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1、第二章 原核微生物,第一节 古菌域 第二节 细菌域 第三节 蓝细菌 第四节 放线菌 第五节 其他原核微生物,第一节 古菌域,古菌是嗜极端环境的微生物，嗜酸、嗜盐、嗜碱、嗜热、嗜冷及嗜压等古菌有特殊细胞结构、生理（酶和辅酶）及代谢。加强对古菌的研究，利用它们的极端性应用于环境的治理很有价值。,综合微生物的细胞结构、化学组成，尤其对DNA、RNA及它们特殊的生活环境进行了深入细致的研究和比较，微生物学家根据rRNA序列的不同，将所有生物划分三大域： 古菌域（Archaea） 细菌域（Eubacteria） 真核生物域（Eucarya 或 Eukarya） 一、古菌的特点 （一）古菌的形态 形态：球
2、形、杆状、螺旋形、耳垂形、盘状、不规则形状、多形态。有的很薄，扁平。有精确的方角和垂直的边构成直角几何形态的细胞，有单个细胞、呈丝状体或团聚体。 直径大小：在0.115m，丝状体长度有200m。,原核微生物,（二）古菌的细胞结构,1.古菌的细胞壁 古菌的细胞壁不含二氨基庚二酸（D-氨基酸）和胞壁酸，不受溶菌酶和内酰胺抗生素如青霉素的作用。 G+古菌的细胞壁含有各种复杂多聚体，如产甲烷菌的细胞壁含假肽聚糖（pseudomurein）,甲烷八叠球菌和盐球菌不含假肽聚糖，而含复杂聚多糖。 G-古菌没有外膜，含蛋白质或糖蛋白亚基的表层，其厚度在2040nm。甲烷叶菌属、盐杆菌属和极端嗜热的硫化叶菌属、
3、热变形菌属和热网菌属的细胞壁有糖蛋白；甲烷球菌属、甲烷微菌属、产甲烷菌属和极端嗜热的脱硫球菌属有呈酸性的蛋白质璧。,（二）古菌的细胞结构 1.古菌的细胞壁,图 2-1 古菌的细胞外膜,2.古菌的细胞膜,古菌的细胞膜有极性脂（如磷酸脂、硫酸脂和糖脂），也有非极性脂，占膜脂的7%30%，化学成分为鲨烯的衍生物如C30类异戊二烯鲨烯和四氢鲨烯。 单层膜含碳量越多的越刚硬。热原体属和硫化叶菌属的单层膜都含四乙醚。 古菌的脂是甘油脂肪酸酯，由 键将甘油和脂肪酸连接，是非皂化性甘油二醚的磷脂和糖脂的衍生物。由乙醚键将分支碳氢链与甘油相连接，即isoprany甘油醚。如植烷醇甘油二乙醚、二联植烷醇甘油四乙醚
4、、双五环C40二植醇四乙醚。,2.古菌的细胞膜,古菌的细胞膜有两种：双层膜和单层膜，见图2-2。,图 2-2 古菌的细胞膜 由蛋白质和双层 C20 二乙醚组成双层膜 由蛋白质和C 40 四乙醚组成坚硬的单层膜,（三）代谢,古菌在代谢过程中有许多特殊的辅酶： 辅酶M(2-巯基乙烷磺酸)（为绝对厌氧的产甲烷菌） F420 F430 四氢甲烷蝶呤（H4MPT） 甲烷呋喃（MFR） 古菌因有五个类群，代谢呈多样性：异养型、自养型和不完全的光合作用的三种类型。 （四） 呼吸类型 严格厌氧、兼性厌氧和专性好氧。 Woese认为古菌没有严格的好氧型，没有完全的光合型。 （五）繁殖方式与繁殖速度 古菌繁殖方式
5、有二分裂、芽殖。其繁殖速度较慢，进化速度也比细菌慢。,（六）生活习性,大多数古菌生活在极端环境的湖泊、海洋水中，它们的生活环境具有下述特点 ： 盐分高 极酸 绝对厌氧的环境 极热 极冷 在南极，它们的量占南极海岸表面水域原核生物总量的34%以上。 古菌的代谢途径特殊，有的古菌有热稳定性酶和其他特殊酶。 产甲烷菌生长在富含有机物的厌氧环境中，如沼泽、温泉、淡水、海水沉积物、在反刍动物瘤胃和肠道中，粪便、污水处理厂剩余污泥的厌氧消化罐、有机固体废弃物厌氧堆肥或填埋中。,二、古菌的分类,按照古菌的生活习性和生理特性，古菌可分为有三大类型： 1.产甲烷菌(methanogenus)， 2.嗜热嗜酸菌(
6、thermoacidophiles)， 3.极端嗜盐菌(extremely halophiles)。 在1984年出版的伯杰氏系统细菌学手册第一版（第三卷）（Bergeys Manual of Systematic Bacteriology volume 3）中，将古菌放在第25组。,二、古菌的分类,分为五大群： 群1.产甲烷古菌(methanogenic archaeobacteria)， 群2.古生硫酸盐还原菌（还原硫酸盐的古菌）（archaeobacterial sulfate reducers）， 群3.极端嗜盐古菌(extremely halophilic Archaeobacter
7、ia)， 群4.无细胞壁古菌（cell wall-less archaeobacteria）， 群5.极端嗜热的和过度嗜热硫代谢古菌（极端嗜热的代谢硫的古菌）（extremely themophilic S0metabolizers）,见图2-3。,古菌域分类：泉古生菌门(A门) 广古生菌门(A门),图 2.-3 根据16S rRNA碱基顺序比较古菌详细的系统发育树,（一）泉古生菌门,泉古生菌门(Phylum Crenarchaeota) 大多数泉古生菌极端嗜热、嗜酸，代谢硫。硫在厌氧呼吸中作为电子受体和无机营养的电子源。它们多生长在含硫地热水或土壤中（如美国的黄石国家公园的富硫温泉）。 其下
8、有1纲3目、5科、22属,其代表属特征见表2-1。 其中的热网菌属（Pyrodictium）的最低生长温度是82，最适温度是105，最高生长温度为110。有无机营养和有机营养型，S0 和 H2 是无机营养型古菌的电子源。,表 2-1 泉古生菌门代表属特征,(二)广古生菌门（Phylum Euryarchaeota）,广古生菌门下有7纲： 1.甲烷杆菌纲 2.甲烷球菌纲 3.甲嗜高热菌纲 4.盐杆菌纲 5.热原体纲 6.热球菌纲 7.古生球菌纲 其下有： 9目、15科、48属。见表2-2。,表2-2 广古生菌门代表属特征,1.产甲烷菌,产甲烷菌(Methanogenus) 被认识至今约有一百五十
9、多年的历史。 （1）产甲烷菌的作用 产甲烷菌在自然界或粪便、污水处理厂剩余污泥的厌氧消化、有机固体废弃物厌氧堆肥或填埋中，在水解菌和产酸菌等协同作用下，将有机物降解成的H2、CO2、乙酸后，产甲烷菌将上述物质转化为 CH4。 它的甲烷化作用对天然气的形成，产生有经济价值的清洁燃料和生物能源起很大作用。,（2）产甲烷古菌分类,1974年伯杰细菌鉴定手册（第八版）中将 产甲烷菌归属为1科、3属、9种。 1979年Balch(贝尔奇)依据16S rRNA碱基顺序间同源性SAB（association coefficient）的大小，将产甲烷菌分为3目、4科、7属、13种。 1989年伯杰氏系统细菌学
10、手册（第一版）第三卷中将产甲烷菌分类为3目、6科、13属、43种。 1992年已发展为3目、7科、19属、70种。 产甲烷菌分为3纲（甲烷杆菌纲、甲烷球菌纲、甲烷嗜高热菌纲）、5目（甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷八叠球菌目、甲烷嗜高热菌目）10科26属，种则更多。 产甲烷菌的代表属及其特征分别见图2-4和表2-3。,图2-4 产甲烷菌的各种形态,表 2-3 产甲烷菌代表属的部分特征,（3）产甲烷菌的细胞结构,细胞封套 （包括细胞壁、表面层、鞘和 荚膜） 细胞质膜 原生质 核质 产甲烷菌有G菌（革兰氏阳性菌）和 G菌（革兰氏阴性菌），两者的细胞壁结构和化学组分有所不同，也是与细菌的区别
11、点。,产甲烷菌的细胞结构,细胞封套有四种：, G产甲烷菌的细胞壁有一层和三层的。 一层的细胞壁：如甲烷杆菌属和甲烷短杆菌属细胞壁厚度为1020nm，巴氏甲烷八叠球菌的细胞壁厚200nm。它们化学成分与G细菌的不同，不含胞壁质（即不含二氨基庚二酸或胞壁酸）而是假胞壁质或是未硫酸化的异多糖。 三层的细胞壁：壁厚为2030nm，有内层、中层和外层。外层在细胞分裂横隔形成时消失，如瘤胃甲烷短杆菌。 G的嗜热高温甲烷菌的细胞壁外有一层六角形的蛋白质亚基即S层覆盖。 G产甲烷菌不具有球囊多聚物或外膜。只有一层六角形或四角形的，由蛋白质亚基或糖蛋白亚基组成的S层。 甲烷螺菌的细胞质膜外只有一层由蛋白纤维组成
12、的鞘包裹几个细胞。其厚度为10nm。,（4）产甲烷菌的培养方法,产甲烷菌是专性厌氧菌，它的分离和培养等的操作均需要在厌氧的环境和用特殊的技术进行。方法有多种。 在液面加石腊。 液体石蜡的液体深层培养法。 抽真空的培养法。 在封闭培养管中放入焦性没食子酸和碳酸钾除去氧的培养方法(Berker)。 Hungate 的厌氧滚管法。 Hungate 的厌氧液体培养法。 Balch 的厌氧液体培养增压法。,(4）产甲烷菌的培养方法,目前最好的是厌氧手套箱，由四部分组成： 附有手套的密闭透明薄膜箱。 附有两个可开启的可抽真空的金属空气隔离箱。 真空泵。 氢和高纯氮的供应系统。 利用厌氧手套箱可做许多工作，
13、如： 分装厌氧培养基： 倒置平板； 离心厌氧微生物收集菌体； 对氧敏感的酶和辅酶的分离纯化； 进行电泳、厌氧性生物化学反应和遗传学研究等。,2.极端嗜盐菌（extremely halophilic archaea）,极端嗜盐菌对NaCl有特殊的适应性和需要性。它们栖息在高盐环境如晒盐场、天然盐湖或高盐腌渍食物如鱼和肉类。 需盐下限：为1.5mol/L(约88g/L的NaCl)； 最适生长需要量：为24mol/L(约117234g/L的NaCl)； 极端嗜盐菌最高需盐量：5.5mol/L的NaCl（为322g/L，饱和状态）。 极端嗜盐菌要靠钠、氯和镁离子维持细胞结构和硬度。,表 2-4 一些极
14、端嗜盐古菌的分类,在伯杰细菌鉴定手册（第九版）中，根据16S rRNA划为8属,见下表。,极端嗜盐古菌的一般特征,细胞形状:链状、杆状或球状。 革兰氏染色：阴性或阳性。 细胞组分： 细胞壁:不含二氨基庚二酸和胞壁酸，主要含脂蛋白。 荚膜：含20类脂。 专性好氧菌含有气泡，依靠气泡调节浮力，由深水处上浮到水面吸氧。 均含类胡萝卜素，保护强光对菌体的损伤。还含菌红素，菌体呈红、紫、橘红和黄色。 生长温度范围在3055之间，生长最适温度37。 嗜中温或轻度嗜热，生长温度可高到 55。 生长pH5.58.0。最适生长pH为7.27.4。有嗜中性或嗜碱性的。 化能有机营养型，呼吸代谢，从不发酵。好氧或兼
15、性厌氧， RNA聚合酶属型。,极端嗜盐古菌的一般特征,有些菌株在低氧压条件下，在细胞质膜上形成由视黄醛构成的一种特殊紫色素蛋白菌紫质（视紫红质）。 菌紫质有4个，功能各异： 第1个用于运输质子； 第2个可作光感受器，利用光合成ATP； 第3个吸收红光。 第4个吸收蓝光。利用光能转运氯离子进细胞，使细胞内KCl质量浓度维持在45mol/L。菌紫质参与形成能量转换系统紫膜。 紫膜为细胞质膜的一部分，可成为生物芯片，用于制作生物计算机的材料。还有人研究嗜盐细菌的细胞膜结构和功能，试图制成离体物，在体外合成ATP的太阳能电池。,3.热原体,热原体目有2科2属， 热原体属（Thermoplasma）：热
16、原体属的细胞无细胞壁，含大量二甘油四乙醚、脂多糖、糖蛋白。嗜热嗜酸，呈球状，能运动。59时呈不规则丝状。 嗜酸菌属（Picrophilus）：嗜酸菌属的细胞无细胞壁，质膜外有 S 层，其形态呈不规则球形。 G-菌，好氧菌，是嗜酸嗜热菌， 要求pH极低，最适pH 0.7，最高pH3.5， 生长温度4765，最适生长温度60。,表 2-5 热原体目各属特征,4.极端嗜热 S0 代谢菌 极端嗜热 S0 代谢菌有2属： 嗜热球菌属（Thermococcus） 热球菌属(Pyrococcus)， 极端嗜热，最适生长温度88100， 严格厌氧，还原S0为硫化物。 5.还原硫酸盐菌 还原硫酸盐菌呈不规则类球形，G-菌，有糖蛋白亚单位组成细胞壁。极端嗜热，最适生长温度83，长在海底热流火山口，厌氧菌。有产甲烷辅酶F420和甲
