Систематика бактерий – сложная проблема. Единой «естественной» (филогенетической) классификации их, отражающей родственные связи между отдельными группами бактерий, эволюционное развитие отдельных видов, не существует.

Системы классификации бактерий по существу являются искусственными, объединяют бактерии в определенные группы на основе сходства их по комплексу морфологических, физиологических, биохимических признаков (в частности, по составу ДНК).

По состоянию на 2000 год описано около 5000 видов бактерии и около 500 видов архей. Известно, что большинство бактерий и архей (более 99%) не растет на лабораторных питательных средах и, следовательно, не может быть изучено. Н. Пейс (N. Pace) и некоторые другие ученые предложили экстрактировать, клонировать, секвенировать и сравнивать рибосомные РНК прямо из окружающей среды, что позволило точно сосчитать и идентифицировать микроорганизмы без необходимости их выделения и культивирования. Это особенно важно для совершенно точной идентификации возбудителей инфекционных заболеваний и пищевых отравлений.

Систематика (таксономия) организмов заключается в распределении (классификации) их по определенным группам, каждая из которых имеет название: класс, порядок, семейство, род, вид. Вид – основная таксономическая единица.

В микробиологии часто употребляют термин «штамм». Это более узкое понятие, чем вид. Штаммами называют чистые культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных сред (субстратов).

В соответствии с принятыми в биологии правилами название бактерий, как и других организмов, дается на латинском языке и состоит из двух слов, первое обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе – вид. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое – со строчной. Например, Streptococcus lactis относится к шаровидным бактериям, образующим цепочки (род Streptococcus), они вызывают скисание молока в результате сбраживания сахара в молочную кислоту, отсюда и видовое название (эпитет) lactis.

С 1 января 1980 г. введен новый кодекс номенклатуры бактерий1. Названия бактерий в учебнике даются в соответствии с новой номенклатурой2.

Широко используется признанный во всем мире и регулярно переиздаваемый международным коллективом авторов «Определитель бактерий Берджи» (перевод 9-го

1 Международный кодекс номенклатуры бактерий. М.: Наука, 1978. 2 Определитель бактерий Берджи. М.: Мир, 1997; Руководство по систематике бактерий Берджи (Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology), 2001-2011 гг. американского издания 1994 г.), который содержит обобщающие знания по разнообразию прокариот.

Определитель предназначен для идентификации бактерий по фенотипическим признакам и содержит концентрированные сведения о видах бактерий.

Справочник предназначен для идентификации видов бактерий, включающий все имеющиеся классификационные признаки.

В этом издании бактерии разделены по фенотипическим признакам на четыре категории.

• Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки. В эту категорию входят фототрофы и нефототрофы.
• Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки. К этой категории относятся простые неспорообразующие и спорообразующие бактерии, актиномицеты.
• Эубактерии, лишенные клеточных стенок, окрашивающиеся по Граму отрицательно, способные к скользящему движению, называемые микоплазмами.
• Архебактерии в которую включены метанообразующие бактерии и особая группа бактерий, имеющих несовершенную клеточную стенку: в ней нет характерного для прокариот муреина, а содержатся другие биополимеры. Исследования показали, что эти бактерии значительно отличаются от всех остальных по морфологическим, физиологическим, биохимическим и цитологическим признакам. Эту особую группу бактерий назвали археи.

Форма их клеток разнообразна: шар, цилиндр, луч, звезда, квадрат, коробочка и др. Как и у других прокариот, их генетическим аппаратом является нуклеоид, но в цитоплазме имеются характерные для эукариот мембранные органеллы (митохондрии, эндоплазматический ретикулум и др.). Большинство из них строгие анаэробы, но есть и аэробы, гетеротрофы и автотрофы. Они обитают в экстремальных условиях внешней среды. Многие из них крайне термофильны – температурный оптиум 85-105 оС, обнаружены в горячих источниках. Некоторые крайне галофильны: выделены из солеварен, где добывается морская соль. Есть и крайне ацидофильные, способные развиваться при рН 1-2. По-видимому, архебактерии – одна из древнейших форм жизни.

Сейчас идентификация филогенетического положения прокариот развивается на основе нуклеотидных последовательностей 16S-pРНК. Это явилось основой второго издания постоянно пополняемого «Руководства по систематике бактерий Берджи» (Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology). Руководство состоит из 5 томов, первый из которых вышел в 2001 г., последний – в 2011 г. Все прокариоты разделены на 26 филогенетические группы, 23 из которых представлены эубактериями, 3 – архебактериями.

Общая характеристика

Бактерии (прокариоты) – это большая группа микроорганизмов (около 4000 видов), большинство из которых одноклеточные.

Форма и размеры бактерий. Основные формы бактерий (рис. 2) – шаровидная, палочковидная и извитая.

Шаровидные бактерии (рис. 2, А) – кокки имеют обычную форму шара, встречаются также уплощенные, слабоовальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде:

одиночных клеток – монококки (микрококки);

клеток, соединенных в различных сочетаниях:

попарно – диплококки;

соединенных по четыре клетки – тетракокки;

более или менее длинных цепочек – стрептококки;

скоплений кубической формы (в виде пакетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим, – сарцины;

скоплений неправильной формы, напоминающих грозди винограда, – стафилококки.

Палочковидные бактерии (рис. 2, Б) могут быть:

одиночными;

соединенными попарно – диплобактерии;

цепочками по три-четыре и более клеток – стрептобактерии.

Соотношения между длиной и толщиной палочек бывают самыми различными.

Рис. 2. Форма бактерий:

А – шаровидные: 1 – микрококки, 2 – стрептококки, 3 – диплококки и тетракокки, 4 – стафилококки, 5 – сарцины;

Б – палочковидные: 6 – палочки без спор, 7 – палочки со спорами;

В – извитые: 8 – вибрионы, 9 – спириллы, 10 – спирохеты;

Г – редкие формы: 11 – тороиды, 12 – бактерии, образующие простеки, 13 – бактерии червеобразной формы, 14 – бактерии в форме шестиугольной звезды;

Д – актиномицеты: 15 – мицелий, 16 – актиномицеты немицелиальные, 17 – споры

Извитые, или изогнутые, бактерии (рис. 2, В) различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора – спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками – спирохетами.

Благодаря использованию электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных природных субстратах, были обнаружены бактерии, имеющие особую форму клеток (рис. 2, Г) замкнутого или разомкнутого кольца (тороиды); с выростами (простеками); червеобразной формы – длинные с загнутыми очень тонкими концами; а также в виде шестиугольной звезды.

Актиномицеты (рис. 2, Д) – эта группа объединяет организмы с разной морфологией: от кокков и палочек до форм образующих ветвящиеся нити.

Строение бактериальной клетки. Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра1 (мкм) до нескольких микрометров. В среднем размер тела большинства бактерий 0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий – 2-5 мкм. Встречаются бактерии, размеры которых значительно превышают среднюю величину, а некоторые находятся на грани видимости в обычных оптических микроскопах.

1 1 микрометр равен 10-6 м.

Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от возраста и условий роста. Однако при определенных, относительно стабильных, условиях бактерии сохраняют присущие данному виду размеры и форму. Масса бактериальной клетки очень мала, приблизительно 4·10-13 г.

Клетка прокариотных организмов, к которым относятся бактерии, обладает принципиальными особенностями ультраструктуры. На рис. 3 представлена схема строения бактериальной клетки.

Клеточная стенка (оболочка) – важный структурный элемент большинства бактерий (рис. 3, 2). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20% сухих веществ клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между протопластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток гетерополимерное соединение – пептидогликан (муреин), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов.

Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки:

1 – капсула; 2 – клеточная стенка; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – цитоплазма; 5 – мезосомы; 6 – рибосомы; 7 – нуклеоид; 8 – внутрицитоплазматические мембранные образования; 9 – жировые капли; 10 – полисахаридные гранулы; 11 – гранулы полифосфата; 12 – включения серы; 13 – жгутики; 14 – базальное тельце

По методу окраски, предложенному датским физиком X. Грамом (1884 г.), бактерии делятся на две группы: грамположительные и грамотрицательные (рис. 4). Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицательные не удерживают ее, что обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое количество муреина (от 50 до 90% сухой массы клеточной стенки) и тейхоевые кислоты. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5-10%) и отсутствуют тейхоевые кислоты.

В последнее время установлено, что разделение на «грамположительные» и «грамотрицательные» теряет свое значение в связи с тем, что некоторые грамположительные бактерии быстро теряют способность удерживать в клеточной стенке комплекс йода с красителем после прекращения активного роста, например, бактерии рода Bacillus (В.В. Михайлов). Поэтому для систематики бактерий более важное значение имеют особенности строения и химического состава клеточных стенок, а не только их окраска по Граму. Однако метод окраски по Граму имеет диагностическую ценность для прокариот, имеющих клеточную стенку и используется для их идентификации.

Рис. 4. Схема строения клеточных стенок грамположительных (Грам+) и

грамотрицательных (Грам-) бактерий

Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но может быть и значительным, может образовывать микро-и макрокапсулу (рис. 3, 1; рис. 5, 1 и рис. 5, 5). По размеру капсула нередко намного превышает бактериальную клетку. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зооглеи), в которые вкраплены бактериальные клетки. Слизистые вещества, образуемые некоторыми бактериями, не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стенки, а диффундируют в окружающую среду. При быстром размножении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии могут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда в сахаристых экстрактах из свеклы при производстве сахара. За короткое время сахарный сироп может превратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от вида бактерий и условий культивирования.

Рис. 5. Схема расположения внешних слоев бактериальной клетки:

1 – микрокапсула; 2 – клеточная стенка; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – слизистый слой; 5 – макрокапсула

Капсула обладает полезными свойствами. Она защищает клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов, антител, иногда является источником запасных питательных веществ. Слизь предохраняет клетки от неблагоприятных условий – у многих бактерий в таких условиях усиливается слизеобразование.

Цитоплазматическая мембрана отделяет от клеточной стенки содержимое клетки (рис. 3, 3). Это обязательная структура любой клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8-15% сухого вещества клетки. В мембране содержится до 70-90% липидов клетки, толщина ее 7-10 нм1. На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной структуры – одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев. Цитоплазматическая мембрана местами втягивается внутрь клетки, образуя всевозможные мембранные структуры. В ней находятся различные ферменты; она полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой.

Цитоплазма бактериальной клетки представляет собой полужидкую, вязкую, коллоидную систему (рис. 3, 4). Местами она пронизана мембранными структурами – мезосомами, которые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь.

Мезосомы (рис. 3, 5) выполняют различные функции; в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране имеются ферменты, участвующие в энергетических

1 Нанометр (нм) равен 0,001 микрометра или 10-9 м. процессах — в снабжении клетки энергией. Хорошо развитые мезосомы обнаружены только у грамположительных бактерий; у грамотрицательных они развиты слабо и имеют более простое строение.

В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и различные включения. Рибосомы (рис. 3, 6) рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20-30 нм; состоят примерно на 60% из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и на 40% из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке в зависимости от ее возраста и условий жизни может быть 5-50 тыс. рибосом.

Ядерный аппарат (рис. 3, 7) представляет собой нить дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая имеет форму двойной спирали, замкнутой в кольцо; ее еще называют «бактериальная хромосома». Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной. Этот ядерный аппарат бактериальных клеток называется нуклеоидом.

Цитоплазматические включения бактериальной клетки разнообразны, в основном это запасные питательные вещества, которые откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий откладываются полисахариды: гликоген, крахмалоподобное вещество гранулеза, которые используются в качестве источника углерода и энергии; липиды обнаруживаются в клетках в виде гранул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты; они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий откладывается молекулярная сера.

Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижными, так и неподвижными. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения.

Жгутики – это тонкие, спирально закрученные нити белковой природы, которые могут осуществлять вращательные движения. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10-20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после специальной обработки клетки. Наличие, число и расположение жгутиков – постоянные для вида признаки и имеют диагностическое значение, однако эти признаки не постоянны и зависят от условий культивирования и возраста бактерий.

Бактерии с одним жгутиком на конце клетки называются монотрихами; с пучком жгутиков – лофотрихами; с пучком жгутиков на обоих концах клетки – амфитрихами; бактерии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клетки, называются перитрихами (рис. 6).

А Б

В Г

Рис. 6. Жгутики бактерий:

А – монотрихи; Б – амфитрихи; В – лофотрихи; Г – перитрихи

Скорость передвижения велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстояние в 20-50 раз больше, чем длина ее тела. При неблагоприятных условиях жизни, старении клетки или механическом воздействии подвижность может быть утрачена. Кроме жгутиков, на поверхности некоторых бактерий в большом количестве имеются нитевидные образования, значительно тоньше и короче, чем жгутики, так называемые фимбрии (или пили).

Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки надвое. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Палочковидные бактерии делятся поперек, шаровидные формы – в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и их числа возникают различные формы: одиночные и парные кокки, цепочки, пакеты, гроздья.

Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бактерий, условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15-20 мин, другие – через 5-10 ч. При таком делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах, например быстрое скисание молока вследствие развития молочнокислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы вследствие развития гнилостных бактерий и т.д.

Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития:

при недостатке питательных веществ,

изменении температуры,

значениях рН, выше и ниже оптимальных значений;

при накоплении продуктов обмена выше определенного уровня.

Способностью образовывать споры обладают в основном палочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).

Спорообразование – сложный процесс, в котором различают несколько стадий (рис. 7). Сначала наблюдается перестройка генетического аппарата клетки, изменяется морфология нуклеоида; в клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытягивается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концентрируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называется спорогенной зоной; в ней сначала происходит уплотнение цитоплазмы, а затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой) (рис. 7, I-IV). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клетки, образуется так называемая проспора. Проспора – это структура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней (рис. 7, III-V). Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки (рис. 7, VI). В кортексе содержится пептидогликан и дипиколиновая кислота (C7H5NO4), которая отсутствует в вегетативных клетках. В дальнейшем поверх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев (рис. 7, VII). Число, толщина и строение слоев различны у разных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окружающий спору в виде чехла (рис. 8).

Рис. 7. Цикл развития эндоспоры у спорообразующих бактерий:

I – вегетативная клетка; II – инвагинация цитоплазматической мембраны; III – образование споровой перегородки (септы); IV – формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V – сформированная проспора; VI – формирование кортекса; VII – формирование оболочки споры; VIII – лизис материнской клетки; IX – свободная зрелая спора; X – прорастание споры; 1 – нуклеоид; 2 – цитоплазма; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – клеточная стенка; 5 – споровая септа; 6 – наружная мембрана споры; 7 – внутренняя мембрана споры; 8 – кортекс; 9 – оболочка споры

Рис. 8. Строение эндоспоры у спорообразующих бактерий:

1 – сердцевина споры; 2 – внутренняя мембрана споры; 3 – кортекс; 4 – наружная мембрана споры; 5 – оболочка споры, состоящая из нескольких слоев; 6 – экзоспориум Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток изменяется. Если спора расположена в ее центре, клетка приобретает форму веретена (клостридиум) или форму барабанной палочки (плектридиум), когда спора приближена к концу клетки (рис. 9).

А Б В

Рис. 9. Схематическое изображение типичных форм спорообразующих клеток:

А – центрально расположенная спора; Б – клостридиальная форма; В – плектридиальная форма

После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается и спора освобождается. Процесс образования споры протекает в течение нескольких часов.

Наличие у бактериальных спор плотной, труднопроницаемой оболочки, малое содержание в ней воды, большое количество липидов, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают высокую устойчивость спор к факторам внешней среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170 оС в течение 1,5-2 ч, а при перегретом паре (в автоклаве) – при 121 °С в течение 15-30 мин.

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов (рис. 10).

Рис. 10. Прорастание спор:

1 – латеральное прорастание спор Baciilus subtilis (а) и Bacillus cereus (б); 2 – полярное прорастание спор Clostridium sprogenes

Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, в ней активизируются ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки; во внешнюю среду высвобождаются дипиколиновая кислота и кальций. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу «росток» новой клетки, из которого затем формируется вегетативная бактериальная клетка.

Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, вызывающих их прорастание в вегетативные клетки, имеет значение в выборе способа обработки продуктов с целью предотвращения их микробной порчи.

Изложенные выше сведения характеризуют в основном так называемые истинные бактерии. Существуют и другие, более или менее отличающиеся от них, к которым относятся следующие.

Нитчатые (нитевидные) бактерии – многоклеточные организмы в виде нитей различной длины, диаметром от 1 до 7 мкм, подвижных или прикрепленных к субстрату. В основном нити со слизистым чехлом. Они могут содержать окись магния или окислы железа. Живут в водоемах, встречаются в почве.

Миксобактерии – палочковидные бактерии, передвигаются путем скольжения; живут в почве и на различных растительных остатках. Образуют плодовые тела, представляющие собой скопления клеток, заключенных в слизь. Клетки в плодовых телах переходят в покоящееся состояние – миксоспоры.

Почкующиеся и стебельковые бактерии. Живут в почве и водоемах. Размножаются почкованием, образуют стебельки или то и другое вместе. Есть виды с выростами – простеками (рис. 2, 12).

Актиномицеты («лучистые грибки») имеют ветвистую форму. Одни – палочки слегка разветвленные (рис. 2, Д), другие – имеют вид тонких ветвящихся нитей, образующих одноклеточный мицелий. Мицелиальные актиномицеты размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Актиномицеты бывают окрашены; они широко распространены в природе. Встречаются на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. Продукты приобретают характерный землистый запах. Многие актиномицеты продуцируют антибиотики. Есть виды, патогенные для человека и животных.

Риккетсии. Палочковидные и кокковидные микроорганизмы, неподвижны, спор не образуют. Внутриклеточные паразиты; некоторые вызывают заболевания животных и человека. Переносчиками риккетсий являются в основном насекомые (вши, блохи, клещи).

Микоплазмы – организмы без клеточной стенки, покрытые лишь трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопических размеров (ок. 200 нм), плеоморфные (разнообразной формы) – от кокковидных до нитевидных. Некоторые вызывают заболевания человека, животных, растений.