第一章 原核微生物
【知识目标】
1.掌握细菌、放线菌的形态结构及菌落特征，理解细菌、放线菌的繁殖方式。
2.了解引起食品腐败变质的常见的几种细菌的生物学特性。
3.了解蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体、古细菌的生物学特性。
【技能目标】
1.学会识别常见细菌、放线菌的形态特点。
2.能识别由常见细菌在食品生产中引起的腐败现象。
原核微生物是指一类没有核膜和核仁，只含有一个由裸露的DNA分子构成的原始核区，没有明显的细胞器，有大量的中间体，只以无性的二分裂方式繁殖的单细胞生物。原核微生物主要包括细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、螺旋体、支原体、衣原体、古细菌等。原核微生物与人类的生产、生活及健康息息相关，与食品工业关系密切的主要是细菌和放线菌，特别是细菌。
第一节 细菌
细菌是一类个体微小、结构简单、细胞壁坚韧、多数以二分裂方式繁殖、水生性较强的单细胞原核微生物。细菌在自然界中分布广泛，凡在温暖、潮湿和富含有机物质的地方均有细菌的活动，且常会散发出难闻的酸败味或臭味。
细菌与人类生产和生活关系密切。由于细菌的营养和代谢类型多种多样，所以它们在自然界的物质循环中，在食品及发酵工业、医药工业、农业、环境保护中都发挥着极为重要的作用。例如用乳酸菌发酵生产酸奶，用棒杆菌和短杆菌等发酵生产味精和赖氨酸，用醋酸杆菌酿造食醋、生产葡萄簌酸和山梨酸，用能形成菌胶团的细菌净化污水，用细菌冶炼金属，用节杆菌生产留类化合物，用基因工程大肠杆菌生产胰岛素等。可见，有些细菌是食品工业生产酒类、调味品、氨基酸、有机酸、核苔酸、酶制剂等重要的生产菌种，给人类带来巨大的收益。但也有不少细菌给人类的生产和生活带来很多麻烦和危害。有的细菌具有致病性，常引起人、动植物的疾病，有的细菌常引起食品、物品的腐败变质，有的细菌是发酵工业重要的污染菌。
一、细菌的基本形态和空间排列
细菌是单细胞原核生物，每一个细胞就是一个独立生活的个体，所以，细菌的形态就是细胞的形态。许多细菌的个体往往聚集成为群体，但群体中的每一个个体仍然独立地进行生命活动。
细菌的形态是多种多样的，尤其当细菌的生活环境条件改变时，常引起细菌形态的改变，但在一定的条件下，大多数细菌具有一定的基本细胞形态并保持恒定。虽然细菌种类繁多，但其基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别称为球菌、杆菌和螺旋菌。
(一)球菌
菌体呈球形或近似球形的细菌称球菌，按其分裂后细胞排列方式不同，又可分为以下几种类型(图
1-1)。
1.单球菌
细菌在一个平面上分裂，分裂后的菌体分散而单独存在，如尿微球菌(Micrococcus ureae)。
2.双球菌
细菌在一个平面上分裂，分裂后菌体成对排列，如肺炎双球菌(Diplococcas pnewmoniae)。
3. 链球菌
细菌在一个平面上分裂，分裂后多个菌体相互连接成链状，如乳酸链球菌(Streptococcus lactis)。
4.四联球菌
细菌在两个互相垂直的平面上分裂，分裂后每四个菌体排列在一起呈“田”字形，如四联球菌(Micrococcus tetragenus)。
5.八叠球菌
细菌在三个互相垂直的平面上分裂，分裂后每八个菌体有规则地堆叠在一起呈立方体，如尿素八叠球菌(Sarcina ureae)。
6.葡萄球菌
细菌在多个不规则的平面上分裂，分裂后菌体不规则地连在一起，形似葡萄串状，如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus))。
(二)杆菌
菌体呈杆状的细菌称杆菌。杆菌是细菌中种类最多的一类。
各种杆菌的长短、粗细、大小差别较大。有的杆菌菌体很长称为长杆菌；有的杆菌菌体较短称为短杆菌；还有的杆菌长宽差不多，近似球形称为球杆菌，如流产布氏杆菌。不同杆菌菌体的两端形状不同，有的杆菌两端呈圆弧状，如大肠杆菌；有的杆菌两端或一端呈平截状，如炭痘杆菌。有的杆菌一端膨大，另一端细小，形如棒状称棒状杆菌，如谷氨酸棒杆菌；有的菌体中间膨大，形如梭状称梭状杆菌，如肉毒梭状芽孢杆菌。
杆菌永远沿横轴方向分裂，根据杆菌分裂后排列情况不同分为不同形式(图1-2)。绝大多数杆菌分裂以后是分散独立存在的，称为单杆菌，如大肠埃希杆菌；菌体呈链状排列，称链杆菌，如保加利亚乳杆菌。还有的菌体成对排列称双杆菌。杆菌的排列方式、粗细以及菌体两端的形状等都受细菌遗传因素的制约，这些都是认识和鉴别各种杆菌的重要依据。
工农业生产中用到的细菌大多数是杆菌，如用来生产淀粉酶和蛋白酶的枯草杆菌(Bacilus swbrilis)，
生产谷氨酸的北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense)等。
不
60
图1-2 各种杆菌的形态
(三)螺旋菌
菌体弯曲的杆菌称为螺旋菌。根据菌体弯曲程度的不同可分为弧菌和螺菌两种类型(图1-3)。
1.弧菌
菌体仅一个弯曲，形如弧形、逗号或香蕉状，螺旋不满一环，如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)。
2.螺菌
菌体有多个弯曲，回转如螺旋状，一般螺旋2-6环，如干酪螺菌(Spirillum tyrogenum)
图1-3 弧菌和螺菌的形态
在正常生长条件下，不同种类的细菌形态是相对稳定的。但细菌的形态受环境条件影响很大，例如改变培养时的温度、培养基的成分与浓度、培养时间、渗透压、pH值等，都能引起细菌形态发生变化。各种细菌在幼龄阶段和适宜的环境条件下表现出正常形态。一般在适宜的培养条件下培养18-24h菌体形态最典型，并呈现典型的染色反应。但当培养条件改变或菌体老化时，常引起形态的变化，尤其是杆菌。例如巴氏醋酸杆菌在正常情况下为短杆菌，当培养温度改变时就会成为纺锤形、丝状或链锁状(图
1-4)。乳酪芽孢杆菌正常情况下呈长杆菌，老熟时则变成分枝形态(图1-5)。
二、细菌的大小及其测定方法
细菌个体很小，必须借助显微镜才能观察到。常以微米(qm)作为测量细菌的长度、宽度或直径的单位。通常用显微测微尺测量细菌的大小。由于细菌的形态和大小受培养条件影响，因此测量菌体大小时以最适培养条件下培养的细菌为准。
球菌的大小以其直径表示。杆菌的大小以宽度×长度来表示。螺旋菌的大小以宽度×长度来表示，但其长度是以其自然弯曲的长度来计算，而不是以真正的长度计算。
大多数球菌的直径为0.5ym～2.0m，杆菌的大小一般为(0.5～1.0) mx(1.0～5.0) ym，螺旋菌的大小为(0.3～2.0) amx(1.0～20.0) yam。一般来说产芽孢的细菌比不产芽孢的细菌大。
细菌的大小还受细菌的固定、染色方法以及培养时间等因素有关。一般细菌在干燥与固定过程中，细胞明显收缩，所以经干燥固定的菌体长度比活菌体长度一般要缩短1/4～1/3；用衬托菌体的负染色法，其菌体往往大于普通染色法的菌体，甚至有的菌体比活菌体还要大，有荚膜的细菌最容易出现这种情况。
三、细菌的细胞结构及其功能
细菌的细胞结构包括基本结构和特殊结构。细菌细胞的基本结构(图1-6)是各种细菌所共有的结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质、原核、内含物、核糖体。特殊结构只是部分细菌才具有或仅在特殊条件下才形成的构造，如芽孢、鞭毛、荚膜、纤毛等。
5.荚膜 6.核 7. 异染粒 8.粘液层
(一)细菌细胞的基本结构
1. 细胞壁
细胞壁位于菌体的最外层。坚韧而略有弹性，其重量约占细胞干重的10%～20%。各种细菌的细胞壁厚薄不等，一般在10nm~80nm之间。
(1)细胞壁的功能
①细胞壁起着固定菌体外形的作用。细菌失去细胞壁时，各种形态的菌体都将为球形。2保护作用。一方面细胞壁保护菌体免受机械破坏或其他破坏。细菌能在一定浓度的低渗透压溶液中生存而菌体不致破裂。而无细胞壁的原生质体只能在等渗透压的环境中生活。这都与细菌细胞壁具有韧性和弹性有关。另一方面细胞壁能阻挡酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶等有害物质的损伤。
(2)细胞壁与革兰氏染色的关系
革兰氏染色法是1884年由丹麦病理学家C.Gram创立的。革兰氏染色法(Gram staining)是细菌学中最重要的鉴别染色法。通过革兰氏染色，可将所有细菌区分为两大类，即革兰氏阳性细菌(用G+表示)和革兰氏阴性细菌(用G表示)。
革兰氏染色的过程是先在细菌的干涂片上用草酸铵结晶紫染色，然后用碘液媒染，所有细菌都被染成紫色，接着用乙醇脱色，不同种类的细菌脱色效果不同，最后用番红复染，结果有些细菌保持初染色一紫色(称为革兰氏阳性细菌)；有些细菌在乙醇的作用下脱去了初染色，而被染上复染色一红色(称为革兰氏阴性细菌)。
革兰氏染色法之所以能将细菌区分为G+菌和G·菌，主要是由于这两类细菌的细胞壁的结构和化学组成不同所决定的(表1-1)。
①G+菌的细胞壁
G+菌细胞壁只有一层，厚20nm～80nm，主要由肽聚糖和穿插在其中的磷壁酸组成，有少量脂多糖。
每个肽聚糖单体是由N乙酰葡萄糖胺(用G表示)、N-乙酰胞壁酸(用M表示)、短肽及肽桥聚合而成的多层网状结构的大分子化合物。N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替排列，并以β-1.4糖苔键连接成聚糖骨架，在聚糖骨架的N-乙酰胞壁酸上有四肽侧链。每个四肽侧链的氨基酸依次为：L-丙氨酸、
D-谷氨酸、L-赖氨酸、D-丙氨酸；相邻两个四肽侧链由五肽桥连接在一起，五肽桥由5个甘氨酸组成(图
1-7A)。
N-乙配葡萄糖肢
N-乙酸胞壁酸 G
·四肽链 M
o五桥
MDAP
谷
DAP
A B
图1-7 G菌细胞壁肽聚糖结构示意图
1.溶菌醇作用点 2.青霉素作用点
(薛永三，微生物.2005)
肽聚糖是G+菌细胞壁的主要成分，其质量占细胞壁干重的50%～80%。肽聚糖很厚，可达50层，呈三维空间的网状结构，这样的结构使G+菌细胞壁质地致密，机械强度大，较坚韧。
磷壁酸是G+菌细胞壁的特有成分，其质量约占细胞壁干重的50%。它们构成长链结构穿插在肽聚糖中。按其结合部位不同，磷壁酸可分为壁磷壁酸和膜磷壁酸，壁磷壁酸结合在肽聚糖的N-乙酰胞壁酸上，膜磷壁酸结合在细胞膜的磷脂上，另一端均伸出到细胞壁的表面(图1-8)。