1微生物绪与第1章

环境微生物学environmentalmicrobiology

讲授人：张琼绪论一、学习本门课程的意义1掌握污染物的生物治理技术2生物处理已成为一门重要的的技术（1）减少对资源、能源的消耗，对环境友好（2）现代生物技术的发展为生物处理提供支持（4）树立科学的世界观（3）微生物的种类和数量随污染物增加而增加二、本门课程的内容与任务1内容：微生物的形态大小、结构与功能、微生物的生理、生长与繁殖、遗传与变异等基础知识；微生物在环境中的生态；微生物在自然界物质循环中的作用；微生物在环境中的应用微生物基础知识微生物在环境工程中的应用微生物实验2

任务:为掌握污染物的生物处理打下基础三、学习方法与要求微生物学基础病毒原核微生物真核微生物微生物的生理微生物的生长繁殖与生存因子微生物的遗传与变异微生物生态:各种环境中的微生物微生物在环境工程中的应用:污水生物处理污水深度处理微污染源水生物处理四、微生物概述1什么是微生物？一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称结构特点：小——体积小简——构造简单低——进化低，低等生物分类：非细胞型微生物：病毒、亚病毒等原核微生物：细菌、古细菌、放线菌、蓝细菌等真核微生物：真菌、显微藻类、原生动物、微型后生动物2微生物的五大共性体积小面积大吸收多转化快生长旺繁殖快适应强易变异分布广种类多3微生物学研究微生物生命活动的科学分类:基础微生物学应用微生物学4微生物的发现和微生物学的发展发现：1676年列文虎克自制显微镜发现了微生物奠基人：巴斯德（微生物）科赫（细菌学）5微生物学推动了生命科学的发展antonyvanleeuwenhoek(1632-1723)pasteur(1822-1895)♦

1861年解决了自生说争论♦创立了免疫学♦发酵的研究

♦创立了巴氏消毒法主要贡献：pastuer

试验煮沸的长颈瓶内的培养基无微生物生长，还指出某些微生物能生长在缺氧状况下。koch(1843-1910)建立炭疽芽孢杆菌和炭疽病之间的关系koch定律1、微生物必须在患病动物中存在，而不存在于健康个体中；2、该微生物能离开动物进行纯培养；3、纯培养的微生物还能致病；4、该微生物还能再从患病动物中分离出来，再纯培养，和原来分离出来的一样。koch主要贡献：♦

找到并分离了多种传染病♦

传染病原则——科赫定律♦

用固体培养基分离纯化微生物的技术♦

配制培养基koch助手hesse发明了琼脂凝固剂petri发明培养皿平板进行纯培养第一章原核微生物（prokaryomicrobe）（1）包括:细菌、古细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体、螺旋体、粘细菌等（2）特点是：有原始的核，无核膜；缺少细胞器和相应的内部结构概述：§1.1细菌细菌：是一类细胞细而短（细胞直径约0.5um，长度约0.5~5um）、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物,单细胞生物。

一、形态与大小1基本形态杆状——杆菌球状——球菌螺旋状——螺旋菌、弧菌除上述基本形态外，还有丝状菌及星形、方形等其他形状的细菌杆菌

杆菌细胞呈杆状或圆柱形。有长杆菌、短杆菌。arrangementsofbacilli

singlerod(bacillus)scanningelectronmicrographofpseudomonasaeruginosa

streptobacillusarrangement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electronmicrographofneisseria

gonorrhoeae,adiplococcusstreptococcuspyogenesnotegram-positive(purple)cocciinchains(arrows).electronmicrographofstreptococcuspyogenes

,astreptococcustetradarrangementsarcinaarrangementelectronmicrographofstaphylococcusaureus

,astaphylococcustransmissionelectronmicrographofstreptococcus

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。spiralformselectronmicrographofvibrio

cholerae

,avibriocaption:--vibrio

cholerae-gram-negative,facultativelyanaerobic,curved(vibrio-shaped),rodprokaryote;causesasiaticcholera.scanningelectronmicrographofleptospira

interrogans2细菌的大小球菌，一般以直径来表示杆菌和螺旋菌，以长和宽来表示。如2.51

m

细菌大小的度量：以m为单位细菌大小的表示：细菌大小的测定：在显微镜下使用显微测微尺测定♦细菌的形态是相对稳定的♦不同细菌大小不同，细菌大小随菌龄变化♦自然界中杆菌最常见，球菌次之，螺菌最少注意:二、细菌的细胞结构

特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造，如粘液层、荚膜、菌胶团、鞭毛、菌毛、芽孢、衣鞘及光合作用层片等一般构造：一般细菌都有的构造，如细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核、间体、内含物等细胞质膜外结构原生质体细胞膜细胞质拟核

1细胞壁（cellwall）

概念：是细胞质膜外面坚韧而带有弹性的一层薄膜，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。化学组成：主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。structureofpeptidoglycan：g+apeptidoglycanmonomer：g-thepeptidoglycanmonomerine.coli,mostgram-negativebacteria,andmanygram-positivebacteria.thesemonomersjointogethertoformchainsandthechainsarethenjoinedbycross-linksbetweenthetetrapeptidestoprovidestrength.

革兰氏阳性菌肽聚糖：约20-80nm磷壁酸少量蛋白质和脂肪革兰氏阴性菌内壁层：肽聚糖（约10nm）外壁层：脂多糖磷

脂蛋白质或脂蛋白（无磷壁酸）（g+）（g-）注：缺细胞壁的原核微生物有：

l-型细菌、原生质体、球状体、支原体等

1）g+细菌细胞壁组成革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（20~80nm）而致密的肽聚糖层，多达40层，占细胞壁的成分60~90%，它同细胞膜的外层紧密相连；革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid），它又分为两种，即壁磷壁酸和膜磷壁酸。

2）

g-细菌细胞壁组成外膜革兰氏阴性细菌只有一薄层肽聚糖(2~3nm)，但是在肽聚糖层外边，仍有另一层外膜，作为另外的屏障。外膜上含有许多独特的结构：把外膜与肽聚糖层连接起来的布朗(braun’s)脂蛋白；使营养物被动运输通过膜的[膜]孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖(lps)。脂多糖也称为内毒素，对哺乳动物有高度毒性。g-细菌细胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外还有磷脂、多糖和蛋白质。外膜被分为脂多糖层（外）、磷脂层（中）、脂蛋白层（内）。肽聚糖层

g-细菌细胞壁肽聚糖层很薄，约有2~3nm厚。它与外膜的脂蛋白层相连。周质空间周质空间(periplasmicspace，即壁膜间隙）是革兰氏阴性细菌细胞膜与外膜两膜之间的一个透明的区域。

周质空间含有与营养物运输和营养物进入有关的蛋白质，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-内酰胺酶。革兰氏阳性细菌以上这些酶常分泌到胞外周围，革兰氏阴性细菌则依靠它的外膜，保持这些酶与菌的紧密结合。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g+与g-菌的细胞壁的特征比较功能:（1）维持细菌的细胞形态（2）抵抗外界环境的低渗（3）协助鞭毛运动（4）细胞分裂所必须（5）阻挡有害物质进入细胞（6）与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性有关

紧贴在细胞壁内侧而包围细胞质的一层柔软而富有弹性的薄膜选择透过性膜——半透膜结构——磷脂双分子层2

细胞膜（cytoplasmicmembrane）diagramofacytoplasmicmembrane

细胞膜的构造：是一个磷脂双分子层其中埋藏着与物质运输、能量代谢和信号接收有关的整合蛋白(integral)

，它是完全地与膜连接而且贯穿全膜的蛋白另外，有通过电荷相互作用，疏松附着于膜的外周蛋白(peripheralproteins)

。它是由于磷脂带正电荷极性头，只是通过电荷作用与膜松散连接的一类膜中的脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间互相相对运动膜内陷形成（中）间体（mesosome）细胞膜的功能：维持渗透压梯度和溶质的转移。细胞膜由含有亲水区域的和疏水区域的两性分子磷脂组成，膜对于大分子或电荷高的分子成为一个选择渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层，选择性的控制内、外营养物质和代谢产物的运送。维持细胞内正常渗透压的屏障。参与细胞壁、糖被合成。细胞质膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶。细胞膜的功能：参与物质代谢和能量代谢。膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所为鞭毛提供附着点。细胞质膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此长出。间体是从质膜向内伸展的细胞质中主要单位膜结构，其功能可能参与呼吸作用、同dna的复制和细胞的分裂有关细胞质（cytoplasm）：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。细胞质的主要成分：含水的、含有细胞功能所需的各种分子、rna和蛋白质的混合物，含水量约80%

。细胞质的主要成分是核糖体。3细胞质和内含物核糖体(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。内含物

(inclusionbodies)

细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物，包括各种贮藏物和羧酶体、气泡等，在光学显微镜下可观察到：聚--羟基丁酸盐(phb)颗粒；多聚磷酸盐颗粒(也称异染粒)；某些细菌中也能看到脂肪滴；气泡：在蓝细菌(蓝绿藻)和生活在水环境中的其它光合细菌内发现的一个有趣的内含体。在细胞内四周排列的由蛋白质构成的气泡，可提供浮力，使得细菌漂浮靠近水的表面羧酶体（carboxysome）：又称为多角体，是自养细菌细胞内所特有的多角形或六角形内含物，可能是固定co2场所贮藏物：是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒碳源及能源类氮源类磷源：聚磷菌糖原:大肠杆菌、克雷伯氏菌、芽孢杆菌phb：硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫细菌藻青素：蓝细菌藻青蛋白：蓝细菌贮藏物内含物存在于组成功能；非单位膜被包裹的聚-经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4

拟核（nucleoid）

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。一般为1～4个核区细菌的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。

electronmicrographofnucleoiddna

细菌的dna位于细胞质中，由一个染色体构成，不同种的细菌之间染色体大小不同。其dna是环状、致密超螺旋，与组蛋白相类似的蛋白质结合。

古细菌的染色体和细菌的染色体类似，是一个单个环状的dna分子，大小通常小于大肠杆菌的dna。

function:thenucleoidisthegeneticmaterialofthebacterium.geneslocatedalongthednaaretranscribedintornawhich,inthecaseofmrna,isthentranslatedintoproteinattheribosomes.inotherwords,dnadetermineswhatproteinsandenzymesanorganismcansynthesizeand,therefore,whatchemicalreactionsitisabletocarryout..

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。

5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛有鞭毛的细菌，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。

5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛bacterialflagellararrangements单生鞭毛、丛生鞭毛、对生鞭毛、周生鞭毛monotrichousflagellumofvibrio

choleraetransmissionelectronmicrographofescherichiacolio157:h7salmonellawithaperitrichousarrangementofflagella

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。

5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛bacterialpilielectronmicrographofescherichiacoliwithpili

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。

5、细菌形态之鞭毛菌毛性菌毛electronmicrographofescherichiacoliwithaconjugationpilus6、细菌形态之芽孢芽孢（endospore）

某些细菌在它生活史中的某个阶段或某些细菌在它遇到外界不良环境时，在其细胞内形成一个圆形或椭圆形的内生孢子。是生物界中抗逆性最强的休眠体。

在一些属包括芽孢杆菌属和梭菌属中产生细菌的芽孢。它们是由细菌的dna和外部多层蛋白质及肽聚糖包围而构成，芽孢对干燥和热具有高度抗性。6、细菌形态之芽孢形态与结构

芽孢结构相当复杂，最里面为核心，含核质、核糖体和一些酶类，由核心壁所包围；核心外面为皮层，由肽聚糖组成；皮层外面是由蛋白质所组成的芽孢衣；最外面是芽孢外壁。一般含内生芽孢的细菌总称为孢子囊(sporangium)。

6、细菌形态之芽孢

孢外壁：主含脂蛋白，透性差芽孢衣：主含疏水性脂蛋白，抗酶解、抗药物，多价阳离子难通过皮层：主含芽孢肽聚糖及dpa-ca，体积大，渗透压高核心：芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区芽孢生理特性

芽孢杆菌属和梭菌属产生的一种特化的繁殖结构，它无繁殖功能。在光学显微镜下用特殊的芽孢染色(如孔雀绿染色)或通过相差显微镜能够观察到芽孢。由于芽孢有许多层包围细菌遗传物质的结构，使其具有惊人的、对所有类型环境应力的抗性，为抗逆性休眠体。如热、紫外线辐射、化学消毒剂和干燥。6、细菌形态之芽孢endosporestainofclostridiumtetanielectronmicrographofclostridiumbotulinum

芽孢的特点(1)含水量下降，蛋白质凝固点提高，受热不易变性(2)形成了厚而致密的芽孢壁，渗透性降低，代谢活力随之降低，使其处于休眠状态(3)合成了一些耐热性较强的酶(4)合成了特有的耐热芽孢成分(2,6-吡啶二羧酸钙盐)6、细菌形态之芽孢研究芽孢的意义(1)芽孢的有无在细菌鉴定中是一项重要的形态学指标(2)芽孢的存在有利于

菌种的筛选和保藏(3)是否能杀灭一些代表菌的芽孢就成了衡量各种消毒灭菌措施的主要指标6、细菌形态之芽孢7、细菌形态之细胞外层：糖被特性：包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质为细胞的外层结构，起保护细胞免受干燥和有毒化合物的损害，也使细菌附着于物体表面。糖被按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为荚膜、微荚膜、粘液层和菌胶团。

糖被包裹在单个细胞上包裹在细胞群上：菌胶团（形成的公共荚膜）在壁上有固定层松散，未固定在壁上：粘液层层次厚：（大）荚膜层次薄：微荚膜capsulestainofenterobacter

aerogenes功能：对细菌表面起渗透屏障作用保护细胞免受吞噬保护细胞免受干燥损伤帮助细菌附着到物体表面表面吸附作用7、细菌形态之细胞外层：糖被三、细菌的培养特征1、有关的基本概念

菌落（colony）：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。菌苔(lawn)：当固体培养基表面众多菌落连成一片时，便成为菌苔。三、细菌的培养特征培养物：在人为条件下，培养繁殖得到的微生物群体。纯培养物(pureculture)：只有一种微生物的培养物培养基(culturemedium)：培养微生物的营养物质无菌技术(aseptictechnique)：防止微生物进入机体或物体的技术。常用的是高压蒸气灭菌法三、细菌的培养特征

菌落特征的概念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。它是衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。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。

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。

2、培养特征（1）在固体培养基上的培养特征（2）在半固体培养基上的培养特征（3）在液体培养基中的培养特征2细菌悬液的稳定性

水处理中的重要意义四、细菌的物理化学性质1细菌表面电荷氨基酸的等电点细菌表面含表面蛋白：有等电点，一般为ph2～5

细菌培养液的ph比等电点高，细菌带负电荷。3细菌细胞的革兰氏染色细菌细胞革兰氏染色1884年革兰姆·克里斯琴(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。革兰氏染色程序

步骤方法结果阳性(g+)阴性(g-)初染结晶紫30s紫色紫色媒染剂碘液30s仍为紫色仍为紫色脱色95%乙醇10-20s保持紫色脱去紫色复染蕃红(或复红)30-60s仍显紫色红色gramstainofstaphylococcusaureusgramstainofescherichiacoli五、环境工程中重要的细菌1

球菌广泛分布于自然界，多数为g+，不能运动，少数厌氧，微球菌科为代表2

杆菌（1）芽孢杆菌：产芽孢，多数为g+

，周身鞭毛常见的有枯草芽孢杆菌、腊样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、丙酮丁醇羧菌、溶纤维素芽孢杆菌等。（2）无芽孢杆菌：主要有假单胞菌科、硝化杆菌科、硫杆菌科、肠杆菌科、固氮菌科等。假单胞菌科：多需氧异养型，其假单胞菌属科可降解糖类和蛋白质，动胶菌属化能异养，对糖类物质有很强的氧化能力。硫杆菌科：多数自养，能将硫和硫化氢氧化为硫酸，在自然界硫转化中有重要作用。硝化杆菌科：严格化能自养，有机环境中不生长，有的氧化氨为亚硝酸盐，而有的氧化亚硝酸盐为硝酸盐，在氮素转化中其重要作用。固氮菌科：固定大气中的氮大肠杆菌科：作为水体污染的指示生物3螺旋菌

菌体为弯曲的杆状或螺旋状，多为g-

，好养或厌氧。比较重要的有螺菌属，厌氧或微好养，主要存在于污水中。

§1.2古菌（archaea）2

初步掌握古菌的特点，了解研究古菌的意义和价值1了解古菌在微生物中的类别

§1.3放线菌（actinomycetes）分布：土壤是其主要场所，特别是中性或偏碱性土壤和有机质丰富的土壤中较多，陆生性强概述：因菌落在固体培养基上呈放射状生长而得名。菌体为单细胞，介于细菌和丝状真菌之间而又接近于细菌的一类原核生物。放线菌是一个大类群，多数为革兰氏阳性。

放线菌与人类生活及生产的关系

♦多为腐生，少数为寄生。腐生菌在自然界物质循环中起积极作用。寄生型放线菌会引起放线菌病和诺卡氏病。♦主要能产生大量的、种类繁多的抗生素。世界上绝大多数的抗生素由放线菌产生。

♦其他作用：酶制剂的生产、甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等

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,其菌丝可分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种(见图)。

营养菌丝

♦

又称为初级菌丝体、一级菌丝体或基内菌丝，匍匐生长于培养基内，主要生理功能是吸收营养物。♦

营养菌丝一般无隔膜；直径0.2-0.8m；长度差别很大；短的小于100m，长的可达600m；♦

有的产生色素：黄、橙、红、紫、蓝、绿、灰、褐、黑等，有脂溶性和水溶性，脂溶性局限于菌丝，水溶性可在培养基中扩散气生菌丝

又称为二级菌丝体。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为气生菌丝。孢子丝当气生菌丝发育到一定程度，其上部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。气生菌丝和孢子丝伸展在空气中，菌丝间不存在，毛细管水

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