生物奧賽之微生物學(xué)

1、江寧高級中學(xué)生物奧賽輔導(dǎo)講義 汪久佳 2007年11月生物奧賽之微生物學(xué)一、全國及國際奧賽綱要對微生物學(xué)理論部分的要求原核生物細(xì)菌門藍(lán)藻門原綠藻門真核生物綠藻門結(jié)合菌門子囊菌門擔(dān)子菌門病毒原核細(xì)胞的組成：形態(tài)學(xué)光養(yǎng)和化養(yǎng)生物技術(shù)：發(fā)酵免疫 二、微生物學(xué)的知識體系1、概念：微生物是一群形體細(xì)小，構(gòu)造簡單的微小生物的總稱。少數(shù)微生物種屬對人體有害，而絕大多數(shù)微生物對人類是有益的。有些甚至是必需的。 2、微生物學(xué)是研究微生物在一定條件下的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生命活動和規(guī)律，研究微生物進(jìn)化、分類以及人類、動植物、自然界、相互關(guān)系等問題的一門科學(xué)。 微生物基礎(chǔ)認(rèn)識三、微生物的類型（1）原核細(xì)胞型微生物

2、：這類微生物包括細(xì)菌、衣原體、立克次體、支原體、螺旋體和放線菌。（由于細(xì)菌形體太小及菌體細(xì)胞大多數(shù)較為透明，為方便觀察將細(xì)菌進(jìn)行染色，過程：草酸銨結(jié)晶紫初染，碘液媒染，95%乙醇脫色，沙黃等紅色染料復(fù)染。被染成籃紫色的細(xì)菌稱革蘭氏陽性菌G+，被染成淺紅色的稱革蘭氏陰性菌G-。）（2）真核細(xì)胞型微生物：真菌、顯微藻類、原生動物等。（3）非細(xì)胞型微生物：病毒屬于此類。體積微小，能通過濾菌器。而且只能在活細(xì)胞內(nèi)生長繁殖。 四、原核細(xì)胞型微生物的結(jié)構(gòu)和功能、細(xì)菌（根瘤菌）1、形態(tài)（個(gè)體微小、形態(tài)多樣）、球菌（單球菌、雙球菌、鏈球菌、葡萄球菌）、桿菌、螺旋菌2、結(jié)構(gòu)、常規(guī)結(jié)構(gòu)：由細(xì)胞壁（肽聚糖

3、）、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)（核糖體）、核區(qū)（DNA裸露）、特殊結(jié)構(gòu)：莢膜（多糖或多肽，有保護(hù)作用）、鞭毛（蛋白質(zhì)，協(xié)助運(yùn)動）、芽孢（細(xì)菌生長一定階段后形成的休眠體，含水量低、耐熱性強(qiáng)，對不良環(huán)境有極強(qiáng)的抗性）3、各結(jié)構(gòu)的功能(1)  細(xì)胞壁：成分：肽聚糖功能：保護(hù)、屏障、機(jī)械保護(hù)；是細(xì)胞生長、分裂和運(yùn)動所必須的；賦予細(xì)胞抗原性、致病性和對噬菌體的敏感性等（2）原生質(zhì)細(xì)胞膜：控制運(yùn)輸、維持滲透壓、合成細(xì)胞壁、著生鞭毛等核區(qū)（擬核）特殊的休眠結(jié)構(gòu)芽孢（內(nèi)生孢子）4、營養(yǎng)方式同化作用方面、多數(shù)為異養(yǎng)腐生細(xì)菌（枯草桿菌）寄生細(xì)菌（痢疾桿菌）、少數(shù)自養(yǎng)光合細(xì)菌綠硫細(xì)菌：6CO2+12H2SC6H12O

4、6+6H2O+12S（光能+細(xì)菌葉綠素）化能合成細(xì)菌（利用無機(jī)物氧化提供的能量，將CO2合成有機(jī)物） 硝化細(xì)菌（氨亞硝酸） 硫細(xì)菌（硫化物硫硫酸） 鐵細(xì)菌（亞鐵高鐵）、兼性自養(yǎng)（氫細(xì)菌：氫水）異化作用方面、多數(shù)為好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌（乳酸菌發(fā)酵）、兼性厭氧細(xì)菌：硝酸鹽還原細(xì)菌、微量好氧細(xì)菌：擬桿菌屬中的個(gè)別種、藍(lán)藻（最早的原核藍(lán)藻出現(xiàn)于3533億年前）念珠藻（地木耳、發(fā)菜）、色球藻1、形態(tài)結(jié)構(gòu)、單細(xì)胞、群體。、與細(xì)菌常規(guī)結(jié)構(gòu)相似（細(xì)胞壁外有膠質(zhì)鞘）2、營養(yǎng)方式（光合作用）、色素（葉綠素A、類胡蘿卜素、藻藍(lán)素和藻紅素），外部顏色不一。、載色體3、分裂生殖、放線菌介于細(xì)菌和真菌之間、引發(fā)土壤的泥腥味

5、1、形態(tài)結(jié)構(gòu)、單細(xì)胞、呈放射狀的菌絲體。、菌絲分為營養(yǎng)菌絲（吸收養(yǎng)料）和氣生菌絲2、營養(yǎng)方式多數(shù)為需氧呼吸，營腐生生活。3、生殖方式（孢子生殖）、氣生菌絲形成孢子絲、孢子絲成熟形成分生孢子、孢子萌發(fā)形成新菌絲體4、特殊作用：產(chǎn)生抗生素。、其它原核生物（細(xì)菌枝原體立克次氏體衣原體病毒）1、立克次氏體：具細(xì)胞結(jié)構(gòu)，專性細(xì)胞內(nèi)寄生，分裂繁殖。2、支原體：具細(xì)胞結(jié)構(gòu)，無細(xì)胞壁，是最小的原核生物；多數(shù)營腐生生活；進(jìn)行分裂生殖或出芽生殖。3、衣原體：有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，專性細(xì)胞內(nèi)寄生；分裂生殖。五、真核細(xì)胞型微生物的結(jié)構(gòu)和功能1、霉菌、絲狀真菌：菌絲體分無隔菌絲（根霉、毛霉）和有隔菌絲（青霉、曲霉）、無葉綠素、腐

6、生生活（少數(shù)寄生）：菌絲體分營養(yǎng)菌絲（吸收養(yǎng)料）和氣生菌絲（上生孢子、與繁殖有關(guān)）（3）、孢子生殖2、酵母菌、卵形單細(xì)胞生物、不含葉綠素，營腐生生活、有氧時(shí)：有氧呼吸，產(chǎn)生二氧化碳和水無氧時(shí)：無氧呼吸，產(chǎn)生二氧化碳和酒精、環(huán)境好：出芽生殖環(huán)境差：孢子生殖 亦可進(jìn)行有性生殖（子囊孢子）六、病毒1、概念：病毒是超顯微的、無細(xì)胞結(jié)構(gòu)、專性活細(xì)胞寄生的大分子微生物。2、種類：植物病毒、動物病毒和噬菌體（細(xì)菌病毒）3、特性：個(gè)體極?。{米）專性寄生：無獨(dú)立代謝活動，只在特定宿主中繁殖，在宿主體外不進(jìn)行任何形式的代謝，不具備任何生命特征。無細(xì)胞結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成與繁殖方式簡單：化學(xué)組成：蛋白質(zhì)+核酸蛋白質(zhì)：保

7、護(hù)、特異親和力、抗原性核酸（含單一類型的DNA和RNA）繁殖方式：為仰賴于宿主細(xì)胞進(jìn)行復(fù)制繁殖講解噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)吸附侵入復(fù)制合成組裝釋放微生物營養(yǎng)和代謝七、微生物的營養(yǎng)（一）微生物的營養(yǎng)要求1.碳源【糖類、脂肪、有機(jī)酸】：主要用于合成微生物的細(xì)胞物質(zhì)和一些代謝產(chǎn)物，有些是異養(yǎng)微生物的主要能源物質(zhì)。2.氮源【無機(jī)氮源：氨水、硫酸銨、尿素、硝酸鈉；有機(jī)氮源：發(fā)酵菌絲體、酒糟】：主要用于合成蛋白質(zhì)、核酸以及含氮的代謝產(chǎn)物。3.無機(jī)鹽類【Pb 、 Mg 、 S 、 P 、 Fe、Co、Zn等】維持酶活力，調(diào)節(jié)滲透壓、pH值、電位等4.特殊生長因子【生物素、硫胺素、肌醇等】：構(gòu)成輔酶的組成部分，促進(jìn)

8、生命活動5.水：溶解營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物 （二）微生物的營養(yǎng)類型1光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）以CO2為主要或唯一碳源；利用光合作用獲取生長所需要的能量；以無機(jī)物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，還原CO2為細(xì)胞物質(zhì)；如：藻類、藍(lán)細(xì)菌：以水為電子供體（供氫體），產(chǎn)氧型的光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)。 紅硫細(xì)菌：以H2S為電子供體（供氫體），不產(chǎn)氧光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)，并伴隨有硫元素產(chǎn)生。2光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不以CO2為主要或唯一的碳源；以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；生長時(shí)多數(shù)需要外源的生長因子；例如：紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO

9、2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時(shí)積累丙酮。3化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）以還原態(tài)無機(jī)物氧化時(shí)釋放的化學(xué)能為能源；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源；利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體還原CO2成細(xì)胞物質(zhì)?；軣o機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機(jī)及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；如: 硝化細(xì)菌 氫細(xì)菌 鐵細(xì)菌 硫化細(xì)菌等4化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）以有機(jī)物氧化過程中釋放出的化學(xué)能作為能源；以有機(jī)化合物為主要碳源；如淀粉、糖類、纖維素、有機(jī)酸等以有機(jī)物為電子供體。有機(jī)物通常既是碳源也是能源；大多數(shù)細(xì)菌、 菌物、原生動物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；

10、所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；腐生型(metatrophy)：可利用無生命的有機(jī)物(如動植物尸體和殘?bào)w)作為碳寄生型(paratrophy)：寄生在活的寄主機(jī)體內(nèi)吸取營養(yǎng)物質(zhì),離開寄主就不能生存。腐生型與寄生型之間的中間類型：兼性腐生型(facultive metatrophy)； 兼性寄生型(facultive paratrophy)；（三）培養(yǎng)基的配置原則1、選擇適宜的營養(yǎng)物質(zhì) 培養(yǎng)不同的微生物必須采用不同的培養(yǎng)條件；培養(yǎng)目的不同，原料的選擇和配比不同；2、  養(yǎng)物的濃度及配比合適 營養(yǎng)物質(zhì)的濃度適宜；營養(yǎng)物質(zhì)之間的配比適宜；3、物理、化學(xué)條件適宜 4、滅菌處理5、原料

11、來源選擇：經(jīng)濟(jì)、方便等。（四）培養(yǎng)基類型1按成份不同劃分天然培養(yǎng)基(complex medium) ：由化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物組成。合成培養(yǎng)基(synthetic medium) ：是由化學(xué)成份完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基，也稱化學(xué)限定培養(yǎng)基(chemically defined medium) 2根據(jù)物理狀態(tài)劃分固體培養(yǎng)基：含1-2%的瓊脂半固體培養(yǎng)基：含0.2-0.7%的瓊脂液體培養(yǎng)基：不含凝固劑凝固劑：瓊脂、明膠、硅膠。3按用途劃分1）  基礎(chǔ)培養(yǎng)基：在一定條件下含有某種微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基，也稱為基本培養(yǎng)基。2）完全培養(yǎng)基)：在一定

12、條件下含有某種微生物生長繁殖所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基就是枯草芽孢桿菌等的完全培養(yǎng)基。3）加富培養(yǎng)基和富集培養(yǎng)基：在普通培養(yǎng)基（如肉湯蛋白胨培養(yǎng)基）中加入某些特殊營養(yǎng)物質(zhì)制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基。這些特殊營養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等。 4）鑒別培養(yǎng)基(differential medium)：用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基；利用特定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的特征性變化，根據(jù)這種特征性變化, 將該種微生物與其他微生物區(qū)分開來。5）選擇培養(yǎng)基(selective medium)：用于將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出 來的培養(yǎng)基。根據(jù)不同種類微生物的

13、特殊營養(yǎng)需求或?qū)δ撤N化學(xué)物質(zhì)的敏感性不同，在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營養(yǎng)物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)，抑制不需要的微生物的生長，有利于所需微生物的生長。（五）營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的四種方式1、擴(kuò)散(diffusion)特點(diǎn)：被動的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式，運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比，由高濃度向低濃度運(yùn)輸。物質(zhì)運(yùn)輸過程中不消耗能量，不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。非特異性的。2、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)特點(diǎn)：被動的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式，運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比，由高濃度向低濃度運(yùn)輸。物質(zhì)運(yùn)輸過程中不消耗能量，不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子

14、結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。具有專一性。3、主動運(yùn)輸(active transport) 特點(diǎn)：物質(zhì)運(yùn)輸過程中消耗能量，能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生或不發(fā)生變化。具有專一性。4、膜泡運(yùn)輸(memberane vesicle transport) 膜泡運(yùn)輸主要存在于原生動物中，特別是變形蟲(amoeba)。八、微生物的代謝1、代謝特點(diǎn)：初級代謝與次級代謝初級代謝產(chǎn)物：微生物通過代謝活動所產(chǎn)生的、自身生長和繁殖所必需的物質(zhì)，不同種類的微生物細(xì)胞中，初級代謝產(chǎn)物的種類基本相同。初級代謝產(chǎn)物的合成在不停地進(jìn)行著，任何一種產(chǎn)物的合成發(fā)生障礙都會影響微生物正常的生命活動，甚至導(dǎo)致死亡。次級代謝產(chǎn)

15、物：通過次級代謝合成的產(chǎn)物。大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。對微生物無明顯生理功能。根據(jù)次級代謝產(chǎn)物作用分為：抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。2、代謝的調(diào)節(jié)： （1）酶合成的調(diào)節(jié)：a.組成酶在細(xì)胞內(nèi)一直存在，它的合成只受基因調(diào)控；誘導(dǎo)酶只有環(huán)境中存在誘導(dǎo)物才能合成，它的合成受基因與誘導(dǎo)物共同控制；b.酶合成調(diào)節(jié)的對象是誘導(dǎo)酶；調(diào)節(jié)的結(jié)果是使細(xì)胞內(nèi)酶的種類增多；c.酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制（本質(zhì)）原核生物基因表達(dá)的調(diào)控，如大腸桿菌乳糖操縱子學(xué)說；d.酶合成調(diào)節(jié)的意義：既保證代謝需要，又避免細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量浪費(fèi)，增強(qiáng)適應(yīng)性。 （2）酶活性的調(diào)節(jié) a.酶活性調(diào)節(jié)的對象是酶（組成酶和誘導(dǎo)酶），

16、調(diào)節(jié)的結(jié)果是酶的催化能力發(fā)生變化；b.酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制通過酶與代謝過程產(chǎn)生物質(zhì)的可逆性結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)；c.酶活性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：快速、精確；d.酶活性調(diào)節(jié)的意義：避免代謝產(chǎn)物積累過多。 3、  生物固氮自生固氮菌：巴氏梭菌（好氧）共生固氮菌：根瘤菌（與豆科植物共生） 弗蘭克氏菌（與非豆科植物共生） 魚腥藻（與滿江紅共生）等固氮條件：固氮酶、ATP、電子傳遞體 固氮酶N2+e+H+ATP NH3+ADP+Pi 過程：N2+e+H+ATPNH3+ADP+Pi九、微生物的生長繁殖1、細(xì)菌的生長和繁殖方式：二分裂式生長：（1）遲緩期 這一時(shí)期細(xì)菌并不立即繁殖，活菌數(shù)不增多，但代謝很活躍，

17、菌體常增大2-3倍。遲緩期的長短不一，細(xì)菌的種類和接種的細(xì)菌的菌齡、數(shù)量以及培養(yǎng)條件而定，通常由數(shù)小時(shí)到數(shù)天不等。 （2）對數(shù)期 細(xì)菌繁殖迅速，增代時(shí)間極短?？倲?shù)和活菌數(shù)均呈幾何級數(shù)地增加。此階段細(xì)菌死亡很少。（3）穩(wěn)定期 由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗，毒性產(chǎn)物積集，細(xì)菌的繁殖速度下降，死亡數(shù)上升，新增數(shù)與死亡數(shù)幾乎相等。（4）衰退期 死亡越來越多，生理代謝活動也趨于停滯。 2、真菌的生長與繁殖 裂殖和芽殖：菌絲延長和酵母繁殖的主要方式無性孢子繁殖：營養(yǎng)細(xì)胞分化出新個(gè)體（孢子）有性孢子繁殖：不同的性細(xì)胞結(jié)合而產(chǎn)生新個(gè)體3、微生物生長和繁殖的控制化學(xué)控制：抗微生物劑：殺死或抑制微生物生長的物質(zhì)抗代謝物：用與生長因子結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)干擾微生物抗生素：一類次級代謝產(chǎn)物，具有抑菌或殺菌能力物理控制：高溫滅菌：灼燒、煮沸、干熱、濕熱滅菌過濾除菌高滲作用抑菌輻射和超聲波處理干燥 發(fā)酵工程 1、  簡介：利用生物特性和發(fā)酵理論，通過現(xiàn)代化的工程技術(shù)手段，進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，使受培養(yǎng)的微生物或動植物細(xì)胞積累所需產(chǎn)品的一門技術(shù)學(xué)科。 2、發(fā)酵工程內(nèi)容：菌種的選育（發(fā)酵工程內(nèi)