华北理工水处理生物学教案02细菌的形态和结构

1课程名称：《水处理生物学》第2讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）第1章细菌的形态和结构本讲目的要求及重点难点：【目的要求】细菌的外形与大小；细菌的细胞结构以及各部分的功能；细菌的分裂方式、命名及培养特征。【重点】掌握细菌的细胞结构（基本结构与特殊结构），并掌握各部分的功能。【难点】理解细胞的特殊结构：芽孢、鞭毛、荚膜内容【本讲课程的引入】上节课我了解到微生物的重要性，我们在初中甚至小学就了解了细胞的结构，细菌的细胞结构有什么特点呢？【本讲课程的内容】1.1细菌的外形和大小1.1.1细菌的大小细菌是微小的、单细胞的、没有真正细胞核的原核生物。细菌只有几个微米大小。只有通过放大千倍以上的显微镜才可以观察。细菌本身无色半透明，只有通过染色才可以看清楚。1.1.2细菌的个体形态从外形来看细菌可以分为三大类球菌：有单球菌、双球菌、链球菌等，0.5～2µm葡萄糖球菌、肺炎球菌、产甲烷八叠球菌杆菌：长1～5µm，宽0.5～1µm大肠杆菌、伤寒杆菌、假单胞菌、布氏产甲烷杆菌、P17菌螺旋菌，宽度常在0.5～5µm，长度在5～15µm霍乱弧菌、纤维弧菌等、NOX菌1.2细菌细胞的结构21.2.1细胞壁（cellwall）与革兰氏（Gram）染色法细胞壁是包围在细菌细胞最外面的一层富有弹性的结构，是细胞中很重要的结构单元，也是细菌分类的重要的依据之一。革兰氏（Gram）染色法：结晶紫初染，碘液媒染，然后酒精脱色，最后用蕃红或沙黄复染。1.涂片2.干燥3.固定4.结晶紫染色5.加碘液、水洗6.酒精脱色7.加沙黄复染8.干燥、观察——紫色，革兰氏阳性菌（G+）；红色，革兰氏阴性菌（G-）细菌细胞的结构基本结构细胞壁原生质体细胞膜细胞质核质内含物特殊结构荚膜芽孢鞭毛3肽聚糖细胞质膜外壁层革兰氏阳性菌（G+）：细胞壁为约20～80nm厚的肽聚糖的多层结构，含磷壁酸和少量蛋白质和脂肪革兰氏阴性菌（G-）：细胞壁约10nm，为多层结构，由肽聚糖和外壁层组成，肽聚糖层厚2～3nm，紧贴细胞质膜；外面为外壁层，表面不规则，呈波浪形，由脂多糖、脂蛋白和脂类组成细胞壁的生理功能：固定细胞形态，保护脆弱的原生质体，避免渗透压引起原生质膜破裂细胞壁作为有效分子筛，可以阻挡某些分子进入和保留与间质中的蛋白质作为鞭毛的支点，实现鞭毛的运动与细菌的抗原特性、致病性有关1.2.2原生质体-细胞（质）膜（cellmembrane）细胞质膜是紧靠着细胞壁的内侧而包围着细胞质的一层柔软而富有弹性的薄膜（厚约7～8nm）；细胞膜占细菌干重的10%，含有60～70%的蛋白质，30～40%脂类，2%的多糖；细胞膜是半渗透膜。细胞膜的结构：细胞膜的生理功能：控制细胞内外物质（营养物质和代谢废物）的运送和交换磷脂蛋白质极性基脂肪酸链肽聚糖和磷壁酸细胞质膜4维持细胞内正常渗透压合成细胞壁组分和荚膜的场所进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地许多代谢酶和运输酶以及电子呼吸链组分的所在地鞭毛的着生和生长点1.2.3原生质体-细胞质（cytoplasm）细胞质是无色透明而粘稠的胶体，主要成分是水、蛋白质、核酸、脂类、多糖、无机盐。由于富含RNA（核糖核酸），与碱性染料结合力强。可以根据染色特点，用来判断细菌的生长阶段：幼龄菌细胞质稠密、均质、易着色成熟细胞质有各种贮藏颗粒，有的有气泡老龄菌缺乏营养，着色不均匀1.2.4原生质体-核质细菌的核没有核膜，没有核仁，只有一团裸露的且高度集中折叠缠绕的DNA分子（遗传物质），所以细菌是原核生物，又称为拟核体（nucleoid）。1.2.5内含物（inclusiongranule）内含物质细菌细胞质内形状较大的颗粒状构造，是细菌新陈代谢的产物，或是贮备的营养物质。内含物的种类和量随细菌种类和培养条件的不同而不同。异染颗粒：化学组分是多聚偏磷酸盐，是磷源和能源的贮藏物。生物除磷中的不动杆菌在好养条件下，利用有机物分解产生的大量能量，可“过度摄取”周围溶液中的磷酸盐并转化为多聚偏磷酸盐，以异染颗粒的方式贮存于细胞内。聚-β-羟基丁酸盐（PHB）：是一种碳源和能源贮藏物，是有机物在厌氧代谢过程中形成的代谢产物。不动杆菌在厌氧条件下可将细胞内贮存的异染颗粒分解释放出能量促进细菌的生长和代谢，使大量有机物分解并转化为PHB颗粒贮存于细胞内。PHB无毒、可塑、易降解——用于生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。肝糖和淀粉粒：探源和能源的贮藏物。硫粒：元素硫的贮藏物，许多硫磺细菌都能在细胞内积累硫粒。活性污泥中的贝氏硫细菌和发硫细菌。1.2.6特殊结构-荚膜在细胞壁外常围绕着一层粘液，厚薄不一，完全包住并封住细胞壁，使细菌与5外界环境有明显的边缘，比较薄时称为粘液层，比较厚时称为荚膜。化学组成：含水90%，多糖，多肽荚膜的功能：保护细菌免受干燥的影响，保护致病菌免受宿主吞噬细胞的吞噬有助于细菌的侵染力细胞外的贮藏物质，缺乏营养时，可作为C、N源利用有生物吸附作用，废水处理中，将有机物、无机固体吸附于细胞表面菌胶团zoogloea：当荚膜物质融合于一团，内含许多细菌时，称为菌胶团。它是活性污泥中细菌存在的主要形式，有较强吸附和氧化有机物的能力。菌胶团的形状有：球形、椭圆形、蘑菇形、分枝状、垂丝状等见p8图1-6鞘：有的细菌，如硫磺细菌、铁细菌、球衣细菌的丝状体周围的粘液层或荚膜会逐渐硬质化，形成透明坚韧的空壳，叫做鞘。1.2.7特殊结构-芽孢spore芽孢是细菌体内形成的圆形或椭圆形的结构，它不是繁殖体，可能在中央或一端。芽孢的形成：某些细菌在一定环境条件下，由于细胞质和核质的浓缩凝集所形成的一种特殊结构，一旦条件适宜可发芽成新的营养体，它是抵抗恶劣环境的休眠体。芽孢的特点：厚而致密的壁，不易透水含水率低40%含特殊抗热性物质——2，6-吡啶二羧酸和抗热性的酶，普通细菌在70～80℃时煮10min就死亡，芽孢在120～140℃时还能生存几小时。生长芽孢的细菌：好氧性的芽孢杆菌属和厌氧性的梭菌属；球菌中的芽孢八叠球菌属；等。为什么研究芽孢？芽孢是少数几属真细菌所特有的形态构造，它的存在和特点成了细菌分类、鉴定中的重要形态学指标。由于芽孢具有高度耐热性，用高温处理含菌试样，可提高芽孢产生菌的筛选效率。由于芽孢的代谢活动基本停止，休眠期长，为产芽孢菌的长期保存带来了极大的方便。芽孢具有高度耐热性和其他抗逆性，是否能消灭一些代表菌的芽孢就成了衡量各种消毒、灭菌手段的重要指标。61.2.8特殊结构-鞭毛flagellum鞭毛是由细胞质而来的，起源于细胞质的最外层即细胞膜，穿过细胞壁伸出细菌体外。鞭毛在细菌体上的位置和数目随菌种不同，偏端单生、偏端丛生、两端单生、两端丛生、周生。一般球菌没有鞭毛，大部分杆菌和所有螺旋菌具有鞭毛。具有鞭毛的细菌能真正运动，无鞭毛的细菌在液体中只能呈分子运动。鞭毛的主要成分是蛋白质，有的还含有极少量的多糖和类脂等。鞭毛是细菌的运动器官。鞭毛运动引起菌体运动。细菌运动速度每秒可以达到自身长度的10倍或数十倍。细菌的运动能够使它能进行趋避运动，以求生存和生长更好。Fimbriae(菌毛)andPilli(纤毛)：1.3细菌的生长繁殖和命名71.3.1细菌的命名林耐“双名法”：属名+种名形容词属名：拉丁字名词，字首字母大写，由微生物的构造、形状或由科学家名字而来，描述微生物的主要特征。种名：拉丁字形容词，字首字母小写，为微生物的色素、形状、来源、病名或科学家的姓名，描述微生物的次要特征。Stapylococcusaures金黄色葡萄球菌Bacillussubtilus枯草芽孢杆菌Saccharomycespastori巴斯德酵母Clostridiumtetani破伤风梭菌Escherichiacoli大肠杆菌，缩写E.coliPseudomonasfluorescens荧光假单胞菌Pseudomonassp.假单胞菌属（泛指某一属微生物）1.3.2细菌的生长繁殖和菌落特征细菌分类大致经过细胞核和细胞质的分裂、横隔壁的形成、子细胞分离等过程。无性繁殖二分裂法：同型分裂Homotypicdivision：分裂后两个子细胞大小基本相同；异型分裂Heterotypicdivision：分裂后两个子细胞大小不相同。1.3.3培养菌落特征把细菌接种到固体培养基上，经过迅速生长繁殖而形成很多菌体聚集在一起的并且肉眼可见的细菌集合体，称为“菌落”。细菌菌落特征主要从大小、形状、光泽、颜色、硬度、透明度、边缘形状等方面进行考察。细菌菌落一般为1～3mm，圆形或椭圆形，湿润、较光滑、较透明、较粘稠、易挑取、质地均匀及正反面颜色一致等。P12图1-111.3.4细菌表面带电性8细菌体内蛋白质含量在50%以上，菌体蛋白质是由许多氨基酸组成。氨基酸是两性电解质，在一定pH值的溶液中，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等，该pH值成为该氨基酸的等电点。（以pI表示）溶液pHpI氨基电离受抑制，羧基电离，细菌带负电溶液pHpI羧基电离受抑制，氨基电离，细菌带正电一般细菌等电点pI=2～5，革兰氏阳性菌较低pI=2～3，革兰氏阴性菌较高pI=4～5在一般的培养、染色、血清试验过程中，细菌多处于偏碱性pH7、中性pH=7和弱酸6pH7的环境中，细菌表面带负电。【本讲课程的小结】本讲介绍了细菌的大小与外形、细菌的细胞结构及其各部分的功能、命名及培养特征等。主要掌握细菌的基本结构和特殊结构以及各部分的功能。【本讲课程的作业与复习】课下应该注意复习细菌的细胞结构。