами. Другие получают энергию из питательных веществ без необходимости в кислороде, такие микроорганизмы называются анаэробными.

Есть некоторые бактерии, которые потребляют кислород, если он доступен, но при этом они могут расти и в отсутствие свободного кислорода. Такие бактерии являются факультативно анаэробными. Анаэробные и факультативно анаэробные бактерии обычно получают энергию путем ферментативного расщепления органических соединений. С химической точки зрения это называется неполным окислением, посредством которого образуются побочные органические продукты, например молочная кислота, получаемая из лактозы, таблица 4.2.

Для большинства организмов, нуждающихся в кислороде, т. е. аэробных, удаление кислорода или воздуха является способом контролирования или предотвращения их роста. Примером того служит вакуумная и газовая упаковка, а также использование материалов, выступающих в качестве воздушного барьера.

Анаэробные бактерии погибают, если подвергаются действию атмосферного кислорода хотя бы какое-то время.

Бактерии по отношению к кислороду

Свет необходимтолько для фотосинтезирующих клеток, которые захватывают световую энергию. Микроорганизмы, включая большинство бактерий, склонны к гибели при воздействии прямых солнечных лучей. Ультафиолетовая часть спектра солнечного света вызывает химические изменения в структуре ДНК и белков бактерий.

Ультафиолетовый свет часто используется для дезинфекции воздуха в помещениях. Однако его не используют для дезинфекции пищи, поскольку изменения могут коснуться и ее.

Большинство естественных сред обитания бактерий имеет диапазон кислотности pH между 5 и 9, поскольку этот диапазон является оптимальным для роста большинства микроорганизмов. Большинство плесневых грибов и дрожжей лучше всего растут вслабокислых средах с реакцией pH от 5 до 6, а для бактерий оптимальными условиями будут нейтральная или слабощелочная среда.

Свежее молоко в норме имеет pH между 6,65 и 6,85. Плесень и дрожжи обычно хорошо растут при значениях pH 3 или даже 2. Большинство пищевых продуктов, не подвергшихся обработке, имеет уровень pH немного ниже нейтрального, т. е. является слабокислым. Фруктовые соки в основном являются сильнокислыми продуктами (рис. 4.10).

Влияние кислотности на рост.

Размножение бактерий

Обычно бактерии размножаются посредством бинарного деления. На рис. 4.11 процесс размножения показан графически. Каждая клетка растет до критического размера, по достижении которого она разделяется на две самостоятельные клетки.Тип организации клеток, по которому происходит характерная группировка бактерий, обычно остается постоянным для того или иного вида. Группировка клеток может происходить в форме цепей, пар или комков. В связи с этим такая особенность используется для описания различных видов.

Скорость размножения

В благоприятных условиях цикл размножения бактерий может происходить за 20–30 минут. Темп размножения можно рассчитать по формуле справа. Со временем генерации 0,5 часа одна бактерия/мл в молоке становится 1 миллионом бактерий в 1 мл молока в течение 10 часов.

При оптимальных условиях в пище может образоваться от 100 до 1000 млн бактерий/мл. На этой стадии темп роста будет подавляться недостатком питательных веществ, а также накоплением токсичных продуктов распада. Репродукция в конце концов останавливается, и огромное количество бактерий гибнет. В реальности неблагоприятные условия, такие как низкая температура хранения или низкий уровень pH, будут ограничивать и замедлять темп роста бактерий в пище.

Кривая роста бактерий

Рис. 4.12 показывает кривую роста бактерий, помещенных на субстрат методом инокуляции. Вначале следует некоторая задержка, перед тем как бактерии начнут размножаться, потому что им требуется время, чтобы приспособиться к новой среде обитания. Фаза развития (а) называется lag-фазой. Причиной lag-фазы может бытьтакже процесс восстановления культуры. Например, перед инокуляцией среду хранили при низкой температуре.

Длительность lag-фазы зависит от того, насколько жизнедеятельность бактерий была подавлена в момент инокуляции.

По окончании lag-фазы бактерии начинают размножаться в логарифмической прогрессии. Фаза (b) называется log-фазой или экспоненциальной фазой.

Попрошествии определенного времени вкультуре накапливаются токсические метаболиты.

При этом темп размножения постепенно замедляется, в то время как бактерии продолжают погибать, поэтому между гибелью клеток иформированием новых устанавливается равновесие. Эта фаза (c) называется стационарной. В следующей фазе(d) формирование новых клеток прекращается полностью, и существующие клетки постепенно погибают. В конце концов культура почти полностью истощается. Эта фаза называется стадией отмирания.

Форма кривой, т. е. длительность различных фаз и перепад кривой на каждой фазе, варьируется в зависимости оттемпературы, наличия питательных веществ и других параметров роста, а также в зависимости от вида бактерий.

Кривая роста бактерий

Биохимическая активность

Благодаря биохимической активности микроорганизмы способны приводить в негодность пищу и вызывать болезни животных и растений. Некоторые микроорганизмы обладают биохимической активностью, которая используется в пищевых процессах, т. е. в производстве сыра, йогурта, масла и т. д. Активность отдельно взятого микроорганизма обусловлена набором ферментов, которые он способен выделять.

Также эти ферменты определяют, какие питательные вещества он будет потреблять, какие продукты разлагать, и, следовательно, какие конечные продукты он будет выделять.

В микроорганизмах существует множество различных биохимических и ферментативных систем. В отношении молока и молочных продуктов следующие системы являются наиболее важными. Они могут быть подразделены по продукту разложения и производимым эффектам.

Наиболее важные биохимические и ферментативные системы в бактериях молочных продуктов – это те, которые отвечают за следующие эффекты:

Разложение углеводов

Углеводы или сахара имеют общую формулу C_m(H₂O)_n и изначально считались гидратами углерода. Существуют моно-, ди- и полисахариды. Полисахариды состоят из длинных цепей одного или нескольких сахаров, например целлюлоза, крахмал или хитин. Ферменты конкретного микроорганизма определяют, какие углеводы он может разложить и в каком объеме. В молоке гидролиз дисахарида лактозы приводиткобразованиюглюкозыигалактозы. Их можно полностью разложить до диоксида углерода и воды (окислительный метаболизм), но в большинстве случаев происходит процесс ферментации.

Ферментация обычно приводит к образованию различных продуктов,таких как органические кислоты (молочная, масляная и т. д), спирты (этиловый спирт, бутиловый спирт и т. д.) и газы (диоксид углерода, водород и т. д.), таблица 4.3.

Микробное расщепление углеводов

В процессе деятельности микроорганизмов наиболее важными способами ферментации являются:

При маслянокислой ферментации лактоза расщепляется на масляную кислоту, диоксид углерода, водород и, в некоторых случаях, бутиловый спирт.

Как правило, ферментация углеводов в молоке приводит к образованию кислоты (закисанию) и, в некоторых случаях, к газообразованию (зависит от типа бактерии).

Разложение белков

Процесс, при котором белок расщепляется на составные части, называется протеолизом. Протеазы, такие как реннин, пепсин итрипсин, – основные ферменты, участвующие в процессе. Эти ферменты расщепляют белки до пептидов, которые затем разлагаются различными пептидазами до более мелких пептидов или свободных аминокислот. Аминокислоты могут быть повторно использованы для синтеза белка в клетке; однако также они могут быть окислены либо ферментированы.

Белки и составляющие их аминокислоты включают большое количество элементов и содержат углерод, водород, кислород, серу, азот и фосфор. Таким образом, разложение белков приводит к образованию гораздо более широкого спектра кислот, спиртов, газов (азот, диоксид углерода, сероводород и аммиак) и других соединений. Разложение белка практически всегда приводит к образованию аммиака, являющегося основанием и обладающего сильным запахом, рис. 4.13.

Три аминокислоты – цистеин, цистин и метионин – содержат в составе серу и при разложении образуют сероводород, также имеющий сильный запах наподобие протухших яиц. Разложение белка в жидком молоке имеет место в двух важных процессах – пептонизации, и состоит из:

Протеолиз = Разложение белков

Ферменты протеазы и пептидазы расщепляют белок до аминокислот

Разложение жира

Процесс, в котором жир расщепляется ферментами, называется липолиз. Липаза – основной фермент, участвующий в этом процессе. В процессе липолиза жир гидролизуется до глицерина и одной, двух или трех отдельных молекул жирных кислот, рис. 4.14. Многие из жирных кислот являются летучими и дают сильный запах. Примером является масляная кислота, дающая характерный прогорклый вкус.

В чистом виде жир не может разлагаться микроорганизмами, но жир в водяных эмульсиях, или жир, контактирующийсводой, расщепляется многими микроорганизмами. Для ферментативного гидролиза необходима вода. Молочный жир в виде масла или сливок – водная эмульсия, содержащая белки, углеводы, минералы ит. д, что иногда делает его даже более восприимчивым к ферментативному разложению.

Многие бактерии и плесени, разлагающие белки, также разрушают жиры путем окисления.

Липолиз = Разложение жира

Жир разлагается до свободных жирных кислот и глицерина с помощью фермента липазы.

Разложение лецитина

Лецитин, фосфолипид, содержащийся вмембранах, окружающих жировые капли, –химическое соединение глицерина, двух жирных кислот, фосфорной кислоты и холина, органического основания. Штаммы бактерии Bacillus cereus продуцируют фермент лецитиназу, который гидролизует лецитин до диглицерида и фосфатидил-холина. Мембраны жировых шариков разрушаются, иэто приводит к образованию нестабильной жировой эмульсии, что часто заметно на поверхности молока или сливок в виде комочков или хлопьев. Сливки или молоко с таким дефектом носят название «разбитых».

Дальнейший распад холина до триметиламина приводит к появлению рыбного запаха и привкуса.

Образование пигмента и окраски

Процесс образования окраски называется хромогенезом, а организм, участвующий в этом процессе, – хромогенным.
Эта особенность метаболизма наблюдается у определенных микроорганизмов. В некоторых продуктах процесс образования пигмента более выражен и происходит при комнатной или более низкой температуре. Для хромогенеза аэробные условия являются благоприятными.

Есть два вида пигментов:

Существует три основные цветовые группы:

Названия микроорганизмов часто содержат указание на цвет, который они образуют.

Пример: Staphylococcus aureus = золотистый стафилококк

Хромогенез = Продуцирование окраски обусловлено хромогенными бактериями.

Часто вид организма называется по цвету красителя, который он продуцирует, например:

Albus = белый
Luteus = желтый
Cirteus = лимонно-желтый
Roseus = розовый или красный
Aureus = золотистый
Viloaceum = фиолетовый
Nigra = черный или коричневый

Выработка слизи

Многие бактерии продуцируют мукус (или слизь) из полисахаридов, которые значительно повышают вязкость, т. к. хорошо растворимы в воде и в питательной среде. Это используется в получении некоторых продуктов, таких как йогурт и «långfil», шведское тягучее молоко.

Образование запаха

Некоторые микроорганизмы являются причиной сильных, в том числе неприятных, запахов. Ниже представлен список организмов и связанных с их жизнедеятельностью оттенками запахов:

Патогены в сыром молоке

Многие микроорганизмы могут вызывать пищевое отравление (патогенные микроорганизмы) в результате интоксикации и/или инфекции. Интоксикация предполагает образование токсинов в пище перед ее употреблением. Инфекция означает закрепление, активный рост и размножение таких микроорганизмов в организме человека.

Часто для инфекции необходимо огромное количество бактерий, но иногда, как в случае с Escherichia coli, O157:H7 (EHEC), минимальной дозой инфицирования (МДИ) может быть всего одна бактерия.

Патогенные бактерии являются причинами заболеваний у человека, животных и растений.

Изучение бактерий

Бактерии присутствуют в природе в чрезвычайно большом количестве, состоящем из множества разных видов. С целью изучения характеристик конкретных видов необходимо отделить их от других видов. Для этих целей существуют лабораторные процедуры. Рост клеточной массы одного вида бактерий в лабораторной емкости (такой как чашка Петри) называется чистой культурой. Чтобы сохранить культуру чистой и предотвратить попадание других видов, нужно постоянно принимать меры предосторожности. Это достигается использованием стерильной техники. Бактерии культивируются в питательном бульоне или агаре. Тип питательной среды зависит от вида бактерии. Типичные питательные вещества – это смесь белков, пептидов, сахара, минеральных солей и кофакторов. Чтобы получить питательный агар, желеобразная полужидкая субстанция, называемая агаром, добавляется в бульон. Микроогранизмы, культивируемые на агаровом субстрате, растут как колонии. В благоприятных условиях одна клетка делится с образованием клеточной массы, называемой КОЕ (колониеобразующая единица), которую можно заметить невооруженным глазом. Путем разведения оригинального образца, посева на агар и подсчета колоний можно вычислить количество бактерий. Эта хорошо изученная техника подсчета бактерий, дрожжей и плесеней получила название «Подсчет колоний». С использованием селективных сред с агаром, позволяющих расти только специфическим группам бактерий, может быть продемонстрировано присутствие разных типов бактерий.

Идентификация и классификация бактерий

В попытке классифицировать множество различных групп существующих бактерий их ранее делили на семейства, роды и виды тем же способом, что и высшие растения и животных.

В зоологиии ботанике это происходит в соответствии с внешними характеристиками индивида (внешний вид). Схожий принцип изначально применялся и для бактерий, однако скоро стало ясно, что группировка бактерий по размеру, форме, образу жизни и подвижности недостаточна. Кроме этих различимых извне характеристик, также было необходимо учитывать метаболизм организмов (взаимоотношения с различными углеводами, белками, жирами и т. п.), а также восприимчивость бактерий к окраске. С получением информации по этим параметрам стало возможно различать идентичные микроорганизмы в системе классификации бактерий.

Латинские названия бактерий в этой системе в настоящее время используются повсеместно. У каждой бактерии есть два названия. Первое представляет собой род, к которому принадлежит бактерия, второе описывает вид, часто указывая на конкретное свойство или происхождение бактерии. См. выше раздел «Образование пигмента и окраски».

Отнесение бактерии к тому или иному роду выполняется с помощью сочетания различных биохимических тестов и морфологического анализа, включая реакцию Грама.

Для идентификации бактерий были предложены новые методы, основанные на структуре ДНК. Наиболее важна среди них – ПЦР – полимеразная цепная реакция. Метод напрямую идентифицирует бактерии по виду. На сегодняшний день данный метод постоянно используется для идентификации патогенных микроорганизмов. Спектроскопия в инфракрасной области с преобразованием Фурье (FTIR) – метод, сравнивающий несколько различных компонентов бактерий на молекулярном уровне с банком данных по видам.

Наиболее авторитетным в этом плане является руководство Берджи – «Определитель бактерий», 9-е издание, 1994 г., идентифицирующее несколько тысяч видов. Однако эти виды представляют собой только малую часть существующих в природе бактерий. Остается еще много работы, и, без сомнения, будущие издания «Определителя бактерий» станут более объемными.

Бактерии в молоке

От коровы

Молоко условно стерильно в момент его секреции в вымени. Однако незадолго до того, как оно покинет вымя, молоко обсеменяется бактериями, проникающими через канал соска. Обычно эти бактерии безвредны и их не так много: до нескольких сотен на мл.

Однако, в случае бактериального воспаления вымени (мастит) молоко очень сильно заражается бактериями и может быть непригодно для употребления. Это состояние причиняет корове много страданий.

В канале соска всегда присутствует определенная концентрация бактерий, но большинство вымывается в начале доения. Рекомендуется сдаивать первые порции молока с каждого соска в отдельную емкость с черным покрытием.

На темной поверхности хлопья в молоке, полученном от заболевших животных, хорошо заметны.

Источник