第二章原核微生物 原核细胞与真核细胞
第二章原核微生物 第二章作业 1-1: 将上图翻译成中文
第二章 原核微生物 像所有生物一样, 微生物形态结构与生命活动的基本单位也是细胞, 只有病毒例外 按照微生物细胞结构, 尤其是其细胞核和 DNA 的结构, 可把微生物分为原核微生物与真核微生物 原核微生物主要有细菌 放线菌 蓝细菌等 细菌细胞的结构在原核微生物中颇具代表性, 故本章重点介绍细菌
第二章原核微生物 2.1 细菌 (bacteria) 2.2 放线菌 (actinomycetes)) 2.3 蓝细菌 (cyanobacteria) ( 自学 ) 2.4 古细菌 (Archaea) ( 自学 )
Guide for sudying of this episode 1. 什么是原核微生物? 2. 细菌长什么样? 环境工程中研究的微生物形态有哪些? 2. 什么是细菌的基本结构? 其组成 结构和功能是什么? 3. 什么是细菌的特殊结构? 其组成 结构和功能是什么? 4. 细菌是如何繁殖的? 5. 什么是细菌群体特征? 有哪些评价指标? 如何根据群体特征区分不同类型的微生物 ( 细菌 )? 为什么要研究微生物的群体特征? 6. 什么是放线菌? 其在环境工程中的应用有哪些? 其个体形态和群体形态与细菌有何不同? 7. 古细菌是细菌吗? 有何特征? 环境工程中最重要的古细菌是什么? 8. 蓝细菌有哪些特点? 该类微生物在环境工程中有何意义?
2.1 细菌 (Bacteria) 细菌的形态构造及其功能 2.1.1 细菌细胞的形态与大小 2.1.2 细菌的细胞构造 2.1.3 细菌的繁殖方式 2.1.4 细菌的培养特征 细菌的群体形态
2.1.1.1 细菌细胞的大小 细菌电子显微镜照片 普通光学显微镜下用测微尺测细菌大小
细菌细胞的大小 细胞的大小是细菌分类特征不同细菌细胞大小不同同一细菌的不同菌龄细胞大小不同细菌细胞大小还与营养等因素相关 细胞大小的测量结果只是近似值或平均值
2.1.1.1 细菌细胞的大小 Size: Most bacteria fall within a range from 0.2 to 2.0 um in diameter and from 2 to 8 um in length A cyanobacterium 8 x 50 um A rod-shaped prokaryote is typically about 1-5 micrometers (μm) long and about 1 μm wide Microorganisms in general are very small and are completely invisible to the naked eye.
size comparison of microorganisms Meters Visibility scale Relative size of Microbes Naked eye Eukaryotes Prokaryotes Light microscope Electron microscope Viruses
细菌大小 (Size of bacteria) 以微米计 多数球菌的大小 ( 直径为 0.5-2.0 微米 ), 杆菌大小为 (0.5-1.0 微米 )*(1-5.0 微米 ), 螺旋菌量其宽度和弯曲长度, 大小在 (0.25-1.7) 微米 --(2-60) 微米
2.1.1.2 细菌细胞形态 球菌 (Coccus) 杆菌 (Bacillus) 螺旋菌 (Spirilla) 其他形状的细菌
Shape: Bacteria have a few basic shapes spherical coccus Rod-shaped bacillus spirillum
2.1.1.2 细菌细胞形态 球菌 (coccus) 单球菌双球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌链球菌
2.1.1.2 细菌细胞形态 球菌 (coccus)
2.1.1.2 细菌细胞形态 单球菌 (single coccus)........... 单球菌 ( 显微镜下示意图 )
2.1.1.2 细菌细胞形态 双球菌 (double coccus)........... 双球菌 ( 显微镜下示意图及实体 )
2.1.1.2 细菌细胞形态 四联球菌 (Micrococcus lactis) 上 : 显微镜效果右 : 光学显微镜照片
2.1.1.2 细菌细胞形态 八叠球菌 (Sarcina ureae) 八叠球菌 八叠球菌 ( 显微镜下示意图 )
2.1.1.2 细菌细胞形态葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 葡萄球菌 左 : 电镜照片右 : 显微镜下的金黄色葡萄球菌
2.1.1.2 细菌细胞形态 链球菌 链球菌 ( 显微镜下示意图 )
2.1.1.2 细菌细胞形态 链球菌 ( 电镜照片 )
杆菌 (bacillus) 2.1.1.2 细菌细胞形态 显微镜下的杆菌
动物宿主细胞感染杆菌濒临死亡 杆菌 电子显微镜下的结核菌 ( 绿色的就是结核杆菌 ) 电镜照片
2.1.1.2 细菌细胞形态 链杆菌
2.1.1.2 细菌细胞形态 链杆菌 显微镜下的链杆菌
螺旋菌 (Spirlla) 2.1.1.2 细菌细胞形态 弧菌 (vibrio) 螺菌 (spirllum) 螺旋体 (spirochaeta)
显微镜下的螺旋菌
幽门螺旋菌 左 : 显微数码摄像 右 : 结构示意图
丝状铁细菌 亮发菌
其他形状的细菌 Different Shapes 柄细菌 柄细菌 (Caulobacter bacterroides) Fig. 4.11 变形菌
2.1.2 细菌细胞的结构 包括基本结构和特殊结构 基本结构 : 细胞壁 细胞膜 细胞质 拟核等 特殊结构 : 鞭毛 荚膜 芽孢 气泡 菌胶团等
2.1.2 细菌细胞的结构 细菌细胞的结构 参见 :http://www.bioon.com/article/class330/308432_2.shtml
2.1.2 细菌细胞的结构 2.1.2.1 基本结构 细胞壁 细胞壁以内的构造 原生质体 细胞壁以外的构造
2.1.2 细菌细胞的结构 2.1.2.1 基本结构细胞壁 (cell wall) 细胞壁的功能细胞壁的结构细胞壁的化学组成细胞壁与革兰氏染色无壁细胞与原生质体
细胞壁的功能 固定细胞外形 协助鞭毛运动 保护细胞免受外力的损伤为正常细胞分裂所必需 阻拦有害物质进入细胞 与细菌的抗原性 致病性和对噬菌体的敏感性密切相关
高等植物霉菌 几丁质纤维素 细胞壁 酵母 甘露聚糖, 葡聚糖 化学组成 细菌 肽聚糖 磷壁酸 脂多糖 N- 乙酰葡萄糖胺 N- 乙酰胞壁酸 短肽
N-acetyl glucosamine CH 3 -CH- C=0 NH HC-C-CH 3 C=0 NH COOH-C-H (CH 2 ) 2 C=0 NH CH 2 OH O H-C- (CH 2 )-NH 2 C=0 NH CH 3 -C-H COOH Structure of peptidoglycan O L-Ala L-alanine D-glutamic acid D-Glu meso-diaminopimelic acid D-alanine CH 2 OH OH L-Lys D-Ala O n N-acetylmuramic acid b-(1,4) linkages M DPA peptide bond G G + 细胞壁肽聚糖单体结构 革兰氏阴性菌细胞壁肽聚糖的一个重复单位
E.coli( 左 ) 与 C.poinsettiae( 右 ) 肽聚糖中的肽桥
Schematic diagram of bacterial cell walls 细菌细胞壁结构模式 Gram + Gram- Bacteria can be divided into two major groups, called gram-positive and gram-negative. The original distinction between gram-positive and gram-negative was based on a special staining procedure, the Gram stain.
细胞质膜 肽聚糖 外壁层 Gram positive bacteria, G + Gram negative bacteria, G 细菌的细胞壁 ( 粉红色及以外的部分 )
肽聚糖 革兰氏阳性 外壁层 质膜 周质空间 革兰氏阴性 细胞壁抛面结构 Peptidoglycan is found only in bacteria Keep cells from lysing, due to turgor pressure
G +` G - 细胞壁成分的区别 成分 肽聚糖磷壁酸 类脂质蛋白质 占细胞壁干重的 % 含量很高 (30-95) 含量较高 (<50%) 一般无 (<2) 0 G + 含量很低 (5-20) 0 G - 含量较高 (-20) 含量较高
The cell wall of Gram negative bacteria
Procedures of Gram Staining
细胞壁与革兰氏染色 复染
细胞壁与革兰氏染色 第二章作业 1-2: 将上图翻译成中文
细胞壁以内的构造 原生质体 细胞质膜 (cell membrane) 细胞质和内含物 (cytoplasm and inclusion body) 核区 (nuclear region or area) 特殊的休眠构造 芽孢 (endospore, spore)
细胞膜 (cell membrane) 细胞膜液体镶嵌模型
Diagram of Cytoplasmic Membrane
细胞膜的功能 控制细胞内 外的物质的运送 交换维持细胞内正常渗透压以保证屏障作用 ; 合成细胞壁各种组分和荚膜等大分子的场所 ; 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地 ; 许多酶和电子传递链组分的所在部位 ; 鞭毛着生点和提供其运动所需的能量等
Substance Water Glycerol Tryptophan Glucose Chloride ion (Cl - ) Patassium ion (K + ) Sodium ion (Na + ) Comparative permeability of membranes to various molecules Rate of permeability* 100 0.1 0.001 0.001 0.000001 0.0000001 0.00000001 * Relative rate Permeability with respect to permeability of water given as 100
间体 (Mesosome) 的功能 相当于真核细胞的线粒体相当于真核细胞的内质网与细胞壁合成有关可能与核分裂有关有学者认为间体是一种赝象
细胞质 (cytoplasm ) 和内含物 ( inclusion body) 核糖体 (ribosome) 贮藏物 ) (reserve granule) 磁小体 (megnetosome) 羧酶体 (carboxysome) 气泡 (gas vocuoles) 质粒 (circular covalently closed DNA)
核糖体 (Ribosome) 核糖体 70S=30S+50S
多聚核糖体 核糖体 (Ribosome) 核糖体亚基释放 核糖体亚基连在
Reserve granule / Reserve materials 碳源及能源类 糖原 : 大肠杆菌 克雷伯氏菌 蓝细菌 芽孢杆菌等 聚 -ß- 羟丁酸 PHB: 固氮菌 产碱菌 肠杆菌 硫源 : 迂回螺菌 白喉棒杆菌 结核分枝杆菌 氮源类 藻青素 : 蓝细菌含有 藻青蛋白 : 蓝细菌含有 磷源 ( 异染粒 ): 迂回螺菌 白喉棒杆菌和分枝杆菌含有
Poly-ß-hydroxybutyrate,PHB 红色螺菌的电子显微镜图片
H H O H O C C C O H C H 3 H n n>10 6 PHB
OH H O P O H O n n=2~10 6 异染粒 (metachromatic granule) 多聚偏磷酸盐 异染颗粒嗜碱性或嗜中性较强, 用蓝色染料 ( 如甲苯胺蓝或甲烯蓝 ) 染色后不呈蓝色而呈紫红色, 故称异染颗粒
藻青素 (cyanophycin) Arg Arg Arg NH NH NH CO CO CO H 3 N + Asp Asp n Asp CO 2
如 Thiobacillus thioparus, Thiobacillus neapolitanus, Beggiatoa, Nitrobacteria 和 some of Cyanobacteria 羧酶体 (carboxysome) 存在于一些自养细菌内的多角形或六角形内含物大小约 10nm( 与噬菌体相仿 ) 内含 1,5 二磷酸核酮糖羧化酶 ( 糖合成代谢 ) 在自养细菌的 CO 2 固定中起关键作用
气泡 (gas vacuoles) 是许多光合型 无鞭毛水生菌中充满气体的泡囊状内含物 大小为 0.2 1.0um 75nm 内由数排柱形小空泡组成, 外有 2nm 厚的蛋白膜包裹 每个细胞中含几个或数百个气泡 功能 : 调节细胞比重以使细菌漂浮在最适水层中获取光能 O 2, 和营养物质 ; 只透气不透水
质粒 (circular covalently closed DNA ) 相对分子质量 :10 6 ~10 8 质粒 染色体 (Chromosomes)
Plasmid Prokaryotic cells have small extrachromosomal genetic elements called plasmids. Plasmids don t contain the genetic information for the essential metabolic activities of the cell, but they generally do contain genetic information for special features.
质粒功能 R 因子 : 与抗药性有关 F 因子 : 与有性接合有关其他质粒 : 与抗生素, 色素合成有关降解性质粒 : 与某些物质的降解有关基因工程中作为目的基因载体
Plasmid
核区 (nuclear region or area) 又称核质体 原核 拟核 核基因组 (genome) 是一个大型环状 DNA 分子 长度为 0.25~3.00mm 每个细胞所含的核区数一般 1~4 个 细菌除在染色体复制时间内呈双倍体外, 一般均为单倍体 是细菌遗传信息的负载者
The bacterial chromosome and supercoiling:
2.1.2.2 细菌细胞的特殊结构 荚膜鞭毛菌毛芽孢
鞭毛 细胞壁以外的构造 菌毛 性毛 糖被 糖被 (glycocalyx) 鞭毛 (flage, 复 flaglla) 菌毛 (fimbria, 复 fimbriae ) 性毛 (pili, 单数 pilus)
糖被 (glycocalyx) 包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质, 称为糖被 糖被的有无 厚薄与菌种遗传性有关, 还与环境条件 ( 特别是营养 ) 密切相关 糖被按其有无固定层次 层次薄厚又可分为荚膜 微荚膜, 粘液层和菌胶团 上 : 细菌负染后相差显微镜照片 ( 示荚膜 ) 右 A: 普通光学显微镜下荚膜右 B: 透射电镜下荚膜 A B
荚膜成分 多糖 纯多糖 杂多糖 多肽聚 -D- 谷氨酸 多肽和多糖蛋白质 葡聚糖果聚糖纤维素 海藻酸透明质酸
荚膜功能 保护作用 贮藏养料 附着作用 ( 有利于营养物质的摄取 ) 堆积代谢废物 保护细菌免受干旱损坏防止噬菌体的吸附和裂解使致病菌免受宿主白细胞吞噬 作为透性屏障或离子交换系介质 细菌间的信息识别作用
细菌荚膜实用意义 鉴定菌种提取葡聚糖 代血浆 胞外多糖 : 黄原胶用于石油开采 菌胶团用于处理污水
大荚膜 :macrocapsule 细菌荚膜种类 微荚膜 : microcapsule 黏液层 : slime layer
鞭毛 (Flagellum) 生长在某些细菌体表的长丝状蛋白质附属物, 称为鞭毛, 其数目为一至数条, 具有运动功能 细菌鞭毛显微镜照片 鞭毛一般长度为 15 20um, 直径为 0.01 0.02um 观察鞭毛的方法 : 染料沉积使之加粗后用显微镜观察 ; 常用电镜观察 判断鞭毛有无的方法 : 半固体培养基中穿刺培养平板培养菌落边缘 鞭毛的类型
鞭毛 Pseudomonas fluorescens 的电镜照片
电镜下的大肠杆菌 ( 示鞭毛 )
细菌鞭毛的类型 单端单生 单端丛生 单端对生 周生
运动的鞭毛
菌毛 (Pilus) ( 伞毛 纤毛 线毛 ) 功能 : 鞭毛菌毛性毛糖被 作为噬菌体的吸附位点作为附着到哺乳动物细胞或其他物体的工具
细菌的鞭毛和菌毛的比较 项目鞭毛菌毛 成分大小结构数目功能 着生处菌种 鞭毛蛋白 0.01~0.02 2~70um 一般由 3 股鞭毛蛋白链紧密绞 1~ 数百根成绳状运动 通过钩形鞘与细胞壁内的鞭毛基体连接许多杆菌和少数球菌 菌毛蛋白 0.007~0.009 0.5~20um 由菌毛蛋白亚基卷成中 1~ 数百根空螺旋附着, 接合 细胞质 许多 G - 杆菌和球菌
鞭毛 性毛 (pili, 单数 pilus) 构造和成分与菌毛相同, 但比菌毛长 数量仅一至少数几根 菌毛 性毛 糖被 性毛一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株中 其功能是向雌性菌株 ( 受体菌 ) 传递遗传物质
芽孢 (endospore/spore) 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 细菌芽孢在光学显微镜下的形态及其在胞内的位置 一个营养细胞内仅生成一个芽孢, 无繁殖功能芽孢是生物界中抗性最强的生命体 芽孢在普通条件下可保持几年至几十年的生活力
spores 芽孢 产芽孢细菌的种类芽孢的构造芽孢形成芽孢萌发芽孢的耐热机制研究芽孢的意义伴孢晶体细菌的其他休眠构造 枯草芽孢杆菌
芽孢的种类 芽孢 菌体 ( 营养细胞 )
Spore stain A: vegitative cells B: Spore Cells
细菌芽孢构造的模式图 孢外壁 芽孢衣 皮层 芽孢质芽孢核区 芽孢膜 核心 芽孢壁
芽孢的形成过程 : DNA 浓缩形成束状 芽孢裂解 皮层合成 质膜内陷 前芽孢双层膜形成 孢衣合成 合成 DPA
芽孢萌发 Life cycle of an endospore -forming bacterium vegetative cell sporulating cell spore spore germination outgrowth vegetative cell 萌发过程中的芽孢
芽孢耐热机制 是由芽孢化学组成的特点决定的含有吡啶 -2,6 二羧酸 (DPA-Ca) 含有芽孢特有的芽孢肽聚糖芽孢平均含水 40%, 皮层含水 70% 芽孢中酶的分子量较营养细胞小是由芽孢化学组成的特点决定的成熟芽孢的电镜照片
研究芽孢的意义 细菌分类 鉴定中的重要形态学指标 指导菌种保藏 制定灭菌参数
实用意义 : 细菌杀虫剂 生物农药 苏云金芽孢杆菌和伴孢晶体 少数芽孢杆菌在形成芽孢的同时, 会在芽 孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白 晶体 spospo, 称为伴孢晶体 作业 2: 查阅文献, 说明 BT 蛋白的杀虫机理
细菌的其他休眠构造 细菌的休眠构造除上述芽孢外, 还有孢囊 (cyst, 由固氮菌产生 ) 等 孢囊也是在逆境中产生的 孢囊也是在逆境中产生的休眠体 和芽孢一样没有繁殖功能
2.1.3 细菌繁殖方式
2.1.4 细菌群体的形态 ( 细菌的培养特征 ) 细菌的菌落特征 细菌的其它培养特征
细菌的菌落特征 http://www.flickr.com/photos/rubensduarte/34583133/
Colony morphology 固体培养基表面细菌菌落 ( 照片 )
细菌菌落特征正面图和剖面图
细菌菌落特征正面图和剖面图
细菌在半固体培养上的培养特征 细菌在琼脂培养基中穿刺培养的生长特征
细菌在明胶培养基中穿刺培养并液化明胶的特征
细菌在琼脂斜面上的培养特征
絮状环状浮膜状膜状 细菌在肉汤培养基中的表面生长特征
2.2 放线菌 (actinomyces) 什么是放线菌放线菌的形态构造放线菌的菌落特征放线菌的繁殖放线菌的生理放线菌与人类生活
放线菌是一类具有丝状与枝细胞的细菌 有原核 细胞壁的主要成分是肽聚糖 菌丝直径与细菌相仿 有的放线菌产生有鞭毛的孢子, 其鞭毛类型与细菌相同 放线菌噬菌体的形状与细菌的相似 最适生长 ph 相近, 一般呈微碱性 DNA 重组的方式与细菌的相同 核糖体同为 70S Filamentous, High G + C content, Grampositive (63 78% GC) 对溶菌酶敏感 凡细菌所敏感的抗生素, 放线菌也同样敏感
2.2.1 放线菌的分布与生活方式及形态结构 放线菌一般分布在有机物丰富和呈微碱性的土壤中, 含量较低 数量在 10 7 个 /g 左右 能看到 : 北方春季深层黑土地的白丝 能闻到 : 泥土特有的 泥腥味 链霉菌属产生的土腥素 (geosmins)
2.2.1 放线菌的形态结构 分生孢子 气生菌丝 孢子丝 固体基质 基内菌丝 链霉菌的形态结构 ( 模式图 )
基内菌丝 (Substrate mycelium) 又称营养菌丝, 功能是吸收营养与排泄代谢产 物, 直径 0.2-1.2um, 长度 100-600um, 色素可有 可无 基内菌丝
气生菌丝 气生菌丝 (Aerial mycelium) 基内菌丝长到一定时期, 长出培养基外, 伸向空间的菌丝, 直径 1-1.4um, 长短不一, 形状不一, 颜色较深
孢子丝 (Reproductive mycelium) 当气生菌丝生长发育到一定阶段, 气生菌丝上分化出的可形成孢子的菌丝 --- 孢子丝 (sporophore), 上生成串的分生孢子 (conidia) 孢子丝的形状及在气生菌丝上排列的方式随种而异
螺旋单轮生无螺旋两级轮生螺旋两级轮生 放线菌孢子丝类型 直形 弯曲丛生 成束 单轮生无螺旋 开环钩形原始螺旋形 松螺旋 紧螺旋
2.2.2 放线菌的繁殖方式 分生孢子孢子囊孢子菌丝断裂其他方式
2.2.2 放线菌的繁殖 2.2.3 放线菌的生活史 : 5 孢子丝分化形成的孢子 孢子丝 气生菌丝 孢子萌发 放线菌生活史 基内菌丝
2.2.2.1 分生孢子繁殖 横隔断裂形成孢子的过程 (1) 孢子丝中形成横隔 (3) 成熟孢子 (2) 沿横隔断裂形成孢子
2.2.2.2 孢囊孢子繁殖 孢子囊孢子繁殖 孢子囊形成初期 成熟孢子囊 孢子囊继续生长 粉红链孢霉孢子囊形成过程
2.2.3 放线菌的培养特征 放线菌实际上是细菌家族中的一员, 是一类具有丝状分枝细胞的革兰氏阳性细菌, 因菌落呈放射状而得名 放线菌最喜欢生活在有机质丰富的微碱性土壤中, 泥土所特有的 " 泥腥味 " 就是由放线菌产生的 用干燥 加热和药剂处理等选择性分离方法, 可以从土壤中挑选出我们所需要的有益放线菌菌种
2.2.3 放线菌的培养特征 放线菌的菌落是由一个分生孢子或一段营养菌丝生长繁殖引起许多菌丝互相缠绕而成, 质地紧密, 表面呈绒状或密实干燥多皱 由于其菌丝潜入培养基, 整个菌落像是嵌入培养基中, 不易被挑取 有的菌落成白色粉末状, 质地松散, 易被挑取
放线菌的菌落形态 菌落质地硬而且致密, 菌落小而不广泛延伸菌落表面呈紧密的绒状或坚实 干燥多皱 接种针难以挑取, 有时可挑碎, 有时可将整个菌落挑起
幼龄菌 : 菌落与细菌难以区分, 老龄菌 : 菌落周围具放射状菌丝 由于菌丝和孢子常具不同色素, 使菌落正面 背面呈不同色泽
放线菌生理 绝大多数为异养型, 能利用不同的碳水化合物 氮源以 Pr, 蛋白胨, 以及某些氨基酸最合适, 硝酸盐 铵盐和尿素次之. 一般都需要金属离子大多放线菌是好气性的最适温度 23-37 0 C
放线菌与人类 绝大多数抗生素由放线菌产生用来生产纤维素 酶 维生素 具固氮作用, 用于生产生物菌肥少数寄生型放线菌可引起动植物病害有的放线菌能破坏棉毛织品和纸张
1 根据革兰氏阳性菌和阴性菌的细胞壁结构和化学组成, 解释为什么革兰氏染色后 G + 呈紫色,G - 呈红色? 2 比较细菌和放线细群体培养特征的异同 3 以产甲烷菌为例, 总结古细菌的特点及其与细菌的不同之处 ( 作业 3) 4 总结本章各种微生物在环境工程中的作用 ( 查阅相关资料 )