环境工程微生物学教材

62环境中微生物的主要类群本章提要：本章介绍了原核微生物细菌、放线菌、蓝细菌，真核微生物真菌、藻类、原生动物和后生动物，非细胞型微生物病毒。通过学习，要求：了解细菌细胞有球状、杆状、螺旋状和丝状等基本形态，掌握细胞壁、细胞膜、细胞质、原核等基本结构和荚膜、鞭毛、芽孢等特殊结构，掌握革兰氏染色法及其原理，了解有些细菌具有降解性质粒对环境污染物降解具有重要意义，掌握荚膜的特性，了解芽孢及鞭毛的作用；熟悉环境工程中常见的细菌。掌握放线菌的菌丝分类；了解常见的蓝细菌。掌握裸藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、金藻门、黄藻门的代表藻类。掌握原生动物的肉足纲、鞭毛纲、纤毛纲、吸管纲中的常见种类。熟悉常见的轮虫、线虫、颤蚓、枝角类、桡足类等微型后生动物。掌握病毒的化学成分和基本结构，掌握病毒的繁殖方式及繁殖过程。微生物种类繁多，根据有无细胞及细胞结构的差异，可将微生物分成非细胞型微生物、原核微生物、真核微生物三大类群。原核微生物的细胞核发育不完全，没有核仁，没有核膜包裹核物质，核物质与细胞质没有明显的界限，细胞内其他结构的分化水平低；真核微生物细胞内具有发育完好的细胞核，有核膜包裹核物质，其他细胞器高度分化。环境工程微生物所涉及的原核微生物以细菌为主，真核微生物以真菌、原生动物和藻类为主。2.1原核微生物原核微生物是指具有原始细胞核的单细胞生物。包括细菌、蓝细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体、支原体、螺旋体等类群。本节重点介绍细菌、放线菌、蓝细菌三类。2.1.1细菌细菌是自然界中分布最广、数量最大的一类微生物，也是环境工程中所涉及的最重要的原核微生物。2.1.1.1细菌的形态和大小在正常生长条件下，细菌主要有四种形态：球状、杆状、螺旋状、丝状，据此，细菌可分别命名为球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌，如图2.1所示。图2.1细菌的各种形态A.球菌；B.杆菌；C.螺旋菌；D.丝状菌（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）(1)球菌按分裂后细胞的排列方式不同，球菌可分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、链球菌、葡萄球菌。7(2)杆菌杆菌有单杆菌(分长杆菌和短杆菌)、双杆菌和链杆菌。杆菌的两端或一端有平截状、圆弧状、分枝状、膨大呈棒棰状。(3)螺旋菌螺旋菌呈螺旋卷曲状。根据其弯曲程度不同可分成弧菌与螺菌，菌体弯曲呈弧形或逗号形称弧菌，而多次弯曲的称螺菌。(4)丝状菌常见于水生境、潮湿土壤中，有30多种，如球衣菌、泉发菌、纤发菌、发硫菌、贝日阿托氏菌等。细菌的大小常用微米(m)作为量度单位。1微米(m)=10-3毫米(mm)。细菌的大小可用显微镜测微尺来测量，也可根据投影或照相图片的放大倍数测算。不同类的细菌，菌体大小有很大差异。一般情况下，球菌直径为0.5～2.0m，杆菌大小为0.5～1.0m×1～5m，螺旋菌大小为0.25～1.7m×2～60m。不同菌龄的细菌，在不同条件的培养环境中，大小和形态有很大差异。菌龄用培养时间衡量，培养环境条件主要指培养温度、培养基中物质的组成与浓度。一般情况下，幼龄菌在适宜的培养环境中，菌体大小划一、菌体形态规则，即细菌表现其特异的大小形态。在有代谢废物积累的较老的培养基中，或在渗透压异常、有抗菌药物存在的培养基中，细菌菌体会缩小，常出现梨形、星形、方形等不规则形态。在不适宜培养环境中的异常微生物，被转移到合适的新鲜培养基中又可恢复特征性的大小形态。不同的固定和染色方法，也影响细菌大小。经干燥固定的菌体，一般要比活菌体的长度短1/4～1/3；用负染色法染色的菌体，往往大于用普通染色法染色的菌体，甚至比活菌体还大。2.1.1.2细菌的细胞结构细菌的细胞结构包括基本结构和特殊结构。基本结构是各种细菌都有的结构，包括：细胞壁、细胞膜、细胞质及内含物、原核。特殊结构是某些细菌具有的结构，包括：芽孢、荚膜、鞭毛等。细菌细胞的模式结构见图2.2。图2.2细菌细胞构造模式图（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）（1）细胞壁细胞壁是位于细胞表面的薄层结构，坚韧而富有弹性。细胞壁具有固定细胞外形，保护细胞免受外力损伤，阻拦大分子物质进入细胞，为鞭毛提供支点协助并鞭毛运动等功能。1884年，丹麦病理学家ChristainGram创造了一种鉴别染色法，用该染色法可把细胞壁结构和化学组成不同的细菌分为革兰氏阳性菌(G+)和革兰氏阴性菌8(G－)两大类。这种染色法用Gram命名，称为革兰氏染色法。染色过程如下：经化学分析及通过电子显微镜观察发现，G+菌和G－菌在细胞壁的化学组成及结构有显著差异(见表2.1，图2.3)。表2-1G+和G－细胞壁化学组成及结构比较细菌类群壁厚度(nm)肽聚糖磷壁酸蛋白质脂多糖脂肪含量层次交联度G+20-8040-90%多层75%+约20%－1%～4%G－105-10%单层30%－约60%+11%～22%图2.3细菌细胞壁的结构图A.G+菌的细胞壁；B.G－菌的细胞壁；C.G－菌细胞壁的图解（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）研究表明，在革兰氏染色过程中，结晶紫和碘先后进入细菌细胞内，并在细胞内形成深紫色的结晶紫――碘的复合物。对于阳性细菌而言，当用酒精(或丙酮)脱色时，一方面，细胞壁中紧密网格结构的肽聚糖脱水，使网状结构的孔径缩小，导致细胞壁通透性降低；另一方面，细胞壁含脂被溶，形成孔洞，导致细胞壁通透性上升，由于肽聚糖含量高而脂肪含量低，细胞壁通透性最终降低，从而使结晶紫――碘的复合物不易被洗脱而保留在细胞内，使菌体仍呈深紫色，经番红复染后G+菌仍呈紫色。对于革兰氏阴性菌而言，当酒精脱色时，因其细胞壁肽聚糖层薄而疏松，类脂含量高，细胞壁透性最终增大，使结晶紫――碘复合物较易被洗脱出来，经番红复染后G－菌呈红色。（2）细胞膜细胞膜是紧贴于细胞壁内侧的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。厚度一般为7～8nm。经质壁分离后，细菌细胞膜可被中性或碱性染料染色而被观察到（图2.4）。细胞膜为镶嵌蛋白质的液态磷脂双分子层，其化学组成主要是磷脂(30%～40%)和蛋白质(60%～70%)。番红复染菌体呈红色为G－番红复染菌体呈紫色为G+褪色不褪色细菌涂片草酸铵结晶紫初染鲁哥氏碘液媒染乙醇或丙酮脱色9图2.4细胞膜的结构图（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）细胞膜的主要功能是：①运输物质细胞膜能选择性的控制营养物质和代谢产物进出细胞，使细菌能够在各种化学环境中吸取它们所需要的营养物质，而排出过多的或废弃的物质，即维持着菌体与外界物质的交换。②调节细胞内外渗透压通过吸收或排出适当数量的各种微粒，调节细胞内外渗透压。③调节能量供给细胞质膜上有丰富的酶系，直接或间接地参与细菌的氧化代谢，从而调节能量供给。（3）细胞质及其内含物细胞质是细胞膜包裹的除细胞核以外的细胞物质，主要成分是水、蛋白质、脂类、核酸、糖、无机盐。由于含有较多的核糖核酸(特别在幼龄和生长期)，细胞质呈现较强的嗜碱性，易被碱性和中性染料染色。通常情况下，细胞质为无色透明粘液，有时也会形成有形内含物。有形内含物是细胞质的一部分，也可看作是细菌的特殊结构。不同微生物含有的内含物不同，常见内含物有：①核糖体：是分散在细胞质中的亚微颗粒，也是细胞合成蛋白质的部位。它由核糖核酸（RNA）和蛋白质组成，其中RNA占60%，蛋白质占40%。②气泡：在许多具光合作用、无鞭毛的水生细菌的细胞中，常含有为数众多的充满气体的小泡囊，称为气泡。气泡由厚仅2nm的蛋白质膜所包围，具有调节细胞比重使其漂浮在合适水层的作用。③异染颗粒：分枝杆菌等含有异染颗粒。异染颗粒的主要成分为多聚偏磷酸盐、RNA、蛋白质、脂类、Mg2+等，可用蓝色染料（如甲苯胺蓝、甲烯蓝）染成紫红色。幼龄细胞中的异染颗粒很小，随着菌龄的增加而变大，在生长旺盛的细胞中含量较多，在老龄细胞中可被作为碳源和磷源利用。④聚β—羟基丁酸颗粒：假单胞菌、产碱菌含有聚β-羟基丁酸颗粒。该颗粒是一种聚脂类，被单层蛋白质膜包围。易被脂溶性染料苏丹黑染色而在显微镜下可见。缺乏营养时，被用作碳源和磷源。⑤肝糖粒与淀粉粒：大肠杆菌、产气杆菌含有肝糖粒，肝糖粒较小，只能在电镜下观察到，可被稀碘液染成红褐色，使细胞质在光学显微镜下显均匀红色。巴氏醋杆菌含有淀粉粒，淀粉粒可用碘液染成深蓝色。肝糖粒和淀粉粒可作为碳源和能源利用。10⑥硫粒：硫细菌如贝氏硫细菌(Beggiatoa)、丝硫细菌(Thiothrix)等利用H2S作能源，将H2S氧化为硫粒积累在菌体内，在缺乏营养时又将硫粒氧化为SO42-,从而获得能量。硫粒具有很强的折光性，可在光学显微镜下看到。以上述各种内含物颗粒并不同时出现在一个菌体中，通常一个菌体内含一种或两种。当环境中缺氮源，而碳源和能源过剩时，细胞会积累大量内含颗粒，有时可达到细胞干重的50%。（4）原核指原核生物所特有的原始细胞核，没有核膜、核仁，是由一条环状双链DNA分子高度折叠卷曲而成的一团高度凝胶化的物质，也称细菌染色质。原核是细菌的主要遗传物质，携带着细菌的主要部遗传信息，决定细菌的主要遗传性状。细菌的遗传物质相对较少，以大肠杆菌为例，菌体长度1～2m，它的原核DNA长度约1100m。细菌质粒是细菌原核之外携带遗传信息的小环状DNA。质粒也能自我复制，稳定地遗传。质粒可单独复制、转移，也可插入细菌染色质中与其一起复制、转移，还可与特定染色质片段一起复制、转移。目前发现的质粒有三类：①致育因子(F因子)，与有性接合有关；②抗药性质粒(R因子)，与抗药性有关；③降解性质粒，可编码分解化学物质的酶。降解性质粒上，有一系列能降解复杂物质的酶的编码，从而使具有降解性质粒的细菌，能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源，因而降解性质粒与环境保护关系密切，已引起众多学者的重视与研究。这些质粒，以其编码出的酶所能分解的底物命名，如CAM（樟脑）质粒、OCT（辛烷）质粒、XYL（二甲苯）质粒、SAL（水杨酸）质粒、MDL（扁桃酸）质粒、NAP（萘）质粒、TOL（甲苯）质粒等。（5）荚膜某些细菌在新陈代谢过程中会形成一层包裹在细胞壁外的粘液物质，当粘液达到一定的强度和形状时，就称为荚膜。荚膜能相对稳定的附着在细胞壁上，使细菌与外界环境有明显的边缘。荚膜的主要成分为多糖、多肽或蛋白质，含水率在90%以上。荚膜中含水量极高，在光学显微镜下透明而不易观察到，如使用负染色法，在暗色背景与折光性很强的菌体之间，可观察到一透明区，即是荚膜（图2.5）。图2.5细菌的荚膜（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）11荚膜的主要功能有：①保护作用可保护细菌免受干旱损伤，对于致病菌来说，则可保护它们免受宿主吞噬细胞的吞噬。②贮藏养料营养缺乏时可作为碳(或氮)源和能源被利用。③吸附作用其多糖、多肽或蛋白质具有较强的吸附能力。产生荚膜是微生物的一种遗传特性，因此，荚膜的有无是细菌分类鉴定的依据之一。产生荚膜的细菌形成的菌落是光滑型的，而不产生荚膜的细菌形成的菌落是粗糙型的。但形成荚膜是细菌在特定环境条件中的表现，换言之，形成荚膜的细菌并非在整个生活期内、在任何环境中都有荚膜，没有荚膜的变异菌株也能正常生长。细菌的荚膜物质可以互相融合，组成胶状团块，这些包含着多个菌体的胶状团块，称为菌胶团。图2.6是菌胶团常见的形态。菌胶团具有较强的吸附和氧化分解能力，能大量吸附废水中的有机物、无机固体物、胶体物，迅速氧化分解有机污染物；菌胶团具有良好的沉降性能，稍加静置即可与处理后的水分离。这些性能对废水生物处理非常重要。图2.6菌胶团的几种形态（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社，2000）（6）芽孢芽孢是某些细菌生长到一定时期，由细胞脱水缩合形成的一个圆形或椭圆形的休眠体。芽孢的壁厚而致密，通透性差，折光性强，不易着色，含水量低，酶含量少，代谢活力低，含有耐热物质（2,6-吡啶二羧酸），因而芽孢对高温、干燥、毒物等不良环境有极强抵抗能力，对细菌抵抗外界不良环境，保持其生命状态，