工业微生物学（教材电子书）：第二章 微生物的形态与分类(1)

第二章 微生物的形态与分类 微生物的形态是微生物鉴别和分类的基本依据。本章主要介绍细菌和放线菌等原核微生物、酵母菌和霉菌等真核微生物以及病毒等非细胞型微生物的形态和分类的基本知识。 2.1 微生物在生物界中的地位 在人类发现微生物之前，科学家将一切生物分成两个界线分明的界—— 动物界和植物界。随着人们对微生物认识的逐渐深入，近一百多年来，从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统，最后又有了三原界（或三总界）系统。传统的、为多数学者所接受的是1969年魏塔克（R.H.Whittaker）在《Science》上提出的五界学说，见图2.1.1，它以纵向显示从原核生物到真核单细胞生物再到真核多细胞生物的三大进化过程，而以横向显示吸收式营养(absorption) 、光合营养(photosynthesis)和摄取式营养(ingestion) 这三大进化方向。五界系统包括动物界(Animalia)、植物界(Plantae)、原生生物界（Protista, 包括原生动物、单细胞藻类、粘细菌等）、真菌界（Fungi,包括酵母菌、霉菌和担子菌等）和原核生物界（Monera,包括细菌、放线菌和蓝细菌等）。我国学者王大耜曾在1977年提出在Whittaker五界系统基础上增设一个病毒界（Vira)成为六界系统。但是，病毒在生物界级分类上的位置仍然是个学术难题。若依照六界系统分类，微生物涉及四个界：原核生物界、真菌界、原生生物界和病毒界，见图2.1.1。
图2.1.1 魏塔克的五界系统示意图 原核微生物：细菌，放线菌、蓝细菌和其它 原核生物界 具细胞结构 （立克次氏体、枝原体和衣原体） 微生物 真核微生物 真菌（酵母菌，霉菌） 真菌界 单细胞藻类，原生动物 原生生物界 无细胞结构 病毒 病毒界 图2.1.2 微生物包括的四个界 70年代以后，由于对各大类生物进行了深入的分子生物学研究并积累了大量的研究资料，尤其是Woese（1977）对它们的16SrRNA核苷酸顺序的同源性进行测试后，终于在1978年由魏塔克和L.Margulis提出三原界（Urkingdom)学说。见图2.1.3。如图所示，在生物进化早期，存在着一类各生物的共同祖先（universal ancestor)，由它分三条进化路线，形成了三个原界：（1）古细菌（Archaebacteria)原界，包括产甲烷细菌、极端嗜盐菌和嗜热嗜酸菌；（2）真细菌（Eubacteria)原界，包括蓝细菌和各种除古细菌以外的其它原核生物；（3）真核生物（Eucaryotes）原界，包括原生生物、真菌、动物和植物。三原界学说还吸收了关于真核生物起源于原核生物的内共生即“内共生学说”的精髓，使其内容更加完善。
图2.1.3 三原界系统图示 系统提出内共生学说的是Margulis。她在《真核细胞的起源》一书中，论述了真核细胞进化中的线粒体、叶绿体和鞭毛的共生起源。她认为，在细胞进化过程中，一种细胞捕捉了另一种细胞而未能消化它，结果两者发生了内共生，从而完成了进化历史上质的飞跃。具体说，最初可能由一种类似枝原体的较大型的异养、厌氧原核生物吞噬一种小型的好氧原核生物（很象现代的脱氮副球菌Paracoccus denitrificans)，从而使后者成为前者的内共生生物，并逐渐发展成为现在的线粒体。后来这种具有线粒体的变形虫状细胞又与螺旋体状原核生物发生细胞融合，形成具有鞭毛、能运动的真核生物。继续沿着这一方向进化，就可演化成原生动物和真菌，而原生动物又可进一步进化成多细胞动物。如果它与原始的光合细菌发生内共生，则光合细菌就成了细胞内的叶绿体，最终就可以演化成为各种绿色植物。 促使人们提出三原界学说的最重要原因是发现了曾被称为“第三生物”的古细菌，古细菌具有一系列独特性状。与真细菌相比，古细菌有以下几个特点： 细胞膜的类脂特殊 古细菌所含的类脂不能被皂化。其中的中性类脂以类异戊二烯类的烃化物为主，极性类脂则以植烷甘油醚为主。 细胞壁的成分独特而多样 有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但不论是何种成分，它们都不含胞壁酸、D-氨基酸和二氨基庚二酸。 （3） 核糖体的16SrRNA的核苷酸顺序独特，即不同于真细菌，也不同于真核生物。 （4） tRNA的核苷酸顺序也很独特 ，且不含有胸腺嘧啶。 （5） 蛋白质合成的起始密码是甲硫氨酸，与真核生物相同。
图2.1.4 真核细胞的共生起源假说 （6） 对抗生素的敏感性较独特，对那些作用于真细菌细胞壁的抗生素如：青霉素、头孢霉素和D-环丝氨酸等不敏感；对真细菌转译有抑制作用的氯霉素对其无作用；对能抑制真核生物转译的白喉毒素十分敏感。 （7） 其生态环境较独特，有的严格厌氧，如产甲烷菌（methanogens)；有的是极端嗜盐菌（extreme halophiles)；有的则是嗜热嗜酸菌(thermoacidophiles)。 古细菌、真细菌和真核生物的主要特点见表2.1.1。 表2.1.1 古细菌、真细菌和真核生物的比较 比较项目 古细菌 真细菌 真核生物  TRNA共同臂上的T 无 一般有 一般有  二羟尿嘧啶 除一种外均无 一般有 一般有  蛋白合成开始的氨基酸 甲硫氨酸 甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸  核糖体的亚基 30S，50S 30S，50S 40S，60S  延长因子 能与白喉毒素反应 不能与白喉毒素反应 能与白喉毒素反应  氯霉素 不敏感 敏感 不敏感  茴香霉素 敏感 不敏感 敏感  16S或18SrRNA的3’-位上有无结合AUCACCUCC片段 有 有 无  RNA聚合酶的亚基数 9~12 4 12~15  细胞膜中的脂类 醚键，有分支的直链 酯键，无分支的直链 酯键，无分支的直链  细胞壁 种类多样，无胞壁酸 种类多样，含胞壁酸 动物无细胞壁，其它种类多样   从各种生物界级分类系统的发展来看，除了动物界和植物界以外，其它各界都是随着人们对微生物认识的深入才出现和发展起来的，这也充分说明微生物在生物界级分类中占据着极为重要的地位。如果按内共生学说来分析，表面上与微生物无关的动物界和植物界，实际上在其身上还是携带着微生物的“影子”。 2.2微生物的分类与命名 地球上的生物是从无到有、从少到多、从简单到复杂、从低级到高级，各种生物都是历史的产物，各种生物之间都有着或近或远的亲缘关系。生物的分类不象其它事物仅仅按实际需要分类，而是根据生物的系统发生和发展，把形形式式的物种归纳为互相联系的不同类群，建立起反映生物进化的分类系统。 微生物分类学（microbial taxonomy）是一门按微生物间的亲缘关系将它们划分成条理清楚的各种分类单元或分类群（taxon）的科学。微生物分类与其它生物分类一样，其目的有二个：第一，按其亲缘关系分群归类，了解其系统发生。第二，按照分类系统编制检索表（根据一种或一套特征作为识别鉴定某种微生物的标准），在实际工作中，检索表是鉴别具体某一菌种的依据。 目前所知的微生物种类已超过十万种，这还是一个正在急剧增大的数字。我们只有掌握了一定的分类学知识，才有可能对纷繁的微生物世界有一个清晰的轮廓。 微生物与动、植物分类有较大的不同。由于微生物形体微小，构造简单，很难从形态构造上判断它们之间的亲缘关系；微生物的个体发育过程比较简单，很难反映其种群演化的过程；微生物缺乏化石资料，很难探讨其起源；微生物微小的个体容易随风、水传播，所以，从地理分布上也不能推论其系统发生。另外由于人们对微生物的认识还有许多分歧，因而提出了不同的分类系统，使得同一种微生物可能有不同的命名。总之，现在我们对微生物的认识和技术手段还不足以将它们明确地分类，要建立真正能够反映微生物自然系谱的分类方法，还有待于长期的研究工作和新的研究方法。 2.2.1微生物的分类鉴定方法 微生物的分类鉴定是微生物学中的基础性工作。不论对象属于哪一类，其工作步骤离不开以下三步：(1) 获得该微生物的纯种培养物（pure culture)；(2) 测定一系列必要的鉴定指标；(3) 查找权威性鉴定手册。 在微生物分类学发展的早期，微生物的分类依据主要停留在细胞的形态和习性的水平，这类方法被称为经典的分类鉴定方法。主要的依据是形态特征、培养特征、生理特征、血清反应和噬菌体敏感性等。从本世纪60年代起，随着对细胞组分尤其是对核酸和蛋白质等生物大分子认识的深入，红外光谱、气相色谱和质谱等新技术以及计算机的应用，出现了一些现代的分类鉴定方法。 2.2.1.1传统的微生物分类方法 微生物分类是在对大量单个微生物进行观察、分析和描述的基础上，以它们的形态、结构、生理生化反应和遗传性等特征的异同为依据，并根据生物进化的规律和应用方便，将微生物分门别类地排列成一个系统。因此，对分类依据的研究和探讨极其重要。传统的分类方法的分类依据主要有以下几个方面： 形态特征 菌体形态特征包括个体特征和群体特征。个体特征包括在显微镜下的细胞大小、形状、排列方式、能否运动、鞭毛着生部位和数目、有无芽孢及其着生部位和形状、有无荚膜，放线菌和真菌繁殖器官的形状、构造、孢子数目、形状、大小、颜色和表面特征等。 菌落是菌株在一定的培养基中的群体特征。分类依据有固体培养基上菌落的形状、大小、颜色、光泽、粘稠度、隆起情况、透明度及边缘特征。此外，是否分泌水溶性色素、质地、移动性和气味也是重要的特征。在半固体培养基上穿刺接种后的生长及运动情况，在液体培养基中培养液是否混浊及混浊程度，表面有无菌膜，有无沉淀及其沉淀的形态，有无气泡产生，培养液的色泽变化等等也都是菌体的群体特征（即培养特征）。 2) 生理和生化特征 营养来源 不同微生物有不同的营养要求。可以根据微生物对营养的不同利用能力来区分微生物。可以试验多种糖能否被微生物作为碳源和能源利用，以及微生物对特定有机化合物和CO2的利用能力。对于氮源，看其是利用蛋白质、蛋白胨、氨基酸或铵盐、硝酸盐中的氮，还是大气中的游离氮。 代谢产物 不同微生物，因生理特性不同会产生不同的代谢产物。因此，检测其代谢产物，可以鉴别不同的微生物。例如在培养基中检测微生物有否形成有机酸、有否产生气体，能否分解色氨酸产生吲哚，能否使硝酸盐还原产生亚硝酸盐或氨，能否产生色素或抗生素等。 与温度和氧气的关系 不同微生物需不同的生长温度，对氧气的要求也不完全相同。有嗜热菌，嗜冷菌，嗜温菌之分，也有好氧菌，厌氧菌和兼性好氧菌之分。 3)血清学反应 有时确定微生物的种，尤其是亚种，仅依据形态、生理生化等特征很难区分开，因此，常需借助血清学反应。就是将已知菌种、型或菌株制成抗血清，根据它是否与待鉴定对象发生特异性血清反应鉴别未知菌。此反应也用于病毒分类，尤其是噬菌体分类。一般的噬菌体都是良好的抗原，把它注射到动物体内可以产生特异性抗体。噬菌体和抗体间的反应和其它常见的抗原抗体反应相似。 4） 生态特性 微生物与其它生物的寄生或共生等关系往往有一定专一性，常常也作为分类的依据。如根瘤菌属的分类主要以其共生对象作依据。细菌的致病性在分类上也有一定的重要性。另外，微生物在自然界的分布，是否耐高渗、是否嗜盐性等，有时也作为分类的参考依据。 5） 生活史（life cycle） 上代个体经一系列生长、发育阶段而产生下一代个体的全部经历，就称为该生物的生活史或生命周期。微生物个体发育的阶段变化也是分类鉴别的重要依据。 6） 对噬菌体的敏感性 与血清反应类似，各噬菌体有严格的寄生范围，所以根据菌体对噬菌体的敏感性，可以区分不同类型的微生物。 2.2.1.2 现代微生物分类方法 随着分子生物学的发展，许多新技术、新方法用于微生物的分类，这些方法不再局限于外部形态、生理生化反应，而是深入研究细胞内部，如核酸、蛋白质、脂肪和糖类。触及生物的化学本质问题。但是其手续繁杂，代价高昂，在发现规律性方面还有待于进一步研究。目前还不能在微生物分类中普遍应用。现代分类法的分类依据主要有以下几方面。 1) 核酸分析 DNA是遗传物质的携带者，它决定生物的表型。遗传信息在DNA中的存在形式表现为DNA的碱基数目及其排列顺序。亲缘关系越远的种，其碱基数目和排列顺序相差越大。所以确定了碱基的数目和序列即可确定“种”。 同种生物的DNA碱基对的顺序和数量，在细胞中比例是稳定的，不受年龄和外界影响，所以通过测定DNA的碱基比例（G+C的百分比值），可以判断微生物种属间的亲缘关系的远近。各类微生物的G+C比值变化幅度为27~75克分子%，表2.2.1列出了部分微生物的G+C含量。任何两种微生物的G+C含量相差10%以上，这两种微生物就肯定不属于同一个种。然而完全不相关的两种微生物，也可能有相同的或相近的G+C含量，因此，在分类中使用G+C含量这一性状时，一定要注意与其它性状相结合。 表2.2.1 一些微生物的G+C含量 菌种 GC含量（mol%）  细菌 大肠杆菌(Escherichia coli) 伤寒沙门氏杆菌(Salmonella typhi) 短乳杆菌(Lactobacillus brevis) 铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 50~52 50~53 45.5 64~67  放线菌 灰色链霉菌(Streptomyces griseus) 丙酸放线菌(Actinomyces propionici) 星状诺卡氏菌(Nocardia asteroides) 69.5~73 66.5 64~69.5  霉菌 米曲霉(Aspergillus oryzae) 产黄青霉(Penicillum chrysogenum) 大毛霉(Mucor mucedo) 二孢蘑菇(Agaricus bisporus) 52.5 51~54.5 29.5 44  酵母菌 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 异常汉逊酵母(Hansenula anomala) 白假丝酵母(Candida albicans) 深红酵母(Rhodotorula rubra) 37~42 36~37 34~35 66~68.5   G+C比值已在细菌和酵母的分类中应用，在指导细菌分类中特别有用。根据G+C含量已查出过去曾认为是密切相关的有机体之间有着重要的差别。如芽孢杆菌属由好氧性、革兰氏阳性、形成芽孢的细菌组成。多年来它们曾被认为是同源的类群。然而，通过DNA碱基成分的检测，发现这个属中的不同成员间，在G+C含量上的差别很大，G+C的百分比值从32%到50%。这样芽孢杆菌属可能有重新分类的必要。另外，《伯杰氏鉴定细菌学手册》（Bergy’s Mannual of Determinative Bacteriology，1923年来共发行九个版次)的第七版中根据能在37℃生长，石蕊牛奶反应和产生气味等特征，曾经将假单孢菌属产荧光、不液化明胶的类群划分成10个种，后来根据它们的DNA中G+C比值都是60~63%，又结合转导传递测定等实验，证明它们应归并为一个种。《伯杰氏鉴定细菌学手册》第八版中，将这10个种归为恶臭假单孢菌（Pseudomonas putida )。但是在一些放线菌类群中，G+C比值的变化幅度不大，有的没有规律可循。 2）DNA杂交试验 利用测定GC含量，只能确定含有不同碱基成分的微生物属于不同菌种，但是GC含量相同并不等于碱基序列相同，所以碱基含量相同的微生物可能不是同一个种。要进一步判断微生物间的亲缘关系，就必须比较不同来源DNA的碱基序列。 目前，比较碱基序列最简便的方法是DNA杂交。其原理是利用DNA解链和碱基配对的专一性，将不同来源的DNA在体外加热解链，并在合适条件下，使互补的碱基配对结合成双链DNA，然后根据能生成双链的情况，测定杂合百分率。如果两条单链DNA的碱基序列完全相同，则它们能生成完整的双链，即杂合率100%；如果两条链的碱基序列只是部分相同，则它们生成的“双链”含有部分单链，其杂合率小于100%。因此，杂合率越高，表示两个DNA之间碱基序列的相似性越高，说明它们之间的亲缘关系也就越近。如两株大肠杆菌的DNA杂合率可高达100%，而大肠杆菌与沙门氏杆菌的DNA杂合率较低，约70%。 如图2.2.1所示，细菌1跟细菌3的GC含量均为70%，而细菌2的GC 含量为60%，根据GC含量判断它们之间的亲缘关系，似乎细菌1和细菌3比细菌1和细菌2更为接近,但通过DNA杂合实验，发现DNA1与DNA2杂合时，杂合率为90%；而DNA1与DNA3杂合时，杂合率只有40%。据此可以确定细菌1跟细菌2比细菌1跟细菌3更为近似。这样，根据DNA杂合率，能进一步区分GC含量相同、但并不是相同种的微生物，或GC含量虽然不同而DNA同源性却很高的微生物。DNA杂合在建立自然分类系统中已经成为很重要的依据。
图2.2.1 细菌亲缘关系与G+C含量及DNA序列的关系 3）细胞壁成分分析 不同微生物的细胞壁，在其组成单位的物质基础或在结构方面有许多明显的特殊性。霉菌的细胞壁主要含有几丁质；而细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖。革兰氏阴性菌细胞壁的肽聚糖含量较低，另外还有多肽、脂蛋白及脂多糖等；革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖的比例则较高，另外有蛋白质、多糖、磷壁酸和磷壁质等。同时，对肽聚糖中氨基酸性质和数量进行比较研究，也有助于革兰氏阳性菌的分类。 细胞壁成分分析也已经广泛用于放线菌的分类，并作为分属的依据。如白乐杰诺卡氏菌（Nocardia pelletieri）原来按其形态，有人认为应属诺卡氏菌属，而有人则把它列在链霉菌属。经细胞壁成分分析，发现白乐杰诺卡氏菌中有三株菌的细胞壁不存在作为诺卡氏菌属特征的阿拉伯糖，而含有链霉菌属特征的丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸和2,6-二氨基庚二酸，从而证实这三株属于链霉菌属。近年来，有人对18个属的放线菌细胞壁进行了分析，根据细胞壁的氨基酸组成，将它们分成6个细胞壁类型；同时又根据细胞壁的糖组成，分成了4个糖类型。再结合形态特征，提出了相应的科、属的检索表。 4）红外光谱 利用红外光谱测定物质的化学结构已成为一种常规的方法，一般认为每种物质的化学结构都具有特定的红外光谱。若二个样品红外吸收光谱完全相同，可以初步认为它们是同一种物质。所以，利用红外光谱技术测定微生物的化学成分，也能用于微生物分类。利用红外技术，曾先后对芽孢杆菌、乳杆菌、大肠杆菌和酵母菌进行分类。如Kuroda等人将2,800~3,000cm-1, 1,650~1,750cm-1,, 1,370~1,550cm-1, 950~1250cm-1分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个部位，把它们作为属的特征，将放线菌分成链霉菌属、放线菌属、诺卡氏菌属和分枝杆菌属。红外技术比较适用于“属”的分类，但不适于“种”间分类。红外技术的优点是简单快速，样品用量少。 现代微生物分类方法属于数值分类法（Numerical taxonomy)，又称统计分类法（Taxonometrics）。是根据与林奈同代人M.Adanson(1727~1806,法国植物学家）200年前发表的分类原理基础上借助现代的计算机技术而发展起来的。现代新阿丹松学派（New Adansonian）的代表人物Sneath自1956年将其用于细菌分类以来，不少国家都采用此法。它与传统分类法的区别主要是：a) 传统法采用的分类特征有主次之分，而数值法根据“等重要原则”，不分主次，通过计算菌株间的总相似值来分群归类；b) 传统法根据少数几个特征，采用双岐法整理实验结果，排列出一个个分类群，而数值法采用的特征较多，一般是50~60个，多的则达到100个特征以上，进行菌株间二二比较，数据处理量较大，需借助于计算机才能实现。该方法的基本步骤是： 收集50个以上，甚至几百个数据。 按如下公式分别计算简单匹配相似系数Ssm 和Jaccard相似系数SJ ： Ssm = a+ d/a+b+c+d SJ = a/a+b+c 式中，a为两菌株均呈正反应的性状数，b为菌株甲呈正反应而菌株乙呈负反应的性状数，c 为菌株甲呈负反应而菌株乙呈正反应的性状数，d为两者均呈负反应的性状数。从公式中可知，Ssm值既包括正反应性状，也包括负反应性状，而SJ则仅包括正反应性状，不考虑负反应性状。 c) 列出相似度矩阵（ similarity metrices) 大量的菌株比较时，可借助计算机，并在计算机中构成相似性矩阵。对所研究的各个菌株都按配对方式计算出它们的相似系数后，可将所得数据填入相似度矩阵中，见图2.2.2.(a)。为便于观察，应该将该矩阵重新安排，使相似度高的菌株列在 一起，见图2.2.2.(b)。 d) 将矩阵图转换成树状谱（dendrogram） 矩阵图转换成树状谱后，为根据数值关系判断分类关系提供了更直观的材料。见图2.2.3。图中垂直的虚线表示各菌株相似度水平，可用作属与种两个不同层次的分类单元。 数值分类法具有很多优点，与传统法相比，得到结果偏向少, 并且它是以分析多数特征为基础的方法，比只以少数特征为基础的方法，所提供的分类群更稳定。同时，有些分类群在数值法和传统法之间已显示出很好的关联度。但是也有人认为数值法这种主次不分的分类方法不能突出主要矛盾，未必能真正地反映微生物“种”的特征。另外，现代的分类方法还存在一些技术和方法上的问题，仍处于探索阶段。在目前条件下，应用最广泛的仍是实用而且简单的传统分类方法。数值分类法与传统分类法的比较见表2.2.2。
图2.2.2 10 个菌株的相似度矩阵
图2.2.3 10个菌株间相似关系的树状谱 2.2.2 微生物的分类系统 由于技术和认识上的原因，微生物分类还处于多种分类系统共存的状态。还没有一个分类系统能包括所有微生物。下面介绍的是为多数人所接受的一些分类系统。 2.2.2.1细菌的分类系统 目前有三个较全面的细菌分类系统, 如美国R.S.Breed等人编写的《伯杰氏鉴定细菌学手册》（“Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology”），苏联的克拉西里尼科夫著的《细菌和放线菌的鉴定》和法国普雷沃(Prevot)编写的《细菌分类学》。其中最有影响力的还是《伯杰氏鉴定细菌学手册》，它1923年出版第一版，1925年，1930年，1934年，1939年，1948年，1957年，1974年每隔四年就再版一次，1984年 出了第九版，并更名为《伯杰氏系统细菌学手册》（“Bergry’s Manual of Systematic Bacteriology”)，分为四卷。《伯杰氏系统细菌学手册》还涉及到放线菌的分类。该手册的部分内容见附录1。 表2.2.2 数值分类法与传统分类法的比较 项目 传统分类法 数值分类法  分类原则 所用特征有主次之分 所用特征无主次之分  鉴定项目 较少 大量（50到数百）  数据整理 人工统计 计算机运算  检索方法 使用双岐检索表 根据相似系数大小  确定种属 主要特征相同者为同属，次要特征相同者为同种 相似系数小者为同属，相似系数大者为同种   表2.2.3 真菌界的几种分类系统 Wittaker(1969) Ainsworth(1973) Margulis(1974) Leedale(1974)  真菌界 裸菌亚界 粘菌门 集孢菌门 网粘菌门 双鞭毛亚界 卵菌门 真菌亚界 后鞭毛菌分支 壶菌门 无鞭毛分支 接合菌门 子囊菌门 担子菌门 真菌界 粘菌门（4个纲） 真菌门 鞭毛菌亚门 壶菌纲 丝壶菌纲 根肿菌纲 卵菌纲 接合菌亚门 接合菌纲 毛菌纲 子囊菌亚门 半子囊菌纲 不整囊菌纲 核菌纲 腔菌纲 虫囊菌纲 盘菌纲 担子菌亚门 冬孢菌纲 层菌纲 腹菌纲 半知菌亚门 芽孢纲 丝孢纲 腔孢纲 真菌界 接合菌门 子囊菌门 半子囊菌纲 真子囊菌纲 腔菌纲 虫囊菌纲 担子菌门 异担子菌纲 同担子菌纲 半知菌门 地衣菌门 囊衣菌纲 担衣菌纲 半衣菌纲 真菌界 粘菌门 集孢粘菌门 根肿菌门 壶菌门 丝壶菌门 接合菌门 子囊菌门 担子菌门   2.2.2.2 放线菌分类系统 放线菌的归属还存在分歧，有人将其划到细菌也有人认为是霉菌。《伯杰氏系统细菌学手册》将放线菌作为细菌，理由是放线菌无核膜、菌丝直径小而且与杆细菌的直径相近、对溶菌酶敏感及对抗细菌的药物敏感等。 另外还有美国的瓦克斯曼（Waksman）分类系统和美国的Lechevalier分类系统（以形态和细胞壁成分作分类依据）对放线菌进行了分类。 2.2.2.3 真菌分类系统 真菌是一群形态和习性差别很大的微生物，它们有性繁殖的特点也有较大的不同，这些特征都是真菌的分类依据。针对真菌的分类系统很多，自1729年Michei首次对真菌进行分类以来，有代表性的真菌分类系统不下十余种。表2.2.3列出了四种以真菌为“界”的分类系统。 Ainsworth分类系统比较全面、合理，影响也较大。该系统将真菌界分成两大门（粘菌门和真菌门）。粘菌门分两个纲；真菌门分成五个亚门，十八个纲。其内容见附录2。 另一种真菌的分类系统——Smith G.R.分类系统则较为简明，根据真菌的有性繁殖特点，分成三个纲和一个类，即藻状菌纲，子囊菌纲，担子菌纲和半知菌类，见附录3。本书基本上根据该系统进行介绍。 霉菌（Molds）不是分类学名词，而是俗名。是一类在营养基质上生长形成绒毛状、蜘蛛网状和絮状的真菌的统称。根据Smith G.R.分类系统，霉菌分属于藻状菌纲、子囊菌纲和半知菌类。藻状菌纲在真菌中最低级，除叶绿素外，其结构、繁殖方式都和绿藻相近。具有无隔的菌丝体，属于单细胞，胞内多核。子囊菌纲有时被称为高等真菌，与其它真菌的区别是能产生子囊，单细胞或多细胞。半知菌是一类缺乏有性阶段的真菌，也可以认为是一类尚未发现或已消失有性阶段的真菌，菌丝有隔，分生孢子的形成与子囊菌相似。 酵母菌（Yeasts）也不是分类学名词。它是指以芽殖为主，大多数为单细胞的一类真菌。根据Smith G.R.分类系统，它分属于真菌的子囊菌纲、担子菌纲和半知菌类。1952年罗德(Lodder)编写了 “The yeasts a Taxonomic Study”一书，这是一本较为全面的介绍酵母菌分类学的手册，1970年出版了第二版，见附录4。 2.2.3.微生物的命名法则 生物分类就是把各种生物按其亲缘关系分群归类，形成一个系统，并给每一个种冠以一个严格的名称。这就要求有一个统一的，为大家所理解的分类单位和命名法则。 2.2.3.1 微生物的分类单位 和动植物分类一样，微生物的分类单位依次为界（kindom）、门(phyllum）、纲（class)、目(order)、科(family)、属(genus)和种(species)。在各分类单位之间有时也可增设次要分类单位，如：亚门、亚纲、亚目，在种和属之间可加“族”。上述分类单位中以“种”概念的界定最为关键。 1) 种的概念 在微生物尤其在原核微生物中，关于“种”的概念，人们有不同的看法。至今还没有一个公认的、明确的“种”的定义。伯杰氏（Bergey）手册对细菌“种”定义为：典型培养菌及所有与它密切相同的其它培养菌一起称为细菌的一个“种”。 上述定义可以通俗地理解为种是一个分类的基本单位。它是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属内其它种有着明显差异的菌株的总称。在微生物分类学中，一个种只能用该种内的一个典型菌株（type strain）来作为具体标本，这个典型菌株就是该种的模式种（type species)。 不管人们怎样理解“种”的概念，“种”都客观存在而且相对稳定。但是，另一方面，生物又是在不断变化的。同一生物的不同个体，由于所处的环境不同，其本身或后代会出现一些变异。同种生物个体间的差异是形成新种的前奏，当变异达到质变程度时就形成了新种。一定条件下，物种将保持相对稳定，这是物种存在的根据，使生物的分类有据可训，而“变”则是物种发展的需要，但也给分类工作带来很大的困难。例如，如何鉴别种内变化与种间变化的差异，还存在着混乱的认识，种的范围至今还难以明确。 随着微生物分类学的发展，人们越来越清楚地看到种的定义应建立在遗传物质即DNA的基础上，把DNA同源性的大小作为划分种的依据。但是，这会对分类学的实际应用和对历史遗产的继承带来一定的困难。 2) 种以下的概念 在“种”以下有时还设立进一步细分的单元，如：变种、亚种、菌株、型等。 a) 变种(Variety，Var.) 变种是种进一步细分的单元。从自然界分离到某一微生物的纯种，必须与已知的典型种所记载的特征完全符合，才能鉴别为同一个种。有时分离到的纯种却有某一特征与典型菌种不相同，其余特征则都相同，而且这一特征又是稳定的，我们称这一纯种为典型种的变种。例如：一种芽孢杆菌除了在酪氨酸培养基上产生黑色素这一特征与典型的枯草芽孢杆菌不同外，其它特征都相同，我们称它是枯草芽孢杆菌的黑色变种（Bacillus subtilis Var. niger）。 b) 亚种（Subspecies,subsp.,ssp.） 亚种与变种是近义词，两者经常混用。有时我们将实验室获得的变异型称亚种或小种。如E.coli “K12”品系，通过实验室处理得到氨基酸缺陷型，我们称其为K12的亚种。 c) 型（Type) 型的概念已较少使用。自然界同一地区可能有同一种微生物的各种类型，它们之间的差异往往不象变种那么显著。例如：结核杆菌依其寄主不同分为人型、牛型和禽型。 d) 菌株或品系（Strains） 菌株表示任何由一个独立分离的单细胞（或病毒粒子）繁殖而成的纯种群体及其一切后代，即同种微生物的每个不同来源的纯培养物。自然界不存在二个绝对相同的个体。我们从自然界分离到的微生物纯培养尽管是同属中的一个种（species)，但由于来源不同，它们之间总会出现一些细微差异。由此可见，菌株的数量几乎是无数的，菌株强调的是遗传型纯的谱系。菌株与克隆（无性繁殖系）概念相似。同一菌种的不同菌株间，作为分类鉴别的主要性状是相同的，但是非鉴别用的“小”性状可以有很大的差异，尤其是生化性状，如代谢产物（抗生素、酶、有机酸等）的产量性状等。 菌株实际上是某一微生物达到“遗传性纯”的标志。一旦某菌株发生自发突变或经诱变、杂交或其它方式发生遗传重组后，均应确立新的菌株名称。 e) 群Group 自然界常发现有些微生物的种类特征介于两种微生物之间，彼此不易严格区分，或者在研究的某一阶段还不准备作进一步鉴定，我们就把这两种微生物和介于它们之间的种类统称为一个“群”。如大肠杆菌和产气杆菌两个种区别明显，但是，自然界还存在许多介于这两种细菌之间的中间类型，就可以把它们称为大肠杆菌群。 3) 学名 每一种微生物都有自己的名字，而且往往同时具有俗名（common name）和学名（scientific name)。俗名这普通的、通俗的、地区性的名字，具有简明和大众化的优点，但往往涵义不够明确，易于重复，使用范围有限。例如“结核杆菌”（tubercle bacillus)用于表示结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis）、“绿脓杆菌”表示铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa）、“白念菌”表示白色假丝酵母 (Candida albicans）、“金葡菌”表示金黄色葡萄球菌 (Staphyloccus aureus）、“丙丁菌”表示丙酮丁醇梭菌 (Clostrium acetobutylicum）及“红色面包霉”表示粗糙脉孢菌 (Neurospora crassa）等。为了便于交流和避免混淆，就需要有一个统一的命名法则，给每种微生物取一个为大家公认的科学用名，即学名。微生物命名和其它高等动植物一样，采用林奈（Linnaeus)双名法（binomal system of nomenclature）。《国际细菌命名法规》颁布了国际学术界公认并通用的正式名字。一个微生物学工作者必须熟悉一批常见、常用微生物的学名，这不仅因为它们是国际通用的名字，而且可以在阅读文献和听取各种专业报告时，通过自己所熟悉的学名而立即联想起有关该菌的一系列生物学知识和实践应用知识，从而提高自己的业务工作能力。 一个种的学名由两个拉丁或希腊词或拉丁化的其它文字组成。通常由一个属名加一个种名构成。第一个字为属名，字首大写，通常是拉丁字的名词，用来描述微生物的主要特征，如形态、生理等；第二的字为种名，字首小写，往往是拉丁字的形容词，用来描述微生物的次要特征，如颜色、形状和用途等。但有时属名或种名也用人名或地名表示。在出版物中学名应排成斜体字，也可在学名之下划一条横线，以表示它应该是斜体字母。根据双名法的法规，出现在分类学文献中的学名，后面往往还应该加上首次定名人（用括号注）、现名定名人和现名定名年份，以避免发生同物异名或同名异物。但在一般使用时，这几个部分总是省略的。学名的完整表示方法是： 学名 = 属名 + 种的加词 + （首次定名人）+ 现名定名人 + 定名年份 (___(___( (_________(___________( 必需，用斜体排字 可省略，用正体排字 例如：Saccharomyces cerevisiae 是啤酒酵母（bear yeast）的一种，酵母将糖转化为乙醇，酵母又是真菌，所以，用表示糖的拉丁字“Saccharo”，和表示真菌的希腊字“myces”组合成它的属名 ，“cerevisiae”来源于拉丁文的酿酒人的意思；Saccharomyces cerevisiae Hansen中的Hansen是命名人的姓；Saccharomyces carsbergensis中的种名carsbergensis用地名表示，因为该种是在丹麦的卡尔斯伯啤酒厂分离到的。 为了简便起见，有时可将属名用首位1(3个字母缩写并加一句号表示。如Saccharomyces可缩写成S.或Sar.，即Sar.cerevisiae = Saccharomyces cerevisiae。当泛指某一属的微生物，而不特指某一具体种（或没有种名）时，可在属名后加sp.(species的单数）或spp.（species的复数）。如 Saccharomyces sp.表示一种酵母菌。 菌株名称都在学名（即只有属名和种名）的后面自行加上数字、地名或符号等。例如：生产蛋白酶的栖土曲霉有栖土曲霉1186，栖土曲霉3942，它们在酶产量上有差异。枯草芽孢杆菌的两个菌株：Bacillus subtilis AS1.398是蛋白酶生产菌，而Bacillus subtilisBF7658是(-淀粉酶生产菌；丙酮丁醇梭菌的一个菌株命名为Clostridium acetobutylicum ATCC824。表示菌株的符号有的是随意的，有的是研究机构的名称缩写。如前述的“BF”为“北纺”，即北京纺织工业局科学研究所。有的是菌种保藏机构的缩写，如“AS”为Academia Sinica（中国科学院），“ATCC”即American Type Culture Collection(美国模式菌种保藏中心）。 在少数情况下，即当该种是一亚种（subspecies,简称“subsp.”，排成正体字）和变种（variety，简称“var.”，排成正体字）时，学名就应按照“三名法”构成，即： 学名 + 种的加词 + （subsp.或var.) + 亚种（或变种）的加词 (___(___( (___(___( (___(___( 排成斜体 排成正体，但可省略 排成斜体 例如： Bacillus thuringiensis subsp.galleria表示苏云金芽孢杆菌蜡螟亚种； Saccharomyces cerevisiae Hansen ellipsoideus(Hansen)Dekker表示汉斯酿酒酵母的椭圆形变种，原来由Hansen定名，后来Dekker将其划为椭圆变种。变种名前，有时可加Var.，如：Candida lipolytica (Harrison) Diddens et lodder Var.,lipolytica表示解脂假丝酵母解脂变种。 在实际工作中获得并鉴定了一个新种（sp.nov.或nov.sp.,是species nova 的缩写）并按照法则命名发表时，应在其学名后附上“sp.nov.”符号。例如，由我国学者筛选到的谷氨酸发酵新菌种Corynebacterium pekinense sp.nov.AS1.299 (北京棒杆菌AS1.299，新种）和C.crenatum sp.nov.AS1.542（钝齿棒杆菌AS1.542，新种）等。在新种发表前，模式菌株的培养物就应存放在一个永久性的菌种保藏机构，并允许人们从中获得该菌种。 2.3 原核微生物的形态 认识形态是认识微生物的第一步，在微生物学研究和发酵生产中，必须熟悉常见和常用微生物的形态，能够区分培养菌和污染菌。微生物类群庞大、种类繁多，包括了细胞型和非细胞型。细胞型按其细胞结构又可分为原核微生物和真核微生物，因此要做到能认识微生物形态并不是一件轻而易举的确事，需要不断学习、不断积累实践经验。。 2.3.1 微生物细胞 细胞几乎是所有生物的基本结构单位。所有细胞都含有蛋白质、核酸、脂类、多糖等物质，它们起源于一个共同祖先 (原始细胞。经过几百万年进化，发展成了千姿百态的细胞类型。细胞形态的变化很大。小的细胞必须借助于显微镜才能观察到，枝原体的直径仅0.2μm，大肠杆菌（约2μm长）比最小的原核细胞大10倍。动物细胞平均长度20μm，又比大肠杆菌大了10倍。植物细胞平均达35μm。除极少数例外，细胞的宽度几乎都不超过50μm。一些特别巨大的细胞如最大的眼虫藻长度达200μm、鸵鸟蛋为170×135mm，其蛋黄的宽超过70mm（已知最大的单细胞）、长颈鹿的神经细胞的长度可超过3米。生物细胞大小的比较见图2.3.1。微生物细胞大小变化也很大，图2.3.2是原核微生物细胞大小的变化。 除病毒等非细胞生物外，微生物分属原核生物(Procaryotes)和真核生物(Eucaryotes)。真核细胞与原核细胞的区别在于核。“pro”意思是“before”(前)， “eu”的意思就是“true”（真）,“karyo”的意思就是 “nucleus” （核）。真核细胞有核膜和核仁，遗传物质以染色体形式存在。原核细胞没有核膜和核仁，没有真正的核结构，它的遗传物质只是一条裸露的DNA。由于新技术和新概念的应用和发展，对原核微生物和真核微生物细胞的细微结构及功能有了比较深入的认识。两者的主要区别见表2.3.1。

图2.3.1 生物细胞的大小变化 图2.3.2 原核微生物细胞大小比较 表2.3.1 原核细胞与真核细胞的比较 结构与功能 原核细胞 真核细胞  核结构、功能  核膜 无 有  核仁 无 有  DNA 单分子，裸露，没有组蛋白 组成多个染色体，通常与组蛋白结合  基因中的内含子 稀有 普遍  分裂方式 无丝分裂，没有有丝分裂，没有减数分裂 有丝分裂，有微管，纺锤体；有减数分裂  有性生殖 不连续过程，无减数分裂，只有部分遗传互补体重组 连续过程，减数分裂，全部染色体互补体的重组  遗传重组方式 转化，转导，接合 有性生殖，准性生殖  细胞质结构  质膜 常缺少固醇 常含固醇  内膜 简单，有中体，无线粒体 复杂，有内质网，高尔基体，溶酶体，叶绿体（光能生物）  核糖体 70S， 80S，线粒体和叶绿体的核糖体为70S  气泡 有些种有 无  呼吸系统（氧化磷酸化） 原生质体膜或中体的一部分，无线粒体 在线粒体中  细胞壁的主要成分 肽聚糖、脂多糖、脂蛋白 几丁质，纤维素或没有细胞壁  细胞大小 一般小，直径通常小于2(ｍ（1～10(m） 通常大，直径从2(m到大于100(m  鞭毛 鞭毛亚显微大小，每根鞭毛由分子大小的一根纤维组成 鞭毛或纤毛，显微大小，由微管成分组成（9+2型，有膜）  非鞭毛 滑动 滑动  微管 可能没有 广布于鞭毛、纤毛基体、有丝分裂纺锤体器和中心粒   2.3.2染色技术(Straining) 大多数微生物细胞极其微小又十分透明，用水浸片或悬滴观察法在光学显微镜下进行观察时，只能看到大体形态和运动情况。若要在光学显微镜下观察其细微形态和主要构造，一般都要对细胞进行染色。即用染料(Dye)将细胞染色，以增加在明视野显微镜下的反差，以便于观察细胞的形态。微生物染色法种类很多，可概括如下： 单染 正染色 革兰氏染色法 复染 死菌 芽孢染色法 微生物染色法 负染色 荚膜染色法 活菌：用美蓝或TTC（氯化三苯基四氮唑） 等作活菌染色 2.3.2.1正染(Positive strain)和负染(Negative strain) 利用染料与细胞组分结合而进行的染色过程称为正染。它可分为简单染色(Simple srain)和复合染色(Differential strain)两种。若一个生物材料只用一种染料染色称为单染；采用两种以上的染料对细胞的不同结构进行复合染色，使各种细胞通过染色后呈现差异的染色过程称为复染或差染。如：革兰氏染色，芽孢染色等。 负染与正染的结果相反，细胞不染色而使背景染色，以便看清细胞的轮廓。这些染料不能与细胞组分结合，为不透明染料。如：印度墨水(India ink)，碳素墨水等。 2.3.2.2 染料 大多数染料都是有机化合物（中性有机盐）。可分为以下三种类型： 碱性染料(Basic dye)或称带正电染料 这类染料较常使用，染料的碱基（即阳离子部分）会是发色基团，可与细胞中酸性组分（带负电的）结合，如核酸和酸性多糖等。有的菌体蛋白质的等电点pI为 4～5，在pH (pI条件下，带负电。菌体细胞表面一般也带负电。这样碱性染料可与一些蛋白和细胞表面结合。这类染料有孔雀绿，结晶紫，沙黄等。 酸性染料(Acidic dye)或称带负电染料 酸性染料与碱性染料正好相反。染料的酸根（即阴离子部分）为发色结构，它可与细胞中带正电的组成成分结合，如许多蛋白质。这类染料有伊红，酸性品红，刚果红等。 3) 其它染料 如脂溶性染料（如苏丹黑）可与细胞中脂类结合，可观测脂类的存在位置。 2.3.3. 细菌（Bacteria,Bacterium) 细菌是一类细胞细而短（细胞直径约0.5(m, 长度约0.5~5(m )、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物。细菌是自然界分布最广、数量最多、与人类关系十分密切的一类微生物。也是工业微生物学研究的主要对象之一。 2.3.3.1..细菌的形态 细菌是单细胞微生物，它的形态就是细胞的形态。主要形态有球、杆、螺旋状，分别被称为球菌、杆菌、螺旋菌。

(a) (b)

(d) 图2.3.3 球菌的形态结构 双球菌；(b) 链球菌；(c) 四联球菌；(d) 葡萄球菌 1) 球菌(Coccus) 细胞呈球形或近球形，见图2.3.3。它分裂后形成的新细胞常保持一定的排列方式。这在细菌的分类鉴定上具重要意义。其按照排列形式主要可分为： a) 单球菌 细胞分裂沿一平面进行，分裂后细胞分散而独立存在。如：尿素小球菌(Micrococcus ureae)。 b) 双球菌 细胞分裂沿一平面进行，新形成的两个球形细胞成对排列。如：肺炎双球菌(Diplococcus pneumoniae)。 c) 链球菌 细胞分裂沿一平面进行，而第二次细胞分裂面与第一次分裂面平行。分裂后的细胞呈链状排列。如：溶血链球菌(Streptococcus hemolyticus)。链的长短往往也具特征性，例如乳链球菌(Streptococcus lactis)每2(3个细胞形成一串，而无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)则形成很长的链。 d) 四联球菌 细胞分裂沿两个相互垂直的平面进行，两次分裂后形成的细胞呈田字形排列。如：四联小球菌(Micrococcus tetragenus)。 e) 八叠球菌 细胞分裂沿三个相互垂直的平面进行，分裂后每八个细胞特征性地叠在一起呈一立方体。如：尿素八叠球菌(Sarcina ureae)。 f) 葡萄球菌 细胞分裂面不规则，新形成的多个球菌聚在一起，犹如一串葡萄。如：金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)。 上述细胞排列方式是细菌种的特征，但是某种细菌的细胞不一定全部都按照特定的排列方式存在，只是特征性的排列方式占优势。它们细胞间的连接也不是一成不变的，在某些生长阶段，细胞间连接消失。这也是细菌与多细胞生物的区别。 2) 杆菌(Bacillus) 细胞呈杆状或圆柱形。杆菌在细菌中种类最多。工业发酵生产用细菌大多数是杆菌。杆菌的长宽比例差异很大，有的粗短，有的细长。一般讲，同一种杆菌的粗细较为稳定，但是，它的长度经常随培养时间、培养条件的变化而呈较大的变化。 杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，为单杆菌，但有的杆菌呈长短不同的链状，见图2.3.4。有的细胞一个紧挨一个，呈栅栏或八字状。根据杆菌形态变化常有以下不同名称：长杆菌（细胞长宽比较大）、短杆（或球杆）菌（细胞长宽比较小）、棒杆菌（细胞一端膨大，另一端细小，并常呈八字排列）、双杆菌（细胞成对排列 ）、链杆菌（细胞呈链状排列）、梭状杆菌（因细胞的中部有比杆菌直径大的芽孢存在，使细胞形如梭子）和芽孢杆菌（能形成芽孢）。有的杆菌菌体很直，有的稍弯曲，有的呈纺锤状。菌的两端也有特征性变化，有半圆、钝圆、平截、略尖形等形态，见图2.3.5。

(a) (b) 图 2.3.4. 杆菌的细胞形态（a）单杆菌；(b) 链杆菌
图2.3.5 杆菌细胞两端的形态特征
(a) (b) (c) 图2.3.6 弧菌、螺菌和螺旋体的细胞形态 （a）弧菌（Vibrio cholerae, X 4800）； (b) 螺菌（Campylobacter jejunl，X 17,000） (c) 螺旋体（Treponema pallidum, X 4000） 3) 螺旋菌（Spirlla） 螺旋菌呈弯曲杆状，它们在细菌中种类较少，通常是病原菌。它们细胞壁较坚韧，菌体较硬，常以单细胞分散存在。按其弯曲程度可分为以下两种类型： a) 弧菌(Vibrio) 菌体略弯曲，螺旋不满一环，呈香蕉状，往往有偏端单生或丛生鞭毛。如：霍乱弧菌（Vibrio cholerae）,又名逗号弧菌（Vibrio comma）。这类菌与略微弯曲的杆菌较难区分。 b) 螺菌(Spirillum) 菌体回转如螺旋状，螺旋满2～6环。螺旋程度、螺距随菌种而异，有的较短，螺旋紧密；有的较长，并呈较多的螺旋和弯曲，往往细胞两端有鞭毛。如：减少螺菌(Spirillum minus)。 值得注意的是，还有一类介于细菌和原生动物之间的原核微生物——螺旋体(Spirochaeta)。它与螺旋菌的结构较接近，但因为没有细胞壁，所以菌体很柔软。其螺旋在6环以上，有的细胞中央有弹性轴丝。如：梅毒密螺旋体(Treponema pallidum)。 4) 其它形态的细菌 柄细菌属细胞呈杆状或梭状，但有一细柄，可附着在基质上，见图2.3.7。近年来，还陆续发现少数三角形、方形和圆盘形等细菌。
图2.3.7 柄细菌（Caulobacter bacterroides, X9000)的形态 培养时间、温度、培养基成分、浓度和pH等环境条件对细菌形态有非常明显的影响。 一般处于幼龄及生长条件适宜时，细菌的形态整齐，呈正常的特征形态。而培养时间较长或不正常的培养条件下（存在抗生素等药物），菌体常呈现不正常形态。可以分为畸形和衰颓形两种情况。畸形是化学、物理因素刺激引起的。如：巴氏醋酸杆菌（Acetobacter pasteurianus）一般为短杆菌，培养温度变化可使其呈纺锤状、丝状、锁链状。衰颓形是由于培养时间过长，造成营养缺乏和代谢物积聚，引起细胞膨大。如：培养时间过长的乳酪杆菌(Bacillus casei)从长杆形转变为分枝衰颓形。但这些都不是菌体的特征性形态结构，当转入新鲜培养基或在合适的培养条件下，菌体又会恢复原状。 2.3.3.2.细菌细胞大小 细菌细胞大小可利用显微镜中的测微尺测量，以微米（micrometer, (m）计。一般球菌测直径，杆菌测长和宽，螺旋菌也测长和宽，但其长度以弯曲形长度计，而不是真正的长度。通常球菌的直径0.2(1.5(m(或0.5(2(m)，杆菌长1(5(m,确宽0.5(1(m。例如：大肠杆菌（E.coli）细胞平均长度2(m，宽度0.5(m。1500个E.coli头尾相接等于一粒3mm 长的芝麻。109个E.coli才达到1mg重。一些细菌的大小见表2.3.2。从表中可知，产芽孢的细菌一般比不产芽孢的菌体大。 影响菌体形态的因素也会影响菌体大小。除少数例外，一般幼龄菌比成熟菌或老龄菌的菌体大。如：培养4小时的枯草杆菌比培养24小时的细胞长5～7倍，但宽度变化不大。 细胞大小的测量结果只是近似值或平均值。因为细菌个体的差异、固定和染色方法的不同会造成测定结果有一定的误差。干燥和固定过程会使菌体明显收缩。如：巨大芽孢杆菌活体长是3.7(9.7(m，染色后却只有2.4( 5.0(m。 表2.3.2 细菌细胞大小 菌名 直径或宽( 长（(m)  乳链球菌(Streptococcus lactis) 酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes) 金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus) 最大八叠球菌(Sarcina maxima) 旋动泡硫菌(Thiophysa volutans) 大肠杆菌(Escherichia coli) 普通变形杆菌(Proteus vulgaris) 伤寒沙门氏杆菌(Salmonella typhi) 嗜酸乳细菌(Lactobacterium acidophilus) 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtitus) 炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis) 土拉巴斯德氏菌(Pasteurella tularensis) 德氏乳细菌(Lactobacterium delbrücklii) 霍乱弧菌(Vibrio cholerae) 迂回螺菌(Spirillum volutans) 0.5~1 0.6~1 0.8~1 4~4.5 7~8 0.5 ( 1~3 0.5~1 (1~3 0.6~0.7 ( 2~3 0.6~0.9 ( 1.5~6 0.8~1.2 ( 1.2~3 1~1.5 ( 4~8 0.2 (0.3~0.7 0.4~0.7 ( 2.8~7 0.3~0.6 ( 1~3 1.5~2 ( 10~20  
图 2.3.8 细菌细胞结构模式图1.细胞质膜 2.细胞壁 3.荚膜 4.异染颗粒 5.线毛 6.鞭毛 7.色素体 8.脂质颗粒 9. 中体 10. 核糖体 11.拟核 12.横隔壁 2.3.3.3. 细菌细胞的结构 细菌主要由细胞壁、细胞质膜、细胞质、拟核、内含物、中体、核糖体等构成，有的细菌还有：荚膜、鞭毛、线毛和芽孢等特殊结构。见图2.3.8。 1) 细胞壁（cell wall ) 细胞壁是指细菌细胞的外壁。细胞壁坚韧而有弹性，内侧紧贴细胞膜，占细胞干重的约10(25%。
图2.3.9 革兰氏染色法4步反应中的菌体颜色变化 a) 细胞壁与革兰氏染色法 革兰氏染色法由丹麦医生Christian Gram于1884年创立,是细菌细胞的复合染色法。染色基本步骤是：初染—媒染—脱色—复染，见图2.3.9。第(1)步初染将经热固定的细菌涂片浸泡在草酸铵结晶紫溶液中1分钟，将整个细胞都染成紫色；第(2)步媒染是在上述涂片上加碘液浸 3分钟，形成结晶紫-碘复合物，媒染后细胞仍然为紫色；第(3)步是脱色，用95%的乙醇浸涂片30秒，脱色可分为两种情况：一类菌体染上的紫色被乙醇洗脱，又成为无色的菌体，而另一类菌体仍维持紫色；第(4)步复染中，用一种红色染料——沙黄（即番红，也可用其它红色染料代替）染色1(2分钟。结果第(3)步中已被脱色的菌体被染成红色，而未被脱色的菌体仍然是紫色。 经乙醇处理不褪色，保持初染时深紫色的菌体，称为革兰氏染色阳性菌（GRAM+菌）；另一类经乙醇处理迅速脱去原色，而能染上沙黄颜色的菌体称为革兰氏染色阴性菌（GRAM-菌）。革兰氏染色法在工业微生物学中有着十分重要的理论和实践意义。通过这一染色，可把几乎所有的细菌都分为两大类。因此，它是分类鉴定菌种的一个重要指标。又由于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的差异，因此，任何细菌只要通过很简单的革兰氏染色，即可获得不少其它重要的生物学特性方面的信息。

(a) (b) 图2.3.10 细菌的细胞壁 革兰氏阳性菌Arthrobacter crystallopietes; (b)革兰氏阴性菌Leucothrix mucor b) 细胞壁的结构 细胞经质壁分离并适当染色后可在光学显微镜下观察到细胞壁。而经超薄切片后置于电子显微镜下可更清晰地观察细胞壁结构，见图2.3.10。GRAM(菌细胞壁较厚，约20(80nm，含40～90%肽聚糖(peptidoglycan)，另外还结合有其它多糖及一类特殊的多聚物——垣酸（Teichoic acid）；GRAM-菌细胞壁较薄，约10nm，只含10%肽聚糖，2～3nm厚的肽聚糖层紧贴细胞质膜且不易分开。肽聚糖层外还有8～10nm的外壁层（outer wall layer），主要由脂蛋白和脂多糖组成，这些成分常与细菌的抗原性、毒性和对噬菌体的敏感性有关。外壁层表面不规则，横截面呈波浪状。用扫描电镜观察，革兰氏阳性菌和阴性菌细胞壁外纹理有着明显差异，见图2.3.11。 用机械破碎方法释放出细胞内含物，再进行差速离心，可分离到纯的细胞壁组分。这时的壁仍保持其特有的形状。 有关革兰氏染色机理还存在着一些争论。目前普遍为人们所接受的一种观点是：革兰氏阴性菌的细胞壁中脂类含量较高，肽聚糖层又较薄，用脂溶剂乙醇处理，会溶解脂类，造成细胞壁的通透性增大，结晶紫-碘复合物被乙醇抽提出来，所以细胞被褪色；而革兰氏阳性菌的细胞壁中肽聚糖含量高，乙醇的脱水作用使细胞壁肽聚糖层的孔径变小，通透性降低，结晶紫-碘复合物被阻留在胞内，细胞不易褪色。
（a） (b) 图2.3.11 细菌的表面纹理 (a)革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌Φ0.8μm）；(b)革兰氏阴性菌（大肠杆菌Φ0.5μm） 以上观点得到了实验的有力证明：用溶菌酶（ Lysozyme) 等方法处理革兰氏阳性菌后，可以除去细胞壁，剩下的原生质体仍可被结晶紫-碘复合物染色，但会被乙醇褪色。这一实验证明了阳性菌的细胞壁有截留结晶紫-碘复合物的作用。此外，革兰氏阳性菌的阳性反应常在某些条件下发生变化。如：因为老龄菌和死菌的细胞壁通透性增大，会呈现革兰氏阴性反应；染色不当（如脱色过度）也会造成革兰氏阳性菌阴性反应。以上现象都说明细胞壁是影响革兰氏染色反应的主要因素。 c) 细胞壁功能 细胞壁具有保护细胞，维持细胞外形的功能。一旦失去细胞壁，各种形态的菌体都将呈球形。 在一定浓度范围的高渗溶液中，原生质收缩，但细胞仍能保持原状；在一定浓度的低渗溶液中，细胞膨大，但不致于破裂。这些都与细胞壁具一定的坚韧性、弹性有关。 细胞壁的化学组成与细菌的抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性有关。 细胞壁是鞭毛运动所必需的，为鞭毛提供了支点。具鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍保持着鞭毛，但不能运动。 细胞壁多孔，允许水及一些化学物质通过，但能阻挡大分子。 d) 细胞壁的化学组成 细菌细胞壁的成分与真核生物的细胞壁有着明显的不同。以下是各种生物的细胞壁化学成分： 高等植物 纤维素(Cellulose) 霉菌 几丁质（Chitin) 细胞壁 酵母 甘露聚糖（Mannan)，葡聚糖(Glucan) 化学组成 N-乙酰葡萄糖胺（N-Acetylglucosamine) 肽聚糖 (Peptidoglycan) N-乙酰胞壁酸（N-Acetylmuramic acid) 细菌 短肽（4～5氨基酸,常含D型氨基酸、二 氨基庚二酸） 脂多糖(Lipopolysaccharide)，脂蛋白(Lipoprotein) 肽聚糖是N-乙酰葡萄糖胺（N-Acetylglucosamine, G)和N-乙酰胞壁酸（N-Acetylmuramic acid, M)交替重复连接构成骨架，短肽由L-丙氨酸、D-丙氨酸、D-谷氨酸和L-赖氨酸或二氨基庚二酸（Diaminopimelic acid,DAP）组成，见图2.3.12。青霉素发现者弗莱明在1922年发现的溶菌酶广泛存在于卵清、人的泪液和鼻涕、部分细菌和噬菌体中，它能有效地水解细菌的肽聚糖，其作用部位就是N-乙酰胞壁酸的1位碳和N-乙酰葡萄糖胺的4位碳之间的(-1,4糖苷键。短肽连接在胞壁酸上，相邻的短肽又交叉相连，从而形成网状结构，见图2.3.13。革兰氏阳性菌和阴性菌的肽聚糖结构和组成不完全相同。大肠杆菌中相邻短肽是直接相连的，而金黄色葡萄球菌中则通过另一短肽（五个甘氨酸短肽)相连，构成肽桥（peptide interbridge），见图2.3.14。二氨基庚二酸存在于所有的革兰氏阴性菌和部分革兰氏阳性菌中，而在大多数革兰氏阳性的球菌中都由赖氨酸代替二氨基庚二酸。有证据表明肽聚糖链的长度和交联的方式是细菌细胞形状的决定因素。
图2.3.12 革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖的一个重复单位
图2.3.13 革兰氏阳性菌肽聚糖单位构成的网状结构 G：N-乙酰氨基葡萄糖；M：N-乙酰胞壁酸；粗线为肽桥 革兰氏阳性菌的细胞壁中还含有垣酸（Teichoic acid），也称磷壁酸质或壁酸。垣酸有多种形式，其中，金黄色葡萄球菌等菌的垣酸是由核醇、葡萄糖、丙氨酸和磷酸组成的多聚物： 丙氨酸-葡萄糖-核醇 O=P—OH n 垣酸是以磷酸二酯键结合在肽聚糖的胞壁酸上。胞壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸和垣酸是细菌和接近细菌的原核生物细胞壁所特有的化学组分。
图2.3.14 肽聚糖结构中短肽的连接形式 e) 原生质体（Protoplast)和球形体（Spheroplast) 革兰氏阳性菌经适当方法（如溶菌酶处理）处理可完全去除细胞壁，此时剩下的部分称为原生质体。原生质体呈球状，对渗透压、振荡和离心作用等较敏感，但原生质结构和生物活性并未改变。有的原生质体还保留鞭毛，但不能运动。所有细胞形态（球状、杆状或螺旋状等）的菌体所制成的原生质体都为球状，见图2.3.15。在合适的条件下原生质体可以生长一段时间，甚至可以分裂。从快要形成芽孢的细菌制备的原生质体，经适当培养可形成芽孢。在合适的再生培养基中，原生质体可以回复，长出细胞壁。 革兰氏阴性菌的细胞壁与细胞质膜结合紧密，用同样方法处理，仍会有部分细胞壁成分遗留在细胞质膜表面，此时剩下部分称为球形体或原生质球。
图2.3.15 原生质体 （左侧为大肠杆菌的原生质体，右侧为杆状的大肠杆菌） 2）细胞质膜（Cytoplasmic membrane) 细胞质膜也称细胞膜（Cell membrane)或质膜（Plasmic membrane)，是指紧靠细胞壁内侧，包裹细胞质的一层薄膜。它柔软而富有弹性，可用中性、碱性染料染色。在电子显微镜下观察用四氧化锇染色的细菌细胞超薄切片，可见7～8nm厚的细胞质膜，它是由两层厚约2 nm的电子致密层夹着一透明层形成的“三明治”结构，内外层为蛋白质强嗜饿层，中间为脂类弱嗜饿层。这种结构称为单位膜，见图2.3.16(a)。 a) 细胞质膜组成 细菌的细胞膜与其它生物细胞质膜的组成和结构相似。约占细胞干重的10%。含60～70%蛋白质，20～30%脂类，2%多糖。膜中的脂类均为磷脂，由磷酸、甘油、脂肪酸和含氮碱构成。 O CH2-O-C-R1 其中 R1, R2为脂肪酸链， O CH -O-C-R2 = —CH2—CH2—N(（CH3）3 磷脂酰胆碱 O X = —CH2—CH—COO— 磷脂酰丝氨酸 CH2-O-P-O-X (X为含氮碱) NH3— O- = —CH2—CH2—N+H3 磷脂酰乙醇胺 磷酯既具有疏水性非极性基团（R1，R2）构成的尾部，又具有带正、负电荷的亲水极性基团构成的头部。磷脂在水溶液中，极性头部朝外，疏水性尾部朝内，易形成有高度定向性的双分子层，见图2.3.16(b)。 蛋白质主要结合在膜表面，可从外伸至内部，有的甚至从膜一侧穿到另一侧。穿越全膜、不对称地分布在膜的一侧或埋藏在磷脂双分子层内的蛋白，称为镶嵌蛋白。停留在细胞膜两侧的蛋白称为外周蛋白。暴露在膜外侧的蛋白质上有时还带糖类物质。

(a) (b) 图2.3.16 细胞膜结构 (a) 细胞膜电镜图片； (b) 细胞膜液体镶嵌模型 关于细胞膜的结构曾有许多学者提出各种各样的模型，Single和Nicolson于1972年提出的细胞膜液体镶嵌模型为多数人所认可。 其要点是：细胞膜不是静态的，膜中的脂和蛋白质都能自由运动。据目前所知，磷脂双分子层通常呈液态，不同的镶嵌蛋白和外周蛋白可在磷脂双分子层液体中作侧向运动，犹如漂浮在海洋中的冰山那样。 b) 细胞质膜的生理功能 细胞膜是具有高度选择性的膜。它能控制营养物质及代谢产物的进出，使细菌能在各种化学环境中吸收所需营养物质，排出过多的代谢产物；细胞膜的屏障作用是维持细胞内正常渗透压的重要因素；细胞膜中含有丰富的酶，如：琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶等电子传递系统及氧化磷酸化酶系，所以它又是细菌参与细胞呼吸的部位；细胞膜含有与细胞壁和荚膜合成有关的酶等，是细胞壁各种成分（肽聚糖、垣酸和脂多糖等）和荚膜的合成场所；细胞质膜还是鞭毛的着生点及其运动能量的来源。 3）中体（Mesosome) 也称间体 除细胞质膜外，许多细菌还具有其它的细胞内膜系统。细胞质膜内陷形成的一个或数个较大而不规则的层状、管状或囊状物，称为中体。在革兰氏阳性菌如枯草杆菌、地衣芽孢杆菌、粪链球菌和藤黄微球菌中，中体尤为明显。中体的功能还不完全了解，有以下一些推测： a) 相当于真核细胞的线粒体。中体含有细胞色素氧化酶，琥珀酸脱氢酶等。 b) 相当于真核细胞的内质网。可能担负将胞外酶（消化酶类）分泌到胞外的功能。因为它与胞外相通，所以细菌不必象真核生物一样先形成溶酶体。 c)与细胞壁合成有关。它具有细胞壁合成酶，细胞分裂时，常见中体在新形成的横隔壁(septeum)周围。 d)可能与核分裂有关。电镜下可观测到DNA复制点与细胞质膜尤其是中体相结合的现象。 1963年，Jacob等人提出了细菌染色体合成的复制子假说（replicon hypothesis)，能较合理地解释中体在细菌染色体DNA的复制和分离中的作用，见图2.3.17。其过程为：(1)复制开始时，环状染色体DNA上的某一特异位点附着于间体上的一个复制区处（该处含有复制DNA的有关酶），DNA链的一股被打开；(2) 老间体产生了一个新的间体，同时形成了一个新的复制区，有一股DNA的5’-游离端就附着在新的复制区上；(3)随着新的细胞膜（图中黑色部分）不断延伸，老的染色体DNA不断地向逆时针方向转动，根据DNA合成的滚环机制，在两股老DNA单链上随即合成了新的互补DNA链（虚线）；(4)随着细胞膜的不断延伸，复制后的DNA相互分离，最后成为两个子细胞中的独立染色体。
图2.3.17 细菌染色体DNA的复制模式 4) 拟核（ Nucleoid) 或称核区，类核，原核，细菌染色体（Bcterial chromosome)，染色质体（Chromatin body)，核质体（Nuclear body） 细菌是原核生物（Procaryotes)，没有象真核生物那样的具有核膜的细胞核（Nucleus)。过去很长时期认为它没有核。随着研究方法的改进，现在认为细菌不是没有核，而是它的核结构与形态比真核简单、原始，所以称之为拟核或原核。 用1N HCl或核糖核酸酶（RNase）选择性地水解细菌细胞中的RNA，再对DNA进行富尔根（Fulgen）染色后，可使细菌细胞的拟核显示出来。在光学显微镜下可见细菌的核为球状、棒状或哑铃状。 生长迅速的细菌在核分裂之后细胞往往来不及分裂，所以细胞中常有2或4个核。少数细菌甚至有20(25个核，如褐球固氮菌（Azotobacter chroococcum)等。而生长缓慢的细菌细胞中一般只有1或2个核。细菌除了在染色体复制的短时间内呈双倍体外，一般均为单倍体。 拟核比周围细胞质密度低，电镜下呈透明的区域，高分辩率电镜下可见核区中丝状结构，这是DNA高度折叠缠绕形成的，见图2.3.18。核区只一条大型环状双链DNA分子，长度为250～3,000(m。如E.coli 菌体长仅1～2(m，而DNA长1,000～1,400(m，需要折叠近千倍。拟核没有核膜和核仁，DNA裸露。也有人认为细菌DNA在细胞中存在另一种更复杂的结构层次：整个染色体DNA中有若干超螺旋的结构区。在这些区中DNA片段与类组蛋白结合构成类核小体，并不是单纯裸露的DNA。
图2.3.18 枯草芽孢杆菌（直径0.8μm）电子显微镜图片
图2.3.18 细菌染色体和质粒电子显微镜图片（白色结构为轻微破裂的菌体细胞） 很多细菌细胞内还存在染色体外的遗传因子，称为质粒（Plasmid)。质粒是环状分子，能自我复制，见图2.3.19。绝大多数质粒由共价闭合环状双螺旋DNA分子构成，分子量较细菌染色体小，约106(108道尔顿，只有约1%核基因组的长度。每个菌体内可有一个或几个、甚至很多个质粒。质粒携带着某些细菌染色体上所没有的基因，使细菌等原核生物被赋予某些对生存并非必需的特殊功能。每个质粒可以有50(100个基因。不同质粒的基因可以发生重组，质粒基因与染色体基因间也可发生重组。 质粒按功能可分为：细菌抗药性因子（R因子）、大肠杆菌性因子（F因子）和大肠杆菌素因子（Col因子）。R因子对某些抗生素或其它药物表现抗性；F因子是最早发现的与细菌有性接合有关的质粒；Col因子使大肠杆菌能产生大肠杆菌素以抑制其它细菌的生长。 质粒可以从菌体内自行消失，也可通过物理化学手段，如用重金属、吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线或高温处理使其消失或受抑制。没有质粒的细菌可以通过接合、转化或转导等方式，从有质粒的细菌中获得，但不能自发产生。这说明质粒对细菌的生存不是必需的。质粒可从细胞中失去，而不损害细菌的生活。但是，许多次生代谢产物如抗生素、色素等的产生、以至芽孢的形成都与质粒有关。 质粒既能自我复制，稳定遗传，也可插入细菌染色体中或与其携带的外源DNA片段共同复制增殖；它可通过转化、转导或接合作用单独转移，也可携带染色体片段一起转移，这些特性使质粒成为遗传工程中重要的外源基因运载工具之一。 5）内含物颗粒（Reserve granule) 细菌的细胞质中常含有各种颗粒，大多为细胞的储藏物。内含物的多少随菌龄和培养条件不同而有较大变化。其成分主要为糖类、脂类、含氮化合物及无机盐等。常见的内含物主要有： a) 异染颗粒（Metachromatic granules) 又称捩转菌素（Volutin)。最早在迂回螺菌（Spirillum volutans）中发现。异染颗粒呈强嗜碱性，可被甲苯胺兰、次甲基兰等蓝色染料染成红色，主要成分为多聚偏磷酸盐，是线状分子，化学结构为： OH H O P O H O n n=2(106 异染颗粒中可能还有RNA、蛋白质、脂类与Mg+，颗粒大小为0.5(1(m，颗粒随菌龄增大而变大，在生长后期特别明显。异染颗粒的功能是储存磷元素和能量。当环境（培养基）中缺乏磷时，它可作为磷的补充源，也可降低细胞的渗透压。 白喉杆菌和鼠疫杆菌具有特征性异染颗粒，因此异染颗粒在菌种鉴定中有一定作用。
图2.3.20 Rhodospirillum sp.的电子显微镜图片（示胞内的PHB颗粒） b) 聚(-羟丁酸（Poly (-hydroxybutyric acid，PHB) PHB是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物,见图2.3.20。PHB不溶于水，易被脂溶性染料，如苏丹黑（Sudan Black)着色。它具有储藏碳源、能源和降低细胞内渗透压的作用。当巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内储存的PHB可达干重的60%。在棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii）的孢囊中也含有PHB。在细胞内羟基丁酸呈酸性，而聚合成大分子时就成为中性脂肪酸，这样就能保持细胞内的中性环境，避免内源酸性造成抑制或自毁。 PHB是相容性较好的生物材料，可制成易降解且无毒的医用塑料器皿和外科用的手术针和缝线。PHB的结构（其中n一般大于106）是： H H O H O C C C O H CH3 H n 近年来发现许多细菌，如革兰氏阳性和阴性好氧菌、光合厌氧菌中，都存在PHB类化合物，但结构稍有不同。这类化合物可共同称为聚羟链烷酸（polyhydroxyalkanoate)： HO—CH—CH2—C—O—CH—CH2—C—O—CH—CH2—COOH R O R O n R 如果R是CH3，即为PHB。 c) 肝糖原（Glycogen) 和淀粉粒(Starch granule) 肝糖原和淀粉粒都是(-1，4,或(-1，6糖苷键的葡萄糖聚合物。细菌的多糖贮存物通常较均匀地分布在胞内，颗粒较小，只能在电镜下观察到。若这类贮存物大量存在时，可以用碘使其染色，并在光学显微镜观测到。肝糖原的链短、分枝多，而且颗粒较小，可被碘液染成红色；而淀粉的链长、分枝少，可被碘液染成蓝色。 d) 硫滴 某些硫细菌，如贝氏硫细菌（ Beggiatoa)和丝硫细菌（Thiothrix)等自养细菌的细胞内常含有强折光性的硫滴。它是硫元素的储藏体，也可被这些细菌作为能源利用。 e) 脂肪粒（Oil granules) 脂肪粒的折光性也很强，可被脂溶性染料染色。细胞生长旺盛时，脂肪粒数量随之增多，细胞遭破坏后，脂肪粒可游离出来。 f) 液泡（Vacuoles) 许多活细菌细胞内有液泡，可用中性红染色。液泡内充满水和盐，有时还有异染颗粒和类脂等。液泡具有调节渗透压的功能，还可与细胞质进行物质交换。 不同微生物中储藏性内含物的种类也不同。如厌气性梭状芽孢杆菌只含聚(-羟基丁酸；肠道菌（大肠杆菌，产气杆菌）只含肝糖粒；而有些光合细菌两者都有。内含物的形成一般有利于微生物。当环境中缺乏氮源，而碳源、能源丰富时，细胞会储藏大量内含物，有时可达细胞干重的50%。若将这样细胞移至氮源丰富处，这些储藏物会被酶分解，作为碳源和能源，用于合成反应。另一方面，这些储存物以多聚物的形式储藏还有利于维持细胞内环境平衡，可以避免细胞内渗透压过高等危害。 6）核糖体（Ribosome) 核糖体是分散在细胞质中的亚细颗粒，用电镜观察细胞超薄切片时，可观测到细胞质内这些直径约20nm、 深色的核糖体颗粒。它由核糖体核糖核酸（rRNA,占60%）和蛋白质（占40%）组成。这些颗粒由大小亚基组成，沉降系数为70S（其中大亚基50S，小亚基30S）。沉降系数是指物质在离心力作用下的沉降速度。以漂浮单位S（Svedberg unit)表示。S = 1×10-13秒。沉降系数与颗粒大小、形状及分子量成正比。 原核生物的核糖体常以游离状态分布在细胞质中，在生长旺盛的细胞中，核糖体常成串排列，称多聚核糖体（Polyribosome) 。核糖体之间靠mRNA连接，见图2.3.21。而真核细胞的核糖体既能够以游离状态存在于细胞质中，也可以结合到内质网上，颗粒的沉降系数为80S（其中大亚基60S，小亚基40S）。真核生物的线粒体、叶绿体和细胞核也有各自的核糖体，它们的沉降系数都为70S。 核糖体是蛋白质的合成场所，其数量多少与蛋白质合成直接相关，往往随菌体生长速率而变。据估计，快速繁殖时每个菌体的核糖体数量可达1×104(7×104个。而在缓慢繁殖的菌体中，核糖体的数量可减至2000个左右。原核生物细胞中平均约含15,000个核糖体，而真核细胞平均约含106(107个核糖体。
图2.3.21 核糖体亚基连在mRNA构成的多聚核糖体 7）细胞质（Cytoplasm，Cytoplast) 在细胞质膜内除核区以外的细胞物质均称为细胞质。细胞质是无色、透明、粘稠的胶状物。主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类、少量糖和无机盐。由于富含核酸（RNA），可以被碱性或中性染料染色。幼龄菌着色均匀，老龄菌中核酸被作为氮源、磷源而消耗，所以，着色力不强而且不均匀。细胞质内存在各种内含物和其它细胞器。
图2.3.22 Microcyclus aquaticus细胞中提纯的气泡(直径约100nm)的电子显微镜图片 8）气泡（Gas vacuoles) 某些光合细菌和水生细菌的细胞质中含有几个甚至很多个充满气体的圆柱形或纺锤形气泡，见图2.3.22。气泡大小因种而异，长度约300(700nm，宽度约60(110nm，由许多气泡囊组成。气泡膜不同于真正的膜，它只含蛋白质而无磷脂。蛋白质亚单位排列成一个坚硬的结构，以对抗外部施加于该结构的压力，使之维持正常功能。气泡蛋白质中没有含硫氨基酸，芳香族氨基酸也较少，水解产物中约50%的氨基酸属非极性氨基酸，以缬氨酸、丙氨酸和亮氨酸居多。X-衍射研究表明大多数极性氨基酸构成了膜的亲水性外表，而膜的内侧主要由非极性氨基酸构成，而且绝对疏水。所以气泡只能透气而不能透过水和溶质。气泡确切的功能还不清楚。许多漂浮于湖水和海水中的某些光合或非光合性细菌以及蓝细菌等都有气泡，使之具有浮力。由于这类细菌大量生长，有气泡的细胞漂浮于水面，并随风聚集成块，常使湖内出现水华。也有人认为气泡具有吸收空气中氧为细菌利用的功能。嗜盐细菌的气泡比较显著，它们是专性好氧菌，可生活在含氧极低的浓盐水中。另外还有人推测气泡只是使细胞漂在水面，保证菌体更接近空气。
图2.3.23 细菌(Pseudomdnas fluorescens)“运动器官”——鞭毛的电子显微镜图片 9）鞭毛（Flagellum ) 某些细菌表面着生从胞内伸出的细长、波浪形弯曲的丝状物。它们是细菌的运动“器官”，数目有一到数十根，称为鞭毛。鞭毛的长度常常超过细胞的长度。最长可达70(m。鞭毛的直径很细（10～20 nm），只有在电镜下才能看见，见图2.3.23。但采用特殊的鞭毛染色法，使染料沉积在鞭毛上，使加粗直径，则可在光学显微镜下观察到鞭毛形态。另外，用悬滴法或暗视野显微镜观察细菌的运动情况，或用半固体琼脂培养基穿刺培养并观察混浊的扩散区及从细菌生长扩散的情况，都可以间接地判断细菌是否存在鞭毛。从细菌在固体培养基上的菌落形态也可判断该菌是否有鞭毛存在。一般而言，如果某菌的菌落形状大、薄且不规则，边缘极不平整，说明该菌具有运动能力；反之，如果菌落十分圆滑、边缘平整且相对较厚，则可说明它没有鞭毛。
图2.3.23 细菌鞭毛的类型 除尿素八叠球菌外，大多数球菌不生鞭毛；杆菌有的生鞭毛，有的则不生；螺旋菌一般都有鞭毛。 鞭毛着生的位置、数目和排列情况是细菌‘种’的特征，有分类鉴定意义。例如革兰氏阴性杆菌中的假单胞菌属（Pseudomonas），鞭毛着生在菌体的一端，而埃希氏菌属（Escherichia）的鞭毛着生在菌体四周。根据鞭毛的数量和排列情况，细菌分以下几种类型（见图2.3.24）： （1）偏端单生鞭毛菌 在菌体的一端只生一根鞭毛，如：霍乱弧菌、荧光假单胞菌(Pseudomonas flurescens)。 (2) 两端单生鞭毛菌 在菌体两端各具一根鞭毛，如：鼠咬热螺旋体(Spirochaeta morsusmuris)。 (3) 偏端丛生鞭毛菌 菌体一端生出一束鞭毛，如：铜绿色假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。 (4) 两端丛生鞭毛菌 菌体两端各具一束鞭毛，如：红色螺菌(Spirillum rubrum)、产碱杆菌（Bacillus alcaligenes） (5) 周生鞭毛菌 周身都生有鞭毛，如：大肠杆菌、枯草杆菌等。 鞭毛通常不是直的，而是螺旋形的，平展时呈波曲状。在两个相邻弯曲间表现出恒定的长度，称为波长。各种微生物鞭毛的波长是恒定的，但也有一些细菌有两种不同波长的鞭毛。 鞭毛虽是细菌的“运动器官”，但并不是生命活动所必需的。鞭毛极其容易脱落，也会因遗传变异而丧失。幼龄菌带有鞭毛，运动活泼；而老龄菌鞭毛脱落，不能运动。有人认为，鞭毛是细菌生存适应的产物。像水生细菌通常只一根或几根端生鞭毛，而陆生细菌多为周生鞭毛，以利于在潮湿环境下活动。有些病原菌的鞭毛与致病性有关，它能协助菌体穿过动物的粘液性分泌物和上皮细胞的屏障，进入人或动物体液和组织中引起病害。 有些原核生物没有鞭毛也能运动。粘细菌、蓝细菌主要表现为“滑行”，这种运动方式只有当菌体与固体表面接触时才能发生，如果悬在水中，运动即停止。也有的通过“轴索”扭曲而运动，如螺旋体等。 鞭毛引起的运动速度很快。每秒可达菌体数倍、甚至数十倍。见表2.3.2。例如：逗号弧菌（Vibrio comma）端生鞭毛，菌体约0.3(0.5×1(5(m ，而运动速度可达200(m /sec.，相当于自身长度的40倍；伤寒杆菌长度1(m，运动速度有18(m/sec.；又如蔓延螺菌（Spirillum serpens)不仅前进速度达到50(m /sec ，而且鞭毛的旋转速度为40转/秒，带动菌体以14转/秒的速度旋转，从而推动菌体前进。更有甚者，蛭弧菌（Bdellovibrio）菌体的旋转速度高达100转/秒以上。这种惊人的运动速度和旋转频率是世界上最优秀的短跑冠军和芭蕾舞演员所望尘莫及的。鞭毛的运动往往受环境条件的影响，当细菌与环境相互吸引时，鞭毛作顺时针旋转；反之，则以逆时针方向转动。 表2.3.2 一些细菌的运动速度 微生物 鞭毛类型 细胞长度（(M） 速度（(M） 速度与细胞长度比值  逗号弧菌（Vibrio comma) 端生 1~5 200 40  铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 端生 1.5 55.8 37  耶拿硫螺旋菌(Thiospirillum jenense） 丛生 3.5 86.5 24  奥氏红硫菌（Chromatium okenii) 丛生 10 45.9 5  大肠杆菌(Escherichia coli） 周生 2 16.5 8  地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis） 周生 3 21.4 7  尿素八叠球菌（Sarcina ureae) 周生 4 28.1 7   鞭毛化学组成主要为蛋白质，还含有少量多糖、脂类和核酸等。采用适当的物理化学方法处理纯的鞭毛，可降解得到蛋白质的亚单位，该亚单位称为鞭毛蛋白（flagellin)，分子量为15,000～40,000道尔顿。鞭毛蛋白是一种很好的抗原物质，这种鞭毛抗原又称为H(hauch)抗原。各种细菌的鞭毛蛋白由于氨基酸组成不同导致H抗原性质上存在差异，故可通过血清学反应，进行细菌分类鉴定。 鞭毛丝一般由三股以螺旋方式平行排列或中间方式紧密结合在一起的鞭毛蛋白链组成，每股链则由许多球状鞭毛蛋白亚基螺旋排列而成。见图2.3.25。X射线衍射研究指出鞭毛为中空螺旋结构，一般直径为12～20nm,长度为2～5(m。鞭毛起源于细胞质膜内侧的基粒（Basal body)，因此细胞壁经消化而移去后剩下的原生质体仍能保留鞭毛。
图2.3.25 鞭毛丝结构图解 通过电镜研究得知，鞭毛丝状体通过短钩形鞘伸出。鞘末端有4个很薄的片状同心环状体，与细胞壁和细胞质膜相连，见图2.3.26。钩形鞘是连接鞭毛丝基部的一个弯曲的筒状部分，直径约17纳米，稍大于鞭毛丝，长约45纳米，同样由蛋白亚基组成，分子量因种而异。基粒连接在鞭毛钩的下端，由几种多肽组成，分子量为9,000(60,000。基粒结构比鞭毛丝和鞭毛钩都复杂，它包括一条中心杆及连接于杆上的2(4个环。中心杆长约27纳米，直径约7纳米，位于套环中。革兰氏阴性菌的L环和P环分别包埋在细菌的外壁层（脂多糖层）和内壁层（肽聚糖层），而S环在细胞膜表面，M环在细胞膜中或恰好居于膜下。革兰氏阳性菌只有S环和M环。S环可能与细胞壁外表面上的磷壁酸质多聚体相连，M环则与细胞膜相连。这一差别表明S环和M环是鞭毛功能所必需的。
图2.3.26 革兰氏阴性菌鞭毛细微结构 鞭毛运动的机理至今尚未探明。有人认为，细菌鞭毛运动是由于鞭毛基部的一个鞭毛“发动器”，当S环和M环彼此向相反方向旋转时，“发动器”启动，导致中心杆转动，使丝状体急速旋转，推动菌体前进。但是，“发动器”是怎样的结构？它又如何获得能量？这些不得而知。也有人认为鞭毛运动是由丝状体与基粒中的环状体相互收缩引起的。另外还有人认为是由于鞭毛蛋白大分子链反复收缩、松驰，产生波浪运动，从而推动或拉动菌体运动。 10）线毛（Pilus或Fimbria) 线毛又称伞毛，菌毛或纤毛。线毛是长在细菌体表的一种纤细、中空，短直而又数量较多的蛋白质附属物。线毛直径7～9nm，内径2～2.5nm，长度2～20nm，每个菌体约有250～300根。它们比鞭毛更细、更短，而且又直又硬，数量很多。线毛只有在电子显微镜下才能观测到，见图2.3.27。线毛在革兰氏阴性菌，尤其是肠道细菌和某些假单胞菌属菌株的细胞表面很常见，少数革兰氏阳性菌也有线毛。与鞭毛相似，线毛也由蛋白组成，也起源于细胞质膜内侧的基粒。但是线毛不具有运动功能，因此也见于非运动细菌。某些不具鞭毛的细菌生有线毛，有的细菌则两者兼有。
图2.3.27 细菌（Salmonella typhi，直径约0.9μm)线毛与鞭毛的电子显微镜图片 不同类型线毛具不同的功能：(1) 性线毛（Sex pili) 是在性质粒（F因子）控制下形成的，故又称F-线毛（F-pili）。它比普通线毛粗而长，数量较少，大肠杆菌约有四根。性线毛是细菌接合时遗传物质转移的通道。当不同性别的细菌接合时，通过性线毛，雄性株就将遗传物质传递给不具性质粒的雌性菌株，使之也能产生性线毛。至于遗传物质如何传递的，还有待于进一步研究。（2）线毛作为噬菌体（Phage)的吸附位点 如大肠杆菌噬菌体M13就可吸附在大肠杆菌的性线毛上，进而侵入细胞。（3）线毛作为附着到哺乳动物细胞或其它物体上的工具 线毛的附着性可能对细菌在自然环境中的生存有意义。它可附着在动物的呼吸道、消化道、泌尿生殖道的粘膜表面。有线毛者以致病性革兰氏阴性菌居多。

(a) (b) 图2.3.28 细菌的荚膜 细菌（Acinetobacter sp.）负染后相差显微镜图片； (b)细菌（Rhizobium trifolii,不包括荚膜的菌体直径0.7μm）电子显微镜图片 11）荚膜（Capsule) 某些细菌生活在一定的营养条件下时，会在细胞壁表面形成一层松散的粘液状物质，称为荚膜。荚膜不易着色，但可用负染法在暗色背景和折光性强（或染色）的菌体之间形成一透明区，见图2.3.28。根据荚膜的形状和厚度的不同，可以出现以下四种情况：（1） 若这种粘液物质具一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，这时称为荚膜或大荚膜(macrocapsule)。荚膜厚度因菌种、环境而异，一般可达200nm。荚膜与细胞的结合力较弱，通过液体振荡培养或离心便可得到荚膜物质。(2) 如果这种粘液物质的厚度很薄，小于200nm，那么就称为微荚膜(microcapsule)。它与细胞表面结合较紧，光学显微镜下不能看到。但可采用血清学方法证明其存在。微荚膜易被胰蛋白酶消化。(3)这种粘液物质没有明显的边缘，比荚膜疏松，而且可扩散到周围环境中，使培养基的粘度增加，这种粘液物质层称为粘液层(slime layer)。(4)通常情况下，每个菌体外面包围着一层荚膜，但是有些细菌的荚膜物质相互融合，连在一起，组成了共同的荚膜，多个菌体包含在荚膜中，此时，可称为菌胶团。肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides)在蔗糖培养基中长成一串，就是因为外表形成了一个共同的厚荚膜。 将荚膜物质提纯，发现有的具抗原性或半抗原性，如肺炎球菌与特异性抗血清作用时，荚膜会增大，这称为荚膜膨胀试验。人们常通过荚膜的血清学反应进行细菌鉴定。像炭疽杆菌，由于荚膜化学组成的微小差异，通过荚膜膨胀试验，可将其分成70多个型。 荚膜的化学组成因菌种而异，它含大量水分，约占重量的90%以上，其余为多糖、多肽、蛋白质、脂及其它们的复合体——脂多糖、脂蛋白等，见表2.3.3。荚膜多糖又称胞外多糖，它可能是由一种单糖形成的同型多糖，像肠膜明串珠菌、牛链球菌（Streptococcus bovis)在蔗糖培养基中，合成的葡聚糖粘液层；有的荚膜由两种以上单糖组成异型多糖，如肺炎双球菌Ⅲ型的荚膜，由D-葡萄糖和D-葡萄糖醛酸通过(-1,3和(-1,4糖苷键相间连接而成；炭疽杆菌的荚膜由D-谷氨酸聚合而成；巨大芽孢杆菌的荚膜由蛋白质与多糖组成；痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae)的荚膜是多糖-多肽-磷酸的复合物。有的胞外多糖常与磷酸、醋酸、延胡索酸或丙酮酸相结合。从结构上看，大多数细菌的荚膜是一种聚合物的均匀结构，但也有例外，如巨大芽孢杆菌的荚膜膨胀试验表明，它们以多糖为骨架，多肽填充其间，属于非均匀结构。 表2.3.3 不同细菌荚膜物质的化学组成 菌种 荚膜组成 分解产物  革兰氏阳性细菌 炭疽芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌 肺炎双球菌 肠膜明串株菌 多肽 多肽、多糖 多糖 多糖 D-谷氨酸 D-谷氨酸、氨基糖 D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸 葡萄糖  革兰氏阴性细菌 痢疾志贺氏菌 大肠杆菌 荚膜醋杆菌 多糖-多肽-磷酸复合物 多糖 多糖  半乳糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸 葡萄糖   产荚膜是微生物的遗传特征之一，是“种”的特征。但荚膜不是细菌的必要结构，没有荚膜（如发生突变或酶处理后）的菌株照样能够正常生活。 荚膜的形成与环境密切相关。如：肠膜明串珠菌只在含糖量高、含氮量低的培养基中才大量形成荚膜；某些病原菌，像炭疽杆菌只在人或动物体内，或者在CO2分压较高的环境中才形成荚膜；大肠杆菌需在丰富的碳水化合物和较低温度条件下才能形成荚膜。另外，产荚膜细菌也不是在整个生活周期内都能形成荚膜的，如某些链球菌在生长早期能形成，而在生长后期则消失；肺炎双球菌则在缓慢生长时才能形成荚膜。 产荚膜的细菌在固体培养基上形成的菌落表面湿润、有光泽、呈粘液状，称光滑（Smooth.，S-）型菌落。不产荚膜的细菌形成的菌落表面干燥、粗糙，称粗糙（Rough,R-)型菌落。 荚膜的主要作用是能保护细胞免遭干燥影响，同时也是细胞外的碳源和能源的储备物质。当环境缺乏营养时，它可被细胞利用。另外，荚膜能保护病原菌免遭宿主吞噬细胞的吞噬，增强其致病能力。如具有荚膜的S型肺炎球菌对人体毒力强，能引起肺炎，但如果细胞失去荚膜（即成为R型菌株）后，致病力就下降。大多数具荚膜的病原菌并不是荚膜有毒，而是荚膜有利于菌体在人体内大量繁殖所致。当然也有些菌的荚膜本身具有毒性，如流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae)、肺炎克氏杆菌（Klebsiella pneumoniae)等。 荚膜使菌体易于附着到适当的物体表面。例如引起龋齿的唾液链球菌、变异链球菌等会分泌己糖基转移酶，将蔗糖转化为荚膜物质——果聚糖，使细菌易于粘附在牙齿表面，细菌发酵产生乳酸，会腐蚀牙齿的珐琅质引起龋齿。 荚膜也会对工业生产造成危害。如食品工业中的粘性面包、粘性牛奶就是因为污染了产荚膜细菌所引起的；在制糖工业中，由于产荚膜菌大量繁殖，会增大糖液的粘度，影响过滤速度，降低糖产量。 在另一方面，荚膜也可以成为有价值的材料。例如：利用明串珠菌将蔗糖转化为荚膜物质——葡聚糖，可进一步用于生产代血浆中的主要成分——左旋糖酐。左旋糖酐有维持血液渗透压，增大血容量的作用，在临床上还用来抗休克、消肿和解毒；甘蓝黑腐病黄单胞菌（?Xanthomonas campestris）分泌的粘液层被称为黄原胶(xanthan)，它是良好的食品添加剂，可以增加食品的粘度和口味，同时，它又是石油开采中优良的压浆剂。 12）芽孢（Spore,Endospore) 某些细菌在生长的一定阶段，细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形，对不良环境条件具较强抗性的休眠体，称为芽孢。因为细菌芽孢的形成都在胞内，所以又称为内生孢子（Endospore)，以区别于放线菌、霉菌等形成的外生孢子（Exospore）。


(b) (c) 图2.3.29 细菌芽孢在光学显微镜下的形态及其在胞内的位置 (a) 近中央； (b) 末端 ；(c) 中央 能否形成芽孢是细菌“种”的特征。能产生芽孢的杆菌主要有二个属：好气性芽孢杆菌属（Bacillus)和厌气性梭状芽孢杆菌属（Clostridium)。此外，有些微好气芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus)、厌气性脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum）及多孢子菌属（Polysporobacterium）也能产生芽孢；而球菌只有生孢八叠球菌属（Sporosarcina）能产芽孢；螺菌、弧菌只有极少数种能产芽孢。 各种细菌芽孢在细胞中的位置、形状和大小是一定的，这在分类鉴定上有一定的意义，但有时它也受环境的影响。多数好氧性芽孢杆菌的芽孢位于细胞中央或近中央，直径小于细胞宽度。如：枯草芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，腊状芽孢杆菌等。多数厌氧性芽孢杆菌的芽孢位于细胞中央，但是直径大于细胞宽度，梭状芽孢杆菌就是因为这种特点而得名。也有少数厌氧菌的芽孢位于细胞的一端，直径又大于细胞宽度，呈鼓槌状。如：破伤风梭状芽孢杆菌(Clostridium tetani)，见图2.3.29。 芽孢具有很强的抗热、抗干燥、抗辐射、抗化学药物和抗静水压能力。解热糖梭菌的营养细胞在50℃温度下，短时间就死亡，而其芽孢在132℃，处理4.4分钟，才被杀死90%；芽孢抗辐射能力也比营养细胞强一倍；另外，芽孢具有惊人的休眠能力，在普通保藏条件下，它能存活几年至几十年；在自然界中它能存活几百年至几千年，甚至更长。所以，我们常利用芽孢这一特性，将菌种以芽孢的形式长期保藏。有的菌种的芽孢可保存30年。 我们常以芽孢作为评价杀菌效果的参照物。嗜热脂肪芽孢杆菌的芽孢是目前所知抗热能力最强的，它在121℃温度下，湿热蒸汽处理12分钟才能被杀灭。根据对嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的致死效果，人们确立了实验室一般灭菌的操作参数：在121℃温度下，湿热蒸汽处理15～20分钟，或在150～160℃温度的干热空气下，处理1～2小时，以达到彻底灭菌的目的。

图2.3.30 细菌芽孢的表面结构 图2.3.31成熟芽孢的电子显微镜图片 在光学显微镜下，芽孢是折光性很强的小体。芽孢壁厚而致密，不易着色，必需采用特殊的芽孢染色法。利用扫描电子显微镜，可看到各种芽孢的表面特征，有的光滑、有的具脉纹或沟嵴，见图2.3.30。利用切片技术和透射电子显微镜，能看到成熟芽孢的核心、内膜、初生细胞壁、皮层、外膜、外壳层及外孢子囊等多层结构，见图2.3.31。细菌芽孢的结构组成见以下表解： 芽孢囊：产芽孢母细胞的外壳 孢外壁：有的芽孢无此壁，主要为脂蛋白，透性差 芽孢 细菌 芽孢衣（孢子壳）：疏水性角蛋白，抗酶解，抗药物。多价阳离子不易通过。 芽孢 皮层 ：主要含芽孢肽聚糖，DPA-Ca，体积大、渗透压大 芽孢壁（孢子层）：含肽聚糖，可发展成新细胞壁 芽孢膜（孢子膜）：含磷脂、蛋白质，可发展成新细胞膜 核心 芽孢质：含DPA-Ca，核糖体，RNA和酶类 核区：含DNA 芽孢的化学组成上有一些重要的特点： 含有吡啶-2,6-二羧酸（DPA），DPA的结构式见图2.3.32。DPA是芽孢所特有的，营养细胞和其它生物细胞中都没有。它可能位于芽孢的核(Core)中心，可能以钙盐形式存在，它们在芽孢中的堆集造成细胞质体积缩小到最小体积。
图2.3.32 吡啶-2,6-二羧酸（DPA）钙盐结构 含有芽孢特有的芽孢肽聚糖，结构式见图2.3.33。 芽孢平均含水40%，皮层70%，多为结合水。而营养细胞含水约80%。在形成芽孢的过程中，细胞质收缩，水分降低。水分可以自由进出芽孢。但芽孢细胞质的物理状态，即胶体结构的程度和紧密的皮质层阻止了细胞质的吸水和核膨胀。 芽孢中酶的分子量较营养细胞的正常酶要小。分子量低的蛋白质由于其分子中键的作用较强而更加稳定、耐热。
图2.3.33芽孢肽聚糖结构 在芽孢形成过程中，DPA很快合成。DPA形成后，芽孢就具抗热性。芽孢萌发后，DPA释放到培养基中，同时也丧失了抗热性。过去一般认为DPA与芽孢抗热性有关，即DPA与Ca++螯合使芽孢中生物大分子形成耐热性凝胶。但是已经有人分离到了无DPA的突变体仍具抗热性，从而否认了DPA与芽孢抗热性有关的假设。 芽孢的抗热机制至今仍然不清。有人提出了渗透调节皮层膨胀学说，即：芽孢衣(Coat)对多价阳离子和水分的透性差，皮层离子强度高，从而皮层有极高的渗透压，能够夺取核心部分的水分，引起皮层膨胀。总的讲，芽孢含水量不比营养细胞低多少，只是核心部分处于高度失水状态，所以才有极强的抗热性。 在产芽孢的细菌中，芽孢囊（Sporangium)就是母细胞的空壳；胞外壁（Exosporium)位于芽孢的最外层，是母细胞的残留物。胞外壁可有可无，或紧或松，重量占芽孢干重的2～10%。它分内外两层（外层约6nm厚，内层约19nm厚），主要成分是脂蛋白，也含少量氨基糖，透性差；芽孢衣（spore coat）的厚度约3nm，层次较多（3～15层），主要含疏水性的角蛋白以及少量磷脂蛋白。芽孢衣对溶菌酶、蛋白酶和表面活性剂具有很强的抗性，对多价阳离子的透性很差；皮层（cortex）在芽孢中占有很大体积（30～60%），内含芽孢特有的芽孢肽聚糖，其特点是呈纤维束状、交联度小、负电荷强、可被溶菌酶水解，还含有占芽孢干重7～10%的DPA-Ca，不含垣酸。皮层的渗透压高达2mPa左右，含水量约70%，略高于营养细胞，而比芽孢的平均含水量（40%）高许多；芽孢核心（core）又称芽孢原生质体，它是由芽孢壁、芽孢膜、芽孢质和核区四部分构成，芽孢核心的含水量极低。
图2.3.34 芽孢的形成过程 细菌只有在营养耗尽、生长停滞的时期才形成芽孢；若在生长末期加入新鲜的营养物质，芽孢的形成即被抑制；因此芽孢形成的能量是由内源代谢提供的。 根据电子显微镜观察，芽孢的形成由一系列非常复杂的过程组成，绝非是细胞质简单的浓缩和核物质的简单分配。芽孢的形成历时8～10小时如图2.3.34所示，分为以下七个阶段： （1） 核物质凝集，DPA浓缩； （2） 质膜藉中体内陷，形成双层膜，构成芽孢的横隔壁； （3） 芽孢横隔壁环绕，形成光学显微镜下折光性强的前芽孢（Forespore)； （4） 前芽孢周围形成新的壁（原始皮层,Primordial cortex)； （5） 皮层加厚，形成芽孢外壳(Outer coat)； （6） 内、外皮层发育，芽孢成熟； （7） 母细胞裂解， 芽孢囊溶解，游离出芽孢。
图2.3.35 芽孢（X30,000）萌发过程中的形态 在光学显微镜下观察芽孢的形成过程，只能看到以下变化：首先在细胞的一端出现折光性较强的区域，即前孢子阶段；然后折光性逐渐增强，形成成熟的孢子；经过几小时后，成熟的芽孢部分或全部脱离孢子囊壁而释放，呈游离状。 芽孢可保持休眠状态，存活数年至数十年，并能在几分钟内苏醒。如：芽孢在60～70℃加热数分钟就会使芽孢停止休眠而萌发：芽孢逐渐变大，裂解酶将孢子壁和芽孢衣分解，芽孢衣沿赤道分开并拉向两边，新的营养细胞破出，芽孢萌发过程中的形态见图2.3.35。芽孢萌发的标志是折光性下降，对染料的亲和力增大及抗热性降低。 芽孢的结构复杂，是一种特殊的休眠体。它本身具维持生命活动的所有功能，在适宜的环境条件下就会萌发。但与其它外生孢子不同，一个营养细胞只能形成一个芽孢，一个芽孢只能产生一个新细胞，所以芽孢不是细菌的繁殖“器官”。 芽孢与营养细胞的区别见表2.3.4。 表2.3.4 细菌芽孢与其营养细胞的区别 比较项目 营养细胞 芽孢  结构 显微镜下 化学组成 钙 DPA PHB 多糖 蛋白质 含硫氨基酸 酶活性 代谢（耗氧） 大分子合成 mRNA 抗热性 抗化学药品和抗酸性 染料染色 溶菌酶作用 典型的革兰氏阳性菌 无折光性 含量低 无 有 高 较低 低 高 高 活跃 有 弱 弱 易染 敏感 厚皮层，芽孢衣，孢外壁 具折光性 含量高 有 无 低 较高 含量高 低 低或无 无 含量低或无 强 强 需特殊染色 不敏感   13）伴孢晶体（Parasporalbodies，spore-companioned crystal） 有一些芽孢杆菌（如苏云金杆菌等）在形成芽孢的同时，在细胞内产生晶体状内含物，称伴孢晶体。一个细菌只产生一个伴孢晶体，见图2.3.3。 因菌种或营养条件的不同，伴孢晶体呈斜方形、长斜方形、方形或不规则。当培养基中含丰富的动物性蛋白质或其分解产物时，伴孢晶体就会大而典型。 伴孢晶体由蛋白质组成，但对胰蛋白酶、糜蛋白酶等蛋白酶不敏感。在水、稀硝酸、稀盐酸中均不溶，但能溶于Na2CO3,NaOH 等碱性溶液。 伴孢晶体是一种毒蛋白。由于鳞翅目幼虫的中肠呈碱性（pH值9.0(10.5），晶体毒素到达昆虫肠道中，立即溶解并吸附在上皮细胞上，很快引起肠道麻痹、穿孔，毒素随即进入体腔和血液，破坏昆虫正常生理并且影响昆虫的神经传导，最终造成瘫痪死亡。这种毒素对人畜毒性很低，故国内外均以工业化方式大量生产有关苏云金杆菌，作为生物农药。苏云金杆菌的伴孢晶体由18种氨基酸组成，晶体尺寸为0.6×2.0(m，见图2.3.36。已经证明苏云金杆菌的伴孢晶体对200多种昆虫、尤其对鳞翅目昆虫有毒害作用。近年来国内外正在将苏云金杆菌的毒素蛋白基因转移到农作物的细胞内，这种转基因农作物不断释放出的毒素能抵御害虫侵袭，而且对人畜无害，也不会污染环境。

图2.3.36 苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis）和伴孢晶体电子显微镜图片 2.3.3.4 细菌的繁殖方式 细菌的繁殖方式较简单，一般为无性繁殖。表现为细胞横分裂，称为裂殖。如果裂殖形成的子细胞大小相等，则称为同形裂殖（homotypic division)。大多数细菌繁殖属同形裂殖。也有少数种类的细菌的分裂偏向一边，分裂产生两个大小不等的子细胞，称为异形裂殖(heterotypic division)。在陈旧培养基中偶而也会出现这种现象。 经电镜研究得知细菌分裂分三步进行（见图2.3.37）： （1）核分裂 细菌染色体复制后，随着细胞的生长而移向细胞两极，与此同时，细胞赤道附近的质膜从外向内环状推进，然后闭合形成一个垂直于长轴的细胞质隔膜，将细胞质和两个“细胞核”隔开； （2）形成横隔壁 随着细胞膜向内凹陷，母细胞的细胞壁向内生长，将细胞质隔膜分成两层，每层分别成为子细胞的细胞质膜。随后，横隔膜也分成两层。这时，每个子细胞便都有了一个完整的细胞壁； （3）子细胞分离 有些细菌细胞在横隔壁形成后不久便相互分离，呈单个游离状态。而有的种在横隔壁形成后暂时不发生分离，呈双球菌、双杆菌、链状菌等。一些球菌，因分裂面的变化，成为四联球菌、八叠球菌等。
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(b) 图2.3.37 细菌细胞分裂 分裂的三阶段过程；(b) 大肠杆菌同形裂殖的电子显微镜图片 除无性繁殖外，通过电子显微镜观察和遗传学研究已证实细菌还存在有性生殖，但频率较低。实验室条件下存在有性接合现象的除埃希氏菌属（Escherichia)外，还有志贺氏菌属(Shigella)、沙门氏菌属(Salmonella)、假单胞菌属(Pesudomonas)、沙雷氏菌属(Serratia)和弧菌属(Vibrio)等。目前，对大肠杆菌的有性生殖研究得较透彻，通过中断杂交方法，已作出大肠杆菌的基因图谱，并常用于许多基因的定位研究。 2.3.3.5细菌的培养特征 1） 细菌的菌落特征 菌落（Colony)就是指单个细胞在有限的空间中发展成肉眼可见的细胞堆，见图2.3.38。菌落可在固体培养基表面，也可在固体、半固体培养基的深层，甚至在液体培养基中生长。
(a) (b) 图2.3.38 细菌菌落 固体培养基表面形成的细菌（Staphylccoccus aureus）菌落； 细菌（Staphylccoccus aureus）细胞的电子显微镜图片（X 57,000） 如果菌落由一个单细胞发展而来，它就是一个纯种细胞群，称纯无性繁殖系，或称克隆（Clone)。挑取单菌落是一种常用的菌株纯化手段。如果各菌落连成一片则称菌苔(Lawn)。在适宜的条件下，24小时内每个菌落的细菌数目可达几十亿个，见图2.3.39。 在一定的培养条件下，各种细菌形成的菌落具一定特征。如：菌落大小、形状（圆形、假根状、不规则状等）、边缘情况（整齐、波形、裂叶状、锯齿形等）、隆起情况（扩展、台状、低凸、凸面、乳头状等）、光泽（闪光、金属光泽、无光泽等）、表面状态（光滑、皱褶、颗粒状、龟裂状、同心环状等）、质地（油脂状、膜状、粘、脆等）、颜色、透明程度等，见图2.3.40。菌落的特征对细菌的分类、鉴定有重要的意义。
(a) (b) 图2.3.39 细菌菌落中的细胞形态 （a）固体培养基上链球菌菌落的电镜扫描图片（X4800）； (b) 固体培养基上Vibrio cholerae菌落的边缘（X5400） 菌落特征决定于组成菌落的细胞结构与生长行为。如肺炎双球菌有荚膜菌株的菌落是光滑型的，而其无荚膜的突变株菌落却是粗糙型的。有的细菌，如炭疽杆菌的细胞生长成链状，菌落表面粗糙而且卷曲，菌落边缘有毛边突起。扫描电镜观察结果也表明菌落特征与其中的细胞形状、排列方式密切相关。有的菌落有颜色，有些色素不溶于水，存在于细胞内；有的是水溶性的，可扩散到培养基中。 菌落特征不仅决定于细胞特征，而且还受邻近菌落影响。菌落靠得太近，由于营养物有限和有害代谢物分泌积累，生长将受到抑制。划线法分离菌种时，相互靠近的菌落较小，而分散的菌落较大。
图2.3.40 细菌菌落特征 正面观：1.扁平 2.隆起 3.低凸起 4.高凸起 5.脐状 6.草帽状 7.乳头状； 表面结构、形态和边缘：8.圆形、边缘完整 9.不规则，边缘波浪 10.不规则、颗粒状、边缘叶状 11. 规则、放射状、边缘叶状 12.规则、边缘扇边状 13.规则、边缘齿状 14.规则、有同心环、边缘完整 15.不规则、毛毯状 16.规则、菌丝状 17.不规则、鬈发状、边缘波状 18. 不规则、丝状 19.不规则、根状 因为菌落内各个细胞所处的空间位置不同，营养物摄取、代谢产物的积累及空气供应也不一样，同一菌落内细菌的生理、形态也会有差异。例如好气菌的菌落中，由于个体间的争夺，使得越接近菌落表面的个体越易获得氧气，越接近培养基的营养越丰富，因而造成同一菌落中细胞间的差异。 从上可知，细菌菌落的形态是由细胞表面状况、排列方式、代谢产物、好气性和运动性所决定的，同时它也受培养条件、尤其是培养基成分的影响。
图2.3.41 细菌在琼脂培养基中穿刺培养的生长特征 丝状 2.有小刺 3.念珠状 4.绒毛状 5.假根状 6.树状 2）细菌的其它培养特征 在半固体培养基中用接种针穿刺将菌种接入培养基的深层进行培养，可以鉴定细菌的运动特征。不能运动的，即无鞭毛的菌株，只能沿穿刺方向生长，而能运动的菌株会向四周扩散，且各种细菌运动扩散的形状不同，见图2.3.41。 若以明胶代替琼脂作为培养基的凝固剂，同样进行穿刺培养，可以鉴别菌株产蛋白酶的性能。明胶水解后，形成一定形状的溶解区，见图2.3.42。这种方法也可用于菌种鉴定。 在固体培养基的表面以划线法将菌株接入培养，2(5天后可以看到因种而异的群体生长特征。见图2.3.43。 在液体培养基中，经1(3天培养，菌体生长会引起培养基变得混浊，或在表面形成菌环、菌膜或菌醭，或产生絮状沉淀。见图2.3.43。有的还会产生气泡、色素等。液体培养的特征在菌种分类鉴定中有一定的意义。
图2.3.42 细菌在明胶培养基中穿刺培养并液化明胶的特征 不液化 2.火山口状 3. 芜箐状 4.漏斗状 5.袋状 6.层状
图2.3.43 细菌在琼脂斜面划线培养的生长特征 丝状 2.有小刺 3.念珠状 4.扩展状 5.树状6.假根状
图2.3.44 细菌在肉汤培养基中的表面生长特征 絮状 2.环状 3.浮膜状 4.膜状 2.3.3.6 常见的细菌 大肠埃希氏杆菌（Escherichia coli） 大肠埃希氏杆菌，简称为大肠杆菌，是最为著名的原核生物。由法国细菌学家Theodor Escherich于1885年首先分离得到。作为消化道最普通的居住者， Escherich 将它命名为 Bacterium coli，以示它是杆状（ Bacterium 意为‘杆状’）及居住在消化道（ coli 意为大肠colon)的细菌。后来为纪念这位发现者，将该属名改为Escherich 。如今，我们对E.coli的了解远远多于其它生物，甚至包括我们人类本身。E.coli的结构和功能常被用做其它所有生物的原始模型。 大肠杆菌归埃希氏杆菌属（Escherichia)。细胞呈杆状，0.5×1.0(3.0(m，有的近似球形，有的则成为长杆状；运动或不运动，运动者周生鞭毛；属于革兰氏阴性菌。大肠杆菌一般无荚膜、无芽孢；菌落白色或污白色，边缘圆或波形，光滑闪光，扩展；它能使牛奶迅速产酸凝固，但不胨化、不液化明胶；产吲哚，甲基红阳性；VP阴性。 尽管Escherich属菌株和大多数大肠杆菌是无害的，但也有些大肠杆菌是致病的，会引起腹泻和尿路感染。如O-157（肠胃出血性大肠杆菌）本身对人无害，但它借助于一种新基因产生一种叫‘贝洛毒素’的有害物质，破坏人体的红血球、血小板和肾脏组织。有鞭毛的大肠杆菌的菌体在医学上称“O抗原”，根据其性质不同，可将所有大肠杆菌分为173类，O-157即指编号为157的大肠杆菌O抗原。 大肠杆菌的名声主要因它易于在实验室操作、生长迅速，而且营养要求低。它是第一个被发现存在有性生殖的细菌（Joshua Lederberg和Edvard L. Tatum，1946年）。大肠杆菌能作为宿主供大量的细菌病毒生长繁殖，为详细研究病毒的性质和复制提供了可能。大肠杆菌也是最早用作基因工程的宿主菌。工业上常将大肠杆菌用于生产谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶和制备天冬氨酸、苏氨酸及缬氨酸等。大肠杆菌也是食品业和饮用水卫生检验的指示菌。 (2)枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） 枯草芽孢杆菌属芽孢杆菌属（Bacillus)。为直状、近直状的杆菌（0.3(2.2×1.2(7.0(m)。周生或侧生鞭毛。无荚膜。革兰氏阳性。芽孢0.5×1.5(1.8(m,中生或近中生。菌落形态变化大，圆或不规则，表面粗糙、不透明、污白色或微黄色。在1%葡萄糖营养琼脂试管穿刺培养表面生长物较厚，常粗糙，呈褐色。能液化明胶，胨化牛奶，还原硝酸盐，水解淀粉。主要进行有氧呼吸，并以2，3-丁二醇、羟基丁酮和CO2为主要产物。 枯草芽孢杆菌是工业发酵的重要菌种之一。可用于生产淀粉酶、蛋白酶、5’-核苷酸酶、某些氨基酸及核苷。 (3) 北京棒状杆菌（Corynebacterium Pekinensis) 北京棒杆菌的细胞为短杆状或小棒状，有时微弯曲，两端钝圆，不分枝，单个或呈“八”字排列。革兰氏阳性，无芽孢，不运动。在普通肉汁琼脂平皿上菌落呈圆形，24小时后菌落呈白色，直径1mm，一周后可达4.5(6.5mm，呈淡黄色，中间隆起，表面湿润、光滑、有光泽，边缘整齐，半透明，无粘性，无水溶性色素。不液化明胶，不能使石蕊牛奶发生变化，7天后呈微碱性；不同化酪蛋白，不水解淀粉，不分解油脂；能使葡萄糖、麦芽糖、蔗糖迅速产酸；在海藻糖及肌醇中生长缓慢；能使糊精、半乳糖及木糖弱产酸，但均不产气。其生长需生物素，硫胺素也能促进生长。好氧或兼性厌氧。26(27℃生长良好，41℃生长弱，55℃会使其致死。 此菌是我国谷氨酸发酵的主要菌种。 2.3.4 放线菌（Actinomycetes) 放线菌是一类介于细菌和真菌之间的单细胞微生物。一方面，放线菌的细胞构造和细胞壁化学组成与细菌相似，与细菌同属原核生物；另一方面，放线菌菌体呈纤细的菌丝，且分枝，又以外生孢子(Exospore) 的形式繁殖，这些特征又与霉菌相似。放线菌菌落中的菌丝常从一个中心向四周辐射状生长，并因此而得名。 大多数放线菌生活方式为腐生（即分解已死的生物或其它有机物以维持自身的正常生活的一种生活方式），少数寄生（即一种生物寄居于另一种生物体内或体表，从而摄取营养以维持生命的生活方式）。腐生型放线菌在自然界物质循环中起着相当重要的作用。而寄生型的可引起人和动植物的疾病。放线菌在自然界分布很广，主要存在于土壤中，在中性或偏碱性有机质丰富的土壤中较多。土壤特有的泥腥味主要是放线菌产生的代谢物引起的。在空气、淡水、海水等处放线菌也有一定的分布。 放线菌对人类最突出的贡献就是它能产生大量的、种类繁多的抗生素。到目前为止，在医药、农业上使用的大多数抗生素是由放线菌生产的。如：链霉素，土霉素，金霉素，卡那霉素，庆大霉素，庆丰霉素，井岗霉素等。已经分离得到的放线菌产生的抗生素种类已达4000种以上。 有些放线菌还用来生产维生素和酶；我国使用的菌肥“5406”就是由泾阳链霉菌（Streptomyces jingyangensis)生产的；放线菌在甾体转化、烃类发酵和污水处理等方面也有应用。 少数寄生性放线菌可引起人和动植物病害。如：人畜的皮肤病，脑膜炎，肺炎等及植物病害马铃薯疮痂病和甜菜疮痂病。放线菌具有特殊的土霉味，易使水和食品变味。有的放线菌能破坏棉毛织品和纸张等，给人类造成经济损失。 2.3.4.1放线菌的形态构造 大部分放线菌由分枝状菌丝组成。菌丝大多无隔膜，仍属单细胞。菌丝的粗细与杆菌相近（1(m左右），放线菌菌丝见图2.3.45。细胞壁含胞壁酸、二氨基庚二酸，不含几丁质、纤维素。革兰氏阳性。
图2.3.45 放线菌（Nocardia sp.）幼龄菌丝体（菌丝的直径0.8(1(m）光学显微镜图片 放线菌的菌丝由于形态、功能不同，分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝。 （1）基内菌丝 又称营养菌丝或初级菌丝体，它匍匐生长在培养基内。主要功能是吸收营养物。一般无隔膜（诺卡氏菌除外）。直径0.2～1.2(m，但长度差别很大，短的小于100(m，长的可达600(m以上；有的无色，有的产生色素，呈黄、橙、红、紫、蓝、绿、褐、黑色等。色素有水溶性的，也有脂溶性的。 （2）气生菌丝 又称二级菌丝体。它是基内菌丝生长到一定时期，长出培养基外，伸向空间的菌丝。它较基内菌丝粗，直径1～1.4(m，其长度差别则更悬殊。形状有直、弯曲、分枝状。有的有色素，显微镜下色泽较深。 （3）孢子丝 又称繁殖菌丝或产孢丝。当气生菌丝生长发育到一定阶段，气生菌丝上分化出的可形成孢子的菌丝。见图2.3.46。孢子丝的形状及在气生菌丝上排列的方式随种而异。有的直形，有的波浪形或螺旋形。螺旋的数目、疏密程度、旋转方向等都是种的特征。螺旋的数目通常为5～10转，也有少至一个多至20个的；旋转方向多为逆时针，少数是顺时针。孢子丝排列方式有的交替着生，有的丛生或轮生。见图2.3.47。上述特征均为菌种鉴定的依据。 孢子丝生长到一定阶段就形成孢子。放线菌形成的孢子有球形，椭圆形，杆形，柱形，瓜子形等。同一孢子丝上分化出的孢子的形状、大小有时也不一致。所以，不能将其作为区分菌种的唯一依据。 电镜下可见孢子表面结构的差异。有的表面光滑，有的带小疣、刺、或毛发状物，见图2.3.48。孢子表面结构是鉴定放线菌菌种的依据。
(a) (b) 图2.3.46 放线菌孢子丝的光学显微镜图片 单轮生；(b)螺旋状
图2.3.47 放线菌孢子丝类型 放线菌的孢子常带色素，呈白、灰、黄、橙黄、红、蓝、绿色等。成熟孢子堆的颜色在一定培养基和培养条件下较稳定。所以，它也是菌种鉴定的重要特征。 放线菌的孢子表面结构与孢子丝的形态有一定关系。一般孢子丝直形或波浪弯曲状，这类孢子丝上的孢子表面光滑；若孢子丝螺旋状，它形成的孢子表面则有的光滑，有的带刺或带毛；白色、黄色、淡绿、灰黄、淡紫色孢子的表面一般都是光滑的，粉红色孢子只有极少数带刺，黑色孢子则绝大多数都带刺和毛发。
图2.3.48 庆丰链霉菌的孢子表面结构（X36,000） 2.3.4.2.放线菌菌落形态 放线菌的菌落由菌丝体组成。所谓菌丝体，是由菌丝相互缠绕而形成的形态结构。菌落特征介于细菌和霉菌之间。因为其气生菌丝较细，生长缓慢，菌丝分枝并相互交错缠绕，所以形成的菌落质地硬而且致密，菌落较小而不广泛延伸。菌落表面呈紧密的绒状或坚实、干燥、多皱。 大部分放线菌具基内菌丝、气生菌丝和孢子丝，基内菌丝伸入基质，菌落紧贴培养基表面，接种针难以挑起，若用接种铲可将整个菌落挑起。 另一类放线菌不产生大量菌丝，如诺卡氏菌，其粘着力不强，结构如粉质。用针挑则粉碎。 幼龄菌落中气生菌丝尚未分化成孢子丝，则其菌落表面与细菌难以区分。当孢子丝形成大量孢子并布满菌落表面后，就呈现表面絮状、粉末状、颗粒状的典型放线菌菌落。由于菌丝和孢子常具色素，使菌落正面、背面呈不同色泽。水溶性色素可扩散，脂溶性色素则不扩散。用放大镜观察，可见菌落周围具放射状菌丝。 放线菌菌落与细菌不同之处是它干燥，不透明，表面紧密丝绒状，上面有一层色泽鲜艳的干粉。菌落与培养基紧密，难挑起。菌落正反面颜色常不同。 若将放线菌接种于液体培养基内静置培养，能在瓶壁液面处形成斑状或膜状菌落，或沉降于瓶底而不会使培养基混浊；如采用振荡培养，常形成由短的菌丝体所构成的球形颗粒。 2.3.4.3.放线菌的生活史 放线菌的发育周期是一个连续的过程。以链霉菌为例，孢子在适宜条件下萌发，长出1(3个芽管；芽管伸长，长出分枝；分枝越来越多，形成营养菌丝体；营养菌丝体发育到一定阶段，向培养基外部空间生长成气生菌丝体；气生菌丝体发育到一定程度，在它的上面形成孢子丝；孢子丝以一定方式形成孢子。如此周而复始，得以生存发展。见图2.3.49。 2.3.3.4.放线菌的繁殖 放线菌主要通过无性孢子进行繁殖。无性孢子主要有分生孢子和孢子囊孢子。也可借菌丝断片繁殖。 1) 分生孢子 放线菌长到一定阶段，一部分气生菌丝形成孢子丝，孢子丝成熟便分化形成许多孢子，称分生孢子。孢子的产生通过二种横隔分裂方式，见图2.3.50。
图2.3.49 放线菌的生活史 细胞质膜内陷，由外逐渐向内收缩并合成横隔膜，将孢子丝分隔成许多孢子。此为主要方式。 细胞壁与质膜同时内陷，逐渐向内缢缩，形成横隔壁，然后断裂形成一串孢子。诺卡氏菌属常以这种方式繁殖。

图2.3.50 横隔分裂形成孢子的过程 图2.3.51粉红链孢霉（Streptosporangium ） 孢子丝中形成横隔；2.沿横隔断裂形成 孢子囊形成过程 1.孢子囊形成初期； 2.孢 孢子；3.成熟的孢子roseum） 子囊继续生长，囊内形成横隔；3成熟孢子 囊，孢囊孢子不规则排列 2) 孢子囊孢子 有的放线菌由菌丝盘卷形成孢子囊。其间产生横隔，形成孢子。孢子囊成熟后，释放出孢子。孢子囊可在气生菌丝、也可在基内菌丝上形成。见图2.3.51。 3) 菌丝断片 放线菌也可藉菌丝断裂的片段，形成新菌丝体。这种现象常见于液体培养。工业发酵生产抗生素时，放线菌就以此方式大量繁殖。如果静止培养，培养物表面往往形成菌膜，膜上也可生出孢子。 4 )其它方式 小单孢菌科(Micromonosporaceae)中多数种的孢子着生在直而短的营养菌丝的分叉顶端上，一个枝叉顶端形成一个球形、椭圆形或长圆形的孢子，这些孢子也称分生孢子。它们聚在一起，很象一串葡萄。某些放线菌偶尔也会产生厚壁孢子。 放线菌的孢子具有较强的耐干燥能力，但不耐高温，60((65处理10(15分钟即会失去生活能力。 2.3.4.5放线菌生理 除少数自养型菌种如自养链霉菌（Streptomyces autotrophicus）外，绝大多数放线菌属于异养型。异养菌的营养要求差别很大，有的能利用简单化合物，有的却需要复杂的有机化合物。它们能利用不同的碳水化合物，包括糖、淀粉、有机酸、纤维素、半纤维素等作为能源。最好的碳源是葡萄糖、麦芽糖、糊精、淀粉和甘油，而蔗糖、木糖、棉子糖、醇和有机酸次之。有机酸中以醋酸、乳酸、柠檬酸、琥珀酸和苹果酸易于利用，而草酸、酒石酸和马尿酸较难利用。某些放线菌还可利用几丁质、碳氢化合物、丹宁以至橡胶。 氮源以蛋白质、蛋白胨以及某些氨基酸最合适，硝酸盐、铵盐和尿素次之。除诺卡氏菌外，绝大多数放线菌都能利用酪蛋白，并能液化明胶。 和其它生物一样，放线菌的生长一般都需要K、Mg、Fe、Cu和Ca等金属离子。其中Mg和K对于菌丝生长和抗生素的产生有显著作用。各种抗生素的产生所需的矿物质营养并不完全相同，如弗氏链霉菌（Streptomyces fradiae)产生新霉素时，必需Zn元素，而Mg、Fe、Cu、Al和Mn等不起作用。Co是放线菌产生维生素B12的必需元素，当培养基中含1(2ppm的Co时，可提高灰色链霉菌(Streptomyces griseus)的维生素产量三倍，如果培养基中的Co含量高至20(50ppm时则产生毒害作用。另外，Co还有促进孢子形成的功能。 大多数放线菌是好气的，只有某些种是微量好气菌和厌气菌，因此，工业化发酵生产抗生素过程中必须保证足够的通气量；温度对放线菌的生长亦有影响，大多数放线菌的最适生长温度为23(37℃，高温放线菌的生长温度为50(65℃，也有许多菌种在20(30℃以下仍生长良好；放线菌菌丝体壁细菌营养体抗干燥能力强，很多菌种在盛有CaCl2和H2SO4的干燥器内能存活一年半左右。 2.3.4.6放线菌的代表属 放线菌分类地位介于细菌和真菌之间。分类学上放线菌为一个目（Order)。它的分类主要以形态结构为依据。本书中将其分成8个科(Family)。 放线菌中有代表性的属如下： (1) 链霉菌属（Streptomyces) 共约1,000多种，其中包括很多不同的种别和变种。它们具有发育良好的菌丝体，菌丝体分枝，无隔膜，直径约0.4(1(m，长短不一、多核。菌丝体有营养菌丝、气生菌丝和孢子丝之分。孢子丝可形成分生孢子。孢子丝和孢子的形态因种而异，这是链霉菌属分种的主要识别性状。 抗生素主要由放线菌产生，而其中90%由链霉菌属产生。50%以上的链霉菌都能产生抗生素。著名的、常用的抗生素如链霉素、土霉素、抗肿瘤的博莱霉素、丝裂霉素，抗真菌的制霉菌素，抗结核的卡那霉素，能有效防治水稻纹枯病的井冈霉素等都是链霉菌的次生代谢产物。有的链霉菌能产生一种以上的抗生素，而它们在化学上常常互不相关。而从世界上许多地区发现的不同种别，却可能产生同一种抗生素。 (2) 诺卡氏菌属（Nocardia）又称原放线菌属（Proactinomyces)，在培养基上形成典型的菌丝体，剧烈弯曲如树根或不弯曲，具有长菌丝。这个属的特点是在培养15小时至4天内，菌丝体产生横隔膜，分枝的菌丝体突然全部断裂成长短相近的杆状、球状或带叉的杆状体。每个杆状体内至少有一个核，因此可以复制并形成新的多核的菌丝体。此属中的多数种没有气生菌丝，只有营养菌丝。少数种在营养菌丝表面覆盖极薄的一层气生菌丝枝--子实枝或孢子丝。孢子丝直形，个别种呈钩状或初旋，具横隔膜。以横隔分裂形成孢子，孢子杆状、柱形，两端截平或椭圆形等。 菌落外貌和结构多样，一般比链霉菌菌落小，表面崎岖多皱，致密干燥，一触即碎，或如面团；有的种菌落平滑或凸出，无光或发亮呈水浸样。 此属多为好气性腐生菌，少数为厌气性寄生菌。能同化各种碳水化合物，有的能利用碳氢化合物和纤维素等。 诺卡氏菌主要分布在土壤中。已报道有100多种，能产生30多种抗生素。如对结核分枝杆菌（Mycobactterium tuberculosis)和麻疯分枝杆菌（Mycobacterium leprae）有特效的利福霉素（rifomycin)，对引起植物白叶枯病的细菌，及对原虫子病毒有作用的间型霉素（formycin)，对革兰氏阳性菌有作用的瑞斯托菌素（ristocetin）等。另外，有些诺卡氏菌还用于石油脱蜡、烃类发酵及污水处理中分解腈类化合物。 (3) 放线菌属（Actinomyces) 放线菌属多为致病菌。只有营养菌丝，直径小于1(m，有横隔，可断裂成“V”形或“Y”形体。无气生菌丝，也不形成孢子。一般为厌气菌或兼性厌气菌。引起牛颚肿病的牛型放线菌（Actinomyces bovis)是此属的典型代表。另一类是衣氏放线菌（Actinomyces israelii)，它寄生在人体，可引发颚骨肿瘤和肺部感染。它们的生长需要较丰富的营养，通常在培养基中需加入血清或心、脑浸汁等。 (4) 小单孢菌属（Micromonospora) 菌丝体纤细，直径0.3(0.6(m，无横隔膜，不断裂，菌丝体侵入培养基内，不形成气生菌丝。只在营养菌丝上长出很多分枝小梗，顶端着生一个孢子。 其菌落较链霉菌的小的多，一般2(3mm，通常橙黄色或红色，也有深赫、黑色、蓝色等。菌落表面覆盖着一薄层孢子堆。 该属多为好气性腐生菌，能利用各种氮化物和碳水化合物。大多数分布在土壤或湖底泥土中，堆肥和厩肥中也不少。该属约有30多种，能产生30多种抗生素。例如庆大霉素就是由绛红小单孢菌（Micromonospora purpurea）和棘孢小单孢菌（Micromonospora echinospora）产生的。有人认为该属菌产生抗生素的潜力很大，且有的种还积累维生素B12。 (5) 链孢囊菌属(Streptosporangium) 链孢囊菌属能形成孢子囊孢子，有时还可形成螺旋孢子丝，成熟后分裂出分生孢子。其营养菌丝体分枝较多，但横隔稀有，直径0.5(1.2(m，气生菌丝体呈丛生、散生或同心环排列。 该属菌约有15种以上，其中不少种可产生广谱抗生素。粉红链孢囊菌（Streptosporangium roseum）产生的多霉素（polymycin)，可抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和病毒等，对肿瘤也有抑制作用。绿色链孢囊菌(Streptosporangium viridogriseum)产生的绿菌素（sporaviridin)对细菌、霉菌、酵母菌都有作用。由西伯利亚链孢囊菌（Streptosporagium sibiricum)产生的两性西伯利亚霉素，对肿瘤有抑制作用。 （6）游动放线菌属（Actinoplanes) 通常在沉没水中的叶片上生长。一般没有或极少气生菌丝体。营养菌丝直径约0.2(2.6(m，有分枝，隔膜有或无。以孢子囊孢子繁殖，孢囊形成于营养菌丝体上或孢囊梗上。孢囊梗直形或分枝，每分枝顶端形成一至数个孢囊，孢囊孢子通常略有棱角，并有一至数个发亮小体和几根端生鞭毛，能运动，这是该属菌最突出的特点。 2.3.4.7放线菌与细菌的比较 放线菌是具有明显分枝的菌丝，有分生孢子，在液体、固体培养基中生长状态如真菌。过去曾被划为真菌。但它在许多方面更像细菌： 同为单细胞。菌丝比真菌细，其直径与细菌接近。 同属原核生物，无核膜，核仁，线粒体，核糖体70S等。 细胞壁含胞壁酸，二氨基庚二酸，不含几丁质，纤维素。GRAM染色阳性。 对环境的pH要求与细菌相近。近中性或微偏碱。不同于真菌（一般偏酸性） 对抗生素的反应像细菌。凡能抑制细菌的抗生素也能抑制放线菌；抑制真菌的抗生素（如：多烯类抗生素）对放线菌无抑制作用。 对溶菌酶敏感。 总之，放线菌是一类介于细菌和真菌之间，而更接近于细菌的原核生物。有人称其为形态丝状的细菌，分类上归为细菌。