环境工程微生物学第二章-原核微生物1

第一节真细菌（Eubacteria）,二、细菌的群体形态,一、一般形态及细胞结构,第二节放线菌(Actinomyces),第三节蓝细菌（Cyanobacteria）,第四节支原体、立克次氏体和衣原体,第五节古生菌（myxobacteria）,第二章原核微生物,第一节真细菌（Eubacteria）,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,（二）大小,（三）细胞的结构,1、细胞壁,2、细胞膜,3、细胞质和内含物,4、核区,5、特殊的休眠构造芽孢,6、细菌细胞壁以外的构造糖被,7、细菌细胞壁以外的构造鞭毛,8、细菌细胞壁以外的构造菌毛9、细菌细胞壁以外的构造性毛,微生物,（病毒）,古生菌（Archaea）细菌（Bacteria）,真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等,非细胞型,细胞型,原核微生物,真核微生物（Eukarya）,又称真细菌（eubacteria），包括普通细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体等,古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。,细菌,古生菌,真核生物,真核细胞,原核细胞,真核细胞中的细胞器,第一节真细菌（Eubacteria）,一、形态构造及其功能,（一）个体形态和排列,球状,杆状,螺旋状,基本形态,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,1、球状,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。,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,1、球状,金黄色葡萄球菌,淋病奈瑟氏球菌,肺炎链球菌,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,2、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。,杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化，一般不作为分类依据。,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,球杆菌,枯草芽孢杆菌,地衣芽孢杆菌,铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）,结核分枝杆菌,炭疽病的病原菌-炭疽杆菌,破伤风梭菌,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,3、螺旋状,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。,霍乱弧菌,(寄生性弧菌-蛭弧菌),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。,螺旋体菌：,菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。,梅毒密螺旋体,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形状和排列,细菌基本形态,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形状和排列,4、其它形状,1）,柄杆菌（prosthecatebacteria）,（一）个体形状和排列,2）,星形细菌（star-shapedbacteria）,3）,方形细菌（square-shapedbacteria）,（Stella）,（Haloarcula）,4、其它形状,第一节真细菌（Eubacteria）,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,（二）大小,（三）细胞的结构,1、细胞壁,2、细胞膜,3、细胞质和内含物,4、核区,5、特殊的休眠构造芽孢,6、细菌细胞壁以外的构造糖被,7、细菌细胞壁以外的构造鞭毛,8、细菌细胞壁以外的构造菌毛9、细菌细胞壁以外的构造性毛,(二)细菌大小,1、范围,最小：,与无细胞结构的病毒相仿（50nm；）,最大：,肉眼可见（0.75mm）；,(二)细菌大小,1、范围,费氏刺骨鱼菌(0.08mmx0.6mm)(Epulopisciumfishelsoni)比大肠杆菌大100万倍（1985年发现）,德国科学家H.N.Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfurbacterium），其大小可达0.75mm，Thiomargaritanamibiensis-“纳米比亚硫磺珍珠”,TheLargestBacterium:ScientistDiscoversNewBacterialLifeFormOffTheAfricanCoast,AsinglecellofThiomargaritaphotographednexttoafruitfly.Theheadoftheflyandthewhitecellhaveaboutthesamediameter(0.5mm).,(二)细菌大小,1、范围,（nanobacteria）（50nm）,最大和最小细菌的个体大小悬殊：,（Thiomargaritanamibiensis）（0.75mm）,一、一般形态及细胞结构,细菌大小,1、范围,（二）大小,1、范围,光学显微镜物镜的特性,在对细菌进行光学显微镜观察时，油镜最常使用，也最为重要。,（二）大小,1、范围,一般细菌的大小范围：,0.51mm（直径）,0.21mm（直径）X180mm（长度）,0.31mm（直径）X150mm（长度）(长度是菌体两端点之间的距离，而非实际长度),（二）大小,2、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,（二）大小,2、细菌大小测量结果的影响因素,个体差异；,干燥、固定后的菌体会一般由于脱水而比活菌体缩短1/3-1/4；,染色方法的影响，一般用负染色法观察的菌体较大；,环境条件，如培养基中渗透压的改变也会导致细胞大小的变化。,第一节真细菌（Eubacteria）,一、一般形态及细胞结构,（一）个体形态和排列,（二）大小,（三）细胞的结构,1、细胞壁,2、细胞膜,3、细胞质和内含物,4、核区,5、特殊的休眠构造芽孢,6、细菌细胞壁以外的构造糖被,7、细菌细胞壁以外的构造鞭毛,8、细菌细胞壁以外的构造菌毛9、细菌细胞壁以外的构造性毛,（三）细胞的构造,特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造,一般构造：一般细菌都有的构造,（三）细胞的结构,1、细胞壁,1）概念：,细胞壁（cellwall）是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。,（三）细胞的结构,1、细胞壁,2）证实细胞壁存在的方法：,（1）细菌超薄切片的电镜直接观察；,（2）质、壁分离与适当的染色，可以在光学显微镜下看到细胞壁；,（3）机械法破裂细胞后，分离得到纯的细胞壁；,（4）制备原生质体，观察细胞形态的变化；,（三）细胞的结构,1、细胞壁,3）细胞壁的功能：,（1）固定细胞外形和提高机械强度；,（2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；,（3）渗透屏障，阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质（分子量大于800）进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；,（4）细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础；,（三）细胞的结构,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,简单染色法正染色革兰氏染色法鉴别染色法抗酸性染色法芽孢染色法死菌姬姆萨染色法细菌染色法负染色：荚膜染色法等活菌：用美蓝或TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色,（1）革兰氏染色,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（1）革兰氏染色,C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（1）革兰氏染色,1、用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染1-2min,2、用碘溶液进行媒染1-2min，其作用是提高染料和细胞间的相互作用从而使二者结合得更牢固。,3、用乙醇或丙酮冲洗脱色45s。在经历脱色后仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细胞呈无色。,4、用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对涂片复染2-3min。例如沙黄，它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（1）革兰氏染色,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（1）革兰氏染色,表3-1革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁成分的比较,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,特点：厚度大（2080nm）化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,肽聚糖(peptidoglycan),磷壁酸（teichoicacid）,又称粘肽(mucopeptide)、胞壁质(murein)或粘质复合物(mucocomplex)，是真细菌细胞壁中的特有成分。,结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性物质,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,A、肽聚糖,由四个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成,双糖单位中的-1,4-糖苷键很容易被溶菌酶(lysozyme)所水解，从而引起细菌因肽聚糖细胞壁的“散架”而死亡。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,A、肽聚糖,厚约2080nm，由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上。,双糖单位,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,A、肽聚糖,目前所知的肽聚糖已超过100种，在这一“肽聚糖的多样性”中，主要的变化发生在肽桥上。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,B、磷壁酸,革兰氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。,二价阳离子，特别是高浓度的Mg2+。的存在，对于保持膜的硬度，提高细胞膜上需Mg2+的合成酶的活性极为重要。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,B、磷壁酸,主要生理功能：,细胞壁形成负电荷环境，增强细胞膜对二价阳离子的吸收；,贮藏磷元素；,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁,B、磷壁酸,主要生理功能：,增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；,革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础；,噬菌体的特异性吸附受体；,可作为细菌分类、鉴定的依据,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,肽聚糖,外膜,外膜蛋白,周质空间,TheenvelopeofGram-bacteriaandGram+bacteria,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,A、肽聚糖,埋藏在外膜层之内，是仅由12层肽聚糖网状分子组成的薄层(23nm)，含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。,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,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等组成的膜，有时也称为外壁。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）,位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚（810nm）的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖(corepolysaccharide)和O-特异侧链（O-specificsidechain，或称O-多糖或O-抗原）三部分组成。,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),脂多糖的主要功能,LPS结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；,根据LPS抗原性的测定，沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达2107种，一般都源自O-特异侧链种类的变化。,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),脂多糖的主要功能,LPS负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),脂多糖的主要功能,类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质内毒素的物质基础；,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,B、外膜(outermembrane),脂多糖的主要功能,具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；,许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,C、外膜蛋白(outermembraneprotein),嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白。有20余种，但多数功能尚不清楚。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,D、周质空间(periplasmicspace,periplasm),又称壁膜间隙。在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约1215nm），呈胶状。,周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,D、周质空间,在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmicproteins）,水解酶类；,合成酶类；,结合蛋白；,受体蛋白；,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁,D、周质空间,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（4）革兰氏阳性和阴性细菌的比较,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（4）革兰氏阳性和阴性细菌的比较,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（4）革兰氏阳性和阴性细菌的比较,原理:通过结晶紫初染和碘液媒染后，在细胞壁内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物，革兰氏阳性菌由于其细胞壁较厚、肽聚糖网层次较多且交联致密，故遇乙醇或丙酮脱色处理时，因失水反而使网孔缩小，再加上它不含类脂，故乙醇处理不会出现缝隙，因此能把结晶紫与碘复合物牢牢留在壁内，使其仍呈紫色；而革兰氏阴性菌因其细胞壁薄、外膜层类脂含量高、肽聚糖层薄且交联度差，在遇脱色剂后，以类脂为主的外膜迅速溶解，薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此通过乙醇脱色后仍呈无色，再经沙黄等红色染料复染，就使革兰氏阴性菌呈红色。,1、细胞壁,4）革兰氏染色与细胞壁：,（4）革兰氏阳性和阴性细菌的比较,革兰氏染色的原理,（二）细胞的结构,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,缺壁突变L型细菌实验室或宿主体内形成基本去尽原生质体（G+）缺壁细菌人工去壁部分去除球状体（G-）在自然界长期进化中形成支原体,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,（1）L型细菌（L-formofbacteria）,细菌在某些环境条件下（实验室或宿主体内）通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型。,因英国李斯德（Lister）预防研究所首先发现而得名（1935年，念珠状链杆菌Streptobacillusmoniliformis）,大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中均有发现，被认为可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。,特点：,没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；,有些能通过细菌滤器，故又称“滤过型细菌”；,对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）；,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,（1）L型细菌（L-formofbacteria）,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,（2）原生质体（protoplast）,在人为条件下，用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的，圆球形、对渗透压变化敏感的细胞，一般由革兰氏阳性细菌形成。,特点：,对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心甚至通气等都易引起其破裂；,有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，也不被相应噬菌体所感染；,在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌落，形成芽孢。及恢复成有细胞壁的正常结构。,比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,（3）球状体(sphaeroplast)，又称原生质球,采用上述同样方法，针对革兰氏阴性细菌处理后而获得的残留部分细胞壁（外壁层）的球形体。与原生质体相比，它对外界环境具有一定的抗性，可在普通培养基上生长。,1、细胞壁,5）细胞壁缺陷细菌：,（4）支原体(Mycoplasma),在长期进化过程中形成的、适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物。因它的细胞膜中含有一般原核生物所没有的甾醇，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。,（二）细胞的结构,2、细胞膜,1）概念：,细胞质膜（cytoplasmicmembrane），又称质膜（plasmamembrane）、细胞膜（cellmembrane）或内膜（innermembrane），是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚约78nm，由磷脂（占20%30%）和蛋白质（占50%70%）组成。,（二）细胞的结构,2、细胞膜,（二）细胞的结构,2、细胞膜,2）细胞膜的化学组成与结构模型：,（1）磷脂,亲水的极性端,疏水的非极性端,2）细胞膜的化学组成与结构模型：,（1）磷脂,在极性头的甘油3C上，不同种微生物具有不同的R基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等。,非极性尾则由长链脂肪酸通过酯键连接在甘油的C1和C2位上组成，其链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异。,2）细胞膜的化学组成与结构模型：,（1）磷脂,膜的流动性很大程度上取决于不饱和脂肪酸的结构和相对含量。细胞膜上长链脂肪酸的链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异，通常生长温度要求越高的种，其饱和度也越高，反之则低。,2）细胞膜