Бактерии — общая характеристика. Классификация, строение, питание и роль бактерий в природе. Виды болезнетворных бактерий

Всемирная организация здравоохранения опубликовала список самых опасных бактерий, устойчивых к антибиотикам. По мнению специалистов, чтобы избежать эпидемий и пандемий, необходимо сосредоточиться на разработке новых лекарств, которые могли бы эффективно противодействовать перечисленным ниже патогенам.

Список микроорганизмов составлялся 70 экспертами (инфектологами, микробиологами, педиатрами и другими) на основе множества критериев – например, смертности от вызываемых этими бактериями заболеваний, роста устойчивости к антибиотикам за последние 10 лет, возможности предотвратить заражение в условиях больницы, излечимости заболеваний и так далее.

Критический уровень опасности

Acinetobacter baumannii, устойчивые к карбапенемам

Вызывает инфекции кровотока, дыхательных путей, кожи и мягких тканей, нервной системы, мочевыводящих путей и другие. Эти бактерии могут быть причиной пневмонии, менингита, абсцессов головного мозга, сепсиса, реже – остеомиелита, артрита, перитонита и холангита, могут вызывать заболевания глаз.

Pseudomonas aeruginosa, устойчивые к карбапенемам

Синегнойная палочка инфицирует кишечник, сердце, мочеполовую систему, дыхательные пути. В результате развиваются такие заболевания, как пневмония, сепсис, эндокардит, тромбофлевит. Страдают в основном пациенты с ослабленным иммунитетом.

Enterobacteriaceae, устойчивые к карбапенемам и цефалоспоринам 3 поколения

Энтеробактерии в основном отвечают за кишечные инфекции. К зоне их «юрисдикции» относятся брюшной тиф, иерсиниоз, дизентерия, сальмонеллез и чума, а также пневмония и диарея.

Высокий уровень опасности

Enterococcus faecium, устойчивые к ванкомицину

Фекальные энтерококки присутствуют в микрофлоре кишечника и «в мирное время», однако они могут быть и возбудителями целого ряда заболеваний, поражающих мочеполовую систему, органы малого таза и так далее. Воспалительные процессы могут привести к перитониту, эндокардиту, а у мужчин – к эректильной дисфункции.

Staphylococcus aureus, устойчивые к метициллину и ванкомицину

Золотистый стафилококк обитает на коже у человека, и в норме себя практически не проявляет. Однако если иммунитет по каким-либо причинам снижается – бактерия может вызывать заболевания кожи, слизистых оболочек, суставов, костей и органов. Такое заражение может проявляться в виде сепсиса, дерматита, асбцессов, пиелонефрита, цистита, пневмонии, артрита, интоксикации.

Helicobacter pylori, устойчивые к кларитромицину

Эти микроорганизмы инфицируют желудок и двенадцатиперстную кишку. Бактерии могут стать причиной гастрита, дуоденита, язвы желудка и двенадцатиперстной кишки и даже рака желудка.

Campylobacter, устойчивые к фторхинолонам

Кампилобактерии вызывают различные кишечные инфекции, особенно опасные для детей, пожилых людей и пациентов с ослабленным иммунитетом. В основном это заболевания диарейного типа, после которых могут возникнуть осложнения – гепатит, панкреатит, расстройства неврологического характера.

Salmonella spp., устойчивые к фторхинолонам

Заражение сальмонеллами приводит не только к сальмонеллезу. Проблемы со здоровьем, вызванные этими микроорганизмами, могут включать в себя брюшной тиф и паратифы, а также пиелонефрит, простатит и цистит.

Neisseria gonorrhoeae, устойчивые к фторхинолонам и цефалоспоринам 3 поколения

Возбудители урогенитальных инфекций, в частности, гонореи, которая может поражать не только половые органы. Гонококк вызывает фарингит, а у новорожденных — и конъюнктивит.

Средний уровень опасности

Streptococcus pneumoniae, невосприимчивые к пенициллину

Пневмококки обитают в дыхательных путях. Они могут быть возбудителями плеврита, пневмонии, отита, артрита, менингита, эндокардита.

Haemophilus influenzae, устойчивые к ампициллину

Другое название этой бактерии – палочка Пфайфера или гемофильная палочка. От нее страдают органы дыхания и центральной нервной системы. Синусит, отит, перикардит, артрит, менингит, пневмония, воспаление надгортанника – вот только часть заболеваний, к которым приводит гемофильная инфекция.

Shigella spp., устойчивые к фторхинолонам

Шигеллы – вид энтеробактерий. Они также вызывают кишечные инфекции, например, дизентерию, называемую также шигеллезом.

Эксперты ВОЗ подчеркивают, что необходимо наращивать темпы разработки новых лекарственных средств вне зависимости от требований рынка, иначе существующие антибиотики могут перестать справляться с вызванными перечисленными бактериями заболеваниями.

Практически всегда вместе с антибиотиками врачи назначают и препараты от дисбактериоза. Но пока это происходит вслепую: доступных способов определить состав сообщества бактерий в кишечнике человека еще не существует. Однако бедность микробиома может привести к смерти пациента. Разнообразие сообщества бактерий в кишечнике - это критический параметр, который нужно уметь определять. Петербургские ученые придумали, как оценить здоровье микробиома в целом, не имея возможности изучить каждую бактерию в отдельности.

Считается, что у человека в кишечнике живет порядка тысячи видов бактерий: у кого-то - больше, у кого-то -- меньше. Известны случаи, когда при раке крови грозная болезнь отступала, но человек всё же погибал от побочных эффектов: уж слишком много полезных бактерий оказывались жертвами химиотерапии. И подобное, хотя и в меньших масштабах, происходит каждый раз, когда мы глотаем антибиотики: полезные бактерии гибнут. Чтобы научиться восстанавливать это сообщество после внешнего воздействия - например, после курса антибиотиков, - необходимы надежные методы диагностики. Однако на этом пути ученые встречают барьер.

Основную массу обитающих на Земле микроорганизмов мы не знаем, потому что не можем их вырастить в лабораторных условиях, - поясняет замруководителя Центра алгоритмической биотехнологии Института трансляционной биомедицины СПбГУ, профессор Алла Лапидус. - Из числа бактерий, обитающих в кишечнике человека, известна примерно половина.

По словам Павла Певзнера, руководителя Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ, профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего (США), Медицинского института Говарда Хьюза (США) и директора Центра вычислительной масс-спектрометрии Национального института здоровья США, здоровым можно назвать разнообразный микробиом.

Разнообразие и сложность микробиома каждого из нас постоянно меняется, - говорит Павел Певзнер. - После того как вы применяете антибиотик, разнообразие уменьшается, потому что антибиотик убивает много видов бактерий. Химиотерапия также сильно воздействует на микробиом: иногда он становится настолько примитивным, что один или несколько видов бактерий занимают всё пространство и человек может не выжить. Разнообразие микробиома - это критический параметр, который нужно уметь оценивать.

Ученые пришли к идее анализировать сложность микробиома человека в целом, не имея возможности изучить каждую бактерию в отдельности. Перед биоинформатиками была поставлена задача, которая, с одной стороны, важна для изучения метагеномов (совокупность геномов, например, в кишечнике - это микробиом), а с другой - разрешима с вычислительной точки зрения.

Мы вместе с моим сотрудником Антоном Банкевичем нашли способ рассчитать сложность микробиома, - рассказывает Павел Певзнер. - Мы разработали математическую программу, которая позволяет получить такую информацию о каждом конкретном человеке и сказать, является ли микробиом здоровым или больным, и подсказать доктору, что нужно сделать для его восстановления, например, после курса антибиотиков.

Сотрудник Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ Антон Банкевич отметил важность появления технологии чтения (секвенирования) геномов, способной генерировать длинные и точные геномные последовательности любого живого организма, и бактерий микробиома в том числе.

Алгоритм создан на пике интереса к этой технологии, - подчеркнул эксперт. - Ее наличие критично для применения разработанного алгоритма, который вычисляет значение математической формулы, подставляя значения, полученные с помощью реальных данных, и, при необходимости, корректируя результат с учетом особенностей реальных данных, не учтенных в формуле. Алгоритм реализован в виде программы и находится в свободном доступе.

Публикация алгоритма в международном научном журнале Cell Systems закрепляет лидерство петербургских биоинформатиков в этой области научного знания. Но потребуется еще несколько лет, чтобы вместе с докторами научиться использовать большие массивы данных. До того момента, когда можно будет проанализировать микробиом конкретного человека пройдет 3–4 года.

Для развития науки новый алгоритм очень интересен, уверена заведующая научно-исследовательской лабораторией внутрибольничных инфекций НМИЦ им. В.А. Алмазова, доктор медицинских наук Елена Баранцевич. Она отметила, что в современную эпоху происходит быстрая смена технологий, доступных ученым.

Раньше мы могли читать только короткие фрагменты ДНК и оценивать микробиом по ним. А сейчас появилась возможность прочитывать длинные фрагменты ДНК, что расширило наши возможности, но одновременно привело к необходимости создания адекватных методов оценки полученных данных.

По ее мнению, предложенный математический алгоритм может быть очень перспективным.

Люди стараются найти новые способы обезопасить себя от их пагубного влияния. Но существуют и полезные микроорганизмы: способствующие созреванию сливок, образованию нитратов для растений, разлагающие мертвую ткань и др. Живут микроорганизмы в воде, почве, воздухе, на теле живых организмов и внутри них.

Формы бактерий

Существует основные 4 формы бактерии, а именно:

1. Микрококки – располагающиеся отдельно или неправильными скоплениями. Обычно они неподвижны.
2. Диплококки располагаются попарно, в организме могут быть окружены капсулой.
3. Стрептококки встречаются в виде цепочек.
4. Сарцины образуют скопления клеток, имеющих форму пакетов.
5. Стафилококки. В результате процесса деления не расходятся, а образуют скопления (грозди).

Бактерия имеет сложное строение:

• Стенка клетки защищает одноклеточный организм от внешнего воздействия, придает определенную форму, обеспечивает питание и сохранение его внутреннего содержимого.
• Цитоплазматическая мембрана содержит ферменты, участвует в процессе размножения, биосинтезе компонентов.
• Цитоплазма служит для выполнения жизненно важных функций. У многих видов в цитоплазме содержится ДНК, рибосомы, различные гранулы, коллоидная фаза.
• Нуклеоид - это ядерная область неправильной формы, в которой располагается ДНК.
• Капсула является поверхностной структурой, которая делает оболочку более прочной, защищает от повреждений и пересыхания. Эта слизистая структура имеет толщину больше 0,2 мкм. При меньшей толщине ее называют микрокапсулой. Иногда вокруг оболочки находится слизь , не имеющая четких границ и растворимая в воде.
• Жгутиками называют поверхностные структуры, служащие для передвижения клеток в жидкой среде или по твердой поверхности.
• Пили – нитевидные образования, намного тоньше и меньше жгутиков. Они бывают различных типов, различаются по назначению, строению. Пили нужны для прикрепления организма к поражаемой клетке.
• Споры . Спорообразование происходит при возникновении неблагоприятных условий, служат для приспособления вида или его сохранения.

Предлагаем рассмотреть основные виды бактерий:

Питательные вещества поступают внутрь клетки через всю ее поверхность. Микроорганизмы получили широкое распространение благодаря существованию у них различных типов питания. Для жизни им необходимы разнообразные элементы: углерод, фосфор, азот и др. Регулировка поступления питательных веществ осуществляется с помощью мембраны.

Тип питания определяется по тому, как происходит усвоение углерода и азота и по виду источника энергии. Одни из них могут получать эти элементы из воздуха, использовать солнечную энергию, а другим для существования необходимы вещества органического происхождения. Все они нуждаются в витаминах, аминокислотах, способных играть роль катализаторов реакций, идущих в их организме. Вывод веществ из клетки происходит за счет процесса диффузии.

У многих типов микроорганизмов важную роль в обмене веществ и дыхании играет кислород. В результате дыхания происходит выделение энергии, используемой ими для образования органических соединений. Но существуют бактерии, кислород для которых смертелен.

Размножение происходит путем деления клетки на две части. После того, как она достигает определенных размеров, начинается процесс разделения. Клетка удлиняется и в ней образовывается поперечная перегородка. Образовавшиеся части расходятся, но некоторые виды остаются связанными и образуют скопления. Каждая из вновь образовавшихся частей питается и растет, как самостоятельный организм. При попадании в благоприятную среду процесс размножения происходит с большой скоростью.

Микроорганизмы способны разлагать сложные вещества на простые, которые потом могут вновь использоваться растениями. Поэтому бактерии незаменимы в круговороте веществ, без них невозможны были бы многие важные процессы на Земле.

А знаете ли вы?

Вывод: Не забывайте мыть руки всякий раз, когда приходите домой после улице. Сходив в туалет, также мойте руки с мылом. Простое правило, а какое важное! Следите за чистотой, и бактерии вас не будут тревожить!

Для закрепления материала предлагаем пройти наши увлекательные задания. Желаем удачи!

Задание №1

Внимательно посмотрите на картинку и скажите, какая из этих клеток является бактериальной? Попробуйте назвать оставшиеся клетки, не подглядывая в подсказки:

Бактерии это самый древний организм на земле, а также самый простой в своем строении. Он состоит всего из одной клетки, которую можно увидеть и изучить только под микроскопом. Характерным признаком бактерий является отсутствие ядра, вот почему бактерии относят к прокариотам.

Некоторые виды образовывают небольшие группы клеток, такие скопления могут быть окружены капсулой (чехлом). Размер, форма и цвет бактерии сильно зависит от окружающей среды.

По форме бактерии различаются на: палочковидные (бациллы), сферические (кокки) и извитые (спириллы). Встречаются и видоизмененные – кубические, С-образные, звездчатые. Их размеры колеблются от 1 до 10мкм. Отдельные виды бактерий могут активно передвигаться при помощи жгутиков. Последние иногда превышают размер самой бактерии в два раза.

Виды форм бактерий

Для движения бактерии используют жгутики, количество которых бывает различное – один, пара, пучок жгутиков. Расположение жгутиков также бывает разным – с одной стороны клетки, по бокам или равномерно распределены по всей плоскости. Также одним из способов передвижения считается скольжение благодаря слизи, которой покрыт прокариот. У большинства внутри цитоплазмы есть вакуоли. Регулировка ёмкости газа в вакуолях помогает им двигаться в жидкости вверх или вниз, а также перемещаться по воздушных каналах почвы.

Ученые открыли более 10 тысяч разновидностей бактерий, но по предположениям научных исследователей в мире существует их более миллиона видов. Общая характеристика бактерий дает возможность определиться с их ролью в биосфере, а также изучить строение, виды и классификацию царства бактерий.

Места обитания

Простота строения и быстрота адаптации к окружающим условиям помогла бактериям распространиться в широком диапазоне нашей планеты. Они существуют везде: вода, почва, воздух, живые организмы – всё это максимально приемлемое место обитания для прокариотов.

Бактерии находили как на южном полюсе, так и в гейзерах. Они есть на океанском дне, а также в верхних слоях воздушной оболочки Земли. Бактерии живут везде, но их количество зависит от благоприятных условий. К примеру, большая численность видов бактерий проживает в открытых водоемах, а также почве.

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:

• Рыбосомы;
• мезосомы;
• аминокислоты;
• ферменты;
• пигменты;
• сахар;
• гранулы и включения;
• нуклеоид.

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.

Размножение

В условиях, благоприятных для размножения, оно осуществляется почкованием или вегетативно. Бесполое размножение происходит в такой последовательности:

1. Клетка бактерии достигает максимального объема и содержит необходимый запас питательных веществ.
2. Клетка удлиняется, посередине появляется перегородка.
3. Внутри клетки происходит дележ нуклеотида.
4. ДНК основная и отделенная расходятся.
5. Клетка делится пополам.
6. Остаточное формирование дочерних клеток.

При таком способе размножения нету обмена генетической информацией, поэтому все дочерние клетки будут точной копией материнской.

Процесс размножения бактерий в неблагоприятных условиях более интересен. О способности полового размножения бактерий ученые узнали сравнительно недавно – в 1946 году. У бактерий нет разделения на женские и половые клетки. Но ДНК у них встречается разнополое. Две такие клетки при приближении друг к другу образовывают канал для передачи ДНК, происходит обмен участками – рекомбинация. Процесс довольно длительный, результатом которого являются две совершенно новые особи.

Большинство бактерий очень сложно увидеть под микроскопом, так как они не имеют своей окраски. Немногие разновидности имеют пурпурный или зеленый окрас, благодаря содержанию в них бактериохлорофилла и бактериопурпурина. Хотя если рассматривать некоторые колонии бактерий, становится ясно, что они выделяют окрашиваемые вещества в среду обитания и приобретают яркую окраску. Для того, чтобы подробней изучать прокариотов, их окрашивают.

Классификация

Классификация бактерий может быть основана на таких показателях, как:

• Форма
• способ передвижения;
• способ получения энергии;
• продукты жизнедеятельности;
• степень опасности.

Бактерии симбионты живут в содружестве с иными организмами.

Бактерии сапрофиты проживают на уже отмерших организмах, продуктах и органических отходах. Они способствуют процессам гниения и брожения.

Гниение очищает природу от трупов и других отходов органического происхождения. Без процесса гниения не было бы круговорота веществ в природе. Так в чем же состоит роль бактерий в круговороте веществ?

Бактерии гниения - это помощник в процессе расщепления белковых соединений, а также жиров и других соединений, содержащих в себе азот. Проведя сложную химическую реакцию, они разрывают связи между молекулами органических организмов и захватывают молекулы белка, аминокислот. Расщепляясь, молекулы высвобождают аммиак, сероводород и другие вредные вещества. Они ядовиты и могут вызывать отравление у людей и животных.

Бактерии гниения быстро размножаются в благоприятных для них условиях. Так как это не только полезные бактерии, но и вредные, то чтобы не допустить преждевременного гниения у продуктов, люди научились их обрабатывать: сушить, мариновать, солить, коптить. Все эти способы обработки убивают бактерии и не дают им размножаться.

Бактерии брожения при помощи ферментов способны расщеплять углеводы. Эту способность люди заметили еще в древние времена и используют такие бактерии для изготовления молочнокислых продуктов, уксусов, а также других продуктов питания до сих пор.

Бактерии, трудясь в совокупности с другими организмами, делают очень важную химическую работу. Очень важно знать какие есть виды бактерий и какую пользу или вред приносят для природы.

Значение в природе и для человека

Выше уже отмечалось большое значение многих видов бактерий (при процессах гниения и различных типах брожения), т.е. выполнение санитарной роли на Земле.

Бактерии также играют огромную роль в круговороте углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы, кальция и других элементов. Многие виды бактерий способствуют активной фиксации атмосферного азота и переводят его в органическую форму, способствуя повышению плодородия почв. Особо важное значение имеют те бактерии, которые разлагают целлюлозу, являющиеся основным источником углерода для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании нефти и сероводорода в лечебных грязях, почвах и морях. Так, насыщенный сероводородом слой воды в Черном море является результатом жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Деятельность этих бактерий в почвах приводит к образованию соды и содового засоления почвы. Сульфатредуцирующие бактерии переводят питательные вещества в почвах рисовых плантаций в такую форму, которая становится доступной для корней этой культуры. Эти бактерии могут вызывать коррозию металлических подземных и подводных сооружений.

Благодаря жизнедеятельности бактерий почва освобождается от многих продуктов и вредных организмов и насыщается ценными питательными веществами. Бактерицидные препараты успешно используются для борьбы с многими видами насекомых-вредителей (кукурузным мотыльком и др.).

Многие виды бактерий используются в различных отраслях промышленности для получения ацетона, этилового и бутилового спиртов, уксусной кислоты, ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, белково-витаминных препаратов и т.д.

Без бактерий невозможны процессы при дублении кожи, сушке листьев табака, выработке шелка, каучука, обработке какао, кофе, мочении конопли, льна и других лубоволокнистых растений, квашении капусты, очистке сточных вод, выщелачивании металлов и т.д.

Многие бактерии являются возбудителями, которые вызывают смертельные болезни у своих обладателей. Каждый год из-за этих крошечных живых существ погибают миллионы людей. Определить смертельно опасные бактерии трудно, ведь многие из них кажутся вполне безобидными, если вовремя начать лечение. Тем не менее, вот некоторые смертельно опасные бактерии, которые встречаются в нашем мире.

Сальмонеллы

Одна из смертельно опасных форм сальмонеллы - брюшной тиф. В год от этой палочки погибают до 261 тысяч людей (в эндемичных районах). Эта палочка передается через фекалии и загрязнение мочи. Некоторые люди могут быть бессимптомными носителями сальмонеллы.

Столбняк

Хорошая новость заключается в том, что вакцина от столбняка была разработана. В современных городах вероятность подхватить столбняк довольно мала, однако ежегодно в мире умирают 58 тысяч детей и взрослых, заразившихся столбняком и вовремя не обратившихся за лечением.

Золотистый стафилококк

Стафилококк представляет собой одну из крупнейших групп бактерий с 40 подвидами. При небольшом количестве таких бактерий нормальная иммунная система сможет с ними справиться. Однако в последнее время появилось множество штаммов, который устойчивы к антибиотикам.

Сифилис

Сифилис был включен в этот список по той причине, что он считается из самых изнурительных и трудно диагностируемых болезней. Тем не менее, сифилис легко поддается лечению на первой и второй стадии. На третьей стадии лечение довольно проблематично, так как бактерии проникают в мозг.

Пневмококк

Эта бактерия несет ответственность за многочисленные случаи пневмонии во всем мире, а так же является основной причиной бактериального менингита.

Туберкулез

Туберкулез разит мир на протяжении веков. В 2007 году в мире насчитывалось 13.7млн хронически больных, 9.3 млн. Новых больных и 1.8 млн предсмертных случаев. Инфицированные люди живут преимущественно в развивающихся странах. Установлено, что долгое время болезнь дремлет в человеке, прежде чем активизироваться.

Кишечная палочка

Вирулентные штаммы кишечной палочки могут вызывать гастроэнтерит, инфекции мочевыводящих путей, менингит. В более редких случаях, вирулентные штаммы также несут ответственность за гемолитической - уремический синдром (ГУС) , перитонит, мастит, сепсис и грамотрицательные пневмонии. Кишечная палочка хорошо лечится при помощи антибиотиков, однако она также становится быстро устойчивой к подобному лечению.