原核微生物（理论基础）

任务1.1　原核微生物（理论基础）

原核微生物，是指一大类细胞核无核膜，仅有由裸露DNA构成核区的原始单细胞生物，主要包括细菌、蓝细菌、放线菌、立克次氏体、支原体和衣原体等。

1.1.1　细　菌

细菌是一类个体微小、结构简单、细胞壁坚韧、主要以二分裂法繁殖和水生性较强的单细胞原核微生物。在自然界中，细菌分布最广、数量最多，与食品关系最密切，是食品工业、发酵工业的主要研究对象，也是引起食品腐败变质的主要微生物来源。

1）细菌的生物学特性

（1）细菌的形态

细菌的基本形态有3种，分别为球状、杆状和螺旋状。杆状最为常见，球状次之，螺旋状较少见。还有少数其他形态如梨状、圆盘形、方形、星形和三角形等。

①球菌：球菌是一类菌体呈球形或近似球形的细菌。根据其分裂方向、分裂后子细胞的分离粘连程度及排列方式，可以分为6种类型（图1.1）：单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌。

图1.1　球菌的各种形态及排列方式1.球菌；2.葡萄球菌；3.双球菌；4.链球菌；5.具双球菌的链球菌；6.具荚膜的球菌；7.八叠球菌

②杆菌：杆状的细菌称为杆菌。菌种不同，菌体细胞的长短、粗细、弯度等都有差异。杆菌的形态多样（图1.2）。

图1.2　杆菌的形态

同种杆菌的粗细比较稳定，长短因环境条件的不同而有较大变化。根据菌体长短的不同，有长杆菌（如枯草芽孢杆菌）、短杆菌或球杆菌（如甲烷短杆菌属）；根据菌体两端的形态不同，多数菌体两端钝圆，有些呈平截状或刀切状（如炭疽芽孢杆菌）；根据菌体某个部位是否膨大，有棒状杆菌（如北京棒状杆菌）和梭状杆菌（如丙酮丁醇梭菌）。有的杆菌在一端分支，故呈“丫”或叉状（如双歧杆菌属）；有的杆菌稍弯曲而呈月亮状或弧状（如脱硫弧菌属）。杆菌的细胞排列有“八”字状、栅状、链状以及有菌鞘的丝状。

③螺旋菌：菌体呈弯曲状的细菌称为螺旋菌。根据其弯曲情况可分为弧菌和螺菌。弧菌菌体仅一个弯曲，呈弧形或逗号形，如霍乱弧菌、逗号弧菌；螺菌菌体有多个弯曲，如鼠咬热螺菌。

细菌的形态与环境因素有关，培养温度、培养时间、培养基的成分和浓度等都可影响细菌的形态。一般在幼龄及生长条件适宜时，细菌形态正常；而在陈旧培养物或处于不正常的培养条件下，如含有药物、抗生素、抗体、高浓度的NaCl等，细菌细胞会表现出不正常形态，尤其是杆菌。这种由环境条件而引起的非正常形态的细菌，若获得适宜条件，会恢复正常形态。一般在适宜条件下，细菌培养8～18h，形态比较典型。因此，在观察细菌的形态时，必须注意培养的时间。

（2）细菌的大小

细菌细胞大小的度量单位是微米（μm），使用显微测微尺在显微镜下可以测量其大小。球菌的大小用其直径表示，直径一般为0.5～2.0μm；杆菌的大小用长度×宽度表示，大小一般为（1.0～5.0）μm×（0.5～1.0）μm；螺旋菌大小的表示与杆菌一样，只是其长度指的是弯曲形长度，而不是真正的总长度，大小为（1.0～5.0）μm×（0.3～1.0）μm。典型细菌的大小可用大肠杆菌表示，其平均大小约为2.0μm×0.5μm。

（3）细菌的细胞结构

细菌的细胞结构分为一般结构和特殊结构，其模式构造见图1.3。

图1.3　细菌细胞结构的模式图

①一般结构。细菌的一般结构也称基本结构，是所有细菌都具有的，包括细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体。除细胞壁外的其余部分合称为原生质体。

a.细胞壁：细胞壁位于菌体最外层，坚韧且略具弹性，占细胞干重的10%～25%，主要成分为肽聚糖。细胞壁的基本功能：固定细胞外形（去细胞壁后的原生质体呈球形）；为细胞的生长、分裂和鞭毛的着生、运动等所需；保护细胞免受外力的损伤（如革兰氏阳性细菌可承受15～25个大气压的渗透压，革兰氏阴性细菌可承受5～10个大气压）；与细菌的抗原性、致病性和对抗生素及噬菌体的敏感性密切相关。

由于细菌细胞极其微小又十分透明，在光学显微镜下观察不方便。丹麦医生C.Gram创立了革兰氏染色法，几乎可以将所有细菌分成两大类。其主要操作过程是：先用草酸铵结晶紫液初染，再用碘液媒染，然后用95%乙醇脱色，最后用蕃红（沙黄）等红色染料复染。被染成紫色的细菌称为革兰氏阳性细菌（G＋）；染成红色的细菌称为革兰氏阴性细菌（G－）。

b.细胞膜与间体：细胞膜是紧贴细胞壁内侧的一层柔软、富有弹性的半透性薄膜，约占细胞干重的10%，其主要成分为双层磷脂和蛋白质，还有少量糖类，蛋白质有些穿过磷脂层，有些位于表面。细胞膜具有的生理功能：控制细胞内、外的物质（营养物质及代谢废物）的运送、交换；参与合成膜脂、细胞壁各种组分和荚膜等大分子；参与产能代谢，在细菌中，电子传递链和ATP合成酶均位于细胞膜；分泌细胞壁和荚膜的成分、胞外蛋白（各种毒素、细菌溶菌素）以及胞外酶；维持细胞内正常的渗透压；参与DNA的复制与子细菌的分离；鞭毛的着生点和提供其运动所需的能量等。

间体是细胞膜内陷形成的层状、管状或囊状结构，又称中体。它的功能目前还不完全了解。位于细胞中央的间体可能与DNA复制与横隔壁的形成有关，位于细胞周围的间体可能是分泌胞外酶（如青霉素酶）的地点。它可能还与细菌的呼吸和芽孢的形成有关。

c.细胞质：细胞膜所包围的、除核质体以外的一切无色、透明、黏稠的胶状物质统称为细胞质。其主要成分是蛋白质、核酸、脂类、水分、多糖类及少量无机盐类。细胞质中含有很多酶系，是新陈代谢的主要场所。细胞质含有多种内含物，有质粒、核糖体、贮藏颗粒等。

d.核区：细菌是原核细胞，无成形的细胞核，不具核膜和核仁，故称为“类核”、核区、核质体。核区由一个环状双链DNA分子高度缠绕而成，其长度达0.25～1mm，一般位于细胞的中央，呈球状、卵圆状、哑铃状或带状。核区的功能相当于细胞核，是细菌遗传的物质基础。

②特殊结构。特殊结构为某些种类的细菌所具有，包括鞭毛、菌毛、荚膜、芽孢等。特殊结构对细菌的生命活动非必需，在分类鉴定上具有重要意义。

a.荚膜：荚膜是覆盖在某些细菌细胞壁外的一层厚度不定、富含水分的多糖黏胶状物质。折光率低，不易着色，可用负染色法在光学显微镜下观察到。有三种基本形态（图1.4）：大荚膜（较厚、有明显的外缘和一定的形状、与细胞壁结合紧密）；微荚膜（薄、与细胞壁结合较紧密）；黏液层（厚、没有明显的边缘、结合比较松散）。黏液层能将多个菌体黏合在一起形成分支状的大型黏胶物，称为菌胶团。

图1.4　细菌荚膜的形态1.细菌的荚膜；2.细菌的菌胶团

荚膜的基本功能：贮藏养料（必要时可为细菌提供营养等）；保护作用（含水分，可保护细菌免于干燥；可抵御吞噬细胞的吞噬；可保护菌体免受噬菌体和其他物质的侵害）；致病功能（为主要表面抗原，是某些病原菌的毒力因子；是某些病原菌必需的黏附因子）。

产荚膜细菌除了致病外，还给食品工业带来危害，如产荚膜菌的污染将导致“黏性牛奶”“黏性面包”，肠膜状明串珠菌产生的黏液影响糖液的过滤。

b.鞭毛：鞭毛是某些细菌体表生长的一种纤长而呈波浪形弯曲的丝状物，起源于细胞膜内侧的基粒，穿过细胞膜和壁而伸到外部。数目从1～2根到数百根。鞭毛的直径只有10～20nm，长度达15～20μm，超过菌体长度数倍到数十倍不等。经电镜技术、特殊染色、暗视野、悬滴法或半固体穿刺法可看到或判断鞭毛的存在。所有弧菌、螺菌和假单胞菌，约半数杆菌和少数球菌具有鞭毛。鞭毛着生的位置和数目主要有一端单生、两端单生、一端丛生、两端丛生和周生几种类型（图1.5）。鞭毛是细菌的运动器官。

图1.5　鞭毛菌的几种主要类型

c.菌毛：菌毛是某些G－菌（如大肠杆菌、铜绿假单胞菌、伤寒沙门氏菌和霍乱弧菌等）与G＋菌（如链球菌属等）的个别菌体表面的细毛状物，呈中空柱状，细、短、直，数目多，周身分布。由菌毛蛋白组成，非运动器官。其基本功能是：促进细菌的黏附（如沙门氏菌、霍乱弧菌和淋病奈瑟氏菌等致病菌依靠菌毛黏附于宿主的肠上皮细胞和生殖道而致病）；是G－菌的抗原；促使好氧菌或兼性厌氧菌形成菌膜。

d.芽孢：某些细菌生长到后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、折光性强、壁厚、具抗逆性的休眠体，称为芽孢。一个细胞仅形成一个芽孢，一个芽孢只能形成一个菌体，所以芽孢无繁殖功能。绝大多数产芽孢的细菌为G＋杆菌，主要为好氧的芽孢杆菌属和厌氧的梭状芽孢杆菌属。

芽孢的形状、大小和位置因菌种而异。大多数厌气性芽孢杆菌的芽孢直径大于菌体的宽度且位于菌体中央，故整个菌体呈梭形，如梭状芽孢杆菌；有的位于菌体的一端，且直径大于细菌的宽度，使菌体呈鼓槌状，如破伤风梭菌；有的位于细胞中央，直径小于菌体的宽度，如枯草杆菌。芽孢和菌体形态的几种类型如图1.6所示。

图1.6　各种芽孢的形态和位置示意图

芽孢的代谢活性很低，对干燥、热、化学药物（酸类和染料）和辐射等具有高度抗性。比如肉毒梭菌在沸水中能存活数年之久，而其营养细胞在80℃仅需5～10min即可死亡。芽孢对理化因素抵抗力强的原因与其结构及成分有关。芽孢具有多层结构（图1.7），由外到内依次为：芽孢外壁，为保护层，主要由蛋白质、脂质和糖类组成；一层或几层芽孢衣，主要成分为蛋白质，致密，通透性差，能抗酶和化学物质的透入；皮层，约占芽孢总体积的一半，主要由一种芽孢所特有的肽聚糖组成，渗透压很高。

图1.7　细菌芽孢结构模式图

研究细菌的芽孢的意义：芽孢是细菌分类鉴定的重要依据之一；也是制定灭菌标准的基本依据。在食品工业上，主要以杀灭肉毒梭菌、破伤风梭菌、产气荚膜梭菌和嗜热脂肪芽孢杆菌等强致病性或高耐热性细菌的芽孢为标准，嗜热脂肪芽孢杆菌的芽孢在121℃下12min才能杀死，因此要求湿热灭菌在121℃下至少保持15min。

（4）细菌菌落的形态特征

将单个微生物细胞或少数同种细胞接种在固体培养基的表面，繁殖的细胞会以母细胞为中心，形成肉眼可见的、有一定形态构造的子细胞群体，称为菌落。如果固体培养基表面有许多菌落连成一片，便成为菌苔。菌落形态包括大小、形状、边缘、颜色、光泽、隆起、质地、扩展性、透明度等。

细菌菌落的共同特征：湿润、光滑、较黏稠、较透明、易挑取、质地均匀以及菌落正反面或边缘与中央部位的颜色一致等。但是不同细菌的菌落也有自己的特点，如无鞭毛的细菌尤其是球菌，通常形成较小、较厚、边缘整齐的菌落；有鞭毛的细菌，形成的菌落大而扁平、形状不规则和边缘呈锯齿状、波浪状（甚至树根状）等；有荚膜的细菌，其菌落较大且光滑；无荚膜的则表面较粗糙；有芽孢的细菌菌落表面粗糙、多褶、不透明、边缘不规则。

对于细菌菌落的研究成果已广泛应用于菌种的分离、鉴定、纯化、计数和选育等方面，在基因工程中也得到普遍应用。

2）细菌的繁殖

细菌最主要的繁殖方式是无性繁殖——二分裂。进行二分裂时，先是DNA复制形成两个核质体，随着细菌的生长，核质体彼此分开，菌体中部的细胞膜也对称地向心凹陷生长，同时核质体均等地分配到凹陷的两边；接着细胞壁沿着凹陷的横隔，向心生长逐渐增厚并于中央会合，形成完整的细胞壁；最后两个子细胞分裂形成独立的新细胞。

3）食品中常见的细菌

食品中常见的细菌分葡萄球菌属、微球菌属等（见表1.1）。

表1.1　食品中常见细菌简明表

续表

1.1.2　放线菌

1）放线菌的生物学特性

（1）放线菌的形态

放线菌由于菌落呈放射状而得名，是一类主要呈丝状生长和以孢子繁殖的原核生物。其种类繁多，形态各异，它的菌体是由分支状菌丝组成的，菌丝细胞在培养生长阶段无横隔膜，故一般都呈多核的单细胞状态。

放线菌菌体为单细胞，大部分放线菌的菌体由分支状菌丝组成，这种菌丝状体称为菌丝体。少数为最简单的杆状或有原始分支。其菌丝细长，直径为1μm，除个别种的气生菌丝形成横隔以外，大多数菌丝无横隔，其中有多个分散的原核，大多数放线菌为革兰氏阳性。其菌丝根据形态和功能不同分为三种类型（图1.8）。

图1.8　放线菌（链霉菌）的三种菌丝

基内菌丝，又称营养菌丝，直径为0.2～0.8μm。在琼脂培养基中，营养菌丝深入到培养基中或匍匐生长在培养基表面上吸收营养。营养菌丝能产生水溶性或脂溶性的各种色素，使培养基或菌落呈现相应的颜色，是鉴定菌种的重要依据。

气生菌丝，营养菌丝体生长发育到一定阶段后，向空间长出分支菌丝体，叫气生菌丝。气生菌丝一般比营养菌丝粗，直径1～1.4μm。气生菌丝颜色较深，少数产生色素，一般无横隔。

孢子丝，又称繁殖菌丝，由气生菌丝逐步成熟时分化而成。孢子丝在气生菌丝上的排列方式，因菌种不同而不同，有直形、钩形、波曲形、螺旋形等。孢子丝的排列方式有交替着生、丛生和轮生等，孢子丝的形态与排列上的差异也是进行分类鉴定的重要依据。孢子丝成熟后，可形成各种各样形态不同的分生孢子。孢子呈球形、椭圆形、杆状、瓜子状等。孢子表面结构有光滑、生刺、带小疣或有毛发状等，成熟的孢子也呈现出特定的颜色。

（2）放线菌的群体特征

放线菌因在固体培养基上产生与细菌有明显区别的菌落，菌落周围具有放射状菌丝而得名。放线菌菌落由菌丝体组成，菌落一般呈圆形、平坦或有许多皱褶，干燥、不透明，表面呈致密的丝绒状或彩色的干粉状。菌落颜色多，正面呈现孢子颜色，背面呈现菌丝颜色。

（3）放线菌菌丝细胞的结构

放线菌菌丝细胞的结构与细菌相似，细胞壁也主要由肽聚糖组成，但不同放线菌细胞壁所含肽聚糖的组成成分不同。细胞壁化学组成中含有原核生物所特有的胞壁酸和二氨基庚二酸，而不含几丁质或纤维素。在幼龄菌丝细胞中有明显的核质体，数量众多。菌丝细胞革兰氏染色一般呈阳性。

2）放线菌的生长和繁殖方式

放线菌以菌丝断裂、产生分生孢子或形成孢囊孢子进行繁殖，其中主要是以形成无性孢子的方式进行繁殖。在液体培养基中，则靠菌丝断裂进行繁殖。有些则是菌丝上形成孢子囊，成熟后释放出大量孢囊孢子。最常见的孢子是分生孢子，如链霉菌等大多数放线菌均能由气生菌丝产生成串的分生孢子；少数放线菌如诺卡氏菌是以营养菌丝分裂形成分生孢子进行繁殖的；有些放线菌产生的孢子则是孢囊孢子，如链孢囊菌和游动放线菌。放线菌孢子形成的方式可归纳为以下三种。

（1）横隔分裂

放线菌有两种形式进行横隔分裂，一种是孢子丝的细胞膜内陷，并由外向内逐渐收缩，形成完整的横隔，孢子丝凝缩成球状或豆状，由旧细胞壁相连成链，成熟后断开形成单个分生孢子，如链霉菌孢子的形成；另一种是当分支状营养菌丝成熟后，细胞壁和细胞膜同时内陷并向中心缢缩，将营养菌丝分节后通过横隔分裂方式形成圆柱状的分生孢子，如诺卡氏菌孢子的形成（图1.9）。

图1.9　放线菌的两种横隔分裂方式

（2）在菌丝顶端形成少量孢子

有的放线菌如小单孢放线菌，多数不形成气生菌丝，孢子的形成是在基内菌丝上作单轴分支再生出直而短的特殊分支，分支可再分，分支顶端形成单个圆形、椭圆形或长圆形分生孢子；小双孢菌和小四孢菌这两属放线菌，在基内菌丝上不形成孢子，仅气生菌丝顶端分别形成2个和4个孢子。

（3）形成孢子囊产生孢囊孢子

少数放线菌如链孢囊菌和游动放线菌，在气生菌丝或营养菌丝上形成孢子囊，在孢子囊内形成孢子，孢子囊成熟后破裂释放出多个孢囊孢子。孢囊孢子上着生有一至数根极生或周生鞭毛，可运动。

放线菌也可借各种菌丝节段进行无性繁殖，如在液体中振荡或通气搅拌培养时，很难形成孢子，这时其菌丝片段有繁殖功能，对发酵工业非常重要。

3）常见的放线菌属（表1.2）

可引起食品腐败变质的放线菌很少，绝大多数属于有益菌。据James编著的枟现代食品微生物学枠第二版中有关的介绍，仅有一属可能对食品有所危害，即链霉菌属。

表1.2　常见的放线菌属简明表