第一章原核微生物

第一章原核微生物第1页，共105页，2023年，2月20日，星期一原核微生物的概述定义：具有细胞结构但没有完整细胞核的一类微生物称为原核微生物主要包括细菌、放线菌、蓝细菌及古菌等微生物第2页，共105页，2023年，2月20日，星期一第一节细菌第二节古菌第三节放线菌第四节蓝细菌第3页，共105页，2023年，2月20日，星期一第一节细菌

细菌定义一细菌的形态与大小二细菌的细胞结构三细菌的培养特征四细菌的物理化学性质五细菌的物理化学性质与污水生物处理的关系第4页，共105页，2023年，2月20日，星期一

细菌的定义：细而短，结构简单，细胞壁坚韧，以二分分裂方式繁殖，水生性较强的一类原核微生物。细菌域共分为23门，31纲，71目，14亚目，201科，781属第5页，共105页，2023年，2月20日，星期一一、细菌的形态与大小（一）基本形态有球状、杆状、螺旋状、丝状等

第6页，共105页，2023年，2月20日，星期一1球菌（Coccus）：根据细菌分裂后形成的新个体存在形式不同可以区分为：单球菌、双球菌、链球菌、四链球菌、八叠球菌及葡萄球菌等。

第7页，共105页，2023年，2月20日，星期一单球菌双球菌链球菌第8页，共105页，2023年，2月20日，星期一四链球菌八叠球菌葡萄球菌第9页，共105页，2023年，2月20日，星期一2杆菌（Bacillus）：分为长杆菌（1.0-1.5×4-8μm）、短杆菌(0.6-0.7×0.9-1.0μm)形状：平直、稍弯曲、具原始分支，两端平齐、半圆等。排列方式：散在、链状、八字形等。第10页，共105页，2023年，2月20日，星期一电镜下的杆菌梭状芽孢杆菌乳酸杆菌杆菌的形态第11页，共105页，2023年，2月20日，星期一地衣芽孢杆菌枯草芽孢杆菌第12页，共105页，2023年，2月20日，星期一杆菌举例：枯草芽孢杆菌：分解长的淀粉链北京棒杆菌：生产谷氨酸苏云金芽孢杆菌：产生伴孢晶体可以杀玉米虫、棉铃虫等鳞翅目害虫荧光假单胞（杆）菌：低温下繁殖较快，是奶类及蛋类在低温下腐败的主要原因第13页，共105页，2023年，2月20日，星期一3螺旋菌：个体形态呈现螺旋状。1）弧菌（螺旋不满一环）偏端生鞭毛或众生鞭毛如霍乱弧菌。2）螺旋菌（2-6环,小型、坚硬的）两端都有鞭毛如减少螺菌3）螺旋体（超过6环，柔软）如奋森氏螺旋体第14页，共105页，2023年，2月20日，星期一4丝状菌：分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。丝状体是丝状菌分类的特征,如发硫菌、贝日阿托氏菌等。其中，营养条件会影响丝状菌的细胞形态。水处理中的丝状菌第15页，共105页，2023年，2月20日，星期一（二）细菌的大小1长度单位：微米(μm)2表示方法球菌：直径杆菌：宽×长

螺菌：宽、长、螺距通常球菌直径：0.2—1.5

μm，

杆菌:长1—5μm,宽0.5—1μm。例如E.coli：平均长度2μm；宽度0.5μm1500个大肠杆菌头尾相接等于3mm；109个大肠杆菌重1mg.第16页，共105页，2023年，2月20日，星期一二、细菌的细胞结构：基本结构：细胞壁、细胞质膜、细胞质、核质体等附属结构：荚膜、鞭毛、芽孢等第17页，共105页，2023年，2月20日，星期一第18页，共105页，2023年，2月20日，星期一第19页，共105页，2023年，2月20日，星期一1定义：存在于细菌细胞结构最外层，厚实、坚韧、具有固定外形、保护细胞功能的结构。2细胞壁的生理功能：A、固定外形B、保护细胞不受破坏C、帮助细胞运动D、参与细胞分裂E、分子筛作用一）细胞壁（cellwall）第20页，共105页，2023年，2月20日，星期一第21页，共105页，2023年，2月20日，星期一1）革兰氏阳性（G+）：由肽聚糖和磷壁酸构成①肽聚糖：a双糖单位：N-乙酰葡萄糖胺（G）和N-乙酰胞壁酸（M）通过β-1、4糖苷键连接而成b短肽尾：4个氨基酸构成L-Ala—D-Glu—L-Lys—D-Alac肽桥：连接D-Ala与L-Lys，不同细菌的肽桥组成不同3细胞壁的化学组成第22页，共105页，2023年，2月20日，星期一第23页，共105页，2023年，2月20日，星期一②磷壁酸：壁磷壁酸：与肽聚糖共价结合膜磷壁酸：由甘油磷酸链与细胞膜上的磷脂共价结合第24页，共105页，2023年，2月20日，星期一第25页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）革兰氏阴性（G-）：由肽聚糖、脂多糖及蛋白构成①肽聚糖：肽尾的第三个氨基酸为内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)无肽桥，m-DAP与D-Ala直接连接

②脂多糖（LPS）：外层的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖和O-特异侧链三部分组成第26页，共105页，2023年，2月20日，星期一3）细菌细胞壁组成的小结

G＋

G-

相对的简单，肽聚糖含量高相对复杂，肽聚糖含量低交联程度高,有磷酸及磷壁酸交联度低，无磷酸含脂

N－乙酰氨基酸，D-氨基酸是细胞壁所特有的溶菌酶可以破坏β－1.4糖苷键，青霉素可以破坏肽链交联第27页，共105页，2023年，2月20日，星期一革兰氏染色：1884年丹麦医师Gram创立的一种鉴别性染色方法。先利用草酸铵结晶紫染液染色

，之后用酒精进行脱色，最后由沙黄进行复染。不同微生物会出现不同的颜色。4)革兰氏染色机理第28页，共105页，2023年，2月20日，星期一革兰氏染色机理染色步骤：结果:

阳性菌——紫色

阴性菌——红色结晶紫初染碘液媒染乙醇脱色番红复染涂片固定第29页，共105页，2023年，2月20日，星期一革兰氏染色的机理：初染、媒染使细胞膜和原生质染上不溶于水的结晶紫与碘的大分子复合物。G+：壁厚，肽聚糖含量高，交联度高，用乙醇脱色会使网孔收缩，结晶紫留在细胞壁内故呈现紫色。G-：肽聚糖含量低,网孔收缩不明显，类脂含量大，乙醇会溶出缝隙，复合物流出细胞壁，番红复染，则呈现红色第30页，共105页，2023年，2月20日，星期一

紧贴在细胞壁内侧的一层由磷脂和蛋白质组成的柔软富有弹性的半透性膜。1细胞质膜的结构：磷脂双分子层镶嵌各种蛋白。1）磷脂：甘油的3个羟基被不同集团取代，形成极性头和非极性尾。2）蛋白质：若细胞膜的功能多，则蛋白质含量高；若功能少，则蛋白含量低。

二）细胞质膜（Protoplasmicmembrane)第31页，共105页，2023年，2月20日，星期一亲水的极性端疏水的非极性端磷脂的分子结构第32页，共105页，2023年，2月20日，星期一细胞膜结构第33页，共105页，2023年，2月20日，星期一膜蛋白具运输功能的整合蛋白（integralprotein）或内嵌蛋白（intrinsicprotein）具有酶促作用的周边蛋白（peripheralprotein）或膜外蛋白(extrinsicprotein)膜蛋白约占细菌细胞膜的50%～70%，比任何一种生物膜都高，而且种类也多。--------细胞膜是一个重要的代谢活动中心。第34页，共105页，2023年，2月20日，星期一1）负责细胞内外物质的交换；2）维持细胞内的正常渗透压；3)细胞合成物质的场所；4）许多酶和电子传递链组分的所在地。5）为鞭毛提供附着点2细胞质膜的生理功能第35页，共105页，2023年，2月20日，星期一

细胞质膜包裹的透明、胶状、颗粒状物质，主要由水构成，RNA含量高，包含脂类物质，呈碱性。基本上包含：核糖体、贮藏物、各种酶类、中间代谢产物、无机盐、载色体和质粒等。三）细胞质（Protoplasm）第36页，共105页，2023年，2月20日，星期一合成蛋白质的场所。核糖核酸占60%蛋白质占40%沉降系数：70S（30S、50S两个亚基）生长旺盛的细菌细胞中，核糖体会形成多聚体。1核糖体第37页，共105页，2023年，2月20日，星期一细菌生长到成熟阶段，会因营养过剩而形成一些贮藏颗粒。①聚β-羟丁酸：poly-β-hychroxybutyrate简称PHB聚乳酸和3-羟丁酸的多聚物（用苏丹黑染色，呈黑色）。PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。现表示为PHAs(聚-β-羟基链烷酸)具有贮藏能源、碳源和降低渗透压的作用2内含颗粒——贮藏物第38页，共105页，2023年，2月20日，星期一聚-β-羟丁酸PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并藏。它无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。第39页，共105页，2023年，2月20日，星期一②

异染粒（又称多聚磷酸盐颗粒）

主要成分为多聚偏磷酸盐，含有RNA、蛋白、脂、Mg2+等。贮藏磷元素和能量，并有降低渗透压的作用。用甲苯胺兰（甲烯兰）染色呈紫色。聚磷菌细胞中含有大量的异染粒第40页，共105页，2023年，2月20日，星期一③硫粒：贝日阿托氏菌属，发硫菌属等细胞内贮存硫源的颗粒，主要为单质硫。H2S＋O2→S＋H2O＋能量氧化硫可以获取能量S＋O2

→

SO42-＋能量

硫粒第41页，共105页，2023年，2月20日，星期一④糖原和淀粉粒贮存碳源和能源。用碘染色，肝糖呈现红褐色而淀粉粒呈现深蓝色。⑤藻青素和藻青蛋白通常存在于蓝细菌中它们属于内源性的氮素贮藏物。第42页，共105页，2023年，2月20日，星期一⑥磁小体和磁铁矿颗粒直径为40-100nm，由膜包裹，主要含有硫复铁矿和黄铁矿。某些细菌如趋磁细菌等利用磁小体在地球磁场中定位；趋磁细菌的磁小体可作生物磁性纳米材料。第43页，共105页，2023年，2月20日，星期一磁小体与趋磁细菌第44页，共105页，2023年，2月20日，星期一⑦气泡存在于光合营养型无鞭毛运动的水生细菌细胞内的充满气体的小泡囊，由仅2纳米厚的蛋白质膜包围。具有调节细胞比重以使其漂浮在合适水层中的作用。第45页，共105页，2023年，2月20日，星期一原核生物的核无核膜包被，DNA裸露在细胞内，又被称为核心，拟核等。

环状闭合双链DNA分子，高度折叠于细胞中央。四）核质体（nuclearbody）第46页，共105页，2023年，2月20日，星期一存在于细胞染色体外或附加于染色体上的遗传物质，绝大多数为共价闭合环状双螺旋DNA分子（CCCDNA——covalentclosedcircularDNA）特点：能进行独立复制，稳定遗传；不同质粒的基因可以发生重组，可通过转化、转导、接合作用单独转移，也可携带染色体片段转移。

五）质粒第47页，共105页，2023年，2月20日，星期一上节内容回顾一细菌细胞形态二细胞结构1细胞壁的组成及革兰氏染色机理2细胞膜的组成和作用3PHB的全称4质粒的定义第48页，共105页，2023年，2月20日，星期一细胞表面生长的长丝状、波曲的蛋白结构，直径为0.001-0.02微米，长度在2-50微米之间。运动的功能（趋向营养，逃避有害物质等）六）鞭毛（flagellum）1鞭毛的生理功能第49页，共105页，2023年，2月20日，星期一大部分杆菌、弧菌，少数球菌有鞭毛。着生部位：单端鞭毛（杆菌）；两端生鞭毛（螺菌）；周身鞭毛（普通变形杆菌）；侧生鞭毛主要由蛋白构成，同时含一定量的脂、糖等2鞭毛的生长特点3化学组成第50页，共105页，2023年，2月20日，星期一一些细菌表面分泌的厚度不定的胶状物主要成分：多糖、多肽或蛋白

1功能：增加致病力；防吞噬；充当营养；吸附作用

2分类：根据厚度可以分为①大荚膜（>0.2μm）和②微荚膜(<0.2μm)③粘液层:细胞表面分泌的多糖，疏松地附着在细胞壁表面，没有明显边缘，疏松、扩散以增加培养基黏度。七）荚膜（Capsule）第51页，共105页，2023年，2月20日，星期一④菌胶团：细菌之间按一定的排列方式相互粘集在一起，被一个公共荚膜包围形成的细菌集团。有球形、蘑菇形、椭圆形、分支状等。第52页，共105页，2023年，2月20日，星期一⑤衣鞘：丝状体表面的粘液层或荚膜硬质化，形成透明坚韧的空壳。3特征：产荚膜的细菌在固体琼脂糖培养基形成光滑型（S型）菌落。第53页，共105页，2023年，2月20日，星期一部分细菌在不利条件下形成的一种抗逆性的内生孢子，具有一定程度的抗热、抗辐射、抗药物、抗静水压等作用。八）芽孢（Endaspore）第54页，共105页，2023年，2月20日，星期一1芽孢的结构1）孢外壁：成分为脂蛋白；2）芽孢衣：疏水性角蛋白构成。多价阳离子和水不易通过；3）皮层：含大量的肽聚糖及DPA-Ca（吡啶二羧酸钙盐）；4）核心，细胞遗传物质。

第55页，共105页，2023年，2月20日，星期一芽孢杆菌染色（无色处为芽孢）芽孢染色，绿色的芽孢，红色的为营养体第56页，共105页，2023年，2月20日，星期一

芽孢衣含有大量疏水性角蛋白而对多价阳离子、水分的渗透性较差,由于皮层的离子强度高，即渗透压高，可以夺取核心部分的水分，从而使皮层充分膨胀，而核心呈失水状态。水具有较高的比热容，对核心起到很好的保护作用。所以，产生极高的耐热性。2芽孢的抗热机理第57页，共105页，2023年，2月20日，星期一伴孢晶体：某些芽孢杆菌（如苏云金芽孢杆菌）在形成芽孢时周围形成菱形或双锥形的碱性蛋白晶体（δ内毒素）杀害昆虫。第58页，共105页，2023年，2月20日，星期一三、细菌的培养特征

1菌落（Clonony）：将单个微生物细胞或一小堆同种细胞接种在固体培养基的表面，经过生长繁殖，由于条件有限而形成的肉眼可见的具一定形态构造的细胞集团。由单菌株形成的。不同特征的菌株形成的菌落各有特点，可以用于微生物的分离、纯化、鉴定等。一）细菌在固体培养基上的培养特征第59页，共105页，2023年，2月20日，星期一第60页，共105页，2023年，2月20日，星期一2常见菌种形成菌落的特征:无鞭毛：较小、较厚、边缘极其圆整。有鞭毛：大而扁平、形状不规则、边缘多缺刻。有荚膜：光滑、蛋清状、形状较大产芽孢：不透明、干燥感等。第61页，共105页，2023年，2月20日，星期一细菌在固体培养基中形成菌落的情况光滑型菌落粗糙型菌落粘液型菌落第62页，共105页，2023年，2月20日，星期一平板筛菌的效果图第63页，共105页，2023年，2月20日，星期一可以表征菌体的运动性；可以判断细菌对明胶分解能力二）细菌在半固体培养基上的培养特征第64页，共105页，2023年，2月20日，星期一三）细菌在液体培养基上的培养特征静止培养时会在表面形成薄膜；摇动培养则菌体均匀分布于液体培养基中，具有一定的浊度。第65页，共105页，2023年，2月20日，星期一细菌在液体培养基中的生长情况菌膜菌沉淀均匀浑浊对照第66页，共105页，2023年，2月20日，星期一四细菌的物理化学性质细菌表面存在大量的蛋白，因此具有两性电解质的性质，等电点pH2－5，其中革兰氏阳性细菌表面的等电点pH2－3，而阴性的则为4－5。

在一般的培养、染色、血清试验等过程中，细菌多处于pH>6的状态，高于细菌的等电点，所以细菌表面总是带负电荷。另外，革兰氏阳性菌细胞壁的磷壁酸更加导致细菌表面带负电荷。一）细菌表面电荷和等电点第67页，共105页，2023年，2月20日，星期一二）细菌的染色原理及染色方法1细菌的染色原理细菌表面等电点偏低，在中性及偏碱性条件下带有负电荷，所以碱性的染料极易吸附其上，从而使菌体与背景形成一定的色差。革兰氏阳性菌染色较革兰氏阴性菌容易。2染色方法分为简单染色法和复合染色法两种。第68页，共105页，2023年，2月20日，星期一第69页，共105页，2023年，2月20日，星期一三）细菌悬液的稳定性细菌在液体培养基中的存在状态有稳定的（S型）和不稳定的（R型）。S型菌悬液中的菌体整个为亲水基，可以均匀分布在培养基中R型菌悬液中的菌体表面具强电解质，容易发生沉淀而不稳定污水处理中的沉淀池要求R型菌株或是增加电解质含量以沉淀活性污泥第70页，共105页，2023年，2月20日，星期一

细菌体呈半透明状态,光线照射菌体时,一部分光线透过菌体,一部分光线被折射,因此具浊度。可以采用可见光分光度计、浊度计等进行测定。细菌细胞质中含有多种蛋白质，它们的成分和功能各不相同，因此细胞质是多相胶体。其中，一相吸收一种物质进行生化反应，而另一相则吸收另一种物质进行生化反应四）细菌悬液的混浊度五）细菌的多相胶体性质第71页，共105页，2023年，2月20日，星期一五细菌的物理化学性质与污（废）水生物处理的关系细胞质的多相胶体性：决定细菌在曝气池中吸收有机质的种类、数量和速度；悬液的稳定性：决定污泥在沉淀池中的沉淀效果；细菌的带电性：与污泥的吸附、吸收污染物的能力及与填料载体的结合力有关第72页，共105页，2023年，2月20日，星期一

第二节古菌一古菌的特点1古菌形态：球状、杆状、螺旋状等，有的细胞很薄，扁平；有的呈丝状；2古菌的细胞结构：与细菌的细胞结构不同。

1）细胞壁：不含二氨基庚二酸和胞壁酸，即不具肽聚糖，不受溶菌酶和青霉素的影响；革兰氏阳性古菌的细胞壁含有复杂多聚糖，如产甲烷菌的细胞壁含假肽聚糖，甲烷八叠球菌和盐球菌含复杂聚多糖

第73页，共105页，2023年，2月20日，星期一2）细胞膜：也是由磷脂构成，但亲水头与疏水尾是通过醚键而不是酯键连接的；组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位3）代谢：具有一些特殊的酶类，如绝对厌氧的产甲烷菌。4）呼吸类型：多数为严格厌氧、兼性厌氧，但也有专性好氧的。5）繁殖方式及速度：以二分裂方式或芽殖形式繁殖，但速度较慢6）生态条件：多为极端细菌第74页，共105页，2023年，2月20日，星期一二古菌的分类1产甲烷菌产甲烷菌生活于富含有机质且严格无氧的环境中，如沼泽地、水稻田、反刍动物的反刍胃等，参与地球上的碳素循环，负责甲烷的生物合成与水解菌和产酸菌等协同作用，使有机物甲烷化。在实验室培养的古菌主要包括三大类：产甲烷菌、极端嗜热菌和极端嗜盐菌第75页，共105页，2023年，2月20日，星期一结构：细胞封套——细胞壁、表皮层、鞘和荚膜等、细胞质膜、原生质及核物质

培养方法：专性厌氧。Hungate厌氧滚管法等第76页，共105页，2023年，2月20日，星期一2极端嗜盐古菌生存需要盐，浓度不低于1.5mol/L，一般在2-4mol/L细胞呈链状，G+/G-，好氧/兼性厌氧；细胞内具有色素——菌红素，具有气泡调节浮力细胞质膜上具有视黄醛构成的视紫红质，可以产生ATP提供能量。第77页，共105页，2023年，2月20日，星期一三环境保护和环境工程领域研究古菌的意义

极端微生物具有特殊的基因结构、特殊的生命过程及产物，对极端环境有很强的适应性，如TaqDNA酶应用于PCR技术、碱性蛋白酶及极端环境下污染物的处理。第78页，共105页，2023年，2月20日，星期一上节内容回顾鞭毛：物质组成、功能荚膜：物质组成、分类、特征芽孢：定义、结构组成、抗热机理培养特征：菌落的定义、特点，液体培养特征表面所带电荷及与染色间的关系第79页，共105页，2023年，2月20日，星期一第三节放线菌放线菌（Actinomycetes）：菌丝状、孢子繁殖、陆生性强、革兰氏阳性的一类原核微生物；主要分布：含水量低、有机物丰富和呈碱性的土壤环境中。

第80页，共105页，2023年，2月20日，星期一放线菌与人类的关系极为密切，至今从微生物中发现了几千种抗生素，其中2/3是由放线菌产生的；有些放线菌还用于生产维生素和酶制剂、处理污水、改良土壤等；与非豆科植物形成根瘤菌；少数致病

第81页，共105页，2023年，2月20日，星期一放线菌的形态和大小放线菌的繁殖放线菌的培养特征一些有代表性的放线菌第82页，共105页，2023年，2月20日，星期一一放线菌的形态和大小放线菌多为丝状，称为菌丝。菌丝根据功能可以分为基内菌丝、气生菌丝及孢子丝；第83页，共105页，2023年，2月20日，星期一1基内菌丝（营养菌丝）：色淡、较细，具有吸收营养、排泄废物的作用。0.2－0.8×50－600μm,主要存在于培养基内。有的无色，有的产生色素。2

气生菌丝（二级菌丝）：向空间分化的较粗色淡的分枝菌丝，比营养菌丝粗，1－1.4μm直径。呈弯曲状、直线状或螺旋状。3孢子丝：生长发育到一定阶段，在气生菌丝的上部分化成孢子丝，横隔分裂成成串的分生孢子。第84页，共105页，2023年，2月20日，星期一放线菌的菌丝形态第85页，共105页，2023年，2月20日，星期一放线菌孢子丝的显微图片第86页，共105页，2023年，2月20日，星期一孢子丝的形态：直的、螺旋状的、波曲的等孢子形态：光滑的、上面生有突起、带刺的、毛发状的等

第87页，共105页，2023年，2月20日，星期一二放线菌的繁殖

1放线菌主要利用无性孢子（分生孢子为主）形式进行繁殖。

2有少部分直接以断裂的基内菌丝进行繁殖第88页，共105页，2023年，2月20日，星期一第89页，共105页，2023年，2月20日，星期一三放线菌的培养特征

1固体培养特征：菌落质地干燥、不透明、表面呈致密的丝绒状上,有一层干粉。呈现不同的颜色链霉菌菌落图片第90页，共105页，2023年，2月20日，星期一放线菌的菌落形态第91页，共105页，2023年，2月20日，星期一2液体培养特征静止培养——会在管(瓶)壁口处表面生长，管(瓶)壁与液面连接处生孢子。摇动培养——动态生长，形成孢子球。

第92页，共105页，2023年，2月20日，星期一四一些有代表性的放线菌诺卡氏菌：可以利用裂断的营养菌丝或是分生孢子进行繁殖。广泛存在于土壤和水中，分解糖类和蜡，能降解水管和排污管的橡皮圈；嗜石油诺卡氏菌能够分解石油；纤维化诺卡氏菌分解纤维素的能力很强。红球菌属：广泛分布在土壤和水生境中，能够降解石油烃、清洁剂、多氯联苯及多种杀虫剂等第93页，共105页，2023年，2月20日，星期一链霉菌：土壤所特有的气味是链霉菌产生的一系列成为土臭味素的代谢物引起的。链霉菌产产生的抗生素物质有500多种，如链霉素、四环素、红霉素、金霉素及氯霉素等。第94页，共105页，2023年，2月20日，星期一蓝细菌是古老的生物，能产生氧气，使地球由无氧环境转为有氧环境；分布广泛，淡水、海水、潮湿土