2-1原核微生物形态结构

第二章微生物主要类群的形态、结构和功能微生物可分为细胞型微生物和非细胞型微生物，凡具有细胞形态的微生物统称为细胞型微生物，细胞型微生物又根据细胞的结构不同分为原核微生物和真核微生物。本章主要介绍与食品工业关系紧密的一些微生物类群的形态结构、功能及其繁殖方式。这些主要类群包括细菌、放线菌、霉菌、酵母菌和病毒。第一节细菌（Bacteria）细菌是一类个体微小、形态简单，具有细胞壁的单细胞原核微生物。在自然界中细菌是分布最广、数量最多的一类生物，并与食品关系最为密切。是食品理论、工业发酵和酿造研究的主要对象，也是导致食品腐败的主要类群。一、细菌的基本形态及空间排列二、细菌的大小及其测定方法三、细菌细胞结构及其功能四、细菌的繁殖方式与过程五、细菌的菌落形态及其意义一、细菌的基本形态及空间排列细菌的基本形态有球状、杆状和螺旋状,分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌。各类群基本形态比较稳定。菌体细胞形态和排列具有种的特异性，是进行分类和鉴定的依据之一。（一）球菌（Coccus）是一类菌体呈球形或椭圆形的细菌。根据繁殖时细胞分裂面的方向不同以及分裂后菌体间相互黏附的松紧程度和组合状态不同，可分为六种不同的排列方式。1．单球菌如尿素小球菌（Micrococcusureae）。2．双球菌如肺炎双球菌（Diplococcuspneumoniae）。3．链球菌如乳链球菌（Streptococcuslactis）4．四联球菌如四联小球菌（Micrococcustetragenus）。5．八叠球菌如乳酪八叠球菌（Sarcinacasei）6．葡萄球菌如金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）菌细胞呈杆状的细菌称为杆菌。长杆菌:(长:宽2）杆菌:(长:宽=2）短杆菌:(长:宽2）两端呈钝圆状或半圆状:两端呈平截状或称刀切状:菌体一端膨大(棒状杆菌)。杆菌在培养条件下有的呈单个存在，如大肠杆菌（Escherichiacoli，E.coli）；有的呈链状排列，如枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）；有的呈栅状排列或“V”排列，如棒状杆菌（Corynebacterium).（二）杆菌(Bacillus)（二）杆菌(Bacillus)Legionellapneumophila嗜肺性军团病杆菌Bacillusmegaterium巨大芽孢杆菌Bacillusauthracis炭疽杆菌Clostridiumbotulinum肉毒梭状芽孢杆菌（二）杆菌(Bacillus)大肠杆菌金黄色葡萄球菌（三）螺旋菌(Spirillum)弯曲的杆菌称为螺旋菌。按照其弯曲的程度不同，可分为弧菌（Vibrio）和螺旋菌（Spirillum）两种。1．弧菌菌体仅一个弯曲,呈弧形或逗号形如霍乱弧菌（Vibriocholerae）。2．螺旋菌菌体有多个弯曲，回转呈螺旋状如小螺菌（Spirillumminor）。自然界中杆菌最为常见,球菌次之,而螺旋菌较少。细菌的形态受环境条件的影响,如:培养温度、培养时间、培养基的成分与浓度等发生改变均可引起细菌形态的改变。细菌在幼龄时和适宜的环境条件下表现出正常形态，当培养条件改变或菌体变老时，细胞出现异常形态。二、细菌的大小及其测定方法（一）细菌的大小与表示方法细菌的个体很小，通常以微米（μm）作为测量单位细菌大小的表示方法因不同形态的细菌而异•球菌:一般用其直径表示，通常介于0.2～1.25μm之间；•杆菌:用其长和菌细胞直径（宽）来表示，长和宽之间用一连字符“×”连接起来，杆菌的大小差异较大，一般杆菌的大小为：0.2～1.25×0.3～8.0μm；•螺旋菌:其大小表示方法与杆菌相同，螺旋菌的长度仅表示其两端的空间距离。一般在进行形态鉴定时，尚需测定菌细胞的螺旋度、螺距等指标。0.3～1.0×50μm•值得注意的是，菌体的大小具有种的稳定性，但也受染色方法、培养基、菌龄、渗透压等外界因素等影响。有关细菌大小的记载，通常是平均值或代表性数字。（二）细菌的大小测定技术显微测微尺法：物镜测微尺有一1mm长的刻度线，刻有100个小格，即每格代表10μm；目镜测微尺也刻有100小格，其每格所代表的长度可用物镜测微尺进行校准。之后可在显微镜下对细菌细胞进行测量。显微照相法：几种细菌的大小菌种大小（μm）乳链球菌（Streptococcuslactis）0.8～1金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)1.0～1.5尿素小球菌(Micrococcusureae)0.5～0.8大肠杆菌(Escherichiacoli)1.2～3.0×0.8～1.2枯草杆菌(Bacillussubtilis)4～6×0.8～1.2肉毒梭菌(Clostridiumbotulinium)1～3×0.3～0.6霍乱弧菌(Vibriocholerae)1～3.2×1.0～1.5红色螺菌(Spirillumrubrum)1～2×0.5三、细菌细胞结构及其功能细菌的结构可分为基本结构和特殊结构两部分基本结构是任何细菌都有的，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核质体；特殊结构是只有某些种类的细菌才有，而且对细菌的生命活动并非必需的结构，包括荚膜、芽孢、鞭毛和菌毛等部分。（一）细菌细胞的基本结构1．细胞壁（cellwall）细胞壁是位于细胞最外层的一层坚韧而略具弹性的结构。厚度10～80nm约占细胞干重的10%～25%；在一般光学显微镜下不易观察到。（1）细胞壁的结构革兰氏染色实验：结晶紫（1min）→水洗→碘液（1min）→水洗→95%乙醇处理30s→水洗→藩红染色（2min）→水洗→干燥→镜检出现两种情况：兰紫色：革兰氏阳性菌红色：革兰氏阴性菌出现不同结果的根本原因在于细胞壁的结构不同。（1）细胞壁的结构1）革兰氏阳性菌的细胞壁G+菌细胞壁是一层，厚约20～80nm，由肽聚糖网架结构填充磷壁质和少量脂类组成。其中肽聚糖含量高，约占细胞壁重的40%～95%，且网状结构坚韧致密。肽聚糖（peptidoglycan）：由N-乙酰葡萄糖胺(NAG)、N-乙酰胞壁酸(NAM)和短肽聚合而成的多层网状结构的大分子化合物。肽聚糖(peptidoglycan)肽聚糖是由二糖四肽重复单位连接成的网状结构。N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰胞壁酸D-乳酸β-1，4糖苷键（1）细胞壁的结构内消旋二氨基庚二酸(meso-DAP)肽聚糖聚合物的亚单位由一个双糖单位、短肽尾和肽桥组成，这些亚单位相互连接，交织成网状结构，形成坚硬的肽聚糖。肽聚糖中的双糖单位由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4糖苷键连接而成短肽尾在革兰氏阳性和革兰氏阴性的肽聚糖中氨基酸组成不同，革兰氏阳性菌中，短肽尾为L-丙氨酸-D-谷氨酸-L-赖氨酸-D-丙氨酸(L-Ala-D-Glu-L-Lys-D-Ala)，而革兰氏阴性菌中的短肽尾为L-丙氨酸-D-谷氨酸-meso-二氨基庚二酸-D-丙氨酸(L-Ala-D-Glu-meso-DAP-D-Ala)（1）细胞壁的结构磷壁酸：为多元醇（核糖醇或甘油）和磷酸的复合物。根据多元醇的种类不同可分为核糖醇型磷壁质和甘油型磷壁质两类。一般只有G+菌的肽聚糖层网架结构中填充有磷壁酸。磷壁酸的主要生理功能带负电荷,吸附环境中的Mg2+等阳离子,对于保持膜的强度和提高细胞膜上合成酶的活性非常重要一种特异的表面抗原物质噬菌体的吸附位点调节胞内自溶素活力,防止细胞自溶死亡保证G+致病菌与其宿主间的粘连（1）细胞壁的结构2）革兰氏阴性菌的细胞壁G-菌细胞壁分两层，厚约10～15nm,外层为脂蛋白和脂多糖层，内层为肽聚糖层。肽聚糖含量低，约占细胞壁干重的5%～20%，且网状结构疏松,交联度25～30%。外层为脂多糖（LPS）。脂多糖结构非常复杂，是革兰氏阴性菌细胞外膜中的主要成分，也是革兰氏阴性菌细胞壁特有的成分。脂多糖包含脂和糖类，由类脂A、核心多糖、O-侧链三部分组成。（1）细胞壁的结构3）革兰氏阳性菌的细胞壁与革兰氏阴性菌的细胞壁结构的比较结构特点革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌细胞壁层次亚单位侧链构成亚单位交联方式亚单位交联度网格填充基质1层肽聚糖ala-glu-lys-ala5聚甘氨酸短肽70%磷壁酸2层外壁层（脂类）内壁层（肽聚糖）第三位是二氨基庚二酸直接形成肽键30%无基质填充（2）革兰氏染色原理关于革兰氏染色的原理，与细菌细胞壁的化学组成和结构有密切的关系。首先碱性染料结晶紫将细胞质染上颜色，碘能与结晶紫形成结晶紫-碘复合物不易被抽提出来。当用95%的乙醇作脱色处理时，引起细胞壁脱水，G+菌的肽聚糖含量多而脂类含量少，乙醇引起细胞壁孔径缩小，通透性明显降低，结晶紫-碘复合物不易被抽提出来，因而保持初染液的颜色。G-菌脂类含量高，被乙醇溶解，引起细胞壁各层结构松弛，而肽聚糖含量少，用乙醇处理时，肽聚糖网孔不易收缩，所以使细胞壁有足够的缝隙使乙醇进入细胞质将结晶紫—碘复合物溶解出来，而被重新染上复染液藩红的颜色。（3）细胞壁的生理功能细胞壁对细胞的作用包括以下方面：保持细胞形状。细胞的外形由细胞壁决定。无论原来是什么形状，一旦除掉细胞壁后的原生质体将呈球形。保护菌体。保护菌体免受机械性和渗透压的破坏。细胞壁的坚韧结构使细胞能承受内外的渗透压差而不至发生渗透裂解。细胞壁起着物质交换屏障作用。阻止胞内外大分子或颗粒状物质通过，细胞壁上的许多小孔容许水分、空气和小分子物质的通过。协助鞭毛运动，为鞭毛运动提供支点。与细菌的抗原性、致病性、噬菌体的感染有关。(4)细胞壁缺陷细菌原生质体（protoplast）：革兰氏阳性菌经过溶菌酶或青霉素处理后，细胞壁完全缺失后剩下的以细胞膜包裹着的部分称为原生质体。原生质体由于没有细胞壁的束缚，在高渗或等渗溶液中呈球型，对外力如离心力、搅拌、振荡等非常敏感，同时原生质体由于缺少了噬菌体的吸附位点而不再感染噬菌体。具有鞭毛的细菌形成原生质体后，仍然保留着鞭毛，但无法运动。原生质体的其他生物活性仍然存在，它可以在适宜的条件下继续生长繁殖，并形成小菌落。原生质球（spheroplast）：革兰氏阴性菌在经青霉素处理后依然保存它的外膜，被称为球形体或原生质球，它保留了部分细胞壁。L-型细菌（bacterialL-form）：细菌在某些环境条件下由于自发突变而形成的细胞壁缺损型。由于它最先被英国的李斯特（Lister）医学研究院发现，所以称L-型细菌。2．细胞膜（cellmembrane）细胞膜是紧贴在细胞壁内层，包围细胞质的柔软而富弹性的薄膜。约占细胞干重的10%，在电镜下观察厚约7～10nm。其基本构造为双层单位膜：内外两层磷脂分子，含量为20%～30%；蛋白质有些穿过磷脂层，有些位于表面，含量为50%～70%；另外有少量的多糖（约2%）。细胞膜中的磷脂主要为甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成。磷脂酰胆碱卵磷脂（lecithin)细胞膜的生理功能细胞膜对细胞内外物质交换起选择性屏障作用，在细胞膜上，镶嵌有大量的渗透蛋白（渗透酶）控制营养物质和代谢产物的进出。是原核生物细胞产生能量的主要场所，在细胞膜上分布着大量的呼吸酶系和ATP合成酶。含有合成细胞膜脂类分子及细胞壁各种化合物的酶类，参与细胞膜及细胞壁的合成。传递信息。膜上某些蛋白质接受光、电及化学物质等的刺激信号。鞭毛基体的着生部位，并可提供鞭毛旋转运动的能量。3.间体（Mesosome）是细胞膜内陷形成的层状、管状或囊状物。又叫中间体。与处在细胞表面的细胞膜相比，间体上镶嵌的酶蛋白更多。细菌细胞的能量代谢主要在间体上进行，所以人们又称间体为拟线粒体。间体的生理功能在细胞壁合成及细胞分裂中有一定的作用参与DNA的复制和分离及细胞分裂细菌呼吸作用的中心参与细胞内物质和能量的传递与芽孢形成有关4.核区(nuclearregion)拟核（nucleoid）细菌细胞核在结构和形态上都比真核生物的简单，只有核区，无核膜、核仁和固定形态，一般位于细胞的中央部