环境工程微生物学课件第02章

第二章原核微生物,问题,1、细菌的形态与大小2、细菌的细胞结构及其功能3、细菌的染色原理及染色方法4、古菌的特点及其在环境工程中的应用5、放线菌的形态及应用6、蓝细菌的特点及在环境中的危害7、其它原核微生物,主要内容了解细菌的个体形态、大小，掌握细胞一般结构；理解细菌的培养特征；掌握细菌的染色原理、方法了解古菌的特点及分类内容了解放线菌的形态、大小、菌落特征及繁殖方式理解蓝细菌的特点，了解其代表属了解螺旋体、立克次氏体和枝原体,重点、难点、授课学时,重点：细菌的个体形态与菌落形态细胞结构中细胞壁、细胞膜结构与功能芽孢、荚膜的特性与应用细菌与放线菌的形态与菌落形态差异。难点：细菌细胞壁结构与革兰氏染色芽孢、荚膜的特性与在环境工程中的应用授课学时：4学时,草履虫,古菌,第一节古菌,过去，由于研究手段技术原因，对古菌的了解很少，一直将它列入细菌范畴内。从1977年起，人们改进了研究方法，CarlWoese和GeorgeFox发现这类菌在细胞结构、化学组成及生存环境条件等方面的特殊性，所以将它从细菌中划分出来，称为古细菌（而细菌则称为真细菌），或称古菌。现在已将它与细菌、真核生物并列。,一.古菌的特点,古菌的形态细胞很薄，扁平。有精确的方角和垂直的边构成直角几何形态的细胞。,古菌的细胞结构大多数古菌的细胞壁不含有二氨基庚二酸和胞壁酸。组合多为脂蛋白，蛋白质为酸性的，脂类是非皂化性甘油二醚的磷脂和糖脂的衍生物。有内含子。,古菌的代谢代谢有多样性。在代谢过程中有特殊的辅酶，如绝对厌氧的产甲烷菌有辅酶M、F420、F430等。,古菌的特点,古菌的呼吸类型多为严格厌氧、兼性厌氧，少数为好氧。,古菌的繁殖以细胞分裂的方式繁殖，但繁殖速度较慢。,古菌的生活习性大多数生活在极端环境。如：高盐分、极热、极酸和绝对厌氧的环境中。它有特殊的代谢途径。,二.古菌的分类,按照古菌的生活习性和生理特点，古菌可分为三大类型：产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌。产甲烷菌产甲烷菌与其他微生物（水解菌、产酸菌）协同作用，能使有机物甲烷化，产生具有经济价值的生物能物质甲烷。产甲烷菌是严格厌氧菌，现把它分为3目、7科、19属、70种。,产甲烷菌的培养方法：由于产甲烷菌是严格厌氧的，其分离和培养等要求特殊的环境和方法。如厌氧的培养条件、厌氧的操作条件（如厌氧手套箱）。在环境工程中，产甲烷菌具有特殊的意义。在厌氧条件下，产甲烷菌与其他菌（水解菌、产酸菌等）共同作用，将有机物转化为甲烷，这就是所谓的“沼气发酵”。,嗜热嗜酸菌包括古生硫酸还原菌和极端嗜热古菌。这一类菌的特点：好氧、严格厌氧或兼性厌氧，G，杆状、丝状或球状，专性嗜热（最适温度在70105之间），嗜酸性和嗜中性，自养或异养。大多数是硫代谢菌。,极端嗜盐菌这类菌对NaCL有特殊的适应性和需要性。栖息在高盐环境。通常极端嗜盐菌的要求盐浓度下限为1.5mol/L（约9），大多数为24mol/L（约1223），甚至高达5.5mol/L（32，达饱和状态）。有的种类也能在低盐浓度下生长。,这种细菌是英国微生物学家安东尼瓦尔斯比于年发现的，地点在红海附近一个盐分含量很高的水池里。它身长约0.15微米，呈方形，样子有点像邮票，这在细菌中极为罕见。,在这种喜欢盐分的方形细菌被发现多年后，科学家最近终于在实验室中成功培养了它，方形细菌还对氯化镁有极强耐受力。太阳系的一些天体如木星的卫星木卫二和木卫三上，有着氯化镁含量很高的盐水。研究方形细菌有可能为在这些天体上寻找生命提供线索。,黑暗食物链：依靠地球内源能量即地热支持，在深海黑暗和高温的环境下，通过化合作用生产有机质。,有光食物链：在常温和有光的环境下通过光合作用生产有机质,深部生物圈,微小的原核生物，新陈代谢极其缓慢，但寿命极长,三.研究古菌的意义,第二节细菌一.细菌的形态与大小,球状,球菌细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。分有：单球菌、双球菌（肺炎球菌）、四联球菌、八叠球菌（甲烷球菌）、链球菌、葡萄球菌。,双球菌,四联球菌,八叠球菌,链球菌,葡萄球菌,杆状,细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。分有：单杆菌、双杆菌和链杆菌。,单杆菌,双杆菌,链杆菌,球杆菌,炭疽病的病原菌-炭疽杆菌,螺旋菌,螺旋菌呈螺旋卷曲状，螺纹不满一圈的称为弧菌。,弧菌,螺旋菌,螺旋体菌,弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。,蛭弧菌,霍乱弧菌,螺旋菌：,菌体回转如螺旋，螺旋数目和螺距大小因种而异。鞭毛二端生细胞壁坚韧，菌体较硬。,细菌的大小,细菌的大小测量单位是m,大小的测量方法,显微镜测微尺,显微照相后根据放大倍数进行测算,细菌的大小以微米（m）计。多数球菌的大小（直径）为0.52.0m；杆菌（长宽）为（15）（0.51.0）m；螺旋菌（宽度弯曲长度）为（0.251.7）（260）m；,另外，细菌的大小与个体的发育情况有关，刚分裂的新细菌小，随发育逐渐变大，老化后又变小。,鞭毛,菌毛,芽孢,微荚膜,荚膜,粘液层,糖被,特殊构造,细胞壁,细胞膜,间体,核区,内含物,一般构造,细菌细胞的模式构造,1.2细菌细胞的结构,核糖体,细胞质,细胞壁,细菌细胞壁（cellwall）是位于细胞最外的一层（一般结构）厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖。细菌细胞壁可用电子显微镜直接观察细菌的超薄切片。细菌细胞壁绝大多数以肽聚糖为基本成分，但不同细菌，细胞壁在结构和成分上各有自己的特点。,革兰氏染色,1884年，丹麦医生C.Gram发明,程序：（1）初染（结晶紫30S）（2）媒染剂（碘液30S）（3）脱色（95%乙醇1020S）（4）复染（蕃红3060S）,结果判断：菌体呈紫色的为革兰氏阳性菌（G+）,菌体呈红色的为革兰氏阴性菌（G-）,A,B,B,B,A,B,A,A,（1）初染（结晶紫30S）,革兰氏染色程序和结果,（1）初染（结晶紫30S）（2）媒染剂（碘液30S）（3）脱色（95%乙醇1020S）（4）复染（蕃红3060S）,A,B,B,B,A,B,A,A,革兰氏染色程序和结果,（2）媒染剂（碘液30S）,（1）初染（结晶紫30S）（2）媒染剂（碘液30S）（3）脱色（95%乙醇1020S）（4）复染（蕃红3060S）,A,B,B,B,A,B,A,A,革兰氏染色程序和结果,（3）脱色（95%乙醇1020S）,（1）初染（结晶紫30S）（2）媒染剂（碘液30S）（3）脱色（95%乙醇10-20S）（4）复染（蕃红3060S）,A,B,B,B,A,B,A,A,革兰氏染色程序和结果,（4）复染（蕃红3060S）,A：革兰氏阳性细菌G+,B：革兰氏阴性细菌G,（1）初染（结晶紫30S）（2）媒染剂（碘液30S）（3）脱色（95%乙醇1020S）（4）复染（蕃红3060S）,G+细菌与G细菌细胞壁构造的比较,G,细胞壁的结构（G+细菌与G细菌细胞壁构造的比较）,革兰氏阳性细菌（G+）,革兰氏阴性细菌（G）,肽聚糖,肽聚糖,外膜,G+细菌与G细菌细胞壁化学组成与结构：,为什么通过革兰氏染色G+呈兰色，G-呈红色？,脱色剂-95%乙醇为脂溶剂破坏G的外膜、肽聚糖层和细胞质膜，于是被乙醇溶解的结晶紫和碘的复合物从细胞中渗漏出来，当再用藩红复染时，显现红色。但在G+细胞中，乙醇使厚的肽聚糖层脱水，导致孔隙变小，由于结晶紫和碘的复合物分子较大，不能通过细胞壁，保持紫色。,细菌细胞壁功能：,1.保护原生质体免受渗透压引起的破裂作用；2.维持细菌的形态。溶菌酶处理不同形态的菌体细胞壁后，菌体均呈球状。3.细胞壁为多孔结构的分子筛，可以阻挡某些分子的进入。4.细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。,细胞质膜,主要由磷脂双分子层和蛋白质构成。,磷脂分子,水溶性甘油和磷酸,难溶于水的脂肪酸,细胞质膜的超薄切片电镜照片（标尺：0.2m）,细胞膜的生理功能：,是维持细胞内正常渗透压的屏障；选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；含有合成细胞壁和形成横膈膜组分的酶，合成细胞壁重要基地；膜内陷形成中间体，含有细胞色素，参与呼吸作用。膜上含有进行能量代谢的酶系，在细胞质膜上进行物质代谢和能量代谢，是细胞的产能场所；细胞质膜上有鞭毛基粒，是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位,细胞质和内含物细胞质,细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。细胞质的主要成分为核糖体、内含颗粒、拟核、多种酶类和中间代谢物、各种营养物等。,细胞质内含物核糖体,核糖体是细胞质中的一种核糖、核蛋白的颗粒状物质由核糖核酸RNA(60%)和蛋白质(40%)组成，常以游离状态或多聚核糖状态分布于细胞质中。它是蛋白质的合成场所。,细胞质内含物内含颗粒,贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒。当细菌生长到成熟阶段，因营养过剩而形成。主要功能是贮存营养物。,异染粒因其可用蓝色的染料（甲苯胺蓝或甲烯蓝）染成紫红色颗粒大小为0.51.0m，是无机偏磷酸的聚合物，一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量，在老龄细菌中，异染粒常被用作碳源和磷源。,聚-羟丁酸为脂溶性物质，不溶于水。很容易被脂溶性染料苏丹黑着染，在光学显微镜下清晰可见。当缺乏营养时，被用作碳源和磷源。,硫粒一些硫化菌如：贝日阿托氏菌可以利用H2S作为能源，氧化为硫粒积累在菌体，当缺乏营养时，氧化体内硫粒为SO42-,从中获得能量。硫粒具有很好的折光性，在光学显微镜下可轻松看到。,肝糖和淀粉粒均可用碘染色，前者为红褐色，后者为蓝色，二者可作为碳源和能源。,气泡（gasvocuole）,许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.21.0m75nm，内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹。,功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质,通常，一种菌含有一种或两种内含颗粒。,拟核,原核生物所特有的、无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。没有核膜和核仁。它由DNA高度折叠组成。例如：大肠杆菌体长为12微米，但其DNA长度为1100微米，等于菌体的1000倍，由于高度折叠而只占菌体的很小一部分。拟核携带着细菌的全部遗传信息，其功能就是：决定着细菌的遗传性状和传递遗传信息，是重要的遗传物质。,拟核,细菌的染色体和质粒,染色体,质粒,间体,是质膜向内延伸的膜结构，它是一种由细胞膜内褶而形成的囊状构造，其内充满着层状或管状的泡囊。功能（不完全清楚），推测可能有如下一些功能：相当于真核细胞的线粒体；相当于真核细胞的内质网与细胞壁的合成有关；可能与核分裂有关。但近年来，有的学者提出不同观点，认为间体只是电镜制片时因脱水操作而引起的一种假象。,细菌细胞的特殊结构,荚膜：有些细菌在细胞壁外面存在被外多糖。如果具有较好结构也不易洗掉，称为荚膜；如果薄并且容易消失称为粘液层。荚膜的成分一般为多糖，少数是蛋白质或多肽，也有多糖与多肽复合型。,荚膜、粘液层、菌胶团、衣鞘,荚膜的化学组成：含水率在9098，其他有机组分为多糖或多肽。多数：水+多糖少数：水+多肽正是由于含水很多，荚膜很难在显微镜下被清晰观察到。但又很难被染料着色，为了观察清楚，人们想出了一个好办法。,负染色法又称衬托法,1.先染菌体。2.再将背景染成黑色。在菌体及背景的衬托下，二者之间会出现透明区，就是荚膜，在显微镜下清晰可见。,荚膜的功能：1.具有荚膜的S-型肺炎链球菌毒力强，有助于侵入人体。2.具有保护功能。免受噬菌体的吞噬；免受干燥影响。3.当缺乏营养时，可作为碳源和能源，有的可作氮源。4.具有生物吸附作用。在污水生物处理中可将水中的有机物吸附到菌体上。,粘液层,有些细菌不产生荚膜，仍分泌粘液的多糖，其疏松的粘附在菌体细胞壁表面上，与外界没有明显的边缘。在污水处理中也有一定的生物吸附功能。,菌胶团,有些细菌由于遗传特性，细菌按一定的方式互相粘结在一起，并被一个公共的荚膜包围形成一定形状的细菌集团，称作菌胶团。形状有：蘑菇形、分支状、球形等。在污水处理中也有一定的生物吸附功能。,细菌的特殊结构特殊的休眠构造芽孢,某些细菌在其生长发育后期或遇到不良环境时，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（spore，偶译“内生孢子”）。所有的芽孢都可以抵挡外界不良环境。它是抵挡外界不良环境的休眠体。,枯草杆菌芽孢的超薄切片电镜照片（标尺：0.2m）,左：端位；中：近端位；右：中央位,细菌芽孢的各种类型,细菌芽孢的特点,整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。,芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞,产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。,芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。,芽孢的抵抗机制,芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同。1.含水率低，3840。（细菌平均含水率在7090。）2.芽孢壁厚而致密。分为三层，外层为蛋白质性质，中层为皮层，由肽聚糖构成。内层为孢子壁，肽聚糖构成。芽孢萌发时，孢子壁形成细胞壁。3.含有耐热性的2，6吡啶二羧酸。芽孢变成细胞时，2，6吡啶二羧酸消失。4.含有耐热性的酶。,由于芽孢具有上述本领，可以对不良环境：高温、干燥、光线、化学药物有很强的抵抗力。例如：细菌的营养细胞在7080时10min就会死亡，可芽孢在120140时可生存几个小时。,原因是它们除了染色体之外，还在进化过程中获得了额外的遗传物质。在炭疽芽孢杆菌中，那是两种不同的质粒。其中一种决定炭疽芽孢杆菌可以产生荚膜。细菌有了荚膜，就可以抵抗动物身体内白细胞的吞噬。所以，炭疽芽孢杆菌在动物的身体内，才能生长得那么快；动物死亡的时候，它们的器官和血液里几乎充满了这种细菌，也才能造成那样严重的污染。另一种决定这种细菌产生两种毒素。一种叫致死因子，另一种叫水肿因子。这可能是最厉害的细菌毒素，只要有一个分子进入细胞，就能使细胞破裂死亡。正由于这些毒素，食草动物感染炭疽后，才会那么快死亡；也由于毒素破坏了血管的细胞，才会那么严重的出血，把细菌带出体外，造成无法收拾的污染。,鞭毛螺旋丝一般构造：钩型鞘基体,外膜,外膜,细胞质膜,细胞质膜,细胞质膜,肽聚糖,肽聚糖,钩型鞘,螺旋丝,L-环,P-环,G+细菌鞭毛,G细菌鞭毛,特殊结构,S-环,M-环,细胞壁结构,细胞膜功能,细胞壁功能,偏端单生,两端单生,周生鞭毛,如：荧光假单胞,如：鼠咬热螺旋体,偏端丛生,如：丁香假单胞,两端丛生,如：红色螺菌,如：大肠杆菌,5）鞭毛（特殊结构）,根据鞭毛的数量和排列情况，细菌分为以下五种类型：,运动,鞭毛生理功能,运动方式：旋转,菌毛,菌毛又称纤毛、伞毛、线毛或须毛，是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面上的功能。菌毛比鞭毛简单，无基体等构造，直接着生于细胞质膜上。直径一般为3-10nm，每菌一般有250-300条。菌毛多数存在于G致病菌中。借助菌毛可使自己牢固地粘附在寄主体上。,特殊结构,菌毛使菌体附着于寄主细胞表面,新附着端,受体端,菌毛的功能,请说出下面细菌菌体从内到外的结构,鞭毛,菌毛,拟核,细胞质,细胞质膜,细胞壁,荚膜,cytoplasm,1.3细菌的培养特征,培养基：人工配制的供给微生物营养物质的基质。固体培养基(加入约1.5%的琼脂);半固体培养基(加入0.3-0.5%的琼脂);液体培养基。,在不同培养基上细菌会出现具有不同的培养特征。在固体培养基上，称为菌落,菌落：单个微生物接种在固体培养基上，在合适的条件下培养一段时间，生长繁殖形成一堆由无数个个体组成的肉眼可见的群体。,菌落特征主要有：大小、形状、光泽、颜色、质地软硬、透明度等。,培养皿通常称平板细菌在培养基上生长，会形成各种颜色和外观的菌落。,纯化的菌落是菌种鉴定、通过诱变技术或基因工程改良的前提。,Streptomycescoelicolor-1,铜绿假单孢,粘质沙雷氏菌,沙门氏菌,费氏志贺氏菌,菌落形态,菌落的特征主要由各种微生物特殊的遗传特性决定，同时也与培养基成分及培养条件有关当固定培养基成分及培养条件相同时，不同种类微生物形成的菌落特征是固定的，可作为微生物鉴定的重要依据。,没有鞭毛不运动的细菌，特别是球菌，常形成较小、较厚、边缘较整齐的菌落；有鞭毛的细菌则较大而扁平，边缘波状、锯齿状等；有荚膜的细菌菌落较大并且表面光滑，而没有荚膜的则表面较粗糙；具有芽孢的细菌菌落表面常有褶皱并且不透明。,细菌菌落具有一些共同的特征：小、湿润、粘稠、与基质结合松散，易被剥离，质地均匀，各部位颜色一致。但不同的细菌菌落也具有自己特有的特征。,霉菌（真菌）菌落,啤酒红酵母菌（真菌）菌落,具有放射状或树状分枝的菌丝,细菌的培养特征,液体培养基上：均匀浑浊沉淀生长表面生长,在液体中群体细菌的生存形式随密度不同或者在液体培养基表面形成膜（轻）,使培养液混浊（中）,或产生絮状沉淀（粘重，如菌胶团、活性污泥）。,1.4细菌的物理化学性质,（一）细菌表面电荷和等电点细菌表面带负电荷；由细菌表面的蛋白质（两性电解质）的等电点和外界的pH值所决定。（二）细菌染色原理及染色方法1.染色原理通过染色，可增加菌体与背景的反差，在显微镜下可清楚地看见菌体的形态。常用的染料是碱性染料（由于细菌表面经常带负电。特殊的染色方法：如、鞭毛染色、负染色法等。2.染色方法染色方法分两大类：简单染色和复合染色。,3.革兰氏染色法革兰氏染色的机制有以下两点：(1)革兰氏染色与等电点的关系G+菌的等电点低于G-菌，所带负电荷更多，因此，它与结晶紫的结合力较大，不易被乙醇脱色。(2)革兰氏染色与细胞壁的关系G+的细胞壁脂类少，肽聚糖多，G-则相反，故乙醇容易进入G-细胞，进行脱色。,第三节蓝细菌,特征：（1）没有细胞核；（2）没有有丝分裂；（3）细胞壁为肽聚糖；（4）核糖体为70S；（5）没有叶绿体；（6）G-色素：叶绿素a；藻胆蛋白色素；藻红蛋白,念珠蓝细菌(Nostoc),颤蓝细菌(Oscillatoria),图一，上面两张照片是一种很常见的蓝细菌：索球藻属这种蓝细菌覆盖在水面上，覆盖几毫米厚，把水的表面染成深绿色。每团索球藻有100m大，团里的细胞都裹在粘液里。细胞团外部的黑色物质是由许多细菌构成的，也许他们要呼吸蓝细菌通过光合作用生成的氧气吧。,左：念珠藻属,右，项圈藻,一种能固氮的菌。表面部透明的小细胞（右数第三个）是异型细胞。这个异型细胞能固氮。左边又大又亮的细胞叫厚壁孢子或静息孢子。,图2.一种池塘中的蓝藻（蓝细菌）在有营养的水中很常见，能毒害水体，放出臭味,图3，这是前一图的放大的某一纤维。充满气泡使纤维能浮在水面上，以便更好的获得阳光,一种蓝细菌（蓝藻）：它形成了一层细胞厚的“席子”mucilage:黏液dividingcell:正在分裂的细胞,第四节放线菌,1.放线菌的形态构造2.放线菌的繁殖3.放线菌的群体特征4.放线菌的生活史,从分类学上，是真细菌的一大类群，G+。在伯杰氏手册中属厚壁菌门，放线菌纲。是介于细菌和真菌之间的单细胞微生物：（1）细胞结构和化学组成与细菌同属原核生物。（2）菌体呈纤细的菌丝，且分枝，又以外生孢子的形式繁殖，这些特征又与霉菌相似。,3.1放线菌的形态构造,放线菌的形态比细菌复杂些，但仍属于单细胞。在显微镜下，放线菌呈分枝丝状，我们把这些细丝一样的结构叫做菌丝，菌丝直径与细菌相似，小于1微米。菌丝细胞的结构与细菌基本相同。根据菌丝形态和功能的不同，放线菌菌丝可分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。链霉菌属是放线菌中种类最多、分布最广、形态特征最典型的类群，其形态如下图所示。,放线菌的菌丝,链霉菌的一般形态和构造,光学显微镜下观察到的放线菌,3.2放线菌的繁殖放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性孢子方式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子散落在适宜环境里发芽形成新的菌丝体；另一种方式是菌丝体的无限伸长和分枝，在液体振荡培养（或工业发酵）中，放线菌每一个脱落的菌丝片段，在适宜条件下都能长成新的菌丝体，也是一种无性繁殖方式。,3.3放线菌的菌落放线菌在固体培养基上形成与细菌不同的菌落特征，放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取，当大量孢子覆盖于菌落表面时，就形成表面为粉末状或颗粒状的典型放线菌菌落，由于基内菌丝和