环境微生物学第2章原核微生物.ppt

第二章 原核微生物,原核微生物包括真细菌门和蓝细菌门。 真细菌门：细菌、古菌、放线菌、衣原体、立克次氏体、支原体、螺旋体等； 蓝细菌门：蓝细菌,细菌是大家比较熟悉的名字，因为有很多疾病是它们引起的，如鼠疫杆菌、霍乱弧菌、破伤风杆菌、肺炎双球菌等致病菌对人类有害；那些腐败菌常引起食物和工农业产品腐烂变质，并散发出特殊的臭味或酸败味。 但是，大多数细菌是和人类和平共处的，对人类不仅无害而且有益，能给人类带来很大好处。如人们利用谷氨酸棒杆菌制造食用味精，用乳酸菌生产酸乳，用苏云金杆菌生产杀虫剂，细菌净化污水等。,鼠疫杆菌,第一节 细 菌,细菌：单细胞不分枝的原核微生物。细菌细胞微小而透明，通常用适当染料染色后显微镜观察。,一、细菌的个体形态和大小（自学）,脑膜炎奈瑟菌,双球菌(diplococcus),肺炎链球菌,单球菌和双球菌,四联球菌(tetrad),八叠球菌(sarcina),链球菌(streptococcus),葡萄球菌(streptococcus),大肠杆菌,梭状芽孢杆菌 属于肉毒杆菌属，可引起食物中毒,分枝杆菌,双歧杆菌,炭疽芽胞杆菌 3-10 m,大肠埃希菌 2-3 m,布鲁菌 0.6-1.5 m,3、螺旋菌 细胞呈弧形的称为弧菌，其中若菌体多于一个弯曲，其程度超过一圈，又称为螺旋菌。直径在0.55um，长度不等。,弧菌 螺旋菌,淡水中的螺旋菌 spirochetes . 是一种很常见的细菌,4、丝状菌,丝状菌：是由柱状或椭圆状的细菌细胞一个一个连接而成，外面有透明的硬质状的粘性物质包裹（称为鞘）。实际上是一种细菌的群体形态。 分布在水生境，潮湿土壤和活性污泥中。有铁细菌、硫磺细菌、球衣细菌等。,铁细菌,膨胀活性污泥中的丝状细菌,贝日阿托氏菌 生长在平板中的贝日阿托氏菌,生长在活性污泥中的贝日阿托氏菌，、在静止培养的活性污泥表面长满贝日阿托氏菌,丝状菌,硫细菌类 发硫菌 亮发菌 透明颤菌,（二）细菌的大小,* 球菌（直径）：0.52.0m。 * 杆菌（其长与宽度）：( 0.51.0）m ×（15）m。 * 螺旋菌(宽度与弯曲长度):(0.251.7)m×(260)m。 * 海洋水系中有超微细菌（ultramicrobacteria）或称纳米细菌。可通过0.2m的滤膜，某些海洋系统或土壤中每g(mL)含有10121013个细胞。 * 非洲有特大的细菌叫纳米比亚硫珍珠状菌（Thiomargarita namibiensis ），它的直径达100300m，有时出现750m的细胞。,二、细菌的细胞结构,一般结构：细胞壁、细胞质膜、细胞质及其内含物、细胞核物质。 特殊结构：芽孢、鞭毛、荚膜、黏液层、衣鞘及光合作用层片等。,细菌细胞结构模式图,G+菌细胞壁,G-菌细胞壁,G-菌细胞壁结构图解,1、细胞壁,细胞壁是包围在细菌体表最外层的、坚韧而有弹性的薄膜。主要含有肽聚糖，另外还可能有磷壁酸、脂多糖等。,革兰阳性菌与阴性菌细胞壁结构比较,细胞壁的功能 保持和固定细胞形态；,保护原生质体免受渗透压引起的破裂作用；,为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。,多孔结构起到分子筛的作用，阻拦大分子物质进入细胞； 使细胞具有致病性及对噬菌体的敏感性。,伤寒杆菌细胞壁中含毒素,2、细胞质膜,（1）细胞膜的化学组成 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。是选择性半渗透膜。 主要化学成分：蛋白质（6070%）、脂类（3040%）、多糖（约2%）。 蛋白质与膜的透性及酶的活性有关； 脂类是磷脂，由磷酸、甘油、脂肪酸和胆碱组成。,（2）细胞膜的结构,流动镶嵌模型：磷脂分子构成膜的基本骨架，上下两层磷脂分子层平行排列，具有极性的磷脂分子亲水基朝向膜的内、外表面的水相，疏水基在中间。蛋白质镶嵌在磷脂层中或膜表面，有的蛋白质由外侧升入膜的中间，有的穿透膜的两层磷脂分子，膜表面的蛋白质还带有多糖。,（3）细胞质膜的生理功能,维持渗透压的梯度和溶质的转移； 细胞壁合成场所； 膜内陷形成的中间体含有细胞色素，参与呼吸作用；中间体与染色体的分离和细胞分裂有关，还为DNA提供附着点。 细胞质膜上有有呼吸电子传递需要的酶系，具有类似高等生物线粒体的功能，进行物质和能量代谢； 鞭毛基粒位于细胞质膜，即为鞭毛提供附着点。,3、细胞质和内含物,细胞质是细胞质膜以内，除核物质以外的无色透明、粘稠的复杂胶体，亦称原生质。 主要由蛋白质、核酸、多糖、脂类、无机盐和水组成。 细胞质内含各种酶系统，是细菌细胞进行新陈代谢的场所。,核糖体：由RNA和蛋白质组成，是合成蛋白质的场所。 其中RNA占60%，蛋白质占40%。大肠杆菌可以分解出三种分子质量不同的RNA，16SRNA、23SRNA和5SRNA。核糖体的沉降系数是70S（由50S和30S两个亚基组成）,核糖体,细胞内含颗粒,细胞内含颗粒,Chromatium buderi,硫粒,细胞内含颗粒,硫粒 贝日阿托氏菌属、发硫菌属、紫硫螺旋菌数、绿硫菌属利用H2S作为能源，氧化H2S为硫粒积累在菌体内。 当缺乏营养时，氧化体内硫粒为SO42-，从中获得能量。,细胞内含颗粒,藻青素颗粒（cyanophycin granule）：为蓝细菌特有的。由等量的精氨酸和天冬氨酸组成多肽，它是蓝细菌多余氮的贮存体。 羧酶体(carboxysome): 在蓝细菌、硝化细菌和硫杆菌体内含有羧酶体。它是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的贮存体，可能是固定CO2场所。呈多角形，直径约100nm。 磁小体(magnetosome)和磁铁矿颗粒(Fe3O4）:直径为40100nm，由膜包裹。许多磁小体在细胞中排列成链状，含有硫复铁矿（Fe3S4）和黄铁矿（FeS2）。是某些细菌如水生趋磁细菌(magnetotactiac bacteria)的定位工具。,趋磁性水螺菌（Aquaspirillum magnetotacticum）,4、核物质（拟核）,原核生物所特有的原始细胞核。也称拟核。 细菌的核质体是一个大型环状的双链DNA分子，长度0.25mm3mm，为细菌遗传物质，卷曲折叠于核区。 核区没有外膜（这是原核生物与真核生物一个主要的区别之处）,核质体,核质体,核膜,拟核携带全部或部分遗传信息，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。,质 粒,存在于染色体外的小分子环状DNA，可以毒力进行复制或整合到染色体上。 可以被遗传或者传递给后代。 质粒的存在对细胞本身的生长与繁殖并不重要，但可以给细胞带来新的特性，如抗药性、致病性等,1、荚膜,是某些细菌在新陈代谢过程中形成的，分泌于细胞壁外的粘液状物质，把细胞壁完全包围封住，这层粘性物质叫荚膜。 含水率在9098，极难染色，一般采用负染色法。 主要成分：多糖、多肽、脂类或脂类蛋白复合体,单染后墨汁背景衬托法观察,（二）细菌的特殊结构,荚膜的功能: 具有荚膜的S型肺炎链球菌毒力强，有助于肺炎链球菌侵染人体。 荚膜保护致病菌免受宿主吞噬细胞的吞噬，保护细菌免受干燥的影响。 当缺乏营养时，荚膜可被用作碳源和能源，有的荚膜还可作氮源。 废水生物处理中的细菌荚膜有生物吸附作用，将废水中的有机物、无机物及胶体吸附在细菌体表面上。,2. 黏液层(slime layer) 不产荚膜的细菌在其表面分泌黏性的多糖，疏松地附着在细菌细胞壁表面上，与外界没有明显边缘，这叫黏液层。 黏液层在废水生物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力容易把细菌黏液冲刷入水中，以致增加水中有机物，它可被其他微生物作碳源利用。,3. 菌胶团(zoogloea) 些细菌由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式粘集在一起，被一个公共的荚膜包围成一定形状的细菌集团叫做菌胶团。 菌胶团的形状有球形、蘑菇形、椭圆形、分枝状、垂丝状及不规则形。 上述各种菌胶团在活性污泥中均有，典型的有动胶菌属(Zoogloea )，它有两个种：生枝状动胶菌(Zoogloea ramigera )和垂(悬)丝动胶菌(Zoogloea filipendula。,菌胶团的几种形态 A.活性污泥中的指状菌胶团, B1.在低倍显微镜下的生枝动胶菌（Z.ramigera）纯培养絮状物， B2.在光学相差×833下的生枝动胶菌（Z.ramigera）细胞 C.在印染废水活性污泥中的菌胶团,4、衣鞘(sheath),水生境中的丝状菌多数有衣鞘，如球衣菌属、纤发菌属、发硫菌属、亮发菌属、泉发菌属等丝状体表面的黏液层或荚膜硬质化，形成一个透明坚韧的空壳，叫衣鞘。 荚膜、黏液层、衣鞘和菌胶团对染料的亲和力极低，很难着色，都用衬托(负染色)法染色。,衣 鞘,细 胞,浮游球衣菌的细胞与衣鞘,5、芽孢,某些细菌生长到一定阶段，在细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的、对不良环境条件具有较强的抵抗逆休眠体。细菌的芽孢都生长在细胞内，又称内生孢子(Endospora)。 芽孢对干燥（在干燥下可存活几年、几十年），紫外线，有毒化学物、热、化学药品抵抗力强，能使细菌渡过不良环境。一般芽孢能耐高温。,芽孢是抵抗外界不良环境的休眠体。是分类鉴定依据之一。 能形成芽孢的细菌种类不多，最主要的是好氧的芽孢杆菌属（Bacillus）和厌氧梭菌属（Cletridium），芽孢八叠球菌属、芽孢弧菌属。它们都是革兰氏阳性菌。 很多都是强致病菌，如肉毒梭菌、破伤风梭菌，有些形成的芽孢膨大，宽度明显超过菌体。,含芽孢的梭菌 芽孢宽度超过菌体，使细胞呈梭状,炭疽芽孢杆菌,生物恐怖主义者为什么会看中这种细菌呢？首先因为炭疽是一种严重的疾病，分布又非常广泛。. 还因为它几乎是一种永不死亡的细菌，-它们能够形成芽孢，因而很不容易死亡。在环境恶劣的时候，细菌内部会有一小部分浓缩起来，在这一部分周围形成几层坚硬的壳。里面的生命活动变得非常缓慢，而壳外面那部分就死亡消失了，这就是芽孢。环境条件一变好，壳里面的部分会像“发芽”一样长出来。,芽胞的大小、形状、位置等随菌种而异，有重要的鉴别意义。,醋酸氧化脱硫肠状菌及其芽孢,炭疽芽孢杆菌,枯草芽孢杆菌,芽孢抗性强的原因(P2930)： 1. 原生质高度脱水，含水量少。 2. 有厚、致密的壁。 3. 含与抗热性有关的吡啶二羧酸（DPA)。 4. 芽孢内具有抗热性的酶。 芽孢萌发后变成营养细胞，抗性损失。 芽孢不是繁殖器官，只是休眠体。,芽孢的形成对于产芽孢菌度过困境有着极为重要的意义，芽孢可在普通条件下保存几年甚至几十年都依然可以复活。 在实验室进行灭菌处理时，由于芽孢最难杀死，灭菌手段主要考虑的是杀灭芽孢；（如何杀灭芽孢呢？） 芽孢菌普遍存在于处理各类有毒废水中，并对水质净化起着十分重要的作用。,6、鞭毛,由细胞质膜上的鞭毛基粒长出穿过细胞壁伸向体外的一条纤细的波浪状的丝状物。 直径为0.0010.02 um，长为250 um. 化学成分：鞭毛蛋白 功能：运动，靠细胞膜上的ATP酶水解ATP提供能量。 根据鞭毛数目与排列情况分： 一端单毛菌：菌体一端只有一条鞭毛。 二端单毛菌：菌体二端各有一条鞭毛。 丛毛菌：菌体一端或二端各有一丛鞭毛(偏端丛生鞭毛菌、二端丛生鞭毛菌) 周毛菌：在菌体四周都有鞭毛。,细菌鞭毛的着生位置 A.杆菌： 极端生 亚极端生 两极端生 两束极端生 周身 B.弧菌： 单根极端生 两束极端生 束极端生,端生单根鞭毛 端生丛状鞭毛,实验室可采用特殊染色，使染料的复合物附着并积累在鞭毛上，加粗其直径， 可用普通光学显微镜观察。,纤毛 比鞭毛更细，较短，直硬，数量也较多的细丝。非运动器官，G-菌多有，G+ 菌少数有。 功能：菌毛分普通菌毛和性菌毛(有吸附作用)。有性菌毛的细菌叫雄性菌。雄性菌与雌性可通过性菌毛接合，没有之不能接合。 菌毛在普通光学显微镜下看不到,必须用电子显微镜观察。,三、细菌的培养特征,1、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。 菌落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性的细菌集团。,菌落的特征主要由各种微生物特殊的遗传特性决定，同时也与培养基成分及培养条件有关，当培养基成分及培养条件相同时，不同种类微生物形成的菌落特征是固定的，可作为微生物鉴定的重要依据。,菌落形态,几种细菌菌落的特征 A. 纵剖面：.扁平 隆起 低凸起 高凸起 脐状 草帽状 乳头状 B. 表面结构、形状及边缘： 圆形，边缘整齐 不规则，边缘波浪 不规则，颗粒状，叶状 规则，放射状，边缘花瓣形 规则，边缘整齐，表面光滑 规则，边缘齿状 规则，有同心环，边缘完整 不规则，似毛毯状 规则，似菌丝状 不规则，卷发状，边缘波状 不规则，丝状 不规则，根状,固体培养基上菌落的生长情况,菌苔：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。,图 2-17 在斜面培养基上的菌苔特征,2、在明胶培养基中的培养特征,图 2-18 在明胶培养基中的生长特征,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。,3、细菌在半固体培养基中的生长情况,1）以穿刺接种法将细菌接种至0.3-0.5%琼脂上观察其生长 2）鉴定特征 a.在穿刺线上生长：无鞭毛、不运动的细菌； b.线上生长，且其周围也生长:有、运动,c.好氧菌：长在培养基表面 d.厌氧菌：穿刺线底部生长 e.兼性厌氧菌：整个线上生长 f.好氧和微量好氧菌：穿刺线上部,1、3：有动力 2：无动力,4、在液体培养基中的培养特征,细菌在液体培养基中的生长情况,四、细菌的物理化学特性,(一)细菌表面电荷和等电点 细菌体含有50以上的蛋白质。蛋白质由20种氨基酸按一定的排列顺序由肽键连接组成。氨基酸是两性电解质，在碱性溶液中表现出带负电荷，在酸性溶液中表现出带正电荷，在某一定pH溶液中，氨基酸所带的正电荷和负电荷相等时的pH，称为该氨基酸的等电点。,* 已知细菌的等电点在pH 25，革兰氏阳性菌的等电点为pH 23；革兰氏阴性菌的等电点为pH 45；pH=34之间的为革兰氏染色不稳定性菌。,COO-,NH2+,NaOH,HCl,（二）细菌的染色原理及染色方法,1. 细菌的染色原理 细菌菌体无色透明，在显微镜下由于菌体与其背景反差小，不易看清菌体的形态和结构。由于细菌在通常培养情况下总是带负电荷，故用带正电的碱性染色液染菌体，以增加菌体与背景的反差。 2. 染色方法 （1）简单染色法 简单染色法是用一种染料染菌体，目的是为了增加菌体与背景的反差，便于观察。 （2）复合染色法 复合染色法是用两种染料染色，以区别不同细菌。如革兰氏染色反应和抗酸性染色反应，或将菌体和某一结构染成不同颜色，以便观察。,原理和具体步骤见实验四,革兰氏染色法,该染色法由丹麦医生C.Gram于1884年创立。 分为初染、媒染、脱色和复染四步。,革 兰 氏 染 色 法,1.涂片固定,2.初染结晶紫染液第一次染色 1min,3.媒染碘-碘化钾溶液浸湿30S,4. 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）；,革兰氏染色机理,与细菌等电点有关 革兰氏阳性菌的等电点为pH23，革兰氏阴性菌的等电点为pH45。革兰氏阳性菌的等电点比革兰氏阴性菌低，说明革兰氏阳性菌带的负电荷比革兰氏阴性菌多。它们与草酸铵结晶紫的结合力大，用碘-碘化钾媒染后，两者的等电点均得到降低，但革兰氏阳性菌的等电点降低的多，故与草酸铵结晶紫结合得更牢固，对乙醇脱色的抵抗力更强。,与细胞壁有关 革兰氏阳性菌的脂类物质的含量很低，肽聚糖的含量高。革兰氏阴性菌相反，用乙醇脱色时，革兰氏阴性菌的脂类物质被乙醇溶解，增加细菌细胞壁的孔径及其通透性，乙醇容易进入细胞内将草酸铵结晶紫和碘-碘化钾复合物提取出来，使菌体呈现无色。革兰氏阳性菌由于脂类物质含量极低，而肽聚糖含量高，乙醇既是脱色剂又是脱水剂，使肽聚糖脱水缩小细胞壁的孔径，降低细胞壁的通透性，阻止乙醇分子进入细胞，草酸铵结晶紫和碘-碘化钾的复合物被截留在细胞内而不被脱色，仍呈现紫色。,（三）细菌悬液的稳定性,细菌在液体培养基中的存在状态有稳定的和不稳定的两种。 * 稳定的叫S型（光滑型）。S型菌整个菌体为亲水基，它均匀分布于培养基中，不发生凝聚，菌悬液很稳定。只在电解质浓度高时才发生凝聚。 * 不稳定性的叫R型（粗糙型）。它具有强电解质，菌悬液很不稳定，容易发生凝聚而沉淀在瓶底，培养基很清。,细菌悬液的稳定性和不稳定性在水处理工艺中有极为重要的意义。尤其是在污水、废水生物处理中的二次沉淀池（以下简称二沉池）的沉淀效果与细菌悬液在水中稳定性的程度关系密切。二沉池中的细菌悬液发生不稳定性可取得好的沉淀效果。因此，要使活性污泥中粗糙型（R型）细菌的数量占优势。或者投加强电解质（表面不活性剂），改变活性污泥的表面张力，可改善活性污泥的沉淀效果。,（四）细菌悬液的浑浊度,细菌体呈半透明状态，光线照射菌体时，一部分光线透过菌体，一部分光线被折射。所以，细菌悬液呈现浑浊现象。可用目力比浊、光电比色计、比浊计等测其浑浊度，可略知其数目(包括活菌和死菌)。 （五）细菌的多相胶体性质 细菌细胞质中含有多种蛋白质，它们的成分和功能各不相同，所以细胞质是多相胶体，某一相吸收一组物质进行生化反应，另一相又吸收另一组物质进行另一种生化反应，在一个细菌体内可同时进行多种生化反应。,（六）细菌的比表面积,单个细菌体积虽微小，然而单位体积的细菌群体的总比表面积则巨大，这有利于细菌吸附和吸收营养物，有利于排泄代谢产物，使细菌生长繁殖快。 （七）细菌的相对密度和质量 细菌的相对密度在1.071.19之间，细菌的相对密度与菌体所含的物质有关。蛋白质的相对密度为1.5，糖的相对密度为1.41.6，核酸的相对密度为2，无机盐的相对密度为2.5，脂质的相对密度小于1，整个菌体的相对密度略大于水的相对密度。 细菌的质量 将群体细菌的质量除以细菌的数目得到每个细菌的质量，单个细菌的质量约为1×10-91×10-10mg。,五、细菌的物理化学性质与污(废) 生物处理的关系, 污（废）水生物处理的工作主体是活性污泥中的细菌，细菌的物理化学性质直接影响污/废水的处理效果。 细胞质的多相胶体性质决定细菌在曝气池中吸收废水中的有机污染物的种类、数量和速度； 细菌表面解离层的S型或R型决定其悬液的稳定性，即决定其在沉淀池中的沉淀效果； 比表面积的大小决定其吸附、吸收污染物的能力及与其他微生物的竞争能力； 细菌的带电性与它吸附、吸收废水有机污染物的能力，与填料载体的结合力有关沉淀效果有关。,五、细菌的物理化学性质与污(废) 生物处理的关系, 污（废）水生物处理的工作主体是活性污泥中的细菌，细菌的物理化学性质直接影响污/废水的处理效果。 细胞质的多相胶体性质决定细菌在曝气池中吸收废水中的有机污染物的种类、数量和速度； 细菌表面解离层的S型或R型决定其悬液的稳定性，即决定其在沉淀池中的沉淀效果； 比表面积的大小决定其吸附、吸收污染物的能力及与其他微生物的竞争能力； 细菌的带电性与它吸附、吸收废水有机污染物的能力，与填料载体的结合力有关沉淀效果有关。,课堂讨论,细菌可以作为重金属吸附剂吗？这与细菌细胞的表面哪些性质有关？探讨细菌作为重金属吸附剂的。,课后拓展,查阅文献资料，谈谈微生物吸附剂的开发与再生的国内外研究进展（主要是细菌吸附剂）。,