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作者：闵航

出版社：浙江大学出版社

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微生物学试读：

无疑，生命科学在21世纪将得到令人瞩目的发展。微生物学作为生命科学的重要学科之一，因其本身的特点，更将成为最活跃的研究领域，并将在生态种群水平、个体细胞水平、显微亚细胞水平、分子水平、基因水平、基因组水平等不同层次上有空前的理论创新和技术突破。

微生物具有丰富而广阔的资源、活跃而多样的生理功能，与人类生存和可持续发展有关的食物及其安全、疾病及其治疗、健康及其保健、生态环境及其保护，等等，都有着十分密切的关系，对人类文明的进步作出了巨大贡献；同样，由于许多微生物具有致病性而给人类和动植物带来巨大灾难。当今社会应当利用微生物造福人类和控制病原微生物以减少灾难。由此可见微生物学教育有着十分重要的意义。微生物学知识应该成为提高国民基本素养的重要组成部分，

微生物学作为生物科学、生物技术、生物信息、农学、动物学等生命科学学科专业的主干课程，对于这些有关专业的学生甚至非生命科学专业的学生在校期间和今后从事相关专业的工作乃至生活的影响将是十分巨大而深远的。而对于这一课程的教学来说，有一部合适的教材至关重要。由闵航教授等编写的本教材，在阐述微生物学基础理论、基本知识、基本技术的同时，强调了微生物各个方面的多样性、生命三域微生物的差异、系统发育分子鉴定，等等，还注意编入了近年在微生物学领域发展成熟的新成果、新发展，专门设章介绍了微生物与环境保护、微生物与食品、微生物与人类生存和可持续发展的关系，并从分子生物学、基因组水平到微生物生态、物质地球化学循环等不同层次上阐述了微生物学在人类社会和环境可持续发展中应用的理论与技术，为学生今后在微生物学领域的探索、研究和应用提供了有益的启示。本书不失为一部有别于其他同类教材、具有特色的微生物学教材。

同时，衷心希望本教材在使用过程中不断充实、调整，使本教材得到完善与提高，为我国微生物学教育与微生物学教材建设作出更大贡献。中国科学院院士中国农业大学教授前 言

微生物学是当今生命科学领域中研究最活跃、发展最快、取得成果最辉煌、应用前景最广阔、对其他学科影响最大最重要的学科之一，因而也是最受瞩目的学科之一。它的许多理论和实践方法正被广泛应用于其他生命学科的研究中。它不仅正以前所未有的速度全方位地从分子生物学、基因组学水平到生态种群结构水平各个层次上丰富着其理论和技术，而且正在为促进人类社会和生存环境的可持续发展显示出日益辉煌的理论创新和应用实践前景。21世纪，无疑将为微生物学理论和技术的发展提供无限宽广的平台。

微生物学作为生物科学、生物技术、生物信息、农学、动物学等生命科学学科专业的主干课程，对于这些有关专业的学生甚至非生命科学专业的学生在校期间和今后从事相关专业的工作乃至生活的影响将是十分巨大而深远的。因此，在编写中，力求使学生既具有较强的微生物学基础知识，又能比较全面地掌握实际应用的能力。编者真诚地希望能为学习微生物学课程的学生和对微生物学感兴趣的有关人员提供学习和了解微生物学的合适教材。

本书在阐述微生物学基础理论、基本知识的同时，强调生命三域微生物的比较，并从分子生物学、基因组水平到微生物生态与物质地球生物化学循环等不同层次上阐述微生物在人类社会和环境可持续发展中应用的理论与技术，并包含“微生物与人类和动物”、“关于放线菌的系统分类地位”、“常见和常用细菌”等部分内容，引用了最新的某些数据，以期为学生今后在微生物学领域的探索、研究和应用提供有益的启示。

本书作者都是长期从事微生物学教学工作、对于微生物学的教学和研究积累有丰富经验的老师。本教材由闵航、吕镇梅编写绪论、第六、九、十、十一、十二、十三和十四章，贾小明、赵宇华、朱旭芬编写第一、二、三章，吴雪昌编写第四、五章，林福呈、吴根福编写第七章，吴坤编写第八章。高海春阅看了部分章节，提出了十分有益的建议。

限于编者的学识水平，本书难免存有不当之处，由衷地希望各位读者赐教指正，提出宝贵意见。编　者2011年1月绪　论第一节　微生物与微生物学一、微生物及其种类

人们常说的微生物（microorganism，microbe）一词，是对所有形体微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称，或简单地说是对人们肉眼看不见的细小生物的总称，是指显微镜下才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。但其中也有少数成员是肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的。1993年正式确定为细菌的Epulopiscium fishelsoni以及1998年报道的Thiomargarita namibiensis，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概念，是历史的沿革，但仍为今天所用。

微生物的种类见表0‐1。表0‐1　微生物的种类

由上表可见，微生物所包括的类群十分庞杂。实际上，在分子生物学技术和方法飞速发展的今天，新的形式、新的种属的微生物正在以不断加速的趋势出现。二、微生物学及其研究内容

微生物学（microbiology）是研究微生物及其生命活动规律的科学。它研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律；微生物与微生物之间、微生物与动植物之间、微生物与外界环境理化因素之间的相互关系；微生物在自然界各种元素的生物地球化学循环中的作用；微生物在工业、农业、医疗卫生、环境保护、食品生产等各个领域中的应用；等等。实际上，微生物学除了相应的理论体系外，还包括了有别于动植物研究的微生物学研究技术。因此说，微生物学是一门既有独特的理论体系，又有很强实践性的学科。三、微生物学的分支学科

随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，两者根据研究的侧重面和层次不同又可分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。按研究对象，微生物学可分为细菌学、放线菌学、真菌学、病毒学、原生动物学、藻类学等；按过程与功能，可分为微生物生理学、微生物分类学、微生物遗传学、微生物生态学、微生物分子生物学、微生物基因组学、细胞微生物学等；按生态环境，可分为土壤微生物学、环境微生物学、水域微生物学、海洋微生物学、宇宙微生物学等；按技术与工艺，可分为发酵微生物学、分析微生物学、遗传工程学、微生物技术学等；按应用范围，可分为工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、兽医微生物学、食品微生物学、预防微生物学等；按与人类疾病关系，可分为流行病学、医学微生物学、免疫学等。随着现代理论和技术的发展，新的微生物学分支学科正在不断形成和建立。

细胞微生物学、微生物分子生物学和微生物基因组学等在分子水平、基因水平和后基因组水平上研究微生物生命活动规律及其生命本质的分支学科和新型研究领域的出现，表明微生物学的发展进入了一个崭新的阶段。四、微生物学发展简史

1.史前时期人类对微生物的认识与利用

在17世纪下半叶，荷兰学者吕文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的简易显微镜观察到细菌个体之前，对于一门学科来说尚未形成。这个时期称为微生物学史前时期。

在这个时期，人们在生产与日常生活中已经积累了不少关于微生物对人类有用的经验，并且应用这些经验创造财富，减少和消灭病害。如中国民间早已广泛应用的微生物技术酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍蜜饯，等等。古埃及人也早已掌握制作面包和配制果酒技术。这些都说明人类已经自发地学会在食品工艺中控制和利用微生物活动的规律。积肥、沤粪、翻土压青、豆类作物与其他作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和利用微生物生命活动规律的生产技术。种痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管当时这些还没有上升为微生物学理论，但都是控制和利用微生物生命活动规律的实践活动。

2.微生物形态学发展阶段

17世纪80年代，吕文虎克用他自己制造的可放大160倍的显微镜观察牙垢、雨水、井水以及各种有机质的浸出液时，发现了许多可以活动的“活的小动物”，并发表了这一“自然界的秘密”。这是首次对微生物形态和个体的观察和记载。随后，其他研究者凭借显微镜对其他许多微生物类群进行了观察和记载，扩大了人类对微生物类群形态的视野。但是在此后相当长的时间内，人们对于微生物作用的规律仍一无所知。这个时期也称为微生物学的创始时期。

3.微生物生理学发展阶段

在19世纪60年代初，法国的巴斯德（Louis Pasteur）和德国的柯赫（Robert Koch）等一批杰出的科学家建立了一套独特的微生物研究方法，对微生物的生命活动及其对人类实践和自然界的作用做了初步研究，同时还建立起许多微生物学分支学科，尤其是建立了解决当时实际问题的几门重要应用微生物学科，如医用细菌学、植物病理学、酿造学、土壤微生物学等。

在这个时期，巴斯德研究了酒变酸的微生物原理，探索了蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病的病因以及有机质腐败和酿酒失败的起因，否定了生命起源的“自然发生说”，建立了巴氏消毒法等一系列微生物学实验技术。柯赫在继巴斯德之后，改进了固体培养基的配方，发明了倾皿法进行纯种分离，建立了细菌细胞的染色技术、显微摄影技术和悬滴培养法，寻找并确证了炭疽病、结核病和霍乱病等一系列严重传染疾病的病原体，提出了Koch法则。这些成就奠定了微生物学成为一门科学的基础。他们是微生物学的奠基人。

在这一时期，英国学者布赫纳（E.Buchner）在1897年研究了磨碎酵母菌的发酵作用，把酵母菌的生命活动和酶化学相联系起来，推动了微生物生理学的发展。同时，其他学者例如俄国学者伊万诺夫斯基（Ivanovski）首先发现了烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus，TMV），扩大了微生物的类群范围。

4.微生物分子生物学发展阶段

20世纪的世纪初至40年代末微生物学开始进入酶学和生物化学研究时期，许多酶、辅酶、抗生素以及生物化学和生物遗传学都是在这一时期发现和创立的，并在40年代末形成了一门研究微生物基本生命活动规律的综合学科——普通微生物学。

50年代初，随着电镜技术和其他现代技术的出现，对微生物的研究进入到分子生物学的水平。1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.Crick）发现了细菌染色体脱氧核糖核酸长链的双螺旋构造。1961年加古勃（F.Jacab）和莫诺德（J.Monod）提出了操纵子学说，指出了基因表达的调节机制和其局部变化与基因突变之间的关系，即阐明了遗传信息的传递与表达的关系。1977年，C.Woese等在分析原核生物16S rRNA和真核生物18S rRNA序列的基础上，提出了可将自然界的生命分为细菌、古菌和真核生物三域（domain），揭示了各生物之间的系统发育关系，使微生物学进入到成熟时期。就基础研究来讲，在这个成熟时期，从三大方面深入到了分子水平来研究微生物的生命活动规律：①研究微生物大分子的结构和功能，即研究核酸、蛋白质、生物合成、信息传递、膜结构与功能等。②在基因和分子水平上研究不同生理类型微生物的各种代谢途径和调控、能量产生和转换，以及严格厌氧和其他极端条件下的代谢活动等。③分子水平上研究微生物的形态构建和分化，病毒的装配以及微生物的进化、分类和鉴定等，在基因和分子水平上揭示微生物的系统发育关系。尤其是近年来，应用现代分子生物技术手段，将具有某种特殊功能的基因作出了组成序列图谱，以大肠杆菌等细菌细胞为工具和对象进行了各种各样的基因转移、克隆等开拓性研究。在应用方面，开发菌种资源、发酵原料和代谢产物，利用代谢调控机制和固定化细胞、固定化酶发展发酵生产和提高发酵经济的效益，应用遗传工程组建具有特殊功能的“工程菌”，把研究微生物的各种方法和手段应用于动植物和人类研究的某些领域。这些进步使微生物学研究进入一个崭新的时期。五、当代微生物学的发展趋势

综观当代微生物学的发展趋势，一方面是由于分子生物学新技术不断出现，使得微生物学研究得以迅速向纵深发展，从细胞水平、酶学水平逐渐进入基因水平、分子水平和后基因组水平；另一方面是大大拓宽了微生物学的宏观研究领域，与其他生命科学和技术、其他学科交叉，综合形成了许多新的学科发展点甚至孕育了新的分支学科。近二三十年来，微生物学研究中分子生物技术与方法的运用，已使微生物学迅速丰富了新理论、新发现、新技术和新成果。C.Woese于1977年提出并建立了细菌（bacteria）、古菌（archaea）和真核生物（eucarya）并列的生命三域的理论，揭示了古菌在生物系统发育中的地位，创立了利用分子生物学原理在分子和基因水平上进行分类鉴定的理论与技术。而到如今，微生物细胞结构与功能、生理生化与遗传学研究的结合，已经进入到基因和分子水平，即在基因和分子水平上研究微生物分化的基因调控，分子信号物质及其作用机制，生物大分子物质装配成细胞器过程的基因调控，催化各种生理生化反应的酶的基因及其组成、表达和调控，等等。阐明了蛋白质的生物合成机制，建立了酶生物合成和活性调节模式，探查了许多核酸序列，构建了400多种微生物的基因核酸序列图谱。DNA重组技术的出现为构建具有特殊功能的基因工程菌提供了令人兴奋的成果和良好的前景，已实现了利用微生物基因工程大量生产人工胰岛素、干扰素、生长素及其他贵重和急需的药物，正在形成一个崭新的生物技术产业。目前正有许多研究者利用DNA重组技术来改良和创建微生物新品种。

微生物生态学的研究，不仅拓宽了原有的土壤、污水、水域、地矿等环境，并进入了宇宙空间和深入到微生物赖以生存的微环境，而且让人们进一步地关注极端环境下的微生物生命活动，阐明了这些极端环境微生物具备而其他生物所没有的性状，形成了一个生命科学中的崭新领域，为生命的起源、进化和系统发育的探索和阐明提供了大量有价值的证据，也极大地丰富了自然界微生物种的多样性。微生物作为环境污染物的“清道夫”和污染受损环境的生物修复者，它们对于部分污染物尤其是含芳香环的难降解物的分解和降解，也已从质粒、降解酶基因水平上被阐明。

微生物学的研究将日益重视微生物特有的生命现象。如极端环境中的生存能力、特异的代谢途径和功能，化能营养、厌氧生活、生物固氮、不放氧光合作用等，对于这些生命过程中物质和能量运动基本规律的阐明将会给人们展示一个诱人的应用前景。微生物具有独特和高效的生物转化能力，并能产生多种多样的有用的代谢产物，这将为人类的生存和社会的发展进步创造难以估量的理论与物质的财富。因此发展和促进微生物生物技术的应用即微生物产业化，如微生物疫苗、微生物药品制剂、微生物食品、微生物保健品、可降解性微生物制品等等，将是世界性的生物科学热点，正得到极大的发展。

根据21世纪生命科学的发展趋势和研究热点，在目前已对少数微生物构建遗传物理图谱的基础上，将会全面展开微生物基因组学和后基因组学的研究。微生物基因组的研究必将明显地促进生物信息学的发展和包括比较生物学、分子进化学和分子生态学在内的生物学研究新时代的到来。对具有某种意义的微生物种、菌株进行全基因组的序列分析、功能分析和比较分析，明确其结构、表型、功能和进化等之间的相互关系，阐明微生物与微生物之间、微生物与其他生物之间、微生物与环境因素之间相互作用的分子机理及其控制的基因机制，将会极大地发展微生物分子生态学、环境微生物学、细胞微生物学、微生物资源学、微生物系统发育学等各个新兴学科。

微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科先进技术的基础上，向自动化、计算机化、定向化和定量化发展。微生物信息学正在迅速孕育发展中，技术上的重大突破使微生物学获得前所未有的高速发展，并开辟崭新的研究领域，进入新的研究深度，为改造微生物提供强有力的手段，从而使得在分子水平上设计、改造和创建新的微生物物种成为可能。微生物基因工程的应用范围可以扩大到食品、化工、环保、采矿、冶炼、材料、能源等众多领域，因而具有诱人的开发前景，每一项都是前无古人的崭新工作。

21世纪是生命科学的世纪，生命科学中最活跃的微生物学无疑将有极大的突破性发展，对于推动人类文明的发展进步和人类的可持续生存与发展具有重要影响。第二节　微生物多样性

微生物作为生物，具有一切生物的共同点：①绝大部分微生物的遗传信息是由DNA链上的基因所携带，除少数特例外，其复制、表达与调控遵循中心法则；②微生物的初级代谢途径如蛋白质、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物质的合成途径基本相同；③微生物的能量代谢都以ATP作为能量载体。

微生物作为生物的一大类，除了与其他生物共有的特点外，还具有其本身的特点及其独特的生物多样性。一、微生物的形态与结构多样性

微生物的个体极其微小，必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到它们。测量和表示它们的大小时，细菌等须用μm作单位，病毒等必须用nm作单位。杆形细菌的宽度只有0.5～2μm，长度也只10有1到几个μm，每克细菌的个数可达10个。微生物本身具有极为巨大的比表面积，如大肠杆菌（Escherichia coli）比表面积可达30万。这对于微生物与环境的物质、能量和信息的交换极为有利。但也有人们肉眼可见的微生物，如许多可食用的担子菌。

尽管微生物的形态结构十分简单，大多由单细胞或简单的多细胞构成，甚至无细胞结构，但形态上不仅有球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等，细菌和古菌还有许多如方形、阿拉伯数字形、英文字母形、扁平形、立方形等特殊形状，放线菌和霉菌的形态有多种多样的分枝丝状。微生物细胞的显微结构更具有明显的多样性，如细菌经革兰氏染色后可分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌，其原因在于细胞壁的化学组成和结构不同。古菌的细胞壁组成更是与细菌有着明显的区别，没有肽聚糖而由蛋白质等组成；真核微生物细胞壁结构又与古菌、细菌有很大的差异。菌体表面的鞭毛、纤毛、荚膜等结构和化学组成都有很大的不同，因而呈现出不同的免疫特性。二、微生物的代谢多样性

微生物的代谢多样性是其他生物所不可比拟的。①微生物能利用的基质十分广泛，是任何其他生物所望尘莫及的，从无机的CO到有2机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂类等，从短链、长链到芳香烃类，以及各种多糖大分子聚合物（果胶质、纤维素等）和许多动、植物不能利用、甚至对其他生物有毒的物质，都可以成为微生物的良好碳源和能源。②微生物的代谢方式多样，既可以CO为碳源进行自养型生长，2也可以有机物为碳源进行异养型生长；既可以光能为能源，也可以化学能为能源。既可在有O条件下生长，又可在无O条件下生长。③22微生物的代谢途径多种多样，不仅在利用不同基质时的途径不一样，就是在利用同一基质时也可有不同的代谢途径。④代谢中间体和最终产物更是多种多样，有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白质、单糖、多糖、核苷酸、核酸、脂肪、脂肪酸、抗生素、维生素、毒素、色素、生物碱、CO、HO、HS、、、等，都可以是微生物222的代谢产物。⑤各种微生物的代谢速率差异极大，大多数微生物具有任何其他生物所不能比拟的代谢速率，如在适宜环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2000倍，但在高压环境、低温环境、营养缺乏和干燥环境下的微生物代谢速率很低。三、微生物的遗传与变异多样性

在微生物中携带遗传信息的物质及其方式显然要比动植物更具有多样性。在原核微生物中，除了染色体携带遗传信息外，存在于原生质中的质粒也携带遗传信息；真核微生物中，染色体和细胞器都有能独立自主复制的DNA；病毒携带的核酸可以是DNA，也可以是RNA，朊病毒甚至用蛋白质作增殖模板。RNA病毒和朊病毒都不遵守“DNA→RNA→蛋白质”这一遗传中心法则。

微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性。细菌繁殖以二裂法为主，个别可以性接合的方式繁殖；放线菌可以菌丝和分生孢子繁殖；霉菌可以菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖，无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态；酵母菌可以出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖，等等。

微生物，尤其是以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌37℃时的世代时间为18min，每24h可分裂8024次，每24h的增殖数为1.2×10个。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）1330℃时的世代时间为31分钟，每24h可分裂46次，增殖数为7.0×10个。诚然，许多深海或嗜压微生物的生长代时远较大肠杆菌长，几天、几月者都有。

微生物由于个体小、结构简单、繁殖快、与外界环境直接接触等－5－10原因，很容易发生变异，一般自然变异的频率可达10～10，而且在很短时间内就出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及所有性状，如形态构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量，等等。如常见的人体病原菌抗药性的提高使得在治疗上需要增加用药剂量，就是病原菌变异的结果。再如在抗生素生产和其他发酵性生产中利用微生物变异提高发酵产物产量。最典型的例子是青霉素的发酵生产，最初发酵产物每毫升只含20单位左右，后来通过研究人员的努力，现在已有极大的增加，目前已接近10万单位。四、微生物的抗性多样性

微生物具有极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧、抗辐射和抗毒物等能力，显示出其抗性的多样性。

科学家已从深海热液口分离到能在121℃生长的古细菌株121，该菌在130℃还能存活2h。含芽孢细菌一般更能抵抗高温等逆境环境，一般细菌的营养细胞在70～80℃时10min就死亡，而芽孢在120～140℃甚至150℃还能生存几小时，营养细胞在5%苯酚溶液中很快就死亡，芽孢却能存活15d。芽孢的大多数酶处于不活动状态，代谢活力极低，芽孢是抵抗外界不良环境的休眠体。细菌芽孢具有高度抗热性，常给科研和发酵工业生产带来危害。也有许多细菌耐冷或嗜冷，有些在－12℃下仍可生活，造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们常用冰箱（＋4℃）、低温冰箱（－20℃）、干冰（－70℃）、液氮（－196℃）来保藏菌种，都具有良好的效果。

嗜酸菌可以在pH为0.5的强酸环境中生存，而硝化细菌可在pH 9.4，脱氮硫杆菌可在pH 10.7的环境中活动。在含盐高达23%～25%的“死海”中仍有相当多的嗜盐菌生存。在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活动，从而往往引起这些物品的变质。

微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类甚至会形成特殊的休眠构造，如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了几百年甚至上千年之后仍有活力。五、微生物的种类多样性

目前已确定的微生物种数在10万种左右，但仍以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。苏联微生物学家伊姆舍涅茨基说，“目前我们所了解的微生物种类，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10%”。微生物生态学家较一致地认为，目前已知的已分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的1%。情形可能确实如此，在自然界中存在着极为丰富的微生物资源。分子生物学技术和方法的发展已经揭示了运用传统的微生物学研究技术和方法获得的微生物种类和种群数量仅仅占自然界存在总数的不到1%。已有报道，运用最新的分子生物学技术和方法获得了与目前所知微生物的基因完全不同的基因组。

自然界中微生物存在的数量往往超出人们的一般预料。每克土壤中的细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个。人体肠道中菌体总数可达100万亿左右。每克新鲜叶子表面可附生100多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量估计达280亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。

微生物横跨了生物六界系统中无细胞结构生物病毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界。生物六界中除了动物界、植物界外，其余各界都是为微生物而设立的，范围极为宽广。根据C.Woese 1977年提出的生命三域的理论，微生物也占据了古菌、细菌和真核生物三域。六、微生物的生态分布多样性

微生物在自然界中，除了“明火”、火山喷发中心区和人为的无菌环境外，到处都有分布，上至几十千米外的高空，下至地表下几百米的深处，海洋上万米深的水底层，在土壤、水域、空气及动植物和人体内外，都分布有各种不同的微生物，可以说它们无处不在。即使是同一地点、同一环境，在不同的季节，如夏季和冬季，微生物的数量、种类、活性、生物链成员的组成等也会有明显的不同，这些都显示了微生物生态分布的多样性。第三节　微生物与生命三域

20世纪60－70年代，国际上在研究利用有机废物生物甲烷化过程中对产甲烷细菌的形态结构、生理生化、遗传变异、营养互营、分子生态等方面作了全面深入的研究，发现了许多不同于其他细菌的特点。1977年，沃斯（Carl Woese）及其同事对代表性细菌类群的16S rRNA碱基序列进行广泛比较后提出古菌（archaea）、细菌（bacteria）和真核生物（eucarya）三域（urk‐ingdoms，domain）的概念，认为生物界的系统发育并不是一个由简单的原核生物发育到较完全、较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细菌和真核生物，并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来的，这一起点就是至今仍不明确的一个原始祖先。生物界三域概念现已被广泛接受（图0‐1）。

微生物包括了古菌、细菌和真核生物中的相当部分。

古菌染色体中DNA的结构组成和存在方式表明，古菌和细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似。但在分子生物学水平上，古菌和细菌之间有明显差别，是一群具有独特基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞生物。其主要表现见表0‐2。图0‐1　细胞生物的系统发育树（引自Biology of Microorganisms，10th edition，Madigan et al.，2006）表0‐2　古细菌、细菌和真核生物三域特性差异

古菌是一大类形态各异、特殊生理功能截然不同的微生物群。古菌可营自养或异养型生活。其主要特点如下：

①古菌具有独特的细胞或亚细胞结构，如无细胞壁古菌没有细胞壁，仅有细胞膜，而导致细胞形态多样。即使有细胞壁的其他古菌，其细胞壁组分也独特，有具蛋白质性质的，也有具杂多糖性质的，也有类似于肽聚糖的假肽聚糖，但都无胞壁酸、D‐型氨基酸和二氨基庚二酸。

②古菌细胞膜的化学组成上，含有异戊烯醚而不含脂肪酸酯，脂肪酸也为有分支的直链而不是无分支的直链。细胞膜中的类脂不可皂化，中性类脂为类异戊二烯（isoprenoid），极性脂为植烷甘油醚（phytanyl glycerol ethers）。

③细胞内16S rRNA的核苷酸序列独特，不同于真细菌，也不同于真核生物。16S rRNA的碱基序列、tRNA的特殊碱基的修饰、5S rRNA的二级结构等均不同于细菌和真核微生物。

④古菌具有类似于真核生物的基因转录和翻译系统。

⑤对各种抗生素的敏感性上也与细菌有很大差异，如古菌对于氯霉素、青霉素、利福平等抗生素不敏感，但细菌对此敏感；相反，古菌对于环己胺、茴香霉素等敏感而细菌却不敏感。

⑥古菌大多生活在地球上如超高温、高酸碱度、高盐浓度、严格无氧状态等极端环境或生命出现初期的自然环境。如产甲烷细菌，可在严格厌氧环境下利用简单二碳和一碳化合物或CO生存和产甲烷；2还原硫酸盐古菌可在极端高温、酸性条件下还原硫酸盐；极端嗜盐古菌可在极高盐浓度下生存，等等。

从这些差异可见，古菌确是不仅在细胞化学组成上更是在分子生物学水平和系统发育上不同于同属于原核生物的细菌和真核生物的另一类特殊生物类群。

目前根据不同的生理特性，可将古菌分为产甲烷古菌群、还原硫酸盐古菌群、极端嗜盐古菌群、无细胞壁古菌群和极端嗜热和超嗜热代谢元素硫古菌群等5大类群。第四节　微生物与人类社会文明进步一、微生物与人类社会文明的进步

微生物与人类社会文明的发展有着极为密切的关系。微生物与人类关系的重要性和对于人类已有文明所作出的贡献都有着光辉的记录并将继续创造新的功绩。当今的人类社会生活已难以离开微生物所作的直接或间接贡献。各种由微生物参与或直接发酵生产的食品、饮料、调味品，各种抗生素、维生素和其他微生物药品，各种微生物性保健品，环境的微生物污染和污染环境的微生物治理与修复，动植物生产过程中使用微生物促进剂，微生物病原菌引起的人类各种疾病和利用微生物生产的各种药物对人类疾病的控制与治疗，等等，都与微生物的作用或其代谢产物有关。

我国早期的农业生产中使用豆科植物与其他作物轮作以提高土地肥力的实践，促进农业生产的持续发展。微生物是人类生存环境的“清道夫”和物质转化必不可少的重要成员，推动着物质的地球生物化学循环，使得地球上的物质循环得以正常进行。很难想象，如果没有微生物的作用，地球将是什么样？无疑，所有的生命都将无法生存与繁衍，更不用说当今的现代文明了。

微生物病原菌也曾给人类带来巨大灾难。14世纪中叶，鼠疫耶森氏菌（Yersinia pestis）引起的瘟疫导致了欧洲总人数约1/3的死亡。20世纪前半叶的中国也经历了类似的灾难。即使是现在，人类社会仍然遭受着微生物病原菌引起的疾病灾难威胁。艾滋病、肺结核、疟疾、霍乱正在卷土重来和大规模传播，还有正在不断出现的新的疾病如疯牛病、军团病、埃博拉病毒病、大肠杆菌0157、霍乱弧菌（0139）引起的霍乱，2003年春的SARS病毒、西尼罗河病毒，2004年的禽流感病毒，2009年的甲型H1N1流感等，给人类不断带来新的灾难。然而人类以自己的智慧坚持不懈地与各种病毒和致病菌进行着斗争。正是Louis Pasteur研究成功狂犬疫苗、Fleming发现了青霉素、von Behring成功制备抗毒素治疗白喉和破伤风等，挽救了无数的生命，同时也拯救了人类文明。

在微生物学发展史上有众多的科学家为微生物学的建立与发展研究、探索，奉献了自己的智慧与一生。有关统计表明，至今有33位诺贝尔奖获得者是微生物学领域的发现或发明人，在20世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者中，从事微生物学领域研究的就占了1/3。微生物学发展史上的重大事件，都表明微生物学的发展对世界文明进步作出的巨大贡献。

由于微生物本身的生物学特性和独特的研究方法，微生物已经成为现代生命科学在分子水平、基因水平、基因组水平和后基因组水平研究的基本对象和良好工具。例如，微生物为以转基因工程为核心的分子生物技术提供了低成本而理想的工具酶、载体和检测手段。微生物和微生物学的理论与研究技术正在被广泛应用于其他生命科学的研究中，即微生物学技术化，推动着生命科学的日新月异，直接和间接地推动着人类文明的快速发展。现代生命科学的许多前沿成果大多来自于对微生物的研究。二、微生物与人类可持续发展

人类的生存繁衍和可持续发展依赖于良好的生活环境、安全的食品和清洁的水源。然而，由于各种各样的原因，人类生存的环境（包括土壤、水域、大气）已受到污染，甚至是严重污染，进而通过植物、动物各级生物链污染人类食物和饮用水。许多环境污染物是人类体内激素的替代物和干扰物，具有类似人类体内激素的生理特性，能干扰内分泌系统的正常生理活动，称之为环境激素。这些环境激素可以严重损伤和破坏男性的生殖能力，明显引发女性乳腺癌等女性疾病，诱发少年儿童的性早熟，引发人类不正常心理情绪与行为。在21世纪之初，人类不得不痛苦地面对自身造成的污染的环境，因为环境污染危机已经直接威胁到人类本身的生存繁衍和可持续发展。

可喜的是，微生物对于人类可持续发展所具有的贡献潜力正日益为人们所认识。

1.微生物与生态环境的保护和修复

保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍、并能生产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。随着工农业生产的发展和人民对生活环境质量要求的提高，对于进入环境的日益增多的有机废水污物和人工合成有毒化合物等所引起的污染问题，人们也越来越关注。而微生物是这些有机废水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境“清道夫”的作用。而且由于微生物本身具有繁衍迅速、代谢基质范围宽、分布广泛等特点，它们在清除环境（土壤、水体）污染物中的作用和优势是任何其他理化方法所不能比拟的，因此正被广泛应用于有机废水和污染物的处理，进行污染土壤的微生物修复。但不可否认，某些微生物也以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。

2.微生物学与农业

农业是人类赖以生存的最重要的客观基础。微生物学不仅与农业生产密切相关，而且与食品安全和品质改善密切相关。

土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物的作用。土壤中含氮物质的最初来源是微生物的固氮作用。土壤中含氮物质的积累、转化和损失，土壤中有机质尤其是腐殖质的形成和转化，土壤团聚结构的形成，土壤中岩石矿物变为可溶性的植物可吸收态无机化合物等过程也与微生物的生命活动相关。由于微生物的活动，土壤具有生物活性，推动着自然界中最重要的物质循环，并改善土壤的持水、透气、供肥、保肥和冷热的调节能力，有助于农作物生产。

随着人类对环境和食品安全质量的要求愈来愈高，易造成环境和食品污染的化学农药、化学化肥愈来愈不受欢迎，而对绿色农业或有机农业、绿色食品的需求呼声愈来愈高。而绿色农业或有机农业都离不开微生物的作用。在农业生产过程中，农作物的防病、防虫害都与微生物密切相关。植物的许多病害，其病原就是各类微生物，而反过来也可以利用某些微生物来防治农作物的某些病虫危害。有机肥的积制过程实际上就是通过微生物的生命活动，把有机物质改造为腐殖质肥料的过程。有机和无机肥料施入土壤后，只有一部分可被植物直接吸收，其余部分都要经过微生物的分解、转化、吸收、固化，然后才能逐渐并较长时间地供给植物吸收利用。一些微生物还能固定大气中的氮素，为植物提供氮素营养。

农产品的加工、贮藏，实际上很多是利用有益的微生物作用或是抑制有害微生物的危害的技术。

微生物学是农业科学的重要基础理论的一部分。随着科学技术的发展，微生物学与农业科学之间的关系必将越来越密切，微生物学对现代农业科学的影响也必将越来越大。

3.利用微生物生产可持续的清洁能源

化学燃料不仅是一次性能源，而且其燃烧产物对于环境的污染也是一个严重问题。由于微生物可以将农业和某些工业有机废弃物转化为氢气、乙醇和甲烷等，不仅消除了环境中的有机污染物，还可生产如氢气、乙醇、甲烷等无污染的清洁能源。这些清洁能源在燃烧过程中极少产生污染物，而且可以持续地利用微生物进行生产，真可谓“用之不竭”，对于人类的可持续发展具有重要意义。

4.以微生物为主体的生物产业将是国民经济的重要组成部分

利用微生物基因工程、酶工程、蛋白质工程、发酵工程等生物工程技术提高现有的微生物发酵水平，增加产量，改善品质或风味，提高生产经济效益。另一方面，寻找、研究、开发能够形成对人类或动植物生存与健康具有有益价值的新的活性物质，将是今后的持续热点领域。这两个方面组成的以微生物为主体的生物产业在今后的国民经济发展中占有的比重将会越来越大，成为重要的组成部分。

5.丰富的微生物资源及其产物是人类药物的巨大宝库

由于微生物本身的特点和代谢产物的多样性，利用微生物生产人类战胜疾病所需的医药制品正受到广泛重视，生物医药正在迅速崛起，成为一个具有广阔前景的新兴产业。当今人类面临着空前的健康安全威胁，不仅许多给人类造成巨大灾难的疾病卷土重来，如肺结核、霍乱等，而且很多不明原因、尚无有效控制办法的疾病也在不断出现，如艾滋病、疯牛病、埃博拉病毒病、非典型肺炎等，加上许多化学合成药物副作用问题的困扰，人们期待从无穷无尽的微生物资源宝库中寻找和获得理想的药物，或利用微生物对已有的药物进行改造，使其具有新的功能或减少原有的副作用。上述各种疾病的传染控制与治疗，将在很大程度上需要应用已有的和正在发展的微生物学理论与技术，依赖于新的微生物医药资源的开发与利用。利用微生物控制病原微生物的传染，利用微生物生产人类保健品，利用微生物增加人体免疫力，利用微生物生产人类和动植物新药，等等，都将成为人们关注的热点。开发和利用微生物必将为人类的生存、健康和可持续发展做出巨大贡献。复习思考题

1.微生物有哪些主要类群？具有哪些与其他生物不同的共同特点？

2.简述微生物学的定义及其分支学科。

3.简述微生物与人类文明进步的关系。

4.简述微生物与人类可持续发展的关系。

5.列举身边的微生物及其特性与作用。第一章　原核微生物【内容提要】

本章介绍了细菌、放线菌、蓝细菌等原核微生物的形态、大小，细胞的结构、成分与功能以及它们的繁殖方式和菌落特征。

按生物的系统发育和16S rRNA分析，细胞生物可分为细菌、古菌和真核生物。细菌和古菌同属于原核微生物。－

细菌有基本形态和特殊形态，细菌细胞的大小以μm度量。G菌＋与G菌的细胞壁在结构和成分上的差异决定了革兰氏染色的结果；细菌中还存在缺壁菌。细菌细胞膜是细胞代谢活动的中心，此外有些细菌还存在细胞内膜系统。细胞质中核蛋白体是多肽和蛋白质合成的场所，某些细菌细胞质内含有各具不同功能的内含物。原核中的遗传物质为DNA，质粒也具有储存和传递遗传信息的功能。一些细菌有特殊结构，包括荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢、伴孢晶体、孢囊。细菌以裂殖方式繁殖，不同的细菌具有不同的菌落特征和液体培养特征。＋

放线菌是分枝丝状的G原核微生物，根据形态与功能可分为基内菌丝、气生菌丝与孢子丝，可形成分生孢子。放线菌有其独特的菌落特征。

古菌的细胞壁、细胞膜、16S rRNA中核苷酸排列顺序等都与细菌中的不同，也与真核生物不同。目前古菌分为5个类群，生长在独特的生态环境。

蓝细菌细胞内含有独特的内膜结构（内囊体）和特有的色素蛋白（藻胆蛋白），是能进行光合作用的原核微生物。支原体为无细胞壁的最小的原核微生物。立克次氏体和衣原体都是专性细胞内寄生物，但它们的形态、大小、寄主各不相同。

近代生物学把生物区分为细胞生物和非细胞生物两大类。细胞生物包括一切具有细胞形态的生物，按系统发育和16S rRNA分析，它们分属于细菌（广义的，bacteria，曾用eubacteria）、古菌（archaea，曾用archaebacteria）和真核生物（eukarya）。非细胞生物包括病毒和亚病毒。

虽然从系统发育来看，细菌和古菌是两种不同的生物类群，但它们的细胞形态和结构却基本一致，同属原核生物（procaryotes）。原核生物是指一大类细胞不具核膜，也无核仁，只有核区的单细胞生物。第一节　细　菌一、细菌的形态和大小

细菌的个体形态要借助于光学显微镜才能观察到。细菌的基本形态可分为球状、杆状和螺旋状三种，各形态的细菌相应地分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌（图1‐1）。

球菌呈球形或近球形。球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式，在分类鉴定上有重要意义。根据球菌细胞分裂面和分裂后的排列方式，又可分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。

杆菌细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌在长宽比例上差异很大，有的粗短，有的细长。短杆菌近似球状，长的杆菌近似丝状。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis），有的两端钝圆，如维氏固氮菌（A zotobacter vinelandii）。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列。

有的细菌细胞弯曲呈弧状或螺旋状。弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌（Vibrio cholerae）。弯曲度大于一周的称为螺旋菌。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋状菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂回螺菌（Spirillum volutans）。有些螺旋状菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动，并称为螺旋体，如梅毒螺旋体（Treponema pallidium）。

细菌的形态除上述三种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属（Caulobacter），细胞呈弧状或肾状并具有一根特征性的细柄，可附着于基质上。又如球衣菌属（Sphaerotilus），能形成衣鞘（sheath），杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状体，此外还有呈星状的星状菌属（Stella）、正方形的细菌等（图1‐2)。图1‐1　细菌的基本形态（Madigan et al.，2003）图1‐2　某些特殊形态的细菌

细菌的大小可以用测微尺在显微镜下进行测量，也可通过投影法或照相制成图片，再按放大倍数加以测算。表示细菌大小的常用单位是μm。球菌大小以其直径表示，多为0.5～1.0μm。杆菌和螺旋菌以其宽度与长度表示，杆菌的宽度一般为0.4～1.0μm，长度为宽度的一倍或几倍。但螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离，而不是真正的长度，它的真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算。细菌的大小因菌种而异，见表1‐1。表1‐1　细菌的大小

细菌的形态、大小受多种因素的影响。一般在幼龄阶段和生长条件适宜时，细菌形态正常、整齐，表现出特定的形态大小。在较老的培养物中或不正常的条件下，细胞常出现异常形态大小。二、细菌细胞的构造与功能

典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢和孢囊等，这些结构只在某些细菌种类中存在，具有某些特定功能。（一）细胞壁

细胞壁（cell wall）是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构，占细胞干重的10%～25%。

细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供力学支点，是鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。

1884年丹麦人革兰（Christian Gram）发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂碘液媒染，然后用乙醇或丙酮脱色，最后用复染液（沙黄或番红）复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌（常以－＋G表示），呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌（常以G表示）。这一程序后称为革兰氏染色法（Gram staining）。通过这一染色程序可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。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差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。

电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明，革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著的差异，见表1‐2与图1‐3。

1.革兰氏阳性细菌细胞壁

革兰氏阳性细菌有一层厚约20～80nm的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖（peptidoglycan）为主，占细胞壁物质总量的40%～90%。另外还结合有磷壁酸（teichoic acid），磷壁酸又称垣酸，是G＋细菌细胞壁特有的成分。表1‐2　革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别

肽聚糖是除古菌外凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共有组分。肽聚糖是由若干肽聚糖单体（图1‐4）聚合而成的多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种组分：N‐乙酰葡萄糖胺（N‐acetylglucosamine，简写G）、N‐乙酰胞壁酸（N‐acetylmuramic acid，简写M）和四肽链。N‐乙酰葡萄糖胺与N‐乙酰胞壁酸交替排列，通过β‐1，4糖苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与N‐乙酰胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子，主要是两条不同聚糖链骨架上与N‐乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的相互交联（图1‐5）。不同种类细菌的肽聚糖聚糖链骨架是基本相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条相邻四肽链间的交联方式。四肽链一般可以用R‐D‐谷氨酸‐R‐D‐丙氨酸的通式表示。R大多是L‐丙氨酸，131少数是甘氨酸或L‐丝氨酸。而R的变化较大，可以是内消旋的二氨基3庚二酸（meso‐DAP）、L‐赖氨酸、L‐DAP、L‐鸟氨酸、L‐二氨基丁酸，有时也可以是同型丝氨酸或L‐丙氨酸。四肽链第二位的D‐谷氨酸也可羟基化，游离的α‐羟基可酰胺化或被甘氨酸等所取代。革兰氏阳性菌（以金黄色葡萄球菌为例）的四肽链是L‐丙氨酸‐D‐谷氨酸‐L‐赖氨酸‐D‐丙氨酸，两条四肽链间通过五聚甘氨酸桥肽链而间接交联；桥肽的一头连接L‐赖氨酸的ε‐氨基，另一头连接着另一条四肽链的D‐丙氨酸的羟基，交联度高，从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层三维空间网格结构。－＋图1‐3　革兰氏阴性细菌G（上）与革兰氏阳性细菌G（下）细胞壁比较图（引自Prescott et al.，2002）图1‐4　肽聚糖单体的化学组成和一级结构

磷壁质酸是大多数革兰氏阳性菌细胞壁的组分，占细胞壁干重的50%左右，以磷酸二酯键同肽聚糖的N‐乙酰胞壁酸相结合。此酸有甘油型磷壁质酸（图1‐6）和核醇型磷壁质酸两种类型。甘油型磷壁质酸是由许多分子的甘油借磷酸二酯键联结起来的分子；核醇型磷壁质酸是由若干分子的核醇借磷酸二酯键联结而成的分子。一般认为磷壁质酸因含有大量的带负电性的磷酸，故大大加强了细胞膜对二价离子尤其是镁离子的吸附。而高浓度的镁离子有利于维持细胞膜的完整性和提高细胞壁合成酶的活性。磷壁质酸是革兰氏阳性菌表面抗原（C抗原）的主要成分，也是噬菌体吸附的受体位点。图1‐5　肽聚糖单层结构模式图（引自Prescott et al.，2002）图1‐6　磷壁酸类型及基本结构

2.革兰氏阴性菌细胞壁－＋

G菌的细胞壁比G菌的薄，可分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，厚约2～3nm，由肽聚糖组成，占细胞壁干重的5%～10%。外壁层又称外膜（outer membrane），厚约8～10nm，主要由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和外膜蛋白（outer membrane proteins）组成。－＋

G菌与G菌肽聚糖的不同之处就在于它们短肽上的氨基酸以及两条短肽上氨基酸相联结的方式不同。革兰氏阴性菌（以大肠杆菌为例）肽聚糖肽链中的四个氨基酸是L‐丙氨酸、D‐谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸及D‐丙氨酸。一股肽链第三位上的二氨基庚二酸的游离氨基与相邻的另一股肽链末端的D‐丙氨酸的羧基形成肽键，将两条肽链联结起来。－＋

脂多糖是G菌细胞壁的特有成分，在G菌中不存在。脂多糖由三部分组成，即O‐侧链、核心多糖和类脂A（图1‐7）。O‐侧链向外，由若干个低聚糖的重复单位组成，由于具有抗原性，故又称O‐抗原或菌体抗原。不同种或型的细菌，O‐侧链的组成和结构（如多糖的种类和序列）均有变化，构成了各自的特异性抗原。像沙门氏菌（Salmonella），根据O‐抗原可再细分为1000多个血清型，这些血清型的沙门氏菌，核心多糖部分相同，而O‐抗原的差异使之在免疫学和临床诊断中具有重要意义。非致病性革兰氏阴性细菌细胞壁组成中不具O‐侧链。核心多糖由庚糖、半乳糖、2‐酮基‐3‐脱氧辛酸组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂A是以酯化的葡萄糖胺二糖为单位，通过焦磷酸键组成的一种独特的糖脂化合物。类脂A的结构在不同细菌中有所不同，它是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性中心。－图1‐7　G细菌脂多糖、类脂A、磷脂、孔蛋白的排列方式

外膜蛋白是指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的20多种蛋白，多数功能还不清楚。其中脂蛋白（lipoprotein）的蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层磷脂相结合。因此，脂蛋白是从肽聚糖层到外壁层之间的桥梁。另有一类称微孔蛋白（porin）的蛋白存在于G－菌的外壁层中，这些蛋白的功能是作为一个通道使低分子的亲水性物质得以进出，有特异性与非特异性两类。特异性微孔蛋白形成“充水”的通道，任何类型的小物质都可以通过。而另一些微孔蛋白具有高度特异性，因为它们含有一种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许相对分子质量高达5000的物质进入。

3.细胞壁结构与革兰氏染色的关系

革兰氏染色的结果同细胞壁的结构与组分有关。现在一般认为，在染色过程中，细胞内形成了一种不溶性的结晶紫‐碘的复合物，这－种复合物可被乙醇（或丙酮）从G细菌细胞内抽提出来，但不能从＋G菌中抽提出来。这是由于G＋菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高，交联程度高，脂质含量低甚至没有，经乙醇处理后引起脱水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结晶紫‐碘复合物不能外流，于是保留初染的紫色。而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄，含量较少，交联程度低，而且脂质含量高，经乙醇处理后，脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫‐碘复合物外渗，细胞经番红复染时呈现红色。

4.细胞壁缺陷型细菌

用溶菌酶处理细胞或在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素C等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为细胞壁缺陷细菌，通常包括原生质体、原生质球和细菌L‐型。用溶菌酶除去革兰氏阴性细菌细胞壁时，若先用乙二胺四乙酸（EDTA）处理外壁，则效果更好。

1）原生质体（protoplast）　在革兰氏阳性细菌培养物中加入溶菌酶或通过青霉素阻止其细胞壁的正常合成而获得的完全缺壁的细胞称原生质体。由于没有坚韧的细胞壁，故任何形态的原生质体均呈球形。原生质体对环境条件很敏感，而且特别脆弱，渗透压、振荡、离心以至通气等因素都易引起其破裂。有的原生质体还保留着鞭毛，但不能运动，也不能被相应的噬菌体感染。原生质体在适宜条件下同样可生长繁殖，形成菌落，其他生物活性基本不变。如用即将形成芽孢的营养体获得的原生质体仍可形成芽孢。原生质体的获得，给微生物学工作者提供了另一种类型的生物学实体，用原生质体融合新技术，可培育新的优良菌种。

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