图 1-1 细菌的三种基本形态 ( 左为模式图, 右为照片 ) 1. 球菌 球菌单独存在时, 细胞呈球形或近球形 根据其繁殖时细胞分裂面的方向不同, 以及分 裂后菌体之间相互粘连的松紧程度和组合状态, 可形成若干不同的排列方式 ( 图 1-2) A B C D E F 图 1-2 球菌的形态及排列方

Transcription

1 第一节 原核微生物 根据微生物不同进化水平和各种性状上的明显差别, 可将微生物分为原核微生物 ( prokaryotes ) 真核微生物 ( eukaryotic microorganisms ) 和非细胞微生物 ( acellular microorganisms) 三大类群 原核微生物是指一大类仅含一个 DNA 分子的原始核区而无核膜包裹, 不存在核仁, 无细胞器的原始单细胞微生物, 与真核微生物不同 20 世纪 70 年代后, 还发现了另外一类生活在极端环境下的古老微生物, 虽然它们的细胞结构既不完全相同于原核生物, 也不同于真核生物, 但其结构与真细菌 (eubacteria) 更为接近, 现在我们把它们称为古生菌 (archaea) 或古细菌 (archaebacteria) 因此原核微生物包括真细菌和古生菌两大类群 其中除少数属于古生菌外, 多数的原核微生物 ( 细菌 放线菌 蓝细菌 支原体 立克次氏体和衣原体等 ) 都属于真细菌 第一节细 菌 细菌 (bacteria) 是一类细胞细短 ( 直径约 0.5μm, 长度 0.5~5μm) 结构简单 种类繁多 主要以二分裂方式繁殖和水生性较强的单细胞原核微生物 细菌是自然界中分布最广 数量最大, 与人类关系极为密切的一类微生物 在我们周围, 到处都有大量细菌存在 凡在温暖 潮湿和富含有机物质的地方, 都有大量的细菌活动 在它们大量集居处, 常会散发出特殊的臭味或酸败味 如用手去抚摸长有细菌的物体表面时, 就有粘 滑的感觉 在固体食物表面如果长出水珠状 鼻涕状 浆糊状 颜色多样的细菌菌落或菌苔时, 用小棒去试挑一下, 常会拉出丝状物 长有大量细菌的液体, 会呈现混浊 沉淀或飘浮一片片小 白花, 并伴有大量气泡冒出 当人类还未研究和认识细菌时, 细菌中的少数病原菌曾猖獗一时, 夺走无数生命 ; 不少腐败菌也常常引起食物和工农业产品腐烂变质 因此, 细菌给人的最初印象常常是有害的, 甚至是可怕的 实际上, 随着微生物学的发展, 当人们对它们的生命活动规律认识越来越清楚后, 情况就有了根本的改变 目前, 由细菌引起的传染病基本上都得到了控制 与此同时, 还发掘和利用了大量的有益细菌到工 农 医 环保等生产实践中, 给人类带来巨大的经济效益和社会效益 例如, 在工业上各种氨基酸 核苷酸 酶制剂 乙醇 丙酮 丁醇 有机酸及抗生素等的发酵生产 ; 农业上如杀虫菌剂 细菌肥料的生产和在沼气发酵 饲料青贮等方面的应用 ; 医药上如各种菌苗 类毒素 代血浆和许多医用酶类的生产等 ; 以及细菌在环保和国防上的应用等, 都是利用有益细菌的例子 一 细菌的形态和大小 ( 一 ) 细菌细胞的形态和排列方式细菌细胞的基本形态有球状 杆状 螺旋状三种 ( 图 1-1), 分别称为球菌 杆菌和螺旋菌, 其中以杆状最为常见, 球状次之, 螺旋状较为少见 仅有少数细菌或一些细菌在培养不正常时为其他形状, 如丝状 三角形 方形 星形等

2 图 1-1 细菌的三种基本形态 ( 左为模式图, 右为照片 ) 1. 球菌 球菌单独存在时, 细胞呈球形或近球形 根据其繁殖时细胞分裂面的方向不同, 以及分 裂后菌体之间相互粘连的松紧程度和组合状态, 可形成若干不同的排列方式 ( 图 1-2) A B C D E F 图 1-2 球菌的形态及排列方式 (A. 单球菌 ; B. 双球菌 ; C. 四联球菌 ; D. 八叠球菌 ; E. 链球菌 ; F 葡萄球菌 ) (1) 单球菌细胞沿一个平面进行分裂, 子细胞分散而独立存在, 如尿素微球菌 (2) 双球菌细胞沿一个平面分裂, 子细胞成双排列, 如褐色固氮菌 (3) 四联球菌细胞按两个互相垂直的平面分裂, 子细胞呈田字形排列, 如四联微球菌 (4) 八叠球菌细胞按三个互相垂直的平面分裂, 子细胞呈立方体排列, 如尿素八叠球菌 (5) 链球菌细胞沿一个平面分裂, 子细胞成链状排列, 如溶血链球菌 ( 6 ) 葡萄球菌细胞分裂无定向, 子细胞呈葡萄状排列, 如金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus ureae) 细菌细胞的形态与排列方式在细菌的分类鉴定上具有重要的意义 但某种细菌的细胞不一定全部都按照特定的排列方式存在, 只是特征性的排列方式占优势 2. 杆菌杆菌细胞呈杆状或圆柱状, 形态多样 不同杆菌其长短 粗细差别较大, 有短杆或球杆状 ( 长宽非常接近 ), 如甲烷短杆菌属 ; 有长杆或棒杆状 ( 长宽相差较大 ), 如枯草芽孢杆菌 不同杆菌的端部形态各异, 有的两端钝圆, 如腊状芽孢杆菌 ; 有的两端平截, 如炭疽芽孢杆菌 ; 有的两端稍尖, 如梭菌属 ; 有的一端分支, 呈 丫 或叉状, 如双歧杆菌属, 有的一端有一柄, 如柄细菌属 也有的杆菌稍弯曲而呈月亮状或弧状, 如脱硫弧菌属 杆菌的细胞排

3 列方式有 八 字状 栅状 链状等多种 ( 图 1-3) A B C D 图 1-3 杆菌的形态及排列 (A. 单杆菌 ; B. 双杆菌 ; C. 栅栏状排列的菌 ; D. 链杆菌 ) 3. 螺旋菌螺旋菌细胞呈弯曲状, 常以单细胞分散存在 根据其弯曲的情况不同, 可分为三种 : (1) 弧菌菌体呈弧形或逗号状, 螺旋不足一周的称为弧菌, 如霍乱弧菌 这类菌与略弯曲的杆菌较难区分 ( 图 1-4) (2) 螺菌菌体坚硬 回转如螺旋状, 螺旋满 2~6 周的称为螺菌, 如迂回螺菌 (3) 螺旋体菌体柔软 回转如螺旋状, 螺旋超过 6 周的称为螺旋体, 如梅毒密螺旋体 图 1-4 螺旋菌的形态 ( 左为模式图, 右为照片 ) ( 二 ) 细菌细胞的大小细菌细胞大小的常用度量单位是微米 (μm), 而细菌亚细胞结构的度量单位是纳米 (nm) 不同细菌的大小相差很大 ( 图 1-5) 一个典型细菌的大小可用大肠杆菌作代表 它细胞的平均长度为 2μm, 宽 0.5μm 迄今为止所知的最小细菌是纳米细菌, 其细胞直径仅有 50nm, 甚至于比最大的病毒还要小 而最大细菌是纳米比亚硫磺珍珠菌, 它的细胞直径为 0.32~1.00m m, 肉眼清楚可见

4 图 1-5 不同细菌大小的比例 细菌细胞微小, 采用显微镜测微尺能较容易 较准确地测量它们的大小 ; 也可通过投影法或照相制成图片, 再按照放大倍数测算 球菌大小以直径表示, 一般约 0.5~1μm; 杆菌和螺旋菌都是以宽 长表示, 一般杆菌为 (0.5~1) μm (1~5)μm, 螺旋菌为 (0.5~1)μm (1~ 50)μm 但螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离, 而不是真正的长度, 它的真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算 在显微镜下观察到的细菌大小与所用固定染色的方法有关 经干燥固定的菌体比活菌体的长度, 一般要缩短 1/3~1/4; 若用衬托菌体的负染色法, 其菌体往往大于普通染色法甚至比活菌体还大 细菌的大小和形态除了随种类变化外, 还要受环境条件 ( 如培养基成分 浓度 培养温度和时间等 ) 的影响 在适宜的生长条件下, 幼龄细胞或对数期培养物的形态一般较为稳定, 因而适宜于进行形态特征的描述 在非正常条件下生长或衰老的培养体, 常表现出膨大 分枝或丝状等畸形 例如巴氏醋酸菌在高温下由短杆状转为纺锤状 丝状或链状, 干酪乳杆菌的老龄培养体可从长杆状变为分枝状等 少数细菌类群 ( 如芽孢细菌 鞘细菌和粘细菌 ) 具有几种形态不同的生长阶段, 共同构成一个完整的生活周期, 应作为一个整体来描述研究 二 细菌细胞的构造 典型的细菌细胞的构造可分为基本构造和特殊构造 ( 图 1-6) 细菌的基本构造是指为所有的细菌细胞所共有的, 而可能为生命所绝对必需的细胞构造, 包括细胞壁 细胞膜 细胞质及其内含物和核区 细菌的特殊构造是指某些细菌所特有的, 可能具有某些特殊功能的细胞构造, 如芽孢 糖被 鞭毛 菌毛和性菌毛等 ( 一 ) 细菌细胞的基本构造 1. 细胞壁细胞壁 (cell wall) 是位于细胞最外面的一层厚实 坚韧的外被 其厚度因菌种而异, 一般在 10~80nm 之间, 其重量占细胞干重的 10%~25% 通过染色 质壁分离或制成原生质体后在光学显微镜下可观察到, 或用电子显微镜观察细菌超薄切片等方法, 也可证明细胞壁的存在

5 基本构造 特殊构造 图 1-6 细菌细胞的模式构造 细胞壁的功能主要有 :1 固定细胞外形和提高机械强度, 使其免受渗透压等外力的损伤 ; 2 为细胞的生长 分裂和鞭毛运动所必需 ;3 阻拦大分子有害物质 ( 某些抗生素和水解酶 ) 进入细胞 ;4 赋予细菌特定的抗原性 致病性 ( 如内毒素 ) 以及对抗生素和噬菌体的敏感性 (1) 细菌的革兰氏染色法 由于细菌细胞既微小又透明, 因此一般要经过染色才能作显微镜观察 革兰氏染色法是 1884 年由丹麦病理学家 Christain Gram 氏创立的, 而后一些学者在此基础上作了某些改进 该法不仅能观察到细菌的形态而且还可将所有细菌区分为两大类 其主要过程为 : 结晶紫初 染 碘液媒染 95% 乙醇脱色和番红等红色染料复染 4 步 ( 图 1-7) 染色反应呈蓝紫色的称为革兰氏阳性细菌 (G + 细菌 ); 染色反应呈红色的称为革兰氏阴性细菌 (G - 细菌 ) 现在 已知细菌革兰氏染色的阳性或阴性与细菌细胞壁的构造和化学组成有关 图 1-7 革兰氏染色步骤示意图 (2) 细菌细胞壁的构造和化学组成根据细菌细胞壁的构造和化学组成不同 ( 图 1-8 和表 1-1), 可将其分为 G + 细菌与 G - 细 菌 G + 细菌的细胞壁较厚 (20~80nm), 但化学组成比较单一, 只含有 90% 的肽聚糖和 10 % 的磷壁酸 ; 但 G - 细菌的细胞壁较薄 (10~15nm), 却有多层构造 ( 肽聚糖和脂多糖层等 ), 其化学成分中除含有肽聚糖以外, 还含有一定量的类脂质和蛋白质等成分 此外, 两者在表 面结构上也有显著不同

6 图 1-8 G + 细菌与 G - 细菌细胞壁构造的比较 表 1-1 G + 细菌与 G - 细菌细胞壁成分的比较 成分 G + 占细胞壁干重的 % 细菌 G - 细菌 肽聚糖 含量很高 (30~95) 含量较低 (5~20) 磷壁酸 含量较高 (<50) 0 类脂质 一般无 (<2) 含量较高 ( 约 20) 蛋白质 0 含量较高 肽聚糖肽聚糖又称粘肽 胞壁质或粘肽复合物, 是细菌细胞壁中特有成分, 是一种杂多糖的衍生物 图 1-9 细菌肽聚糖的立体结构 ( 片段 ) 每一个肽聚糖单体是由 3 部分组成 ( 图 1-9): 1 双糖单位 : 由 N- 乙酰葡萄糖胺 ( 以 G 表示 ) 和 N- 乙酰胞壁酸 ( 以 M 表示 ) 以 β-1, 4 糖苷键交替连接起来, 构成肽聚糖骨架 溶菌酶是一种可以作用于肽聚糖 β-1,4 糖苷键的分解酶, 可将肽聚糖分解成许多 N- 乙酰葡萄糖胺和 N- 乙酰胞壁酸, 从而破坏细胞壁的骨

7 架, 它广泛存在于卵清 人的泪液和鼻腔 部分细菌和噬菌体内 2 短肽尾 : 一般是由 4 个氨基酸连接成的短肽链连接在 N- 乙酰胞壁酸分子上 在 G + 细菌如金黄色葡萄球菌中 4 个氨基酸是按 L 型与 D 型交替排列的方式连接而成的, 即 L- 丙氨酸,D- 谷氨酸,L- 赖氨酸,D- 丙氨酸 ( 图 1-10); 在 G - 细菌如大肠杆菌中为 L- 丙氨酸,D- 谷氨酸,m-DAP( 内消旋二氨基庚二酸 ),D- 丙氨酸 两者的差异主要在第 3 个氨基酸分子上 ( 图 1-11) 图 1-10 G + 细菌肽聚糖的单体图解 左 : 简化的单体分子 ; 右 : 单体的分子构造 箭头示溶菌酶的水解点 图 1-11 G - 细菌肽聚糖的结构 左 : 肽桥的连接方式 ; 右 : 网的一部分 3 肽桥 : 肽桥将相邻 肽尾 相互交联形成高强度的网状结构 不同细菌的肽桥类型不 同 在 G + 细菌如金黄色葡萄球菌中肽桥为甘氨酸五肽, 这一肽桥的氨基端与甲肽尾中的第 4 个氨基酸的羧基相连接, 而它的羧基端则与乙肽尾中的第 3 个氨基酸的氨基相连接, 从而

8 使前后两个肽聚糖单体交联起来形成网状结构 ; 在 G - 细菌如大肠杆菌中没有特殊的肽桥, 其前后两个单体间的联系仅由甲肽尾的第 4 个氨基酸 D- 丙氨酸的羧基与乙肽尾第 3 个氨基酸 m-dap 的氨基直接相连形成了较稀疏 机械强度较差的肽聚糖网套 目前所知的肽聚糖有 100 多种, 而不同种类的区别主要表现在肽桥的不同 ( 表 1-2) 表 1-2 细菌肽聚糖中几种主要的肽桥类型 - 类型 甲肽尾上连接点 肽桥 乙肽尾上连接点 实例 Ⅰ 第四氨基酸 -CO NH- 第三氨基酸 E.coli(G - ) Ⅱ 第四氨基酸 (Gly) 5 - 第三氨基酸 S.aureus (G + ) Ⅲ 第四氨基酸 ( 肽尾 ) 1 ~2- 第三氨基酸 M.luteus (G + ) Ⅳ 第四氨基酸 D-Lys - 第二氨基酸 C.poinsettiae (G + ) * Micrococcus luteus( 藤黄微球菌 ) ** Corynebacterium poinsettiae( 星星木棒杆菌 ) 磷壁酸磷壁酸又称垣酸, 是 G + 细菌细胞壁所特有的成分, 约占细胞干重的 50% 主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸 根据结合部位不同可分为两种类型 : 壁磷壁酸和膜磷壁酸 磷壁酸的主要生理功能为 :1 协助肽聚糖加固细胞壁 ;2 提高膜结合酶的活力 因磷壁酸带负电荷, 可与环境中的 Mg 2+ 等阳离子结合, 提高这些离子的浓度, 以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要 ;3 贮藏磷元素 ;4 调节细胞内自溶素的活力, 借以防止细胞因自溶而死亡 ;5 作为某些噬菌体特异性吸附受体 ;6 赋予 G + 细菌特异的表面抗原, 因而可用于菌种鉴定 ;7 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, 并有抗补体的作用 外膜也称外壁, 是 G - 细菌所特有的结构 它位于细胞壁的最外层, 厚 18~20nm 由脂多糖 磷脂双分子层与脂蛋白组成 因含有脂多糖, 也常被称为脂多糖层 外膜的内层是脂蛋白, 连接着磷脂双分子层与肽聚糖层 ; 中间是磷脂双分子层, 它与细胞膜的脂双层非常相似, 只是其中插有跨膜的孔蛋白 ; 外层是脂多糖 脂多糖 (LPS) 脂多糖是 G - 细菌细胞壁所特有的成分, 位于 G - 细菌细胞壁最外面的一层较厚 (8~10nm) 的类脂多糖类物质, 由类脂 A 核心多糖和 O- 特异侧链 3 部分组成 类脂 A 是由 2 个氨基葡萄糖组成的二糖, 分别与磷酸和长链脂肪酸相连 ; 核心多糖是由 5~ 10 种糖, 主要是己糖或己糖胺组成 ;O- 特异侧链 ( 也称 O- 抗原 ) 是由 3~5 个单糖组成的多个重复单位聚合而成,O- 抗原具有抗原特异性 LPS 主要功能有 :1 类脂 A 是 G - 细菌致病性内毒素的物质基础 ;2 与磷壁酸相似, 也有吸附 Mg 2+ Ca 2+ 等阳离子以提高这些离子在细胞表面浓度的作用 ;3 由于 LPS 结构的变化, 决定了 G - 细菌细胞表面抗原决定簇的多样性 据统计 (1983), 国际上已报道根据 LPS 的结构特性而鉴定过沙门氏菌属的表面抗原类型多达 2107 个 ;4 是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体 ;5 具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能 脂多糖要维持其结构的稳定性需要足量 Ca 2+ 的存在 如果用螯合剂除去 Ca 2+,LPS 就解体 这时,G - 细菌的内壁层肽聚糖就暴露出来, 因而就可被溶菌酶所水解 蛋白质在 G - 细菌细胞壁中含有较多的蛋白质, 主要有外膜蛋白 脂蛋白 嵌合在脂多糖和磷脂层上的蛋白等 另外还有存在于周质空间的周质蛋白 ( 包括各种负责溶质运输的蛋白以及各种水解酶类和某些合成酶类 ) 在 G + 细菌细胞壁中也有蛋白质, 但含量较少 (3) 革兰氏染色的机制 对细菌细胞壁的详细分析, 为解释革兰氏染色的机制提供了较充分的基础 目前多用物理机制来解释革兰氏染色现象 革兰氏染色结果的差异主要基于细菌细胞壁的构造和化学组

9 分不同 通过初染和媒染, 在细菌细胞膜或原生质体上染上了不溶于水的结晶紫与碘的大分 子复合物 G + 细菌由于细胞壁较厚 肽聚糖含量较高和交联紧密, 故用乙醇洗脱时, 肽聚 糖层网孔会因脱水而明显收缩, 再加上的 G + 细菌细胞壁基本上不含类脂, 故乙醇处理不能 在壁上溶出缝隙, 因此, 结晶紫与碘复合物仍牢牢阻留在其细胞壁内, 使其呈现蓝紫色 G - 细菌因其细胞壁薄 肽聚糖含量低和交联松散, 故遇乙醇后, 肽聚糖层网孔不易收缩, 加上它的类脂含量高, 所以当乙醇将类脂溶解后, 在细胞壁上就会出现较大的缝, 这样结晶 紫与碘的复合物就极易被溶出细胞壁 因此, 通过乙醇脱色, 细胞又呈现无色 这时, 再经番红等红色染料复染, 就使 G - 细菌获得了新的颜色 红色, 而 G + 细菌则仍呈蓝紫色 ( 实 为紫中带红 ) 革兰氏染色不仅是分类鉴定菌种的重要指标, 而且由于 G + 细菌和 G - 细菌在细胞结构 成分 形态 生理 生化 遗传 免疫 生态和药物敏感性等方面都呈现出明显的差异, 因 此任何细菌只要通过简单的革兰氏染色, 就可提供不少其他重要的生物学特性方面的信息 ( 表 1-3) 表 1-3 G + 细菌与 G - 细菌一系列生物学特性的比较 比较项目 G + 细菌 G - 细菌 1 革兰氏染色反应能阻留结晶紫而染成紫色可经脱色而复染成红色 2 肽聚糖层厚, 层次多薄, 一般单层 3 磷壁酸多数含有无 4 外膜无有 5 脂多糖 (LPS) 无有 6 类脂和脂蛋白含量低 ( 仅抗酸性细菌含类脂 ) 高 7 鞭毛结构基体上着生 2 个环基体上着生 4 个环 8 产毒素以外毒素为主以内毒素为主 9 对机械力的抗性强弱 10 细胞壁抗溶菌酶弱强 11 对青霉素和磺胺敏感不敏感 12 对链霉素 氯霉素和四环素不敏感敏感 13 碱性染料的抑菌作用强弱 14 对阴离子去污剂敏感不敏感 15 对叠氮化钠敏感不敏感 16 对干燥抗性强抗性弱 17 产芽孢有的产不产 (4) 缺壁细菌 细胞壁是细菌细胞的基本构造, 在特殊情况下也可发现有几种细胞壁缺损的或无细胞壁的细菌存在 1 原生质体 (protoplast): 指在人工条件下用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制细胞壁的合成后, 所留下的仅由细胞膜包裹着的圆球状渗透敏感细胞, 一般由 G + 菌形成 ; 2 球状体 : 指还残留部分细胞壁的原生质体, 一般由 G - 菌形成 ; 原生质体和球状体的共同特点 : 无完整的细胞壁, 细胞呈球状, 对渗透压较敏感, 即使

10 有鞭毛也无法运动, 对相应噬菌体不敏感, 细胞不能分裂等 在合适的再生培养基中, 原生 质体可以回复, 长出细胞壁 原生质体或球状体比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物 质和渗入诱变剂, 故是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料 自发缺壁突变 :L 型细菌 缺壁细菌 实验室中形成 人工方法去壁 自然界长期进化中形成 : 支原体 彻底除尽 : 原生质体 部分去除 : 球状体 3L 型细菌 :1935 年时, 在英国李斯特预防医学研究所中发现一种由自发突变而形成 细胞壁缺损的细菌 念珠状链杆菌, 它的细胞膨大, 对渗透压十分敏感, 在固体培养基表 面形成 油煎蛋 似的小菌落 由于李斯德 (Lister) 研究所的第一字母是 L, 故称 L 型细菌 许多 G + 菌和 G - 菌都可形成 L 型 目前 L 型细菌的概念有时用得较杂, 甚至还把原生 质体或球状体也包括在内 严格地说,L 型细菌专指在实验室中通过自发突变形成的遗传性 稳定的细胞壁缺陷菌株 L 型细菌虽然丧失合成细胞壁的能力, 但是由于质膜完整, 在一定渗透压下不影响其生 存和繁殖, 但是不能保持原有细胞形态, 菌体形成高度多形态的变异菌 4 支原体 : 是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微生物 其细胞膜中含有一般原核生物所没有的甾醇, 因此虽缺乏细胞壁, 其细胞膜仍有较高的机械 强度 2. 细胞膜和间体 (1) 细胞膜 (cell membrane) 又称细胞质膜, 是一层紧贴在细胞壁内侧, 包围着细 胞质的柔软 脆弱 富有弹性的半透性薄膜, 厚约 7~8nm, 约占细胞干重的 10% 通过质 壁分离 鉴别性染色 原生质体破裂等方法可在光学显微镜下观察到, 或采用电子显微镜观 察细菌超薄切片等方法, 均可证明细胞膜的存在 细胞膜的主要化学成分有磷脂 ( 约占 20%~30%) 和蛋白质 ( 约占 50%~70%), 还有 少量糖类 ( 如己糖 ) 其中蛋白质种类多达 200 余种 图 1-12 细胞膜的模式构造 通过电子显微镜观察时, 细胞膜呈现 3 层结构, 即在上下两层暗的电子致密层中间夹着一较亮的电子透明层 这是因为, 细胞膜的基本结构是由两层磷脂分子整齐地排列而成 每一磷脂分子由 1 个带正电荷且能溶于水的极性头 ( 磷酸端 ) 和 1 个不带电荷且不溶于水的非极性尾 ( 烃端 ) 所构成 极性头朝向膜的内外两个表面, 呈亲水性 ; 而非极性的疏水尾 ( 长链脂肪酸, 其链长和饱和度与细菌的生长温度有关 ) 则埋藏在膜的内层, 从而形成一个磷脂双分子层 常温下, 磷脂双分子层呈液态, 具有不同功能的周边蛋白和整合蛋白可在磷脂双分子层

11 表面或内侧作侧向运动, 犹如漂浮在海洋中的冰山 ( 图 1-12) 这就是 J.S.Singer 和 G.L.Nicolson(1972 年 ) 提出的细胞膜液态镶嵌模式 细胞膜的功能为 :1 能选择性地控制细胞内外的物质 ( 营养物质和代谢产物 ) 的运送与 交换 ;2 维持细胞内正常渗透压的屏障作用 ;3 合成细胞壁各种组分 ( 肽聚糖 磷壁酸 LPS 等 ) 和糖被等大分子的重要场所 ;4 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地 ;5 许多 酶 (β- 半乳糖苷酶 细胞壁和荚膜的合成酶及 ATP 酶等 ) 和电子传递链的所在部位 ;6 鞭 毛的着生点, 并提供其运动所需的能量等 (2) 间体 (mesosome) 或称中体, 是一种由 细胞膜内褶而形成的囊状构造, 其中充满着层状或管状的泡囊 ( 图 1-13) 在 G + 菌中均有一个至数个发达的间体, 但许多 G - 菌中没有 间体的生理功能 :1 间体在细胞分裂时常位于细胞的中央, 因此认为可能与 DNA 复制与横隔壁形成有关 ;2 位于细胞周围的间体可能是分泌胞外酶 ( 如青霉素酶 ) 的地点 ;3 间体作为细胞呼吸时的氧化磷酸化中心, 起着真核生物中线粒体的作用 但近年来也有学者提出不同的观点, 认为 间体 仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像 3. 细胞质及其内含物 图 1-13 白喉杆菌的间体 细胞质 (cytoplasm) 是指被细胞膜包围的除核区以外的一切半透明 胶体状 颗粒状 物质的总称 其含水量约为 80% 细胞质的主要成分为核糖体 贮藏物 各种酶类 中间 代谢物 质粒 各种营养物质和大分子的单体等, 少数细菌还存在类囊体 羧酶体 气泡或 伴胞晶体等 (1) 核糖体 是以游离状态或多聚核糖体状态存在于细胞质中的一种颗粒状物质, 由 RNA(50%~70%) 和蛋白质 (30%~50%) 组成, 每个菌体内所含有的核糖体可多达数万个, 其直径为 18nm, 沉降系数为 70S, 由 50S 与 30S 两个亚基组成 它是蛋白质的合成场所 链霉素 四环素 氯霉素等抗生素通过作用于细菌核糖体的 30S 亚基而抑制细菌蛋白质 的合成, 而对人的 80S 核糖体不起作用, 因此可用于治疗细菌性疾病 (2) 贮藏物 在许多细菌细胞质中, 常含有各种形状较大的颗粒状内含物, 多数是细 胞贮藏物, 如聚 β- 羟丁酸 异染颗粒 多糖类贮藏物 硫粒等 这些内含物常因菌种而异, 即使同一种菌, 颗粒的多少也随菌龄和培养条件不同而有很大变化 往往在某些营养物质过 剩时, 细菌就将其聚合成各种贮藏颗粒, 当营养缺乏时, 它们又被分解利用 种类较多, 表 解如下 : 糖原 : 大肠杆菌 克雷伯氏菌 蓝细菌和芽孢杆菌等 碳源及能源类 聚 -ß- 羟丁酸 (PHB): 固氮菌 产碱菌 肠杆菌等 硫粒 : 紫硫细菌 丝硫细菌 贝氏硫杆菌等 藻青素 : 蓝细菌含有 贮藏物 氮源 藻青蛋白 : 蓝细菌含有 磷源 ( 异染粒 ): 迂回螺菌 白喉棒杆菌 结核分枝杆菌 1 聚 -β- 羟丁酸颗粒是细菌所特有的一种与类脂相似的贮藏物, 具有贮藏能量 碳源 和降低细胞内渗透压的作用 PHB 易被脂溶性染料苏丹黑着色, 在光学显微镜下可以看见

12 现已发现 60 属以上的细菌能合成并贮藏 PHB, 如假单胞菌属 根瘤菌属 固氮菌属 芽孢菌属等 PHB 无毒 可塑 易降解, 可用来制作医用塑料器皿和外科手术线等 近年来, 在许多好氧细菌和厌氧光合细菌中还存在类 PHB 化合物 2 异染粒其主要成分是多聚偏磷酸盐, 可用美蓝或甲苯胺蓝染成紫红色, 功能为贮藏磷元素和能量, 并可降低渗透压 因最先在迂回螺菌中被发现, 故又称迂回体或捩转菌素 异染粒也存在于多种细菌中, 如白喉杆菌和鼠疫杆菌具有特征性的异染颗粒, 常排列在菌体的两端, 又叫极体, 在菌种鉴定上有一定意义 3 多糖类贮藏物 ( 糖原和淀粉 ) 在真细菌中以糖原为多 这类颗粒用碘液处理后, 糖原呈红棕色, 淀粉粒呈蓝色, 可在光学显微镜下检出 细菌糖原和淀粉是碳源和能源性贮藏物 4 硫粒其功能是贮藏硫元素和能源 某些细菌 ( 如贝氏硫菌属 发光硫菌属 ) 在环境中还原性硫丰富时, 常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素 ; 当环境中还原性硫缺乏时, 可被细菌重新利用 5 藻青素一种内源性氮源贮藏物, 同时还兼有贮存能源的作用 通常存在于蓝细菌中 (3) 气泡在许多光合营养型 无鞭毛运动的 水生细菌的细胞质中含有气泡 其大小为 (0.2~1.0)μm 75nm, 其功能是调节细胞相对密度以使细胞飘浮在最适水层中获取光能 O 2 和营养物质, 每个细胞含有几个到几百个气泡 4. 核区与质粒 (1) 核区 (nuclear region) 又称核质体 原核 拟核或核基因组 细菌的核区位于细胞质内, 没有核膜, 没有核仁, 没有固定形态, 结构也很简单 构成核区的主要物质是一个大型的反复折叠高度缠绕的环状双链 DNA 分子, 长度为 0.25~3.00mm, 另外还含有少量的 RNA 和蛋白质 其功能是存储 传递和调控遗传信息 在正常情况下, 每个细胞中只含有 1 个核, 但由于核的分裂常在细胞分裂之前进行, 加上细菌生长迅速, 分裂不断进行, 故在一个菌体内, 经常可以看到已经分裂完成的 2 个或 4 个核, 而细胞本身尚未完成分裂 细菌在一般情况下均为单倍体, 只有在染色体复制时间内呈双倍体 (2) 质粒 (plasmid) 很多细菌细胞质中, 除染色体外还有质粒 它是存在于细菌染色体外或附加于染色体上的遗传物质, 绝大多数由共价闭合环状双链 DNA 分子所构成, 分子量较细菌染色体小, 约 2~ 道尔顿 每个菌体内有一个或几个, 也可能有很多个质粒, 每个质粒可以有几个甚至 50~100 个基因 不同质粒的基因可以发生重组, 质粒基因与染色体基因间也可重组 很多细菌, 如杆菌 痢疾杆菌 绿脓杆菌 根瘤土壤杆菌 金黄色葡萄球菌 乳酸链球菌等均具质粒 按其功能, 质粒可分为 :1 致育因子 (F 因子 ), 它是最早发现的与细菌有性接合有关的质粒 ;2 抗药性质粒 (R 因子 ), 对某些抗生素或其他药物表现抗性 ;3 大肠杆菌素质粒 (Col 因子 ), 使大肠杆菌能产生大肠杆菌素, 以抑制其他细菌生长 ;4 有的质粒对某些金属离子具有抗性, 包括碲 (Te 6+ ) 砷(As 3+ ) 汞(Hg 2+ ) 镍(Ni 2+ ) 钻(Co 2+ ) 银(Ag + ) 镉(Cd 2+ ) 等 ; 5 有的质粒对紫外线 X 射线具有抗性 6 在假单胞菌科中还发现了一类极为少见的分解性质粒, 能分解樟脑 二甲苯等 现在研究得较多而且较为清楚的是大肠杆菌的 F 因子 R 因子和 Col 因子 质粒可以从菌体内自行消失, 也可通过物理化学手段, 如用重金属 吖啶类染料或高温处理将其消除或抑制 ; 没有质粒的细菌, 可通过接合 转化或转导等方式, 从具有质粒的细菌中获得, 但不能自发产生 这一现象表明 : 质粒存在与否, 无损于细菌生存 但是, 许多次生代谢产物如抗生素 色素等的产生 以至芽孢的形成, 均受质粒的控制 质粒既能自我复制 稳定遗传, 也可插入细菌染色体中或其携带的外源 DNA 片段共同复制增殖 ; 它可通

13 过转化 转导或接合作用单独转移, 也可携带着染色体片段一起转移 所以质粒已成为遗传工程中重要的运载工具之一 ( 二 ) 细菌细胞的特殊构造 1. 芽孢某些细菌在其生长发育后期, 在细胞内形成的一个圆形或椭圆形 厚壁 折光性强 含水量低 抗逆性强的休眠构造, 称为芽孢 (spore) 因在细胞内形成, 故又称为内生孢子 由于每一个营养细胞内仅形成一个芽孢, 故芽孢无繁殖能力 芽孢是整个生物界抗逆性最强的生命体, 在抗热 抗化学药物 抗辐射和抗静水压等方面尤为突出 如肉毒梭状芽孢杆菌的芽孢在 100 沸水中要经过 5.0~9.5h 才能被杀死, 至 121 时, 平均也要 10min 才杀死 巨大芽孢杆菌芽孢的抗辐射能力要比大肠杆菌强 36 倍 芽孢的休眠能力更为突出, 在常规条件下, 一般可存活几年甚至几十年, 据文献记载, 有些芽孢杆菌甚至可以休眠数百年 数千年甚至更久 如 : 环状芽孢杆菌的芽孢在植物标本上 ( 英国 ) 已经保存 200~300 年 ; 普通高温放线菌的芽孢在湖底冻土中 ( 美国 ) 已保存 年 ; 一种芽孢杆菌的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中 ( 美国 ) 已保存 2500 万 ~4000 万年 (1) 产芽孢细菌的种类能否形成芽孢是细菌种的特征 能产生芽孢的细菌种类不多, 最主要的是革兰氏阳性杆菌的两个属, 即好氧性的芽孢杆菌属和厌氧性的梭菌属 球菌中只有芽孢八叠球菌属产生芽孢, 螺旋菌中发现有少数种产芽孢 (2) 芽孢的类型芽孢形成的位置 形状 大小因菌种而异, 在分类鉴定上有一定意义 例如巨大芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 炭疽芽孢杆菌等的芽孢位于菌体中央, 卵圆形 小于菌体宽度 ; 肉毒梭菌等的芽孢位于菌体中央, 椭圆形, 直径比菌图 1-14 细菌芽孢的类型体大, 使原菌体两头小中间大而呈梭形 ; 破伤风梭菌的芽孢却位于菌体一端, 正圆形, 直径比菌体大, 使原菌体呈鼓槌状 ( 图 1-14) (3) 芽孢的结构在产芽孢的细菌中, 芽孢囊就是指产芽孢菌的营养细胞外壳 成熟的芽孢具有多层结构 ( 图 1-15) 由外到内依次为:1 芽孢外壁 : 主要成分是脂蛋白, 透性差 有的芽孢无此层 2 芽孢衣 : 主要含疏水性角蛋白 芽孢衣非常致密, 通透性差, 能抗酶 抗化学物质和多价阳离子的透入 3 皮层 : 皮层很厚, 约占芽孢总体积的一半 主要含芽孢肽聚糖及 DPA- Ca, 赋予芽孢异常的抗热性 皮层的渗透压很高 4 核心 : 由芽孢壁 芽孢膜 芽孢质和核图 1-15 芽孢的构造区四部分构成, 含水量极低 (4) 芽孢的抗热机制关于芽孢耐热的本质至今尚无公认的解释 较新的是渗透调节皮层膨胀学说 该学说认为, 芽孢的耐热性在于芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差以及皮层的离子强度很高, 从而使皮层产生极高的渗透压去夺取芽孢核心的水分, 其结果造成皮层的充分膨胀, 而核心部分的生命物质却形成高度失水状态, 因而产生耐热性 除渗透调节皮层膨胀学说外, 还有别的学说来解释芽孢的高度耐热机制 例如, 针对在芽孢形成过程中会合成大量的为营养细胞

14 所没有的 DPA-Ca, 该物质会使芽孢中的生命大分子物质形成稳定而耐热性强的凝胶 总之, 芽孢耐热机制还有待于深入研究 (5) 研究芽孢的意义研究细菌芽孢有着重要的理论和实践意义 1 芽孢的有无 形态 大小和着生位置等是细菌分类和鉴定中的重要形态学指标 ;2 这类菌种芽孢的存在, 有利于提高菌种的筛选效率, 有利于菌种的长期保藏 ;3 是否能杀灭一些代表菌的芽孢是衡量和制定各种消毒灭菌标准的主要依据 ;4 许多产芽孢细菌是强致病菌 例如, 炭疽芽孢杆菌 肉毒梭菌和破伤风梭菌等 ; 5 有些产芽孢细菌可伴随产生有用的产物, 如抗生素短杆菌肽 杆菌肽等 (6) 伴胞晶体 (parasporal crystal) 少数芽孢杆菌, 例如苏云金芽孢杆菌 (Bacillus thuringiensis) 在其形成芽孢的同时, 会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体 (δ 内毒素 ), 称为伴胞晶体 ( 图 1-16) 伴胞晶体对 200 多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用, 因此常被制成生物农药 细菌杀虫剂 图 1-16 苏云金芽孢杆菌的伴胞晶体 A. 芽孢与伴胞晶体 ; B. 伴胞晶体的电镜示意图 (7) 细菌其他休眠状态的结构少数细菌还产生其他休眠状态的结构, 如固氮菌的孢囊等 固氮菌在营养缺乏的条件下, 其营养细胞的外壁加厚 细胞失水而形成一种抗干旱但不抗热的圆形休眠体 孢囊, 与芽孢一样, 也没有繁殖功能 在适宜的外界条件下, 孢囊可萌发, 重新进行营养生长 2. 糖被有些细菌在一定营养条件下, 可向细胞壁表面分泌一层松散 透明的粘液状或胶质状的多糖类物质即糖被 (glycocalyx) 这类物质用碳素墨水进行负染色法在光学显微镜下可见 根据糖被有无固定层次 层次薄厚可细分为荚膜 ( 或大荚膜 ) 微荚膜 粘液层和菌胶团 ( 图 1-17) 荚膜 ( 或大荚膜 ): 较厚 ( 约 200nm), 有明显的外缘和一定的形态, 相对稳定地附着于细胞壁外 它与细胞结合力较差, 通过液体振荡培养或离心便可得到荚膜物质 微荚膜 : 较薄 (<200nm), 光学显微镜不能看见, 但可采用血清学方法证明其存在 微荚膜易被胰蛋白质酶消化 粘液层 : 量大且没有明显边缘, 又比荚膜疏松, 可扩散到周围环境, 并增加培养基粘度 菌胶团 : 荚膜物质互相融合, 连为一体, 多个菌体包含于共同的糖被中 产糖被细菌由于有粘液物质, 在固体琼脂培养基上形成的菌落, 表面湿润 有光泽 粘状液 称为光滑型 (smooth,s 型 ) 菌落 而无荚膜细菌形成的菌落, 表面干燥 粗糙, 称为粗糙型 (rough,r 型 ) 菌落 糖被的化学组成主要是水, 约占重量的 90% 以上, 其余为多糖类 多肽类, 或者多糖蛋白质复合体, 尤以多糖类居多 如肺炎链球菌荚膜为多糖 ; 炭疽杆菌荚膜为多肽 ; 巨大芽孢杆菌为多肽与多糖的复合物

15 图 1-17 细菌的糖被 (A. 荚膜 B. 粘液层 C. 菌胶团 ) 糖被的主要功能 :1 保护作用 : 可保护细菌免于干燥 ; 防止化学药物毒害 ; 能保护菌体免受噬菌体和其他物质 ( 如溶菌酶和补体等 ) 的侵害 ; 能抵御吞噬细胞的吞噬 2 贮藏养料 : 当营养缺乏时, 可被细菌用作碳源和能源 3 堆积某些代谢废物 4 致病功能 : 糖被为主要表面抗原, 是有些病原菌的毒力因子, 如 S 型肺炎链球菌靠其荚膜致病, 而无荚膜的 R 型为非致病菌 ; 糖被也是某些病原菌必须的粘附因子, 如引起龋齿的唾液链球菌和变异链球菌等能分泌一种己糖基转移酶, 使蔗糖转变成果聚糖, 它可使细菌粘附于牙齿表面, 引起龋齿 ; 肠致病大肠杆菌的毒力因子是肠毒素, 但仅有肠毒素产生并不足以引起腹泻, 还必须依靠其酸性多糖荚膜 (K 抗原 ) 粘附于小肠粘膜上皮才能引起腹泻 产糖被细菌常给人类带来一定的危害, 除了上述的致病性外, 还常常使糖厂的糖液以及酒类 牛乳等饮料和面包等食品发粘变质, 给制糖工业和食品工业等带来一定的损失 但也可使它转化为有益的物质, 例如, 肠膜状明串珠菌 (Leuconostoc mesenteroides) 的葡聚糖糖被已用于代血浆成分 右旋糖酐和葡聚糖的生产 从野油菜黄单胞菌 (Xanthomonas campestris) 糖被提取的黄原胶可用作石油开采中的井液添加剂, 也可用于印染 食品工业 ; 产生菌胶团的细菌用于污水处理 此外, 还可利用糖被物质的血清学反应来进行细菌的分类鉴定 产糖被与否是细菌的一种遗传特性, 可作为鉴定细菌的依据之一 但是要注意糖被的形成也与环境条件密切相关 3. 鞭毛鞭毛 (flagellum, 复数 flagella) 是着生于某些细菌体表的细长 波浪形弯曲的丝状蛋白质附属物, 其数目为 1~10 根, 是细菌的运动器官 鞭毛长 15~20μm, 但直径很细, 仅 10~20nm, 通常只能用电镜进行观察 ; 但是经过特殊的鞭毛染色法可以用普通光学显微镜观察到 ; 在暗视野显微镜下, 不用染色即可见到鞭毛丛 此外, 根据观察细菌在水浸片或悬滴标本中的运动情况, 生长在琼脂平板培养基上的菌落形态以及在半固体直立柱穿刺接种线上群体扩散的情况, 也可以判断有无鞭毛 大多数球菌 ( 除尿素八叠球菌外 ) 不生鞭毛, 杆菌中有的生鞭毛有的不生鞭毛, 螺旋菌一般都生鞭毛 根据细菌鞭毛的着生位置和数目, 可将具鞭毛的细菌分为 5 种类型 ( 图 1-18) (1) 偏端单生鞭毛菌 : 在菌体的一端只生一根鞭毛, 如霍乱弧菌 ; (2) 两端单生鞭毛菌 : 在菌体两端各生一根鞭毛, 如鼠咬热螺旋体 ; (3) 偏端丛生鞭毛菌 : 菌体一端生出一束鞭毛, 如荧光假单胞菌 ; (4) 两端丛生鞭毛菌 : 菌体两端各生出一束鞭毛, 如红色螺菌 ; (5) 周生鞭毛菌 : 菌体周身都生有鞭毛, 如大肠杆菌 枯草杆菌等 鞭毛的着生位置和数目是细菌种的特征, 具有分类鉴定的意义

16 图 1-18 细菌鞭毛的类型 鞭毛的主要化学成分为蛋白质, 有少量的多糖或脂类 原核生物 ( 包括古生菌 ) 的鞭毛都有共同的构造, 由基体 鞭毛钩 ( 也称钩形鞘 ) 和鞭毛丝组成,G + 细菌和 G - 细菌的鞭毛构造稍有差别 图 1-19 G - 细菌鞭毛的详细构造 G - 细菌的鞭毛结构最为典型, 以大肠杆菌为例 ( 图 1-19) 基体 (basal body) 由 4 个环组成, 由外向内分别称作 L P S M 环 其中 L 环和 P 环分别包埋在细菌细胞壁的外膜 ( 脂多糖层 ) 和内壁层 ( 肽聚糖层 ), 而 S 环和 M 环分别位于细 胞膜表面和细胞膜内 这 4 个环由直径较小的鞭毛杆串插着, 在 L 环与 P 环之间还有一个 圆柱体结构 S-M 环周围有一对驱动该环快速旋转的 Mat 蛋白,S-M 环基部还有一个起键 钮作用的 Fli 蛋白, 它根据发自细胞的信号让鞭毛正转或逆转 鞭毛钩 (hook) 接近细胞表面连接基体与鞭毛丝, 较短, 弯曲, 直径约 17nm 鞭毛丝 (filament) 着生于鞭毛钩上部, 伸在细胞壁之外, 长约 15~20μm 鞭毛丝由 许多直径为 4.5nm 的鞭毛蛋白亚基沿中央孔道 ( 直径为 20nm) 作螺旋状缠绕而成, 每周有 8~10 亚基 鞭毛丝抗原称为 H 抗原, 可用于血清学检查 G + 细菌的鞭毛结构较简单, 除其基体仅有 S 环和 M 环外, 其他均与 G - 细菌相同 鞭毛具有推动细菌运动的功能 鞭毛通过旋转而使菌体运动, 犹如轮船的螺旋桨 鞭毛 的运动速度很快, 一般每秒可移动 20~80μm 例如, 铜绿假单胞菌每秒可移动 55.8μm, 是其体长的 20~30 倍

17 鞭毛运动是趋性运动 能运动的细菌对外界环境的刺激很敏感, 可以立即做出改变原来运动方向的反应 若生物向着高梯度方向运动称为正趋性, 反之则称为负趋性 根据环境因子性质的不同, 可细分为趋化性 趋光性 趋氧性 趋磁性等 4. 菌毛菌毛 (fimbria, 复数 fimbriae) 又称纤毛 伞毛 纤毛或须毛, 是一种着生于某些细菌体表的纤细 中空 短直 ( 长 0.2~2.0μm, 宽 3~14nm) 且数量较多 ( 每菌大约有 250~ 300 条 ) 的蛋白质类附属物, 具有使菌体附着于物体表面的功能 菌毛存在于某些 G - 细菌 ( 如大肠杆菌 伤寒沙门氏菌 铜绿假单胞菌和霍乱弧菌等 ) 与 G + 细菌 ( 链球菌属和棒杆菌属 ) 中 菌毛具有以下功能 :1 促进细菌的黏附 尤其是某些 G - 细菌致病菌, 依靠菌毛而定植致病 ( 如淋病奈氏球菌黏附于泌尿生殖道上皮细胞 ); 菌毛也可以黏附于其他有机物质表面, 而传播传染病 ( 如副溶血弧菌黏附于甲壳类表面 ) 2 促使某些细菌缠集在一起而在液体表面形成菌膜 ( 醭 ) 以获取充分的氧气 3 是许多 G - 细菌的抗原 菌毛抗原 5. 性菌毛又称性毛, 构造和成分与菌毛相同, 但性菌毛数目较少 (1~4 根 ) 较长 较宽 性菌毛一般多见于 G - 细菌中, 具有在不同性别菌株间传递遗传物质的作用, 有的还是 RNA 噬菌体的特异性吸附受体 三 细菌的繁殖方式 细菌一般进行无性繁殖, 表现为细胞的横分裂, 称为裂殖 ( 其中最主要和最普通的是二分裂 ) 绝大多数类群在分裂时产生大小相等 形态相似的两个子细胞, 称同形裂殖 但有少数细菌在陈旧培养基中却分裂成两个大小不等的子细胞, 称为异形裂殖 细菌二分裂的过程 : 首先从核区染色体 DNA 的复制开始, 形成新的双链, 随着细胞的生长, 每条 DNA 各形成一个核区, 同时在细胞赤道附近的细胞膜由外向中心作环状推进, 然后闭合在两核区之间产生横隔膜, 使细胞质分开 进而细胞壁也向内逐渐伸展, 把细胞膜分成两层, 每一层分别形成子细胞膜 接着横隔壁亦分成两层, 并形成两个子细胞壁, 最后分裂为两个独立的子细胞 ( 图 1-20) 图 1-20 杆菌二分裂过程模式图 ( 图中 DNA 均为双链 ) 少数细菌以其他方式进行繁殖 例如, 柄细菌的不等二分裂, 形成一个有柄细胞和一个

18 极生单鞭毛的细胞 ; 暗网菌的三分裂形成网眼状的菌丝体 ; 蛭弧菌的复分裂以及生丝微菌等 10 余属芽生细菌的出芽繁殖 近年来通过电子显微镜的观察和遗传学的研究, 发现在埃希 氏菌属 志贺氏菌属 沙门氏菌属等细菌中还存在频率较低的有性接合 四 细菌的群体特征 ( 一 ) 菌落特征将单个微生物细胞或一小堆同种细胞接种在固体培养基的表面 ( 有时为内部 ), 当它占有一定的发展空间并处于适宜的培养条件时, 该细胞就迅速生长繁殖 结果会形成以母细胞为中心的一堆肉眼可见, 并有一定形态 构造的子细胞集团, 这就是菌落 (colony) 如果菌落是由一个单细胞发展而来的, 则它就是一个纯种细胞群或克隆 (clone) 如果将某一纯种的大量细胞密集地接种到固体培养基表面, 结果长成的各 菌落 相互联接成一片, 这就是菌苔 (bacterial lawn) 描述菌落特征时须选择稀疏 孤立的菌落, 其项目包括大小 形状 边缘情况 隆起形状 表面状态 质地 颜色和透明度等 ( 图 1-21) 多数细菌菌落圆形, 小而薄, 表面光滑 湿润 较粘稠, 半透明, 颜色多样, 色泽一致, 质地均匀, 易挑取, 常有臭味 这些特征可与其他微生物菌落相区别 图 1-21 细菌的菌落特征 侧面观察 :1. 扁平 ;2. 隆起 ;3. 低凸起 ;4. 高凸起 ;5. 脐状 ;6. 草帽状 ;7. 乳头状 正面观察 :8. 圆形 边缘完整 ;9. 不规则 边缘波浪状 ;10. 不规则 颗粒状 边缘叶状 ;11. 规则 放射状 边缘叶状 ;12. 规则 边缘扇边形 ;13. 规则 边缘齿状 ; 14. 规则 有同心环 边缘完整 ;15. 不规则 毛毯状 ;16. 规则 菌丝状 ;17. 不规则 卷发状 边缘波状 ;18. 不规则 呈丝状 ;19. 不规则 根状 不同细菌的菌落也具有自己的特有特征, 对于产鞭毛 荚膜和芽孢的种类尤为明显 例如, 对无鞭毛 不能运动的细菌尤其是各种球菌来说, 随着菌落中个体数目的剧增, 只能依靠 硬挤 的方式来扩大菌落的体积和面积, 因而就形成了较小 较厚及边缘极其圆整的菌落 对长有鞭毛的细菌来说, 其菌落就有大而扁平 形态不规则和边缘多缺刻的特征, 运动能力强的细菌还会出现树根状甚至能移动的菌落 有荚膜的细菌, 其菌落往往十分光滑, 并

19 呈透明的蛋清状, 形状较大 凡产芽孢的细菌, 因其芽孢引起的折光率变化而使菌落的外形变得很不透明或有 干燥 之感, 并因其细胞分裂后常成链状而引起菌落表面粗糙 有褶皱感, 再加上它们一般都有周生鞭毛, 因此产生了既粗糙 多褶 不透明, 又有外形及边缘不规则特征的独特菌落 同一种细菌在不同条件下形成的菌落特征会有差别, 但在相同的培养条件下形成的菌落特征是一致的 所以, 菌落的形态特征对菌种的分类鉴定有重要的意义 菌落还常用于微生物的分离 纯化 鉴定 计数及选种与育种等工作 ( 二 ) 其它培养特征培养特征除了菌落外, 还包括普通斜面划线培养特征 半固体琼脂穿刺培养特征 明胶穿刺培养特征及液体培养特征等 1. 普通斜面划线培养特征在琼脂斜面中央划直线接种细菌, 一般要培养 1~5 天, 观察细菌生长的程度 形态 表面状况等 ( 图 1-22) 若菌落与菌苔特征发生异样情况, 表明该菌种受杂菌污染或发生变异, 应分离纯化 图 1-22 斜面划线培养特征 2. 半固体琼脂穿刺培养特征在半固体培养基中穿刺接种, 培养后观察细菌沿穿刺接种部位的生长状况等方面 ( 图 1-23) 如为不运动细菌只沿穿刺部位生长, 能运动的细菌则向穿刺线四周扩散生长 各种细菌的运动扩散形状是不同的 图 1-23 半固体琼脂穿刺培养特征 3. 明胶穿刺培养特征在明胶培养基中穿刺接种, 经培养后观察明胶能否水解及水解后的状况 ( 图 1-24) 凡能产生溶解区的, 表明该菌能形成明胶水解酶 ( 即蛋白酶 ) 溶解区的形状也因菌种不同而异 4. 液体培养特征将细菌接种于液体培养基中, 培养 1~3 天, 观察液面生长状况 ( 如膜和环等 ) 混浊程

20 度 沉淀情况 有无气泡和颜色等 ( 图 1-25) 多数细菌表现为混浊, 部分表现为沉淀, 一 些好氧性细菌则在液面大量生长形成菌膜或菌环等现象 图 1-24 明胶穿刺培养特征 图 1-25 液体试管培养特征 五 常用常见的细菌 ( 一 ) 革兰氏阴性菌 1. 假单胞杆菌属直或略弯曲杆菌, 多单生, 大小为 (0.5~1.0)μm (1.5~5.0)μm 无芽孢, 端生单根或多根鞭毛, 罕见不运动者 本属菌营养要求不严, 属化能有机营养型 多数为好氧菌 大部分菌种能在不含维生素 氨基酸的培养基上很好生长 有些种能产生不溶性的荧光色素和绿脓菌青素 绿菌素等蓝 红 黄橙 绿的色素 本属菌具有很强分解蛋白质和脂肪的能力, 但能水解淀粉的菌株较少 本属菌种类繁多, 广泛存在于土壤 水 动植物体表以及各种含蛋白的食品中 假单胞杆菌是最重要的食品腐败菌之一, 可使食品变色 变味, 引起变质 ; 在好气条件下还会引起冷藏食品腐败 冷藏血浆污染 ; 假单胞杆菌的少数种会对人 动物或植物致病, 如铜绿假单胞菌等 但多数假单胞菌在工业 农业 污水处理 消除环境污染中起重要作用 2. 黄单胞菌属直杆状细菌, 端生鞭毛运动, 专性好氧 在培养基上可产生一种非水溶性的黄色色素 ( 一种类胡萝卜素 ), 其化学成分为溴芳基多烯, 使菌落呈黄色 所有的黄单胞菌都是植物病原菌, 可引起植物病害 水稻黄单胞菌引起水稻白叶枯病 而导致甘蓝黑腐病的野油菜黄单胞菌, 可作为菌种生产荚膜多糖, 即黄原胶, 它在纺织 造纸 搪瓷 采油 食品等工业上都

21 有广泛的用途 3. 醋酸杆菌属细胞呈椭圆到杆状, 直或稍弯曲,(0.6~0.8)μm (1.0~3.0)μm, 单生 成对或成链 某些种常出现各种退化型, 其细胞呈球形 伸长 膨胀 弯曲 分枝或丝状等形态 周毛运动或不运动, 不形成芽孢 属于化能有机营养型, 呼吸代谢, 从不发酵, 氧是最终氢受体 在中性或酸性 (ph4.5) 时氧化乙醇成醋酸 其中的醋化醋杆菌通常存在于水果 蔬菜 酸果汁 醋和酒中, 此菌常用于醋酸酿造工业 醋酸杆菌中有的种可引起菠萝的粉红病和苹果 梨的腐烂病, 有的菌株在生长过程中可以合成纤维素, 这在细菌中是极其罕见的 4. 埃希氏菌属又叫大肠杆菌属, 短杆菌, 单生或成对, 周生鞭毛, 许多菌株产荚膜和微荚膜, 有的菌株生有大量菌毛, 化能有机营养型, 兼性厌氧菌 能分解乳糖 葡萄糖, 产酸产气, 能利用醋酸盐, 但不能利用柠檬酸盐, 在伊红美蓝培养基上菌落呈深蓝黑色, 并有金属光泽 该属中最具典型意义的代表种是大肠埃希氏菌 (E.coli) 正常条件下, 大多数大肠杆菌是人和动物肠道内的正常菌群, 但在特定条件下 ( 如移位侵入肠外组织或器官 ) 又是条件致病菌, 可导致大肠杆菌病 ; 另外, 该属中也有少数与大肠杆菌病密切相关的病原性大肠杆菌存在 大肠杆菌是食品中常见的腐败细菌 卫生细菌学上常以 大肠菌群数 和 细菌总数 作为饮用水 牛乳 食品 饮料等卫生检定指标 ; 本菌还是进行微生物学 分子生物学和基因工程研究的重要试验材料和对象 5. 沙门氏菌属寄生于人和动物肠道内的无芽孢直杆菌, 兼性厌氧菌 除极少数外, 通常以周生鞭毛运动 绝大多数发酵葡萄糖产酸产气, 不分解乳糖, 可利用柠檬酸盐 在肠道鉴别培养基上, 形成无色菌落 本属种类特别繁多, 已发现 1860 种以上的沙门氏菌 沙门氏菌是重要的肠道致病菌, 除可引起肠道病变外, 尚能引起脏器或全身感染, 如肠热症 败血症等 误食被沙门氏菌污染的食品, 常会造成食物中毒 6. 肠杆菌属肠杆菌属的性状与埃希氏菌属相似 在人的肠内虽比大肠杆菌少, 但广泛存在于土壤 水域和食品中, 也是食品中常见的腐败菌 少数菌株显示出强的腐败力, 亦有些菌种能在 0~ 4 增殖, 造成包装食品冷藏过程中的腐败 7. 变形杆菌属菌体形态常不规则, 有明显多形性 无荚膜 无芽孢 有菌毛 有周生鞭毛, 活泼运动 属兼性厌氧菌 在普通琼脂上生长良好, 肉汤培养物均匀混浊且有菌膜 广泛分布于动物肠道 土壤 水域和食品中 有些菌种如普通变形杆菌, 是食品的腐败菌, 并能引起食物中毒, 也是伤口中较常见的继发感染菌和人类尿道感染最多见的病原菌之一 8. 巴氏杆菌属菌体呈球杆状或短杆状, 两端钝圆, 大小为 0.25~0.4μm 0.5~2.5μm 单生或成双 用瑞氏染色或美蓝染色可见典型两极着色 无鞭毛, 不形成芽孢, 新分离的强毒菌株有荚膜 好氧或兼性厌氧菌 对营养要求较严格, 在普通培养基上生长贫瘠, 在麦康凯培养基上不生长 多杀性巴氏杆菌是本属中最重要的畜禽致病菌, 对多种动物可致病 9. 里氏杆菌属菌体形态杆状或椭圆形, 大小 0.3~0.5μm 0.7~6.5μm, 偶见个别长丝状, 长 11~24 μm 多为单生, 少数成双或成短链排列 可形成荚膜, 无芽孢, 无鞭毛 瑞氏染色可见两极着色 本菌营养要求高, 在普通培养基和麦康凯培养基上不生长 鸭疫里氏杆菌是本属的代表种, 此菌主要感染雏鸭, 引起急性或慢性的败血症和浆膜炎 ( 二 ) 革兰氏阳性菌

22 1. 微球菌属菌体呈球状, 单生 双生或多次分裂, 分裂面无规律, 形成不规则簇形或立体形, 好氧 不运动, 在食品中常见, 是食品腐败细菌 某些菌株如黄色微球菌能产生色素, 感染这些菌后, 会使食品发生变色 微球菌属具有较高的耐盐性和耐热性 有些菌种适于在低温环境中生长, 引起冷藏食品腐败变质 2. 葡萄球菌属菌体呈球状, 单生 双生或呈葡萄串状, 无芽孢 无鞭毛 不运动 有的形成荚膜或粘液层, 好氧或兼性厌氧菌 本属菌广泛分布于自然界, 如空气 土壤 水域及食品, 也经常存在于人和动物的皮肤上, 是皮肤正常微生物区系的代表性成员 某些菌种是引起人畜皮肤感染或食物中毒的潜在病原菌 如人和动物的皮肤或粘膜损伤后而感染金黄色葡萄球菌, 可引起化脓性炎症 ; 食物被该菌污染, 人误食后可引起毒素型食物中毒 3. 芽孢杆菌属菌体呈杆状, 菌端钝圆或平截, 单个或成链状 有芽孢, 大多数能以周生鞭毛或退化的周生鞭毛运动 某些种可在一定条件下产生荚膜 好氧或兼性厌氧 菌落形态和大小多变, 在某些培养基上可产生色素 生理性状多种多样 本属广泛分布于自然界, 种类繁多 枯草芽孢杆菌 (Bacillus.subtilis) 是代表种 除作为细菌生理学研究外, 常作为生产中性蛋白酶 α- 淀粉酶 5'- 核苷酸酶和杆菌肽的主要菌种及饲料微生物添加剂中的安全菌种使用 地衣芽孢杆菌 (B.licheniformis) 可用于生产碱性蛋白酶 甘露聚糖酶和杆菌肽 多粘芽孢杆菌 (B.polymyxa) 可生产多粘菌素 炭疽芽孢杆菌 (B. anthracis) 是毒性很大的病原菌, 能引起人 畜患炭疽病 蜡状芽孢杆菌 (B.cereus) 是工业发酵生产中常见污染菌, 同时也可引起食物中毒 苏云金芽孢杆菌 (B.thuringiensis) 的伴胞晶体可用于生产无公害农药 4. 梭状芽孢杆菌属菌体呈杆状, 两端钝圆或稍尖, 有些种可形成长丝状 细胞单个 成双 短链或长链 运动或不运动, 运动者具周生鞭毛 可形成卵圆形或圆形芽孢, 常使菌体膨大 由于芽孢的形状和位置不同, 芽孢体可表现为各种形状 化能有机营养菌, 也有些是化能无机营养菌 绝大多数种专性厌氧, 对氧的耐受差异较大 梭菌在自然界分布广泛 多数为非病原菌, 其中有部分为工业生产用菌种, 如丙酮丁醇梭菌是发酵工业上生产丙酮丁醇的菌种 常见的致病菌较少, 但多为人畜共患病病原 如, 肉毒梭菌和产气荚膜梭菌是可引起人畜多种严重疾病, 亦可造成食物中毒的细菌 其中肉毒梭菌产生的肉毒毒素, 毒性极大, 只要 30g, 就能使全世界 50 亿人中毒死亡 5. 乳酸菌是指一群能将糖类发酵产生乳酸的细菌, 包括乳杆菌属 链球菌属等 (1) 乳杆菌属菌体呈长杆状或短杆状, 链状排列 不运动 厌氧性或兼性厌氧, 能发酵糖类产生乳酸 化能有机营养型, 营养要求复杂, 需要生长因子 在 ph3.3~4.5 条件下, 仍能生存 乳杆菌常见于乳制品 腌制品 饲料 水果 果汁及土壤中 它们是许多恒温动物, 包括人类口腔 胃肠和阴道的正常菌群, 很少致病 德氏乳杆菌 (Lactobacillus.delbruckii) 常用于生产乳酸及乳酸发酵食品 ; 保加利亚乳杆菌 嗜酸性乳杆菌等常用于发酵饮料工业 (2) 链球菌属菌体呈球状或卵圆状, 直径 0.5~1μm, 呈短链或长链排列, 无鞭毛, 不能运动, 兼性厌氧菌, 广泛分布于水域 尘埃以及人 畜粪便与人的鼻咽部等处 有些是有益菌, 如乳链球菌常用于乳制品发酵工业及我国传统食品工业中 ; 有些是乳制品和肉食中的常见污染菌 ; 有些构成人和动物的正常菌群 ; 有些是人或动物的病原菌, 如化脓链球菌 肺炎链球菌 猪链球菌等 6. 棒杆菌属

23 菌体为杆状 直到微弯, 常呈一端膨大的棒状 细胞着色不均匀, 可见节段染色或异染颗粒 细胞分裂形成 八 字形排列或栅状排列 无芽孢 无鞭毛 不运动, 少数植物病原菌能运动 少数好氧菌而多数为兼性厌氧菌 棒状杆菌属广泛分布于自然界, 腐生型的棒杆菌生存于土壤 水体中, 如产生谷氨酸的北京棒杆菌 (Corynebacterium.pekinense) 利用该菌种, 根据代谢调控机理, 已筛选出生产各种氨基酸的菌种 寄生型的棒杆菌可引起人 动植物的病害, 如引起人类患白喉病的白喉棒杆菌以及造成马铃薯环腐病的马铃薯环腐病棒杆菌 7. 丙酸杆菌属形态多变, 通常呈一端圆一端尖的棒杆状, 但老龄细胞 ( 对数生长后期 ) 则多呈球形 在排列方式上也是呈多样性, 或单个 成对 成短链 ; 或呈 V 形 Y 形细胞对 ; 或以 汉字 状簇群排列 厌氧至耐氧, 化能有机营养型 能发酵乳酸 糖和蛋白胨, 产生大量的丙酸及乙酸, 使乳酪具有特殊风味是这类细菌生理上独特特征 从牛奶 奶酪 人的皮肤 人与动物的道中可分离出 有的种对人有致病性 费氏丙酸杆菌是工业上用来生产丙酸和维生素 B 12 的菌种 8. 双歧杆菌属细胞形态呈多样性, 长细胞略弯或有突起, 或有不同分支, 或有分叉或产生匙形末端 ; 短细胞端尖, 也有球形细胞 细胞排列或单个, 或成链, 或呈星形 V 形及栅状 厌氧, 有的能耐氧 发酵代谢, 通过特殊的果糖 -6- 磷酸途径分解葡萄糖 存在于人 动物及昆虫的口腔和肠道中 近年来, 许多实验证明双歧杆菌产乙酸具有降低肠道 ph 值 抑制腐败细菌滋生 分解致癌前体物 抗肿瘤细胞 提高机体免疫力等多种对人体健康有效的生理功能 9. 分枝杆菌属细胞呈略弯曲或直的杆状, 有时有分枝, 也能出现丝状或以菌丝体状生长 当受到触动时菌丝破碎成杆状或球状 由于细胞表面含有分枝菌酸, 具有抗酸性 细胞壁中的肽聚糖含有内消旋二氨基庚二酸 阿拉伯糖和半乳糖 质膜中的磷脂含有磷脂酰乙醇胺 好氧, 化能有机营养型, 包括专性细胞内寄生 腐生和兼性 可从土壤 痰液和其他污染物中分离到 结核分枝杆菌是人类结核病, 例如 : 肺结核 肠结核 骨结核 肾结核的病原菌 结核杆菌分为人型 牛型 鸟型 鼠型 冷血动物型以及非洲型 麻风分枝杆菌是引起人类麻风病的病原菌, 动物中的犰狳对麻风杆菌高度易感, 是研究麻风杆菌的动物模型 第二节放线菌 放线菌 (Actinomycetes) 是一类主要呈菌丝状生长和以孢子繁殖的 陆生性较强的革兰氏阳性原核微生物 它是介于细菌和真菌之间的单细胞微生物 一方面, 放线菌的细胞构造和细胞壁化学组成与细菌相似, 与细菌同属原核微生物 ; 另一方面, 放线菌菌体呈纤细的菌丝, 且分支, 又以外生孢子的形式繁殖, 这些特征与霉菌相似 放线菌菌落中的菌丝常从一个中心向四周辐射状生长, 并因此而得名 放线菌在自然界分布广泛, 尤以含水量较少, 有机质丰富的微碱性土壤中最多, 每克土壤中其孢子数一般可高达 10 7 个 泥土所特有的泥腥味就是由放线菌产生的代谢产物 土腥味素引起的 大多数放线菌的生活方式为腐生, 少数为寄生 腐生型放线菌在环境保护和自然界物质循环等方面起着相当重要的作用, 而寄生型可引起人 动物 植物的疾病 如, 人和动物的皮肤病 肺部和足部感染 脑膜炎等及马铃薯和甜菜的疮痂病等 放线菌最突出的特性就是能产生大量的 种类繁多的抗生素 至今已报道的近万种抗生素中, 约 70% 由放线菌产生 如 : 临床常用的链霉素 卡那霉素 四环素 土霉素 金霉素等 ; 应用于农业的井冈霉素 庆丰霉素等 近年来筛选到的许多新的生化药物也是放线菌的次生代谢产物, 包括抗癌剂

24 酶抑制剂 抗寄生虫剂 免疫抑制剂和农用杀虫 ( 杀菌 ) 剂等 放线菌还是许多酶类 ( 葡萄糖异构酶, 蛋白酶等 ) 维生素 B 12 氨基酸和核苷酸等药物的产生菌 我国用的菌肥 5406 也是由泾阳链霉菌制成的 在有固氮能力的非豆科植物根瘤中, 共生的固氮菌就是属于弗兰克菌属的放线菌 此外, 放线菌在甾体转化 石油脱蜡 烃类发酵和污水处理等方面也有重要应用 一 放线菌的形态和构造 放线菌种类繁多, 下面以种类最多 分布最广 形态特征最典型的链霉菌属为例阐述其形态构造 链霉菌的细胞呈丝状分枝, 菌丝直径 1μm 左右 ( 与细菌相似 ), 菌丝内无隔膜, 故呈多核的单细胞状态 其细胞壁的主要成分是肽聚糖, 也含有胞壁酸和二氨基庚二酸, 不含几丁质或纤维素 放线菌的菌丝由于形态和功能不同, 一般可分为基内菌丝 气生菌丝和孢子丝三类 ( 图 1-26) 图 1-26 链霉菌的形态构造模式图 1. 基内菌丝又称基质菌丝 营养菌丝或一级菌丝, 生长在培养基内或表面 基内菌丝较细, 一般颜色浅, 但有的产生水溶性或脂溶性色素 主要功能是吸收营养物质和排泄废物 2. 气生菌丝又称二级菌丝, 它是基内菌丝生长到一定时期长出培养基表面伸向空中的菌丝 气生菌丝较基内菌丝粗, 一般颜色较深, 有的产生色素 其形状有直形或弯曲状, 有的有分枝 主要功能是传递营养物质和繁殖后代 3. 孢子丝又称繁殖菌丝 产孢丝, 它是气生菌丝生长发育到一定阶段分化成的可产孢子的菌丝 孢子丝的形态和在气生菌丝上的排列方式随菌种而异 其形状有直形 波曲形 钩形或螺旋形, 着生方式有互生 轮生或丛生等, 是分类鉴别的重要依据 ( 图 1-27) 孢子丝生长到一定阶段可形成孢子 在光学显微镜下, 孢子呈球形 椭圆形 杆形 瓜子形 梭形和半月形等 ; 在电子显微镜下还可看到孢子的表面结构, 有的光滑 有的带小疣 有的带刺 ( 不同种的孢子, 刺的粗细 长短不同 ) 或毛发状 孢子表面结构也是放线菌菌种鉴定的重要依据 孢子的表面结构与孢子丝的形状 颜色也有一定关系, 一般直形或波曲形的孢子丝形成的孢子表面光滑 ; 而螺旋形孢子丝形成的孢子, 其表面有的光滑, 有的带刺或毛

25 发状 白色 黄色 淡绿 灰黄 淡紫色的孢子表面一般都是光滑型的, 粉红色孢子只有极少数带刺, 黑色孢子绝大部分都带刺和毛发状 孢子含有不同色素, 成熟的孢子堆也表现出特定的颜色, 而且在一定条件下比较稳定, 故也是鉴定菌种的依据之一 应指出的是由于从同一孢子丝上分化出来的孢子, 形状和大小可能也有差异, 因此孢子的形态和大小不能笼统地作为分类鉴定的依据 图 1-27 链霉菌的各种孢子丝形态 二 放线菌的繁殖方式 放线菌主要通过形成无性孢子的方式进行繁殖, 也可借菌体断裂片段繁殖 放线菌产生的无性孢子主要有 : 分生孢子和孢囊孢子 大多数放线菌 ( 如链霉菌属 ) 生长到一定阶段, 一部分气生菌丝形成孢子丝, 孢子丝成熟便分化形成许多孢子, 称为分生孢子 以前人们认为, 形成分生孢子的形式有凝聚分裂和横割分裂两种方式, 但根据电子显微镜对放线菌超薄切片观察, 结果表明孢子丝形成孢子只有横割分裂而无凝聚过程 横割分裂有两种方式 :1 细胞膜内陷, 再由外向内逐渐收缩形成横隔膜, 将孢子丝分割成许多分生孢子 ;2 细胞壁和质膜同时内陷, 再逐渐向内缢缩, 将孢子丝缢裂成连串的分生孢子 有些放线菌可在菌丝上形成孢子囊, 在孢子囊内形成孢囊孢子, 孢子囊成熟后, 释放出大量孢囊孢子 孢子囊可在气生菌丝上形成 ( 如链孢囊菌属 ), 也可在基内菌丝上形成 ( 如游动放线菌属 ), 或二者均可生成 另外, 某些放线菌偶尔也产生厚壁孢子 借菌丝断裂的片断形成新菌体的繁殖方式常见于液体培养中, 如工业化发酵生产抗生素时, 放线菌就以此方式大量繁殖

26 三 放线菌的群体特征 放线菌的菌落由菌丝体组成, 一般为圆形 平坦或有许多皱褶和地衣状 放线菌的菌落特征随菌种而不同 一类是产生大量分枝的基内菌丝和气生菌丝的菌种, 如链霉菌, 其菌丝较细, 生长缓慢, 菌丝分枝相互交错缠绕, 所以形成的菌落质地致密, 表面呈较紧密的绒状或坚实, 干燥, 多皱, 菌落较小而不延伸 ; 其基内菌丝伸入基质内, 菌落与培养基结合较紧密而不易挑取或挑起后不易破碎 菌落表面起初光滑或如发状缠结, 产生孢子后, 则呈粉状 颗粒状或絮状 气生菌丝有时呈同心环状 另一类是不产生大量菌丝体的菌种, 如诺卡氏菌, 这类菌的菌落粘着力较差, 结构成粉质, 用针挑取则粉碎 有些种类菌丝和孢子常含有色素, 使菌落正面和背面呈现不同颜色 正面是气生菌丝和孢子的颜色, 背面是基内菌丝或所产生色素的颜色 将放线菌接种于液体培养基内静置培养, 能在瓶壁液面处形成斑状或膜状菌落, 或沉降于瓶底而不使培养基混浊 ; 若振荡培养, 常形成由短小的菌丝体所构成的球状颗粒 四 常用常见的放线菌 ( 一 ) 链霉菌属链霉菌属大多生长在含水量较低 通气较好的土壤中 其菌丝无隔膜, 基内菌丝较细, 直径 0.5~0.8μm, 气生菌丝发达, 较基内菌丝粗 1~2 倍, 成熟后分化为呈直形 波曲形或螺旋形的孢子丝, 孢子丝发育到一定时期产生出成串的分生孢子 链霉菌属是抗生素工业所用放线菌中最重要的属 已知链霉菌属有 1000 多种 许多常用抗生素, 如链霉素 土霉素 井冈霉素 丝裂霉素 博来霉素 制霉菌素 红霉素和卡那霉素等, 都是链霉菌产生的 ( 二 ) 诺卡氏菌属诺卡氏菌属主要分布在土壤中 其菌丝有隔膜, 基内菌丝较细, 直径 0.2~0.6μm 一般无气生菌丝 基内菌丝培养十几个小时形成横隔, 并断裂成杆状或球状孢子 菌落较小, 表面多皱, 致密干燥, 边缘呈树根状, 颜色多样, 一触即碎 有些种能产生抗生素, 如利福霉素 蚁霉素等 ; 也可用于石油脱蜡及污水净化中脱氰等 ( 三 ) 放线菌属放线菌属菌丝较细, 直径小于 1μm, 有隔膜, 可断裂呈 V 形或 Y 形 不形成气生菌丝, 也不产生孢子, 一般为厌氧或兼性厌氧菌 本属多为致病菌, 如引起牛颚肿病的牛型放线菌, 引起人的后颚骨肿瘤病及肺部感染的衣氏放线菌 ( 四 ) 小单孢菌属小单孢菌属分布于土壤及水底淤泥中 基内菌丝较细, 直径 0.3~0.6μm, 无隔膜, 不断裂, 一般无气生菌丝 在基内菌丝上长出短孢子梗, 顶端着生单个球形或椭圆形孢子 菌落较小 多数好氧, 少数厌氧 有的种可产抗生素, 如绛红小单孢菌和棘孢小单孢菌都可产庆大霉素, 有的种还可产利福霉素 此外, 还有的种能产生维生素 B 12 ( 五 ) 链孢囊菌属链孢囊菌属特点是气生菌丝可形成孢囊和孢囊孢子 孢囊孢子无鞭毛, 不能运动 本属菌也有不少菌种能产生抗生素, 如粉红链孢囊菌产生多霉素 绿灰链孢囊菌产生绿霉素等 第三节其他原核微生物 一 蓝细菌

27 蓝细菌 (Cyanobacteria) 旧名蓝藻或蓝绿藻, 是一类进化历史悠久 革兰氏染色阴性 无鞭毛 含叶绿素 a( 但不形成叶绿体 ) 能进行产氧性光合作用的大型原核微生物 蓝细菌分布极广, 普遍生长在淡水 海水和土壤中, 并且在极端环境 ( 如温泉 盐湖 贫瘠的土壤 岩石表面或风化壳中以及植物树干等 ) 中也能生长, 故有 先锋生物 的美称 许多蓝细菌类群具有固氮能力 一些蓝细菌还能与真菌 苔蕨类 苏铁科植物 珊瑚甚至一些无脊椎动物共生 ( 一 ) 蓝细菌的形态与构造蓝细菌的细胞一般比细菌大, 通常直径为 3~10μm, 最大的可达 60μm, 如巨颤蓝细菌 根据细胞形态差异, 蓝细菌可分为单细胞和丝状体两大类 单细胞类群多呈球状 椭圆状和杆状, 单生或团聚体, 如粘杆蓝细菌和皮果蓝细菌等属 ; 丝状体蓝细菌是有许多细胞排列而成的群体, 包括 ; 有异形胞的, 如鱼腥蓝细菌属 ; 无异形胞的, 如颤蓝细菌属 ; 有分支的, 如费氏蓝细菌属 蓝细菌的细胞构造与革兰氏阴性细菌相似 - 细胞壁有内外两层, 外层为脂多糖层, 内层为肽聚层 许多种能不断地向细胞壁外分泌胶粘物质, 将一群细胞或丝状体结合在一起, 形成粘质糖被或鞘 细胞膜单层, 很少有间体 大多数蓝细菌无鞭毛, 但可以 滑行 蓝细菌光合作用的部位称为类囊体, 数量很多, 以平行或卷曲方式贴近地分布在细胞膜附近, 其中含有叶绿素 a 和藻胆素 ( 一类辅助光合色素 ) 蓝细菌的细胞内含有糖原 聚磷酸盐 PHB 以及蓝细菌肽等贮藏物以及能固定 CO 2 的羧酶体, 少数水生性种类中还有气泡 在化学组成上, 蓝细菌最独特之处是含有两个或多个双键组成的不饱和脂肪酸, 而细菌通常只含有饱和脂肪酸和一个双键的不饱和脂肪酸 蓝细菌的细胞有几种特化形式, 较重要的是异形胞 静息孢子 链丝段和内孢子 异形胞是存在于丝状体蓝细菌中的较营养细胞稍大, 色浅 壁厚 位于细胞链中间或末端, 且数目少而不定的细胞 异形胞是固氮蓝细菌的固氮部位 营养细胞的光合产物与异形胞的固氮产物, 可通过胞间连丝进行物质交换 静息孢子是一种着生于丝状体细胞链中间或末端的形大 色深 壁厚的休眠细胞, 胞内有贮藏性物质, 具有抗干旱或冷冻的能力 链丝段又称连锁体或藻殖段, 是长细胞断裂而成的短链段, 具有繁殖功能 内孢子是少数蓝细菌种类在细胞内形成许多球形或三角形的内孢子, 成熟后可释放, 具有繁殖功能 ( 二 ) 蓝细菌的繁殖蓝细菌通过无性方式繁殖 单细胞类群以裂殖方式繁殖, 包括二分裂或多分裂 丝状体类群可通过单平面或多平面的裂殖方式加长丝状体, 还常通过链丝段繁殖 少数类群以内孢子方式繁殖 在干燥 低温和长期黑暗等条件下, 可形成休眠状态的静息孢子, 当在适宜条件下可继续生长 二 支原体 支原体 (Mycoplasma) 是一类无细胞壁 介于独立生活和细胞内寄生生活间的最小型的原核微生物 许多种类是人和动物的致病菌, 有些腐生种类生活在污水 土壤或堆肥中, 少数种类可污染实验室的组织培养物 植物支原体 ( 又称类支原体 ) 是黄化病 矮缩病等植物病的病原体 支原体的特点 :1 细胞小, 直径仅有 0.1~0.3μm, 多数为 0.25μm, 在光学显微镜下勉强可见 2 无细胞壁, 故革兰氏染色阴性, 形态高度多形和易变, 呈球形 扁圆形 玫瑰花形 长短不一的丝状乃至分枝状等 ; 对渗透压敏感 ; 菌体柔软, 能通过细菌滤器 3 细胞膜含甾醇, 比较坚韧 4 菌落呈 油煎蛋 状, 直径仅 0.1~1.0mm 5 一般以二分裂方式繁殖, 有时也出芽繁殖 6 体外培养的营养要求苛刻, 需用含血清 酵母膏和甾醇等营养丰富的人工培养基 7 多数能以糖类作能源, 能在有氧或无氧条件下进行氧化型或发酵型产能

28 代谢 8 对热 干燥抵抗力弱,45 30min 即可杀死 ; 对石炭酸 来苏尔等化学消毒剂及各种表面活性剂和醇类敏感 ; 对青霉素 环丝氨酸等抑制细胞壁合成的抗生素和溶菌酶不敏感, 但对四环素 卡那霉素 红霉素等能抑制蛋白质生物合成的抗生素和两性霉素 制霉菌素等破坏含甾体的细胞膜结构的抗生素敏感 9 基因组很小, 仅在 0.6~1.1Mb 左右, 约为大肠杆菌的 1/4~1/5 三 立克次氏体 立克次氏体 (Rickettsia) 是一类专性寄生于真核细胞内的革兰氏阴性原核微生物 它不仅是动物细胞的寄生者, 也寄生于植物细胞中, 植物细胞中的立克次氏体被称为类立克次氏体 立克次氏体的特点 :1 细胞大小为 0.3~0.6μm 0.8~2.0μm, 一般不能通过细菌滤器, 在光学显微镜下清晰可见 2 细胞呈球状 杆状或丝状, 有的多形性 3 有细胞壁, 呈革兰氏阴性反应 4 除少数外, 均在真核细胞内营专性寄生, 宿主一般为虱 蚤等节肢动物, 并可传至人或其他脊椎动物 5 以二等分裂方式进行繁殖, 但繁殖速度较细菌慢, 一般 9~12h 繁殖一代 6 有不完整的产能代谢途径, 大多只能利用谷氨酸和谷氨酰胺产能而不能利用葡萄糖或有机酸产能 ;7 大多数不能用人工培养基培养, 须用鸡胚 敏感动物及动物组织细胞来培养立克次氏体 ;8 对热 光照 干燥及化学药剂抵抗力差,60 30min 即可杀死,100 很快死亡, 对一般消毒剂 磺胺及四环素 氯霉素 红霉素 青霉素等抗生素敏感 9 基因组很小, 如普氏立克次氏体的基因组为 1.1Mb 立克次氏体在虱等节肢动物的胃肠道上皮细胞中增殖并大量存在其粪中 人受到虱等叮咬时, 立克次氏体便随粪从抓破的伤口或直接从昆虫口器进入人的血液并在其中繁殖, 从而使人感染得病 当节肢动物再叮咬人吸血时, 人血中的立克次氏体又进入其体内增殖, 如此不断循环 立克次氏体可引起人与动物患多种疾病, 如立氏立克次氏体可引起人类患落基山斑点热 普氏立克次氏体可引起人类患流行性斑疹伤寒 穆氏立克次氏体可引起人类患地方性斑疹伤寒 伯氏考克斯氏体可引起人类患 Q 热以及恙虫热立克次氏体可引起人类患恙虫热 四 衣原体 衣原体 (Chlamydia) 是一类在真核细胞内营专性能量寄生的小型革兰氏阴性原核微生物 曾长期被误认为是 大型病毒, 直至 1956 年由我国著名微生物学家汤飞凡等自沙眼中首次分离到沙眼的病原体后, 才逐步证实它是一类独特的原核微生物 衣原体的特点 :1 细胞较立克次氏体稍小, 直径 0.2~0.3μm, 能通过细菌滤器, 在光学显微镜下勉强可见 2 细胞呈球形或椭圆形 3 其细胞构造 化学成分与细菌相似, 有革兰氏阴性细菌的特征细胞壁 ( 但缺肽聚糖 ), 细胞内同时含有 DNA 和 RNA 两种核酸, 有核糖体 4 以二等分裂方式进行繁殖 5 有不完整的酶系, 尤其缺乏产能代谢的酶系, 须严格的活细胞内寄生 6 在实验室中, 衣原体只能用鸡胚卵黄囊膜 小白鼠腹腔或 HeLa 细胞组织培养物等活体进行培养 7 抵抗力较低, 对热敏感, 在 56~60 下仅能存活 5~10min 在冰冻条件下可存活数年 除鹦鹉热衣原体对磺胺具有抗性这一特例外, 对一般消毒剂和抑制细菌的抗生素和药物 ( 如四环素 氯霉素 红霉素 青霉素及磺胺等 ) 敏感 8DNA 相对分子量很小,5 10 8, 仅为大肠杆菌的 1/4 衣原体有一个特殊的生活史 具有感染力的个体称为原体, 它是一种不能运动的球状细胞, 直径小于 0.4μm, 有坚韧的细菌型细胞壁, 在宿主细胞内, 原体逐渐伸长, 形成无感染力的个体, 称作始体, 这是一种薄壁的球状细胞, 形体较大, 直径达 1~1.5μm, 它通过

29 二等分裂的方式在宿主的细胞质内形成一个微菌落, 随后大量的子细胞又分化成较小而厚壁的感染性原体, 一旦宿主细胞破裂, 原体又可重新感染新的细胞 目前已发现的衣原体有 : 引起人体沙眼的沙眼衣原体 引起鹦鹉热等人兽共患病的鹦鹉热衣原体 引起肺炎的肺炎衣原体 五 古生菌 古生菌 (Archaea) 又称古细菌 (Archaebacteria), 是近年来发现的一类特殊细菌, 它们虽然在大小 形态及细胞结构等方面与细菌相似, 但在某些细胞结构的化学组成以及许多生理生化特性上都不同于真细菌 它们大多数生活在极端环境中, 包括极端厌氧的产甲烷菌, 极端嗜盐菌以及在强酸和高温环境中生活的极端嗜热嗜酸菌 在古生菌中, 尽管具有原核生物的基本性质, 但深入研究后发现它们具有特殊的细胞壁和细胞膜 除个别类群如热原体属无细胞壁外, 已研究过的古生菌细胞壁中都没有真正的肽聚糖, 而是由假肽聚糖 糖蛋白或蛋白质构成的 例如, 甲烷杆菌属的细胞壁由假肽聚糖组成, 甲烷八叠球菌的细胞壁含有独特的多糖, 盐杆菌属的细胞壁由糖蛋白组成, 少量产甲烷菌的细胞壁由蛋白质组成 古生菌细胞膜与真细菌 真核微生物有明显差异 例如, 古生菌膜类脂由甘油与烃链通过醚键而不是酯键连接 ; 组成其烃链的是异戊二烯的重复单位, 而不是脂肪酸 ; 古生菌细胞膜中有独特的单分子层膜或单 双分子层混合膜 ; 古生菌细胞膜上含有独特的脂类如胡萝卜素等 其 16SrRNA 有较强的保守性, 对它的 RNA 酶切片断的双向层析和碱基的序列分析结果表明古生菌的 16SrRNA 图谱既不同于其他细菌, 也与真核生物有明显的区别 古生菌还具有特殊的类似于真核生物的基因转录和翻译系统, 它们不为利福平所抑制, 其 RNA 聚合酶由多个亚基组成, 核糖体 30S 亚基的形状 trna 结构 蛋白质合成的起始氨基酸及对抗生素的敏感性等均与细菌不同而类似于真核生物 由此可以认为古生菌是一类 16SrRNA 及其他细胞成分在分子水平上与原核和真核细胞均有所不同的特殊生物类群