Актиномицеты

Содержание

Аннотация........................................................................................................3

Введение…………………………………………………………………………5

1 Общая характеристика актиномицет………………………………………..7

2 Классификация лучистых грибков…………………………………………...15

3 Культуральные свойства лучистых грибков………………………………...23

    3.1 Физиологические и биохимические свойства лучистых грибков…….26

    3.2Биологически активные вещества, продуцируемые актиномицетами....32

Заключение……………………………………………………………………....37

Список использованной литературы…………………………………………39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Аннотация

     В данной работе рассматриваются теоретические вопросы морфологии, физиологии и жизненных циклов актиномицет.

     Теоретические основы отражают особенности строения актиномицет, их приспособления к условиям окружающей среды, а также роль актиномицет в природе и жизни человека и влияние их на другие организмы.

     В данной работе представляется многообразие мира микроорганизмов. Рассматриваются разнообразные виды лучистых грибков, их особенности строения и организации.

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Аbstract

      This paper deals with theoretical questions of morphology, physiology and life cycles of actinomycetes.

     Theoretical foundations reflect the structural features of the actinomycetes, their adaptation to the environment and the role of actinomycetes in nature and human life and their influence on other organisms.

     This paper presents the diverse microbial world. We consider various types of ray fungi, their structural features and organization.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

     Введение

     Мир микроорганизмов в природе весьма разнообразен. Значительное

их число  представлено бактериями. Микроорганизмы широко

распространены  в природе. Широкое распространение микроорганизмов

свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии

происходит  разложение различных органических веществ в почвах и

водоемах, они обуславливают круговорот веществ и энергии в природе, от

их деятельности зависит плодородие почв.

      Актиномицеты - это группа микроорганизмов, соединяющая в себе черты бактерий и грибов. Широко распространены в почвах, в иле водоёмов, в воздухе и на растительных остатках.

      Морфологические признаки актиномицет имеют аналогию со строением несовершенных грибов. Для них характерно нитевидное или палочковидное и кокковидное строение и наличие боковых выростов; способны к формированию ветвящегося мицелия на некоторых стадиях развития диаметром 0,4 - 1,5 мкм, которая проявляется у них в оптимальных для существования условиях. Подчеркивая бактериальное происхождение актиномицетов, ученые называют их аналог грибного мицелия тонкими нитями. Актиномицеты включают в себя организмы с наиболее характерными среди всех бактерий нитчатым строением.

      Наиболее важными вопросами, касающиеся изучения актиномицет, являются исследование механизмов передачи генетического материала и создание новых способов генетического картирования. На настоящий момент достаточно подробно изучены способы передачи генетического материала плазмидами, с помощью рекомбинации, трансдукции, конъюгации гамет, а также эффективные методы составления генетических карт.

     В 1874 Ф. Кон в пробе из слёзного канала человека впервые обнаружил нитчатую бактерию, названную в честь врача, взявшего пробу Streptothrix foersteri. Поскольку родовое название Strepothrix уже было занято грибом, позднее бактерия была переименована в Streptomyces foersteri. В 1877 патолог Боллингер и ботаник Гарц исследовали опухоли (актиномикозные узлы) коров и обнаружили их возбудителя, которого из-за лучистого расположения нитей назвали лучистым грибком (Actinomyces). Это название вскоре стало собирательным для нескольких близких родов.

     В 1884 Израиль получил первую чистую культуру актиномицета (Actinomyces israelii). В дальнейшем было обнаружено множество патогенных форм (1888 — из ноги больного мадуровой болезнью человека Нокардом был выделен первый представитель рода Nocardia), в 1890—1892 Госпирини составил список родов актиномицетов.

     В 1912—1916 стали появляться первые описания непатогенных актиномицетов, выделенных из обычных природных субстратов. В этот период свой вклад в развитие актиномицетологии внесли С. А. Ваксман, Краинский, Рудольф Лиске.

     Новый этап развития науки начался в 1939, когда Красильников получил в нативном виде антибиотик мицетин, выделяемый стрептомицетами. В 1945 Ваксман, Шатц и Буги выделили стрептомицин. На актиномицеты оказалось обращено большое внимание, однако в основном развивались прикладные аспекты актиномицетологии, связанные с получением и применением антибиотиков. Тем не менее в это период также были получены сведения об экологии, биохимии, строении, циклах развития, которые в свою очередь позволили разработать принципы классификации актиномицетов.

     С 1980-х-1990-х внимание переключилось на изучение экологических функций актиномицетов, их взаимоотношения в естественных условиях с животными, растениями и микроорганизмами. Происходит пересмотр систематики, связанный с получением данных о геноме актиномицетов.

 

  

 

 

 

      1 Общая характеристика актиномицет

     Актиномицеты (устаревшее название лучистые грибки) — бактерии, имеющие способность к формированию на некоторых стадиях развития ветвящегося мицелия (некоторые исследователи, подчёркивая бактериальную природу актиномицетов, называют их аналог грибного мицелия тонкими нитями) диаметром 0,4-1,5 мкм, которая проявляется у них в оптимальных для существования условиях. Имеют грамположительный тип клеточной стенки. Они обладают способностью развиваться при высоких температурах (50—60 °С), независимо от температурного минимума их роста. Среди них встречаются актиномицеты, способные расти при 60—70 °С. Лучистые грибки, развивающиеся при обычных температурах (25—30°С), не растут при температуре 50 °С и выше.

     Количественный учет термофильных актиномицетов в почвах и компостах

был проведен В. Ваксманом с сотрудниками в 1939 г. Термофильные

актиномицеты  были обнаружены во всех почвах и во все сезоны года.

Особенно  много их в почвах, удобренных навозом (в среднем 200 000 на 1 г в

весенних  и летних пробах). Зимой термофильные актиномицеты составляли

10—15% от всей термофильной микрофлоры; весной и летом 70—90%. Ранее признак термофильности отражали в некоторых родовых названиях актиномицетов, растущих при повышенных температурах (рисунок 1). При идентификации термофильных актиномицетов используют, как обычно, культуральные признаки.

     Количество термофильных лучистых грибков не зависит от географической закономерности, а определяется экологическими факторами, в частности типом почвы и степенью ее окультуренности. В пределах одного семейства и рода (например, Micromonospora) могут быть как термофильные, так и мезофильные культуры; несмотря на довольно стойкий признак

термофильности, видимо, нецелесообразно ориентироваться  на него при характеристике родов  или более крупных таксономических  единиц. В почве

обнаруживаются  представители почти всех родов  актиномицетов.

                           

 

              Рисунок 1. Схематическое изображение вегетативного и

              спороносного мицелия различных  родов термофильных

              актиномицетов. 

 

     Актиномицеты обычно составляют четверть бактерий, вырастающих на

традиционных  средах при посевах их разведённых почвенных суспензий и 5-

15% прокариотной  биомассы, определяемой с помощью люминисцентной микроскопии. Их экологическая роль заключается чаще всего в разложении сложных устойчивых субстратов; предположительно они участвуют в синтезе и разложении гумусовых веществ. Могут выступать симбионтами беспозвоночных и высших растений. Большинство известных термофильных лучистых грибков быстро гидролизуют крахмал, свертывают и пептонизируют молоко, разжижают желатин и т. д., что свидетельствует о высокой ферментативной активности и может быть использовано в практике. Однако эти культуральные свойства лабильны и поэтому, с точки зрения многих исследователей, не могут быть основными критериями при определении вида. Другие культуральные свойства, такие, как восстановление нитратов, образование сероводорода, в большей степени отражают физиологические особенности микроорганизма, более стабильны и, следовательно, играют существенную роль при идентификации вообще и термофильных актиномицетов в частности. Для выделения термофильных актиномицетов разными авторами использовались разные методики.

     Выделение этих микроорганизмов хорошо удается на крахмальном агаре, крахмально-аммиачно-сульфатном агаре, а также мясо-пептонном агаре (МПА). Лучшим для этой цели оказался крахмально-аммиачно-сульфатный агар, на котором наблюдается слабый рост более требовательных к среде термофильных бактерий и, наоборот, хороший рост термофильных актиномицетов.

     Наиболее подходящая температура для выделения 55—60 °С.

Термофильные  актиномицеты обладают большой скоростью  роста. Их

жизненный цикл проходит гораздо быстрее, чем у  мезофильных штаммов.

Термофильные  актиномицеты образуют разветвленный  мицелий из гиф,

диаметр которых  от 0,2 до 1 мкм. На твердых средах они  растут в виде

плоских колоний, достигающих 3—4 см в диаметре, а  иногда и до 6—8 см,

часто покрытых налетом, состоящим из воздушных  гиф со спорами.

Термофильные  актиномицеты образуют воздушный и  субстратный мицелии.

Гифы воздушного мицелия без спор термофильных лучистых грибков, как

правило, белоснежно-белого цвета. Воздушный мицелий со спорами  или

сохраняет белый  цвет, или приобретает темно-серый  оттенок. Серо-зеленые,

голубые и  желтые штаммы встречаются реже. У  некоторых термофильных

актиномицетов в процессе развития изменяется цвет колоний на агаре от

белоснежно-белого до желтого, грязно-зеленоватого, коричневого,

красноватого  и даже черного. Многие представители  термофильных

лучистых  грибков образуют растворимый пигмент, который проникает в

среду и окрашивает ее в яркие цвета.

     Изучение тонкого строения спор ряда актиномицетов позволило

исследователям  сделать вывод, что некоторые  термофильные актиномицеты

образуют  споры, близкие по строению к спорам бактерий родов Bacillus и

Clostridium. Обмен  веществ у термофильных микроорганизмов  происходит

более интенсивно, чем у мезофильных. Об этом свидетельствуют

экспериментальные данные о более высокой ферментативной активности

термофилов  и о повышенном количественном содержании в клетках

термофильных  микроорганизмов некоторых ферментов. По числу спор

актиномицеты  делят на моно- (например, Saccaromonospora, Micromonospora)

олиго- (Actinomadura) и полиспоровые (Streptomyces), выделяя  особо те,

которые образуют спорангии. Спорообразование преимущественно

экзогенное (Thermoactinomyces образует настоящие эндоспоры, однако в

настоящее время  этот род на основании хемотаксономических  и

генетических  признаков, несмотря на выраженную мицелиальную стадию

склонны относить к бациллам), реже псевдоэндогенное (Planomonospora,

Dactylosporangium).

     У Streptomyces и спорулирующих Actinomyces споры образуются в два этапа:

Апикальный  участок воздушной гифы отделяется септой, нуклеоид вытягивается. Почти одновременно клетка делится септами на участки, нуклеоид делится в тех же местах, клеточная стенка становится в 2 раза толще, споры округляются и их стенка становится в 7 раз толще стенки гифы. У олигоспоровых септы закладываются базипитально. У монспоровых могут образовываться по механизму почкования. Прорастание происходит в

следующие стадии:

-Инактивная спора гидрофобна, термоустойчива, не проявляет дыхательной

активности

-Смачивающаяся активированная спора проявляет активность ферментов,

начинается  дыхание

-Спора набухает, начинается синтез РНК

-Выход 1-3 (реже 4) ростовых трубок, начинается синтез ДНК. Эта стадия

необратима, остальные три – обратимы.

     При изучении цитохромов в клетках мезофильных и термофильных

представителей  различных родов актиномицетов  было обнаружено, что у

некоторых термофильных актиномицетов (Thermoactinomyces sp.,

Actinobifida dichotomica, Mycropolyspora sp.) оказалось больше цитохромов

типов с и  а; очевидно, некоторые участки цепи переноса электронов (в

частности, цитохромная система) термофильных штаммов могут значительно

отличаться  от таковых у мезофильных форм. Нередки случаи, когда

термофильные  актиномицеты способны образовывать в  больших

количествах экзоферменты, действующие на различные  субстраты, что

может быть использовано в практике. Однако образование  подобных

экзоферментов не является свойством, специфическим  для термофилов. С

целью выяснения  биохимических особенностей термофильных

актиномицетов многие исследователи изучали состав нуклеотидов ДНК как

термофильных, так и мезофильных видов. Результаты исследований дают

возможность полагать, что термофильные актиномицеты содержат

сравнительно  меньше ГЦ (гуанин + цитозин) в составе  ДНК, чем

мезофильные штаммы. Этот вопрос требует дальнейших исследований. В

биомассе  актиномицетов, выросших при высокой  температуре (55—57 °С),

содержится  в 2 раза больше свободных нуклеотидов; количество

нуклеиновых кислот, наоборот, падает. Свободные  нуклеотиды, видимо,

играют более  значительную роль в интенсификации обмена веществ у

термофилов  по сравнению с мезофильными микроорганизмами.

     Дифференциация мицелия – процесс усложнения в процессе развития

колонии актиномицета. Прежде всего она проявляется  в делении на

первичный (субстратный) и вторичный (воздушный) мицелий. Воздушный

толще, он гидрофобен, содержит больше ДНК и ферментов, на поверхности

его клеток имеются различные структуры (палочковидные, фибриллы).

Мицелий с  редкими перегородками, практически  ценоцитный у

спорообразующих, с частыми перегородками (септами) у форм, для которых

мицелий распадается  и близких к ним. Вегетативные клетки большинства

форм делятся  поперечными перегородками, Geodermatophilus и

Dermatophilus –  во взаимно перпендикулярных  направлениях, некоторые

актиномицеты  содержат клетки с септами, проходящими  в совершенно

разных направлениях (спорангии Micromonospora, везикулы Frankia).

Ветвление происходит по механизму почкования. Образование  септы

начинается  с впячивания цитоплазматической мембраны и образования

мезосомы, в  которой синтезируется вещество септы.

     В процессе старения цитоплазма клеток приобретает неравномерную

электронную плотность, в ней перестают различаться  рибосомы, граница

нуклеоида расплывается, клеточная стенка становится тонкой и рыхлой,

образуется  микрокапсула. При автолизисе в цитоплазме образуются

обширные  светлые участки, нуклеоид распадается, в клеточной стенке

образуются  отверстия, клетка заполняется мембранными  структурами,

разрушающимися  последними.

     Актиномицеты доминируют на поздних стадиях микробной сукцессии, когда создаются условия для использования труднодоступных субстратов.

Активация актиномицетной микрофлоры происходит при внесении в почву

крахмала, хитина, нефтепродуктов и т.д.. В то же время  из-за медленного

роста актиномицеты не способны конкурировать с немицелиальными

бактериями  за легкодоступные вещества. Возможно, что вторичные

метаболиты (в особенности, меланоидные пигменты) играют какую-то роль в

образовании гумуса.

     Ценозообразующую роль актиномицеты играют в местах первичного

почвообразования, находясь в этих условиях в ассоциации с водорослью. Эти

ассоциации  в лаборатоных условиях формировали  лишайникоподобный

таллом (актинолишайник).

     Актиномицеты (рода Streptomyces, Streptosporangium, Micromonospora,

Actinomadura) являются  постоянными обитателями кишечника  дождевых

червей, термитов и многих других беспозвоночных. Разрушая целлюлозу и

другие биополимеры, они являются их симбионтами. Представители  рода

Frankia способны  к азотфиксации и образованию  клубеньков у не бобовых

растений (облепиха, ольха и др.). Есть патогенные формы, вызывающие

актиномикоз. Большинство актиномицетов –  аэробы, факультативные

анаэробы  присутствуют лишь среди актиномицетов  с непродолжительной

мицелиальной  стадией. Здесь усматривается некоторая  параллель с грибами,

среди которых  лишь немицелиальные дрожжи также способны жить в

анаэробных  условиях. Предполагается что менее  эффективный анаэробный

тип метаболизма  успешен при большей относительной  поверхности клеток,

которая достигается  фрагментацией мицелия.

   Количество выведенных микроорганизмов находится в тесной зависимости

от влажности  почвы a w. Считается что актиномицеты более устойчивы к

высушиванию чем немицелиальные бактерии, благодаря  чему они

доминируют  в пустынных почвах. Лабораторное хранение почвенных

образцов  в условиях, не способствующих вегетативному  росту прокариот

увеличивает относительное содержание актиномицетов, учитываемое

методом посева. Особенно долго способны сохраняться  при высушивании

склероции, образуемые родом Chainia. Показано что  при a w =0,50 некоторые

споры прорастают (р. Streptomyces, Micromonospora), однако образовавшийся

мицелий не ветвится. При a w =0,86 прорастают споры практически всех

актиномицетов, у некоторых мицелий ветвится, образуются микроколонии,

оптимум достигается  при a w =0,95.

Чаще всего  актиномицеты нейтрофилы, однако некоторые  роды

ацидофильны или алкалофильны. Характерным свойством  актиномицетов

является  ацидотолерантность, благодаря чему их доля в микробном

комплексе лесных почв относительно высока. Отмечено что  на кислой среде

продливается  вегетативная стадия, на щелочной, напротив, ускоряется

спорообразование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     2 Классификация лучистых грибков

                Рисунок 2. Схема таксонов высших форм актиномицетов

                                             (Actinomycetes)

     Для систематики актиномицетов были использованы основные признаки, которыми характеризуются представители этой группы микробов. При этом учитывались данные изучения экспериментальной морфологической изменчивости различных групп антиномицетов, строение и развитие органов плодоношения, характер спороносцев, строение оболочки спор. По этим признакам лучистые грибки разбиваются на крупные таксоны. Дальнейшая дифференциация на виды основана главным образом на физиолого-биохимических свойствах лучистых грибков. При определении видов актиномицетов учитывают их способность образовывать красящее вещество (пигменты), расти на питательных средах с определенным набором веществ, образовывать специфические вещества, как-то: антибиотики, ферменты, токсины и др. Выращивая организмы в одних и тех же условиях, можно легко выявить различия между ними, морфологическое, культуральное, физиологическое и биохимическое сходство. На рисунке 2 приведена схема классификации лучистых грибков (высшие формы). Класс Actinomycetes состоит из двух порядков. Actinoplanales — подвижные и Actinomycetales — неподвижные формы. Класс объединяет 6 семейств, в которые входят 26 родов.

2.1 Семейство актиномицеты (ACTINOMYCETACEAE),       микромоноспоровые (MICROMONOSPORACEAE) и стрептоспорангиевые (STREPTOSPORANGIACEAE)

 

     У микроорганизмов рода Actinomyces, входящих в семейство Actinomycetaceae, образование спор происходит на прямых или спирально закрученных ветках — спороносцах воздушного мицелия. Споры формируются одновременно на всем протяжении спороносца; образуются длинные цепочки, в которых содержится от 30 до 50 спор. Эта группа организмов наиболее распространенная. Характерной особенностью рода актинопикнидиум (Actinopycnidium), описанного в 1962 году, является наличие плодовых тел типа п и к н и д. Формируются они при сплетении нитей мицелия. Наружные нити мицелия образуют сплошную оболочку. Гифы внутри пикнид распадаются на короткие элементы, из которых формируются пикнидоспоры. Когда оболочка пикнид разрушается, споры высыпаются наружу.

                 

        

        Рисунок 3. Рост культур из семейств Micromonosporaceae и

        Streptosporangiaceae.

        Обозначение: 1 — культуры рода Micromonospora; 2 — культуры из

        рода Microbispora; 3 — культуры из рода Micropolyspora; 4 —  

        формирование спорангиев у культур из рода Streptosporangium; 5 —   

        зрелые спорангии и выход из них спор у Streptosporangium

 

     Типичным признаком представителей рода чайниа (Chainia) является способность образовывать особые плодовые тела — склероции, внутри которых спор нет. Размножаются эти организмы спорами, которые формируются на спиральных или неспиральных спороносцах. Организмы из рода проактиномицес (Ргоactinomyces) размножаются оидиоспорами, которые формируются путем сегментации на коротких спороносцах. Мицелий этих организмов часто распадается на палочковидные и кокковидные формы. По характеру строения и развития мицелия род проактиномицетов разделяется на 2 типа - актиноидный и проактиномицетный. У актиноидного типа культур образуется воздушный мицелий, ветки которого имеют спороносцы. Мицелий расчленяется на нити и палочки. У культур проактиномицетного типа мицелий существует короткое время, он быстро расчленяется на короткие палочки и кокковидные клетки.

 

 

     Рисунок 4. Гифы и спорангии у культур из рода Actinosporangium.

     Все семейство микромоноспоровых (Micromonosporaceae) характеризуется общим признаком — способностью формировать споры на коротких спороносцах: по одной споре - род микромоноспора (Micromonospora); по две — род микробиспора (Microbispora); по нескольку спор — род микрополиспора (Micropolyspora, рисунок 3: 1, 2, 3). Род актинобифида (Actinobifida) характеризуется дихотомическим ветвлением спороносных веток. На конце спороносца формируется одна спора. Организмы рода промикромоноспора (Promicromonospo-га) характеризуются тем же строением и развитием, что и микроорганизмы рода Proactino-myces, входящего в семейство Actinomycetaceae, прежде всего распадающимся мицелием, но плодоношение у этих организмов другое, как у семейства микромоноспоровых, — на коротких ветках мицелия формируются одиночные споры — конидии. Представителям семейства стрептоспорангиевых (Streptosporangiaceae) свойственно образование плодовых тел — спорангиев, в которых формируются споры. Способы образования спорангиев различны. У рода стрептоспорангиум (Streptosporangium) (рисунок 3: 4,5) формирование спорангиев происходит путем спирального закручивания спороносящих веток, образуются шаровидные клубочки, покрытые общей оболочкой. Внутри этих клубочков нити расчленяются на короткие клетки — споры. При прорастании спор образуются 1—3 выроста, которые удлиняются, образуя мицелий. У представителей рода актиноспорангиум (Actinosporangium) споры формируются в скоплениях слизистой бесформенной массы типа спорангиев, но без оболочки. На рисунке 4 показаны последовательные этапы образования слизистых спорангиев у культур этого рода. При обильном образовании спорангиев колонии приобретают черную окраску.

                          

              Рисунок 5. Внутригифное (интеркалярное) образование спор у  

              культуры из рода Intrasporangium.

     В отличие от других форм у представителей рода микроспорангиум (Microsporangium) споры формируются в спорангиях на особых ветках — спорофорах, которые расположены пучками, прикрепленными к основанию спорангия (подобно кисточке). У организмов рода интраспорангиум (Intrasporangium) споры формируются также в спорангиях. В отличие от других организмов, образование спорангиев происходит интерка-лярно (внутригифно). В разных участках нитей мицелия образуется вздутие округлой или лимоновидной формы (от 5 до 20 мкм в диаметре). Спорангии заполнены кокковидными спорами (рисунок 5).

              

      Рисунок 6. Разнообразные формы спорангиев у Аmоrphosporangium.

     У представителей рода элитроспорангиум (Elytrosporangium) споры формируются внутри бобовидных спорангиев в виде цепочек, которые образуются последовательно одна за другой. У организмов рода аморфоспорангиум (Аmоrphosporangium) спорангии, в которых находятся споры, имеют разнообразную неправильную форму (рисунок 6). Все вышеописанные организмы относятся к первому порядку лучистых грибков — Actinomycetales.

2.2 Семейства актинопланы (ACTINOPLANACEAE), дерматофилы (DERMATOPHILACEAE) и планоспоровые (PLANOSPORACEAE).

 

     Эти семейства относятся ко второму порядку — Actinoplanales и объединяют организмы, которые в процессе развития образуют особые органы плодоношения и подвижные споры.

                           

             Рисунок 7. Анастомоз у актиномицетов. Увел. X 20 000.

     Подвижными могут быть также фрагменты нитей вегетативного мицелия. Споры формируются в плодовых телах — спорангиях. Фрагменты образуются путем дробления нитей мицелия без формирования плодовых тел. Споры и клетки фрагментов снабжены жгутиками, число которых у разных представителей варьирует.

     Семейство актиноплан состоит из 5 родов. Организмы, входящие в это семейство, имеют хорошо развитый субстратный и воздушный мицелий, не отличающийся от мицелия актиномицетов, но образующий подвижные споры, которые формируются в спорангиях. Спорангии имеют оболочку, форма их может быть различной: грушевидной у представителей рода ампуллариелла (Аmрullаriеllа), бочковидной у организмов рода пилимелиа (Pilimelia).

     У организмов рода китазатоа (Kitasatoa) споры формируются путем отчленения спороносца; образуются короткие цепочки, которые покрыты уплотненной слизистой капсулой, похожей на спорангии. Настоящие спорангии не выявлены.