История микробиологии

Предмет и задачи микробиологии.

Начнём изучение дисциплины с определения науки, которую мы собираемся изучать. Итак, под микробиологией мы будем понимать науку изучающую разнообразие, строение, функционирование микроорганизмов и их взаимодействие с окружающим миром. Если выражаться более лаконично, то «микробиология – это наука, изучающая любые аспекты жизнедеятельности микроорганизмов». Насколько широко определение микробиологии как науки, также разнообразны и задачи, которые она решает. Так, в зависимости от задач, решаемых микробиологами, данная наука условно разделяется на несколько «ветвей»: общая микробиология (задачей которой является изучение основных общих закономерностей строения и функционирования микроорганизмов, а также изучение эволюции микробов и построение таксономических систем), медицинская (изучающая бактерии, вызывающие заболевания человека, а также способы диагностики, лечения и профилактики инфекционных заболеваний), промышленная (или техническая) (разработка биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, ферментов, витаминов, спиртов, органических веществ, антибиотиков и др.), космическая (изучение особенностей жизнедеятельности микроорганизмов во внеземных условиях), геологическая (изучает роль микроорганизмов в происхождении разных видов полезных ископаемых), сельскохозяйственная (занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для приготовления удобрений, вызывают заболевания растений и др.) и ветеринарная микробиология (возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы их биологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение микробов-возбудителей в организме больного животного). Иногда из медицинской микробиологии выделяют ещё и санитарную микробиологию, занимающуюся изучением санитарно-микробиологического состояния объектов окружающей среды и пищевых продуктов, и разработкой санитарных нормативов; и иммунологию, изучающую реакции организма на чужеродные структуры (антигены): механизмы этих реакций, их проявления, течение и исход в норме и патологии, а также разрабатывающая методы исследования и лечения.

Таким образом, от многих наук микробиология отличается тем, что ограничена ни предметом изучения какого-то объекта, а лишь характеристиками самого объекта изучения.

Объект изучения микробиологии.

Так что же изучает микробиология? Какие организмы мы можем назвать микроорганизмами? Есть ли чёткая граница между ними и другими организмами, являющихся объектами изучения других биологических наук. Давайте попытаемся разобраться каким должен быть организм, чтобы стать объектом изучения микробиологии…

Под термином «микроорганизм» мы будем понимать живые организмы, не видимые невооружённым глазом, т.е. имеющие средний размер менее 170 микрометров. Следует подчеркнуть, что имеется в виду именно средний размер, поскольку некоторые микробы могут быть в длину несколько сот микрон, но благодаря тому, что их толщина всего несколько микрометров, увидеть и наблюдать их без микроскопа нельзя.

Поскольку единственный признак объекта микробиологии является микроскопический размер, в эту группу живых организмов относят представителей всех Царств живых организмов. Подробней об этом мы поговорим на следующей лекции, которая будет посвященна в основном разнообразию микроорганизмов. А пока на имеющимся у вас уровне представлений о таксономии (у каждого свои, но хватит и самого минимального) отмечаем, что есть микроскопические животные – например, коловратка Ascomorpha minima – самое мелкое многоклеточное животное, размер его составляет около 40 микрон, полностью все простейшие, одноклеточные водоросли – из царства растений, подавляющее большинство грибов и, конечно же, все прокариоты. Также объектами микробиологии, в широком смысле термина, относятся вирусы и вирусоподобные частицы. Таким образом, диапазон размеров микроорганизмов составляет всего 4 порядка: от 18 нм мелких вирусов до 170 мкм – для примера диапазон размеров макроорганизмов от 170 мкм до 33 метров, что составляет 5 порядков. В зависимости от того, микроорганизмы из какого таксона являются объектом изучения микробиологию можно разделить на бактериологию, вирусологию, микологию, альгологию. Микроскопические животные и простейшие являются объектом изучения зоологии беспозвоночных.

Используя рассмотренные две системы деления микробиологии на более мелкие науки, можно определить, что в узком понимании термина «микробиология» - «общая бактериология». Это то, что мы с вами в основном и будем изучать, с отдельными лекциями по вирусологии, медицинской микробиологии и иммунологии и блоком из трёх лекций по сельскохозяйственной микробиологии.

Место микробиологии и ее роль в современной биологии

Соответственно теперь мы можем определить место микробиологии как науки среди других дисциплин: перекрываясь по многим аспектам с ботаникой, зоологией и микологией, имеет также связи с биохимией и генетикой. Если мы рассматриваем химические науки, то микробиология имеет неразрывную связь с биоорганической химией.

 

Значение микроорганизмов в природных процессах, в народном хозяйстве и здравоохранении. Положение микроорганизмов в природе.

Начало развитие большинства наук принято связывать с именем Аристотеля, микробиологии в этом плане не повезло, но, тем не менее, влияние этого философа на развитие микробиологии сказывалось, сказывается и не скоро сойдёт на нет. В частности, высказанная им антропоцентрическая картина мира преобладает в мировоззрении большинства даже современных людей. В связи с этим, в зависимости от полезности или вредности для человека тех или иных микробов их значение принято делить на благоприятное: в сельском хозяйстве (PGPR: синтез фитогормонов, антибиотиков, органических кислот; ферментация сена при силосовании), связанная с ним пищевая промышленность (производство хлеба, сыра, кефира, пива, вина, спирта), биоремедиация загрязненных территорий и акваторий (ферментные системы микроорганизмов), геологоразведка (нефтегазовая промышленность – как маркеры нефтеносных и газовых месторождений) и многое другое. И на негативное: как возбудители инфекционных заболеваний, как агенты, приводящие к скисанию, к гниению и прочей порче продуктов, и как к продуцентам токсинов и ядов.

При этом надо понимать, что бактерии в природе во всех без исключения биоценозах выполняют важнейшие и незаменимые роли, прежде всего геохимическое превращение веществ. И на детский вопрос «Что будет, если исчезнет та или иная группа организмов?» - Можно с уверенностью ответить: «Исчезновение ни одной из групп организмов, кроме микробов (бактерий), не будут иметь рокового (очень уж важного) значения для сохранения жизни в планетарном масштабе!». У нас будет специальная лекция, посвящённая экологическим аспектам микроорганизмов в природе. Пока нужно запомнить, что бактерии присутствуют повсеместно в биосфере и активно влияют на её состояние. И это продолжается уже больше миллиарда лет. Можно конечно сказать, что микроорганизмы изменяют нашу планету с самого появления на ней жизни, но при этом надо понимать, что в период более давний, чем миллиард лет назад, границы биосферы были намного меньше нынешних. И об этом мы тоже поговорим на соответствующей лекции.

История микробиологии. Открытие микроорганизмов.

Теперь мы подходим к рассмотрению вопроса «При наличии огромного количества микроорганизмов вокруг нас, активно влияющих на нас и окружающий мир, когда люди начали их изучать, научились использовать или бороться и к какому багажу знаний о микробах к сегодняшнему дню это привело?».

Набор наблюдений и описаний становятся наукой при наличии объекта и предмета изучения для решения сформулированных задач. Мы уже с вами обговорили, что ключевым понятием для микробиологии является «микроорганизм». Осталось определиться, когда люди узнали об их существовании и начали изучать.

Датой рождения микробиологии считается 26 апреля 1676 года, когда в голландском городе Дельфт продавец сукном Антонио ван Левенгук через самодельный микроскоп (или как он его сам называл «микроскопий»), рассматривал дождевую воду, впервые увидел микроорганизмы (наблюдение было опубликовано в октябре того же года в «Философских трудах Королевского общества» в Лондоне, переведённое Генри Ольденбургом)…

Этапы развития микробиологии как науки.

1. Эвристический (с 4-го тыс. до н.э. – по сегодняшний день)

Кроме объекта и предмета у микробиологии есть задачи, которые мы с вами уже рассмотрели. Эти задачи стояли перед человечеством во все времена и до открытия ван Левенгука и решались с разным успехом с древнейших времён. Первые письменные упоминания практического использования микробов (без понимания этого) встречаются уже в шумерской культуре и записаны клинописью ещё в 4-ом тыс. до н.э. – древнейшим артефактом этого рода является описание приготовления дрожжевого хлеба. Естественно, с развитием цивилизации и письменности описаний микробиологических процессов накопилось достаточно много – прежде всего приготовление пищевых продуктов: хлеб, вино, уксус, кисломолочные продукты и пр. А также описание инфекционных болезней. Наиболее близко к пониманию природы инфекционных болезней на эвристическом этапе микробиологии подошёл Джироламо Фракасторо, который в 1546 году опубликовал свой труд «De Contagione et Contagiosis Morbis» - он предположил, что эпидемии вызываются крошечными частицами («семенами»), переносимыми от больного через прямой, непрямой (или даже зрительный) контакт. «Семена» в его терминах ближе к химическим или атомистическим элементам, чем к живым существам.

2. Описательный (с 1676 г. – по настоящее время)

А. ван Левенгук – микроскопии – аманкулуусы – популяризация микроскопии - форма клеток – Великое посольство Петра Первого

Отто Фридрих Мюллер – описание 379 различных видов микробов (1786)

Максимилиан Перти (1852) описание окрашенных крупных бактерий – признание бактерий, наравне с растениями и животными, группой живых организмов.

Фердинанд Кон – 1872 – открытие термоустойчивых спор

Дмитрий Иосифович Ивановский – 1892 – открытие вирусов (вируса табачной мозаики)

3. Биохимический (1857 –

Луи Пастер – брожения – Клюйвер и ван Ниль

4. Медицинский (1792 – 1869 –

Дженнер, Пастер, Кох – триада Генле-Коха – Мечников, Эрлих

5. Геохимический

Бейеринг, Виноградский – хемотрофия, азотфиксация

6. Фармакологический

Флеминг (антибиотики)

7. Биотехнологический

Первые эксперименты по созданию технологии рекомбинантных ДНК, давшие положительные результаты, были выполнены в Стенфордском университете исследователями P. Berg, S.N. Cohen, H.W. Воуег с сотрудниками. В 1973 г. была опубликована работа [Cohen S.N. et al.], в которой авторы описали конструирование биологически активных гибридных плазмид, полученных обработкой плазмид pSC 101 и pSC 102 рестриктазой EcoRl с последующей сшивкой и получением новой плазмиды pSC 106. Эта группа исследователей получила и гибридную плазмиду на основе плазмид pSC 101 из E.coli и pj 258 из Staphylococcus aureus. Гибридные плазмиды pSC 112 и pSC 113 реплицировались в клетках Е. coli и экспрессировали генетическую информацию обеих родительских плазмид.

Проведенные работы показали: во-первых, что гибридные плазмиды, полученные in vitro между молекулами ДНК разных видов способны реплицироваться и экспрессироваться в клетке реципиента, во-вторых, плазмидные репликанты, формирующие устойчивость к антибиотикам бактериальных клеток, могут использоваться в качестве векторов и, в-третьих, была предложена методическая схема конструирование векторов.

8. Геномный

Карл Вёзе

16S рРНК содержит 1500 нуклеотидов. Эта молекула оказалась очень удобной для сравнения нуклеотидных последовательностей и определения родства. Оказалось, что по молекулярным данным все организмы делятся на три основные группы — археи (архебактерии), бактерии (эубактерии) и эукариоты. Построенное на основании этих данных филогенетическое древо Карл Вёзе издал в 1985 году.

Сейчас его концепция развивается, но полученных данных всё ещё слишком мало, чтобы установить «истинную» филогению и основанную на ней классификации микроорганизмов и других живых существ.

Карл Вёзе первым высказал идею РНК мира

9. Метагеномный («геномика окружающей среды» или «эко геномика»). Традиционное секвенирование геномов полагается на культивируемые клоны культур, в то время как метагеномика работает с набором всех ДНК находящихся в среде. Основным отличием при использовании метагеномного подхода является учет некультивируемых микроорганизмов наряду с культивируемыми. Широкое развитие метагеномики в последнее время обусловлено распространением методов секвенирования нового поколения.

Методы метагеномики применяются для проведения анализа генома микробных популяций. На сегодняшний день можно выделить две области:

• Метагеномика окружающей среды – изучающая метагеномы биогеоцинозов – озер, морей, болот, почвы и прочее. Здесь основной интерес ученых лежит в исследовании синергии действия множества микроорганизмов для получения конкретных результатов, напр. очистка воды или утилизация отходов.
• Метагеномика организма человека – сравнение бактериальных сообществ организмов людей разного возраста, происхождения и состояния здоровья позволит установить, каким образом микроорганизмы предотвращают или повышают риск развития определенных заболеваний, а также возможные методы управления этими механизмами.

 

Развитие отечественной микробиологии.

М.М. Тереховский (1775) впервые применил экспериментальный метод исследования и показал, что микроорганизмы представляют собой особую группу живых существ, и что они не способны самопроизвольно зарождаться.

Д.С. Самойлович (1782) впервые пытался обнаружить возбудителя чумы при помощи микроскопа, считая, что причиной болезни являются особые мельчайшие существа. Он же первый делал прививки против чумы гноем от выздоравливающих и производил дезинфекцию вещей больных и умерших от этой болезни.

А. Ловецкий (1827) - русский зоолог – установил роды Bacillaria, Vibrionaria, Proteus.

Ф. Грос (1849) открыл и описал паразитические амебы. 

Л.С. Ценковский (1855) предложил собственную оригинальную систематику бактерий, сблизив их основные формы с сине-зелеными водорослями. (1860-77) изучал генетические связи протистов, низших водорослей, слизистых грибов и бактерий с животными и растениями. Изучая сибирскую язву овец, он впервые в России изготовил и применил на практике сыворотку для борьбы с этой болезнью.

Ф.А. Леш (1875) обнаружил амебу — возбудителя хронической дизентерии.

М.И. Афанасьев (1877) первым открыл возбудителя коклюша.

С.Н. Виноградский (1887) открыл процесс нитрификации — окисления аммонийного азота до азотной кислоты при посредстве особой группы бактерий, которые ассимилируют углекислый газ из воздуха - хемосинтез.

Д.А. Романовский (1890) при изучении Protozoa ввел в технику их изучения метод окрашивания метиленовой синькой и эозином, который до настоящего времени является универсальным методом обнаружения простейших паразитов.

А.В. Григорьев (1891) первым открыл возбудителя дизентерии.

Д.И. Ивановский (1892) - русский ученый-ботаник - установил существование нового мира своеобразных живых агентов — вирусов.

Н.В. Сорокин (1846-1909) издал 4-х томный труд «Растительные паразиты как причины заразных болезней».

Г.Н. Минх (1836-1896) развивал учение о заразных болезнях. Работы по сибирской язве, чуме, проказе и возвратному тифу. Обнаружил фагоцитоз до того, как последний был описан И.И. Мечниковым.

И.И. Мечникова (1845-1916) разработал фагоцитарную теорию иммунитета, т.е. невосприимчивости организма к заразным болезням. Мечников положил начало учению об антагонистических отношениях между различными группами микроорганизмов. 

П.Ф. Боровский (1898) - военный врач - исследовал распространителя болезни, которая называлась саратовской или пендинской язвой. Ученый пришел к выводу, что саратовская язва вызывается организмами высшего порядка — Protozoa.

Н.Ф. Гамалея (1859-1949) изучал вопросы медицинской микробиологии. Ему принадлежит открытие лизиса — процесса растворения (распада) бактерий. Это открытие положило начало новой области в микробиологии — бактериофагии. 

В.Л. Омелянский (1904) открыл процесс анаэробного разложения клетчатки. (1923) опубликовал в монографии "Связывание атомосферного азота почвенными микробами".

Л.А. Тарасевич (1911-27) внёс существенный вклад в решение вопросов эпидемиологии и профилактики туберкулёза, холеры, брюшного тифа, малярии, сыпного тифа, дизентерии, сифилиса. Основные направления его работ: определение заболеваемости, естественная иммунизация, формирование коллективного иммунитета и его влияние на циркуляцию возбудителей инфекционных болезней. Работы Тарасевича способствовали формированию эпидемиологии как самостоятельной области медицинских знаний, непосредственно связанной с практикой противоэпидемических мероприятий. Он придавал большое значение вопросам аллергии, длительное время занимался экспериментальным воспроизведением пищевой анафилаксии к молоку и яичному белку.

Д.К. Заболотный (1922) создал учение о природной очаговости чумы.

Г.А. Заварзин (1974-2004) более 280 научных работ по физиологии литотрофных микроорганизмов, экологии и систематике бактерий – природоведческая микробиология. В 2003 г. в статье «Антипод ноосферы» предложил понятие «какосфера».

К.В. Квитко (1984) тройной симбиоз: Paramecium bursaria - Chlorella sp. - вирус PBCV

 

Основные методы микробиологических исследований.

микроскопия: световая, фазово-контрастная, темнопольная,  флуоресцентная, электронная;

культивирование (бактериологический, вирусологический);

биологический метод (заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях);

молекулярно-генетический метод (ПЦР, ДНК- и РНК-зонды, FISH и др.);

серологический метод — выявления антигенов микроорганизмов или антител к ним.

 

Роль микробиологического синтеза в промышленности.

Все препараты, получаемые микробиологическим синтезом при промышленном производстве, подразделяются на три группы:

биопрепараты, содержащие в товарном продукте в качестве основного активного компонента жизнеспособные микроорганизмы (средства защиты растений, закваски, бактериальные удобрения и др.);

биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса (кормовые дрожжи, грибной мицелий и др.);

биопрепараты, получаемые на основе очистки продуктов метаболизма.

Если искомое вещество по окончании процесса находится в культуральной жидкости, то биомассу используют как побочный продукт, а целевой продукт выделяют из раствора. При этом применяют отгонку, осаждение, упаривание и подобное в соответствии с разработанной технологией.

 

Использование микроорганизмов при выщелачивании металлов из руд

В 1958 г. одной американской фирмой был запатентован способ бактериальной регенерации сернокислого окисного железа, выщелачивания меди и цинка из бедных руд, а также метод биологического обогащения молибденовых, желозохромовых и железотитановых концентратов  путём освобождения их от железа.

В настоящее время во многих странах микроорганизмы применяются для промышленного получения меди, урана и других металлов.

Бактериальное выщелачивание руд делится на кучное и чановое. Проводится кучное выщелачивание отвалов, которые складывают на подготовленной цементированной площадке. Крупные куски руды чередуют с мелкими, предусматривают вентиляционные ходы. Отвалы периодически орошают кислыми бактериальными растворами. Медь в результате окисления переходит в воду в виде медного купороса, затем ее выделяют из водного раствора. Такое выщелачивание экономично проводить для более дорогого сырья, например для обогащения концентратов. При этом способе часто образуются высокие концентрации металлов, поэтому целесообразно применять культуры бактерий, предварительно приученные к высоким концентрациям меди, мышьяка и других элементов. Так, при чановом выщелачивании успешно протекает процесс освобождения оловянных и золотых концентратов от мышьяка. В этих концентратах мышьяк присутствует в основном в виде арсенопирита – сульфида, легко окисляемого Th. ferrooxidans. Процесс очистки концентратов, содержащих 4-6% мышьяка, протекает около 120 ч.

В настоящее время получает широкое распространение гидрометаллургия. Бактериальное выщелачивание занимает среди других гидрометаллургических методов одно из первых мест.

Сульфидам часто сопутствуют редкие элементы. По геохимическим данным, количество таких элементов, как кадмий, галлий, индий, таллий, уменьшается в продуктах окисления сфалерита и галенита в 50 раз. Лабораторные опыты по воздействию бактерий на сульфиды, в кристаллической решетке которых цинк или свинец изоморфно замещается редким металлом, показали, что под действием бактерий в растворе создается в 2-6 раз большая концентрация редкого элемента, чем при химическом окислении.

Таким образом, в миграции редких элементов и в обеднении ими зоны окисления сульфидных месторождений бактерии играют большую роль.

В такие сульфиды, как пирит, арсенопирит, антимонит, бывают включены мельчайшие частицы золота, которые при химическом и бактериальном окислении сульфидов должны освобождаться. Так, при окислении гравитационного концентрата под действием бактерий в раствор переходило около 0,5 мг/л золота.

Биологическая очистка стоков

В настоящее биологической очистке подвергается большинство промышленных и бытовых сточных вод перед их сбросом в водоемы. Принцип биологической очистки стоков состоит в том, что при некоторых  условиях микробы способны расщеплять органику до простых веществ, таких как вода, углекислый газ, т.д.

Биологические методы очистки сточных вод могут быть разделены на два типа, по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязнителей стоков:
1. аэробные биологические методы очистки промышленных и бытовых сточных вод (микроорганизмам при их жизнедеятельности необходим кислород)
2. очистка стоков анаэробными микроорганизмами (которые живут без кислорода).

Методы очистки сточных вод с участием аэробных бактерий разделяются по типу емкости, в котором происходит окисление стоков.  Емкостью может быть и  биопруд, и биологический фильтр, и поле фильтрации. Однако суть самого метода очистки сточных вод, а именно минерализация органики остается неизменной. В естественных условиях очистка сточных вод происходит на полях фильтрации и в биопрудах.

Поля фильтрации - это специальные участки, отведенные для сброса загрязненных сточных вод и заселенные почвенными аэробными бактериями. При попадании  в почву, вредная органика сточных вод подвергаются окислению микроорганизмов, с конечным образованием  углекислого газа и воды. Одновременно с процессами переработки органики сточных вод, имеет место синтез биомассы бактерий.

Аэробное оксидация в биопрудах является процессом минерализации органики сточных вод под действием бактерий, живущих в воде. Биопруды являются водными объектами, в которых создано благоприятные для жизни  микроорганизмов условия, такие как малая глубина, большое количество водорослей, насыщающих воду кислородом и т.п. Строительство биопрудов может быть использовано и для очистки производственных сточных вод,  и для очистки рек, впадающих в водохранилища.

Препятствием более широкого использования биопрудов и полей фильтрации является их сезонная работа, небольшая производительность по очистке стоков, необходимость отвода крупных площадей земли.