1、第二章 微生物的形态结构及其与环境的关系第二章 微生物的形态结构及其与环境的关系本章要点：1.显微镜下微生物形态结构的观察及观察样品的制备2.原核微生物（细菌、放线菌、蓝细菌）的大小、结构、形态、繁殖3.真核微生物（原生、后生动物、真菌、藻类）的大小、形状、营养、繁殖4.病毒的大小、结构、特点、培养、增殖2.1 微生物形态结构的观察 2.1.1显微镜大约在16世纪末，荷兰的眼镜商詹森制造的显微镜是第一台复合式显微镜。1665年，英国科学家罗伯特胡克用他的显微镜（图2-1）观察软木切片的时候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构，胡克把它们称作“细胞”图。荷兰人安东尼冯列文虎克制造的显微镜（
2、图2-2）让人们大开眼界，人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”。 2-1 罗伯特胡克的显微镜 图2-2 列文虎克的显微镜 2.1.2 显微镜观察样品的制备具体步骤为：取一片干净的载玻片在实验台上，用一支滴管吸取试管中藻类培养液于载玻片的中央，用干净的盖玻片覆盖在液滴上（注意不要有气泡）即成标本片（如图2-3）。2.2 原核微生物原核微生物的核原始且发育不全，核质裸露，与细胞质没有明显的界线，称为拟核或类核。原核微生物没有细胞器，只有由细胞质膜内陷形成的不规则的泡沫结构体系，如中间体和光合作用层片及其它内折，也不进行有丝分裂。2.2.1 细菌细菌是指一类单细胞、细胞细短、结构简单、细胞壁坚韧、
3、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物，是一个完整的生命体。细菌广泛分布于自然界中，相同或相似的物种通常遍布世界的各个角落。一.细菌的形态与大小细菌形态学包括细菌的形状、大小、结构以及彼此之间的空间关系。就单个细胞而言，细菌的常见形状主要有球状、杆状和螺旋状三种，球状细菌简称球菌，杆状细菌简称杆菌，螺旋状细菌简称螺旋菌（图2-4）。图2-4 细菌的基本形状细菌的形状和大小随种类不同而有很大差异，表示细菌大小的单位一般用微米（m）。球菌的大小用菌体直径，杆菌和螺旋菌以其宽度（即直径）长度来表示。细菌的形状和大小受多种因素的影响，如培养温度、培养时间、培养基组分与浓度等都可能引起细菌形状和大小的
4、改变。一般情况下，处于幼龄阶段或生长条件适宜时，细菌表现出特定的形状，但比成熟或老龄的细菌要大。在较老的培养物中或不适宜的培养条件下，细胞尤其是杆菌常出现不正常的形状，如细胞膨大、出现梨形、产生分支、菌体伸长等不规则的形态。若将老的培养物转移到新鲜培养基中或适宜的培养条件下，细胞又可恢复原来的形态。培养基中渗透压的增加也会导致细胞变小。二.细菌细胞的结构原核细胞的结构包括基本结构和特殊结构。前者包括细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、核糖体、异染粒等，为多数原核细胞所共有，后者如鞭毛、菌毛、荚膜、芽孢等，仅为部分细菌或一般细菌在特殊环境下才有，其细胞结构如下（图2-5）。 图2-5 细菌细胞结构细
5、胞壁是位于细胞表面，内侧紧贴细胞质膜的一层具有一定硬度和韧性，略具弹性的外被结构，约占细胞干重的10%25%。细胞壁由多层堆积的肽聚糖组成。肽聚糖由N-乙酰基葡萄糖胺、N-乙酰基胞壁酸以及一些氨基酸、如丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸或二氨庚二酸等组成。细胞膜是一层柔软而富有弹性的具有选择性的半透性薄膜，其外侧紧贴于细胞壁内层，而内侧则包围着整个细菌的原生质，又称为原生质膜或质膜，其中含30%40%的脂类，2%的多糖和60%70%的蛋白质。细胞质是在细胞膜以内，除核物质以外的无色透明、粘稠的复杂的胶体，亦称原生质。它由蛋白质、核酸、多糖、脂类、无机盐和水组成。细菌作为原核微生物，其核没有核膜包裹，没有核
6、仁和固定的形态，故称为拟核或核质体等。它由脱氧核糖核酸（DNA）纤维组成，即由一条环状双链的DNA分子高度折叠缠绕形成的。拟核携带着遗传信息，是重要的遗传物质。 2.2.2 古细菌一.产甲烷菌产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成分，可代谢H2和CO2以及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧的古细菌。产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌2个生理类群，是厌氧食物链中的最后一组成员。产甲烷菌广泛分布于自然界，常见于同氧气隔绝的厌氧反应器、底泥、沼泽、稻田、垃圾填埋场、反刍动物瘤胃等环境中。二.极端嗜盐菌极端嗜盐菌一般定义为能够在1.5mol/L盐度环境中生长的微生物，多数为严格好氧菌，也有兼性
7、厌氧菌，常见于盐湖、盐场、盐腌食品等环境中。三.极端嗜热菌极端嗜热菌能够在100以上的水中生活，最适生长温度为80，分布于火山地区，富硫温泉、富硫水体中。四.无细胞壁古细菌无细胞壁古细菌又称热源体，类似于支原体，无细胞壁，生活于能自身发热的煤垃圾堆和酸热温泉中，适宜生长温度为55，适宜pH值为2。五.硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌（SRB）是指一类能把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物以及单质硫还原成硫化氢这一生理特征细菌的统称。硫酸盐还原菌大多数是中温性的，一般在30左右，生长最适pH值一般在中性偏碱范围，培养基置备时一般灭菌前将pH值调至7.07.6范围。 2.2.3 放线菌一.放线菌的形态
8、结构放线菌的形态比细菌复杂，但仍属于单细胞原核微生物。在显微镜下，放线菌呈分支丝状，这些细丝一样的结构叫做菌丝。放线菌菌丝直径与细菌相似，小于1m。菌丝细胞的结构与细菌相似。根据菌丝形态和功能的不同，放线菌菌丝可分为基内菌丝、气生菌丝和刨子菌丝三种。链霉菌属是放线菌中最经常被分离到的属，如图2-6所示。 图2-6 放线菌菌丝形态 二.放线菌的菌落特征放线菌在固体培养基上形成与细菌不同的菌落特征。放线菌菌丝相互交错缠绕形成质地致密的小菌落，干燥、不透明、难以挑取。大量孢子覆盖于菌落表面时，形成粉末状或颗粒状的典型放线菌落，由于基内菌丝和孢子常有颜色，使得菌落的正反面呈现出不同的色泽。放线菌主要通
9、过形成各种孢子来繁殖后代，也能通过菌丝断裂繁殖。 2.2.4 蓝细菌蓝细菌为单细胞，可形成丝状或非丝状的群体，非丝状群体为板状、中空球状、立方形等各种形状。蓝细菌细胞只有原始核，没有核膜和核仁，只有染色质、叶绿素，没有叶绿体、细胞核等细胞器。原生质内含大量叶绿素、胡萝卜素、藻胆素。同化产物以蓝细胞淀粉为主，并含藻毒素。细胞壁常由外界果胶质、内层纤维系两层组成。单细胞及非丝状群体常具有个体或群体胶被。丝状群体细胞壁外常具有胶鞘，有时具有层理和颜色。蓝细菌分布较广，普遍生长在淡水、海水、潮湿土壤、树皮及岩石中。耐高温和干燥，在沙漠的岩石缝隙中也能找到。它在污水处理和水体自净中起着积极的作用，在氮、
10、磷丰富的水体中生长旺盛，多喜生于含氮量较高，有机质较丰富的碱性水体中，一般喜较高的温度，在夏秋季节可大量繁殖，形成水华。2.2.5 其它原核微生物支原体、立克次氏体、衣原体是与人类关系较为紧密的几种原核微生物，它们的性质介于细菌与病毒之间，都是致病菌或病原体（图2-7）。2.3 真核微生物2.3.1原生动物原生动物（Protozoa）属于原生生物界，是动物中最原始、最低等、结构最简单的单细胞动物，属于真核生物，广泛分布在海水、淡水和潮湿的土壤中，多为单细胞，细胞结构较复杂。除常规的结构外，也具有特殊功能的结构。一.细胞形态和结构原生动物没有细胞壁，细胞的最外层是细胞质膜，细胞质膜的化学组成和功
11、能与其他真核生物的膜相同。原生动物有少量的内质网膜，还具有线立体、质体、细胞核和其它膜细胞器。原生动物形态各异，其细胞大多数在10300m之间，少数细胞可达34mm。体形大多为球形、卵球形。 二.原生动物的营养原生动物主要进行动物性营养，即以固态食物为食，食物包括细菌、藻类、其他动物和碎屑等。 三.原生动物的繁殖原生动物的繁殖可为无性繁殖和有性繁殖两类（一般进行无性繁殖）。无性繁殖是最简单的细胞分裂，即细胞质和细胞核一分为二，即常常通过有丝分裂进行，类似于原核生物的二分裂。严格地说，有性繁殖不是专门的繁殖方式，而是细胞核的更新现象。四.原生动物的类群根据运动方式的不同，原生动物可分为如下4个主
12、要种群：鞭毛虫纲、肉足纲、纤毛虫纲（废水生物处理系统中有2种完全不同的纤毛虫，即游泳型纤毛虫和固着型纤毛虫）、孢子虫纲。2.3.2 微型后生动物一.轮虫轮虫是多细胞动物中比较简单的一种，是软体动物，有头、躯干以及逐渐变细的足。在废水生物处理过程中，轮虫可作为指示生物。当活性污泥中出现轮虫时，往往表明处理效果较好，但数量太多，会大量撕扯生物絮体，则有可能破坏污泥的结构，使污泥松散而上浮。二.甲壳类动物水处理中遇到的多为微型甲壳类动物，这类生物的特点是具有坚硬的甲壳，通常有一对触角，通过鳃呼吸。微型甲壳纲动物一般有一个较大的头，一个短躯干，而且与较大的甲壳纲动物相比，躯干附着器上的节数较少，常见的
13、有水虱和剑水蚤。三.其他小动物水中有机淤泥和生物黏膜上常生活着一些小动物，如线虫和昆虫（包括其幼虫）等。在废水生物处理的活性污泥和生物膜中都可发现线虫。2.3.3 真菌真菌是指单细胞（包括无隔多核细胞）和多细胞，不能进行光合作用，靠寄生或腐生方式生活的真核微生物。真菌与细菌、古细菌一起构成自然界的初级分解者，他们负责氧化死亡的有机物，分解产生无机物返回自然环境，通过其它生命形式的作用进入下一个循环。真菌是异养的真核生物，具有丝状或管状结构，除了一些单细胞形式如酵母以外，真菌是由大量丝状物组成的。一.霉菌霉菌是一类丝状真菌，凡生长在营养基质上形成绒毛状、蜘蛛网状或棉絮状菌丝体的真菌，统称为霉菌。
14、霉菌以孢子的形式繁殖，可进行有性繁殖和无性繁殖，多数不能运动，但有些生殖细胞可运动。1.霉菌的形态与结构霉菌菌体均由分枝或不分枝的菌丝构成。菌丝在显微镜下呈管状，直径约3-10m，比一般的细菌和放线菌菌丝大几到几十倍。根据菌丝是否存在隔膜，可将霉菌菌丝分为无隔菌丝和有隔菌丝两类（图2-8）。 图2-8 霉菌菌丝A.无隔菌丝；B.有隔菌丝两类2.霉菌菌丝体及其分化在固体培养基上，霉菌的菌丝依其生理功能的不同可分为两种：一种是伸入培养基内负责吸收和输送营养的菌丝，称为基内菌丝或营养菌丝，另一种是与培养基表面相连接的伸向空中生长的菌丝，称为气生菌丝。3.霉菌菌落形态菌落一般呈圆形或近圆形，但外观差别
15、很大，可归纳为棉絮状、绒毛状、蛛网状，越接近菌落中心，颜色一般也深，有些霉菌因产生色素，至使菌落背面也带有颜色。二.酵母菌酵母菌（yeast）一般泛指能发酵糖类并以芽殖或裂殖的方式进行无性繁殖的一类单细胞真菌。它是人类实践中应用较早的一类微生物，与人类的生活生产关系密切。1.酵母菌的形态与大小酵母菌的细胞形态一般为球形、椭圆形、卵形或香肠形等，是无鞭毛不运动的单细胞真菌。酵母菌细胞的大小一般为（310）m（520）m，最长的可以达到100m，其体积比细菌大20多倍。2.酵母菌的细胞结构酵母菌的细胞主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、液泡和线粒体等构成（图2-9）图2-9 酵母菌细胞结构3.酵
16、母菌的繁殖和菌落形态酵母菌的繁殖方式可分为无性繁殖和有性繁殖。无性繁殖主要有芽殖、裂殖、产生无性孢子（节孢子、掷孢子、厚垣孢子）等方式，有性繁殖则以形成子囊和子囊孢子进行，酵母菌的无性繁殖主要以芽殖为主。酵母菌菌落形态一般呈圆形或近圆形，边缘圆整，颜色均一，多呈乳白色或浅黄色，少数呈红色（如红酵母）。菌落表面一般较湿润、光滑。菌落隆起呈半圆形或圆形，菌落质地均匀，较粘稠，呈固态油脂状，容易挑起。多数假丝酵母的菌落则较平坦，表面皱缩粗糙，边缘不整齐或呈缺刻状。三.蕈菌蕈菌（mushroom）又称为伞菌，是一类能形成形状、大小、颜色各异的大型肉质子实体的高等真菌，包括大多数担子菌和极少数的子囊菌（
17、图2-10）。图2-10 几种蕈菌1.蕈菌的形态和结构发育蕈菌的子实体一般由帽状的菌盖（包括表皮、菌肉和菌褶）、杆状的菌柄和基部的菌丝体构成，菌盖能产生孢子，是繁殖器官。蕈菌的菌丝体发达，在其发育过程中，菌丝依次分化为一级菌丝、二级菌丝、三级菌丝。2.蕈菌的繁殖蕈菌既可进行无性繁殖，也可进行有性繁殖。无性繁殖可以以菌丝体的裂殖或芽殖进行，也可以产生无性孢子（分生孢子或粉孢子）来繁殖。有性繁殖是通过产生担孢子来进行的，也是蕈菌独有的有性繁殖方式，担孢子是着生与菌褶担子上的一种外生孢子。2.3.4藻类藻类指的是除苔藓植物和维管束植物以外，含有光合色素，可进行光合作用，并伴随释放氧气的一大类真核生物
18、。藻类在水质以及水污染控制方面具有重要意义。藻类是微型的、自由浮动的生命形式，或称为浮游植物，是天然水体中有机物的主要初级生产者，能够将光能转化为细胞有机质，有机质再作为原生动物以及鱼类的食物。作为产氧光养型生物，藻类是天然水体中氧气的主要来源。一.藻类的形态藻类种类丰富，含有叶绿素，是能够进行光合作用的真核生物。其形态多种多样，可分为单细胞体、群体和多细胞体。单细胞体种类大多营浮生活，多为小型微观藻类。藻体常为球形、椭球形、圆柱形、纺锤形、纤维形、新月形等。群体的形状常呈球状、片状、丝状、树枝状或不规则团块状。藻体的形态以及群体中的细胞数目、排列方式、细胞间的相互关系在分类上都占重要的地位。
19、二.藻类的细胞结构藻类大多具有明显的细胞壁，其主要成分为纤维素果胶质，有时结合有二氧化硅和碳酸钙，细胞壁的构造形态因种类不同而不完全一致。藻类细胞有细胞核、线粒体、核糖体、高尔基体和叶绿体。内部细胞结构由微管和内质网的网状结构支撑。藻类细胞通常有1条或2条鞭毛，鞭毛的着生部位旁有眼点，使得细胞通过两侧鞭毛的划动或鞭毛螺旋桨式的转动，游向亮处。三.藻类各门概述根据藻类的光合色素的种类、个体形态、细胞结构、生殖方式和生活史等，藻类可分类为10个门（包括兰细菌）：蓝藻门、隐藻门、甲藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、裸藻门、绿藻门、红藻门和轮藻门。2.4 病毒病毒为非细胞生物，无细胞结构，只含有DNA或R
20、NA和蛋白质壳体。当病毒DNA或RNA被注入一个合适的宿主细胞后，它能够改变宿主细胞的代谢机制，转而进行病毒细胞的复制。当病毒病毒个体微小，大小在纳米级，一般只能在电镜下才能看见，而大的病毒刚好在光学显微镜的分辨率范围内，因此观察病毒需要电子显微镜或者其它更高分辨率的仪器。当病毒的数量足够多时，宿主细胞死亡并破裂，新的病毒颗粒被释放出来，继续感染新的宿主细胞。2.4.1病毒的特点和分类一般来说，完整的病毒粒子，简称为毒粒，仅由蛋白质外壳包裹一个或多个DNA或RNA分子组成，它分为两个阶段存在：胞外阶段和胞内阶段。毒粒即其胞外形式，可以抵抗几乎所有酶的侵袭，但不能独立于活细胞增值。在其胞内阶段，
21、病毒主要以正在复制的核酸的形式存在，诱导宿主细胞合成病毒组分，最后完整的病毒颗粒或毒粒被释放出来，具有在活细胞内专性寄生的特点。它的繁殖需要进入细胞并依赖宿主的代谢系统合成自身所需的蛋白质，复制病毒核酸，从而完成独立的装配，实现自身的繁殖。2.4.2病毒的大小、形态与结构病毒比细菌小得多，一般在光学显微镜下看不到，其直径范围在15300nm之间，大多数病毒直径在100nm左右。它的形态很多，归结起来有杆状或丝状、多面体或球形、蝌蚪状三种主要类型。病毒的基本组成单位是核酸和壳体，有些病毒还有包膜、刺突等结构。一.核酸一种病毒只含有一种类型的核酸（DNA或RNA）。核酸可以是线状的，也可以是环状的
22、。大多数病毒粒子中只含有一个核酸分子，少数RNA病毒含有两个或两个以上的核酸分子，分别具有不同的遗传功能，它们一起构成病毒的基因组。病毒核酸（基因组）储存着病毒的遗传信息，控制着其遗传变异、增殖和对宿主的感染性等。二.壳体壳体是包裹在病毒核酸之外的蛋白质外壳，由许多壳粒组成。壳粒是指在电子显微镜下可以辨认的组成壳体的亚单位，由一个或多个多肽分子组成。病毒蛋白质的作用主要是构成病毒壳粒外壳，保护病毒核酸，决定病毒感染的特异性，与易感染细胞表面存在的受体有特异亲和力，还具有抗原性，能刺激机体产生相应抗体。三.包膜包膜也称封套或囊膜，指包被在病毒核酸壳体外的一层包膜，主要由磷脂、糖脂、中性脂肪、脂肪
23、酸、脂肪醛、胆固醇等组成。囊膜表面往往具有突起物，称为刺突。有囊膜的病毒有利于其吸附寄主细胞，破坏宿主细胞表面受体，使病毒易于侵入细胞。2.4.3病毒的培养与增殖一.病毒的培养1.动物病毒的培养动物病毒是专性寄生在人体与动物细胞内的一类病毒。培养动物病毒的方法主要有动物实验法、鸡胚培养法、组织培养法，特别是组织培养技术的建立，使得人们通过分离获得到许多过去对动物不敏感的新病毒，大大拓展了病毒学的研究范围，这不但使临床病毒学有所发展，而且还可用于研究病毒的复制和遗传，使人们对病毒的本质有进一步的认识。组织培养原来是指体外培养的切碎悬浮组织或埋于凝固血浆中的组织块，后来泛指体外的细胞培养。大体过程
24、为：将病毒接种物覆盖于生长在特制培养皿中的一层动物细胞上，并静置一段时间，使病毒与细胞接触并吸附于细胞上。然后，用一层琼脂覆盖在细胞上以限制毒粒的扩散，使新产生的子代毒粒只能感染邻近的细胞，结果形成了局部细胞病损和溶解的区域，称为噬菌斑。2.细菌病毒（噬菌体）的培养细菌病毒又称为噬菌体，可在液体培养基中或琼脂培养基上活跃生长的新生的细菌细胞中培养。在液体培养基中，因很多的宿主细胞遭到病毒破坏而裂解，从而使混浊的细菌培养物快速变清。固态的琼脂培养物可以这样来制备：将噬菌体样本与冷却的液态琼脂及相应的细菌培养物混合。混合物快速注入已有一层消毒琼脂作底层的培养皿中，待琼脂硬化后，上层琼脂中的细菌生长
25、，反之，形成一层不透明的连续的菌苔。无论毒粒由哪里释放出来，它只能感染邻近的细胞并增殖。最后细菌裂解产生噬菌斑即菌苔上的透明区，其外观常因培养的噬菌体不同而异。3.植物病毒的培养植物病毒是目前所知仅以植物为宿主的病毒，它可用不同的方法培养，植物组织培养、分离细胞培养或原生质培养均可采用。植株的各部分均可供病毒生长。二.病毒的增殖病毒增殖的“生长周期”包括病毒特异性的吸附、侵入及脱壳、核酸转录、蛋白质合成、病毒粒子的成熟和装配以及随后通过出芽或裂解的方式从细胞中释放出来。1.吸附、侵入和脱壳吸附是病毒粒子通过扩散和分子运动附着在寄主细胞表面的一种现象，这种附着是通过病毒与细胞膜上的受体发生特异性
26、的作用来完成的。当病毒粒子附着在寄主细胞表面后，侵入和脱壳开始。不同的病毒粒子侵入寄主细胞内的方式不同，大部分噬菌体通过注射的方式将核酸注入细胞内，而外壳则留于细胞外。2.转录和翻译病毒粒子侵入寄主细胞后，引起寄主细胞的代谢发生变化，细胞的生物合成不再由细胞本身支配，而受病毒核酸携带的遗传信息所控制，病毒利用细胞的和自己编码的酶以及“辅助”蛋白，使核酸在一种调控方式下被转录，并利用寄主细胞的合成机制和机构，复制出病毒核酸，翻译蛋白质，翻译的蛋白质要经过翻译后修饰才能称为成熟的蛋白质。3.装配和释放随着蛋白质和核酸在感染细胞内的合成，它们被引导至各个位置，进行病毒粒子的装配，成为成熟的病毒颗粒。大多数DNA病毒的装配在细胞核中进行，大多数RNA病毒的装配则在细胞质中进行，在有胞膜的病毒中，其胞膜则是在衣壳出芽时穿过核膜或质膜的过程中获得的。装配完成的病毒颗粒通过出芽或裂解的方式离开细胞，这个过程就是病毒的释放。
