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1、环环境微生物境微生物学学 课课程授程授课教课教案案 Teaching Plan for Environmental Engineering Microbiology 教学学时：4 周学时教学章节第二章 原核微生物教学内容和要求掌握细菌的个体形态、大小、细胞结构和物理化学性质； 了解古菌的特点及分类； 掌握放线菌的形态及菌落特征； 了解放线菌的生活史； 理解蓝绿细菌的结构及类别；教学重点细菌细胞壁构造，G+ 与 G- 细胞壁成分差异。古菌、放线菌形态构造。教学难点细菌的培养特征，细菌的染色原理、方法课程授课使用教（模）具在教学手段 中：打挂图参观 多媒体投影仪现代化手段 电视录像电影教学方法CA
2、I软件名称上机学时 思考题和作业P69 2、3、7、8备注第二章第二章 原核微生物原核微生物 Chapter 2 Prokaryomicrobe 第一节第一节 细细 菌菌 一、细菌的形态和大小一、细菌的形态和大小 细菌的个体形态要借助于光学显微镜才能观察到。细菌的基本形态可分为球状、杆状 和螺旋状三种，分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌 ( 图 1 2) 。 球菌呈球形和近球形。球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式，在分类鉴定 上有重要意义。根据球菌细胞分裂面和分裂后的排列方式，又可分为单球菌、双球菌、链 球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。 杆菌细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌的长宽比例上差异很
3、大，有的粗短，有的细长。短杆菌近似球状，长的杆菌近丝状。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis ) ，有的两端钝圆，如维氏固氮菌 ( Azotobacter vinelandii ) ，还有的两端削尖， 如梭杆菌属 ( Fusobacterium ) 。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，但有 的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列 。 细胞弯曲呈弧状或螺旋状。弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌 ( Vibrio cholerae ) 。 弯曲度大于一周的称为螺旋菌。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋状菌的 菌体僵硬，借鞭毛运
4、动，如迂回螺菌。有些螺旋状菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动并称为 螺旋体， 如梅毒密螺旋体 ( Treponema pallidium ) 。 细菌的形态除上述三种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属 ( Caulobacter ) ，细胞呈弧状或肾状并具有一根特征性的细柄，可附着于基质上。又如球衣菌属 ( Sphaerotilus ), 能形成衣鞘 (sheath) ，杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状体，此 外还有呈星状的星状菌属（ Stella ） 、正方形的细菌等 ( 图 1 3) 。 图图 1 2 细菌的基本形态细菌的基本形态 ( Madigan et al., 2000) 图
5、图 1 3 特殊形态的细菌特殊形态的细菌细菌的大小可以用测微尺在显微镜下进行测量，也可通过投影法或照相制成图片，再 按放大倍数测算。表示细菌大小的常用单位是 m( 微米 ) 。球菌大小以其直径表示，多 为 0.5 1 m 。杆菌和螺旋菌以其宽度与长度表示，杆菌的宽度一般为 0.4 10 m ，长度为宽度的一倍或几倍。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。细菌的大小因菌种而异，见表 1 1 。 细菌的形态、大小受多种因素的影响，一般处于幼龄阶段和生长条件适宜时，细菌形 态正常、整齐、表现出特定的形态大小。在较老的培养物中，或不正常的条件
6、下，细胞常 出现异常形态大小。 表表 1-2 细菌的大小细菌的大小菌 名 直径或宽长度 (m)乳链球菌 ( Streptococcus lactis ) 0.5-1 金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus )0.8-1 最大八叠球菌 ( Sarcina maxima ) 4-4.5 大肠杆菌 ( Escherichia coli )0.5 1-3 伤寒沙门氏菌 ( Salmonella typhi )0.6-0.7 2-3枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis )0.8-1.2 1.2-3 炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis )1-1.
7、5 4-8 德氏乳细菌 ( Lactobacterium delbruckii )0.4-0.7 2.8-7霍乱弧菌 ( Vibrio cholerae ) 0.3-0.6 1-3 迂回螺菌 ( Spirillum volutans ) 1.5-2 10-20二、细菌细胞的构造与功能二、细菌细胞的构造与功能 典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细胞 膜 、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、鞭毛、 菌毛、芽孢和孢囊等，这些结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能。 ( 一一 ) 、细胞壁、细胞壁 细胞壁 (Cell wal
8、l) 是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的 结构，占细胞干重的 10 25% 。 细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成 球形。 细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中， 细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁 的化学组成 也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失 去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支 点，为鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分 子物质有阻拦作用
9、。 1884 年丹麦人革兰氏 (Christian Gram) 发明了一种染色法，这种染色方法的基本步 骤为：在一个已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂碘液染色，然后用乙醇脱 色，最后用复染液 ( 沙黄或番红 ) 复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性 细菌 ( 常以 G - 表示 ) ，呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌 ( 常以 G + 表示 ) 。 这一程序后称革兰氏染色法 (Gram staining) 。通过这一简单染色可将所有细菌分为革兰 氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、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差异
10、，因此革兰氏染色有着十分重要 的理论与实践意义。 通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁 在 结构和化学组分上有显著的差异，见表 1-3 ，图 1 4 。 G - 细菌细菌 G + 细菌细菌 图图 1 4 革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌细胞壁比较图革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌细胞壁比较图 ( 引自引自 Prescott et al., 2002) 表表 1-3 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别比较项目 G + 细菌 G - 细菌 内壁层 外壁层 细胞壁厚度（ nm ） 肽聚糖结构 鞭毛结构 肽聚糖成
11、分 磷壁酸 脂多糖 脂蛋白 对青霉素、溶菌酶 2080 多层，75% 亚单位交联，网格紧 密坚固 基体上着生两个环 占细胞壁干重的 4090% 多数含有 无 无 敏感 23 8 单层，30% 亚单位交联，网格 较疏松 基体上着生四个环 5%10% 无 无 无 11%22% 有或无 有 不够敏感 古细菌没有肽聚糖1 、革兰氏阳性细菌细胞壁、革兰氏阳性细菌细胞壁 革兰氏阳性细菌只有一层厚约 20 80nm 的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖 (Peptidoglycan) 为主，占细胞壁物质总量的 40 90% 。另外还结合有磷壁质酸 (teichoic acid) 又称垣酸，是 G + 细菌细胞
12、壁特有的成分。 图 1 5 肽聚糖的化学组成和一级结构肽聚糖肽聚糖 是除古菌外，凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共有组分。肽聚糖是由若干肽 聚糖单体 ( 图 1 5 ) 聚合而成的多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种 组分： N- 乙酰葡萄糖胺 (N-acetylgluco samine ，简写 NAG) 、 N- 乙酰胞壁酸 (N- acetylmuramic acid ，简称 NAM) 和四肽链。 N- 乙酰葡萄糖胺与 N- 乙酰胞壁酸交替 排列，通过 -1 ， 4 糖苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与 N- 乙酰 胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子时，主要是两
13、条不同聚糖链骨架上与 N- 乙 酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的相互交联 ( 见图 1.6 ) 。不同种类细菌的肽聚糖聚糖 链骨架基本是相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条四肽链间的交联方式。四肽 链一般可以用 R 1 -D- 谷氨酸 -R 3 -D- 丙氨酸的通式表示。 R 1 大多是 L- 丙 氨酸， 少数是甘氨酸或 L- 丝氨酸。而 R3 的变化较大，可以是内消旋的二氨基A. 革兰氏阴性菌 B. 革兰氏阳性菌 图 1 6 肽聚糖单层结构模式图 ( 引自 Prescott et al., 2002)庚二酸 (meso-DAP) ， L- 赖氨酸， L ， L-DAP ， L- 鸟氨酸
14、， L- 二氨基丁酸， 有时也可以是同型丝氨酸或 L- 丙氨酸。四肽链第二位的 D- 谷氨酸也可羟基化，游离的 - 羟基可酰胺化或被甘氨酸等所取代。革兰氏阳性菌 ( 以金黄色葡萄球菌为例 ) 的四 肽链是 L- 丙氨酸 -D- 谷氨酸 -L- 赖氨酸 -D- 丙氨酸，二条四肽链间通过五聚甘氨酸桥 肽链而间接交联；桥肽的一头连接 L- 赖氨酸的 - 氨基，另一头连接着另一条四肽链的 D- 丙氨酸的羟基，交联度高，从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层三维空间网格结构。 磷壁质酸是大多数革兰氏阳性菌细胞壁组分，占细胞壁干重的 50% 左右，以磷酸二 酯键同肽聚糖的 N- 乙酰胞壁酸相结
15、合。此酸有两个类型：甘油型磷壁质酸 ( 图 1 7) 和核醇型磷壁质酸。甘油型磷壁质酸是由许多分子的甘油借磷酸二酯键联结起来的分子； 核醇型磷壁质酸是由若干分子的核醇借磷酸二酯键联结而成的分子。一般认为磷壁酸因含 有大量的带负电性的磷酸，故大大加强了细胞膜对二价离子的吸附，尤其是镁离子。而高 浓度的镁离子有利于对维持细胞膜的完整性、提高细胞壁合成酶的活性。磷壁酸是革兰氏 阳性菌表面抗原 (C 抗原 ) 的主要成分，也是噬菌体吸附的受体位点。 A B 图 1 7 磷壁酸类型及基本结构 A. 核糖醇磷壁酸 B. 甘油型磷壁酸 2 、革兰氏阴性菌细胞壁、革兰氏阴性菌细胞壁 G - 菌的细胞壁比 G + 菌的薄，可分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，厚约 2 3nm ，由肽聚糖组成，占细胞壁干重的 5 10% 。外壁层又称外膜（ outer membrane ）约 8 10nm ，主要由脂多糖 (lipopolysaccharide ， LPS) 和外膜蛋白 (out membrane proteins) 组成。 G - 菌与革兰氏阳性菌肽聚糖的不同之处就在于它们短肽上的氨基酸以及两条短肽上 氨基酸相联结的方式不同。革兰氏阴性菌 ( 以大肠杆菌为例 ) 肽聚糖肽链中的四个氨基
