第二章原核微生物1案例

在生物分类中，属于原核生物界，包括真细菌的细菌门和蓝细菌门。细菌门有衣原体、立克次氏体、支原体、螺旋体、粘细菌、古（生）细菌、细菌（真细菌）、放线菌等。蓝细菌门有蓝细菌。我们重点介绍细菌（包括古细菌）和放线菌。第二章原核微生物本章主要内容细菌：形态结构、培养特征、物理化学性质；古菌：特点、分类；放线菌：形态、培养、应用第一节细菌一、细菌的个体形态和大小细菌属于原核生物，为单细胞，即一个细胞就是一个个体。细菌的个体（也就是细胞）基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌和螺旋菌。1.球菌球菌大小通常以直径表示，多数为0.5~2.0μm。各类球菌又可以根据其排列方式的不同，进一步分为：单球菌例：脲微球菌双球菌－－成对排列例：肺炎双球菌（肺炎链球菌）链球菌－－成链条状例：乳链球菌四联球菌－－四个叠在一起成田字形例：四联微球菌八叠球菌－－八个叠成立方体例：甲烷八叠球菌葡萄球菌－－不规则排成一串例：金黄色葡萄球菌2.杆菌单杆菌，双杆菌和链杆菌。如大肠杆菌、枯草杆菌等。杆菌大小以宽度和长度表示，长度是宽度的一倍或几倍，0.5~1.0μm×1~5μm。3.螺旋菌弧菌（霍乱弧菌，脱硫弧菌），螺菌（紫硫螺菌）螺旋菌的大小也是以宽度和长度表示，但其长度是空间长度而不是它的真正长度，0.25~1.7μm×2~60μm另外，在环境工程中，我们经常会遇到一种被称为丝状菌的形态，在水体、潮湿土壤及活性污泥中普遍存在，如球衣菌、发硫菌等。在一些教材上将其列为第四种细菌形态。所谓丝状菌，其实是由柱状或椭圆状的细菌细胞一个一个连接而成的，外面有透明的硬质化的粘性物质包裹（称为鞘）。所以它实际上是一种细菌的群体形态，故从严格意义上来说，是不应把它列为细菌的个体形态的，但从实际应用的角度，这种分法也是具有价值的。Cyanobacterium,Scytonemasp.(filamentousprokaryote)(SEMx830)显微镜下的丝状菌在正常情况下，细菌的个体形态是相对稳定的，故它也是细菌分类时的重要依据。但是，环境条件的变化，如营养条件、温度、培养时间（菌龄）等，会引起细菌个体形态的改变或畸形。因此，在观察（描述）细菌的个体形态时，需要在给定条件下（培养基种类、培养温度、培养时间等）。二、细菌的细胞结构细菌是单细胞结构。细胞结构:基本结构；特殊结构基本结构：有细胞壁、细胞质膜、细胞质及内含物、核区；特殊结构：有荚膜、黏液层、衣鞘、芽孢、鞭毛等。1、细胞壁细胞壁是位于细胞最外层的一层厚实、坚韧的外被。细胞壁的化学组成：肽聚糖、蛋白质、脂类革兰氏染色：由于细胞壁组成的不同，可把细菌分成两大类：G+菌和G-菌。这种分类法的起源是革兰氏染色试验，是由丹麦科学家Gram在1884年建立的。革兰氏染色试验是一种复染色法，即通过多次染色达到区分不同细胞结构的目的。染色结果：G+菌是紫色，G-菌是红色。G+菌和G-菌的差异主要在于细胞壁组成和结构上的不同。G+菌的细胞壁厚，约20~80nm，结构较简单，只有一层，主要成分是肽聚糖和磷壁酸（垣酸）。G-菌的细胞壁较薄，约10nm，结构较复杂，分外壁层和内壁层，外壁层又分为三层，最外层是脂多糖层，中间是磷脂，内层为脂蛋白层，内壁层是肽聚糖层。细菌细胞壁的生理功能：①保护原生质体免受渗透压引起的破裂作用；②维持细菌细胞形态；③细胞壁是多孔结构的分子筛，阻拦大分子有害物质进入细胞；④为细胞生长、分裂和鞭毛运动所必需。2、细胞质膜细胞质膜是一层紧贴在细胞壁内侧，包围细胞质的柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜。化学组成和结构：磷脂（30%~40%）和蛋白质（60%~70%）和约2%的多糖。电镜观察到的细胞质膜，是在上下两暗色层之间夹着一浅色中间层的双层膜结构（磷脂双层）。在常温下，磷脂双分子层呈液态，其中嵌埋着许多具有运输功能、有的分子内含有运输通道的整合蛋白或内嵌蛋白，在磷脂双分子层的上面则“漂浮着”许多具有酶促作用的周边蛋白或膜外蛋白。它们都可在磷脂表层或内侧作侧向移动，以执行其相应的生理功能。细胞质膜的生理功能：①控制细胞内外物质的交换；②是合成细胞壁有关成分的重要场所；③进行物质和能量代谢；④膜内陷形成的间体含有呼吸电子传递需要的酶系，间体还与染色体的分离和细胞分裂有关；⑤是鞭毛基粒的着生部位，并可提供鞭毛旋转运动所需的能量3、细胞质及内含物细胞质是指被细胞膜包围的除核区以外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。化学组成：由蛋白质、核酸、多糖、脂质、无机盐和水内含物是细胞质内存在的各种颗粒和结构，它们担负着重要的生理功能。（1）核糖体原核微生物的核糖体是分散在细胞质中的亚微颗粒，是合成蛋白质的部位。它由核糖核酸（RNA）和蛋白质组成，其中RNA占60%，蛋白质占40%。（2）内含颗粒异染粒：由多聚偏磷酸、核糖核酸、蛋白质、脂质及Mg2+组成，通过酯键连接形成的线状多聚体。可用美蓝或甲苯胺蓝染成红色。功能是贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。在白喉棒杆菌和结核分支杆菌中极易看到，可用于这类细菌的鉴定。聚β-羟丁酸（PHB）：是存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，不溶于水，可溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压的作用。常用于细菌鉴定。。硫粒：它是元素硫的贮藏物，如贝日阿托氏菌、发硫菌等在细胞内贮存硫。肝糖和淀粉粒：前者用碘液染成红褐色，后者用碘液染成深蓝色，两者可用作碳源和能源。气泡：存在于一些光合细菌和水生细菌中的泡囊状内含物，内有数排柱形小空泡，外由2nm厚的蛋白质膜包裹。功能是调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、氧和营养物质。4、拟核（核区、核质体）原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。用富尔根（Feulgen）染色法可见到呈紫色、形态不定的核区。由一条环状双链DNA分子高度折叠缠绕而形成。核区是负载遗传信息的主要物质基础。质粒：游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的细胞质遗传因子。通常是共价闭合环状的超螺旋dsDNA分子，即cccDNA型。质粒的大小一般在1.5~300kb，相对分子质量为106~108。质粒可独立进行复制或整合到核染色体上。质粒上携带的一些基因可使细胞具有接合性，抗药性，降解复杂的有机物，产细菌素和抗生素，产毒等。5、荚膜概念：某些细菌在其细胞壁表面分泌一层粘性物质，把细胞壁完全封住，使细菌和外界环境有明显的边缘，这层粘性物质叫荚膜。荚膜的主要成分是多糖、多肽和蛋白质，尤以多糖居多。如肠膜状明串珠菌为葡聚糖，炭疽杆菌为聚-D-谷氨酸，巨大芽孢杆菌为多糖和多肽，鼠疫耶尔森氏菌为蛋白质。荚膜的含水量很高，不易着色，常用负染色法进行染色，光镜可见。荚膜的功能：①保护作用，使菌体免受干燥的影响；防止致病菌被吞噬和噬菌体的侵染；②贮藏养料，当营养缺乏时，可作为碳源和能源或氮源被利用；③废水生物处理中，荚膜吸附废水中的有机物、无机物和胶体在细胞表面，有利于对其吸收降解；④荚膜分类鉴定的依据之一。容易混淆的几个概念，希望注意区分：粘液层：某些细菌分泌的粘性物质，疏松地附着在细胞壁表面，与外界环境没有明显的边缘，叫粘液层。菌胶团：当多个细菌排列在一起时，其荚膜互相融合，形成公共荚膜包藏的具有一定形状的细菌集团，叫菌胶团。菌胶团的形成对于水处理有十分主要的意义，它是废水生物处理中常见的结构。衣鞘：丝状菌形成时，在外面形成透明的硬质化的物质。6、芽孢某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、壁厚、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢。芽孢染色：用孔雀石绿芽孢是细菌的分类鉴定依据之一。芽孢的着生位置依据细菌中的不同而不同。产芽孢的细菌种类，主要是芽孢杆菌属和梭菌属。芽孢八叠球菌属，芽孢弧菌属。芽孢的特点：①芽孢的原生质高度脱水，含水量少（40％）。②芽孢壁很厚，紧密结实，可分为三层。外壳层（芽孢衣），主要含疏水性角蛋白，中层为皮层，主要含芽孢肽聚糖和DPA-Ca，内层由肽聚糖构成，包围芽孢质和芽孢核区。③芽孢含有DPA-Ca，可达干重的15％。④含有耐热性的酶。芽孢的功能：（1）菌种鉴别的依据（芽孢的位置、形状、大等）；这一点在实际工作中十分有用。（2）抵抗不良环境的休眠体。由于芽孢的特点，它对不良环境，如高温、低温、干燥和有毒物质等具有较强的抗性，它处于不活动的休眠状态，一旦外界条件变好，它可萌发成为营养细胞。由于芽孢的抗性最强，故我们在检查灭菌效果时，采用芽孢为指示，即以它作为灭菌效果是否彻底的标志。7、鞭毛由细胞质膜上的鞭毛基粒长出穿过细胞壁伸向菌体外的一条纤细呈波浪弯曲的丝状物叫鞭毛，具有运动功能。鞭毛的长度一般为15~20μm，直径很细，为0.01~0.025μm。观察方法：①电镜直接观察；②鞭毛染色法染色后，光镜观察；③暗视野观察水浸片或悬滴标本；④半固体穿刺接种，培养后观察；⑤依据平板培养基上的菌落外形推断。有的细菌如贝日阿托氏菌、发硫菌及粘细菌无鞭毛，进行的是滑动。鞭毛的着生位置、数目及排列方式是细菌分类鉴定的重要依据。一般来说，弧菌和螺旋菌都有鞭毛，杆菌中假单胞菌类都长有极生鞭毛，有的周生鞭毛，有的无，球菌中仅个别的属如动球菌属有鞭毛。鞭毛菌分类单毛菌丛毛菌双毛菌周毛菌TEM=透射电子显微镜三、细菌的培养特征1、细菌在固体培养基上的培养特征菌落：在固体培养基上，由一个细菌繁殖起来的，由无数细菌组成的、肉眼可见的具有一定形态的细菌集团。菌落特征包括其形状、大小、光泽、颜色、质地、透明度等。主要从以下三个方面观察细菌菌落特征：①菌落表面特征：光滑还是粗糙，干燥还是湿润等。②菌落边缘特征：整齐，锯齿状，波状，花瓣状等。③菌落纵剖面特征：扁平，隆起，凸起，草帽状，脐状，乳头状等。菌苔是细菌在斜面上长成的一片密集的细菌群落，不同细菌的菌苔特征是不同的。具体种？2、在明胶培养基中的培养特征穿刺接种，细菌含有明胶水解酶则能水解明胶，并形成一定形态的液化区。该实验用于细菌的分类鉴定。半固体培养基，含琼脂量为0.3%~0.5%，穿刺接种，可观察细菌的生长状态，是否运动及呼吸类型。见P34图1.2-113、细菌在半固体培养基中的培养特征半固体培养基，含琼脂量为0.3%~0.5%，穿刺接种，可观察细菌的生长状态，是否运动及呼吸类型。4、细菌在液体培养基中的培养特征在液体培养基中，细菌整个个体培养基接触，可以自由扩散生长，但由于各种细菌习性的不同会表现出不同现象。混浊、沉淀、菌膜或菌醭。在液体培养基中，细菌整个个体培养基接触，可以自由扩散生长，但由于各种细菌习性的不同会表现出不同现象。混浊、沉淀、菌膜或菌醭。见P34图1.2-12四、细菌的物理化学性质1、细菌表面电荷和等电点细菌表面带负电荷：由细菌表面的蛋白质（两性电解质）的等电点和外界的pH值所决定。已知细菌的等电点在pH=2~5。G+菌的等电点pH=2~3，G-菌的等电点pH=4~5。2、细菌的染色原理及染色方法（1）细菌的染色原理细菌菌体无色透明，在显微镜下由于菌体与其背景反差小，不易看清菌体的形态和结构。用染色液染菌体，以增加菌体与背景的反差，在显微镜下则可看清楚菌体的形态。细菌染色中常用的染料：碱性染料有结晶紫、碱性品红、蕃红、美蓝、中性红、孔雀绿等；酸性染料有酸性品红、刚果红、曙红等。由于细菌在通常培养情况下总是带负电荷，故用带正点的碱性染料染色。少数细菌如分枝杆菌属和诺卡氏菌属中的某些菌用酸性染料染色，这叫抗酸性染色。。（2）染色方法简单染色法和复合染色法。简单染色法是用一种染料染菌体，目的是增加菌体与背景的反差，便于观察。复合染色法是用两种染料染色，以区别不同细菌，如革兰氏染色反应或抗酸性染色反应，或将菌体和某一结构染成不同染色，以便观察。（3）革兰氏染色法革兰氏染色机制：革兰氏染色的结果主要是由于细胞壁的组成和结构的差异而引起了物理特性（脱色能力）的不同。通过结晶紫初染和碘液媒染，在细胞膜内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物。G+细菌由于其细胞壁较厚、肽聚糖含量高，故遇脱色剂乙醇（或丙酮）处理时，因失水而使细胞壁孔径缩小，再加上