环境中的微生物原核ppt课件

第二章 环境中的微生物及其特性,微生物的种类,1.非细胞形态的微生物 病毒（植物病毒、动物病毒、细菌病毒等）、类病毒、拟病毒 2.细胞形态的微生物 2.1原核微生物 细菌、古菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体 2.2真核微生物 真菌（酵母菌、霉菌）、藻类、原生动物、微型后生动物,2.1 原核微生物,一、细菌 二、古菌 三、放线菌 四、其他原核生物,一、细菌 Bacteria,细菌的形态 细菌(bacteria)是自然界分布最广、个体数量最多的有机体 其形态可分为三大类：球形、杆形、螺旋形（弧形）， 被称为球菌、杆菌、螺旋菌（弧菌）。,1）球菌 细胞呈球形或椭圆形,分裂后的空间排列方式，对于分类鉴定上有一定的意义。,球菌的排列方式包括单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌，如图：,细菌的形态 （模式图和显微照片）,球菌的排列类型,四联球菌,肺炎链球菌,膨胀活性污泥中的丝状细菌,2. 细菌的大小,细菌的一般都很小，须借助显微镜测微尺测量。 球菌直径一般为0.52m， 杆菌宽0.51m，长18m， 螺旋菌宽0.55m，长550m。 如下图:,3. 细菌细胞的结构,细菌的基本结构:细胞壁、细胞质膜、细胞质和细胞核等 有些细菌还有特殊结构:荚膜、鞭毛和芽孢等。 细菌细胞结构模式图,1）细胞壁,细胞壁（cell wall）位于菌体外表面，较坚韧而略具有弹性。 其功能主要有：固定细胞外形；保护细胞免受损伤；阻拦大分子物质进入细胞 其化学组成可使细胞具有一定抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性；协助有鞭毛的细菌进行鞭毛运动 。,革兰氏染色与细胞壁：,细菌 染色法,死菌,正染色,革兰氏染色法 芽孢染色法,鉴别染色法,简单染色法,活菌,负染色：荚膜染色法等,用美蓝或TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色,细菌细胞结构,G+和 G- 细胞壁结构比较（立体模型）,G+和 G- 细胞壁结构比较 (平面模型),G- Cell Wall,没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套,内消旋二氨基庚二酸(m-DAP),大肠杆菌, G-,金黄色葡萄球菌 ,G+,A 肽聚糖,是G-细菌细胞壁所特有的结构，位于G-细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干种蛋白质组成的膜，有时也称为外壁。,B、外膜 (outer membrane),G- Cell Wall,外膜,肽聚糖,脂多糖,脂蛋白,磷脂,细菌的物理化学特性,细菌表面电荷和等电点 细菌体含有50以上的蛋白质。蛋白质由20种氨基酸按一定的排列顺序由肽键连接组成。氨基酸是两性电解质，在碱性溶液中表现出带负电荷，在酸性溶液中表现出带正电荷。在某一定pH溶液中，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等时的pH，称为该氨基酸的等电点。,细菌的等电点在pH 25； * 革兰氏阳性菌的等电点为pH 23； * 革兰氏阴性菌的等电点为pH 45；,COO-,NH2+,NaOH,HCl,革兰氏染色法(Gram stain procedure),1884年丹麦细菌学家Christain Gram 创造。 染色步骤： 在无菌操作条件下，用接种环挑取少量细菌于载玻片上涂布均匀，固定。 (1) 初染：用草酸铵结晶紫染色1min，水洗去掉浮色。 (2) 媒染：用碘-碘化钾溶液媒染1min，倾去多余溶液。 (3) 脱色：用中性脱色剂如乙醇或丙酮脱色，革兰氏阳性菌不被褪色而呈紫色，革兰氏阴性菌被褪色而呈无色。 (4) 富染：用番红染液复染1min，革兰氏阳性菌仍呈紫色，革兰氏阴性菌则呈现红色。,革兰氏染色的原理,在于细菌细胞壁的组成的不同 重要的鉴别细菌染色法。 可分为革兰氏阳性(G+)和革兰氏阴性(G-)两大类，前者呈紫色，后者呈红色。,革兰氏染色法,该染色法由丹麦医生C.Gram于1884年创立。 分为初染、媒染、脱色和复染四步。,(1)革兰氏染色与细菌等电点有关系： 革兰氏阳性菌的等电点比革兰氏阴性菌的等电点低，说明革兰氏阳性菌带的负电荷比革兰氏阴性菌多。它与草酸铵结晶紫的结合力大，用碘-碘化钾媒染后，两者的等电点均得到降低，因革兰氏阳性菌的等电点降低得多，与草酸铵结晶紫结合得更牢固，对乙醇脱色的抵抗力更强。 (2)革兰氏染色与细胞壁结构有关系： 革兰氏阳性菌由于脂质含量极低，而肽聚糖含量高，乙醇既是脱色剂又是脱水剂，使肽聚糖脱水缩小细胞壁的孔径，降低细胞壁的通透性，阻止乙醇分子进入细胞，草酸铵结晶紫和碘碘化钾的复合物被截留在细胞内而不被脱色，仍呈现紫色。 以上两点基本可较圆满地解释革兰氏染色机制。,革兰氏染色的原理,2）细胞膜,细胞膜（cell membrane）即细胞质膜或质膜（plasma membrane）。 细胞膜是紧贴在细胞壁内侧的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。 在维持菌体与外界物质的交换方面起重要作用。细胞膜上有丰富的酶系，是细菌重要的代谢活动中心。,图 细菌的细胞质膜结构模式图,3）细胞质及其内含物,细胞质（cytoplasm）位于细胞膜内，无色透明，呈粘液状。 其主要化学组分为水、蛋白质、脂类、核酸，并有少量糖和无机盐。细胞质中含有核糖体（ribosome）、气泡和其他颗粒状内含物。 其他内含物的主要类型有： 异染粒(Metachromatic granule) 、 聚-羟基丁酸(poly-hydroxybutyric acid简称PHB)颗粒 、 硫粒 、多肽结晶 、磁粒 。,4）细胞核,原核生物所特有的原始细胞核或称拟核（nucleoid）。 细菌的核质体是一个大型环状的裸露的双链DNA分子，长度为0.253mm，卷曲折叠于核区。核质体是负载细菌遗传信息的物质基础。 细胞核的功能：决定遗传性状和传递遗传性状，是重要的遗传物质。,5）细菌细胞的特殊构造-荚膜,荚膜(capsule)是某些细菌在新陈代谢过程中形成的，分泌于细胞壁外的粘液状物质。 荚膜可以保护细胞免受干燥的影响，并且作为细胞外的碳源和能源性的贮藏物质，还能够增强某些病原菌的致病能力。 产生荚膜是微生物的一种遗传特性，种的特征之一。,菌胶团(zoogloea),有些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相黏集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团，叫做菌胶团。 菌胶团的形状(图2-14)有球形、蘑菇形、椭圆形、分枝状、垂丝状及不规则形。上述各种菌胶团在活性污泥中均有，典型的有动胶菌属(Zoogloea )，它有两个种：生枝状动胶菌(Zoogloea ramigera )和垂(悬)丝动胶菌(Zoogloea filipendula )。,图 2-14 菌胶团的几种形态 A.活性污泥中的指状菌胶团, B1.在低倍显微镜下的生枝动胶菌（Z.ramigera）纯培养絮状物， B2.在光学相差833下的生枝动胶菌（Z.ramigera）细胞 C.在印染废水活性污泥中的菌胶团,6）细菌细胞的特殊构造-鞭毛和菌毛,鞭毛(flagellum)是某些细菌长在体表的细长、波曲的丝状物。 具有推动细菌运动的功能。 鞭毛的化学成分主要是蛋白质，占99以上，碳水化合物、类脂和矿物质的总和不超过1。,图 2-15 细菌鞭毛的着生位置 A.杆菌： 极端生 亚极端生 两极端生 两束极端生 周身 B.弧菌： 单根极端生 两束极端生 束极端生,鞭毛的着生方式：多样 有一端单生，如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)；两端单生；一端丛生，如荧光假单胞菌(P. fluorescens)；两端丛生，如蔓延螺菌(Spirillumserpen)以及周生，如大肠杆菌(Escherichia coli)等 。,菌毛(fimbria或pilus)：是长在细菌体表的一种纤细（直径79nm）、中空、短直、数量较多（250根300根）的蛋白质附属物 ，主要见于革兰氏阴性细菌。,7）细菌细胞的特殊构造-芽孢,某些细菌生长到一定时期，细胞质浓缩凝集，在细胞内形成一个抗逆性休眠体，称为芽孢(spore)或内生孢子(endospore)。 能否形成芽孢，芽孢的形状、大小及其在细胞内的位置，是细菌种的特征，在分类鉴定上有一定意义。,芽孢(spore),好氧芽孢杆菌属(Bacillus)和厌氧的梭状芽孢杆菌属(Clostridium)的所有细菌都具有芽孢。 球菌中只有芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)产芽孢。 弧菌中只有芽孢弧菌(Sporovibrio)产芽孢。,、 位于细胞的中间，如枯草芽孢杆菌。 位于菌体中间， 直径大于菌体呈梭状，如梭状芽孢杆菌。 芽孢位于菌体的一端，使菌体成鼓锤状。如破伤风杆菌。,菌 体,芽孢,芽胞的大小、形状、位置等随菌种而异，有重要的鉴别意义。,芽孢的特点,（1）芽孢的含水率低，3840。 （2）芽孢壁厚而致密。 （3）芽孢中的2,6-吡啶二羧酸(dipicolinic acid，简称DPA)含量高，为芽孢干重的 515。2,6-吡啶二羧酸的存在使芽孢具有耐热性。 （4）含有耐热性酶。 以上四个特点使芽孢对不良环境如：高温、低温、干燥、光线和化学药物有很强的抵抗力。芽孢在120140还能生存几小时，营养细胞在体积分数5苯酚溶液中很快死亡，芽孢却能存活15d。 芽孢不易着色，可用孔雀绿染色。,4. 细菌的繁殖,裂殖是细菌最普遍、最主要的繁殖方式。 少数细菌进行出芽繁殖。还有少数细菌能进行有性结合，通过性菌毛传递遗传物质，但频率很低。 动画演示,杆菌二分裂过程模式图,5. 细菌的培养特征,1） 细菌在固体培养基上的培养特征 细菌在固体培养基上的培养特征就是菌落特征。 菌落(colony)是由一个细菌繁殖起来的，由无数细菌组成具有一定形态特性的细菌集团。将含菌样品或菌种点种在平板上或在斜面上画线，大量微生物细胞在固体培养基上密集地长成一片，则称为菌苔(lawn),图 2-16 几种细菌菌落的特征 A. 纵剖面：.扁平 隆起 低凸起 高凸起 脐状 草帽状 乳头状 B. 表面结构、形状及边缘： 圆形，边缘整齐 不规则，边缘波浪 不规则，颗粒状，叶状 规则，放射状，边缘花瓣形 规则，边缘整齐，表面光滑 规则，边缘齿状 规则，有同心环，边缘完整 不规则，似毛毯状 规则，似菌丝状 不规则，卷发状，边缘波状 不规则，丝状 不规则，根状,细菌在固体培养基上的培养特征,大肠杆菌菌落（平板划线法）,细菌在液体培养基中的生长情况,3）在液体培养基中的培养特征,细菌在液体培养基中生长，使培养基混浊，混浊情况因细菌对氧气要求不同而有别：兼性厌氧菌培养液均匀混浊，需氧菌培养液仅上部混浊，厌氧菌培养液仅下部混浊。,图2-20 细菌在肉汤培养基中的生长特征 A.絮状 B.环状 C.菌膜 D.薄膜状,本节复习思考题 1研究微生物的形态构造有何重要性？试举例说明之。 2试举几个实例来说明：即使不用显微镜，也可证明在我们日常生活的环境中，到处有细菌在活动着。 3观察细菌形态时为何要用染色法？常用的染色法有几类？ 4试绘出细菌细胞构造的模式图，注明其一般构造和特殊构造，并扼要注明各部分的生理功能。 5什么是芽孢，产芽孢的细菌主要有哪几类？ 6什么叫菌落，细菌的菌落有何特点？,二、古菌,古菌（Archaea）又称古细菌，是原核生物中的一大类。 古菌这一概念是C.R.Woese及他的同事们对代表性细菌类群的16S rRNA碱基序列进行研究比较后于1977年提出来的。 他们认为，生物界的发育不是一个简单的由原核生物发育到更完全更复杂的真核生物的过程，而是明显地存在三个发育不同的基因系统： 细菌(Bacteria)、古菌(Archaea)和真核生物(Eukarya)。,1. 古菌的概述,1）古菌的定义 古菌是在系统发育上与细菌不同的一群相关的原核生物。 多数生存在极端的生态环境中，如温泉、深海热喷口、滚沸的泥淖、酸性土壤、极端的盐水、间歇泉、海底黑烟囱和很冷的环境。 古菌形态各异，分子结构独特。,2）古菌的主要特点 形态学上的不同。 古菌细胞壁成分独特而多样 。 古菌核糖体16S rRNA上的核苷酸顺序独特。 中间代谢上，古菌有独特的辅酶，且代谢方式单纯，不似真细菌那样多样性。 古细菌比真细菌进化缓慢，保留了较原始的特性。,二、古菌的分类,从rRNA进化树上，古菌分为两类：泉古菌(Crenarchaeota)和广古菌(Euryarchaeota)。在伯杰氏系统细菌学手册第二版介绍了两个门，分为6纲12目。 根据不同的生理特性分为五大群： 群1.产甲烷古菌(methanogenic archaeobacteria)， 群2.古生硫酸盐还原菌（还原硫酸盐的古菌）（archaeobacterial sulfate reducers）， 群3.极端嗜盐古菌(extremely halophilic Archaeobacteria)， 群4.无细胞壁古菌（cell wall-less archaeobacteria）， 群5.极端嗜热的和过度嗜热硫代谢古菌（极端嗜热的代谢硫的古菌）（extremely themophilic S0metabolizers）,见图2-3。,古菌域分类：泉古生菌门(A门) 广古生菌门(A门),图 2-3 根据16S rRNA碱基顺序比较古菌详细的系统发育树,（一）泉古生菌门,泉古生菌门(Phylum Crenarchaeota) 大多数泉古生菌极端嗜热、嗜酸，代谢硫。硫在厌氧呼吸中作为电子受体和无机营养的电子源。它们多生长在含硫地热水或土壤中（如美国的黄石国家公园的富硫温泉）。 其下有1纲3目、5科、22属,其代表属特征见表2-1。 其中的热网菌属（Pyrodictium）的最低生长温度是82，最适温度是105，最高生长温度为110。有无机营养和有机营养型，S0 和 H2 是无机营养型古菌的电子源。,表 2-1 泉古生菌门代表属特征,(二)广古生菌门（Phylum Euryarchaeota）,广古生菌门下有7纲： 1.甲烷杆菌纲 2.甲烷球菌纲 3.甲嗜高热菌纲 4.盐杆菌纲 5.热原体纲 6.热球菌纲 7.古生球菌纲 其下有： 9目、15科、48属。见表2-2。,表2-2 广古生菌门代表属特征,1）产甲烷古细菌 产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群，代表属有甲烷杆菌(Methanobacterium)。产甲烷古细菌是都能产生甲烷的一大生理类群，因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态。 产甲烷细菌的细胞壁染色后有围绕细胞约1520nm厚的一层无定形电子稠密层，在化学组成上含有假胞壁质。产甲烷细菌和其他古细菌群的细胞膜化学组成与其他生物细胞膜明显不同。产甲烷细菌的基质谱很窄，大多数种可利用H2/CO2，很多种可利用HCOOH 。,2）还原硫酸盐古菌 这一类主要是指古生球菌（archaeoglobales）的古菌。细胞一般为不规则球形、三角形，直径在0.42.0 m，单个或成对，革兰氏阴性反应。菌落可略呈绿黑色，在420nm处可产蓝绿色荧光，严格厌氧。 3）极端嗜盐古菌 这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐环境中的古菌。许多种需在3.54.0mol/L NaCl才生长良好。主要分布于盐湖、晒盐场、高盐腌制品等环境，可引起腌制品等腐败和脱色。,4）极端嗜热古菌 这一古细菌群极端嗜热或超嗜热，生长要求的温度范围为45110，最适为70105，且要求pH为13的高酸度环境。主要分布于含硫温泉、火山口、燃烧后的煤矿等环境中。硫化叶菌是第一个分离鉴定的极端嗜热古细菌(Brock等，1970) 。 5）无细胞壁古菌 这一古菌群仅包括热原体属（Thermoplasma）1个属，此属仅有2个种：生长温度在4563 的嗜酸热原体（T. acidophilum 和生长温度为3367 的火山热原体（T. volcanium）。,三、蓝细菌,蓝细菌(Cyanobacteria)(blue-green algae)是古老的生物。能进行产氧性光合作用的大型原核微生物。细胞质中含有光合膜的原核生物。光合膜中含有叶绿素，可进行光合作用。 40亿年前，由于蓝细菌出现使地球上空由无氧的环境转变为有氧环境。 蓝细菌有固氮作用，由于有固氮蓝细菌及根瘤菌、固氮菌的共同作用，每年可固定全球1.7108t氮，有效地利用了氮气。地球上的氮气恒定在体积百分数78。,1）蓝细菌的形态大小,蓝细菌的形态 单细胞：呈杆状和球状。 蓝细菌的大小 蓝细菌的直径： 110m，长度不等。 色球蓝细菌属为单细胞个体或群体，群体种类在细胞壁外分泌果胶类物质构成胶质鞘膜，彼此融合形成大的胶团(球形或块状)。 由多个细胞黏集成的聚合体呈丝状，直径约112m ，长50500m，如螺旋蓝细菌属的个体为螺旋状的丝状体。,图 221 蓝细菌门第亚组的代表属,图 222 蓝细菌门第 和第亚组的代表属,图 223 蓝细菌门第亚组的代表属,2）蓝细菌的生境 蓝细菌对极端环境有极强的耐受力。因此，分布很广，在淡水、海水、潮湿土壤、树皮、干燥的沙漠、岩石缝隙里均能生长。耐高温的嗜热菌种可在75，中性至碱性热泉水中生长。,蓝细菌的光合作用,蓝细菌依靠叶绿素a、藻胆素和藻蓝素吸收光，将能量传递给光合系统，通过卡尔文循环固定二氧化碳，同时吸收水和无机盐合成有机物供自身营养，并放出氧气。 颤蓝细菌属在厌氧条件下，氧化H2S进行不产氧的光合作用。螺旋蓝细菌属适合在碱性湖泊中生长，它除光合作用释放大量氧气外，还可释放H2。 化能异养：部分蓝细菌可以通过氧化葡萄糖和其他糖类，在黑暗条件下缓慢生长。,六、蓝细菌的分类,蓝细菌的细胞结构简单，只具原始核，没有核膜和核仁，只具染色质；只具叶绿素，没有叶绿体。故蓝细菌属于原核生物。 根据菌落、细胞形态、繁殖方式，超微结构、遗传特征、生理生化特征及其生境，以及5S rRNA和16S rRNA进行分类，在伯杰氏系统细菌学手册第二版中列在B门，将蓝细菌门分类为1纲5亚组4亚群1科56属。 蓝细菌5个亚组的特征见表 2-7，各属详见表 2-8。,表 2-7 蓝细菌5个亚组的特征,表 2-8 蓝细菌门的各属,表 2-8 蓝细菌门的各属 续表1,表 2-8 蓝细菌门的各属 续表2,3）蓝细菌与人类及环境的关系,（一）为人类提供食品 螺旋藻在分类地位上属于蓝藻门、蓝藻纲、藻殖段目、颤藻科、螺旋藻属。常用于培养的螺旋藻有钝顶螺旋藻、极大螺旋藻和盐泽螺旋藻。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）,第三节 放线菌,放线菌是指一类呈丝状生长、主要以孢子繁殖和陆生性强的原核生物。 过去曾认为它是“介于细菌与真菌之间的微生物”。随着电子显微镜的广泛使用和一系列其他技术的发展，越来越多的证据表明，放线菌无非是一类具有丝状分枝细胞的细菌。,三、放线菌,1. 放线菌的形态 放线菌(actinomycetes)的细胞呈丝状分枝，由菌丝(hyphae)组成菌丝体(mycelium)。 放线菌的菌丝按形态和功能分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝三类。 2. 放线菌的繁殖 主要由孢子丝通过横割分裂方式形成分生孢子进行繁殖。 3. 放线菌的培养特征 放线菌在固体培养基上的菌落一般呈圆形，紧密、坚实，用针不易挑取 。,放线菌一般分布在含水量较低、有机物丰富和呈微碱性的土壤环境中。为泥土所特有的“泥腥味”，主要是由放线菌产生的。在每克土壤中，放线菌的孢子数一般在107左右。 除枝动菌属为革兰氏阴性外，其余全部放线菌均为革兰氏染色阳性。,放线菌的菌丝类型,放线菌根据菌丝形态和功能分为三类： 1、基内菌丝（营养菌丝）：菌丝无分隔，可以产生各种水溶性、脂肪性色素，使培养基着色。功能：吸收营养物质。 2、气生菌丝：由基内营养菌丝长出培养基外，伸向空间的菌丝，直生或分枝丝状，较基内菌丝粗。功能：分化形成孢子丝。 3、孢子丝：当生长发育到一定阶段，在其气生菌丝上分化出可形成孢子的菌丝。 孢子丝功能：形成孢子，起繁殖作用。,Chain of conidiospores,Agar surface,Substrate mycelium,Aerial hyphae,The cross section of an actinomycete colony showing the substrate mycelium and aerial mycelium with chains of conidiospores,Various types of spore-bearing structures on the streptomyces,Various types of spore-bearing structures on the streptomyces,Streptomyces spores, called conidia, are not related in any way to the endospores of Bacillus and Clostridium because the streptomycete spores are produced simply by the formation of cross-walls in the multinucleate sporophores followed by separation of the individual cells directly into spores.,放线菌在固体培养基上的菌落特征,在固体培养基表面，放线菌的细胞有基内菌丝和气生菌丝的分化，气生菌丝到成熟时会分化成孢子丝并产生