第三章 原核微生物

环境微生物学第三章原核微生物原核微生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只有称做核区（nuclearregion）的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（Eubacteria）和古生菌（Archaea）或古细菌（Archaebacteria）两大类群。

主要内容：

细菌:细胞结构、染色原理古菌：产甲烷菌

放线菌蓝细菌：与水体富营养化的关系其他原核微生物3.1细菌细菌（Bacteria）是自然界中分布最广、数量最大、与人类关系极为密切的一类微生物。细菌的应用：在工业上各种氨基酸、核苷酸、酶制剂、乙醇、丙酮、丁醇、有机酸及抗生素等的发酵生产；农业上如杀虫菌剂、细菌肥料的生产和在沼气发酵等方面的应用；医药上如各种菌苗、类毒素、代血浆和许多医用酶类的生产等；细菌在环保和国防上的应用等。2.5.1病毒对物理因素的抵抗力3.1.1细菌的个体形态与大小一、个体形态球状——

球菌（Coccus）杆壮——

杆菌（Bacillus）螺旋状——螺旋菌（Spirillum）丝状——丝状菌一般以杆状最为常见，球状次之，螺旋状再次之，丝状较少。2.5.1病毒对物理因素的抵抗力1、球菌球菌单独存在时，细胞呈球形或近球形。根据其繁殖时细胞分裂面的方向不同，以及分裂后菌体之间相互粘连的松紧程度和组合状态，可形成若干不同的排列方式。单球菌双球菌四联球菌八叠球菌链球菌葡萄球菌2.5.1病毒对物理因素的抵抗力2、杆菌杆菌细胞呈杆壮或圆柱状，形态多样。不同杆菌其长短、粗细差别较大。有短杆或球状（长宽非常接近），如甲烷短杆菌属；有长杆或棒杆状（长宽相差较大），如枯草芽孢杆菌；不同杆菌端部形态各异。炭疽芽孢杆菌双歧杆菌2.5.1病毒对物理因素的抵抗力2、杆菌杆菌不同的排列方式。

单杆菌双杆菌链杆菌3、螺旋菌螺旋菌细胞呈螺旋弯曲状，常以单细胞分散存在。根据其弯曲程度不同，可分为三种：

弧菌：菌体呈弧形或逗号形，螺旋不足一周螺菌：菌体坚硬、回旋如螺旋状，螺旋2～6周螺旋体：菌体柔软，回旋如螺旋状，螺旋6周以上2.5.1病毒对物理因素的抵抗力

细菌细胞的形态与排列方式在细菌的分类鉴定上具有重要的意义。但某种细菌的细胞不一定全部都按照特定的排列方式存在，只是特征性的排列方式占优势。在正常情况下，细菌的形态是相对稳定的。培养基的化学组成、浓度培养温度、pH、培养时间等的变化，会引起细菌的形态改变。有些细菌是多形态的，有周期性的生活史，如粘细菌可形成无细胞壁的营养细胞和子实体。细菌的个体形态2.5.1病毒对物理因素的抵抗力3.1.1细菌的个体形态与大小二、细菌大小细菌的大小在个体发育过程中有变化3.1细菌3.1.2细菌的细胞结构包围在菌细胞的最外层，具有坚韧而带有弹性的薄膜。约占菌体的10％～25％。组成较复杂，并随不同细菌而异。用革兰染色法可将细菌分为两大类，即革兰阳性菌和革兰阴性菌一、细胞壁（cellwall）革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌保护原生质体免受渗透压等外力引起破裂的作用维持细菌的细胞形态阻挡某些大分子有害物分子进入和保留蛋白质在间质细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性密切相关细菌细胞壁的生理功能：细菌细胞壁的化学组成与结构：细菌细胞壁的多样性革兰阳性菌与阴性菌细胞壁化学组成的比较细胞壁革兰阳性菌革兰阴性菌强度较坚韧较疏松厚度20-80nm10nm肽聚糖层数可多达50层1-2层肽聚糖含量占细胞壁干重40%-90%占细胞壁干重10%磷壁酸+—脂多糖—+蛋白质约20%+脂肪1%~4%11%~22%（1）肽聚糖是细菌细胞壁中特有的成分，是细胞壁主要成分。肽聚糖是一种杂多糖衍生物，又叫粘多糖、胞壁质、粘肽复合物。每一个肽聚糖单体由三部分构成：双糖单位、四肽尾、肽桥。1、G+细菌的细胞壁双糖单位：两种糖衍生物，由N—乙酰葡糖胺（以G表示）和N—乙酰胞壁酸（以M表示）通过β-1，4糖苷键交替连接起来，构成肽聚糖骨架。MGMG双糖单位四肽尾：一般由4个氨基酸按L型和D型交替连接而成。短肽尾借其肽键连接在N—乙酰胞壁酸上。MGMGL-AlaD-GluL-LysD-Ala金黄色葡萄球菌四肽侧链为例：肽桥：变化甚多，由此形成“肽聚糖的多样性”。金黄色葡萄球菌中，肽桥为甘氨酸五肽，起着连接前后2个四肽尾分子的“桥梁”作用。MGL-AlaD-GluL-LysD-AlaMGL-AlaD-GluL-LysD-Ala革兰阳性菌肽聚糖—聚糖骨架、四肽侧链、肽桥N-乙酰葡糖胺(NAG)N-乙酰胞壁酸(NAM)

（2）磷壁酸是G+

细菌细胞壁所特有的成分，约占细胞干重的50％。主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。根据结合部位不同可分为两种类型：壁磷壁酸和膜磷壁酸。1、G+细菌的细胞壁（1）肽聚糖以E.coli为典型代表，与G+细菌基本相同，差别在于：四肽尾的第三个氨基酸分子是二氨基庚二酸（DAP）没有特殊的肽桥，只形成较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套2、G-细菌的细胞壁MGL-AlaD-GluDAPD-AlaMGL-AlaD-GluDAPD-Ala革兰阴性菌肽聚糖—聚糖骨架、四肽侧链革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌脂多糖LPS磷脂脂蛋白（2）外膜2、G-细菌的细胞壁3、溶菌酶、青霉素对细菌细胞壁的作用4、革兰氏染色1884年，丹麦医生C.Gram发明程序：（1）初染（草酸铵结晶紫1min）（2）媒染（碘液1min）（3）脱色（乙醇或丙酮）（4）复染（蕃红1min）结果判断：菌体呈紫色的为革兰氏阳性菌（G+）

菌体呈红色的为革兰氏阴性菌（G-）

ABBBAB

AA（1）初染（草酸铵结晶紫）革兰氏染色程序和结果ABBBAB

AA革兰氏染色程序和结果（2）媒染剂（碘液30S）ABBBAB

AA革兰氏染色程序和结果（3）脱色（乙醇）ABBBAB

AA革兰氏染色程序和结果（4）复染（蕃红）A：革兰氏阳性细菌G+B：革兰氏阴性细菌G﹣何为革兰氏染色的关键步骤？染色原理：当用脱色剂处理时，两类细菌的脱色效果是不同的。G+细菌的细胞壁结构和组成特点，用乙醇(或丙酮)脱色时细胞壁脱水、使肽聚糖层的网状结构孔径缩小，透性降低，从而使结晶紫-碘的复合物不易被洗脱而保留在细胞内，经脱色和复染后仍保留初染剂的蓝紫色。G-菌则不同，其细胞壁结构和组成特点，当脱色处理时，脂质被乙醇(或丙酮)溶解，细胞壁透性增大，使结晶紫-碘的复合物比较容易被洗脱出来，用复染剂复染后，细胞被染上复染剂的红色。

5、缺壁细菌缺壁细菌实验室自发缺壁突变：L型细菌自然界：人工方法去壁支原体原生质体球状体L型细菌：1935年时，在英国Lister预防医学研究所中发现一种由自发突变而形成细胞壁缺损的细菌——念珠状链杆菌，它的细胞膨大，对渗透压十分敏感，在固体培养基表面形成“油煎蛋”似的小菌落。由于李斯德(Lister)研究所的第一字母是“L”，故称L型细菌。许多G+菌和G-菌都可形成L型。专指实验室或宿主体内通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺损菌株。原生质体（protoplast）：指在人工条件下用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制细胞壁的合成后，所留下的仅由细胞膜包裹着的圆球状渗透敏感细胞，一般由G+菌形成；球状体（sphaeroplast）：指还残留部分细胞壁的原生质体，一般由G-

菌形成

原生质体和球状体共有的特点：无完整的细胞壁，细胞呈球状，对渗透压较敏感，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。意义：杂交育种遗传学基本原理研究比较项目G+细菌G-细菌1、革兰氏染色反应能阻留结晶紫而染成紫色可经脱色而复染成红色2、肽聚糖层厚，层次多薄，一般单层3、磷壁酸多数含有无4、外膜无有5、脂多糖（LPS）无有6、类脂和脂蛋白含量低（仅抗酸性细菌含类脂）高7、鞭毛结构基体上着生2个环基体上着生4个环8、产毒素以外毒素为主以内毒素为主9、对机械力的抗性强弱10、细胞壁抗溶菌酶弱强11、对青霉素和磺胺敏感不敏感12、对链霉素、氯霉素和四环素不敏感敏感13、碱性染料的抑菌作用强弱14、对阴离子去污剂敏感不敏感15、对叠氮化钠敏感不敏感16、对干燥抗性强抗性弱17、产芽孢有的产不产3.1细菌1、细胞质膜：又称细胞膜，是紧贴在细胞壁的内侧而包围细胞质的一层柔软、富有弹性的半渗透性薄膜。二、原生质体（protoplasm）化学组成：蛋白质，60％～70％，种类多达200多种。磷脂，30％～40％，（磷酸、甘油、脂肪酸和含胆碱）多糖，约2％

磷脂分子结构

细胞质膜的结构磷脂双分子层结构周边蛋白（integralprotein）整合蛋白（peripheralprotein）细胞质膜的结构液态镶嵌模型Singer&Nicolson（1972）细胞质膜的功能维持渗透压的梯度和溶质的转移合成细胞壁各种组分和糖被有关成分的重要场所中间体含有细胞色素，参与呼吸作用。中间体与染色体的分离和细胞分裂有关，还为DNA提供附着点在细胞质膜上进行能量代谢和物质代谢鞭毛的着生点，并提供鞭毛旋转运动的能量中间体（mesosome）由细胞膜内陷形成的一种管状、层状或囊状结构的膜内折系统，位于细胞质膜的表面或深部。G＋中有一个或数个较为发达的间体，G－中较少见。

白喉杆菌的中间体2、细胞质及内含物：

细胞质（cytoplasm）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%。原核生物的细胞质不流动。透明粘液状物质核酸、蛋白质、脂类、糖无机盐、水

C源糖原有机PHB(聚β-羟丁酸)

藻青素储藏物N源核糖体多肽内含物无机异染颗粒硫粒气泡类囊体羧酶体磁小体2、细胞质及内含物：

核糖体（ribosome）2、细胞质及内含物：

细胞质中的一种颗粒状物质，由核糖核酸RNA(60%)和蛋白质(40%)组成，常以游离状态或多聚核糖状态分布于细胞质中。它是蛋白质的合成场所。原核微生物核糖体一般为70S，真核微生物核糖体一般为80S。异染粒（多聚磷酸盐颗粒）主要成分多聚偏磷酸核糖核酸、蛋白质、脂质等异染现象

这些颗粒可以用很多碱性染料染色。如用甲苯胺蓝染色时同多聚磷酸盐结合成淡红紫色功能储藏能源和磷源降低渗透压菌种鉴定（白喉棒杆菌、结核分支杆菌）聚β-羟基丁酸（PHB）由β-丁酸单位形成的直链聚合物，集合成高度折射性的小球状物，随细胞老化更加突出。功能:储藏能源和碳源维持细胞中性环境，避免酸性增高降低细胞渗透压产碱菌固氮菌假单胞菌气泡由一层膜包起来，该膜由蛋白质组成，含有重复的蛋白质亚单位。功能使细胞具浮力有利于吸收溶解氧羧酶体

1,5-二磷酸核酮糖羧化酶酶系Calvine循环中的关键酶

5-磷酸核酮糖激酶

是自养类细菌所特有的内膜结构，被一层厚约3.5nm的蛋白质单层膜所包围，是固定CO2的场所。磁小体趋磁细菌：一类在外磁场作用下能作定向运动并在体内形成磁小体的细菌。主要成分：Fe3O4和Fe3S4功能：导向作用，微氧环境已知主要为水生螺菌属和嗜胆球菌属3、拟核：

细菌无真正的细胞核，没有核膜，没有核仁，结构也很简单，因此称拟核、原始核、核质体等。由DNA纤维组成，即由一条环状双链的DNA分子高度折叠缠绕形成。功能是决定遗传性状和传递遗传信息。着染后观察，成球状、棒状、哑铃状。1、夹膜（capsule）：夹膜是一些细菌在其细胞表面分泌的一种粘性物质，能稳定附着在细胞壁表面，使细菌与外界环境有明显的边缘。

三、特殊结构化学组成：含水率在90％～98％，多糖或多肽。厚度：≥0.2mm荚膜，＜0.2mm微荚膜。形成条件：