Строение и жизнедеятельность бактерий. Распространение бактерий и их роль в природе, медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Болезнетворные бактерии и борьба с ними - Бактерии - РАСТЕНИЯ. БАКТЕРИИ. ГРИБЫ. ЛИШАЙНИКИ - ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ

Бактерии были описаны в 1676 г. голландским натуралистом Антони ван Левенгуком. Это прокариотические микроскопические организмы. Размеры бактериальных клеток колеблются в среднем от 0,1 до 10 мкм. Тело бактерий состоит из одной клетки, однако бактерии могут образовывать колонии в виде шариков, нитей, пленок. Многоклеточные представители встречаются среди цианобактерий (сине-зеленых водорослей). В клетках бактерий нет оформленного ядра. Генетический аппарат бактерий представлен одной кольцевой молекулой ДНК (бактериальной хромосомой), которая присоединена в определенном месте к клеточной мембране и занимает в цитоплазме пространство, называемое нуклеоидом. У бактерий отсутствуют мембранные органеллы, характерные для клеток эукариот: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, пластиды и ряд других. Рибосомы бактерий мельче рибосом эукариот. Бактериальная клетка от внешней среды отграничена плазматической мембраной типичного строения. Снаружи от мембраны клетка бактерий покрыта жесткой клеточной стенкой, в состав которой входит полисахарид муреин, Клеточная стенка проницаема для воды, ионов и низкомолекулярных соединений, но непроницаема для крупных полимерных молекул. Поверх клеточной стенки у бактерий могут располагаться капсула или слои слизи. Эти образования служат дополнительной защитой для клеток и участвуют в формировании колоний. Плазматическая мембрана образует впячивания внутрь клетки, которые называются мезосомами; на их поверхности локализованы ферменты, принимающие участие в дыхательных процессах. У фотосинтезирующих бактерий во впячивания плазматической мембраны встроены фотосинтетические пигменты. Существуют неподвижные и подвижные бактерии. У подвижных бактерий имеется один или несколько жгутиков. Жгутики бактерий устроены иначе, чем у эукариот. Они представляют собой полый цилиндр из особых белков и не покрыты цитоплазматической мембраной.

По форме клетки бактерии можно разделить на четыре основных типа.

Бациллы имеют форму палочек. Среди них есть как одиночные (кишечная палочка,), так и собранные в цепочки (возбудитель сибирской язвы).

Кокки имеют форму шариков. Если они располагаются попарно — это диплококки (возбудитель пневмонии), если образуют цепочки клеток — то стрептококки (возбудители ангины, скарлатины), если они сгруппированы в комочки, напоминающие виноградную кисть, — то это стафилококки (вызывают пищевые отравления).

Вибрионы — это бактерии, имеющие изогнутую форму, напоминающие запятую (возбудитель холеры).

Спириллы — это нитевидные или закрученные по спирали клетки. На них похожи спирохеты. Спириллы и спирохеты отличаются друг от друга по способу перемещения.

При наступлении неблагоприятных условий некоторые бактерии образуют толстостенные споры. Споры эндогенного происхождения, то есть они формируются внутри клеток и служат не для размножения, а для перенесения неблагоприятных условий и распространения. Споры способны выдерживать нагревание, переохлаждение, облучение и могут сохраняться живыми десятки лет.

Размножаются бактерии простым делением клетки пополам (бинарное деление). Перед делением клетки у них происходит удвоение молекулы ДНК. У некоторых бактерий деление может происходить каждые 20 минут. У бактерий может происходить обмен генетическим материалом. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. У бактерий выделяют три ее формы: трансформацию, конъюгацию (не путать с половым процессом конъюгацией у водорослей и инфузорий!) и трансдукцию.

Бактерии-гетеротрофы для получения необходимой энергии используют готовые органические вещества. Они получают энергию при окислении органических веществ кислородом или при сбраживании (без участия кислорода). В зависимости от субстрата, на котором они развиваются, различают сапрофитные бактерии (питаются мертвым органическим веществом, например бактерии гниения, молочнокислые бактерии); бактерии-паразиты (питаются только живыми организмами, например менингококки, гонококки). Есть миксотрофные бактерии (способны и к паразитическому, и к сапрофитному образу жизни, например бациллы сыпного тифа, сибирской язвы).

Автотрофные бактерии используют неорганические соединения углерода (главным образом углекислый газ) для синтеза собственных органических веществ. В качестве источника энергии они используют или свет (фотоавтотрофы: цианобактерии, пурпурные бактерии, зеленые бактерии), или химическую энергию окисления неорганических веществ (хемоавтотрофы: серобактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородные бактерии). К фотоавтотрофным принадлежат бактерии, имеющие зеленые пигменты бактериохлорофиллы. Фотосинтез у некоторых из них протекает в анаэробных условиях без выделения кислорода (аноксигенный фотосинтез). У цианобактерий фотосинтез протекает с выделением кислорода (оксигенный фотосинтез). В группу хемоавтотрофов входят нитрифицирующие бактерии, способные окислять аммоний до нитратов. Азотфиксирующие бактерии переводят молекулярный азот в нитраты. Бесцветные серные бактерии окисляют сероводород до молекулярной серы, а при нехватке сероводорода переводят серу в сернистую и серную кислоты. Железобактерии окисляют двухвалентное железо в трехвалентное, благодаря их деятельности в протерозойской эре образовались залежи железных руд (Криворожское месторождение). Водородные бактерии окисляют молекулярный водород до воды.

Особый интерес представляют бактерии-симбионты, тесно связанные с другими живыми организмами симбиотическими типами 100 отношений. Например, клубеньковые бактерии (принадлежат к роду Ризобиум), которые образуют клубеньки на корнях бобовых растений, свободно живут в почве, но фиксацию молекулярного азота могут осуществлять только в симбиозе с растениями. Они способны фиксировать молекулярный азот и переводить его в форму, доступную для всасывания растениями.

Растение обеспечивает бактерии питательными веществами и создает для них необходимые условия существования, а бактерии снабжают растения азотом. Бактерии имеют повсеместное распространение. Наибольшее количество бактерий обитает в почве — в 1 г плодородной пахотной почвы их содержится несколько миллиардов. Почвенная флора в основном представлена бактериями гниения. Они разлагают органические остатки (отмершие тела растений и животных) до веществ, которые потребляют растения: до углекислого газа, воды и минеральных солей. Этот процесс называется минерализацией органических остатков. Чем больше бактерий в почве, тем интенсивнее идет процесс минерализации, следовательно, тем выше плодородие почв. В почве также могут находиться болезнетворные бактерии и их споры (столбняк). В воду бактерии попадают главным образом из почвы. На дне водоемов сконцентрированы сапрофитные бактерии, они разлагают отмершее органическое вещество, оседающее на дно, то есть выполняют ту же роль, что и почвенные бактерии. Концентрация бактерий в воде значительно ниже, чем в почве. В 1 см3 воды обычно содержатся до 400 000 бактерий. В воде могут присутствовать и болезнетворные бактерии — возбудители холеры, туляремии и др. Меньше всего бактерий в воздухе, однако их количество значительно повышается в помещениях, в местах скопления людей. Наименьшее количество бактерий содержится в воздухе хвойных лесов, особенно сосновых. Смолистые выделения хвойных растений обладают бактерицидным свойством. В населенных пунктах, а особенно в промышленных городах число бактерий в воздухе увеличивается, так как они оседают на взвеси пыли, в избытке содержащейся в воздухе. В местах скопления людей воздух содержит очень большое количество разнообразных болезнетворных бактерий и их споры (туберкулез, ангина). Бактерии встречаются и в бескислородной среде (в глубоких слоях почвы, в иле, в толще воды). Одни бактерии приспособились жить при низких температурах, например, в 1 г льда Антарктиды обнаружено около 100 бактерий. Другие, наоборот, могут жить в горячих источниках, выдерживая температуру до 80 °С. Бактерии живут на покровах растений, животных и человека или внутри них.

Бактерии принимают непосредственное участие в круговороте веществ в природе, разрушая мертвые органические вещества, и тем самым способствуют поглощению этих веществ растениями.

Цианобактерии при фотосинтезе выделяют кислород. Именно благодаря этой группе организмов примерно 2 миллиарда лет тому назад в атмосфере началось накопление молекулярного кислорода. В результате деятельности этих бактерий изменился газовый состав атмосферы и сформировался озоновый экран.

Важную роль играют бактерии в фиксации атмосферного азота. Среди них встречаются как свободно живущие бактерии (азотобактер), так и живущие в симбиозе клубеньковые бактерии. Делая доступным для растений азот атмосферы, они повышают плодородие почвы.

Цианобактерии входят в состав лишайников. Множество симбиотических бактерий обитают в кишечнике млекопитающих как симбионты, например кишечная палочка. Они частично разлагают клетчатку, которую эти животные не способны переварить. В процессе их жизнедеятельности синтезируются витамины группы В и витамин К, необходимые для нормальной жизнедеятельности. При отсутствии бактерий в кишечнике у животных и человека развивается заболевание — дисбактериоз.

Способность бактерий расщеплять органические вещества используют при очистке загрязненных сточных вод.

В пищевой промышленности бактерии используют в процессах брожения для получения кисломолочных продуктов, сыра, масла, квашения овощей. В химической промышленности бактерии используют для получения спиртов, уксусной кислоты, ацетона, сахаров и полимеров.

Бактерии применяются в микробиологической промышленности для получения антибиотиков, витаминов, гормонов и ферментов. Бактерии широко используются в генетической инженерии. Так, путем переноса в клетки генов бактерий, кодирующих синтез инсулина у человека, удалось получить человеческий инсулин.

Бактерии могут играть и отрицательную роль. Они способны вызывать порчу сена, кормов, пищевых продуктов, повреждение книг и рукописей. Цианобактерии вызывают цветение воды, что пагубно отражается на существовании других обитателей водоемов — беспозвоночных и рыб. Бактерии вызывают заболевания растений, животных и человека. У человека бактерии являются возбудителями таких заболеваний, как тиф, холера, чума, сибирская язва, туберкулез, ангина и др. Заражение может происходить как при контакте с больными людьми, так и через воду, воздух, продукты питания, предметы личной гигиены. К мерам борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний относятся: проведение предохранительных прививок, контроль за источниками воды и пищевыми продуктами, пастеризация и термическая обработка продуктов питания, соблюдение основных гигиенических требований, дезинфекция помещений, стерилизация медицинских инструментов и перевязочного материала и др.