Методы исследования микробов в культуре

Для изучения различных свойств микробов в микробиологии разработан метод искусственного выращивания их на специальных средах. Микроорганизмы в природных условиях обычно находятся в виде сообществ различных видов. Точное изучение отдельных видов возможно только при выделении их в чистых культурах, т. е. в культурах, содержащих лишь один вид микробов.

Пастер впервые разработал специальные методы исследования микробов. Он ввел методы стерилизации, без которых невозможно выделение чистых культур, получение на искусственных питательных средах культур бактерий, экспериментальное заражение животных и др. Пастер получал культуры бактерий при помощи последовательных разведений взвеси микробов в стерильной питательной среде из пробирки в пробирку, пока в последней не останется одна клетка. Этот несовершенный метод в руках Пастера давал хорошие результаты даже при приготовлении вакцин.

Дальнейшее усовершенствование методов бактериологического исследования принадлежит крупнейшему немецкому ученому Р. Коху (1843-1910). Он для выделения чистых культур применил твердые искусственные питательные среды, из которых особенно удачными оказались агаровые среды. Методика, разработанная Кохом, позволила в течение двух десятков лет открыть возбудителей большинства важнейших заболеваний человека, вызываемых бактериями.

В настоящее время пользуются естественными и искусственными средами, жидкими и плотными. К естественным средам относятся: обезжиренное молоко, неохмеленное сусло, отвары гороха, кусочки картофеля и др. Искусственных сред очень много. Для гетеротрофных бактерий пользуются средами с пептоном. Пептон - продукт неполного расщепления животных белков. Такова пептонная вода (1 г пептона, 0,5 г поваренной соли на 100 мл воды). В мясопептонном бульоне (МПБ) то же количество пептона и соли прибавляется к мясному бульону, из которого осаждены белковые вещества. Эти жидкие среды можно сделать плотными, если прибавить к ним 1-3% пищевого агара. Агар - полисахарид, добываемый из морских водорослей. Ценность его в том, что агаровая среда застывает в виде прозрачного студня и не разжижается, если нагревать его не до кипения. Для более требовательных микробов, особенно болезнетворных, прибавляют к этим простым средам глюкозу, кровь, сыворотку ее, витамины и пр. Среды должны иметь определенную реакцию (рН), должны быть стерильны. Посевы выращиваются при определенной температуре. Для получения чистой культуры из исследуемого материала делают несколько, обычно три, последовательных разведений в пробирках с расплавленной и остуженной до 40° агаровой средой. После тщательного размешивания (путем вращения пробирки ладонями) содержимое каждой пробирки выливают в чашки Петри. Через несколько часов или дней на плоской поверхности агара в чашках появляются колонии. Предполагается, что колония развивается из одной микробной клетки. Из колоний выбирают наиболее изолированные и типичные и отсевают в пробирки на косой агар, на котором и вырастает чистая культура. Можно высевать материал непосредственно на поверхность агаровой среды, налитой и застывшей в чашке Петри. Во многих случаях получаются хорошие колонии при посеве петлей на поверхности агара в одной чашке. Материал берется петлей и ею проводят по поверхности агара штрихи в продольном и поперечном направлении. В последних штрихах обычно получают достаточно отдельных колоний. С. Н. Виноградский предложил метод элективных культур для выделения и изучения физиологии почвенных микробов. Для получения таких культур применяются среды, состав которых удовлетворяет потребность в питательных веществах одной какой-либо группы микроорганизмов. На таких средах развиваются не все микробы, а лишь те, для жизнедеятельности которых эти среды окажутся благоприятными. Другие микробы или совсем не будут расти, или растут очень слабо. При повторном посеве последние микробы будут вытеснены первыми.

С. Н. Виноградский (1856-1953)

Так, при изучении процесса нитрификации Виноградский отказался от применения пептонных сред и применил синтетическую среду, которая содержала аммонийную соль как единственный источник азота и не содержала никаких источников углерода. Состав среды:

(NH₄)₂SО₄ - 0,2%; K₂HPO₄ - 0,l%; MgSО₄·7H₂О - 0,05%; NaCl - 0,2%; FeSО₄ - 0,4%; CaC0₃ - 0,1%

на 100 мл воды. На этой среде впервые были получены нитрифицирующие бактерии.

Для выделения чистой культуры С. Н. Виноградский предложил твердую синтетическую среду. Путем смешивания жидкого стекла и соляной кислоты получаются пластинки прозрачного кремнекислого студня. Кремнекислые пластинки пропитываются соответствующей жидкой питательной средой.

Виноградский считает, что природные почвенные микробы отличаются от культурных форм, которые он называл тепличными, одомашненными организмами. Поэтому он рекомендует изучать самопроизвольные спонтанные культуры, полученные на пластинках кремнекислого геля путем непосредственного посева на них мелких комочков естественной почвы. Гель очень легко пропитывается всевозможными растворимыми питательными веществами, которые так же легко используются организмами, как и из жидкой среды. Этот метод культивирования применяется для выделения видов со специфическими функциями, но может применяться и к обычным бактериям. Так, азотобактер выделяется на кремневом геле, пропитанном слабым раствором бензоата натрия или лактата кальция и минеральными солями. Если засевать чашки мельчайшими комочками почвы, разложенными на геле в определенном порядке, то можно не только определить рост специфических культур в почве, но и одновременно судить о числе соответствующих форм микробов.

С. Н. Виноградский также разработал микроскопический метод определения числа бактерий в почве при помощи непосредственного их подсчета. Для этого готовят микроскопические препараты из определенного по весу или объему количества почвенной суспензии. Мазки окрашивают карболовым эритрозином. При отмывании мазка водой коллоиды почвы обесцвечиваются, а бактерии остаются окрашенными в красный цвет, и делается их подсчет. Этот метод показал, что число бактерий в грамме почвы исчисляется не сотнями тысяч, а сотнями миллионов

Виноградский своими работами заложил прочные основы микробиологии почвы. Он по праву считается основателем почвенной микробиологии.

Рис. 20. Колонии бактерий на среде с мясопептонным агаром в чашке Петри

Очень плодотворным оказался метод качественного учета микроорганизмов в почве, предложенный крупным советским ученым Н. Г. Холодным и названный им методом обрастания стекла. В почве делается ножом разрез, одну из стенок срезают наиболее ровно. Обезжиренное предметное стекло плотно прикладывают к этой стенке и закапывают его землей на несколько дней или недель. За это время происходит обрастание стекла микроорганизмами почвы, находящимися в соприкосновении с ним. Затем стекло откапывается, окрашивается карболовым эритрозином. Этот метод дает возможность непосредственно под микроскопом наблюдать естественное расположение микробов в почве, их форму и размеры, группировки и количественное их соотношение - то, что Н. Г. Холодный называет естественным ландшафтом почвенной микрофлоры.

Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе разработали совершенно новый метод капиллярной микроскопии. Материал из ила или почвы набирается в стеклянные капилляры с плоскими стенками и прямоугольными просветами канала капилляров. Эти капилляры прикрепляются к стеклянным держателям для взятия проб в иле. Для взятия проб из почвы капилляры помещаются в особый металлический пробойник. В таких плоских капиллярах очень удобно микроскопировать в сухие и иммерсионные объективы целые микробные пейзажи ила или почвы, наблюдать развитие микробов. В таких капиллярах под микроскопом ученые находили участки, где имелась только одна клетка, которая извлекалась из капилляра и изучалась далее. При помощи этого метода они открыли мною новых микробов, особых хищных колониальных бактерий.

Определение вида микробов. Для этого определяют морфологические, культуральные и физиологические признаки выделенного вида. Для изучения морфологии микроба определяют форму клеток, их сочетания, наличие спор, жгутиков, включений. Во многих случаях имеет значение отношение к окраске по Граму и некоторые специальные окраски, например окраска туберкулезной палочки. Но необходимо отметить, что морфологические признаки у микробов довольно однообразны, по ним часто нельзя отличить один вид от другого. Решающее значение имеют культуральные признаки (характер роста на питательных средах) и различные физиологические признаки.

Рис. 21. Микропейзаж на стеклах обрастания (по Холодному): 1 - отдельные клетки палочковидных бактерий; 2 - гифы гриба; 3 - мицелий актиномицета; 4 - микроколонии спорообразующих бактерий

Из культуральных признаков различают: характер роста на жидких средах, например на мясопептонном бульоне (общая муть, пленка, осадок на дне и пр.); характер роста колоний и чистых культур на плотных средах, агаровых и др. В колониях различают особенности поверхности колоний (гладкая, шероховатая, выпуклая, бугристая), краев ее (ровные, зубчатые и др.), цвет, размеры колоний; характер роста на косом агаре, картофеле, желатине и других плотных средах.

Из физиологических признаков наиболее важно отметить следующие:

1. Отношение бактерий к различным источникам углерода: к гексозам (глюкоза, левулеза, галактоза и др.), дисахаридам (сахароза, мальтоза, лактоза), пентозам (арабиноза, ксилоза), многоатомным спиртам (маннит, дульцит, глицерин), органическим кислотам. При этом отмечают образование кислоты и газа.

2. Отношение к источникам азота (пептон, аспарагин, аммиачные и азотнокислые соли, разные аминокислоты). Определяют образование аммиака, сероводорода, индола, нитритов и др. Эти признаки определяют на жидких средах (пептонной воде) или на синтетических средах, к которым добавляют указанные источники углерода и азота.

3. Отношение к кислороду. Наиболее простой способ - посев уколом в высокий столбик агара в пробирке. Аэробы развиваются в верхней части укола, факультативные анаэробы - в средней и по всей части укола, а строгие анаэробы растут в нижней части. Есть и другие специальные способы.

4. Рост на молоке (свертывание, пептонизация, отсутствие изменений) и на желатине (разжижение и характер этого разжижения).

Для некоторых видов делают еще другие исследования. Ключ к определению видов на основании найденных признаков культуры дают специальные определители бактерий, например Красильникова или Бердже.