1、第一篇 微生物学张星春,绪 论一、什么是微生物 二、人类对微生物的认识史 三、微生物学的发展促进了人类的进步 四、微生物的五大共性 五、微生物学及其分科,一、什么是微生物1 定义：微生物（microorganism, microbe）是一切肉眼看不见或 看不清楚的微小生物的总称。它们都是一些个体微小（一般0.1mm）、构造简单的低等生物。 2 种类：包括属于原核类的细菌（真细菌和古生菌）、放线菌、蓝细菌（旧称“蓝绿藻”或“蓝藻”）、支原体、立克次氏体和衣原体；属于真核类的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、原生动物和显微藻类；以及属于非细胞类的病毒和亚病毒（类病毒、拟病毒和朊病毒）。,3 特点：小（个
2、体微小） m（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）nm（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒） 简（构造简单） 单细胞简单多细胞非细胞（即“分子生物”） 低（进化地位低） 原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌， 支原体，立克次氏体，衣原体等真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，显微藻类非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）,4 微生物并非生物分类学上的名词，而是所有形体微小、结构简单 的低等 生物的总称。 生物的分类概貌：（两界系统、三界系统、四界系统、五界系统、六界系统、三总界五界系统、三域学说）非细胞生物 亚病毒 病毒 生物 原核生物 细菌放线菌 原核生物界
3、微生物蓝细菌细胞生物 古生菌真核生物 真菌 酵母菌霉菌 真菌界蕈菌单细胞藻类 真核原生生物界原生动物植物 植物界 动物 动物界,5、微生物的分类单位,主要分类单位： 界（Kingdom） 门（Phylum）纲（Class）目（Order）科（Family）属（Genus）种（Species）,微生物分类：把各种微生物按照其亲缘关系分群归类，编排成系统,次要分类单位：亚门、亚纲、亚目、亚 科、亚属,2微生物的命名：双名法,（1）每一种微生物的学名由两个拉丁字、希腊字或拉丁化的其它文字组成,（2）第一个字是属名，用名词，字首字母大写；第二个字是种名，用形容词，字首字母不大写,（3）属名规定了微生物
4、的主要特征，如形态特征、生理特征；种名补充说明微生物的次要特征，如颜色、形状、用途等,（4）附加部分： 命名者的姓，位于种名之后 b. 亚种(变种)，以subsp(var) .开始后加变种名,二、人类对微生物世界的认识（一）一个难以认识的微生物世界 原因：个体微小，外貌不显，杂居混生，因果难联（形态与其作用的后果之间） 例：艾滋病（AIDS），由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起,从感染病毒至发 病一般要经过12-13年的潜伏期。在发霉的花生、玉米等胚的附近，常易生长Aspergillus flavus(黄曲霉)，它会产生剧毒真菌毒素黄曲霉毒素（aflatoxin），若经常食用这类霉变食物，就会诱
5、发肝癌等疾病。由于上述认识微生物的4个障碍迟迟未能解决，因此人类在其长期的历史发展中， 尽管也有自发地利用酵母菌等若干有益微生物的活动，但更多的还是被各种病原微生 物所害，例如鼠疫（“黑死病”，历史上3次大流行曾杀死近2亿人口，死亡最惨重的二 战1.1亿）、天花、疟疾、麻风、梅毒、肺结核（“白疫”）和流感的大流行等。直到今 天，在全球范围内，不但传染病仍是死亡的首因（1997年全球达5220万人），而且还 面临着旧病卷土重来、新病不断出现（近20年来又出现30余种）的严峻形势。“视而不见，嗅而不闻，触而不觉，食而不察，得其益而不感其好，受其害而不知其 恶”,（二）微生物学发展史整个微生物学发展
6、史是一部逐步克服上述认识微生物的4个障碍（如显微镜的发 明，灭菌技术的应用，纯种分离和培养技术的建立等），不断探究它们的生命活 动规律，并开发利用有益微生物和控制、消灭有害微生物的历史。现扼要地将它 分为5个时期。（史前期、初创期、奠基期、发展期、成熟期）1 史前期 时间：约8000年前-1676 实质：朦胧阶段 开创者：各国劳动人民。其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称 特点：未见细菌等微生物的个体;凭实践经验利用微生物的有益活动（进行酿酒、发面、制酱、酿醋、沤肥、轮作、治病等）,2 初创期 时间：1676-1861 实质：形态描述阶段 开创者：列文虎克微生物学的先驱者 特点：自制单式显微镜，观
7、察到细菌等微生物的个体（标志）；出于个人爱好对一些微生物进行形态描述。 标志：1676年列文虎克用自制的单式望远镜观察到细菌的个体3 奠基期 时间：1861-1897 实质：生理水平研究阶段 开创者：巴斯德微生物学奠基人；科赫细菌学奠基人,特点：微生物学开始建立；创立了一整套独特的微生物学基本研究方法（科 赫）；开始运用“实践-理论-实践”的思想方法开展研究；建立了许 多应用性分支学科（细菌学、消毒外科术、免疫学、土壤微生物学、病毒学、植物病理学和真菌学）；进入寻找人类和动物病原菌的黄金时期。 标志：1861年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建立胚种学说（germ theory）
8、。科赫学派的重要业绩： 科赫法则:病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于健康个体中；这一 微生物可以离开动物体，并被培养成纯种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体 后，应当出现特有的病症；该微生物可以从患病的实验动物中重新分离出来，并可 在实验室中再次培养，此后它仍然应该与原始病原微生物相同。 微生物研究方法（琼脂平板培养技术、显微镜技术、染色方法、悬滴培 养法以及显微摄影技术） 平板分离方法（寻找并分离多种传染病的病原菌）,巴斯德学派的主要贡献： 胚种学说： 曲颈瓶试验：1862年，巴斯德终于设计 出一个巧妙的曲颈瓶试验。他给烧瓶安 装了一像横着眼放的S形状的长颈，当 把烧瓶中的肉汤
9、煮沸时，不仅瓶中的微 生物被杀死了，水蒸汽把瓶颈中的微生 物也杀死了。等到汤放凉时，新鲜的空 气就可以通过瓶颈自由进到瓶子中，而 带菌的灰尘由于比空气重，在长颈向下 弯曲处就被拦截住了。经过这样处理的培养液放许多天也不会变质。而如果把培养液倾斜，让它通过长颈的弯曲部，或者把长颈打断，培养液中很快就会充满了微生物。这样就令人信服地证明了，是空气中的微生物使汤腐败的，而不是汤腐败产生微生物。 巴斯德消毒法:低温维持法，63 、30min;高温瞬时法，72 、15s。,4 发展期 时间：1897-1953 实质：生化水平研究阶段 开创者：E. Bchner生物化学奠基人 特点：对无细胞酵母菌“酒化酶
10、”进行生化研究（标志）；发现微生物的代谢统一性；普通微生物学开始形成（代表人物是美国加里福尼亚大学伯克利分校的M. Doudoroff）；开展广泛寻找微生物的有益代谢产物；青霉素的发现推动了微生物工业化培养技术的猛进。 标志：1897年德国人E. Bchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”（Zymase）对葡萄酒进行酒精发酵成功。 5 成熟期 时间：1953-至今 实质：分子生物学水平研究阶段 开创者：J. Watson和F. Crick分子生物学奠基人 特点：广泛运用分子生物学理论和现代研究方法，深刻揭示微生物的各种生命活动规律；以基因工程为主导，把传统的工业发酵提高到发酵工程新水平；大
11、量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展；微生物学的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域飞速发展；微生物基因组的研究促进了生物信息学时代的到来。 标志：1953年4月25日，J. Watson和F. Crick在英国的自然杂志上发表关于DNA结构的双螺旋模型。,微生物学史简表,三、微生物学的发展促进了人类的进步（一）医疗保健战线上的六大“战役”1 外科消毒术的建立：1864年时英国一般的医院外科手术的死亡率高达 80%，其中最好的爱丁堡医院为45%，因此，当时的外科医生常被称为“刽 子手”。当J.Lister发明外科消毒术（石炭酸消毒）后，1868年，爱丁堡医 院的外科手术死亡率
12、已降低到15%左右 2 寻找人畜病原菌：在19世纪末至20世纪初的30年间，炭疽芽孢杆菌、麻 风分支杆菌、肺炎链球菌、伤寒沙门氏菌、结核分枝杆菌、逗号弧菌、破 伤风梭菌、鼠疫巴斯德氏菌（目前已改称鼠疫耶尔森氏菌）、痢疾志贺氏 菌 3 免疫防治法的发明和广泛应用：疫苗（种痘最早起源于我国宋朝真宗 （9981022）年代的人痘。1796年英国医生E.Jenner首次为一男孩接种 牛痘苗并取得很大的成功，从此，种牛痘就成为预防天花最有效的措施 了）、菌苗、类毒素及抗血清、卡介苗等。,4 化学治疗剂的发明和普及： 化学治疗剂：为了抑制或杀死潜伏于人或动物体内部的病原菌，就必须寻找一类对病原菌有强大毒力
13、而对其宿主基本无毒的药物，这就是化学治疗剂。 砷凡纳明梅毒；百浪多息（有效成分是磺胺）-链球菌感染；磺胺药治疗各种感染（产褥热），对许多病原菌有很高的疗效。 5 抗生素的大规模生产和推广：青霉素（1929，英国细菌学家A. Fleming）；链霉素、土霉素、红霉素、新霉素、万古霉素、卡那霉素、庆大霉素 岁。,图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓，活力十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉菌的细菌个最小、色发白，显然已经死亡,6 利用工程菌生产多肽类生化药物 主要特点是利用微生物作为各种不同生物有关目的基因的受体，由微生物来生产各种生化药物，其中出
14、抗微生物药物外，还包括治疗各类其他疾病的药物，例如疫苗（病毒衣壳蛋白、细胞组分疫苗等）、抗体、干扰素、胰岛素、激素以及其他各种多肽类药物等。“战果”：原先猖獗的细菌性传染病得到了较好的控制（从人类死亡率的首位退居到四五位之后），天花等烈性传染病已彻底绝迹（1979年10月26日由WHO世界卫生组织宣布在地球上绝迹），人类平均寿命约提高了25岁。,（二）微生物在工业发展过程中的六个里程碑1 自然发酵与食品、饮料的酿造：酒、酱、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、干酪、面包等 2 罐头保藏：1804年，法国厨师N. Appert经10年试验后发明 3 厌氧纯种发酵技术：本世纪初，在工业发酵的早期，人们首先发展
15、了不需通气搅拌等复杂装置的厌氧纯种发酵技术，利用它来进行乙醇、丙酮、丁醇、乳酸或甘油生产。 4 深层液体通气搅拌培养：抗生素、有机酸和酶制剂等发酵工业 5 代谢调控理论在发酵工业上的利用：从50年代中期起，由于对微生物代谢途径和调控研究的逐步深入，在发酵工业上找到了能突破微生物代谢调控以累积有用代谢产物的手段，并很快用于大规模工业生产上，例如谷氨酸（1956）和核苷酸类物质肌苷酸（1966）的发酵生产等。,生物工程的兴起生物工程学（biotechnology,又译生物技术）。包括五大工程，即遗传 工程、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程（生化工程）和生 物反应器工程。 生物工程学所包括的
16、主要领域及其作用简括如下：改造物种 常规菌（或常规细胞株） 生物工程（学） 遗传工程细胞工程“工程菌”（或“工程细胞株”）商品生产 微生物工程酶工程生物反应器工程大量产品 经济效益社会效益生态效益,（三）微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用以菌治害虫、以菌治植病、以菌治草的生物防治技术；以菌增肥效和以 菌促生长（如赤霉菌产生赤霉素等）的微生物增产技术；以菌作饲 （饵）料、以菌当药物（药用真菌）和以菌当蔬菜（各种食用菌）的单 细胞蛋白和食用菌生产技术；以及以菌产沼气等生物能源技术；等等。（四）微生物与环境保护的关系微生物是占地球面积70%以上的海洋和其他水体中光合生产力的基础； 是一切食物链
17、的重要环节；是污水处理的关键角色；是生态农业中最重 要的一环（可惜不被认识！）；是自然界重要元素循环的首要推动者； 以及是环境污染和监测的重要指示生物；等等。,（五）微生物学对生命科学基础理论研究的重大贡献微生物的“五大共性”加上培养条件简便1 以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大问题（基因工程的开创、PCR技术的建立等）。获诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关 2 是分子生物学的三大来源和三大支柱之一：生物化学、微生物学和遗传学 3 遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学 4 微生物与基因工程基因工程即遗传工程，在其操作中有基因供体、基因载体、工具酶和基因受
18、体等四个主要方面 5 高等生物研究和利用中的微生物化趋向方兴未艾植物、动物的单细胞培养微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学的各研究领域（消毒灭菌、无菌操作、纯种分离、培养技术等）在20世纪生命科学发展的四大里程碑（DNA功能的阐明，中心法则的提出，遗 传工程的成功和人类基因组计划的实施）中，微生物发挥了无可争辩的关键作用。,四、微生物的五大共性（一）体积小，面积大 （二）吸收多，转化快 （三）生长旺，繁殖快 （四）适应强，易变异 （五）分布广，种类多,（一）体积小，面积大E.coli（大肠杆菌）平均长度2m，宽0.5m 1500个E.coli 头尾相连，相当于一粒3mm长的芝麻。 1
19、20个E.coli 肩并肩，等于一根头发宽（60m） 细胞单重为10-12 g ，1mg: 10亿个细菌重。比面值：某一物体单位体积所占有的表面积。 任何物体，其体积越小，单位体积所占有面积（面积/体积）即比面值越大。立方体：1m3, 比面值为6，分割成1cm的立方体。为0.01m26/0.01m3 =600 E.coli：比面值为30万这样一个极端突出的小体积，大面积体制，具有一个巨大的营养物吸收面， 代谢废物排泄面和环境信息的接受面，有利于外界交流。体积小、面积大是 微生物五大共性的基础，由它可发展出一系列其它共性。,（二）吸收多，转化快地鼠 体重30g ，每天吃掉粮食3040g ， 1个
20、人每年消耗粮食相当于4倍体重的糖。 E.coli 每小时消耗其细胞重量2000倍的糖。 资料表明，发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000-10000倍的乳 糖；Candida utilis（产朊假丝酵母）合成蛋白质的能力比大豆强100 倍，比食用公牛强10万倍。好处：为微生物的迅速生长繁殖和为人们生产大量发酵产品提供了充分 的物质基础。这个特性为微生物的高速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物 质基础，从而使微生物能在自然界和人类实践中更好的发挥其超小型 “活的化工厂”的作用。,（三）生长旺，繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度。例：大肠杆菌 Escherichia coli 在37
21、的牛奶中13分钟可分裂1代。以20分钟1代计，则细菌24小时分裂 72次，其后代数为4.7221021个，重4772吨；48小时后达2.21043 个，重2.21025吨，相当于4000个地球重。事实上，由于种种客观条件 的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，因而在液体发酵时细菌细 胞的浓度一般仅能达到108109个/ml左右。实践意义： （1）发酵工业上：具有生产效率高、发酵周期短的优点。有人统计，一 头500kg重的食用公牛，每昼夜只能从食物中“浓缩”0.5kg蛋白质；同等重 的大豆，在合适的栽培条件下，24h可生产50kg蛋白质；而同样重的酵母 菌，只要以糖蜜（糖厂下脚料）和氨水做主
22、要养料，在24h内却可真正合 成50000kg的优良蛋白质。 （2）基础理论研究：它使科研周期大为缩短、经费减少、效率提高。 （3）有害微生物：但对于病原菌，霉腐微生物来说这个特性会给人类带来极大的麻烦甚至祸害，因此应加以控制。,（四）适应强，易变异1 适应性：微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制。（诱导酶，20万-30万个蛋白质分子，2000-3000种执行不同生理功能的蛋白质）微生物对极端环境的惊人适应力堪称世界之最。如抗热、抗寒、抗干燥、抗酸、抗碱、抗高盐、抗缺O2、抗高压、抗辐射、抗有毒物质毒害等均有极强能力。2 变异性：微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞的，它们通
23、常都是单倍体，加之具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等特点，因此即使其变异频率十分低 （一般为10-5-10-10），也可在短时间内产生出大量变异的后代。,（1）有益变异：1943年时，每毫升青霉素（青霉素产生菌产黄青霉）发酵液中该菌只分泌约20单位的青霉素，而病人每天却要注射几十万单位。因此诺贝尔奖获得者之一H. W. Florey在回忆当时这种菌种以原始的表面培养法进行生产时说：“那时一茶匙黄色粉末，其提炼价值除研究工作精力与时间不计外，约需数千英镑。”40余年来，通过世界各国微生物遗传育种工作者的不懈努力，是该菌产量变异逐渐累积，加上其他条件的改进，目前国际上先进的国家，其发酵水平
24、每毫升已超过5万单位，甚至接近10万单位。利用变异和育种使产量获得如此大幅度的提高，这在动植物育种工作中简直是不可思议的。这也就是为什么几乎所有微生物发酵工厂都特别重视菌种选育工作的一个主要原因。（2）有害变异：抗药性变异。青霉素1943年刚问世时，对金黄色葡萄球菌的最低制菌浓度为0.02g/ml，过了几年，制菌浓度不断提高，有的菌株耐药性竟比原始菌株提高1万倍。反映在医疗实践上，是40年代初刚使用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，也只要每天分数次共注射10万单位即可，而现在，成人每天要注射100万单位左右，新生儿也不少于40万单位。,（五）分布广，种类多1分布广：微生物因其体积小、重量轻和
25、数量多等原因，可以到处传播以至 达到“无孔不入”的地步，只要条件合适，它们就可“随遇而安”。地球上除 火山中心区域外，在土壤圈、水圈、大气圈以至岩石圈到处都有微生物的 踪迹。（1）人体肠道中的正常菌群：在人体肠道中，经常聚集着100400种不同 种类的微生物，估计它们的个体总数大于100万亿，重量约等于粪便干重的 1/3。其中数量最多的是一类厌氧菌，主要是Bacteroids fragilis（脆弱拟 杆菌），数量达到1010-1011个/g。（双岐杆菌） （2）万米深海底部的耐热硫细菌：1974年4月和1977年2月，科学家发现 在东太平洋加拉帕戈斯群岛东部，深度1万米的海底温泉中，硫细菌的
26、含量 达每ml含100万-100亿个，它们既耐高温（100）又耐高压（1140大气 压） （3）几万米高空中的微生物：在85km的高处，通过地球物理火箭采集到 了微生物。 （4）地层下的微生物：有人在南极洲的罗斯岛和泰罗尔盆地128m和427m 的沉积岩心中。找到了活细菌。,2 种类多：（1）物种的多样性：迄今为止，人类已描述过的生物总数约200万种。据估计，微生物的总数约在50至600万种之间，其中已记载过的仅约20万种。（2）生理代谢类型的多样性：分解地球上贮量最丰富的初级有机物天然气、石油、纤维素、木质素的能力为微生物所垄断；微生物有着最多样的产能方式，诸如细菌的光合作用，嗜盐菌的紫膜光
27、合作用，自养细菌的化能合成作用，以及各种厌氧产能途径等；生物固氮作用；合成次生代谢产物等各种复杂有机物的能力；对复杂有机分子基团的生物转化能力；分解氰、酚、多氯联苯等有毒和剧毒物质的能力；抵抗极端环境的能力；等等。微生物的分解复杂有机物的能力，产能方式，生物固氮作用，合成各种复杂有机物，分解有毒物质的能力，抵抗极端环境的能力，繁殖方式等多种多样。次生代谢产物是指那些对细胞自身生命不是必需的、分子结构比较复杂的化合物。例如抗生素等。 伴随细胞最基本的代谢过程而产生的化合物称为初生代谢（也称主流代谢）产物。初生代谢产物大都是结构比较简单、分子量较小的化合物。例如乙酸等。,（3）代谢产物的多样性：1
28、992年，有人报道仅微生物产生的次生代谢产物就有16500种，且每年还以500种新化合物的数目增长着。仅E.coli一种细菌即产生2000-3000种不同的蛋白质；“工具酶”中的型限制性内切酶，在各种微生物中就已发现了1143种（1990年初）（4）遗传基因的多样性：微生物基因组测序工作。截止2000年5月，已发表的微生物基因组有31个，即将发表的15个，正在进行的106个。（5）生态类型的多样性：广泛分布；微生物与微生物或与其他生物间还存在着众多的相互依存关系。,五、微生物学及其分科微生物学（Microbiology）是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物 的形态构造、生理代谢、遗传变异、
29、生态分布和分类进化等生命活动基本 规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领 域的科学，其根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消 灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。据不完全统计（1990年），微生物学分支学科已达181门之多。1 按研究微生物的基本生命活动规律为目的来分 总学科称普通微生物学（General Microbiology）,分科如微生物分类学，微生物生理学，微生物遗传学，微生物生态学和分子微生物学等。,2 按微生物应用领域来分 总学科称应用微生物学（Applied Microbiology）,分科如工业微生物学，农业微生物学，医学微生物学
30、，药用微生物学，诊断微生物学，抗生素学，食品微生物学等。3 按研究的微生物对象分 如细菌学，真菌学（菌物学），病毒学，原核生物学，自养菌生物学和厌氧菌生物学等。4 按微生物所处的生态环境分 如土壤微生物学，微生态学，海洋微生物学，环境微生物学，水微生物学和宇宙微生物学等。5 按学科间的交叉、融合分 如化学微生物学，分析微生物学，微生物生物工程学，微生物化学分类学，微生物数值分类学，微生物地球化学和微生物信息学等。6 按实验方法、技术分 如实验微生物学，微生物研究方法等。,本章重点内容：什么是微生物？它包括那些类群？ 微生物有哪五大共性？其中最基本的是哪一个？为什么？ 请说出微生物的先驱者，微生
31、物学奠基人，细菌学奠基人分别是哪位科学家？,胚种学说： 意大利的科学家斯巴兰扎尼1765年设计了一个试验。他准备了两组瓶子，分别装入肉汤，一组开着口，让空气进出；另一组先煮沸45分钟，把里边的微生物都杀死，然后立刻把瓶口封好，不让空气中可能有的微生物进去。头一组瓶子里的肉汤很快就腐败、变臭，长满了微生物，而煮过并封口的瓶子中的肉汤始终没有细菌。斯巴兰扎尼由此得出结论，就连微生物也不可能自然产生。 但是，那些自然发生论者对斯巴兰扎尼的实验并不服气，他们说经过像斯巴兰扎尼那样严酷的处理，空气中的“生命力“都被煮死了。他们认为生命的自然发生需要一定的条件。特别是不久后化学家发现了氧气，而氧是发酵和生
32、命所必须的，消毒并封口后的器皿中缺少氧气，生命自然发生的条件被破坏了。 如何才能既让空气自由进出，又不让其中的微生物进到烧瓶中呢？在朋友的启发下，1862年，巴斯德终于设计出一个巧妙的曲颈瓶试验。他给烧瓶安装了一像横着眼放的S形状的长颈，当把烧瓶中的肉汤煮沸时，不仅瓶中的微生物被杀死了，水蒸汽把瓶颈中的微生物也杀死了。等到汤放凉时，新鲜的空气就可以通过瓶颈自由进到瓶子中，而带菌的灰尘由于比空气重，在长颈向下弯曲处就被拦截住了。经过这样处理的培养液放许多天也不会变质。而如果把培养液倾斜，让它通过长颈的弯曲部，或者把长颈打断，培养液中很快就会充满了微生物。这样就令人信服地证明了，是空气中的微生物使
33、汤腐败的，而不是汤腐败产生微生物。,第一章 原核生物的形态、构造和功能,第一节 细菌一、细胞的形态构造及其功能二、细菌的群体形态 第二节 放线菌一、放线菌的形态构造二、放线菌的繁殖三、放线菌的群体特征 第三节 蓝细菌 第四节 支原体、立克次氏体和衣原体一、支原体二、立克次氏体三、衣原体,原核生物：即广义的细菌，指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区(nuclearregion)的裸露DNA的原始单细胞生物。 根据外表特征：细菌（狭义的）、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体 狭义的细菌包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类群。其中除少 数属古生菌外，多数的原
34、核生物都是真细菌。 第一节 细 菌 细菌（bacteria）是一类细胞细而短，结构简单，细胞壁坚韧，以二等分裂方式繁殖，水生性较强的原核微生物。 细胞的形态构造及其功能 （一）形态和染色：,1 形态：在自然界所存在的细菌中，以杆菌为最常见，球菌次之，而螺旋状的则最少。,（1）球菌（coccus）：球状的细菌。单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、链球菌和葡萄球菌等。,（2）杆菌（bacillus）：杆状的细菌。细胞外形：短杆（球杆）状、棒杆 状、梭状、梭杆状、分枝状、螺杆状、 竹节状（两端平截）和弯月状等。细胞的排列方式：链状、栅状、“八”字状以及由鞘衣包裹在一起的丝状等。,大肠杆菌,梭状芽孢杆
35、菌,噬盐杆菌,（3）螺旋菌（spirilla）：螺旋状的细菌。弧菌（vibrio）：螺旋不足一环者； 螺菌（spirillum）：满2-6环的小型、坚硬的螺旋状细菌； 螺旋体（spirochaeta）：旋转周数多（通常超过6环）、体长而柔软的螺旋状细菌。,（4）其它形状：如丝状、三角形、方形和圆盘形等 柄杆菌（prosthecate bacteria）：细胞上有柄（stalk）、菌丝（hyphae）、附器（appendages）等细胞质伸出物，细胞呈杆状或梭状，并有特征性的细柄。一般生活在淡水中固形物的表面，其异常形态使得菌体的表面积与体积之比增加，能有效地吸收有限的营养物。 星形细菌（sta
36、r-shaped bacteria ） 方形细菌（square-shaped bacteria） 异常形态： 环境条件的变化如物理、化学因子的刺激等会阻碍细胞正常发育；培养时间过长会造成营养缺乏、细胞衰老、自身代谢产物积累过多等等而使菌体成为异常形态。当环境条件恢复正常时，则菌体也会恢复正常形态。2 大小： 量度细菌大小的单位是m。 球菌以直径大小表示，一般约0.51m；杆菌以长与宽表示，一般长15m，宽0.51m；螺旋菌则测量其弯曲形长度，其直径为0.51m，长150m。 细菌的重量更是微乎其微，如一个大肠杆菌细胞的重量仅为10-12g，即大约109个大肠杆菌细胞才达到1mg重。,3 染色：
37、由于细菌细胞既微小又透明，故一般先要经过染色才能做显微镜观察。死菌 正染色 简单染色法鉴别染色法 革兰氏染色法 细菌染色法 抗酸性染色法芽孢染色法姬姆萨（Giemsa）染色法等负染色：荚膜染色法等活菌：用美蓝或TTC（氯化三苯基四氮唑）等作活菌染色在上述各种染色法中，尤以革兰氏染色法（Gram stain）最为重要。美蓝染色活细胞无色；死细胞或代谢作用微弱的衰老细胞则呈蓝色或淡蓝色。抗酸性染色法，检查抗酸细菌(如结核杆菌、麻风杆菌等)的一种特殊染色法。,革兰氏染色与G+、G-细菌：,1884年，由丹麦医生C.Gram创立,步骤：,甲菌：,乙菌：,各种细菌经革兰氏染色法染色后，能区分成两大类，一
38、类最终染成紫色，称革兰氏阳性细菌（Gram positive bacteria, G+）,另一类被染成红色，称革兰氏阴性细菌（Gram negative bacteria, G-）。,（二）构造一般构造：一般细菌都具有的构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区 特殊构造：仅在部分细菌中才有的或在特殊环境条件下才形成的构造，主要是鞭毛、菌毛、性菌毛、糖被（包括荚膜和粘液层）和芽孢等。,1 细菌细胞的一般构造（1）细胞壁（cell wall）细胞壁是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖，具有固定细胞外形和保护细胞不受损伤等多种生理功能。细胞壁的主要功能有： 固定细胞外形和提高机械强度
39、，使其免受渗透压等外力的损伤； 为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需； 阻拦大分子有害物质（某些抗生素和水解酶）进入细胞； 赋予细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。细菌细胞壁成分的多样性：G+、G-细菌和古生菌中有自己的特点,G+细菌与G-细菌细胞壁构造与成分的比较,1）G+细菌的细胞壁特点：厚度大（20-80nm），化学组分简单、一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。40层网状分子。 肽聚糖（peptidoglycan）,是真细菌细胞壁中的特有成分。 以Staphylococcus aureus(金黄色葡萄球菌)为例。,每一肽聚糖单体由3部分组成： 双糖单位： 由一个N-乙酰葡萄糖胺通过
40、-1，4-糖苷键与另一个N-乙酰胞壁酸相连。 四肽尾（tetrapeptide side chain）： 是由4个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成。在S.aureus中，接在N-乙酰胞壁酸上的四肽尾为L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala。 肽桥（peptide interbridge）： 在S.aureus中，肽桥为甘氨酸五肽，它起着连接前后2个四肽尾分子的“桥梁”作用。,肽桥的变化甚多，由此形成了“肽聚糖的多样性”（目前已超过100种）肽聚糖分子中的4种主要肽桥类型,* Micrococcus luteus (藤黄微球菌) * Corynebacterium poinsett
41、iae（星星木棒杆菌）,磷壁酸（teichoic acid）是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。 可分两类： 壁磷壁酸，与肽聚糖分子进行共价结合的，其含量会随培养基成分而改变； 膜磷壁酸或脂磷壁酸，跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的。,主要生理功能：通过分子上的大量负电荷浓缩细胞周围的Mg2+，以提高细胞膜上一些 合成酶的活力； 贮藏元素； 调节细胞内自溶素（autolysin）的活力，借以防止细胞因自溶而死亡； 作为噬菌体的特异性吸附受体； 赋予G+细菌特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定； 增强某些致病菌（如A族链球菌）对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬，并有
42、抗补体的作用。磷壁酸有5种类型，主要为甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸两类。,2）G-细菌的细胞壁：特点是厚度薄，层次较多，成份较复杂，肽聚糖层很薄（仅2-3nm），故机械强度较G+细菌弱。1-2层网状分子构成。肽聚糖，以E.coli为典型代表。其肽聚糖层埋藏在外膜脂多糖（LPS）层之内。差别： 四肽尾的第三个氨基酸分子不是L-Lys，而是被一种只存在于原核生物细胞壁上的特殊氨基酸内消旋二氨基庚二酸（m-DAP）所替代； 没有特殊的肽桥，故前后两单体间的连接仅通过甲四肽尾的第四个氨 基酸（D-Ala）的羧基与乙四肽尾的第三个氨基酸（m-DAP ）的氨基直接相连，因而只形成较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网
43、套。,革兰氏阴性细菌只有30%的肽聚糖亚单位彼此交织联结，比较疏松,外膜（outer membrane,又称“外壁”）是G-细菌细胞壁所特有的结构，它位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和若干种外膜蛋白。 外膜具有控制细胞的透性、提高Mg2+浓度、决定细胞壁抗原多样性等作用，因而可用于传染病的诊断和病原的地理定位。脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）,是位于G-细菌细胞壁最外层的一层较厚（8-10nm）的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖（core polysaccharide）和O-特异侧链（O-specific side chain）3部分组成。类脂A是G-病原菌致病物
44、质内毒素的物质基础。,外膜蛋白（outer membrane proteins）,指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的20余种蛋白，多数功能还不清楚。孔蛋白（porins）：是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm的孔道，通过孔的开、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。 非特异性孔蛋白：可通过分子量小于800900的任何亲水性分子 特异性孔蛋白：只容许一种或少数几种相关物质通过，如维生素B12和核苷酸等。 脂蛋白(lipoprotein)：是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。,周质空间(periplasmic sp
45、ace,periplasm)：在G-细菌中，其外膜与细胞膜间的狭窄胶质空间（约12-15nm）称周质空间,其中存在着多种周质蛋白，包括水解酶类、合成酶类和运输蛋白等。 周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所。表1-3 G+细菌与G-细菌一系列生物学特性的比较（P16）,3）古生菌（Archaea）的细胞壁：是一个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群，主要包括一些独特生态类型的原核生物，如产甲烷菌及大多数嗜极菌（extremophile）,包括极端嗜盐菌、极端嗜热菌和Thermoplasma(热原体属)等在古生菌中，除Thermoplasma没有细胞壁外，其余都具有与真
46、细菌功能相似的细胞壁。但古细菌的细胞壁不含真正的肽聚糖，而含假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质。假肽聚糖的结构虽与肽聚糖相似，但其多糖骨架则是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖醛酸以-1，3-糖苷键（不被溶菌酶水解）交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala、L -Lys和L-Glu3个L型氨基酸组成，肽桥则由L-Glu1个氨基酸组成。（P17）,4）缺壁细菌,L型细菌（L-form of bacteria）：指细菌在某些环境条件下（实验室或 宿主体内）通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型。因 英国李斯德（Lister）预防研究所首先发现而得名（1935年，念珠状链杆 菌 S
47、treptobacillus moniliformis）；在大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球 菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中均有发现，被认为可 能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。 特点：没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；有些能通过细菌滤器，故又称“滤过型细菌”；对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）。（支原体）,原生质体（protoplast）：指在人为条件下，用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的，圆球形、渗透压变化敏感的细胞，一般由革兰氏阳性细菌形成。特点：对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心
48、甚至通气等都易引起其破裂； 有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，也不被相应噬菌体所感染；在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌落，形成芽孢，及恢复成有细胞壁的正常结构。 比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。球状体(sphaeroplast)：又称原生质球：采用上述同样方法，针对革兰氏阴性细菌处理后而获得的残留部分细胞壁（外壁层）的球形体。与原生质体相比，它对外界环境具有一定的抗性，可在普通培养基上生长。支原体(Mycoplasma)：在长期进化过程中形成的、适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物。因它的细胞膜中含有一般原核生物所没有的甾醇
49、，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。,5）革兰氏染色的机制：G+细菌与G-细菌主要是由于其细胞壁化学成分的差异而引起了物理特性（脱色能力）的不同，正由于这一物理特性的不同才决定了最终染色反应的不同：通过结晶紫初染和碘液媒染后，在细菌的细胞膜内可形成不溶于水的结晶紫与碘的复合物。G+细菌由于其细胞壁较厚、肽聚糖网层次多和交联致密，故遇脱色剂乙醇（或丙酮）处理时，因失水而使网孔缩小，再加上它不含类脂，故乙醇的处理不会溶出缝隙，因而能把结晶紫与碘的复合物牢牢留在壁内，使其保持紫色。反之，G-细菌因其细胞壁薄、外膜层类脂含量高、肽聚糖层薄和交联度差，遇脱色剂乙醇后，以类脂为主的外膜迅速溶解，这时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此细胞褪成无色。这时再经沙黄等红色染料复染，就使G-细菌呈现红色，而G+细菌则仍保留最初的紫色（实为紫加红色）了。 肽聚糖层薄厚； 交联紧密程度； 是否含类脂,
