【南昌大学】优质课《微生物学》第一章微生物概论.ppt
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1、【南昌大学】优质课全国特级教师江新欢博士教授微生物学微生物学第第一章一章 微生物概论微生物概论微生物及其特点微生物及其特点微生物的结构微生物的结构微生物的生命活动规律微生物的生命活动规律微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异微生物与人类健康微生物与人类健康一一.微生物的概念微生物的概念什么是微生物什么是微生物?AMicrobeormicroorganismisamemberofalarge,extremelydiverse,groupoforganismsthatarelumpedtogetheronthebasisofonepropertythefactthatnormally,theyare
2、sosmallthattheycannotbeseenwithouttheuseofamicroscope.微生物通常是指那些微小、简单、肉眼难以观察的物。微生物通常是指那些微小、简单、肉眼难以观察的物。英文英文“微生物微生物”一词一词“microorganism”microorganism”。微生物并不是一。微生物并不是一个分类学上的术语,它们主要是根据生物体的大小而被人为个分类学上的术语,它们主要是根据生物体的大小而被人为地划归在一起的地划归在一起的微生物在生命世界的位置微生物在生命世界的位置(a原核生物界原生生物界植物界真菌界动物界共同祖先细菌域古生菌域真核生物域(ba生物五界分类系统图
3、示原核生物界原生生物界植物界真菌界动物界共同祖先细菌域古生菌域真核生物域(b原核生物界原生生物界真菌界原核生物界原生生物界真菌界动物界共同祖先细菌域古生菌域共同祖先细菌域古生菌域真核生物域生物三域分类系统图示植物界微生物小的直观感觉微生物小的直观感觉真核细胞型真核细胞型原核细胞型原核细胞型电镜电镜微生物的相对大小微生物的相对大小肉眼肉眼光学显微镜光学显微镜可见范围可见范围病毒病毒20-200nm20-200nm0.5-200.5-20m m(一)微生物的分类(一)微生物的分类 微生物微生物细胞型微生物细胞型微生物非细胞型微生物非细胞型微生物原核微生物原核微生物真核微生物真核微生物原核微生物原核
4、微生物细胞核无核膜细胞核无核膜真核微生物细胞有核膜真核微生物细胞有核膜真细菌、古细菌真细菌、古细菌真菌、单细胞藻类、原生动物真菌、单细胞藻类、原生动物病毒、亚病毒病毒、亚病毒2、微生物种类整个微生物家族的成员包括三大类:整个微生物家族的成员包括三大类:非细胞类微生物非细胞类微生物 原核细胞类微生物原核细胞类微生物 真核细胞类微生物真核细胞类微生物 2.1 2.1 非细胞类微生物非细胞类微生物 病毒、类病毒、拟病毒等病毒、类病毒、拟病毒等HIVHIV病毒病毒Pally ren2.2 2.2 2.2 2.2 原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物细菌、放线菌、立克次氏体(
5、细菌、放线菌、立克次氏体(细菌、放线菌、立克次氏体(细菌、放线菌、立克次氏体(0.450.450.450.45m)、衣原体()、衣原体()、衣原体()、衣原体(0.250.250.250.25m)、)、)、)、支原体(支原体(支原体(支原体(0.150.150.150.15m)等)等)等)等大肠杆菌大肠杆菌 0157:H7 0157:H7 放线菌放线菌放线菌放线菌Pally ren(二)原核微生物(二)原核微生物1、细菌、细菌 细菌是属于原核型细胞的单细胞生物,形体微小,结细菌是属于原核型细胞的单细胞生物,形体微小,结构简单。无成形的细胞核、核仁及核膜,除核糖体外,无构简单。无成形的细胞核、核
6、仁及核膜,除核糖体外,无其他细胞器。其他细胞器。其基本形态有:球状、杆状和螺旋状,分别被称为球菌、其基本形态有:球状、杆状和螺旋状,分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌。杆菌和螺旋菌。(1 1)球菌:细胞呈球形或椭圆形,直径多为)球菌:细胞呈球形或椭圆形,直径多为0.5 1.00.5 1.0mm。细胞分裂后产生的新细胞,常保持一定的空间排列方式。细胞分裂后产生的新细胞,常保持一定的空间排列方式。包括包括单球菌单球菌、双球菌双球菌、链球菌链球菌、四联球菌四联球菌、八叠球菌、葡八叠球菌、葡萄球菌萄球菌。(2 2)杆菌:细胞呈杆状或圆柱状,一般为()杆菌:细胞呈杆状或圆柱状,一般为(0.2 0.2 1.25
7、1.25)(0.55.0)m(0.55.0)m2 2。(3 3)螺旋菌:包括弧菌)螺旋菌:包括弧菌 与与 螺旋菌螺旋菌 弧菌与螺旋菌的显著特征,前者多为偏端单生鞭毛或丛生弧菌与螺旋菌的显著特征,前者多为偏端单生鞭毛或丛生鞭毛,后者两端都有鞭毛。鞭毛,后者两端都有鞭毛。球菌杆菌螺旋菌 所有细菌细胞所共有的一般结构,如细胞壁、细胞膜、核糖体、细胞质及拟核;另有特殊结构,如鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢等。细菌的结构:细菌的结构:(1)细胞壁:细胞壁主要成分是肽聚糖,肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸两种氨基糖经-1,4糖苷键连接间隔排列形成的多糖支架。肽聚糖结构图肽聚糖结构图细胞壁的结构(G+细菌
8、与G细菌细胞壁构造的比较)革兰氏阳性细菌(G+)革兰氏阴性细菌(G)肽聚糖肽聚糖外膜革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞壁结构的比较革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞壁结构的比较特征特征革兰氏阳性菌(革兰氏阳性菌(G+菌)菌)革兰氏阴性菌(革兰氏阴性菌(G菌)菌)强度强度较坚韧较坚韧较疏松较疏松厚度厚度厚,厚,2080nm薄,薄,510nm肽聚糖层数肽聚糖层数多,可达多,可达50层层少,少,13层层肽聚糖含量肽聚糖含量多,可占胞壁干重多,可占胞壁干重5080%少,占胞壁干重少,占胞壁干重1020%磷壁酸磷壁酸+外膜外膜+结构结构三维空间三维空间二维空间(平面结构)二维空间(平面结构)细菌染色步骤细菌染色
9、步骤结晶紫染色30秒碘液染色1分乙醇脱色20秒番红复染色30秒革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌阳性菌阳性菌阴性菌阴性菌革兰氏染色法革兰氏染色法革兰氏阳性菌对青霉素敏感,外毒素生产者。革兰氏阳性菌对青霉素敏感,外毒素生产者。微生物:炭疽芽孢杆菌,金黄色葡萄球菌,微生物:炭疽芽孢杆菌,金黄色葡萄球菌,破伤风梭菌,白喉棒杆菌破伤风梭菌,白喉棒杆菌革兰氏阴性菌对四环素类抗生素和氨基糖苷革兰氏阴性菌对四环素类抗生素和氨基糖苷类抗生素敏感。如新霉素,卡那霉素和庆大类抗生素敏感。如新霉素,卡那霉素和庆大霉素。霉素。微生物:伤寒沙门氏菌,索氏志贺氏菌,百微生物:伤寒沙门氏菌,索氏志贺氏菌,百日
10、咳博德氏菌和鼠疫耶尔森氏菌日咳博德氏菌和鼠疫耶尔森氏菌 细菌的鞭毛(1)细胞膜的功能有:a、物质交换作用。b、细胞生物合成的重要场所。c、呼吸作用的场所。(2)核区:细菌的细胞核无核膜、核仁,由裸露的双股DNA回旋、盘绕、卷曲而成的松散网状结构;双股DNA共价结合在一个闭环中。(3)核糖体:细菌属70S颗粒(核生物核糖体为80S)。(4)质体:是细菌染色体外的遗传物质,为双股环状DNA分子,可以独立复制,稳定地遗传。(5)荚膜:是某些细菌在生长过程中,合成并分泌黏稠性物质堆积於细胞壁外,形成一层特殊的黏液物质结构。(6)芽孢:产生芽孢的细菌都是G菌。(7)鞭毛:细菌的运动器官(8)菌毛:是某些
11、细菌入侵宿主体引起感染致病的第一步。细菌的繁殖和培养(一)(一)繁殖繁殖一般为无性繁殖,一般为无性繁殖,二分裂法。二分裂法。同形裂殖:裂殖后形成的子同形裂殖:裂殖后形成的子细胞大小相等。细胞大小相等。异形裂殖:分裂产生两个大异形裂殖:分裂产生两个大小不等的子细胞。小不等的子细胞。细菌分裂过程:细菌分裂过程:核分裂核分裂形成横隔壁形成横隔壁子细胞分离子细胞分离(二)群体形态(二)群体形态1.1.1.1.固体培养固体培养固体培养固体培养菌落:菌落:在固体培养基上在固体培养基上,由由单个细胞繁殖形成的单个细胞繁殖形成的肉眼可见的子细胞群体。肉眼可见的子细胞群体。菌苔菌苔:大量细胞密集生长大量细胞密集
12、生长,结果长成的各结果长成的各“菌落菌落”连连接成一片。接成一片。(1)(1)平板培养平板培养不同的微生物种类,其菌落特征不同。同一种菌不同的微生物种类,其菌落特征不同。同一种菌在不同培养条件下菌落特征也不尽相同。在不同培养条件下菌落特征也不尽相同。菌落菌落的特征:的特征:包括大小、形状、颜色、边缘、质地、透明度、包括大小、形状、颜色、边缘、质地、透明度、光泽、表面、湿润度等。光泽、表面、湿润度等。粘质沙雷氏菌的菌落特征 沙门氏菌的菌落特征铜绿假单孢菌的菌落 弗氏志贺氏菌的菌落特征 粘质沙雷氏菌的菌落特征链霉菌属实放线菌中种类最多的类群,抗生素主要由链霉菌属实放线菌中种类最多的类群,抗生素主要
13、由放线菌产生,而其中放线菌产生,而其中90%90%又由链霉菌属产生。又由链霉菌属产生。蓝藻或蓝绿藻:它与高等绿色植物或高等藻类一样,蓝藻或蓝绿藻:它与高等绿色植物或高等藻类一样,含叶绿素含叶绿素A A而无叶绿体,是与属于真核生物的藻类而无叶绿体,是与属于真核生物的藻类的最大区别。蓝细菌无核膜,细胞壁结构与细菌细的最大区别。蓝细菌无核膜,细胞壁结构与细菌细胞壁相似,有肽聚糖、二胺基庚二酸,目前趋于归胞壁相似,有肽聚糖、二胺基庚二酸,目前趋于归入原核生物中。入原核生物中。蓝细菌形态差异变化较大,有球状、杆状、单细胞、蓝细菌形态差异变化较大,有球状、杆状、单细胞、丝状体等,从一般细菌大小丝状体等,从
14、一般细菌大小(0.51m)(0.51m)到到60m60m ,有,有时许多个体聚集在一起,形成肉眼可见的很大的群时许多个体聚集在一起,形成肉眼可见的很大的群体。体。1.立克次立克次体体 2.支原支原体体:支原:支原体体又又称类菌质体称类菌质体,无细胞壁无细胞壁,大小,大小为为0.20.3m 3.衣原衣原体体:是一:是一类类在真核在真核细细胞胞内营专内营专性寄生的小型性寄生的小型革兰氏革兰氏阴性阴性原核生物,有原核生物,有DNA和和RNA两种两种核酸,以二分裂方式核酸,以二分裂方式繁殖,缺乏繁殖,缺乏产产生能量的酶系,必須依靠宿主生能量的酶系,必須依靠宿主细细胞的胞的代谢代谢中中间产间产物物。2、
15、其他原核微生物其他原核微生物2.3 2.3 2.3 2.3 真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物 酵母菌和霉菌,单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌,单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌,单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌,单细胞藻类、原生动物等酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌霉菌分生孢子霉菌分生孢子霉菌分生孢子霉菌分生孢子Pally ren3、微生物的特点3.1 3.1 种类多种类多 3.2 3.2 分布广分布广 3.3 3.3 体积小体积小3.4 3.4 繁殖快繁殖快 3.5 3.5 代谢强代谢强 3.6 3.6 易变异易变异Pally ren3.1 3.1 种类多种类多微
16、生物的种数微生物的种数类型型低限低限倾向种数向种数高限高限病毒与立克次氏体病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体支原体424242细菌与放菌与放线菌菌1,0001,5001,500蓝细菌菌1,2271,5001,500藻藻类15,05123,10023,100真菌真菌37,17547,30068,939原生原生动物物24,06824,06830,000总数数79,78098,727127,298微生物的生理代微生物的生理代谢类型多、代谢谢类型多、代谢产物种类多。产物种类多。人类已经开发利用的微生物则仅占已发现微生物种的约人类已经开发利用的微生物则仅占已发现微生物种的约1%1%。P
17、ally ren3.2 3.2 分布广分布广在空气、水、土壤和动植物体表体内在空气、水、土壤和动植物体表体内,到处都充满了到处都充满了大量的各种微生物。大量的各种微生物。万米深海、万米深海、8585公里高空、公里高空、地层下地层下128128米和米和427427米米 沉积沉积岩中都发现有微生物存在。岩中都发现有微生物存在。Pally ren更高空最新更高空最新v20092009年年4 4月月印印度度科科学学家家在在地地球球同同温温层层顶顶部部发发现现3 3种种新新微微生生物物细细菌菌,它它们们并并不不存存在在于于地地面面上上,具具有有抵抵御御强强烈烈紫紫外外线线辐辐射射的的能能力力。科科学学家
18、家在在样样本本中中总总共共发发现现1212种种细细菌菌和和6 6种种真真菌菌,其其中中8 8种种微微生生物物是是基基于于16S 16S RNARNA基基因因序序列列,与与地地面面上上的的已已知知微微生生物物种种有有98%98%的的相相似似性性。但但其其中中有有3 3种种细细菌菌是是新新物物种种,它它们们比比邻邻近近的的物物种种具具有有非非常常高高的的抗抗紫紫外外线线能能力力。然然而而,在在当当前前的的研研究究中中科科学学家家并并未未确确定定这这3 3种种来来自自同同温温层层微微生生物物的的起起源源,在在未未来来的的研研究究中中科科学家将进一步探索揭示其起源之谜。学家将进一步探索揭示其起源之谜。
19、v第一种新微生物细菌被命名为第一种新微生物细菌被命名为“霍伊尔降解菌霍伊尔降解菌”(JaniJani bacterbacter hoyleihoylei),是以受人尊敬的天体物理学家佛雷,是以受人尊敬的天体物理学家佛雷德德霍伊尔命名,第二种微生物细菌被命名为霍伊尔命名,第二种微生物细菌被命名为“伊斯伊斯隆恩西斯杆菌隆恩西斯杆菌”(Bacillus (Bacillus isronensisisronensis),这个命名,这个命名代表对印度航天研究组织代表对印度航天研究组织(ISRO)(ISRO)进行的此次气球实验进行的此次气球实验取得成功的认可,第三种微生物细菌被命名为取得成功的认可,第三种微
20、生物细菌被命名为“阿耶阿耶波多杆菌波多杆菌”(Bacillus (Bacillus aryabhataaryabhata),是以印度著名古,是以印度著名古代天文学家阿耶波多代天文学家阿耶波多(AryabhataAryabhata)命名。命名。3.3 体积小病毒0.2 m杆状细菌0.52.0 m支原体立克次氏体衣原体0.20.5 m放线菌菌丝直径 0.52.0 m霉菌菌丝直径 210m酵母15530 mPally ren3.4 3.4 繁殖快繁殖快 一般细菌的世代时间为几十分钟至一百多分钟。一般细菌的世代时间为几十分钟至一百多分钟。在最适宜的培养条件下在最适宜的培养条件下,大肠杆菌每大肠杆菌每1
21、3132020分钟就可分裂出分钟就可分裂出新的一代。新的一代。在液体培养基中,细菌细胞的浓度一般为在液体培养基中,细菌细胞的浓度一般为10108 8-10-109 9个个/ml/ml。微生物繁殖速度快的特性微生物繁殖速度快的特性,在发酵工业上有着重要的实践意义。在发酵工业上有着重要的实践意义。实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母时,几乎时,几乎1212小时就可以收获一次,每年可以收获数百次。小时就可以收获一次,每年可以收获数百次。Pally ren微生物的代时及每日增殖率微生物的代时及每日增殖率微生物名称微生物名称代时代时每日分裂次数
22、每日分裂次数温度温度每日增殖率每日增殖率乳酸菌乳酸菌38分分38252.71011大肠杆菌大肠杆菌18分分80371.21024根瘤菌根瘤菌110分分13258.2103枯草杆菌枯草杆菌31分分46307.01013光合细菌光合细菌144分分10301.0103酿酒酵母酿酒酵母120分分12304.1103小球藻小球藻7小时小时3.42510.6念珠藻念珠藻*23小时小时1.04252.1硅藻硅藻17小时小时1.4202.64草履虫草履虫10.4小时小时2.3264.923.5 3.5 代谢强代谢强一接种环的谷氨酸生产菌,经两天的扩大培养和发酵就能一接种环的谷氨酸生产菌,经两天的扩大培养和发酵
23、就能将将8 8吨糖和吨糖和2 2吨尿素转化为吨尿素转化为3 3吨菌体和吨菌体和4 4吨谷氨酸。吨谷氨酸。一个能够利用乳糖的细菌每小时能消耗(分解)的乳糖量一个能够利用乳糖的细菌每小时能消耗(分解)的乳糖量等于其自身细胞重量的等于其自身细胞重量的2 2千倍以上。千倍以上。1 1公斤的酵母菌在一天之内可使几吨糖全部转化为酒精和二公斤的酵母菌在一天之内可使几吨糖全部转化为酒精和二氧化碳。氧化碳。代谢能力强的主要原因是由于个体小,比表面积大,因此代谢能力强的主要原因是由于个体小,比表面积大,因此它们能够在细胞与环境之间迅速交换营养物质和代谢产物它们能够在细胞与环境之间迅速交换营养物质和代谢产物 Pal
24、ly ren3.6 3.6 易变异易变异突变频率一般为突变频率一般为1010-5-51010-10-10微生物易变异原因:微生物易变异原因:个体多为单细胞或结构简单的多细胞,甚至非细胞结个体多为单细胞或结构简单的多细胞,甚至非细胞结构易受到外界物理或化学因素影响。构易受到外界物理或化学因素影响。细胞增殖速度快,细胞数量多,因而尽管其自发突变细胞增殖速度快,细胞数量多,因而尽管其自发突变率很低,也会造成在短时间内产生较多的变异后代。率很低,也会造成在短时间内产生较多的变异后代。生产青霉素的产黄青霉菌生产青霉素的产黄青霉菌,开始筛选获得时,每毫升发开始筛选获得时,每毫升发酵液仅含约酵液仅含约202
25、0单位的青霉素单位的青霉素,但经过多次诱变选育后,但经过多次诱变选育后,每毫升已超过每毫升已超过5 5万单位了。万单位了。实例实例病原微生物对抗生素的耐药性变异,病原微生物对抗生素的耐药性变异,4040年代初至今,成年代初至今,成人患者的青霉素注射剂量人患者的青霉素注射剂量,已由每天已由每天1010万单位提高到万单位提高到100100万单位甚至上千万单位。万单位甚至上千万单位。v地球上的真正主人不是其它生物,也地球上的真正主人不是其它生物,也不是人类,而是不是人类,而是微生物微生物v首先,从起源上看,地球上有了生命体首先是从某些微首先,从起源上看,地球上有了生命体首先是从某些微生物开始衍化的,
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