02第二章原核微生物

第二章原核微生物（prokaryotes）微生物根据不同进化水平和性状上的差别可分为：原核、真核、非细胞型生物。原核微生物：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次体和衣原体六类。细菌（真细菌）是一类单细胞、个体微小（细胞直径约0.5μm，长度约0.5~5μm）、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物是给水与废水处理中最重要的一类微生物！第一节细菌（Bacteria）第一节细菌（Bacteria）一、细菌个体形态与大小细菌大小以微米计细菌的形态：A.球状B.杆状C.螺旋菌D.螺旋体E.丝状细菌（仅有少数）（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、葡萄球菌单球菌葡萄球菌球菌图片（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结核杆菌炭疽链杆菌乳酸杆菌杆菌图片（3）螺旋菌弧菌弧菌：螺旋周数不足一圈细菌螺菌：2~6圈小型、坚硬的螺旋状细菌螺旋体：螺旋周数超6周，体长柔软（4）丝状细菌分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。丝状体是丝状细菌分类的特征。水处理中的丝状细菌11(5)正常形态与异常形态：正常形态：形态与环境因子相关，如：培养温度，培养时间，培养基的组成；异常形态:畸形、衰退形。12▼细菌的异常形态结核杆菌的正常形态结核杆菌的异常形态132μm0.5μm杆菌120个杆菌肩并肩总宽度=1根头发丝的宽度1500个杆菌首尾相连总长度=1粒芝麻的长度必须用显微镜观察细菌的大小（续）*球菌（直径）：0.5～2.0μm。*杆菌（其长与宽度）：(0.5～1.0）μm×（1～5）μm。*螺旋菌(宽度与弯曲长度):(0.25～1.7)μm×(2～60)μm。*海洋水系中有超微细菌（ultramicrobacteria）或称纳米细菌。可通过0.2μm的滤膜，某些海洋系统或土壤中每g(mL)含有1012～1013个细胞。*非洲有特大的细菌叫纳米比亚硫珍珠状菌（Thiomargaritanamibiensis），它的直径达100～300μm，有时出现750μm的细胞。一般结构：细胞壁、细胞质膜（细胞膜）、细胞质及其内含物、细胞核物质（拟核）。特殊结构：芽孢、鞭毛、纤毛、荚膜、粘液层、菌胶团等。二、细菌的细胞结构二、细菌的细胞结构17细胞壁位于细胞最外的一层厚实，坚韧的外被，主要由肽聚糖构成，有固定外形和保护细胞等多种功能。几种证实细胞壁存在的方法：染色，质壁分离法，用溶菌酶水解细胞壁，电镜下观察细菌超薄切片。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(G+)和革兰氏阴性菌(G-)1.细胞壁（cellwall）1.1细胞壁的化学组成与结构革兰氏阳性菌(G+)和革兰氏阴性菌(G-)1.细胞壁（cellwall）位于细胞最外面的一层厚实、坚韧略具弹性的薄膜（外被结构）。1.细胞壁（cellwall）21G+的细胞壁厚度大（20-80nm)，化学组分简单，一般只含有90％的和10％的G+细胞壁的构造肽聚糖磷壁酸22⑴G+肽聚糖的结构（以金黄色葡萄球菌为例）肽聚糖又称粘肽、胞壁质，是真细菌细胞壁所特有的成分，20－80nm，有几层-25层左右的网格分子交织成网套覆盖在整个细胞上，由肽和聚糖两部分组成23双糖单位四肽尾肽桥N-乙酰葡糖胺（G）和N-乙酰胞壁酸（M）以β-1，4糖苷键相连由4个氨基酸分子按L型与D型交替连接而成甘氨酸五肽24252627⑵G+磷壁酸的结构（以金黄色葡萄球菌为例）磷壁酸是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖按结合部位分壁磷壁酸膜磷壁酸与肽聚糖分子间共价结合含量随培养基成分而改变用稀酸或稀碱可以提取与细胞膜上的磷酯共价结合,含量与培养条件关系不大,用45％的热酚水提取28按结构分甘油磷壁酸核糖醇磷壁酸功能①带负电荷，与环境中Mg2+结合，提高其浓度，以维持膜的硬度和保证膜上一些合成酶维持高活性的需要②保证G+致病菌与其宿主间的粘连③赋予G+菌特异的表面抗原④提供某些噬菌体特异的吸附受体⑤储藏P元素⑥调节细胞内自溶素的活力2930G-细胞壁的构造（1）肽聚糖（2）外膜（3）周质空间31G-细菌肽聚糖埋藏在外膜之内，是仅由1－2层肽聚糖网状分子组成的薄层（2-3nm)含量仅占细胞壁的10％，与G+细菌的肽聚糖相比：(1）肽尾的第3个氨基酸为内消旋二氨基庚二酸（m－DAP）（2）没有特殊的肽桥，D-丙氨酸的羧基与m－DAP的氨基直接连结而成，只形成疏松的机械强度较差的肽聚糖网套3233外膜位于G-细菌细胞壁的外层，由脂多糖（LPS）、磷脂和若干外膜蛋白等组成34类脂A→G-内毒素的毒性中心;核心多糖→三种独特的糖;O-特异侧链→可用血清学法加入鉴定G－的特有的脂多糖（LPS）结构35Figure1.2.StructureofLPS36脂多糖(lipopolysaccharid,LPS)37脂多糖（LPS）的功能(1)类脂A是G-细菌致病物质——内毒素的物质基础;（2）与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+，Ca2+等阳离子以提高这些离子在细胞表面的浓度；（3）由于LPS结构的变化，决定了G-细胞表面抗原决定簇的多样性；38（4）是许多噬菌体表面的吸附受体；（5）具有控制某些物质进入细胞的部分选择性屏障。39外膜蛋白指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白，包括脂蛋白、孔蛋白等40周质空间（壁膜空间）：位于细胞壁与细胞膜间的狭小间隙，呈胶状，内中含有多种周质蛋白：①水解酶（如蛋白质酶，核酸酶）②合成酶（肽聚糖合成酶）③结合蛋白(具有运送营养物质的作用)④受体蛋白（与细胞的趋化性有关）41革兰阳性菌与阴性菌细胞壁结构比较细胞壁革兰阳性菌革兰阴性菌强度较坚韧较疏松厚度20-80nm2-3nm肽聚糖层数可多达50层1-2层肽聚糖含量占细胞壁干重90%占细胞壁干重5%-20%磷壁酸+—外膜—+脂蛋白—+脂多糖—+1.2细菌细胞壁的功能保护细胞免受外力的损伤维持细菌的细胞形态阻拦大分子有害物质进入细胞协助鞭毛运动赋予细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性1.细胞壁（cellwall）2.1细胞质膜(plasmamembrane)2.原生质体包括细胞质膜、细胞质及其内含物、细胞核物质。细胞质膜的结构紧贴在细胞壁内侧的一层由磷脂和蛋白质组成的柔软、富有弹性的半透性薄膜—细胞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、脂肪酸和含氮碱组成细胞质膜的磷脂细胞膜的结构：液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）1）膜主体是脂质双分子层，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1972年，辛格和尼科尔森提出该模型47细菌与真核生物在细胞膜上的区别：细菌细胞膜不含甾醇等胆固醇，真核生物的细胞膜含有胆固醇；细菌细胞膜上有电子传递系统，而真核生物的电子传递系统在线粒体内膜上。48内膜系统:由细胞膜内陷形成的一些特殊结构。间体：是一种由细胞膜内陷而形成的囊状结构，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于革兰氏阳性菌。间体又分隔壁间体（深层）和侧性间体（浅层），深层间体与DNA复制、分配以及细胞分裂有关；浅层侧性间体与胞外酶的分泌（如青霉素酶）有关。也有人认为间体仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝象。49间体50古生菌细胞膜的特点亲水基和疏水基之间是通过醚键而不是酯键连接的组成疏水基长链烃是异戊二烯的重复单位，而细菌或真核生物的疏水尾是脂肪酸。古生菌细胞膜存在着独特的单分子层膜或单、双分子层混合膜，而细菌或真核生物的细胞膜都是双分子层。单分子层膜多存在于嗜高温的古生菌中，其原因可能是这种膜的机械强度要比双分子层质膜高在甘油亲水头C3分子上，可以连接多种与其它生物不同的基团。细胞膜上含有多种独特脂类。细胞膜的生理功能功能维持渗透压梯度和溶质的转移合成细胞壁膜内陷形成中间体在细胞质膜上进行物质代谢和能量代谢鞭毛的着生点和提供其运动所需的能量2.2细胞质(cytoplasm)及内含物(inclusionbody)(1)细胞质:被细胞膜包围的除核区以外的无色透明、粘稠的复杂胶体。成分为水、蛋白质、核酸、脂质，也有少量的多糖和无机盐。(2)细胞质内含物:核糖体内含颗粒(1)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54糖原：大肠杆菌、克雷伯氏菌、蓝细菌、芽孢杆菌等聚－ß－羟丁酸：固氮菌、产碱菌、肠杆菌氮源类藻青素：蓝细菌含有藻青蛋白：蓝细菌含有磷源（异染粒）：迂回螺菌、白喉棒杆菌和结核分枝杆菌含有硫源：蓝细菌、丝硫细菌、贝日阿托氏菌Reservematerials/Reservegranule碳源及能源类55(2)贮藏物：主要是贮存营养物质糖元和淀粉：是细菌的碳源和能源物质，大肠杆菌及许多芽孢杆菌含有。聚β-羟丁酸（PHB）：是许多细菌特有的碳源和能源类贮藏物。它无毒、可塑、易降解，是生产医用塑料、生物降解塑料的好材料。异染颗粒（迂回体或捩转菌素）：其主要功能是储藏磷酸盐和能量，并可降低渗透压。因此物质能把蓝色染料变为红紫色，故名异染颗粒。迂回螺菌、白喉棒杆菌、分枝杆菌含有。(3)拟核(Nucleoid)拟核：原核生物所特有的无核膜和核仁的原始细胞核，亦称细菌染色体。由一条环状双链的DNA分子高度折叠缠绕形成。功能：携带细菌全部遗传信息，决定遗传性状和传递遗传信息。拟核（nucleoid）荚膜(1)荚膜capsule，粘液层slimelayer2.3细菌细胞的特殊结构59（1）荚膜1、概念：有些细菌生活在一定的营养条件下，可向细胞壁表面分泌一层具有一定外形，相对稳定地附着于细胞壁外的粘液状或胶质状物质。产荚膜细菌菌落光滑（S-型），不产荚膜细菌菌落较粗糙（R-型）。荚膜可用负染色观察2、菌胶团：有时细菌的荚膜连在一起，成为一团，其中包含多个细菌。3、粘液层：若细菌细胞壁表面这层粘液状物质比荚膜疏松，而且可向周围环境扩散，无明显界限。这就是粘液层。荚膜的功能：荚膜的功能：增强某些致病菌的侵染力保护作用：可防止噬菌体吸附和裂解，保护致病菌免受宿主白细胞的吞噬，保护细菌免受干燥的影响当缺乏营养时，荚膜可被用作碳源、能源具有生物吸附作用堆积代谢产物被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团。菌胶团形成的机理，主要有两个：粘液说和含能说。（1）菌胶团（zoogloea）菌胶团图片63（2）细菌的休眠结构—芽孢（spore）1)芽孢：某些细菌在其生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或椭圆形、含水量极低的抗逆性很强的休眠体。2)芽孢的属性：一个营养细胞只能形成一个芽孢，一个芽孢也只能产生一个营养体，所以，芽胞是休眠体，而不是繁殖体。3)芽孢的抗逆性：芽胞是生物界抗逆性最强的生命体。具有抗热、抗化学药物、抗辐射和抗静水压等特性。644)产芽孢细菌：主要是好氧性芽孢杆菌属和厌氧型梭菌属。芽孢的有无、芽孢的形态、大小和着生位置是细菌的分类依据之一。5)芽孢的结构：芽孢由孢外壁、芽孢衣（壳）、皮层、原生质体（核心）构成。核心又有芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质、芽孢核区组成。枯草芽孢杆菌芽孢的特点含水率低，38~40%芽孢壁厚而致密，分外、中、内三层芽孢所特有的2,6-吡啶二羧酸使芽孢具有耐热性含有耐热性酶66676、芽孢的形成当芽孢产生菌在缺乏营养或有害代谢产物积累过多而停止生长时，就开始形成芽胞。可分七个阶段：