环境细胞微生物学第一章N

第一章微生物的形态和构造（一）原核微生物,微生物根据其不同的进化水平和形状上的明显差别可分为原核微生物、真核微生物和非细胞微生物三大类群。原核微生物：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体衣原体,第一节细菌,细菌：是一类细胞细而短（细胞直径约0.5m，长度约0.55m）、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性比较强的原核微生物。,一、细菌的形态构造及其功能,（一）形态和染色细菌的形态基本上只有三大类：球状、杆状、螺旋状,球菌(coccus):单球菌；双球菌；链球菌；四联球菌；八叠球菌；葡萄球菌,细菌的一般形态,杆菌(bacillus):杆菌细胞呈杆状或圆柱形：长杆菌、短杆菌、梭状杆菌,球菌分裂后子细胞的连接方式,螺旋菌(spirilla):细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。弧菌、螺菌、螺旋体螺旋不满一周称为弧菌，满26环的称为螺菌，6环以上称为螺旋体。,特殊形态细菌,淋病球菌,Staphylococcusaureus,丝状菌,杆菌,霍乱弧菌,典型细菌的大小可用Escherichiacoli作代表：长2m，宽：0.5m。,最小的细菌,纳米细菌：细胞直径最小为50纳米1996年在火星陨石中发现的一种直径10纳米的微小化石成分很可能是一种纳米细菌地下发现的超微型细菌，为正常细菌大小的1%,最大的细菌,纳米比亚硫磺珍珠菌,细菌的染色,由于细菌的细胞极其微小又十分透明，用水浸片观察法在光学显微镜下观察时，只能看到大体形态和运动的情况。若要在光学显微镜下观察其细致形态和主要构造，一般都要对它们进行染色。,细菌染色法:,简单染色法简单染色法又叫作普通染色法，只用一种染料使细菌染上颜色，如果仅为了在显微镜下看清细菌的形态，用简单染色即可。,细菌的简单染色步骤涂片干燥固定染色水洗干燥镜检,复杂染色法,用两种或多种染料染细菌，目的是为了鉴别不同性质的细菌，所以又叫鉴别染色法。主要的复染色法有:革兰氏染色法抗酸性染色法,复杂染色法,革兰氏染色法：不仅能观察到细菌的形态，而且还可将所有细菌区分为两大类：染色反应呈蓝紫色的称为革兰氏阳性细菌，用G+表示；染色反应呈红色（复染颜色）的称为革兰氏阴性细菌，用G-表示。细菌对革兰氏染色的不同反应，是由于它们细胞壁的成分和结构不同而造成的。,Gramstain革兰氏染色法,准备：拭净玻片。以无菌操作制作涂片，干燥，热固定后备用。初染：結晶紫染色1分钟。水洗去掉浮色。媒染：碘液（碘-碘化钾）染色1分钟。脫色：以95%乙醇脱色10-30sec，革兰氏阳性菌不被褪色而呈紫色，革兰氏阴性菌被褪色呈无色。复染：以番紅复染1分钟，革兰氏阳性菌仍呈紫色，革兰氏阴性菌呈现红色。,革兰氏染色注意事项,1.革兰氏染色成败的关键是脱色时间，如脱色过度，革兰氏阳性菌也可被脱色而被误认为革兰氏阴性菌；如脱色时间过短，革兰氏阴性菌也会被误认为是革兰氏阳性菌。因此必须严格把握脱色时间。,2.选用培养18-24小时菌龄的细菌为宜，若细菌太老，由于菌体死亡或自溶常使革兰氏阳性菌转呈阴性反应。,革兰氏染色的意义,分类鉴定菌种时的重要指标：通过这一染色，可把几乎所有的细菌都分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现出明显的差异，因此，革兰氏染色可提供不少重要的生物学特性方面的信息。,（二）原核生物细胞的结构和功能,细胞壁（cellwall）是包围在细菌体表最外层的、坚韧而有弹性的薄膜。化学组成：主要成分是肽聚糖（肽聚糖是由两种氨基糖和氨基酸组成的一个坚韧的多聚体结构）,1、细胞壁,肽聚糖革兰阳性菌聚糖骨架、四肽侧链、五肽交联桥三维立体结构，坚固40层左右革兰阴性菌聚糖骨架、四肽侧链二维平面结构，疏松12层,N-乙酰葡糖胺,N-乙酰胞壁酸,1，4糖苷键,共有组分,溶菌酶作用位点,青霉素作用位点,革兰氏阳性细菌细胞壁壁厚，2080纳米，结构简单，含肽聚糖、磷壁酸革兰氏阴性细菌细胞壁较薄，10纳米，结构复杂分为外壁层和内壁层外壁层分为：外层脂多糖，中间磷脂层，内层为脂蛋白内壁层含肽聚糖，不含磷壁酸,革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁成分比较,1、细胞壁,功能：细菌细胞壁的生理功能有：1)保护原生质体免受渗透压引起破裂的作用；2)维持细菌的细胞形态(可用溶菌酶处理不同形态的细菌细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明)；3)细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保留蛋白质在间质(革兰氏阴性菌细胞壁和细胞质之间的区域)；4)细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。,革兰氏染色机理,革兰氏染色是基于细菌细胞壁特殊化学组分基础上的一种物理原因。,革兰氏染色机理,通过初染和媒染操作后，在细菌的膜或原生质体上染上了不溶于水的结晶紫与碘的大分子复合物。革兰氏阳性细菌由于细胞壁较厚、肽聚糖含量较高和其分子交联度较紧密，故在用乙醇脱色时，肽聚糖网孔会因脱水而明显收缩，再加上它基本不含类脂，故乙醇处理不能在壁上溶出缝隙，因此结晶紫与碘的复合物会牢牢阻留在其细胞壁内，使其呈现紫色。,革兰氏染色机理,反之，革兰氏阴性菌因其壁薄、肽聚糖含量低和交联松散，故遇乙醇后，肽聚糖网孔不易收缩，加上它的类脂含量高，所以当乙醇把类脂溶解后，在细胞壁上就会出现较大的缝隙，这样结晶紫与碘的复合物就极易被溶解出细胞壁，因此，通过乙醇脱色后，细胞又呈无色。这时，再经番红等红色染料进行复染，就使脱色的革兰氏阴性细菌呈粉红色，而革兰氏阳性细菌则仍保持第一次的染色结果-紫色（实为紫中带红）。,2、细胞膜,质膜的组成及结构：由磷脂分子和蛋白质组成双层膜结构质膜的功能1.控制细胞内外的物质运送、交换2.渗透屏障的功能（维持细胞内正常渗透压）3.参与细胞壁（肽聚糖、磷壁酸）和荚膜的生物合成4.许多酶和电子传递链组分的所在部位5.为鞭毛的着生点，并为其提供运动所需能量,间体(mesosome),由细胞质膜内陷而成的一种管状的、层状或囊状的结构，一般位于细胞分裂部位或其邻近，功能主要是促进细胞间隔的形成并与遗传物质的复制及其相互分离有关。,间体,白喉杆菌的间体,3、细胞质及内含物,细胞质：是在细菌细胞膜以内除核质体外的无色透明、粘稠的复杂胶体，亦称原生质。由蛋白质、核酸、多糖、脂质、无机盐和水组成。,细胞内含物：核糖体内含颗粒,核糖体(ribosome)：它们由核糖核酸(rRNA)和蛋白质组成。功能：核糖体是蛋白质合成的场所。每个细菌细胞约含500050000个核糖体。,内含物,1）多聚磷酸盐颗粒，磷酸盐储存体。也称异染粒2）聚-羟基丁酸(PHB)3）硫粒4）糖原和淀粉粒5）气泡6）藻青素颗粒7）羧化体8）磁小体,细菌细胞质中的内含物,4.拟核(nucleoid),细菌核质体（拟核）含有一个大型环状的双链DNA分子，长度为0.253mm。核质体是负载细菌遗传信息的物质基础。它的功能是决定遗传性状和传递遗传性状。,5、特殊结构,荚膜鞭毛菌毛（菌须）芽孢,(1)、荚膜,在一定营养条件下，部分细菌能够向细胞外分泌一些胶粘性的物质，并附着在细胞的表面，这类物质称之为荚膜。不同细胞的荚膜连在一起，形成一个公共荚膜包围多个菌体，称菌胶团。,双球菌的荚膜,菌胶团,一种细菌的负染照片，显示荚膜,高碳氮比和强通气条件的培养基有利于好氧细菌的荚膜形成。荚膜是细菌的分类特征之一糖被荚膜（荚膜和微荚膜）粘液层菌胶团衣鞘,葡聚糖：肠膜状明串珠菌等纤维素：木醋杆菌杂多糖：几种链球菌（如肺炎链球菌）,纯多糖,多糖,多肽：碳疽芽孢杆菌蛋白质：鼠疫耶尔森氏菌等多肽和多糖：巨大芽孢杆菌DNA：几种盐杆菌（生长在亚适量盐浓度下时形成）,荚膜成分,a.荚膜的组分：多糖和多肽或蛋白质，尤以多糖居多。,荚膜的含水率为90%98%,b.荚膜的主要功能：病原菌的荚膜与致病能力有关。（如S型肺炎链球菌）荚膜使细胞免受干燥的危害，保护致病菌免受宿主吞噬细胞的吞噬。贮藏养料，当营养缺乏时，可被用作碳源和能源，有的可作氮源。水处理中，细菌荚膜对废水中的物质有生物吸附作用。,黏液层，细胞表面分泌的黏性多糖，疏松附着在细菌细胞壁表面上，与外界没有明显边缘。衣鞘：水生丝状菌体表的黏液层或荚膜硬质化，形成一个透明坚韧的空壳，为衣鞘。,(2)、鞭毛,形态：鞭毛是从细胞膜内长出(主要由鞭毛蛋白构成)穿过壁伸出体外，形成细长的丝。功能：细菌细胞运动的器官类型：根据鞭毛着生位置和数目分为三种，端生、周生、侧生。鞭毛在实践中的意义是作为菌种分类鉴定中的重要指标。,细菌的鞭毛,鞭毛的着生方式：,周生,鞭毛的观察：电镜：光学显微镜:用染料加粗鞭毛可观察到；暗视野，水浸片半固体穿刺培养从固体培养基上的菌落形态判断:菌落形状大，薄且不规则，边缘极不平整，可能有鞭毛。菌落十分圆滑，边缘平整且相对较厚，可能没有鞭毛。,无动力,有动力,半固体穿刺培养（含0.3%0.4%琼脂）,(3)、菌毛,菌毛（pillus,fimbria),是长在细菌体表的一种纤细、中空、短直、数量较多（250-300）的蛋白质附属物。在革兰氏阴性菌种常见。结构较鞭毛简单，功能是使细菌较牢固地粘连载物体表面上。,大肠杆菌的菌毛图片来自,(4)、芽孢,在一定的生长阶段，细菌细胞内形成一个球形或卵形的、具有厚壁结构，并处于休眠状态的物质，这种物质称为芽孢（endospore,spore）。功能：抵抗逆境芽孢有极强的抗热能力抗辐射、抗化学药物抗静水压极强的休眠能力,能形成芽孢的细菌种类：在杆菌中能形成芽孢的种类较多，在球菌和螺旋菌中只有少数菌种可形成芽孢。产生芽孢的几个属：芽孢杆菌属梭状芽孢杆菌属芽孢乳杆菌属生孢八叠球菌属（其中的一个种）,细菌芽孢的各种类型,芽孢的组成和结构芽孢有多层结构，主要包括孢外壁、芽孢衣、皮层和核心.,芽孢的特性:1.含水量低、2.壁厚而致密，通透性差3.芽孢中的DPA含量高，与芽孢耐热性有关4.芽孢含有耐热性酶芽孢是抵抗外界不良环境的休眠体。一个芽孢萌发产生一个个体。,October:anthraxalertAnthraxsporeswerediscoveredatanewspaperofficeinFlorida.FurthercaseswereconfirmedinNewYork,WashingtonDCandelsewherebutpolicehavefailedtoestablishwhethertheoutbreakswerelinkedtoSeptember11.,Bacillusanthracis,伴孢晶体,少数芽孢杆菌在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双椎形的碱溶性蛋白晶体，称为伴孢晶体。,在芽孢杆菌属（Bacillus）中，为人类研究最深入最广泛的是Bacillusthuringensis(苏云金芽孢杆菌)。B.thuringensis的伴孢晶体对许多鳞翅目、双翅目和鞘翅目等200多种昆虫和动、植物线虫有毒杀作用，因此可将这类细菌制成对人畜安全、对害虫的天敌和植物无害，有利于环境保护的生物农药（“Bt”细菌杀虫剂）。,Bacillusthuringensis(苏云金芽孢杆菌)（enhancedSEM，X14085，bar.1micrometer）,二、细菌的群体形态（培养特征）,菌落(colony)：以母细胞为中心的一堆肉眼可见的、有一定形态构造的子细胞集团。如果细菌是由一个单细胞发展而来的，它就是一个纯种的细胞群或克隆(clone)。如果将某一纯种的大量细胞密集地接种到固体培养基表面，结果长成的各个“菌落”相互联接成一片，这就是菌苔(lawn)。,表面特征：光滑还是粗糙，干燥还是湿润边缘特征：圆形、边缘整齐、呈锯齿装、边缘伸出卷曲呈毛发状、边缘呈花斑状纵剖面特征：平坦、扁平、隆起、凸起、草帽状、胶状、乳头状等,光滑型菌落：如肺炎链球菌具荚膜，表面光滑、湿润、黏稠，称为光滑型菌落（S型）粗糙型菌落：枯草芽孢杆菌不具荚膜，菌落表面为表面干燥、皱褶、平坦，称为粗糙型菌落（R型）,金黄色葡萄球菌onbloodagarplate,（一）在固体培养基上的培养特征,Samplesweretakenfromthenumberedcoloniesandexaminedmicroscopically,细菌菌落的特征,一般都较小，菌落与培养基结合不紧密，用接种针容易挑起，多数表面较光滑、湿润、较粘稠，质地均匀，色泽多样。,无鞭毛、不能运动的细菌尤其是各种球菌来说，随着菌落中个体数目的剧增，只能靠“硬挤”的方式来扩大菌落的体积和面积，就形成了较小、较厚、边缘极其圆整的菌落。长有鞭毛的细菌：菌落大而扁平、形状不规则和边缘多缺刻，运动能力强的细菌还会出现树根状甚至能滑动的菌落。有荚膜的细菌：菌落十分光滑，并呈透明的蛋清状，形状较大。,产芽孢的细菌：芽孢引起折光率变化，是菌落的外形变得很不透明或有“干燥”之感，并因其细胞分裂后常连成长链状而引起菌落表面粗糙、有褶皱感，再加上它们一般都有周生鞭毛，因此产生了既粗糙、多褶、不透明，又有外形及边缘不规则特征的菌落。,菌苔：是细菌在斜面培养基接种线上长成的一片密集的细菌菌落。,（二）在半固体培养基中的培养特征,用穿刺接种技术将细菌接种在质量浓度3-5g/L琼脂培养基中，根据细菌的生长状态可判断细菌的呼吸类型和鞭毛有无。细菌在培养基的表面及穿刺线上部生长为好氧菌；沿穿刺线自上而下生长者为兼性厌氧菌；如只在穿刺线的下部生长为厌氧菌。只沿穿刺线生长者没有鞭毛；穿透培养基扩散生长者有鞭毛。,（三）细菌在液体培养基中的培养特征,三、细菌的物理化学性质,（一）细菌表面电荷和等电点（二）细菌悬液的稳定性（三）细菌悬液的混浊度（四）细菌的密度