环境微生物学第二章-原核微生物

第二章原核微生物第一节古菌域第二节细菌域第三节蓝细菌第四节放线菌第五节其他原核微生物第二节细菌域一、细菌的个体形态与大小二、细菌的细胞结构三、细菌的培养特征四、细菌的物理化学性质五、细菌的物理化学性质与污废水的处理关系一、细菌的个体形态与大小（一）细菌的个体形态（二）细菌的大小（一）细菌的个体形态(1)(2)(3)(4)(5)(6)1.球菌(Coccus)细胞呈球形或近球形，它分裂后形成的新细胞常保持一定的排列方式。按其排列形式主要可分为：(1)单球菌、(2)双球菌、(3)链球菌、(4)四联球菌、(5)八叠球菌、(6)葡萄球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌2.杆菌(Bacillus)细胞呈杆状或圆柱状。杆菌有：(1)单杆菌；(2)梭状芽孢杆菌；(3)链杆菌(1)(2)(3)大肠杆菌梭状芽孢杆菌3.螺旋菌(Spirlla)螺旋菌按其弯曲程度可分为弧菌(Vibrio)和螺菌(Spirillum)。弧菌菌体弯曲螺旋不满一环，呈香蕉状，往往有偏端单生或丛生鞭毛。螺菌菌体回转如螺旋状，螺旋满2~6环。弧菌螺菌4.丝状菌丝状菌分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。（二）细菌的大小细菌细胞的大以微米(m)计。通常球菌的直径为0.2~1.5m，杆菌长1~5m，宽0.5~1m。影响菌体形态的因素也会影响菌体大小。除少数例外，一般幼龄菌比成熟菌和老龄菌的菌体大，如培养4h的枯草杆菌比培养24h的细菌长5~7倍，但宽度变化不大。二细菌细胞的结构细菌主要由细胞壁、细胞质膜、细胞质、拟核、内含物、中体、核糖体构成。有的细菌还有荚膜、芽孢、绒毛和鞭毛等结构。（一）细胞壁细胞壁是指细菌细胞的外壁。细胞壁坚韧而有弹性，内侧紧贴细胞膜，占细胞干重的10%~25%。一.细胞壁的结构革兰氏染色法是丹麦医生HansChristianGram于1884年创立的，是细菌细胞的复合染色法，是一种极其重要的染色法。通过这一染色，可把几乎所有的细菌都分为两大类，因此它是分类鉴定菌种的一个重要指标。根据革兰氏反应：可将细菌分为：革兰氏阳性细菌（G+）——紫色和革兰氏阴性细菌（G-）——红色。革兰氏阳性细菌（G+）——紫色革兰氏阴性细菌（G-）——红色1.革兰氏阳性菌（G+）：主要为肽聚糖和磷壁酸（细胞壁）（壁磷壁酸）（肽聚糖）（膜磷壁酸）（蛋白质）（细胞膜）（革兰氏阳性菌细胞壁，G＋）（肽聚糖的立体结构）2.革兰氏阴性菌（G-）：主要为类脂质和蛋白质（孔蛋白）（磷脂）（外膜蛋白）（脂蛋白）（周脂空间）（细胞膜）（细胞壁）（肽聚糖）（外膜）（脂多糖）（蛋白质）（革兰氏阴性菌细胞壁，G－）二.细胞壁的功能固定细胞外型和提高机械强度，免受渗透压等外力的损伤。为细胞的生长、分裂和鞭毛运动的必须。阻拦抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受溶菌酶等有害物质的损伤。赋予细菌具有特定的抗原性、致病性以及对抗生素及噬菌体的敏感性。（二）原生质体原生质体包括细胞质膜（原生质膜）、细胞质及其内含物质。1.细胞质膜蛋白质磷脂分子亲水基团疏水基团细胞质膜是紧贴细胞壁的内侧而包围细胞质的一层柔软而富有弹性的薄膜，它是半渗透膜。其结构如图所示。②细胞膜的结构1972年Singer和Nicolson提出的细胞膜液态镶嵌模型。膜是由球形蛋白与磷脂构成的流体镶嵌式，流动的脂类双分子层构成了膜的连续体，而蛋白质象孤岛一样无规则地漂流在磷脂类的海洋当中。细胞膜液态镶嵌模型细胞膜的功能：维持渗透压的梯度和溶质的转移是合成细胞壁和糖被等各种组分的基地膜内陷形成中间体含有细胞色素，参与呼吸作用是细胞物质代谢和能量代谢的场所为鞭毛提供附着点，是鞭毛基体的着生部位和鞭毛运动的功能部位2.细胞质及内含物细胞质是在细胞质膜以内，除核物质以外的无色透明、粘稠的复杂胶体，亦称原生质。由蛋白质、核酸、多糖、脂类、无机盐和水组成。细胞质内含物包括：核糖体、内含颗粒。（1）核糖体：是分散在细胞质中的颗粒状结构，由核糖体核酸（占60%）和蛋白质（占40%）组成。功能：是细胞合成蛋白质的机构。（2）内含颗粒：细菌细胞质中含有各种颗粒状内含物，它们大多数为细胞贮藏物，颗粒状内含物的多少因细菌的种类、菌龄及培养条件不同而改变。主要有：异染粒、聚β－羟丁酸、肝糖粒、淀粉粒、脂肪粒、硫粒和液泡等等。细胞质中的内含物异染粒：是普遍存在的贮藏物，主要成分是多聚偏磷酸盐。异染粒大小和结构:大小为0.5—1μm，是多聚偏磷酸盐的聚合物，分子呈线状。功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。多聚偏磷酸盐对某些染料有特殊反应,产生与所用染料不同的颜色,因此得名异染颗粒.例:异染粒遇甲基胺蓝变紫红色.含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等.聚β－羟丁酸颗粒(PHB)聚β－羟丁酸颗粒是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。许多好氧菌和光合厌氧菌都含有聚β－羟丁酸颗粒。硫粒：是硫元素的贮藏体。形成：取决于环境硫化物含量,当环境中S含量高时，在体内积累；当缺S时,氧化成硫酸被菌利用。功能：a.好氧硫细菌的能源b.厌氧硫细菌的电子供体肝糖粒和淀粉粒:都是α-1,4或α-1,6糖苷键的葡萄糖聚合物。这些贮藏物通常较均匀地分布在细胞质内，颗粒较小。若这类贮藏物大量存在时，用碘使对其染色，肝糖粒能被碘液染成红色，淀粉粒被碘成蓝色。脂肪粒：脂肪粒的折光性较强，它可被脂溶性染料染色；细胞生长旺盛时，脂肪粒增多，细胞遭破坏后，脂肪粒可游离出来。气泡：由蛋白质膜构成的充满气体的泡状物。有些细菌细胞质中含有几个或多个气泡。气泡的功能：调节细胞比重，以使其漂浮在合适的水层中。气泡吸收空气，空气中的氧气可供代谢需要。例：许多光合细菌和水生细菌、盐杆菌常含有气泡。3.拟核(nucleoid)细菌因没有核膜和核仁，故称为原始核或拟核，亦称细菌染色体。它由DNA纤维组成，即由一条环状双链的DNA分子高度折叠缠绕形成的。拟核携带着细菌全部遗传信息，它的功能是决定遗传性状和传递遗传信息，是重要的遗传物质。（三）荚膜、粘液层、菌胶团和衣鞘1.荚膜(capsule)荚膜是一些细菌在其细胞表面分泌的一种粘性物质，把细胞壁完全包围封住，这层粘性物质就叫荚膜。具有一定的外形，相对稳定的附着于细胞外壁。是分类特征之一。荚膜的化学组成因菌种而异，它含大量水分，约占重量的90%以上，其余为多糖、多肽、蛋白质、脂及其它们的复合体——脂多糖、脂蛋白等。细菌的荚膜细菌的荚膜荚膜的功能：增强致病菌的致病能力。如：具有荚膜的S型肺炎链球菌对人体毒力强，能引起肺炎，但如果细胞失去荚膜（即成为R型菌株）后，致病力就下降。荚膜能保护病原菌免遭宿主吞噬细胞的吞噬，保护细胞免遭干燥影响，同时也是细胞外的碳源和能源的储备物质，当环境缺乏营养时它可被细胞利用。废水生物处理中的细菌夹膜有生物吸附作用，将废水中的有机物、无机物及胶体吸附在细菌表面上。2.粘液层有些细菌不产荚膜，其细胞表面仍可分泌粘性的多糖，疏松地附着在细菌细胞壁的表面上，与外界没有明显边缘，这叫粘液层。功能：在废水处理过程中有生物吸附作用，在曝气池中因曝气搅动和水的冲击容易把细菌粘液冲刷入水中，以致增加水中有机物，它可被其它微生物利用。3.菌胶团有些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相粘集在一起，被一个公共的荚膜包围形成一定形状的细菌集团，叫作菌胶团。菌胶团在废水处理工程中担当着非常重要的角色。菌胶团的形状如下图：4.衣鞘水生境中的丝状菌多数有衣鞘，在它们丝状体表面的粘液层或荚膜硬质化，形成一个透明坚韧的空壳，叫衣鞘。（四）芽孢某些细菌在生长到某个阶段，细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形，对不良环境条件具较强抗性的休眠体，称为芽孢。因为细菌芽孢的形成都在胞内，所以又称为内生孢子，以区别放线菌、霉菌等形成的外生孢子。是分类鉴定依据之一。芽孢的特点：1.芽孢含水率低，38%~40%；2.芽孢壁厚而致密；3.芽孢中的2,6-吡啶二羧酸(DPA)含量高，为芽孢干重的5%~15%；4.含耐热性酶。细菌的芽孢（五）鞭毛某些细菌表面着生从胞内伸出的细长、波浪形的丝状物，它们是细菌的运动器官，数目有一到数十根，称为鞭毛。是分类鉴定依据之一。鞭毛的长度常常超过细胞的长度，最长可达70m。鞭毛的直径很细（10~20nm），只有在电镜下才可看见。鞭毛的着生方式：周生三、细菌的培养特征细菌的培养特征主要有：（一）细菌在固体培养基上的培养特征（二）细菌在明胶培养基中的培养特征（三）细菌在半固体培养基中的培养特征（四）细菌在液体培养基中的培养特征（一）细菌在固体培养基上的培养特征细菌在固体培养基上的培养特征就是菌落特征。所谓菌落就是由一个细菌繁殖起来的，由无数细菌组成具有一定形态特征的细菌集团。不同细菌菌落特征是不同的。几种细菌菌落的特征用稀释平板法和平板划线法将呈单个细胞的细菌接种在固体培养基上，给予一定的培养条件培养，细菌就可以在固体培养基上迅速繁殖成一个由无数细菌组成的群落，即菌苔。菌苔是细菌在斜面培养基接种线上长成的一片密集的细菌群落，不同属种细菌的菌苔形态是不同的。在斜面培养基上的菌苔特征（二）细菌在明胶培养基中的培养特征用穿刺接种法将某种细菌接种在明胶培养基中培养，能产生明胶水解酶水解明胶，不同的细菌将明胶水解成不同形态的溶菌区，依据这些不同形态的溶菌区或溶菌与否可将细菌进行分类。在明胶培养基中的生长特征（三）细菌在半固体培养基中的培养特征用穿刺接种技术将细菌接种在含0.3%~0.5%琼脂半固体培养基中培养，细菌可呈现各种生长状态，根据细菌的生长状态判断细菌的呼吸类型和鞭毛有无，能否运动。1.丝状、2.念珠状、3.乳头状、4.绒毛状、5.树状（四）细菌在液体培养基中的培养特征在液体培养基中，细菌整个个体与培养基接触，可以自由扩散生长。它的生长状态随细菌属、种的特征而异。细菌在肉汤培养基中的生长特征四、细菌的物理化学性质（一）细菌表面电荷和等电点（二）微生物细胞的染色（三）细菌悬液的稳定性（四）细菌悬液的浑浊度（五）细菌的多相胶体性质（六）细菌的比表面积（七）细菌的密度和重量（一）细菌表面电荷和等电点细菌的等电点：细菌蛋白质含量在50％以上，蛋白质是由氨基酸组成，氨基酸是两性电解质，在一定pH值的溶液中，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等时的pH值就称该氨基酸的等电点。所以细菌也有各自的等电点。氨基酸为两性电解质氨基酸的两性解离：碱性条件下：细菌的游离氨基电离受抑制，游离羧基电离，细菌则带负电荷。酸性条件下：细菌的游离羧基电离受抑制，游离氨基电离，细菌则带正电荷。pH=等电点净电荷=0pH等电点净电荷为正pH等电点净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++OH-+H++OH-细菌表面通常带什么电荷？细菌的等电点多为pH＝2～5，在一般的培养条件下，细菌多处于偏碱性（pH＝7～7.5）、中性（pH＝7）和偏酸性（6pH7），高于细菌的等电点，所以，细菌表面总是带负电荷。（二）微生物细胞的染色大多数微生物细胞极其微小又十分透明，一般都要对细胞进行染色再观察，微生物染色法种类可以概括如下：微生物染色法死菌活菌：用美蓝湖TTC（氯化三苯基四氮唑）正染色负染色荚膜染色法单染复染革兰氏染色法芽孢染色法革兰氏染色是分类鉴定的第一步，用以鉴别细菌，故称为鉴别染色法。革兰氏染色步骤：革兰氏染色机制：1.与等电点有关：G＋的等电点比G－低，与草酸铵结晶紫的结合力大，用碘－碘化钾媒染后，结合力更大，不会被乙醇脱色，故呈紫色。2.与细胞壁有关：G－细胞壁脂类含量高，乙醇脱色时细胞壁被溶解，增加其通透性，草酸铵结晶紫、碘－碘化钾复合物被提取，故菌体呈现无色，在复染中再次着色。（三）细菌悬液的稳定性细菌在培养基中的存在状态有稳定的和不稳定的两种：稳定的为S型、不稳定的为R型。S型——光滑型：细菌的菌体为亲水基，均匀分布于培养基中，不发生凝聚只有在电解质浓度很高的时候才发生凝聚；R型——粗糙型：细菌具有强电解质，菌悬液很不稳定容易发