第2章 原核微生物

第二章原核微生物第一节细菌细菌细胞是原核细胞，就是在细胞中没有细胞核结构，只有明显核区（拟核），外面无核膜包围。与有真正细胞核的真核细胞相比，其它结构成分也有差异，如原核细胞壁的主要成分是一类含有氨基酸的多糖，称为肽聚糖，而真核细胞壁主要由纤维素或甲壳质组成。一、细菌的个体形态与大小单个有机体的基本形态：球状（coccus），直径一般0.5-2μm。杆状（bacillus），一般长1-5μm，宽0.5-1.0μm。螺旋状（spirilla），一般宽度0.5-5μm，长度差异较大，5-15μm，还有其他很多形态。尽管是单细胞生物，许多细菌常以成对或链、成簇形式生长。例双球菌（肺炎球菌）、链球菌、四联、八叠球菌等。图1-1常见的三种细菌典型形态A.球菌B.杆菌C.弧菌球菌

球菌就是球形的细菌，它是这类细菌的总称，细胞呈球形或椭圆形。l．单球菌2．双球菌3．链球菌4．四联球菌5．八叠球菌6．葡萄球菌图1-2杆菌细胞呈杆状或圆柱状，菌体直或稍弯，粗短或细长。末端钝圆、尖、膨大或平裁状。直径在0.5～1um×1～5um（宽径×长）细长的杆菌又称为？丝状菌可引起活性污泥膨胀弧菌

弧菌细胞呈弧形，其中若菌体多于一个弯曲，其程度超过一圈，又称为螺旋菌。直径在0.5～5um，长度不等。

弧菌螺旋菌二、细菌的细胞结构细菌细胞：一般构造和特殊构造。细菌细胞结构一般构造：如细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、核糖体等，是所有细菌都有的构造特殊构造：主要有鞭毛、菌毛、性菌毛、荚膜和芽孢等，并非所有细菌都有的构造一、细胞壁cellwall:细胞壁的观察方法：

①质壁分离＋染色

②电镜观察G＋与Gˉ细菌cw的模式结构★共有组分—肽聚糖★特有组分—G＋

磷壁酸

Gˉ脂多糖细胞壁是位于菌体的外层，内侧紧贴细胞膜的一层无色透明，坚韧而有弹性的结构。细胞壁约占细胞干重的10%—25%。细胞壁cellwall:革兰氏阳性菌肽聚糖单体

概念：肽聚糖是由N—乙酰胞壁酸（NAM）和N—乙酰葡糖胺（NAG）以及短肽链（主要是四肽）组成的亚单位聚合而成的大分子聚合物。（1）细胞壁的基本骨架——肽聚糖（共有成分）肽聚糖网格状结构

NAG与NAM残基以ß-1,4糖苷键交替连接，形成聚糖的骨架（主链）；一组相同的短肽侧链接于NAM上；相连主链上的短肽侧链通过一条肽桥、或直接相连，从而形成网状分子结构。肽聚糖单体→网状结构G+菌肽聚糖单体Gˉ菌肽聚糖单体肽聚糖的特点:1)为原核生物所特有(古细菌例外)2)D-型氨基酸和DAP在真核细胞中未发现3)个别菌中DAP（二氨基庚二酸）可为Lys代替

1、G+菌的细胞壁肽聚糖(peptidoglycan):磷壁酸(teichoicacid)细胞壁厚度较厚，20~30nm细胞壁分层不分层肽聚糖含量含量高（30-70）肽聚糖层数层数多交联度交联度高磷壁酸有脂多糖无DAP无

磷壁酸teichoicacid（垣酸）占壁干重40~50%。是以磷酸多元醇分子的重复结构单位为主链（骨架）的阴离子多聚物。在多数情况下，磷壁酸分子中的磷酸多元醇是磷酸甘油，或磷酸核糖醇，因此，根据主链组成不同可以将磷壁酸分为两大类：甘油型磷壁酸核糖醇型磷壁酸磷壁酸根据结合部位的不同分为：壁磷壁酸:含量多，通过共价键与肽聚糖分子结合,并延伸到肽聚糖分子表面,带有负电荷。膜磷壁酸:与菌细胞原生质膜的脂类结合。Thestructureofteichoicacid磷壁酸的功能①协助肽聚糖加固细胞壁；②增强细胞膜的稳定性；③提高膜结合酶的能力(使细胞壁形成负电荷环境,以利于吸附镁离子,维持酶活)④构成噬菌体的吸附位点;

⑤形成表面抗原决定簇的主要成分。⑥保证革兰氏阳性致病菌（如A族链球菌）与其寄主间的粘连2、G－的细胞壁细胞壁厚度较薄10-15nm细胞壁分层分层：外壁层6-10nm

内壁层2-3nm肽聚糖含量只占组分的5-10%肽聚糖层数低，一般1-2层肽聚糖交联度较低磷壁酸无脂多糖有

抗原决定因子O-抗原蛋白质Figure7.MuramicacidsubunitofthepeptidoglycanofEscherichia.coli.ThisisthetypeofpeptidoglycanfoundinmostGram-negativebacteria.Theglycanbackboneisarepeatpolymeroftwoaminosugars,N-acetylglucosamine(GlNAc)andN-acetylmuramicacid(MurNAc).AttachedtotheMurNAcisatetrapeptideconsistingofL-Ala-D-glu-DAP-D-Ala.Inthepolymericformofthemolecule,nearbytetrapeptidesidechainsmaybelinkedtooneanotherbyaninterpeptidebondbetweenDAPononechainandD-alaontheother.Figurea.Schematicillustrationoftheoutermembrane,cellwallandplasmamembraneofaGram-negativebacterium.Notethestructureandarrangementofmoleculesthatconstitutetheoutermembrane.脂多糖(LPS,lipopolysaccharide)：脂质A：为一种糖磷脂，由N-乙酰葡糖胺双糖、磷酸与多种长链脂肪酸组成，它是细菌内毒素的主要成分。核心多糖：由2-酮-3-脱氧辛糖酸（KDO)、L-甘油-D-甘露庚糖、半乳糖及匍糖胺这样一组糖类组成。它一边通过KDO残基连接在脂类A上，另一边通过葡萄糖残基与O-侧链相连。O-侧链（特异性多糖）：是由多糖组成的重复单位，结构复杂，位于菌体的外表面，又称菌体抗原。由于各种革兰氏阴性菌多糖链的种类、排列顺序和空间构型都不同，造成革兰氏阴性菌的O-抗原有不同的特异性。LPS分子一般都是由三部分（区段）组成G-菌的脂多糖成分具有毒性，由于它细菌表面紧密结合，只有在菌体裂解时才被释放出来，故称为内毒素（endotoxin)。Figureb.StructureofLPS

Figure.StructureofLPSLPS,lipopolysaccharideLPS层的主要功能①构成某些革兰氏阴性细菌致病物质—内毒素的物质基础；②起细菌自我保护作用，它可以阻止溶菌酶、抗生素和染料等侵入菌体，也可以阻止周质空间中的酶外漏；③作为重要的抗原因子决定了革兰氏阴性菌抗原的多样性；④是许多噬菌体吸附的受体。

成分占细胞壁干重的%革兰氏阳性细菌革兰氏阴性细菌肽聚糖磷壁酸类脂质蛋白质含量很高（30~95）含量较高（<50）一般无（<2）无含量很低（5~20）无含量较高（~20）含量较高革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁成分比较Property

Gram-positiveGram-negativeThicknessofwall

thick(20-80nm)thin(10nm)Numberoflayers

1

2Peptidoglycan(murein)content

>50%10-20%Teichoicacidsinwall

presentabsentLipidandlipoproteincontent

0-3%58%Proteincontent

09%Lipopolysaccharidecontent

0

13%SensitivitytoPenicillinG

yesno(1)Sensitivitytolysozymeyesno(2)Table5.CorrelationofGramsstainwithotherpropertiesofBacteria.溶菌酶对细胞壁的作用◆可切断NAM和NAG之间的—1，4糖苷键，引起细菌裂解。

◆对Gˉ菌，在EDTA存在下，受溶菌酶作用。◆溶菌酶处理后的菌细胞应保存在弱高渗（0.1~0.2M）蔗糖液中。青霉素对细菌细胞壁的作用

Penicillium与转肽酶结合，而使该酶失活，抑制了侧链末端的丙氨酸与五肽桥的连接，破坏了细菌细胞壁的完整性（即抑制肽聚糖的合成），因此，Penicillium仅对正在生长着的细菌，且主要是对G+菌有效。细胞壁的功能:1、决定了革兰氏染色的性质；2、决定细菌的基本形态；3、决定细胞的抗膨压（保护细胞免受渗透压变化的破坏）4、决定对溶菌酶的敏感性；5、决定了对青霉素的抗性；6、为鞭毛运动提供支点；7、决定细胞的抗原性；8、决定细菌的毒性（致病性）革兰氏染色原理：第一步：结晶紫使菌体着上紫色第二步：碘和结晶紫形成脂溶性大分子复合物，分子大，能被细胞壁阻留在细胞内。第三步：酒精脱色，细胞壁成分和构造不同，出现不同的反应。第四步：沙黄复染，增加脱色菌与背景的反差并区别于未脱色菌。革兰氏染色原理：G﹢菌：细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种透性障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔障缩小，故保留结晶紫-碘复合物在细胞膜上。呈紫色。Gˉ菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂含量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，沙黄复染后呈红色。阳性菌阴性菌革兰氏染色法周质空间（periplasmicspace）又称壁膜空间。指位于细胞壁与细胞膜之间的狭窄间隙，革兰氏阳性细菌与阴性细菌均有。内中含有多种蛋白质，例如蛋白酶、核酸酶等各种解聚酶，运送某些物质进入细胞的结合蛋白，以及趋化性的受体蛋白等。

（二）原生质体（protoplast）

在人为条件下，用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉菌抑制新生细胞壁合成后，所得到的仅有一层细胞膜包裹着的圆球状渗透敏感细胞，一般由G＋形成。球状体（sphaeroplast）又称原生质球，指还残留部分细胞壁，尤其是G‐外膜的原生质体。原生质体和球状体的共同特点：无完整的细胞壁，细胞呈球状，对渗透压敏感，即使有鞭毛也无法运动，对相应噬菌体不敏感，细胞不能分裂等。如在形成原生质体或球状体前已有噬菌体侵入，则它仍然能正常复制，增殖和裂解；如在形成原生质体前形成芽孢，则该芽孢仍然能正常形成；其比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质。微生物原生质体融合及应用

1、细胞质膜（cytoplasmicmembrane）

又称质膜（plasmamembrane），细胞膜（cellmembrane）或内膜（innermembrane），是紧贴在细胞壁内侧，包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的具选择性吸收的薄膜，厚7–8nm，主要由脂类、蛋白质、糖类组成。间体（mesosome）是一种由细胞质膜内褶而形成的囊状构造，其中充满着层状或管状泡囊。2、细胞质和内含物（inclusionbody）

cytoplasm是细胞质膜包围的除核区外的一切透明、胶状颗粒状物质的总称。主要成分：水（80％）、核糖体、储藏物、多种酶类、中间代谢物、质粒和各种营养物质等。内含物：细胞质内形状较大的颗粒状构造，包括各种贮藏物和羧酶体、气泡等。（1）贮藏物（reservematerials）reservematerials是一类由化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，主要功能是贮存营养物。糖原：大肠杆菌，芽孢杆菌和蓝细菌 等以及聚β-羟丁酸（PHB）固碳源及能源类氮菌，产碱菌和肠杆菌等。 硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌等。（硫元素贮藏物）

藻青素：蓝细菌（内源性氮源贮藏物，兼存能源）贮藏物氮源类

藻青蛋白：蓝细菌磷源（异染菌）：迂回螺菌，百喉棒杆菌等（功能：贮藏磷元素和能量，降低细胞渗透压）概念：是普遍存在的贮藏物，大小为0.5—1μm

，主要成分是多聚偏磷酸盐的聚合物，分子呈线状，嗜碱性强，用美兰染色时着色较深，呈紫红色，与菌体其他部位不同，故称异染粒。功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。

含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等.

①异染粒（metachromaticgranule）：②聚-β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutirate，PHB）：聚β－羟丁酸颗粒是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。许多好氧菌和光合厌氧菌都含有聚β－羟丁酸颗粒。CH3—CHOH—CH2—COOHH--O—C—CH2—CO---OH〔〕CH3n(n﹥6)PHB:③硫粒:是硫元素的贮藏体功能：

a.好氧硫细菌的能源

b.厌氧硫细菌的电子供体形成：当环境中H2S含量高时，在体内积累S；当H2S不足时,S氧化成硫酸盐，以提供被菌细胞生命活动所需能量：H2S→S→SO4-2（2）核小体（megnetosome）

在趋磁细菌中发现（主要有水古螺菌层（Aquaspirillum）和嗜胆球菌层（Bilophococous）膜包裹是单磁畴晶体，无毒，大小均匀。功能：导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有利的泥﹑水界的微氧环境处生活。实用：生产磁性定向药物或抗体，制造生物传感器等。（3）羟酶体（carboxysome）又称羟化体，在自养细菌的二氧化碳固定中起关键作用。（4）气泡（gasocules）是许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在充满气体的泡囊状内含物。功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获得光能，氧气和营养物质。气泡由蛋白质膜构成的充满气体的泡状物。有些细菌细胞质中含有几个或多个气泡。常见于光合细菌和水生细菌。气泡的功能：■调节细胞比重，加大菌体的浮力,借气泡漂浮能力，以使其漂浮在合适的水层中，使无鞭毛菌在合适的环境中生长。■气泡吸收空气，空气中的氧气可供代谢需要。例：许多光合细菌和水生细菌、盐杆菌常含有气泡。3、核区（nuclearregionorarea）

又称核质体（nuclearbody），原核（procaryote）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。几乎集中有全部与遗传变异有密切关系的核酸，是决定生物遗传性的主要部分。糖被（glycocalyz）：包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物。糖被的有无，厚薄除与菌种遗传性相关外，还与环境（尤其是营养物质）条件密切相关。

（三）荚膜、粘液层、菌胶团和衣鞘1、糖被(glycocalyx)及其类型：某些细菌细胞壁外的一层粘液性胶状物质。根据糖被的形状和厚度的不同，将其分为四类：

(大）荚膜（capsule)：粘液状物质具有一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，厚度：＞0.2µm。微荚膜（microcapsule)：粘液状物质较薄，厚度：＜0.2µm，与细胞表面牢固结合。粘液层(slimelayer)：粘液物质没有明显的边缘，比荚膜松散,可向周围环境中扩散,增大黏性。菌胶团(zoogloea):包裹在细胞群体上的胶状物质。荚膜的观察：荧光显微镜负染色特殊染色荧光显微镜下的荚膜荚膜的生理功能1、荚膜富含水分，可保护细胞免于干燥；2、能抵御吞噬细胞的吞噬；3、为主要表面抗原（K抗原），是有些病原菌的毒力因子；4、能保护菌体免受噬菌体和其他物质（溶菌酶和补体）的侵害；5、是某些病原菌必须的粘附因子；6、贮藏养料，是细胞外碳源和能源的储备物质荚膜与生产实践的关系应用：荚膜也可以成为有价值的材料。如：Leucomostoc

mesenteroides

的葡聚糖荚膜已用于生产代血浆的主要成分——右旋糖酐和葡聚糖凝胶制剂；从野菜黄单胞菌（Xanthomonas

campestris）荚膜提取黄原胶，它是优良的食品添加剂，又是石油开采中优良的压浆剂；用产菌胶团的菌进行污水处理等；通过荚膜的血清学反应进行细菌鉴定（荚膜膨胀试验）。危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。荚膜与菌落形态光滑（Smooth,S-)型菌落——产荚膜的细菌在固体培养基上形成的菌落表面湿润、有光泽、呈粘液状，称S-型菌落。粗糙（Rough,R-)型菌落——不产荚膜的细菌形成的菌落表面干燥、粗糙、称R-型菌落。荚膜的形成条件（1）荚膜的形成是微生物的遗传特征之一，是“种”的特征。但不是细菌的必要结构，失去荚膜的菌株照样能够生活。

(2)荚膜的形成与组成明显受培养基成分和培养条件的影响（与环境密切相关）。如肠膜明串珠菌(Leuconosto

mesenterondes)以蔗糖为碳源时合成葡聚糖成分的荚膜。（物以类聚）多个菌体通过共同的荚膜胶联形成的团块——菌胶团。

形成菌胶团的典型细菌为动胶菌属的细菌。［菌胶团＋吸附物（物质、其他微生物）＝活性污泥］形成菌胶团的生物作用？——群体合作、阻挡原生动物的吞噬概念：某些细菌生长到一定阶段或在一定环境条件下，细胞的正常生长和分裂停止，细胞内细胞质浓缩，逐步行成一个圆形、椭圆形或圆柱形的，对不良环境有较强抵抗力的特殊结构，称为芽胞。芽胞成熟后可自行从芽胞囊中释放出来。因芽胞的形成都是在细胞内，故又称内生孢子。（四）特殊的休眠构造－－芽孢(endospore，spore)芽胞芽胞囊

Figure.GramstainofBacillusanthracis,thecauseofanthrax（1）Shape,locationandrelativesizetothesporeofparentcell在杆菌中能形成芽孢的种类较多，在球菌和螺旋菌中只有少数菌种可形成芽孢。产生芽孢的几个属：(Bacillus)芽孢杆菌属(Clostridium)梭状芽孢杆菌属(Sporosarcina)芽孢八叠球菌属（2）能形成芽孢的细菌种类芽孢的结构芽孢的外壁层厚而致密，主要成分为脂蛋白，通透性差,不易着色。核心含有大量的DNA、RNA、蛋白质酶等物质，还含有2,6—吡啶二羧酸（DPA）,DPA是芽孢特有的成分。一般以DPA—Ca的形式存在。皮层主要含芽孢肽聚糖、DPA—Ca，皮层体积大，比较致密。芽孢平均含水量低,约40%.（3）芽孢的组成和结构芽孢有多层结构，主要包括孢外壁、芽孢衣、皮层和核心：轴丝形成

形成前芽孢

前芽孢隔膜形成

前芽孢发育成熟芽孢形成芽孢囊裂解

（4）芽孢的形成过程★1、对高温、干燥、辐射、化学药物有强大的抵抗力。

★2、含水量低、壁厚而致密，通透性差,不易着色，折光性强。★3、芽胞内新陈代谢几乎停止，处于休眠状态，但保持潜在萌发力。★4、一个芽孢萌发只产生一个营养状态的细胞。（5）芽孢的特性（6）芽孢抗热机制目前尚不清楚，但可能与以下因素有关，如含水量低、壁厚而致密，芽孢中的酶分子量小，比较耐热。过去还曾认为芽孢抗热与DPA有关，现在已否认了这种假设。功能抵抗力强。耐干燥、热、辐射、化学消毒剂

100℃数小时消毒灭菌是否彻底的标准最可靠方法为高压蒸气灭菌致病性

不直接引起疾病，发芽后形成繁殖体后致病鉴别意义

根据芽胞位置、大小等（7）伴胞晶体（parasporalcrystal）少数芽孢杆菌，如Bacillusthuringiensis（苏云金芽孢杆菌）在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一个菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体（即δ内毒素）称为伴胞晶体。它的干重可达芽孢囊的约30%，由18种氨基酸组成，大小约0.6＊2.0μm。伴胞晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目昆虫的幼虫有毒杀作用，因此可以用做生物农药。Bacillusthuringiensisviewedbyphasecontrastmicroscopy.Thevegetativecellscontainendospores(phasebright)andcrystalsofaninsecticidalproteintoxin(deltaendotoxin).Mostcellshavelysedandreleasedthesporesandtoxincrystals(thestructureswithabipyramidalshape).（8）芽孢的本质即不是细菌生活周期的必经阶段，也不是细菌繁殖的一种形式，又不是对环境的消极反应，而是一种生命形式，一种独立的休眠体。（8）研究芽孢的意义：1、分类鉴定2、保存菌种3、分离菌种4、灭菌标准（五）鞭毛（flagellum）1.概念：某些微生物表面由细胞内生出的细长、波曲的结构。2.鞭毛的观察：

1)从固体培养基上的菌落形态判断

2)光学显微镜（悬滴法）

3)光学显微镜特殊鞭毛染色

4)电镜

5)半固体穿刺培养

鞭毛的长度：一般为15—20µm，最长可达70µm。鞭毛的直径：为0.01—0.02µm.鞭毛的着生方式Figure.Differentarrangementsofbacterialflagella鞭毛的结构由鞭毛丝．鞭毛钩．基体三部分组成：鞭毛丝：中空螺旋状、丝状结构，球蛋白亚基螺旋排列。鞭毛钩：又称钩形鞘，是连接鞭毛丝和基体的一个弯曲筒状部分，蛋白质亚基组成。G–菌：L环、P环、S环、M环G+菌：S环，M环基体：由若干个盘状物即环组成。

鞭毛的化学组成鞭毛蛋白，3万~6万Dolton，不同种由不同球蛋白分子亚基构成，有些含多糖、类脂等，为极好抗原。鞭毛运动与细菌的趋避性运动趋避性化学趋避性运动氧趋避性运动光趋避性运动运动趋避性运动：鞭毛的功能是运动，这是原核生物实现其趋性（taxis）即趋向性的最有效方式。

化学趋避运动或趋化作用（chemotaxis）：细菌对某化学物质敏感，通过运动聚集于该物质的高浓度区域或低浓度区域。光趋避运动或趋光性（phototaxis）：有的细菌能区别不同波长的光而集中在一定波长光区内。趋磁运动或趋磁性（magnetotaxis），趋磁细菌根据磁场方向进行分布

（或线毛、菌毛、伞毛）某些菌体表面存在的短而多的附属物。纤毛比鞭毛更短、更细，且又直又硬。数量很多，不具有运动功能，但与菌的致病性．吸附等有关纤毛(pilus)与菌毛(fimbria）Figure.Fimbriae(commonpili)onthesurfaceofbacterialcells.性毛（pili,单数pilus）

又称性菌毛（sex–pili或F–pili），构造和成分与菌毛同比菌毛长，仅一至少数几根。一般于G-雄性菌株（供体菌）中。功能：向雌性菌株（即受菌体）传递遗传物质。有的还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。三、Culturalcharacteristicsofbacteria

细菌的培养特征菌落定义——固体培养基上的各种菌类的“村落”。固体培养基——固体状态的培养细菌的基质有的是天然物质，如土豆、馒头及其他各种固体食物，微生物学研究中多使用人工制作的固体琼脂培养基。

向“营养汤”中加入琼脂(约1.5-2％)加热到100℃，然后再冷却就制成了人工固体培养基。常用的固体培养基容器称为培养皿。培养皿通常称平板细菌在培养基上生长，会形成各种颜色和外观的菌落。纯化的菌落是菌种鉴定、通过诱变技术或基因工程改良的前提。单菌落（纯菌落Purecolony）*为什么呢？菌落形态菌落的特征主要由各种微生物特殊的遗传特性决定，同时也与培养基成分及培养条件有关可作为微生物鉴定的重要依据。菌落描述a.隆起特征描述

b.边缘特征描述

c.表面特征描述有鞭毛的细菌则较大而扁平，边缘波状、锯齿状等；有荚膜的细菌菌落较大并且表面光滑，而没有荚膜的则表面较粗糙；具有芽孢的细菌菌落表面常有褶皱并