环境工程微生物学-真核微生物(NXPowerLite).ppt

第三章 真核微生物,本章内容,原核生物和真核生物细胞区别真核生物细胞结构原生动物微型后生动物藻类酵母菌霉菌蕈菌,内容,微生物细胞,Prokaryotic Cell(Bacillus megaterium),Eukaryotic Cell(L-Cell),Candida albicans(Eukaryotic Cell),3.1 原核细胞和真核细胞结构的区别,3.1.1 原核微生物和真核微生物原核微生物细胞无细胞核，只有原核或拟核；真核微生物细胞的主要特征是有细胞核和细胞器及复杂的内膜系统；病毒属于非细胞类生物。,3.1.2 原核细胞和真核细胞的区别（1）核、核膜、染色体原核生物细胞无核膜，有一个明显的核区，核区集中了主要遗传物质，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。,（2）代谢场所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。,（3）核糖体的大小和分布原核细胞的核糖体大小为70S，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，游离于细胞或结合于内质网上。线粒体和叶绿体内有各自在结构上特殊的核糖体。,70S Ribosome During Translation,The 70S prokaryotic ribosome consists of a 50S and a 30S subunit.S refers to a unit of density called the Svedberg unit.,原核生物和真核生物遗传的和细胞组装上的主要差别,原核生物和真核生物遗传的和细胞组装上的主要差别(续),3.2 真核生物细胞结构,真核生物(Eukaryotes)是一大类细胞核具有核膜，能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等多种细胞器的生物。真核微生物(Eukaryotic microorganism)属于真核生物类的微生物(真菌、显微藻类和原生动物),3.2.1 细胞壁真菌细胞壁主要成分是多糖，但呈现多样性，另有少量的蛋白质和脂类低等真菌的细胞壁主要成分以纤维素为主酵母的细胞壁的主要成分以葡聚糖为主高等真菌的细胞壁主要成分以几丁质为主,3.2.2 鞭毛与纤毛,3.2.3 细胞膜与原核细胞膜的差异,3.2.4 细胞核细胞遗传信息（DNA）的贮存、复制和转录的主要部位外形固定，有核膜由核被膜、染色质、核仁和核基质组成,细胞基质和细胞骨架内质网和核糖体高尔基体溶酶体微体线粒体叶绿体液泡膜边体几丁质酶体氢化酶体,3.2.5 细胞质和细胞器,Eukaryotic cell structure,Cytoplasmicmembrane,Ribosomes,Cytoplasm,Mitochondrion,Nuclear membrane,Nucleus,Nucleolus,Endoplasmicreticulum,Chloroplast,3.3 真核微生物的主要类群,真核微生物,植物界：显微藻类,动物界：原生动物,菌物界：,假菌,真菌,单细胞真菌酵母菌,丝状真菌霉菌,大型真菌子实体真菌蕈菌,3.3.1.1 原生动物的一般特征,3.3.1 原生动物,1）一类不行光合作用的、游动的、单核的真核微生物。它们可能起源于藻类，由于具有“类似动物”的特征，它们又极可能是动物的始祖。,2)单细胞、无细胞壁、形态多样大小多在数十到300m间，大多数接近100m，原生动物的膜虽然柔软，但能保持其形状。原生动物的形态差别也很大，它们或为球状、椭球状、钟状、喇叭状、拖鞋状等。有的如变形虫属，无固定形状。,3）异养营养摄取的方式为渗透型营养和吞噬型营养，有的同时具有以上两种营养摄取方式。渗透型营养(osmotrophic)是指依赖吸收溶解性物质生活，与细菌和真菌一样。吞噬型营养(Phagotrophic)指靠吞噬颗粒型食物为生。类似于植物和动物的摄食方式。原生动物的营养需求较复杂，特别是对于吞噬型原生动物，它们以吞噬的颗粒为营养，被吞噬的颗粒常包括细菌细胞。,4）大多严格好氧，也有严格厌氧后者常在厌氧处理的反应器和反自动物的瘤胃中发现。在废水的生物处理中，原生动物也起到重要作用。可作为污水处理系统运行的生物指标。5）二分裂方式繁殖（裂殖）,3.3.1.2 原生动物的主要类群,1）鞭毛虫纲(Mastigophora)利用鞭毛在水中游动，鞭毛较细菌鞭毛粗大，光学显微镜下可见，通常称作鞭毛虫(flagellates)，或动物鞭毛虫。废水生物处理中常见的鞭毛虫有波豆虫(Bodo)三角鞭毛虫(Trigonomonas)等,2)根足虫纲(Rhizopoda)和肉足虫纲(Sarcodinia)可变形、通过形成细胞表面的突起(即伪足，pseudodia)运动，伪足能捕食颗粒状食物(如细菌)，被捕食后的食物被包裹在食物泡内消化。某些这类原生动物形成碳酸钙或硅粒组成的硬壳，形成碳酸钙外壳的如孔眼虫(Foraminifera)，形成硅外壳的如放射虫(Radioloria)，这类带壳的根足类原生动物能从壳上的孔洞中伸出伪足。,变形虫(Amoeba)中的阿米巴痢疾原虫引起痢疾，它可形成孢子，处于休眠状态的孢子使其对不良环境有更强的抵抗力。,3）纤毛虫纲(Ciliata)依靠细胞表面无数短须(即纤毛)的同步而有节奏的摆动来运动或捕食，吞噬颗粒状食物为生，食物进入处称为“口孔”(mouth pore)，纤毛的运动使食物向口孔运动。纤毛虫是环境工程中最为常见的指示微生物，常见的纤毛虫可分为三类，即游泳型、固着型和吸管型三类。,游泳型纤毛虫：细胞表面大多布有较多的纤毛，能够在水中自由游动和捕食。废水好氧生物处理中常见的游泳型纤毛虫有肾形虫(Colpoda)、豆形虫(Colpidium)、漫游虫(Lionotus)、裂口虫(Amphileptus)、草履虫(Paramecium)、斜管虫(Chilodonella)、四膜虫(Tetrahymena)、糖纤虫(Aspidisca)、棘尾虫(Stylonichia)等属。,固着型纤毛虫外形大多似钟，又叫钟虫类。其前端有环形分布的纤毛构成纤毛带，纤毛有规律摆动形成旋涡，将食物从环境和固体表面扫入口孔而吞噬。固着型纤毛虫能产生柄状物使其固着于固体表面，不能四处游动。环境工程中常见的固着型纤毛虫有：钟虫(Vorticella)、累枝虫(Epistylis)、独缩虫(Carchesium)、聚缩虫(Zoothamnium)、盖纤虫(Opercularia)等属。,吸管虫幼虫有纤毛，成虫纤毛消失，长出长短不等的吸管。吸管虫也靠尾柄固着生活，虫体呈球形、倒圆锥形或三角形等。无口孔，以吸管捕食。环境工程中常见的吸管虫有吸管虫属(Acineta)、壳吸管(Tokophrya)、足吸管虫属(Podophrya)等。,3.3.1.3 原生动物在废水净化中的作用,1）吞噬游离的细菌和颗粒状悬浮物原生动物大量吞噬游离的细菌，可使处理后的废水由浑浊变为清澈，降低悬浮物、有机氮和BOD。原生动物中的纤毛虫吞噬细菌的作用较强。,2）促进生物絮凝作用，使活性污泥具有良好的沉降性能原生动物中的钟虫、累枝虫、草履虫等能分泌促进微生物凝聚的物质，促进细菌凝聚，使絮状污泥凝聚更好，从而使二次沉淀池中废水易于澄清，出水水质得以改善。,3）作为废水处理指示生物可根据原生动物种类、数量及形态的变化，判断废水处理系统运行状况的优劣。变形虫和鞭毛虫多出现在大负荷量的处理系统中，或出现在废水处理起始阶段。大量的固着型纤毛虫出现说明活性污泥状况良好，废水中溶解氧适当。溶解氧不足时，钟虫会变得不活跃或数量减少。,有肋糖纤虫(Aspidisca costata)则对缺氧非常敏感，它的存在说明生物体供氧良好。细湿藓豆形虫(Colpidium campylum)大量生长在没有充分氧供应的超负荷工厂中。而油蝶钟虫(V.micmstoma)也是高负荷下供氧缺乏的标志。,.1 轮虫,头部有一个头冠，其上有一列或多列纤毛形成纤毛环，纤毛可有规律地摆动，使纤毛环如车轮转动，故称轮虫。躯干呈圆筒形，背腹宽扁，被覆透明的壳，两侧对称，体后多有尾状物。纤毛是轮虫摄食和运动的工具，纤毛运动形成涡流，将颗粒状食物引入口部。,3.3.2 微型后生动物,以细菌、藻类及小的原生动物为食，起净化作用。可作指示生物。活性污泥中出现轮虫，往往表明处理效果良好，数量过多则破坏污泥结构，污泥松散上浮。常见的有转轮虫、旋轮虫、腔轮虫、猪吻轮虫等。,.2 微型甲壳动物,有坚硬甲壳，以细菌、藻类为食，是鱼类的基本食料。广泛分布于地表水中，包括淡水和海水。河流污染与水体自净的指示生物。重要的微型甲壳动物:水蚤剑水蚤,.3 其他微型后生动物,存在于水中有机淤泥和生物膜上，包括：1）线虫和昆虫及其幼虫：其中，线虫为长线形，在水中一般长为0.252mm，断面圆形。2）一些小动物，如摇蚊幼虫、蜂蝇幼虫和颤蚯蚓等。,功能,微型后生动物常用作地表水污染的指示生物。微型后生动物在缺氧的环境里也能数小时不死。无毒废水处理中或污染河流中如没有后生动物生长，说明溶解氧不足。,藻类,单细胞或多细胞，含光合色素，进行光合作用，光合自养或异养。多数水生、少数陆生。有的借鞭毛运动，与原生动物的主要区别：光合作用。分类上属于藻门。根据细胞中叶绿体和色素的类型、细胞壁的组成、鞭毛的有无及其特征、细胞器的构成等，藻类又可划分为六大类(亚门)：,1）绿藻(Chlorophyta 或 green algae);2）裸藻(Euglenophyta 或 euglenids);3）金藻(Chrysophyta)，含硅藻(diatoms);4）甲藻(Pyrrophyta 或 dinofgellates);5）褐藻(Phaeophyta 或 brown algae);6）红藻(Rhodophyta 或 red algae)。,.1 绿藻,单细胞的、多细胞简单丝状的和带分枝的藻，有的可在岩石上成扇形生长。细胞呈纯绿色，可产生游动孢子，梨形，带24根鞭毛。绝大多数是淡水生，某些形体较大的绿藻生长在池底、溪底或沿海，高度可达尺许。有些生长在潮湿地区土壤表面。,.2 裸藻,低级藻类，许多介于藻和原生动物之间。单细胞，多数狭长，且无细胞壁，故名裸藻。表面有表膜，有13根鞭毛。多数含载色体，但在无光处生长的裸藻载色体的数目和色素量减少甚至消失，故裸藻呈现绿色或无色。裸藻有口腔道，可吞噬食物。,.3 金藻,细胞中有较多胡萝卜素，呈黄绿到褐色。不同的种有单细胞和多细胞的，有分枝或无分枝的。可产生鞭毛或带鞭毛的游动孢子，13根鞭毛，带双鞭毛的细胞其鞭毛长度不等。,金藻包括硅藻，硅藻多为褐色，单细胞，细胞形状差异很大，但呈现出两侧面对称和中央辐射状图样。金藻可以是淡水生、海水生和陆生。,.4 甲藻,单细胞，细胞外有表质膜(amphiesma)，许多甲藻表质膜上覆盖有壳(theca)。球、丝、不定形和变形虫状。靠鞭毛游动，有各色各样的双鞭毛，一些鞭毛长短不一，可各自独立运动。,可在海水、碱性的水和淡水中生活。既可光合异养，也有动物式的捕食方式。海水中的甲藻可有生物荧光现象(bioluminescence)，因其细胞色素种类不同，呈现出不同颜色，在海水中产生红、红褐或黄色浪潮，是海洋中赤潮(red bloom 或 red tide)的主要产生者。,.5 褐藻和红藻,多数体积很大，组织结构高度分化。褐色和红或紫色。海带为褐藻。褐藻和红藻主要存在于海水中，红藻大多在水底生长，可利用短光波，在光线极暗的环境下生长，海洋中生长的红藻，水深可达200m。食用的紫菜和石花菜即是红藻。褐藻、红藻以及绿藻中的轮绿藻可归于高级藻类；金藻(含硅藻)、裸藻、甲藻和除轮绿藻以外的其余绿藻都属低级藻类。,真菌属于真菌界的真菌门和黏菌门真菌门壶菌亚门接合菌亚门子囊菌亚门担子菌亚门半知菌亚门,Ainsworth分类系统,3.3.4 真菌,真菌是最重要的真核微生物，其特点：无叶绿素，不能进行光合作用一般具有发达的菌丝体细胞壁多含有几丁质营养方式为异养吸收型产生无性和(或)有性孢子繁殖陆生性较强,.1 酵母菌（1）酵母菌一般特性,一类单细胞真菌的通称分属于子囊菌纲、担子菌纲及半知菌类多数出芽繁殖少数裂殖或产子囊孢子能发酵糖类产能细胞壁含葡聚糖和甘露聚糖在含糖量高、酸性的水生环境生长,（2）酵母菌的形态和细胞结构,1）酵母菌细胞形态 卵圆形、圆形或圆柱形。细胞宽15m，长530m。,菌落形态大多数与细菌菌落相似，表面湿润，粘稠，易挑取，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，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。,啤酒酵母,2）酵母菌细胞结构 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。细胞壁组分有：葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质及脂类等。细胞质膜与原核生物基本相同，但含有固醇(麦角甾醇)。,细胞壁,厚约25nm，主要成分为酵母纤维素，呈三明治状：外层为甘露聚糖，内层为葡聚糖，为分枝状聚合物，中间夹一层蛋白质。,磷酸甘露聚糖,葡聚糖,甘露聚糖,蛋白质,细胞质膜,细胞核 具有核膜、核仁和染色体，核膜上有大量核孔。细胞质 含有大量RNA、核糖体、中心体、线粒体、中心染色质、内质膜、液泡等。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。,Candida albicans,（3）酵母菌的繁殖方式,1）无性繁殖 芽殖是酵母菌进行无性繁殖的主要方式。有多边出芽、两端出芽和三边出芽。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，尔后再形成新个体。裂殖 少数种类的酵母菌与细菌一样，借细胞横分裂而繁殖。无性孢子 掷孢子(ballistospore)厚垣孢子(chalmydospore),2）有性繁殖 形成子囊孢子：在合适的条件下接合子经减数分裂，双倍体核分裂为48个单倍体核，其外包以细胞质逐渐形成。包含在由酵母菌细胞壁演变成的子囊中。子囊孢子又可萌发成单倍体营养细胞。,（4）生产上常用的酵母菌,啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵工业，食药用，提取多种生物活性物质。假丝酵母（Candida）饲料白地霉（Geotrichum candidum）饲料，食用，或药物提取。,Note:pseudohyphae,blastospores,and chlamydospores.,3.3.4.2 霉菌,丝状的、无光合作用的、异养性真核微生物。菌丝体较发达，又不产生大型肉质子实体结构的真菌。藻状菌纲分属于真菌界的 子囊菌纲 半知菌类,（1）霉菌分布及与人类的关系,基础理论研究：良好的实验材料发酵工业：发酵生产有机酸、酶制剂抗生素、维生素、生物碱等食品制造：如酱油的酿造和干酪的制造环境保护：污染环境微生物治理其他：生物防治,（2）霉菌的形态结构,1）菌丝(hypha)丝状或管状结构，由坚硬的含几丁质的细胞壁包被，内含大量细胞器。菌丝分有隔菌丝和无隔菌丝细胞质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。,有隔菌丝 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。有的横隔膜可以使相邻细胞之间的物质相互沟通。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。,菌丝顶端生长,2）菌丝体菌丝体(mycelium)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，由许多菌丝相互交织而形成的一个菌丝集团。营养菌丝体密布在固体营养基质内部，主要执行吸收营养物功能的菌丝体 气生菌丝体伸展到空间的菌丝体,这两类菌丝体在长期的进化中，因其自身的生理功能和对不同环境的高度适应，发展出各种特化的构造。,营养菌丝体的特化形态假根：是Rhizopus(根霉属)等低等真菌匍匐菌丝与固体基质接触处分化出来的根状结构，具有固着和 吸取养料等功能。匍匐菌丝：毛霉目真菌在固体基质上常形成与表面平行、具有延伸功能的菌丝，又称匍匐枝。,菌核：由菌丝聚集和粘附而形成的一种休眠体，同时它 又是糖类和脂类等营养物质的储藏体。,菌索：能在缺少营养的环境中为菌体生长提供基本的营养来源，尤其是在高等担子菌中较为常见。,气生菌丝体的特化形态 气生菌丝体可特化成各种形态的子实体。结构简单的子实体,产无性孢子,分生孢子头：曲霉属、青霉属,孢子囊：根霉属、毛霉属,产有性孢子：担子菌的担子,结构复杂的子实体,菌丝体在液体培养时的特化形态真菌在液体培养基中进行振荡培养时，往往会产生菌丝球。有利于氧的传递以及营养物和代谢物的输送，对菌丝的生长代谢产物有利。,菌丝体在液体培养时的特化形态真菌在液体培养基中进行振荡培养时，往往会产生菌丝球。有利于氧的传递以及营养物和代谢物的输送，对菌丝的生长代谢产物有利。,（3）菌落特征 菌落生长 菌丝顶端的生长，真菌可以从一个点或一个接种物(inoculum)向新的区域延伸，使在琼脂板上的菌落呈放射状。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。,（4）霉菌繁殖方式,真菌的繁殖能力极强，主要是通过产生无性孢子或有性孢子或菌丝片段来完成的。生活周期营养生长期 菌丝体在基质上生长，生物量增加。无性和有性繁殖5个亚门的霉菌各不相同。,真菌各主要类群的特征,1）无性繁殖：产生无性孢子无性孢子类型厚垣孢子(Chlamydospores)：这类孢子具很厚的壁，是真菌的休眠体，可抵抗热、干燥等不良环境。,节孢子(Arthrospores)：由菌丝断裂形成。菌丝生长到一定 阶段，出现许多横隔膜，然后从横隔膜处断裂，产生很多单个孢子。,分生孢子(Conidiospores)：菌丝分枝顶端细胞或菌丝分化来的分生孢 子梗的顶端细胞分割而成的单个或成簇孢子。,孢囊孢子(Sporangiospores)：形成于一个特殊的囊状结构的孢子 囊内。,Electron Micrograph of Rhizopus showing Sporangiospores,2)有性孢子卵孢子(Oospores)：由两个大小不同的配子囊结合后发育而成，小型配了囊叫雄器，大型配子囊叫藏卵器。它们均由菌丝分化而来，当雄器与藏卵器配合时，雄器中的内含物通过授精管进入藏卵器与卵球结合，随后卵球生出外壁即成为卵孢子。,接合孢子(Zygospores)：接合孢子是由菌丝生出的结构基本相似、形态相同或略有不同的两个配子囊接合而成。,Zygospore of Rhizopus,子囊孢子(Ascospores)：真菌的菌丝可分化为产囊器和雄器，然后二者结合形成子囊，再于子囊内产生有性孢子。,担孢子(Basidiospores)：真菌的菌丝经过特殊分化和有性结合形成 担子，在担子上形成有性孢子,Basidiospores,（5）常见的霉菌及工业应用,接合菌亚门 毛霉、根霉鞭毛菌亚门 绵霉子囊菌亚门 酵母菌、脉孢菌、赤霉担子菌亚门（参见蕈菌）蘑菇、牛肝菌、灵芝、木耳半知菌亚门 曲霉、青霉、木霉、头孢霉,青霉的用途,青霉素发明者、英国科学家弗莱明爵士,澳大利亚病理学家霍华德.弗罗里因进行青霉素化学制剂的研究，而与弗莱明1945年诺贝尔生理学和医学奖.,图中央是青霉菌，周围是致病菌。,葡萄球菌：青霉素的敏感菌,毛霉的用途:,甾族,曲霉的用途:,发酵工程产品柠檬酸,发酵工程产品乳酸,蛋白酶,淀粉酶,发酵工程产品酶制剂,黄曲霉毒素（aflatoxin）的理化性质,Aflatoxin G1,Aflatoxin M1,黄曲霉毒素的去除,强碱处理淘洗去除活性碳吸附排除破碎的花生粒,3.3.4.4 蕈菌,蕈菌通常指能形成大型肉质子实体的真菌。包括多数担子菌和少数子囊菌。,Basidiospores,（1）蕈菌的形态结构,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。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。,锁状联合 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。子实体 具有锁状联合的双核菌丝，发育到一定阶段，生理成熟时，可产生果实和种子，这种结构称为子实体。是繁殖器官。子实体就是常称为菇和耳的食用部分。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。,（2）农业上常栽培的蕈菌,蕈菌资源十分丰富，全世界可供食用的真菌有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。,人工栽培的香菇,竹荪和竹荪蛋,