地質(zhì)微生物學(xué)：微生物細胞的結(jié)構(gòu)與功能--原核生物

1、第三章 微生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能（一）微生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能（一） -原核生物第一節(jié) 細菌的形態(tài)第二節(jié) 細菌的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié) 放線菌的生物學(xué)特征第四節(jié) 藍細菌第五節(jié) 古菌的生物學(xué)特征原核生物第一節(jié) 細菌的形態(tài) 細菌是原核生物中種類和數(shù)量最多，分布最廣的類群。細菌的形態(tài)在大小、形狀和細胞排列上具有很大的多樣性。一、細菌的一般形態(tài)二、細菌的特殊形態(tài)三、細菌的大小體積及測量方法四、細菌的菌落特征一、細菌的一般形態(tài)1、球菌 球菌或者卵形的細菌稱為球菌（coccus,cocci)如脲微球菌（Micrococcus ureae)，為單球菌（single coccus). 分裂后不分開成對存在的球菌稱為

2、雙球菌（diplococcus），如淋病奈瑟氏球菌（Neisseria gonorrhoeae) 細胞在同一平面分類多次連接成鏈狀的球菌稱為鏈球菌（streptoeococcus)，如釀膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes) 四個球菌排列成一個正方形，稱為四聯(lián)球菌（tetrads),如四聯(lián)微球菌（Micrococcus tetragenus) 如果球菌在三個平面上連續(xù)分裂，形成由8個球菌組成的立方體的組合，稱為八疊球菌（sarcina)，如藤黃微球菌（Micrococcus luteus) 球面在多個面上分裂形成不規(guī)則葡萄狀簇，這種球菌稱為葡萄球菌（staphylococcu

3、s),如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus)一、細菌的一般形態(tài)2、桿菌 圓柱形或桿狀的細菌稱為桿菌（bacillus,bacilli)長而細、近似絲狀的稱為長桿菌；短而粗、近似球狀的稱為球桿菌（coccobacillus)。 大多數(shù)桿菌是單獨存在的，但是有些排列成長鏈狀，稱為鏈桿菌（streptobacilli)，如巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium).一、細菌的一般形態(tài)3、螺菌 一些桿菌彎曲，通常變?yōu)槁菪隣?，根?jù)其彎曲度、螺旋數(shù)和螺距的不同可分為三種:一種稱為弧菌（vibrio），如霍亂弧菌（Vibrio cholerae）彎曲成逗號狀；第二種稱為螺

4、菌（spirilla），如迂回螺菌（Spirillum volutans）；最后一種為螺旋體（spirochete），如緊卷螺旋體（Spirochaeta stenostrepta）二、細菌的特殊形態(tài)1、純培養(yǎng)物DAPI染色2、純培養(yǎng)物吖啶橙染色3、沉積物DAPI染色 多數(shù)細菌細胞的直徑在0.2um-50um之間。但已報道最小的為納米細菌或微球菌(nanobacteria)，直徑為0.05um； 最大的球菌為納米比亞嗜硫珍珠菌(Thiomargarita namibia)，其直徑大小可達750m！，用肉眼可以觀察到。 三、細菌大小、體積及測量方法fliter sterilization四、細菌

5、的菌落特征 有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的子細胞生長得到的群體稱為菌落（colony）。若多個菌落連成一片則稱為菌苔（lawn）。 同一種細菌在不同成分的培養(yǎng)基上生長的菌落會不同，但若在固定條件下，如培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間等，則菌落或菌苔所呈現(xiàn)的形狀、大小、顏色、紋飾等特征是不變的，可作為菌種分類鑒定的依據(jù)。第二節(jié) 細菌的結(jié)構(gòu)與功能 細胞壁、細胞質(zhì)膜、細胞質(zhì)、擬核、核糖體等，稱為基本結(jié)構(gòu)或者一般結(jié)構(gòu)；鞭毛、莢膜、菌毛、芽孢等，稱為特殊結(jié)構(gòu)一、細菌壁二、細胞質(zhì)膜三、中體及內(nèi)膜結(jié)構(gòu)四、擬核及質(zhì)粒五、細胞質(zhì)六、附屬結(jié)構(gòu)-鞭毛、菌毛和莢膜七、芽孢及伴孢晶體一、細胞壁 是包裹細菌表面的一層堅韌而富有彈性的最外

6、層結(jié)構(gòu)，其厚度因細菌種類不同而異，一般為10-80nm，占細胞干重的10-25%。（一）肽聚糖 它是細菌細胞壁中特有的一種功能重要大分子物質(zhì)。它由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通過B-1,4糖苷鍵形成的雙糖單位聚合而成的。 N-乙酰胞壁酸上連接四肽鏈，四肽鏈不通過肽橋（G-）或通過肽橋（G+）交聯(lián)成片層結(jié)構(gòu)G+G-（二）革蘭氏陽性細菌的細胞壁特點：細胞壁厚度大，20-80 nm；化學(xué)組分簡單， 一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。含有肽橋，交聯(lián)度高。特點：無論是結(jié)構(gòu)還是化學(xué)組成都相對復(fù)雜，為雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)壁的肽聚糖層較?。▋H2-3nm）；在肽聚糖層外還有一個外膜，是脂雙分子層結(jié)構(gòu)，成分較復(fù)雜，整

7、個壁厚度較G+菌薄，機械強度較G+菌弱。（二）革蘭氏陰性細菌的細胞壁1）脂多糖主要功能：類脂A是G-致病物質(zhì)吸附Mg2+、Ca2+表面抗原多樣性噬菌體吸附受體選擇性屏障Lipopolysaccharide(LPS) 2）外膜蛋白outer membrane protein脂蛋白共價鍵使外膜層牢固連接在肽聚糖內(nèi)壁層。 孔蛋白：控制抗生素進出。3）周質(zhì)空間periplasmic space含許多周質(zhì)蛋白： 水解酶、合成酶、運送物質(zhì)的結(jié)合蛋白、受體蛋白。（三）革蘭氏陽性細菌與陰性細菌的細胞壁比較（四）細菌細胞壁結(jié)構(gòu)與革蘭氏染色的關(guān)系 （一）膜的化學(xué)組成一、細胞質(zhì)膜cytoplasmic membra

8、ne（二）細胞質(zhì)膜的功能Ion pumps and transporter-微生物與重金屬離子的互作Lipid Biomarkes指示古氣候三 中體及內(nèi)膜結(jié)構(gòu)1、中體 也稱為間體，是細胞質(zhì)膜內(nèi)陷、折疊、卷曲形成的管狀、層狀或囊狀結(jié)構(gòu)，常見于G+?？赡茉诩毎诘男纬伞⑷旧w復(fù)制、細胞分裂等方面具有一定功能。三 中體及內(nèi)膜結(jié)構(gòu)2、類囊體 膜周圍形成光合色素片層結(jié)構(gòu)，含葉綠素a和藻膽素等，能進行光合作用。3、載色體 是光能自養(yǎng)菌紅螺菌屬、綠菌屬等含有，光合磷酸化和電子傳遞體。4、羧酶體 是某些自養(yǎng)菌如藍細菌、硝化細菌和硫桿菌的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，含有1、5-二磷酸核酮糖羧化酶，是固定二氧化碳的場所。5、氣泡四

9、 擬核及質(zhì)粒（一）核糖體（ribosome）五 細胞質(zhì)（二）內(nèi)含物1、碳儲藏多聚體 （1）聚-羥基丁酸（-hydroxybutyric acid，PHB） （2）肝糖粒（glycogen）和淀粉粒（starch）聚-羥基丁酸（-hydroxybutyric acid，PHB）（二）內(nèi)含物2、異染顆粒（metachromatic granule）可積累無機磷酸鹽3、硫滴（sulfur droplet）（二）內(nèi)含物4、磁小體(Magnetosomes)磁小體(Magnetosomes) 新一代納米磁性材料,在生物化學(xué)、磁性材料、臨床醫(yī)藥和廢水處理等許多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。六 附屬結(jié)構(gòu)-鞭毛

10、、菌毛和莢膜（一）鞭毛 所有的螺旋菌和弧菌、大多數(shù)桿菌和少數(shù)球菌都具有鞭毛，它是細菌的運動器官。按著生位置和數(shù)目可分為三種主要類型： 偏端單生鞭毛 單生鞭毛 兩端單生鞭毛 偏端叢生鞭毛 叢生鞭毛 兩端叢生鞭毛周生鞭毛熒光假單胞菌鼠咬熱螺旋體銅綠假單胞菌紅色螺菌大腸桿菌1、鞭毛的結(jié)構(gòu) 鞭毛絲(filament) 鞭毛鉤(hook) 中心桿 基體(basal body) G-:4個環(huán)(L、P、S、M) 2-4個環(huán) G+ :2個環(huán)（S、M）2、鞭毛的功能 鞭毛最基本的功能是運動，這是細菌實現(xiàn)其趨性的最好方式。生物對環(huán)境中的不同物理、化學(xué)或生物因子進行有方向性的應(yīng)答運動稱為趨性（taxis）。根據(jù)環(huán)境

11、因子性質(zhì)的不同可分為:趨化性（chemotaxis）趨光性（phototaxis）趨氧性（oxygentaxis）趨磁性（magnetotaxis） 當(dāng)細菌感覺到外界環(huán)境營養(yǎng)變化時，會調(diào)整鞭毛多做逆時針旋轉(zhuǎn)，而使細菌趨向營養(yǎng)充裕的地方。鞭毛還與許多致病性有關(guān)。菌毛：纖細、中空、短直、數(shù)量多的蛋白附屬物 功能：附著物體表面 結(jié)構(gòu)簡單，無基粒，菌毛蛋白亞基組成有菌毛的細菌以G致病菌為多。 （二）菌毛（fimbriae）和性毛（pili）性毛（pili）構(gòu)造和成分與菌毛同，比菌毛長，數(shù)量少，一至幾根，一般是見于G 雄性菌株 功能：傳遞給受體遺傳物質(zhì)；有的還是RNA嗜菌體特異吸附受體 糖被是某些細菌在

12、一定營養(yǎng)條件下向胞外分泌出厚度不定的膠粘狀物質(zhì)包被于細胞壁的外表，此稱為糖被。糖被類型：1、包裹在單個細胞壁上 1）有固定層的糖被 莢膜（capsule） 微莢膜（microcapsule） 2）呈松散狀態(tài)、未固定的的糖被 粘液層（slime layer）2、包裹幾個細胞或一群細胞 菌膠團 （zoogloca）（三）莢膜Bacterially induced mineralization of calcium carbonate in terrestral environments: The role of exopolysaccharides and amino acids成分： 多糖、多肽

13、或蛋白質(zhì)，尤以多糖居多功能: 保護作用 透性屏障 儲藏庫 附著作用 吸附離子成礦七 芽孢及伴胞晶體芽孢是整個生物界抗逆性最強的生物體.一般的芽孢 幾年-幾十年普通高溫放線菌(Thermoactinomyces sp.)的芽孢在湖底凍土中7500年一種芽孢桿菌(Bacillus sp.)的芽孢在琥珀內(nèi)的蜜蜂腸道內(nèi)中2500萬年-4000萬年 許多革蘭氏陽性細菌在其生長發(fā)育后期,在細胞內(nèi)形成一個圓形或橢圓形、厚壁、含水量極底、抗逆性極強的休眠體，稱為芽孢（endospore）。 1、芽孢芽孢在細胞中的位置和形態(tài)Terminal 頂端Subterminal 偏端Central 中央殺滅某些代表菌的溫

14、度和時間:肉毒梭菌(Clostridium botulinum)121 oC, 10 min; 100 oC, 5-9.5h破傷風(fēng)梭菌(Clostridium tetani)121oC, 10 min嗜熱脂肪芽孢桿菌(Bacillus stearothermophilus) 121 oC, 12 min芽孢的特點:1）抗熱2）抗干旱2、伴孢晶體 少數(shù)芽孢桿菌，例如蘇云金芽孢桿菌在其形成芽孢的同時，會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形的堿溶性蛋白晶體內(nèi)毒素，稱為伴孢晶體。將毒蛋白克隆到植物中構(gòu)建基因工程抗蟲作物； 研究如何提高Bt殺蟲劑的生產(chǎn)與應(yīng)用水平 液體或固體發(fā)酵生產(chǎn)菌體在農(nóng)田直接施用；3、芽孢與

15、錳的氧化第三節(jié) 放線菌的生物學(xué)特征 放線菌是與人類關(guān)系非常密切且大有應(yīng)用前景的一類生物。最突出的特性是能產(chǎn)生多種抗生素。一、放線菌的個體形態(tài)與結(jié)構(gòu)二、放線菌的繁殖三、放線菌的群體形態(tài)一、放線菌的個體形態(tài)與結(jié)構(gòu)什么是放線菌（actinomyces）？ 放線菌是一類有分枝狀的菌絲體 (mycelium) 和以孢子進行繁殖的絲狀細菌。1、基內(nèi)菌絲 也稱營養(yǎng)菌絲，為一級菌絲，匍匐生長在培養(yǎng)基內(nèi)部或表面，能產(chǎn)生多種顏色的水溶性色素，使培養(yǎng)基或菌落呈現(xiàn)黃、綠、橙、紅、紫、藍、褐和黑等各種顏色。其功能是吸收培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)并排泄廢物。2、氣生菌絲 又稱二級菌絲體，基內(nèi)菌絲發(fā)育到定階段后，向空間長出的菌絲體

16、，一般顏色較深，可疊生于基內(nèi)菌絲上，覆蓋整個菌落表面。3、孢子絲 又稱繁殖菌絲或產(chǎn)孢絲，當(dāng)氣生菌絲生長發(fā)育到一定階段，氣生菌絲上分化出可形成孢子的菌絲。 孢子絲的形狀及排列方式隨種而異；有直形、波浪形或螺旋形。4、孢子 放線菌的孢子形狀有球形、橢圓形、桿形和柱形等。孢子表面結(jié)構(gòu)的有的表面光滑、有的帶小疣、刺或毛發(fā)狀物。孢子常具有色素，呈灰、白、黃、橙、紅、藍和綠等顏色，其顏色在一定培養(yǎng)基與培養(yǎng)條件下比較穩(wěn)定。孢子表面結(jié)構(gòu)和顏色是放線菌菌種鑒定的主要依據(jù)之一。放線菌孢子形態(tài)及其表面紋飾結(jié)構(gòu)模式圖 二、放線菌的繁殖 放線菌沒有有性繁殖，主要通過形成各種類型的無性孢子和菌絲片斷進行繁殖。質(zhì)地致密表面

17、呈緊密絨狀、堅實表面干燥、多皺菌落小不易挑起、不延伸多種顏色常帶有土腥味三、放線菌的群體形態(tài)常見放線菌代表屬 2）諾卡氏菌屬（Nocardia） 利福霉素，石油脫蠟，烴類發(fā)酵，腈類降解（污水處理）3）小單孢菌屬（Micromonospora） 慶大霉素，積累VB124）福蘭克氏菌屬（Frankia） 與非豆科植物共生固氮1）鏈霉菌屬（Streptomyces） 鏈霉素-灰色鏈霉菌（Str.grisens）第四節(jié) 藍細菌 是光合細菌中種類最多、數(shù)量最大的一類原核生物。一、藍細菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)二、藍細菌的代謝和繁殖三、藍細菌特化的細胞結(jié)構(gòu)四、藍細菌的分布和應(yīng)用一、藍細菌的形態(tài)與結(jié)構(gòu) 無鞭毛、含葉綠素a

18、、G、產(chǎn)氧光合作用的大型原核生物。其形態(tài)變化多樣，有單細胞、絲狀和群體三大類。二、藍細菌的代謝和繁殖 藍細菌的營養(yǎng)不需要維生素，能以硝酸鹽或氨化物作為氮源，有些能固定空氣中的氮。許多藍細菌是專性光能無機自養(yǎng)型。 1）藍細菌通過無性方式繁殖。 A、單細胞的種類行二分裂或復(fù)分裂； B、絲狀藍細菌還常有通過其絲狀體斷裂形成短 的菌絲段方式繁殖；2）少數(shù)種類如管胞藍細菌屬通過形成內(nèi)孢子(endospore)繁殖。四 藍細菌分布與應(yīng)用（1）在生物進化史上的作用： 藍細菌（cyanobacteria）使得地球大氣由無氧狀態(tài)變?yōu)橛醒鯛顟B(tài)。 藍細菌具有對不良環(huán)境的高度抵抗力和普遍的固氮能力，因此還可在貧瘠的沙質(zhì)海灘和荒漠的巖石上找到它們，故有“先鋒生物”的美稱。（2）一些有著經(jīng)濟價值的藍細菌如：發(fā)菜念珠藍細菌、地耳、盤狀螺旋藍細菌、以及市場上銷售的各種“螺旋藻”產(chǎn)品等（3）有的藍細菌是湖泊中發(fā)生“赤潮”及“水華”的原因第五節(jié) 古菌的生物學(xué)特征一、古菌的一般特征二、古菌的細胞結(jié)構(gòu)三、古菌的遺傳和分子生物學(xué)四、古菌的代謝五、古菌的類群一 古細菌（Archaea）的一