Пресноводные бактерии под микроскопом


Две пресноводные бактерии развлекаются под микроскопом, увеличение 400х

Бактерии могут жить практически в любой среде, однако, самое большое многообразие их форм и размеров можно встретить в водоемах.

Пресноводные бактерии отличаются удивительно разнообразной морфологией — они могут быть одиночные, нитчатые или формировать причудливые колонии. Они бывают бесцветные или же могут содержать пигменты, придающие им яркий цвет. Они могут питаться как сапрофиты, разлагая останки других организмов, или же могут синтезировать органические вещества в процессе хемо- или фотосинтеза.

Размер пресноводных бактерий тоже может значительно варьировать — от очень мелких, видимых только на максимальном увеличении микроскопа, до огромных, которых можно увидеть даже невооруженным взглядом (как, например, Achromatium размером до 0,125 мм).

В отличие от бактерий в привычным их понимании, пресноводные представители часто имеют уникальную морфологию, поэтому нередко можно лишь по внешнему виду определить их род, а иногда и вид. Обычные же бактерии, живущие в других средах, не поддаются идентификации визуальным способом — при микроскопии можно определить лишь их форму (кокки, палочки, диплококки и т.д.), а если окрасить, то — выявить их принадлежность к грамположительным или грамотрицательным видам. Для определения вида бактерий в подавляющем большинстве случаев используют не микроскопию, а другие методы (посевы, ПЦР и т.д.).

Палочковидные бактерии, спириллы, спирохеты

Бактерии, разлагающие мертвую тихоходку, увеличение микроскопа 400х, 1000х

Палочки, спириллы, спирохеты — это бактерии в привычном их понимании (в отличии от свободноживущих типично пресноводных видов, о которых речь пойдет далее).

Наиболее простой способ их увидеть — подготовить водную среду с высокой их концентрацией. Это может быть любая протухшая вода с бактериальным разложением органических веществ. Я часто наблюдаю обилие бактерий в постоявших испортившихся пробах воды из пруда, содержащих большое количество органики — водорослей, детрита, листьев.

Это достаточно мелкие бактерии, но при высокой их концентрации они очень хорошо видны под микроскопом уже на увеличении 400х (c объективом 40x), поэтому их можно наблюдать и без окраски в живом подвижном (не зафиксированном) виде.

Палочки, или бациллы

Палочковидные бактерии, собравшиеся в комок. Увеличение микроскопа 400х и 1000х

Спириллы

Обычно являются сапрофитами, т.е. они разлагают отмершее органическое вещество. Массово развиваются в загнивающей пресной воде. Хороший способ их развести — просто оставить на несколько дней емкость с прудовой водой и большим количеством органики (растений, водорослей, листьев, детрита).

Двигаются с помощью жгутиков, которые сложно увидеть даже на максимальном увеличении.

Бактерии спириллы окружают зеленые и диатомовые водоросли. Увеличение микроскопа 1000х

Бактерии спириллы вокруг инфузории суктории, увеличение микроскопа 1000х

Инфузория-туфелька питается мелкими спириллами, создавая потоки воды и загоняя бактерии в рот. Увеличение микроскопа 400х

Спирохеты

Спирохеты — спирально извитые очень подвижные бактерии.

Движение этих бактерий обеспечивается жгутиками. Но в отличие от спирилл(см.выше), их жгутики не внешние, а внутренние (эндожгутики). Они находятся в периплазматическом пространстве (между телом клетки и наружной мембраной) и обвивают клетку по всей длине. Их может быть от 2 до 100 в зависимости от вида спирохет.

Перемещение жгутиков относительно друг друга вызывает вращение и сгибание тела этих бактерий.

Спирохета, увеличение микроскопа 1000х

Пурпурные бактерии

Колония фотосинтезирующих пурпурных бактерий на увеличении микроскопа 1000х.

Пурпурные бактерии содержат пигменты бактериохлорофиллы, которые позволяют осуществлять фотосинтез, используя свет в диапазонах недоступных растениям и цианобактериям. В процессе фотосинтеза они выделяют не кислород, а серу и ее соединения. Данный вид фотосинтеза считается наиболее древним.


Бактерии Ахроматиум (Achromatium oxaliferum)

Гигантская бактерия Ахроматиум Giant bacteria Achromatium oxaliferum
Бактерия Achromatium oxaliferum в состоянии бинарного деления. Рядом — зеленая водоросль, т.е. эукариотическая клетка. Можно оценить насколько эта бактерия может превышать размер эукариот.

Achromatium — серная бактерия гигантского размера. Она может достигать размера 0,125 мм, что делает ее видимой даже невооруженным взглядом. Это крупнейшая пресноводная бактерия.

2 гигантские бактерии в сравнении с бактериями обычного размера (палочками), которые видны на фоне. Увеличение микроскопа 400х

Эта бактерия отличается не только огромным размером, но и уникальной способностью накапливать карбонат кальция.

Крупные включения коллоидного кальцита хорошо видны в клетке и занимают почти весь ее объем.
Никто точно не знает, зачем они нужны, но есть несколько версий — как буфер для контроля кислотности, как источник диоксида углерода или для того, чтоб регулировать плавучесть.

Последний вариант кажется наиболее вероятным. Эти бактерии живут в донных осадках пресных водоемов на границе кислородной и бескислородной зон, получая энергию за счёт окисления сероводорода. У них нет жгутиков и других явных органоидов передвижения, поэтому им очень даже надо регулировать плавучесть, чтоб всегда оставаться в нужном слое воды.

Наряду с гигантским размером и уникальной способностью накапливать карбонат кальция, у Achromatium недавно обнаружилось еще одно поразительное свойство.

Выяснилось, что эта бактерия обладает неслыханным ранее, просто парадоксальным типом генетической организации. Каждая бактериальная клетка содержит множество копий очень сильно различающихся геномов. Они отличаются друг от друга как геномы разных видов. Уровень генетического разнообразия в одной клетке сопоставим с уровнем разнообразия целой популяции и даже многовидового бактериального сообщества.

Скопление бактерий Achromatium на увеличении микроскопа 400х. Здесь наглядно показано, что бактериальные клетки могут быть сопоставимыми по размеру с эукариотическими или даже превышать их по размеру в несколько раз. Эукариоты на видео: движущиеся диатомовые водоросли, одиночная треугольная клетка зеленой водоросли, а также колониальная зеленая водоросль в виде цветочка, состоящая из нескольких клеток.

Растворение бактерии Achromatium в кислоте

Изначально предполагалось, что данные крупные внутриклеточные гранулы состоят из оксалата кальция, что и отразилось в названии вида (oxaliferum), а когда обнаружилось, что это карбонат, то переименовывать уже не стали.

Есть простой способ выяснить, что это точно не оксалат — добавить уксусной кислоты. Оксалат кальция не вступает с ней в реакцию, а карбонат — очень быстро растворяется, что и можно увидеть на видео (растворяется продукт реакции кислоты с карбонатом кальция).

После добавления уксуса, карбонат кальция моментально исчезает, и от бактерии остается лишь оболочка и хорошо заметные множественные мелкие включения элементарной серы.  Они образуются в результате реакции, за счёт которой живёт эта бактерия — окисления сероводорода: 2Н₂S + О₂ = 2H₂O + S₂

Растворение бактерии ахроматиум в кислоте, доказывающий, что внутриклеточные включения представляют собой карбонат кальция, а не оксалат.

Несмотря на то, что эти бактерии не очень питательны, т.к. почти весь их объем занимают гранулы кальцита, они являются пищей многих простейших, которые с удовольствием их поглощают:


Бактерии Macromonas

Бактерии Macromonas на увеличении микроскопа 400х

Бактерии Macromonas, также как и бактерии Achromatium, живут за счет окисления сероводорода. И они так же содержат гранулы неорганического вещества, однако, в данном случае это не карбонат, а оксалат кальция.

Макромонас — это очень крупные бактерии, однако, они в несколько раз меньше гигантов Achromatium, и в отличие от них имеют жгутики и могут активно двигаться:

Бактерии Macromonas и Achromatium на увеличении микроскопа 400х.
Эти бактерии похожи на Macromonas (но я не уверена). Удивительно, что все они двигаются по кругу и по часовой стрелке.

Бактерии Chromatium okenii

Бактерии Chromatium okenii на увеличении микроскопа 200х и 400х

Chromatium okenii — это достаточно крупные пресноводные бактерии. Они относятся к пурпурным серным бактериям, т.е. имеют естественный фиолетовый цвет, поэтому их хорошо видно и без окраски.

Внутри клеток можно рассмотреть включения. Это капли серы. Эти бактерии способны к фотосинтезу, но в отличие от растений, в качестве донора электронов используют не воду, а сероводород, поэтому в ходе процесса выделяется не кислород, а сера, которая потом и накапливается в цитоплазме.

Бактерии Chromatium okenii на увеличении микроскопа 600х. Внутри клеток видны включения элементарной серы — конечного продукта фотосинтеза.

Живут они в пресных водоемах, где предпочитают бескислородные зоны. Там они могут размножаться в огромных количествах, чему очень радуются простейшие и многоклеточные организмы, которые с удовольствием едят таких больших и толстых бактерий, после чего сами становятся красивого фиолетового цвета:

Инфузория Euplotes полакомилась пурпурными бактериями и стала зелено-фиолетовой.
Зелёный же цвет обеспечивается постоянно присутствующими в цитоплазме симбиотическими зелёными водорослями.
Эта коловратка обычно питается мелкими бактериями и очень маленькими частицами детрита, но здесь ей попалась крупная бактерия Chromatium okenii. Благодаря большому размеру и яркой окраске этой бактерии, здесь наглядно виден процесс питания коловратки и работа челюстного аппарата при жевании.
Маленькая амеба, объевшаяся бактерий Chromatium, рядом с пустой раковиной, в которой жила гораздо более крупная амеба.
Гастротриха, наевшаяся пурпурных бактерий Chromatium

Бактериальный жгутик

Считается, что увидеть жгутики бактерий в обычный микроскоп невозможно, так как их толщина намного меньше предельной разрешающей способности светового микроскопа.

Чтобы их разглядеть, применяют специальные красители, которые испаряясь оставляют осадок вокруг жгутиков и тем самым делают их косвенно видимыми в обычный световой микроскоп.
Для непосредственного же их наблюдения используют электронную микроскопию.

Жгутики прокариот(бактерий) принципиально отличаются от жгутиков эукариот(напр., эвглен). Они имеют совершенно разное строение и эволюционно появились независимо друг от друга.

Бактерии же Chromatium okenii значительно крупнее большинства бактерий. Они примерно в 10 раз больше кишечной палочки, соответственно и жгутики у них больше, поэтому эта бактерия представляет почти уникальную возможность их хорошо разглядеть без применения специальных средств:

Жгутики бактерии Chromatium okenii на увеличении микроскопа 1000х. Хорошо виден жгутик.

Бактерии Beggiatoa

Бактерии Beggiatoa на увеличении микроскопа 200х, ускоренно в 16 раз

Бактерии Beggiatoa — бесцветные нитчатые бактерии, обитающие в различных водоемах, богатых сероводородом. Они живут за счет окисления сульфида до элементарной серы. Каждая нить — это длинный ряд цилиндрических клеток. Нити могут иметь длину до нескольких сантиметров и способны к активному скользящему движению по субстрату. Обладают хемотаксисом по градиенту концентраций значимых химических веществ.

На большом увеличении внутри клеток можно рассмотреть многочисленные капельки серы, являющиеся результатом окисления сероводорода — процесса, за счет которого бактерии получают энергию и живут:  2H2S + O2 → 2S + 2H2O

Филаменты бактерий Beggiatoa на увеличении микроскопа 1000х. Внутри видны включения элементарной серы.