课件：第二章微生物原核微生物.ppt

第二章 原 核 微 生 物,刘 芬 主讲,第二章 原核微生物,第一节 古菌域,第二节 细菌域,第三节,第四节 放线菌,第五节 其他原核微生物,蓝细菌,第一节 古菌域,一、古菌的特点 （一）形态 古菌细胞薄而扁平，且有垂直边构成的几何形态。 （二）细胞结构 大多数古菌细胞壁不含二氨基庚二酸和胞壁酸，主要由脂蛋白组成。,（三）代谢 古菌在代谢过程中有许多特殊的、与细菌不同的辅酶。有异养型、自养型和不完全光合作用型。 （四）呼吸类型 多为绝对厌氧型（产甲烷菌）和兼性厌氧型（嗜热菌），也有好氧的（嗜盐）。,（五）繁殖 古菌的繁殖以二分裂为主、也有芽殖。生长繁殖速度较细菌慢。 （六）生活习性 大多数古菌生活在无氧、极热、极酸、高盐等极端环境中。,二、古菌的分类 （一）泉古生菌门 大多数泉古生菌极端嗜热、嗜酸。大多生长在富硫温泉附近的水体、土壤中。,古菌,产甲烷菌 嗜热嗜酸菌 极端嗜盐菌,（二）、广古生菌门,1、产甲烷菌 产甲烷菌是专性厌氧菌，是沼气池中的主导微生物类群。 （1）产甲烷菌的细胞结构 细胞封套、细胞质膜、原生质、核质。,（2）产甲烷菌的培养方法 产甲烷菌是专性厌氧菌，分离和培养都需在无氧条件下进行。 2、极端嗜盐菌 极端嗜盐菌对NaCl有特殊的适应性和需要性，其需盐下限在1.5mol/l，适宜范围24mol/l。它们的细胞呈链状、杆状或球状，革兰氏阴性或阳性，好氧或兼性厌氧、化能有机营养型。,3、热原体 热原体目分热原体属和嗜酸菌属。无细胞壁、喜酸环境ph0.7-3.5、适宜在47-65生长。 4、古生硫酸盐还原菌 革兰氏阴性、厌氧、极端嗜酸、最适温度83。还原硫酸盐为硫化物。,5、嗜热嗜酸菌,嗜热嗜酸菌（包括古生硫酸还原菌、极端嗜热古菌）的特点是专性嗜热、好氧、兼性厌氧、严格厌氧、革兰氏阴性、杆状、丝状或球状均有，最适温度 。,三、环境保护和环境工程领域 研究古菌的意义,由于大多古菌生活环境极端、有特殊酶类和代谢途径，所以用以处理极端环境中的极端废弃物效率高，有利于人类的可持续发展。,目前处理状况,在环境工程领域：有极端性质的废水，如高盐分（化工、发酵工业废水等）、酸性废水(如味精废水pH=23、合成制药废水pH=4)、碱性废水(如造纸废水pH=14)、极毒重金属废水、低温废水、超高温废水等。还有CODCr高达110410104mg/L的化工、发酵工业、制药废水等。以上废水都涵盖了自然极端环境的所有恶劣条件。 目前处理这些废水时，都要事先将极端废水调整到合适的范围后再进行微生物处理。 盐分高、有机物浓度过高，用大量的水稀释； 水温过高要先冷却；水温过低要加温； 过酸用碱调节到中性；过碱用酸调节到中性。 工艺复杂，运行费用高，浪费资源。,利用产甲烷菌对粪便和高浓度有机废水进行厌氧消化处理的时间已久，但对其他极端环境的古菌研究较少，知之不多。 加强对古菌深入研究很有必要，最终目的获得各种有益古菌菌种，将它们应用于上述各种废水的处理中，提高废水处理的效果，降低投资成本和运行费用。,细菌(bacterium)是属于原核生物界(prokaryotae)的一种形体微小、结构简单、具有细胞壁和原始核质、无核仁和核膜，除核糖体外无其他细胞器的单细胞型微生物。,细菌的概念：,广义的细菌泛指各类原核细胞型微生物，,第二节 细菌域,一、细菌的个体形态与大小 （一）细菌的形态,狭义则专指其中数量最大、种类最多、具有典型代表性的细菌。,细菌的形态,观察工具光学显微镜,测量单位一般以m为测量单位,球菌 据形态不同分四大类 杆菌 螺形菌 丝状菌,图2-1常见的三种细菌典型形态 A.球菌 B.杆菌 C.弧菌,图2-2 球菌细胞分裂面与子细胞的排列状态,图2-3 单球菌和双球菌,图2-4 四连球菌,四联球菌,八叠球菌,链球菌,大肠杆菌,梭状杆菌,链状杆菌 属于炭疽热杆菌，引起皮肤恶疮及肺部损害,梭状芽孢杆菌 属与肉毒杆菌属，可引起食物中毒,杆 菌,球杆菌,链杆菌,棒状杆菌,分枝杆菌,螺形菌,弧菌只有一个弯曲 螺菌有若干个弯曲,弧 菌,螺 菌,弧菌,螺旋菌,（二）细菌的大小 细菌大小以um计：球菌大多为直径0.52.0 um；杆菌（0.51.0）X（15）um等 培育成熟的细菌大小形态基本稳定，但环境因素对其影响也非常大，如培养基的成分、浓度、温度、湿度、培养时间等,二、细菌的细胞结构,基本结构细胞壁、细胞膜、细胞质、核 质、核蛋白体、质粒,特殊结构荚膜、菌毛、鞭毛、芽孢 粘液层、衣鞘等,细胞壁,细胞膜,细胞质,质粒,核蛋白体,中介体,核质,图2-3 细菌的结构,（一）细胞壁 细胞壁是包裹在菌体外表面无色透明、坚韧而有弹性的一层薄膜。 1、细胞壁的化学组成与结构 革兰氏阳性菌细胞壁的化学组成与结构 革兰氏阳性菌细胞壁为约2080 nm厚的肽聚糖多层结构。由D-氨基酸、胞壁酸、二氨基庚二酸、磷壁酸及少量蛋白质和脂肪组成。,革兰氏阴性菌细胞壁的化学组成与结构 革兰氏阴性菌细胞壁为约23 nm厚的肽聚糖和78nm厚的外壁层。肽聚糖层紧贴细胞膜。外壁层由脂多糖、脂蛋白和脂类组成。,G-菌细胞壁,G-菌细胞壁结构图解,G菌细胞壁,2、 细菌细胞壁的生理功能 (1)有固定菌体外形和保护菌体的作用 (2)参与菌体内外物质交换； (3)细胞壁为鞭毛提供支点,使鞭毛运动,（二）原生质体 原生质体包括细胞质膜、细胞质及内含物； 细胞核物质 1、细胞质膜 是紧贴细胞壁内侧，包裹细胞质的一层柔 软而富有弹性的半渗透性薄膜 化学组成； 由6070%的蛋白质,3040%的脂类,约2%的 多糖组成,结构； 磷脂双分子层是细胞质膜的基本结构 生理功能； A 维持渗透压梯度和溶质的转移 B 细胞质膜上的酶能使细胞壁在膜 表面合成 C 膜内陷形成的中间体含有细胞色 素,参与呼吸作用 D 是氧化代谢和能量产生场所； E 为鞭毛提供附着点,细菌的细胞膜与其他生物的结构与组成类似，为 磷脂双分子层与蛋白质形成的镶嵌结构,2、细胞质及内含物 细胞质是细胞质膜内，除核物质以外无 色透明的粘稠状胶体 内含物是在细菌生长期间，当细胞成熟 时，由于营养物质过剩形成的一些颗粒物。,贮藏物：核糖体；易染粒；肝糖和淀粉粒等 代谢产物：CaSO4、草酸钙、硫颗粒、色素等 气泡：紫色光合菌和蓝绿细菌体内含有气泡,内含物,3、拟核 原核细胞的细胞核是发育不完全的、无核膜、核仁， 只是一个核物质高度集中的核区，所以，细菌细胞核没有核 膜、核仁、是由一条环状DNA分子高度折叠缠绕而成的似核 结构。 （三）荚膜、粘液层、菌胶团和衣鞘 1、荚膜： 有些细菌在一定的营养条件（如高C:N）下，常向细胞壁表 面分泌一层粘性物质，形成较厚的膜，称为荚膜。 （1）化学组成：由90%以上的水、多糖、多肽等组成。,（2）荚膜的功能： a 保护细菌：荚膜一方面可使菌体不受外界干燥的影响，另一方面可使致病菌免受宿主吞噬细胞的吞噬。 b 能争强细菌的侵染力：如肺炎双球菌在失去荚膜后，致病能力明显降低。 c 可作碳源和能源利用：当营养缺乏时，荚膜可作碳源和能源物质利用。 d 有吸附作用：在废水生物处理中，荚膜能将废水中的有机物、无机固体物及胶体吸附在表面，作为细菌生命活动的营养和能源，因此而去除污染。,2、粘液层 也是细菌表面的粘性物质，只是比荚膜松散些。也有吸附作用，只是在曝气搅拌过程中容易将粘液层冲掉而使水中有机质含量增高。 3、菌胶团 有些细菌因遗传性状决定，细菌之间按一定排列方式相互粘集在一起，由一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团。是活性污泥的功能中心和结构中心。,4、衣鞘 水生环境中，丝状菌菌丝体表面的粘液层或荚膜硬质化，形成一个透明坚韧的空壳，叫鞘。,荚膜,菌胶团,核质体,（四）芽胞,芽胞是某些细菌在生长发育后期，细胞内部形成的一种圆形或椭圆的抵抗不良环境的休眠体。 与营养细胞相比，有如下特点： 芽胞含水少； 芽胞有厚而致密的壁，透水性差； 芽胞耐热力强； 芽胞代谢活力低。,（五）鞭毛 鞭毛从细胞质膜上的鞭毛基粒长出， 穿过细胞壁伸向体外细长呈波浪型的丝状物。,单根鞭毛,丛状鞭毛,三、细菌的培养特征,（一）细菌在固体培养基表面的菌落特征 1、菌落的概念 菌落在固体培养基上，由一个菌体经过分裂繁殖形成一堆肉眼可见的群体、具有一定形态特征的细菌集团。,2、菌落特征的表述 菌落表面特征； 菌落边缘特征； 纵剖面特征。 （二）细菌在明胶培养基中的培养特征 （三）细菌在半固体培养基中的培养特征 1、细菌有无鞭毛及能否运动,2、初步判断细菌的呼吸类型 好氧菌； 好氧及微好氧菌； 兼性菌； 厌氧菌。 （四）细菌在液体培养基中的培养特征,四、细菌的物理化学性质 （一）细菌表面电荷和等电点,1、等电点的概念 在某一酸度的溶液中，氨基酸所带 的正、负电荷相等时，溶液的这一酸度 即为该氨基酸的等电点。用pH表示。 2、细菌的等电点 pH25，革兰氏阳性菌为pH23， 革兰氏阴性菌为pH45，革兰氏染色,不稳定性菌为pH34。 3、细菌表面电荷的判断 当溶液pH值比细菌的等电点高时， 氨基酸中的氨基电离受抑制，羧基电离 ，细菌带负电。即碱性溶液中带负电。 当溶液pH值比细菌的等电点低时， 氨基酸中的羧基电离受抑制，氨基电离， 细菌带正电。即酸性溶液中带正电。,（二）细菌的染色 1、染色目的： 增大菌体与背景的反差。 2、染色原理： 染料：碱性染料带正电荷；酸性染料 带负电荷。 原理：细菌表面的负电荷与碱性染料 中的正电荷亲和，使细菌菌体着色。,3、染色方法 简单染色法 复合染色法（革兰氏染色法、抗酸性染 色法） 革兰氏染色法 革兰氏染色步骤：涂片、初染、媒染、脱色、 复染。 革兰氏染色机理：与细胞等电位的关系；与细 胞壁的关系。,A、与细菌等电点的关系 革兰氏阳性菌等电点（pH23）比革兰氏 阴性菌（pH45）低，在同一酸度环境中， 革兰氏阳性菌所带负电荷就比阴性菌多， 与带正电荷的染料结合得就比阴性菌牢固， 不易被乙醇洗掉，所以，阳性菌呈紫色， 阴性菌呈无色。,B、与细胞壁的关系。 革兰氏阳性菌细胞壁含肽聚糖高，经乙醇 脱水后，细胞壁孔径缩小，阻止乙醇进入细 胞内，使草酸铵结晶紫与碘的复合物被截留 在细胞内呈紫色；而阴性菌细胞壁上的脂类 则被乙醇溶掉，乙醇顺利进入细胞内，将染 料冲洗掉，所以，阴性菌呈无色。,（三）细菌悬液的稳定性 1、光滑型菌很稳定； 只有电解质浓度很高时才会发生凝聚而沉淀。 2、粗糙型菌不稳定 （四）细菌悬液的浑浊度 细菌菌体呈半透明状态，当光线照射菌体时一部分 透过，一部分被吸收，还有一部分产生折射。因此，细 菌悬液呈浑浊状态。根据这一特性可用目视比浊、光电 比色计、浊度仪的测定细菌悬液的浑浊度，由此可大致 判断细菌的数目。,（五）细菌的多相胶体性,细菌细胞质含有多种蛋白质，它们的成分、功能各不相同，所以，把细胞质称为多相胶体，细菌的这一特性决定它可与多种物质发生生化反应。利用微生物来处理复杂的污染物，正是利用了它们的这一特性。 （六）细菌的比表面积,（六）细菌的比表面积,细菌个体小、比表面积大，这有利于吸附和吸收营养物、排泄代谢产物，使细菌生长繁殖加快。利用微生物来处理高浓度的污染物，正是利用微生物巨大的表面来增强对污染物的吸附、吸收，加快新陈代谢，从而提高处理效率。,（七）细菌的相对密度和质量,细菌的比重由组成菌体物质的种类和比例来决定，蛋白质比重为1.5，糖1.41.6，核酸2.0，脂类小于1，无机盐2.5。细菌的比重在1.071.19之间，略大于水。细菌的单个重量在110-9110-10mg。,五、细菌的物理化学性质与污水 生物处理的关系, 污（废）水生物处理的工作主体是活性污泥中的细菌，细菌的物理化学性质直接影响污、废水的处理效果。 细胞质的多相胶体性质决定细菌在曝气池中吸收废水中的有机污染物的种类、数量和速度； 细菌表面解离层的S型或R型决定其悬液的稳定性，即决定其在沉淀池中的沉淀效果；, 比表面积的大小决定其吸附、吸收污染物的能力及与其他微生物的竞争能力； 细菌的带电性与它吸附、吸收废水有机污染物的能力，与填料载体的结合力,沉淀效果有关。 细菌的物理化学特性是由它们的遗传性决定的，当处理效果差时，人们通常采用絮凝剂和沉淀剂，适当调整pH，改善活性污泥的沉淀性能，增强处理效果。,第三节 蓝细菌,蓝细菌属蓝藻门，它与真核藻类既有相同之处，也有不同的地方。 一、蓝细菌与真核藻类的异同 二、蓝细菌的形态大小 蓝细菌为单细胞、杆状和球状。但大多是由许多细胞黏集成的聚合体。,相同点,细胞核不同 没有叶绿体 蓝细菌不进行有丝分裂,不同点,二者都进行光合作用 都有一些种类能引起水华 都有各种色素，呈现各种颜色,三、蓝细菌的细胞结构及其功能,蓝细菌的细胞属原核细胞，有细胞壁、细胞质膜、内含拟核、核糖体、藻蓝素、脂肪颗粒及气泡等。 四、蓝细菌的繁殖 无性繁殖、通过分裂、出芽、段裂等繁殖。 五、蓝细菌的生境 蓝细菌的适应范围广、淡水、海水、土壤、沙漠、石缝都能生长。特别是在有机质、氮磷丰富的静生长繁殖非常快。 六、蓝细菌的代谢 因含叶绿素等各种色素，能吸收二氧化碳和水进行光合作用，合成有机物，释放氧气。,七、蓝细菌的分类,藻殖段纲,微囊蓝细菌属 引起水华 腔囊蓝细菌属引起水华,色球藻纲,颤蓝细菌属用于废水脱色 脱酸处理 鱼腥蓝细菌属引起水华 水华束丝蓝细菌属-引起水 华,蓝藻门,湖泊中常见的蓝藻有铜色微囊藻、曲鱼腥藻等。在污水中或潮湿土地上常见的有灰颤藻和大颤藻。,八、蓝细菌与人类及环境的关系,蓝细菌在污水处理水体自净中起积极作用，它能有效去除水体中的氮磷，是水体富营养化的指示生物。有些种属能引起海湾赤潮湖泊水华。有些种属分泌毒素导致水生生物大量死亡。,（一）为人类提供食品 用钝顶螺旋蓝细菌属（Spirulina platensis）和极大螺旋蓝细菌属（Spirulina maximun）制成营养品。 （二）净化水体，提供氧气 蓝细菌在污水处理、水体自净中起积极作用，用它吸收水体中氮和磷等无机物，吸收CO2和水，利用光能进行光合作用，放氧气。可有效地去除氮和磷。在氮、磷丰富的水体中生长旺盛，可作水体富营养化的指示生物。,（三）引起富营养化水体水华,微囊蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属和水华束丝蓝细菌属在富营养化的海湾和湖泊中由于大量繁殖，引起海湾的赤潮和湖泊的水花(华)。微囊蓝细菌属能分泌毒素，严重者引起水生动物大量死亡。暴发湖泊（如太湖、巢湖、滇池）蓝藻事件，影响人类生活与健康，影响工农业生产。,微囊蓝细菌（微囊藻）引起太湖水华,太湖湖面覆盖微囊蓝细菌(微囊藻)的情景,采 水 样,微囊蓝细菌（微囊藻） 和螺旋蓝细菌（螺旋藻）,微囊蓝细菌（微囊藻）,微囊蓝细菌（微囊藻）引起太湖水华,蓝细菌引起太湖水华（赤潮） 2007.7.现场情景,第四节 放线菌,放线菌是因在固体培养基上呈辐射状生长而得名，除枝动菌属外，其余全为G+。 一、放线菌的形态和大小 放线菌的菌体由长短不等的纤细菌丝组成。根据菌丝体生长的位置、大小、颜色等将其分为三类： 营养菌丝：潜入固体培养基内摄取营养,显微镜下的放线菌营养菌丝,图 224 几种放线菌孢子丝的形态,图 225 诺卡氏菌 A.星状诺卡氏菌（N.asteroides）B.假诺卡氏菌属（Pseudonocardia）,气生菌丝：生长在培养基表面的菌丝 孢子丝：在气生菌丝上分化出可形成孢子的菌丝 二、放线菌的菌落形态 菌落表面是紧密的绒状、坚实多皱，长成孢子后表面呈粉末状。,各种放线菌的菌落形态特征,三、放线菌的繁殖 放线菌是通过分生孢子和孢囊孢子繁殖的。分生孢子由孢子丝产生，孢囊孢子由气生菌丝产生。 （一）分生孢子的形成 凝集分裂 横隔分裂,图 228 链霉菌的生活史 A.孢子萌发 B.基内菌丝 C.气生菌丝 D.孢子丝 E.孢子丝分化为孢子,链霉菌的生活史,图 229 放线菌的分生孢子和孢囊孢子的形成,放线菌的孢子形成过程,B.孢子丝依照、次序发育成熟形成分生孢子 C. 孢子丝依照、次序发育成孢子囊，随后形成孢囊孢子,（二）孢囊孢子的形成 放线菌生长到一定阶段后，气生菌丝形成孢子囊，在孢囊内形成孢囊孢子。 四、放线菌的分类 分为1纲5亚纲6目14亚目40科130属。在污水处理中常见的是放线菌属、诺卡氏菌属、类诺卡氏菌属及链霉菌属。,1、诺卡氏菌属,诺卡氏菌属广泛分布在土壤和水中，分解糖类和蜡，能降解水管和排污管的橡皮垫圈，分解石油的有嗜石油诺卡氏菌。 纤维素诺卡氏菌、大西洋诺卡氏菌和海洋诺卡氏菌分解纤维素能力强。纤维素诺卡氏菌还固氮，分解1g纤维素能固定大气氮12mg。 在废水活性污泥法处理中，出现过由诺卡氏菌属的某些种引起的活性污泥丝状膨胀和起泡沫现象。,2、 红球菌属 广泛分布在土壤和水生境中，能降解石油烃、清洁剂、苯、多氯联苯（PCBs）和杀虫剂，可除燃料中的硫。,图 2-26 小单孢菌科各属的细胞结构 小单孢菌属还能降解几丁质和纤维素，产生抗生素如庆大霉素。,3、小单孢菌和霉菌属,4、链霉菌属,许多种产生抗生素（链霉素），是医药生产中的重要菌种，在生态系统物质循环中起重要作用，可分解多种有机化合物，降解胶质、壳质、木质素、角质素、乳胶、芳香族化合物。喜在土壤和潮湿泥土中生活，是重要的土壤细菌。其形态见图2-27。,图 227 链霉菌属形态,放线菌的革兰氏染色反应: 除枝动菌属为革兰氏阴性菌以外,其余全部放线菌是高C含量的革兰氏阳性菌。,一 立克次氏体(Rickettsia) 立克次氏体引起流行性斑疹、伤寒、恙虫热等,第五节 其他原核微生物,特征 有细胞壁(对抑制细胞壁的青霉素和溶菌酶敏感） 二等分裂 有不够完整的产能代谢途径，利用谷氨酸产能而不能利用葡萄糖,二 支原体(Mycoplasma),类菌质体、类胸膜肺炎微生物 是一类无壁、G-、能通过细菌滤器、可以人工培养的最小型原核生物。,特征 无细胞壁，多形(可通过细菌滤器、对抑制细胞壁的青霉素和溶菌酶不敏感、对抑制蛋白质的抗生素敏感 膜(外、中、内)三层 二等分裂、少芽殖 菌落形态：油煎蛋状,支原体对新霉素和卡那霉素敏感。为革兰氏染色阴性反应。 分布：在土壤、污水、垃圾、昆虫、脊椎动物及人体中。,三 衣原体(Chlamydia),是一类在真核细胞内营专性能量寄生的小型、 G- 、原核生物。 生活史,萤光抗体染色，黄绿色为衣原体,原体 小细胞(壁厚),寄主细胞,始体(空泡)