生物竞赛课辅导微生物学部分

微生物学 竞赛培训 微生物学的知识体系 微生物学 生态与多样性 感染与免疫 教材 微生物学教程 周德庆 高教出版社参考书 微生物学 精要 题解 测试 周德庆 化学工业出版社 推荐教材与参考书 微生物细胞的结构与功能 微生物的类型 一 原核细胞的组成 微生物研究对象 m 微米 级 光学显微镜下可见 细胞 小 个体微小 nm 纳米 级 电子显微镜下可见 细胞器 病毒 单细胞微生物简 构造简单 简单多细胞非细胞 即分子生物 原核类 真细菌 细菌 放线菌 支原体 和古细菌低 进化地位低 真核类 真菌 酵母 霉菌 蕈菌 原生动物 单细胞藻类非细胞类 病毒 亚病毒 类病毒 拟病毒 朊病毒 细菌的大小 量度细菌大小的单位是 m 微米 即10 6m 一般细菌的直径或宽度约0 5 m 长度约0 5 5 m 特例 费氏刺尾鱼菌细胞可达600 60 m 纳米比亚嗜硫珠菌细胞直径0 32 1mm 纳米细菌 nanobacteria 细胞直径仅为50nm左右 细菌基本形态通常可分为球状 杆状和螺旋状 分别被称为球菌 杆菌和螺旋菌 球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式 在分类鉴定上有一定意义 根据球菌细胞分裂面和分裂后的排列方式 又可分为单球菌 双球菌 链球菌 四联球菌 八叠球菌和葡萄球菌 短杆菌近似球状 长的杆菌近丝状 杆菌细胞常沿一个平面分裂 大多数菌体分散存在 但有的杆菌呈长短不同的链状 有的则呈栅状或 八 字形排列等 细胞弯曲呈弧状或螺旋状 弯曲不足一圈的称弧菌 如霍乱弧菌 Vibriocholerae 弯曲度大于一周的称为螺旋菌 3 细菌的形态 细菌的形态学分类球菌杆菌螺旋菌 包括弧菌 淋病球菌 大肠杆菌 弧形霍乱菌 4 细菌细胞的模式结构 一般结构 细胞壁 细胞质膜 内含物 核区 间体 细菌细胞膜内陷 折叠而形成的一个或数个较大的 不规则片层状 管状或囊状结构 也叫中体 细胞质 特殊结构 鞭毛 菌毛 性毛 性毛一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株中 其功能是向雌性菌株传递遗传物质 芽孢 微荚膜 荚膜 粘液层 在一部分细菌中 其细胞壁外面附着有琼脂状和粘液状的物质 此称为细菌粘液 有的是多糖 有的是由有限种类的氨基酸组成的多肽 使细菌浮游在墨汁中或进行特殊染色 然后在光学显微镜下观察 如果所看到的粘液呈原膜状 则称为荚膜 如果看不到清楚的结构 则称为粘液层 5 细菌的染色 染色的方法有很多 如单染色 革兰氏染色 抗酸性染色 荚膜染色 芽孢染色 鞭毛染色等 其中以革兰氏染色 Gramstaining 最为重要 由丹麦细菌学家Gram于1884年创造 Gramstain的主要步骤 结晶紫初染1min 碘液媒染1min 乙醇脱色20 30sec 番红复染1 2min镜检菌体呈紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌 常以G 表示 呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌 常以G 表示 通过这一简单染色几乎可将所有细菌区分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类 甲菌 乙菌 初染 结晶紫 媒染 碘液 脱色 乙醇 复染 沙黄 紫色 G 红色 G 革兰氏染色机理 G 菌 细胞壁厚 肽聚糖含量高 交联度大 当乙醇脱色时 肽聚糖因脱水而孔径缩小 故结晶紫 碘复合物被阻留在细胞内 细胞不能被酒精脱色 仍呈紫色 G 菌 肽聚糖层薄 交联松散 乙醇脱色不能使其结构收缩 因其含脂量高 乙醇将脂溶解 缝隙加大 结晶紫 碘复合物溶出细胞壁 酒精将细胞脱色 细胞无色 沙黄复染后呈红色 阳性菌 阴性菌 显微镜下的G 与G 细菌 显微镜下的G 细菌 6 细菌的形态和大小 7 原核微生物的结构与功能 细胞壁结构 与功能 保护 屏障 机械保护是细胞生长 分裂和运动所必须的赋予细胞抗原性 致病性和对噬菌体的敏感性等 古生菌 假肽聚糖层 G G 厚 薄 肽聚糖层 真细菌 8 原核微生物的结构与功能 细胞壁外结构糖被 保护 屏障 吸附 信号识别鞭毛 运动菌毛 纤毛 吸附 细 短 直 硬 多 性毛 参与传递遗传物质 9 缺壁细菌 缺壁细菌 实验室中形成 自然界长期进化中形成 支原体 自发缺壁突变 L型细菌 G 或G 人工方法去壁 部分去除 球状体 G 彻底除尽 原生质体 G 10 真细菌与古生菌细胞膜的不同 古生菌与其它生物最显著的化学成分差异是体现在细胞膜上 基本差别有4点 1 甘油的立体构型 2 醚键 3 类异戊二烯链 4 侧链的分支 11 细菌内含物的种类和分布 糖源 大肠杆菌 克雷伯氏菌 蓝细菌芽孢杆菌等 聚 羟丁酸 固氮菌 产碱菌 肠杆菌 氮源类 藻青素 蓝细菌含有 藻青蛋白 蓝细菌含有 磷源 异染粒 迂回螺菌 白喉棒杆菌和分枝杆菌含有 硫源 迂回螺菌菌 白喉棒杆菌 结核分枝杆菌 碳源及能源类 12 原核生物鞭毛的结构 13 细菌的鞭毛 菌毛和性毛的比较 14 芽孢的耐热性 渗透调节皮层膨胀学说 芽孢耐热机制 一 芽孢衣 疏水性角蛋白 对多价阳离子和水分的透性很差 皮层的离子强度很高 会产生极高的渗透压去夺取芽孢核心中的水分 而造成芽孢皮层的膨胀和核心的高度失水 核心部分的生命物质 DNA RNA Pr等 处于高度失水状态 各种酶活性降低 因而产生极强的耐热性 DPA Ca的存在 芽孢耐热机制 二 在皮层和芽孢质中含有营养细胞所没有的DAP Ca 占芽孢干重的5 15 DAP Ca能稳定芽孢中的生物大分子 DAP Ca的螯合作用会使芽孢中的生物大分子形成一种耐热性的凝胶 从而增强芽孢的耐热性 当芽孢萌发释放DAP Ca 耐热性消失 15 链霉菌的形态构造 放线菌 放线菌的菌丝分化 放线菌的细胞结构和细菌没有多大区别 也是原核生物 用革兰氏染色法染色后细胞壁为紫色 所以是革兰氏阳性的原核生物 但是它们的形态比细菌复杂些 在显微镜下 观察到菌丝 如果把它们培养在固体培养基上 会长出坚硬的菌落 不同种类的放线菌的菌落颜色不同 如果用放大镜观察这些菌落 你会发现它们的周围好像图画中向四周放射着光芒的太阳 所以科学家称它们为放线菌 放线菌生长发育到一定阶段 一部分气生菌丝便分化成孢子丝 孢子丝有杆形的 波浪形的 螺旋形的等 上面生有成串的孢子 在适宜的条件下 孢子萌发长出菌丝 绝大多数抗生素是由放线菌产出的 放线菌的繁殖方式 在自然条件下 多数形成各种孢子 也有菌丝断裂成孢子状细胞的 分生孢子 最常见 孢囊孢子 基内菌丝断裂 仅少数 任何菌丝片段 各种放线菌 放线菌繁殖方式 借孢子 借菌丝 无鞭毛 有鞭毛 16 支原体 立克氏体 衣原体和病毒 支原体曾被认为是能在无生命培养基上生长繁殖的最小的原核细胞型微生物 目前这一地位已经被纳米细菌所取代 支原体的大小为0 2 0 25um 可通过滤菌器 常给细胞培养工作带来污染的麻烦 无细胞壁 不能维持固定的形态而呈现多形性 革兰氏染色不易着色 支原体基因组为一环状以双链DNA 分子量小 仅有大肠杆菌的五分之一 合成与代谢很有限 典型的 荷包蛋样 菌落 圆形 直径10 16um 核心部分较厚 向下长入培养基 周边为一层薄的透明颗粒区 此外 支原体还能在鸡胚绒毛尿囊膜或培养细胞中生长 繁殖方式多样 主要为二分裂繁殖 还有断裂 分枝 出芽等方式 盖因缺乏细胞壁造成分裂时二个子细胞大小均所致 同时 支原体分裂和其DNA复制不同步 可形成多核长丝体 立克次氏体引起的传染病 斑疹伤寒 斑疹伤寒立克次氏体 恙虫热 恙虫病立克次氏体 Q热 Q热立克次氏体 等严重传染病 衣原体是一类在真核细胞内营专性能量寄生的小型G 原核生物 曾长期被认为是 大型病毒 目前被承认的衣原体 鹦鹉热衣原体 沙眼衣原体 肺炎衣原体 生活史有原体 始体 网状体 17 蓝细菌 是一类G 无鞭毛 含叶绿素a 无叶绿体 能进行产氧性光合作用的大型原核微生物 自然界到处都有蓝细菌的存在 有 先锋生物 之称 类囊体 其中含有叶绿素a和藻胆素 羧酶体 固定CO2的场所 气泡 存在于水生种类 真细菌 古生菌与真核生物的比较 蓝藻 原绿藻和绿藻 真核 的比较 念珠藻原绿藻衣藻 二 微生物的营养 微生物的营养类型 划分依据 微生物的营养类型 典型类型 培养基的配置 基本原则选择适宜的营养物质营养物质的浓度及其比例合适控制pH条件灭菌处理原料来源的选择 培养基的配置 培养基的类型成分 天然培养基与合成培养基形式 液体 固体和半固体培养基功能 基础培养基 加富培养基 鉴别培养基 选择培养基 微生物代谢的特殊方面 生物固氮自生固氮菌 巴氏梭菌 好氧 共生固氮菌 根瘤菌 与豆科植物共生 弗兰克氏菌 与非豆科植物共生 鱼腥藻 与满江红共生 等联合固氮菌 雀稗固氮菌 生活在植物根际 固氮条件 固氮酶 ATP 电子传递体 三 微生物的生长繁殖 细菌的个体生长DNA的复制与分离细胞壁扩增细胞分裂 细菌的群体生长迟缓期对数生长期稳定生长期衰亡期 细菌的连续培养 真菌的生长繁殖裂殖和芽殖 菌丝延长和酵母繁殖的主要方式无性孢子繁殖 营养细胞分化出新个体 孢子 有性孢子繁殖 不同的性细胞结合而产生新个体 丝状真菌的生活史 霉菌的无性孢子直接由生殖菌丝的分化而形成 常见的有节孢子 厚垣孢子 孢囊孢子和分生孢子 霉菌的有性繁殖过程包括质配 核配 减数分裂三个过程 常见的有性孢子卵孢子 接合孢子 子囊孢子 担孢子 微生物生长繁殖的控制化学控制 抗微生物剂 杀死或抑制微生物生长的物质抗代谢物 用与生长因子结构类似的物质干扰微生物抗生素 一类次级代谢产物 具有抑菌或杀菌能力物理控制 高温灭菌 灼烧 煮沸 干热 湿热灭菌过滤除菌高渗作用抑菌辐射和超声波处理干燥 四 微生物发酵工业 利用生物特性和发酵理论 通过现代化的工程技术手段 进行工业化规模生产 使受培养的微生物或动植物细胞积累所需产品的一门技术学科 微生物发酵工业的一般流程 菌种及其扩大培养菌种的选育自然育种利用微生物自然突变进行的菌种选育诱变育种诱导微生物发生突变进行的菌种选育 包括诱变和筛选两个步骤杂交育种借助有性重组 使不同菌株的遗传物质得以交换基因工程育种定向育种 技术含量高 应用面广将保藏的生产菌种从斜面试管 Tubeslant 接出后 进行摇床 Shaker 培养及种子罐 Seedingtank 逐级培养以获得一定数量和质量的纯种的过程 纯种培养物称作种子 培养基配置 糖化 Saccharify 在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程 得到的水解糖液叫淀粉糖 糖化的原料 薯类淀粉 玉米淀粉 小麦淀粉 大米淀粉等 水解糖液的质量直接关系到生产菌的生长速度与代谢产物的积累 其中的低聚糖类与复合糖类等杂质越低越好 糖化方法 酸解法 淀粉 葡萄糖酶解法 淀粉 糊精 低聚糖 葡萄糖 酸 催化剂 高温高压 淀粉酶 糖化酶 液化 糖化 发酵生产 中间控制温度 菌体生长和积累代谢产物的最适温度往往是不同的 变温控制 pH值 微生物的生长和发酵的最适pH值往往不同 变化控制 细菌6 5 7 5 放线菌6 5 8 0 霉菌4 0 5 8 酵母菌3 8 6 0溶氧 氧是制约发酵进行的重要因素 加强溶氧 发酵实例 食品 食用酒精 发酵 是连续工作的流程 发明于1914年 活性污泥就是在曝气池中将BOD 生化需氧量或生化耗氧量 消耗 去除率可达80 并产生新的活性污泥 进入曝气池的污水可通过一个通道进入 也可从曝气池的多点进入 后者可以避免曝气池前端缺氧 后端氧过剩的情况 提高了空气的利用率 这是一个通气发酵的过程 在这个过程中污水就是培养基 活性污泥就是菌种 初级沉淀池是培养基的预处理罐 曝气池就是发酵罐 兼种子罐 二次沉淀池是下游处理 五 病毒的基本特征 病毒的特点病毒在细胞外以成熟的颗粒形式 毒粒 存在 毒粒在胞外不表现任何生命特征 毒粒具感染宿主细胞的能力 一旦进入细胞 毒粒便解体 并表现出繁殖 遗传 变异等生命特征 毒粒的结构 T4噬菌体 毒粒的结构 核衣壳与囊膜 病毒的简单分类真病毒DNA病毒RNA病毒 SARS病毒 亚病毒因子卫星RNA类病毒 柑橘裂皮类病毒 RNA朊病毒 疯牛病病毒 蛋白质 病毒的复制 周期及步骤 吸附侵入脱壳病毒大分子合成装配与释放 病毒复制的一步生长曲线 病毒的复制 周期及步骤 温和噬菌体 侵入宿主后并没有立即开始病毒物质合成和组装的病毒 此时的噬菌体基因组称为原噬菌体 而含有原噬菌体的宿主被称为溶源性细菌 SARS冠状病毒 囊膜突起形成一个类似于日冠的结构 因而得名 这个病毒有一层囊膜 这个膜是从细胞膜演变来的 其内部为螺旋对称的核衣壳 它的基因组是RNA的基因组 在基因组上有这种核的蛋白 这核蛋白叫N蛋白 在膜上有两种主要的蛋白 一种蛋白叫M蛋白 一种蛋白叫S蛋白 这是两种抗原性非常强的蛋白 禽流感病毒 H5N1A 有囊膜 囊膜表面有惠状突起 核衣壳螺旋对称 原本这个新型态的流行性感冒病毒应该是在鸟禽类身上流传 现在却在人类身上发现感染病例 这种病毒是粘液病毒 myxovirus 的一种 在电子显微镜下呈球状其直径大约为100nm 基因讯息储于核糖核酸 RNA 能够制造三类用来复制自己的蛋百质 三类作为病毒构造的蛋白质 其中包括外套的血凝素 hemagglutininH 神经酸酵素 neuraminidaseN 和M2蛋白 各类型的流行性感冒病毒就是根据它不同型的H和N来初步辨认 目前香港流行的是A型 H5N1 流行性感冒 而且流行性感冒病毒易发生突变 mutation 因此受过去病毒感染所获的免疫力不能持久 HIV 人类免疫缺陷病毒 与AIDS 获得性免疫缺陷综合症 肝炎病毒甲型肝炎病毒呈球形 无囊膜 核酸为单链RNA 乙型肝炎病毒呈球形 具有双层外壳结构 外层相当一般病毒的囊膜 核酸为双链DNA 六 感染与免疫 感染 传染 有机体与病原体相互作用引起的病理过程免疫生