[推荐]微生物与发酵工艺知识大全

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第三节　生物反应过程的特点

　　生物反应过程的实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。一般生物反应过程示意图如图1-1。

图1-1　生物反应过程示意图
可见，通常的生物反应过程由四个部分组成：
⒈ 原料的预处理及培养基的制备　
　　发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业微生物都不能直接利用这些原料，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以利用废糖蜜、工农业的下脚料等，根据不同微生物和发酵产品的类型调配一定成分的培养基。在发酵前将培养基装入发酵罐中，通入0.098 MPa的蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与否的关键。
⒉ 生物催化剂的制备　
　　发酵过程中，首先应在传统诱变育种或用现代生物技术的手段进行菌种改造的基础上，选择高产、稳产、培养要求不甚苛刻的菌种。发酵前必须经过多次扩大培养达到足够数量和一定质量后即作为种子接种至发酵罐中，满足大罐发酵的要求。如果是酶反应过程，则需选择一定量的活力强的酶制剂。
　　以上两部分属于上游加工过程。
⒊ 生物反应器及反应条件的选择
　　 由于使用的生物类型不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧发酵和好氧发酵两种方式。厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精(alcohol)、啤酒(beer)、丙酮(acetone)、丁醇(butanol)及乳酸(1actic acid)等，发酵过程不需供氧，设备和工艺都较好氧发酵简单。好氧发酵过程中需要消耗大量的氧气，因此需要通入无菌空气，以供代谢需要，如氨基酸、抗生素、赤霉素等的生产都属此类。不管是好氧发酵还是厌氧发酵，均应根据菌种的特点、代谢规律和产品的特点，选择合适的发酵条件。此部分同时还包括生物反应过程的参数检测和控制，都属于中游加工过程。
⒋ 产品的分离与纯化
　　分离与纯化是从发酵液中提取符合质量指标的制品。应根据产品的类型、特点选择合适的下游加工过程(down stream processing)的组合。采用吸附法、溶媒萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法、双水相萃取法、色谱法等，提取、分离和纯化产品，得到符合要求的目标产品。
　　不管是微生物培养，还是动植物细胞培养、污水的生化处理以及从天然物质中应用生物技术提取有效成分均为生物反应过程。如果过程使用的生物催化剂是酶，通常叫酶反应过程。如果是生物细胞，则叫做发酵过程。
　　生物反应过程的特点简述如下：
⑴ 生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需考虑防爆问题。一种设备具有多种用途。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。
⑵ 生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行。
⑶ 能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等。
⑷ 能够高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。
⑸ 生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。
⑹ 生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。
⑺ 通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。
实际生产中，可以通过改进工艺和改善设备的研究，在很大程度上改善产品的质量，提高生产效益。随着生物技术的发展，对生产过程提出了更高的要求，使工艺的研究和优化变得更加重要。

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第四节　微生物工业产品类型 一、微生物菌体的发酵 　　这是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的发酵工业。传统的菌体发酵工业包括面包制作、菌体蛋白(单细胞蛋白，single cell protein，SCP)食品。现代的菌体发酵包括药用真菌，有香菇类，冬虫夏草，与天麻共生的密环菌，以及从多孔菌科的茯苓菌获得名贵中药茯苓和从担子菌获得灵芝等药用菌。生物防治剂如苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体(parasporal inclusions)可杀死鳞翅目、双翅目的害虫；丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫，制成新型的微生物杀虫剂。活性乳酸菌制剂，用于改善人体肠道微生态环境，这也是一种菌体的直接利用。 　　这类产品发酵的特点是细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大的时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。 二、微生物酶发酵 　　酶(enzyme)普遍存在于动物、植物和微生物细胞中。酶的最初来源是从动植物组织中提取，但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵。从19世纪日本学者利用米曲霉制造淀粉酶以来，利用发酵法生产制备并提取微生物生产的各种酶，已是当今发酵工业的重要组成部分。微生物种类多、产酶品种多、生产容易、成本低。 　　微生物酶制剂有广泛的应用。在食品和轻工行业中，如用于生产葡萄糖的淀粉酶(amylase)和糖化酶(saccharifying enzyme)；用于DL-氨基酸的光学拆分的氨基酰化酶(amino acylase)。酶也用于医药生产和医疗检测中，如胆固醇氧化酶(cholesterol oxidase)用于检测血清中胆固醇(cholesterol)的含量，葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)用于检测血液中葡萄糖的含量等。另外还有纤维素酶(cellulase)、蛋白酶(proteinase)、果胶酶(pectinase)、脂酶(lipase)，过氧化氢酶(catalase)、药用酶(pharmaceuticals enzyme)等。 　　这里所说的酶大部分是利用微生物生产的菌体胞内酶(endoenzyme)和菌体胞外酶(exoenzyme)并用现代生物技术的方法提取得到的酶纯品，称酶制剂(emzyme preparation)，以供各行业使用。 三、微生物代谢产物发酵生产 　　以微生物代谢产物作为产品是发酵工业中种类最多，也是最重要的部分。这类产品可分为两类。 ⑴ 初级代谢产物(primary metabolite)，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸等，它们是菌体生长所必需的，是在对数生长期所产生的物质，受许多调节机制的控制。许多初级代谢产物在经济上有相当的重要性。 ⑵ 次级代谢产物(secondary metabolite)，如抗生素、生物碱、细菌素、植物生长因子(plant growth factor)等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，是菌体在生长的稳定期合成的具有特定功能的产物，也受许多调节机制的控制，如诱导调节、分解代谢产物阻遏等。 　　初级代谢产物和次级代谢产物之间的关系表现在图1-2中，可以看出次级代谢产物来源于初级代谢所产生的中间代谢产物。虽然图1-2中的初级生物合成途径对绝大部分微生物来说都很普遍，但是只有少数的微生物可以产生图1-2中的次级代谢产物，并不是所有的微生物都需经历次级代谢过程，例如在放线菌、霉菌、产芽孢细菌中次级代谢很普遍，但是在肠细菌中就没有发现这种现象。 图1-2　初级代谢产物和次级代谢产物之间的关系 初级分解代谢路径用粗线表示；次级代谢产物用斜体表示 　　由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病毒、抗癌、镇咳等其它生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要组成部分。 四、微生物的生物转化 　　微生物的生物转化作用是利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位(基团)，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。 　　生物转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物某一部位，进行特定部位化学反应而形成。细胞的作用仅仅相当于生物催化剂，反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性和立体特异性等。生物工业中最重要的生物转化是甾体转化。 五、微生物特殊机能的利用 ⑴ 利用微生物消除环境污染； ⑵ 利用微生物发酵保持生态平衡； ⑶ 利用微生物进行金属的浸沥回收； ⑷ 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。

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第二章　微生物的形态与分类 　　主要以外观形态而将微生物分类的方法称为形态分类法。实际上自发明了显微镜后，就开始以形态对观察到的微生物进行分类，方便直观的特点是较早为大家所接受的原因，且 至今仍在普遍采用（表2-1）。此外，由于微生物的形态由其生理结构组成所决定，而结构组成又是基因的直接表达，所以形态相同的微生物有着相同或相似的基因组成。微生物形态 是一种相当稳定的特征，在通常情况下，它不会因暂时的环境改变或少量基因突变而改变。 但由于微生物种类多，个体微小，结构较简单，所以单靠观察形态来决定分类是不够的，还 必须结合其生理代谢、细胞化学和遗传方面的特征来进行分类。 　　认识微生物形态是认识微生物的第一步。要应用和对工业微生物进行研究，使发酵生产得以正常进行，必须熟悉常见、常用的微生物形态；区别培养菌和污染菌；了解细胞结构与功能的关系。 　　本章要学习的内容包括细菌、放线菌、酵母、霉菌和噬菌体的形态和分类的一些基础知识。细菌和放线菌属原核生物类，酵母、霉菌和担子菌属真核生物类，藻类则既有属原核生物类，也有属真核生物类的。这两类微生物的主要差别见表2-2 所示。

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第一节　微生物的分类和命名

　　生命的进化经历了几个重要阶段，最初的生命应是非细胞形态的生命，在细胞出现之前，必须有个“非细胞”或“前细胞”的阶段。病毒就是一类非细胞生物，只是关于它们的来历，是原始类型，还是次生类型，仍未定论 。
　　从非细胞到细胞是生物发展的第二阶段。早期的细胞是原核细胞，早期的生物称为原核生物（细菌、蓝细菌）。原核细胞构造简单，没有核膜，没有复杂的细胞器。
　　从原核到真核是生物发展的第三阶段。真核细胞具有核膜，整个细胞分化为细胞核和细胞质两个部分：细胞核内具有复杂的染色体结构，成为遗传中心；细胞质内具有复杂的细胞器结构，成为代谢中心。由核质分化的真核细胞，其机体水平远远高于原核细胞。
一、微生物在生物界中的地位
　　人类在发现和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的两大界——动物界和植物界。随着人们对微生物认识的逐步深入，从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统（表2-3），直到20世纪70年代后期，美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式——古菌，才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域（Archaea）、细菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所构成。
　　古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota）、广域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）；细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其他原核生物；真核生物域包括真菌、原生生物、动物和植物。除动物和植物以外，其他绝大多数生物都属微生物范畴。由此可见，微生物在生物界级分类中占有特殊重要的地位。
　　生命进化一直是人们所关注的热点，有人认为生命的共同祖先（Cenancestor）是一个原生物。原生物在进化过程中产生两个分支，一个是原核生物（细菌和古菌），一个是原真核生物，在之后的进化过程中细菌和古菌首先向不同的方向进化，然后原真核生物经吞食一个古菌，并由古菌的DNA取代寄主的RNA基因组而产生真核生物。
　　从进化的角度，微生物是一切生物的老前辈。微生物在生物界中的地位不同时期不同学者有不同表述，而且还在讨论中。为了使微生物学初学者易于理解，这里以表2-3加以说明。

表2-3　微生物在生物界中的地位

生物界名称	主要结构特征	微生物类群名称
病毒界	无细胞结构，大小为纳米（nm）级	病毒、类病毒等
原核生物界	为原核生物，细胞中无核膜与核仁的分化，大小为微米（μm）级	细菌、蓝细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体、螺旋体等
原生生物界	细胞中具有核膜与核仁的分化，为大、小型真核生物	单细胞藻类、原生动物等
真菌界	单细胞或多细胞，细胞中具核膜与核仁的分化，为小型真核生物	酵母菌、霉菌、蕈菌等
植物界 动物界	细胞中具核膜与核仁的分化，为大型非运动真核生物 细胞中具核膜与核仁的分化，为大型能运动真核生物

二、微生物的分类和鉴定方法
　　分类学的任务是分类（classification）、鉴定（identification）和命名（nomenclature）。一个科学的分类系统需经过有关个体的资料统计、思考和归纳，并为学者所认可和采用。鉴定是一个从一般到特殊或从抽象到具体的过程，要通过一定规则观察和描述一个未知纯种微生物的各种性状特征，然后查找对应的模式株分类系统，以达到对其分类和命名的目的。这期间新发现的微生物命名也在其中。
（一）分类学的规则
　　分类就是遵循分类学原理和方法，对生物的各种类群进行命名和等级划分。近代分类学诞生于18世纪，它的奠基人是瑞典植物学家林奈（Linnaeus，1707～1778年），他建立了双名制的学名。
　　双命名法包括属名和种名，属名在前，字首大写，种名在后，字首小写。有时在种名后还有附加部分。属名规定了微生物的主要形态特征和生理特征等，而种名往往补充说明微生物的颜色性状和用途等次要特征。种名是由一个特征性形容词组成，属名为名词或用作名词的形容词（单数形式组成，字首大写）。相比之下，特征性形容词字首不大写。特征性形容词或是形容词必须在语法上与属名一致，如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、细尖克勒氏酵母（Kloeckera apilata）；或是主格名词与属名并列如逗号弧菌（Vibrio comma）、凸形假单胞菌（Pseudomonas conjac）；或是遗传学的名词如醋化醋杆菌（Acetobacter aceti）。
　　物种的命名必须准确而完整，应该引用第一位命名者的名字，这样才能便于日期的核对。当属名或种名被改变了而仍保留它的名字或特征性的描述，则原命名者必须用圆括号括起，在后面写上更改者的名字：Sacchromyces（Meyen）Reess，Aureoobasidium pulluans（de Bary） Arnaud。一个属或种（包括种下单元）只能有一个学名，一个学名只能用于一个对象（或种），如果有两个或多个对象者，便是“异物同名”，必须用于其中核定最早的命名对象，而其他的同名对象则另取新名。
学名＝属名＋种名加词＋ （首次定名人）＋现名定名人＋现名定名年份
斜体字　　　　　　　　　正体字（一般省略）
　　当描述一个物种时，可通过收藏株中某一培养物来描述该物种名所指的最原始培养物，称作主模式株，其他培养物称为补模式株。命名一个新的微生物，要用拉丁文名称。一个收藏菌中的某一种菌有时会死掉或它的表观型发生变化，可由类似于原始培养物的另一种培养物代替原始培养物，该培养物称为新模式株。
　　近代微生物分类体系通常包括七个主要层次：界、门、纲、目、科、属、种（表2-4）。种（物种）是基本单元，近缘的种归合为属，近缘的属归合为科，科隶于目，目隶于纲，纲隶于门，门隶于界。随着研究的进展，分类层次又有增加，如亚纲、亚目、亚科、族（介于亚科和属之间）、亚种等。“种”（species）是该体系的基本单元，由有着共同祖先（其类似的行为，近似的遗传特征）的微生物组成，在外界环境条件的不断自然选择过程中，逐渐区别于其他微生物。
　　特征对比是分类的基本方法。所谓对比是异同的对比：“异”是区分种类的依据，“同”是合并种类的理由。分析分类特征，首先要考虑反映共同起源的共同特征。
　　一个微生物种类可以划分为亚种、变种或型，这些构成了物种的亚结构。亚种、变种和型的名称属名及其后依次为特征性形容词，次要性状形容词。如果一个种被划分为两种或更多的次种或变种，具有这一典型的一类物种应用特征性形容词表明。

表2-4　微生物分类系列

分 类 体 系	后　　缀	举　　例
种 species		Saccharomyces cereviseae
属 genus		Saccharomyces
科 family	-aceae	Saccharomycetaceae
目 order	-ales	Endomycetales
纲 class	-phyceae（藻类） -mycetes（真菌）	Ascomycetes
门 phylum	-phyta（藻类） -mycetes（真菌）	Eumycota
界 kingdom		Fungi

当某种微生物是一个亚种（subspecies，简称“subsp．”）或变种（variety，简称“var．”，是亚种的同义词）时，学名就应按三名法拼写，即
学名＝属名＋种名加词＋符号subsp．或var．＋亚种或变种的加词
斜体字　　　　正体字（可省略）　　　　斜体
　　分类学同其他学科规则一样具有专门术语。一个经常用术语是型（type），它有好几种意思。其一是表观型，一种表观型也许是一个微生物的许多可测量特征或显著特征，例如，群体培养表观形态，涂片颜色，酶的产生、发酵产糖能力以及其他。相比之下，一个个体所有遗传密码（基因）组成了它的基因型。基因不能直接判断出来但可以通过表观型的表达得以发现。型的另一个意思是命名法，这类命名法是根据《国际细菌学手册》命名的任一类群的微生物。
　　在研究和生产过程中常采用菌株（strain）这个词。菌株又称品系，它表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯遗传型群体及其一切后代。因此，一种微生物的每一不同来源的纯培养物（pure culture）或纯分离物（pure isolate）均可称为某菌种的一个菌株。
　　有时同一菌株可能有几种不同命名。例如，Torula utilis，Torulopsis utilis，Candida utilis。在这种情况下，应按规定使命名统一，其中之一为准确的，其余为同义词命名。上面例中准确命名为产朊假丝酵母（Candida utilis），另外两种命名为同义词命名。最后，可能发生两种不同微生物有相同的命名。例如，Dozya是真菌（fungus）的名字，同时也是一种地衣（moss）的名字。该情况下哪个先用这一命名，则为有效命名。上面例子Dozya是moss的有效命名，这种共同名称为同系同义词。
　　第一次从自然界分离出的标本微生物不一定就是一个一般类型，它也可能是一个极端变异种，处于一类菌株的范围边缘。
　　有时一个属中较大种类中的个体可能发生重叠，很难确定一个过渡类型的菌株归哪一种类，这种在分类学上的连续性是由于自然变异造成的，国际命名法是通过建立一个新物种名称来解决这个问题的。有时也会发生关系　　密切的两个物种在某一行为方式上显著不同，这是分类间断性，同时也是死亡或未被发现存在的证据。
　　微生物学中“个体”指什么？单细胞细菌和真菌都可以视为一个“个体”。但对于一个个体细胞，只能采用显微镜甚至电子显微镜来评价它的一些特性，这种分类法有片面性，且几乎没有操作价值，但是微生物个体的群落，无性繁殖的群体（或纯培养）可避免以上缺点。微生物的培养物可能有许多特征，一类微生物区别于另一种微生物，但其他性质又类似。红酵母属（Rhodotorula）因为它的类胡萝卜素颜色而不同于酿酒酵母属（Saccharomyces），特性的差异影响到微生物的多样性。微生物特征的变化是独立进行的，红酵母区别于粉红色酵母、黄色酵母、黑色酵母，但颜色的差异取决于外界环境的影响，外界环境改变三种主要类胡萝卜素化合物在酵母中的浓度。
（二）微生物分类鉴定的方法
通常可把微生物的分类鉴定方法分成4个不同水平。
1）细胞的形态和习性水平，例如，用经典的研究方法，观察微生物的形态特征、运动性、酶反应、营养要求、生长条件、代谢特性、致病性、抗原性和生态学特性等。
2）细胞组分水平，包括细胞壁、脂类、醌类和光合色素等成分的分析，所用的技术除常规技术外，还使用红外光谱、气相色谱、高效液相色谱（HPLC）和质谱分析等新技术。
3）蛋白质水平，包括氨基酸序列分析、凝胶电泳和各种免疫标记技术等。
4）核酸水平，包括（G＋C）mol％值的测定，核酸分子杂交，16S或18SrRNA寡核苷酸序列分析，重要基因序列分析和全基因组测序等。
　　在微生物分类学发展的早期，主要的分类、鉴定指标尚局限于利用常规方法鉴定微生物细胞的形态、构造和习性等表型特征水平上，这可称为经典的分类鉴定方法。通常在工业微生物的研究和生产中常用微生物的分类鉴定还是采用形态和生理特征为基础的方法。
（三）经典鉴定内容
微生物的经典鉴定内容如表2-5所示。

表2-5　微生物的经典鉴定内容

鉴定项目	检 测 内 容
培养特征	菌落的形状、大小、颜色、隆起、表面状况、质地、光泽、水溶性色素等，在半固体或液体培养基中的生长状态
形态特征	个体细胞形态、大小、排列方式、运动性、特殊构造和染色反应等
生理、生化反应	营养要求：能源、碳源、氮源、生长因子等 酶：产酶种类和反应特性等 代谢产物：种类、产量、颜色和显色反应等 环境要求：温度、氧、pH值、渗透压、宿主等 对药物的敏感性
繁殖方式与生活史	无性与有性繁殖
血清学反应
噬菌体敏感性
其他

　　微生物鉴定指标若用常规的方法，对某一未知纯培养物进行鉴定，不仅工作量大，而且对技术熟练度的要求也高。为此，出现了多种简便、快速、微量或是自动化的鉴定技术，如鉴定各种细菌用的“API”系统、“Enterotube”系统和“Biolog”全自动和手动系统等。
（四）近代鉴定技术
微生物的近代鉴定技术如表2-6所示。

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第二节　细　菌

细菌是单细胞的微生物，有不同的形状及大小，以典型的二分裂殖方式繁殖。依照它们的形态及一系列生化特性等，可以将其分成许多的类群。 一、细菌的细胞形态和大小 （一）细菌的细胞形态 　　大多数细菌具有一定的基本细胞形态并保持恒定。形状近圆形的细菌称为球菌；形状近圆柱形的称为杆菌；螺旋形的细菌称为螺旋菌（图2-1）。细胞的形状明显地影响着细菌的行为和其稳定性。例如球菌，由于是圆形，在干燥时较不易变形，因而它比杆菌和螺旋菌更能经受高度干燥而得以存活。杆菌较球菌每单位体积有较大的比表面，因而比球菌更易从周围环境中摄取营养。螺旋菌呈螺旋式运动，因而较之运动的杆菌受到的阻力要小。

图2-1　细菌的细胞形态——球状、杆状、螺旋状

球菌按其细胞排列方式又可分为单球菌、双球菌、四球菌、八叠球菌、葡萄球菌和链球菌（图2-2）。 　　杆菌按其细胞的长宽比及排列方式又可分为长杆菌、短杆菌、链杆菌和棒杆菌（图2-3）。杆菌的长宽比相差很大，其两端常呈不同的形状，如半圆形、钝圆形、平截形、略尖形等；菌体有笔直、稍弯曲和纺锤状等而显得多样化。 　　螺旋菌按其弯曲旋转程度不同又可分为螺旋菌、螺旋体和弧菌（图2-4）。 　　这三大类细菌中，发酵工业上常用的是球菌和杆菌，尤以杆菌最为重要。螺旋菌主要为病原菌。 　　在多数情况下，细胞的形状和排列方式是各种微生物的特征，它们与环境因素有关，如培养的温度、培养基的成分与浓度、pH值、菌龄等。各类细菌在未衰老前和适宜的培养条件下，一般表现正常的细胞形态和排列。但在衰老后或培养条件有较大改变后，就常引起变化，尤以杆菌为甚。异常形态可按其生理能的差异分为畸形和衰颓形两种。 1）畸形。由于化学的或物理的因素刺激，阻碍了细胞的发育，从而引起其形态的异常变化。如巴氏醋酸杆菌（Acetobacter pasteurianus）一般为短杆状，由于培养温度不同，可能使其变为纺锤状、丝状或链状（图2-5）。 2）衰颓形。由于培养时间过长、营养缺乏、代谢抑制物浓度积累过高，使细胞衰老而引起异常形态。此时已停止生长繁殖，细胞膨大，液胞形成，着色力弱，有的菌体名存实亡。如奶酪成熟时的一种乳酪杆菌（Bacterium casei），在一般培养条件下为长杆状，老熟时则变为无繁殖力的分枝衰颓形（图2-6）。当然，若再将这类异常形态的细胞转接入新鲜培养基上，并在合适条件下培养，它们又会恢复其原来的形状。 　　过去曾将细胞的排列方式看成是细菌分类的一个主要特征，但现在已知多数情况下这是一种不稳定的特征，只能作为次要的特征。

图2-2　球菌 图2-3　杆菌图 2-4　弧菌、螺旋菌和螺旋体 图2-5　巴氏醋酸杆菌的异常形态 图2-6　乳酪杆菌的异常形态

（二）细菌细胞的大小 　　细菌细胞的体积很难准确肯定，因为在固定和染色过程中，它们的体积大为缩小。细菌细胞的大小随种变化很小，必须用光学显微镜的油镜才能观察清楚。测量细菌长度的单位为微米（μm），表2-7为重要细菌种的大小。 　　一般而言，球菌直径在0.2～1.5μm之间，若直径为1.2μm，则其体积约为10-12cm3，密度约为1.1g/cm3，每个细胞质量为1.1×10-12g，即每克细菌约含9000亿个细胞。大型杆菌的宽长比约为（1.0~1.5）μm×（3~8）μm，中型杆菌为（0.5~1.0）μm×（2.0~3.0）μm，小型杆菌约为（0.2～0.4）μm×（0.7～1.5）μm。 　　细菌体积虽小，但其相对表面积很大。表面积大，有利于细胞与外界的物质交换，加强了新陈代谢。通常采用表面积与体积的比值（即比表面积）来表示生物新陈代谢的活性。如乳酸的比表面积为120000，鸡蛋为1.5，而一个80kg的人的比表面积仅为0.3。乳酸杆菌1h所产生的乳酸约为其体重的1000～10000倍，而一个人要想得到1000倍于自身体重的糖代谢物将需40多年，由此可见细菌代谢效率之高。

表2-7　重要细菌种的大小

球 菌 直径／μm 亮白微球菌（Micrococcus candidus） 0.5～0.7 金色微球菌（M．aureus） 0.8～1.0 乳酸链球菌（Streptococcus lactis） 0.5～1.0 藤黄八叠球菌（Sarcina lutea） 1.0～1.5 最大八叠球菌（S．maxima） 4.0～4.5 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 0.8～1.3 杆　菌 长／μm 宽／μm 大肠杆菌（Escherichia coli） 1.0～3.0 0.4～0.7 大肠杆菌＊（E．coli） 2.0～6.0 1.1～1.5 普通变形杆菌（Proteus vulgaris） 1.0～3.0 0.5～1.0 普通变形杆菌＊（Proteus vulgaris） 1.4～3.1 1.0～1.4 铜绿色假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa） 1.5～3.0 0.5～0.6 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） 1.6～4.0 0.5～0.8 巨大芽孢杆菌（B．megaterium） 2.4～5.0 0.9～1.7 巨大芽孢杆菌＊（B．megaterium） 3.7～9.7 1.6～2.0 德氏乳酸杆菌（Lactobacterium delbrllckii） 2.8～7.0 0.4～0.7

注：菌种的大小一般是用干燥染色细胞测定的，有“＊”者是用活细胞测量的。

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二、细菌细胞的一般构造及特殊结构

细菌细胞全部的化学组成与动物、植物和其他微生物等所有生物细胞的组成非常相近。因此细菌细胞具有几种主要化学组分，即蛋白质、核酸（核糖核酸和脱氧核糖核酸）、多糖和类脂。这些组分是所有细胞共有的，是细胞的遗传连续性（DNA）、生物化学活性，以及渗透性（类脂和蛋白质）所必须的大分子结构的成分。 　　细胞构造可分为两类：一类是不变的，为所有的细菌细胞所共有，而可能为生命所绝对必需；另一类是可变的，只在一些种、一些细胞中发现，可能具有某些特定功能。 　　细菌细胞的一般构造包括：细胞壁、细胞膜、细胞质、间体、核糖体、核质、内含物颗粒。特殊结构有荚膜、鞭毛、伞毛、芽孢。一个典型的细菌细胞构造，如图2-7、图2-8所示。 （一）基本构造 1．细胞壁 细胞壁（cell wall）是细菌细胞的外壁，较坚韧而略有弹性，具保护和成形的作用，是细胞的重要结构之一。细胞壁的重量约占细胞重量的10％～20％，各种细菌的壁厚度不等，如金黄色葡萄球菌为15～20nm；大肠杆菌为10～15nm。用光学显微镜很难观察清细胞壁，可用电子显微镜通过细胞的超薄切片观察(图2-9、图2-10)。 　　细菌细胞壁的共性是以肽聚糖（peptideglycan）为骨架结构基本成分构成的网袋。这层薄片由N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylgucosamine）和N-乙酰胞壁酸（N–acetylmuramic acid）两种糖的衍生物，以及L-丙氨酸、D-丙氨酸、D-谷氨酸、赖氨酸或者二氨基庚二酸（DAP）等氨基酸组成。这些成分联结而形成重复结构，即四肽聚糖（glycan tetrapeptide），经聚合成为肽聚糖层，如图2-11所示。

图2-7　细菌细胞的一般构造及特殊结构的模式图 图2-8　细菌细胞结构 M：间体，n：核质，R：核糖体，C：荚膜，CW：细胞壁

图2-9 细胞壁 图2-10　细胞壁（大孔）和细胞膜（小孔）

孔径比较 根据细菌细胞壁结构的重大区别，可将细菌分为革兰氏阳性菌（G+）与革兰氏阴性菌（G-）两大类。关于这两类细菌细胞壁的结构和化学成分的差异见表2-8和图2-11。总结起来，革兰氏阳性菌与阴性菌的主要差异在于以下两方面。 1）革兰氏阳性菌中细胞壁主要由肽聚糖组成，革兰氏阴性菌则主要由脂多糖和蛋白质组成，而且覆盖在肽聚糖层的外面。 2）肽聚糖中的氨基酸之一的内消旋二氨基庚二酸在多数革兰氏阳性菌中以L-赖氨酸取代。

表2-8　胞壁的结构和化学成分 性　质 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 外壁　　　　　　　内壁 肽聚糖 壁酸 多糖 蛋白质 脂多糖 脂蛋白质 有(占干重的40％～90％） 有或无 有 有或无 无 无 有 无 无 无 无 有或无 2～3 无 无 无 有 有 有 3 厚度/nm　　　　　10～50

注：少数细菌，如嗜盐菌、产甲烷菌和硫化叶菌属（sulfolobous）没有肽聚糖。

图2-11　革兰氏阳性菌和阴性菌细胞壁主要组成 　　值得指出的是，肽聚糖结构只出现在原核生物细胞中，N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰细胞壁酸从未在真核生物细胞中发现过，二氨基庚二酸也为原核细胞所独有；其次在原核生物细胞的细胞壁中具有两种D-构型的氨基酸，即D-丙氨酸和D-谷氨酸，而在蛋白质中，氨基酸总是以L-构型出现。 2．细胞膜 　　细胞膜（cell membrane）是细胞质外的一层薄膜，其厚度约为5～8nm。该膜有时亦称为原生质膜或质膜。细胞膜是使细胞的内部同它所处的环境相隔离的最后屏障。细胞膜是选择性膜，在营养的吸收和代谢物的分泌方面具关键作用，如果膜被弄破，细胞膜的完整性就受到破坏，将导致细胞死亡。 1）细胞膜的结构。细胞膜是一种单位膜，约占细胞干重的10％。它主要由蛋白质（约占60％）和类脂（约占40％）组成，并以磷脂双分子层为其基本结构。磷脂分子本身分散于水中的方式是：非极性疏水基排列在一起，从而自动地形成双层膜。膜里比较大的蛋白质是疏水性的，它同磷脂的基质相连，并且嵌入其中（图2-12）。 2）细胞膜的功能。细胞膜是一层具有高度选择性的半透明薄膜，膜上磷脂的脂酰基在不断地运动，并使膜上的小孔不断打开和关闭。当小孔打开时，水和溶于水中的很多非带电分子可以通过；当小孔关闭时，水溶性物质就不能通过。而受膜表面电荷的影响，使离子化与非离子化物质的通过就受到了选择，它们通过膜的机制是不同的。除了维持细胞选择性的渗透性外，细菌的细胞膜在细胞呼吸过程中还起到关键的作用。因为膜的内侧和外侧存在呼吸酶系统，其电子传递体系，具有电子传递和氧化磷酸化的功能。

图2-12 细胞膜的结构

3．间体 　　由于细胞质膜的面积比包围细胞所需要的面积大许多倍，使大量的细胞质膜内陷，因此形成了细菌细胞的间体（mesosome）。它似乎起着真核细胞中多种细胞器的作用。原核细胞与真核细胞一样，能合成和分泌消化酶。消化酶不能裸露在细胞浆里面，否则就要消化自己。合成的消化酶要排出体外，作为胞外酶在细胞外起消化作用。由于间体是和外界相通的，间体外分泌消化酶时，不用先形成溶酶体再排出，而可直接排出，所以间体实际起着真核生物细胞中内质网的作用。另外，间体上还有细胞色素酶和琥珀酸脱氢酶，因此它又起了真核细胞的线粒体的一些作用。间体还同细菌横隔形成有关系。革兰氏阳性菌中均有发达的间体，但许多阴性菌中却没有。只在一些具有较强呼吸活性的阴性菌中才有发达的间体，这是为了增加呼吸活性中心。间体数目随菌种而异，枯草芽孢杆菌平均4个，蜡状芽孢杆菌平均6个。 4．核质 　　在细菌细胞中有一个或几个核质，其功能是存储、传递和调控遗传信息。核质（nuclein）外面没有核膜，核质中极大部分空间被卷曲的DNA双螺旋所填满。例如，大肠杆菌的细胞约2μm长，而它的DNA长度是1000～1400μm。每个核质可能只有一个单位DNA分子，而且呈环状。 　　由于细菌核质不具核仁、核膜，所以不是真正的核。但其核质也不与细胞质相混合，因细菌细胞质具有更高的凝胶化程度。另外，由于DNA含有磷酸基，故带有很高的负电荷。在细胞中，负电荷被Mg2+以及有机碱（如精胺、亚精胺和腐胺等）中和；而在真核生物中，DNA的负电荷被碱性蛋白质（如组蛋白和鱼精蛋白等）所中和。这也是真核　　生物细胞和原核生物细胞的重大区别之一。 　　在休止的大肠杆菌细胞中，核质占细胞总体积的15％～25％左右。 5．内含物颗粒 　　细菌细胞的细胞质常含有各种颗粒，它们大多为细胞储藏物质，称为内含物颗粒（granule）。颗粒的多少随菌龄和培养条件的不同而有很大的变化。其成分为糖类、脂类、含氮化合物及无机物等。这些颗粒物质主要有以下五种。 1）异染颗粒（metachromatic granule）又名转菌素（volutin）。它是一种强嗜碱性颗粒，主要成分为多聚偏磷酸盐，可能还含有RNA、蛋白质、脂类和镁，可用甲苯胺兰或次甲基蓝等蓝色染料染成红。在生长平衡期形成，幼龄细胞中的异染颗粒很小，随着菌龄的增加而变大。当培养基中缺磷时，它可作为磷的补充源。 2）聚β-羟丁酸（poly-β-hydroxy butyricacid，PHB）颗粒（图2-13）。它易被脂溶性染料（如苏丹黑）着色，并可用显微镜观察，是碳源与能源性储藏物。由于聚β-羟丁酸酯是一种可降解塑料，某些菌如Alcaligenes latus，Ralstonia eutropha，它们的干细胞中含PHB达70％～80％。

图2-13　细胞中聚β-羟丁酸颗粒

3）肝糖（glycogen）与淀粉粒。这是葡萄糖的时，肝糖为红色，淀粉粒为蓝色，这是由于多聚体链的长度和分枝程度的不同所致。 4）脂肪粒（oil granule）。这种颗粒折光性较强，可用苏丹Ⅲ染色。细菌在旺盛生长时脂肪粒的数目和量均随之增加，细胞破坏后脂肪粒可游离出来。 5）液泡（vacuole）。许多活细菌细胞内有液泡，用中性红染色可观察到。液泡内充满水分和盐分，有时含有异染颗粒、类脂。液泡具有调节渗透压的功能，液泡内物质可与细胞质进行物质交换。 　　不同微生物的储藏性内含物不尽相同。如芽孢杆菌只含有聚β-羟丁酸，肠道菌（如大肠杆菌、产气杆菌）只储藏肝糖，接近衰老时含量增多。当培养环境中缺乏营养时，细胞就可利用它们以维持生命活动。一般当环境中缺乏氮源，而碳源、能源丰富时。细胞储存较大量的内含物，有的可达到细胞干重的50％以上。 　　细胞以多聚物形式储存营养物的优点是可以避免内渗透压过高的危害，细胞的大量储存物也可为人们所利用。 6．核糖体 　　在用电子显微镜观察细胞的超薄切片时，常可看见细胞质内有一些小的深色的颗粒，这些颗粒是细胞内合成蛋白质机构的一部分。它们含有的核酸体，由大约60％的核糖核酸和40％的蛋白质组成，直径约为20nm，其沉降系数为70S。 　　在完整细胞中，核糖体（ribosome）常聚结成不同大小的聚合体，称作聚核糖体。但细胞被打碎后，聚核糖体易分开，各个核糖体自由浮动。聚核糖体颗粒间的联键是一个长的RNA分子，称为信使RNA，它在蛋白质合成系统中起着关键的作用。 7．细胞质 　 　除核区以外，包在细胞膜以内的无色、透明、黏稠的胶状物质均为细胞质（cytoplasm），细胞质的主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类、少量糖和无机盐。细胞质是细胞的内在环境，含有各种酶系统，具有生命活动的所有特征，能使细胞与周围环境不断地进行新陈代谢活动。由于细胞质内含有固形物量15％～20％的核糖核酸，所以具有酸性，易为碱性和中性染料着色。但由于老龄细胞中核酸可作为氮源和磷源消耗，所以其着色力不如幼龄细胞强。

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（二）特殊构造 　　细菌细胞的特殊构造有鞭毛（flagellum）、伞毛（pilus）、荚膜（capsule）和芽孢（spore）。 1．鞭毛 　　很多细菌都具有独立运动的能力，这种运动一般是通过其特殊的运动器官鞭毛来进行的。细菌的鞭毛是一种细长的附属丝，其一端着生于细胞质内的基粒上，另一端穿过细胞膜细胞壁伸到外部，成为游离端。鞭毛的直径约20nm，所以不能直接在光学显微镜下看见，只有经过特殊的鞭毛染色后才可看见。 　　不同的细菌鞭毛的着生位置与数量不同（图2-14），因而它可作为鉴定菌种的依据。 细菌鞭毛由蛋白质亚单位组成，这种蛋白质称为鞭毛蛋白。它们的氨基酸组成不很典型，与多数蛋白质相比，其含硫氨基酸和芳香族氨基酸的量较少，而天冬氨酸和谷氨酸的含量则较多。鞭毛的形状和绕曲波长由鞭毛蛋白质的结构所决定。结构变化后可引起鞭毛形态的改变。

图2-14　细菌鞭毛的类型

鞭毛与细菌的运动密切有关，周生鞭毛菌一般按直线慢而稳定地运动和旋转，而端鞭毛菌运动较快，经过左右旋转由一个地方冲撞到另一个地方。其运动速率为20～80μm／s，即每秒钟的移动距离为细胞长度的10倍以上，这比最快的动物还快。表2-9为几种细菌的运动速度。

表2-9　几种普通细菌的运动速度 菌　　　　种 鞭毛类型 细胞长度 /μm 运动速度 /（μm/s） 移动距离 /（μm/s） 铜绿色假单胞菌（Pseudomon asaeruginosa） 端生 1.5 55.8 37.0 奥氏着色菌（Chromatium okenii） 丛生 10.0 45.9 5.0 耶拿硫螺旋菌（Thiospirillum jenense） 丛生 3.5 86.9 2.0 大肠杆菌（Escherichia coli） 周生 2.0 16.5 8.0 地衣形芽孢杆菌（Bacillus licheniformis） 周生 3.0 21.4 7.0 尿素八叠球菌（Sarcina ureae） 周生 4.0 28.1 7.0

几种细菌鞭毛的显微镜摄影如图2-15所示。 2．伞毛 　　伞毛(pilus)，亦称鞭毛、菌毛，有点类似于鞭毛，但与运动无关。与鞭毛比较，伞毛是很短的，而且在细胞上的数目很多。它们的化学成分可能同鞭毛相似。并非所有细菌都有伞毛，它常出现在革兰氏阴性菌上，而且某些细菌还能生长一种以上的伞毛，这是一种遗传特性。有一种同细菌接合有关的伞毛叫做性伞毛，每个细胞有1～4根性伞毛。性伞毛仅雄性细菌具有，它在接合时能转移DNA。由于它的致育性，所以有的被称为F-伞毛（图2-16），在大肠杆菌中能观察到通过F-伞毛的接合（图2-17）。 　　其他类型的伞毛的功能在一些细菌中尚不清楚。但在某些情况下，它能使细胞附着于静止的表面，或在液体表面形成菌膜或浮膜。

图2-15　细菌的鞭毛照片

图2-16　大肠杆菌的伞毛 图2-17　大肠杆菌通过F-伞毛的接合

3．荚膜或称细菌黏性物质 　　许多细菌分泌黏性物质在细胞外，高度分散的黏液自然很难看作细菌细胞的构造部分，但是有些细菌分泌的黏性物质并不容易扩散，而是以一层厚膜状态包围在胞壁外，在细胞表面周围形成一个致密层，构成细菌细胞的荚膜。这些物质有时可用负染色法进行观察，其形状如图2-18所示。如果稀疏地附着，只形成一扩散层，就称之为黏液层。多个细菌存在于一个共同的荚膜内，就称之为菌胶团。荚膜的厚度因菌种不同或环境不同而异，一般可达200μm。荚膜折光率小，不易着色。 　　荚膜含有大量水分，约占其重量的90％以上，其余一般由多糖类、多肽类，或者多糖蛋白质复合体组成。如巨大芽孢杆菌的荚膜是以多糖组成网状结构的骨架，其间隙嵌入谷酰基多肽而成。一些细菌荚膜的成分见表2-10。 　　产生荚膜的能力是微生物的一种遗传特性，革兰氏阳性和革兰氏阴性两类菌群都能形成荚膜，而且这样的结构，任何一个类群中都可用酶法除去，也不会损伤它们的生命力，荚膜不是细菌的必要成分，没有荚膜的变异株照样能正常地生长。荚膜常常只是当细菌要在某种培养基上生长时才形成。如明串珠菌，只有当其生长在蔗糖培养基上时，才形成它的葡聚糖荚膜，并使糖质变得黏稠而难以加工。因此，它会降低糖的产量，是制糖工业上的一个有害菌。不过这种菌的荚膜可用来制右旋孢酐，是制药工业上的生产用菌。 　　到目前为止，已大量投产的微生物多糖主要有黄原胶（xanthan gum），结冷胶（gellan gum），右旋糖酐（dextran），小核菌葡聚糖（scleroglucan），短梗霉多糖（pollulan）和热凝多糖（curdlan）。在过去的20多年里，细菌多糖获得了极大的发展，黄原胶就是一个很好的例子。它们已作为乳化剂、悬浮剂、增稠剂、稳定剂、胶凝剂、成膜剂和润滑剂等广泛应用于石油、化工、食品、制药等多个领域。与植物胶等天然胶相比，它们生产周期短、不受季节、地域和病虫害等条件限制，可以大量工业化生产。 　　荚膜亦有一定的生理功能。首先是它可作为细菌本身的养料储藏库，在营养缺乏时，细菌可利用其储藏的碳源，甚至直接利用荚膜多糖来维持生命。其次，它还可用于堆积废物，荚膜有抗吞噬作用，高分子量表面荚膜的“胶体”性质能使细胞抵抗干燥，使细胞与环境中的毒性金属离子隔离，而达到保护细胞的作用，并可增强致病菌本身的毒力。

图2-18　细菌的荚膜

表2-10　细胞荚膜的化学成分   菌　　种 成分 水 解 产 物 革 兰 氏 阳 性 菌 炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis） 巨大芽孢杆菌（B．megaterium） 环状芽孢杆菌（B．circulans） 肺炎双球菌（Diplococcus pneumoniae） 链球菌（Streptococcus sp．） 明串球菌（Leuconostos mesenteroides） 多肽 多肽 多糖 多糖 多糖 多糖 γ-D谷酰基肽 γ-D谷酰基肽 氨基酸，糖 糖，氨基酸，糖醛酸 玻璃糖醛酸、氨基葡萄糖、葡萄糖醛 葡萄糖 革 兰 氏 阴 性 菌 荚膜醋杆菌（Acetobacter capsulatum） 气杆菌类（Aerobacter） 大肠杆菌（Escherichia coli） 多糖 多糖 多糖 葡萄糖 葡萄糖，岩藻糖醛酸 半乳肽，岩藻糖，己糖，醛酸

4．芽孢 　　发酵生产中保持无杂菌非常重要，因此，杀灭芽孢杆菌类杂菌显得特别关键，但有时不容易。一些发酵生产菌又是芽孢杆菌，因此对芽孢的认识有其特殊的重要性。 　　某些细菌在其生活史的一定阶段，在营养细胞内形成一个圆形、卵圆形或圆柱形的休眠体，称为芽孢，芽孢对不良环境尤其对热具有较强的抗性。因为细菌的芽孢都在细胞内形成，所以又称内生孢子，每个细胞只能形成一个芽孢。由于它具有高度的折光性，因此在显微镜下容易观察到。但它很难着色，必须用特殊的染色法。 　　能否形成芽孢是细菌种的重要特性。主要有两个属的杆菌能产生芽孢，即好气的芽孢杆菌属（Bacillus）和厌氧的梭状芽孢杆菌属（Clostridium）。球菌中除八叠球菌外均不产生芽孢。 （1）芽孢的类型 　　各种细菌芽孢形成的位置、形状和大小是一定的，但也受环境条件的影响（图2-19）。 　　多数好氧性的芽孢杆菌形成的芽孢位于细胞中央或近中央的部位，其直径小于细胞的宽度，如枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌（B. cereus）等（图2-20）。

图2-19　芽孢的类型

菌种举例：居中不膨大（B．megaterium）；　末端不膨大，含伴胞晶体（B．thuringiensis）； 鼓槌状（Clostrdium klyveril）；　居中膨大（B．polymyxa）； 接种环形（B．sphaericus）；　纺锤状（B．laterosporus）

图2-20　枯草芽孢杆菌的芽孢

大多数厌氧芽孢杆菌的芽孢也位于细胞的中央，但直径大于细胞的宽度，因此细胞呈两头小、中间大的梭状。但有些厌氧菌如克氏梭状芽孢杆菌（C．kluyveril）的一些细胞形成的芽孢位于细胞的一端，其直径又大于细胞的宽度，而使细胞呈鼓槌状。图2-21是一种鼓槌状芽孢杆菌的芽孢照片。 （2）芽孢的构造 　　芽孢的构造很复杂（图2-22）。实质上，它是一种特殊的休眠细胞形式，它本身具有一个细胞维持生命的所有功能。 　　芽孢有多层结构主要包括外皮层、内皮层及核。在结构上，芽孢不同于营养细胞之处主要在于孢子壁之外的那些层次结构。 　　吡啶二羧酸（DPA），它是一种为芽孢所特有，而营养细胞所没有的化学物质，它可能主要存在于芽孢的核中心。芽孢还含有钙离子，大部分核可能就是同DPA结合，它们在芽孢内堆积的结果使细胞质体缩小到最小体积。以前人们曾认为DPA在抗热方面起主要作用，但后来由于分离到的无DPA突变株仍具有抗热性而使此观点难以自圆其说。实际上，在围绕其形成厚层时，由于皮层收缩而导致细胞质体的水分降低，而这时的含水量决定了芽孢的抗热程度。水分可以自由进出芽孢，但芽孢细胞质体的物理状态（即胶态结构的程度）及紧密的皮质层阻止了细胞质吸水和膨胀。芽孢含水量仅60％，且多为结合水。芽孢中酶的分质量较营养细胞中相应的酶的分子质量小。分子质量较小的蛋白质由于分子中键的作用而稳定，因而较耐热，这就是完整芽孢皮质层抗热的原因。芽孢蛋白质常含—S—S—键，与抗X射线有关；而某些药剂的高抗性则与芽孢中DPA、Ca2+、Mg2+和半胱氨酸的含量有关（图2-23）。

图2-21　梭状芽孢杆菌的芽孢 图2-22　芽孢的照片和结构图 图2-23　芽孢形成过程中的形态与生理变化

（3）芽孢的形成过程 　　芽孢不在细胞的对数生长期出现，而只在由于营养耗尽而生长停止的时期形成。在营养生长停止几小时后，芽孢就开始出现。若在生长的末期加入新鲜的营养，芽孢形成即被抑制。由于是营养耗尽后才形成芽孢，所以形成芽孢的能量必然都是内源性的，芽孢形成分为七个阶段（图2-24），历时8～10h。 　　从凝结芽孢杆菌（B．coagulans）的培养和芽孢形成过程曲线（图2-25）可以清楚地看到，在所使用的培养基和培养条件下，培养8h后活菌数已趋向平衡，但无芽孢形成；自20h开始，芽孢大量形成；在8h后形成芽孢的细胞比率已达80％以上。

图2-24　芽孢的形成过程 图2-25　凝结芽孢杆菌的培养和芽孢形成过程曲线

（4）芽孢的萌发 　　芽孢既能多年保持休眠状态，也能在几分钟内变回营养细胞（图2-26）。 　　此过程分为两步：终止休眠及生长。终止休眠可由某些环境条件所触发，如热刺激。在60～70℃热处理几分钟常能引起休眠终止。芽孢萌发的标志是它的折光性丧失，对染料亲和性增加和对热的抗性明显降低。芽孢明显地吸水膨胀，外壳破裂。新的营养细胞突破芽孢壳而生长，然后开始进入营养繁殖。由于溶壁酶的作用，芽孢外壳最后分解。

图2-26　芽孢的萌发

（5）细菌芽孢和营养细胞的区别 细菌芽孢和营养细胞的区别见表2-11所示。

表2-11　细菌芽孢与营养细胞的区别 项目 营养细胞为典型 的革兰氏阳性胞 芽孢含厚的孢皮层、 孢衣、外孢子膜 显微镜观察外形 无折光性 有折光性 化学成分 钙 吡啶二羧酸 PHB 蛋白质 多糖 低 无 有 较低 高 高 有 无 较高 低 伴胞晶体 蛋白质（某些种别） 含硫氨基酸 酶促活性 代谢（氧摄取量） 大分子合成 mRNA 抗热性 抗辐射性 抗化学药物和酸性类 染料可染性 溶菌酶作用 无 低 高 高 有 有 弱 弱 弱 可染 敏感 有 高 低 低或缺乏 无 低或无 强 强 强 只有特殊方法可染 抗性

（6）伴胞晶体 　　有一些芽孢杆菌，如苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，Bt），在伴随芽孢形成的同时，在另一端形成一种菱形的结晶体，称为伴胞晶体（parasporal bodies）（图2-27），晶体形状大的达1.94nm×0.54nm（长×宽）。芽孢和伴胞晶体被一层外膜包裹着，称为孢子囊。当囊破裂以后，芽孢和伴胞晶体即游离存在。伴胞晶体是一种蛋白质结晶，对鳞翅目昆虫的幼虫具有很强的毒性作用。虫吃了后可破坏虫体的肠道，使害虫致死，因而它是一种微生物农药。苏云金芽孢杆菌是目前世界上用途最广、产量最大、最为成功的微生物杀虫剂，占微生物杀虫剂总量的95％以上。其制剂有乳剂（2000U/μL、4000U/μL、8000U/μL）、可溶性粉剂（16000U/mg、32000U/mg），或以芽孢数表示的含100亿芽孢/g、150亿芽孢/g的可溶性粉剂及含100亿芽孢/mL的乳剂及悬浮剂等。

图2-27　伴胞晶体

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（四）生活史 　　子囊菌的生活史包括了它的无性世代和有性世代，但在发酵工业生产上起作用的一般是它的无性世代。下面以烟色红曲霉为例加以说明。 　　烟色红曲霉（Monascus purpureus）菌丝的每个细胞都含有多核。菌丝体常有联结现象。它们在进行无性繁殖时，在菌丝或其分枝的顶端直接产生分生孢子，分生孢子单生或二至数个成链，一般为梨形，内含多核。分生孢子萌发后即形成菌丝，这是无性循环。 　　有性繁殖是在菌丝顶端或侧枝顶端首先形成一个多核的单细胞雄器，随后在雄器下面的细胞又以单轴方式生出一个细胞，这个细胞就是原始的雌性器官，也即产囊器的前身。由于雌性器官的生长和发育将雄器向下推压，而使雄器与柄托呈一定角度。这时雌性器官在顶部又产生一层隔膜，分成两个细胞，顶端的细胞为受精丝，另一个细胞即产囊器，二者都含有几个细胞核。当受精丝尖端与雄器接触后，接触点的细胞壁解体产生一孔。雄器内的细胞质和核通过受精丝而进入产囊器内。此时只进行质配，而细胞核则成对排列，并不结合。与此同时，在两性器官下面生出许多菌丝将其包围，形成初期的闭囊壳。壳内的产囊器膨大，并长出许多产囊丝。每个产囊丝形成许多双核细胞，核配于此时发生。经过核配的细胞即子囊母细胞。每个子囊母细胞中的核经三次分裂，形成8个核，每个核发育成一个单核的子囊孢子。子囊母细胞即变成子囊。故每个子囊都含有8个卵形的子囊孢子。这时闭囊壳已发育成熟，其中子囊壁消解，子囊孢子成堆的留在壳内。当闭囊壳破裂后，散出子囊孢子。子囊孢子萌发后又成为多核菌丝（图2-123）。 　　一些未发现有性循环的霉菌，如发酵工业中常用的一些曲霉、青霉及一系列属于不完全菌类的霉菌的生活史只有无性循环。

图2-123　红曲霉的生活史

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三、霉菌的分类 （一）霉菌的鉴定依据 1．用低倍放大镜观察菌落 1）生长和发育的速度。培养一定天数后，测量菌落的直径：以生长极慢、慢、中等和快来说明。 2）菌落的颜色。表面和底部菌丝的颜色及其变化，菌落背面的颜色及其变化等。 3）菌落的表面。平滑或有皱纹，致密或疏松，有无同心环或辐射状沟纹。菌落的全部、中心部分、中间部分以及边缘部分等形态。 4）菌落的质地。菌落的外观似毡状、棉絮状、羊毛状、束状、粉粒状、明胶状或皮革状等。 5）菌落的边缘。全缘、锯齿状、树枝状、纤毛状等。 6）菌落的高度。菌落扁平，丘状隆起、陷没，菌落中心部分凸起或凹陷。 7）渗出物。有些真菌，如青霉，常在菌落表面出现带颜色的液滴，其数量和色调各有不同。 8）培养基颜色变化。颜色变化是否仅限于菌丝体所覆盖的部分，或扩大到了其他部分。 9）气味。许多真菌在培养基中有霉味，土气味、芳香味等，亦有无味者。 2．用显微镜观察孢子和子实体结构的形态 1）菌丝。气生菌丝和底部菌丝的宽度，有无横隔、色泽，特殊的菌丝器官（假根、足细胞、结节或隆起等）的特征。 2）子实体的形态。成熟后的子实体如孢子囊、子囊、担子果等的颜色、形状、大小、结构等。 3）孢子。无性孢子如孢囊孢子、分生孢子、节孢子、厚垣孢子等；有性孢子如卵孢子、接合孢子、子囊孢子等。它们的形状、颜色、表面的特征（纹饰或突起等），孢子有无分隔（由单细胞还是多细胞构成），孢子萌芽的类型（单极出芽，两极出芽或多极出芽等）。 3．生理特征 1）温度。不同类型的真菌，对生长温度的反应也不同，有的较敏感。由于真菌生长所需的温度多有差异，因此可以将它们分成低、中、高温菌群。 2）对氮源的利用。能否利用硝态氮、亚硝态氮、氨态氮或有机氮等。 （二）霉菌在分类学上的地位 　　霉菌是和酵母菌、蘑菇等名称相似的一种俗称，指形成明显的菌丝体或孢子块的微小真菌类，它并不是分类学上作为分类群的单位概念。霉菌分属于藻状菌、子囊菌和不完全菌。霉菌被包括在真菌的范畴内。真菌主要包括霉菌、酵母菌和担子菌。 （三）霉菌的分类 1．有运动细胞 　　孢子或配子能运动，营养体单细胞或菌丝状，有性世代的孢子为典型的卵孢子，游动孢子有两根鞭毛，细胞壁由纤维素组成，为腐霉属。 2．无运动细胞 （1）存在有性世代 1）有性世代的孢子为接合孢子，腐生性，为犁头霉属、毛霉属、根霉属。 2）有性世代的孢子为子囊孢子，营养菌丝一般有横隔（简单隔腹），稀有单细胞，经有性生殖过程在子囊内形成内生子囊孢子，有子囊果及产囊丝，营养体呈菌丝状，子囊一般为单囊壁结构。 ①子囊一般是无规则地分散在闭囊果壳内，子囊壁可消失，红曲霉属。 ②子囊规则地排列在子囊果的底部或四周，子囊果一般在有口孔被子器内，往往隐藏在子座内，子囊无囊盖为脉孢霉属。 （2）缺乏完全世代 　　营养体呈菌丝状；有横隔或单细胞；无有性生殖，有的有准性生殖过程，菌丝发育良好，营养体无出芽细胞，直接从菌丝上或大小分枝乃至特别分枝（分生孢子梗）上形成分生孢子，分生孢子梗以各种方式集合在一起，但不在分生孢子器或分生孢子盘中形成。分生孢子梗不形成组织化的束丝或分生孢子座。这类菌包括曲霉属、头孢霉属、镰孢霉属、青霉属、枝孢霉属、链格孢霉属、地霉属和长蠕孢属等。 （四）霉菌分类工具书 1）中国科学院中国孢子植物志编辑委员会，中国真菌志，北京：科学出版社，1997。 2）魏景超，真菌鉴定手册，上海：上海科技出版社，1979。 （五）霉菌的简捷分类 霉菌的简捷分类如图2-124所示。

图2-124 霉菌的简捷分类

（六）霉菌与放线菌和酵母菌的异同 霉菌与放线菌和酵母菌的异同分别如表2-20、表2-21所示。 表2-20　霉菌与放线菌的异同 特征 放线菌 霉菌 菌体形态 为菌丝体，有气生菌丝和营养菌丝之分，菌丝宽度为0.3～1.0μm 与放线菌同，但菌丝宽度远较放线菌大，为3～10μm 细胞器 有核质体，无核膜，无线粒体 有完整的核、线粒体等 细胞壁组成 含肽聚糖，为革兰氏阳性菌 一般为几丁质，有的含有纤维素 菌落形态 表面呈绒毛状、粉状或颗粒状。菌落一般紧密，有皱褶，不易挑起 一般为绒状、毡状或网状的菌丝，孢子易沾起 繁殖方式 只有无性繁殖，有菌丝断裂、游动孢子和孢囊孢子等 有的为无性繁殖，有的为有性繁殖，具有多种孢子

表2-21　霉菌与酵母菌的异同 特征 酵母菌 霉菌 菌体形态 一般为单细胞的球形、卵形、椭圆形，也有腊肠形。有的有假菌丝或真菌丝，但远没有霉菌典型 为菌丝体，有气生菌丝和营养菌丝之分，体积远较酵母为大 菌落形态 一般为奶油状的单细胞集群，有光泽或光滑，黏稠状，易挑起 一般为绒状、毡状或网状的菌丝，集群不光滑，不黏稠，孢子易蘸取 繁殖方式 主要为芽殖，少量裂殖，有的具有性繁殖，产生子囊孢子等 的为无性繁殖，有的为有性繁殖，具有多种孢子 细胞壁组成 主要由葡聚糖和甘露聚糖等组成，几丁质含量极少 一般为几丁质组成，有的含有纤维素 对氧的要求 好氧或兼性好氧 专性好氧

生态无极

四、发酵工业中常用的霉菌

（一）黑根霉（Rhizopus nigricans）
　　此种分布于世界各地，在一切生霉的材料上都能发现它，尤其是在生了霉的食品上更容易找到它。此外，在土壤、空气、各种动物粪便中也常有分布。其菌落初期为白色，老熟后呈灰褐色或黑色。匍匐菌丝爬行，无色。假根非常发达，根状，褐色，孢囊梗直立，通常2～4株成束，较少单生或5～7株成束，不分枝，光滑或稍微粗糙，灰褐色到暗褐色，长500～3500μm（一般1500～3000μm），直径13～42μm（一般20～25μm）。孢子囊呈球形或近似球形，老熟后呈黑色，直径50～360μm（一般100～200μm）。囊轴为球形、近似球形、钝圆锥形或卵形，壁光滑，灰褐色，直径50～200μm（一般70～120μm）或（185～216）μm×（165～200）μm。囊托大而明显，呈楔形。孢囊孢子呈球形、卵形、椭圆形，或其他不规则形状，多有棱角，条纹明显，灰色或略带灰蓝色，［7.5～20（～35）］μm×（5.5～13）μm。菌丝上一般不形成厚垣孢子。接合孢子呈球形，有粗糙的突起，直径150～220μm。配囊柄对生，无色，无附属物；异宗配合。此菌在37℃不能生长，于30℃生长良好。它不能利用硝酸盐，在察氏培养基上不能生长或生长极弱，但可利用（NH4）2SO4代替NaNO3。