任务一 细菌形态、结构及功能
任务要求
1.了解原核微生物、真核微生物之间的区别
2.掌握细菌形态、结构特点
3.掌握细菌细胞壁特点及革兰氏染色机制
4.了解细菌的典型二分裂方式
微生物按形态结构分为细胞型微生物和非细胞型微生物，细胞型微生物按其细胞构造又可分为原核生物和真核生物。原核生物和真核生物在细胞核、细胞质膜、细胞器、核糖体RNA、繁殖方式及代谢场所方面均存在较大差异。
一、原核微生物与真核微生物
原核微生物细胞和真核微生物细胞之间存在诸多差别。原核生物没有细胞核结构但有明显的核区，核区内只有一条双螺旋结构的脱氧核糖核酸（DNA）构成的染色体，且没有核膜和核仁。真核生物细胞内有细胞核结构，染色体由双螺旋结构的脱氧核糖核酸与组蛋白缠绕构成，且被一层核膜包裹，中间有核仁，核膜上有核孔。此外，真核细胞内有线粒体、叶绿体等细胞器，原核细胞内没有细胞器结构。两种类型的细胞核糖体RNA也存在差异，原核生物核糖体RNA沉降系数是70S，而真核细胞的是80S。原核生物与真核生物比较见表2-1。
表2-1 原核生物与真核生物比较
二、细菌基本形态及空间排列
细菌是一类个体微小、形态结构简单、多以二分裂方式繁殖的单细胞原核生物。广泛分布在地球的任何角落，土壤、水、动植物体内外等，到处都有它的踪迹，特别是温暖、湿润、肥沃的土壤，是细菌生长最活跃的场所。
细菌是维持生态系统中物质循环的重要分解者。碳、氮、磷等物质循环得以顺利进行，与细菌的分解作用密不可分。细菌与人类活动之间的关系就像一把“双刃剑”。一方面，细菌是人类许多疾病的病原菌，肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫等疾病都是由细菌引发和传播的；另一方面，细菌也常为人类所利用，酸奶、乳酪、泡菜的制作，污水处理，酱油、食醋酿造等，都与细菌作用密不可分。另外，在生物工程领域，细菌也有着广泛的应用，为基因工程技术提供了宝贵的工程菌。
细菌的形态多样，有球形、杆状、螺旋状、网状、心形、肾形、叶柄状、丝状等，但最常见的基本形态只有球菌、杆菌和螺旋菌三种（见图2-1）。
图2-1 细菌的各种形态
1—葡萄球菌；2—双球菌；3—链球菌；4—四联球菌；5—八叠球菌；6—单球菌；7—短杆菌；8—芽孢杆菌；9—链杆菌；10—弧菌；11—螺菌
（a）球菌；（b）杆菌；（c）螺旋菌
（一）球菌
细胞个体呈球形或椭圆形，不同的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，这些排列方式常被作为细菌的重要分类依据。
①单球菌 细菌分裂后的细胞分散而单独存在，如尿素微球菌。
②双球菌 细菌在一个平面上进行分裂，分裂后不分离而是连在一起成对存在，如肺炎双球菌。
③链球菌 细菌沿一个平面进行分裂，分裂后细胞排列成链状，如乳链球菌。
④四联球菌 细菌是沿两个相互垂直的平面进行分裂两次，分裂后每四个细胞在一起相连呈“田”字形，如四联微球菌。
⑤八叠球菌 细菌沿三个相互垂直的平面进行分裂三次，分裂后每八个球菌在一起构成立方体形状，如藤黄八叠球菌。
⑥葡萄球菌 细菌分裂面不规则，分裂后多个子细胞聚集在一起，像葡萄串一样，如金黄色葡萄球菌。
（二）杆菌
杆菌细胞一般呈圆柱状或梭状，菌体大多平直，少数有稍弯曲的弧度，两端多为钝圆，少数呈平截状或尖突状。根据其排列组合情况，杆菌可分为单杆菌、双杆菌和链杆菌。杆菌的排列特征远不如球菌那样固定，同一种杆菌往往有多种形态同时存在。杆菌的直径一般比较稳定，而长度会因培养时间、培养条件不同而发生较大变化。有些杆菌的菌体短小，近似球状，称为球杆菌，如多杀性巴氏杆菌；有些杆菌会形成侧枝或分枝，称为分枝杆菌，如结核分枝杆菌；有的杆菌呈长丝状，如坏死梭杆菌；有的杆菌一端分叉，如双歧杆菌；有的杆菌呈“八”字形，如北京棒状杆菌；还有的杆菌会成对出现或成链状、栅状出现，如鼠疫杆菌（双杆菌）、猪痢疾杆菌（链杆菌）等。
杆菌是三种基本形态中种类最多的细菌，接下来依次是球菌和螺旋菌。
（三）螺旋菌
菌体细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。根据细胞弯曲的程度和硬度，螺旋菌可分为弧菌、螺旋菌和螺旋体三种类型。
1.弧菌
菌体只有一个弯曲，其程度不足一环，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。如蛭弧菌和霍乱弧菌。
2.螺旋菌
菌体回转如螺旋，螺旋为2～6环。螺旋数目和螺距大小因种而异，鞭毛二端生，细胞壁坚韧。如小螺菌。
3.螺旋体
菌体柔软，细胞螺旋大于6环，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。如梅毒密螺旋体。
三、细菌的大小及其测定方法
细菌大小测量方法常见有显微测微尺测定和显微照相后根据放大倍数测算两种，大小表示以微米（μm）为单位。不同形态的细菌，大小表示方法也不相同，球菌的大小用直径表示，一般球菌直径0.5～l μm；杆菌的大小用宽×长表示，一般杆菌大小为（0.5～1）μm×（1～3）μm；螺旋菌的大小表示与杆菌相似，以宽×螺旋空间距离表示，但个体相对较大。几种常见细菌大小见表2-2。
表2-2 常见细菌大小
四、细菌细胞结构及其功能
细菌细胞结构可分为基本结构和特殊结构。任何细菌都具有的结构称之为基本结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质及拟核等。特殊结构是只有某些细菌特有的，属细菌生命活动中非必需的结构，包括荚膜、芽孢、鞭毛、纤毛及性菌毛等（详见图2-2）。
图2-2 细菌细胞结构示意图
（一）基本结构
1.细胞壁
细胞壁是细菌菌体细胞外部有一定硬度和韧性的网状结构，具有维持细胞一定形状、保护细胞不被破坏、保障细胞在不同渗透压条件下生长、防止胞溶等作用。细胞壁可以通过染色后在光学显微镜下观察。
（1）细胞壁的结构及化学组成 细菌细胞壁中最主要的成分之一是肽聚糖，它是构成细胞壁机械强度的物质基础。肽聚糖又称胞壁质、黏肽，是细菌细胞壁所特有的成分。肽聚糖分子由肽链和聚糖两部分组成，其中肽链包括四肽尾和肽桥两种，而聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖（N-乙酰葡糖胺，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）通过β-1，4-糖苷键连接的多聚体。肽聚糖是高度交联的分子网状结构，使得细胞具有了刚性、强度和保护细胞抵抗渗透压的能力。肽聚糖结构见图2-3。
图2-3 肽聚糖结构
（a）肽聚糖立体结构示意图（片段）；（b）肽聚糖结构图
根据细胞壁的结构不同，利用革兰氏染色可将细菌分成两大类：革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）。
①G+细胞壁 细胞壁为单层，主要由肽聚糖、磷壁酸和少量脂类组成，肽聚糖含量较高，细胞壁网状结构致密。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20～80nm，其中有15～50层肽聚糖，每层厚度1nm，约占细胞干重的60%～80%，另含20%～40%的磷壁酸。G+细胞壁结构见图2-4。
图2-4 G+细胞壁结构
磷壁酸是G+细胞壁中的特有成分。磷壁酸是由核糖醇或甘油残基经由磷酸二键互相连接而成的多聚物，具有很强的抗原性，是革兰氏阳性菌的重要表面抗原。它在调节离子通过黏肽层中起到重要作用，并与某些酶活性或细菌致病性有关。
②G-细胞壁 细胞壁为两层，外层主要成分为脂蛋白和脂多糖层，内层为肽聚糖层，肽聚糖含量较低，肽聚糖层相对较薄，细胞壁网状结构疏松，交联松散。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅有2～3层肽聚糖，其余为脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。G-细胞壁结构见图2-5。
图2-5 G-细胞壁结构
G+与G-细胞壁的特征比较详见表2-3。
表2-3 G+与G-细胞壁结构特征比较
（2）细胞壁的生理功能 细胞壁是细胞基本结构的最外层，是细胞鉴别的重要依据之一，其主要生理功能有：①维持和固定细菌细胞形态，提高细胞机械强度；②保护菌体免受渗透压等外力引起的破坏作用；③为鞭毛提供支点，并为细胞生长、分裂所必需；④与细菌抗原性、致病性、噬菌体的感染等有关；⑤细胞壁的多孔结构具有分子筛能力，可阻挡某些有害物质进入细胞。
（3）革兰氏染色法及其基本原理 革兰氏染色法是细菌鉴别检验中广泛应用的一种鉴别染色法，由丹麦医师、细菌学家汉斯·克里斯蒂安·约阿希姆·革兰（Hans Christian Joachim Gram，1853—1938）于1884年创立。革兰氏染色属复合染色法，未经染色的细菌，由于其与周围环境折射率差别小，在显微镜下极难观察。经染色后细菌与周围环境形成鲜明色差对比，可以清晰地观察到细菌的形态、排列、结构等特征，常用于分类鉴定。
革兰氏染色一般包括初染、媒染、脱色和复染四个步骤。具体操作步骤：固定过的细菌用草酸铵结晶紫进行初染色1min。冲洗后再使用卢哥氏碘液进行媒染1min，在细胞壁内形成结晶紫-碘复合染料。冲洗后使用95%乙醇进行脱色处理15～30s。最后使用沙黄复染1min，干燥、镜检观察，革兰氏阳性菌呈紫色，革兰氏阴性菌呈红色。革兰氏染色步骤详见表2-4。
表2-4 革兰氏染色程序和结果
革兰氏染色机制：革兰氏染色结果与细胞壁的化学组成、结构有密切关系。首先通过结晶紫初染和碘液媒染后，结晶紫与碘形成复合物沉积于细胞壁上，当用95%乙醇脱色处理时，革兰氏阳性菌由于细胞壁较厚、肽聚糖网状结构交联致密，遇乙醇脱色处理时，因失水使网孔进一步缩小，不能把结晶紫-碘复合物冲洗脱掉，而是牢牢包埋在壁内，使其仍呈紫色，经沙黄复染，因红色弱于紫色，最终革兰氏阳性菌染色呈紫色；革兰氏阴性菌因细胞壁中类脂含量高、肽聚糖层薄且交联度差，在遇脱色剂后，类脂被迅速溶解，细胞壁结构被破坏，网状结构变得进一步疏松，因此乙醇脱色结晶紫-碘复合物会被洗脱后由紫色变无色，再经沙黄染料复染，最终革兰氏阴性菌染色呈红色。
2.细胞膜和间体
（1）细胞膜 又称细胞质膜、质膜，是围绕在细胞质外柔软、脆弱、有弹性的半透性膜结构。细胞膜由磷脂双分子层、蛋白质及外表面的糖蛋白组成，蛋白质镶嵌在双分子层中。在电子显微镜下观察，用四氧化锇固定的细胞膜具有明显的“暗—明—暗”三条平行的带，其内、外两层暗带由蛋白质分子组成，中间一层明带由双层脂类分子组成，三者的厚度分别约为2.5nm、3.5nm和2.5nm。细胞膜结构示意图见图2-6。
图2-6 细胞膜结构示意图
细胞膜是具有高度选择性的半透膜，主要生理功能为：
①维持渗透压的梯度和溶质的转移，对细胞内外物质交换起高度选择性吸收作用。细胞质膜的选择性渗透作用，能阻止高分子通过，并选择性地逆浓度梯度吸收某些低浓度分子进入细胞。
②细胞膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶系，是合成细胞壁、荚膜的重要场所。
③膜内陷形成的间体中含有细胞色素，可参与呼吸作用，并与细胞分裂有关。
④细胞膜是进行物质代谢和能量代谢的中心。
⑤细胞膜上长有鞭毛基粒，为鞭毛生长和鞭毛基体提供着生点，并为鞭毛运动提供所需要的能量。
（2）间体 又叫中间体，是细胞膜内陷形成的层状、管状和囊状物，位于细胞分裂处。间体常见于G+，每个细胞含有一个或几个，如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、粪链球菌间体较为明显。间体的着生部位可分为表层和深层两种，前者与某些酶（如青霉素酶）的分泌有关，后者与DNA的复制、分配以及细胞分裂有关。间体的生理功能主要为：参与隔膜形成，与细胞分裂有关，具有类线粒体功能，参与进行能量代谢。
3.细胞质及其内含物
细胞质是细胞膜包裹的胶体中除拟核以外的部分，呈半透明胶体状，主要包括水、核糖体、液泡、气泡、多种酶类、各类营养物、储藏颗粒等，其中水约占总量的80%。细菌的细胞质与真核生物的细胞质存在较大差异，细菌的细胞质呈胶体状，流动性差，核糖体沉降系数为70S，不含有线粒体等细胞器，少数细菌细胞质中含有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等；而真核生物细胞质流动性好，核糖体沉降系数为80S，且含有细胞器等。细胞质中的内含物主要有：
①核糖体 核糖体是细菌中蛋白质合成的重要场所，由一个小亚基（30S）和一个大亚基（50S）组成。
②液泡 液泡内部充满水分、电解质及一些不溶性颗粒，具有调节细胞内渗透压作用。
③气泡 个别水生性好氧细菌细胞质内还含有气泡，具有储存和提供氧气及调节浮力的作用。
④储藏颗粒 一些细菌在生长期间细胞质内会形成一些储藏物质。常见的有异染颗粒、聚-β-羟丁酸颗粒、多糖颗粒、硫粒、磁小体、羧酶体等。
4.核区与质粒
细菌属于原核生物，无真正的细胞核。我们把无核膜、核仁结构的细胞核通常称为核区或拟核。核区只是一条闭合环状双链DNA分子形成的高度折叠缠绕的超螺旋结构，不与组蛋白结合，而与Mg2+等阳离子和胺类等有机碱结合，以中和磷酸基团所带的负电荷，构成染色体。电子显微镜下观察，核区的电子密度相对较低并呈现丝状构造。化学组成上，核区不含组蛋白，主要成分是DNA链。细菌的核区是细菌遗传信息表达的重要物质基础，决定着细菌细胞的遗传和变异。
质粒是游离于染色体之外或整合在染色体上的共价闭合环状双链DNA分子，又称cccDNA。质粒可独立存在于细菌染色体之外，进行自我复制和基因表达，也可以整合在染色体上或消失，并在一定范围内进行细胞间传递。质粒所携带的基因属非细菌进行生命活动的必需基因，所以细菌菌体内有无质粒对细菌的正常生长代谢无较大影响。
（二）细菌的特殊结构
特殊结构是指少数细菌特有的结构，如荚膜、鞭毛、纤毛（性纤毛）、芽孢等。
1.荚膜
荚膜是某些细菌分泌到细胞壁外的疏松透明的黏液状物质，较薄，与周围环境有明显边缘差异，主要成分是水、多糖及一些多肽，对菌体具有抗干燥及其他保护作用。荚膜染色常用负染色法。一般荚膜对碱性染料的亲和性较低，不易着色，普通染色只能看到菌体周围有一圈未着色的透明带；如改用墨汁作负染色剂，则荚膜显现会十分清楚。荚膜染色结果见图2-7。
图2-7 荚膜染色
荚膜的功能主要有：①对细菌表面起渗透屏障作用，可使细菌免受重金属离子毒害；②保护细胞，可防止细菌受寄主白细胞吞噬；③保护细胞免受干燥损伤，荚膜中的大量水分可有效地保护细菌在恶劣干燥环境下的破坏；④帮助细菌附着到物体表面，个别产荚膜细菌生长过程中会分泌一些黏性多糖等物质，有助于菌体依附；⑤必要时提供养料，荚膜在适宜条件下就像细菌生长的垃圾废物堆积场，但一旦生长环境发生恶性变化，堆积的多肽、多糖、水等物质又可以重新被菌体利用。
2.鞭毛
鞭毛是某些运动微生物表面着生的一根或数根由细胞内生出的细长、弯曲、毛发状的丝状蛋白体结构。鞭毛纤细而具有刚韧性，直径12～18nm，长度15～20μm，可分为三部分：基体、钩形鞘和鞭毛丝。鞭毛结构见图2-8。
图2-8 鞭毛结构示意图
细菌鞭毛的数目和分布位置是对鞭毛菌鉴定的重要依据之一。根据鞭毛数目及分布位置不同，一般可分五类：端生单鞭毛、端生丛鞭毛、两端生单鞭毛、两端生丛鞭毛和周生鞭毛。鞭毛类型见图2-9。
图2-9 鞭毛的五种类型
鞭毛的功能主要有：①鞭毛与细菌运动有关，是原核生物实现趋动性的最有效方式，如趋光性、趋磁性、趋氧性等；②与病原微生物的致病性有关，鞭毛是个别细菌抗原结构的一部分。
3.纤毛与性纤毛
纤毛又叫线毛、菌毛、伞毛等，是某些细菌细胞上伸出的数目较多、短而直的蛋白质丝或细管。纤毛结构比鞭毛简单，直接着生于细胞膜，直径一般为2～10nm，长5～10μm，每个细菌一般有200～300根。纤毛多生于G-致病菌，如淋病奈氏球菌。图2-10为细菌纤毛示意图。
图2-10 细菌纤毛
纤毛可分为普通纤毛和性纤毛两种类型，普通纤毛即纤毛，是指能使细菌菌体黏附在某物质表面或在液面形成菌膜的一类；性纤毛是特殊的纤毛，通常只有一根或几根，比菌毛长，与细菌接合作用时遗传物质的传递有关，起两个菌体连接通道的作用。
性纤毛又称性毛、性菌毛，成分和构造与纤毛相同，但比普通纤毛要长，因菌体内含有性因子（F质粒）而生出。通常把长有性纤毛的细菌称之为雄性菌，没有性纤毛的细菌称之为雌性菌，雄性菌可以通过性纤毛向雌性菌传递性因子。性纤毛及接合过程见图2-11。
图2-11 性纤毛及接合过程
4.芽孢
某些细菌在其生长发育后期，细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体结构，即芽孢。芽孢没有繁殖功能，仅是细菌应对外界不良环境的一种生命延续形式，所以每一个营养细胞内只能形成一个芽孢。
芽孢的结构和化学组成均与营养细胞不同，并且具有许多不同于营养细胞的特性。最主要的特性就是抗逆性强，对高温、干燥、电离辐射及多种化学药物均有很强的抗性。芽孢染色也采用负染色法，在显微镜下观察孔雀绿或碱性品红染色的芽孢菌涂片时，可以很清晰地将芽孢与营养细胞区分开。营养细胞染有颜色；而芽孢因折光性强，为无色透明的圆形或椭圆形（图2-12）。
图2-12 细菌芽孢染色
芽孢的形成是一个极其复杂的过程，包括形态结构、化学成分等多方面的变化。大量研究结果表明，当环境中营养物质缺乏或生长条件不利时，产芽孢菌就会停止生长，在细菌内部逐渐形成芽孢。
形成芽孢的过程可分为4个阶段：①DNA浓缩，融合成杆状染色质；②在细胞中央或一端，细胞膜内陷形成隔膜包围核物质，产生一个前芽孢；③前芽孢的双层隔膜形成，并逐步形成皮层，脱水，产生抗热性；④前芽孢再被多层膜包围，如皮层、芽孢衣等，最后芽孢成熟，经芽孢囊裂解而释放出来。
芽孢结构相当复杂。最里面为核心，含核质、核糖体和一些酶类，由芽孢壁所包围；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；最外面是芽孢外壁。皮层是最厚的一层。在芽孢的形成过程中产生2，6-吡啶二羧酸，这是一种高度抗热性物质（芽孢耐热性机制）。此外，芽孢壳是一种类似角蛋白的蛋白质，非常致密，无通透性，可抵抗化学药物的侵入。芽孢结构见图2-13。
图2-13 芽孢结构示意图
1—初生细胞壁；2—皮层；3—内膜；4—外膜；5—外壳层；6—外孢子囊；7—核心
对细菌芽孢深入研究有着重要的理论和实践意义：
①芽孢是进行细菌鉴定的重要形态学指标，每一种细菌芽孢的有无、形态、大小和着生位置等都具固定的特性，是细菌分类和鉴定中的重要指标。
②细菌芽孢是休眠体结构，利用其休眠特性有利于提高菌种的筛选效率和菌种的长期保藏。例如利用炭疽杆菌芽孢进行沙土保藏可达10年以上。
③芽孢的耐热性常被用来衡量和制定各种消毒灭菌的指标。例如肉制品加工中常以肉毒梭状芽孢杆菌的芽孢杀灭情况作为肉制品罐头的杀菌标准。因此，要保证芽孢的杀灭，肉类罐头必须在121℃条件下维持20min以上的杀菌。
五、细菌的繁殖方式与过程
细菌在营养物质充足、生长条件适宜的环境（温度、酸碱度、气体条件、渗透压）下，通过连续的新陈代谢、生物合成和积累，单个菌体不断增大，最终导致细胞分裂，即细菌裂殖。裂殖是细菌繁殖的主要形式，属无性繁殖范围，最为常见的裂殖形式是二分裂繁殖（一分为二），大至分为三个阶段：
（一）核质分裂
细菌核染色体DNA进行复制形成两个细胞拟核，然后通过细胞膜内陷两核分开，完成核分裂。
（二）横隔壁形成
细胞膜内陷，细胞壁同时随细胞质膜向内延伸，最后形成横隔壁，两个子代细胞具有完整的细胞壁。
（三）子细胞分离
两子代细胞彼此分开，独立进行各自生命活动，实现无性繁殖过程。
六、细菌的菌落形态及其意义
细菌的群体形态主要包括固体培养基上的群体形态、半固体培养基上的群体形态和液体培养基上的群体形态三类，其中与生活、生产联系最为紧密的是固体培养基上的群体形态——菌落。
通常将单个微生物或多个同种微生物接种至条件适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度形成肉眼可见的、有一定形态结构的以母细胞为中心的子细胞克隆群体，称为菌落。当固体培养基表面众多菌落连成一片时，称为菌苔。
每种细菌的菌落都有其自身特征，对菌落进行形态特征描述时根据菌落大小、形状、隆起度、边缘情况、表面状态、表面光泽、质地、颜色、透明度等方面进行。例如，大肠杆菌菌落特征描述为圆形，直径1～2mm，白色油亮，半透明，中心隆起，边缘光滑，表面湿润黏稠，质地柔软易挑取。
一般而言，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，因此菌落特征也作为衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌种的重要依据。
思考与交流
细菌属于典型的原核微生物，根据细菌的结构特点试讨论常用的染色方法有哪些。
想一想
我们已经学习了细菌的细胞形态、结构，那么除细菌外还有哪些原核生物呢？它们的形态、结构又各有什么特点？