搜索
污染控制微生物学1.绪论2.原核微生物3.真核微生物4.非细胞生物——病毒5.微生物的营养6.微生物的代谢7.微生物的生长繁殖8.微生物的生态9.微生物的遗传和变异10.废水生物处理基本原理和主要微生物类群11.厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术12.水体的富营养化和氮磷的去除13.污染控制微生物学的应用14.生物修复技2.原核微生物引言微生物除病毒外都具有细胞结构，而具有细胞结构的微生物，又可分为真核微生物和原核微生物。细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体、蓝细菌属原核生物（procaryote），真菌、单细胞藻类和原生动物以及后生动物属真核生物（eucaryote）。这两类微生物在细胞结构上，特别在细胞核上有显著区别。原核微生物与真核微生物的主要区别原核微生物结构模式图区别原核微生物与真核微生物的主要真核微生物结构模式图原核微生物与真核微生物的主要区别，请参见P5表1.1。本章主要内容2.1细菌2.2放线菌2.3其它原核微生物2.4作业2.1细菌2.1.1形态和大小2.1.2细胞结构2.1.3繁殖方式2.1.4培养特征2.1.5表面带电性2.1.6分类2.1.7常见菌属2.1.1细菌的形态和大小（一）细菌的形态细菌个体均为单细胞生物，其基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌和螺旋菌(包括弧菌)。此外，一些细菌具有较为特殊的形态，如分叉、具柄、具附器等。细菌的基本形态图片细菌的几种基本形态细胞呈球状或椭圆形。根据细胞分裂后新细胞所保持的空间排列方式，分为以下几种情形：单球菌双球菌链球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌（1）球菌单球菌细胞沿一个平面进行分裂，分裂后子细胞分开单独存在如：尿素微球菌双球菌如果子细胞成双成对排列，就是双球菌。肺炎双球菌链球菌Streptococcussp.）：如果子细胞排列成链状，就是链球菌乳链球菌四联球菌细胞沿两个互相垂直的平面进行分裂，分裂后子细胞连在一起成“田”字则称四联球菌四联微球菌八叠球菌如果沿三个互相垂直的平面进行分裂，八个子细胞叠成一个立方体，称八叠球菌尿素八叠球菌葡萄球菌如果细胞分裂方向不定，子细胞不规则的集在一起，象一串串葡萄，称葡萄球菌金黄色葡萄球菌（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。细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。包括：弧菌：偏端单生鞭毛或丛生鞭毛螺旋菌：两端都有鞭毛（3）螺旋菌(a)弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似C字或逗号，鞭毛偏端生(b)螺旋菌：菌体回转如螺旋，螺旋数目2-6环。鞭毛二端生。细胞壁坚韧，菌体较硬(c)螺旋体：螺旋数目大于6环，菌体柔软，无鞭毛，大多数是致病菌细菌的异常形态柄细菌、肾形菌、臂微菌、网格硫细菌、贝日阿托氏菌(丝状)、具有子实体的粘细菌等是特殊形态的细菌。柄细菌与臂微菌游离臂微菌普氏绿臂菌柄杆菌星形细菌与方形细菌星形细菌方形细菌模式图实物照片细菌的基本形态细菌形态基本形态特殊形态球菌杆菌螺旋菌单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等单杆菌、双杆菌、链杆菌等弧菌、螺旋菌等丝状菌柄杆菌臂微菌贝日阿托氏菌菌体具柄菌体有附器（二）细菌的大小细菌一般都很小，以微米（m）作为度量单位（长度、宽度或直径）。但是，不同种类的细菌或同一种类的细菌在不同环境条件下，大小的差异很大。细菌大小举例（µm）名称直径宽度长度球菌金黄色葡萄球菌0.8-1.0酿脓链球菌0.6-1.0玫瑰色微球菌1.0-2.5纳米比亚嗜硫珠菌750杆菌炭疸芽孢杆菌1.0-2.03.0-3.5流感嗜血菌0.2-0.30.15-2.0肉毒梭菌0.8-1.34.4-8.6鼠疫耶尔森氏菌0.5-1.01.0-2.0螺旋菌梅毒螺旋体0.09-0.186.0-20.0霍乱弧菌0.51.5-3.0迂回螺菌1.4-1.714.0-60.0费氏刺尾鱼菌(Epulopisciumfishelsoni)(0.6mm×0.08mm)体积比大肠杆菌大106倍（1985年发现）费氏刺尾鱼菌草履虫德国Schulz等1997年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌(sulfurbacterium)，以H2S为生。纳米比亚嗜硫珠菌Thiomargaritanamibiensis细胞直径可达0.3~1mm(迄今发现最大的细菌！)（nanobacteria）（50nm）最大和最小细菌的个体大小悬殊（Thiomargaritanamibiensis）（0.3~1mm）10亿~100亿倍2.1.2细菌的细胞结构细菌属典型的原核生物，其结构可分为两部分：一是为全部细菌细胞所共有的不变部分或基本结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核以及内含物等；二是只有部分细菌所有且具有特定功能的可变部分或特殊结构，包括鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢和气泡等（参见P14）细菌细胞结构模式图（一）基本结构（1-1）细胞壁（1-2）细胞膜（1-3）细胞质及其内含物（1-4）核质与质粒（1-5）原生质体的概念（1-1）细胞壁（教材P14-16）细胞壁(cellwall)是包在原生质体外面，厚约10～80nm的略有弹性和韧性的网状结构，其质量约占总细胞干重的10%～25%左右。（1）细菌染色细菌染色的主要目的（教材P15）①细菌本身为无色透明的，在普通光学显微镜下，菌体与背景反差很小，不易看清楚细菌的形态和结构，所以，通常要对细菌进行染色，以增加菌体与背景的反差，以便于在显微镜下观察。②通过染色特征对不同特性的细菌进行鉴别。常用染色方法（教材P15）单染色法和复染色法革兰氏染色（教材P15）革兰氏染色是最重要的细菌染色方法之一，甚至成为鉴别不同细菌的一个重要特征。它是丹麦细菌学家革兰氏(ChristianGram)于1884年发明的。革兰氏染色的主要步骤及细菌鉴别（教材P15-16）先用碱性染料结晶紫染色，再加碘液媒染，然后用酒精脱色，最后以沙黄或蕃红复染。由于不同种类细菌的细胞壁组成和结构不同，而被染成紫色或红色。凡是呈现紫色的细菌，称为革兰氏阳性(G+)细菌；而被染成红色的细菌，称为革兰氏阴性(G-)细菌。其机理稍后详述（2）细胞壁的化学组成及结构细胞壁的化学组成（教材P14）细胞壁的主要成分是肽聚糖、脂类和蛋白质。在不同细菌细胞壁中还含有磷壁酸（又称垣酸）和脂多糖等成分。细胞壁的结构肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺(NAG)和N-乙酰胞壁酸(简写NAM)以及少量短肽链聚合而成的一个大分子复合体，形成多层网状结构。金黄色葡萄球菌细胞壁肽聚糖结构模拟图G+细菌和G-细菌细胞壁结构的比较G+细菌G-细菌G+细菌和G-细菌细胞壁成分的比较细菌呈色肽聚糖脂类蛋白质垣酸脂多糖G+紫色50－90％2％10％＋－G-红色5－15％20％60％－＋注：百分比为细胞干重的质量比现在请考虑革兰氏染色的机理(请参阅教材P16)（3）细胞壁的生理功能（教材P16）1)细胞壁具有保护细胞免受机械性或渗透压的破坏，维持细胞外形的功能；2)细胞壁的化学组成，使之具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性；3)细胞壁为鞭毛提供支点，支撑鞭毛的运动；4)细胞壁具有多孔性，具有一定的屏障作用，允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。（1-2）细胞膜（教材P16）细胞膜又称原生质膜，是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜，厚度约7～10nm。约占细胞干重的10%，其化学组成是脂类(20%～30%)和蛋白质(60%～70%)，还有少量糖蛋白、糖脂(约2%)和微量核酸。（1）细胞膜的结构（教材P16）膜的单位结构是由磷脂双分子层与蛋白质组成，蛋白质分布于磷脂双分子层的表面，或镶嵌其间，具有流动的特性。细胞膜中的蛋白质种类很多，起酶和载体的作用。细胞膜镶嵌模式图（2）细胞膜的功能（P17）1)起渗透屏障作用并进行物质运输；2)参与细胞壁的生物合成；3)参与能量的产生；4)参与细胞繁殖中的DNA分离过程；5)与细胞的运动有关，细菌鞭毛和纤毛着生在细胞膜上（1-3）细胞质及其内含物（P16）（1）细胞质（P17）细胞质又称细胞浆，是细胞膜内除细胞核质外的一切半透明、胶状、颗粒状物的总称，含水量约80％，其它主要成分有蛋白质、核酸、脂类、少量的糖类和无机盐类。（2）内含物细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物（inclusionbody），包括核糖体、羧酶体、载色体、类囊体、颗粒状内含物和气泡等。以下介绍几种重要的细胞质内含物。A.核糖体(ribosome)（P17）核糖体是细胞中的一种核糖核蛋白的颗粒状结构，由65%的核糖核酸(RNA)和35%的蛋白质组成，分散存在于细菌细胞质中。核糖体是合成蛋白质的部位。B.间体(mesosome)（P17）亦称中体，是一种由细胞膜内褶而形成的囊状结构，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于革兰氏阳性菌。与酶的分泌、DNA的复制与分配以及细胞分裂有关。C.内含颗粒(inclusiongranule)（P17-18）在许多细菌体内，常含有各种较大的颗粒物，大多系细胞储藏物，如异染粒、聚－羟基丁酸、肝糖、硫粒等。这些内含物常因菌种而异，即使同一种菌，颗粒的多少也随菌龄和培养条件不同而由很大变化。往往在某些营养物质过剩时，细菌就将其聚合成各种贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又被分解利用。以下是几种重要的内含颗粒C-a.异染颗粒(metachromaticgranule)又称捩转菌素(volutin)，主要成分是多聚偏磷酸盐，因为它被蓝色染料(如甲烯蓝)染色后不呈蓝色而呈紫红色而得名。幼龄菌中的异染颗粒很小，随着菌龄的增长而变大。一般认为它可能是磷源和能源性贮藏物。启示：细菌的聚磷现象为废水生物处理的除磷技术奠定了生物学基础C-b.聚β-羟基丁酸(PHB)颗粒为细菌所特有，是β-羟基丁酸的直链多聚物，是一种碳源和能源性贮藏物。当细菌生长在富含碳水化合物而缺少氮化合物培养基时，积累PHB；反之则降解PHB。启示：β-羟基丁酸是一种环境友好材料，可用作可生物降解产品的原料，具有很好的开发和应用前景。C-d.肝糖(glucogen)粒和淀粉粒是微生物体内储存的碳源和能源物质，用碘液可染为深蓝色或红褐色，光学显微镜下可见。C-e.硫粒(sulfurgranule)硫粒是硫素的贮藏物质和能源。有些硫细菌如贝氏硫菌属(Beggiatoa)、发硫菌属(Thiothrix)等能氧化H2S为硫，从而获得能量，同时将其氧化产物单质硫以颗粒形式储存在体内。当环境中缺乏可利用的能源时，它们可氧化体内的硫粒为SO42-，从而获得能量并满足细胞合成对硫素的需求。启示：利用硫细菌在一定条件下积累硫素的特性，可以在消除环境中（水或大气）有害气体H2S的同时，回收资源——单质硫。（1-4）核质与质粒（P18）（1）核质请参阅教材P18细菌的核位于细胞质内，为一絮状的核区。它无核膜、核仁，无固定形态，结构也很简单，这些是与真核微生物的主要区别之处。核区内集中有与遗传变异密切相关的脱氧核糖核酸(DNA)，称为染色质体(chromatinicbody)或细菌染色体(bacterialchromosome)。核区由一条环状双链DNA分子高度折叠缠绕而成。细菌的核携带遗传信息，其功能是决定遗传性状和传递遗传信息。（2）质粒及其应用质粒(plasmid)是指独立于染色体外，存在于细胞质中，能自我复制，由共价闭合环状双螺旋DNA分子所构成的遗传因子。其相对分子质量较细菌染色体小，每个菌体内有一个或几个，也可能有很多个质粒。请参阅教材P18（1-5）原生质体的概念（P16）细胞膜以内，包括细胞膜在内的结构被称为原生质体(protoplast)，包括细胞膜、细胞质和核质。以上是细菌细胞基本结构的一些主要内容（二）特殊结构（2-1）荚膜与粘液层（2-2）芽孢（2-3）鞭毛（2-4）伞毛（2-1）荚膜与粘液层（1）荚膜与粘液层的概念参阅教材P18（2）荚膜与粘液层的组成参阅教材P18（3）荚膜与粘液层