Тема 1. Предмет, методы и цели микробиологии

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Среднего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Волгоград 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Раздел 1. Микроорганизмы

Тема 1. Предмет, методы и цели микробиологии

Микробиология (греческ. микро – малый, биос – жизнь, логос – учение) – одна из биологических наук о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах, названных микробами или микроорганизмами. Она изучает их внешний вид, строение, условия роста, развития, размножения, а также отношение их с окружающей средой: изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе. Для товароведов микробиология как наука имеет большое значение, так как микроорганизмы определяют качество и сохраняемость как продовольственных, так и непродовольственных товаров.

Микроорганизмы видны только под микроскопом. Размеры их так малы, что в капле любой жидкости могут быть миллионы микроорганизмов.

К микроорганизмам относятся бактерии, риккетсии, актиномицеты, ультрамикробы (неклеточные формы) - вирусы и фаги, грибы, в том числе и мицелиальные, дрожжи, мельчайшие водоросли, простейшие (одноклеточные) животные организмы и некоторые другие орга­низмы.

Основные отличия микроорганизмов от других живых существ, обитающих на Земле:

- микроскопические размеры;

- одноклеточное строение (большинство);

- чрезвычайная распространенность (их можно обнаружить в воде, воздухе, почве, на поверхности и внутри тела человека и животных, на поверхности растений;

- высокая скорость размножения;

- интенсивность обмена;

- многообразие форм метаболизма и его пластичность.

Микроорганизмы населяют все экологические ниши и живут там, где развиваются животные и растения, а также во многих других ареалах, в которых не могут развиваться другие живые организмы – при температурах до +113^оС и -36^оС, давлениях до 1400 атм., при полном отсутствии кислорода, в насыщенных растворах соли, при высоких кислотности (значение рН 0-1) и щелочности (рН до 11).

Микроорганизмы могут развиваться в скальных породах на глубине 6 км, на вершинах высоких гор (6-7 км), в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений и памятников. Споры микробов очень устойчивы, они могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20-30 миллионов лет (например, в кишечнике пчелы, замурованной в кусочке янтаря).

Микроорганизмы принимают самое активное участие в круговороте органических и неорганических веществ (углерода, азота, фосфора, серы и др.), минерализуют растительные и животные остатки. Одновременно с пользой они могут наносить вред, вызывая порчу сырья, пищевых продуктов, органических материалов, при этом возможно образование токсических веществ. Многие виды микроорганизмов, так называемые, патогенные, являются возбудителями болезней человека, животных и растений.

Больше всего микроорганизмов в верхнем слое почвы. Почвенные микроорганизмы разлагают остатки животных и растений до минеральных веществ, тем самым восполняя запасы питательных веществ, необходимых для жизни растений.

Множество микроорганизмов живет на поверхности тела, в кишечнике человека и животных, на растениях, на пищевых продуктах и на всех предметах вокруг нас. Микроорганизмы потребляют самую разнообразную пищу, чрезвычайно легко приспосабливаются к изменяющимся условиям жизни: теплу, холоду, недостатку влаги и т. п. Они очень быстро размножаются.

Бактерии, плесневые грибки и дрожжи относятся к низшим растительным организмам. Из всех микробов они имеют наи­большее значение для товароведения. Ультрамикробы состав­ляют особую группу организмов, характеризующуюся чрезвы­чайно малыми размерами по сравнению с другими микробами.

Свойство микроорганизмов воздействовать на окружающую их среду и вызывать в ней различные биохими­ческие превращения давно замечено человеком и исполь­зуется им в практической деятельности.

Развитие микробиологии, как и других научных дисциплин, находится в тесной зависимости от способов производства, запросов практики, общего прогресса науки и техники. В настоящее время, в соответствии с потребностями общества, микробиология дифференцировалась на несколько дисциплин:

- медицинская (наиболее «старая» по времени микробиологическая дисциплина) – изучает патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания человека и разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения этих болезней;

- ветеринарная – то же в отношении животных;

- к курсу медицинской и ветеринарной микробиологии примыкает обособленный курс – вирусология;

- сельскохозяйственная (сюда входит почвенная) – изучает возбудителей, разрабатывает различные методы борьбы с ними, изучает роль микроорганизмов в образовании и плодородии почвы, в питании растений, совершенствует методы приготовления бактериальных удобрений;

- промышленная или техническая (биотехнологии) – изучает вопросы получения пищевого белка, пищевого сырья из непищевого, производство кормового белка для сельскохозяйственных животных, получение технических белковых добавок (наполнителей, загустителей, эмульгаторов, стабилизаторов), производство вакцин, лечебно-профилактических препаратов-бактериофагов, получение газообразного и жидкого топлива на основе биологической конверсии, включающей анаэробные микробиологические процессы, средства защиты морей и океанов от нефтяных и ртутных загрязнений, превращение полиэтиленовых пленок в углекислый газ, тесты на различные полезные ископаемые и .т.д.;

- пищевая– изучает микроорганизмы, применяемые в изготовлении разнообразных пищевых продуктов путем микробиологического синтеза, а также способы предотвращения их порчи, вызываемой микроорганизмами;

- водная– исследует микроорганизмы водоемов, их роль в пищевых цепях, в загрязнении и очистке питьевой воды и сточных вод;

- геологическая– изучает роль микроорганизмов в образовании и разложении руд, получения из этих руд металлов, в образовании полезных ископаемых;

- генетическая – рассматривает молекулярные основы наследственности и изменчивости микроорганизмов, разрабатывает методы и принципы управления жизнедеятельностью микроорганизмов и получения новых штаммов для использования их в промышленности и сельском хозяйстве;

- космическая– занимается изучением влияния космических условий на земные организмы, разрабатывает методы использования микроорганизмов в космических кораблях для обеспечения нормальных условий жизни при длительном пребывании человека в космосе;

- военная – создание и производство бактериологического оружия.

Многие исследования проводятся на стыке дисциплин (молекулярная микробиология, генная инженерия).

Для товароведения наибольшее значение имеет техническаямикробиология, так как в производстве и сохранности продовольственных и непродовольственных товаров микроорганизмы имеют, как говорилось выше, большое значение.

С помощью дрожжей, например, получают тесто для хлеба, спирт, вино, пиво, брагу и другие продукты.

Особую группу бактерий используют для получения молочнокислых продуктов: сметаны, творога, ацидофилина, простокваши и других. Эти же бактерии, называемые молочно­кислыми, участвуют в процессах созревания сыров, а также квашения капусты. Кефир и кумыс получают совместным дей­ствием дрожжей и молочнокислых бактерий.

Промышленное получение органических кислот (уксусной, молочной, масляной, ли­монной и других) также основано на применении опре­деленных микроорганизмов (разных видов бактерий и грибов).

Микроорганизмы используются для производства витаминов, ферментов и аминокислот. В настоящее время с помощью ми­кробов получают очень ценные лечебные препараты - пеницил­лин, стрептомицин, биомицин и др., т.е. то, что мы называем антибиотиками.

Положительная роль микроорганизмов очень велика. Однако мно­гие из них наносят существенный ущерб, вызывая порчу и раз­рушение различных товаров, как продовольственных, так и непродовольственных.

Особенно легко поддаются воздействию микроорганизмов продовольственные товары. Поэтому одной из важнейших задач для товароведов продовольственных товаров является обеспечение таких условий их хране­ния и транспортировки, которые позволили бы уберечь товары от воз­действия микробов и тем самым сохранить их качество.

Как во время производства, так и при хранении и перевозке товаров человек постоянно ведет борьбу с микроорганиз­мами посредством охлаждения, замораживания или, наоборот, нагреванием продукта до высоких температур, а также путем консервирования с помощью различных химических веществ и т. д. Разработка и применение всех этих процессов основаны на знании микробиологии.

Знание микробиологии, биохимических превращений, протекающих в результате жизнедеятельности микроорганизмов в пищевых продуктах и непродовольственных товарах позволяет работникам тор­говли широко и сознательно проводить профилактические меро­приятия против распространения пищевых инфекций и отрав­лений, а также при хранении мехового и кожевенного сырья, изделий из них, а также различных материалов, бумаги, древесины и т.д.

Следовательно, микробиология тесно связана с товароведе­нием продовольственных и непродовольственных товаров, поэтому специалисту-товаро­веду в своей практической деятельности постоянно приходится пользоваться данными микробиологии.

Микробиология относительно молодая наука, ее история насчитывает не более 300 лет, как наука возникла в конце XVII в. в связи с работами голландского естествоиспытателя Антония Ван Левенгука (1632-1723 гг.). Начиная с Аристотеля (384-322 до н. э.), которому принадлежит первая попытка систематизировать накопленные к тому времени сведения об организмах, биологи делили живой мир на два царства - растений и животных.

Левенгук одним из первых обнаружил живые микро­скопические существа с помощью изготовленных им линз. Система этих линз (микроскоп) давала сначала увеличение всего в 160 раз. Левенгук наблюдал микроорганизмы в различных на­стоях, в зубном налете, дождевой и колодезной воде, мясе и других предметах. Свои наблюдения он обстоятельно изложил в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695 г.). В ней Левенгук сообщал, что обнаружил мельчайших «живых зверьков». Некоторые из них, по его выра­жению, оживленно двигались, «как щуки в воде». Он зарисовал виденные им микроорганизмы. Книга Левенгука послужила на­чалом для дальнейшего развития микробиологии.

И хотя увидеть микробы удалось только во второй половине XVII столетия, некоторые процессы, вызываемые микроорга­низмами, были известны человеку с глубокой древности. Уже с давних пор человек наблюдал скисание молока, приготовлял виноградные вина и выпекал хлеб из кислого (перебродившего) теста. С незапамятных времен из поколения в поколение пере­давался секрет приготовления кумыса и кефира. Человек в те­чение многих столетий использовал микробиологические про­цессы, не подозревая о существовании вызывающих их возбу­дителей.

В истории микробиологии можно выделить два периода: морфологический и физиологический.

В течение первого периода (до второй половины XIX в.) своего развития микробиология носила в основном описатель­ный характер, ее исследования сводились только к изучению внешней формы микроорганизмов.

Итак, первый период связан с именем голландца Антония Ван Левенгука (1632-1723), который в конце 17 века создал первые микроскопы, увеличивающие предметы в 160, а затем и 300 раз.

Подлинный расцвет микробиологии связан с работами фран­цузского ученого Луи Пастера (1822-1895 гг.), который своими заме­чательными исследованиями, основанными на глубоком знании физиологии микроорга­низмов, убедительно показал огромную роль микроорганизмов в природе и в жизни человека. Его исследования имели неоценимое практическое значение.

Следовательно, второй этап связан с именем великого французского ученого Луи Пастера, которым были сделаны следующие открытия:

1. 1857 год – процесс брожения (до Пастера считали, что спиртовое брожение, а также гние­ние, являются обычными химическими процессами. Пастер же установил и доказал, что эти процессы - ре­зультат жизнедеятельности микроорганизмов. Его учение о процессах брожения и гниения сыграло важную роль в разработке бродильной технологии и методов хранения пищевых продуктов. Его именем назван один из рас­пространенных способов консервирования продовольственных товаров – пастеризация);

2. 1860 год – самопроизвольное зарождение (Пастер доказал, вопреки господствовавшей в то время тео­рии самопроизвольного зарождения, что живые организмы не могут зарождаться из неживой материи. Его современники по­лагали, будто из гниющих веществ растений зарождаются гу­сеницы, из морского ила - угри, из гнилого мяса - черви и т.д. Считалось, что и микроорганизмы зарождаются самопроиз­вольно.

Однако Пастер неопровержимыми опытами установил, что зародыши микробов всюду носятся в воздухе и оттуда попадают в различные среды, вызывая их гниение. Отрицательное реше­ние вопроса о возможности самопроизвольного зарождения явилось важным вкладом в материалистическое учение о проис­хождении жизни на земле);

3. 1865 год – описаны болезни пива и вина;

4. 1868 год – описаны болезни шелковичных червей;

5. 1881 год – изучение так называемой «заразы» и пробы вакцины;

6. 1885 год – предохранение от бешенства (выяснив природу заразных болезней человека, Пастер уста­новил, что эти болезни во всех случаях возникают вследствие заражения определенными микроорганизмами и предложил методы предохранения человека и животных от заразных бо­лезней. Он изготовил и практически использовал вакцины про­тив сибирской язвы и бешенства. Применение вакцин сыграло огромную роль в борьбе с этими опасными болезнями).

Впослед­ствии на основе работ Пастера были найдены эффективные средства борьбы со многими инфекционными заболеваниями человека и животных. Эти 6 открытий послужили фундаментом дальнейшего развития микробиологической науки. Пастер своими смелыми исследованиями превратил описа­тельную микробиологию в подлинную науку, имеющую огром­ное практическое значение и целиком поставленную на службу человеку.

Во второй половине XIX в. немецкий биолог Э. Геккель (Е. Haeckel, 1834-1919 гг.) пришел к заключению, что микроорганизмы настолько существенно отличаются как от царства животных, так и от царства растений, что не укладываются ни в одно из этих подразделений.

Он предложил выделить все микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, водоросли, грибы, бактерии), в отдельное царство Protista (протисты, первосущества), включив в него организмы, во многих отношениях занимающие промежуточное положение между растениями и животными. Термин «protista» и сейчас применяется в микробиологии.

Значительный вклад в развитие микробиологии внес немец­кий ученый Роберт Кох (1843-1910 гг.). Ему принадлежит открытие возбудителей туберкулеза (палочка Коха), холеры и других заболе­ваний.

Кох разработал имеющую большое практическое значе­ние методику выделения и выращивания чистых культур микро­организмов с помощью твердых питательных сред. Эта методика позволила микробиологам простым приемом отделять и изолировать нужный вид микроорганизмов от других видов, с которыми он обычно встречается в природных условиях.

Важный вклад в микробиологию внесли отечественные ученые.

Развитие микробиологии связано с именами выдающихся русских ученых:

Илья Ильич Мечников (1845-1916) - разработал всемирно известную фагоцитарную теорию борьбы человеческого и животного организма с проникшими в него болезнетворными бактериями и создал учение об иммуни­тете - невосприимчивости организма к заразным болезням. Ему принадлежит теория об антагонизме между различными группами бактерий. Эта теория послужила началом современ­ного учения об антибиотиках, получившего сейчас исключи­тельно широкое развитие.

И. И. Мечников создал первую в России бактериологиче­скую лабораторию в Одессе.

Выдающееся значение для развития отечественной микро­биологии имеют работы Николая Федоровича Гамалеи (1859-1949 гг.), бли­жайшего сотрудника И. И. Мечникова по Одесской бактериологической лаборатории, впоследствии почетного академика. Н.Ф.Гамалея (1859-1949) впервые установил существование паразитов – микробов-бактериофагов.

Он открыл явление лизиса (растворения) бактерий под действием других, еще более мелких микроорганизмов. Это открытие яви­лось началом развития новой отрасли в микробиологии - бакте­риофагии. Гамалея организовал в Одессе вторую в мире (пер­вая была в Париже) Пастеровскую станцию по прививкам против бешенства. Гамалея многое сделал в области улучше­ния здравоохранения в нашей стране.

Важную роль в развитии микробиологии сыграли труды Дмитрия Иосифовича Ивановского (1864-1920 гг.).

Им создан новый раздел микробиологии - вирусология, приобретающий все большее значение. Исследуя мозаичную болезнь табака, Ивановский первый обнаружил существование вирусов, размеры которых настолько ничтожны, что их невозможно увидеть в оптические микроскопы. Наука о вирусах достигла большого развития с изобретением академиком Александром Алексеевичем Лебедевым электронного микроскопа.

Значительны заслуги Ивановского и в области сельскохозяй­ственной микробиологии. Будучи ботаником, микробиологом и физиологом растений (к слову о тесной связи микробиологии с другими науками), Ивановский впервые дал систематиче­ское изложение почвенной микробиологии в своем докладе «Из деятельности микроорганизмов в почве».

Сергей Николаевич Виноградский (1856-1953) – основоположник учения о роли микробов в плодородии почвы. Виноградский своими исследованиями показал, что нитрифицирующие бактерии способны усваивать углекислый газ из воздуха без участия хлорофилла и солнечной энергии. Это явление, в отличие от фотосинтеза зеле­ных растений, было названо хемосинтезом.

Позднее Виноградский открыл имеющий важное значение процесс использования атмосферного азота анаэробными бак­териями.

Последователь Виноградского Василий Леонидович Омелянский (1867-1928 гг.) сделал целый ряд ценных открытий в области сельскохозяйственной микробиологии. Важной заслу­гой его является также написание одного из лучших учебников по общей микробиологии, изданного в 1909 г. под названием «Основы микробиологии».

В развитии технической микробиологии в СССР большую роль сыграли исследования Сергея Павловича Костычеваи его соратников С. Л. Иванова и А. И. Лебедева в области спиртового брожения (раскрыли химизм процесса спиртового брожения). Костычев изу­чал также вопросы других видов брожения - молочнокислого, маслянокислого и производства лимонной кислоты с помощью плесневых грибков.

Работы советского микробиолога Владимира Николаевича Шапошникова и его сотрудников обеспечили получение молочной кислоты с помощью микроорганизмов из продуктов гидролиза крахмала и мелассы.

Важный вклад в развитие микробиологии молока и молоч­ных продуктов внесли А. Ф. Войткевич (1875-1950 гг.). и С. А. Королев (1876-1932 гг).

Техническая (пищевая) микробиология, непосредственно связанная с товароведением, создана Я. Я. Никитинским (1878-1941 гг.). Он в течение многих лет преподавал этот курс в Московском институте народного хозяйства им. В. Г. Плеха­нова студентам, изучавшим товароведение. В настоящее время все большее значение приобретает использование микробиологических процессов в производстве пищевых продуктов, витаминов, ферментов и т. д.

Основными методами микробиологических исследований являются:

- микроскопия (световая, люминисцентная, электронная, лазерная);

- выделение чистых культур и контролируемое культивирование;

- аналитические методы (физиолого-биохимические, генетические, молекулярно-биологические и т.д.).

Вопросы для контроля:

1. Что изучает наука микробиология? Назовите группы организмов, относящихся к объектам микробиологии.

2. Какое место занимает микробиология в системе биологических дисциплин?

3. Какова роль микроорганизмов в природе и деятельности человека?

4. Назовите основателей микробиологии как науки. Назовите наиболее важные открытия в истории микробиологии.

5. По каким основным направлениям развивается микробиология в настоящее время?

6. Назовите основные методы микробиологических исследований.

7. Почему товароведу необходимо знать основы микробиологии?