第一章-原核生物教案

《农业微生物学》课程教案授课题目：第二章原核微生物教学时数：6授课类型：■理论课□实践课教学目的、要求：1、了解代表种群的基本特征。2、细菌细胞的基本结构和特殊结构的化学组成、结构及其功能，生长繁殖方式、细菌细胞的形态特征和菌落形态。教学重点：原核与真核微生物的区别，细菌的结构及其化学组成和功能，染色技术，真细菌和古细菌结构和化学组成的异同。教学难点：真细菌和古细菌化学组成的差异，细胞壁化学组成和结构及其功能的关系，革兰氏染色的原理

。教学方法和手段：理论讲授、问题启发、案例教学和多媒体教学教学条件：多媒体教室参考资料：[1]沈萍、陈向东主编.《微生物学》.高等教育出版社.[2]周德庆主编.《微生物学教程》（第3版）.高等教育出版社.20XX年《农业生物学》课程教案教学内容及过程第二章原核微生物旁批教学内容与教学设计：原核生物是微生物中的一个重要类群。它们绝大多数是单细胞生物，有些种类可形成多核细胞或分枝丝状体。原核生物：细胞核没有核膜包围，DNA以闭环分子形式存在，不含组蛋白，这样的核称之为原核，凡具有这种核的生物都称为原核生物。第一节细菌第二节放细菌第三节几种其它类型的原核生物第一节细菌(Bacteria)一．细菌的形态、大小和排列二．细菌的细胞结构及特殊构造三．细菌的繁殖方式和群落形态四．常见的细菌类群●什么是细菌？细菌的概念包含大、小两层含义。从大的方面来讲，细菌指的就是原核生物，即所有原核生物均可以称之为细菌；从小的方面来讲，细菌主要是指那些形态为杆状、球状或螺旋状的单细胞的原核生物，也称之为真细菌。一．细菌的形态、排列和大小（一）形态和排列尽管细菌的种类繁多，但其基本形态主要有三种类型，即球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌和螺旋菌。1．球菌（coccus）②微球菌②双球菌③链球菌④四联球菌⑤八叠球菌⑥葡萄球菌2．杆菌（bacillus）3．螺旋菌（spirilla）①弧菌（vibrio）②螺菌（spirillium）4．形态特殊的细菌①柄细菌②鞘细菌（二）细菌的大小细菌的大小因种而异，且还会受到培养条件、菌龄、染色方法等的影响。一般来说，幼龄细胞比成熟的或老龄的细胞大得多；固定染色法会使菌体大小缩小1/3～1/4，而衬托染色法又会使菌体变大，甚至比活菌体还大。因而，细菌大小的记载通常是平均值或代表性数值。测定大小最好用活菌体，不要用染色，如果使用染色后的菌体，则需注明染色方法。细菌的大小一般都在几个微米左右。较小的只有0.2微米，少数大的可达几十微米。如：1．球菌2．杆菌3．螺旋菌4．最小和最大的细菌①最小的细菌是科学家发现的一种能引起尿结实的纳米细菌（nanobacteria），其细胞直径最小仅为50nm，比最大的病毒还小一些。②最大的细菌是在纳米比亚海岸的海底淤泥沉积物中发现的一种硫细菌（sulfurbacterium），其大小一般在0.1～0.3mm，最大可达0.75mm，能够清楚地用肉眼看到。二．细菌的细胞结构及特殊构造细胞是生命最基本的结构和功能单位。对细菌而言，一个细胞就是一个生命个体。通常，一个典型的细菌细胞由四大部分组成：细胞壁及其表面结构细胞膜及其内膜系统细胞质及其所包含物质的结构核质体及质粒（一）细菌的细胞结构1．细胞壁及其表面结构（1）细胞壁及其功能（2）革兰氏染色反应（3）G＋菌的细胞壁结构（4）G－菌的细胞壁结构（5）G＋菌与G－菌细胞壁结构的比较（6）细胞壁缺陷细菌和壁膜间隙（7）鞭毛、菌毛和性毛（8）荚膜和粘液层2．细胞膜及内膜系统（1）细胞膜及其功能（2）间体（3）类囊体（4）载色体（5）羧酶体（6）气泡3．细胞质及其内含物（1）胞质（2）核糖体（3）颗粒状内含物4．核质体及质粒（1）核质体（2）质粒（二）细菌细胞的特殊结构1．芽孢2．伴胞晶体3．孢囊（一）细菌的细胞结构1．细胞壁及其表面结构细胞壁（cellwall）细胞壁位于细胞表面，通常是指包围原生质膜的一层较为紧韧且略带弹性的结构。厚约10～80nm，一般占细胞干重的10～25%。（1）细胞壁的主要功能：a．维持细胞外形；b．具有保护作用，可以保护细胞免受机械损伤和渗透压的破坏；c．与协助运动有关；d．与物质运输有关，作为细胞内、外物质运输的第一屏障，细胞壁对大分子物质有阻碍作用，但并不妨碍小分子物质的自由进出；e．决定细菌的抗原性、致病力和噬菌体的特异敏感性。（2）革兰氏染色实验革兰氏染色实验，是在1884年，由丹麦微生物学家ChristianGram发明的一种染色方法，过程如下。（4）革兰氏阴性菌细胞壁的结构G－菌的细胞壁在结构和成分上均比G＋菌复杂。在结构上，G－菌的细胞壁分为两层：外壁层和内壁层。①内壁层②外壁层（5）G＋菌与G－菌细胞壁结构与成分的主要区别（见表2—1）（6）细胞壁缺陷细菌和壁膜间隙（periplasmicspace）细胞壁缺陷细菌主要包括原生质体（protoplast）、原生质球（spheroplast）和L-细菌（bacterialL-form）三种形式。①原生质体②原生质球③L-型细菌④壁膜间隙表2—1革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的比较项目革兰氏阳性细菌革兰氏阴性细菌细胞壁层次单层，20～80nm内壁层，1～3nm外壁层，8～10nm大分子物质组成肽聚糖40～90%，层次多，交联度高5～10%，层次少，交联度低－磷壁酸＋－－脂多糖－－11～22%脂蛋白－有或无＋脂类不含或少量－20～30%蛋白质约10%－约60%多糖＋－－对青霉素反应敏感不敏感细胞壁硬度大小表中“＋”：有；“－”：没有。（7）鞭毛（flagella）、菌毛（fimbriae）和性毛（pili）①鞭毛●鞭毛的着生方式鞭毛的着生方式因种而异，主要有一端单生如铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），一端丛生如荧光假单胞菌（Pseudomonasfluorescence），两端丛生如蔓延螺菌（Spirillumserpens）以及周生鞭毛如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等四种类型，此外，还有侧生鞭毛如反刍月形单胞菌（Selenomonasruminantium）。●鞭毛蛋白是鞭毛的主要成分，是一种很好的抗原物质，称为H抗原。●鞭毛的结构主要由鞭毛丝（filament）、鞭毛钩（hook）和基体（basalbody）三部分组成。a．鞭毛丝b．鞭毛钩c．基体●鞭毛的运动机制鞭毛主要是通过旋转而推动菌体高速前进的。一般认为其运动机制是：一个（或一对）环是转子，另一个（或一对）环是定子，两者通过彼此的相对转动，而带动鞭毛旋转进而推动菌体运动的。②菌毛和性毛a．菌毛菌毛有很多译名（伞毛，纤毛，线毛，毛或须毛等），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。它着生于细胞膜上，直径为3～10nm，由菌毛蛋白螺旋排列呈中空管状结构。一个菌体上约有250～300根。菌毛有利于提高菌体的粘附和聚集能力。b．性毛性毛的成分与结构和菌毛相同，但比菌毛长，数量仅为一至少数几根。性毛一般见于G－菌（如大肠杆菌）的雄性菌株中，主要由F质粒编码，其功能与细菌的接合作用有关。③鞭毛和菌毛的比较（见表2—2）表2—2细菌鞭毛和菌毛的比较项目鞭毛菌毛成分鞭毛蛋白菌毛蛋白大小0.01～0.02×2～70µm0.007～0.009×0.5～20µm结构由鞭毛蛋白亚基呈螺旋排列而成，横断面上通常含8～11个亚基由菌毛蛋白亚基呈螺旋排列而成，横断面上通常含3个亚基数目1～数百根1～数百根功能运动接合，附着着生处通过钩状体与鞭毛基体连接，基体位于细胞膜细胞膜菌种许多杆菌和少数球菌许多G－杆菌和球菌（8）荚膜（capsule）和粘液层（smile）荚膜虽不是细菌的必需结构，但也具有以下主要功能：a．有保护细菌的作用，荚膜含水量高，可提高细菌对干燥的抵抗力。b．与细菌的致病力有关，荚膜可增强某些病原细菌的毒力，如肺炎链球菌（S．pneumoniae）失去荚膜就等于失去了致病力。c．避免巨噬细胞的吞噬。d．有贮存功能，可作为细胞外储存的碳源和能源物质。2．细胞膜及其内膜系统（1）细胞膜（cellmembrane）又称原生质膜（plasmamembrane）或质膜（plasmalemma），是紧贴在细胞壁内侧并包围原生质的一层柔软而富有弹性的膜。①细胞膜的化学成分细胞膜一般厚约7～8nm，主要由磷脂（占20～30%）和蛋白质（占50～70%）组成。a．磷脂b．蛋白质c．糖和其它成分②细胞膜的结构与功能在电子显微镜下观察，细胞膜具有“夹心面包”样的结构——在上下两暗色层之间夹着透明的中间层，总厚度为8～10nm，其中，两条电子致密层由磷脂分子构成，厚度各为2nm，而透明层厚度为2～5nm。这种膜结构通常称为单位膜。●细胞膜的功能：a．控制细胞内、外的物质运送和交换；b．有维持细胞内正常渗透压的屏障作用；c．是合成细胞壁各种组分（脂多糖、肽聚糖、磷壁酸）和荚膜等大分子物质的场所；d．是进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；e．是许多酶和电子传递链组分的所在地；f．是鞭毛的着生位点，并为其提供运动所需的能量。（2）内膜系统原核生物的细胞器通常没有单位膜包围，但有许多原核生物类群却演化出一类由细胞膜内陷、折叠而形成的层状、管状或囊状的特殊结构，这类结构统称为内膜系统，主要包括间体、类囊体、载色体、羧酶体和气泡等结构。①间体（mesosome）又称为中体，是由细胞质膜内陷而形成的不规则的层状、囊状或管状结构，一般位于细胞分裂部位或其附近。在G＋菌中常见，而在G－菌中不明显。●间体的主要功能：a．促进细胞间隔的形成，并与DNA的复制及其相互分离有关；b．在间体上发现有细胞色素氧化酶等与呼吸有关的酶类，因而它可能是氧化磷酸化的中心，相当于真核生物的线粒体。②类囊体（thylakoid）主要存在于蓝细菌（cyanobacteria）中，是由细胞质膜内陷而形成的片层状结构，内含叶绿素和藻胆色素等光合色素及光合作用酶系，是蓝细菌进行光合作用的场所。③载色体（chromatophore）又称色素体（chlorosome），是由光合细菌的细胞质膜内陷并折叠而形成的层状、囊状或管状结构。载色体上含有细菌叶绿素、类胡萝卜素等光合色素，光合磷酸化所需要的酶类及电子传递体，因而是光合细菌进行光合作用的场所，相当于植物的叶绿体。④羧酶体（carboxysome）又称多角体（polyhedralbody），是存在于自养细菌中的一种多面体结构，由一层厚约3.5nm的蛋白膜包围，内含固定二氧化碳所需的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶和5-磷酸核酮糖激酶，是细菌固定二氧化碳的场所。⑤气泡（gasvesicles）主要存在于水生细菌和光合细菌中，由一层厚约2nm的蛋白质膜包围。气泡由许多小的气囊组成，可通气，但不透水。其生理功能主要是调节菌体在水中的位置，充气时，菌体上浮；排气时，菌体下沉。3．细胞质及其内含物细胞质（cytoplasm）（2）核糖体（ribosome）（3）颗粒状内含物：①糖原（glycogen）和淀粉（starch）②聚β-羟基丁酸（β-hydroxybutyricacid，PHB）③异染粒（metachromaticgranule④硫滴（sulferdroplet）⑤磁粒（magnetite）4．核质体（nuclearbody）和质粒（plasmid）（1）核质体又称为原核（prokaryon）、拟核（nucleoid）或核基因组（genome），指原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。它是一个大型的环状双链DNA分子，并结合有少量蛋白质，此外，还含有30%的RNA，长度为0.25～3.00mm，每个菌体通常含有1～4个。核质体在菌体中的数目与生长速度有关，快速生长时，其可占到细胞总体积的20%。核质体时原核生物负载遗传信息的主要物质基础，是控制细菌生长发育、新陈代谢和遗传变异的中心。（2）质粒是染色体以外的遗传物质，能独立复制，是共价闭合环状的双链DNA分子。质粒的分子量较小，一般只有1～100×106道尔顿，而核质体的分子量为1～6×109道尔顿。质粒通常含有几个到100多个基因。质粒的发现不仅对微生物本身来说具有重要意义，而且也是基因工程研究中外源基因的重要载体。许多天然质粒或经人工改造后的质粒，已成为基因克隆的重要工具。质粒的特点：a．是细菌非必要的遗传物质。一般质粒只控制着微生物的次要性状，但能自我复制和稳定遗传。质粒的存在有利于微生物在特殊环境中的生长。b．质粒在细胞内的大小和拷贝数是不一样的。一般大质粒（分子量大于60×106）的拷贝数较少，而小质粒（分子量小于15×106）的拷贝数较多。当使用氯霉素等抗生素抑制核DNA的复制时，可增加质粒的拷贝数。c．互不相溶性。即某些属于同一组并具有共同阻遏物的质粒不能在同一细胞中并存。d．可转移性。即可以通过某种机制，质粒能够从一个细胞转移到另一个细胞，且转移的频率很高。e．可整合性。在一定条件下，质粒可整合到核DNA上，同时还可以脱离下来，重新独立存在。f．可重组性。不同的质粒DNA可以和核DNA在细胞内、外进行交换重组，并形成新的重组质粒。g．可消除性。质粒经高温、丫定橙、丝裂酶素C等处理后，可以从细胞中消除，同时，细胞也将失去质粒所携带的表型性状。h．耐碱性。当与核DNA比较时，质粒具有较高的耐碱性。因此，在分离提取质粒时，常将pH调至12.4，从而使核DNA变性，而质粒不会变性，然后再通过超离心等方法将质粒分离出来。质粒的种类质粒的种类很多，若按其功能来区分的话，主要包括以下几类：a．抗性质粒。这类质粒与菌体对某些药物或抗生素所表现出的抗性有关。b．接合质粒。它是与细菌接合作用相关的质粒，也是最早发现的一种质粒。c．细菌素质粒。是控制细菌产生细菌素的质粒。d．降解质粒。这类质粒与细菌降解某些特殊物质有关。e．致瘤质粒。这类质粒的存在可使与细菌共生的生物产生瘤状组织。（二）细菌细胞的特殊构造1．芽孢（spore）①芽孢的结构②芽孢的形成过程a．轴丝形成。在同一细胞内复制出两套DNA，并发生构型变化。DNA在细胞中央逐渐发育成一个连续的轴丝状结构，并通过间体与细胞膜相连。b．隔膜形成。在细胞的一端质膜内陷，并产生隔膜，将细胞不对称地划分为大小两部分，轴丝也相应地分为两部分。c．前孢子形成。较大部分的细胞膜围绕较小部分，并迅速延伸，直至将较小部分完全包围。此时，较小部分具有双层膜结构，但膜的极性恰好相反，这个小细胞称为前孢子，其内膜将发育成新细胞的细胞膜。d．皮层形成。这一时期，在极性相反的双层膜间大量合成芽孢所特有的肽聚糖和2，6-吡啶二羧酸钙（DPA-Ca），同时，原生质也失水浓缩，部分芽孢细菌在此时会形成以脂蛋白为主的孢外壁。e．芽孢衣形成。在皮层外进一步形成以特殊蛋白质为主的芽孢衣，并继续积累DPA-Ca。f．芽孢成熟。芽孢合成全部完成。此时，芽孢具有特殊结构和抗性。含有芽孢的营养细胞称为孢子囊（sporangium）。g．芽孢的释放。孢子囊破裂后，释放出成熟的芽孢。产芽孢囊：是产芽孢细菌的营养细胞外壳芽孢外壁：有的芽孢无此层，主要含脂蛋白，透性差孢芽孢衣：主要含疏水性角蛋白，抗酶解、抗药物，细多价阳离子难以通过菌皮层：主要含芽孢肽聚糖及吡啶二羧酸钙芽孢（DPA-Ca），体积大、渗透压高芽孢壁：含肽聚糖，可发展成新细胞的壁芽孢膜：含磷脂、蛋白质，可发展成新细胞的膜核心芽孢质：含DPA-Ca、核糖体、RNA和酶类核区：含DNA③芽孢具有抗逆性的原因：a．含水量极低；b．含有十分耐热的酶类；c．富含DPA-Ca和半胱氨酸及多层次厚而致密的芽孢壁，可以抗蛋白酶的分解。2．伴胞晶体（parasporalbody）某些芽孢细菌，如苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringensis）在形成芽孢的同时还可以在细胞内形成一个菱形、方形或不规则形的蛋白质结构，称为伴胞晶体。它对100多种鳞翅目昆虫幼虫均有毒性，但对人畜较为安全，现已开发为生物杀虫剂。3．胞囊（cyst）某些细菌，如自生固氮菌，虽不能形成芽孢，但可以在不良条件下形成一种称为胞囊的休眠体。胞囊一般呈球形，由整个营养细胞缩短、壁加厚而形成。胞囊中心是一个类似于营养细胞的稠密中心体，其外有一层不太稠密的均匀层称为胞囊内壁（intine），最外面是一层粗糙的胞囊外壁（extine）。胞囊虽然也可以抵御干燥、机械损伤、紫外线和电离辐射等不良环境条件，但与孢子相比却不耐热。三．细菌的繁殖方式及菌落形态细菌的繁殖方式1．繁殖（reproduce）细菌的繁殖主要有裂殖和芽殖两种方式。a．裂殖（schizogenesis）裂殖是最普遍、最主要的细菌繁殖方式。其过程是细胞首先膨大或加长，然后复制染色体DNA，形成隔膜和壁，最后，子细胞分离。b．芽殖即以出芽的方式进行繁殖。出芽的方式有两种：一种为直接出芽，即在母细胞上直接长出芽细胞，如巴斯德菌属（Pasteurella）；另一种为间接出芽，即先由细胞长出一根细丝，然后在细丝顶端形成芽细胞，生丝微菌属（Hyphomicrobium）。细菌的菌落形态1．菌落（colony）在固体培养基表面，由单个或少数几个母细胞长出的肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群体，称为菌落。而由多个细菌长出的细胞群体称为菌苔。通常，特征菌落包括：大小、形状、颜色、光泽、透明度、隆起状况、表面和边缘特征等诸多方面。菌落特征主要由菌种本身的特性决定，同时，也会受到环境条件、营养状况及邻近菌落的影响。一般菌苔特征的描述与菌落特征相类似。四．常见的细菌类群在这一部分内容里，我们将介绍七个常见的细菌类群，它们是：微球菌属（Micrococcus）葡萄球菌属（Staphylococcus）芽孢杆菌属（Bacillus）梭菌属（Clostridium）乳酸杆菌属（Lactobacillus）假单胞菌属（Pseudomonas）埃希氏菌属（Escherichia）在这一部分内容里，我们将从以下几个方面来考察这几个常见的细菌属：（1）菌体的形态、大小和排列（2）革兰氏染色反应（3）能否产生芽孢（4）有无鞭毛，能否运动（5）与氧的关系（6）营养类型（7）生长环境（8）致病性（9）其它1．微球菌属（Micrococcus）（1）细胞呈球状，直径为0.5～3.5µm，多数情况下以成对或四联形式存在，也可呈八叠或不规则簇群形式存在（2）革兰氏染色阳性（3）不产生芽孢（4）无鞭毛，不运动（5）严格好氧（6）化能有机营养型（即可利用多种有机物为碳源物质和能源物质）（7）主要存在于人和哺乳动物的皮肤上，也广泛分布于土壤和水体中，并常随灰尘飞散于空气中造成污染，还可存在于肉类和乳制品中（8）无致病性（9）菌落常呈圆形、有凸起、光滑，并可产生黄、橙、橙红、粉红或红色色素；所有种均可生长在含有5%NaCl的盐水中，最适生长温度为25～37℃；藤黄微球菌是该属的模式种2．葡萄球菌属（Staphylococcus）（1）细胞呈球状，直径为0.5～1.5µm，可以单个、成对、四联或呈葡萄状形式排列（2）革兰氏染色阳性（3）不产生芽孢（4）无鞭毛，不运动（5）兼性厌氧，除厌氧种类外，在好氧条件下生长更快更好（6）化能有机营养型，需有机氮源，能利用糖类和（或）氨基酸为碳源和能源，发酵糖的主要产物是乳酸，而在好氧条件下主要产生乙酸和CO2（7）常见于温血动物皮肤、皮肤腺体和粘膜上（8）有些菌种是人和（或）动物的条件致病菌，像模式种金黄色葡萄球菌，可造成化脓性感染，如疖、丘疹、肺炎、脊髓炎、心脏炎、脑膜炎及关节炎等，并可产生肠毒素，导致食物中毒（9）菌落圆形、全缘、低凸状、光滑、闪光奶油状，不透明，可产生金黄色、柠檬色、白色等非水溶性色素；大多数菌株可在18～40℃和含有10%NaCl的培养基中生长；对溶菌酶有抗性，而对溶葡萄球菌素和抗细菌剂等物质敏感3．芽孢杆菌属（Bacillus）（1）细胞呈杆状或近于直形，大小为0.3～2.2×2.0～7.0µm，一般单生（2）革兰氏染色阳性，或只在生长早期为阳性（3）有芽孢，但芽孢直径不会超过菌体的直径（4）大多数以周生鞭毛进行运动（5）大多数严格好氧，氧是最终电子受体，少数为兼性厌氧（6）化能有机营养型（7）广泛分布于自然界，且由于芽孢散布的被动性和持久性，其存在地不一定就是自然生境（8）有些种可引起人和动物的疾病，如炭疽芽孢杆菌可导致人和动物的炭疽病；苏云金芽孢杆菌、缓病芽孢杆菌、日本甲虫芽孢杆菌、和球形芽孢杆菌的某些菌株可产生杀虫蛋白，因而是昆虫的致病菌；蜡状芽孢杆菌的某些菌株在食物传播的胃肠炎中起一定作用（9）其菌落的大小和形态多变，在某些种类的培养基中可产生色素；生理特征广泛，可嗜热、嗜冷、嗜酸或嗜碱；模式种枯草芽孢杆菌是一种重要的工业生产用菌，常用于生产蛋白酶和淀粉酶等酶制剂4．梭菌属（Clostridium）（1）细胞呈杆状，大小为0.3～2.0×1.5～12.0µm，通常为单个排列（2）革兰氏染色阳性（3）能形成球形或椭圆形的芽孢，在细胞内着生的位置不定，芽孢囊通常膨大（4）能以周生鞭毛运动或不运动（5）大多数为专性厌氧，但其耐氧性变化很大，有些种可在空气中生长，却不能形成芽孢（6）大多数为化能有机营养型，能代谢糖类化合物、醇类、氨基酸、嘌呤、类固醇或其他有机化合物；少数为化能无机营养型（即通过氧化无机物获取能量，并可还原CO2以合成细胞物质）；其生理代谢类型较多样，有解糖型、解朊型、或兼而有之、或均不分解、或能固氮（7）通常存在于土壤、海水或淡水的沉积物中，也存在于人和动物的肠道中（8）某些种是很强的致病菌，如破伤风梭菌（9）大多数菌在pH6.5～7和30～37℃时生长最快，因种而易，最适生长温度范围在15～69℃；模式种丁酸梭菌，是工业上经常使用的丁酸生产菌5．乳酸杆菌属（Lactobacillus）（1）细胞呈典型的杆状，直径为2.0µm，长度变化较大，形态的变化也较大，从细长、有时弯曲到短杆状，通常为棍棒状的球杆状，普遍成链（2）革兰氏染色阳性（3）不产生芽孢（4）一般不运动，运动时有周生鞭毛（5）厌氧或微好氧，当提高厌氧程度、降低氧分压或在CO2含量达到5～10%时，可促进其在固体表面的生长（6）化能有机营养型，但营养要求复杂，生长需氨基酸、维生素等物质；可进行发酵代谢，能专性分解糖类化合物，其终产物至少有一半的乳酸，乳酸通常不能被进一步发酵（7）广泛分布于乳制品、谷物、肉和鱼制品等环境中，同时，它们也是许多温血动物口腔、肠道和阴道中的正常菌群（8）一般无致病性（9）在含碳水化合物和酵母膏的培养基上生长良好，生长温度范围为2～53℃，最适生长温度为30～40℃，最适pH为5.5～6.2；菌落一般无色，若有色素则为黄、橙或专红色；菌落直径通常小于1.0µm；模式种是德氏乳酸杆菌，是工业生产上使用的乳酸菌种6．假单胞菌属（Pseudomonas）（1）细胞呈直或稍弯曲的杆状，大小为0.5～1.0×1.5～5.0µm，通常单生，许多种可在细胞内积累PHB颗粒（2）革兰氏染色阴性（3）不产生芽孢（4）一般靠1根或几根极生鞭毛运动，少数种有侧生的短波长鞭毛，也有少数种为周生鞭毛（5）专性好氧，以氧作为最终电子受体，有时也可以硝酸盐作为电子受体，从而在厌氧条件下生长（6）主要为化能有机营养型，多数种可利用100多种不同的有机化合物，只有少数种利用不到20种化合物；但也有些种是兼性化能无机营养型，可利用H2和CO作为能量来源（7）广泛分布于土壤、水体和动、植物表面，在有氧条件下可降解由动、植物材料裂解后产生的许多可溶性化合物（8）有少数几个种为致病菌，如模式种铜绿假单胞菌，通常与人的泌尿道和呼吸道感染有关，也能引起全身性感染，常见于严重烧伤或皮肤外伤的患处，但该菌不是专性寄生菌，易于从土壤中分离得到，它作为反硝化细菌在自然界氮素循环中起到了重要作用；青枯病假单胞菌是多种植物的病原菌，可引起许多属植物的枯萎病；此外，有些种还可分解杀虫剂、除莠剂和石油废水等物质7．埃希氏菌属（Escherichia）（1）细胞呈直杆状，大小为0.4～0.7×1.0～3.0µm，单生或成对排列（2）革兰氏染色阴性（3）不产生芽孢（4）以周生鞭毛运动或不运动（5）兼性厌氧（6）化能有机营养型，通常利用乙酸为唯一的碳源；也可发酵葡萄糖或其他碳水化合物产生丙酮酸，可进一步分解丙酮酸转化为乳酸、乙酸和甲酸，甲酸经甲酸脱氢酶系统分解后，可产生等量的CO2和H2；大多数种也可发酵乳糖（7）通常存在于人和温血动物的下肠道和粪便中，是肠道内的正常菌群（8）在正常情况下，模式种大肠杆菌能合成维生素B和K，能产生大肠杆菌素，因而对机体有利；而当机体抵抗力下降或大肠杆菌侵入肠外组织器官时，则变为条件致病菌，可引起肾炎、膀胱炎等泌尿道感染症；有些菌株甚至还能产生肠毒素，引起婴儿和幼畜的严重腹泻以及老年人的尿道感染等症状（9）大肠杆菌菌落光滑、低凸，表面潮湿、灰白、有光泽，边缘整齐，在盐水中容易分散，最适生长温度为37℃本节重点什么是细菌？以球菌为例说明细菌的排列方式。说明细菌的形态及大小的表示方法。阐述G＋菌及G－菌的细胞壁结构。根据G＋菌及G－菌细胞壁结构的差异，说明革兰氏染色的机理。什么是细胞壁缺陷细菌？包括几种类型？各有什么特点？什么是鞭毛？它具有怎样的结构？G＋菌及G－菌的鞭毛有何区别？鞭毛的运动机理是什么？何为荚膜、粘液层？细胞膜具有哪些功能？什么是间体、核糖体、糖原和淀粉粒、聚β-羟基丁酸、异染粒以及核质体？什么是质粒？它具有哪些种类？什么是芽孢？其形成过程怎样？其抗逆性强的原因是什么？什么是伴胞晶体和胞囊？细菌具有怎样的繁殖方式？说明几种常见细菌类群的主要特点。第二节放线菌（Actinomycetes）1．放线菌的定义：放线菌是一类形态多样、陆生性强、大多数呈菌丝状生长、并主要以孢子进行繁殖的原核微生物。1877年，合兹（Harz）首先发现了一种寄生于牛身上的厌气性牛型放线菌（Actinomycesbovis），并因其能在固体培养基表面形成放射状菌落而得名。2．放线菌的分布绝大多数放线菌营好氧腐生生活，只有极少数营厌氧寄生。放线菌在自然界分布广泛，且更适宜于含水量低、有机质丰富并呈中性或微碱性的土壤环境，其代谢产物经常会使土壤带有“泥腥味”。3．放线菌的重要意义放线菌与人类的生活和生产关系密切。自1944年美国学者瓦克斯曼（Waksman）从土壤放线菌中找到链霉素以来，至今已累积发现抗生素达9000余种，其中绝大多数由放线菌产生（超过80%），而链霉菌属又占到放线菌中的首位。此外，放线菌还是某些酶类如葡萄糖异构酶或维生素的主要产生菌。由于放线菌具有很强的分解纤维素、石蜡、琼脂、角蛋白和橡胶等难降解有机物的能力，因而它们在自然界物质循环和提高土壤肥力等方面起着重要作用。只有极少数放线菌才会对人和动、植物造成危害，如导致皮肤和肺感染的人的诺卡氏菌病、动物的放线菌病，及马铃薯和甜菜的疮痂病等。在这一节里我们主要讲授三方面内容：一．放线菌的形态结构二．放线菌的繁殖方式和菌落形态三．常见的放线菌类群一．放线菌的形态结构放线菌的细胞构造与细菌类似，细胞直径一般小于1.0μm。目前，所发现的放线菌均为G＋菌。大多数放线菌能形成有分枝的菌丝体，并可根据形态和功能将其区分为三类：1．基内菌丝（substratemycelium）又称为基质菌丝或一级菌丝，是放线菌孢子在固体培养基表面萌发后，形成的色淡、较细的具有吸收营养和排泄代谢废物功能的菌丝体。2．气生菌丝（aerialmycelium）由基内菌丝不断向空中分化而形成的直径较粗、颜色较深的分枝菌丝，称为气生菌丝，又称为二级菌丝。3．孢子丝当气生菌丝发育到一定阶段时，即可分化出形成孢子的繁殖菌丝，这种菌丝体称为孢子丝，又称为产孢丝。孢子丝形态多样，有直、波曲、钩状、螺旋状或轮生（包括一级轮生和二级轮生）等多种形式。孢子丝的形态是分类、鉴定的重要指标。4．孢子指那些在孢子丝或孢子囊中形成的繁殖细胞。其中，在孢子丝上形成的繁殖细胞称为分生孢子；而在孢子囊中形成的繁殖细胞称为孢囊孢子。同样，孢子也是形态多样的，通常有球状、椭圆状、杆状、圆柱状、瓜子状、梭状和半月状等形态。孢子表面通常光滑，而当在电镜下观察时，却发现孢子表面具有各种纹饰，如有褶皱状、疣状、刺状、毛发状和鳞片状等纹饰。目前发现，凡直或波曲的孢子丝，均可产生表面光滑的孢子，而螺旋状的孢子丝产生的孢子则因种而异，有光滑的、刺状的还有毛发状的。此外，孢子含有丰富的色素，成熟的孢子堆可表现出特定的颜色，而且此特性在一定条件下比较稳定，因而是放线菌菌种鉴定的依据之一。5．孢子囊孢子囊是在气生菌丝或基内菌丝上形成的一种囊状结构，囊中可分化形成孢子。二．放线菌的繁殖方式和菌落特征（一）放线菌的繁殖方式放线菌主要通过形成无性孢子的形式进行繁殖，到目前为止，尚未发现放线菌的有性世代。在放线菌的五六十个属中，主要存在着三种无性繁殖方式：1．以细胞分裂或菌丝断裂方式进行繁殖这种繁殖方式主要存在于分枝杆菌科和放线菌科等较低级的放线菌中，断裂后的菌丝能够长成新的菌丝体，从而达到繁殖的目的。2．以分生孢子进行繁殖这是放线菌的主要繁殖方式，孢子丝形成于孢子梗顶部，并通过横隔分裂方式形成分生孢子。横隔分裂有两种途径：①细胞膜内陷，并由外向内逐渐收缩，形成一个完整的横隔膜，最后，孢子丝沿横隔膜断裂，并分割成许多分生孢子；如诺卡氏菌属。②细胞壁和细胞膜同时内陷，并逐步向内缢缩，最后将孢子丝缢裂成一串分生孢子。如链霉菌属。3．以孢囊孢子进行繁殖这种方式主要存在于游动放线菌属（Actinoplanes）和链孢囊菌属（Streptosporangium）。孢子囊可由孢子丝盘绕而成，也可由孢子囊柄顶端膨大形成。孢子形成于孢子囊内，孢子囊成熟后破裂，释放出大量孢囊孢子。（二）放线菌的菌落特征放线菌的菌落可以分为两种类型：1．以链霉菌属为代表的具有丰富气生菌丝的菌落类型这种菌落的早期形态与细菌相似，而后，随着气生菌丝和孢子丝的形成，而使菌落表面十分干燥、不透明，表面质地也越发坚实，并呈紧密的绒状，最后，由于分生孢子的形成，菌落表面变成干粉状或颗粒状，且因孢子常含有颜色鲜艳的色素，而使得菌落表面呈现出各种颜色。通常，这种放线菌的菌落较小，不易扩散，菌落边缘还常有辐射状皱褶，它与培养基结合紧密，不易挑起或挑起后不易粉碎。2．以诺卡氏菌属为代表的不产生气生菌丝的菌落类型这种菌落一般结构较为松散，粘着力差，因而容易挑起，并常具有特征性的颜色。三．常见的放线菌类群这一部分我们将主要从以下几个方面来介绍六个常见的放线菌类群。气生菌丝的形态基内菌丝的形态孢子丝的形态孢子的形成分布其它这六个常见的放线菌类群是：链霉菌属（Streptomyces）诺卡氏菌属（Nocardia）小单孢菌属（Micromonospora）放线菌属（Actinomyces）链孢囊属（Streptosporangium）弗兰克氏菌属（Frankia）1．链霉菌属（Streptomyces）（1）能够形成发达的气生菌丝，多分枝、多核、长短不一，有颜色，相同或不同于基内菌丝的颜色（2）能够形成发达的基内菌丝，多分枝、无横隔、多核、长短不一，直径约为0.4～1.0µm，有颜色（3）孢子丝通常是由3～50个孢子组成长链，其形态因种而异，有直形、波曲或螺旋形等形态（4）分生孢子的形态因种而异，一般呈球形、椭圆形或杆状，表面光滑，或有瘤状、刺状、毛发状或鳞片状等纹饰（5）好氧的化能有机营养菌，腐生，主要生长于含水量低、通气良好的土壤中，是土壤有机质分解后期的优势菌之一，也可见于淡水和海水中（6）菌落呈地衣状、皮革状或奶酪状。幼菌落表面光滑，老菌落则表面粗糙呈毛状、绒状、粉状或颗粒状。最适生长温度为25～35℃，最适生长pH为6.5～8.0。本属是产生抗生素最多的一类细菌（50%），如链霉素、土霉素、博莱霉素、丝裂霉素、制霉菌素、卡那霉素、井冈霉素等，此外还可产生大量的维生素、酶以及酶抑制剂等2．诺卡氏菌属（Nocardia）（1）大多数种不形成气生菌丝，有些种能形成稀薄的气生菌丝（2）基内菌丝具有原始分枝或大量分枝，剧烈弯曲如树根状或不弯曲，通常具有长菌丝，但不发达，在培养15小时至4天内，菌丝体可产生横隔，并全部发生突然断裂，形成几乎长短一致杆状体、球状体或带杈的杆状体，每个杆状体至少拥有一个核（3）孢子丝罕见，若有，少数种则能形成直形、钩状或初旋的孢子丝，且具有横隔（4）有孢子丝的少数菌种可通过横隔分裂方式形成分生孢子，孢子杆状、两端平截的柱形或椭圆形（5）好氧型腐生菌，主要分布于土壤中，能同化多种碳水化合物、碳氢化合物及纤维素等（6）菌落一般比链霉菌小，形态多样，表面通常崎岖多皱，致密干燥，一触即碎；而有的菌落则平滑或凸起，无光或发亮呈水浸状。在已报道的100余种诺卡氏菌中，能产生30多种抗生素，如利福霉素，对结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌有特效；兼型霉素对引起植物白叶枯病的细菌，以及原虫或病毒有作用；还有瑞斯托菌素等，对革兰氏菌有作用。本属有的菌株是人或动物的条件致病菌，如模式种星形诺卡氏菌能引起一种剧烈的肺病。此外，有些诺卡氏菌可用于石油脱蜡、烃类发酵或处理污水中的腈类化合物3．小单胞菌属（Micromonospora）（1）一般不形成气生菌丝（2）基内菌丝发达，直径为0.3～0.6µm，有分枝、有横隔，不断裂，菌丝体常侵入培养基内（3）不形成孢子丝（4）在基内菌丝上可直接长出短小的孢子梗，梗顶端着生一个分生孢子（5）好氧型腐生菌，能利用各种氮化物和碳水化合物，大多分布在土壤或湖底淤泥中，也存在于堆肥和厩肥中（6）菌落比链霉菌的小得多，直径一般为2～3mm，常为橙黄色或红色，表面覆盖着一薄层孢子堆，通常，菌落与培养基结合紧密，难于挑起。该属也是产生抗生素较多的一个属，且具有较大潜力，如庆大霉素、利福霉素、卤霉素等，此外，有的种还可以积累维生素B124．放线菌属（Actinomyces）（1）一般不形成气生菌丝（2）基内菌丝直径小于1.0µm，长度为10～50µm，有真正的分枝，常产生横隔，并断裂为两端膨大或不膨大的杆状，以单个、成对、分枝、成簇或短链形式存在，可呈V、Y、T和栅栏形（3）不形成孢子丝（4）不产生孢子（5）一般为厌氧菌或兼性厌氧菌，化能有机营养型，行发酵代谢，生长需要有机氮源，主要存在于人和动物的各种粘膜表面，如口腔等（6）大多数菌落微小，直径为0.5～5.0mm，主要由分枝杆菌组成，表面粗糙、干燥、易碎，或者光滑、柔软并具有粘性，通常呈白、灰白或乳白色；少数种是由分枝长菌丝结成的丝状微菌落。该属多为致病菌，如模式种牛型放线菌，寄生于牛身上，能引起牛颚肿病，但不侵染人类5．链孢囊菌属（Streptosporangium）（1）通常能形成发达的气生菌丝，并可呈丛状、散生或同心圆状排列（2）基内菌丝体发达，直径约为0.5～1.2µm，常多分枝，少横隔（3）孢子丝常盘旋而成孢囊，有时也可形成螺旋状孢子丝（4）能形成孢囊孢子，也可形成分生孢子（5）好氧菌，其他则不甚了解（6）该属菌多数能形成广谱抗生素，如粉红链孢囊菌产生的多霉素，可抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、病毒以及肿瘤等；还有由绿灰链孢囊菌产生的绿菌素，对细菌、霉菌、酵母菌等均有作用6．弗兰克氏菌属（Frankia）（1）未发现有气生菌丝（2）能形成发达的基内菌丝体，有横隔，多分枝（3）未发现有孢子丝（4）未发现有孢子（5）为微好氧、能固氮的中温菌，可利用短链脂肪酸和有机酸等简单化合物，甚至也可利用吐温为碳源；最突出的特点是与非豆科植物进行共生固氮，并形成放线菌根瘤，现已知可与9科25属的200多种植物结瘤固氮，常见的有沙棘、木麻黄、杨梅以及分布在新疆等西北地区的沙枣等（6）在液体培养基中生长良好，而在固体培养基上生长缓慢，需3～4周才形成菌落。当共生结瘤时，可由侵入植物内的分枝菌丝顶端膨大形成球状或棒状的泡囊，它是弗兰克氏菌固氮的器官，分布于植物细胞壁内的四周。而当植物细胞死亡后，菌丝可断裂成不规则的革兰氏阴性细胞，常称为类菌体，可在植物细胞破裂后被释放到土壤中，并可重新感染植物细胞7．游动放线菌属（Actinoplanes）（1）不形成气生菌丝或很少见（2）基内菌丝有分枝，直径约0.2～2.6µm，呈不规则盘卷、扭曲或直形，少数有横隔（3）孢囊形成于基内菌丝或孢囊梗上，孢囊梗直形或分枝，每个分枝顶端均可形成1至数个孢囊，孢囊呈球状、棒状或不规则形状，耐干燥，而在人工培养时，则迅速失去产生孢囊的能力（4）大量形成孢囊孢子，呈圆形或近圆形，略有棱角，孢子可在孢囊内盘卷或不规则排列，本属的突出特点是孢囊孢子有丛生鞭毛，能运动（5）化能有机营养型，嗜热或中度嗜热，主要分布于土壤和多种腐烂植物材料上，尤其在中性pH时数量丰富，也存在于湖水、河水及水中腐解的植物材料上（6）在固体培养基上形成菌落时，常呈鲜艳的橙色、红、黄色或紫色，有时还会使培养基呈蓝色、红色、黄色等相应的颜色本节重点1．请解释下列名词：营养菌丝、气生菌丝、孢子丝、分生孢子、孢囊孢子、孢子囊2．放线菌的繁殖方式怎样？3．放线菌具有怎样的菌落特征？4．请简述六个常见放线菌类群的特征。第三节几种其它类型的原核微生物在这一节里我们将主要介绍以下几种原核微生物：1．蓝细菌2．立克次氏体3．支原体4．衣原体5．蛭弧菌6．螺旋体7．古细菌一．蓝细菌（Cyanobacteria）在过去，蓝细菌一直被称作蓝藻或蓝绿藻，后来经研究发现，它具有许多与细菌相类似的特点，如细胞核不具有核膜，细胞壁结构与G－菌的相类似，无有性生殖过程，其繁殖主要以裂殖为主等特点，因而改称为蓝细菌。蓝细菌广泛分布于各种河流、湖沼以及海洋等水体中，拥有“先锋生物”的美称。因为它们具有极强的抵抗不良环境的能力和普遍的固氮能力，因而可以生长在贫瘠的沙滩地或荒漠等恶劣环境中。此外，它们还能够与真菌、苔藓、蕨类和种子植物等共生，如地衣（lichen）就是蓝细菌和真菌的共生体；红萍是固氮鱼腥藻（Anabeanaazollae）和蕨类植物满江红（Azolla）的共生体。1．蓝细菌的大小和形态结构蓝细菌的个体细胞一般比细菌大，通常为3～10μm。并且其细胞大小差异明显，小的如聚球蓝菌属（Symechococcus），细胞直径仅为1μm；而大的如大颤蓝菌属（Oscillatoria）直径超过了30μm。蓝细菌的个体形态可分为单细胞和丝状体两种类型。其中，单细胞蓝细菌多呈球状、椭圆状或杆状，并常聚集成团被共同的胶质层包围；丝状蓝细菌不分枝或具有假分枝，通常也具有称为鞘的胶质外套。蓝细菌的细胞结构与G－菌极其相似，其细胞壁的外层为脂多糖，内层为肽聚糖，细胞质中含有各种贮藏物，如糖原、聚磷酸盐、PHB以及蓝细菌肽（cyanophycine）等。此外，蓝细菌还具有异形胞、静息孢子和链丝段等重要的特化形式。异形胞（heterocyst）是蓝细菌所特有的一种结构和功能细胞。一般存在于丝状蓝细菌中，位于细胞链的中间或末端，数目少而不定，厚壁、色浅，在细胞两端常有高折光率的颗粒存在，是蓝细菌进行固氮作用的场所。静息孢子（akinete）是一种存在于蓝细菌细胞链中间或末端、厚壁、色深、且能抵御不良环境的特化细胞。链丝断（hormogonia）是由蓝细菌的长形细胞链断裂后而形成的短片段，并具有繁殖功能。2．蓝细菌的光合作用蓝细菌能进行与绿色植物相类似的非循环光合磷酸化反应，并在反应过程中释放氧气。类囊体是蓝细菌进行光合作用的场所。类囊体的数量较多，一般分布在细胞膜附近。类囊体膜上含有叶绿素a、β-胡萝卜素、氧类胡萝卜素和与光合电子传递链有关的组分。而藻胆蛋白体（phycobilisome）则存在于类囊体膜的外表面，并呈盘状结构。藻胆蛋白体中含有75%的藻青素、12%的别藻蓝素和约12%的藻红素等成分。在光合作用时，藻青素和藻红素具有吸收光能的辅助作用，它们能将光能转移到光合系统Ⅱ中，而叶绿素a则在光合系统Ⅰ中起作用。3．蓝细菌的固氮作用许多蓝细菌都具有固氮作用，这种作用可被分为两种类型，一种是自生固氮，即蓝细菌既能独立生活又能固氮；另一种则是共生固氮，即蓝细菌在与他种生物共生的过程中，能为共生体提供氮素营养，而共生体则可为蓝细菌提供其他营养。异形胞是蓝细菌在有氧条件下进行固氮作用的场所。它不含藻胆蛋白，只存在光合系统Ⅰ，因此，光合作用不会产生对固氮酶有毒害作用的O2，却能提供固氮所必需的ATP。此外，在异形胞与邻近的营养细胞之间还存在着厚壁孔道，可用来进行“光合细胞”与“固氮细胞”间的物质交流。4．蓝细菌的繁殖方式蓝细菌的繁殖方式多样，主要包括以下几种形式：①单细胞的蓝细菌类群主要以裂殖为主，裂殖是蓝细菌的主要繁殖方式。②丝状蓝细菌类群可通过裂殖使丝状体加长，同时也可以通过链丝段进行繁殖。③少数蓝细菌类群能在细胞内形成许多球形或三角形的内生孢子用以繁殖。④静息孢子是一些蓝细菌类群的休眠体，它有利于蓝细菌抵御恶劣环境，而当条件适宜时，又可萌发形成新的菌丝体，因而具有繁殖功能。二．立克次氏体（Rickttsia）1909年，由美国医生H．T．Ricketts（1871～1910）在研究落基山斑疹伤寒病原体时首次提出。他本人因在研究过程中不幸感染死去，后人为纪念他而以其名命名。立克次氏体是一类只能寄生于真核细胞内的革兰氏阴性原核微生物。一般具有以下特点：①细胞较细菌小，一般为0.3～0.6×0.8～2µm；②细胞形态多变，有球状、杆状或丝状等形态，并随寄主发育阶段的不同而不同；③有细胞壁，革兰氏染色呈阴性；④在真核细胞内营专性寄生生活，一般情况下，虱、蚤、蜱、螨等节肢动物是它的中间宿主，而人和啮齿动物则成为它的最终寄主；⑤以二等分裂进行繁殖；⑥产能代谢系统不完全，只能利用谷氨酸而不能利用葡萄糖产能；⑦酶系统不完全，缺少代谢活动所必需的一些酶类，虽然它也能合成一些生存所必需的营养物质，但绝大多数养料必须从寄主中获得；⑧细胞膜透性过大，虽有利于从寄主中获取养料，但在环境中容易因体内物质外渗而无法存