Царство Бактерии включает два подцарства - Настоящие бактерии и Оксифотобактерии (цианобактерии). Бактерии - наиболее древняя группа представителей органического мира. Возраст пород, в которых обнаружены их споры, составляет 3,5 млрд лет.
Бактерии являются объектом исследования микробиологии.
Бактерии встречаются повсеместно, населяя все среды обитания. Наибольшее количество их находится в почве на глубине до 3 км (до 3 млрд в одном грамме). Бактерии обнаружены в пресной и соленой воде (в океане на глубине до 9 км), на ледниках и в горячих источниках. Их много в воздухе (на высоте до 120 км), в организмах животных и растений (как живых, так и мертвых). Не является исключением и организм человека.
Оптимальные условия для жизни бактерий - наличие влаги и питательных веществ, температура среды 35...40 °С. Прямой солнечный свет губителен для бактерий.
Бактерии представляют собой, как правило, микроскопические одноклеточные организмы размером от 0,2 до 10 мкм, в редких случаях - до 30-100 мкм. Существуют неподвижные (цианобактерии) и подвижные (настоящие бактерии) формы бактерий. Настоящие бактерии передвигаются с помощью одного или нескольких жгутиков (ворсинок), которые располагаются на всей поверхности тела или на определенном участке. У цианобактерий жгутики отсутствуют.
Настоящие бактерии (рис. 3) подразделяются на пять морфологических типов:
+ кокки (сферические формы);
• диплококки (расположенные попарно);
• стрептококки (образуют цепочки);
• стафилококки (в виде грозди винограда);
+ бациллы (палочковидные);
+ спириллы (спиральные);
+ вибрионы (в форме запятой);
+ спирохеты (похожи на спириллы).
Цианобактерии (носток, анабена, осциллатория) представлены одиночными клетками, многоклеточными нитями или колониями; они имеют округлую форму, форму бочонка или цилиндра.
Клетка большинства бактерий имеет слизистую капсулу белковой или полисахаридной природы, которая предохраняет ее от высыхания, является защитным покровом и содержит токсины. Клеточная стенка настоящих бактерий представлена одним или несколькими слоями сложного углевода муреина, под которым находится цитоплазматическая мембрана. В состав клеточной стенки цианобактерий входят целлюлоза, другие полисахариды, пектиновые вещества, некоторое количество муреина.
Бактерии относятся к прокариотам (доядерные организмы). Они не имеют оформленного ядра, а их генетический аппарат - нуклеоид - представлен кольцевой молекулой ДНК, которая не связана с белками, находится в цитоплазме и прикрепляется к цитоплазматической мембране с помощью специфических белков. В бактериальной клетке отсутствуют мембранные органоиды. Функции митохондрий, комплекса Гольджи и эндоплазматической сети выполняют впячивания цитоплазматической мембраны, называемые мезосомами (рис. 4). В цитоплазме бактериальных клеток содержится множество рибосом и различные включения (гранулы гликогена, белки, жиры). Цианобактерии имеют «газовые» (заполненные азотом) вакуоли для «парения» в воде.
Рис. 4. Схема строения бактериальной клетки: 1 - нуклеоид; 2 - клеточная стенка; 3 - мезосомы; 4 - рибосомы; 5 - вакуоли; 6 - жгутики
Бактерии могут быть бесцветными или пигментированными. Окраска клеток цианобактерий - от сине-зеленой до фиолетовой, красноватой или почти черной. Они содержат пигменты: хлорофилл, каротины, ксантофиллы, фикоэритрин, фикоцианин.
По типу питания (ассимиляции) бактерии подразделяются на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные бактерии синтезируют необходимые для их жизнедеятельности органические вещества из неорганических. Часть из них - фотосинтезирующие - используют для этих процессов энергию Солнца (цианобактерии, пурпурные и зеленые). Они обитают в пресных и морских водах. Их зеленый пигмент называется бактериохлорофиллом. Фотосинтез у настоящих бактерий протекает в анаэробных условиях без выделения кислорода. У цианобактерий фотосинтез аэробный (с выделением кислорода), а конечный продукт - гликопротеин, схожий с гликогеном. Запасные питательные вещества настоящих бактерий: крахмал или гликоген, волютин (вещество, содержащее остатки фосфорной кислоты). Другая часть - хемосинтезирующие бактерии - используют для жизнедеятельности энергию различных экзотермических реакций: нитрифицирующие (почвенные бактерии) окисляют соли аммония до нитратов; железобактерии - закисное железо в окисное; водородные бактерии окисляют молекулярный водород; серные - соединения серы до сульфатов. Атмосферный азот фиксируют клубеньковые бактерии, азотобактер и цианобактерии с последующим восстановлением его до NH3.
У цианобактерий эту функцию выполняют гетероцисты - специализированные клетки с толстыми оболочками.
Большая часть бактерий является гетеротрофами (симбионты, сапробионты, паразиты). Бактерии способны вступать в симбиоз с протистами, водорослями, мхами и грибами.
Гетеротрофные бактерии используют для питания готовые органические вещества. Пищей сапробионтам, или бактериям гниения и брожения, служат органические вещества мертвых тел или выделения других организмов. Почвенные бактерии разлагают перегной, образуя вещества, необходимые для жизни растений. Молочнокислые бактерии превращают сахара в молочную кислоту; маслянокислые сбраживают углеводы, спирты, органические кислоты до масляной кислоты. Паразитические бактерии поселяются в живых организмах и питаются за их счет. Цианобактерии способны также к миксотрофному типу питания.
По типу диссимиляции бактерии могут быть аэробными или анаэробными. Аэробные бактерии обитают в условиях свободного доступа кислорода (в воздухе, на поверхности почвы, в верхних слоях водоемов). Они получают энергию в процессе окисления органических соединений до диоксида углерода и воды. Анаэробные бактерии обитают в бескислородных условиях и существуют за счет энергии, выделяемой при реакциях брожения. Примером аэробных бактерий является туберкулезная палочка, анаэробных - столбнячная палочка и молочнокислые бактерии. Факультативные анаэробы способны обитать в кислородной и бескислородной среде.
Основной способ размножения настоящих бактерий - простое бинарное деление, которое следует за удвоением кольцевой молекулы ДНК (каждые 20-30 мин при благоприятных условиях). Одна бактерия может образовывать за сутки более 600 млн новых клеток. В ряде случаев для бактерий характерен половой процесс - конъюгация, при которой между двумя клетками происходит обмен участками ДНК или целыми ее молекулами (рис. 5). Клетка-донор (мужская) через специальный канал-вырост передает молекулу ДНК или ее фрагменты в клетку-реципиент (женскую).
Рис. 5. Конъюгация бактерий: 1 - канал-вырост
Размножение цианобактерий происходит делением клетки надвое и фрагментацией нити в области гетероцист. Половой процесс у них отсутствует.
Попадая в неблагоприятные условия, многие бактерии образуют споры. При этом цитоплазма клетки сжимается, и клетка покрывается плотной оболочкой. Образование спор - это специализированная адаптация бактерий к неблагоприятным условиям окружающей среды. Споры - покоящиеся стадии бактерий. Они способны выдерживать кипячение в течение нескольких часов, сохранять жизнеспособность до нескольких десятков, а по некоторым данным, и сотен лет. Попадая в благоприятные условия, споры набухают, сбрасывают оболочку и дают начало новым бактериальным клеткам.
Значение бактерий. Настоящие бактерии принимают активное участие в круговороте веществ в природе. Это, например, большая группа гнилостных бактерий, которых называют природными санитарами. Они разрушают трупы животных и растительные остатки, превращая сложные органические соединения в минеральные (белки расщепляются до аммиака, аммиак окисляется до нитратов). С их участием образуется перегной и повышается плодородие почвы. Клубеньковые бактерии (у бобовых растений) и азотобактер способны усваивать атмосферный азот. Бактерии участвуют в образовании железорудных месторождений, в первых стадиях торфо- и углеобразования, а также в очистке сточных вод.
В основе получения кисломолочных продуктов, сыра, сливочного масла, квашения овощей, изготовления вина, силосования кормов лежат процессы брожения с участием уксуснокислых и молочнокислых бактерий.
Бактерии используются при производстве удобрений. Бактерии пищеварительного тракта жвачных животных расщепляют целлюлозу. В химической промышленности бактерии применяются для получения этилового и бутилового спиртов, уксусной кислоты, ацетона, полимеров. Без бактерий невозможны процессы, происходящие при сушке табачных листьев, дублении кожи, мацерации волокон льна, обработке каучука.
В ряде случаев деятельность бактерий имеет негативные последствия. Сапротрофные бактерии, поселяясь на продуктах питания (мясе, рыбе, масле), делают их непригодными для употребления в пищу. Некоторые виды бактерий повреждают рыболовные сети, сено в стогах. Фитопатогенные бактерии вызывают черный бактериоз пшеницы, паршу картофеля, бактериоз огурцов и капусты, пятнистость и рак томатов.
В медицинской промышленности бактерии используются для получения ряда антибиотиков, витаминов, гормонов и ферментов. Бактерии-симбионты кишечника человека синтезируют витамины группы В и К, расщепляют целлюлозу до моносахаридов. Бактерии являются объектами исследований в молекулярной биологии и генной инженерии.
Некоторые бактерии-паразиты (болезнетворные бактерии) поселяются на покровах тела или в организме человека и вызывают такие заболевания, как тиф, холера, дифтерия, столбняк, туберкулез, ангина, сибирская язва, бруцеллез, чума. Заражение человека может происходить при контакте с больными, а также через воду и продукты питания, в которых находятся бактерии или их споры. Токсин почвенной бактерии клостридиума способен вызывать столбняк.
Борьба с болезнетворными бактериями проводится по разным направлениям. Помещение, где находится больной, подвергают обработке химическими веществами (этиловый спирт, хлорамин, хлорная известь) - дезинфекция или УФ-лучами, регулярно проветривают. Строго контролируется чистота водных источников и продуктов питания. Для предохранения продуктов от попадания в них бактерий в различных отраслях пищевой промышленности широко используется пастеризация - способ обеззараживания продуктов нагреванием их в течение 20-30 мин до температуры 60...70 °С. Термическая обработка в домашних условиях рекомендуется в виде кипячения, тщательного проваривания или прожаривания. В больницах инструментарий и перевязочный материал подвергают стерилизации, которая приводит к полному уничтожению микроорганизмов. Это может быть обработка растворами перекиси водорода, сухим горячим воздухом (60 мин при температуре 160...200 °С) или нагреванием под давлением до 120 °С в течение 30 мин. С целью предупреждения заражения человека бактериальными (инфекционными) заболеваниями проводят предохранительные прививки. И, наконец, большая роль отводится соблюдению населением, особенно детьми, основных гигиенических требований (мытье рук перед едой, поддержание чистоты тела и одежды и т. д.).
Цианобактерии часто вызывают «цветение воды» в загрязненных водоемах, так как способны к гетеротрофному питанию остатками органических веществ. Бактерии, обитающие в воде, служат кормом для рыб и мелких животных. Кроме того, они обогащают почву органическими веществами и азотом, а водоемы и воздух - кислородом. В тропиках на рисовых полях с целью обогащения почвы соединениями азота искусственно разводят некоторые виды анабены.