第二章 原核微生物

第二章原核微生物,原核微生物,1.原核微生物的特点1）没有发育完全的核，DNA高度折叠为核区，拟核；2）没有细胞器，细胞膜内陷形成不规则泡沫结构体系；3）不进行有丝分裂。,2.本章授课重点细菌、放线菌、蓝细菌,第一节细菌（bacteria）,一、细胞的形态构造及其功能,（一）形态和染色,球状,杆状,螺旋状,基本形态,一、细胞的形态和大小,（一）细菌形态,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。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。,一、细胞的形态构造及其功能,（一）细菌的形态,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。分有：单杆菌、双杆菌和链杆菌。,炭疽病的病原菌-炭疽杆菌,一、细胞的形态和大小,（一）细菌形态,3、螺旋菌,螺旋菌呈螺旋卷曲状，螺纹不满一圈的称为弧菌。,一、细胞的形态构造及其功能,（一）形态和染色,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。,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。,二、细菌的大小与重量,细菌的大小测量单位是um,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。,二、细胞的结构,一般结构：细菌都有的构造,特殊结构：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的,1、细菌细胞的一般构造,细胞壁（cellwall）是位于细胞体表最外层，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧且略具弹性的细胞结构。约占干重的1025%。,1）细胞壁（cellwall),不同细菌的细胞壁化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G）。,细菌是单细胞结构。,(1)革兰氏阳性菌（G+）的细胞壁成分,G+菌细胞壁化学组成以肽聚糖(peptidoglycan)为主。这是原核微生物所特有的成份，占细胞壁物质总量的4090%。另外还含有磷壁酸及少量的蛋白质和脂肪。,G+菌细胞壁较厚，约为2080nm，结构简单。,磷壁酸又名垣酸，是大多数G+菌所特有的成分，约占细胞壁成分的10%。,(2)革兰氏阴性菌（G）的细胞壁成分,主要成份为：脂多糖、磷脂、脂蛋白、肽聚糖，G有肽聚糖，仅占细胞壁干重的5-10%。,G细胞壁很薄，厚度约为10nm，但它的组成和结构比G+更复杂。分为外壁和内壁。其中，外壁又可分为三层：最外层为脂多糖，中间层为磷脂层，内层为脂蛋白。,(3)G+细菌与G-细菌细胞壁的比较,总结：1.G+菌具有大量的肽聚糖，独含磷壁酸，不含脂多糖；2.G-菌含有少量的肽聚糖，独含脂多糖，蛋白质含量较多，不含磷壁酸。,细胞壁的生理功能,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。,2）、细胞膜,（1）细胞概念：,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。约占细菌体重的10左右。,（2）细胞膜的化学组成与结构模型：,细胞膜的化学组成主要为蛋白质、脂类和多糖。蛋白质（占50%70%）脂类为磷脂（占20%30%）多糖约占2。,（2）细胞膜的化学组成与结构模型：,亲水的极性端,疏水的非极性端,（3）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，含有叶绿素，参与光合作用。,还有吗？,（3）细胞膜的生理功能：,膜上含有氧化磷酸化、NADH脱氢酶等能量代谢的酶系，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；,细胞质的主要成分为核糖体、内含颗粒、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等。,3）、细胞质和内含物,（1）概念：,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%。,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。,(2)核糖体(ribosome),（3）贮藏物(reservematerials)：即内含颗粒,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(metachromaticgranules)因其可用蓝色的染料（甲苯胺蓝或甲烯蓝）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，当老龄细菌中，异染粒常被用作碳源和磷源。,聚-羟丁酸(poly-hydroxybutyrate,PHB)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。,4）、核区（nuclearregionorarea）,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。,2、细菌细胞的特殊结构,1）、荚膜,荚膜是一部分细菌在细胞壁表面分泌的一种粘性物质，将细胞壁完全包围封在里边。荚膜将细菌与外界相对稳定的分开，二者有明显的分界边缘。当有足够的O2，C/N较高是，好氧菌易形成荚膜。荚膜一般很厚，但有的也很薄，当小于200微米时，称为微荚膜。,2、细菌细胞的特殊结构,1）、荚膜,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。,2、细菌细胞的特殊结构,1）、荚膜,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。,2、细菌细胞的特殊结构,2、细菌细胞的特殊结构,1）、荚膜,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。,2）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。,3）菌胶团,有些细菌由于遗传特性，细菌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。见课本P30图1.2-6。在污水处理中也有一定的生物吸附功能。,4）、鞭毛(flagellum),（1）概念,某些细菌细胞表面着生的一至数十条长丝状、螺旋形的附属物，这就是鞭毛。具有推动细菌运动功能，为细菌的“运动器官”。,鞭毛的直径为0.0010.02m，长短不一，在250m之间。,2）、鞭毛(flagellum),鞭毛的有无和着生方式,单端鞭毛,端生丛毛,两端生鞭毛,周生鞭毛,5）、特殊的休眠构造芽孢,（1）概念,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。,5）、特殊的休眠构造芽孢,（1）概念,（2）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；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。,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。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）,（3）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。,（3）芽孢的抵抗机制,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。,细菌主要是通过无性繁殖产生后代。其繁殖方式是二分裂，简称裂殖。细菌的繁殖过程分为三个连续步骤：核的分裂和隔膜的形成；横隔壁形成；子细胞分裂。另外有的细菌还存在：三分裂和复分裂。,三、细菌的分裂,（三）细菌的繁殖,1、裂殖（fission）,1）、二分裂（binaryfission）,四、细菌的群体形态,（一）、在固体培养基上（内）的培养特征,固体培养基：含有1.52.0琼脂,细菌在固体培养基上的培养特征为菌落特征。菌落：将单个细胞接种到培养基上，给予一定的培养条件，细菌就会在固体培养基上迅速繁殖形成一个由无数细菌组成的群落。不同的菌落的特征有所不同。包括形态、大小、颜色、透明度等,四、细菌的群体形态,四、细菌的群体形态,（一）、在固体培养基上（内）的培养特征,菌落特征有三个方面：1.菌落表面特征光滑还是粗糙，干燥还是湿润。肺炎球菌，表面光滑，湿润。称为光滑型菌落。枯草芽孢杆菌，表面干燥、粗糙，称为粗糙型菌落。2.菌落的边缘特征圆形、锯齿状、边缘花瓣形等。3.纵剖面的特征平坦、扁平、隆起、草帽状等。,四、细菌的群体形态,（二）、在半固体培养基上（内）的培养特征,半固体培养基：含有0.30.5琼脂,可以判断细菌的呼吸类型如果细菌在培养基中的表面及穿刺线上部生长，则为好氧菌。如果沿着穿刺线自上而下生长，则为兼性菌。若只在穿刺线下部生长，则为厌氧菌。,可以判断细菌的运动能力如果细菌只沿着穿刺线生长，则为没有鞭毛的细菌，没有运动能力。若不但沿着穿刺线生长，且穿透培养基扩散生长，则为具有鞭毛的有运动能力的细菌。,（三）、在液体培养基上（内）的群体形态,（一）细菌的表面电荷和等电点细菌体50为蛋白质，蛋白质由20种氨基酸按一定的排列顺序由肽键连接而成。氨基酸为两性物质。在碱性溶液中带有负电，在酸性溶液中带有正电荷。当溶液在一定的Ph值溶液中，氨基酸所带正电荷和负电荷相等时的Ph值，称为该氨基酸的等电点。,五、细菌的物理化学性质,（一）细菌的表面电荷和等电点由氨基酸组成的蛋白质也是两性物质，也有等电点。细菌细胞壁含有蛋白质，也就有等电点。已知细菌的等电点在Ph为25。革兰氏阳性菌为23，革兰氏阴性菌为45。当细菌的培养液Ph值大于等电点时，细菌带有负电荷；反之，带有正电荷。一般，细菌的培养、染色、试验过程均在偏碱性（77.5）、中性、偏酸性（67）条件下，都高于细菌的等电点，故均带有负电荷。,五、细菌的物理化学性质,（二）细菌的染色原理及方法1.染色原理细菌为无色透明，显微镜下不易观察，将菌体染成一定颜色，与背景加强反差。常用染料：碱性的结晶紫、碱性品红、甲基紫等。酸性的有酸性品红、刚果红等。一般用碱性染料。细菌与染料的亲和力与Ph有关。,五、细菌的物理化学性质,（二）细菌的染色原理及方法2.染色方法简单染色法和复合染色法。简单染色法：只用一种染料染菌体，只是为了增强菌体与背景的反差，便于观察。复合染色法：两种染料，以区别不同的细菌的染色反映；或将菌体和某个结构染成不同颜色，便于观察。,五、细菌的物理化学性质,（二）细菌的染色原理及方法3.革兰氏染色法革兰氏:丹麦细菌家，由他研究的染色法。1）无菌条件下，将部分细菌置于载玻片上，涂匀；2）用草酸铵结晶紫染色1min，水洗去浮色；3）用碘碘化钾溶液染1min，去掉多余溶液；4）用中性的脱色剂如乙醇脱色，革兰氏阳性菌不褪色呈紫色，革兰氏阴性菌褪色呈无色。5）用蕃红复染1min，阳性菌为紫色，阴性菌为红色。,五、细菌的物理化学性质,（二）细菌的染色原理及方法4.革兰氏染色法的机制1）革兰氏染色与等电点有关革兰氏阳性菌23，阴性菌45，在碱性染色剂中阳性菌带电荷多，与染料的结合力大。用碘碘化钾媒染时，都降低了等电点，但阳性菌降的多，与染料的结合力更大（相对阴性菌）。当用乙醇脱色时，阴性菌被脱色，阳性菌不褪色。,五、细菌的物理化学性质,（二）细菌的染色原理及方法4.革兰氏染色法的机制2）革兰氏染色与细胞壁有关革兰氏阳性菌含有4090的肽聚糖，很少的脂类14。革兰氏阴性菌含有很多的脂类1122，较少的肽聚糖10。用乙醇脱色时，对于阴性菌，乙醇可以溶解脂类在细胞壁形成较大的孔径及通透性，乙醇可轻易进入阴性细菌降染料提取出来，使菌体呈无色。对于阳性菌，由于脂类少，但肽聚糖高，乙醇又是脱水剂，使肽聚糖脱水，导致细胞壁的孔径变小，通透性变差，阻止乙醇进入菌体内，阳性菌不褪色。,五、细菌的物理化学性质,（三）细菌悬液的稳定性,五、细菌的物理化学性质,细菌在液体培养基中有稳定和不稳定两种状态。稳定型的称为S型：即光滑型。整个菌体为亲水基，可均匀分布在培养基中，不发生凝聚。不稳定型称为R型，即粗糙型。在细菌悬液中不稳定容易絮凝而沉到瓶底。,（三）细菌悬液的稳定性,五、细菌的物理化学性质,细菌在液体培养基中有稳定和不稳定两种状态。稳定型的称为S型：即光滑型。整个菌体为亲水基，可均匀分布在培养基中，不发生凝聚。不稳定型称为R型，即粗糙型。在细菌悬液中不稳定容易絮凝而沉到瓶底。,细菌悬的稳定和不稳定性在污水处理中的意义？,（三）细菌悬液的稳定性,五、细菌的物理化学性质,细菌悬的稳定和不稳定性在污水处理中有着极为重要的意义！特别在污水处理中的二沉池，处理效果与细菌悬的稳定程度密切。,不稳定有利于取得较好的沉淀效果。R型受欢迎！,（四）比表面积,五、细菌的物理化学性质,细菌体积虽小，但具有巨大的比表面积。有利于营养物质，也有利于代谢产物的排泄。,第二节放线菌（Actinomyces）,放线菌因其在固体培养基上呈辐射状生长而得名。多数为腐生菌。绝大多数为革兰氏阳性菌。,放线菌大量存在于土壤中，其数量及分别情况仅次于细菌。在自然界物质循环中作用显著；可以改良土壤；可以用于堆肥；可以用于污水生物处理，还可以生产各种抗生素（红霉素、土霉素、链霉素、庆大霉素等），全球已知的4000多种抗生素中绝大多数是由放线菌产生的。,小资料：战功累累的放线菌,医生常常使用链霉素、红霉素这一类抗生素治病，使许多病人转危为安。抗生素的主角就是大名鼎鼎的放线菌。放线菌的个体由一个细胞组成，这与细菌十分相似，因此它们常被当作细菌家族中的一个独立的大家庭。不过，放线菌又有许多真菌家族的特点，例如菌体由许多无隔膜的菌丝体组成，所以从生物进化的角度看，它是介于细菌与真菌之间的过渡类型。放线菌有许多交织在一起的纤细菌体，叫菌丝。这些菌丝分工不同，有的埋头大吃，这是专管吸收营养的基质菌丝；有的朝天猛长，这是作为放线菌成长发育标志的气生菌丝。放线菌长到一定阶段便开始生儿育女。它们先在气生菌丝的顶端长出孢子丝，等到成熟之后，就分裂出成串的孢子。孢子的外形有的像球，有的像卵，可以随风飘散，遇到适宜的环境，就会在那里安家落户，开始吸水，萌生成新的放线菌。,小资料：战功累累的放线菌,放线菌大量存在于土壤中。它们中绝大多数是腐生菌，能将动植物的尸体腐烂、吃光，然后转化成有利于植物生长的营养物质，在自然界物质循环中立下了不朽的功勋。还有一种叫弗兰克氏菌，生长在许多非豆科植物的根瘤里，能固定大气中的氮，成为植物能利用的氮肥。放线菌还有许多贡献。目前发现的几千种抗生素中，有一半以上是由放线菌产生的。它的菌落颜色鲜艳，呈放射状，对人体无害，因此，人们常用它作食品染色剂，既美观，又安全。利用放线菌还可以生产维生素B12、蛋白酶和葡萄糖异构酶等医药用品。虽然个别类的放线菌对人类有害，例如分枝杆菌能引起肺结核和麻风病等，但这些比起放线菌的功绩来，实在是微不足道的。,第二节放线菌（Actinomyces）,一、放线菌的形态和大小,放线菌的菌体由纤细、长短不一的菌丝组成。菌丝分支，为单细胞。菌丝在生长过程中，核物质不断复制，但细胞不形成横膈膜也不分裂，从而构成无数菌丝形成的菌体。,“根”,“枝”,“花”,多核、单细胞（细胞核之间没有分隔）,“种籽”,1、营养菌丝（基内菌丝、一级菌丝）,匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。一般无隔膜，直径0.2-0.8mm，长度差别很大，有的可产生色素。,2、气生菌丝,营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗（1-1.4mm），有的产色素。,3、孢子丝,气生菌丝发育到一定阶段，其上可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。,按形态和功能可分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。,孢子及孢子丝的形状,放线菌菌丝比较,放线菌菌丝比较,孢子是放线菌的“种子”（无性）。孢子对于不良的外界环境有较强的抵抗力。散落的孢子遇到适宜条件就萌发长出菌丝。菌丝分枝再分枝，最后形成网状的菌丝体。,（三）生长与繁殖,繁殖方式,无性分生孢子：,菌丝断裂,常见于较低级的放线菌，如诺卡氏菌。液体培养中，工业发酵生产抗生素时都以此法大量繁殖放线菌,细菌的芽孢是休眠体，而放线菌的孢子是繁殖体,较高级放线菌采用，形成孢子的方式有三种。,（三）生长与繁殖,1.凝聚分裂:(绝大部分)a.孢子丝长到一定阶段后，细胞质分段，各自包围细胞核，并逐渐凝聚成一串大小相似的圆形和椭圆形孢子；b.形成孢子后，外壁消失；c.成熟孢子形成。,2.横隔分裂a.孢子丝长到一定阶段后，细胞质分段，各自包围细胞核，并形成横隔；b.沿着横隔断裂形成两端较为平齐的杆状孢子。c.成熟孢子形成。,横隔分裂,（三）生长与繁殖,3.孢囊孢子少数放线菌在菌丝上形成孢囊，在孢囊内形成孢囊孢子，成熟时可释放出大量孢子。,（四）菌落形态,菌落形态,能产生大量分枝和气生菌丝的菌种（如链霉菌）,不能产生大量菌丝体的菌种（如诺卡氏菌）,菌落质地致密，与培养基结合紧密，小而不蔓延，不易挑起或挑起后不易破碎。,粘着力差，粉质，针挑起易粉碎,链霉菌,链霉菌,（五）分布特点及与人类的关系,放线菌常以孢子或菌丝状态极其广泛地存在于自然界，土壤中