第3章原核微生物

第3章

原核微生物细胞型非细胞型(病毒）微生物真核微生物原核微生物真细菌Bacteria古生菌Archaea原核微生物是指一类细胞核无核膜包裹，只有核区的裸露DNA的单细胞生物，包括真细菌和古生菌两大群。原核微生物3.1真细菌bacteria3.1.1细菌bacteria中文中细菌一词有时泛指全部原核微生物，有时专指原核微生物中的真细菌，有时仅仅指真细菌中一部分微生物。他们外形与结构最简单，广泛存在于环境中，与人类活动关系密切。本节“细菌”是针对最后一类细菌作介绍。球状杆状螺旋状基本形态一、细菌的形态细菌的扫描电镜照片(a)表皮葡萄球菌；(b)大肠杆菌；(c)杆菌链；(d)问号状钩端螺旋体资料来源：文相华等译，环境生物技术原理与应用影像a，b，c由ShirleOwens制作，影像d取自Bergey微生物系统学手册第一卷(1984)。细菌的形态：球状、杆状、螺旋状

扫描电镜照片1、球状细胞呈球形或椭圆形，不同种球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据双球菌如脑膜炎双球菌链球菌乳链球菌四联球菌四联微球菌八叠球菌甲烷八叠球菌葡萄球菌金黄色葡萄球菌革兰氏染色厌氧消化链球菌a双球菌 b四叠球菌c葡萄球菌 细胞呈杆状或圆柱形,粗细较稳定,长度因菌龄等条件不同可有较大变化2、杆状双杆菌链杆菌球杆菌单干菌地衣芽孢杆菌枯草芽孢杆菌铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）放线杆菌结核分枝杆菌破伤风梭菌弧菌螺旋菌螺旋体菌3、螺旋弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。蛭弧菌霍乱弧菌弧状菌菌体回转如螺旋，螺旋数目和螺距大小因种而异。鞭毛二端生细胞壁坚韧，菌体较硬。螺旋菌spiroplasma各种菌个体形态汇总还有一些并不多见的特殊形态大小与重量细菌的大小测量单位是um大小的测量方法显微镜测微尺显微照相后根据放大倍数进行测算由于细菌细胞微小又透明，一般先要经过染色才能作显微观察革兰氏染色法细菌染色鉴别染色法简单染色法负染色：正染色死菌活菌抗酸性染色法芽孢染色法姬姆萨染色法荚膜染色法用美蓝或TTC等作活菌染色二、染色三、细菌细胞的一般结构与功能一般细菌都有的构造一般结构特殊结构部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的结构

细胞壁（cellwall）是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。约占干重的10－25%

不同细菌细胞壁的化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性（G+）和革兰氏阴性（G-）。

一般结构1、细胞壁(cellwall)◆用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染◆用碘溶液进行媒染，其作用是提高染料和细胞间的相互作用从而使二者结合得更牢固。◆用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细胞呈无色。◆用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对涂片进行复染。例如沙黄，它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色革兰氏染色C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。电镜观察、细胞壁化学结构分析表明革兰氏阳性菌与阴性菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著差异孔蛋白脂蛋白类脂多糖外膜间隙肽聚糖质膜磷脂膜内蛋白肽聚糖脂磷壁酸磷壁酸肽聚糖层壁膜间隙质膜G+G-脂磷壁酸孔蛋白脂蛋白类脂多糖外膜间隙肽聚糖质膜膜内蛋白磷脂肽聚糖磷壁酸脂磷壁酸肽聚糖质膜间隙质膜革兰氏阳性的细胞壁成分肽聚糖的化学组成溶菌酶敏感健N-乙酰葡萄胺（G）N-乙酰胞壁酸（M）肽键L-丙氨酸D-谷氨酸D-丙氨酸内消旋-二氨基庚二酸G+菌细胞壁化学组成以肽聚糖(peptidoglycan)为主，占细胞壁的40-90%。这是原核微生物所特有的成份。磷壁酸又名垣酸，是大多数G+菌所特有的成分，约占细胞壁成分的10%。

革兰氏阴性的细胞壁成分G-细胞壁的组成和结构比G+更复杂。主要成份为：脂多糖、磷脂、脂蛋白、肽聚糖。G-有肽聚糖，仅占细胞壁干重的5-10%。肽聚糖结构与G+相同，但短肽尾中的３号位上L-Lys往往被其他二氨酸取代外壁层是G-细菌细胞壁所特有的结构它位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和若干种外蛋白。G+细菌与G-细菌细胞壁的比较古生菌的细胞壁古生菌多生存于极端环境。比如深海海底、海底火山口、高盐高热水体环境等。古生菌细胞壁的物质极为多样，有假肽聚糖、多糖、蛋白质和糖蛋白。除热原菌属没有细胞壁以外，其余都具有与真细菌功能相似的细胞壁细胞壁中含有假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质古生菌与真细菌的主要区别有：形态学上，古生菌中有扁平直角几何状的细胞，这在真细菌中没有见过。中间代谢上，古生菌有独特的辅酶，如产甲烷菌含有F420、F430；古生菌不像真细菌那样多样性。膜结构和成分上古菌含有醚健而不是脂健基因调节机制上未发现过古菌有真细菌那样的调节机制严格厌氧呼吸为主古生菌进化速度慢，保留更多的原始特性16SrRNA序列与真细菌不同实验室或宿主体内形成部分去除:

球状体(G-)人工去壁缺壁突变：L型细菌基本去尽:

原生质体(G+)在自然界长期进化中形成——枝原体缺壁细菌细胞壁缺陷细菌：L型细菌（L-formofbacteria）细菌在某些环境条件下（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陷变异型。因英国李斯德（Lister）预防研究所首先发现而得名（1935年，念珠状链杆菌Streptobacillusmoniliformis）发现于大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中，可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。特点没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；有些能通过细菌滤器，故又称滤过型细菌；对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）；原生质体（protoplast）人为条件下，溶菌酶处理或用含青霉素的培养基培养，抑制新生细胞壁合成而形成的、仅由一层细胞膜包裹的圆球形细胞。特点：对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心甚至通气等都易引起其破裂；有的原生质体具有鞭毛，能运动，不被相应噬菌体所感染；在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌落，形成芽孢。可恢复成有细胞壁的正常结构。比正常细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。球状体(sphaeroplast)用上述同样方法处理革兰氏阴性细菌，残留部分细胞壁（外壁层）的球形体。与原生质体相比，它对外界具有一定的抗性，可在普通培养基上生长。紧贴细胞壁内侧的一层由磷脂和蛋白质组成的柔软、富有弹性的半透性薄膜2、细胞膜细胞膜概念：合成基地三基地产能基地酶基地功能助鞭毛运动渗透，层析，主动运输细胞质膜(cytoplasmicmembrane)是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质，柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚7～8nm。主要由磷脂(占20%～30%)和蛋白质(占50%～70%)组成。形态成份名称质膜(plasmamembrane)细胞膜(cellmembrane)内膜(innermembrane)细胞膜的化学组成与结构模型：a.磷脂亲水的极性端疏水的非极性端R-O-P-OOHO-CH2CH2-O-C\/\/\/\/\/\/\/\/\/\///OCH-O-C\/\/\/\/\/\/\/\/\/\///O甘油-3-磷脂长链脂肪酸磷脂的分子结构b.液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)①膜的主体是脂质双分子层；②脂质双分子层具有流动性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；⑥脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科尔森（G.L.Nicolson）细胞膜的生理功能：①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送②是维持细胞内正常渗透压的屏障③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、脂多糖（LPS）、荚膜多糖等）的重要基地④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⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位中间体是由细胞膜局部内陷折叠而成与细胞壁的合成、核质分裂、细胞呼吸以及芽孢形成有关。由于中间体具有类似真核细胞线粒体的作用，又称拟线粒体。3.间体(mesosome)或中体一般位于细胞分裂部位或其邻近，其功能主要是促进细胞间隔的形成并与遗传物质的复制及其相互分离有关细胞质的主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。概念：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%。4、细胞质(cytoplasm)核糖体是细胞质中的一种核糖核蛋白的颗粒状物质，由核糖核酸(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。5、核糖体(ribosomes)①聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)例如:在含乙酸或丁酸培养基中生长的巨大芽孢杆菌(BacillusMegaterium)细胞质内，PHB贮藏物可达细胞干重的60%。类脂性的碳源类贮藏物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，主要功能是贮存营养物。6、贮藏物(reservematerials)聚-β-羟基丁酸聚-β-羟基丁酸聚β-羟丁酸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芽孢杆菌固氮菌由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。②多糖类贮藏物真细菌中以糖原为多，糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成褐色，可用光学显微镜看到糖原粒淀粉粒糖原粒贮藏物电镜照片有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。③异染粒(metachromaticgranules)颗粒大小为0.5～1.0μm，是无机偏磷酸的聚合物，一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌(Spirillum

volutans)异染粒（迂回体）异染颗粒主要成分偏聚磷酸盐；多聚磷酸盐异染现象

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储藏能源和磷源降低渗透压功能④藻青素（cyanophycin）一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。通常存在于蓝细菌中。由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分枝多肽所构成，分子量在25000～125000。⑤硫粒(sulfurglobules)很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时,常涉及对还原性的硫化物如H2S,硫代硫酸盐等的氧化。在环境中还原性硫素丰富时,常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素。当环境中还原性硫缺乏时,可被细菌重新利用许多光合营养型无鞭毛运动的水生细菌存在充满气体的泡囊状内含物，由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹。功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质7、气泡（gasvocuoles）原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核8、核区（nuclearregionorarea）概念某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质。糖被按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为荚膜（capsule）或大荚膜（macrocapsule）、微荚膜(microcapsule)、粘液层(slimelayer)四、细菌细胞的特殊结构1、糖被（lycocalyx)荚膜粘液层糖被(glycocalyx)菌胶团细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系。荚膜等并非细胞生活的必要结构，但它对细菌在环境中的生存有利。特点产生糖被是微生物的一种遗传特性，其菌落特征及血清学反应是是细菌分类鉴定的指标之一。主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。经特殊的荚膜染色，特别是负染色（又称背景染色）后可在光学显微镜清楚地观察到它的存在。产荚膜的细菌菌落通常光滑透明，称光滑型(S型)菌落，不产荚膜细菌菌落表面粗糙，称粗糙型(R型)菌落功能①保护细菌免受干燥的影响；②贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用；③与病原菌的毒性密切相关；④能抵抗吞噬细胞的吞噬⑤利于形成菌胶团、菌颗粒、生物膜；对于污水处理技术非常重要某些细菌细胞表面有长丝状、螺旋形的附属物，具有移动细胞的功能，为细菌的“运动器官”2、鞭毛(flagella)鞭毛始于细胞内侧基体(basalbody)上，穿过细胞壁后成为钩状体(hook)伸出鞭毛。G-菌鞭毛有两对环，一对L环和P环扣着外壁层，一对S环和M环扣着细胞膜。G+菌只有S环和M环。鞭毛杆M环轴丝钩形鞘外模L环P环S环肽聚糖层

质膜细菌鞭毛的超微结构示意图(

Prescottetal.,2002)鞭毛的有无和着生方式鞭毛的数目和着生位置是细菌种的特征。据此可将有鞭毛的细菌分为四类

端生丛毛两端生鞭毛单端鞭毛周生鞭毛观察和判断细菌鞭毛的方法电子显微镜直接观察鞭毛长度：15～20μm；直径：0.01～0.02μm光学显微镜下观察：鞭毛染色和暗视野显微镜根据培养特征判断：半固体穿刺培养、菌落（菌苔）形态长在细菌体表的纤细、中空、短直、数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面的功能。3、菌毛(pili或fimbria)亦称伞毛或纤毛每个细菌约有250～300条菌毛。有菌毛的细菌一般以革兰氏阴性致病菌居多，借助菌毛可把它们牢固地粘附于宿主的呼吸道、消化道等粘膜或污泥、生物膜等载体上，利于致病或定植。4、性毛(pili或sexpili)构造和成分与菌毛相同，但比菌毛长，数量仅一至数根。性毛一般见于革兰氏阴性菌的雄性菌株（即供体菌）中，其功能是向雌性菌株（即受体菌）传递遗传物质。有的性毛还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。鞭毛菌毛概念

某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。5、特殊的休眠构造——芽孢产芽孢细菌多为杆菌，也有一些球菌

结构(从内到外):

(1)芽孢原生质(sporeprotoplast)(2)内膜(innermembrane)(3)芽孢壁(sporewall)(4)皮质(cortex)(5)外壳(coat)(6)外膜(7)外壁(exosporium)芽孢原生质内膜芽孢壁皮质外壳外膜外壁通常，在100℃沸水中处理10min或80℃15min，即可成功地分离到芽孢杆菌。细菌芽孢的特点整个生物界中抗逆性最强的生命体，能否消灭芽孢是衡量消毒灭菌手段的重要指标。芽孢是细菌的休眠体，适宜条件下可重新转变成营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。产芽孢细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定的重要指标。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）利用电子显微镜，可观察到芽孢的表面特征，还可观察到一个成熟的芽孢具有核心、内膜、初生细胞壁、皮层、外膜、外壳层及外孢子囊等多层结构芽孢有较厚的壁和高度折光性，光学显微镜下观察芽孢为一透明小体，普通碱性染料不易使芽孢着色，通常采用特殊的芽孢染色以便于观察。细菌芽孢的相差显微照片(Madiganetal.,2000)

芽孢的形成与芽孢的萌发过程芽孢的耐热机制芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同渗透调节皮层膨胀学说芽孢衣对多价阳离子和水的透性很差皮层的离子强度很高，产生极高渗透压夺取芽孢核心的水分，结果造成皮层的充分膨胀。核心部分的细胞质却变得高度失水，因此具极强的耐热性。6、伴孢晶体（parasporalcrystal）少数芽孢杆菌，在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体，称为伴孢晶体。伴孢晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用，因而可将这类产伴孢晶体的细菌制成有利于环境保护的生物农药——细菌杀虫剂。特点：不溶于水，对蛋白酶类不敏感；易溶于碱性溶剂伴孢晶体杀虫作用

伴孢晶体吸附于上皮细胞，引起渗透性丧失，肠道穿孔肠道中的碱性溶液进入血液，使其pH升高昆虫全身麻痹死亡鳞翅目幼虫口服伴孢晶体在肠道迅速溶解(pH为9.0-10.5）细菌主要是无性繁殖，其繁殖方式主要是二分裂，简称裂殖，三分裂或复裂极少。细菌的繁殖过程分为三个连续步骤：①核的分裂和隔膜的形成②横隔壁形成③子细胞分裂

五、细菌的分裂（三）细菌的繁殖1、裂殖（fission）1）、二分裂（binaryfission）（一）、在固体培养基上（内）的群体形态六、细菌的群体形态（二）、在半固体培养基上（内）的群体形态根据明胶液化层中呈现的不同形状判断某细菌是否产蛋白酶根据半固体直立柱表面和穿刺线上细菌群体的生长状态和有否扩散现象判断该菌的运动能力（三）、在液体培养基上（内）的群体形态一、概念在形态上具有分枝状菌丝、菌落形态与霉菌相似。介于细菌与丝状真菌之间又接近细菌的一类丝状原核生物近代生物学认为放线菌实际上是属于细菌范畴内的原核微生物，只不过其细胞形态为分枝状菌丝。是具有菌丝、以孢子进行繁殖、革兰氏阳性的一类原核微生物，属真细菌范畴3.1.2

放线菌（Actinomyces）二、形态结构菌丝直径与杆菌类似，约1μm细胞壁组成与细菌类似，革兰氏染色阳性（少数阴性）细胞的结构与细菌基本相同按形态和功能可分为营养、气生和孢子丝三种生长过程中核物质不断复制，但细胞不形成横膈膜也不分裂，从而构成无数菌丝状菌体。单细胞，大多由分枝发达的菌丝组成1、营养菌丝生长于培养基内，吸收营养排泄废物，也称基内菌丝。一般无隔膜，直径0.2-0.8μm

，长度差别很大，有的可产生色素2、气生菌丝营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗(1-1.4μm)，有的产色素。3、孢子丝气生菌丝发育到一定阶段，可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。

直形波浪形

螺旋形

从生

单轮生双轮生

放线菌孢子丝的形状多核、单细胞（细胞核之间没有分隔）固体基质基内菌丝分生孢子孢子丝多细胞核

气生菌丝“枝”“种籽”“花”“根”气生菌丝/孢子丝基内菌丝链霉素的一般形态和构造模式图3.孢囊孢子少数放线菌在菌丝上形成孢囊，在孢囊内形成孢囊孢子，成熟时释放出大量孢子。三生长与繁殖1.凝聚分裂(绝大部分)孢子丝长到一定阶段后，细胞质分段，各自包围细胞核，并逐渐凝聚成一串大小相似的圆形和椭圆形孢子；形成孢子后，外壁消失；成熟孢子形成。2.横隔分裂

孢子丝长到一定阶段后，细胞质分段，各自包围细胞核，并形成横隔；沿着横隔断裂形成两端较为平齐的杆状孢子。横隔分裂常见于液体培养中，工业发酵生产抗生素时都以此法大量繁殖放线菌。细菌的芽孢是休眠体，而放线菌的孢子是繁殖体1.孢子丝形成横隔2.沿横隔断裂而形成杆状孢子3.成熟的孢子横隔分裂方式形成孢子四、分布特点及与人类的关系放线菌常以孢子或菌丝态极其广泛地存在于自然界，土壤中最多，其代谢产物使土壤具有特殊的泥腥味能产生大量的、种类繁多的抗生素（其中90%由链霉菌产生）有的放线菌可用于生产维生素、酶制剂，在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等方面也有应用少数寄生型放线菌可引起人、动物、植物的疾病（如皮肤、脑、肺和脚部感染，马铃薯和甜菜的疮痂病等）放线菌的分布土壤、空气、水体、反刍动物肠道放线菌的作用利产生抗生素、生产酶制剂、提取维生素、固氮作用害动植物病