微生物

微生物(microbe，microorganism)通常是描述一切不借助显微镜用肉眼看不见的微小生物。这类微生物包括病毒、细菌、古菌、**、原生动物和某些藻类。

微生物是指大量的、极其多样的、不借助显微镜看不见的微小生物类群的总称。因此，微生物通常包括病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构的真细菌、古生菌以及具真核细胞结构的**（酵母、霉菌、蕈菌等）、原生动物和单细胞藻类，它们的大小和特征见表1.1所示。但是有些例外，如许多**的子实体、蘑菇等常肉眼可见；相同的，某些藻类能生长几米长。一般来说微生物可以认为是相当简单的生物，大多数的细菌、原生动物、某些藻类和**是单细胞的微生物，即使为多细胞的微生物，也没有许多的细胞类型。病毒甚至没有细胞，只有蛋白质外壳包围着的遗传物质，且不能独立存活。

 

 

 

 

 

 

 

 

a a 个体微小，结构简单

在形态上，个体微小，肉眼看不见，需用显微镜观察，细胞大小以微米和纳米计量。

b b 繁殖快

生长繁殖快，在实验室培养条件下细菌几十分钟至几小时可以繁殖一代。

c c 代谢类型多，活性强。

d d 分布广泛

有高等生物的地方均有微生物生活，动植物不能生活的极端环境也有微生物存在。

e e 数量多

在局部环境中数量众多，如每克土壤含微生物几千万至几亿个。

f f 易变异

相对于高等生物而言，较容易发生变异。在所有生物类群中，已知微生物种类的数量仅次于被子植物和昆虫。微生物种内的遗传多样性非常丰富。

所以微生物是很好的研究对象，具有广泛的用途。

微生物与人类生活所有方面紧密联系，下面仅列出几个：

微生物在碳循环、氮循环和磷循环(地球化学循环)中承担主要作用，构成生物体的所有基本成分。它们可与植物相连系存在共生的关系，维持土壤肥力和环境中有毒化合物的清洁剂(生物除污)。某些微生物是破坏植物的病原菌，它们毁灭重要的作物，但是，也可有另外的作用，即它们是针对这些**的生物防治剂。

某些微生物可引起众所周知的**如：天花(天花病毒)、霍乱(霍乱弧菌；细菌)和疟疾(疟原虫属，原生动物)。但是，微生物也能向我们提供***)和其他的医学上的重要药物，通过此种方式控制它们。

微生物在生产食品的许多加工业中已被应用了几千年，从酿造、酒的酿制、干酪和面包制作到酿造酱油；害**面，微生物引起食品酸败和常由于携带在食品上的微生物而引起**。

传统的微生物已被用于合成许多重要的化合物，如丙酮、醋酸。*近，遗传工程技术的进步已经引导可在微生物中克隆药用的重要多肽，然后，可以大规模的生产。

微生物由于比其更复杂的动物和植物更容易操作，已被广泛用作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程。几百万个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且低值获得均质的实验材料。另外的益处是大多数人对用这些微生物进行实验没有种族上的异议。

微生物学是研究微生物生命活动规律的学科。它的基本内容是：①微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；②微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；③生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；④微生物同人类的关系。

l         l         17世纪中叶荷兰人吕文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)用自制的简单显微镜观察并发现了许多微生物。

l         l         一大批研究者在19世纪下半叶推动了微生物学研究的蓬勃发展，其中贡献*突出的有巴斯德、科赫、贝耶林克和维诺格拉德斯基。

l         l         微生物学的一套基本技术在19世纪后期均已完善，包括显微术、**方法、加压**器(Chamberland，1884)、纯培养技术、革兰氏染色法(Gram，1884)、培养皿(Petri，1887)和琼脂作凝固剂等。

l         l         20世纪上半叶微生物学事业欣欣向荣。微生物学沿着两个方向发展，即应用微生物学和基础微生物学。在应用方面，对人类**和躯体防御机能的研究，促进了医学微生物学和**学的发展。青霉素的发现(贝mmn9，1929)和瓦克斯曼(Waksman)对土壤中放线菌的研究成果导致了***科学的出现，这是工业微生物学的一个重要领域。环境微生物学在土壤微生物学研究的基础上发展起来。微生物在农业中的应用使农业微生物学和兽医微生物学等也成为重要的应用学科。应用成果不断涌现，促进了基础研究的深入，于是细菌和其它微生物的分类系统在20世纪初中叶出现了，对细胞化学结构和酶及其功能的研究发展了微生物生理学和生物化学。微生物遗传与变异的研究导致了微生物遗传学的诞生。微生物生态学在20世纪60年代也形成一个独立的学科。

l         l         与高等动植物相比，已知微生物种类只是估计存在数量的很小一部分。哺乳动物和鸟类的物种几乎全部为人们所掌握，被子植物已知种类达93%，但细菌已知种数仅为估计数的12%，**为5%，病毒为4%(Bull，1992)。目前研究的也只是已知种类的很少一部分。根据SCI(science citation index)资料，1991—1997发表的微生物学文献大量集中在8个属，尤其是埃希氏杆菌，其中大肠杆菌又占主要部分(Galvez等，1998)。可以想像，既然对少数已知微生物的研究就已为人类作出了重要贡献，通过对多样性微生物的开发必然会为社会带来巨大利益。微生物学事业方兴未艾。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         细胞：是生命活动的基本单位，构成生物体*基本的结构和功能单位，由膜包围的能进行独立繁殖的*小原生质团。一切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。　　没有细胞就没有完整的生命。

l         l         原生质：是指细胞的全部活物质，包括细胞膜、细胞核、细胞质。

l         l         细胞质：是指除核以外，质膜以内的原生质。

原核生物和真核生物细胞之间有许多差别。真核生物的主要特征是有细胞核和如线粒体、叶绿体的细胞器及复杂的内膜系统。病毒属于非细胞类，细菌属于原核生物，所有其他微生物属于真核生物。

原核生物细胞没有核膜，有一个明显的核区，这个核区上集中了它的主要遗传物质，由一条与类组蛋白相联系的双链DNA构成的染色体组成。

真核生物细胞则是由一条或一条以上的双链DNA与组蛋白等结合成的染色体，并由核膜包围。

原核细胞没有独立的内膜系统，与代谢有关的酶如呼吸酶合成酶等位于细胞膜上，因此它的能量代谢在质膜上进行。

真核细胞不仅有独立的内膜系统，还有细胞骨架，呼吸酶在线粒体中，有专用的细胞器来完成各项生理功能，如线粒体、叶绿体。

原核细胞的核糖体大小为70S，常以游离状态或多聚体状态分布于细胞质中。

真核细胞的核糖体大小为80S，可以游离状态存在于细胞结合于内质网上。线粒体和叶绿体内有各自在结构上特殊的核糖体。

 

球状——球菌

杆状——杆菌

螺旋状——螺旋菌

a a 球菌

细胞呈球状或椭圆形。根据这些细胞分裂产生的新细胞所保持的一定空间排列方式有以下几种情形：见图2-1

l         l         单球菌——尿素微球菌（图2-1-1）

l         l         双球菌——肺炎双球菌（图2-1-2）

l         l         链球菌——溶血链球菌（图2-1-3）

l         l         四联球菌——四联微球菌（图2-1-4）

l         l         八叠球菌——尿素八叠球菌（图2-1-5）

l         l         葡萄球菌——金黄色葡萄球菌（图2-1-6）

b b 杆菌

杆菌细胞呈杆状或圆柱形。图2.1中B的7为长杆菌和短杆菌，8为枯草芽孢杆菌，9为溶纤维梭菌。

c c 螺旋菌

细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。

l         l         弧菌 偏端单生鞭毛或丛生鞭毛（图2-1-10）

l         l         螺旋菌 两端都有鞭毛（图2-1-11）

l         l         细菌大小的度量单位：以mm为单位。

l         l         细菌大小的表示：

球菌 一般以直径来表示。

杆菌和螺旋菌则以长和宽来表示。如 1´2.5mm

l         l         细菌大小的测定：在显微镜下使用显微测微尺测定。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

细胞壁（cell wall）是细胞质膜外面具有一定硬度和韧性的壁套，使细胞保持一定形状，保障其在不同渗透压条件下生长，即使在**环境中也能防止胞溶作用。

真细菌的细胞壁由肽聚糖构成，而古细菌细胞壁组成物质极为多样，从类似肽聚糖的物质、假肽聚糖，到多糖、蛋白质和糖蛋白。

真细菌细胞壁由肤聚糖构成，肤聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和带有交替排列的D-型或L-型氨基酸侧链的N-乙酰胞壁酸(NAM)的多聚体。它是高度的交联的分子，使得细胞具有刚性、强度和保护细胞抵抗渗透压的裂解。肽聚糖有许多独特的特性，如D-型氨基酸，它可作为***攻击肽聚糖的靶目标(***通过抑制或干扰肽聚糖合成而使细胞壁缺损)。革兰氏阳性细菌细胞还含有磷壁酸。

细菌细胞壁的生理功能有：

l         l         保护原生质体免受渗透压引起破裂的作用；

l         l         维持细菌的细胞形态(可用溶菌酶处理不同形态的细菌细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明)；

l         l         细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保留蛋白质在间质(革兰氏阴性菌细胞壁和细胞质之间的区域)；

l         l         细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。

l         l         革兰氏染色根据1884年革兰姆·克里斯琴(Christian Gram)发明的染色反应，真细菌常常分成两类。对染色步骤反应的差别是由于两类细菌的细胞外膜结构。革兰氏阳性细菌有单一的膜称作细胞膜(或原生质膜)，周围被厚的肽聚糖层包围(20—80nm)。革兰氏阴性细菌只有一薄层肽聚糖(1—3nm)，但是在肽聚糖层外边，仍有另一层的外膜，作为另外的屏障(图2.3)。

　　

l         l         革兰氏染色步骤如下：固定过的细胞用暗染色例如结晶紫染色，接着加碘液媒染，细菌细胞壁内由于染色形成结晶紫与碘的复合物。随后加酒精从薄的细胞壁中洗出结晶紫与碘暗染色的复合物，但是结晶紫—碘复合物不能从厚的细胞壁中洗出。*后，用较浅的石炭酸复红复染。加石炭酸复红染色，使脱色的细胞呈粉红色，但在暗染色的细胞中没有看到粉红色，仍保持**次的染色结果。保持原来染色(厚的细胞壁)的细胞称作革兰氏阳性，在光学显微镜下呈现蓝紫色。脱色的细胞(薄的细胞壁和外膜)称作革兰氏阴性，染成粉红色或淡紫色。

a a 革兰氏阳性细菌

l         l         革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（30-40nm）而致密的肽聚糖层，多达20层，占细胞壁的成分60-90%，它同细胞膜的外层紧密相连(见图2.4)。

l         l         有的革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid）,也即胞壁质（murein）。

l         l         多糖。

b b 革兰氏阴性细菌

l         l         外膜 革兰氏阴性细菌特殊的是外膜上含有许多独特的结构（见图示2.5），如把外膜与肽聚糖层连接起来的布朗(Braun’s)脂蛋白，使营养物被动运输通过膜的[膜]孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖(LPS)。脂多糖也称为内**，对哺乳动物有高度毒性。

G^-细菌细胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外还有磷脂、多糖、和蛋白质。外膜被分为脂多糖层（外）、磷脂层（中）、脂蛋白层（内）。

l         l         肽聚糖层  G^-细菌细胞壁肽聚糖层很薄，约有2-3nm厚。它与外膜的脂蛋白层相连。

l         l         周质空间 周质空间（periplasmic space，即壁膜间隙）是革兰氏阴性细菌细胞膜与外膜两膜之间的一个透明的区域（见图2.3）。它含有与营养物运输和营养物进入有关的蛋白质，有：营养物进入细胞的蛋白；营养物运输的酶，如蛋白[水解]酶；细胞防御有毒化合物，如破坏青霉素的b-内酰胺酶。革兰氏阳性细菌以上这些酶常分泌到胞外周围，革兰氏阴性细菌则依靠它的外膜，保持这些酶与菌的紧密结合。

细胞质膜（cytoplasmic membrane），简称质膜（plasma membrane），是围绕细胞质外的双层膜结构，使细胞具有选择吸收性能，控制物质的吸收与排放，也是许多生化反应的重要部位。

原生质膜是一个磷脂双分子层，其中埋藏着与物质运输、能量代谢和信号接收有关的整合蛋白。另外，有通过电荷相互作用，疏松附着于膜的外周蛋白。膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。

原生质膜(细胞膜)埋藏在磷脂双分子层中的是有各种功能的蛋白(图2.6)，包括转运蛋白、能量代谢中的蛋白和能够对化学刺激检测和反应的受体蛋白。整合蛋白(integral)是完全地与膜连接而且贯穿全膜的蛋白，所以这些蛋白在此区域中有疏水性氨基酸埋藏在脂中。外周蛋白(peripheral proreins)是由于磷脂带正电荷极性头，只是通过电荷作用与膜松散连接的一类，用盐溶液洗涤可以从纯化的膜上除去。脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间相对运动。这就是被广泛接受的称作液态镶嵌模式的细胞膜结构模型。

脂双分子层 细胞膜由含有亲水区域的和疏水区域的两亲性分子磷脂组成。在膜中磷脂以双分子层排列，极性头部亲水区指向膜的外表面，而其疏水区脂肪酸的尾部指向膜的内层。结果，膜对于大分子或电荷高的分子成为一个选择渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层。

细胞质膜的生理功能有:

l         l         维持渗透压的梯度和溶质的转移。细胞质膜是半渗透膜，具有选择性的渗透作用，能阻止高分子通过，并选择性地逆浓度梯度吸收某些低分子进入细胞。由于膜有极性，膜上有各种与渗透有关的酶，还可使两种结构相类似的糖进入细胞的比例不同，吸收某些分子，排出某些分子；

l         l         细胞质膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶，故在膜的外表面合成细胞壁；

l         l         膜内陷形成的中间体(相当于高等植物的粒线体)含有细胞色素，参与呼吸作用。中间体与染色体的分离和细胞分裂有关，还为DNA提供附着点；

l         l         细胞质膜上有琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶、电子传递系统、氧化磷酸化酶及腺昔三磷酸酶(ATPase)。在细胞质膜上进行物质代谢和能量代谢；

l         l         细胞质膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此长出，即为鞭毛提供附着点。

l         l         间体（mesosome） 是从质膜向内伸展的细胞质中主要单位膜结构，常常同核质相联系，位于细胞分裂处。间体的功能可能参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关。

l         l         载色体(chromatophore) 也称为色素体，是光合细菌进行光合作用的部位，由单层的与细胞膜相连的内膜所围绕，主要化学成分是蛋白质和脂类。它们含有菌绿素、胡萝卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和电子传递体。在绿硫菌科和红硫菌科中存在。

l         l         羧酶体（carboxysome） 又称为多角体，是自养细菌所特有的内膜结构，可能是固定CO²场所。

l         l         类囊体（thylakoid） 由单位膜组成，含有叶绿素、胡萝卜素等光合色素和有关酶类，在蓝细菌中为其进行光合作用的场所。

细胞质：是指除核以外，质膜以内的原生质。

细菌细胞质是含水的、含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物。对所有的细菌都是一样的，细胞质中的主要结构是核糖体。

核糖体  由一个小的亚基和一个大的亚基组成，核糖体的亚基是由蛋白质和RNAs组成的复合物，是细胞中合成蛋白质的场所。原核细胞中的核糖体，尽管在形状上和功能上与真核细胞相似，但是组建核糖体亚基的蛋白质和RNAs性质上有差别。古细菌的核糖体与真细菌的核糖体(70S)同样大小，但是对于白喉**和某些***的敏感性却不同，而与真核生物的核糖体相似。业已证明***对人类是非常有用的，因为抑制细菌蛋白质合成的***，对真核生物蛋白质合成无效果，这样就有了选择毒性。

某些细菌含有与特殊功能相连系的结构，称作内含体(inclusion bodies) 它常常在光学显微镜下观察到。这些颗粒常是储存物，可以与膜结合，例如聚-b-经丁酸盐(PHB)颗粒；细胞质中发现的分散颗粒如多聚磷酸盐颗粒(也称为异染粒)。某些细菌中也能看到脂肪滴。一个有趣的内含体是在蓝细菌(蓝绿藻)和生活在水环境中的其他光合细菌内发现的气泡，在细胞内四周排列的由蛋白质构成的气泡提供浮力，使得细菌漂浮靠近水的表面。详情见表2.4

 

细菌的DNA在细胞质中为单个环状染色体，有些时候称为拟核。

细菌的DNA位于细胞质中，由一个染色体构成，不同种的细菌之间染色体大小不同(大肠杆菌染色体有4×10⁶碱基对长)。DNA是环状、致密超螺旋，而且与真核细胞中发现的组蛋白相类似的蛋白质结合。虽然染色体没有核膜包围，但在电子显微镜中常可看到细胞内分离的核区，称为拟核(nucleoid)。

古细菌的染色体和真细菌的染色体类似，是一个单个环状的DNA分子，不包含在核膜内，而DNA分子大小通常小于大肠杆菌的DNA。

常在细菌中发现小的、染色体外的环状DNA片段，称作质粒。

某些细菌还含有染色体外的小分子DNA称作质粒(p1asmids)。其上携带的基因对细菌正常生活并非必需，但在某些情况下对细胞有利，如***抗性质粒。

质粒常以不同大小的环状双螺旋存在，它可以独立进行复制，也可整合到染色体上。

l         l         鞭毛（flagellum） 是从细胞质膜和细胞壁伸出细胞外面的蛋白质组成的丝状体结构，使细菌具有运动性。

鞭毛纤细而具有刚韧性，直径仅20nm，长度达15-20mm，可以分为三部分：基体（base body）、钩形鞘（hook）和螺旋丝（helical filament）。

具有鞭毛的细菌基鞭毛数目和在细胞表面分布因种不同而有所差异，是细菌鉴定的依据之一。一般有三类：单生鞭毛（2.7a）、丛生鞭毛（2.7b）和周生鞭毛（2.7c）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鞭毛与细菌运动有关，如趋化性和趋渗性等。

l         l         菌毛（pili） 细菌细胞表面发现的特殊的象头发样的蛋白质表膜附属物，有几微米长。

性菌毛（sex pili） 与遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌有关，即在细菌接合交配时起作用。性菌毛比菌毛稍长，数量少，只有一根或几根。

 芽孢（endospore） 在一些属包括芽孢杆菌属和梭菌属中产生细菌的芽孢。它们是由细菌的DNA和外部多层蛋白质及肤聚糖包围而构成，芽孢对干燥和热具有高度抗性。

芽孢结构相当复杂*里面为核心，含核质、核糖体和一些酶类，由核心壁所包围；核心外面为皮层，由肽聚糖组成；皮层外面是由蛋白质所组成的芽孢衣；*外面是芽孢外壁。一般含内生芽孢的细菌总称为孢子囊（sporangium）。(见图2.8)

芽孢在许多细菌中，主要是芽孢杆菌属和梭菌属产生一种特化的繁殖结构， (它无繁殖功能，为抗逆性休眠体)。在光学显微镜下用特殊的芽孢染色(如孔雀绿染色)或通过相差显微镜能够观察到芽孢。由于芽孢有许多层包围细菌遗传物质的结构，使得芽孢具有惊人的、对所有类型环境应力的抗性，例如热、紫外线辐射、化学**剂和干燥。由于许多重要的病原菌可产生芽孢，因此，必需设计**措施以除去这些坚硬的结构，因为某些菌能经受住在沸水中煮沸几小时。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

细菌芽孢的形成过程是细胞分化的一个典型例子，如图2.9和表2.5所示。

细胞表面常常被多糖或[蛋白]表膜物质所覆盖，按其密度称为荚膜（capsule）或粘液层。多糖层有时称为糖萼(多糖包被)。这些细胞的外层结构起保护细胞免受干燥和有毒化合物的损害，也使细菌附着于物体表面。这些附加的表面层有许多功能：

l         l         对细菌表面起渗透屏障作用。

l         l         保护细胞免受吞噬。

l         l         保护细胞免受干燥损伤。

l         l         帮助细菌附着到物体表面。

当细菌从周围环境中吸收了营养物质后，发生一系列的系列化合成反应，把进入的营养物质转变成为新的营养物质——DNA、RNA、蛋白质、酶及其他大分子，之后菌体开始了繁殖过程形成两个新的细胞。

裂殖是细菌*普遍、*主要的繁殖方式，通常表现为横分裂。

l         l         首先是核的分裂和隔膜的形成

l         l         **步横隔壁的形成

l         l         *后子细胞的分离

菌落（colony）单个微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体，称为菌落。当固体培养基表面众多菌落连成一片时，便成为菌苔(1awn)

各种细菌在一定条件下形成的菌落特征具有一定的稳定性和专一性，这是衡量菌种纯度，辨认和鉴定菌种的重要依据。

菌落特征包括大小，形状，隆起形状，边缘情况，表面状态，表面光泽，质地，颜色，透明度等（如图2.10）。

l         l         组成菌落和细胞结构和生长行为。

l         l         邻近菌落影响菌落的大小。

l         l         培养条件。

l         l         固氮细菌

l         l         根瘤菌

l         l         乳酸细菌

放线菌是真细菌的一个大类群，为革兰氏阳性。

放线菌多为腐生，少数为寄生。寄生型放线菌会引起放线菌病和诺卡氏病。

同时放线菌能产生大量的、种类繁多的***。世界上绝大多数的***由放线菌产生。

放线菌菌体为单细胞，大多数由分枝发达的菌丝组成。根据放线菌菌丝的形态和功能分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种（见图2.11）。

又称为初级菌丝体或**菌丝体或基内菌丝，匍匐生长于培养基内，主要生理功能是吸收营养物。

营养菌丝一般无隔膜；直径0.2-0.8微米；长度差别很大；短的小于100微米，长的可达600微米；有的产生色素。

又称为二级菌丝体。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养基外并伸向空间的菌丝为所生菌丝。它叠生于营养菌丝之上，直径比营养菌丝粗，颜色较深。

当气生菌丝发育到一定程度，其上分化出可形成孢子的菌丝即为孢子丝，又名产孢丝或繁殖菌丝（见图2.12）。

放线菌的菌落由菌丝体组成，一般圆形、光平或有许多皱褶。在光学显微镜下观察，菌落周围具有辐射状菌丝。总的特征介于霉菌和细菌之间。据种的不同分为两类。

l         l         由大量产生分枝的和气生菌丝的菌种所形成的菌落，如链霉菌。

菌丝较细，生长缓慢，分枝多而且相互缠绕，故形成的菌落质地致密，表面呈紧密的绒状或坚实，干燥，多皱，菌落小而不蔓延，营养菌丝长在培养基内，所以菌落与培养基结合紧密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有时气生菌丝体呈同心圆环状，当孢子丝产生大量孢子并布满整个菌落表面后，才形成絮状，粉状或颗粒状的典型放线菌菌落。有的产生色素。

l         l         由不产生大量菌丝的种类形成，如诺卡氏菌。

菌落粘着力差，结构呈粉质状，用针挑取则粉碎。

放线菌主要通过形成无性孢子的方式进行繁殖，也可利用菌丝片断进行繁殖。

放线菌生长到一定阶段，一部分菌丝形成孢子丝，孢子丝成熟便分化形成许多孢子，这称为分生孢子。

l         l         诺卡氏菌

l         l         链霉菌

l         l         小单孢菌

l         l         游动放线菌

蓝细菌形态差异极大，有单细胞和丝状体两类形态。细胞的直径从0.5-1mm到60mm，丝状体的长度差异很大。多个个体聚集在一起，可形成肉眼可见的很大的群体。在水体中繁茂生长时，可使水体颜色随菌体而发生变化。

l         l         蓝细菌属于原核生物，细胞壁与G^-细菌相似，由肽聚糖等多粘复合物组成，并含有二氨基庚二酸，革兰氏阴性，细胞壁可以分泌许多胶粘物质使一群群的细胞或丝状结合在一起形成胶团或胶鞘；细胞核无核膜，没有有丝分裂器；细胞质中有汽泡，可使细胞漂浮。

l         l         蓝细菌具有它所特有结构——光合器，光合器有两种不同的构型，一是位于细胞膜的外膜下面呈一连续层；但大多数是位于类囊体的膜层中。光合器中含有光合作用色素有叶绿素a、藻胆素和类胡萝卜素。蓝细菌可进行光合作用。

l         l         有的蓝细菌具有异形胞（heterocvst）这是蓝细菌进行固氮作用的的场所，异形胞内有固氮酶系统，它可利用ATP和还原性物质来还原自由态的氮成为氨。光合作用的产物从邻近的营养细胞向异形胞转移，而固氮作用产物则移向营养细胞。

常见的蓝细菌类群及其特性见表2.6。

古细菌是根据16SrRNA寡核苷酸序列分析，显示出三个主要的生物域（真细菌、古细菌和真核生物）之一，参见图1.1。

l         l         古细菌的细胞壁和表面 

古细菌细胞壁的物质极为多样，从类似肽聚糖的物质、假肽聚糖(假胞壁质)，到多糖、蛋白质和糖蛋白。有的古细菌细胞壁含假肽聚糖(假胞壁质)，而有的古细菌则是由两个双向的、不完全结晶的蛋白质或糖蛋白在细胞表面排列而成的表层，其他古细菌在原生质膜外有厚的多糖的细胞壁。

古细菌有鉴别性的特征之一是在原生质膜中脂类的性质不像真细菌的脂类由酯键连接甘油，和真核生物一样由醚键连接甘油，它们的脂类也是长链和分支的脂肪酸。

l         l         古细菌的DNA 与真细菌的染色体相似由不含核膜的单个环状DNA分子构成，但大小通常小于大肠杆菌的DNA。

l         l         古细菌的核糖体 和真细菌的核糖体同样大小，但在某些特性上，它们与真核生物的核糖体相似，如对***链霉素和氯霉素的抗性及对白喉**的敏感性。

古细菌类群包括能够在极端环境中生存的细菌，如热泉(例如硫化叶菌属Sulfolobus和热球菌属Pyrococcus)和高盐(盐杆菌属Halobacterium)及产甲烷菌如甲烷杆菌属(Methanobacterium)，该菌代谢结果产生甲烷。

l         l         产甲烷菌

l         l         极端嗜盐菌

l         l         极端嗜热菌

l         l         无细胞壁的古细菌

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         真核生物 真核生物细胞具有复杂的，有膜包被的亚细胞器，使细胞功能区域化。
    真核生物细胞由膜分隔。细胞含有几种不同类型的由膜包被的细胞器，其中进行着可调控的不同的生理生化过程。膜还可以传递信息，传递新陈代谢的中间产物和终产物，从生物合成位点到使用位点（见图2.13）。

l         l         质膜 质膜是半透膜，把细胞的内外部分隔绝开来，它还参与细胞间的识别，细胞内吞作用和胞吐作用，并附着在细胞表面。膜内的运输体系使它能有选择性地把物质输送到细胞内部。
    真核生物的质膜是一个分隔细胞内和外的半透明(seml-permeable)屏障，这 一点与原核生物相似，但是真核生物的质膜含有固醇，这种扁平分子 使膜的硬度增强，使真核细胞更加稳定。膜上还有运输系统，选择重要的物 质进入细胞，并参与内吞作用和胞吐作用，在此处，食物颗粒被吞入，废物以 膜包被成小泡的形式从细胞内排出。质膜还参与了细胞之间的重要相互作 用过程，例如，细胞间的识别系统及细胞在固体表面的附着作用。

l         l         细胞质 细胞质内的水分占70%-85%，溶液中有蛋白质、糖类和盐类。细胞器悬浮在细胞质中。**和藻类细胞中还有单层膜包被的液泡。
    细胞质是蛋白质、糖类及盐类的稀溶液(水占70%-85%)，悬浮着所有的细胞器，并具有溶胶(sol-gel)的特点，即其分子组构可以是液体，也可以是半固体。在极稀的溶液中，液泡作为营养物和废物的储藏场所，液泡的高含水量保持了细胞的高膨胀压。

l         l         细胞骨架 细胞骨架由微管、中间纤维和微丝组成，它们维持了细胞的形状。
    真核细胞是通过微管蛋白组成的细胞骨架而得以稳定的，细胞骨架的构成包括，微管(直径25nm)，微丝(直径4-7nm)和一种类似于收缩肌的肌动蛋白构成的中等纤维(直径8-10nm)。细胞骨架是一种动力结构，不但支持细胞，还支持变形虫式运动、细胞质流、以及核和细胞的分裂。

l         l         核及核糖体 细胞核是由双层膜包被的细胞器，含有细胞的染色体DNA。核内部有核仁，这是核糖体RNA(rRNA)合成的场所。核糖体由蛋白质和BNA两种亚单位构成，他们是DNA翻译和蛋白质合成的场所。
    核包含有微生物DNA。真核微生物中的核通常包含不止一条染色体，在染色体中，DNA被组蛋白保护起来。在二倍体生物中，这些染色体是成对的。核由双层核膜包被，膜上有孔，在核膜孔处内外膜融合在一起。正是通过这些孔，细胞核能通过mRNA和核糖体对细胞进行稳定的调控。核膜在此处也是与内质网相连的。核内有核仁，它富含RNA，核糖体在此处被合成。真核生物的核糖体基本上与原核生物的相类似，但它们的更大一些，两个亚单位分别为60S和40S，组成一个80S的二聚体。其功能与原核生物的相同。

l         l         内质网 内质网(ER)是由管状和盘状膜组成的复合体，与核膜相连。内质网可以是滑面型，或被核糖体附着而变成粗面型。这种细胞器的主要功能是合成和输送蛋白质和脂类。
    核的外膜与复杂的、具三维结构的膜管状及层状结构的内质网(ER)相联系。管状ER可被核糖体附着，称为粗面型内质网(RER)，核糖体的翻译和蛋白质的修饰作用在此处进行。这些蛋白质或是分泌到ER腔中，或是插人到膜内。滑面型ER的盘状结构与脂类合成及蛋白质和脂类的细胞间运输有关。

l         l         高尔基体 高尔基体是一系列扁平的、有膜包被并具孔的囊和泡。从ER分泌而来的小泡与高尔基体(Golgi)融合，其内含物在此进一步进行生化加工。加工后的物质以小泡的形式从Golgi中分泌出来，然后与其他细胞器或质膜融合。
    高尔基体由一系列扁平的膜包被的囊或潴泡堆积在一起而成，并环绕着管和泡囊的复合体。这个堆积体有着严格的极性，顺式面或形成面接受从ER来的泡囊，泡囊内的物质被高尔基体加工，然后从细胞器的反式面(成熟面)或其边缘以出芽方式放出。高尔基体加工并包装物质使之分泌到其它亚细胞器或细胞膜上。**高尔基体不如藻类发达，只有很少几个或单个潴泡。有时称它们为(分散)高尔基体(dicctyosomes)。

l         l         溶酶体和过氧化物酶体 溶酶体和过氧化物酶体是由高尔基体分泌的、有膜包被的囊泡。溶酶体含有的酸性水解酶参与胞内的消化作用。过氧化物酶体含有氨基酸和脂肪酸降解酶以及过氧化氢酶，后者对降解过程中产生的过氧化氢有**作用。
    高尔基体产生了这些单层膜包被的含酶的细胞器(溶酶体中含酸性水解酶，过氧化物酶体中含胺化酶(aminase)、酰胺酶、脂酶和过氧化氢酶)，这些酶对消化许多不同的大分子是必须的。溶酶体内的pH是酸性的(pH3.5-5)，可使酶在*佳pH下发挥作用，而此pH值是由膜上的质子泵维持的。过氧化物酶体内氨基酸和脂肪酸的降解产生了过氧化氢，这是一种具有潜在细胞毒性的副产物。然而过氧化物酶体中也存在过氧化氢酶，可把此过氧化物降解成水和氧气，从而保护了细胞。

l         l         线粒体和氢化酶体 线粒体是需氧生物呼吸作用和氧化磷酸化作用的场所。它们由双层膜包被，内层膜折叠成盘状或管状，称为嵴。ATP的产生部位就在附着于嵴上的颗粒中。在一些无线粒体的厌氧的原生动物中发现了氢化酶体(hydrogenosomes)。它们的作用是产生能量。
    线粒体是由双层膜包被的细胞器，呼吸作用和氧化磷酸化作用在此处发生，大约2-3nm长，直径1mm。其数目在细胞中是变化的。其内含有一个小的环形DNA分子，负责编码部分线粒体蛋白和70S核糖体。线粒体内膜上含有一个ATP/ADP转运子，可以将线粒体内合成的ATP运送到细胞质中。ATP产生于附着在线粒体嵴上的颗粒中，此嵴由线粒体内膜折叠而成(图2.14)。其结构在三个原生生物类群中稍有不同。并非所有的原生动物中都有线粒体，而且这些细胞的新陈代谢基本上是厌氧的。在需氧类型中，*原始的真核生物的线粒体嵴是盘状的。**的线粒体是大的、高度分裂的扁平板状嵴，而藻类则具有更多的膨大的嵴。

    在厌氧原生动物中发现了氢化物酶体，它们是由膜包被的细胞器，具有电子转运途径，即氢化酶转运电子到*终电子受体，生成氢分子。

l         l         叶绿体  叶绿体是由双层膜包被的细胞器，内含光合色素叶绿素。在叶绿体内是成层排列的扁平的泡囊，称为类囊体(thylakoids)，光合系统位于此处。
    叶绿体是含叶绿素的细胞器，能利用光能固定二氧化碳成碳水化合物(光合作用)。叶绿体有双层膜包被，并含有扁平的膜囊称为类囊体，是光合作用中光反应的发生场所(图2.15)。藻类中这些细胞器较大，几乎充满整个细胞。淀粉核是叶绿体内的蛋白性区域，是多糖生物合成的场所。

l         l         细胞壁  细胞壁见于藻类(纤维素为主)和**(壳多糖为主)中。它们是细胞与环境的分界，在维持细胞硬度及在控制水分因渗透而过度进入胞内是重要的。
    植物和**细胞的原生质体在大多数情况下由坚硬的细胞壁包被。**细胞壁是由壳多糖(以b-1，4-连接的NAG重复单位)和无定型的b-葡聚糖形成的微晶聚合物组成，而植物的细胞壁则是由纤维素(b-1，4-连接的葡萄糖重复单位)和半纤维素组成。

l         l         鞭毛 鞭毛是含微管的细胞膜的延伸。因其可弯曲而导致细胞可运动。
    鞭毛是由膜包被的细胞延伸物，内含有微管。微管以9对束状排列围绕在鞭毛的外缘，在其内部有一对微管不停地运动。这种结构称轴丝。由于供给ATP后鞭毛可柔软弯曲，故为细胞提供运动性。

l         l         酵母菌细胞呈卵圆形、圆形或圆柱形。细胞宽约1~5mm，长约会~30mm。

l         l         酵母菌菌落大多数与细菌菌落相似，表面湿润，粘稠，易挑取，但比细菌菌落大而厚，颜色多为白色，少数为红色，若培养时间太长，其表面可产生皱褶。在液体培养时，有的生长在底部，有的生长均匀，有的则在表面形成菌醭。

酵母菌细胞结构有细胞壁、细胞质膜、细胞核、细胞质及内含物。

l         l         细胞壁 组分有：葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质及脂类等。

l         l         细胞质膜 与原核生物基本相同，但含有固醇。

l         l         细胞核 具有核膜、核仁、和染色体，核膜上有大量核孔。

l         l         细胞质 含有大量RNA、核工业糖体、中心体、线粒体、中心染色质、内质膜、液泡等。

l         l         内含物 在老龄菌中有因营养过剩而形成一些内含物，如：异染颗粒、肝糖，脂肪粒、蛋白质和多糖。

l         l         芽殖 出芽繁殖是酵母菌进行无性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌细胞，先长出一个小芽，芽细胞长到一定程度，脱离母细胞继续生长，尔后双形成新个体。
    有多边出芽、两端出芽、和三边出芽。

l         l         芽裂 母细胞总在一端出芽，并在芽基处形成隔膜，子细胞呈瓶状。这种方式很少。

l         l         裂殖 少数种类的酵母菌与细菌一样，借细胞横分裂而繁殖。

酵母菌以形成子囊孢子进行有性繁殖。

当酵母菌发育到一定阶段，两个性别不同的细胞（单倍体核）接近，各伸出一个小的突起而相互接触，使两个细胞结合起来。然后接触处细胞壁溶解，两个细胞的细胞质通过所形成的融合管道进行质配，两个单倍体核也移至融合管道中发生核配形成二倍体核的接合子。接合子可在融合管道的垂直方向形成芽细胞，然后二倍体核移入芽细胞内。此二倍体细胞可以从融合管道上脱离下来，再开始二倍体营养细胞的生长繁殖。很多酵母菌细胞的二倍体细胞可以进行多代的营养生长繁殖，因而酵母菌的单倍体、双倍体细胞都可以独立存在。

在合适的条件下接合子经减数分裂，双倍体核分裂为4-8个单倍体核，其外包以细胞质逐渐形成子囊孢子，包含在由酵母菌细胞壁演变来的子囊中。子囊孢子又可萌发成单倍体营养细胞。

l         l         啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵，食药用，提取多种生物活性物质。

l         l         假丝酵母 （Candida）饲料

l         l         白地霉（Geotrichum candidum）饲料，食用，或药物提取。

霉菌是异养的真核生物，具有丝状或管状结构，单个分支称为菌丝。菌丝形成的网络状结构称为菌丝体。菌丝由坚硬的含壳多糖的细胞壁包被，内含大量真核生物的细胞器。

霉菌是丝状的、无光合作用的、营异养性营养的真核微生物。其细胞基本单位是菌丝(图2.18)，这是一种管状细胞，由坚硬的含壳多糖的细胞壁包被。菌丝通过顶端生长进行延伸，并多次重复分支而形成微细的网络结构，称为菌丝体。在原生质膜包被的菌丝细胞质中有核、线粒体、核糖体、高尔基体以及膜包被的囊泡。亚细胞结构由微管和内质网支持和组构。菌丝内细胞质的组分趋向于朝生长点的位置集中。菌丝较老的部位有大量液泡，并可能与较幼嫩的区域以横隔(称为隔膜)分开。

菌丝分有隔菌丝和无隔菌丝两种（图2.19）：

l         l         有隔菌丝  有隔菌丝中有横隔膜将菌丝分隔成多个细胞，在菌丝生长过程中细胞核的分裂伴随着细胞的分裂，每个细胞含有1至多个细胞核。横隔膜可以使相邻细++++胞之间的物质相互沟通。

l         l         无隔菌丝 菌丝中无横隔膜，整个细胞是一个单细胞，菌丝内有许多核，在生长过程中只有核的分裂和原生质量的增加，没有细胞数目的增多。

**的细胞壁是由多层半晶体壳多糖微原纤维镶嵌在无定型的b-葡聚糖基质中而形成的坚硬结构，也可含某些蛋白质。菌丝生长发生在顶端，通过菌丝顶端的细胞膜与囊泡的融合而生长(图2.20)，囊泡内含来自高尔基体的聚合化酶、细胞壁单体酶及软化细胞壁的酶。**细胞壁被软化，在膨压的作用下延伸，然后变坚硬。

隔膜是横壁，形成于菌丝体内。低等**的生长并不随之形成隔膜，只有在菌丝体形成繁殖结构时才出现隔膜，而且这种隔膜是完全无孔的。在高等**中，菌丝体的生长伴随着不完全隔膜的形成。子囊菌纲的隔膜上有穿孔，并被内质网膜覆盖，以限制大的细胞器如细胞核从一个室游动到另一个室。这种结构称为陷孔隔膜(dolipore septum)。在双核的担子菌纲中，隔膜的形成与2个交配的核的分离是协同进行的，此双核状态是在形成锁状联合(clamp connection)时形成的。这些隔膜与子囊形成中产囊丝钩(crozier)的形成类似。

过去认为**是多源性的类群，所包含的微生物具有不同的祖先。现在则倾向于单源性分类，认为同一亚门中的所有类群来自于一个祖先。依据形态学及有性生殖，目前把**分成4个亚门。

    接合菌亚门和壶菌亚门称为低等**。低等**的营养菌丝体是无隔膜的，完整的隔膜仅见于繁殖结构。无性繁殖通过形成孢子囊，有性繁殖则通过形成接合孢子。

    另外两亚门称为高等**，它们有更加复杂的菌丝体和复杂的、有穿孔的隔膜。分为子囊菌亚门和担子菌亚门。子囊菌亚门产生无性的分生孢子和在一种叫子囊的囊形细胞中产生有性的子囊孢子。担子菌亚门中的**几乎不产生无性孢子，而是在复杂的子实体上形成棒形的担子，在担子上产生有性孢子。

      第五大类群属于更高等的**，它包含所有与有性生殖无关的类型，称为半知菌亚门。

每一亚门**又分为若干纲，其结尾的字母为-etes，例如，担子菌纲 (Basidiomycetes)，纲中又分若干亚纲或目，以-ales结尾，其下又分属和种，**间用于分类鉴定的*主要区别概括于表2.8。

l         l         菌落生长 菌丝顶端的生长使得**可以从一个点或一个接种物(inoculum)向新的区域延伸。老的菌丝通常缺乏内含物，因为细胞质流向生长点。这使得在琼脂板上的菌落呈放射状(见图2.21)，在感染的皮肤上呈环癣状，在草地上呈蘑菇圈状。

l         l         菌落特征 霉菌菌落疏松，呈绒毛状、絮状或蜘蛛网状，比细菌菌落大几倍到十几倍；霉菌孢子的形状、构造和颜色以及产生的色素使得霉菌菌落表现出不同结构和色泽特征。

l         l         假根 是根霉属(Rhizopus)**的匍匐枝与基质接触处分化形成的根状菌丝，在显微镜下假根的颜色比其它菌丝要深，它起固着和吸收营养的作用。

l         l         吸器 是某些寄生性**从菌丝上产生出来的旁枝，侵入寄主细胞内形成指状、球状或丛枝状结构，用以吸收寄主细胞中的养料。

l         l         菌核 是由菌丝团组成的一种硬的休眠体，一般有暗色的外皮，在条件适宜时可以生出分生孢子梗、菌丝子实体等。

l         l         子实体 是由**的营养菌丝和生殖菌丝缠结而成的具有一定形状的产孢结构，如伞菌的子实体呈伞状。

所有的**都经过一个营养生长期，菌丝体在基质上生长。这一阶段后则是无性和有性繁殖，而在4个亚门中又各不相同。

四类**中的每一类群在其生活周期中均有独特性。**的特点是都有一个营养生长时期，这时它们的生物量增加。而在孢子形成之前，其时间的长短以及所需生物量的多少则有多种变化。几乎所有**都以产生孢子进行繁殖，但有一些**已经丧失了所有产孢结构，而形成不育菌丝体。生活周期的不同阶段产生不同类型的孢子。

壶菌纲的无性繁殖通常是在孢子囊中形成能动的(motile)、有单鞭毛的游动孢子，有性繁殖是形成卵孢子。

壶菌与其他**区别极为明显，因为它们具有极为简单的枝(thalli)和能游动的游动孢子。其中一些种类简单到了在宿主细胞内(内生型的)或在宿主细胞上(外生型的)只含有一单个的营养细胞，整个细胞转变成一个含有许多孢子的结构即孢子囊。这种方式称为整体产果式(holocarpic)。

这一群中的其他种类则有比较复杂的形态，有假根及简单的菌丝体。壶菌的无性繁殖是通过在孢子囊中产生能动的游动孢子，孢子囊以完全隔膜与营养菌丝隔离。游动孢子具有单根后生鞭毛。在一些壶菌中，有性繁殖是形成二倍体孢子，其形成或是通过单倍体细胞的体细胞融合，或是两种不同配子型的菌丝体融合，或是两种游动配子的融合，或是一个游动配子和一种不动卵的融合(图2.23)。产生的孢子可能经过减数分裂产生单倍体的菌丝体，或是萌发产生一个二倍体的营养菌丝体，通过产生二倍体游动孢子的方式进行无性繁殖。二倍体菌丝体也可产生休眠孢子囊，在孢子囊中发生减数分裂，产生单倍体的游动孢子，然后萌发产生单倍体的营养菌丝体。

接合菌纲的无性繁殖是在孢子囊中形成非游动的孢囊孢子，有性繁殖是形成接合孢子。

在低等**中，无性繁殖开始于气生菌丝。此时气生菌丝的顶端，成为孢子囊梗，以一种称作囊轴(columella)的完全隔膜与营养菌丝相隔离(图2.24)。顶端的细胞质分化形成一个孢子囊，内含许多无性孢子。这些孢子中含有单倍体的核，来自于营养菌丝体中核的反复有丝分裂。孢子借助风或水进行传播。

    在有性繁殖中，不同交配类型的2个核在一个称为接合孢子的特化细胞中融合(图2.24)。在一些种类中，不同的交配型的核可能是在一个菌丝体中(同宗配合)。在另一些种类中，必须具有不同交配型核的两个菌丝体才能融合(异宗配合)。这两种情况下，融合发生在经修饰的菌丝顶端之间称作原配子囊(progametangia)的区域，一旦发生融合，便称作接合孢子。在正在发育的接合孢子中发生减数分裂，通常3个核退化，仅有一个核存留在萌发的菌丝体中。

子囊菌纲**的无性繁殖是通过在菌丝顶端形成分生孢子。有性繁殖是通过形成子囊孢子。

在子囊菌纲的营养阶段，其生活周期的延续是通过形成无性孢子，这些称作分生孢子的单个孢子来自气生菌丝顶端形成的称作分生孢子梗的结构(图2.25)。这些孢子被一完全横隔壁隔离，随后是孢子的分化，称为体殖孢子的形成(thallic spore formation)(图2.25a)。大多数情况下是菌丝顶端的壁延伸，称为芽孢子的形成(blastic sporeformation)(图2.25b)。这些孢子可以是单细胞的，内含单倍体核，也可是多细胞的，含有几个来自有丝分裂的单倍体核。

孢子可以由单独的、未经包被的分生孢子梗产生，也可以由大至肉眼可见的聚集体产生(图2.25c)。分生孢子梗可以聚集形成柄状结构，产生的孢子露在顶端(菌丝束或孢梗束)。另一种情况，数量不同的不育**组织，可以保护分生孢子，就像在瓶状的分生孢子器中。一些种类在植物组织中产生分生孢子，分生孢子的聚集体以一种杯状分生孢子盘或垫形式分生孢子座形式穿出植物表皮。

 

 

 

这一类群**的有性繁殖，发生在不同的交配型菌丝体体细胞融合之后。经过一个短暂的二倍体期后紧接着子囊孢子形成，这是在修饰后的菌丝顶端分化成的囊状子囊中发生的。在子囊发育的*初时期，形成钩状的 菌丝顶端，据其形态称之为产囊丝钩(crozier)或牧羊杖(shepherds’crooks)。 其基部形成特殊的隔膜以保证2个不同交配型核能保持在末端细胞内。隔的形成与核分裂相一致(图2.26)。在酵母菌中所有这些都发生在一个细胞中，2个交配型细胞融合后，整个细胞转变成一个子囊。

在较复杂一些的子囊菌纲中，许多子囊在一起形成，成为一个能育组织，称为子实层，在一些类群中，子实层可被大量的营养菌丝体支撑或包被。整个结构称作子实体，作为主要的分类学特征(图2.27)。它们可长得足够大，以致能肉眼可见。瓶状的有性繁殖体称为子囊壳(Pdthecia)，杯状繁殖体称子囊盘(aPD6Leia)，封闭的繁殖体称闭囊壳(cleistodhecia)。这些结构均参与保护子囊并协助其孢子传播，但子实层并不受水的影响

 

担子菌纲的**很少进行无性繁殖。有性繁殖则是通过在巨大子实体的菌褶或陷孔中形成担孢子。

这一类群**的特点是具有*复杂和*大的结构。它们也以极少产生无性孢子而著称。生活周期的大部分为营养菌丝体形式，可利用复杂的基质。有性繁殖开始的先决条件是通过相容性菌丝的融合获得2个交配型核。2个交配型核单独存在，并存留在延伸期的每个菌丝细胞内，称为双核期。该时期的维持需要在生长过程中形成复杂的隔膜和核的分裂。

有性孢子形成的**步是由环境条件和子实体原基的开始形成而引发的。双核菌丝体延伸并分化形成大的子实体，我们称其为蘑菇和毒草(toad-stool)。在修饰的菌丝顶端形成二倍体并进行减数分裂称为担子(图2.28)。

担子发芽长出4个孢子，担子在一起构成一子实层，对自由水极为敏感。子实层生长在不育的双核支撑组织上可避免雨水冲刷。子实层可存在于子实体下面的菌褶或小孔中，如各种毒蕈和檐状菌(bracket fungi)，或在封闭在小室中，如各种马勃(puffball)和块菌(truffle)(见图2.29)。

l         l         接合菌亚门
毛霉、根霉

l         l         壶菌亚门
绵霉

l         l         子囊菌亚门
酵母菌、脉孢菌、赤霉

l         l         担子菌亚门（参见蕈菌）
蘑菇、牛肝菌、灵芝、木耳

l         l         半知菌亚门
曲霉、青霉、木霉、头孢霉

蕈菌包括食用**和药用**两大类，在分类上分属于子囊菌纲和担子菌纲，具有丰富的营养价值和药用价值。

蕈菌菌丝分为单核菌丝和双核菌丝

l         l         单核菌丝 由担孢子萌发形成的菌丝，其细胞内含有一个细胞核，也称为初生菌丝。它通常是不能结实的。

l         l         双核菌丝 两条相同或不同的单核菌丝发生细胞质融合，而核不融合。细胞内含有两个核的称为双核菌丝。亦叫次生菌丝或二级菌丝。
    在大多数蕈菌中，双核菌丝的隔膜处有一个锁状突起叫锁状联合，它是双核菌丝所具有的结实性标志，即能产生子实体。

l         l         子实体 具有锁状联合的双核菌丝，发育到一定阶段，达到一定生理成熟时，可产生果实和种子，这种结构称为子实体。子实体就是常称为菇和耳的食用部分，是蕈菌的繁殖器官。

l         l         担孢子 在蕈菌的有性繁殖过程中，双核菌丝的顶端细胞发育成担子，在担子上形成的有性孢子称为担孢子。

蕈菌资源十分丰富，全世界可供食用的**有2000多种。

常见栽培品种有双孢蘑菇、草菇、金针菇、平菇、香菇、猴头菌、木耳、银耳、灵芝、和茯苓等。

病毒是专性细胞内寄生物，其大小在20—200nm之间。尽管它们在形状和化学组成上有所不同，但都仅含有RNA或DNA。完整的颗粒称为“病毒粒子”，它包括一个衣壳，在衣壳的外面常包围有糖蛋白—脂类的膜。病毒对***不敏感。

l         l         没有细胞结构；

l         l         只含有DNA或RNA一类核酸；

l         l         不以二分分裂法繁殖，只能在特定的寄主细胞内以核酸复制的方式增殖；

l         l         没有核糖体，不含与能量代谢有关的酶，在活体外没有生命特征。

    病毒的大小常用纳米（nm）来度量，病毒大小从10-300nm之间，通常大小在100nm左右。

l         l         球状——球状病毒（或多面体病毒）。动物病毒多为球状。

l         l         杆状——杆状病毒（包括棒状或线状）。植物病毒多呈杆状。

l         l         蝌蚪状——蝌蚪状病毒。细菌病毒也即噬菌体多呈蝌蚪状

 

核壳（nucleo-capsid）病毒主要由壳体和核酸二部分构成，二者统称核壳。
壳粒（capsomer） 是构成病毒粒子的*小形态单位，每个壳粒由1-6个同种多肽分子折叠缠绕而成的蛋白质亚单位。也称为衣壳粒
壳体（capsid） 由壳粒以对称的形式，有规律地排列成杆状、球状、廿面体或其他形状，构成病毒的外壳。也称作衣壳，蛋白质外壳。

l         l         包膜（envelope） 在壳体外层还具有一层由病毒编码的封套，有包膜病毒粒子是以出芽的方式穿过被侵染细胞的核膜或原生质膜。包膜可能含有少量的糖蛋白，例如人类**缺陷性病毒(HIV)，也可能含有大量的糖蛋白，例如单纯疤疹病毒(HSV)。病毒的包膜上具有受体，它能使粒子附着并感染宿主细胞。

l         l         病毒的对称性 病毒的衣壳具有螺旋体对称或二十面体对称。在很多情况下，衣壳被一种膜状结构包围(病毒包膜)。螺旋体对称可以看作蛋白亚基通过有序的螺旋方式，排列在病毒核酸周围，二十面体是一种有规则的立体结构，它由许多蛋白亚基的重复聚集组成，从而形成一种类似于球形的结构。

l         l         病毒蛋白 病毒蛋白，无论是结构蛋白(衣壳、包膜)还是非结构蛋白(例如，酶)都是由病毒的基因组编码的，这些蛋白在组织培养的复制中可以是必要或非必要的。
结构蛋白 是核衣壳、基质，或者是包膜中的蛋白，这些蛋白对病毒基因组起保护作用，并且能够利用宿主上的受体在宿主间传递基因组。同样在病毒粒子的装配过程中也起到了主要作用。
非结构蛋白 包含在病毒体内的非结构蛋白(并不作为病毒体的结构)，它们通常具有酶的活性，这对启动病毒的感染是必要的。其他一些非结构蛋白并不在病毒中存在，但在被感染的细胞中起作用，这种作用包括关闭宿主细胞的核苦酸合成及蛋白质合成，另外这些蛋白具聚合酶、蛋白酶和激酶的活性，DNA连接酶活性，基因调控作用。

l         l         病毒的核酸 病毒基因组在大小、结构和核昔酸的组成上是多种多样的，有线状、环状、双链DNA(dsDNA)、单链DNA(ssDNA)、双链RNA(dsRNA)、单链RNA(ssRNA)、分段的或者不分段的。
病毒的基因组携带有作为病毒遗传密码的核酸序列。在被感染的细胞中，基因组被转录(transcribed)和翻译(translated)成氨基酸序列，正是由这些氨基酸序列组成了病毒的蛋白，不论是结构蛋白，还是非结构蛋白。

l         l         脂类和糖类 
病毒所含的脂类主要是一些磷脂、胆固醇和中性脂肪，多数存在于包膜。
病毒所含的糖类主要是葡萄糖、龙胆二糖、岩藻糖、半乳糖等。

l         l         病毒的包含体 有的病毒在寄主细胞内还形成包含体结构，它们多数位于细胞质内，具嗜酸性；少数位于细胞核内，具嗜碱性；也有细胞核内和细胞质都存在的类型。寄主细胞被病毒感染后形成的蛋白质结晶体，内含有1至几个病毒粒子。

    细菌噬菌体(bacteriophage)，通常称为噬菌体(phage)，是侵染细菌的病毒。它们是专性细胞内寄生物，可以噬菌体颗粒在细菌细胞外存在，但只能在细胞内繁殖。它们由核酸基因组和四周称为衣壳的病毒外壳包围而构成。噬菌体具有侵染细菌的能力，而且在细胞内指令合成噬菌体的成分。

像病毒一样噬菌体有许多的类型。它们可以是20面体，几乎是含有20个三角形的面构成的特殊的类型或由20面体的头与螺旋的尾构成的复合结构。基因组是DNA或RNA；单链(ss)或双链(ds)，环状或线状。某些噬菌体非常小，如大肠杆菌单链RNA噬菌体MS2，只含有四个蛋白信息的基因组，而其他的是大噬菌体像T4噬菌体，其基因组编码大约135个不同的蛋白。

噬菌体由核酸基因组和四周称为衣壳的蛋白质外壳的包围而构成，衣壳蛋白具有保护遗传物质和帮助侵染新的宿主的作用。某些噬菌体也携带有另外的酶和衣壳内部的核酸。外壳是由排列高度有序的结构蛋白亚单位所组成，给噬菌体以特别明显的形状。构成衣壳不同蛋白类型的数目，从如MS2简单噬菌体中1种到如T4复合噬菌体的大于25种。

与噬菌体结构相连系有三种噬菌体的形态(图2.32)：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         20面体(icosahedron)这是由20个三角形面构成的几乎为特殊的形状，20面体在自然界是非常普遍的形状，因为它非常容易装配成一个由亚单位包裹的外壳。

l         l         丝状(filamentous)这是由衣壳蛋白装配成的螺旋状结构的长的蛋白管。

l         l         复合体(complex)某些噬菌体由20面体头部和连接螺旋状尾部复合构成。此类中有T型偶数类群噬菌体头部确为拉长的20面体。尾部能收缩或不能收缩，有尾鞘或没有尾鞘，可有基片(基板)或尾丝相连接。尾部作用是帮助遗传物质注入细胞。

l         l         典型噬菌体生活周期
    一个噬菌体典型的生活周期，从噬菌体在细菌细胞表面的特异受体吸附开始，随后遗传物质注入宿主。细菌含有降解外源DNA的限制修饰系统，许多侵染是不成功的。接着核酸复制开始，噬菌体基因编码的酶被合成。*后，合成噬菌体衣壳蛋白，装配成新的噬菌体外壳，同时包装一个拷贝的基因。然后，噬菌体释放，普遍通过裂解进入周围培养基。也即经过吸附，侵入，复制，组装和释放5个阶段（图2.33）。
    吸附(附着)(adsorption，attachment)。噬菌体侵染宿主通过附着在细胞表面的特异受体上。受体的性质不同，是蛋白质或多糖，它们可在任何时间存在细胞表面或只在某些条件下产生。T4噬菌体结合在大肠杆菌外膜的脂蛋白上(T2、T4、T7、的吸附位点是脂多糖，T2、T6的吸附位点是脂蛋白)，而l噬菌体只有当细菌在含有麦芽糖的培养基上生长时，才能结合在外膜的麦芽糖转运蛋白上。
    侵入(Pentration)。一般只有遗传物质注射进入宿主，留下空蛋白外壳在细胞表面。在噬菌体头部的溶菌酶溶解宿主细胞壁肽聚糖。噬菌体侵入方式视噬菌体结构而定。在T4噬菌体的例子中，T4噬菌体有高度复合结构的收缩性尾，噬菌体通过长的尾丝吸附和基板接触细胞壁之后，尾鞘收缩DNA注入细胞。多数情况进来的DNA可以被内切核酸酶降解，它们是宿主的部分限制修复防御系统，偶然噬菌体的DNA可以存活引起侵染。此防御内切核酸酶称为限制酶，结合在外源DNA的特异序列，并在此位点切离DNA。微生物自己的DNA通常通过甲基化被修饰，阻止这些限制酶降解。某些噬菌体如T偶数噬菌体有包括糖基化作用或甲基化作用和修饰自己DNA的机制，阻止它们在注射时被限制酶降解。
    核酸复制(nucleic acid replication)。一旦宿主内核酸被转录和翻译(在RNA病毒情况中只有翻译)，在新的噬菌体核酸指导下合成所需的酶。有时这些称为早期蛋白，许多噬菌体切断宿主蛋白质合成和降解宿主的基因组，因此，保证所有细胞生物合成机构受噬菌体的基因组指令。经过一个短时间之后，通常转换到产生大量噬菌体结构蛋白、噬菌体装配所需的支架蛋白和裂解及噬菌体释放所需的蛋白。这些称为晚期蛋白。
    噬菌体装配(Phage assembly)。一旦噬菌体衣壳成分和核酸已被充分合成，新的噬菌体颗粒自发组装，同时衣壳包装核酸。
    释放(release)。许多噬菌体通过裂解细菌细胞壁而释放，这就是生活周期常称为裂解周期，而噬菌体称为烈性噬菌体。酶软化细胞壁和每个细胞释放裂解50-1000个之间的噬菌体。T4噬菌体37℃从侵染到释放时间大约22分钟。其它噬菌体如M13丝状噬菌体穿过细胞壁释放噬菌体并不损伤细胞，所以噬菌体释放经历一个长的时期。宿主细菌仍可继续生长，但以减低的速率生长。

l         l         溶源性噬菌体生活周期
    某些噬菌体，典型例子是l菌体，在细胞进入裂解周期开始，产生终止噬菌体复制的阻遏蛋白。噬菌体进入称为溶源化的阶段，噬菌体的基因组随染色体复制而复制，而且通过一个世代传至下一个世代。噬菌体可从溶源阶段自发诱导，进入裂解周期。随宿主复制，大多数溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)以原噬菌体状态整合至染色体上，但某些噬菌体，如P1噬菌体，却像一个质粒存在细胞质中。
    许多噬菌体，典型的为λ噬菌体，在宿主内替代裂解生活周期。在进人宿主时，这些噬菌体不进入裂解循环，而是它们进入称为溶源性(lysgeny)的阶段。在此阶段它们或者整合至染色体上形成原噬菌体(prophage)(如l噬菌体)或者像质粒存在细胞质中(如P1噬菌体)。结果，这些溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)随着宿主染色体复制而复制，然后分配到子细胞(图2.34)
    溶源性噬菌体具有特别的特性，因为它们能携带改变宿主表型的功能性基因。称为溶源性转变(lysogenic conversion)，溶源性噬菌体的特性有助于细菌在寄主中存活的能力。沙门氏菌噬菌体溶源化时改变细菌脂多糖(LPS)O—抗原的组分，因此改变细菌抗原的特性。许多细菌的**基因也由温和噬菌体携带，包括白喉棒杆菌(Corynebacteria diphtheriae)的b噬菌体携带的白喉**基因。霍乱**也在此类之中。
    溶源细菌自发裂解和诱发裂解：在溶源细菌中极少数（约10^-6）会发生原噬菌体大量复制、成熟，导致寄主细胞裂解，这种现象称为溶源细菌的自发裂解；若用低剂量的紫外线照射处理或其他物理、化学方法处理，能够诱发溶源细胞大量溃溶，释放成熟噬菌体粒子，这就是溶源细菌的诱发裂解。
    溶源细菌细胞复愈：溶源细胞中的原噬菌体有时会消失，成为非溶源细胞，不会裂解，称为溶源细菌细胞复愈。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

微生物要不断地生长繁殖，这就要从它的生活的外部环境中吸取所需要的各种营养物质，合成本身的细胞物质，提供机体进行各种生理活动所需要的能量，保证机体进行正常的生长与繁殖，保证其生命能维持和延续同时将代谢活动产生的废弃物排出体外。

那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质称为营养物质(nutrient)。而微生物获得和利用营养物质的过程称为营养(nutrition)。

l         l         微生物细胞的化学成分以有机物和无机物两种状态存在。有机物包含各种大分子，它们是蛋白质、核酸、类脂和糖类，占细胞干重的99%。无机成分包括小分子无机物和各种离子，占细胞干重的1%。

l         l         微生物细胞的元素构成由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等组成。其中C、H、O、N、P、S六种元素占微生物细胞干重的97%；其他为微量元素。微生物细胞的化学元素组成的比例常因微生物种类的不同而各异。

l         l         组成微生物细胞的化学元素分别来自微生物生长的所需要的营养物质，即微生物生长所需的营养物质应该包含有组成细胞的各种化学元素。这些物质概括为提供构成细胞物质的碳素来源的碳源物质，构成细胞物质的氮素来源的氮源物质和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的无机盐。

微生物生长所需要的营养物质主要是以的有机物和无机物的形式提供的，小部分由气体物质供给。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。

l         l         在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源(source of carbon)。

l         l         从简单的无机含碳化合物如CO₂和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。(见表3.1)

l         l         碳源的生理作用主要有：碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量，但有些以又CO₂为**或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是来自CO₂。

 

 

表3.1微生物利用的碳源物质

l         l         凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源(source of nitrogen)物质。

表3.2 微生物利用的氮源物质

l         l         能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(见表3.2)。

l         l         氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。

l         l         微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相对于豆饼粉，NH₄^＋相对于NO₃^-为速效氮源。铵盐作为氮源时会导致培养基pH值下降，称为生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基pH值会升高，称为生理碱性盐。

l         l         无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等(表3.3)。

表3.3 无机盐及其生理功能

l         l         微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。

l         l         在微生物的生长过程中还需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10^-6-10^-8mol/L(培养基中含量)。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化(表3.4)。
    如果微生物在生长过程中缺乏微量元素，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。由于不同微生物对营养物质的需求不尽相同，微量元素这个概念也是相对的。微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。值得注意的是，许多微量元素是重金属，如果它们过量，就会对机体产生毒害作用，而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内，并注意各种微量元素之间保持恰当比例。

表3.4 微量元素与生理功能

l         l         生长因子(growth actor)通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。

l         l         根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类(见表3.5)。维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。

表3.5 维生素及其在代谢中的作用

水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有：

l         l         参与细胞内一系列化学反应；

l         l         维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；

l         l         因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；

l         l         保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素；

l         l         微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。

微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值(wateractivity，a_w)表示，水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即a_w＝P_w／P⁰_w式中P_w代表溶液蒸气压力，P⁰_w代表纯水蒸气压力。纯水a_w为1.00，溶液中溶质越多，a_w越小。微生物一般在a_w为0.60-0.99的条件下生长，a_w过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的*适a_w不同(表3.6)。一般而言，细菌生长*适a_w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长*适a_w则较低。

表3.6 几类微生物生长*适a_w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

由于微生物种类繁多，其营养类型(nutritional types)比较复杂，人们常在不同层次和侧重点上对微生物营养类型进行划分(表3.7)。根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大部分微生物分为光能无机自养型(photolithoautotrophy)、光能有机异养型(photoorganoheterophy)、化能无机自养型(chemolithoautotrophy)及化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy)四种类型(表3.8)。

表3.7微生物营养类型(Ⅰ)

表3.8 微生物的营养类型(Ⅱ)

光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用；化能无机自养型微生物广泛分布于土壤及水环境中，参与地球物质循环；对化能有机异养型微生物而言，有机物通常既是碳源也是能源。目前已知的大多数细菌、**、原生动物都是化能有机异养型微生物。值得注意的是，己知的所有致病微生物都属于此种类型。根据化能有机异养型微生物利用的有机物性质的不同，又可将它们分为腐生型(metatrophy)和寄生型(paratrophy)两类，前者可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源，后者则寄生在活的寄主机体内吸取营养物质，离开寄主就不能生存。在腐生型和寄生型之间还存在一些中间类型，如兼性腐生型(facultive metatrophy)和兼性寄生型(facultive paratrophy)。

某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。

必须明确，无论那种分类方式，不同营养类型之间的界限并非**的，异养型微生物并非**不能利用，只是不能以CO₂为**或主要碳源进行生长，而且在有机物存在的情况下也可将CO₂同化为细胞物质。同样，自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。另外，有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型也会发生改变，例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)在没有有机物时可以同化CO₂，为自养型微生物，而当有机物存在时，它又可以利用有机物进行生长，此时它为异养型微生物。再如，紫色非硫细菌在光照和厌氧条件下可利用光能生长，为光能营养型微生物，而在黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，则为化能营养型微生物。微生物营养类型的可变性无疑有利于提高微生物对环境条件变化的适应能力。

l         l         光能无机自养型 也称光能自养型，这是一类能以CO₂为**碳源或主要碳源并利用光能进行生长的的微生物，它们能无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物使CO₂固定还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。

l         l         藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型。
藻类和蓝细菌：
这与高等植物光合作用是一致的。
光合细菌：
这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。

l         l         化能无机自养型 或称化能自养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生长所需的能量，以CO₂或碳酸盐作为的**或主要碳源进行生长，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO₂还原成细胞物质。

l         l         属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等（参见微生物的产能方式）。例如氢细菌：
 

l         l         光能有机营养型 或称光能异养型，这类微生物不能以CO₂作为**碳源或主要碳源，需以有机物作为供氢体，利用光能将CO₂还原为细胞物质。

l         l         红螺属的一些细菌就是这一营养类型的代表：

光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。

l         l         化能有机营养型 或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，也即化能有机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。

l         l         目前在已知的微生物中大多数属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部**、原生动物以及病毒。

l         l         如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性，则是腐生型；若是生活在生活细胞内从寄生体内获得营养物质，则是寄生型。

 

l         l         培养基 (culture medium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。

l         l         培养基中应含满足微生物生长发育的：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。

l         l         此外，培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。

l         l         选择适宜的营养物质

总体而言，所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源，但由于微生物营养类型复杂，不同微生物对营养物质的需**不一样的，因此首先要根据不同微生物 的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的元机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物，因此培养自养型微生物的培养基完全可以(或应该)由简单的无机物组成。例如，培养化能自养型的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxdans)的培养基组成见表3.9。在该培养基配制过程中并末专门加入其他碳源物质，而是依靠空气中和溶于水中的CO₂为氧化硫硫杆菌提供碳源。

表3.9 几种类型培养基组成

就微生物主要类型而言，有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、原生动物、藻类及病毒之分，培养它们所需的培养基各不相同。在实验室中常用牛肉膏蛋白胨培养基(或简称普通肉汤培养基)培养细菌，用高氏I号合成培养基培养放线菌，培养酵母菌一般用麦芽汁培养基，培养霉菌则一般用查氏合成培养基。

l         l         营养物质浓度及配比合适

培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用，例如高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑菌或**作用。另外，培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。严格地讲，碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/l时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/l时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。再如，在***发酵生产过程中，可以通过控制培养基中速效氮(或碳)源与迟效氮(或碳)源之间的比例来控制菌体生长与***的合成协调。

l         l         控制pH条件

培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。各类微生物生长繁殖或产生代谢产物的*适pH条件各不相同，一般来讲，细菌与放线菌适于在pH7～7.5范围内生长，酵母菌和霉菌通常在pH4.5～6范围内生长。值得注意的是，在微生物生长繁殖和代谢过程中，由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成与积累，会导致培养基pH发生变化，若不对培养基pH条件进行控制，往往导致微生物生长速度下降或(和)代谢产物产量下降。因此，为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，常用的缓冲剂是一氢和二氢磷酸盐(如KH₂PO₄ 和K₂HPO₄)组成的混合物。K₂HPO₄溶液呈碱性，KH₂PO₄溶液呈酸性，两种物质的等量混合溶液的pH为6.8。当培养基中酸性物质积累导致H⁺浓度增加时，H⁺与弱碱性盐结合形成弱酸性化合物，培养基pH不会过度降低；如果培养基中OH^-浓度增加，OH^-则与弱酸性盐结合形成弱碱性化合物，培养基pH也不会过度升高。

但KH₂PO₄ 和K₂HPO₄4缓冲系统只能在一定的pH范围(pH6.4～7.2)内起调节作用。有些微生物，如乳酸菌能大量产酸，上述缓冲系统就难以起到缓冲作用，此时可在培养基中添加难溶的碳酸盐(如CaCO₃)来进行调节，CaCO₃难溶于水，不会使培养基pH过度升高，但它可以不断中和微生物产生的酸，同时释放出CO₂，将培养基pH控制在一定范围内。

在培养基中还存在一些天然的缓冲系统，如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质，也可起到缓冲剂的作用。

l         l         控制氧化还原电位(redox　potential)

不同类型微生物生长对氧化还原电位(F)的要求不一样，一般好氧性微生物在F值为+0.1V以上时可正常生长，一般以+0.3一+0.4V为宜，厌氧性微生物只能在F值低于+0.1V条件下生长，兼性厌氧微生物在F值为+0.1V以上时进行好氧呼吸，在+0.1V以下时进行发酵。F值与氧分压和pH有关，也受某些微生物代谢产物的影响。在pH相对稳定的条件下，可通过增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加F值；在培养基中加入抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低F值。

l         l         原料来源的选择

    在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分，特别是在发酵工业中，培养基用量很大，利用低成本的原料更体现出其经济价值。例如，在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中，常常利用糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。再如，工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料，而在我国农村，已推广利用人畜粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外，大量的农副产品或制品，如鼓皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。

l         l         **处理

    要获得微生物纯培养，必须避免杂菌污染，因此对所用器材及工作场所进行**与**。对培养基而言，更是要进行严格的**。对培养基一般采取高压蒸汽**，一般培养基用1.05kg/cm²，121.3℃条件下维持15～30min可达到**目的。在高压蒸汽**过程中，长时间高温会使某些不耐热物质遭到破坏，如使糖类物质形成氨基糖、焦糖，因此含糖培养基常在0.56kg/ cm²，112.6℃15～30min进行**，某些对糖类要求较高的培养基，可先将糖进行过滤**或间歇**，再与其他已**的成分混合；长时间高温还会引起磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子(特别是钙、镁、铁离子)结合形成难溶性复合物而产生沉淀，因此，在配制用于观察和定量测定微生物生长状况的合成培养基时，常需在培养基中加入少量螯合剂，避免培养基中产生沉淀，常用的螯合剂为乙二胺四乙酸(EDTA)。还可以将含钙、镁、铁等离子的成分与磷酸盐、碳酸盐分别进行**，然后再混合，避免形成沉淀；高压蒸汽**后，培养基pH会发生改变(一般使pH降低)，可根据所培养微生物的要求，在培养基**前后加以调整。

在配制培养基过程中，泡沫的存在对**处理极不利，因为泡沫中的空气形成隔热层，使泡沫中微生物难以被杀死。因而有时需要在培养基中加入消泡沫剂以减少泡沫的产生，或适当提高灭。

培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型。

l         l         按成分不同划分 

天然培养基(complex medium) 这类培养基含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物，也称非化学限定培养基(chemically undefined medium)。牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基就属于此类。基因克隆技术中常用的LB(Luria—Bertani)培养基也是一种天然培养基，其组成见表3.9。

常用的天然有机营养物质包括牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏(表3.10)、豆芽汁、玉米粉、土壤浸液、麸皮、牛奶、血清、稻草浸汁、羽毛浸汁、胡萝卜汁、椰子汁等，嗜粪微生物(coprophilous microorganisms)可以利用粪水作为营养物质。天然培养基成本较低，除在实验室经常使用外，也适于用来进行工业上大规模的微生物发酵生产。

表3.10 牛肉浸膏、蛋白胨及酵母浸膏的来源及主要成分

合成培养基(synthic medium)是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基(chemically defined medium)，高氏I号培养基和查氏培养基就属于此种类型。配制合成培养基时重复性强，但与天然培养基相比其成本较高，微生物在其中生长速度较慢，一般适于在实验室用来进行有关微 生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作。

l         l         根据物理状态划分

    根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少，可将培养基划分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基三种类型。

    固体培养基(so1id medium)

在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态即为固体培养基。理想的凝固剂应具备以下条件：①不被所培养的微生物分解利用；②在微生物生长的温度范围内保持固体状态，在培养嗜热细菌时，由于高温容易引起培养基液化，通常在培养基中适当增加凝固剂来解决这一问题；③凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物的生长；④凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；⑤凝固剂在**过程中不会被破坏；⑥透明度好，粘着力强；⑦配制方便且价格低廉。常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatain)和硅胶(silica gel)。表3.11列出琼脂和明胶的一些主要特征。

对绝大多数微生物而言，琼脂是*理想的凝固剂，琼脂是由藻类(海产石花菜)中提取的一种高度分支的复杂多糖；明胶是由胶原蛋白制备得到的产物，是*早用来作为凝固剂的物质，但由于其凝固点太低，而且某些细菌和许多**产生的非特异性胞外蛋白酶以及梭菌产生的特异性胶原酶都能液化明胶，目前已较少作为凝固剂；硅胶是由无机的硅酸钠(Na₂SO₃)及硅酸钾(K₂SiO₃)被盐酸及硫酸中和时凝聚而成的胶体，它不含有机物，适合配制分离与培养自养型微生物的培养基。

表3.11 琼脂与明胶主要特征比较

除在液体培养基中加入凝固剂制备的固体培养基外，一些由天然固体基质制成的培养基也属于固体培养基。例如，由马铃薯块、胡萝卜条、小米、麸皮及米糠等制成固体状态的培养基就属于此类。又如生产酒的酒曲，生产食用菌的棉子壳培养基。

在实验室中，固体培养基一般是加人平皿或试管中，制成培养微生物的平板或斜面。固体培养基为微生物提供一个营养表面，单个微生物细胞在这个营养表面进行生长繁殖，可以形成单个菌落。固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏等。

半固体培养基(semisolid medium)

    半固体培养基中凝固剂的含量比固体培养基少，培养基中琼脂含量一般为0.2%～0.7%。半固体培养基常用来观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。

    液体培养基(1iquid medium) 液体培养基中未加任何凝固剂。在用液体培养基培养微生物时，通过振荡或搅拌可以增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀。液体培养基常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。

l         l         按用途划分

    基础培养基(minimum medium)

    尽管不同微生物的营养需求各不相同，但大多数微生物所需的基本营养物质是相同的。基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。牛肉育蛋白胨培养基是*常用的基础培养基。基础培养基也可以作为一些特殊培养基的基础成分，再根据某种微生物的特殊营养需求，在基础培养基中加入所需营养物质。

    加富培养基(enrichment medium)

    加富培养基也称营养培养基，即在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基，这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。加富培养基一般用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日咳博德氏菌(败ydd6c6jj6加rzM55Z5)需要含有血液的加富培养基。加富培养基还可以用来富集和分离某种微生物，这是因为加富培养基含有某种微生物所需的特殊营养物质，该种微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，逐步淘汰其他微生物，从而容易达到分离该种微生物的目的。从某种意义上讲，加富培养基类似选择培养基，两者区别在于，加富培养基是用来增加所要分离的微生物的数量，使其形成生长优势，从而分离到该种微生物；选择培养基则一般是抑制不需要的微生物的生长，使所需要的微生物增殖，从而达到分离所需微生物的目的。

    鉴别培养基(differential medium)

    鉴别培养基是用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特殊化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。鉴别培养基主要用于微生物的快速分类鉴定，以及分离和筛选产生某种代谢产物的微生物菌种。常用的一些鉴别培养基参见表3.12。

    表3.12 一些鉴别培养基 

    选择培养基(selective　medium)

    选择培养基是用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。

一种类型选择培养基是依据某些微生物的特殊营养需求设计的，例如，利用以纤维素或石蜡油作为**碳源的选择培养基，可以从混杂的微生物群体中分离出能分解纤维素或石蜡油的微生物；利用以蛋白质作为**氮源的选择培养基，可以分离产胞外蛋白酶的微生物；缺乏氮源的选择培养基可用来分离固氮微生物。另一类选择培养基是在培养基中加入某种化学物质，这种化学物质没有营养作用，对所需分离的微生物无害，但可以抑制或杀死其他微生物，例如，在培养基中加入数滴10%酚可以抑制细菌和霉菌的生长，从而由混杂的微生物群体中分离出放线菌；在培养基中加入亚硫酸铵，可以抑制革兰氏阳性细菌和绝大多数革兰氏阴性细菌的生长，而革兰氏阴性的伤寒沙门氏菌(Salmomnella typhi)可以在这种培养基上生长；在培养基中加入染料亮绿(brilliant green)或结晶紫(crystal vio1et)，可以抑制革兰氏阳性细菌的生长，从而达到分离革兰氏阴性细菌的目的；在培养基中加人青霉素、四环素或链霉素，可以抑制细菌和放线菌生长，而将酵母菌和霉菌分离出来。现代基因克隆技术中也常用选择培养基，在筛选含有重组质粒的基因工程菌株过程中，利用质粒上具有的对某种(些)***的抗性选择标记，在培养基中加入相应***，就能比较方便地淘汰非重组菌株，以减少筛选目标菌株的工作量。

l         l         其他

    除上述四种主要类型外，培养基按用途划分还有很多种，比如：分析培养基(assay medium)常用来分析某些化学物质(***、维生素)的浓度，还可用来分析微生物的营养需求；还原性培养基(reduced medium)专门用来培养厌氧型微生物；组织培养物培养基(tissue-culture midium)含有动、植物细胞，用来培养病毒、衣原体(chlamydia)、立克次氏体(rickettsia)及某些螺旋体(spirochete)等专性活细胞寄生的微生物。尽管如此，有些病毒和立克次氏体目前还不能利用人工培养基来培养，需要接种在动植物体内、动植物组织中才能增殖。常用的培养病毒与立克次氏体的动物有小白鼠、家鼠和琢鼠，鸡胚也是培养某些病毒与立克次氏体的良好营养基质，鸡瘟病毒、牛痘病毒、天花病毒、狂犬病毒等十几种病毒也可用鸡胚培养。

 

 

 

 

 

 

 

营养物质能否被微生物利用的一个决定性因素是这些营养物质能否进入微生物细胞。只有营养物质进入细胞后才能被微生物细胞内的新陈代谢系统分解利用，进而使微生物正常生长繁殖。

    影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：

    其一是营养物质本身的性质。相对分子质量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细 胞的难易程度。

    其二是微生物所处的环境。温度通过影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性来影响微生物的吸收能力；pH和离子强度通过影响营养物质的电离程度来影响其进入细胞的能力。例如，当环境pH比细胞内pH高时，弱碱性的甲胺进入大肠杆菌后以带正电荷的形式存在，而这种状态的甲胺不容易分泌而导致细胞内甲胺浓度升高，当环境pH比细胞内pH低时，甲胺以带正电荷的形式存在于环境中而难以进入细胞，导致细胞内甲胺浓度降低；当环境中存在诱导物质运输系统形成的物质时，有利于微生物吸收营养物质；而环境中存在的代谢过程抑制剂、解偶联剂以及能与原生质膜上的蛋白质或脂类物质等成分发生作用的物质(如琉基试剂、重金属离子等)都可以在不同程度上影响物质的运输速率。另外，环境中被运输物质的结构类似物也影响微生物细胞吸收被运输物质的速率，例如L-刀豆氨酸、L-赖氨酸或D-精氨酸都能降低酿酒酵母吸收L-精氨酸的能力。

    其三是微生物细胞的透过屏障(permeability barrier)。所有微生物都具有一种保护机体完整性且能限制物质进出细胞的透过屏障，渗透屏障主要由原生质膜、细胞壁、荚膜及粘液层等组成的结构。荚膜与粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小。革兰氏阳性细菌由于细胞壁结构较为紧密，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子质量大于10000的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。**和酵母菌细胞壁只能允许相对分子质量较小的物质通过。与细胞壁相比，原生质膜在控制物质进入细胞的过程中起着更为重要的作用，它对跨膜运输(transportaccross membrane)的物质具有选择性，营养物质的跨膜运输是本节着重探讨的问题。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为扩散、促进扩散、主动运输与膜泡运输。

原生质膜是一种半透膜，营养物质通过原生质膜上的含水小孔，由高浓度的跑外(内)环境向低浓度的胞内(外)进行扩散(diffusion)。扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定的选择性。物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化。

扩散是一种*简单的物质跨膜运输方式，为纯粹的物理学过程，在扩散过程中不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，营养物质不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直到膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡。

由于原生质膜主要由磷脂双分子层和蛋白质组成，而且膜上分布有含水小孔，膜内外表面为极性表面，中间为疏水层，因而物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关，相对分子质量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。另外，温度高时，原生质膜的流动性增加，有利于物质通过扩散进出细胞，而pH与离子强度通过影响物质的电离程度而影响物质的扩散速率。

    扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，水是**可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O₂、CO₂)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。

与扩散一样，促进扩散(facilited diffusion)也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中不消耗能量，参与运输的物质本身的分子结构不发生变化，不能进行逆浓度运输，运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。

    促进扩散与扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体(carrier)的作用力才能进入细胞(图3.1)，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。被运输物质与相应载体之间存在一种亲和力，而且这种亲和力在原生质膜内外的大小不同，当物质与相应载体在胞外亲和力大而在胞内亲和力小时，通过被运输物质与相应载体之间亲和力的大小变化，使该物质与载体发生可逆性的结合与分离，导致物质穿过原生质膜进入细胞。被运输物质与载体之间亲和力大小变化是通过载体分子的构象变化而实现的。参与促进扩散的载体主要是一些蛋白质，这些蛋白质能促进物质进行跨膜运输，自身在这个过程中不发生化学变化，而且在促进扩散中载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态，被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白饱和时，运输速率就个再增加，这些性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶(pemlgLR)。透过酶大多是诱导酶，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。

通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成，例如鼠伤寒沙门氏菌Salmonella typhimurium)利用四种不同载体蛋白运输组氨酸，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三种不同的载体蛋白来完成葡萄糖的运输。另外，某些载体蛋白可同时完成几种物质的运输，例如大肠杆菌可通过一种载体蛋白完成亮氨酸、异亮氨酸和额氨酸的运输，但这种载体蛋白对这三种氨基酸的运输能力有差别。

    除以蛋白质载体介导的促进扩散外，一些**素可以通过提高膜的离子通透性而促进离子进行跨膜运输。短杆菌肽A是由15个L型和D型氨基酸交替连接而成的短肽，两个短杆菌肽A分子可在膜上形成含水通道，离子可以穿过此通道进行跨膜运输；额氨霉素是一种环状分子，K⁺可结合在环状分子中心，而环状分子外周的碳氢链使得该复合物能穿过膜的疏水性中心，从而促进K⁺的跨膜运输，在这个过程中，濒氨霉素实际上起到载体的作用。   

主动运输(active transprt)是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。与扩散及促进扩散这两种被动运输(passive transport)方式相比，主动运输的一个重要特点是在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输。在主动运输过程中，运输物质所需能量来源因微生物不同而不同，好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧型微生物利用化学能(ATP)，光合微生物利用光能，嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能。主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过程中同样需要载体蛋白，载体蛋白通过构象变化而改变与被运输物质之问的亲和力大小，使两者之间发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变化需要消耗能量。主动运输的具体方式有多种，主要有初级主动运输、次级主动运输、基团转位、Na⁺，K⁺-ATP酶(Na⁺，K⁺-ATPase)系统及ATP偶联主动运输等。

初级主动运输指由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角度考虑是一种质子的主动运输方式。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子(或其他离子)外排，导致原生质膜内外建立质子浓度差(或电势差)，使膜处于充能状态(图3.2)，即形成能化膜(energized membrane)。不同微生物的初级主动运输方式不同，好氧型微生物和兼性厌氧微生物在有氧条件下生长时，物质在胞内氧化释放的电子在位于原生质膜上的电子传递链上传递的过程中伴随质子外排；厌氧型微生物利用发酵过程中产生的ATP，在位于原生质膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，同时伴随质子向胞外分泌；光合微生物吸收光能后，光能激发产生的电子在电子传递过程中也伴随质子外排；嗜盐细菌紫膜上的细菌嗜紫红质吸收光能后，引起蛋白质分子中某些化学基团pK值发生变化，导致质子迅速转移，在膜内外建立质子浓度差。

通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差(或电势差)消失的过程中，往往偶联其他物质的运输，包括以下三种方式：同向运输(symport)是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输(图3.2a)。除质子外，其他带电荷离子(如钠离子)建立起来的电势差也可引起同向运输。在大肠杆菌中，通过这种方式运输的物质主要有丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些阴离子(如HPO4^2-、HSO₄^-)等；逆向运输(antiport)是指某种物质(如Na⁺)与质子通过同一载体按相反方向进行运输(图3.2b)；单向运输(uniport)是指质子浓度差在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞(图3.2c)，运输结果通常导致胞内阳离子(如K⁺)积累或阴离子浓度降低。

基团转位与其他主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在起输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。

在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统(图3.3)。PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶Ⅰ、酶Ⅱ(包括a、b和c三个亚基)和一种低相对分子质量的热稳定蛋白质(HPr)。酶I和HPr是非特异性的细胞质蛋白，酶Ⅱ a也是可溶性细胞质蛋白，亲水性酶Ⅱ b与位于细胞膜上的酶Ⅱ c相结合。在糖的运输过程中，PEP上的磷酸基团逐步通过酶Ⅰ、HPr的磷酸化与去磷酸化作用，*终在酶H的作用下转移到糖，生成磷酸糖释放于细胞质中。

丹麦学者斯克(J.C.Skou)在1957年发现了存在于原生质膜上的一种重要的离子通道蛋白——Na⁺，K⁺-ATP酶(Na⁺，K⁺-ATPase)，时隔40年后，他与其他两位学者分享了1997年诺贝尔化学奖。Na⁺，K⁺-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na⁺由细胞内“泵”出胞外，并将K⁺ “泵”人胞内。该酶由大小两个亚基组成，大亚基可被磷酸化，其作用机制见图3.4。

E为非磷酸化酶，与Na⁺的结合位点朝向膜内，与Na⁺有较高的亲和力，而与K⁺的亲和力低。当E与Na⁺结合后，在Mg²⁺存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E’，并导致与Na⁺的结合位点朝向膜外，E’与Na⁺的亲和力降低，而与K⁺的亲和力高，此时胞外的K⁺将Na⁺置换下来，E’与K⁺结合后，K⁺的结合位点朝向膜内，E’去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na⁺将K⁺置换下来。Na⁺，K⁺-ATP酶作用的结果是使细胞内Na⁺浓度低而K⁺浓度高，这种状况并不因环境中Na⁺、K⁺浓度高低而改变，例如大肠杆菌K12在培养基中K⁺浓度非常低(0.1mmo1/L)时，仍然可以从环境中吸收K⁺，导致胞内K⁺浓度达到100mmol/L。细胞内维持高浓度K⁺是保证许多酶的活性和蛋白质的合成所必需的。由于Na⁺，K⁺-ATP酶将Na⁺由细胞内“泵”出胞外，并将K⁺ “泵”入胞内，因此常将该酶称为Na⁺，K⁺泵。

    除上述四种主要的主动运输方式外，在微生物中还存在一些其他的主动运输方式。其中有一种是ATP水解不建立膜内外质子浓度差，而是直接偶联物质的运输，L-谷氨酰胺、L-鸟氨酰胺、L-鸟氨酸和D-核糖可以通过这种方式运输；在大肠杆菌中，能量的消耗可以导致柠檬酸透过酶的构象变化而使之活化，促进柠檬酸进入细胞；在金黄色葡萄球菌中，在脱氢酶作用下，乳酸氧化偶联着载体蛋白分子构象变化，促使物质进入细胞。

 膜泡运输(membrane vesicle transport)主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式(图3.5)。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到膜表面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，*后形成一个含有该营养物质的膜泡，之后膜泡离开细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种运输方式由胞外进入胞内。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。通过胞吞作用(或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期(图3.5)，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。

代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。

分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。一般可将分解代谢分为三个阶段(图3.6)：**阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；**阶段是将**阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH₂；第三阶段是通过三羧酸循环将**阶段产物完全降解生成CO₂，并产生ATP、NADH及FADH₂。**和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。

    合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。

在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。微生物产生和利用能量及其与代谢的关系见图3.7。

分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物(如ATP)中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。

异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。

发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。

发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖*为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。

整个EMP途径大致对分为两个阶段。**阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。**阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。

EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。

　　磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。一个HMP途径循环的结果为：

一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物。

一分子葡萄糖经ED途径*后生成两分了丙酮酸、一分子ATP、—分子NADH和NADH。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的***而言，ED途径不如EMP途径经济。

磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。

在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。

l         l         乙醇发酵

目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。

根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型：在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使NAD⁺再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为酵母的一型发酵；但当环境中存在亚硫酸氢钠时，它可与乙醛反应生成难溶的磺化经基乙醛。由于乙醛和亚硫酸盐结合而不能作为NADH的受氢体，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成a-磷酸甘油。a-磷酸甘油进一步水解脱磷酸而生成甘油，称为酵母的二型发酵；在弱碱性条件下(pH 7.6)，乙醛因得不到足够的氢而积累，两个乙醛分子间会发生歧化反应，一分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另一个则作为还原剂被氧化为乙酸，氢受体则由磷酸二经丙酮担任，发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸，称为酵母的三型发酵。这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。

不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌(Zymomonas anaerobia)是利用ED途径分解葡萄糖为内酮酸，*后得到乙醇，对于某些生长在极端酸性条件下的严格***，如胃八叠球菌(arcina ventriculi)和肠杆菌(Enterobacteriaceae)则是利用EMP途径进行乙醇发酵。

l         l         乳酸发酵

许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。

根据产物的不同，乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。

同型乳酸发酵的过程是：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。

在异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经PK途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。在肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)中，利用HK途径分解葡萄糖，产生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇，当发酵戊糖时，则是利用PK途径，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。

双歧发酵是两歧双歧杆菌(bifidobacteriium bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分别催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解产生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。

l         l         丙酸发酵

许多***可进行丙酸发酵。葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后，再被转化为丙酸。少数丙酸细菌还能将乳酸(或利用葡萄糖分解而产生的乳酸)转变为丙酸。

l         l         丁酸发酵

某些专性***，如梭菌属(Clostridium)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真杆菌属(Eubacterium和梭杆菌属(Fusobacterium)，能进行丁酸与丙酮-丁醇发酵。在发酵过程中，葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，接着在丙酮酸-铁氧还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮。

l         l         混合酸发酵

某些肠杆菌，如埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(SAlmonella)和志贺氏菌属(Shigella) 中的一些菌，能够利用葡萄糖进行混合酸发酵。先通过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，然后由不同的酶系将丙酮酸转化成不同的产物，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氢气，还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；而肠杆菌、欧文氏菌属(Erwinia)中的一些细菌，能将丙酮酸转变成乙酰乳酸，乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。由于这类肠道菌还具有丙酮酸-甲酸裂解酶，乳酸脱氢酶等，所以其终产物还有甲酸、乳酸、乙醇等。

＊＊葡萄糖分子在没有外源电子受体时的代谢过程。在这个过程中，底物中所具有的能量只有一小部分被释放出来，并合成少量ATP。造成这种现象的原因有两个，一是底物的碳原子只被部分氧化，二是初始电子供体和*终电子受体的还原电势相差不大。

　　如果有氧或其他外源电子受体存在时，底物分子可被完全氧化为CO₂，且在此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程。

微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)⁺、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。

呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给*终电子受体。

能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物、脂肪酸和许多醇类。

在呼吸作用中，以分子氧作为*终电子受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration)。

在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环)，被彻底氧化生成CO₂和水，同时释放大量能量。

在呼吸作用中，以氧化型化合物作为*终电子受体的称为无氧呼吸(anaerobic respiration)。

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸的*终电子受体不是氧，而是像NO^3-、NO^2-、SO₄^2-、CO₂等这类外源受体。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。但由于部分能量随电子转移传给*终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。

一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。

l         l         氨的氧化

NH₃同亚硝酸(NO^2-)是可以用作能源的*普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。

氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。

硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子氧为*终电子受体，且大多数是专性天机营养型。它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。硝化细菌无芽孢，多数为二分裂殖，生长缓慢，平均代时在10h以上，分布非常广泛。

l         l         硫的氧化

硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源。H₂S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成SO₄^2-的途径，由亚硫酸盐—细胞色素c还原酶和末端细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化一分子SO₃^2-产生2.5个ATP。

l         l         铁的氧化

    从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)中进行了较为详细的研究。在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了—种含铜蛋白质(rusticyanin)，它与几种细胞色素c和一种细胞色素a₁氧化酶构成电子传递链。虽然电子传递过程中的放能部位和放出有效能的多少还有待研究，但已知在电子传递到氧的过程中细胞质内有质了消耗，从而驱动ATP的合成。

l         l         氢的氧化

    氢细菌都是一些呈革兰氏阴件的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电于在呼吸链传递过程中产生ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶，它能够催化以下反应：

该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中，可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度为ATP的合成提供动力；另一种是可溶性氢化酶，它能催化氢的氧化，而使NAD⁺还原的反应。所生成的NADH主要用于CO₂的还原。

在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等高能分子中，对光合微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。

    物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程小，也存在于呼吸作用过程中。例如，在EMP途径中，1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成；在三羧酸循环过程中，琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸时偶联着一分子GTP的形成。

物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH₂可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。一分子NADH和FADH₂可分别产生3个和2个ATP。

    光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于从CO2合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌(包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等)。它们利用光能维持生命，同时也为其他生物(如动物和异养微生物)提供了赖以生存的有机物。

    光合色素是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶绿素 (chl)或细菌叶绿素(Bchl)，类胡萝卜素和藻胆素。除光合细菌外，叶绿素a普遍存在于光合生物中，叶绿素a、b共同存在于高等植物、绿藻和蓝绿细菌中，叶绿素c存在于褐藻和硅藻中，叶绿素d存在于红藻中，叶绿素e存在于金黄藻中，褐藻和红藻也含有叶绿素a。细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，两者的区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。此外，叶绿素和细菌叶绿素的吸收光谱在不同的细胞中也有差异。

    所有光合生物都有类胡萝卜素。类胡萝卜素虽然不直接参加光合反应，但它们有捕获光能的作用，能把吸收的光能高效地传给细菌叶绿素(或叶绿素)。而且这种光能同叶绿素(或细菌叶绿素)直接捕捉到的光能一样被用来进行光合磷酸化作用。此外胡萝卜素还有两个作用：一是可以作为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂，以保护光合机构不受光氧化损伤，二是可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。

    藻胆素因具有类似胆汁的颜色而得名，其化学结构与叶绿素相似，都含有四个毗咯环，但藻胆素没有长链植醇基，也没有镁原子，而且四个毗咯环是直链的。

以往将在光合作用过程中还原一分子CO₂所需的叶绿素分子数称为光合单位(phutosynthetic units)。后来通过分析紫色细菌载色体的结构，获得了对光合单位的进一步认识。光合色素分布于两个“系统”，分别称为“光合系统Ⅰ”和“光合系统Ⅱ”。每个系统即为一个光合单位。这两个系统中的光合色素的成分和比例不同。一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成。光捕获复合体含有菌绿素和类胡萝卜素，它们吸收一个光子后，引起波长*长的菌绿素(P870)激活，从而传给反应中心，激发态的P870可释放出一个高能电子。

   光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素(或细菌叶绿素)释放——个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。

l         l          环式光合磷酸化 

光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP，这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中，吸收光量子而被激活的细菌叶绿素释放出高能电子，于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电子顺序通过铁氧还蛋白、辅酶Q、细胞色素b和c，再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶Q将电子传递给细胞色素c的过程中，造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧。通常以下式表示环式光合磷酸化作用：

l         l          非环式光合磷酸化

 高等植物和蓝细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水，以提供细胞合成的还原能力。它们含有两种类型的反应中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。在光合系统Ⅰ中，叶绿素分子P7M吸收光于后被激活，释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd)，并使之被还原。还原的扶氧还蛋白在Fd：NADP⁺还原酶的作用下，将NADP⁺还原为NADPH。用以还原P₇₀₀的电子来源于光合系统Ⅱ。在光合系统Ⅱ中，叶绿素分子P₆₈₀吸收光子后，释放出一个高能电子。后者先传递给辅酶Q，再传给光合系统Ⅰ，使P₇₀₀还原。失去电子的P₆₈₀，靠水的光解产生的电子来补充。高能电子从辅酶Q到光合系统Ⅰ的过程巾，可推动ATP的合成。非环式光合磷酸化的反应式为：

 

有的光合细菌虽然只有一个光合系统，但也以非环式光合磷酸化的方式合成ATP，如绿硫细菌和绿色细菌。从光反应中心释放出的高能电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白，*后用于还原NAD⁺生成NADH。反应中心的还原依靠外源电子供体，如S^2-、S₂O₃^2-等。外源电子供体在氧化过程中放出电子，经电子传递系统传给失去了电子的光合色素，使其还原，同时偶联ATP的生成。由于这个电子传递途径也没有形成环式回路，故也称为非环式光合磷酸化，反应式为：

　　在微生物学中，在人为规定的条件下培养、繁殖得到的微生物群体称为培养物(culture)，而只有一种微生物的培养物称为纯培养物(pure culture)。由于在通常情况下纯培养物能较好地被研究、利用和重复结果，因此把特定的微生物从自然界混杂存在的状态中分离、纯化出来的纯培养技术是进行微生物学研究的基础。

    微生物通常是肉眼看不到的微小生物，而且无处不在。因此，在微生物的研究及应用中，不仅需要通过分离纯化技术从混杂的天然微生物群中分离出特定的微生物，而且还必须随时注意保持微生物纯培养物的“纯洁”，防止其他微生物的混入。在分离、转接及培养纯培养物时防止其被其他微生物污染的技术被称为无菌技术(aseptic　technique)，它是保证微生物学研究正常进行的关键。

试管、玻璃烧瓶、平皿(culture dish，petri dish)等是*为常用的培养微生物的器具，在使用前必须先行**，使容器中不合任何生物。培养微生物的营养物质[称为培养基(culture medium)]可以加到器皿中后一起**，也可在单独**后加到无菌的器具中。*常用的**方法是高压蒸汽**，它可以杀灭所有的生物，包括*耐热的某些微生物的休眠体，同时可以基本保持培养基的营养成分不被破坏。有些玻璃器皿也可采用高温干热**。为了防止杂菌，特别是空气中的杂菌污染，试管及玻璃烧瓶都需采用适宜的塞子塞口，通常采用棉花塞，也可采用各种金属、塑料及硅胶帽，它们只可让空气通过，而空气中的其他微生物不能通过。而平皿是由正反两平面板互扣而成，这种器具是专为防止空气中微生物的污染而设计的。

    用接种环或接种针分离微生物，或在无菌条件下把微生物由一个培养器皿转接到另一个培养容器进行培养，是微生物学研究中*常用的基本操作。由于打开器皿就可能引起器皿内部被环境中的其他微生物污染，因此微生物实验的所有操作均应在无菌条件下进行，其要点是在火焰附近进行熟练的无菌操作，或在无菌箱或操作室内无菌的环境下进行操作。操作箱或操作室内的空气可在使用前一段时间内用紫外灯或化学药剂**。有的无菌室通无菌空气维持无菌状态。

用以挑取和转接微生物材料的接种环及接种针，一般采用易于迅速加热和冷却的镍铬合金等金属制备，使用时用火焰灼烧**。而转移液体培养物可采用无菌吸管或移液枪。

    不同微生物在特定培养基上生长形成的菌落或菌苔一般都具有稳定的特征，可以成为对该微生物进行分类、鉴定的重要依据。大多数细菌、酵母菌，以及许多**和单细胞藻类能在固体培养基上形成孤立的菌落，采用适宜的平板分离法很容易得到纯培养。所谓平板，即培养平板(culture plate)的简称，它是指熔化的固体培养基倒入无菌平皿，冷却凝固后，盛有固体培养基的平皿。这方法包括将单个微生物分离和固定在固体培养基表面或里面。固体培养基是用琼脂或其他凝胶物质固化的培养基，每个孤立的话微生物体生长、繁殖形成菌落，形成的菌落便于移植。*常用的分离、培养微生物的固体培养基是琼脂固体培养基平板。这种由Koch建立的采用平板分离微生物纯培养的技术简便易行，100多年来一直是各种菌种分离的*常用手段。

先将待分离的材料用无菌水作一系列的稀释(如1:10、1:100、1:1000、1:10000…)，然后分别 取不同稀释液少许，与已熔化并冷却至50℃左右的琼脂培养基混合，摇匀后，倾人灭过菌的培养皿中，待琼脂凝固后，制成可能含菌的琼脂平板，保温培养一定时间即可出现菌落。如果稀释得当，在乎板表面或琼脂培养基中就可出现分散的单个菌落，这个菌落可能就是由一个细菌细胞繁殖形成的。随后挑取该单个菌落，或重复以上操作数次，便可得到纯培养。

由于将含菌材料先加到还较烫的培养基中再倒平板易造成某些热敏感菌的死亡，而且采用稀释倒平板法也会使一些严格好氧菌因被固定在琼脂中间缺乏氧气而影响其生长，因此在微生物学研究中更常用的纯种分离方法是涂布平板法。其做法是先将已熔化的培养基倒人无菌平皿，制成无菌平板，冷却凝固后，将一定量的某一稀释度的样品悬液滴加在平板表面，再用无菌玻璃涂棒将菌液均匀分散至整个平板表面，经培养后挑取单个菌落

    用接种环以无菌操作沾取少许待分离的材料，在无菌平板表面进行平行划线、扇形划线或其他形式的连续划线，微生物细胞数量将随着划线次数的增加而减少，并逐步分散开来，如果划线适宜的话，微生物能一一分散，经培养后，可在平板表面得到单菌落。

    用固体培养基分离严格***有它特殊的地方。如果该微生物暴露于空气中不立即死亡，可以来用通常的方法制备平板，然后置放在封闭的容器中培养，容器中的氧气可采用化学、物理或生物的方法**。对于那些对氧气更为敏感的厌氧性微生物，纯培养的分离则可采用稀释摇管培养法进行，它是稀释倒平板法的一种变通形式。先将一系列盛无菌琼脂培养基的试管加热使琼脂熔化后冷却并保持在50℃左右，将待分离的材料用这些试管进行梯度稀释，试管迅速摇动均匀，冷凝后，在琼脂柱表面倾倒一层**液体石蜡和固体石蜡的混合物，将培养基和空气隔开。培养后，菌落形成在琼脂柱的中间。进行单菌落的挑取和移植，需先用一只**针将液体石蜡—石蜡盖取出，再用一只毛细管插入琼脂和管壁之间，吹入无菌无氧气体，将琼脂柱吸出，置放在培养皿中，用无菌刀将琼脂柱切成薄片进行观察和菌落的移植。

对于大多数细菌和**，用平板法分离通常是满意的，因为它们的大多数种类在固体培养基上长得很好。然而迄今为止并不是所有的微生物都能在固体培养基上生长，例如一些细胞大的细菌、许多原生动物和藻类等，这些微生物仍需要用液体培养基分离来获得纯培养。

    通常采用的液体培养基分离纯化法是稀释法。接种物在液体培养基中进行顺序稀释，以得到高度稀释的效果，使一支试管中分配不到一个微生物。如果经稀释后的大多数试管中没有微生物生长，那么有微生物生长的试管得到的培养物可能就是纯培养物。如果经稀释后的试管中有微生物生长的比例提高了，得到纯培养物的概率就会急剧下降。因此，采用稀释法进行液体分离，必须在同一个稀释度的许多平行试管中，大多数(一般应超过95%)表现为不生长。   

稀释法有一个重要缺点，它只能分离出混杂微生物群体中占数量优势的种类，而在自然界，很多微生物在混杂群体中都是少数。这时，可以采取显微分离法从混杂群体中直接分离单个细胞或单个个体进行培养以获得纯培养，称为单细胞(单孢子)分离法。单细胞分离法的难度与细胞或个体的大小成反比，较大的微生物如藻类、原生动物较容易，个体很小的细菌则较难。

对于较大的微生物，可采用毛细管提取单个个体，并在大量的**培养基中转移清洗几次，除去较小微生物的污染。这项操作可在低倍显微镜，如解剖显微镜下进行。对于个体相对较小的微生物，需采用显微操作仪，在显微镜下进行。目前，市场上有售的显微操作仪种类很多，一般是通过机械、空气或油压传动装置来减小手的动作幅度，在显微镜下用毛细管或显微针、钩、环等挑取单个微生物细胞或孢子以获得纯培养。在没有显微操作仪时，也可采用一些变通的方法在显微镜下进行单细胞分离，例如将经适当稀释后的样品制备成小液滴在显微镜下观察，选取只含一个细胞的液滴来进行纯培养物的分离。单细胞分离法对操作技术有比较高的要求，多限于高度专业化的科学研究中采用。

    没有一种培养基或一种培养条件能够满足自然界中一切生物生长的要求，在一定程度上所有的培养基都是选择性的。在一种培养基上接种多种微生物，只有能生长的才生长，其他被抑制。如果某种微生物的生长需要是已知的，也可以设计一套特定环境使之特别适合这种微生物的生长，因而能够从自然界混杂的微生物群体中把这种微生物选择培养出来，即使在混杂的微生物群体中这种微生物可能只占少数。这种通过选择培养进行微生物纯培养分离的技术称为选择培养分离，是十分重要的，特别对于从自然界中分离、寻找有用的微生物。在自然界中，除了极特殊的情况外，在大多数场合下微生物群落是由多种微生物组成的。因此，要从中分离出所需的特定微生物是十分困难的，尤其当某一种微生物所存在的数量与其他微生物相比非常少时，单采用一般的平板稀释方法几乎是不可能分离到该种微生物的。例如，若某处的土壤中的微生物数量在10⁸时，必须稀释到10^-6才有可能在平板上分离到单菌落，而如果所需的微生物的数量仅为10²-10³，显然不可能在一般通用的平板上得到该微生物的单菌落。要分离这种微生物，必须根据该微生物的特点，包括营养、生理、生长条件等，采用选择培养分离的方法。或抑制使大多数微生物不能生长，或造成有利于该菌生长的环境，经过一定时间培养后使该菌在群落中的数量上升，再通过平板稀释等方法对它进行纯培养分离。

   主要根据待分离微生物的特点选择不同的培养条件，有多种方法可以采用。例如在从土壤中筛选蛋白酶产生菌时，可以在培养基中添加牛奶或酪素制备培养基平板，微生物生长时若产生蛋白酶则会水解牛奶或酪素，在平板上形成透明的蛋白质水解圈。通过菌株培养时产生的蛋白质水解圈对产酶菌株进行筛选，可以减少工作量，将那些大量的非产蛋白酶菌株淘汰；再如，要分离高温菌，可在高温条件进行培养；要分离某种***抗性菌株，可在加有***的平板上进行分离；有些微生物如螺旋体、粘细菌、蓝细菌等能在琼脂平板表面或里面滑行，可以利用它们的滑动特点进行分离纯化，因为滑行能伎它们自己和其他不能移动的微生物分开，可将微生物群落点种到平板上，让微生物滑行，从滑行前沿挑取接种物接种，反复进行，得到纯培养物。

主要是指利用不同微生物间生命活动特点的不同，制定特定的环境条件，使仅适应于该条件的微生物旺盛生长，从而使其在群落中的数量大大增加，人们能够更容易地从自然界中分离到所需的特定微生物。富集条件可根据所需分离的微生物的特点从物理、化学、生物及综合多个方面进行选择，如温度、pH、紫外线、高压、光照、氧气、营养等等许多方面。例，采用富集方法从土壤中分离能降解酚类化合物对羟基苯甲酸(ρ-hydroxybezyl acid)的微生物的实验过程：首先配制以对羟基苯甲酿为**碳源的液体培养基并分装于烧瓶中，**后将少量的土壤样品接种于该液体培养基中，培养一定时间，原来透明的培养液会变得浑浊，说明已有大量微生物生长。取少量上述培养液转移至新鲜培养液中重新培养，该过程经数次重复后能利用对羟基苯甲酸的微生物的比例在培养物中特大大提高，将培养掖涂布于以对羟基苯甲酸为**碳源的琼脂平板，得到的微生物菌落中的大部分都是能降解对羟基苯甲酸的微生物。挑取一部分单菌落分别接种到含有及缺乏对羟基苯甲酸的液体培养基中进行培养，其中大部分在含有对羟基苯甲酸的培养基中生长，而在没有对羟基苯甲酸的培养基中表现为没有生长，说明通过该富集程序的确得到了欲分离的目标微生物。

通过富集培养使原本在自然环境中占少数的微生物的数量大大提高后，可以再通过稀释倒平板或平板划线等操作得到纯培养物。

    富集培养是微生物学家*强有力的技术手段之一。营养和生理条件的几乎无穷尽的组合形式可应用于从自然界选择出特定微生物的需要。富集培养方法提供了按照意愿从自然界分离出特定已知微生物种类的有力手段，只要掌握这种微生物的特殊要求就行。富集培养法也可用来分离培养出由科学家设计的特定环境中能生长的微生物，尽管我们并不知道什么微生物能在这种特定的环境中生长。

    分离的目的通常是要得到纯培养。然而，在有些情况下这是做不到的或是很难做到的。但可用二元培养物作为纯化培养的替代物。只有一种微生物的培养物称为纯培养物，含有二种以上微生物的培养物称为混合培养物，而如果培养物中只含有二种微生物，而且是有意识地保持二者之间的特定关系的培养物称为二元培养物。例如二元培养物是保存病毒的*有效途径，因为病毒是细胞生物的严格的细胞内寄生物。有一些具有细胞的微生物也是严格的其他生物的细胞内寄生物，或特殊的共生关系。对于这些生物，二元培养物是在实验室控制条件下可能达到的*接近于纯培养的培养方法。

在自然环境中，猎食细小微生物的原生动物也很容易用二元培养法在实验室培养，培养物由原生动物和它猎食的微生物二者组成，例如，纤毛虫、变形虫和粘菌。对这些生物，二者的关系可能并不是严格的。这些生物中有些能够纯培养，但是其营养要求往往极端复杂，制备纯培养的培养基很困难、很费事。

    通过分离纯化得到的微生物纯培养物，还必须通过各种保藏技术使其在一定时间内不死亡，不会被其他微生物污染，不会因发生变异而丢失重要的生物学性状，否则就无法真正保证微生物研究和应用工作的顺利进行。菌种或培养物保藏是一项*重要的微生物学基础工作，微生物菌种是珍贵的自然资源，具有重要意义。许多国家都设有相应的菌种保藏机构，例如，中国微生物菌种保藏委员会(CCCCM)，中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，美国典型菌种保藏中心(ATCC)，美国的北部地区研究实验室(NRRL)，荷兰的霉菌中心保藏所(CBS)。英国的国家典型菌种保藏中心(NCTC)以及日本的大阪发酵研究所(IFO)等。国际微生物学联合会(IAMS)还专门设立了世界菌种保藏联合会(WFGC)，用计算机储存世界上各保藏机构提供的菌种数据资料，可以通过国际互联网查询和索取，进行微生物菌种的交流、研究和使用。

    生物的生长一般都需要一定的水分，适宜的温度和合适的营养，微生物也不例外。菌种保藏就是根据菌种特性及保藏目的的不同，给微生物菌株以特定的条件，使其存活而得以延续。例如利用培养基或宿主对微生物菌株进行连续移种，或改变其所处的环境条件，例如干燥、低温、缺氧、避光、缺乏营养等，今菌株的代谢水平降低，乃至完全停止，达到半休眠或完全休眠的状态，而在一定时间内得到保存，有的可保藏几十年或更长时间。在需要时再通过提供适宜的生长条件使保藏物恢复活力。

    传代培养与培养物的直接使用密切相关，是进行微生物保藏的基本方法。常用的有琼脂斜面、半固体琼脂柱及液体培养等。采用传代法保藏微生物应注意针对不同的菌种而选择使用适宜的培养基，并在规定的时间内进行移种，以免由于菌株接种后不生长或超过时间不能接活，丧失微生物菌种。在琼脂斜面上保藏微生物的时间因菌种的不同而有较大差异，有些可保存数年，而有些仅数周。一般来说，通过降低培养物的代谢或防止培养基干燥，可延长传代保藏的保存时间。例如在菌株生长良好后，改用橡皮塞封口或在培养基表面覆盖液体石蜡，并放置低温保存；将一些菌的菌苔直接刮入蒸馏水或其他缓冲液后，密封置4℃保存，也可以大大提高某些菌的保藏时间及保藏效果，这种方法有时也被称为悬液保藏法。

    由于菌种进行长期传代十分繁琐，容易污染，特别是会由于菌株的自发突变而导致菌种衰退，使菌株的形态、生理特性、代谢物的产量等发生变化，因此在一般情况下。在实验室里除了采用传代法对常用的菌种进行保存外，还必须根据条件采用其他方法，特别是对那些需要长期保存的菌种更是如此。

    将微生物处于冷冻状态，使其代谢作用停止以达到保藏的目的。大多数微生物都能通过冷冻进行保存，细胞体积大者要比小者对低温更敏感，而无细胞壁者则比有细胞壁者敏感。其原因是低温会使细胞内的水分形成冰晶，从而引起细胞，尤其是细胞膜的损伤。进行冷冻时，适当采取速冻的方法。可因产生的冰晶小而减少对细胞的损伤。当从低温下移出并开始升温时，冰晶又会长大，故快速升温也可减少对细胞的损伤。冷冻时的介质对细胞的损伤也有显著的影响。例如，0.5mol/L左右的甘油或二甲亚砜可透入细胞，并通过降低强烈的脱水作用而保护细胞；大分子物质如糊精、血清蛋白、脱脂牛奶或聚乙烯砒咯烷酮(PVP)虽不能透人细胞，但可通过与细胞表面结合的方式而防止细胞膜受**。因此，在采用冷冻法保藏菌种时，一船应加入各种保护剂以提高培养物的存活率。

    一般来说，保藏温度越低，保藏效果越好。在常用的冷冻保藏方法中，液氮保藏可达到-196℃。因此，从适用的微生物范围、存活期限、性状的稳定性等方面来看，该方法在迄今使用的各种微生物保藏方法中是较理想的一种。但液氮保藏需使用专用器具，一般仅适合一些专业保藏机构采用。与此相应，冰箱保藏使用更为普遍。在各种基因工程手册中，一般都推荐在-70℃低温冰箱中保存菌株或细胞的某些特殊生理状态(添加甘油做保护剂)，例如经诱导建立了感受态的细胞。在没有低温冰箱的条件下，也可利用-20—-30℃的普通冰箱冷冻室保存菌种。但应注意加有保护剂的细胞混合物的共融点处在这个温度范围内，常会由于冰箱可能产生的微小温度变化引起培养物的反复融化和再结晶，而对菌体形成强烈的损伤。因此采用普通冰箱冷冻保存菌种的效果往往远低于低温冰箱，应注意经常检查保藏物的存活情况，随时转种。

    水分对各种生化反应和一切生命活动至关重要，因此，干燥，尤其是深度干燥是微生物保藏技术中另一项经常采用的手段。

    沙土管保存和冷冻真空干燥保藏是*常用的二项微生物干燥保藏技术。前者主要适用于产孢子的微生物，如芽孢杆菌、放线菌等。一般将菌种接种至斜面，培养至长出大量的孢子后，洗下孢子制备孢子悬液，加入无菌的沙土试管中，减压干燥，直至将水分拍干，*后用石蜡、胶塞等封闭管口，置冰箱保存。此法简便易行，并可以将微生物保藏较长时间，适合一般实验室及以放线菌等为菌种的发酵工厂采用。

    冷冻真空干燥保藏是将加有保护剂的细胞样品预先冷冻，使其冻结，然后在真空下通过冰的升华作用除去水分。达到干燥的样品可在真空或惰性气体的密闭环境中置低温保存，从而使微生物处于干燥、缺氧及低温的状态，生命活动处于休眠，可以达到长期保藏的目的。用冰升华的方式除去水分，手段比较温和，细胞受损伤的程度相对较小，存活率及保藏效果均不错，而且经抽真空封闭的菌种安领管的保存、邮寄、使用均很方便。因此冷冻真空干燥保藏是目前使用*普遍，也是*重要的微生物保藏方法，大多数专业的菌种保藏机构均采用此法作为主要的微生物保存手段。

    除上述方法外，各种微生物菌种保藏的方法还有很多，如纸片保藏、薄膜保藏、寄主保藏等。由于微生物的多样性，不同的微生物往往对不同的保藏方法有不同的适应性，迄今为止尚没有一种方法能被证明对所有的微生物均适宜。因此，在具体选择保藏方法时必须对被保藏菌株的特性、保藏物的使用特点及现有条件等进行综合考虑。对于一些比较重要的微生物菌株，则要尽可能多的采用各种不同的手段进行保藏，以免因某种方法的失败而导致菌种的丧失。

微生物生长是细胞物质有规律地、不可逆增加，导致细胞体积扩大的生物学过程，这是个体生长的定义。繁殖是微生物生长到一定阶段，由于细胞结构的复制与重建并通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。可以看出微生物的生长与繁殖是两个不同，但又相互联系的概念。生长是一个逐步发生的量变过程，繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞的生物里，由于个体微小，这两个过程是紧密联系很难划分的过程。因此在讨论微生物生长时，往往将这两个过程放在一起讨论，这样微生物生长又可以定义为在一定时间和条件下细胞数量的增加，这是微生物群体生长的定义。

 　细菌的个体生长包括细胞结构的复制与再生、细胞的分裂与控制，

l         l         染色体DNA的复制和分离
细菌在个体生长过程中通过染色体DNA的复制，使其遗传特性能保持高度的连续性和稳定性。

l         l         细胞壁扩增
细胞壁是细胞外的一种“硬”性结构。细菌在生长过程中，细胞壁只有通过扩增，才能使细胞体积扩大。

l         l         细菌的分裂
当细菌的各种结构复制完成之后就进入分裂时期。此时在细菌长度的中间位置，通过细胞质膜内陷并伴随新合成的肤聚糖插入，导致横隔壁向心生长，*后在中心会合，完成一次分裂，将一个细菌分裂成两个大小相等的子细菌。

除某些**外，我们肉眼看到或接触到的微生物已不是单个，而是成千上万个单个的微生物组成的群体。微生物接种是群体接种，接种后的生长是微生物群体繁殖生长。

    细菌接种到均匀的液体培养基后，当细菌以二分裂法繁殖，分裂后的子细胞都具有生活能力。在不补充营养物质或移去培养物，保持整个培养液体积不变条件下，以时间为横坐标，以菌数为纵坐标，根据不同培养时间里细菌数量的变化，可以作出一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规律的曲线，这种曲线称为生长曲线(growth cuwe)。一条典型的生长曲线至少可以分为迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期等四个生长时期。

l         l         迟缓期(lag phase)

细菌接种到新鲜培养基而处于一个新的生长环境，因此在一段时间里并不马上分裂，细菌的数量维持恒定，或增加很少。此时胞内的RNA、蛋白质等物质含量有所增加，相对地此时的细胞体积*大，说明细菌并不是处于完全静止的状态。产生迟缓期的原因，认为是微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏足够的能量和必需的生长因子，“种子”老化(即处于非对数生长期)或末充分活化，接种时造成的损伤等。

在工业发酵和科研中迟缓期会增加生产周期而产生不利的影响，但是迟缓期无疑也是必需的，因为细胞分裂之前，细胞各成分的复制与装配等也需要时间，因此应该采取一定的措施：①通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；②利用对数生长期的细胞作为“种子”；③尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；④适当扩大接种量等方式缩短迟缓期，克服**的影响。

l         l         对数生长期(log Phase)

    又称指数生长期(exponential phase)。细菌经过迟缓期进入对数生长期，并以*大的速率生长和分裂，导致细菌数量呈对数增加，而且细菌内各成分按比例有规律地增加，很明显，此时期内的细菌生长是平衡生长。对数生长期细菌的代谢活性、酶活性高而稳定，大小比较一致，生活力强，因而它广泛地在生产上用作“种子”和在科研上作为理想的实验材料。

l         l         稳定生长期(stationary phase)

    由于营养物质消耗，代谢产物积累和pH等环境变化，逐步不适宜于细菌生长，导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数量)，结束对数生长期，进入稳定生长期。稳定生长期的活细菌数*高并维持稳定。如果及时采取措施，补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件，如对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等可以延长稳定生长期，获得更多的菌体物质或代谢产物。

l         l         衰亡期(decline或death phase)

    营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率逐步增加和活细菌逐步减少，标志进入衰亡期。该时期细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。

    此外，不同的微生物，甚至同一种微生物对不同物质的利用能力是不同的。有的物质可直接被利用(例如葡萄糖或NKf等)；有的需要经过一定的适应期后才能获得利用能力(例如乳糖或N03—等)。前者通常称为速效碳源(或氮源)，后者称为迟效碳源(或氮源)。当培养基中同时含有这两类碳源(或氮源)时，微生物在生长过程中会产生二次生长现象。

l         l         连续培养

   连续培养(continous culture of microorganisms)是在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长速率生长并能持续生长下去的一种培养方法。根据生长曲线，营养物质的消耗和代谢产物的积累是导致微生物生长停止的主要原因。因此在微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物是实现微生物连续培养的基本原则。

（参见**章第三节真核微生物）

    微生物生长情况可以通过测定单位时间里微生物数量或生物量(biomass)的变化来评价。通过微生物生长的测定可以客观地评价培养条件、营养物质等对微生物生长的影响，或评价不同的**物质对微生物产生抑制(或杀死)作用的效果，或客观地反映微生物生长的规律。因此微生物生长的测量在理论上和实践上有着重要的意义。微生物生长的测定有计数、重量和生理指标等方法。

    此法通常用来测定样品中所含细菌、孢子、酵母菌等单细胞微生物的数量。计数法又分为直接计数和间接计数两类。

l         l         直接计数

    这类方法是利用特定的细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定容积里样品中微生物的数量。此法的缺点不能区分死菌与活菌。计数板是一块特制的载玻片，上面有一个特定的面积l mm²和高0.1mm的计数室，在1mm²的面积里又被刻划成25个(或16个)中格，每个中格进—步划分成16个(或25个)小格，但计数室都是由400个小格组成。

    将稀释的样品滴在计数板上，盖上盖玻片，然后在显微镜下计算4-5个中格的细菌数，并求出每个小格所含细菌的平均数，再按下面公式求出每毫升样品所含的细菌数。

    每毫升原液所含细菌数＝每小格平均细菌数×400×l000×稀释倍数

l         l         间接计数法

此法又称活菌计数法，其原理是每个活细菌在适宜的培养基和良好的生长条件下可以通过生长形成菌落。将待测样品经一系列10倍稀释，然后选择三个稀释度的菌液，分别取0.2ml故人无菌平皿，再倒人适量的已熔化并冷至45℃左右的培养基，与菌液混匀，冷却、待凝固后，放人适宜温度的培养箱或温室培养，长出菌落后，计数，按下面公式计算出原菌液的含菌数：
    每毫升原菌液活菌数＝同一稀释度三个以上重复平皿菌落平均数×稀释倍数×5

    此法可因操作不熟练造成污染，或因培养基温度过高损伤细胞等原因造成结果不稳定。尽管如此，由于该方法能测出样品中微量的菌数，仍是教学、科研和生产上常用的一种测定细菌数的有效方法。土壤、水、牛奶、食品和其他材料中所含细菌、酵母、芽孢与孢子等的数量均可用此法测定。但不适于测定样品中丝状体微生物，例如放线菌或丝状**或丝状蓝细菌等的营养体等。

除上述两种常用的计数方法外，还有膜过滤法、比浊法。膜过滤法是当样品中菌数很低时，可以将一定体积的潮水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器。然后将滤膜干燥、染色，并经处理使膜透明，再在显微镜下计算膜上(或一定面积中)的细菌数；比浊法原理是在一定范围内，菌的悬液中细胞浓度与混浊度成正比，即与光密度成正比，菌越多，光密度越大。因此可以借助于分光光度计，在一定波长下，测定菌悬液的光密度，以光密度(optical density，即O..D.)表示菌量。实验测量时一定要控制在菌浓度与光密度成正比的线性范围内，否则不准确。微生物计数法，发展迅速，现有多种多样的快速、简易、自动化的仪器和装置等方法。

    此法的原理是根据每个细胞有一定的重量而设计的。它可以用于单细胞、多细胞以及丝状体微生物生长的测定。将一定体积的样品通过离心或过滤将菌体分离出来，经洗涤，再离心后直接称重，求出湿重，如果是丝状体微生物，过滤后用滤纸吸去菌丝之间的自由水，再称重求出湿重。不论是细菌样品还是丝状菌样品，可以将它们放在已知重量的平皿或烧杯内，于105℃烘干至恒重，取出放人干燥器内冷却，再称量，求出微生物干重。

    如果要测定固体培养基上生长的放线菌或丝状**，可先加热至50℃，使琼脂熔化，过滤得菌丝体，再用50℃的生理盐水洗涤菌丝，然后按上述方法求出菌丝体的湿重或干重。

    除了干重、湿重反映细胞物质重量外，还可以通过测定细胞中蛋白质或DNA的含量反映细胞物质的量。蛋白质是细胞的主要成分，含量也比较稳定，其中氮是蛋白质的重要组成元素。从一定体积的样品中分离出细胞，洗涤后，按凯氏定氮法测出总氮量。蛋白质含氮量为16%，细菌中蛋白质含量占细菌因形物的50%一80%，一般以65%为代表，有些细菌则只占13%一14%，这种变化是由菌龄和培养条件不同所产生的。因此总含氮量与蛋白质总量之间的关系可按下列公式计算：

    蛋白质总量＝含氮量×6.25

    细胞总量＝蛋白质总量÷(50%～80%(或65%))≈蛋白质总量×1.54

    核酸DNA是微生物的重要遗传物质，每个细菌的DNA含量相当恒定，平均为8.4×10^-5ng.因此从一定体积的细菌悬液中所含的细菌中提取DNA，求得DNA含量，再计算出这一定体积的细菌悬液所含的细菌总数。

    对于一些非真溶液的样品，要测定微生物数量除了用活菌计数法外，还可以用生理指标测定法进行测定。生理指标包括微生物的呼吸强度、耗氧量、酶活性、生物热等。这是根据微生物在生长过程中伴随出现的这些指标，样品中微生物数量多或生长旺盛，这些指标愈明显，因此可以借助特定的仪器如瓦勃氏呼吸仪、微量量热计等设备来测定相应的指标。这类测定方法主要用于科学研究，分析微生物生理活性等。

 

遗传(heredity或inhertiance)和变异(Variation)是生物体*本质的属性之一。

l         l         遗传是生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。

l         l         遗传型(genotype)是某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。

 

l         l         表型(phenotype)是批某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。

l         l         变异是生物体在某种外因或内因作用正气引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变变异的特点是在群体中以极低几率(一般为10^-5-10^-6)出现；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的可遗传的。

l         l         饰变(modification)批不涉及遗传物质结构改变尴只发生在转录、转译水平上的表型变化。其特点是整个群体中几乎每一个体都发生变化状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。如粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)在 25℃下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在37℃时不产生色素。

一个基因内部结构或DNA序列的任何改变，改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变(gene mutation)。

DNA序列范围的改变从单个碱基改变通常称为点突变(point mutations)，到基因组大范围的重排，有时称为多位点突变，其中包括DNA链上短的一段序列或长的一段序列改变，从而影响许多基因。多位点突变可以是碱基序列的缺失、插入、倒位、置换(包括易位)和重复以及在基因组中发生重组或转座的结果。

点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤(A↔G)或一个嘧啶变为另一个嘧啶(C↔T)称为转换(transition)，嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为颠换(transversions)。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置，有四种点突变类型：

l         l         同义突变(same-sense mutations)由于基因密码的冗余[性]；同样的氨基酸插入蛋白质，结果表型上没有看出变化。

l         l         错义突变(mis-sense mutations)是指不同的氨基酸插入蛋白质的肪链中，多肽链相应氨基酸改变的结果视蛋白质的基本部分或非基本部分改变而定。前者蛋白质功能改变或丧失，后者表型上没有观察到变化。

l         l         无义突变(nonsense mutations)是指碱基序列改变为氨基酸终止密码子(UAA，UAG、UGA)。蛋白质合成超前停止，导致一个截短的蛋白质产生。

l         l         移码突变(frameshift mutations)是DNA序列上缺失或插入1-2个核苷酸，引起从这一突变点后翻译读框移位和变成一个完全改变的氨基酸序列。

细胞中有许多基因，其基因产物对细胞生长是必需的，如DNA复制所需的蛋白质。因此，在这些基因中分离突变体是不可能的，因基因产物功能完全丧失，细胞将会死亡。在这些条件下，可用条件突变型。条件突变型只在某些条件下表达，*普通的是高生长温度。温度敏感突变株在低温时为野生型表型，当转换到较高温度时，才表现出突变的表型，可用于研究基因的效应。

突变的效应可以通过许多方法回复。*简单的回复突变(back mutation)是回复到原来的碱基序列(野生型)。选择回复突变是一个阐明突变类型好的检验方法。比如原来的突变型是点突变或缺失突变，并不易发生回复突变。另一个获得野生型表型的方法是通过阻抑的机制，其中**次突变发生在基因组的不同位点，它补偿了**次突变的效应。**次突变可以在基因组的不同位点突变，此情况称为校正突变(intragenic suppressor，移码突变后阅读框架复原的补偿突变)或完全不同的基因突变，它的术语是基因间抑制((intergenic suppressor)。

虽然细菌突变以很低的频率自然发生，但通常采用一个合适的诱变剂如紫外线，增加分离突变株的机会。鉴定突变株根据基因的特殊性质，但一般来说分成三类：

l         l         有毒化合物抗性突变株，如对***或对噬菌体侵染的抗性。这些突变株能通过在有毒药剂或噬菌体存在下生长来选择。只有抗性突变株才生长。

l         l         营养缺陷型突变株不能合成生长所必需的基本化合物如一个氨基酸或维生素(参见凹)。这些突变株不能直接分离，但能通过下面所叙述的影印培养法(replica plating)筛选。

l         l         不能利用特殊底物如乳糖和麦芽糖生长的突变株，这些也可以通过影印培养法鉴别。

这是用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细菌铺制成平板，在所含营养成分的培养基上亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章的圆垫转移上述菌落至可以检出突变株的培养基平板上(图)。培养基的性质根据突变株的需求，在营养缺陷型突变株的情况下，可以在有特殊生长因子和没有特殊生长因子的平板上影印法转移菌落，不能合成那种生长因子的突变菌株，在基本培养基上不能生长，但能在加入已知生长因子的基本培养基上生长(加富培养基)，突变株菌落通过在基本培养基不能生长来鉴别，可以从能生长的补充培养基平板上选出和纯化。

基因组中经常发生的突变似乎是随机的，虽然有突变发生特别高频率的“热点”。自发突变是由于碱基互变异构、胞嘧啶氧化脱氨基或当DNA在短的重复的核苷酸序列合成瞬间位点链滑出的结果。转座因子在基因组中的移动和之间的重组，也对基因组中的突变负责。

整个基因组所有时间均可发生突变，但是一个基因组的某些位点比其他的位点更易突变。这些突变聚集的位点称为热点。一个基因的突变率是不一样的，从每10⁴复制周期每个基因出现一个基因突变到每10¹¹复制周期每个基因出现一个基因突变，平均大约每10⁶复制周期每个基因出现一个突变。

l         l         突变原因

突变可因许多原因增加，包括DNA复制时DNA聚合酶产生的误差，DNA的物理损伤，重组和转座。然而，重要的是应意识到DNA受大量DNA修复系统保护，使其适合于突变率减至*小程度。

自发突变的一个主要原因是由于碱基存在不同的构型称为互变异构体，使形成不同的碱基对。通常以氨基式出现的腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对，当DNA复制到这一位置瞬间时转变为稀有的亚氨基式(A＊)(互变异构现象，tautuumerism)，则与胞嘧啶(C)碱基配对，这就意味着一个胞嘧啶(C)插入DNA，代替胸腺密院(T)。假如在下一次复制周期前不被修复A-T碱基对将变为C-C碱基对。

    当DNA复制时自发突变也能由DNA链在短的重复核苷酸序列处向外环出而引起。导致插人或缺失一小段DNA，结果它自身对DNA分子造成实际的损伤。非常**，一个碱基可以从一个核苷酸解离的缺口上除去，称为脱嘌呤(apurinic)或脱嘧啶(apyrimidinic)位点，通常在下一次复制周期时不能碱基配对。这是胞嘧啶自然脱氨基形成尿嘧啶的一般原因。此现象被认为是DNA修复系统的一个错误，而尿嘧啶通过脱离一个脱嘧啶的位点而被除去。

*后，自发突变的主要原因是转座因子，它可以随机插入基因组，引起突变，而且假如有两个或多个拷贝，作为同源重组的位点，能导致基因组区段缺失、重复和倒位。

结合至DNA的化学和物理的诱变剂能提高诱变率。化学诱变剂作用有许多方式：

l         l         碱基类似物(base analogs) 　如5—溴尿嘧啶和2—氨基嘌呤，当DNA复制时掺人DNA分子，类似自发突变的碱基互变异构移位，但以高频率导致突变。

l         l         (DNA分子)嵌入剂　是扁平的三个环的类似于碱基对形状的化合物，它们能插入DNA分子，引起螺旋结构变型，DNA复制时导致环出及插入和缺失碱基。溴化乙啶和丫啶橙是这类试剂的典型代表。

l         l         修饰DN的化学药品　是改变DNA中碱基的化合物，导致下一次复制周期时错误配对。例如包括将胞嘧啶转变成羟胺胞嘧啶的次黄嘌呤，它同腺嘌呤配对。

l         l         电离辐射　可能引起DNA损伤。实验室中常常用紫外线诱发突变，而且它的作用机制己了解很清楚。紫外线引起的主要损伤是形成嘧啶二聚体，*普通的是胸腺嘧啶二聚体，相邻碱基问引起DNA螺旋的扭曲畸变。它本身不是导致突变的，但突变发生在当细胞尽力修复此损伤时，用了一个倾向错误的修复系统，称作SOS修复系统。

l         l         当DNA序列已知时，体外诱变现在经常采用的办法是**改变DNA序列。以化学合成的一个突变序列的拷贝代替野生型基因组的序列。

DNA的损伤对细胞可能是致死的，已形成大量的DNA修复系统去修复诱变剂引起的损伤。了解*清楚的是大肠杆菌紫外线损伤修复，至少有四个不同的系统。

 在光照下光解酶转变紫外线诱导的胸腺嘧啶二聚体返回单聚体。在依赖于光的修复机制中，光解酶与黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)能切割相邻嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单聚体。这是对付紫外线损伤的**线防御。

为把它与光复活作用区分开，切补修复常称为暗修复。它作为许多不同类型的DNA损伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配对引起的DNA损伤。uvrA、B和C基因产物结合形成一个核酸内切酶，它能识别碱基改变所引起的DNA螺旋扭曲。uvrABC内切核酸酶在损伤的任何一边作一切口，DNA聚合酶I切除和替换损伤部位的碱基，DNA连接酶将缺口填补上。

胸腺嘧啶二聚体不能被复制，不是在此位点阻塞，而是DNA聚合酶能跳过该损伤部位，沿着下面DNA的模板，恢复DNA继续合成。在新合成的DNA子链上二聚体对面留下一个缺口。由于需要一个完整的链作为模板，不能用切补修复来恢复。而这个缺口能由RecA蛋白调控的通过与母链DNA螺旋发生重组来填补。母链DNA在二聚体的对面应当含有完整的序列。尽管重组并不能修复损伤，它确创造了两个新的DNA分子，通过切补修复完成了修复的功能。

细胞中有许多基因和操纵子受RecA蛋白协同调控和LexA蛋白阻遏转录。它涉及处理DNA损伤和称为SOS修复系统。为一个倾向差错的修复系统，该系统与DNA聚合酶相互作用，使之通过嘧啶二聚体继续复制DNA。3’——5’校正读码能力的酶被抑制，结果碱基能随机插入二聚体的对面，没有**的碱基对(参见C2)，这个机制是紫外线所以致突变的主要原因，因为大多数的其他系统是**修复DNA的。

SOS—修复系统是由RecA蛋白诱导的，由于存在DNA损伤，RecA蛋白构型改变显示出激活态。激活态的热RecA蛋白引起LexA蛋白被蛋白水解酶切开，结果LexA蛋白不再作为一个转录的阻遏物。只要细胞中存在DNA的损伤，SOS修复系统的基因就能表达。一旦DNA损伤被消除，RecA蛋白不再有活性，不再作为LexA蛋白水解诱导物，IexA蛋白在细胞中累积，并且抑制SOS—修复的基因转录。

接合(conjugation)是同通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。一个含有接合质粒(F⁺，致育性)的细胞与不含有接合质粒(F^-)的细胞借助于细胞表面的F^-性菌毛形成交配个体。性菌毛收缩，拉两个细胞接触，从含有质粒的细胞(供体)DNA转移到受体。在F质粒上携带的tra基因，含有接合过程所有的信息。

转移的起始点在质粒DNA一条链的一个缺口位点称作oriT上，DNA以单链形式转移，通过滚环模型形式复制。完整链作为DNA合成的模板，而缺口链被替代和转移进人受体细胞。一旦受体细胞中互补的DNA链合成，形成新的F因子。

F因子从染色体上切离是与整合相反的一个过程。通常这是一个**切离的过程，但偶尔会出现偏差，质粒选出一段相邻的染色体形成一个F’因子。F’因子可将染色体基因转移到受体细胞中。细菌遗传学，特别是在细胞中产生的部分二倍体基因，用于研究同样基因的等位基因优势/隐性间的关系。

通过噬菌体的媒介把一个细菌细胞(供体)的宿主DNA转移到另一个细胞(受体)的过程称为转导。

普遍性转导是当噬菌体装配时偶然出现的错误，是替代噬菌体DNA包装了一段寄主(供体)染色体DNA进入噬菌体头部的结果。这种“误包”的转导噬菌体，能侵染新的宿主(受体)，并注入此段DNA，非噬菌体的DNA，除非通过重组将这段DNA整合到宿主(受体)染色体上，否则将丢失。

此乃某些溶源性噬菌体整合至宿主染色体上的某段时间的特征。在转导时，代替从染色体上**切离出原溶原性噬菌体的DNA，而是切离了一段噬菌体临近位点上的宿主染色体DNA。含有这段染色体DNA的噬菌体颗粒，将会感染受体细胞，整个噬菌体DNA可整合在染色体上形成溶源化，或通过重组作用与染色体DNA整合。

 

转化是从周围培养基吸收游离的DNA片段，整合到自己染色体基因组的结果。许多细菌如芽孢杆菌属、链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌属(嗜血杆菌属Haemophilus)能够自然发生转化作用。

细胞吸收DNA进行转化的能力取决于细胞所处的特殊生理状态，称作感受态(compentence)。感受态与细胞表面存在DNA的受体有关。其他细菌，如大肠杆菌，在冷的条件下通过化学方法处理，可以诱导建立感受态。

结合和转移进入受体细胞的DNA片段可以是特异的序列或者非特异的序列，其差异取决于种。通常双链DNA结合，但在大多数情况下，它转变成单链DNA进人受体细胞。亦发现流感嗜血菌(流感杆菌或流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae)吸收完整的双链DNA。进入的DNA通过重组过程整合至受体菌染色体上。

丝状**通过准性生殖进行基因重组的。

所谓准性生殖(parasexual reproduction)是批不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。**菌丝通过相互接触时，通过菌丝间的连接，细胞核可混合在一起而形成异核体(时具有二种或二种以上不同基因型的核的细胞)，并可以百万分之一的概率发生核融合而形成二倍体（或杂合二倍体）。

微生物育种的目的是为了要人为地使某种的代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控制微生物，获得我们所需要的高产、上等和低耗的菌种。

诱变育种是指利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产上等菌株。

一般通过营养缺陷型突变株、抗阻遏和抗反馈突变型、抗性突变型（***抗性突变株、条件抗性突变）。

体内基因重组是指重组过程发生在细胞内（相对体外重组技术或基因工程技术。

体内基因重组育种是指采用接合、转化转导和原生质体融合等遗传学方法和技术使微生物细胞内发生基因重组，以增加优良性状的组合，或导致多倍体的出现，从而获得优良菌株的一种育种方法。

原生质体融合技术是将遗传性　不同的两种菌（包括种间、种内及属间）融合为一个新细胞的技术。

部分真核生物可以通过杂交育种。

DNA　Shuffling技术是一种人工分子进化技术。

近代生态学的研究推进到了生态系统生态学的水平，生态系统生态学从生态系统的整体出发考察系统中生物之间，生物与环境之间的生态关系，形成了生态系统、食物链、食物网、能量流、物质循环、信息传递以及生产者、消费者、分解者的新概念和新的理论框架，微生物是生态系统的重要成员，特别是作为分解者分解系统中的有机物，对生态系统乃至整个生物圈的能量流动、物质循环发挥着独特的、不可替代的作用。

近几十年和科学技术、社会经济迅速发展相伴而来的是环境问题——环境污染和生态破坏。微生物降解污染物的巨大潜力在控制污染，修复污染环境中发挥重要作用。微生物对植物生长的促进和其他有益作用，有助于缓解生态破坏，恢复受损生态系统。

生态系统 是指在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。

生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：生产者、消费者和分解者。微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用。

    微生物*大的价值在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物、植物和微生物残体等复杂有机物质，并*后将其转化成*简单的无机物，再供初级生产者利用。

    微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。

    光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。

    微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。

    微生物是*早出现的生物体，并进化成后来的动、植物。藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下基础。

具体过程LP205－233

生物地球化学循环(biogeochemical cycles) 是指生物圈中的各种化学元素，经生物化学作用在生物圈中的转化和运动。这种循环是地球化学循环的重要组成部分。

地球上的大部分元素都以不同的循环速率参与生物地球循环。生命物质的主要组成元素(C、H、O、N、P、S)循环很快，少量元素(Mg、K、Na、卤素元素)和迹量元素(Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn)则循环较慢。属于少量和迹量元素的Fe、Mn、Ca和Si是例外，铁和锰以氧化还原的方式快速循环。钙和硅在原生质中含量较少，但在其他结构中含量很高。

    碳、氮、磷、硫的循环受二个主要的生物过程控制，一是光合生物对无机营养物的同化，二是后来进行的异养生物的矿化。实际上所有的生物都参与生物地球化学循环。微生物在有机物的矿化中起决定性作用，地球上90%以上有机物的矿化都是由细菌和**完成的。

碳元素是一切生命有机体的*大组分，接近有机物质干重的50%。碳循环是*重要的物质循环(图11—1)。

初级生产者把CO₂转化成有机碳。初级生产的产物为异养消费者利用，并进一步进行循环，部分有机化合物经呼吸作用被转化为CO₂。初级生产者和其他营养级的生物残体*终也被分解而转化成CO₂。大部分绿色植物不是被动物消费，而是死亡后被微生物分解，CO₂又被生产者利用。

    生境中的碳循环是生物圈总循环的基础，异养的大生物和微生物都参与循环，但微生物的作用是*重要的。在好氧条件下，大生物和微生物都能分解简单的有机物和生物多聚物(淀粉，果胶，蛋白质等)，但微生物是**在厌氧条件下进行有机物分解的。微生物能使非常丰富的生物多聚物得到分解，腐殖质、蜡和许多人造化合物只有微生物才能分解。

碳的循环转化中除了*重要的CO₂外，还有CO、烃类物质等。藻类能产生少量的CO并释放到大气中，而一些异养和自养的微生物能固定CO作为碳源(如氧化碳细菌)。烃类物质(如甲烷)可由微生物活动产生，也可被甲烷氧化细菌所利用(图ll—1)。大气CO₂浓度的持续提高引起的“温室效应”是一个全球性环境问题。

 

    氮循环(图11—2)由6种氮化合物的转化反应所组成，包括固氮、氢化(脱氨)、硝化作用、反硝化作用及硝酸盐还原。它们大多实际上是氧化还原反应。氮是生物有机体的主要组成元素，氮循环是重要的生物地球化学循环。

固氮是大气中氮被转化成氨(铵)的生化过程。其对氮在生物圈中的循环有重要作用，据测算 每年全球有约2.40×108吨氮被固定，这和反硝化过程失去的氮大致相等。生物固氮是只有微生 物或有微生物参与才能完成的生化过程。具有固氮能力的微生物种类繁多，游离的主要有固氮菌、 梭菌、克雷伯氏菌和蓝细菌；共生的主要是根瘤菌和弗兰克氏菌。

    氮化作用是有机氮化物转化成氨(铵)的过程。微生物、动物和植物都具有氨化能力，可以发生在好氧和厌氧环境中。氢化作用放出的氨可被生物固定利用和进一步转化，同时也挥发释放到大气中去，这个部分可占总氮损失的5%(其他95%为反硝化损失)。

硝化作用是好氧条件下在无机化能硝化细菌作用下氨被氧化成硝酸盐的过程。它的重要性是产生氧化态的硝酸盐，产物又可以参与反硝化作用。硝化作用分两步进行：

    把铵氧化成亚硝酸的代表性细菌是亚硝化单胞菌属，此外还有亚硝化叶菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属、亚硝化弧菌属。把亚硝酸氧化成硝酸代表性细菌是硝化杆菌属，此外还有硝化刺菌属、硝化球菌属。前者称为亚硝化菌(nitrosobacteria)，后者称为硝化菌(nitrobacteria)，两者统称为硝化(作用)细菌(nitrifying bacteria)。硝化作用是一个产能过程，硝化细菌经卡尔文循环和不完全的三羧酸循环利用CO₂合成细胞物质。

    硝酸盐还原包括异化硝酸盐还原和同化硝酸盐还原。异化硝酸盐还原又分为发酵性硝酸盐还原(fermentative nitrate reduction)和呼吸性硝酸盐还原(respiratory nitrate reduction)。如呼吸性硝酸盐还原的产物是气态的N₂O、N₂，则这个过程被称为反硝化作用。同化硝酸盐还原是硝酸盐被还原成亚硝酸盐和氨，氨被同化成氨基酸的过程。这里被还原的氮化物成为微生物的氮源。异化硝酸盐还原是在无氧或微氧条件下，微生物进行的硝酸盐呼吸即以NO^3-或NO^2-代替O₂作为电子受体进行呼吸代谢。与同化硝酸盐还原相比，它的酶系一般是颗粒性的，可被氧竞争性抑制，但不受氢的抑制。发酵性硝酸盐还原中硝酸盐是发酵过程的“附带”电子受体，而不是末端受体，为不完全还原，发酵产物主要是亚硝酸盐和NH₄⁺。其特点是没有膜结合酶，细胞色素和电子传递磷酸化。这种现象在自然界非常普遍，大多数由兼性***来完成，如肠杆菌属、埃希氏菌属和芽孢杆菌属细菌。呼吸性硝酸盐还原中硝酸盐作为末端电子受体被还原成亚硝酸盐、氨或产生气态氮(反硝化作用)。在反硝化过程中硝酸盐经一系列酶的作用，细胞色素传递电子，*后被还原成N₂O和N₂，大量的N₂O、N₂释放到大气中去。反硝化过程也是一个偶联产能过程，但电子传递链较短，一个硝酸盐还原过程产生2个ATP，反硝化细菌的生长缓慢。具有异化硝酸盐还原能力的微生物很多，大部分是异养的，少量自养，有的能兼营异养和自养。但它们都是好氧菌或兼性***。反硝化作用的效应是造成氮的损失从而降低氮肥效率，N₂O的释放可破坏臭氧层，损失的氮因固氮过程增加的氮而得到平衡。

    硫是生命有机体的重要组成部分，大约占干物质的1%。生物圈中含有丰富的硫，一般不会成为限制性营养。硫的生物地球化学循环如图11—3。从图可见生物地球化学循环包括还原态无机硫化物的氧化，异化硫酸盐还原，硫化氢的释放(脱硫作用)，同化硫酸盐还原。微生物参与所有这些循环过程。

    硫氧化是还原态的无机硫化物(如S⁰、H₂S、FeS₂、S₂O₂^2-和S₄O₆^2-等)被微生物氧化成硫酸的过程。具有硫氧化能力的微生物在形态，生理上各有不同的特点，一般可分为两个不同的生理类群，包括好氧或微好氧的化能营养硫氧化菌和光营养琉细菌。此外异养微生物(如曲霉、节杆菌、芽孢杆菌、微球菌等)也具有氧化能力。

    和硝酸盐相似，硫酸盐也可以被微生物还原成H₂S，这部分微生物称为硫酸盐还原菌。硫酸盐还原产物H₂S在胞内被结合到细胞组分中称为同化硫酸盐还原。硫酸盐作为末端电子受体还原成不被同化的H₂S，称为异化硫酸盐还原，也称为反硫化作用。电子供体一般是丙酮酸，乳酸和分子氢。主要的硫酸盐(异化)还原菌包括脱硫杆菌、脱硫叶菌。

    生物尸体和残留物中含硫蛋白质经微生物的作用释放出H₂S、CH₃SH、(CH₂)₃S等含硫气体，一般的腐生细菌都具有分解有机硫化物能力。

    磷是所有生物都需要的生命元素，遗传物质的组成和能量贮存都需要磷。磷的生物地球化学循环包括三种基本过程：①有机磷转化成溶解性无机磷(有机磷矿化)，②不溶性无机磷变成溶解性无机磷(磷的有效化)，③溶解性无机磷变成有机磷(磷的同化)。微生物参与磷循环的所有过程，但在这些过程中，微生物不改变磷的价态，因此微生物所推动的磷循环可看成是一种转化。

    铁循环的基本过程是氧化和还原。微生物参与的铁循环包括氧化、还原和螯合作用。由此延伸出的微生物对铁作用的三个方面：①铁的氧化和沉积 在铁氧化菌作用下亚铁化合物被氧化高铁化合物而沉积下来；②铁的还原和溶解 铁还原菌可以使高铁化合物还原成亚铁化合物而溶解；③铁的吸收 微生物可以产生非专一性和专一性的铁整合体作为结合铁和转运铁的化合物。通过铁整合化合物使铁活跃以保持它的溶解性和可利用性。

    锰的转化与铁相似。许多细菌和**有能力从有机金属复合物中沉积锰的氧化物和氢氧化物。钙是所有生命有机体的必需营养物质，芽孢形成菌内生孢子含有钙吡啶，钙离子影响膜透性与鞭毛运动。钙的循环主要是钙盐的溶解和沉淀，Ca(HCO₃)₂高溶解度，而CaCO₃难溶解。硅是地球上除氧外的*丰富元素，主要化合物是SiO₂。硅是某些生物细胞壁的重要组分。硅的循环表现在溶解和不溶解硅化物之间的转化。陆地和水体环境中溶解形式是Si(OH)₄，不溶性的是硅酸盐。硅利用微生物(主要是硅藻，硅鞭藻等)可利用溶解性硅化物。一些**和细菌产生的酸可以溶解岩石表面的硅酸盐。

    微生物所具有的个体微小、代谢营养类型多样、适应能力强等特点使微生物分布广泛，可以在其他生物不能生存，甚至极端的生境中存在。同一种细菌可见于多种生境，也可以不同形式(共生或游离)存在。微生物的分布也反映了生境的特征，是生境各种物理、化学、生物因素对微生物的限制、选择的结果。在某些生境中，高度专一性的微生物存在并**于这种生境中，并成为特定生境的标志。

    生态环境中的微生物也存在个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次，与动物、植物相比，微生物具有更强的群体性。在这个系列中，群落处在关键的位置上，种群的相互作用是特定群落形成和结构的基础，生态系统所表现出来的生态功能也取决于群落的功能。

    种群 是指具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，种群是组成群落的基本组分。种群的相互作用复杂多样，种群密度、代谢能力、增长速率等方面表述两个种群之间的相互影响及作用。相互作用的基本类型包括：

    ①中立生活 两种群之间在一起彼此没有影响或仅存无关紧要的影响。

    ②偏利作用 一种种群因另一种种群的存在或生命活动而得利，而后者没有从前者受益或受害。

    ③协同作用 相互作用的两种种群相互有利，二者之间是一种非专性的松散联合。

    ④互惠共生 相互作用的两个种群相互有利，两者之间是一种专性的和紧密的结合，是协同作用的进一步延伸。联合的种群发展成一个共生体，有利于它们去占据限制单个种群存在的生境。地衣是互惠共生的典型例子。

    ⑤寄生 一种种群对另一种群的直接侵人，寄生者从寄主生活细胞或生活组织获得营养，而对寄主产生不利影响。

    ⑥捕食 一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。

    ⑦偏害作用 一种种群阻碍另一种种群的生长，而对**种种群无影响。

    ⑧竞争 两个种群因需要相同的生长基质或其他环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。

    群落 是一定区域内或一定生境中各种微生物种群相互松散结合的一种结构和功能单位。这种结构单位虽然结合松散，但并非是杂乱的堆积，而是有规律的结合，并由于其组成的种群种类及特点而显现出一定的特性。任何微生物群落都是由一定的微生物种群所组成，而每个种群的个体都有一定的形态和大小，它们对周围的生态环境各有其一定的要求和反应，它们在群落中处于不同的地位和起着不同的作用。一定生境条件下的微生物群落具有相应的生态功能，结构和功能紧密相连。一种群有多种生理功能，多个种群组合成一个群落完成一种生态功能。

    生态位 是生物个体、种群或群落所占据的具有时空特点的位置。微生物的群落结构受到生态位的生物和非生物环境的严格选择，因此群落的组成实际上是生态位的状况的真实反映。一定生态位上的微生物群落也是长期的适应性进化的结果。反刍动物和非反刍动物，都能食纤维素，经过长期的适应进化，它们的消化器官内都有相似的以能分解纤维素的细菌、**为主的微生物群落。

    种多样性、垂直结构、水平结构和优势种 是表征群落结构的重要参数。种多样性可以用“多样性指数”(diversity index)来表示，多样性指数是以群落组成结构中种的数量和各个种的个体数量的分配有一定的特点为依据而设计的一种数值指标，种类数越多或各个种的个体数分配越均匀，则种多样性指数值就越大，反之，种多样性指数值就越小。垂直结构是不同种群在垂直方向上的排列状况，垂直分布是种群间及种群与环境之间相互关系的一种特定形式，因此生境中的任何一个群落均有其本身的垂直结构。水平结构主要反映随着纬度的变化而产生的大气温度的变化，微生物在不同温度环境下而形成不同的结构。在任何群落中，组成群落的各个种群所表现的作用是不同的，所以群落中的各种种群不具有同等的重要性。其中有部分种群，因其数量、大小或活性而在群落中起着主要的控制作用。这些对群落和环境具有决定性意义的种群称为优势种群。

    营养物、环境条件的改变以及环境污染都会对微生物群落产生乐迫，群落的结构会有相应的改变，这实际上反映了环境对群落的选择。这种选择原理是我们富集特定生理功能微生物的重要理论基础，例如，向生活污水投加表面活性剂，使其浓度从低到高达到“定水平，*后生活污水中的表面活性剂降解菌会成为优势菌，而易于从其中分离。

    群落水平上的相互作用对它们所处的生态系统的过程及功能有重要的影响。如在稳定塘处理污水过程中细菌群落的氧化分解作用所产生的CO₂和NO^3-、PO₄^3-，藻类群落在有光条件下利用CO₂、NO^3-、PO₄^3-进行光合作用放出O₂，又提供给细菌群落好氧分解，两个群落的相互作用使稳定塘完成有机物的净化过程。在有强光照条件下，藻类群落的光合作用会得到增强，可以放出更多的氧，这样又对细菌群落的氧化分解起到促进作用，从而提高稳定塘的净化能力。

    陆生生境的主要载体是土壤。土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成的复合物。溶解在土壤水中的有机和无机组分可被微生物所利用，土壤是微生物的合适生境。

    土壤微生物种类齐全、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源(表ll—1)。但一般来说微生物处于饥饿状态，繁殖速率极低，当可用的营养物被加到土壤中，微生物数量和它们的代谢活性迅速增加直到营养物被消耗，而后微生物活性回复到较低的基线水平。

    表11—1 典型花园土壤不同深度每克土壤的微生物菌落数/CFu

*丝状细菌

    土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，集中分布于土壤表层和土壤颗粒表面。另外土壤具有高度的异质性，在它内部包含有许多不同的微生境，因而甚至在微小土壤颗粒中也存在着不同的生理类群。

    水生生境主要包括湖泊、池塘、溪流、河流、港湾和海洋。水体中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧、盐分等因素的影响。含有较多营养物或受生活污水、工业有机污水污染的水体有相应多量的细菌，如港湾(河流入海口)具有较高的营养水平，其水体中也有较高的微生物数。在水体中，特别是在低营养浓度水体中，微生物倾向于生长在固体的表面和颗粒物上，它们要比悬浮和随水流动的微生物能吸收利用更多的营养物，常常有附着器和吸盘，这有助于附着在各种表面上。微生物在较深水体(如湖泊)中具有垂直层次分布的特点。在光线充足好氧的沿岸带(littoral zone)、浅水区(limnetic zone)分布着大量光合藻类和好氧微生物，如假单胞菌、噬纤维菌、柄细菌、生丝微菌等。深水区(profundal zone)位于光补偿水平面以下，光线少、溶解氧低，可见紫色和绿色硫细菌及其他兼性***。湖底区(benthic zone)是厌氧的沉积物，分布着大量厌氧微生物，主要有脱硫弧菌、甲烷菌、芽泡杆菌、梭菌等。

    大气中没有可为微生物直接利用的营养物质和足够的水分，这种环境不适合微生物的生长繁殖。大气中没有固定的微生物种类。但由于微生物能产生各种休眠体以适应**环境，有些微生物可以在大气中存在一段相当长的时间而不至死亡。所以，在大气中仍能找到多种微生物。大气中的微生物来源于土壤、水体和其他微生物源。进入大气的土壤尘粒，水面吹来的小水滴，污水处理厂曝气产生的气溶胶，人和动物体表的干燥脱落物，呼吸道呼出的气体都是大气微生物的来源。主要种类是霉菌和细菌，霉菌常见种类是曲霉、木霉、青霉、毛霉、白地霉和色串孢(Torulasp)等。细菌有球菌、杆菌和一些病原菌。微生物在大气中的分布很不均匀，所含数量取决于所处环境和飞扬的尘埃量(表ll—2)。

表11—2 不同地点大气中的微生物数量   

 

    极端环境下微生物的研究有三个方面的重要意义：①开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；②为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；③为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。

按微生物生长的*适温度，可将它们分为嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热和超嗜热五种类型。

细菌是嗜热微生物中*耐热的，按它们耐热程度的不同又可以被分成五个不同类群：耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌和超嗜热菌。

嗜热微生物生长的生态环境有热泉(温度高达100℃)，高强度太阳辐射的土壤，岩石表面(高达70℃)，各种堆肥、厩肥、干草、锯屑及煤渣堆，此外还有家庭及工业上使用的温度比较高的热水及冷却水。

嗜热微生物生物大分子蛋白质、核酸、类脂的热稳定结构以及存在的热稳定性因子是它们嗜热的生理基础。新的研究还表明专性嗜热菌株的质粒携带与热抗性相关的遗传信息。

嗜热微生物有远大的应用前景，高温发酵可以避免污染和提高发酵效率，其产生的酶在高温时有更高的催化效率，高温微生物也易于保藏。嗜热微生物还可用于污水处理。嗜热细菌的耐高温DNA多聚酶使DNA体外扩增的技术得到突破，为PCR技术的广泛应用提供基础，这是嗜热微生物应用的突出例子。

嗜冷微生物(psychrophilic microorganisms)能在较低的温度下生长，可以分为专性和兼性两类，前者的*高生长温度不超过20℃，可以在0℃或低于0℃条件下生长；后者可在低温下生长，但也可以在20℃以上生长。

嗜冷微生物的主要生境有极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤、阴冷洞穴、保藏食品的低温环境。从这些生境中分离到的主要嗜冷微生物有针丝藻、粘球藻、假单胞菌等。从深海中分离出来的细菌既嗜冷，也耐受高压。

嗜冷微生物适应环境的生化机理是因为细胞膜脂组成中有大量的不饱和、低熔点脂肪酸。

嗜冷微生物低温条件下生长的特性可以使低温保藏的食品腐败，甚至产生细菌**。研究开发嗜冷微生物的*适反应温度低的酶，在工业和日常生活中都有应用价值。如从嗜冷微生物中获得低温蛋白酶用于洗涤剂，不仅能节约能源，而且效果很好。

生长*适pH在3-4以下，中性条件不能生长的微生物称为嗜酸微生物(acidophilic microorganisms)；能在高酸条件下生长，但*适pH接近中性的微生物称为耐酸微生物(acidotolerant microorganisms)。

温和的酸性(PH3-5.5)自然环境较为普遍，如某些湖泊、泥碳土和酸性的沼泽。极端的酸性环境包括各种酸矿水、酸热泉、火山湖、地热泉等。嗜酸微生物一般都是从这些环境中分离出来，其优势菌是无机化能营养的硫氧化菌、硫杆菌。酸热泉不但具有高酸度，而且还具有高温的特点，从这些环境中分离出独具特点的嗜酸嗜热细菌，如嗜酸热硫化叶菌等。嗜酸微生物的胞内pH从不超出中性大约2个pH单位，其胞内物质及酶大多数接近中性。

嗜酸微生物能在酸性条件下生长繁殖，需要维持胞内外的pH梯度，现在一般认为它们的细胞壁、细胞膜具有排斥H⁺，对H⁺离子不渗透或把H⁺从胞内排出的机制。而嗜酸微生物的外被要**⁺来维持其结构。

嗜酸菌被广泛用于微生物冶金、生物脱硫。

下生长繁殖，需要维持胞内外的pH梯度，现在一般认为它们的细胞壁、细胞膜具有排斥H+，对H+离子不渗透或把H+从胞内排出的机制。而嗜酸微生物的外被要**+来维持其结构。嗜酸菌被广泛用于微生物冶金、生物脱硫。

一般把*适生长pH在9以上的微生物称为嗜碱微生物(alkaliphilic microorganisms)，中性条件不能生长的为专性嗜碱微生物，中性条件甚至酸性条件都能生长的称为耐碱微生物(alkalitolerantmicroorganisms)或碱营养微生物(alkalitrophic microorganisms)。

地球上碱性*强的自然环境是碳酸盐湖及碳酸盐荒漠，极端碱性湖[如肯尼亚的玛格达(Magadi)湖，埃及的wady natrun湖]是地球上*稳定的碱性环境，那里pH达105-11.0。我国的碱性环境有青海湖等。碳酸盐是这些环境碱性的主要来源。人为碱性环境是石灰水、碱性污水。

嗜碱微生物有两个主要的生理类群：盐嗜碱微生物和非盐嗜碱微生物。前者的生长需要碱性和高盐度(达33%NaCl十Na₂CO₃)。代表性种属有外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、嗜盐碱杆菌、嗜盐碱球菌等。

嗜碱微生物生长*适PH在9以上，但胞内pH都接近中性。细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔，是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。其控制机制是具有排出OH^-的功能。

嗜碱微生物产生大量的碱性酶，包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH 4.5-11)、果胶酶(活性PH l0.0)、支链淀粉酶(活性pH 9.0)、纤维素酶(活性pH 6-11)、木聚糖酶(活性pH 5.5-10)。这些碱性酶被广泛用于洗涤剂或作其他用途。

    含有高浓度盐的自然环境主要是盐湖，如青海湖(中国)、大盐湖(美国)、死海(黎巴嫩)和里海(俄罗斯)，此外还有盐场、盐矿和用盐腌制的食品。海水中含有约3.5%的氯化钠，是一般的含盐环境。根据对盐的不同需要，嗜盐微生物(halophilic microorganisms)可以分为弱嗜盐微生物、中度嗜盐微生物、极端嗜盐微生物。弱嗜盐微生物的*适生长盐浓度(氯化钠浓度)为0.2-0.5mol/L，大多数海洋微生物都属于这个类群。中度嗜盐微生物的*适生长盐浓度为0.5-2.5mol/L，从许多含盐量较高的环境中都可以分离到这个类群的微生物。极端嗜盐微生物的*适生长盐浓度为2.5-5.2mol/L(饱和盐浓度，a_w＝0.75)，它们大多生长在极端的高盐环境中，已经分离出来的主要有藻类：盐生杜氏藻、绿色杜氏藻；细菌：盐杆菌，如红皮盐杆菌、盐沼盐杆菌，盐球菌，如鳕盐球菌。可以在高盐浓度下生长，但*适生长盐浓度较低的称为耐盐微生物。

    嗜盐微生物的嗜盐机制仍在不断探索研究(见第十三章)，盐杆菌和盐球菌具有排出Na+和吸收浓缩K+的能力，K+作为一种相容性溶质，可以调节渗透压达到胞内外平衡，其浓度高达7mol/L，以此维持胞内外同样的水活度。

    嗜盐细菌具有许多生理特性，其中紫膜引人注目。紫膜是在细胞膜上形成的一种特殊的紫色物质，吸收的光能以质子梯度的形式部分储存起来，并用于合成ATP。此外紫膜是由类视紫蛋白和脂质组成，具有独特的特性，吸引着许多科学家进行研究，探索其作为电子器件和生物芯片的可能性(见第十五章)。

需要高压才能良好生长的微生物称为嗜压微生物(barophilic microorganisms)。*适生长压力为正常压力，但能耐受高压的微生物被称为耐压微生物(barotoblerant microorganisms)。海洋深处和海底沉积物平均水压超过4.05×107Pa(400个大气压)。从深海底部1.0l×l08Pa(1000大气压) 处，分离到嗜压菌Pseudomonas bathycetes，从油井深部约4.05×107Pa(400大气压)处，分离到耐压的硫酸盐还原菌。

    生长在动物体上的微生物是一个种类复杂，数量庞大，生理功能多样的群体。从生境空间位置来说有体表和体内的区别，从生理功能上说任何生活在动物上的微生物都有其相应的功能，总体上可以分为有益、有害二个方面。对动物有害的微生物可以称为病原微生物，包括病毒、细菌、**、原生动物的一些种类。病原微生物可以通过不同的作用方式造成对动物的损害和致病。也可变害为利，如利用昆虫病原微生物防治农林害虫。对动物有益的微生物和动物的互惠共生关系受到广泛的注意和深入研究，如微生物和昆虫的共生、瘤胃共生、海洋鱼类和发光细菌的共生等。

    多种多样的微生物和昆虫都有共生关系，情况错综复杂，但大部分的共生都具有三个显著的特点，**，微生物具有昆虫所不具有的代谢能力，昆虫利用微生物的代谢能力得以存活于营养贫乏或营养不均衡的食料(如木材，植物液汁或脊椎动物血液)环境中；**，昆虫和微生物双方都需要联合，不形成共生体的昆虫生长缓慢，繁殖少而不产生幼体，而许多共生微生物未在昆虫外的生境中发现，有些是不能培养的；第三，许多共生体可以在昆虫之间转移，一般是从亲代到子代，相互和交叉转移也存在。白蚁的消化道中的共生具有典型性，微生物共生体是细菌和原生动物，两者均能分解纤维素，转化昆虫氮素废物尿酸和固氮，这些过程的代谢产物都可以被昆虫同化利用。

    草食动物直接食用绿色植物，植物所固定的能量流动到动物，这是生态系统中能量流动和食物链的重要一环。纤维素是*丰富的植物成分，然而大部分动物缺乏能利用这种物质的纤维素酶，生长在动物瘤胃内的微生物能产生分解纤维素的胞外酶，帮助动物消化此类食物。微生物分解纤维素和其他植物多聚物产生有机酸可被动物消化和利用。没有微生物酶的作用，这样丰富的食物资源就不能被充分利用，微生物对这里的能量流动和物质循环起重要作用。反刍动物瘤胃微生物与动物的共生具有代表性，是微生物和动物互惠共生的典型例子。

    瘤胃是一个独特的不同于其他生态环境的生态系统，它是温度(38-41℃)、pH(5.5-7.3)、渗透压(250-350mOsm)相应稳定的还原性环境(Eh-350mv)，同时有相应频繁和高水平营养物供应。大量基质的输人和相应恒定适宜的环境条件使瘤胃微生物种类繁多，数量庞大。细菌数达10¹⁰-10¹¹CFu/克内含物。大多数细菌是专性***，但也有兼性***和好氧菌。**的游动孢子达10^3-10⁵个/克内含物。在瘤胃内可完成从孢子萌发，长出菌丝，而后又形成孢子的生活周期。细菌噬菌体数量可以达到106-107噬菌体/ml内含物，大部分是温和噬菌体。瘤胃原生动物数量约10⁵-10⁶个/g内含物，大小20-200mm。

    纤维素、蛋白质、半纤维素等多聚物可被瘤胃微生物分解转化，产生的小相对分子质量脂肪酸、维生素以及形成的菌体蛋白(含原生动物)可提供给反刍动物。而反刍动物则为微生物提供了丰富的营养物和良好的生境，此外，动物的生理代谢活动也有助于微生物对有机物的分解和生长繁殖。

一些海洋无脊椎动物、鱼类和发光细菌也可建立一种互惠共生的关系。发光杆菌属(Photobacterium)和贝内克氏菌属(Beneckea)的发光细菌见于海生鱼类。发光细菌生活在某些鱼的特殊的囊状器官中，这些器官一般有外生的微孔，微孔允许细菌进入，同时又能和周围海水相交换。发光细菌发出的光有助于鱼类配偶的识别，在黑暗的地方看清物体。光线还可以成为一种聚集的信号，或诱惑其他生物以便于捕食。发光也有助于鱼类的成群游动以抵抗捕食者。

    植物的茎叶和果实表面是某些微生物的良好生境，细菌、蓝细菌、**(特别是酵母)、地衣和某些藻类常见于这些好气的植物表面。邻接植物表面的生境称为叶际(phyllosphere)。叶际主要为各种细菌和**种群所占据。叶的直接表面生境称为叶面(phylloplane)，也为不同的微生物占据。花是附生微生物的短期生境，花从受精到果实成熟，环境条件发生了改变，微生物群落也会发生演替。果实成熟时，酵母属有时成为优势种群。不同种的植物果实有特定的群落组成。

    某些病毒、细菌、**和原生动物能引起植物的病害，主要的病害是由**引起的。微生物引起的植物病害是微生物对植物的偏害作用。病害使植物功能失常，因而降低了植物生长和维持它们生态位的能力。病原体通过不同的途径进入植物体内，通过产生分解酶、**和生长调节因子干扰植物的正常功能。被感染植物能产生各种形态上和代谢上的异常，有的植物会快速死亡，或经历缓慢的变化过程，而走向死亡。

    根际是邻接植物根的土壤区域，其中的微生物称为根际微生物。由于植物根在生长过程中和土壤进行着频繁的物质交换，不断改变周围的养分、水分、pH、氧化还原电位和通气状况。从而使根际范围内土壤的化学环境不同程度上区别于根际以外的土壤，成为微生物生长的特殊微生态环境。根际效应对土壤微生物*重要的是营养选择和富集，使根际微生物在数量、种类以及生理类群上不同于非根际。根际微生物对植物的生长有明显的影响。根际微生物以各种不同的方式有益于植物，包括去除H₂S降低对根的毒性，增加矿质营养的溶解性，合成维生素、氨基酸、生长素和能刺激植物生长的赤霉素。另外由于竞争关系，根际微生物对潜在的植物病原体具有拮抗性，产生的***能抑制病原菌的生长。一些根际微生物可能成为植物病原体或和植物竞争可利用的生长因子、水和营养物，而有害于植物。

    一些**和植物根以互惠关系建立起来的共生体称为菌根。菌根共生体可以促进磷、氮和其他矿物质的吸收。**和植物根形成的共生体增强了它们对环境的适应能力，使它们能占据它们原来所不能占据的生境。根为**的生长提供能源。菌根菌为植物提供矿物质和水，产生的植物之间的抑制物质使生长植物对其他植物存在偏害关系，削弱外来者的竞争，以保持占据的生境。结合以后的共生体不同于单独的根和**，它们除保留原来的各自的特点外，又产生了原来所没有的优点，体现了生物种间的协调性。

菌根分为两大类，外生菌根和内生菌根(图11-4)。外生菌根的**在根外形成致密的鞘套，少量菌丝进入根皮层细胞的间隙中；内生菌根的菌丝体主要存在于根的皮层中，在根外较少。内生菌根又分为两种类型，一种是由有隔膜**形成的菌根，另一种是无隔膜**所形成的菌根，后一种一般称为VA菌根，即“泡囊-丛枝菌根”(vesilular-arbuscular mycorrhizae)。外生菌根主要见于森林树木，内生菌根存在于草、林木和各种作物中。陆地上97%以上的绿色植物具有菌根。

    ①根瘤菌和豆科植物的共生固氮 根瘤菌和豆科植物的共生固氮作用是微生物和植物之间*重要的互惠共生关系。共生固氮把大气中不能被植物利用的氮转变可被植物合成其他氮素化合物的氨，这对于增加土壤肥力和推动氮循环有重要意义。

    共生固氮是一个十分复杂的生理、生化过程。根瘤菌和植物根经过一系列的相互作用过程而形成具固氮能力的成熟根瘤。固氮酶由根瘤菌提供，根瘤菌和植物根共同创造一个有助于同氮的生态位。根瘤菌专性好氧，固氮是耗能和对氧敏感过程。这些几乎完全对立的特征被融合在豆科植物根瘤中，根瘤中的中心侵染组织是一个微好氧生态位。根瘤周围未被侵染植物细胞的连续层限制和控制氧的内部扩散。内部组织维持大约百分之一的大气浓度(0.2%氧)，这个氧量低到能进行固氮过程。另外中心组织的植物细胞合成大量豆血红蛋白携带氧，有利于低氧浓度扩散通过植物细胞质膜，提供胞内根瘤菌(类菌体)以充分氧流进行呼吸和氧化磷酸化。固氨过程产生的氨穿过类菌体膜被植物同化利用。

共生固氮的遗传机理也十分复杂。根瘤的形成需要特定的植物和细菌基因的协调和有序的表达。根瘤菌nif(固氮)基因是编码固氮酶酶系的基因，基因组包括固氮酶的结构基因(nif/H、nif/D和nifK)、合成铁-钼辅因子的结构基因(nif/B、nifE)，与根瘤形成有关的基因是nod、nol，决定后期共生固氮根瘤发展的基因是fix。此外还有影响表面外多糖和脂多糖的基因exo和lps，以及决定类菌体二羧酸吸收的基因(dct)。植物方面的遗传控制工作以豌豆、大豆和其他材料进行了大量的研究工作，已经发现有大约50个位点(loci)与共生固氮有关。有研究报道植物的ENOD₂基因的作用可以改变根瘤中央固氮组织的微生境，改变根瘤薄壁组织的细胞外形，因而影响氧进入根瘤通道的扩散阻力。

    ②放线菌和非豆科植物共生固氮 已知放线菌目中的弗兰克氏菌可与200多种非豆科植物共生形成放线菌根瘤(actincrhizas)。这些根瘤也具有较强的共生固氮能力。结瘤植物多为木本双子叶植物，如凯木、杨梅、沙棘等。

    蓝细菌(蓝藻)中的许多属种除能自生因氮外，念珠藻属、鱼腥藻届等属的蓝细菌与部分苔类植物、薛类植物、蔗类植物、棵子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体。

    从根际、菌根到根瘤，微生物和植物根之间的互惠共生关系越来越密切，形态结构越来越复杂，生理功能越来越完备，遗传调节越来越严密，这也是生物相互作用的**形式。在共生体中，植物根是主导方面。共生体的建立促进了植物的生长，从生态学的观点可以看成是生物克服恶劣环境，抵抗环境压力达到生物和环境协调统一的一种手段。

    人类赖以生存的食品以及其他许多生活、生产资料都是微生物生长的潜在基质，可以不同程度上为微生物所利用。在大多数情况下，微生物对这些物质的作用导致酸败、腐烂及霉腐，消除微生物或抑制有害微生物的代谢活动，特别是应用微生物生态学原理抑制有害微生物的活动是防止食品、材料腐败变质的重要方法。

    工业产品中的微生物大多来源于原料和成品对环境中微生物的吸附，在一定条件下微生物生理活动造成对产品的严重损害。食品是微生物生长繁殖的天然培养基，在加工、包装、运输和贮藏等过程中，都可能被霉菌、细菌、酵母菌等微生物污染，在合适的温、湿度条件下可以迅速生长，产生各种**。在农产品上存在着大量的微生物，全世界每年因霉变而损失的粮食就占总产量的2%左右。花生、玉米、大米、棉籽、胡桃、麦类受霉菌污染产生霉菌**是农产品霉腐的突出问题，常引起食物中毒或癌变。

    控制微生物，防止生物霉腐的方法概括起来有三种，这些方法可以单独或结合使用。①用物理或化学方法杀死或去除物品上的一切微生物，再用物理方法防止微生物的再污染。这种方法是使微生物在不能耐受的环境条件下被杀灭。②把食品和其他材料保存于微生物不能进行代谢活动或代谢活动水平极低的环境条件下。这种方法是造成微生物不具代谢活性或代谢活性极低的环境条件，但不是要杀死所有微生物或完全消除微生物的代谢活动。这种控制环境条件的方法要注意极端环境微生物代谢活动所造成的腐败。③通过加工或加入对人无害的添加剂来抑制微生物的活动或降低食品和材料的微生物可利用性。*常用的是苯甲酸、山梨酸、乙酸等有机酸(或盐)。*具生态学色彩的方法是用一类微生物活性来抑制另一类微生物活性。常用乳杆菌、丙酸细菌、醋化醋杆菌等产生的乳酸、丙酸、乙酸等酸性物质来抑制其他酸败细菌的活动，达到保藏食物的目的。

    微生物生态学所涉及的主要是微生物在复杂生态环境中的结构与功能，实验室的纯培养方法尽管在一定程度上可以研究自然环境中的微生物，但并不能完全揭示它们的组成和活动，因此需要发展自然状况下的研究方法，或称为原位研究方法。

    生态环境中微生物群落的原位观察由于激光聚焦(laserconfocal)显微镜的出现而得以实现。这种显微镜产生的少量x-射线可以在不扰动或固定的条件下成像。而且激光光学捕集(trspping)可以把单个细胞从生境中剥离，这种技术提供了新的洞察力，以便了解群落的种群组成。此外还有荧光标记等技术，能够进行群落的原位观察。

    微生境是直接对微生物产生效应的环境，研究微生境可以对微生物活动有深入的了解。通过控制生境中光、营养、氧、硫等环境因素可以模拟微生境和发生在微生境中理化因子的梯度变化。微宇宙(microcosms)模型系统类似于微小的生态圈，它包括各种微生物、植物和动物，多种生境和各种界面。使用微宇宙系统能够检查生态系统内更复杂的相互关系。原位培养是另一种模拟生境技术，一般使用瓶、实验桶、透析袋或微孔滤膜组成围隔，将要研究的样品放入原来位置进行培养。

    微生物群落样品可以在不进行微生物培养和显微镜观察条件下被分析。首先核酸被从样品中分离出来，再与相应的基因探针进行杂交，可以推断出所测样品群落组成。分子生物学技术方法，用于微生物生态的研究是发展的趋势，正方兴末艾。

    ****表面一般为无侵袭力的“土著”微生物所占据。皮肤、口腔和胃肠道有各具特色的微生物群落，占据不同生境的微生物表现出各自的群落特征，有不同的生理功能。

    皮肤表面温度适中(33-37℃)，pH稍偏酸(4-8)，可利用水一般不足，汗液中有无机离子和其他有机物，是微生物生长的合适生境。表面的脂类物质和盐度对微生物组成有重要影响。优势的细菌种群是革兰氏阳性菌，它们包括葡萄球菌属、微球菌属、棒杆菌属等。革兰氏阴性茵较少见于皮肤。**有瓶形酵母属。皮肤表面正常栖居的微生物对外来微生物具有排斥作用，可以防止外来微生物和病原微生物的侵染，对皮肤有保护作用。

    口腔是一个有利于微生物生长的生境：①温度稳定；②水分充足；③口腔内高低不平的表面为微生物提供多样的微生境；④营养丰富；⑤唾液提供微生物生长因子，也含有抗微生物物质；⑥好氧的大环境和厌氧的微生境并存。口腔微生物分初于软组织粘膜(脱落与未脱落)表面、牙齿表面和唾液。同时存在好氧和厌氧的微生物，主要类群包括细菌、放线菌、酵母菌、原生动物，以细菌数量*多。

    口腔**(龋齿和牙龈炎)和口腔微生物有重要关系，但不是外部病原微生物的侵染而是内部微生物群落组成和结构的改变。人食物中的糖分(特别是蔗糖)含量增加导致在牙齿表面形成一个产酸和耐酸的细菌群落，这个群落中的主要属种是突变链球菌，表兄链球菌、乳杆菌属细菌。它们代谢糖产酸，使口腔pH急剧下降，而唾液尚不足以中和其酸度，使牙齿表面pH甚至下降到4，酸溶解齿表面的珐琅质，*终造成龋齿。氟能恢复和促进牙齿珐琅质和抑制细菌对糖的代谢，因此是良好的防治牙病的药物。**方法已被研究用于龋齿的防治，突变链球菌制备的单克隆抗体具有正向的**效应。

    胃肠道所包含的****有胃、小肠和大肠，胃肠道微生物研究的主要是大肠内的微生物。胃的特点是酸度高(pH值甚至低于3)，含大量的消化酶，这种生境不适合于微生物生长，因此胃内仅有数量较低的附在胃壁上的抗酸微生物，包括酵母、链球菌、乳杆菌等，但当胃酸度降低，细菌数量会增加。小肠连接胃和大肠，主要功能是消化食物和吸收营养。其正常环境pH值稍偏碱，表面多腺体，含有消化酶，强烈蠕动。微生物数量从近胃端的低量(10³Cfu/m1)到近大肠端的高量(10⁸Cfu/ml)。大肠的主要功能是吸收粪便中的水分，也吸收少量的营养。其正常环境pH偏碱到中性，表面多腺体，温和蠕动。微生物数量巨大(10¹¹CFu/ml)，区系组成包括拟杆菌、真杆菌、厌氧链球菌、双歧杆菌、肠球菌、肠杆菌、乳酸菌、梭菌、酵母等。

    人和胃肠道微生物存在着对双方都有利的共生关系。微生物合成的维生素、蛋白质，产生的能源可以为人吸收利用，低水平的肠道区系(通常使用***后的**天)将会导致叶酸和维生素K的缺乏。

    胃肠道易于受到外来微生物或病原微生物的侵染。能侵染胃的微生物有细菌(幽门螺杆菌)、病毒(细胞巨化病毒)、酵母、寄生虫。幽门螺杆菌可能与人类B型胃炎、消化性溃疡及胃癌等有着密切关系，倍受临床医学、微生物学工作者关注。

    水携带的病原微生物可以通过多种途径进入人体，这包括直接饮用、接触和吸入。饮水不洁所造成的传染病在发展中国家中十分普遍。接触污染水体会引起皮肤、眼睛**。吸入带有病原微生物的水珠会导致呼吸道传染病。水传播的病原微生物及其引起的传染病如表ll—3。

    表11—3 通过水传播的主要病原微生物及所引发的传染病 

    带有病原微生物未经处理的固体废弃物随意丢弃、堆放及作为农田肥料使用，污水灌溉都可能造成对土壤的污染。病原微生物在土壤中的迁移机制包括物理过程、化学过程和生物学过程。物理过程：土壤是一种多孔介质，微生物在土壤中的迁移类似于溶质在水体中的迁移，包括对流、平流和水动力弥散。同时微生物也受到土壤介质的作用，包括过滤、吸附、解吸和沉降。化学过程：化学过程可以认为是一种趋化性迁移。可以游动的微生物响应于化学物质的梯度而迁移，迁移具有方向性，或顺浓度梯度，或逆浓度梯度移动。生物过程：生物过程是病原微生物自身属性和与土壤环境相互作用对迁移的影响。病原微生物对土壤环境中养分的利用能力，与“土著”微生物及其他生物的竞争，对环境条件的适应能力，都影响它们的生长、繁殖和存活，因此影响它们的数量以及迁移传播。

    病原微生物通过生物气溶胶在空气中传播。生物气溶胶(bioaerosols)是悬浮在大气中的气溶胶、微生物、微生物副产物和花粉的集合体。生物气溶胶的迁移扩散主要受到自身的物理特性和环境条件的影响。颗粒越大移动速度越慢，扩散能力就越低。高温和干燥有利于扩散，而低温、潮湿(特别是下雨)则起相反的作用。风对生物气溶胶在室外的扩散有重要的影响，可以使室外的微生物进人室内，还使办公室、商业场所等室内环境的微生物向外扩散。

    气溶胶中的病原微生物主要来源于城市污水处理厂、宿主、土壤和许多带菌者。空气传播的病原菌和**主要有白喉棒状杆菌和白喉，溶血性链球菌和猩红热、风湿热，分枝杆菌和结核，肺炎链球菌、肺炎支原体和肺炎，奈瑟氏球菌和脑膜炎，博德特氏菌和百日咳，病毒和天花、流感等。

    环境保护涉及范围很广，主要是消除污染和保护生态环境，微生物在这二个方面都有重要作用。

   生物降解(biodegradation)是微生物(也包括其他生物)对物质(特别是环境污染物)的分解作用。生物降解和传统的分解在本质上是一样的，但又有分解作用所没有的新的特征(如共代谢，降解质粒等)，因此可视为分解作用的扩展和延伸。生物降解是生态系统物质循环过程中的重要一环。研究难降解污染物的降解是当前生物降解的主要课题。

    污染物的生物降解反应和其他生物反应本质上都是酶促反应，降解过程中大部分降解酶是由染色体编码的，但其中有些酶，特别是降解难降解化合物的酶类是由质粒控制的，这类质粒被称为降解性质粒(catabolic plasmids)。细菌中的降解性质粒和分离的细菌所处环境污染程度密切相关，从污染地分离到的细菌50%以上含有降解性质粒，与从清洁区分离的细菌质粒相比，不但数量多，其分子也大(信息量大)，被广泛深入研究的质粒列于表11-4。

    发生在自然界的有机物的氧化分解过程也见于污染物的降解，主要包括氧化反应、还原反应、

 水解反应和聚合反应。化学结构是决定化合物生物降解性的主要因素，一般一种有机物其结构与自然物质越相似，就越易降解，结构差别越大，就越难降解。具有不常见取代基和化学结构使部分化学农药难于生物降解而残留。塑料薄膜因分子体积过大而抗降解，造成白色污染。

评价化合物的降解性有两种基本的试验方法，微生物学方法和环境学方法。前者通常使用纯培养在*适条件下研究化合物的降解，然而其条件是自然环境所没有的，因此其结果不能直接预测它们在环境中的实际行为，降解性通常被高估，但对进行生物处理仍有重要参考价值。环境学方法着眼于化学物在受污染水体和土壤中的降解性，通常使用取自污染区域或废水处理厂的混合微生物源或模拟自然条件培养于实验室的混合微生物培养物来进行实验研究，对所得结果的评价更接近于野外的实际情况。

    环境污染中所说的重金属一般指汞、镉、铬、铅、砷、银、硒、锡等。微生物特别是细菌、**在重金属的生物转化中起重要作用。微生物可以改变重金属在环境中的存在状态，会使化学物毒性增强，引起严重环境问题，还可以浓缩重金属，并通过食物链积累。另一方面微生物直接和间接的作用也可以去除环境中的重金属，有助于改善环境。

    汞所造成的环境污染*早受到关注，汞的微生物转化及其环境意义具有代表性。汞的微生物转化包括三个方面：无机汞(Hg²⁺)的甲基化；无机汞(Hg²⁺)还原成Hg⁰；甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成Hg⁰。包括梭菌、脉抱菌，假单胞菌等和许多**在内的微生物具有甲基化汞的能力。能使无机汞和有机汞转化为单质汞的微生物也被称为抗汞微生物，包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌等。微生物的抗汞功能是由质粒控制的，编码有机汞裂解酶和无机汞还原酶的是mer操纵子。

    微生物对其他重金属也具有转化能力，硒、铅、锡、镉、砷、铝、镁、钯、金、铊也可以甲基化转化。微生物虽然不能降解重金属，但通过对重金属的转化作用，控制其转化途径，可以达到减轻毒性的作用。

    人类生产和生活活动产生的污水(废水)、废气及固体废弃物都可以用生物方法进行处理。

微生物处理污水过程的本质是微生物代谢污水中的有机物，作为营养物取得能量生长繁殖的过程，这和一般的微生物培养过程是相同的。微生物在对溶解性和悬浮的有机物酶解(降解)过程中产生能量，所产生的能量2/3被转化成生物量，l/3被用于维持生长，而当外源有机物减少，微生物进入内源呼吸，以消耗胞内有机物来维持微生物的存活。

l         l         好氧处理系统

l         l         厌氧处理系统

l         l         生态工程处理方法

l         l         氮、磷去除技术

    利用微生物分解固体废弃物中的有机物，从而实现其无害化和资源化，是处理固体废弃物的有效而经济的技术方法。它包括堆肥化处理、生态工程处理法、废纤维糖化、废纤维饲料化等。

堆肥化处理

l         l         生态工程处理方法

l         l         废纤维糖化技术

l         l         废纤维饲料化——生产单细胞蛋白技术

    气态污染物的生物处理技术是生物降解污染物的新应用。生物处**态污染物的原理与污水处理是一致的，本质上是对污染物的生物降解与转化。生物降解作用难于在气相中进行，所以废气的生物处理中，气态污染物首先要经历由气相转移到液相或固体表面液膜中的过程。降解与转化液化污染物的也是混合的微生物群体。处理过程在悬浮或附着系统的生物反应器中进行。提高净化效率需要增强传质过程(即污染物从气相转入液相)和创造有利于转化和降解的条件。

生物修复 是微生物催化降解有机污染物，转化其他污染物从而消除污染的一个受控或自发进行的过程。生物修复基础是发生在生态环境中微生物对有机污染物的降解作用。

由于自然的生物修复过程一般较慢，难于实际应用，生物修复技术则是工程化在人为促进条件下的生物修复；它是传统的生物处理方法的延伸，其**之处在于它治理的对象是较大面积的污染。由于污染环境和污染物的复杂多样，因而产生了不同于传统治理点源污染的新概念和新的技术措施。

目前生物修复技术主要用于土壤、水体(包括地下水)、海滩的污染治理以及固体废弃物的处理。主要的污染物是石油烃及各种有毒有害难降解的有机污染物。

生物修复的本质是生物降解，能否成功取决于生物降解速率，在生物修复中采取强化措施促进生物降解十分重要。这包括：

①接种微生物 目的是增加降解微生物数量，提高降解能力，针对不同的污染物可以接种人工筛选分离的高效降解微生物，接人单种、多种或一个降解菌群，人工构建的遗传工程菌被认为是优选的接种微生物；

②添加微生物营养盐 微生物的生长繁殖和降解活动需要充足均衡的营养，为了提高降解速度，需要添加缺少的营养物；

③提供电子受体 为使有机物的氧化降解途径畅通，要提供充足的电子受体，一般为好氧环境提供氧，为厌氧环境的降解提供硝酸盐；

④提供共代谢底物 共代谢有助于难降解有机话染物的生物降解；

⑤提高生物可利用性 低水溶性的疏水污染物难于被微生物所降解，利用表面活性剂、各种分散剂来提高污染物的溶解度，可提高生物可利用性；

⑥添加生物降解促进剂 一般使用H₂O₂可以明显加快生物降解的速度。

    生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物指示环境污染。由于微生物易变异，抗性强，微生物作为环境污染的指示物在应用上不及动物和植物广泛而规范。但微生物的某些独有的特性使微生物在环境监测中有特殊作用。

    粪便中肠道病原菌对水体的污染是引起霍乱、伤寒等流行病的主要原因。沙门氏菌、志贺氏菌等肠道病原菌数量少，检出鉴定困难。因此不能把直接检测病原菌作为常规的监测手段，从而提出了检测与病原菌并存于肠道，且具相关性的“指示菌”，从它们的数量来判定水质污染程度和饮水(包括食品等)的**性。总大肠菌群是*基本的粪便污染指示菌，*常用的水质指标之一。检测水体中总大肠菌群的方法主要是MPN(most probable number)试验法和膜滤试验法(memlbrane filtration test)。

    环境污染物的遗传学效应主要表现在污染物的致突变作用，致突变作用是致癌和致畸的根本原因。具有致突变作用或怀疑具有致突变效能的化合物数量巨大，这就要求发展快速准确的检测手段。微生物生长快的特点正适合这种要求，微生物监测被公认是对致突变物*好的初步检测方法。

    现在被广泛使用的是美国Ames教授等建立称为Ames试验的方法。其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)的组氨酸营养缺陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测物质的致突变性。一般采用纸片点试法和平皿掺入法监测环境污染物的致突变性。当培养基中含有微量组氨酸时，倾注过量菌液的平板上形成一层微小的菌落，但当受到致突变物作用时，缺陷型菌株回复为野生型菌株，这时在培养基上长出明显的菌落。

    发光细菌发光是菌体生理代谢正常的一种表现，这类菌在生长对数期发光能力极强。当环境条件**或有毒物质存在时，发光能力受到影响而减弱，其减弱程度与毒物的毒性大小和浓度成一定的比例关系。通过灵敏的光电测定装置，检查在毒物作用下发光菌的发光强度变化可以评价待测物的毒性。其中研究和应用*多的为明亮发光杆菌(Photobacterium phosphereum)。

    硝化细菌所进行的把铵离子(NH₄⁺)在好氧条件下氧化成硝酸根(NO₃^-)的硝化作用在生态系统的氮循环中有重要作用，这个过程只有微生物才能进行。用测定硝化细菌相对代谢率的方法检测水及土壤中的有毒物，并以此评判水体、土壤环境及环境污染物的生物毒性，对于宏观生态环境健康程度的评价有重要意义。

在环境污染的微生物监测中以上介绍的几种方法重复性好，易于规范，可以作为标准的监测方法。依照同样原理的其他微生物监测方法(以微生物组成、数量、代谢活性、遗传特性为指标)也在不断研究和使用。

1.微生物生态的核心问题是微生物与环境的相互关系，不同生态环境中微生物的组成和生态�%8