1微生物緒論第1章印.ppt

1、環(huán) 境 微 生 物 學,Environmental Microbiology,講 授 人：張 瓊,緒 論,一、學習本門課程的意義,1 掌握污染物的生物治理技術,2 生物處理已成為一門重要的的技術,（1）減少對資源、能源的消耗，對環(huán)境友好,（2）現(xiàn)代生物技術的發(fā)展為生物處理提供支持,（4）樹立科學的世界觀,（3）微生物的種類和數(shù)量隨污染物增加而增加,二、本門課程的內容與任務,1 內容：微生物的形態(tài)大小、結構與功能、微生物的生理、生長與繁殖、遺傳與變異等基礎知識；微生物在環(huán)境中的生態(tài)；微生物在自然界物質循環(huán)中的作用；微生物在環(huán)境中 的應用,微生物基礎知識,微生物在環(huán)境工程中的應用,微生物實驗,2

2、任務:為掌握污染物的生物處理打下基礎,三、學習方法與要求,微生物學基礎,病毒 原核微生物 真核微生物 微生物的生理 微生物的生長繁殖與生存因子 微生物的遺傳與變異,微生物生態(tài): 各種環(huán)境中的微生物,微生物在環(huán)境工程中的應用:,污水生物處理 污水深度處理 微污染源水生物處理,四、微生物概述,1 什么是微生物？,一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱,結構特點：,小體積小,簡構造簡單,低進化低，低等生物,分類：,非細胞型微生物：病毒、亞病毒等,原核微生物：細菌、古細菌、放線菌、藍細菌等,真核微生物：真菌、顯微藻類、原生動物、 微型后生動物,2 微生物的五大共性,體積小面積大,吸收多轉化快,生長旺

3、繁殖快,適應強易變異,分布廣種類多,3 微生物學,研究微生物生命活動的科學,分類:,基礎微生物學,應用微生物學,4 微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)：1676年列文虎克自制顯微鏡發(fā)現(xiàn)了微生物,奠基人：,巴斯德（微生物）,科赫（細菌學）,5 微生物學推動了生命科學的發(fā)展,Pastuer 試驗,煮沸的長頸瓶內的培養(yǎng)基無微生物生長，還指出某些微生物能生長在缺氧狀況下。,Koch(1843-1910),建立炭疽芽孢桿菌和炭疽病之間的關系,Koch 定 律,1、微生物必須在患病動物中存在，而不存在于健康個體中； 2、該微生物能離開動物進行純培養(yǎng)； 3、純培養(yǎng)的微生物還能致??； 4、該微生物還能再從患病

4、動物中分離出來，再純培養(yǎng)，和原來分離出來的一樣。,Koch主要貢獻：, 找到并分離了多種傳染病, 傳染病原則科赫定律, 用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技術, 配制培養(yǎng)基,第一章 原 核 微 生 物（Prokaryomicrobe）,（1）包括: 細菌、古細菌、放線菌、藍細菌、支原體、衣原體、立克次氏體、螺旋體、粘細菌等,（2）特點是：有原始的核，無核膜；缺少細胞器和相應的內部結構,概述：,1.1 細 菌,細菌：是一類細胞細而短（細胞直徑約0.5um，長度約0.55um）、結構簡單、細胞壁堅韌、以二等分裂方式繁殖和水生性較強的原核微生物, 單細胞生物。,一、形態(tài)與大小,1 基本形態(tài),桿狀桿菌,球狀

5、球菌,螺旋狀螺旋菌、弧菌,除上述基本形態(tài)外，還有絲狀菌及星形、方形等其他形狀的細菌,桿 菌 桿菌細胞呈桿狀或圓柱形。有長桿菌、短桿菌。,Arrangements of Bacilli,球 菌 細胞呈球狀或橢圓形。根據(jù)細胞分裂后新細胞所保持的空間排列方式，分為以下幾種情形： 單球菌尿素微球菌 雙球菌肺炎雙球菌 鏈球菌溶血鏈球菌 四聯(lián)球菌四聯(lián)微球菌 八疊球菌尿素八疊球菌 葡萄球菌金黃色葡萄球菌,螺 旋 菌 細胞呈彎曲桿狀的細菌統(tǒng)稱為螺旋菌。包括： 弧菌 偏端單生鞭毛或叢生鞭毛 螺旋菌 兩端都有鞭毛。,2 細菌的大小,球菌，一般以直徑來表示 桿菌和螺旋菌，以長和寬來表示。如 2.5 1 m,細菌大小

6、的度量：以m為單位,細菌大小的表示：,細菌大小的測定： 在顯微鏡下使用顯微測微尺測定, 細菌的形態(tài)是相對穩(wěn)定的, 不同細菌大小不同，細菌大小隨菌齡變化, 自然界中桿菌最常見，球菌次之，螺菌最少,注 意:,二、細菌的細胞結構,特殊構造：部分細菌具有的或一般細菌在特殊環(huán)境下才有的構造，如粘液層、莢膜、菌膠團、鞭毛、菌毛、芽孢、衣鞘及光合作用層片等,一般構造： 一般細菌都有的構造，如細胞壁、細胞膜、細胞質、擬核、間體、內含物等,1 細胞壁（cell wall）,概 念：是細胞質膜外面堅韌而帶有彈性的一層薄膜，使細胞保持一定形狀，保障其在不同滲透壓條件下生長，即使在不良環(huán)境中也能防止胞溶作用。,化學組

7、成：主由肽聚糖構成 肽聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和帶有交替排列的D-型或L-型氨基酸側鏈的N-乙酰胞壁酸(NAM)的多聚體。,革蘭氏陽性菌,肽聚糖：約20-80nm,磷壁酸,少量蛋白質和脂肪,革蘭氏陰性菌,內壁層：肽聚糖（約10nm）,外壁層：,脂多糖,磷 脂,蛋白質或脂蛋白,（無磷壁酸）,（G+）,（G-）,注：缺細胞壁的原核微生物有： L-型細菌、原生質體、球狀體、支原體等,1）G+細菌細胞壁組成 革蘭氏陽性細菌細胞壁具有較厚（2080nm）而致密的肽聚糖層，多達40層，占細胞壁的成分6090%，它同細胞膜的外層緊密相連； 革蘭氏陽性細菌細胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid

8、），它又分為兩種，即壁磷壁酸和膜磷壁酸。,2） G-細菌細胞壁組成 外膜 革蘭氏陰性細菌只有一薄層肽聚糖(23nm)，但是在肽聚糖層外邊，仍有另一層外膜，作為另外的屏障。外膜上含有許多獨特的結構： 把外膜與肽聚糖層連接起來的布朗(Brauns)脂蛋白；使營養(yǎng)物被動運輸通過膜的膜孔蛋白和起保護細胞作用的脂多糖(LPS)。脂多糖也稱為內毒素，對哺乳動物有高度毒性。,G-細菌細胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外還有磷脂、多糖和蛋白質。外膜被分為脂多糖層（外）、磷脂層（中）、脂蛋白層（內）。 肽聚糖層 G-細菌細胞壁肽聚糖層很薄，約有23nm厚。它與外膜的脂蛋白層相連。 周質空間 周質空間(peripl

9、asmic space，即壁膜間隙）是革蘭氏陰性細菌細胞膜與外膜兩膜之間的一個透明的區(qū)域。,周質空間含有與營養(yǎng)物運輸和營養(yǎng)物進入有關的蛋白質，如營養(yǎng)物進入細胞的蛋白；營養(yǎng)物運輸?shù)拿?，如蛋白水解酶；細胞防御有毒化合物的酶，如破壞青霉素?內酰胺酶。革蘭氏陽性細菌以上這些酶常分泌到胞外周圍，革蘭氏陰性細菌則依靠它的外膜，保持這些酶與菌的緊密結合。,G+與G-菌的細胞壁的特征比較,功能:,（1）維持細菌的細胞形態(tài),（2）抵抗外界環(huán)境的低滲,（3）協(xié)助鞭毛運動,（4）細胞分裂所必須,（5）阻擋有害物質進入細胞,（6）與細菌的抗原性、致病性和對噬菌體的敏感性有關,緊貼在細胞壁內側而包圍 細胞質的一層柔軟

10、而富有彈性的薄膜,選擇透過性膜半透膜,結構磷脂雙分子層,2 細胞膜（cytoplasmic membrane）,Diagram of a Cytoplasmic Membrane,細胞膜的構造：是一個磷脂雙分子層 其中埋藏著與物質運輸、能量代謝和信號接收有關的整合蛋白(integral) ，它是完全地與膜連接而且貫穿全膜的蛋白 另外，有通過電荷相互作用，疏松附著于膜的外周蛋白(peripheral proteins) 。它是由于磷脂帶正電荷極性頭，只是通過電荷作用與膜松散連接的一類 膜中的脂類和蛋白質均在運動，而且是彼此之間互相相對運動 膜內陷形成（中）間體（mesosome）,細胞膜的功能：

11、 維持滲透壓梯度和溶質的轉移。細胞膜由含有親水區(qū)域的和疏水區(qū)域的兩性分子磷脂組成，膜對于大分子或電荷高的分子成為一個選擇滲透屏障，它們不易通過磷脂雙分子的疏水性內層，選擇性的控制內、外營養(yǎng)物質和代謝產物的運送。維持細胞內正常滲透壓的屏障。 參與細胞壁、糖被合成。細胞質膜上有合成細胞壁和形成橫隔膜組分的酶。,細胞膜的功能： 參與物質代謝和能量代謝。膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代謝的酶系，是細胞的產能場所 為鞭毛提供附著點。細胞質膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此長出。 間體是從質膜向內伸展的細胞質中主要單位膜結構，其功能可能參與呼吸作用、同DNA的復制和細胞的分裂有關,細胞質（cytoplasm）

12、：指除核以外，質膜以內的原生質。是細胞質膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質的總稱 。 細胞質的主要成分：含水的、含有細胞功能所需的各種分子、RNA和蛋白質的混合物，含水量約80% 。細胞質的主要成分是核糖體。,3 細胞質和內含物,核糖體(ribosome) 由一個小的亞基和一個大的亞基組成，核糖體的亞基是由蛋白質和RNAs組成的復合物，是細胞中合成蛋白質的場所。原核細胞中的核糖體，盡管在形狀上和功能上與真核細胞相似，但是組建核糖體亞基的蛋白質和RNAs性質上有差別。,內含物 (inclusion bodies) 細胞質內形狀較大的顆粒狀構造稱為內含物，包括各種貯藏物和羧酶體、氣泡等

13、，在光學顯微鏡下可觀察到： 聚-羥基丁酸鹽(PHB)顆粒； 多聚磷酸鹽顆粒(也稱異染粒)； 某些細菌中也能看到脂肪滴；,氣泡：在藍細菌(藍綠藻)和生活在水環(huán)境中的其它光合細菌內發(fā)現(xiàn)的一個有趣的內含體。在細胞內四周排列的由蛋白質構成的氣泡，可提供浮力，使得細菌漂浮靠近水的表面 羧酶體（carboxysome）：又稱為多角體，是自養(yǎng)細菌細胞內所特有的多角形或六角形內含物，可能是固定CO2場所 貯藏物：是一類由不同化學成分累積而成的不溶性沉淀顆粒,貯藏物,細菌細胞質中的內含物,4 擬核（nucleoid）,指原核生物所特有的無核膜結構、無固定形態(tài)的原始細胞核。一般為14個核區(qū) 細菌的DNA在細胞質中

14、為單個環(huán)狀染色體、雙鏈結構，無核膜包圍，在電子顯微鏡中常可看到細胞內分離的核區(qū)，稱為擬核。,細菌的DNA位于細胞質中，由一個染色體構成，不同種的細菌之間染色體大小不同。其DNA是環(huán)狀、致密超螺旋，與組蛋白相類似的蛋白質結合。 古細菌的染色體和細菌的染色體類似，是一個單個環(huán)狀的DNA分子，大小通常小于大腸桿菌的DNA。,function: The nucleoid is the genetic material of the bacterium. Genes located along the DNA are transcribed into RNA which, in the case of

15、mRNA, is then translated into protein at the ribosomes. In other words, DNA determines what proteins and enzymes an organism can synthesize and, therefore, what chemical reactions it is able to carry out. .,鞭毛（flagellum） 是從細胞質膜和細胞壁伸出細胞外面的蛋白質組成的絲狀體結構，使細菌具有運動性。 鞭毛纖細而具有剛韌性，直徑僅20nm，長度達15-20 m。,5、細菌形態(tài)之鞭毛

16、菌毛性菌毛,有鞭毛的細菌，鞭毛數(shù)目和在細胞表面分布因種不同而有差異，是細菌鑒定的依據(jù)之一。 鞭毛有三類：單生鞭毛、叢生鞭毛和周生鞭毛。 鞭毛與細菌運動有關，如趨化性和趨滲性等。,5、細菌形態(tài)之鞭毛菌毛性菌毛,Bacterial Flagellar Arrangements,單生鞭毛、叢生鞭毛、對生鞭毛、周生鞭毛,菌毛（pili） 細菌細胞表面發(fā)現(xiàn)的象頭發(fā)樣的特殊的蛋白質表膜附屬物，有幾微米長。,5、細菌形態(tài)之鞭毛菌毛性菌毛,Bacterial Pili,性菌毛（sex pili） 與遺傳物質從一個細菌轉移到另一個細菌有關，即在細菌接合交配時起作用。性菌毛比菌毛稍長，數(shù)量少，只有一根或幾根。,5

17、、細菌形態(tài)之鞭毛菌毛性菌毛,6、細菌形態(tài)之芽孢,芽孢（endospore） 某些細菌在它生活史中的某個階段或某些細菌在它遇到外界不良環(huán)境時，在其細胞內形成一個圓形或橢圓形的內生孢子。是生物界中抗逆性最強的休眠體。,在一些屬包括芽孢桿菌屬和梭菌屬中產生細菌的芽孢。它們是由細菌的DNA和外部多層蛋白質及肽聚糖包圍而構成，芽孢對干燥和熱具有高度抗性。,6、細菌形態(tài)之芽孢,形態(tài)與結構 芽孢結構相當復雜，最里面為核心，含核質、核糖體和一些酶類，由核心壁所包圍；核心外面為皮層，由肽聚糖組成；皮層外面是由蛋白質所組成的芽孢衣；最外面是芽孢外壁。一般含內生芽孢的細菌總稱為孢子囊(sporangium)。,6、

18、細菌形態(tài)之芽孢,孢外壁：主含脂蛋白，透性差,芽孢衣：主含疏水性脂蛋白，抗酶解、抗藥物， 多價陽離子難通過,皮 層：主含芽孢肽聚糖及DPA-Ca， 體積大，滲透壓高,核 心：芽孢壁、芽孢質膜、芽孢質和核區(qū),芽孢,生理特性 芽孢桿菌屬和梭菌屬產生的一種特化的繁殖結構，它無繁殖功能。 在光學顯微鏡下用特殊的芽孢染色(如孔雀綠染色)或通過相差顯微鏡能夠觀察到芽孢。 由于芽孢有許多層包圍細菌遺傳物質的結構，使其具有驚人的、對所有類型環(huán)境應力的抗性，為抗逆性休眠體。如熱、紫外線輻射、化學消毒劑和干燥。,6、細 菌 形 態(tài) 之 芽 孢,芽孢的特點,(1)含水量下降，蛋白質凝固點提高，受熱不易變性 (2)形成

19、了厚而致密的芽孢壁，滲透性降低，代謝活力隨之降低，使其處于休眠狀態(tài) (3)合成了一些耐熱性較強的酶 (4)合成了特有的耐熱芽孢成分(2,6-吡啶二羧酸鈣鹽),6、細 菌 形 態(tài) 之 芽 孢,研究芽孢的意義,(1)芽孢的有無在細菌鑒定中 是一項重要的形態(tài)學指標 (2)芽孢的存在有利于 菌種的篩選和保藏 (3)是否能殺滅一些代表菌的芽孢就 成了衡量各種消毒滅菌措施 的主要指標,6、細 菌 形 態(tài) 之 芽 孢,7、細菌形態(tài)之細胞外層：糖被,特性： 包被于某些細菌細胞壁外的一層厚度不定的膠狀物質 為細胞的外層結構，起保護細胞免受干燥和有毒化合物的損害，也使細菌附著于物體表面。 糖被按其有無固定層次、層

20、次厚薄又可細分為莢膜、微莢膜、粘液層和菌膠團。,糖被,包裹在單 個細胞上,包裹在細胞群上：菌膠團（形成的公共莢膜）,在壁上有固 定 層,松散，未固定在壁上：粘液層,層 次 厚： （大）莢膜,層次?。何⑶v膜,功能： 對細菌表面起滲透屏障作用 保護細胞免受吞噬 保護細胞免受干燥損傷 幫助細菌附著到物體表面 表面吸附作用,7、細菌形態(tài)之細胞外層：糖被,三、細菌的培養(yǎng)特征,1、有關的基本概念 菌落（colony）：單個微生物在適宜的固體培養(yǎng)基表面或內部生長、繁殖到一定程度可以形成肉眼可見的、有一定形態(tài)結構的子細胞生長群體，稱為菌落。 菌苔(lawn)：當固體培養(yǎng)基表面眾多菌落連成一片時，便成為菌苔。,

21、三、細菌的培養(yǎng)特征,培養(yǎng)物：在人為條件下，培養(yǎng)繁殖得到的 微生物群體。 純培養(yǎng)物(pure culture)：只有一種 微生物的培養(yǎng)物 培養(yǎng)基(culture medium)：培養(yǎng)微生物的 營養(yǎng)物質 無菌技術(aseptic technique)：防止微生物進入機體或物體的技術。常用的是高壓蒸氣滅菌法,三、細菌的培養(yǎng)特征,菌落特征的概念 各種細菌在一定條件下形成的菌落具有一定的穩(wěn)定性和專一性特征，稱為菌落特征。它是衡量菌種純度、辨認和鑒定菌種的重要依據(jù)。 菌落特征描述 菌落特征包括大小，形狀，隆起形狀，邊緣情況，表面狀態(tài)，表面光澤，質地，顏色，透明度等。,影響菌落特征的因素 細胞結構和生長行為

22、； 鄰近菌落影響菌落的大??； 培養(yǎng)條件，尤其是培養(yǎng)基成分。,2、培 養(yǎng) 特 征,（1）在固體培養(yǎng)基上的培養(yǎng)特征 （2）在半固體培養(yǎng)基上的培養(yǎng)特征 （3）在液體培養(yǎng)基中的培養(yǎng)特征,2 細菌懸液的穩(wěn)定性,水處理中的重要意義,四、細菌的物理化學性質,1 細菌表面電荷 氨基酸的等電點 細菌表面含表面蛋白：有等電點，一般為pH25 細菌培養(yǎng)液的pH比等電點高，細菌帶負電荷。,3 細菌細胞的革蘭氏染色,細菌細胞革蘭氏染色 1884年革蘭姆克里斯琴(Christian Gram)發(fā)明； 細菌常被分成兩類：G+和G- 染色反應的差別是由于兩類細菌的細胞壁結構的差異引起。,革蘭氏染色程序,五、環(huán)境工程中重要的細

23、菌,1 球菌 廣泛分布于自然界，多數(shù)為G+，不能運動，少數(shù)厭氧，微球菌科為代表 2 桿菌 （1）芽孢桿菌：產芽孢，多數(shù)為G+ ，周身鞭毛常見的有枯草芽孢桿菌、臘樣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、丙酮丁醇羧菌、溶纖維素芽孢桿菌等。,（2）無芽孢桿菌：主要有假單胞菌科、硝化桿菌科、硫桿菌科、腸桿菌科、固氮菌科等。 假單胞菌科：多需氧異養(yǎng)型，其假單胞菌屬科可降解糖類和蛋白質，動膠菌屬化能異養(yǎng)，對糖類物質有很強的氧化能力。 硫桿菌科：多數(shù)自養(yǎng)，能將硫和硫化氫氧化為硫酸，在自然界硫轉化中有重要作用。 硝化桿菌科：嚴格化能自養(yǎng)，有機環(huán)境中不生長，有的氧化氨為亞硝酸鹽，而有的氧化亞硝酸鹽為硝酸鹽，在

24、氮素轉化中其重要作用。,固氮菌科：固定大氣中的氮 大腸桿菌科：作為水體污染的 指示生物 3 螺旋菌 菌體為彎曲的桿狀或螺旋狀，多為G- ，好養(yǎng)或厭氧。比較重要的有螺菌屬，厭氧或微好養(yǎng)，主要存在于污水中。,1.2 古 菌（Archaea）,2 初步掌握古菌的特點，了解研究古菌的意義和價值,1 了解古菌在微生物中的類別,1.3 放 線 菌（Actinomycetes）,分布：土壤是其主要場所，特別是中性或偏堿性土壤和有機質豐富的土壤中較多，陸生性強,概述：因菌落在固體培養(yǎng)基上呈放射狀生長而得名。菌體為單細胞，介于細菌和絲狀真菌之間而又接近于細菌的一類原核生物。放線菌是一個大類群，多數(shù)為革蘭氏陽性。

25、,放線菌與人類生活及生產的關系 多為腐生，少數(shù)為寄生。腐生菌在自然界物質循環(huán)中起積極作用。寄生型放線菌會引起放線菌病和諾卡氏病。 主要能產生大量的、種類繁多的抗生素。世界上絕大多數(shù)的抗生素由放線菌產生。 其他作用：酶制劑的生產、甾體轉化、石油脫蠟、烴類發(fā)酵、污水處理等,形態(tài)結構 放線菌菌體為單細胞，大多數(shù)由分枝發(fā)達的菌絲組成。根據(jù)放線菌菌絲的形態(tài)和功能,其菌絲可分為營養(yǎng)菌絲、氣生菌絲和孢子絲三種(見圖)。,營養(yǎng)菌絲 又稱為初級菌絲體、一級菌絲體或基內菌絲，匍匐生長于培養(yǎng)基內，主要生理功能是吸收營養(yǎng)物。 營養(yǎng)菌絲一般無隔膜；直徑0.2-0.8m；長度差別很大；短的小于100 m，長的可達600

26、m； 有的產生色素：黃、橙、紅、紫、藍、綠、灰、褐、黑等，有脂溶性和水溶性，脂溶性局限于菌絲，水溶性可在培養(yǎng)基中擴散,氣生菌絲 又稱為二級菌絲體。營養(yǎng)菌絲體發(fā)育到一定時期，長出培養(yǎng)基外并伸向空間的菌絲為氣生菌絲。,孢 子 絲 當氣生菌絲發(fā)育到一定程度，其上部分化出可形成孢子的菌絲即為孢子絲，又名產孢絲或繁殖菌絲。 氣生菌絲和孢子絲伸展在空氣中，菌絲間不存在，毛細管水,菌落特征 放線菌的菌落由菌絲體組成，一般圓形、初期光平，后期產生皺褶。在光學顯微鏡下觀察，菌落周圍具有輻射狀菌絲。 據(jù)種的不同分為兩類。,由大量產生分枝的和氣生菌絲的菌種所形成的菌落，如鏈霉菌 特點：菌落小而不蔓延，質地致密，表面呈緊密的絨狀，堅實，干燥，多皺，與培養(yǎng)基結合緊密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有時氣生菌絲體呈同心圓環(huán)狀，大量孢子布滿整個菌落表面后，形成絮狀，粉狀或顆粒狀的典型放線菌菌落。有的產生色素。