Микробиология. Современная классификация микроорганизмов

Лекционный блок

Методы микробиологической диагностики.

Задачи медицинской микробиологии.

К ним можно отнести следующие:

1.Установление этиологической (причинной) роли микроорганизмов в норме и патологии.

2.Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации (выявления) и идентификации (определения) возбудителей.

3. Бактериологический и вирусологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и детских учреждениях.

4.Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим лечебным препаратам, состоянием микробиоценозов (микрофлорой) повехностей и полостей тела человека.

Методы лабораторной диагностики инфекционных агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.

1. Микроскопический- с использованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микроорганизмов, их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.

К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями- иммерсионная, темнопольная, фазово - контрастная, люминесцентная и др.) и электронную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).

2.Микробиологический (бактериологический и вирусологический) - выделение чистой культуры и ее идентификация.

3.Биологический - заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях (биопроба).

4.Иммунологический (варианты - серологический, аллергологический) - используется для выявления антигенов возбудителя или антител к ним.

5.Молекулярно- генетический - ДНК- и РНК- зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.

Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной микробиологии, вирусологии и иммунологии. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молекулярно- генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.

План изучения темы:

1. Систематика микроорганизмов.

2. Морфология бактерий.

3. Строение бактериальной клетки.

4. Морфологическая характеристика грибов.

5. Морфологическая характеристика актиномицетов

Систематика- распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы- таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике (три аспекта, три кита систематики)- классификация, идентификация и номенклатура.

Классификация - распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фентипическими признаками) по различным таксонам.

Таксономия - наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны- семейство, порядок, класс.

В современном представлении вид в микробиологии- совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики.

Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.

При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики:

1.Морфологические - форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.

2.Тинкториальные - отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные.

Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам- семейству, роду.

3.Культуральные - характер роста микроорганизма на питательных средах.

4.Биохимические - способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.

5.Антигенные - зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.

6.Физиологические - способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы).

7.Подвижность и типы движения.

8.Способность к спорообразованию, характер спор.

9.Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.

10.Химический состав клеточных стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.

11.Белковый спектр (полипептидный профиль).

12.Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.

13.Генотипические (использование методов геносистематики).

В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1- 12), все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа- генотипических свойств). Используются все более совершенные методы- рестрикционный анализ, ДНК- ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% (для некоторых групп микроорганизмов- 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40- 60%- к одному роду.

Идентификация.

Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний.

Номенклатура - название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.

Штамм- любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами- сокращенно сероварами), по чувствительности к специфическим фагам- фаготипами, биохимическим свойствам- хемоварами, по биологическим свойствам- биоварами и т.д.

Колония - видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон.

Культура- вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде.

Основной принцип бактериологической работы- выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.

Систематика – теория многообразия организмов, изучающая отношение между группами или таксонами. Таксон – группа организмов, обладающая заданной степенью однородности. Классификация – разделение множества организмов по группам (таксонам). Таксономия – наименование групп организмов (таксонов), установление их границ в отношении подчинения.

В микробиологии, как и в систематике высших организмов, основной таксономической единицей является вид (species ). Вид у бактерий определяют на основании морфологических, культуральных, биохимических, антигенных и других признаков. Виды могут быть представлены несколькими подвидами. Подвид можно рассматривать как этап формирования вида.

В микробиологии очень часто применяется термин штамм (нем. Stamm - ствол, племя, род, корень). Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенная из определенного источника или полученная в результате мутаций. Клон – культура, полученная из одной микробной клетки, представляет собой генетически однородную популяцию.

Первая попытка научной классификации бактерий принадлежит датскому зоологу Мюллеру (1773 г.). С тех пор существовали различные классификации бактерий, построенные на различных принципах. В настоящее время большое значение приобретают генетические признаки, т.е. особенности нуклеотидного состава ДНК. Особи одного и того же вида имеют одинаковый состав ДНК, а у видов, принадлежащих к одному роду, нуклеотидный состав ДНК имеет близкое значение. Содержание ГЦ(гуанина и цитозина) в процентах от общего количества оснований ДНК строго специфично – коэффициент специфичности ДНК . Этот коэффициент используется для установления родовой принадлежности бактерий.

Во всем мире широкое распространение получил определитель бактерий Берги (Bergee’s Manual of Sistematic Bacteriology). Первое издание опубликовано в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д.Х.Берги, девятое – в 1984 г. В девятом издании определителя Берги все бактерии объединены в царство Procaryotae и подразделяются на 4 отдела – Gracilicutes (лат. gracilus – тонкий, стройный, cutes –кожа); Firmicutes (лат. firmus – крепкий, прочный); Tenericutes (лат. tener – мягкий, нежный); Mendosicutes (лат. mendosus – ошибочный). Отряды подразделяются на классы. Классы подразделяются на порядки, семейства, роды, виды. Каждый род имеет типовой вид, на основании которого описан вид. Кроме того, принято сквозное деление на части (всего 21 часть).

Отдел Gracilicutes . Включает организмы с грамотрицательным типом клеточной стенки, фототрофные и нефототрофные, морфологически разнообразные. Размножаются бинарным делением, некоторые группы – почкованием. Эндоспор не образуют. Многие подвижные – с помощью жгутиков или скольжением. Аэробные, анаэробные и факультативно анаэробные виды. Отдел подразделяется на три класса. Класс Scotobacteria . К этому классу отнесены грамотрицательные бактерии. Содержит 14 частей; 1.Самрохеты. 2. Аэробные, микроаэрофильные подвижные спирально изогнутые Гр- бактерии. 3. Неподвижные (или редко подвижные) грамотрицательные изогнутые бактерии. 4. Грамотрицательные аэробные палочки и кокки. 5. Грамотрицательные факультативно-анаэробные палочки. 6.Анаэробные грамотрицательныепрямые, изогнутые или спиральные палочки. 7. Сульфатассимилирующие, или сульфатвосстанавливающие бактерии. 8. Анаэробные грамотрицательныекокки. 9. Риккетсии и хламидии. 10. Скользящие бактерии. 11. Хламидобактерии, или бактерии, образующие чехлы или влагалище. 12. Почкующиеся и (или) стебельковые бактерии. 13. Грамотрицательные хемолитотрофные бактерии. 14. Эндосимбионты. Класс Anoxyphotobacteria . Часть 15. Фототрофные бактерии. Класс Oxyphotobacteria . Часть 16. Цианобактерии.

ОтделFirmicutes . Входят организмы с грамположительной клеточной стенкой. По форме это – кокки, палочки, ветвящиеся и неветвящиеся нити. Размножаются бинарным делением. Некоторые образуют споры (эндоспоры или споры на гифах или спорангиях). Большинство неподвижные, подвижные имеют жгутики. Аэробные, анаэробные и факультативно-анаэробные организмы. Подразделяются на два класса. Класс Firmibacteria . Часть 17. Грамположительные кокки. Часть 18. Палочки и кокки, образующие эндоспоры. Часть 19. Грамположительныепалочковидные бактерии, не образующие эндоспор. Класс Thallobacteria (лат. thallos – ветвящийся). Часть 20. Актиномицеты и родственные организмы.

Отдел Tenericutes . Относятся прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка и не синтезируются предшественники пептидогликана. Клетки окружены ЦПМ, плеоморфны. Размножаются бинарным делением, почкованием, освобождением "элементарных тел". Не окрашиваются по Граму. Обычно неподвижны (или скользящее движение). Класс Mollicutes (лат. mollis – гибкий). Часть 21. Микоплазмы.

ОтделMendosicutes. Включает прокариоты, имеющие ригидную клеточную стенку, в составе которой отсутствуют пептидогликан. Класс Archaerobacteria (гр. arche – начало).

Характеристика прокариот, занимающие промежуточное положение . Некоторые бактерии занимают промежуточное положение между прокариотами и эукариотами.

Актиномицеты (лучистые грибки) занимают промежуточное положение между бактериями и микроскопическими грибами. На плотных питательных средах они растут в виде длинных нитей, колонии имеют плотный центр, а нити подобны лучам. Эти бактерии образуют ветвящиеся гифы, некоторые формируют мицелий субстратный и воздушный. Ширина клеток актиномицетов 0,2-0,5 мкм, длина может широко варьировать, они, грамположительные, имеются подвижные и неподвижные формы. Это аэробы и факультативные анаэробы. Размножаются актиномицеты конидиями, образующимися на конидиеносцах разного строения, фрагментацией (распад на фрагменты). Актиномицеты являются обычными обитателями почвы, разрушают многие органические соединения. В почве актиномицеты легко обнаружить по белому рыхлому налету на полусгнивших субстратах. Некоторые актиномицеты являются продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, органических кислот и др. Некоторые виды могут вызывать порчу пищевых продуктов, разрушать асфальтовые покрытия, смазочные масла, художественные росписи. Большинство актиномицетов – сапрофиты, но среди них имеются и патогенные виды. вызывающие заболевания растений, животных, человека (актиномикозы).

Цианобактерии (синезеленые водоросли) занимают промежуточное положение между бактериями и водорослями, их насчитывают около 150 родов и более 1000 видов. Они растут в разнообразных условиях в воде и на суше. Это сферические, палочковидные, изогнутые одноклеточные и многоклеточные организмы, грамотрицательные, имеют капсулу, подвижные (скользящее движение). Размножаются бинарным делением, почкованием, фрагментами нитей, спорами. Это фототрофы с кислородным типом фотосинтеза, некоторые является азотфиксаторами. Ряд видов обуславливает "цветение воды" – образуют скопления в воде в виде корок и кустиков. Некоторые виды культивируют в промышленных масштабах для получения пищевого и кормового белка, лечебных препаратов (спирулина , носток ).

Контрольные вопросы : 1.Как подразделяются сферические бактерии в зависимости от положения клеток после деления? 2. Как подразделяются палочковидные бактерии в зависимости от их длины, величины поперечного диаметра, формы концов клеток и расположения? 3. Как подразделяются спиральные формы бактерий? 4. Каковы размеры бактериальные клеток?5. В каких состояниях находится вода в бактериальной клетке? 6. Какие вещества встречаются только в бактериальных клетках и отсутствуют в эукариотных клетках? 7. Какие функции выполняют липиды в бактериальной клетке? 8. Какие функции выполняют в бактериальной клетке пигменты и как они подразделяются? 9. Какие функции выполняет клеточная стенка бактерий? 10. В чем заключаются различия строения и химического состава грамположительных и грамотрицательных бактерий? 11. Какие функции в клетке выполняет цитоплазматическая мембрана? 12. В чем отличие нуклеоида бактериальной клетки от ядра эукариотной клетки? 13. Какие запасные вещества могут содержаться в бактериальной клетке? 14. Можно ли рассматривать образование эндоспор как способ размножения бактерий 15. Какие можно выделить стадии в процессе образования эндоспор бактерий? 16. Какое положение может занимать спора в бактериальной клетке? 17. Какое строение и химический состав имеет бактериальная спора? 18. Какие факторы обуславливают термоустойчивость спор бактерий? 19. Как происходит прорастание спор бактерий? 20. Какие существуют типы движения бактерий? 21. Что такое положительный и отрицательный таксисы? 22. Как происходит процесс деления бактериальной клетки? 23. В чем особенности лаг-фазы стационарного культивирования микроорганизмов? 24. Каким уравнением описывается экспоненциальный рост бактериальной популяции? 25. В каких фазах кривой роста микроорганизмов прирост биомассы равен нулю? 26. Как осуществляется непрерывное культивирование микроорганизмов? 27. Что такое штамм? 28. Что такое коэффициент специфичности ДНК? 29. На какие отделы и части подразделяется царство Proicaryotae в девятом издании определителя бактерий Берги? 30. Какие бактерии занимают промежуточное положение между бактериями и грибами, между бактериями и водорослями?

Классификация, или систематика микроорганизмов (от греч. Systёmatikos - упорядоченный, систематизированный), - это раздел микробиологии, занимающийся вопросами создания классификации микроорганизмов на основе их свойств и родственных взаимосвя­зей. В качестве синонима понятия «систематика микроорганизмов» иногда используется также термин «таксономия».

В настоящее время нет универсальной, единственно правиль­ной, классификации. В зависимости от поставленной задачи микро­организмы могут быть классифицированы по морфологическим признакам (палочки, кокки, извитые и т.д.), по тинкториальным при­знакам (грамположительные, грамотрицательные и т.д.), по физио­логическим признакам (термофильные, психрофильные, ацидофиль­ные, аэробные и т.д.), по экологическим признакам (азотфиксирующие, нитрифицирующие, сульфатредуцирующие, целлюлозоразрушающие и т.д.), по межвидовым отношениям (антагонисты, синнергисты, комменсалы и т.п.), по видам таксиса, генотипическим и филоге­нетическим признакам. Микроорганизмы классифицируются также по степени опасности для человека, животных и окружающей среды. Таким образом, классификация микроорганизмов представляет собой субъективную обработку объективных характеристик.

Современная систематика микроорганизмов включает в себя три основных направления:

1. Характеристика микроорганизмов - получение всевоз­можных сведений о свойствах и параметрах, необходимых для отне­сения определяемых микроорганизмов к тому или иному таксону.

2. Классификация или таксономия , т.е. процесс упорядо­ченного расположения микроорганизмов в таксономические груп­пы на основе подобия.

3. Номенклатура - присвоение научных названий таксономи­ческим группам (таксонам).

Основной таксономической единицей в систематике микро­организмов является вид . По общебиологическим представлени­ям, вид - это группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующийся определенными морфологическими, биохимически­ми и физиологическими признаками, обособленных отбором от дру­гих видов и приспособленных к определенной среде обитания. Важ­ным видовым признаком является способность организмов скре­щиваться и давать потомство.

Определение вида у бактерий принципиально отличается от классического определения биологического вида, так как у них от­сутствует половой способ размножения. По современным представ­лениям, к одному виду бактерий относят близкородственные орга­низмы, с 70%-ным уровнем гомологии ДНК и сходные по совокупно­сти морфологических, биохимических и физиологических признаков.

В иерархической классификации микроорганизмов использу­ются также следующие таксономические категории: подвид - груп­па близкородственных сходных организмов внутри вида с уровнем ДНК-гомологии выше 70%; род - таксономическая группа, объе­диняющая родственные виды, и далее - семейство , подпорядок, порядок, подкласс, класс, царство и домен (или надцарство ). В настоящее время в большей степени описаны семейства и доме­ны, в то время как остальные таксономические группы находятся в процессе систематизации.

Домены являются наивысшими таксонами микроорганизмов, соответствующими ранее выделяемым царствам. Согласно совре­менной классификации все разнообразие микроорганизмов представ­лено тремя доменами: Bacteria (прокариотиые микроорганиз­мы, истинные бактерии), Archaea (другая эволюционная ветвь прокариоптых микроорганизмов) и Eukarya (эукариотные мик­роорганизмы) (рис. 2). Из них два домена (Bacteria и Archaea) включают только представителей прокариотов, которые выделены в отдельное надцарство - Procariolae .

Рис.2. Универсальное филогенетическое древо живых организмов.

Наиболее точной, информативной и удобной в использовании, является такая система классификации, в которой таксоны опреде­лены, исходя из разнообразных согласующихся характеристик, по­лученных с использованием различных современных методов. По­добный подход к выделению таксонов называется полифазным.

Основными методами современной полифазной таксономии являются: генотипический, фенотипический и филогенетический.

Генотипический метод является доминирующим в полифаз­ной таксономии. Он основан на изучении Ц+Г состава ДНК, на ис­следовании ДНК-рРНК гомологии, на установлении родственных отношений между микроорганизмами, которые закодированы в нуклеотидных последовательностях генов 16S или 23S р-РНК. Напри­мер, при определении принадлежности микроорганизма к опреде­ленному виду уровень сходства нуклеотидных последовательнос­тей ДНК около 70% играет первостепенную роль. Поэтому геноти­пический метод часто называют методом геномной дактилоско­пии.

Фенотипические исследования используются чаще всего в раз­личных схемах идентификации микроорганизмов, для формального описания таксона, от разновидности и подвида до рода и семейства. В то время как генотипические данные необходимы для размещения таксона на филогенетическом древе и в системе классификации, фенотипическая характеристика дает описательную информацию, позволяющую идентифицировать тот или иной вид микроорганизма. Классические фенотипические характеристики включают в себя морфологические, физиологические, биохимические, хемотаксономические и серологические особенности микроорганизмов.

Морфологические признаки указывают, какие размеры и форму имеет микроорганизм (кокк, палочка, спирилла), есть ли у него капсу­ла или споры, объединяются ли клетки в цепочки, тетрады или пакеты, есть ли у них жгутики и как они расположены, окрашиваются ли клет­ки по Граму. Морфология бактерий включает в себя изучение культуральных свойств, т.е. характер роста на питательных средах, форму колоний на плотных питательных средах, пигментообразование.

Физиологические особенности характеризуют механизм об­мена веществ, способ получения энергия, способность данного микроорганизма к трансформации тех или иных веществ, его отно­шение к углероду, азоту, кислороду, температуре, рН среды.

Биохимические признаки определяются способностью микро­организмов разлагать определенные сахара, образовывать серово­дород, аммиак и другие соединения.

Хемотаксономические особенности характеризуют химичес­кий состав цитоплазмы клетки. Таксономическая специфичность состава жирных кислот, липопротеидов, липополисахаридов, пигмен­тов, полиаминов, белков и других химических компонентов клетки широко используется при классификации микроорганизмов.

Серологические свойства, или серотипирование, основаны на выявлении вариабильности антигенных компонентов бактериаль­ных клеток. Такими компонентами могут быть жгутики, фимбрии. капсулы, клеточная стенка, ферменты и токсины. Для выявления антигенных свойств бактериальной клетки используются различ­ные серологические реакции: реакция преципитации, реакция скле­ивания комплемента, осаждение и др.

Таким образом, фенотипические характеристики отличаются большим объемом и разнообразием получаемой информации, ко­торую сложно обработать вручную. Возникла необходимость в ком­пьютерном, числовом анализе получаемых данных. Появилась нумерическая (числовая) таксономия, позволяющая с помощью компьютерных программ анализировать фенотипические и генотипические характеристики микроорганизмов. Использование нумерического анализа в таксономической практике получило название «компьютерная идентификация».

Филогенетические методы (от греч. phylon - род, племя и genesis - происхождение, возникновение) позволяют проследить про­цесс исторического развития микроорганизмов как в целом, так и их отдельных таксономических групп: видов, подвидов, родов, се­мейств, подпорядков, порядков, подклассов, классов, царств и до­менов.

Филогенетические связи между микроорганизмами изучают­ся методами геномной дактилоскопии, молекулярной биологии, ком­пьютерной идентификации. На основании полученных данных стро­ятся филогенетические древа, которые отражают эволюционные взаимоотношения между микроорганизмами (рис. 3). Создаваемые филогенетические древа не могут быть использованы для постро­ения иерархической классификации микроорганизмов и не заменя­ют собою систематику. Они являются одним из ее элементов.

Номенклатура - занимается вопросами точных и единообраз­ных названий. Эго система наименований, применяемых в определен­ной области знаний. В соответствии с международными правилами таксономическим группам микроорганизмов присваиваются имена.

Еще до введения первых правил номенклатуры было описа­но огромное количество микроорганизмов. Причем одна и та же бактерия могла быть отнесена к разным по названию таксонам. Во избежание этого Международным Кодексом номенклатуры были определены все приоритетные названия бактерий, опубли­кованные с 1 мая 1753 года. В результате был создан «Список признанных названий бактерий», который вступил в силу с 1 янва­ря 1980 года. В настоящее время название микроорганизмам при­сваивается в соответствии с правилами Международного Кодек­са номенклатуры бактерий. Компетенция Кодекса распространя­ется только на правила присвоения и использования научных на­званий микроорганизмов. Вопросы классификации решаются вне зависимости от Кодекса на базе проводимых таксономических исследований.

Рис. 3. Филогенетическое древо бактерий.

В микробиологии, как и в биологии, для обозначения видов бактерий принята двойная (бинарная) номенклатура, предложенная еще в 1760 году Карлом Линнеем.

Первое слово обозначает название рода. Обычно это латинс­кое слово, оно пишется с прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак, либо фами­лию ученого, открывшего этот микроб. Например, в честь фран­цузского ученого Л. Пастера назван род «пастерелла», американс­кого микробиолога Сальмона - род «сальмонелла», немецкого уче­ного Т. Эшериха - род «эшерихиа», японского микробиолога Шига - род «шигелла», английских бактериологов Д. Брюса и С. Эрвина - роды «бруцелла» и «эрвиния», русских ученых Кузнецова и Лямбля - роды «кузнецовия» и «лямблия» и т.д. Название рода микроорга­низма обычно сокращается до одной-двух букв.

Второе слово обозначает видовой эпитет в названии микроор­ганизма и, как правило, представляет собой производное от суще­ствительного, дающее описание цвета колонии, источника проис­хождения микроорганизма, вызываемого им процесса или болезни. Название вида пишется со строчной буквы и никогда не сокраща­ется. Например, Escherichia coli означает, что эшерихии обитают в кишечнике, Pasterella pestis - пастереллы, вызывающие чуму, Bordetetia pertussis - бордетеллы, вызывающие кашель, Clostridium tetani - клостридии, вызывающие столбняк и т.д.

С.Н. Виноградский и М. Бейеринк, учитывая многообразие метаболизма бактерий, предложили в названии рода отражать при­знаки, связанные с морфологией, экологией, биохимией и физиоло­гией микроорганизмов. Так появились названия, являющиеся клю­чом к характеристике микроорганизма: Acetobacter (кислотообра­зующие бактерии), Nitrosomonas (нитрифицирующие бактерии), Azotobakter (бактерии, связывающие азот атмосферы), Chromobakterium (пигментированные бактерии), В. stearothermophiliis (восковые теплолюбивые бактерии) и т.д.

Иногда в качестве составной части систематики рассматри­вается идентификация (определение) микроорганизмов. Однако это не совсем корректно, так как идентификация использует уже построенные системы классификации и конкретные, указанные в идентификационных ключах (таблицах), характеристики микроор­ганизмов. Схемы идентификации микроорганизмов являются своеобразным тестом качества системы классификации. Дня иденти­фикации микроорганизмов широко используются фенотипические и генотипические методы, методы компьютерной идентификации ана­лиза и геномной дактилоскопии.

В 1923 году Д. Берджи выпустил первый международный определитель бактерий. Последующие издания были подготов­лены Международным комитетом по систематике бактерий. Де­вятое, последнее американское издание «Руководства по опреде­лению бактерий Берджи» (Bergey"s Manual of Determinative Bacteriology), вышло в 1994 году. Сокращенное название Руковод­ства -BMDB-9. В русском переводе BMDB-9 издано в 1997 году. Оно знакомит с многообразием прокариот и делает шаг навстре­чу попыткам идентификации микроорганизмов, выделяемых из ок­ружающей среды.

Согласно BMDB-9 бактерии подразделяются (по фенотипи-ческим признакам) на четыре основные категории:

1. Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки.

2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки.

3. Эубакгерии, лишенные клеточных стенок.

4. Архебактерии.

Основным объектом в идентификации микроорганизмов яв­ляется чистая культура выделенной бактерии, называемая «штам­мом» или «клоном».

Штамм (от нем. stammen - происходить) - это бактериальная культура одного и того же вида, выделенная из разных объектов или из одного объекга в разное время, и отличающаяся незначи­тельными изменениями свойств (например, по чувствительности к антибиотикам, ферментативной активности, способности к образо­ванию токсинов). Обычно штаммы одного вида приспособлены к определенной среде обитания.

Под термином «бактериальная культура » понимают попу­ляцию микробных клеток в данном месте и в данное время. Это могут быть микроорганизмы, выращенные на плотной или жидкой питательной среде в условиях лаборатории. Культуру микроорга­низмов, выращенных на плотной или жидкой питательной среде из особей одного вида путем последовательных пересевов одиночной колонии, называют чистой.

Чистые бактериальные культуры, полученные из одной исход­ной клетки, называют клонами (от греч. klon - отпрыск). Клон пред­ставляет собой генетически однородную популяцию.

Смешанной называют культуру из неоднородных микроорга­низмов, выделенных из исследуемого материала, например, из воды, почвы, воздуха.

МЕСТО БАКТЕРИЙ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

В связи с тем, что бактерии и синезелсные водоросли (цианобактерии) имеют сходство в строении клеток, а растения и сине-зеленые водоросли обладают способностью к фотосинтезу, эти три группы живых организмов по традиции относили к объектам ботаники и поэтому утверждали, что бактерии являются, как правило, одноклеточными растениями.

В клетках различных живых существ ядерное вещество, или генофор, может быть не отделено от цитоплазмы ядерной мембраной (бактерии и синезеленые водоросли) или иметь собственную ядерную оболочку (растения, грибы, животные и простейшие). На этой основе различают прокариотический и эукариотический типы клеточной организации. В связи с этим организмы подразделяют на прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии.

Наиболее существенные особенности прокариот следующие:

Генофор (нуклеотид, нуклеоплазма, ядро) состоит из двойной спиральной нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Он не отделен от цитоплазмы какой-либо мембраной, поэтому генофор иногда называют диффузным ядром;

Отсутствие внутриплазматических органелл, окруженных элементарной мембраной, что маскирует их разнообразие;

Рибосомы малого размера рассеяны в цитоплазме, а не расположены на поверхности мембран, как у эукариот.

У эукариот ядро имеет собственную ядерную мембрану, поэтому его называют дифференцированным. Помимо этого имеются признаки, характерные для многих, но не для всех прокариот.

В состав клеточных стенок прокариот входит пептидогликан (муреин или мукопептид). Наличие пептидогликана не является особенностью всех прокариот, его нет у лишенных клеточной стенки микоплазм.

Характерными органами движения (плавания) служат жгутики, которые встречаются у бактерий определенных видов. Среди прокариот много обязательных анаэробов, среди эукариот их почти нет.

В отличие от эукариот некоторые бактерии способны к фиксации (окислению) атмосферного азота.

В то же время нет никаких данных о существовании у прокариот эндоцитоза (способности захватывать частицы в пищевые вакуоли в качестве добычи), весьма характерного для эукариотических клеток.

Предложено выделить на высшем уровне прокариоты (доядерные микроорганизмы) в отдельное царство Procariotae наряду с царствами растений и животных.

ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАТИКЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы, как и все живые существа, обладают определенными признаками, с помощью которых их идентифицируют (от лат. identificatio - отождествление), т. е. распознают, или дифференцируют (от лат. differentialis - отличительный) и разделяют на устойчивые, отчетливо различающиеся группы.

Систематика (от греч. systematicos - упорядоченный, относящийся к системе) - это наука о разнообразии и сходстве объектов органического мира, основанном на общности происхождения и генетических связей различных групп живых существ.

Основными разделами систематики являются классификация и номенклатура.

Под классификацией понимают закономерность распределения микроорганизмов по систематическим группам, которые называют категориями, уровнями, рангами и таксонами, а классификацию поэтому называют еще таксономией.

Номенклатура обусловливает принципы определения названия для установленных таксонов. Основным таксоном, т. е. основной классификационной единицей в системе живых организмов, является вид.

Вид - это совокупность особей микроорганизмов, сходных по биологическим свойствам, имеющих единые происхождение и генотип, обладающих наследственно закрепленной способностью вызывать в среде естественного обитания определенные специфические процессы (изменения).

Виды, обладающие многими общими признаками, объединяют в таксоны более высокого уровня, называемые родами, которые, в свою очередь, группируются в таксоны еще более высокого порядка - семейства и т. д. Такое расположение соподчиненных таксонов в восходящий ряд составляет иерархическую систему классификации, или таксономическую иерархию. Основанием этой системы являются отдельные особи, а ее вершиной - один всеобъемлющий таксон царство.

В бактериологии используют следующие основные уровни таксономической иерархии: царство (Regnum), отдел (Divisio), класс (Klassis), порядок (Ordo), семейство (Familia), род (Genus), вид (Species).

Кроме перечисленных имеются промежуточные таксоны подцарство, подотдел, подкласс, подпорядок, подсемейство, подрос, подвид.

Названия бактерий (включая актиномицеты) регламентируются Международным кодексом номенклатуры бактерий.

Названия микроорганизмов пишут буквами латинского алфавита и подчиняют правилам латинской грамматики, т. е. они являются латинскими, или латинизированными, если даже заимствованы из других языков.

Названия таксонов, у которых ранг выше вида, состоят только из одного слова и поэтому относятся к одинарным, или унитарным. Некоторые таксоны имеют стандартные окончания. Например, названия порядков бактерий должны оканчиваться на - ales (Bacteriales), семейств на - aceae (Enterobacteriaceae), родов, на - us, um (Bacillus, Streptococcus, Clostridium, Lactobacterium).

Для обозначения видов микроорганизмов применяют бинарную (биноминальную), или двойную, номенклатуру, т. е. названия видов состоят из двух слов и поэтому относятся к двойным, или бинарным. Первое слово обозначает название рода, к которому этот вид принадлежит, второе - вид, например Lactobacterium acidophiium (молочная палочка кислотолюбивая), Streptococcus thermophilus (стрептококк теплолюбивый). Родовое слово пишут с прописной буквы, видовое - со строчной. После того как полное название вида было упомянуто в тексте, первое слово (родовое название) можно сократить при последующем упоминании.

Если при изучении бактерий обнаруживают отклонения от типичных видовых свойств, то такие культуры рассматривают как подвиды. Название подвида состоит из полного названия вида, к которому он относится, и следующего за ним слова, обозначающего сам подвид, перед которым сокращенно указывают промежуточный таксон subspecies (подвид). Например, Lactococcus lactis subsp. cremoris -лактококк молочный, подвид сливочный. Названия подвидов состоят из трех слов (исключая слово subspecies подвид) и называются поэтому тринарными.

Кроме подвида различают также инфраподвидовые подразделения (варианты) микроорганизмов, которые не располагаются в порядке классификационных рангов. Они основаны на различии особей какими-либо незначительными наследственными свойствами: антигенными -:еровар (серотип), морфологическими - морфовар, химическими -хемовар, физиологическими - биовар, патогенностью - патовар, отношением к бактериофагам - фаговар.

В микробиологии широко применяют термины «штамм» и «клон». Штамм - более узкое понятие, чем вид. Штаммами называют различные культуры одного и того же вида микроорганизма, выделенные из конкретного источника. Если микроорганизм выделен из воды, его называют водным штаммом, из сыра - сырным и т. п.

Они могут различаться отдельными незначительными признаками, например интенсивностью кислотообразования, устойчивостью к лекарственным и дезинфицирующим препаратам, способностью синтезировать ароматические вещества и антибиотики и др.

Клон означает расплодку микроорганизмов, или, как принято в микробиологии, культуру (популяцию), являющуюся потомством одной клетки. Популяция микробов, состоящая из особей одного вида, называется чистой или аксенической культурой, а состоящая из особей разных видов - смешанной.

КЛАССИФИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ

Все бактерии объединены в царство прокариот, состоящее из двух отделов: автотрофных фотобактерий и гетеротрофных хемобактерий, в каждый из которых входит 3 класса бактерий (схема 1).

Первый отдел объединяет классы: 1-й - синезеленые фотобактерии (цианобактерии), 2-й - пурпурные (розовые) и 3-й - зеленые фотобактерии.

Во второй отдел входят следующие классы: 1-й - собственно бактерии (эубактерии), 2-й - риккетсии (внутриклеточные бактерии), 3-й -микоплазмы (бактерии, лишенные клеточной стенки).

Микроорганизмы первого отдела (сапрофитные фототрофные микроорганизмы) широко распространены в природе. Они находятся в почве, пресной и морской воде, сточных водах, богатых органическими веществами. Для молочной промышленности эта группа бактерий значения не имеет.

Гетеротрофные хемобактерии потребляют для своего развития энергию химических реакций, происходящих с использованием органических веществ. Они являются индифферентными к свету. Объектом изучения курса «Микробиология молока и молочных продуктов» являются в основном собственно бактерии.

Предложена также классификация бактерий, основанная на строении и составе клеточной стенки. При этом царство прокариот подразделяется на 4 отдела: Firmicutes, Gracilicutes, Tenericutes, Mendosicutes.

К фирмикутным (от лат. firmus - крепкий, cutes - кожа) относятся грамположительные бактерии, в клеточной стенке которых содержатся пептидогликан, тейхоевые и тейхуроновые кислоты.

Грациликутными (от лат. gracilis - тонкий) являются грамотрицательные бактерии, не содержащие в клеточной стенке пептидогликана, тейхоевых и тейхуроновых кислот.

Отдел тенерикутных бактерий (от лат. tenerus - мягкий, нежный) представляют собой микроорганизмы, которые в процессе эволюции утратили клеточную стенку и окружены цитоплазматической мембраной. К ним относятся микоплазмы и некоторые другие прокариоты.

Мендозикутные (от лат. mendosis - имеющий дефект) не содержат в клеточной стенке пептидогликана и мураминовой кислоты. Их клетки покрыты макромолекулами протеина и гетерополисахаридами. Большинство мендозикутных бактерий являются неспорообразующими подвижными анаэробами.

В девятом издании «Определителя бактерий Берджи» все прокариоты с целью дифференциации (но не классификации) разделены по фенотипическим (генетическим) признакам на четыре основные категории:

1. Грамотрицательные эубактерии (собственно бактерии), имеющие клеточные стенки.

2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки.

3. Микоплазмы.

4. Архебактерии (преимущественно почвенные или водные микроорганизмы).

КЛАССИФИКАЦИЯ ГРИБОВ

Эту группу организмов ранее относили к растениям. В настоящее время грибы, насчитывающие около 100 тыс. видов, выделены в самостоятельное царство, поскольку по ряду биологических свойств они отличаются от бактерий, растений и животных.

Клетки грибов в отличие от бактерий являются эукариотами. От растений их отличают отсутствие хлорофилла и использование для питания готового органического вещества, т. е. по типу питания они являются гетеротрофами. Запасным питательным веществом у грибов служит гликоген, а не крахмал, характерный для большинства растений. По способу питания (всасывание) и неограниченному росту грибы приближаются к растениям. С животными их сближает то, что в обмене веществ участвует мочевина. Грибы характеризуются также образованием выраженной клеточной стенки, размножением спорами, неподвижностью в вегетативном состоянии и др.

В основе классификации грибов лежат способы размножения и особенности морфологии.

Царство грибы Mycetalia, Fungi, Mycota подразделяется на два подцарства (схема 2): низшие грибы (Myxobionta) и высшие грибы (Mycobionta).

Низшие грибы характеризуются наличием зачаточного, а также одноклеточного мицелия. К ним относятся грибы отдела Myxomycota с подотделом Myxomycotina, объединяющим класс Phycomycetes (фикомицеты) - водные грибы.

Класс фикомицеты включает около 700 видов грибов. Фикомицеты имеют хорошо развитый одноклеточный несептированный (не имеющий перегородок) многоядерный мицелий. Грибы этого класса подразделяют на порядок мукоровые Mucorales, семейство Mucoraceae, объединяющее роды Mucor, Rhizopus и Thamnidium, являющиеся возбудителями пороков (порчи) молочных и других продуктов.

К высшим грибам относятся спорообразующие дрожжи, а также грибы, характеризующиеся многоклеточным мицелием. В клетках имеется по одному ядру, у многих - по два и более.

Подцарство высшие грибы включает отдел истинные (настоящие) грибы (Eumycota), подотдел истинные грибы (Eumycotina), объединяющий три класса: Ascomycetes - аскомицеты, или сумчатые грибы, Basidiomycetes - базидиомицеты, или базидиальные грибы, и класс несовершенные грибы (Deuteromycetes - дейтеромицеты, Fungi imperfecti).

Класс аскомицеты (от лат. ascus - сумка + греч. myces - гриб) объединяет более 30 тыс. видов. Характерным признаком для всего класса является половое спороношение и наличие в клетках (сумках) обычно 8 эндогенных спор (аскоспор), иногда 4-х или 2-х. В класс аскомицетов входит порядок Endomycetales, в который включено семейство Endomycetaceae, куда входят немицелиальные одноклеточные спорообразующие грибы, называемые дрожжами, в частности дрожжи рода Saccharomyces. Эти дрожжи используют при изготовлении хлеба, вина, пива, спирта и др. К спорообразующим дрожжам относят и молочные дрожжи видов Saccharomyces lactis и S. casei.

Класс базидиомицеты (от греч. basidion - небольшое основание, фундамент + myces - гриб) объединяет более 20 тыс. видов грибов, имеющих развитый септированный мицелий. Основным органом спороношения у них являются дубинкообразные структуры - базидии (гомолог аска). Из базидиоспор развивается первичный (гаплоидный) мицелий, который в результате слияния гиф дает вторичный (диплоидный) мицелий со слиянием ядер, т. е. начинается половое размножение.

В класс несовершенных грибов входят более 25 тыс. грибов, не имеющих полового спороношения. Они имеют развитый многоклеточный мицелий. В этот класс отнесены также неспорообразующие дрожжи.

Отсутствие полового цикла у несовершенных грибов вынуждает исследователей сводить грибы в порядки, семейства и роды лишь на основе морфологии. Поэтому для грибов этого класса предложено несколько классификаций.

По характеру конидиального спороношения класс дейтеромицетов делят на несколько порядков, среди которых наибольшее значение имеют гифомицелиальные (Hyphomycetales) грибы (от греч. hyphe - ткань + myces - гриб) и Protoascales (протоасковые грибы). В порядок гифомицелиальных грибов входит семейство Moniliaceae, к которому относят роды плесеней Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Catenularia, а также молочную плесень Geotrichum (Oidium, Endomyces) lactis, являющиеся частыми возбудителями пороков молочных продуктов.

В порядок протоасковых грибов входит семейство Cryptococcaceae, объединяющее одноклеточные аспорогенные дрожжи родов Torulopsis, Candida, Rhodotorula, которые могут вызывать порчу молочных и других пищевых продуктов.

Грибы рода Candida могут образовывать псевдомицелий, формирующийся из множественных почкующихся клеток.

Виды рода Rhodotorula отличаются желтой, оранжевой и красной окраской различных оттенков, зависящей от присутствия каротиноидов. Могут вызывать пороки цвета молока и других пищевых продуктов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ

Вирусы являются доклеточными микроорганизмами, которые отличаются от прокариотов и эукариотов как в структурном, так и в функциональном отношении.

Вместе с тем вирусы содержат собственную генетическую информацию, которую они передают своему потомству.

В основу классификации вирусов положены следующие свойства: тип нуклеиновой кислоты, ее молекулярная масса, количество нитей в нуклеиновой кислоте, процентное содержание нуклеиновой кислоты в вирусной частице, форма вирусной частицы, число структурных субъединиц (капсомеров) в белковой оболочке, тип симметрии расположения капсомеров.

На основании этих признаков вирусы выделены в отдельное царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кислоты на два подцарства - рибовирусы и дезоксивирусы. Подцарства делят на семейства, роды, виды и типы.

Вирусы человека и животных распределены в 19 семейств, из них 7 - ДНК-содержащие и 12 - РНК-содержащие.

В молочной промышленности имеют большое значение (негативное) бактериофаги, так как они вызывают гибель клеток заквасочных культур. Большинство фагов имеют сперматозоидную форму, содержат РНК и ДНК. Различают шесть морфологических типов фагов.

К первому типу относят нитевидные ДНК-содержащие фаги. Вторую группу составляют мелкие РНК-содержащие фаги, фаги с одной спиралью ДНК и с аналогом хвостового отростка. В третий тип включены фаги без отростка, в четвертый - фаги с коротким отростком и двунитчатой ДНК. К пятому типу относятся ДНК-содержащие фаги с несокращающимся «чехлом» отростка и головкой разных формы и величины. Шестой тип - это фаги с сокращающимся «чехлом» отростка и сложной структурой.

Необходимо отметить, что достаточно четкой классификации вирусов до настоящего времени нет.

Микроорганизмы - это большая сборная группа, внутри которой представители могут различаться клеточной организацией, морфологией и возможностями метаболизма , но объединены микроскопическими размерами. Поэтому термин «микроорганизм» не имеет таксономического смысла. Представители мира микробов относятся к самым разным таксономическим группам, другие члены которых могут быть многоклеточными организмами, иногда гигантских размеров. Например, низшие плесневые грибы родственны шляпочным грибам, а микроводоросли объединены с такими крупными особями как ламинария. Микроорганизмы - это самая обширная по количеству представителей группа и ее члены повсеместно распространены. У микроорганизмов встречаются все известные типы обмена веществ.

Способы классификации микроорганизмов

Накопление огромного фактического материала в потребовало ввести правила описания объектов и распределить их по группам. Для возможности сравнения результатов, полученных разными исследователями, и удобства работы появилась необходимость классифицировать микроорганизмы. Под классификацией понимают отнесение конкретного биологического объекта к определенной группе однородности (таксону) по совокупности присущих ему признаков.

Отношения соподчиненности и взаимосвязи таксонов различных уровней изучает систематика. В современной классификации микроорганизмов принята следующая иерархия таксонов: домен, филум, класс, порядок, семейство, род, вид. Вид является основной таксономической единицей. Микробиологи пользуются биномиальной системой обозначения объекта (номенклатуры), включающей родовое и видовое названия, например, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Pseudomonas aeruginosa и т.д. В ряде случаев допускается применение исторически сложившихся русскоязычных наименований (кишечная палочка, пекарские дрожжи, синегнойная палочка).

Для классификации важно договориться о наборе критериев, которые будут определяющими при объединении объектов в группу. Большинство микроорганизмов устроено крайне просто и универсально, поэтому для их разбиения на таксоны недостаточно морфологических описаний. Исследователи вынуждены были привлекать функциональные характеристики микроорганизмов, т.е. отмечать особенности их метаболизма. При этом в зависимости от подхода признаки могли иметь неодинаковую значимость (одни были обязательны для помещения в данную группу, а другие могли варьировать).

В настоящее время микробиологический объект невозможно классифицировать, не изучив совокупность морфофизиологических, биохимических и молекулярно-биологических данных. При определении неизвестного микроорганизма (идентификации) исследуют следующие свойства:

1. Цитологию клеток (прежде всего, отнесение к про- или эукариотам);
2. Морфологию клеток и колоний (на определенных средах и при определенных условиях);
3. Культуральные признаки (характер роста на твердых и жидких средах);
4. Физиологические свойства (способность к использованию различных субстратов, отношение к температуре, аэрации, рН и т.д.);
5. Биохимические свойства (наличие тех или иных метаболических путей);
6. Молекулярно-биологические свойства (последовательность нуклеотидов 16S рРНК, содержание ГЦ-АТ-пар в мол.%, возможность гибридизации нуклеиновых кислот с материалом типовых штаммов);
7. Хемотаксономические свойства (химический состав различных соединений и структур, например, спектр жирных и тейхоевых кислот у актинобактерий, миколовых кислот у нокардий, микобактерий, коринебактерий);
8. Серологические свойства, основанные на реакциях « антиген- антитело» (особенно для патогенных микроорганизмов);
9. Чувствительность к специфическим фагам (фаготипирование).

Иногда отмечают наличие у микроорганизма внехромосомных элементов, в том числе молчащих (криптических) плазмид. При этом следует помнить, что плазмиды могут легко утрачиваться.

При идентификации микроорганизмов-прокариот современные исследователи опираются на указания «Руководства Берджи по систематике бактерий» («Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology») и пользуются определителем Берджи.

В настоящее время существует несколько основных способов классификации живых объектов, в том числе микроорганизмов.

Формальная нумерическая классификация считает все признаки организма одинаковыми по значимости. Учитываемые критерии должны быть альтернативными, т.е. присутствовать (+) или (-) отсутствовать у конкретного объекта. Точность помещения его в данную группу будет зависеть от полноты изучения организма. Для количественной оценки степени сходства и различия объектов разработаны специальные компьютерные программы, сравнивающие организмы по набору исследованных признаков. Сходные организмы объединяются в кластеры.

Для морфофизиологической классификации необходимо изучить совокупность морфологических признаков и особенностей метаболизма организмов. При этом учитывают разную значимость применяемых критериев: некоторые свойства считают обязательными, значимыми для объекта, а другие могут присутствовать в разной степени или совсем отсутствовать. Для помещения микроорганизмов в группу и присвоения им имени сначала определяют тип клеточной организации, описывают морфологию клеток и колоний, а также характер роста на определенных средах и при определенных условиях. Функциональная характеристика объекта включает возможности использования различных питательных веществ, отношение к физико-химическим факторам среды, а также выявление путей получения энергии и реакций конструктивного обмена. Для некоторых микроорганизмов необходимо провести хемотаксономические исследования. Патогенные микроорганизмы обычно подвергают серодиагностике. Результаты всех этих тестов применяют при работе с определителем. В настоящее время для идентификации прокариотических микроорганизмов исследователи пользуются определителем, носящим имя американского бактериолога Берджи, предложившего в 1923 г. основы такой классификации.

Молекулярно-генетическая классификация предполагает анализ строения молекул важных биополимеров. Такая молекула должна быть консервативной и значимой для основополагающего жизненного процесса. Профессор Иллинойского университета Карл Вёз предложил взять за основу прокариотную 16S рибосомальную РНК (18S рРНК - для эукариотических организмов). Эта молекула входит в состав рибосом, которые у всех живых существ отвечают за важнейший жизненный процесс - синтез белка. Аппарат синтеза белка незначительно меняется во времени, так как любое сколько-нибудь существенное нарушение может привести к гибели клетки. Поэтому в молекулах рРНК разных организмов большинство нуклеотидов неизменно, а изменяющаяся в процессе эволюции часть уникальна для конкретного организма. 16S рРНК состоит из 1500 нуклеотидов, из которых 900 - консервативны, т.е. она обладает достаточно большой, но не чрезмерной информацией и может считаться своеобразным биологическим генетическим «хронометром». Сравнивая с помощью специальных компьютерных программ нуклеотидные последовательности этой молекулы у разных организмов, можно получить группы сходства биологических объектов, отражающие их родственные связи и эволюционное развитие. На основе множества сравнений было построено филогенетическое древо, где все представители живого мира разделены на три больших домена (империи, надцарства): Bacteria, Archaea и Eukarya. Домены Bacteria и Archaea содержат только прокариотические организмы, а домен Eukarya объединяет всех эукариот - как одноклеточных, так и многоклеточных, включая человека. Одновременно было доказано, что митохондрии и хлоропласты имеют прокариотное симбиотическое происхождение. Нуклеотидные последовательности изученных организмов исследователи направляют во всемирный компьютерный генбанк, данные которого предназначены для проведения сравнения с последовательностями каждого вновь выделенного организма.

В настоящее время для идентификации конкретного микроорганизма сначала выделяют его чистую культуру и проводят анализ нуклеотидной последовательности 16S рРНК. Он позволяет определить место микроорганизма на филогенетическом древе, а дальше определение видового названия ведется традиционными микробиологическими методами. При этом 90% совпадений говорит о принадлежности к определенному роду, 97% - к определенному виду. Для уточнения таксономической принадлежности проводят ДНК-ДНК-гибридизацию, которая дает >30% совпадения в пределах рода и >70% - в пределах вида.

Для более четкой дифференцировки микроорганизмов на уровне рода и вида предложено использовать полифилетическую (полифазную) таксономию, когда наряду с определением последовательностей нуклеотидов используют информацию разных уровней, вплоть до экологического. При этом проводят предварительный поиск групп схожих штаммов и определение филогенетических позиций этих групп, фиксируют различия между группами и их ближайшими соседями и собирают данные, позволяющие дифференцировать группы.

Основные группы эукариотических микроорганизмов

В домене Eukarya есть три группы, содержащие микроскопические объекты. Это водоросли, простейшие и грибы.

Водоросли («растущие в воде») - это одноклеточные, колониальные или многоклеточные фототрофы, осуществляющие оксигенный фотосинтез . Молекулярно-генетическая классификация водорослей находится в стадии разработки, поэтому для практических целей пользуются классификацией водорослей по составу пигментов, запасных веществ, строению клеточной стенки, наличию подвижности и способу размножения. Микробиологическими объектами традиционно считаются одноклеточные представители динофлагеллятных, диатомовых, эвгленовых и зеленых водорослей, а также их бесцветные формы, растущие в темноте и утратившие пигменты. Все водоросли образуют хлорофилл а и различные формы каротиноидов, а по способности синтезировать другие формы хлорофиллов и фикобилины представители групп различаются. Окрашивание клеток в разные цвета: зеленый, бурый, красный, золотистый, - зависит от сочетания пигментов у конкретного вида. Диатомовые водоросли - это одноклеточные планктонные формы, имеющие характерную клеточную стенку в виде кремниевого двустворчатого панциря. Некоторые представители могут передвигаться скольжением. Размножаются как бесполым, так и половым путем. Одноклеточные эвгленовые водоросли обитают в пресноводных водоемах и движутся с помощью жгутиков. У них отсутствует клеточная стенка. В темноте способны расти за счет окисления органических веществ. Клеточная стенка динофлагеллят состоит из целлюлозы. Эти планктонные одноклеточные водоросли имеют два боковых жгутика. Микроскопические представители зеленых водорослей обитают в пресных и морских водоемах, в почве и на поверхности различных наземных объектов. Они могут быть неподвижными или передвигаться с помощью жгутиков. Зеленые микроводоросли имеют целлюлозную клеточную стенку и запасают в клетках крахмал. Они способны размножаться как бесполым, так и половым путем.

Грибы подразделяют на группы в соответствии с особенностями их размножения. К несовершенным грибам относят представителей, у которых не обнаружено половое размножение. Традиционные микробиологические объекты - виды родов Penicillium, Aspergillus, Candida, Rhodotorula и др. входят в эту группу. Группу зигомицетов составляют грибы, обладающие ценоцитным мицелием и образующие зигоспору путем слияния двух родительских гиф при половом процессе. Известные роды зигомицетов - это Mucor и Rhizopus . Грибы, формирующие для спороношения специальную сумку (аск), называют аскомицетами. Они имеют септированный мицелий, а при бесполом размножении образуют конидии (цепочки спор, собранные в кисточки или головки). В эту группу входят виды родов Neurospora, Saccharomyces, Lipomyces, Cryptococcus. Некоторые дрожжи и большинство высших шляпочных грибов относятся к базидиомицетам. При половом размножении у них формируется специальная раздутая гифа (базидия), образующая выросты со спорами. Мицелий базидиомицетов разделен перегородками.

Важное место в хозяйственной деятельности человека занимают представители сборной нетаксономической группы дрожжей. В нее входят грибы, для которых характерно отсутствие или существенное сокращение мицелиальной стадии роста. Наиболее известны как дрожжи представители родов Saccharomyces, Lipomyces, Candida, Rhodotorula, Pichia. Морфология и метаболизм дрожжей в значительной степени зависит от условий их выращивания. Многие дрожжи длительно существуют в виде отдельных неподвижных клеток и размножаются почкованием. Большинство дрожжей - факультативные анаэробы. Есть среди дрожжей и патогенные виды (например, Candida albicans является возбудителем «молочницы»).

Основные группы прокариотических микроорганизмов

Прокариотические микроорганизмы объединены в два отдельных домена: Bacteria и Archaea. Разделение этих групп произошло на основании результатов сравнения нуклеотидных последовательностей 16S рРНК, а также вследствие существенных различий в составе клеточных стенок, липидов и из-за особенностей метаболизма. Археи отличаются от бактерий и эукарий рядом существенных признаков. В обычных липидах глицерол связан сложноэфирной связью с жирными кислотами, а у архей - простой эфирной связью с изопреноидным С 20 -спиртом - фитанолом. Цепи фитанола могут содержать пятичленные кольца. Липиды архей способны образовывать тетрамеры (С 40), поэтому сложенная из тетрамеров мембрана более жесткая, чем традиционный бислой, из-за отсутствия внутреннего пространства. Археи могут иметь как обычные бислойные, так и ригидные монослойные мембраны. Чем экстремальнее условия их обитания, тем больше монослойных областей содержится в их ЦПМ.

У архей не найдены типичные для бактерий пептидогликановые (муреиновые) клеточные стенки. В состав клеточных стенок архей может входить другой гетерополисахарид - псевдомуреин, в котором отсутствует N-ацетилмурамовая кислота. Некоторые археи могут иметь поверх ЦПМ белковый S-слой в качестве клеточной стенки. Еще один вариант организации архей - это полное отсутствие клеточной стенки, когда мембрана почти целиком представлена ригидным монослоем из тетрамеров, усиленным большим количеством пятичленных колец, например, как у Thermoplasma .

По ряду признаков археи ближе к эукариям, чем к бактериям. Так, подобно эукариотам, у архей обнаружены интронные участки в ДНК, а также гистоноподобные белки, связанные с нуклеиновыми кислотами. Галофильные археи способны осуществлять бесхлорофильный фотосинтез, связанный с функционированием особого белка, бактериородопсина, по многим свойствам схожего с родопсином сетчатки глаза животных. Многие археи обитают в экстремальных условиях и дают скудный рост. Однако в таких местообитаниях у них мало конкурентов, что позволило им сохраниться до настоящего времени.

Домен Archaea разделен на три филума: Euryarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota. К первому относятся повсеместно распространенные микроорганизмы нескольких физиологических и систематических групп. Это метаногены - строгие анаэробы, обитающие в донных осадках пресноводных зон, богатых органикой, или в рубце жвачных. Широко распространены также экстремальные галофилы (галоархеи), растущие при высоких концентрациях соли и способные осуществлять особый тип фотосинтеза с помощью бактериородопсина, который на свету работает как протонная помпа. Обитающие в горячих кислых источниках термоплазмы и облигатно анаэробные термококки развиваются при высоких температурах, причем термоплазмы лишены клеточных стенок. В этот филум входят также экстремально термофильные сульфатредукторы.

Ко второму филуму относятся микроорганизмы, обитающие в очень специфических местах с узкими границами значений физико-химических факторов. Это экстремофилы, зависящие от серных соединений, оптимумы рН и температуры роста которых отличаются экстремальными значениями.

Третий филум зарезервирован за группами, представители которых не поддаются , но для которых известны последовательности генов, кодирующих молекулу 16S рРНК.

Домен Бактерия объединяет прокариотические микроорганизмы, имеющие типичные признаки бактерий, в частности, клеточные оболочки, содержащие пептидогликан. В настоящее время домен делится на 23 филума, которые содержат культивируемых представителей, все или часть из которых получены в виде чистых культур.