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发布时间:2020-07-27 02:17:03

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作者:刘晓蓉

出版社:中国轻工业出版社

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微生物学基础

微生物学基础试读:

前言

按照当前国家示范性高职院校重点专业的建设要求,为实现资源共享,提高人才的培养水平,拟将本课程构建为“食品营养与检测”专业群的一门平台课程。在教材的编写过程中,一方面力求体现“工学结合”与“教学做一体化”特色,强化职业能力的培养;另一方面突出专业基础课的特点,注重适当的理论基础,为学习后续专业课服务。

本教材分为九个学习单元,系统介绍了微生物基本知识和免疫学基本知识,既可作为高职院校食品类、生物类和制药类等专业学生的教材,也可供相关领域从事微生物应用工作的人员参考。

参加本教材编写工作的有刘晓蓉、石琳、张冬青、周爱芳、冯爱娟。具体编写分工如下:刘晓蓉编写学习单元一、学习单元三中项目一、学习单元八、学习单元九、附录一、附录四;石琳编写学习单元二中项目一、项目二及项目三、学习单元三中项目二、学习单元四;张冬青编写学习单元六;周爱芳编写学习单元五、学习单元七、附录二、附录三;冯爱娟编写学习单元二中项目四。全书由刘晓蓉统稿,邓毛程教授担任主审。

在本教材的出版过程中,得到了广东轻工职业技术学院领导的大力支持与帮助;在编写过程中,参考了许多作者的书籍与文献资料,在此一并致以衷心的感谢。

由于编者水平和能力有限,加之编写时间仓促,书中难免存在疏漏之处,恳请广大读者批评指正。编者2011年6月

学习单元一 绪论

知识目标

1.了解微生物的分类与命名。

2.理解微生物学的概念、研究内容及发展概况。

3.掌握微生物的概念、类群、特点及生物学地位、普通光学显微镜的使用和维护。

能力目标

1.能陈述微生物的概念、类群、特点和生物学地位。

2.培养学生使用和维护普通光学显微镜的能力。

知识讲解

微生物是自然界一类数量庞大、体形微小、肉眼难以看见的生物类群。尽管个体微小,但对人类却有很大影响,有些微生物对人类和动植物有益且必需,能给人类创造财富;有些微生物引起人类和动植物病害,给人类带来困难,甚至灾难。因此,我们必须全面认识微生物,掌握微生物知识,为人类造福。

一、微生物概述

(一)微生物的概念及其类群

微生物不是分类学上的名词,是一类个体微小(<0.1mm)、结构简单的低等生物的总称。包括属于原核微生物的细菌、放线菌、支原体、立克次体、衣原体和蓝细菌等;属于真核微生物的真菌(酵母菌、霉菌及蕈菌)、原生动物和单细胞藻类;属于非细胞类的病毒、类病毒和朊病毒等。

绝大多数微生物需借助显微镜才能看到,但近年来发现了肉眼可见的细菌,如1993年正式确定为细菌的费氏刺尾鱼菌、1998年报道的细菌纳米比亚硫磺珍珠菌等。所以上述微生物的定义是一般的概念,是历史的沿革,今天仍适用。

微生物的概念和类群可以表示如下:(二)微生物的生物学特点

1.个体小,作用大

微生物个体非常微小,度量其大小的单位是微米(μm,-3-31μm=10mm),甚至是纳米(nm,1nm=10μm)。细菌中球菌的直径约0.5μm,80 个球菌“肩并肩”排列才达到一根头发的宽度;杆菌的长度约2μm,1 500个杆菌头尾相接,才达到一粒芝麻的长度。每-10-9个细菌的质量仅1.0×10~1.0×10mg,即大约10亿个细菌总质量才达到1 mg。

物体的表面积和体积之比称为比表面积。假设人的比表面积为1,则大肠杆菌的比表面积高达30万。巨大的比表面积决定了微生物有一个巨大的营养物质吸收面和代谢产物排泄面,对微生物与周围环境进行物质与能量的交换具有十分重要的意义。因此,个体小、比表面积大这一特点决定了微生物的其他特性。

绝大多数微生物对人类和动植物有益。自然界的物质循环必须依靠微生物的代谢才能进行。如土壤中的微生物能将死亡动植物的有机氮转化为无机氮,以供植物生长所需;空气中的游离氮依靠固氮菌作用后才能被植物吸收。工业上,微生物被广泛应用于食品、皮革、纺织、石油、化工、冶金等行业。农业上,微生物可以制造菌肥、植物生长激素等,还可利用微生物感染昆虫来杀死害虫。医学上,约2/3的抗生素是微生物代谢产生的,微生物还可用来生产维生素、辅酶、ATP等药物。在基因工程技术中,微生物不仅提供了多种工具酶和载体系统,还可定向创建有益的工程菌新品种。

但是,不少微生物会导致病害,如引起人类伤寒、痢疾、结核病、破伤风、麻疹、脊髓灰质炎、肝炎、艾滋病(AIDS)、非典型性肺炎(SARS)等;引起鸡霍乱、鸭瘟、牛炭疽、猪气喘等;引起水稻白叶枯病、小麦赤霉病、大豆病毒病等。有些微生物还导致工业产品、农副产品和生活用品的腐蚀和霉烂等。

2.种类多,分布广

微生物的种类繁多,主要体现在以下三个方面:

第一,种数多。据估计,微生物种数在50~600万种,其中已记载的仅约20万种,包括原核生物3 500种,病毒4 000种,真菌9万种,原生动物和藻类10万种;每年还有大量新的微生物菌种报道。

第二,代谢类型多。微生物能分解利用的物质众多,不仅能分解糖类、蛋白质、脂肪和无机盐等,还能分解石油、纤维素、塑料等,甚至能分解氰、酚、聚氯联苯等有毒物质;微生物产能方式也多种多样,如细菌的光合作用、嗜盐菌紫膜的光合作用、自养细菌的化能合成作用、各种厌氧产能途径等。

第三,代谢产物多。微生物究竟能产生多少种代谢产物,至今难以全面统计。1980年曾有人统计有7 890种,1992年有报道称,仅微生物产生的次级代谢产物就有16 500种,且每年还在以500种新化合物的数目增长。

微生物的分布非常广泛,可以说无所不有、无处不在。人体内外、动植物组织、土壤、河流、空气、平原、高山、深海、冰川、海底淤泥、盐湖、沙漠、油井、地层下以及酸性矿水中,都可发现微生物的踪迹。

土壤是微生物的大本营,1g贫瘠的土壤中含3~5亿个微生物,1g沃土中含菌量则高达几亿甚至几十亿。空气中也含有大量的微生物,越是人员密集的公共场所,含菌量越高。在人体肠道中,聚集有100~400 种不同种类的微生物,其个体数在100万亿以上,质量约是粪便干重的1/3。各种水域中也存在微生物,美国科学家曾经在东太平洋的一处深度为1万米的海底温泉中,发现了硫细菌。在南极洲深度为128 m和427 m的沉积岩中,发现有活细菌存在。

3.代谢旺,繁殖快

比表面积大,有利于微生物吸收营养和排泄代谢产物,因此代谢作用旺盛。例如,大肠杆菌1 h能消耗相当于自身质量2 000倍的糖,而人类需要40年;1 kg酒精酵母在1d内可以将数千千克糖转变为酒34精;乳酸菌1h能分解其自重10~10倍的乳糖。微生物旺盛的代谢作用对地球上的物质转化非常重要,如果没有微生物对动植物尸体的分解,地球早已尸横遍野了。

微生物的繁殖速度非常快。大肠杆菌在合适的条件下,每12.5~20 min就可分裂一次,假如1个细胞20min分裂1次,则24h可分裂7272次,细胞数达2个,质量超过4 722 t。48 h后的细胞相当于4 000个地球重。当然,由于营养、空间和代谢产物等条件的限制,微生物的指数分裂速度只能维持数小时。因此液体培养时,细菌细胞的浓度一89般仅达10~10个/mL。有代表性的几种微生物的代时(分裂一次的时间)和每日增殖率如表1-1所示。表1-1 几种微生物的代时和每日繁殖率

微生物的这一特性在发酵工业上具有重要的实践意义,可以提高生产效率、缩短发酵周期。例如,一头体重为500 kg的食用公牛,24 h最多合成0.5 kg蛋白质;同样质量的大豆,24 h可生产50 kg蛋白质;同样质量的酵母菌,只需以糖蜜和氨水作主要养料,24h内却可5真正合成50 000 kg的优良蛋白质。一个年产10t酵母菌的工厂,若以酵母菌的蛋白质含量为45%计,则相当于在562 500亩农田上所生产的大豆蛋白质的量。微生物的上述特性对生物学基本理论的研究也有十分重要的意义,可以缩短科研周期,降低科研经费,提高科研效率。但是,有害微生物或病原微生物的快速繁殖可能会给人类带来危害甚至灾难。

4.适应性强,易变异

微生物对外界环境条件具有很强的适应能力,如大多数细菌能耐-196~0℃的低温,海洋深处的某些硫细菌可在150℃的高温条件下正常生长,一些嗜盐细菌能在32%的饱和盐水中正常生活。微生物能耐低温、耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射、抗渗透压等,一方面是因为微生物在进化过程中产生了许多灵活的代谢调控机制,产生了很多种类的诱导酶;另一方面是微生物在菌体外面产生保护层,或形成休眠体,例如肺炎双球菌的荚膜可以抵抗白血球的吞噬;细菌的芽孢、真菌的孢子在干燥条件下能保藏几十年、几百年甚至上千年。

微生物结构简单,大多为单倍体,缺乏免疫监控系统,加之它们繁殖快、数量多且与外界环境直接接触,所以很容易发生遗传性状的-6变异。在自然条件下,微生物的自发突变频率在10左右。最常见的变异形式是基因突变,涉及形态构造、代谢途径、生理类型、抗性、抗原性以及代谢产物等任何性状的变异。

在生产实践中,人们常利用这个特性来保藏菌种和诱变育种。例如用物理或化学方法对微生物进行诱变,改变它们的遗传性质和代谢途径,可大幅度提高生产性能。在1943年,1 mL青霉素生产菌产黄青霉发酵液仅分泌约20单位的青霉素,现在早已超过5万单位甚至接近10万单位了。发酵工业上所用的生产菌种大多是经过突变培育的,其生产性能比原始菌株提高几倍、几十倍甚至几百倍。

但是实践中经常遇到有害变异,如医疗上的“超级细菌”就是滥用抗生素、导致致病菌产生抗药性的变异菌株。青霉素在刚临床使用时,即使是严重感染的病人,也只要每天分数次共注射10万单位即可,而现在成人每天要注射100 万单位左右,新生儿也不少于40 万单位。2010年,携有抗药基因NDM-1 的超级细菌蔓延全球,造成很多感染者死亡。(三)微生物在生物界的地位

18世纪中叶,人们把生物分成两大界,即动物界和植物界。近代又有人提出过三界、四界、五界、六界生物分类系统,我国微生物学家王大耜提出的六界分类系统,包括病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界。20世纪70年代后期,提出了生命三域学说。1990年把三域改为古生菌、细菌和真核生物。除动物和植物以外,其他绝大多数生物都属于微生物的范畴。由此可见,微生物在生物界中占据非常重要的地位。(四)微生物的分类与命名

1.微生物的分类

微生物的分类是根据微生物的生物属性、亲缘关系,排列而成的一个有规律的系统,从大到小依次有界、门、纲、目、科、属、种等七个分类单位。有时在两个主要分类单位之间,还可加上次级分类单位,如“亚门”、“亚纲”、“亚目”、“亚科”、“亚属”、“亚种”等,在科与属之间有时可加“族”一级。“种”是分类的最小单位。在种以下还可用亚种、型和菌株等。(1)亚种(subspecies,subsp.,ssp.)在一个种内,根据少数几个稳定的变异特征或遗传性状区分成小群,一个种分成的两个或多个小群,称为亚种,如金黄色葡萄球菌厌氧亚种。(2)型 型是同一细菌种内显示很小生物化学与生物学差异的菌株,常用于区分细菌(尤其是致病菌)中紧密相关的菌株。可认为型是细菌亚种的再细分,如根据抗原性的差异,肺炎双球菌有几十个血清型。还有噬菌体型、形态型、生物型、生理型、生态型、化学型、溶菌型与致病型等。(3)菌株 菌株又称品系。 一个菌株是指由一个单细胞繁衍而来的克隆或无性繁殖系中的一个微生物或微生物群体。一个种可以存在遗传上相似或一致的很多菌株。同种微生物的不同菌株在作为分类鉴定的主要性状上相同,但在次要性状(如生化性状、代谢产物和产量性状)可存在或大或小的差异。菌株常用字母、编号、地址和/或其他符号来表示,如生产淀粉酶的枯草芽孢杆菌BF.7658,生产蛋白酶的栖土曲霉3.942等。

2.微生物的命名

微生物的命名是采用双名法,由属名和种名组成,用斜体表示。属名在前,第一个字母大写。种名在后,全部字母小写。学名后还附上首次命名者的名字和命名年份,用正体字表示。如金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884,蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus Frankland et Frankland 1887。一般情况下,后面的正体字部分可以省略。

3.细菌分类和伯杰氏手册《伯杰氏手册》最初是由美国宾夕法尼亚大学的细菌学教授伯杰(D.Bergey)及其同事为细菌的鉴定而编写的名为《伯杰氏鉴定细菌学手册》(Bergey‘s Manual of Determinative Bacteriology)。该手册自1923年问世以来,至今已发行了九版,1957年的第七版和1974年的第八版一直被广泛应用。1984—1989年分四卷出版了《伯杰氏系统细菌学手册》(Bergey‘s Manual of Systematic Bacteriology),第一卷包括革兰阴性细菌,第二卷包括革兰阳性细菌,第三卷包括古生菌、蓝细菌及其他革兰阳性细菌,第四卷包括放线菌。1994年在《伯杰氏系统细菌学手册》基础上修改补充后,汇集成《伯杰氏鉴定细菌学手册》第九版。

二、微生物学概述

(一)微生物学及其分科

微生物学是一门研究微生物的形态构造、营养特点、生理生态、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律,并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的学科。研究微生物的目的在于发掘、利用、改善和保护有益微生物,控制、消灭或改造有害微生物,更好地服务于人类。

随着微生物研究与应用的深入,微生物学分化形成了很多分支学科。从基础理论研究内容来说,有微生物形态学、微生物分类学、微生物生理学、微生物生物化学、微生物遗传学、微生物生态学和分子微生物学等。根据应用领域,可分为工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、药用微生物学、兽医微生物学、食品微生物学等。按研究对象分,有细菌学、真菌学、病毒学等。(二)微生物学的发展简史

微生物学的形成与发展过程,可分为四个时期(表1-2)。表1-2 微生物学的发展简史

在微生物学的发展史上,很多科学家为微生物学的建立、发展做出了巨大的贡献。现将微生物学的先驱及其贡献分述如下:

列文虎克(Anthony van Leeuwenhoek,荷兰,1632—1723,图1-1)自制了世界上第一台显微镜,其放大倍数为50~300倍。1676年他利用这种显微镜,观察到了一些细菌和原生动物,称为“微动体”,首次揭示了微生物世界;一生发表论文约400篇。由于他的伟大贡献,1680年当选为英国皇家学会会员。

巴斯德(Louis Pasteur,法国,1822—1895,图1-2)是微生物学的奠基人。他把微生物学的研究从形态描述推进到生理学水平,并开创了寻找病原微生物的黄金时期,使微生物学开始以独立的学科形式形成。其贡献主要表现在:①彻底否定了“微生物自然发生说”。根据曲颈瓶实验证实,空气中含有微生物,引起有机质腐败。②证实了发酵是由微生物引起的。巴斯德发现了酒精发酵是由酵母菌引起的,还发现了乳酸发酵、醋酸发酵、丁酸发酵等由不同细菌引起的。为研究微生物的生理生化奠定了基础。③将病原菌减毒,成功研制了疫苗。巴斯德发明了接种减毒病原菌的方法来预防鸡霍乱病以及牛、羊炭疽病,并制成狂犬病疫苗,为人类防治疾病做出了巨大的贡献。④发明了巴氏消毒法,沿用至今。还解决了当时法国葡萄酒变质和家蚕软化病等生产上的难题。

柯赫(Robert Koch,德国,1843—1910,图1-3)是细菌学的奠基人。在病原菌的研究、细菌的分离培养等方面做出了杰出贡献。①发明了固体培养基,并建立了利用固体培养基分离纯化微生物的技术。②分离到许多微生物,如炭疽杆菌、结核分支杆菌、链球菌、霍乱弧菌等。③提出了有名的柯赫法则,即证明某种微生物为某种疾病病原体所必须具备的条件,这一法则至今仍指导动植物病原菌的鉴定。④创立了许多显微镜技术,如细菌鞭毛染色法、悬滴培养法、显微摄影技术等。

布赫纳(Edward Büchner,德国,1860—1917)1897年用酵母菌无细胞压榨汁将葡萄糖进行酒精发酵取得成功,发现了微生物酶的作用,从此将微生物学推进到了生化研究的阶段。图1-1 列文虎克图1-2 巴斯德图1-3 柯赫

三、显微镜的结构、性能、使用、维护与保养

显微镜根据其结构和原理,可分为光学显微镜和非光学显微镜两大类。常见的光学显微镜有普通光学显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜等类型;非光学显微镜一般指电子显微镜。

最常用的是普通光学显微镜,其分辨率为0.2μm,放大倍数不超过2 000倍,可观察除病毒以外的微生物个体,但无法看清其内部构造。(一)显微镜的结构

普通光学显微镜由光学系统和机械系统组成(图1-4)。

1.机械系统

机械系统包括镜座、镜臂、镜筒、物镜转换器、镜台及调焦装置等。(1)镜座 位于显微镜的底部,通常呈马蹄形、 圆形或丁字形,有一定的底面积和质量,使整体牢固站立。(2)镜臂 在镜座的上面和镜筒的后面,呈弧形,移动显微镜时的握持部位。(3)镜筒 位于显微镜的前上方部,为一空心金属圆筒,连接目镜和物镜,上端插入目镜,下端与物镜转换器相接。光线由此通过。镜筒长度一般为160mm,有的镜筒上部有分支为双筒,可同时装两个目镜。(4)物镜转换器 位于镜筒下端,一般装有3~5 个不同放大倍数的物镜,通过转动物镜转换器可以随意选用合适的物镜。(5)镜台 又称载物台,是放置标本的平台,一般为方形,中间有孔可以透过光线。载物台上有标本夹和标本移动器,标本夹用来固定被检标本,调节标本移动器上的螺旋可使标本前后、左右移动。有的标本移动器带有游标尺,可确定标本的位置,便于重复观察。(6)调焦装置 安装在镜臂基部的两侧,分为粗调旋钮和细调旋钮,能使载物台或镜筒上下移动,是获得清晰图像的关键装置。粗调旋钮可移动较大距离,细调旋钮每转动一周,载物台可上升或下降100μm。图1-4 显微镜的结构1—目镜 2—镜筒 3—镜臂 4—标本移动器 5—粗动限位器 6—粗调旋钮 7—细调旋钮 8—镜座 9—反光镜 10—彩虹光阑 11—聚光器 12—镜台 13—物镜 14—物镜转换器

2.光学系统

光学系统主要包括目镜、物镜、聚光器和反光镜等,有的带有内光源。(1)目镜 目镜也称接目镜,一般由两块透镜组成。 上面一块与眼睛接触,称接目透镜,下面一块靠近视野,称场镜。在两块透镜中间或场镜的下方装有一个用金属制成的光阑,物镜与场镜就在这个光阑的面上成像。因此在进行显微测量时,目镜测微尺便要放在光阑的面上。目镜上刻有5×、10×、16×等字符,表示该目镜的放大倍数。(2)物镜 是显微镜中最重要的光学部件,由多块透镜组成,其作用是将被检物像进行第一次放大,形成一个倒立的实像。根据使用方法的差异,物镜可分为干燥系物镜和油浸系物镜。干燥系物镜包括低倍镜和高倍镜两种,常用的低倍镜有4×、10×、20×,高倍镜有40×和45×等;物镜和标本之间的介质是空气。油浸系物镜,也称油镜,镜头上一般标有“HI”、“OI”的字样,有90×、95×和100×等规格;物镜和标本之间的介质是香柏油或液体石蜡。

物镜侧面刻有一些符号,如,“40/0.65”,表示放大40 倍,N.A(数值口径)为0.65;“Plan 16/0.35 160/~”,表示放大16倍,N.A为0.35,镜筒长度160mm,斜线下方为一短横划,无数字,表示对盖玻片厚度要求不严格,如果是160/0.17,则表示镜筒长度 160mm,盖玻片的厚度应为 0.17mm 或小于0.17 mm。(3)聚光器 又称集光器,安装在显微镜载物台下的次台上,一般由2~3块透镜构成,其作用是把平行的光线聚焦于标本上,增强照明度,再经过标本射入物镜中去。其上附有彩虹光(俗称光圈),通过调整光孔径的大小,可以调节进入物镜光线的强弱。聚光镜可以上下调节,采用低放大倍数时,聚光镜下降,光圈缩小;采用高放大倍数时,聚光镜上升,光圈放大。(4)彩虹光阑 在聚光器下方装有彩虹光阑。 彩虹光阑能连续而迅速改变口径,光阑越大,通过的光束越粗,光亮越多。在用高倍镜观察时,应开大光阑,使视野明亮;如果观察活体标本或未染色标本时,应缩小光阑,以增加物体明暗对比度,方便观察。(5)反光镜和内光源 显微镜一般都自带光源,灯泡安装在显微镜最下方、镜座中央的底座内。老式的显微镜需要采集外界光源,因此在镜座的中央装有反光镜。反光镜一面是凹面镜,另一面是平面镜,可以自由转动方向,将从外界光源送来的光线送至聚光器。利用聚光镜时,通常用平面镜采光,只在光量不足时或使用油镜时,采用凹面镜。(二)显微镜的性能

1.成像原理

内光源发射的光线或反光镜反射的光线,向上进入聚光器,会聚于被检标本,使标本得到足够的照明,标本反射或折射的光线经物镜进入使光轴与水平面倾斜45 °角的棱镜,在目镜的焦平面即在目镜的视场处,成放大的侧光实像,再经目镜的接目透镜放大成我们看到的虚像(图1-5)。图1-5 光学显微镜的成像原理

2.数值口径

数值口径(N.A),也称开口率或镜口率,是物镜和聚光器的主要参数和性能指标,常标于物镜和聚光器上。可用标本与物镜间介质的折射率和光的最大开口角度一半的正弦的乘积来表示,即:N.A=n×sinθ

式中 N.A——数值口径

n——介质折射率

θ——最大开口角度的一半

开口角度指物镜前面发光点发射的光线进入物镜的角度。使用普通物镜时,其介质为空气,n=1,θ最大只能为90°,而实际达不到90°,sin90°=1,所以干燥系物镜的数值口径都小于1,一般为0.05~0.95;使用油镜时,介质为香柏油(n=1.515)或液体石蜡(n=1.52),油镜的数值口径一般为0.85~1.40。

3.显微镜的放大倍数

显微镜的放大倍数是物镜的放大倍数和目镜放大倍数的乘积。如用放大40倍的物镜和放大10倍的目镜,则显微镜的总放大倍数是400倍。

4.分辨率

分辨率(R)是显微镜工作时能够辨别两个点之间最小距离的能力。若两个物体之间距离大于R,可被分辨;若距离小于R,则不能被分辨。因此,R值越小,表明分辨率越大,物体的清晰度就越大。

式中 λ——光波波长

数值口径越大,物镜放大倍数越大,分辨率越强。射入的可见光平均波长为0.55μm,10×、40×、90×物镜的分辨率分别为1μm、0.42μm、0.22μm。

5.工作距离

工作距离是指观察标本最清晰时,物镜透镜的下表面与标本之间(无盖玻片时)或与盖玻片之间的距离。物镜放大倍数越大,工作距离越短;油镜的工作距离约为0.2 mm。所以使用油镜时,要求盖玻片的厚度为0.17~0.18 mm。(三)显微镜的使用

1.显微镜的放置

显微镜应直立放置在身体左肩之前,离桌边缘约3cm,便于右侧放记录本或绘图纸。镜检者姿势要端正,单目显微镜用左眼观察,右眼便于记录或描绘物像,两眼必须同时睁开,以减少疲劳,也可练习左右眼均能观察。

2.调节光源

显微镜不能采用直射阳光,因为直射光源影响物像的清晰,反射热损坏光源装置和镜头,并刺激眼睛。晴天可用近窗的散射光作光源,阴暗天气可用日光灯或显微镜灯作光源。

调节光源时,先将光源完全开放,低倍物镜与镜筒成一直线,再旋转粗调节器,使物镜和载物台间的距离约为3 mm;然后调节聚光镜螺旋,使聚光镜与镜台的上表面相距为1 mm;最后调节反光镜,使光线充分进入聚光镜,开闭彩虹光阑,调节光线强弱程度,直至照明效果最佳。若在较强的自然光下观察,宜用平面反光镜;若是光线较弱的天然光源或人工光源,宜用凹面镜。

若使用具有内光源的显微镜时,可以接通电源后,取下目镜,直接向镜筒内观察,先将聚光镜上的孔径光阑调到最小,再慢慢打开,使聚光器的孔径与视野恰好一样大或略小于视野。放回目镜后,调节聚光器上视场光或内光源,选择最佳的照明效果。

3.低倍镜和高倍镜的使用(1)低倍镜观察 检查标本必须先用低倍镜观察,因为低倍镜的视野大,易于发现被检物和确定检查的位置。

把标本放置在载物台上,用标本夹固定,移动待检物位于物镜的正下方。转动粗调螺旋,升高镜台(或下降镜筒),使低倍物镜的前端距载玻片约0.5cm,用左眼在目镜上观察,适当缩小光圈,并转动粗调螺旋,使镜台下降,直至看到物像后再转动细调螺旋,使物像清晰。(2)高倍镜观察 低倍镜观察后,将高倍镜转至正下方。 用目镜观察,调节光圈,使光照亮度适中,转动细调螺旋使物像清晰。

注意:不必再次调节粗调旋钮,因为显微镜在设计制造时都是共焦点的,即低倍镜对焦后,转换高倍镜时一般都能对准焦点,只需使用细调旋钮就可观察到清晰的物像。

4.油镜的使用(1)转出高倍镜,在染色标本处滴加1滴液体石蜡或香柏油。(2)将油镜置于镜筒下方,转动粗调螺旋使载物台上升(或镜筒下降),从侧面观察,将油镜浸入油滴中,并几乎与标本接触,但不可压及标本,以免损坏玻片和镜头。(3)调亮光线,左眼在目镜上观察,缓慢转动粗调旋钮降低载物台(或升高镜筒),当视野中出现模糊的被检物时,改用细调旋钮上下转动,直至被检物清晰。如果油镜离开油滴而未见物像,则需重复上述操作,直至看见清晰的物像。(4)油镜使用后,取下载玻片,先用擦镜纸擦去油镜上的香柏油,再用擦镜纸蘸少量二甲苯擦拭,最后用干净擦镜纸擦去残留的二甲苯。

注意:用油镜观察时,聚光器应升至最高位置并开足光圈,若所用聚光器的数值口径超过1.0,还应在聚光器与载玻片之间加香柏油,保证其达到最大效能。(四)显微镜的维护与保养(1)显微镜应避免与酸、碱以及具挥发性和具腐蚀性的化学药品放在一起,以免金属和光学部件受损。(2)搬动显微镜时,应左手托镜座,右手握镜臂,两上臂紧靠胸壁。切勿一手斜提,前后摆动,以防镜头或其他零件跌落。(3)显微镜机械装置的污渍可用干净柔软的细布擦拭;如果污渍顽固,可用绸布蘸少许中性洗涤剂擦拭。(4)显微镜光学元件表面的灰尘和污物,应先用吹气球或洗耳球吹,再用柔软的专用毛刷轻刷;如果污渍顽固,可用擦镜纸蘸少许二甲苯或镜头清洗液(3份酒精∶1份乙醚)擦拭,再用绸布擦干或吹风球吹干。(5)如果镜头生霉生雾,可用擦镜纸蘸少许无水酒精3份和无水乙醚7份的混合液轻轻擦拭,再用擦镜纸擦干。(6)显微镜电源开启后,若暂时不使用,可将灯光调至最暗,不要频繁开关电源;每次关闭电源前,先把显微镜光源调至最暗;电源关闭后,要等灯箱完全冷却(约15min),才能罩上防尘罩。(7)显微镜使用后,要将各部分还原,反光镜垂直于镜座,物镜转成“八”字形,再将载物台提升到最高处,降下聚光器,将显微镜放回镜箱或柜中。(8)显微镜应置于干燥阴凉处,避免阳光暴晒。

复习思考题

1.什么是微生物?微生物有哪些主要类群?

2.微生物有何生物学特点?请举例说明。

3.简述生物界的六界分类系统。

4.简述微生物学各个发展时期的代表人物和主要贡献。

5.显微镜的机械部分和光学部分各包括哪些?

6.用普通光学显微镜观察微生物时,低倍镜、高倍镜和油镜各在什么情况下使用最合适?用油镜观察时要注意哪些关键问题?

7.名词解释:亚种、型、菌株、分辨率、工作距离。

学习单元二 微生物的形态观察

知识目标

1.了解常见细菌、酵母菌、霉菌、病毒、放线菌及其他微生物。

2.理解细菌、酵母菌、霉菌、病毒的繁殖过程。

3.掌握细菌、酵母菌、霉菌、病毒的形态与结构,细菌、酵母菌和霉菌的形态观察方法,微生物细胞大小和数目的测定技术。

能力目标

培养学生观察微生物形态的能力。

微生物类群包括细胞型微生物和非细胞型微生物。细胞型微生物按其细胞结构又可分为原核微生物和真核微生物。真核微生物和原核微生物细胞的根本区别在于核,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,其遗传物质只是一条裸露的DNA。本单元主要介绍与食品工业、发酵工业和医药工业关系密切的一些微生物类群的形态、结构及其繁殖。

项目一 细菌的形态观察

知识讲解

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,属于单细胞微生物,有不同的形状及大小,结构简单,以典型的二分裂殖方式繁殖。依照它们的形态及一系列生化特征等,可以将其分成许多的类群。研究它们对工农业生产,诊断、预防动植物及人类疾病有重要的意义。

一、细菌的形态与大小

(一)细菌的形态

大多数细菌的形态就是细胞的形态,形状呈球形或近球形的称为球菌;形状近圆柱形的称为杆菌;螺旋形的称为螺旋菌。细胞的形状明显地影响着细菌的行为和其稳定性。

1.球菌

按其细胞排列方式又可分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌和链球菌(图2-1)。图2-1 球菌(1)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。(2)双球菌 细胞分裂沿一平面进行,分裂后新形成的两个球形细胞成对排列,如肺炎双球菌。(3)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。(4)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个立方体,如尿素八叠球菌。(5)葡萄球菌 细胞分裂面不规则,新形成的多个球菌聚在一起,如同一串葡萄,如金黄色葡萄球菌。(6)链球菌 细胞分裂沿一平面进行,而第二次分裂与第一次分裂面平行,分裂后的细胞呈链状排列,如溶血性链球菌;链的长短往往也具有特征性,如乳链球菌每2~3个细胞形成一串,而无乳链球菌则形成很长的链。

2.杆菌

杆状的细菌称为杆菌。因菌种不同、菌体细胞的长短、粗细等都有差异。杆菌的形态呈多样性。杆菌按其细胞的长宽比及排列方式又可分为长杆菌、短杆菌、链杆菌和棒杆菌(图2-2)。杆菌的长宽比相差很大,其两端常呈不同的形状,有半圆形、钝圆形、平截形、略尖形等形态;菌体有笔直、稍弯曲和纺锤状等而显得多样化。一般而言,同一种杆菌的粗细较为稳定,但它的长度经常随培养时间、培养条件的变化而呈现出较大的变化。图2-2 杆菌图2-3 螺旋菌

3.螺旋菌

按其弯曲旋转程度不同又可分为弧菌、螺旋菌和螺旋体(图2-3)。它们在细菌中种类较少,螺旋菌细胞壁较坚韧,菌体较硬,常以单细胞分散存在。(1)弧菌 菌体略弯曲,螺旋不满一环,往往有偏端单生或丛生鞭毛,如霍乱弧菌。这类菌与略微弯曲的杆菌难于区分。(2)螺旋菌 菌体回转呈螺旋状,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,呈较多螺旋和弯曲,往往细胞的两端有鞭毛,如干酪螺菌。(3)螺旋体 介于细菌和原生动物之间的原核微生物。 与螺旋菌的结构接近,但因为无细胞壁,所以菌体很柔软。其螺旋在6环以上,有的细菌中央有弹性轴丝,如梅毒密螺旋体。

这三大类细菌中,杆菌在细菌中种类最多,发酵工业上常用的是球菌和杆菌,尤以杆菌最为重要。螺旋菌主要为病原菌。

在多数情况下,细胞的形状和排列方式是各种微生物的特征,它们与环境因素有关,如培养的温度、培养基的成分与浓度、pH、菌龄等。各类细菌在未衰老前和适宜的培养条件下,一般表现正常的细胞形态和排列。但衰老后或培养条件有较大改变后,就常引起变化,尤以杆菌为甚。(二)细菌的大小

细菌细胞的体积很难确定,因为在固定和染色过程中,体积大大缩小。细菌细胞的大小必须用光学显微镜的油镜才能观察清楚,测量细菌长度的单位为微米(μm)。球菌直径一般在0.2~1.5μm,大型杆菌的宽长比为(1.0~1.5)μm×(3~8)μm,中型杆菌为(0.5~1.0)μm×(2.0~3.0)μm,小型杆菌为(0.2~0.4)μm×(0.7~1.5)μm。影响菌体形态的因素也会影响菌体的大小。一般幼龄菌比成熟菌或老龄菌的菌体大,如培养4 h的枯草芽孢杆菌比培养24 h的细胞长5~7倍,但宽度变化不大。

二、细菌的细胞结构

细胞结构可分为两类,一类是不变的,所有的细菌细胞所共有,而可能为生命所绝对必需,为一般结构或基本结构;另一类是可变的,只在一些种、一些细胞中发现,可能具有某些特定功能,为特殊结构。

一般构造包括:细胞壁、细胞膜、细胞质、间体、核糖体、核质、内含物颗粒。特殊结构有荚膜、鞭毛、伞毛、芽孢(图2-4)。(一)细胞的一般结构

1.细胞壁

细胞壁是细菌细胞的外壁,较坚韧而略有弹性,具保护细胞和维护细胞成形的功能,是细胞的重要结构之一。细胞壁的质量占细胞质量的10%~25%,各种细菌的壁厚度不等,如金黄色葡萄球菌为15~20 nm;大肠杆菌为10~15 nm。

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,为鞭毛提供支点。具有鞭毛的细菌失去细胞壁后,仍保持鞭毛,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。

根据细菌细胞壁结构的区别,革兰染色法可将细菌分为革兰阳性+-菌(G)与革兰阴性菌(G)两大类。革兰阳性菌细胞壁主要由肽聚糖组成,革兰阴性菌则主要由脂多糖和蛋白质组成,而且覆盖在肽聚糖层的外面。二者细胞壁的结构和化学成分的差异见表2-1。图2-4 细菌细胞结构的模式图表2-1 细胞壁的结构和化学成分注:少数细菌,如嗜盐菌、产甲烷菌和硫化叶菌属没有肽聚糖。

革兰染色的机理:由于这两类细菌细胞壁的结构和组成不同。当用结晶紫初染后,所有细菌都被染成初染剂的蓝紫色。碘作为媒染剂,它能与结晶紫结晶合成结晶紫-碘的复合物,从而增强了染料与细菌的结合力。当用脱色剂处理时,两类细菌的脱色效果不同。革兰阳性菌的细胞壁由肽聚糖形成致密的网状结构,且壁厚、类脂质含量低,用乙醇(或丙酮)脱色时细胞壁脱水,使肽聚糖层的网状结构孔径缩小,透性降低,从而使结晶紫-碘的复合物不易被洗脱而保留在细胞内,经脱色和复染后仍保留初染剂的蓝紫色。革兰阴性菌的细胞壁肽聚糖层较薄、类脂含量高,所以进行脱色处理时,类脂质被乙醇(或丙酮)溶解,细胞壁透性增大,使结晶紫-碘的复合物较容易被洗脱出来,用复染剂复染后,细胞被染上复染剂的红色。

2.细胞膜

细胞膜也称为细胞质膜或质膜等,是指紧靠细胞壁内侧,包裹细胞质的一层薄膜,柔软而富有弹性,可用中性、碱性染料染色,其厚度为5~8 nm。细胞膜是使细胞的内部同它所处的环境相隔离的最后屏障。细胞膜是选择性膜,在营养的吸收和代谢物的分泌方面具有关键作用,如果膜被弄破,细胞膜的完整性就受到破坏,将导致细胞死亡。(1)细胞膜的结构 细胞膜是一种单位膜,约占细胞干重的10%。 主要由蛋白质(占60%~70%)、磷脂(占20%~30%)组成,并以磷脂双分子层为其基本结构。在常温下,磷脂双分子层呈液态,其中镶嵌着许多具有运输功能的蛋白质(图2-5)。图2-5 细胞膜的结构图(2)细胞膜的功能 细胞膜是一层具有高度选择性的半透明薄膜,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的营养物质,排出过多的代谢产物;其屏障作用是维持细胞内正常渗透压的重要因素;是合成细胞壁和糖被的各种组分的重要场所。细菌的细胞膜在细胞呼吸过程中还起到关键的作用,因为膜的内侧和外侧存在呼吸酶系统,其电子传递体系具有电子传递和氧化磷酸化的功能。此外,细胞膜还是鞭毛的着生点和运动能量的来源。

3.间体

由于细胞质膜的面积比包围细胞所需要的面积大许多倍,使大量的细胞质膜内陷,因此形成了一个或数个较大而不规则的层状、管状或囊状物,称为细菌细胞的间体。它似乎起着真核细胞中多种细胞器如内质网、线粒体的作用。另外,间体还同细菌横隔形成有关系。革兰阳性菌中均有发达的间体,但许多革兰阴性菌中却没有。

4.细胞质

除核区以外,包在细胞膜以内的无色、透明、黏稠的胶状物质均为细胞质,细胞质的主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类、少量糖和无机盐。细胞质是细胞的内在环境,含有各种酶系统,具有生命活动的所有特征,能使细胞与周围环境不断地进行新陈代谢活动。由于细胞质内含有固形物量15%~20%的核糖核酸,所以呈酸性,易为碱性和中性染料着色。但由于老龄细胞中核酸可作为氮源和磷源消耗,所以其着色力不如幼龄细胞强。细胞质内存在各种内含物和其他细胞器。

5.内含物颗粒

细菌细胞的细胞质常含有各种颗粒,它们大多为细胞储藏物质,称为内含物颗粒。颗粒的多少随菌龄和培养条件的不同而有很大的变化。其成分为糖类、脂类、含氮化合物及无机物等。这些颗粒物质主要有以下五种。(1)异染颗粒 幼龄细胞中的异染颗粒很小,随着菌龄的增加而变大,在生长后期尤为明显,其功能是储存磷元素和能量。当培养基中缺磷时,它可作为磷的补充源,也可降低细胞的渗透压。(2)聚β-羟丁酸颗粒(PHB)不溶于水,是碳源和能源的储藏物,具有降低细胞渗透压的作用,在某些细菌干细胞中的含量高达70%~80%。(3)肝糖原与淀粉粒 细菌的多糖贮存物,通常均匀分布在细胞质内,颗粒较小。(4)脂肪粒 细菌在旺盛生长时脂肪粒的数目和量均随之增加,细胞破坏后脂肪粒可游离出来。(5)液泡 许多活细菌细胞内有液泡,液泡内充满水分和盐分,有时含有异染颗粒、类脂。液泡具有调节渗透压的功能,液泡内物质可与细胞质进行物质交换。

6.核糖体

核糖体是分散在细胞质中的亚显微颗粒,它们含有的核糖体由60%的核糖核酸和40%的蛋白质组成,直径约为20nm,其沉降系数为70S,其中大亚基50S,小亚基30S。在完整细胞中,核糖体常聚结成不同大小的聚合体,称作聚核糖体。核糖体是蛋白质的合成场所,其数量的多少与蛋白质合成直接相关,往往随着菌体生长速率而变化。

7.核质

核质也称为拟核、原核、核区或核基因组,是指原核微生物所特有的无核膜结构,无固定形态的原始细胞核。构成核质的主要物质是一个大型环状双链DNA分子,还有少量的蛋白质与之结合。在细菌细胞中有一个或几个核质,每个细胞所含有的核质数与该细胞的生长速率有关,一般为1~4个。其功能是存储、传递和调控遗传信息。核质外面没有核膜,核质中极大部分空间被卷曲的DNA双螺旋所填满。每个核质可能只有一个单位DNA分子,而且呈环状。在快速生长的细胞体内核质DNA可占细菌总体积的20%。(二)细胞的特殊结构

1.鞭毛

很多细菌都具有独立运动的能力,这种运动一般是通过其特殊的运动器官鞭毛来进行的。细菌的鞭毛是一种细长的附属丝,其一端着生于细胞质内的基粒上,另一端穿过细胞膜、细胞壁伸到外部,成为游离端。鞭毛的数目有一到数十根,鞭毛最长可达70μm,直径约为20nm。

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;螺旋菌一般都生有鞭毛。不同的细菌鞭毛的着生位置与数量不同(图2-6),因而鞭毛可作为鉴定菌种的依据。根据鞭毛的排列情况和数量,细菌分为以下几种类型。图2-6 细菌鞭毛的类型(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。(2)两端单生鞭毛菌 在菌体的两端各生一根鞭毛,如鼠咬热螺旋体。(3)偏端丛生鞭毛菌 在菌体的一端生出一束鞭毛,如铜绿假单胞菌。(4)两端丛生鞭毛菌 在菌体的两端各生一束鞭毛,如产碱杆菌。(5)周生鞭毛菌 周身都有鞭毛,如大肠杆菌、 枯草芽孢杆菌。

鞭毛虽然是细菌的运动器官,但并不是生命活动所必需的,鞭毛极其容易脱落,也会因遗传变异而消失。幼龄菌带有鞭毛,运动快,老龄菌鞭毛脱落,不能运动。

鞭毛与细菌的运动密切有关,其运动速率为20~80μm/s,即每秒钟的移动距离为细胞长度的10倍,甚至数十倍,这比最快的动物还快。

2.荚膜

荚膜或称为细菌黏性物质,有些细菌在细胞外分泌的黏性物质不易扩散,而是以一层厚膜状态包围在胞壁外,在细胞表面周围形成一个致密层,构成细菌细胞的荚膜。荚膜的厚度因菌种或环境不同而异,根据荚膜的形状和厚度的不同可分为四种情况:(1)如果这种黏液物质具有一定外形,相对稳定地附着在细胞壁外,这时称为荚膜或大荚膜。荚膜的厚度因菌种和环境的不同而不同,一般可达200 nm。(2)如果这种黏性物质的厚度很薄,小于200nm,则就称为微荚膜,它与细胞表面结合较紧。(3)如果这种黏性物质稀疏地附着,没有明显的边缘,只形成一扩散层,并且可以扩散到周围环境中,使培养基的黏度增加,这种黏性物质就称为黏液层。(4)通常每个菌体外包围着一层荚膜,但有些细菌的荚膜物质相互融合,连在一起组成共同的荚膜,多个细菌存在于一个共同的荚膜内,称之为菌胶团。

荚膜的成分因菌种的不同而不同,含有大量水分,约占质量的90%以上,其余一般由多糖类、多肽类,或者多糖蛋白质复合体组成。革兰阳性菌和革兰阴性菌都能形成荚膜。

荚膜的生理功能是它可作为细菌本身的养料储存库,在营养缺乏时,细菌可利用其储存的碳源和能量,甚至直接利用荚膜多糖来维持生命;它还可用于堆积废物;荚膜有抗吞噬作用,能保护病原菌免遭宿主吞噬细胞的吞噬,可增强致病菌本身的毒力;高分子质量表面荚膜的“胶体”性质能使细胞抵抗干燥,使细胞与环境中的毒性金属离子隔离,而达到保护细胞的作用。

3.芽孢

某些细菌在其生活史的一定阶段,在营养细胞内形成一个圆形、卵圆形或圆柱形的休眠体,称为芽孢。芽孢对不良环境尤其对热具有较强的抗性。因为细菌的芽孢都在细胞内形成,所以又称内生孢子,每个细胞只能形成一个芽孢。

能否形成芽孢是细菌种的重要特性。主要有两个属的杆菌能产生芽孢,即好氧的芽孢杆菌属和厌氧的梭状芽孢杆菌属。此外,有些微好氧芽孢乳杆菌属、厌氧性脱硫肠状菌属、鼠孢菌属也能产生芽孢;球菌中除八叠球菌外均不产生芽孢;螺旋菌、弧菌只有少数种能产生芽孢。(1)芽孢的类型 各种细菌芽孢形成的位置、 形状和大小是一定的,但也受环境条件的影响(图2-7),这在分类鉴定上有一定的意义。

多数好氧性的芽孢杆菌形成的芽孢位于细胞中央或近中央的部位,其直径小于细胞的宽度,如枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等。图2-7 芽孢的类型

大多数厌氧芽孢杆菌的芽孢也位于细胞的中央,但直径大于细胞的宽度,因此细胞呈两头小、中间大的梭状。但有些厌氧菌如克氏梭状芽孢杆菌的一些细胞形成的芽孢位于细胞的一端,其直径又大于细胞的宽度,而使细胞呈鼓槌状。(2)芽孢的构造 芽孢的折光性很强,芽孢壁厚而致密,不易着色。 其构造很复杂,有多层结构,主要包括外皮层、内皮层及核。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。芽孢结构上不同于营养细胞之处主要在于孢子壁之外的那些层次结构。

芽孢是一种特殊的休眠细胞形式,具有一个细胞维持生命的所有功能,在适宜的环境条件下会萌发,但与其他外生孢子不同,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。

三、细胞的繁殖

细菌一般进行无性繁殖,即细胞的横隔分裂,称作裂殖。裂殖形成的子细胞绝大多数大小相等、形态相似,称同形裂殖。在陈旧培养基中也会出现大小不等的子细胞,称异形裂殖。

细菌细胞的裂殖过程分三步(图2-8):首先是细菌染色体复制后,细胞核区伸长并分裂,同时在细胞赤道附近的细胞质膜由外向中心作环状推进,然后闭合而形成一个垂直于细胞长轴的细胞质隔膜,并使细胞质和两个“细胞核”分开;第二步是形成横隔膜,随着细胞膜内陷,母细胞的细胞壁向内生长,将细胞质隔膜分成两层,分别成为子细胞的细胞质膜,横隔膜也随之分成两层,每个子细胞都有了一个完整的细胞壁;最后是将细胞等分为两个子细胞。有的细胞在横隔膜形成后便相互分离,而有的细胞暂时不分离,呈双球菌、双杆菌、链状菌,有些球菌因分裂面的变化而呈四联球菌、八叠球菌(图2-9)。图2-8 细菌的裂殖图2-9 裂殖后细胞的排列方式

四、细菌的培养特征

1.菌落特征

细菌细胞的个体极小,当接到合适的固体培养基上时,在合适的生长条件下,便会迅速生长繁殖。由于受固体培养基表面生长的限制,它不可能像在液体培养基中那样自由地运动,所以就可将其繁殖局限在固体表面的某一空间内,使其形成一个较大的子细胞群落,此群落称为菌落。各菌落如果连成一片则称菌苔。

不同种的细菌所形成的菌落形态各异,同一种细菌常因培养基成分、培养条件不同,菌落形态也有变化,但同一菌种在标准培养条件下形成的菌落具有一定的特征(图2-10)。图2-10 细菌的菌落特征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 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,卷发状 18—不规则,丝状 19—不规则,根状

菌落特征包括菌落大小、形状、边缘情况、隆起情况、光泽、表面状态、颜色、质地、硬度和透明度等,这对菌种的识别和鉴定具有一定意义。细菌菌落具有共同特征,如湿润、较光滑、较透明、较黏稠、易挑取(菌体和培养基结合不紧密)、质地均匀以及菌落正反面或边缘与中央部位的颜色一致等。

2.其他培养特征

培养特征除了菌落外,还包括在软琼脂穿刺培养中的生长、在明胶穿刺培养中的生长、在琼脂斜面上划线培养特征和在肉汤表面的生长。

在软琼脂培养基上进行穿刺培养可以鉴定细菌的运动特征,不能运动的细菌只能沿穿刺线部分生长,能运动的细菌则向穿刺四周扩散生长。细菌若能在明胶培养基中生长繁殖,则说明它能产生明胶酶(即蛋白酶)水解明胶,明胶被水解后会形成一定形状的溶解区。在肉汤中培养细菌可以观察其液体培养特征。一般培养1~3d后可以观察其表面(膜和环等)的生长情况、浑浊程度、沉淀情况、有无气泡和颜色等。

五、细菌的致病性

(一)细菌的毒力

构成病原菌毒力的主要因素是侵袭力和毒素。

1.侵袭力

侵袭力是指细菌突破机体的防御机能,在体内定居、繁殖及扩散、蔓延的能力。构成侵袭力的主要物质有细菌的酶、荚膜及其他表面结构物质。(1)细菌的胞外酶 本身无毒性,但在细菌感染的过程中有一定作用。(2)荚膜与其他表面结构物质 细菌的荚膜具有抵抗吞噬及体液中杀菌物质的作用。

有些细菌表面有其他表面物质或类似荚膜物质,不仅能阻止吞噬,并有抵抗体和补体的作用。

2.毒素

细菌毒素按其来源、性质和作用的不同,可分为外毒素和内毒素两大类。(1)外毒素 有些细菌在生长过程中,能产生外毒素,并可从菌体扩散到环境中。外毒素毒性强,小剂量即能使易感机体致死。产生外毒素的细菌主要是某些革兰阳性菌,也有少数是革兰阴性菌。(2)内毒素 内毒素存在于菌体内,是菌体的结构成分。 细菌在生活状态时不释放出来,只有当菌体自溶或用人工方法使细菌裂解后才释放,故称内毒素。大多数革兰阴性细菌都有内毒素。(二)细菌侵入的数量和适当的侵入部位

病原微生物引起感染,除必须有一定毒力外,还必须有足够的数量和适当的侵入部位。有些病原菌毒力极强,极少量的侵入即可引起机体发病,有数个细菌侵入就可发生感染。而对大多数病原菌而言,需要一定的数量,才能引起感染,少量侵入,易被机体防御机能所清除。

病原菌的侵入部位也与感染发生有密切关系,多数病原菌只有经过特定的门户侵入,并在特定部位定居繁殖,才能造成感染。病原菌的这种特性是它的寄生与机体免疫系统抗寄生相互作用,长期进化过程中相互适应的结果。

六、细菌感染的类型

病原菌在一定条件下侵入机体,与机体相互作用,并产生病理生理的过程称为感染或传染。传染过程的发展与结局,取决于病原菌的毒力、数量、机体的免疫状态以及环境因素的影响。

外源性感染:是指由来自宿主体外的病原菌所引起的感染。传染源主要包括传染病患者、恢复期病人、健康带菌者,以及病畜、带菌动物、媒介昆虫等。

内源性感染:有少数细菌在正常情况下,寄生于人体内,不引起疾病。当机体免疫力降低时,或者由于外界因素的影响,如长期大量使用抗生素引起体内正常菌群失调,由此而造成的感染称之为内源性感染。

当机体有较强的免疫力,或入侵的病原菌数量不多,毒力较弱时,感染后对人体损害较轻,不出现明显的临床症状,称隐性感染。通过隐性感染,机体仍可获得特异性免疫力,在防止同种病原菌感染上有重要意义。

当机体免疫力较弱,或入侵的病原菌毒力较强,数量较多时,则病原微生物可在机体内生长繁殖,产生毒性物质,经过一定时间相互作用(潜伏期),如果病原微生物暂时取得了优势地位,而机体又不能维护其内部环境的相对稳定性时,机体组织细胞就会受到一定程度的损害,表现出明显的临床症状,称为显性感染,即一般所谓的传染病。显性感染的过程在体内可分为潜伏期、发病期及恢复期。显性感染临床上按病情缓急分为急性感染和慢性感染;按感染的部位分为局部感染和全身感染。

七、常见细菌

1.产氨短杆菌

产氨短杆菌属于短杆菌科短杆菌属,细胞杆状,圆端,0.8μm×(1.4~1.7)μm,单生,无荚膜,不运动,革兰阳性菌。琼脂菌落圆形,扁平,光滑,全缘,灰白色,偶有淡黄色。不液化明胶,石蕊牛奶微酸,不产生吲哚,还原硝酸盐,对淀粉无水解力,分解尿素产氨,好氧或兼性厌氧。此菌为氨基酸、核苷酸工业生产中常用菌种。

2.醋酸杆菌

醋酸杆菌属于醋酸单胞菌属,细胞从椭圆到杆状,单生,成对甚至成链。醋酸杆菌有两种类型的鞭毛,即周生鞭毛和极生鞭毛,周生鞭毛醋酸菌可以氧化醋酸为水和二氧化碳,而端生鞭毛的醋酸菌不能进一步氧化醋酸,它们都是革兰阴性杆菌。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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