微生物学基础

第一部分：什么是微生物一、什么是微生物自然界中形态微小，结构简单，通常不能用肉眼而需要光学显微镜和电子显微镜才能看清楚的生物，统称为微生物。可见，微生物一词不是生物的分类单位，也并非生物分类学上的专门名词，而是对所有形体微小、单细胞的或个体结构较为简单的多细胞的、甚或没有细胞结构的低等生物的通称。因此，微生物类群十分庞杂，其中包括：不具细胞结构的病毒；单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌；属于真菌的酵母菌与霉菌；单细胞藻类、原生动物等。微生物包括的种类虽然如此多样，但它们都是较为简单的低等的生命形式，生物学特性比较接近，加之对它们的研究方法以及在应用方面颇为相似，故常将它们统归于微生物学的研究范围。微生物原核生物界：如细菌、放线菌、蓝藻

原生生物界：即单细胞生物，如草履虫、变形虫、衣藻真菌界：如酵母菌、霉菌、大型真菌病毒界：如

噬菌体、艾滋病毒(包括四类)约有10万种二、分类可见：微生物除了植物界和动物界的一切生物没有细胞结构的微生物：病毒细菌放线菌真菌显微藻类水绵原生动物草履虫三、微生物的特点⑴体积小，相对体表面积大（细胞以微米、纳米为单位来计算）⑵吸收多，转化快（代谢能力强）⑶生长旺，繁殖快（数量多，易大量培养）⑷适应强，易变异⑸分布广，种类多总之：小、多、快、强、广

体积小，相对体表面积大杆菌的平均长度：2微米(μm)；1500个杆菌首尾相连=一粒芝麻的长度；10-100亿个细菌加起来重量=1毫克相对体表面积＝表面积/体积人=1，大肠杆菌=30万；种类相对体表面积乳酸杆菌（0.5um×2.0um）120,000球菌（d=1.0um）60,000豌豆（d=1.0cm）6鸡蛋1.5体重为90Kg的人0.3不同生物相对体表面积的比较这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。吸收多，转化快微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为“粮食”。一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg蛋白质，而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产50,000kg优质蛋白质。消耗自身重量2000倍食物的时间：大肠杆菌：1小时人：500年（按400斤/年计算）有资料表明，发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000～10000倍的乳糖；微生物的这个特性为它们的快速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用。人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。生长繁殖快：大肠杆菌一个细胞重约10–12克，平均20分钟繁殖一代24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2×1043个后代，重量达到2.2×1025吨相当于4000个地球的重量！由于条件的限制，细菌的指数式分裂增长速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到108-109个/ml。微生物的这一特性在发酵工业上体现在：生产效率高、发酵周期短。在生物学基本理论的研究上的优越性：科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。适应强、易变异：微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物无法比拟的，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力。比如：在深海生态系统中的某些硫细菌可在250℃-300℃之间生长；嗜盐细菌可在饱和盐水中正常生长繁殖；氧化硫杆菌在pH1-2酸性环境中生长;个体小、结构简单、且多与外界环境直接接触繁殖快、数量多突变率：10-5–10-10

↓短时间内产生大量的变异后代微生物的个体一般都是单倍体，加之它具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等原因，虽然微生物的变异频率仅为(10-6-10-9)，但也能在短时间内产生大量变异的后代。在微生物育种中利用其“容易变异”这一特性可获得高产菌株。在1943年，发酵生产青霉素，青霉素发酵液中只分泌约20单位/ml的青霉素。通过诱变现在发酵液中达到5万-10万单位/ml，成本大大降低。然而，实践中常遇到一些有害变异，如在医疗中最常见的致病菌对抗生素所产生的抗药性变异。青霉素1943年刚问世时，最低制菌浓度为0.02ug/ml，由于致病菌的突变机制使其制菌浓度不断提高，有的菌株的耐药性竟比原始菌株提高了1万倍。如在40年代用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，每天只需10万单位，而现在成人需1６0万单位，新生儿也不少于４０万单位。病情严重时，甚至用数千万。同时也说明了“滥用抗生素无异于玩火”的口号是有充分科学依据的。种类多微生物的生理代谢类型多；代谢产物种类多；微生物的种数“多”主要微生物的种数类型种数低限倾向性种数高限细菌与放线菌﹥1,0001,5001,500蓝藻1，2271，5002，500支原体424242藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000病毒与立克次氏体1,2171,2171,217总计79,78098,727127,298分布广微生物则因其体积小、重量轻，因此可以到处传播以致达到“无孔不入、无处不在”的地步，只要生活条件合适，它们就可大大繁殖起来。人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！微生物只怕明火，地球上除了火山的中心区域外，从土壤圈、水圈、大气圈直至岩石圈，到处都有微生物家族的踪迹。可以认为，微生物将永远是生物圈上下限的开拓者和各种记录的保持者。例如:数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；几千米的地下；强酸、强碱、高热的极端环境；常年封冻的冰川；从永冻冰层分离微生物海底的耐热硫细菌南极Vostok湖冰芯样品中的微生物微生物世界之最个体最小数量最多分布最广形态最简变异最易起源最早胃口最大抗性最强食谱最广休眠最长繁殖最快种类最多二、微生物学的基本内容微生物学是研究微生物生命活动规律的学科。它的基本内容是：①微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；②微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；③生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；④微生物同人类的关系。微生物类群庞杂，种类繁多，包括细胞型和非细胞型两类。凡具有细胞形态的微生物称为细胞型微生物。按其细胞结构又可分为原核微生物和真核微生物。原核微生物包括细菌、放线菌、蓝藻及其相近的微生物如立克次氏体、支原体、衣原体等，它们是介绍的重点。第二部分：微生物类型原核微生物一、细菌细菌是一类细胞短小（直径约0.5μm，长度约0.5～5μm）、结构简单，细胞壁坚韧，多以二分裂方式繁殖的原核生物。观察细菌常用光学显微镜，以微米(1um=1/1000mm)作为测量它们大小的单位。内眼的最小分辩率为0.2mm，观察细菌要用光学显微镜放大几百倍到上千倍才能看到。1、细菌的形态构造及其功能（一）形态⑴基本外形：球状——球菌；杆状——杆菌；螺旋状——螺旋菌。①球菌：球形或近球形，根据空间排列方式不同又分为单、双、链、四联、八叠、葡萄球菌。不同的排列方式是由于细胞分裂方向及分裂后情况不同造成的。细胞呈球状或椭圆形。根据这些细胞分裂产生的新细胞所保持的一定空间排列方式有以下几种情形：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。A．单球菌B．双球菌C．链球菌D．四联球菌E．八叠球菌F．葡萄球菌葡萄球菌⑵杆菌

：杆菌细胞呈杆状或圆柱形。菌体直或稍弯，粗短或细长。末端钝圆、尖、膨大或平裁状。是细菌中种类最多的。大肠杆菌破伤风杆菌乳酸杆菌伤寒杆菌

弧菌螺旋菌细菌细胞呈弧形⑶螺旋菌细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。是细胞呈弯曲杆状细菌统称，一般分散存在。根据其长度、螺旋数目和螺距等差别，分为弧菌（菌体只有一个弯曲，形似C字）和螺旋菌（螺旋状，超过1圈）。其中若菌体多于一个弯曲，其程度超过一圈，又称为螺旋菌。细菌形态不是一成不变的，受环境条件影响（如温度、培养基浓度及组成、菌龄等）。一般幼龄，生长条件适宜，形状正常、整齐。老龄，不正常，异常形态。

畸形：由于理化因素刺激，阻碍细胞发育引起。衰颓形：由于培养时间长，细胞衰老，营养缺乏，或排泄物积累过多引起。2、细菌的大小细菌大小的度量单位：以

m为单位。细菌大小的表示：球菌：一般以直径来表示，球菌直径0.5～1um。杆菌和螺旋菌则以长和宽来表示。如12.5

m，杆菌直径0.5～1um，长为直径1～几倍，螺旋菌直径0.3～1um，长1～50um。细菌大小的测定：在显微镜下使用显微测微尺测定。细菌的重量：每个细菌细胞重量10-13～10-12g，大约109个

细胞才达1mg重。3、细菌的细胞结构

研究细菌细胞结构是分子生物学重要内容之一，有了电子显微镜才有可能。其结构分为基本结构和特殊结构。

⑴细菌细胞的一般构造基本结构是细胞不变部分，每个细胞都有，如细胞壁、细胞膜、细胞核。细菌的结构细胞质拟核质粒鞭毛细胞膜细胞壁液泡荚膜菌毛基本结构细胞壁细胞膜细胞质拟核特殊结构荚膜芽孢鞭毛基本结构⑴细胞壁①概念：细胞壁是细胞膜外面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构。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。占细胞干重的10-25%。细菌的细胞壁由肽聚糖构成，使得细胞具有刚性、强度和保护细胞抵抗渗透压的裂解。肽聚糖有许多独特的特性，如它可作为抗生素攻击肽聚糖的靶目标(抗生素通过抑制或干扰肽聚糖合成而使细胞壁缺损)。②功能：细菌细胞壁的生理功能有：保护原生质体免受渗透压引起破裂的作用；维持细菌的细胞形态(可用溶菌酶处理不同形态的细菌细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明)；细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些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。⑵细胞膜与中间体①概念：细胞膜，简称质膜，是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。是围绕细胞质外的双层膜结构，使细胞具有选择吸收性能，控制物质的吸收与排放，也是许多生化反应的重要部位。细胞膜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。另外，有通过电荷相互作用，疏松附着于膜的外周蛋白。膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。②成分与结构细胞膜埋藏在磷脂双分子层中的是有各种功能的蛋白(图2.6)，包括载体蛋白、通道蛋白、能量代谢中的酶蛋白和能够对化学刺激检测和反应的受体蛋白－糖蛋白等。脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间相对运动。这就是1972年提出后被广泛接受的称作流动镶嵌模式的细胞膜结构模型。脂双分子层：细胞膜由含有亲水区域的和疏水区域的两亲性分子磷脂组成。在膜中磷脂以双分子层排列，极性头部亲水区指向膜的外表面，而其疏水区脂肪酸的尾部指向膜的内层。结果，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。★关于磷脂极性头部1972年，桑格和尼克森在新的观察和实验证据的基础上，提出了流动镶嵌模型。该模型的主要观点：1、细胞膜主要由流动的磷脂双分子层和嵌在其中的蛋白质组成。还有少量的多糖。2、磷脂分子以疏水性尾部相对朝向膜的内侧，亲水性头部朝向膜的外侧，组成生物膜的基本骨架；3、蛋白质或镶嵌在脂双层的表面，或嵌插在其内部，或横跨整个磷脂双分子层，表现出分布的不对称性。4、在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与多糖结合形成的糖蛋白，叫做糖被。有些多糖与磷脂分子结合形成糖脂。5、磷脂分子和大多数蛋白质是可以运动的，体现了膜的流动性。（1）磷脂分子的运动性；（2）膜蛋白的运动性

磷脂分子的运动③功能细胞膜的生理功能有：a.维持渗透压的梯度和溶质的转移；b.细胞质膜是选择性透过膜，具有选择性的渗透作用，能阻止高分子通过，并选择性地逆浓度梯度吸收某些小分子进入细胞；c.细胞膜上有合成细胞壁和形成膜组分的酶，故在膜的外表面合成细胞壁；d.膜内陷形成的中间体(相当于高等植物的粒线体)含有细胞色素，参与呼吸作用；细胞膜上有琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶、电子传递系统、氧化磷酸化酶及三磷酸腺苷酶(ATPase)。在细胞质膜上进行物质代谢和能量代谢；细胞膜的主要生理功能：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合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、荚膜多糖等）的重要基地；③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；⑶细胞质及其内含物①概念细胞质：是指除核以外，细胞膜以内的原生质。②细胞质的主要成分细菌细胞质是含水的、含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物。对所有的细菌都是一样的，细胞质中的唯一的细胞器是核糖体。不同于真核生物，链霉素等抗生素通常作用于核糖体从而抑制蛋白质的合成，但对人核糖体不起作用。所以可用链霉素治疗由细菌引起的疾病。⑷拟核和质粒①拟核：细菌的DNA在细胞质中为单个环状，没有核膜包围，有些时候称为原核。②质粒：常在细菌中发现小型环状DNA片段，称作质粒。上面含有抗药性基因、固氮基因、抗生素生成基因。其上携带的基因对细菌正常生活并非必需，但在某些情况下对细胞有利，如抗生素抗性质粒。细菌细胞的特殊结构不是一切细菌均具有，而只在某些细菌生长发育到某一阶段或在一定条件下才产生。特殊结构是细胞可变部分，不是每个都有，如鞭毛、荚膜、芽孢等。⑴荚膜又称糖被，有些细菌生活在一定营养条件下，可向细胞壁表面分泌一层松散透明、粘度极大、粘液状或胶质状的物质即为荚膜。荚膜是细菌细胞壁外面胶状的黏液层。荚膜的厚度因细菌的种类而不同。荚膜除掉后对细菌的生活没有什么影响，但荚膜具有抗吞噬作用和抗干燥作用。有荚膜的细菌，菌落光滑且湿润，有时发黏，一般不深入基质，容易挑起。糖被的有无、厚薄与菌种的遗传性相关外，还与环境尤其是营养条件密切相关。荚膜的化学组成因菌种而异，主要是多糖，有的也含有多肽、蛋白、脂以及由它们组成的复合物--脂多糖、脂蛋白等。荚膜的功能：①保护作用，如保护细胞免受干旱损伤，保护细胞免受吞噬等；②贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用；③表面附着作用，引起龋齿的唾液链球菌分泌的糖被将细菌牢牢地粘附于齿表；④细菌间的信息识别作用；⑤堆积代谢废物。⑵鞭毛鞭毛是从细胞膜上一个基点生出的穿过细胞壁和黏液层的一根或数根细长、毛发状丝状物，其长度可以是菌体长度的几倍。使细菌具有运动性，它是细菌的“运动器官”。大多数球菌无鞭毛，有些杆菌生有鞭毛，螺旋菌都生有鞭毛。鞭毛虽是细菌的“运动器官”，但并非生命活动所必需。它极易脱落，也可因变异而丧失。即使以一定方式除去鞭毛，对细菌生存毫无影响。有人认为，鞭毛是细菌生存适应的产物。像水生细菌通常只一根或几根端生鞭毛，而陆生细菌多为周生鞭毛，以利在潮湿环境下活动，有些病原菌的鞭毛可能与致病性有关，它可协助菌体，穿过动物粘液性分泌物和上皮细胞的屏障进入人或体液和组织中引导起病害。⑶芽孢芽孢杆菌科内细菌的主要特征(此外，只有少数螺旋菌、八叠球菌产生芽孢)，在其生长的一定阶段，在细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构，对不良环境条件具有较强的抗性，这种抗逆性休眠体即称芽孢或孢子。芽孢是某些细菌在其生活史的某一阶段形成的内生孢子。芽孢的孢壁较厚，对干旱、低温、高温等恶劣的环境有很强的抵抗力。芽孢具有休眠作用，特别能耐受高温和干燥，一般条件下可以生存十多年。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。由于芽孢有许多层包围细菌遗传物质的结构，使得芽孢具有惊人的、对所有类型环境应力的抗性，例如热、紫外线辐射、化学消毒剂和干燥。有的细菌的芽孢，煮沸3小时以后才死亡。芽孢又小又轻，可以随风飘散。当环境适宜（如温度、水分适宜）的时候，芽孢又可以萌发，形成一个细菌。芽孢的出现，实质是微生物发育过程中所产生的细胞分化现象或称形态发生，是一个或一群细胞从一种功能转变为另一种功能的表现。能形成芽孢的细菌，当处于活跃生长或分裂期时，在正常情况一上不形成芽孢；可是，从对数期转入稳定期时，细胞分化现象产生，在营养细胞内发育形成一个新型细胞--内生孢子。这种细胞与母细胞相比，不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同。细菌芽孢的特点整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种灭菌手段的最重要的指标。芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保存多用其芽孢。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。4、细菌的营养⑴异养：大多数细菌不含有叶绿素，只能吸收现成的有机物来维持生活，这样的营养方式叫做异养。腐生：依靠分解动植物的遗体（尸体、粪便和枯枝落叶），从中吸取有机物来生活。例如枯草杆菌，它可以引起食物的腐败。寄生：从活的动植物体内吸取有机物来生活。例如寄生在肠道内的痢疾杆菌，它能够引起细菌性痢疾，寄生在人体内的肺炎双球菌、大肠杆菌、炭疽杆菌等。⑵自养：①光能自养如光合细菌，通过光合作用吸收光能将CO2合成为（CH2O）。②化能合成作用如硝化细菌，通过氧化NH3获取化学能将CO2合成为（CH2O）。③兼性营养：如红螺菌CO2+2H2S——→（CH2O）+2S+H2O光酶CO2+2H2O——→（CH2O）+O2+H2O酶2NH3+3O2———→2HNO2

+2H2O+化学能亚硝化细菌2HNO2+O2——→2HNO3

+化学能硝化细菌5、细菌的呼吸方式有氧呼吸：有氧条件下，好氧性细菌，如：枯草杆菌无氧呼吸：无氧条件下，厌氧性细菌，如：破伤风杆菌、乳酸菌兼性厌氧型：大肠杆菌6、细菌的繁殖和菌落的形成⑴细菌的繁殖方式当细菌从周围环境中吸收了营养物质后，发生一系列的合成反应，把吸收的营养物质转变成为新的营养物质——DNA、RNA、蛋白质、酶及其他大分子，细胞物质和细胞体积的增加，新的细胞壁物质的合成，使菌体开始繁殖过程，最后形成两个新的细胞。①裂殖裂殖是细菌最普遍、最主要的繁殖方式，通常表现为横分裂。②细菌的分裂过程首先是核的分裂和隔膜的形成；第二步横隔壁的形成；最后子细胞的分离⑵细菌的菌落特征①菌落：将分散的细胞或孢子接种到固体培养基上，如果条件适宜，便迅速生长繁殖，由于细胞受到固体培养基表面或深层的限制，繁殖的菌体常以母细胞为中心聚集在一起，形成一个肉眼可见的、具有一定形态结构的子细菌群体，称为菌落。或者说，生长在固体培养基上、来源于一个细胞、肉眼可见的细胞群体叫做菌落。②菌落特征各种细菌，在一定条件下形成的菌落特征具有一定的稳定性和专一性，这是衡量菌种纯度，辨认和鉴定菌种的重要依据。③如何描述菌落特征菌落特征包括大小，形状(圆形、假根状、不规则状等)，隆起形状(扩展、台状、低凸、凸面、乳头状等)边缘情况(整齐、波状、裂叶状、锯齿状等)，表面状态(光滑、皱褶、颗粒状、龟裂状、同心环状等)，表面光泽(闪光、金属光泽、无光泽等)，质地(油脂状、膜状、粘、脆等)，颜色，透明程度等。无鞭毛的球菌，常形成较小较厚边缘较整齐的菌落，有鞭毛细菌形成大而扁平、边缘波浪或锯齿状菌落二、放线菌单细胞原核生物，因菌落呈放射状而得名，是丝状分枝细胞的细菌。一般分布在含水量低，有机质丰富的中性偏碱性土壤中，特殊土腥味。大多数是腐生菌，少