С тех пор как ученые узнали о существовании малых существ - микробов, их внимание концентрировалось, в основном, на изучении тех микроорганизмов, которые вызывают болезни человека и животных. После того как Антон Левенгук впервые увидел в микроскоп и зарисовал мельчайшие подвижные существа, знания о микроорганизмах бесконечно расширилось. Оказалось, что помимо коварных и жестоких врагов человека - возбудителей инфекционных заболеваний, существует огромное число полезных микроорганизмов. Их используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, в производстве антибиотиков и биологически активных веществ
На современном этапе развития естественных наук требуются элементарные знания микробиологии, которые будут служить не только гарантией защиты от возбудителей инфекционных заболеваний, но и защиты окружающей среды от антропогенного воздействия.
В данном элективном курсе рассмотрены основные темы, охватывающие морфологию, биологию и экологию микроскопических организмов. Изучение микроорганизмов имеет большое значение в выяснении вопросов наследственности и эволюции различных форм жизни на Земле.
Данный курс по выбору углубляет содержание разделов школьных тем, где затрагиваются основы микробиологии: "Бактерии", "Простейшие", "Грибы", "Вирусы и фаги", использует межпредметные связи с основными курсами биологии и химии.
Материал сопровождается презентацией №1 "Тайны микромира - бактерии и другие микроорганизмы" и презентацией №2 "Саратовский Российский противочумный НИИ Микроб"
Цель работы.
- раскрытие и углубление ведущих биологических понятий;
- создание условий для творческой самореализации и саморазвития школьников.
- раскрытие значения микробов в процессах круговорота веществ в природе, с целью использования последних в интересах человека.
- воспитание гражданской позиции , уважение к достижениям русских ученых биологов. * Заинтересовать учащихся современными проблемами науки биологии, чтобы потом этот предмет стал основополагающим при выборе профессии.
Систематика, классификация и морфология микроорганизмов.
Все виды микробов носят название "протисты" или "простейшие". Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру называются протофитами( простейшие растения) , а к животному миру - протозоями( простейшие животные).
Все микроорганизмы, существующие на Земле, относятся к 3 империям природы:
1. Эукариоты - ( простейшие, животные и растения, а также грибы).
2. Прокариоты - (цианобактерии - сине-зеленые водоросли) и бактерии.
3. Ультрмикробы - вирусы и фаги),живые существа бесклеточнойструктуры
Бактерии по форме делятся на 3 основные группы: шаровидные (кокки), палочковидные, или цилиндрические (бактерии и бациллы), и извитые (вибрионы и спириллы) .Размеры бактерий: кокки - от 1,5 до 2,5 мкм, палочковидные - от 0,8 до 10 мкм,у извитых форм от 20 до 50 мкм.Бактерии - прокариоты, ядро отсутствует, но имеется область наибольшей концентрации ДНК. Оболочка тонкая, если в ней много полисахаридов, которые хорошо окрашиваются йодом и плохо вымываются спиртом, - это грамположительные бактерии, а те бактерии, которые содержат мало полисахаридов в оболочке - грамотрицательные. Эту систематику разработал датский ученый Грам.Спорообразование один из способов адаптации к неблагоприятным условиям среды
Вирусы ( от лат.virus - яд животного происхождения). Вирусы - эндопаразиты. Размеры от 25 до 250 нм. Формы могут быть разные: шаровидные, палочковидные, многогранные и т.д. Зрелые частицы вирусов называют вирионы. Характерным признаком является то, что вирусы могут содержать только одну из нуклеиновых кислот или ДНК, или РНК. Фаги мельчайшие частички, состоящие из головки и хвоста. Они обладают специфичностью к бактериям определенного вида или типа, и вызывают лизис клеток. Грибы - разнообразная группа гетеротрофных организмов, которые активно участвуют в разложении органических остатков и играют важную роль в образовании гумусных веществ в почве.
Водоросли - группа микроскопических растений, содержащих хлорофилл, по цвету пигмента делятся на 3 группы: зеленые, сине-зеленые и диатомовые. Некоторые сине-зеленые водоросли могут фиксировать азот до 20кг азота на1га за вегетационный период.
Экология микроорганизмов в разных средах жизни.
Экология микроорганизмов - наука, изучающая взаимоотношения микробов друг с другом и окружающей средой, в том числе и с человеческим организмом. Отечественный микробиолог В.Л. Омелянский писал: ":Мириады микробов населяют стихии и окружают нас. Незримо они сопутствуют человеку на всем его жизненном пути, властно вторгаясь в его жизнь, то в качестве врагов, то как друзья." Естественные среды обитания микроорганизмов - вода, воздух, почва. Число микроорганизмов, обитающих на растениях и в организмах животных намного меньше.
Биотическая среда обитания - организмы высших животных и человека. Прежде всего, микробы заселяют кожные покровы, составляя нормальную микрофлору. Кишечник человека заселен микроорганизмами, помогающими пищеварению. Водная среда заселена микробами с различной плотностью. Меньше всего заселены океанические воды. Более высокая концентрация микробов наблюдается в пресных придонных иловых отложениях, где наблюдается микробная слоистость.
Почвенная среда - особое место природной среды обитания микробов. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими колониями по 20 - 100 клеток. Они представляют собой популяции, т. е. совокупность родственных между собой клеток одного вида, расположенных на определенном участке природного субстрата.
Ризосферная микрофлора - совокупность микроорганизмов, которые развиваются в большом количестве в узкой зоне вокруг корней растений. Это связано с выделением из корней органических веществ, синтезированными растениями.
Микрофлора воздуха формируется почвенными микроорганизмами. Воздух - среда, не поддерживающая размножения микроорганизмов, это определяется отсутствием питательных веществ и недостатком влаги. Кроме того в воздухе более выражено действие солнечных лучей УФ - спектра.
Физиология микроорганизмов.
Автотрофы. В зависимости от используемых источников энергии автотрофные бактерии делятся на 2 подгруппы: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофы имеют в цитоплазме особые пигменты, близкие по химическому составу к хлорофиллу, обеспечивающие аккумуляцию необходимой энергии. Хемоавтотрофы получают энергию окислением только определенных минеральных соединений и используют углерод для построения клеточных веществ из углекислого газа.
Гетеротрофы могут воспринимать углерод только в мертвых органических остатках. К гетеротрофам относятся большинство известных микробов. Сапрофиты питаются мертвыми органическими остатками. Паразиты вызывают болезнь тех существ в тканях которых они живут. Болезнетворных микроорганизмов природе меньше, чем сапрофитов. Помимо питательных веществ , многие микроорганизмы нуждаются в особых веществах, так называемых факторах роста. К ним относятся витамины, аминокислоты.
Дыхание микроорганизмов - совокупность биохимических процессов, которое сопровождается выделением тепловой энергии.. П о способу дыхания микроорганизмы делятся на следующие группы:
- Аэробы - используют молекулярный кислород.
- Анаэробы - содержат в цитоплазме набор ферментов, благодоря чему могут полностью окислять субстраты до углекислого газа и воды или получать энергию с помощью брожения.
Размножение бактерий, дрожжей, плесневых грибов, простейших происходит путем деления, когда из одной клетки образуется две особи. Передача признаков и свойств по наследству, в отличие от высших животных не связана с половым процессом. При благоприятных условиях многие бактерии делятся через каждые 30 минут. Подсчитано, что при такой скорости деления 1 клетка за 5 дней могла бы дать количество особей, способных заполнить бассейны всех морей и океанов. Однако размножение бактерий в природе лимитируется различными неблагоприятными факторами окружающей среды.
Толерантность микроорганизмов к условиям окружающей среды.
Микроорганизмы лучше адаптируются к экстремальным физическим и химическим факторам окружающей среды, чем животные и растения. Некоторые бактерии сохраняют жизнеспособность при температуре до +104 С, давлении от 0 до 1400 атм., длительно живут в дистиллированной воде и в насыщенных растворах солей, не погибают при интенсивном облучении , в присутствии тяжелых металлов, антисептиков и антибиотиков Толерантность к физическим факторам среды. К физическим факторам среды, положительно или отрицательно влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов относятся: влажность среды, концентрация, растворенных в ней веществ, температура, солнечный свет и различные формы лучистой энергии Толерантность к химическим факторам среды. К химическим факторам, оказывающим влияние на жизнедеятельность микроорганизмов относятся: состав и реакция среды, окислительно - восстановительные условия среды. Химические соединения могут быть полезными для микроорганизмов и использоваться как питательные вещества и неблагоприятными - антимикробными, которые угнетают или убивают микроорганизмы. Толерантность к биологическим факторам среды. К биологическим факторам, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся различные их взаимоотношения как с другими видами микроорганизмов, так и с иными организмами окружающей среды. Эти взаимоотношения могут носить симбиотический, антагонистический и паразитический характер. Типы взаимоотношений в биоценозах Симбиоз - примером могут служить взаимоотношения между молочнокислыми бактериями и дрожжами; сожительство аэробов, поглощающих кислород с анаэробами; симбиоз клубеньковых бактерий с растениями семейства бобовые; между микробами и животными. Виды симбиоза: комменсализм - выгоду извлекает только один партнер, мутуализм - взаимовыгодные отношения, саттелизм - одни микроорганизмы выделяют вещества, стимулирующие рост других микроорганизмов, антогонизм - когда один микроорганизм угнетает развитие другого. Паразитизм. Примером могут служить взаимоотношения бактерий с соответствующими видами бактериофагов, являющимися для первых паразитами. Одно из проявлений паразитизма микроорганизмов у животных, человека и растений называется инфекцией. Паразитические микроорганизмы разделяются на внутри- и внеклеточные..
Таким образом, зона толерантности микробного мира поистине грандиозна, что обеспечивает им практически беспредельное развитие на всей планете.
Характеристика возбудителей инфекционных заболеваний.
Микроорганизмы, которые вызывают инфекционное заболевание, обладают патогенностью - видовой признак возбудителя, который передается по наследству. Специфичность - способность каждого патогенного микроба при проникновении в организм и размножении в нем вызывать определенную инфекционную болезнь. Вирулентность - разная степень патогенности микроба. Вирулентность различных штаммов патогенных микробов определяют по наименьшему количеству микробных клеток или ядовитых продуктов их жизнедеятельности, способных вызывать гибель животных или человека. Вирулентные микробы, обладающие высокой степенью патогенности, способны вызывать гибель животного при введении ему всего нескольких клеток. Патогенные микробы обладают также органотропностью. Для большинства микроорганизмов - возбудителей заболевания характерно предпочтительное поражение определенных органов и тканей. Например, кишечные микробы: холерный вибрион, возбудитель дизентерии, сальмонеллы тифа поражают слизистую оболочку кишечника, малярийный паразит клетки печени и эритроциты крови, вирус гриппа - слизистые дыхательных путей, вирус оспы эпителий кожи и слизистых путей.
Патогенность различных микробов может широко варьировать. Отдельные штаммы одно и того же вида могут обладать, различным по силе, болезнетворным действием.
Использование бактерий.
Анаэробное разложение: углерод является одним из важнейших элементов органической жизни. Углерод органических соединений возвращается в воздух в виде углекислого газа. В этом процессе активную роль играют микроорганизмы. Они минерализуют органические остатки, и углекислый газ снова возвращается в атмосферу. Спиртовое брожение - процесс разложения сахара под действием микроорганизмов на этиловый спирт и углекислый газ. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. На спиртовом брожении основано производство спирта, глицерина, вина и пива. Его также используют в хлебопечении. Молочнокислое брожение - процесс расщепления молочнокислыми бактериями молекулы сахара на 2 молекулы молочной кислоты. Молочнокислые бактерии используют для изготовления простокваши, сметаны, сыров и других молочнокислых продуктов.
Фиксация молекулярного азота. Растения не могут усваивать азот, который находится в воздухе, однако некоторые почвенные микроорганизмы обладают способностью с помощью ферментов фиксировать атмосферный азот и синтезировать белок. Биологическая фиксация азота имеет большое значение в повышении плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур, а также в экономии минеральных удобрений.
Производство белка. Ведущую роль в жизненных проявлениях принадлежит белкам . Однако проблема белкового питания одна из наиболее сложных. Большие возможности для производства протеина открывает выращивание простейших организмов на непищевом сырье, например, на нефти и отходах нефтяной промышленности. При выращивании дрожжей на некоторых нефтяных продуктах, получается белково- витаминный концентрат, который содержит 45 - 50% белка и 50 - 55% жиров, а также углеводы и витамины. Вредных примесей в препарате нет, неприятный запах отсутствует. Этот препарат используется в качестве корма.
Образование витаминов. Многие микроорганизмы способны образовывать и выделять в окружающую среду витамины. Микробы, которые синтезируют витамины. называются ауксотрофами. В последнее время, микробиологический синтез позволяет получать следующие витамины: рибофлавин, цианкобаламин, пиридоксин, биотин.
Выщелачивание руд. Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е переведения из них в раствор солей ценных металлов: меди, урана, железа, что значительно упрощает их добычу.
Переработка отходов. Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты. Сточные воды - одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, и в обычных водоемах, куда принято сбрасывать эти отходы, его для их "обезвреживания" уже не хватает. Решение заключается в дополнительной аэрации стоков в специальных бассейнах (аэротенках): в результате бактериям-минерализаторам хватает кислорода для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода.