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环境微生物学 侯森 暨南大学环境学院 Tel：

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3 第一章 绪 论 一、什么是微生物 二、微生物学及其发展 三、微生物与环境 四、环境微生物学及在我国的发展 五、环境微生物学的主要研究任务

4 一、什么是微生物 微生物（Microorganism）通常是描述一切不借助显微镜用肉眼看不见的微小生物，包括病毒、细菌、真菌、原生动物和某些藻类。

5 细菌 放线菌 具有细胞结 构的微生物 微生物的种类 真菌 显微藻类 原生动物 水绵 草履虫 没有细胞结构的微生物 ———病毒

6 二、微生物学及其发展 微生物学（Microbiology）是研究微生物生命活动规律的学科。 （一）什么是微生物学 （二）微生物学的主要内容
微生物形态学：认识主要微生物类群的个体形态、群体特征，包括繁殖方式。 微生物生理学：微生物的营养机制、能量代谢，在自然界元素特别是植物营养元素在生物循环中的作用。 微生物遗传学:了解微生物遗传信息传递过程的特殊性以及细菌基因重组的不同方式。 微生物生态学：了解微生物在自然界的分布，与植物、动物的相互关系。

7 （三）微生物学的发展 微生物学的朦胧阶段 微生物学的启蒙时期---形态学时期 微生物学的奠基时期---生理生化时期 微生物学的发展时期
分子微生物学时期

8 （三）微生物学的发展 1、微生物学的朦胧阶段 春秋战国时期 微生物分解有机物质，沤粪积肥。 公元二世纪的《神农本草经》 白僵蚕治病。
公元6世纪 后魏的贾思勰 《齐民要术》 谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。 豆科植物与其它作物轮作

9 （三）微生物学的发展 2、微生物学的启蒙时期(形态学时期) 1590年 荷兰人詹森兄弟制作了第一台显微镜
1590年 荷兰人詹森兄弟制作了第一台显微镜 1676年 荷兰人列文.胡克观察到“微动体” 1677年 英国人罗伯特.虎克用制成相同精密显微镜

10 （3）微生物学的发展 2、微生物学的启蒙时期（形态学时期） 代表人物：列文·虎克 贡献: （１）发现了微生物世界
（２）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性．

11 （三）微生物学的发展 2、微生物学的启蒙时期（形态学时期） 1676年，荷兰，列文虎克，单式显微镜（复制品）

12 （三 ）微生物学的发展 2、微生物学的启蒙时期（形态学时期） 列文虎克向英国皇家学会的信中 对细菌形态的描绘 A、C、F、Q： 杆 菌
E： 球 菌 H： 球菌的聚集体

13 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 十九世纪下叶 有关微生物的两个疑难问题： 1、生物是自然产生的吗？
2、传染性疾病的本质是什么？

14 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 19世纪出现改良的显微镜：现代光学显微镜
1748年 英国传教士尼达姆（John Needham）“生物自生 说” 法国巴斯德·路易斯（Louis Pasteur） 德国科学家罗伯特·柯赫（Robert Koch） 1865年 李斯特 外科消毒术 1929年 弗来明 发现青霉素 1944年 Wakesman 土壤放线菌中找到了链霉素

15 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 巴斯德与自然发生学说 法国，化学家，路易斯 · 巴斯德

16 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 巴斯德与自然发生说 巴斯德反驳自然发生说的实验

17 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 巴斯德与自然发生说 巴斯德反驳自然发生说的实验

18 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 巴斯德与自然发生说 巴斯德反驳自然发生说的实验

19 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 (Louis Pasteur,1822~1895)
1、否定了“生命自然发生”学说； 2、解决了当时工、农、医方面提 的许多难题，推动了生产的发展; 3、奠定了微生物学的理论基础; 4、创造了一些微生物学实验方法;

20 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 科赫与疾病的病菌说 德国，乡村医生，科赫

21 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 科赫与疾病的病菌说 病 者 健康者 接触传染物 感染得病

22 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 科赫法则 科赫与疾病的病菌说 科赫的有关实验——病原菌的发现
炭疽病——炭疽芽孢杆菌 科赫法则 (证明某微生物是某疾病病原菌的四项要求) 1、在患病动物中存在可疑病原有机体，而健康动物中没有； 2、可疑有机体在纯培养中生长； 3、纯培养中的可疑有机体细胞，能引起健康动物发病； 4、可疑有机体被再次分离，并且和最初分离的有机体一样；

23 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 科赫与疾病的病菌说 主要贡献： 建立了疾病细菌说； 首创了细菌染色法；
首创了细菌的纯培养——固体培养基 提出了著名的科赫法则。

24 （三）微生物学的发展 3、微生物学的奠基时期---生理生化时期 贝耶林克 加富培养 维诺格拉斯基 土壤微生物研究的生态学观点和原位研究路线。

25 （三）微生物学的发展 4、微生物学的发展时期 始于二十世纪初， 代表人物： E. Büchner （1897年） 葡萄糖 石英砂研磨 过 滤
酵母细胞 滤液 酵母细胞 酒精、CO2

26 （三）微生物学的发展 5、微生物学的成熟时期（分子水平） 始于二十世纪五十年代 电子显微镜的使用（1931年，恩斯特·鲁斯卡） DNA的发现

27 三、微生物与环境 （一）微生物的特点 （二）微生物对环境的影响

28 （一）微生物的特点 1、个体微小，比表面积大 2、营养吸收快，转化能力强 3、生长快，繁殖迅速， 4、适应能力强，容易变异
5、种类繁多，分布广泛（物种、代谢类型、生态类型）

29 （一）微生物的特点 1、个体微小，比表面积大 杆菌 微生物的体积大小 0.5μm 2μm 1500个杆菌首尾相连 80个杆菌肩并肩
总宽度=1根头发丝的宽度 2μm 0.5μm 杆菌 1500个杆菌首尾相连 总长度=1粒芝麻的长度

30 （一）微生物的特点 1、个体微小，比表面积大 微生物与其它生物种类的体积比较 病毒 细菌 动物的模式细胞 动物细胞核
动物、植物和微生物个体大小尺度范围 不同生物类型细胞大小的比较

31 （一）微生物的特点 1、个体微小，比表面积大 微生物的比表面积 设定： 人的比表面积=1 则： (与人等重) 大肠杆菌比表面积=30万
比表面积：个体的表面积与体积之比。 设球菌半径r=0.5μm 球菌表面积(S)＝4πｒ2＝3.1416μｍ2 球菌体积(V)＝4／3πｒ3＝0.236μｍ3 比表面=S/V＝3.1416/0.5236=6 设球菌半径ｒ＝2μｍ 球菌面积(S)＝50.3μｍ2 球菌体积(V)＝33.5μｍ3 比表面=S/V＝50.3/33.5＝1.5 设定： 人的比表面积=1 则： (与人等重) 大肠杆菌比表面积=30万

32 （一）微生物的特点 2、营养吸收快，转化能力强 人（50kg） 500~1000g/d 地鼠（体重3g） 3g/d
大肠杆菌 细胞重量2000倍糖/h 吸收多 奶牛（500kg） 合成0.5kg蛋白质/24h 微生物细胞 合成自身重量30-40倍的细胞物质/24h 转化快

33 （一）微生物的特点 3、生长快，繁殖迅速 地球重的 4000倍 大肠杆菌在合适的生长条件下： 12.5~20分钟 繁殖1代
12.5~20分钟 繁殖1代 每小时 分裂3代，由1个变成8个。 经24小时 分裂72代，重约4722吨 经48小时 可产生2.2×1043个后代。 微生物代时及每日增殖率 微生物名称 代时(分) 温度 日增殖率 乳酸菌 38 25 2.7×10^11 大肠杆菌 18 37 1.2×10^24 根瘤菌 110 8.2×10^3 枯草杆菌 31 30 7.2×10^13 光合细菌 144 1.0×10^3 酿酒酵母 120 4.1×10^3 念珠藻 1380 2.1 硅藻 1020 20 2.64 小球藻 420 10.6 草履虫 642 26 4.92 地球重的 4000倍

34 （一）微生物的特点 4、适应性强，容易变异 1）、对营养物质的利用上的适应性。 2）、对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”的适应性。
耐0 ℃ ～－196℃低温 耐250℃～300℃的高温 耐盐（饱和盐水） 耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子） 耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射

35 （一）微生物的特点 4、适应性强，容易变异 易变异 青霉素对金黄色葡 萄球菌最低抑制浓度 青霉素的使用剂量： 1940年 10万元单位/次
1940年 万元单位/次 1980年： 输液80万单位/次 2000年： 输液800万-1000万单位/次 0.02μg/ml 200μg/ml 青霉素生产菌的发酵水平 1940年 每毫升20单位 2000年 每毫升10万单位

36 （一）微生物的特点 5、分布广，类型多样 分布广 无处不在，无孔不入 土壤 空气 水域 生物体内外 正常环境 高空 深海底
生物体内外　　 正常环境 高空 深海底 2000米深的地层 温泉 极端环境

37 （一）微生物的特点 5、分布广，类型多样 种类多 地球上的微生物： 估计有100万种以上 已发现的微生物： 约有10万种
微生物的微观性 研究手段的限制 分离培养的局限 地球上的微生物： 估计有100万种以上 已发现的微生物： 约有10万种 已开发利用的微生物： 约1000种

38 （二）微生物对环境的影响 1、微生物是地球生物多样性的重要成员 2、微生物是环境中有机物的主要分解者，是无机物的重要转化者
3、某些致病微生物会危害人体健康，某些微生物产生的代谢物会污染环境

39 四、环境微生物学及在我国的发展 （一）环境微生物学 1.定义： 研究人类生存环境与微生物之间的相互关系和作用的科学。 2.研究对象：
环境中的微生物。

40 四、环境微生物学及在我国的发展 （一）环境微生物学 一、自然环境中微生物的多样性 二、自然环境中的微生物生态学研究
三、污染环境中的微生物生态学研究 四、废弃物生物处理中微生物学原理和方法的研究 生物膜法 活性污泥法 环境生物学 微生物学 环境微生物学

41 （二）环境微生物学在我国的发展 起始于20世纪70年代 70年代末到80年代初，一些大学开设“环境微生物学”课程
1985年，我国第一本正式《环境微生物学》教材出版 1992年，中国微生物学会环境微生物学专业委员会成立

42 五、环境微生物学的主要研究任务 （一）微生物在自然环境中存在的基本状况与活动规律 不同环境中微生物的种群、组成、种类和数量
环境中微生物的作用和功能

43 五、环境微生物学的主要研究任务 （二）微生物对化学污染物的防治及其它有利影响 微生物对污染物降解转化的基础研究
微生物在污染治理中的应用性研究 “三废”的生物处理（关键是菌种） 污染环境生物修复（当前研究热点） 环境微生物制剂的开发研究 环保型微生物制剂（生物农药、生物降解剂等） 废物资源化中的微生物产品（SCP、沼气、有机酸等）

44 五、环境微生物学的主要研究任务 （三）微生物对环境的有害影响及其防治 病原微生物（疯牛病、禽流感等）
微生物代谢物 （硫化氢、氮氧化物、毒性化合物等） 水体富营养化（赤潮和水华）

45 五、环境微生物学的主要研究任务 （四）环境监测中的微生物技术与方法 直接测定致病微生物及产毒素微生物 以微生物作环境污染的指示菌

46 第一节 微生物类群与生物三域

47 生物三域特征 概念 Woese及其同事1977年根据对代表性细菌类群的16SrRNA碱基序列进行广泛比较后提出，生物界是由古细菌域、真细菌域和真核生物域组成的生物三域。 特征 核膜 细胞壁 遗传物质与染色体 细胞膜 含DNA的细胞器 内质网和高儿基体核糖体大小和亚基 内含子

48 第二节 真细菌 一、细菌 （一）形态和大小 球状 基本形态 杆状 螺旋状

49 （一）形态和大小 1、球状 细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。

50 （一）形态和大小 2、杆状 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。

51 （一）形态和大小 3、螺旋状 弧菌 螺旋菌 螺旋体菌

52 （一）形态和大小 4、大小与重量 细菌的大小: 测量单位是µm; 表示方法： 球菌：菌体直径 杆菌：长*宽 螺旋菌：长*宽 大小的测量方法:
显微镜测微尺 显微照相后根据放大倍数进行测算

53 （二）细胞的结构与功能 基本结构： 一般细菌都有的构造 特殊结构： 部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的

54 1、细菌细胞的一般构造 1）细胞壁（cell wall)
　　主要化学成分:肽聚糖(peptidoglycan) 。 肽聚糖：由若干个肽聚糖单体聚合而成的多层网状结构的大分子化合物。 不同细菌细胞壁的化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性（G+）和革兰氏阴性（G-）。

55 (1)革兰氏阳性菌（G+）的细胞壁成分 化学组成：以肽聚糖为主。 厚：约20-80nm，占细胞壁物质总量的40-90%。

56 磷壁酸：又名垣酸，是大多数G+菌所特有的成分，
功能：①可与一些阳离子结合，作为这些阳离子的贮存库； ②与细菌生长有关； ③是许多G+菌的表面抗原（C抗原）

57 (2)革兰氏阴性的细胞壁 G-细胞壁的组成和结构比G-更复杂。 结构： 内壁层：由肽聚糖组成，厚2-3nm

58 内壁层：肽聚糖层，仅占细胞壁干重的5-10%。肽聚糖结构与G+相同，但短肽尾中的３号位上L-Lys往往被其他二氨酸取代

59 外壁层：G-细菌细胞壁所特有，位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和蛋白质。
脂多糖：O-侧链、核心多糖、类脂A O-侧链：具抗原性，称O-抗原 类脂A： G－内毒素的毒性中心。

60 显微镜下G+ 细菌与G -细菌

61 G+ 细菌与G -细菌肽聚糖对比图

62 G+ 细菌与G -细菌细胞壁结构模式的比较

63 (3)G+ 细菌与G -细菌细胞壁的比较

64 （4） 细胞壁的功能: 1)固定细胞外型和提高机械强度，保护细胞, 2)具有抗原性、致病性、对噬菌体的敏感性
3)与胞膜一起完成细胞内外物质交换，阻止大分子有害物质（某些抗生素和水解酶）进入细胞 4)为鞭毛生长和运动的支点

65 （5）细胞壁缺陷型细菌 细胞壁缺陷型细菌：溶菌酶处理正常细胞或在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素C等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为细胞壁缺陷型细菌。包括原生质体、原生质球和细菌L-型。 i.原生质体：G+，细胞壁完全缺陷。 对环境条件敏感； 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； 在适宜条件下可生长繁殖，形成菌落； 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

66 ii.原生质球： G-，细胞壁未完全去掉（外壁层保留）；对外界环境具一定抗性；能在普通培养基上生长。
iii.细菌L-型： 细菌在某些环境条件下因基因突变而产生的无壁类型；有的能通过细菌“滤器”；生长缓慢，小菌落，“油煎蛋”状；有的能回复至亲代。

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68 2）细胞质膜cytoplasmic membrane和内膜系统
（1）细胞质膜： (i)组成: 概念：又称质膜（plasma membrane）、细胞膜（cell membrane）或内膜（inner membrane），是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚约7～8nm，约占细胞干重的10%。 组成：由磷脂（占20%～30%）和蛋白质（占60%～70%）组成。 观察分离方法：(1)质壁分离；(2)选择性染色；(3)电镜技术；(4)溶菌酶处理

69 （ii）细胞膜的生理功能： ①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送； ②是维持细胞内正常渗透压的屏障；
③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、荚膜多糖等）的重要基地； ④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系， 是细胞的产能场所； ⑤传递信息； ⑥是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；

70 （2）内膜系统：膜内陷并延伸到细胞质内，在繁殖和代谢多种过程中起作用
（i）间体（mesosome，或中（介）体） 是质膜向内延伸的膜结构，它是一种由细胞膜内褶而形成的囊状构造，其内充满着层状或管状的泡囊。 功能不完全清楚。 但有的学者提出不同观点，认为间体只是电镜制片时因脱水操作而引起的一种假象。

71 （ii）类囊体:由单位膜组成，含有叶绿素、胡萝卜素等光合色素和有关酶类，在蓝细菌中为其进行光合作用的场所。
（iii）载色体:也称为色素体，是光合细菌进行光合作用的部位，由单层的与细胞膜相连的内膜所围绕，主要化学成分是蛋白质和脂类。它们含有菌绿素、胡萝卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和电子传递体。在绿硫菌科和红硫菌科中的细菌存在. （iiii）羧酶体:又称为多角体，是自养细菌所特有的内膜结构，可能是固定CO2场所。

72 3）细胞质 细胞膜内除核质体外的一切半透明、胶状、颗粒状物质可总称为细胞质。
主要成分有：核糖体、贮藏物、各种酶类、中间代谢物及质粒等,少数细菌还存在有伴胞晶体或气泡等。 （1）核糖体:： 大小： 70s，由50s大亚基和 30s 小亚基构成； 化学成分：蛋白质、核酸 功能：是细胞合成蛋白质的机构。 （2）内含物 异染颗粒 聚- β -羟基丁酸 肝糖粒 硫滴 气泡

73 ①异染颗粒（metachromatic granule） ：
功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。 含异染粒的细菌种类:聚磷菌。棒状杆菌和某些芽孢杆菌等. 异染粒（metachromatic granule）：又称迂回体或捩转菌素，这是因其最早Spirillum valutans（迂回螺菌）中发现之故。异染颗粒大小0.5~1μm，它是无机偏磷酸的聚合物，分子呈线状，n值在2~106之间。其功能也是贮藏磷元素和能量，并可降低渗透压。异染粒的化学结构为： 概 念：为多聚偏磷酸盐。 功 能：贮存磷元素和能，降低 渗透压。 鉴定意义：遇甲基胺蓝变紫红色， 如白喉杆菌，鼠疫杆菌

74 ②聚-β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutirate，PHB）：
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。 聚-β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutirate，PHB）：许多细菌细胞质内经常可发现的碳源类贮藏物，不溶于水，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压的作用。Bacillus megaterium（巨大芽孢杆菌）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏PHB可达细胞干重的60%。在Azotobacter vinelandii（棕色固氮菌）的孢囊内也含有PHB。PHB可用于制作易降解且无毒的医用塑料器皿及外科用的手术针及缝线。PHB的结构：

75 H2S→S→SO42- ③硫粒: 是硫元素的贮藏体 功能： a.好氧硫细菌的能源 b.厌氧硫细菌的电子供体
形成：当环境中H2S含量高时，在体内积累S；当H2S不足时,S氧化成硫酸盐，以提供被菌细胞生命活动所需能量： H2S→S→SO42- 功能： a.好氧硫细菌的能源 b.厌氧硫细菌的电子供体 形成：取决于环境硫化物含 量,缺S时,氧化成硫酸 被菌利用。或为某些 菌的解毒产物。 功能： a.好氧硫细菌的能源 b.厌氧硫细菌的电子供体

76 ④肝糖、淀粉粒、脂肪滴 淀粉粒和肝糖: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。 液泡：许多活细菌细胞内有液泡，液泡主要成分是水和可溶性盐类，被一层脂蛋白的膜包围。可用中性红染色使之显现出来。液泡具有调节渗透压的功能，还可与细胞质进行物质交换。

77 ⑤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。常见于光合细菌和水生细菌。 功能：
■调节细胞比重，加大菌体的浮力,借气泡漂浮能力，以使其漂浮在合适的水层中，使无鞭毛菌在合适的环境中生长。 ■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。

78 4﹚核质体 由大型环状双链DNA纤丝不规则地折叠或缠绕而构成的无核膜、核仁的区域。 细菌DNA： 长度：一般为：0.25—3mm 例：大肠杆菌的DNA长约1mm。 功能：负载遗传信息。 （幻灯片 ）核质体是原核微生物所特有的无核膜结构的原始细胞核，又称核区、拟核或核基因组等。外形多变，用Feulgen染色法染色后，可以见到呈紫色的形状不定的核质体。细菌的核质体是一个大型、环状的双链DNA分子，长度为0.25~3mm（E. Coli的DNA长约1mm）。每个细胞所含的核质体数与其生长速度有关，一般为1~4个。少数细菌有20~25个核质体，如Azotobacter chroococcus（褐球固氮菌）等。细菌除在染色体复制的短时期内呈双倍体外，一般均为单倍体。核质体是负载细菌遗传信息的物质基础。 放射自显影下，2~4µm长的E.coli 其DNA长1~1.4µm。无组蛋白，与精胺、亚精胺结合，故有稳定性和柔软性。 核质体的观察：(1)光镜下特殊染色,相差显微镜， 电镜均可见。 (2)在细胞分裂时可见多个。 Bacterial DNA is circular and arrayed in a region of the cell known as the nucleoid.

79 质粒(plasmids) 细菌染色体外的共价闭合环状双链DNA分子．分子量约为２—100 × 106 D.携带1—100个基因, 一个菌细胞可有一至数十个质粒。 ◆Scattered within bacterial cytoplasm are numerous small loops of DNA known as plasmids. ◆Plasmids, small DNA fragments, are known from almost all bacterial cells. Plasmids carry between 2 and 30 genes. Some seem to have the ability to move in and out of the bacterial chromosome.

80 质粒的特点： 1、可以在细胞质中独立于染色体之外（即以游离状态）存在，也可以插入到染色体上以附加体的形式存在；
2、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体而独立进行自我复制，也可以插入到细菌染色体中与染色体一道进行复制； 3、质粒可以通过转化、转导、或接合作用而由一个细胞转移到另一个细胞，使两个细胞都成为带有质粒的细胞； 4、质粒对于细胞生存并不是必要的。 可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开，但同步进行。 不同质粒携带不同遗传信息。 无质粒细菌可通过接合、转化、转导等方式获得，不能自发产生。 质粒的种类：细菌抗药性因子、大肠杆菌的F因子。 质粒应用:基因工程，体外重组.

81 特殊结构: 5）荚 膜(Capsule) 产气荚膜杆菌 化学组成： 肺炎链球菌 水、多糖或多肽 肺炎链球菌

82 荚膜分类（三类）： (大）荚膜：粘液状物质具有一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，厚度：＞0.2µm。
微荚膜（microcopsule)：粘液状物质较薄，厚度：＜0.2µm ， 与细胞表面牢固结合。 粘液层(slime layer)：粘液物质没有明显的边缘，比荚膜松散,可向周围环境中扩散,增大黏性。 Figure : Bacterial capsules outlined by India ink viewed by light microscopy. This is a true capsule, a discrete layer of polysaccharide surrounding the cells. Sometimes bacterial cells are embedded more randomly in a polysaccharide matrix called a slime layer or biofilm. Polysaccharide films that may inevitably be present on the surfaces of bacterial cells, but which cannot be detected visually, are called glycocalyx. ★ 幻灯片 ） 有些细菌细胞外存在着一层厚度不定的胶状物质，称为荚膜。根据其厚度和边界情况的不同，常有不同的名称，例如微荚膜（microcapsule）、荚膜或粘液层（slime layer），有的细菌例如Zoogloea（动胶菌属）的菌种回产生有一定形状的大型粘胶物，称为菌胶团（zoogloea），它实质上是细菌群体的一个共同荚膜。荚膜可通过离心沉降（分层），而粘液层则是扩散到培养基中的胞外多糖，通过离心无法使它沉降，有时甚至将培养容器倒置时，培养液还是结成凝胶状。 观察方法：负染色 成分： 纯多糖 葡聚糖：肠膜状明串珠菌等 多糖 纤维素：木醋杆菌 杂多糖：几种链球菌（如肺炎链球菌） 多肽： 炭疽芽孢杆菌 荚膜成分 蛋白质：鼠疫巴氏杆菌 多肽和多糖：巨大芽孢杆菌 DNA：几种盐杆菌（生长在亚适量盐浓度下时形成） 主要功能： a)     抗干燥、抗吞噬； b)     贮存养料； c)     堆积代谢废物； d)     附着作用，如Streptococcus salivarius（唾液链球菌）和S.mutans（变异链球菌）。 应用：代血浆（Leucomostoc mesenteroides ）、葡聚糖凝胶制剂（Sephadex）、黄原胶（xanthan，Xanthomonas campestris）、污水处理等。 为害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿。 ★CAPSULES Capsules are structures that lay outside of an organism's cell wall and thus are in direct contact with the environment. Many, perhaps most, bacteria produce capsules under the right conditions. Bacterial capsules are most often composed of long POLYMERS of sugar (or sugar derivatives) known as POLYSACCHARIDES. Some capsules are composed of POLYALCOHOLS or AMINO ACID POLYMERS. Capsules may be absent, thin, thick, well formed or loose. Capsule formation is dependent upon the nutrient conditions. In general, media rich in sugars and low in nitrogen tend to induce capsule formation. Capsules play a number of roles in the life of microbes. Both prokaryotes and eukaryotes form capsules. Capsules can serve the following functions: Protect the cell from desiccation (drying). Protect the cell from phagocytosis (being engulfed by white blood cells). Provide a food reserve when certain organic compounds are in excess. A virulence determinant of pathogenic microbes. They serve as binding or adhesion agents for sticking cells together and/or to a surface such as a rock in flowing stream or a tooth. We are most interested in the role capsules play in pathogenicity. One of the better understood of these cases is that of the bacterium Streptococcus pneumoniae, the etiological agent (the agent that causes a given disease) of BACTERIAL PNEUMONIA. The virulent form (that form able to cause a disease) of this bacterium always processes a pronounced capsule. Mutants of S. pneumoniae that lack a capsule are avirulent (unable to produce a disease). You will hear later about how a study of this organism and the gene responsible for capsule formation first demonstrated the CHEMICAL NATURE OF GENES and the process of #TRANSFORMATION. Very few dyes stain capsules, so they are usually viewed using a NEGATIVE stain. However, a slightly different procedure will be used to visualize the cells as well as the capsule. In this procedure Congo Red will be used as the background or negative stain. A basic stain will be used to STAIN THE CELLS so the actual capsule surrounding the cell can be observed. ★The most exterior components of bacterial cells are the #CAPSULE and SLIME layers. These layers are usually composed of sugar polymers that are excreted by the cell under certain conditions. The term capsule usually applies to a DEFINED layer with a distinct outer edge, whereas a slime layer describes an ILL DEFINED concentration of polymeric material which just slowly gets less and less the further away from the cell. Although capsule production is a genetic characteristic, its production is STRONGLY influenced by the nutrient environment. For example, in a nutritionally poor medium a bacterium may produce little or no capsule/slime, but in the presence of a high concentration of sugar the capsule may be HUMONGOUS. The capsule has several roles. It protects the cell from DRYING. It serves as an extra source of NUTRITION. in times of need. It helps the cells STICK or attach to things because of its sticky (adhesive) nature and as such is part of biofilms. By sticking the cells to solid surfaces capsules/slime layers prevent them from washing away and provide a protective environment for the cells. It PROTECTS the cell from destruction by white blood cells. It may be TOXIC or inhibitory to a host's defense system and so aid in the disease process.

83 荚膜功能: ①保护细菌免受干燥的影响； ②贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用； ③与病原菌的毒性密切相关； ④能抵抗吞噬细胞的吞噬

84 荚膜的形成条件 （1）荚膜的形成是微生物的遗传特征之一，是“种”的特征。但不是细菌的必要结构，失去荚膜的菌株照样能够生活。
(2)荚膜的形成与组成明显受培养基成分和培养条件的影响（与环境密切相关）。 如肠膜明串珠菌(Leuconosto mesenterondes)以蔗糖为碳源时合成葡聚糖成分的荚膜 。

85 荚膜与生产实践的关系 应用： 葡聚糖荚膜已用于生产代血浆的主要成分——右旋糖酐和葡聚糖凝胶制剂； 用产菌胶团的菌进行污水处理等；
进行细菌鉴定（荚膜膨胀试验）。 危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。 应用：荚膜也可以成为有价值的材料。Leucomostoc mesenteroides 的葡聚糖荚膜已用于生产代血浆的主要成分——右旋糖酐和葡聚糖凝胶制剂；从野菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）荚膜提取黄原胶，它是优良的食品添加剂，又是石油开采中优良的压浆剂；用产菌胶团的菌进行污水处理等；通过荚膜的血清学反应进行细菌鉴定（荚膜膨胀试验）。 危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。

86 6） 鞭毛（flagellum） （1）. 概念： 某些微生物表面由细胞内生出的细长、波曲的结构。
Flagella are filamentous protein structures attached to the cell surface that provide the swimming movement for most motile procaryotes. Procaryotic flagella are much thinner than eukaryotic flagella, and they lack the typical arrangement of microtubules. The diameter of a procaryotic flagellum is about 20 nanometers, well-below the resolving power of the light microscope. The flagellar filament is rotated by a motor apparatus in the plasma membrane allowing the cell to swim in fluid environments. Bacterial flagella are powered by proton motive force (chemiosmotic potential) established on the bacterial membrane, rather than ATP hydrolysis which powers eukaryotic flagella. About half of the bacilli and all of the spiral and curved bacteria are motile by means of flagella. Very few cocci are motile, which reflects their adaptation to dry environments and their lack of hydrodynamic design. 鞭毛（flagellum）：（幻灯片040）细菌体表的细长、波曲的丝状附属物为鞭毛，数目为一到数十根，功能是运动。 检查：电子显微镜直接观察，经鞭毛染色后在光学显微镜下观察，观察暗视野中水浸片或悬滴中运动着的细菌，半固体培养基穿刺接种观察，观察平板菌落形状。 构造：阳性菌鞭毛的基体由S、M两个环组成，阴性菌鞭毛的基体由L、P、S、M四个环组成，环中央有鞭毛杆（rod）串插着，鞭毛杆外侧联接一个钩形鞘（hook），其上长有一条长约10~20μm的鞭毛丝（filament）。鞭毛丝一般是由三股鞭毛蛋白链呈螺旋、平行或中间方式紧密结合组成的。 幻灯片 示细菌鞭毛的基粒构造。 着生方式：弧菌、螺菌、假单胞菌和部分杆菌有鞭毛，个别球菌也有鞭毛，如Planococcus（动性球菌属）。（幻灯片 ） 一根：霍乱弧菌（Vibrio cholerae），蛭弧菌（Bdellovibrio spp.）， 一端生 缺陷假单胞菌（Pseudomonas diminuta）等 端生 一束：荧光假单胞菌（P.fluorescens）等 两端生 一根：鼠咬热螺旋体（Spirochaeta mosusmuris）等 一束：红色螺菌（Spirillum rubrum），蔓延螺菌（S.serpens）等 鞭毛着 生方式 肠杆菌科：大肠杆菌，伤寒沙门氏菌（Salmonella typhi），奇异变形杆菌 周生 （Proteus mirabilis）等 芽孢杆菌科：枯草杆菌，丙酮丁醇梭菌（Chroteridium acetobutylicum）等   侧生：反刍月形单胞菌（Selenomonas ruminantium）   运动速度：（幻灯片 ）一般每秒20~80μm，例如Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）每秒可移动55μm，是其自身体长的20~30倍。 应用意义：分类鉴定。 ◆a. Flagellum Made of the protein flagellin and consists of a filament and basal region. The basal region has a hook and a basal body which has a rod and rings. Gram positive organisms have 2 rings, one in the cell wall and one in the cell membrane. Gram negative organisms have 4 rings, 2 in the cell wall and 2 in the cell membrane. ▼FLAGELLA are the final structures that passes through the cell wall. Flagella are long, rigid protein rods that provide movement to many motile bacteria. At their base is a MOTOR that is driven by a flow of PROTONS from the outside of the cell inward; much like a turbine in a dam is driven by the flow of water through it. The number and arrangement of flagella on a cell is part of its GENETIC CHARACTERISTICS and is used to describe each species. In lab #exercises #1 & 2 you will observe bacteria swimming through your wet mounts and you will see a laser disk animation of the RUN 'n TUMBLE movement of bacteria. In #exercise #7 you will use a soft-agar medium to determine if a cell is motile or not. Can you draw a picture of how a motile bacteria would look 24 hours after being inoculated into the CENTER of a soft-agar plate? 长度：一般为15—20µm，最长可达70 µm 。 直径：为0.01—0.02 µm.

87 （2）观察和判断细菌鞭毛的方法 电子显微镜直接观察 鞭毛长度：15～20μm；直径：0.01～0.02μm 光学显微镜下观察：鞭毛染色和暗视野显微镜 根据培养特征判断：半固体穿刺、菌落（菌苔）形态

88 （3）鞭毛的着生方式 Different arrangements of bacterial flagella
★★Flagella may be variously distributed over the surface of bacterial cells in distinguishing patterns, but basically flagella are either polar (one or more flagella arising from one or both poles of the cell) or peritrichous (lateral flagella distributed over the entire cell surface). Flagellar distribution is a genetically-distinct trait that is occasionally used to characterize or distinguish bacteria. For example, among Gram-negative rods, pseudomonads have polar flagella to distinguish them from enteric bacteria, which have peritrichous flagella. Figure 3. Different arrangements of bacterial flagella. Swimming motility, powered by flagella, occurs in half the bacilli and most of the spirilla. Flagellar arrangements, which can be determined by staining and microscopic observation, may be a clue to the identity of a bacterium.

89 （4）. 鞭毛的结构 由鞭毛丝．鞭毛钩．基体三部分组成： G–菌：L环、P环、S环、M环 G+菌：S环，M环 鞭毛丝：球蛋白亚基螺旋排列。
鞭毛钩：蛋白质亚基组成。 基体：由若干个盘状物即环组成。 G–菌：L环、P环、S环、M环 G+菌：S环，M环

90 （5）鞭毛的化学组成 趋避性运动： 鞭毛蛋白，有些含多糖、类脂等，为极好抗原（鞭毛抗原、H抗原）。 （6）鞭毛运动与细菌的趋避性运动
化学趋避性运动 氧趋避性运动 光趋避性运动 趋避性运动：

91 7） 纤毛（pilus)与菌毛(fimbria）
（1）（或线毛、菌毛、伞毛） 某些菌体表面存在的短而多的附属物。 纤毛比鞭毛更短、更细，且又直又硬。 Fimbriae and Pili are interchangeable terms used to designate short, hair-like structures on the surfaces of procaryotic cells. Like flagella, they are composed of protein. Fimbriae are shorter and stiffer than flagella, and slightly smaller in diameter. Generally, fimbriae have nothing to do with bacterial movement (there are exceptions). Fimbriae are very common in Gram-negative bacteria, but occur in some archaea and Gram-positive bacteria as well. Fimbriae are most often involved in adherence of bacteria to surfaces, substrates and other cells in nature. In E. coli, a specialized type of pilus, the F or sex pilus, mediates the transfer of DNA between mating bacteria during the process of conjugation, but the function of the smaller, more numerous common pili is quite different. Common pili (almost always called fimbriae) are usually involved in specific adherence (attachment) of procaryotes to surfaces in nature. In medical situations, they are major determinants of bacterial virulence because they allow pathogens to attach to (colonize) tissues and/or to resist attack by phagocytic white blood cells. For example, pathogenic Neisseria gonorrhoeae adheres specifically to the human cervical or urethral epithelium by means of its fimbriae; enterotoxigenic strains of E. coli adhere to the mucosal epithelium of the intestine by means of specific fimbriae; the M-protein and associated fimbriae of Streptococcus pyogenes help the bacterium resist engulfment by phagocytes. 菌毛（pilus或fimbria） 又称纤毛、散毛、伞毛线毛或须毛等。（幻灯片 ）纤细（直径7~9nm）、中空（直径2~2.5nm）、短直、数量较多（250~300根）的蛋白质附属物，在革兰氏阴性细菌中较为常见。功能是使细菌较牢固地粘连在物体（呼吸道、消化道、泌尿生殖道的粘膜）表面上。有菌毛者以革兰氏阴性致病菌居多，Neisseria gonorrhoeae（淋病奈氏球菌）。 性菌毛（sex pilus，F-pilus或sex fimbria）。形状介于鞭毛与普通菌毛之间，比菌毛稍长，每个细胞有1~4根，功能是在不同性别的细胞间传递DNA片段。有的性菌毛还是噬菌体吸附位点。性菌毛多见于革兰氏阴性细菌中。 ★Several protein rod-like structures pass through the cell wall. These include the following: PILI, are relatively short, HOLLOW PROTEIN RODS that are important in binding the cell to solid surfaces. Because of this characteristic pili are very important in pathogens. Often, if a pathogen loses its ability to produce pili it also loses its ability to cause disease. There are usually 100s of pili per cell. Pili are important in producing biofilms, which are the slimy layers covering your teeth, tongue, the bottoms of ships, #trickling filter sewage treatment plants and the rocks in lakes and streams. ★Sex pili are longer (than the adhesion-pili described above), hollow protein rods that are mainly found on G- cells. These structures are involved in the #TRANSFER OF GENETIC MATERIAL from one cell to another. The DNA that is transferred may either be plasmid or chromosomal DNA. Cells which carry the genes for making sex pili are said to be MALE or F+ cells. Usually the genes for sex pili formation are carried by SEX PLASMIDS. The process of DNA transfer is called #CONJUGATION ★Figure 8. Pili. These fine hair-like, protein structures on the cell wall are pili. There are usually several 100/cell. In most cases they have special binding proteins at the end of the stiff rods. These types of pili are often important in adhesion of the cell to surfaces, such as teeth.

92 （2）成分 菌毛蛋白。 （3）数目： 每个细菌约有250～300条菌毛。有菌毛的细菌一般以革兰氏阴性致病菌居多。

93 （4）类别 (pili,单数pilus) 普通菌毛、性菌毛。 （5）功能 吸附； 传递遗传物质。

94 8）、特殊的休眠构造——芽孢 （1）概念 某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。

95 枯草芽孢杆菌 芽孢 菌体 （营养细胞）

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97 (2)、芽孢的特性 ★1、对高温、干燥、辐射、化学药物有强大的抵抗力。 ★2、含水量低、壁厚而致密，通透性差,不易着色，折光性强。
★3、芽胞内新陈代谢几乎停止，处于休眠状态，但保持潜在萌发力。 ★4、一个芽孢萌发只产生一个营养状态的细胞。 （1）多层膜结构，通透性很差。 （2）组分：水分少（5%），DPA（吡啶二 羧酸），富含疏水性角蛋白。 （3）抗性强：热、酶解、辐射、药物。 （4）休眠体，新陈代谢几乎停止，一个芽 孢产生一个个体。 观察：相差显微镜直接观察；芽孢染色）

98 （3）芽孢的形成与芽孢的萌发过程 轴丝形成 形成前芽孢 前芽孢隔膜形成 前芽孢发育成熟 芽孢形成 芽孢囊裂解

99 （4）伴胞晶体（parasporal crystal）
少数芽孢杆菌，如Bacillus thuringiensis（苏云金芽孢杆菌）在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一个菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体（即δ内毒素）称为伴胞晶体。 伴胞晶体（parasporal crystal） （幻灯片069）少数芽孢杆菌，如Bacillus thuringiensis（苏云金芽孢杆菌）在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一个菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体（即δ内毒素）称为伴胞晶体。它的干重可达芽孢囊的约30%，由18种氨基酸组成，大小约0.6＊2.0μm。伴胞晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目昆虫的幼虫有毒杀作用，因此可以用做生物农药。 细菌的其它休眠构造：固氮菌的胞囊（cyst）、粘球菌的粘液孢子（myxospore）、蛭弧菌的蛭胞囊（bdellocyst）、以及嗜甲基细菌和红微菌的外生孢子等。 特点：不溶于水，对蛋白酶类不敏感；容易溶于碱性溶剂。 伴孢晶体对鳞翅目的幼虫有毒杀作用（环保生物农药）

100 （5）芽孢的本质 即不是细菌生活周期的必经阶段，也不是细菌繁殖的一种形式，又不是对环境的消极反应，而是一种生命形式，一种独立的休眠体。
芽孢与营养细胞的比较（幻灯片068）

101 （6）研究芽孢的意义： ①、分类鉴定 ②、保存菌种 ③、分离菌种 ④、生物杀虫 ⑤、灭菌标准
a)       芽孢是细菌鉴定中的一项重要的形态学指标； b)       芽孢的存在有利于这类菌种的筛选和保藏； c)       能否杀灭一些代表菌种的芽孢是衡量各种消毒灭菌措施的主要指标。 （1）鉴定价值：不同菌类芽孢的 大小、位置、形状不同。 （2）作为无菌标准。

102 课后作业： 巴斯德的实验设计的弊端：a）为什么曲颈瓶能够隔绝微生物？b）空气能否流动通过曲颈瓶？