环境工程微生物学-原核微生物课件

第2章原核微生物2概述生物中哪些是微生物生物细胞生物非细胞生物：病毒、亚病毒原核生物：三菌、三体真核生物：真菌、单细胞藻类、原生动物3ConceptsProkaryotes(原核生物

)aresmallandsimpleinstructurewhencomparedwitheukaryotes,yettheyoftenhavecharacteristicshapeandsize.Prokaryoticgeneticmaterialislocatedinanareacalledthenucleoidandisnotenclosedbyamembrane.Theprokaryoticcellwallalmostalwayshaspeptidoglycanandischemicallyandmorphologicallycomplex.5spirallumShape:

Bacteriahaveafewbasicshapesspherical

coccusRod-shaped

bacillus细菌的形状和大小球菌细胞呈球状或椭圆形。根据细胞分裂后新细胞所保持的空间排列方式，分为以下几种情形：单球菌——尿素微球菌双球菌——肺炎双球菌链球菌——溶血链球菌四联球菌——四联微球菌八叠球菌——尿素八叠球菌葡萄球菌——金黄色葡萄球菌7ArrangementsofCocci葡萄状球菌8ArrangementofSphericalBacterialCells葡萄状球菌10ElectronMicrographofStreptococcuspyogenes,aStreptococcus12ElectronMicrographofStaphylococcusaureus,aStaphylococcus14杆菌杆菌细胞呈杆状或圆柱形。有长杆菌、短杆菌。ArrangementsofBacilli

15

Bacillidivideonlyacrosstheirshortaxis,sotherearefewergroupingsofbacillithanofcocci.

Rod-shapedbacteria

SinglebacillusDiplobacillistreptobacilliCoccobacillus1617SingleRod(Bacillus)StreptobacillusArrangement18螺旋菌细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。包括：弧菌偏端单生鞭毛或丛生鞭毛；螺旋菌两端都有鞭毛20ElectronMicrographofVibriocholerae,aVibrioScanningElectronMicrographofLeptospirainterrogans钩端螺旋体21其他形状的细菌柄细菌(Caulobacterbacterroides)变形菌细菌的形状和大小（1）细菌的大小细菌大小的度量单位：以m为单位。细菌大小的表示方法：球菌，以直径来表示。杆菌和螺旋菌，以宽和长来表示。

如1

2.5

m

。细菌大小的测定：在显微镜下使用显微测微尺测定。24Size:

Mostbacteriafallwithinarangefrom0.2to2.0umindiameterandfrom2to8uminlengthArod-shapedprokaryoteistypicallyabout1-5micrometers(m)longandabout1mwideMicroorganismsingeneralareverysmallandarecompletelyinvisibletothenakedeye.

Acyanobacterium8x50um26Schematicdiagramofabacterialcell2细菌的细胞构造细胞质膜外结构原生质体细胞膜细胞质细胞核28(1)细胞壁(2)细胞膜(3)细胞质及其内含物(4)原核和质粒(5)鞭毛和菌毛(6)芽孢(6)细胞外层基本结构特殊结构30(1)细胞壁概念细胞壁（cellwall）是细胞质膜外面具有一定硬度和韧性的一层壁套，使细胞保持一定形状，保障其在不同渗透压条件下生长，即使在不良环境中也能防止胞溶作用。细菌细胞壁由肽聚糖构成肽聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和带有交替排列的D-型或L-型氨基酸侧链的N-乙酰胞壁酸(NAM)的多聚体。31APeptidoglycanMonomerStructureofPeptidoglycan32AnimationIllustratingtheAssemblyofPeptidoglycanBuildingBlocksAnimationIllustratingtheRoleofAutolysinandTranspeptidaseEnzymes33AnimationIllustratingtheRoleofPenicillinsinBlockingTranspeptidaseEnzymesAnimationIllustratingtheRoleofVancomycininBlockingTranspeptidaseEnzymes34功能固定细胞外形协助鞭毛运动保护细胞免受外力的损伤为正常细胞分裂所必需阻拦有害物质进入细胞与细菌抗原性、致病性和对噬菌体敏感性密切相关35革兰氏染色(GramStain)1884年革兰姆·克里斯蒂(ChristianGram)发明；细菌常被分成两类：G+和G-。染色反应的差别是由于两类细菌的细胞壁结构的差异引起。36步骤方法结果阳性(G+)阴性(G-)初染结晶紫60s紫色紫色媒染剂碘液60s紫色紫色脱色95%乙醇10~20s紫色脱去紫色复染蕃红(或复红)1~2m紫色红色革兰氏染色程序

37GramStainofStaphylococcusaureusGramStainofEscherichiacoliAGramStainofaMixtureofGram-PositiveandGram-NegativeBacteria.38

39Gram+Gram-SchematicdiagramofbacterialcellwallsBacteriacanbedividedintotwomajorgroups,calledgram-positiveandgram-negative.Theoriginaldistinctionbetweengram-positiveandgram-negativewasbasedonaspecialstainingprocedure,theGramstain.40化学组成与超微结构A.G+细菌细胞壁组成革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（30~40nm）而致密的肽聚糖层，多达20层，占细胞壁的成分60~90%，与细胞膜的外层紧密相连；有的革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸(teichoic-acid），即胞壁质（murein）多糖。41StructureofaGram-PositiveCellWallTheGram-positivecellwallappearsasdenselayertypicallycomposedofnumerousrowsofpeptidoglycan,andmoleculesoflipoteichoicacid,wallteichoicacidandsurfaceproteins.42Teichoicacidsandlipoteichoicacids(脂磷壁酸)arearrangedintheoverallwallstructureofgram-positivebacteria.TeichoicacidLipoteichoicacid43B.G-细菌细胞壁组成G-细胞壁较G+薄、层次多，成分复杂，肽聚糖层很薄(2-3nm)，机械强度比G+细菌弱。StructureofaGram-NegativeCellWall44外膜分为脂多糖层(外)、磷脂层(中)、脂蛋白层(内)

基本成分：脂多糖，还有磷脂、多糖和蛋白质。G-细菌的外膜上含有许多独特的结构：布朗(Braun’s)脂蛋白：把外膜与肽聚糖层连接起来；脂多糖(LPS)：营养物被动运输通过膜孔蛋白，起保护细胞作用的。脂多糖也称为内毒素，对哺乳动物有高度毒性。4546周质空间

(Periplasmicspace）又称壁膜间隙，是G-细菌细胞膜与外膜两膜之间的透明区域。周质空间含与营养物运输和进入有关的蛋白质：如营养物进入细胞的蛋白；营养物运输的酶，如蛋白[水解]酶；细胞防御有毒化合物的酶，如破坏青霉素的β-内酰胺酶。G-细菌主要为胞内酶；G+细菌多为胞外酶。47G+与G-细菌细胞壁的区别成分肽聚糖磷壁酸类脂质蛋白质占细胞壁干重的%含量很高（30-95）含量较高（<50）一般无（<2）0含量很低（5-20）0含量较高（-20）含量较高

G＋

G－48PolymerofdisaccharideN-acetylglucosamine(NAG)&N-acetylmuramicacid(NAM)LinkedbypolypeptidesPeptidoglycan4950G+与G-菌的细胞壁的特征比较特征G+细菌G-细菌肽聚糖层厚层薄类脂极少脂多糖外膜缺有壁质间隙很薄较厚细胞状态僵硬僵硬或柔韧酸消化的效果原生质体原生质球对染料和抗生素的敏感性很敏感中度敏感51(2)细胞膜概念细胞质膜（cytoplasmicmembrane），简称质膜（plasmamembrane），是围绕细胞质外的双层膜结构，使细胞具有选择吸收性能，控制物质的吸收与排放，也是许多生化反应的重要部位。为磷脂双分子层结构，其中埋藏着与物质运输、能量代谢和信号交换有关的整合蛋白。通过电荷相互作用疏松附着于膜的外周蛋白。膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。CytoplasmicMembraneMembrane53成分与结构

埋藏于磷脂双分子层中有各种功能的蛋白，包括转运蛋白、能量代谢中的蛋白和能够对化学刺激检测和反应的受体蛋白。整合蛋白(integral)是完全地与膜连接而且贯穿全膜的蛋白，有疏水性氨基酸埋藏在脂中。外周蛋白(peripheralproteins)是通过电荷作用与膜松散连接的一类蛋白，盐溶液洗涤可除去。脂类和蛋白质均在运动，彼此间相对运动。这就是液态镶嵌模式的细胞膜结构模型。54

Diagramofthestructureofcytoplasmicmembrane55功能维持渗透压和物质运输半渗透膜具有选择性的渗透作用，能阻止高分子通过，并选择性地逆浓度梯度吸收某些低分子进入细胞。膜有极性膜上有各种与渗透有关的酶，还可使两种结构相类似的糖进入细胞的比例不同，吸收某些分子，排出某些分子。参与细胞壁、糖被合成和细胞分裂细胞质膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶。中间体与染色体和细胞分裂有关，为DNA提供附着点。56参与物质代谢和能量代谢细胞质膜上有琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶、电子传递系统、氧化磷酸化酶及腺苷三磷酸酶(ATPase)，中间体含有细胞色素。为鞭毛提供附着点细胞质膜上有鞭毛基粒，鞭毛着生点，供能。57间体（mesosome）从质膜向内伸展的细胞质中主要单位膜结构，常同核质相联系，位于细胞分裂处。功能：参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关。膜内陷形成的中间体含有细胞色素，中间体与染色体和细胞的分裂有关，还为DNA提供附着点。StructureofMesosome58(3)

细胞质及其内含物1）细胞质定义指除核以外，质膜以内的原生质。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%。细胞质的主要成分主要成分是核糖体，此外含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物。59核糖体(ribosome)由一个小的亚基和一个大的亚基组成，核糖体的亚基是由蛋白质和RNAs组成的复合物，是细胞中合成蛋白质的场所。原核细胞中的核糖体，尽管在形状上和功能上与真核细胞相似，但是组建核糖体亚基的蛋白质和RNAs性质上有差别。60Alleucaryoticandprocaryoticcellscontainribosomes,whichfunctionasthesitesofproteinsynthesis.Ribosomesarecomposedoftwosubunits

Procaryoticribosomesarecalled70Sribosomes,andthoseofeucaryoticcellsareknownas80Sribosomes

RibosomesTheletterSreferstoSvedbergunits,whichindicatetherelativerateofsedimentationduringultra-high-speedcentrifugation61622）内含物(inclusionbodies)某些细菌含有与特殊功能相连系的结构，称作内含体，在光学显微镜下可观察到。内含体常是储存物，可与膜结合：聚-β-羟基丁酸盐(PHB)颗粒；多聚磷酸盐颗粒(也称异染粒)；磁小体(megnetosome)硫滴气泡63Polyhydroxybutyricacid(PHB)PHBisa

lipidlikecompound

-oneofthemostcommoninclusionbodiesinprokaryoticorganisms.PHBiscommonlyfoundasastoragematerialand

uniquetobacteria

Glycogenisa

starchlikepolymer

ofglucosesubunits.GlycogengranulesareusuallysmallerthanPHBgranules.AVibriospecies64Manymicroorganismsaccumulategranulesofpolyphosphate,whicharelargereservesof

inorganicphosphates

thatcanbeusedinthesynthesisofATPPolyphosphategranule

inabacterialcellAPseudomonasspecies65ThesulfurglobulesinsidethecellsofpurplesulfurbacteriumChromatiumbuderiSomebacteria,includingmanyphotosyntheticbacteria,accumulate

elementalsulfurgranules

asaresultoftheirmetabolism.66磁小体(megnetosome)1975年由RPBlakemore在趋磁细菌中发现主要成分是Fe3O4

外被一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜,是单磁畴晶体,无毒,大小20-100nm，每个细胞有2-20颗形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等功能导向作用，即借助鞭毛游向泥、水界面微氧环境处生活实用前景：生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器67Gasvacuoles(blue)andstoragegranules(red)inthecyanobacteriumMicrocystisTheformationofgasvacuolesbyaquaticbacteriaprovidesamechanismforadjustingthebuoyancyofthecell.Manyaquaticcyanobacteriausetheirgasvacuolestomoveupanddowninthewatercolumn.内含物存在于组成功能；非单位膜被包裹的聚-羟基丁酸许多细菌主要是PHB贮备碳和能源硫滴H2S氧化细菌和紫硫光合细菌液状硫能源气泡许多水生细菌罗纹蛋白膜浮力羧基化体自养细菌CO2固定酶固定CO2的部位绿色体绿色光合细菌类脂、蛋白、菌绿素捕光中心碳氢内含物许多利用碳氢化合物的细菌包裹在蛋白质壳中内含物能源磁小体许多水生细菌磁铁颗粒趋磁性无膜包裹的多聚葡糖苷许多细菌高分子葡萄糖聚合物碳源和能源多聚磷酸盐许多细菌高分子磷酸盐聚合物磷酸盐贮藏物藻青素(cyanophycin)许多蓝细菌精氨酸和天冬氨酸的多肽氮源藻胆蛋白体许多蓝细菌捕光色素和蛋白质捕捉光能细菌细胞质中的内含物69CellularGeneticInformationNucleoid70(4)细胞核及质粒1）原核(nucleoid)细菌的DNA在细胞质中为单个环状染色体、双链结构，无核膜包围，在电子显微镜中常可看到细胞内分离的核区，称为拟核。71Function:

Thenucleoidisthegeneticmaterialofthebacterium.GeneslocatedalongtheDNAaretranscribedintoRNAwhich,inthecaseofmRNA,isthentranslatedintoproteinattheribosomes.Inotherwords,DNAdetermineswhatproteinsandenzymesanorganismcansynthesizeand,therefore,whatchemicalreactionsitisabletocarryout.72ExampleofE.colicellThereareover

50supercoileddomain

intheE.colichromosome.ThetotalamountofDNAisabout

4600kb.IfthetotalDNAisopenedandlinearized,itwouldbe

1mminlength.Thethecellisonly

about2-3umlong.

SotopackagethismuchDNAintothecellrequiresthat

theDNAbehighlysupercoiled.73ElectronmicrographofanisolatednucleoidreleasedfromE.coli.742）质粒(p1asmids)某些细菌含有染色体外的小分子环状DNA称作质粒。其上携带的基因对细菌正常生活并非必需，但在某些情况下对细胞有利，如抗生素抗性质粒。质粒常以不同大小的环状双螺旋存在，它可以独立复制，也可整合到染色体上。75ResistantplasmidsColplasmidsConjugativeplasmidsMetabolicplasmids

MajorTypesofPlasmids76(5)鞭毛和菌毛1）鞭毛（flagellum）是从细胞质膜和细胞壁伸出细胞外面的蛋白质组成的丝状体结构，使细菌具有运动性。鞭毛纤细而具有刚韧性，直径仅20nm，长度达15~20m，可以分为三部分：基体（basebody）、钩形鞘（hook）和螺旋丝（helicalfilament）。77具鞭毛的细菌，鞭毛数目和在细胞表面分布因种不同而有差异，是细菌鉴定的依据之一。鞭毛有三类：单生鞭毛、丛生鞭毛和周生鞭毛。鞭毛与细菌运动有关，如趋化性和趋渗性等。7879FlagellaArrangement80MonotrichousFlagellumofVibriocholeraeTransmissionElectronMicrographofEscherichiacoliO157:H781MotileCellsFigure4.982BacterialChemotaxis83Themovementofaprocaryoticflagellumresultsfromrotationofitsbasalbodyandissimilartothemovementoftheshaftofanelectricmotor.Bacterialcellscanalterthespeedanddirectionofrotationofflagellaandthusarecapableofvariouspatternsofmotility.842）菌毛（pili）

细菌细胞表面发现的象头发样的特殊的蛋白质表膜附属物，有几微米长。BacterialPili85

BacterialAdherencewithPiliElectronMicrographofEscherichiacoliwithPili86性菌毛（sexpili）与遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌有关，即在细菌接合交配时起作用。性菌毛比菌毛稍长，数量少，只有一根或几根。ElectronMicrographofEscherichiacoliwithaConjugationPilus87(一)细胞壁(二)细胞膜(三)细胞质及其内含物(四)原核和质粒(五)鞭毛和菌毛(六)芽孢(七)细胞外层基本结构特殊结构88(6)芽孢定义芽孢（endospore）是一些属包括芽孢杆菌属和梭菌属细菌生长到一定时期形成的特殊休眠体结构。由细菌的DNA和外部多层蛋白质及肽聚糖包围而构成，称为芽孢，也称内生孢子。89形态与结构芽孢结构极为复杂，核心：位于中心，含核质、核糖体和一些酶类，由核心壁所包围；皮层：核心外面，由肽聚糖组成；芽孢衣：皮层外面，由蛋白质所组成；芽孢外壁：最外层。一般将含内生芽孢的细菌总称为孢子囊(sporangium)。90细菌芽孢构造的模式图

孢外壁芽孢衣

皮层

芽孢质芽孢核区芽孢膜芽孢壁核心91EndosporestainofClostridiumtetaniElectronMicrographofClostridiumbotulinum92生理特性含水量低，38-40%。芽孢壁厚含有2,6吡啶二羧酸（DPA）耐热的酶芽孢具有惊人的应对不良环境的抗逆性，如热、紫外线辐射、化学消毒剂和干燥。93

Stagesinendosporeformation1.Axial(轴)filamentformation2.Septumformation3.Engulfmentofforespore4.Cortex(皮层)formation5.Coatsynthesis6.Completionofcoatsynthesis,Increaseinrefractilityandheatresistance7.Lysisofsporangium(孢子囊),sporeliberation94(7)细胞外层定义细胞表面常常被多糖或(蛋白)表膜物质所覆盖，按其密度称为荚膜（capsule）或粘液层。多糖层有时称为糖萼(多糖包被)。95功能保护细胞免受吞噬；保护细胞免受干燥损伤养料贮藏对细菌表面起渗透屏障作用；帮助细菌附着到物体表面；信息识别；堆积代谢废物。96CapsulestainofEnterobacteraerogenes

(产气肠杆菌)9细菌的繁殖和菌落的形成（1）细菌的繁殖细菌从周围环境中吸收了营养物质后，发生一系列的合成反应，把进入的营养物质转变成为新的营养物质—DNA、RNA、蛋白质、酶及其它大分子，之后细胞开始了形成两个新细胞的过程，称为繁殖。9细菌的繁殖和菌落的形成细菌的繁殖方式裂殖是细菌最普遍、最主要的繁殖方式，通常表现为横分裂。细菌的分裂过程核分裂和隔膜形成；横隔壁形成；子细胞分离。

99细菌繁殖示意图球菌分裂电镜图100（2）菌落（colony）--固体培养基

单个微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体，称为菌落。当固体培养基表面众多菌落连成一片时，便成为菌苔(1awn)

。101102（3）菌落特征各种细菌在一定条件下形成的菌落具有一定的稳定性和专一性特征，称为菌落特征。菌落特征是衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。103菌落特征描述菌落特征包括大小，形状，隆起形状，边缘情况，表面状态，表面光泽，质地，颜色，透明度等。

104影响菌落特征的因素细胞结构和生长行为；邻近菌落影响菌落的大小；培养条件，尤其是培养基成分。105细菌的菌落特征106固体培养基表面细菌菌落（照片）Colonymorphology107细菌菌落特征剖面图108细菌菌落特征细菌菌落特征正面图109细菌在琼脂培养基中穿刺培养的生长特征细菌在半固体培养上的培养特征110细菌在肉汤培养基中的表面生长特征絮状环状浮膜状膜状1112.1.2放线菌放线菌与人类生活及生产的关系一类具有丝状与枝细胞的细菌细菌的一个大类群，为革兰氏阳性。多为腐生，少数为寄生。寄生型放线菌会引起放线菌病和诺卡氏病。抗生素。世界上绝大多数的抗生素由放线菌产生。生态机能。1122.1.2放线菌-形态结构形态结构放线菌菌体为单细胞，大多数由分枝发达的菌丝组成。根据放线菌菌丝的形态和功能分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。113114（1）营养菌丝也称初级菌丝体、一级菌丝体或基内菌丝，匍匐生长于培养基内，生理功能是吸收营养物。营养菌丝一般无隔膜；直径0.2~0.8µm；长度差别很大；短的小于100µm，长可达600µm；有的产生色素：黄、橙、红、紫、蓝、绿、灰、褐、黑等，包括脂溶性和水溶性，脂溶性色素局限于菌丝，水溶性色素可在培养基中扩散。115（2）气生菌丝

又称二级菌丝体。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养基外并伸向空间的菌丝体。（3）孢子丝当气生菌丝发育到一定程度，其上分化出可形成孢子的菌丝即为孢子丝，又名产孢丝或繁殖菌丝。116Varioustypesofspore-bearingstructuresonthestreptomyces117ChainofconidiosporesAgarsurfaceSubstratemyceliumAerialhyphaeThecrosssectionofanactinomycetecolonyshowingthesubstratemyceliumandaerialmyceliumwithchainsofconidiospores1菌落特征

放线菌的菌落由菌丝体组成，一般圆形、初期光平，后期产生皱褶。在光学显微镜下观察，菌落周围具有辐射状菌丝。根据种的不同分为两类。119（1）由大量产生分枝的和气生菌丝的菌种所形成的菌落，以链霉菌为代表。特点：菌落小而不蔓延，质地致密，表面呈紧密的绒状，坚实，干燥，多皱，与培养基结合紧密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有时气生菌丝体呈同心圆环状，大量孢子布满整个菌落表面后，形成絮状，粉状或颗粒状的典型放线菌菌落。有的产生色素。（2）由不产生大量菌丝的种类形成，如诺卡氏菌。特点：菌落粘着力差，结构呈粉质状，挑取则粉碎。Colonyof

streptomycetes1繁殖方式放线菌主要通过形成无性孢子的方式进行繁殖，也可利用菌丝片断进行繁殖。放线菌生长到一定阶段，一部分菌丝形成孢子丝，孢子丝成熟便分化形成许多孢子，称为分生孢子。孢子呈白、黄、绿、淡紫、粉红、蓝、褐、灰等颜色。1222.2.3放线菌的生活史：孢子萌发基内菌丝气生菌丝菌丝孢子丝5孢子丝分化形成的孢子放线菌生活史放线菌的繁殖123几种常见的放线菌诺卡氏菌链霉菌小单孢菌游动放线菌1242.1.3蓝细菌(Cyanobacteria)也称蓝藻或蓝绿藻（blue-greenalgae），是一类含有叶绿素a、能以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用将光能转变成化学能、同化CO2为有机物质的光合细菌。蓝细菌形态差异极大，有单细胞和丝状体两类形态。细胞的直径从0.5~1μm到60μm，丝状体的长度差异很大。多个个体聚集在一起，可形成肉眼可见的很大的群体。125多聚磷酸盐颗粒蓝藻颗粒体羧酶体糖原颗粒细胞壁细胞膜核区汽泡12蓝细菌的特性1）分布极广；2）形态差异大，有球状、杆状和丝状等形态；3）细胞中含有叶绿素a，进行产氧型光合作用；4）具有原核生物的典型细胞结构：细胞核无核膜，也不进行有丝分裂，细胞壁含胞壁酸和二氨基庚二酸，革兰氏染色阴性。6）分泌粘液层、荚膜或形成鞘衣，具有强的抗干旱能力。7）无鞭毛，但能在固体表面滑行，进行光趋避运动。8）许多种类有气泡，使菌体漂浮在光线最充足处，光合作用。5）营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨为氮源，许多种类能固氮，异形细胞（heterocyst）是固氮场所。

FilamentousCyanobacterium,

Anabaenasp.

(SEMx5,000)NonfilamentouscyanobacteriaThemorphologicaldiversityof