水处理生物学2原核微生物1

第一篇水处理生物学基础微生物的分类微生物原核细胞生物古菌域细菌域真细菌蓝细菌放线菌立克次氏体、衣原体、支原体，螺旋体真菌细胞生物－－真核生物域拟病毒：只含有不具独立侵染性的RNA或DNA组分真病毒：至少含有核酸和蛋白质两种组分亚病毒类病毒：只含独立侵染性的RNA组分朊病毒：只含单一蛋白质组分细胞结构微生物非细胞结构微生物三域学说：20世纪70年代末由于美国伊利诺斯大学的C.R.Woese（伍斯）等人对大量微生物和其他生物进行16s和18srRNA的寡核苷酸测序，并比较其同源性水平后，提出了一个与以往各种界级分类不同的新系统，称为三域学说，“域”是一个比界更高的界级分类单元，过去曾称原界。三个域指的是细菌域（以前称“真细菌域”）、古生菌域（以前称古细菌域）、和真核生物域。第二章原核微生物•指一类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物。•原核生物具有以下的特点：•①无核膜，无成形的细胞核；•②遗传物质是一条不与组蛋白结合的环状双螺旋脱氧核糖核酸（DNA）丝，•（有的原核生物在其主基因组外还有更小的能进出细胞的质粒DNA）；•③以简单二分裂方式繁殖，无有丝分裂或减数分裂；•④没有性行为，有的种类有时有通过接合、转化或转导，将部分基因组从一个细胞•传递到另一个细胞的准性行为（见细菌接合）；•⑤没有由肌球、肌动蛋白构成的微纤维系统，故细胞质不能流动，也没有形成伪足、•吞噬作用等现象；•⑥鞭毛并非由微管构成，仅由几条螺旋或平行的蛋白质丝构成；•⑦细胞质内仅有核糖体而没有细胞器；•⑧细胞内的单位膜系统除蓝细菌另有类囊体外一般都由细胞膜内褶而成，其中有氧•化磷酸化的电子传递链（蓝细菌在类囊体内进行光合作用，其他光合细菌在细胞膜•内褶的膜系统上进行光合作用；化能营养细菌则在细胞膜系统上进行能量代谢）；•⑨在蛋白质合成过程中起重要作用的核糖体散在于细胞质内，核糖体的沉降系数为•70S；•⑩大部分原核生物有成分和结构独特的细胞壁等等。原核生物2.1细菌•细菌是大家比较熟悉的名字，自从德国乡村医生劳伯·柯赫第一个猎获病菌以后，细菌这个名字就常常和疾病联系在一起。因为人和动植物的许多传染病，都是由细菌作祟引起的，所以人们对它总有一种厌恶和恐惧的感觉。其实，危害人类的细菌只是一小部分，大多数细菌对人类是有益处的。细菌（Bacteria）P7广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作拟核区（nuclearregion)(或拟核)的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类群。广义上的细菌还包括:放线菌,螺旋体,立克次氏体,衣原体,支原体(霉形体)狭义的细菌为原核微生物的一类，是一类形状细短，结构简单，多以二分裂方式进行繁殖的原核生物。是一类形态微小,结构简单,具有细胞壁,无典型细胞核(无核膜/核仁),而只有核质(染色体),不能进行有丝分裂而主要靠二等分分裂繁殖的原核单细胞微生物.是给水与废水处理中最重要的一类微生物！它是一种单胞生物,形体微小,结构简单。无成形细胞核、也无核仁和核膜，无细胞器。在适宜的条件下其相对稳定的形态与结构。一般将细菌染色后用光学显微镜观察，可识别各种细菌的形态特点，而其内部的超微结构须用电子显微镜才能看到。2.1.1细菌的个体形态和大小•1.细菌的基本形态（1）球状（2）杆状（3）螺旋状（4）丝状（仅有少数）及其他形状丝状菌（1）球菌根据分裂方向及相互间连接方式又分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。是分类的一个依据。右图自上而下：双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌电镜下的球菌葡萄球菌球菌的形态（2）杆菌细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。杆菌的几种形态球杆菌链杆菌双杆菌电镜下的杆菌梭状芽孢杆菌乳酸杆菌杆菌的形态（3）螺旋菌霍乱弧菌螺旋菌弧菌（vibrio)：螺旋周数不足一圈细菌螺菌（spirillum)：2～6圈小型、坚硬的螺旋状细菌螺旋体（spirochaeta)：螺旋周数超6周，体长柔软螺菌螺旋体（4）丝状菌分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。丝状体是丝状菌分类的特征。水处理中的丝状菌（5）形状—其他型•细菌的大小以µm计，•如：E.Coli长2µm，宽0.5µm，1500个相当一粒芝麻长2.细菌的大小•较大细菌，1997年在纳米比亚海岸沉积物中发现的硫细菌（Thiomargaritanamibiensis）0.1～0.3mm，肉眼可见。•较小细菌，1998年芬兰学者E.O.Kajander发现引起尿结石的纳米细菌（Nanobacteria），直径仅50nm，为E.Coli的1/10，与病毒大小类似。分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知最小的具有细胞壁的细菌。细菌大小的测量及表示方法如下图所示利用显微镜测微尺，显微照相后根据放大倍数进行测算2.1.2细菌的细胞结构•细菌是单细胞结构微生物。•所有细菌的结构：细胞壁，原生质体。•原生质体包括：细胞质膜，细胞质及其内含物，拟核•部分细菌的特殊结构：芽孢、鞭毛、荚膜、粘液层、菌胶团、衣鞘及光合作用片层细菌细胞构造模式图在细菌细胞内，虽然没有细胞核，仍然有核物质，核物质DNA盘绕成一团，用染色方法可以看到，称拟核。1.细胞壁（cellwall）细胞最外一层坚韧厚实的外被，主要由肽聚糖构成。细胞壁的生理功能：1）维持外形，提高机械强度2）为细胞生长、分裂、和鞭毛运动必需3）阻碍大分子有害物质进入细胞4）赋予抗原性、对抗生素和噬菌体的敏感性（1）细胞壁的化学组成和结构丹麦医生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。根据此染色法，细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌革兰氏染色法•1.涂片固定2.单染—结晶紫染液第一次染色1min3.媒染—碘-碘化钾溶液浸湿30S4.脱色—95%乙醇溶液进行颜色洗脱5.复染—红色的藩红染液第二次染色•呈现第二次染色的效果红色；称革兰氏阴性菌（红阴G-）细菌呈现第一次染色的效果紫色，革兰氏阳性菌（紫阳G＋）；特征G–G+强度疏松坚韧厚度薄，5～10nm厚，20～80nm肽聚糖层数少，1～3层多，多达50层肽聚糖含量少（10～20％）高（50～90％）磷壁酸－＋脂多糖＋－脂肪含量较高一般无蛋白质含量较高无革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较肽聚糖磷壁酸多糖孔蛋白质脂质外膜磷壁酸肽聚糖革兰氏染色的原理2.原生质体（1）细胞质膜（protoplasmicmembrane）细胞质膜及化学组成：紧贴在细胞壁内侧，包围细胞质的一层薄膜，柔软而富有弹性，半渗透膜。含60％～70％的蛋白质，含30％～40％的脂类，约2％的多糖。细胞质膜细胞质膜的蛋白质具运输作用的整合蛋白（integralprotein)或内在蛋白（intrinsicprotein）具酶促作用的周边蛋白（peripheralprotein）或膜外蛋白（extrinsicprotein）脂类是磷脂，由磷酸、甘油、脂肪酸和含胆碱组成细胞质膜的磷脂细胞膜的结构：液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）1）膜主体脂双分子层，亲水基团在表面，疏水基团在内部2）双分子层有流动性3）蛋白镶嵌或贯穿或浮在表面4）不对称性1972年，辛格和尼科尔森提出该模型1）选择运输2）维持渗透压3）合成细胞壁和糖被重要基地4）细胞产能场所5）鞭毛基体着生点和旋转供能细胞质膜的生理功能不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差异。这种差异非常巨大且具有特征性，因此膜化学可被用于对细菌进行鉴定。细胞质（cytoplasm)：除核区外的半透明、胶状、颗粒状物质总称。含水量80％左右。亦称原生质。内含物（inclusionbody）：颗粒状构造，如：贮藏物、气泡等。（2）细胞质及内含物细胞质主要成分为核糖体、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。核糖体(1)化学组成：由核糖核酸（RNA）和蛋白质两种化学成分组成。(2)染色特性：核糖体易被碱性染料染色，在光镜下细胞质中核糖体丰富的部位嗜碱性较强。(3)电镜结构：是近似球形的致密颗粒，直径为20nm。(4)功能：合成蛋白质。核糖体结构模式图贮藏物（reservematerials）不同化学成分累积成的不溶沉淀颗粒，贮藏营养物。贮藏物碳源及能源氮源：蓝细菌的藻青素、藻青蛋白磷源（异染粒）：聚磷菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌糖原：E.Coli、芽孢杆菌、蓝细菌等PHB：固氮菌、产碱菌、肠杆菌硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌①聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。它无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。PHBHCHH3CCCHHHOOOnn106②异染粒(metachromaticgranules)在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌(Spirillumvolutans)异染粒（迂回体）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。OHPOHnHOO异染粒（metachromaticgranule）n=2~106③多糖类贮藏物在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，可在光学显微镜下看到。糖原粒淀粉粒有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。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。当环境中环境中还原性硫缺乏时，可被细菌重新利用。⑥磁小体(megnetosome)功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。实用前景，包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等其他内含颗粒（三）细胞的结构⑦羧酶体(carboxysome)一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物其大小与噬菌体相仿，约10nm，内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，在自养细菌的CO2固定中起着关键作用。采用免疫电镜技术观察蓝细菌cyanobacteriumChlorogloeopsisfritischii中的羧酶体其他内含颗粒（三）细胞的结构⑧载色体（Chomatophore）光合细菌进行光合作用的部位相当于绿色植物的叶绿体其他内含颗粒⑨气泡（gasvocuoles）是许多光合型、无鞭毛水生菌中充满气体的泡囊状内含物大小为0.2—1.0um×75nm内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白膜包裹每个细胞中含几个或数百个气泡功能：调节细胞比重以使细菌漂浮在最适水层中获取光能O2，和营养物质其他内含颗粒质粒染色体(Chromosomes)⑩质粒(circularcovalentlyclosedDNA)质粒(Plasmid)是一种染色体外的稳定遗传因子,大小从1-200kb不等,为双链、闭环的DNA分子,并以超螺旋状态存在于宿主的细胞质中。是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制。上面携带有数个到数十个甚至上百个基因（P134）其他内含颗粒又叫核质体、原始核、细菌染色体，无核膜核仁的原始细胞核结构。富尔根染色为紫色的形态不定，环状ds-DNA，少量蛋白结合，0.25～3mm长。功能：遗传物质。（3）拟核拟核（nucleoid）3.特殊结构（1）糖被（Glycocalyx）荚膜：某些细菌在其表面分泌的一种粘性物质，把细胞壁完全包围封住。荚膜一般很厚，有的细菌荚膜很薄，在200µm以下，称为微荚膜。荚膜是分类特征之一。有些细菌