微生物(microbe，microorganism)通常是描述一切不借助顯微鏡用肉眼看不見的微小生物。這類微生物包括病毒、細菌、古菌、**、原生動物和某些藻類。

微生物是指大量的、極其多樣的、不借助顯微鏡看不見的微小生物類群的總稱。因此，微生物通常包括病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒、朊病毒）、具原核細胞結構的真細菌、古生菌以及具真核細胞結構的**（酵母、霉菌、蕈菌等）、原生動物和單細胞藻類，它們的大小和特征見表1.1所示。但是有些例外，如許多**的子實體、蘑菇等常肉眼可見；相同的，某些藻類能生長幾米長。一般來說微生物可以認為是相當簡單的生物，大多數的細菌、原生動物、某些藻類和**是單細胞的微生物，即使為多細胞的微生物，也沒有許多的細胞類型。病毒甚至沒有細胞，只有蛋白質外殼包圍著的遺傳物質，且不能獨立存活。

 

 

 

 

 

 

 

 

a a 個體微小，結構簡單

在形態上，個體微小，肉眼看不見，需用顯微鏡觀察，細胞大小以微米和納米計量。

b b 繁殖快

生長繁殖快，在實驗室培養條件下細菌幾十分鐘至幾小時可以繁殖一代。

c c 代謝類型多，活性強。

d d 分布廣泛

有高等生物的地方均有微生物生活，動植物不能生活的極端環境也有微生物存在。

e e 數量多

在局部環境中數量眾多，如每克土壤含微生物幾千萬至幾億個。

f f 易變異

相對于高等生物而言，較容易發生變異。在所有生物類群中，已知微生物種類的數量僅次于被子植物和昆蟲。微生物種內的遺傳多樣性非常豐富。

所以微生物是很好的研究對象，具有廣泛的用途。

微生物與人類生活所有方面緊密聯系，下面僅列出幾個：

微生物在碳循環、氮循環和磷循環(地球化學循環)中承擔主要作用，構成生物體的所有基本成分。它們可與植物相連系存在共生的關系，維持土壤肥力和環境中有毒化合物的清潔劑(生物除污)。某些微生物是破壞植物的病原菌，它們毀滅重要的作物，但是，也可有另外的作用，即它們是針對這些**的生物防治劑。

某些微生物可引起眾所周知的**如：天花(天花病毒)、霍亂(霍亂弧菌；細菌)和瘧疾(瘧原蟲屬，原生動物)。但是，微生物也能向我們提供***)和其他的醫學上的重要藥物，通過此種方式控制它們。

微生物在生產食品的許多加工業中已被應用了幾千年，從釀造、酒的釀制、干酪和面包制作到釀造醬油；害**面，微生物引起食品酸敗和常由于攜帶在食品上的微生物而引起**。

傳統的微生物已被用于合成許多重要的化合物，如丙酮、醋酸。*近，遺傳工程技術的進步已經引導可在微生物中克隆藥用的重要多肽，然后，可以大規模的生產。

微生物由于比其更復雜的動物和植物更容易操作，已被廣泛用作模式生物去研究生物化學和遺傳學的過程。幾百萬個同樣的、單細胞的拷貝，能以大量、非常快速而且低值獲得均質的實驗材料。另外的益處是大多數人對用這些微生物進行實驗沒有種族上的異議。

微生物學是研究微生物生命活動規律的學科。它的基本內容是：①微生物細胞的結構和功能，研究細胞的構建及其能量、物質、信息的運轉；②微生物的進化和多樣性，研究微生物的種類，它們之間的相似性和區別，以及微生物的起源；③生態學規律，研究不同微生物之間以及它們同環境之間的相互作用；④微生物同人類的關系。

l         l         17世紀中葉荷蘭人呂文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)用自制的簡單顯微鏡觀察并發現了許多微生物。

l         l         一大批研究者在19世紀下半葉推動了微生物學研究的蓬勃發展，其中貢獻*突出的有巴斯德、科赫、貝耶林克和維諾格拉德斯基。

l         l         微生物學的一套基本技術在19世紀后期均已完善，包括顯微術、**方法、加壓**器(Chamberland，1884)、純培養技術、革蘭氏染色法(Gram，1884)、培養皿(Petri，1887)和瓊脂作凝固劑等。

l         l         20世紀上半葉微生物學事業欣欣向榮。微生物學沿著兩個方向發展，即應用微生物學和基礎微生物學。在應用方面，對人類**和軀體防御機能的研究，促進了醫學微生物學和**學的發展。青霉素的發現(貝mmn9，1929)和瓦克斯曼(Waksman)對土壤中放線菌的研究成果導致了***科學的出現，這是工業微生物學的一個重要領域。環境微生物學在土壤微生物學研究的基礎上發展起來。微生物在農業中的應用使農業微生物學和獸醫微生物學等也成為重要的應用學科。應用成果不斷涌現，促進了基礎研究的深入，于是細菌和其它微生物的分類系統在20世紀初中葉出現了，對細胞化學結構和酶及其功能的研究發展了微生物生理學和生物化學。微生物遺傳與變異的研究導致了微生物遺傳學的誕生。微生物生態學在20世紀60年代也形成一個獨立的學科。

l         l         與高等動植物相比，已知微生物種類只是估計存在數量的很小一部分。哺乳動物和鳥類的物種幾乎全部為人們所掌握，被子植物已知種類達93%，但細菌已知種數僅為估計數的12%，**為5%，病毒為4%(Bull，1992)。目前研究的也只是已知種類的很少一部分。根據SCI(science citation index)資料，1991—1997發表的微生物學文獻大量集中在8個屬，尤其是埃希氏桿菌，其中大腸桿菌又占主要部分(Galvez等，1998)。可以想像，既然對少數已知微生物的研究就已為人類作出了重要貢獻，通過對多樣性微生物的開發必然會為社會帶來巨大利益。微生物學事業方興未艾。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         細胞：是生命活動的基本單位，構成生物體*基本的結構和功能單位，由膜包圍的能進行獨立繁殖的*小原生質團。一切有機體都是由細胞構成，細胞是構成有機體的基本單位。細胞具有獨立的、有序的自控代謝體系，細胞是代謝與功能的基本單位。　　沒有細胞就沒有完整的生命。

l         l         原生質：是指細胞的全部活物質，包括細胞膜、細胞核、細胞質。

l         l         細胞質：是指除核以外，質膜以內的原生質。

原核生物和真核生物細胞之間有許多差別。真核生物的主要特征是有細胞核和如線粒體、葉綠體的細胞器及復雜的內膜系統。病毒屬于非細胞類，細菌屬于原核生物，所有其他微生物屬于真核生物。

原核生物細胞沒有核膜，有一個明顯的核區，這個核區上集中了它的主要遺傳物質，由一條與類組蛋白相聯系的雙鏈DNA構成的染色體組成。

真核生物細胞則是由一條或一條以上的雙鏈DNA與組蛋白等結合成的染色體，并由核膜包圍。

原核細胞沒有獨立的內膜系統，與代謝有關的酶如呼吸酶合成酶等位于細胞膜上，因此它的能量代謝在質膜上進行。

真核細胞不僅有獨立的內膜系統，還有細胞骨架，呼吸酶在線粒體中，有專用的細胞器來完成各項生理功能，如線粒體、葉綠體。

原核細胞的核糖體大小為70S，常以游離狀態或多聚體狀態分布于細胞質中。

真核細胞的核糖體大小為80S，可以游離狀態存在于細胞結合于內質網上。線粒體和葉綠體內有各自在結構上特殊的核糖體。

 

球狀——球菌

桿狀——桿菌

螺旋狀——螺旋菌

a a 球菌

細胞呈球狀或橢圓形。根據這些細胞分裂產生的新細胞所保持的一定空間排列方式有以下幾種情形：見圖2-1

l         l         單球菌——尿素微球菌（圖2-1-1）

l         l         雙球菌——肺炎雙球菌（圖2-1-2）

l         l         鏈球菌——溶血鏈球菌（圖2-1-3）

l         l         四聯球菌——四聯微球菌（圖2-1-4）

l         l         八疊球菌——尿素八疊球菌（圖2-1-5）

l         l         葡萄球菌——金黃色葡萄球菌（圖2-1-6）

b b 桿菌

桿菌細胞呈桿狀或圓柱形。圖2.1中B的7為長桿菌和短桿菌，8為枯草芽孢桿菌，9為溶纖維梭菌。

c c 螺旋菌

細胞呈彎曲桿狀的細菌統稱為螺旋菌。

l         l         弧菌 偏端單生鞭毛或叢生鞭毛（圖2-1-10）

l         l         螺旋菌 兩端都有鞭毛（圖2-1-11）

l         l         細菌大小的度量單位：以mm為單位。

l         l         細菌大小的表示：

球菌 一般以直徑來表示。

桿菌和螺旋菌則以長和寬來表示。如 1´2.5mm

l         l         細菌大小的測定：在顯微鏡下使用顯微測微尺測定。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

細胞壁（cell wall）是細胞質膜外面具有一定硬度和韌性的壁套，使細胞保持一定形狀，保障其在不同滲透壓條件下生長，即使在**環境中也能防止胞溶作用。

真細菌的細胞壁由肽聚糖構成，而古細菌細胞壁組成物質極為多樣，從類似肽聚糖的物質、假肽聚糖，到多糖、蛋白質和糖蛋白。

真細菌細胞壁由膚聚糖構成，膚聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和帶有交替排列的D-型或L-型氨基酸側鏈的N-乙酰胞壁酸(NAM)的多聚體。它是高度的交聯的分子，使得細胞具有剛性、強度和保護細胞抵抗滲透壓的裂解。肽聚糖有許多獨特的特性，如D-型氨基酸，它可作為***攻擊肽聚糖的靶目標(***通過抑制或干擾肽聚糖合成而使細胞壁缺損)。革蘭氏陽性細菌細胞還含有磷壁酸。

細菌細胞壁的生理功能有：

l         l         保護原生質體免受滲透壓引起破裂的作用；

l         l         維持細菌的細胞形態(可用溶菌酶處理不同形態的細菌細胞壁后，菌體均呈現圓形得到證明)；

l         l         細胞壁是多孔結構的分子篩，阻擋某些分子進入和保留蛋白質在間質(革蘭氏陰性菌細胞壁和細胞質之間的區域)；

l         l         細胞壁為鞭毛提供支點，使鞭毛運動。

l         l         革蘭氏染色根據1884年革蘭姆·克里斯琴(Christian Gram)發明的染色反應，真細菌常常分成兩類。對染色步驟反應的差別是由于兩類細菌的細胞外膜結構。革蘭氏陽性細菌有單一的膜稱作細胞膜(或原生質膜)，周圍被厚的肽聚糖層包圍(20—80nm)。革蘭氏陰性細菌只有一薄層肽聚糖(1—3nm)，但是在肽聚糖層外邊，仍有另一層的外膜，作為另外的屏障(圖2.3)。

　　

l         l         革蘭氏染色步驟如下：固定過的細胞用暗染色例如結晶紫染色，接著加碘液媒染，細菌細胞壁內由于染色形成結晶紫與碘的復合物。隨后加酒精從薄的細胞壁中洗出結晶紫與碘暗染色的復合物，但是結晶紫—碘復合物不能從厚的細胞壁中洗出。*后，用較淺的石炭酸復紅復染。加石炭酸復紅染色，使脫色的細胞呈粉紅色，但在暗染色的細胞中沒有看到粉紅色，仍保持**次的染色結果。保持原來染色(厚的細胞壁)的細胞稱作革蘭氏陽性，在光學顯微鏡下呈現藍紫色。脫色的細胞(薄的細胞壁和外膜)稱作革蘭氏陰性，染成粉紅色或淡紫色。

a a 革蘭氏陽性細菌

l         l         革蘭氏陽性細菌細胞壁具有較厚（30-40nm）而致密的肽聚糖層，多達20層，占細胞壁的成分60-90%，它同細胞膜的外層緊密相連(見圖2.4)。

l         l         有的革蘭氏陽性細菌細胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid）,也即胞壁質（murein）。

l         l         多糖。

b b 革蘭氏陰性細菌

l         l         外膜 革蘭氏陰性細菌特殊的是外膜上含有許多獨特的結構（見圖示2.5），如把外膜與肽聚糖層連接起來的布朗(Braun’s)脂蛋白，使營養物被動運輸通過膜的[膜]孔蛋白和起保護細胞作用的脂多糖(LPS)。脂多糖也稱為內**，對哺乳動物有高度毒性。

G^-細菌細胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外還有磷脂、多糖、和蛋白質。外膜被分為脂多糖層（外）、磷脂層（中）、脂蛋白層（內）。

l         l         肽聚糖層  G^-細菌細胞壁肽聚糖層很薄，約有2-3nm厚。它與外膜的脂蛋白層相連。

l         l         周質空間 周質空間（periplasmic space，即壁膜間隙）是革蘭氏陰性細菌細胞膜與外膜兩膜之間的一個透明的區域（見圖2.3）。它含有與營養物運輸和營養物進入有關的蛋白質，有：營養物進入細胞的蛋白；營養物運輸的酶，如蛋白[水解]酶；細胞防御有毒化合物，如破壞青霉素的b-內酰胺酶。革蘭氏陽性細菌以上這些酶常分泌到胞外周圍，革蘭氏陰性細菌則依靠它的外膜，保持這些酶與菌的緊密結合。

細胞質膜（cytoplasmic membrane），簡稱質膜（plasma membrane），是圍繞細胞質外的雙層膜結構，使細胞具有選擇吸收性能，控制物質的吸收與排放，也是許多生化反應的重要部位。

原生質膜是一個磷脂雙分子層，其中埋藏著與物質運輸、能量代謝和信號接收有關的整合蛋白。另外，有通過電荷相互作用，疏松附著于膜的外周蛋白。膜中的脂類和蛋白質互相相對運動。

原生質膜(細胞膜)埋藏在磷脂雙分子層中的是有各種功能的蛋白(圖2.6)，包括轉運蛋白、能量代謝中的蛋白和能夠對化學刺激檢測和反應的受體蛋白。整合蛋白(integral)是完全地與膜連接而且貫穿全膜的蛋白，所以這些蛋白在此區域中有疏水性氨基酸埋藏在脂中。外周蛋白(peripheral proreins)是由于磷脂帶正電荷極性頭，只是通過電荷作用與膜松散連接的一類，用鹽溶液洗滌可以從純化的膜上除去。脂類和蛋白質均在運動，而且是彼此之間相對運動。這就是被廣泛接受的稱作液態鑲嵌模式的細胞膜結構模型。

脂雙分子層 細胞膜由含有親水區域的和疏水區域的兩親性分子磷脂組成。在膜中磷脂以雙分子層排列，極性頭部親水區指向膜的外表面，而其疏水區脂肪酸的尾部指向膜的內層。結果，膜對于大分子或電荷高的分子成為一個選擇滲透屏障，它們不易通過磷脂雙分子的疏水性內層。

細胞質膜的生理功能有:

l         l         維持滲透壓的梯度和溶質的轉移。細胞質膜是半滲透膜，具有選擇性的滲透作用，能阻止高分子通過，并選擇性地逆濃度梯度吸收某些低分子進入細胞。由于膜有極性，膜上有各種與滲透有關的酶，還可使兩種結構相類似的糖進入細胞的比例不同，吸收某些分子，排出某些分子；

l         l         細胞質膜上有合成細胞壁和形成橫隔膜組分的酶，故在膜的外表面合成細胞壁；

l         l         膜內陷形成的中間體(相當于高等植物的粒線體)含有細胞色素，參與呼吸作用。中間體與染色體的分離和細胞分裂有關，還為DNA提供附著點；

l         l         細胞質膜上有琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、細胞色素氧化酶、電子傳遞系統、氧化磷酸化酶及腺昔三磷酸酶(ATPase)。在細胞質膜上進行物質代謝和能量代謝；

l         l         細胞質膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此長出，即為鞭毛提供附著點。

l         l         間體（mesosome） 是從質膜向內伸展的細胞質中主要單位膜結構，常常同核質相聯系，位于細胞分裂處。間體的功能可能參與呼吸作用、同DNA的復制和細胞的分裂有關。

l         l         載色體(chromatophore) 也稱為色素體，是光合細菌進行光合作用的部位，由單層的與細胞膜相連的內膜所圍繞，主要化學成分是蛋白質和脂類。它們含有菌綠素、胡蘿卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和電子傳遞體。在綠硫菌科和紅硫菌科中存在。

l         l         羧酶體（carboxysome） 又稱為多角體，是自養細菌所特有的內膜結構，可能是固定CO²場所。

l         l         類囊體（thylakoid） 由單位膜組成，含有葉綠素、胡蘿卜素等光合色素和有關酶類，在藍細菌中為其進行光合作用的場所。

細胞質：是指除核以外，質膜以內的原生質。

細菌細胞質是含水的、含有細胞功能所需的各種分子、RNA和蛋白質的混合物。對所有的細菌都是一樣的，細胞質中的主要結構是核糖體。

核糖體  由一個小的亞基和一個大的亞基組成，核糖體的亞基是由蛋白質和RNAs組成的復合物，是細胞中合成蛋白質的場所。原核細胞中的核糖體，盡管在形狀上和功能上與真核細胞相似，但是組建核糖體亞基的蛋白質和RNAs性質上有差別。古細菌的核糖體與真細菌的核糖體(70S)同樣大小，但是對于白喉**和某些***的敏感性卻不同，而與真核生物的核糖體相似。業已證明***對人類是非常有用的，因為抑制細菌蛋白質合成的***，對真核生物蛋白質合成無效果，這樣就有了選擇毒性。

某些細菌含有與特殊功能相連系的結構，稱作內含體(inclusion bodies) 它常常在光學顯微鏡下觀察到。這些顆粒常是儲存物，可以與膜結合，例如聚-b-經丁酸鹽(PHB)顆粒；細胞質中發現的分散顆粒如多聚磷酸鹽顆粒(也稱為異染粒)。某些細菌中也能看到脂肪滴。一個有趣的內含體是在藍細菌(藍綠藻)和生活在水環境中的其他光合細菌內發現的氣泡，在細胞內四周排列的由蛋白質構成的氣泡提供浮力，使得細菌漂浮靠近水的表面。詳情見表2.4

 

細菌的DNA在細胞質中為單個環狀染色體，有些時候稱為擬核。

細菌的DNA位于細胞質中，由一個染色體構成，不同種的細菌之間染色體大小不同(大腸桿菌染色體有4×10⁶堿基對長)。DNA是環狀、致密超螺旋，而且與真核細胞中發現的組蛋白相類似的蛋白質結合。雖然染色體沒有核膜包圍，但在電子顯微鏡中常可看到細胞內分離的核區，稱為擬核(nucleoid)。

古細菌的染色體和真細菌的染色體類似，是一個單個環狀的DNA分子，不包含在核膜內，而DNA分子大小通常小于大腸桿菌的DNA。

常在細菌中發現小的、染色體外的環狀DNA片段，稱作質粒。

某些細菌還含有染色體外的小分子DNA稱作質粒(p1asmids)。其上攜帶的基因對細菌正常生活并非必需，但在某些情況下對細胞有利，如***抗性質粒。

質粒常以不同大小的環狀雙螺旋存在，它可以獨立進行復制，也可整合到染色體上。

l         l         鞭毛（flagellum） 是從細胞質膜和細胞壁伸出細胞外面的蛋白質組成的絲狀體結構，使細菌具有運動性。

鞭毛纖細而具有剛韌性，直徑僅20nm，長度達15-20mm，可以分為三部分：基體（base body）、鉤形鞘（hook）和螺旋絲（helical filament）。

具有鞭毛的細菌基鞭毛數目和在細胞表面分布因種不同而有所差異，是細菌鑒定的依據之一。一般有三類：單生鞭毛（2.7a）、叢生鞭毛（2.7b）和周生鞭毛（2.7c）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鞭毛與細菌運動有關，如趨化性和趨滲性等。

l         l         菌毛（pili） 細菌細胞表面發現的特殊的象頭發樣的蛋白質表膜附屬物，有幾微米長。

性菌毛（sex pili） 與遺傳物質從一個細菌轉移到另一個細菌有關，即在細菌接合交配時起作用。性菌毛比菌毛稍長，數量少，只有一根或幾根。

 芽孢（endospore） 在一些屬包括芽孢桿菌屬和梭菌屬中產生細菌的芽孢。它們是由細菌的DNA和外部多層蛋白質及膚聚糖包圍而構成，芽孢對干燥和熱具有高度抗性。

芽孢結構相當復雜*里面為核心，含核質、核糖體和一些酶類，由核心壁所包圍；核心外面為皮層，由肽聚糖組成；皮層外面是由蛋白質所組成的芽孢衣；*外面是芽孢外壁。一般含內生芽孢的細菌總稱為孢子囊（sporangium）。(見圖2.8)

芽孢在許多細菌中，主要是芽孢桿菌屬和梭菌屬產生一種特化的繁殖結構， (它無繁殖功能，為抗逆性休眠體)。在光學顯微鏡下用特殊的芽孢染色(如孔雀綠染色)或通過相差顯微鏡能夠觀察到芽孢。由于芽孢有許多層包圍細菌遺傳物質的結構，使得芽孢具有驚人的、對所有類型環境應力的抗性，例如熱、紫外線輻射、化學**劑和干燥。由于許多重要的病原菌可產生芽孢，因此，必需設計**措施以除去這些堅硬的結構，因為某些菌能經受住在沸水中煮沸幾小時。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

細菌芽孢的形成過程是細胞分化的一個典型例子，如圖2.9和表2.5所示。

細胞表面常常被多糖或[蛋白]表膜物質所覆蓋，按其密度稱為莢膜（capsule）或粘液層。多糖層有時稱為糖萼(多糖包被)。這些細胞的外層結構起保護細胞免受干燥和有毒化合物的損害，也使細菌附著于物體表面。這些附加的表面層有許多功能：

l         l         對細菌表面起滲透屏障作用。

l         l         保護細胞免受吞噬。

l         l         保護細胞免受干燥損傷。

l         l         幫助細菌附著到物體表面。

當細菌從周圍環境中吸收了營養物質后，發生一系列的系列化合成反應，把進入的營養物質轉變成為新的營養物質——DNA、RNA、蛋白質、酶及其他大分子，之后菌體開始了繁殖過程形成兩個新的細胞。

裂殖是細菌*普遍、*主要的繁殖方式，通常表現為橫分裂。

l         l         首先是核的分裂和隔膜的形成

l         l         **步橫隔壁的形成

l         l         *后子細胞的分離

菌落（colony）單個微生物在適宜的固體培養基表面或內部生長、繁殖到一定程度可以形成肉眼可見的、有一定形態結構的子細胞生長群體，稱為菌落。當固體培養基表面眾多菌落連成一片時，便成為菌苔(1awn)

各種細菌在一定條件下形成的菌落特征具有一定的穩定性和專一性，這是衡量菌種純度，辨認和鑒定菌種的重要依據。

菌落特征包括大小，形狀，隆起形狀，邊緣情況，表面狀態，表面光澤，質地，顏色，透明度等（如圖2.10）。

l         l         組成菌落和細胞結構和生長行為。

l         l         鄰近菌落影響菌落的大小。

l         l         培養條件。

l         l         固氮細菌

l         l         根瘤菌

l         l         乳酸細菌

放線菌是真細菌的一個大類群，為革蘭氏陽性。

放線菌多為腐生，少數為寄生。寄生型放線菌會引起放線菌病和諾卡氏病。

同時放線菌能產生大量的、種類繁多的***。世界上絕大多數的***由放線菌產生。

放線菌菌體為單細胞，大多數由分枝發達的菌絲組成。根據放線菌菌絲的形態和功能分為營養菌絲、氣生菌絲和孢子絲三種（見圖2.11）。

又稱為初級菌絲體或**菌絲體或基內菌絲，匍匐生長于培養基內，主要生理功能是吸收營養物。

營養菌絲一般無隔膜；直徑0.2-0.8微米；長度差別很大；短的小于100微米，長的可達600微米；有的產生色素。

又稱為二級菌絲體。營養菌絲體發育到一定時期，長出培養基外并伸向空間的菌絲為所生菌絲。它疊生于營養菌絲之上，直徑比營養菌絲粗，顏色較深。

當氣生菌絲發育到一定程度，其上分化出可形成孢子的菌絲即為孢子絲，又名產孢絲或繁殖菌絲（見圖2.12）。

放線菌的菌落由菌絲體組成，一般圓形、光平或有許多皺褶。在光學顯微鏡下觀察，菌落周圍具有輻射狀菌絲。總的特征介于霉菌和細菌之間。據種的不同分為兩類。

l         l         由大量產生分枝的和氣生菌絲的菌種所形成的菌落，如鏈霉菌。

菌絲較細，生長緩慢，分枝多而且相互纏繞，故形成的菌落質地致密，表面呈緊密的絨狀或堅實，干燥，多皺，菌落小而不蔓延，營養菌絲長在培養基內，所以菌落與培養基結合緊密，不易挑取，或挑起后不易破碎。有時氣生菌絲體呈同心圓環狀，當孢子絲產生大量孢子并布滿整個菌落表面后，才形成絮狀，粉狀或顆粒狀的典型放線菌菌落。有的產生色素。

l         l         由不產生大量菌絲的種類形成，如諾卡氏菌。

菌落粘著力差，結構呈粉質狀，用針挑取則粉碎。

放線菌主要通過形成無性孢子的方式進行繁殖，也可利用菌絲片斷進行繁殖。

放線菌生長到一定階段，一部分菌絲形成孢子絲，孢子絲成熟便分化形成許多孢子，這稱為分生孢子。

l         l         諾卡氏菌

l         l         鏈霉菌

l         l         小單孢菌

l         l         游動放線菌

藍細菌形態差異極大，有單細胞和絲狀體兩類形態。細胞的直徑從0.5-1mm到60mm，絲狀體的長度差異很大。多個個體聚集在一起，可形成肉眼可見的很大的群體。在水體中繁茂生長時，可使水體顏色隨菌體而發生變化。

l         l         藍細菌屬于原核生物，細胞壁與G^-細菌相似，由肽聚糖等多粘復合物組成，并含有二氨基庚二酸，革蘭氏陰性，細胞壁可以分泌許多膠粘物質使一群群的細胞或絲狀結合在一起形成膠團或膠鞘；細胞核無核膜，沒有有絲分裂器；細胞質中有汽泡，可使細胞漂浮。

l         l         藍細菌具有它所特有結構——光合器，光合器有兩種不同的構型，一是位于細胞膜的外膜下面呈一連續層；但大多數是位于類囊體的膜層中。光合器中含有光合作用色素有葉綠素a、藻膽素和類胡蘿卜素。藍細菌可進行光合作用。

l         l         有的藍細菌具有異形胞（heterocvst）這是藍細菌進行固氮作用的的場所，異形胞內有固氮酶系統，它可利用ATP和還原性物質來還原自由態的氮成為氨。光合作用的產物從鄰近的營養細胞向異形胞轉移，而固氮作用產物則移向營養細胞。

常見的藍細菌類群及其特性見表2.6。

古細菌是根據16SrRNA寡核苷酸序列分析，顯示出三個主要的生物域（真細菌、古細菌和真核生物）之一，參見圖1.1。

l         l         古細菌的細胞壁和表面 

古細菌細胞壁的物質極為多樣，從類似肽聚糖的物質、假肽聚糖(假胞壁質)，到多糖、蛋白質和糖蛋白。有的古細菌細胞壁含假肽聚糖(假胞壁質)，而有的古細菌則是由兩個雙向的、不完全結晶的蛋白質或糖蛋白在細胞表面排列而成的表層，其他古細菌在原生質膜外有厚的多糖的細胞壁。

古細菌有鑒別性的特征之一是在原生質膜中脂類的性質不像真細菌的脂類由酯鍵連接甘油，和真核生物一樣由醚鍵連接甘油，它們的脂類也是長鏈和分支的脂肪酸。

l         l         古細菌的DNA 與真細菌的染色體相似由不含核膜的單個環狀DNA分子構成，但大小通常小于大腸桿菌的DNA。

l         l         古細菌的核糖體 和真細菌的核糖體同樣大小，但在某些特性上，它們與真核生物的核糖體相似，如對***鏈霉素和氯霉素的抗性及對白喉**的敏感性。

古細菌類群包括能夠在極端環境中生存的細菌，如熱泉(例如硫化葉菌屬Sulfolobus和熱球菌屬Pyrococcus)和高鹽(鹽桿菌屬Halobacterium)及產甲烷菌如甲烷桿菌屬(Methanobacterium)，該菌代謝結果產生甲烷。

l         l         產甲烷菌

l         l         極端嗜鹽菌

l         l         極端嗜熱菌

l         l         無細胞壁的古細菌

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         真核生物 真核生物細胞具有復雜的，有膜包被的亞細胞器，使細胞功能區域化。
    真核生物細胞由膜分隔。細胞含有幾種不同類型的由膜包被的細胞器，其中進行著可調控的不同的生理生化過程。膜還可以傳遞信息，傳遞新陳代謝的中間產物和終產物，從生物合成位點到使用位點（見圖2.13）。

l         l         質膜 質膜是半透膜，把細胞的內外部分隔絕開來，它還參與細胞間的識別，細胞內吞作用和胞吐作用，并附著在細胞表面。膜內的運輸體系使它能有選擇性地把物質輸送到細胞內部。
    真核生物的質膜是一個分隔細胞內和外的半透明(seml-permeable)屏障，這 一點與原核生物相似，但是真核生物的質膜含有固醇，這種扁平分子 使膜的硬度增強，使真核細胞更加穩定。膜上還有運輸系統，選擇重要的物 質進入細胞，并參與內吞作用和胞吐作用，在此處，食物顆粒被吞入，廢物以 膜包被成小泡的形式從細胞內排出。質膜還參與了細胞之間的重要相互作 用過程，例如，細胞間的識別系統及細胞在固體表面的附著作用。

l         l         細胞質 細胞質內的水分占70%-85%，溶液中有蛋白質、糖類和鹽類。細胞器懸浮在細胞質中。**和藻類細胞中還有單層膜包被的液泡。
    細胞質是蛋白質、糖類及鹽類的稀溶液(水占70%-85%)，懸浮著所有的細胞器，并具有溶膠(sol-gel)的特點，即其分子組構可以是液體，也可以是半固體。在極稀的溶液中，液泡作為營養物和廢物的儲藏場所，液泡的高含水量保持了細胞的高膨脹壓。

l         l         細胞骨架 細胞骨架由微管、中間纖維和微絲組成，它們維持了細胞的形狀。
    真核細胞是通過微管蛋白組成的細胞骨架而得以穩定的，細胞骨架的構成包括，微管(直徑25nm)，微絲(直徑4-7nm)和一種類似于收縮肌的肌動蛋白構成的中等纖維(直徑8-10nm)。細胞骨架是一種動力結構，不但支持細胞，還支持變形蟲式運動、細胞質流、以及核和細胞的分裂。

l         l         核及核糖體 細胞核是由雙層膜包被的細胞器，含有細胞的染色體DNA。核內部有核仁，這是核糖體RNA(rRNA)合成的場所。核糖體由蛋白質和BNA兩種亞單位構成，他們是DNA翻譯和蛋白質合成的場所。
    核包含有微生物DNA。真核微生物中的核通常包含不止一條染色體，在染色體中，DNA被組蛋白保護起來。在二倍體生物中，這些染色體是成對的。核由雙層核膜包被，膜上有孔，在核膜孔處內外膜融合在一起。正是通過這些孔，細胞核能通過mRNA和核糖體對細胞進行穩定的調控。核膜在此處也是與內質網相連的。核內有核仁，它富含RNA，核糖體在此處被合成。真核生物的核糖體基本上與原核生物的相類似，但它們的更大一些，兩個亞單位分別為60S和40S，組成一個80S的二聚體。其功能與原核生物的相同。

l         l         內質網 內質網(ER)是由管狀和盤狀膜組成的復合體，與核膜相連。內質網可以是滑面型，或被核糖體附著而變成粗面型。這種細胞器的主要功能是合成和輸送蛋白質和脂類。
    核的外膜與復雜的、具三維結構的膜管狀及層狀結構的內質網(ER)相聯系。管狀ER可被核糖體附著，稱為粗面型內質網(RER)，核糖體的翻譯和蛋白質的修飾作用在此處進行。這些蛋白質或是分泌到ER腔中，或是插人到膜內。滑面型ER的盤狀結構與脂類合成及蛋白質和脂類的細胞間運輸有關。

l         l         高爾基體 高爾基體是一系列扁平的、有膜包被并具孔的囊和泡。從ER分泌而來的小泡與高爾基體(Golgi)融合，其內含物在此進一步進行生化加工。加工后的物質以小泡的形式從Golgi中分泌出來，然后與其他細胞器或質膜融合。
    高爾基體由一系列扁平的膜包被的囊或潴泡堆積在一起而成，并環繞著管和泡囊的復合體。這個堆積體有著嚴格的極性，順式面或形成面接受從ER來的泡囊，泡囊內的物質被高爾基體加工，然后從細胞器的反式面(成熟面)或其邊緣以出芽方式放出。高爾基體加工并包裝物質使之分泌到其它亞細胞器或細胞膜上。**高爾基體不如藻類發達，只有很少幾個或單個潴泡。有時稱它們為(分散)高爾基體(dicctyosomes)。

l         l         溶酶體和過氧化物酶體 溶酶體和過氧化物酶體是由高爾基體分泌的、有膜包被的囊泡。溶酶體含有的酸性水解酶參與胞內的消化作用。過氧化物酶體含有氨基酸和脂肪酸降解酶以及過氧化氫酶，后者對降解過程中產生的過氧化氫有**作用。
    高爾基體產生了這些單層膜包被的含酶的細胞器(溶酶體中含酸性水解酶，過氧化物酶體中含胺化酶(aminase)、酰胺酶、脂酶和過氧化氫酶)，這些酶對消化許多不同的大分子是必須的。溶酶體內的pH是酸性的(pH3.5-5)，可使酶在*佳pH下發揮作用，而此pH值是由膜上的質子泵維持的。過氧化物酶體內氨基酸和脂肪酸的降解產生了過氧化氫，這是一種具有潛在細胞毒性的副產物。然而過氧化物酶體中也存在過氧化氫酶，可把此過氧化物降解成水和氧氣，從而保護了細胞。

l         l         線粒體和氫化酶體 線粒體是需氧生物呼吸作用和氧化磷酸化作用的場所。它們由雙層膜包被，內層膜折疊成盤狀或管狀，稱為嵴。ATP的產生部位就在附著于嵴上的顆粒中。在一些無線粒體的厭氧的原生動物中發現了氫化酶體(hydrogenosomes)。它們的作用是產生能量。
    線粒體是由雙層膜包被的細胞器，呼吸作用和氧化磷酸化作用在此處發生，大約2-3nm長，直徑1mm。其數目在細胞中是變化的。其內含有一個小的環形DNA分子，負責編碼部分線粒體蛋白和70S核糖體。線粒體內膜上含有一個ATP/ADP轉運子，可以將線粒體內合成的ATP運送到細胞質中。ATP產生于附著在線粒體嵴上的顆粒中，此嵴由線粒體內膜折疊而成(圖2.14)。其結構在三個原生生物類群中稍有不同。并非所有的原生動物中都有線粒體，而且這些細胞的新陳代謝基本上是厭氧的。在需氧類型中，*原始的真核生物的線粒體嵴是盤狀的。**的線粒體是大的、高度分裂的扁平板狀嵴，而藻類則具有更多的膨大的嵴。

    在厭氧原生動物中發現了氫化物酶體，它們是由膜包被的細胞器，具有電子轉運途徑，即氫化酶轉運電子到*終電子受體，生成氫分子。

l         l         葉綠體  葉綠體是由雙層膜包被的細胞器，內含光合色素葉綠素。在葉綠體內是成層排列的扁平的泡囊，稱為類囊體(thylakoids)，光合系統位于此處。
    葉綠體是含葉綠素的細胞器，能利用光能固定二氧化碳成碳水化合物(光合作用)。葉綠體有雙層膜包被，并含有扁平的膜囊稱為類囊體，是光合作用中光反應的發生場所(圖2.15)。藻類中這些細胞器較大，幾乎充滿整個細胞。淀粉核是葉綠體內的蛋白性區域，是多糖生物合成的場所。

l         l         細胞壁  細胞壁見于藻類(纖維素為主)和**(殼多糖為主)中。它們是細胞與環境的分界，在維持細胞硬度及在控制水分因滲透而過度進入胞內是重要的。
    植物和**細胞的原生質體在大多數情況下由堅硬的細胞壁包被。**細胞壁是由殼多糖(以b-1，4-連接的NAG重復單位)和無定型的b-葡聚糖形成的微晶聚合物組成，而植物的細胞壁則是由纖維素(b-1，4-連接的葡萄糖重復單位)和半纖維素組成。

l         l         鞭毛 鞭毛是含微管的細胞膜的延伸。因其可彎曲而導致細胞可運動。
    鞭毛是由膜包被的細胞延伸物，內含有微管。微管以9對束狀排列圍繞在鞭毛的外緣，在其內部有一對微管不停地運動。這種結構稱軸絲。由于供給ATP后鞭毛可柔軟彎曲，故為細胞提供運動性。

l         l         酵母菌細胞呈卵圓形、圓形或圓柱形。細胞寬約1~5mm，長約會~30mm。

l         l         酵母菌菌落大多數與細菌菌落相似，表面濕潤，粘稠，易挑取，但比細菌菌落大而厚，顏色多為白色，少數為紅色，若培養時間太長，其表面可產生皺褶。在液體培養時，有的生長在底部，有的生長均勻，有的則在表面形成菌醭。

酵母菌細胞結構有細胞壁、細胞質膜、細胞核、細胞質及內含物。

l         l         細胞壁 組分有：葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質及脂類等。

l         l         細胞質膜 與原核生物基本相同，但含有固醇。

l         l         細胞核 具有核膜、核仁、和染色體，核膜上有大量核孔。

l         l         細胞質 含有大量RNA、核工業糖體、中心體、線粒體、中心染色質、內質膜、液泡等。

l         l         內含物 在老齡菌中有因營養過剩而形成一些內含物，如：異染顆粒、肝糖，脂肪粒、蛋白質和多糖。

l         l         芽殖 出芽繁殖是酵母菌進行無性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌細胞，先長出一個小芽，芽細胞長到一定程度，脫離母細胞繼續生長，爾后雙形成新個體。
    有多邊出芽、兩端出芽、和三邊出芽。

l         l         芽裂 母細胞總在一端出芽，并在芽基處形成隔膜，子細胞呈瓶狀。這種方式很少。

l         l         裂殖 少數種類的酵母菌與細菌一樣，借細胞橫分裂而繁殖。

酵母菌以形成子囊孢子進行有性繁殖。

當酵母菌發育到一定階段，兩個性別不同的細胞（單倍體核）接近，各伸出一個小的突起而相互接觸，使兩個細胞結合起來。然后接觸處細胞壁溶解，兩個細胞的細胞質通過所形成的融合管道進行質配，兩個單倍體核也移至融合管道中發生核配形成二倍體核的接合子。接合子可在融合管道的垂直方向形成芽細胞，然后二倍體核移入芽細胞內。此二倍體細胞可以從融合管道上脫離下來，再開始二倍體營養細胞的生長繁殖。很多酵母菌細胞的二倍體細胞可以進行多代的營養生長繁殖，因而酵母菌的單倍體、雙倍體細胞都可以獨立存在。

在合適的條件下接合子經減數分裂，雙倍體核分裂為4-8個單倍體核，其外包以細胞質逐漸形成子囊孢子，包含在由酵母菌細胞壁演變來的子囊中。子囊孢子又可萌發成單倍體營養細胞。

l         l         啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）發酵，食藥用，提取多種生物活性物質。

l         l         假絲酵母 （Candida）飼料

l         l         白地霉（Geotrichum candidum）飼料，食用，或藥物提取。

霉菌是異養的真核生物，具有絲狀或管狀結構，單個分支稱為菌絲。菌絲形成的網絡狀結構稱為菌絲體。菌絲由堅硬的含殼多糖的細胞壁包被，內含大量真核生物的細胞器。

霉菌是絲狀的、無光合作用的、營異養性營養的真核微生物。其細胞基本單位是菌絲(圖2.18)，這是一種管狀細胞，由堅硬的含殼多糖的細胞壁包被。菌絲通過頂端生長進行延伸，并多次重復分支而形成微細的網絡結構，稱為菌絲體。在原生質膜包被的菌絲細胞質中有核、線粒體、核糖體、高爾基體以及膜包被的囊泡。亞細胞結構由微管和內質網支持和組構。菌絲內細胞質的組分趨向于朝生長點的位置集中。菌絲較老的部位有大量液泡，并可能與較幼嫩的區域以橫隔(稱為隔膜)分開。

菌絲分有隔菌絲和無隔菌絲兩種（圖2.19）：

l         l         有隔菌絲  有隔菌絲中有橫隔膜將菌絲分隔成多個細胞，在菌絲生長過程中細胞核的分裂伴隨著細胞的分裂，每個細胞含有1至多個細胞核。橫隔膜可以使相鄰細++++胞之間的物質相互溝通。

l         l         無隔菌絲 菌絲中無橫隔膜，整個細胞是一個單細胞，菌絲內有許多核，在生長過程中只有核的分裂和原生質量的增加，沒有細胞數目的增多。

**的細胞壁是由多層半晶體殼多糖微原纖維鑲嵌在無定型的b-葡聚糖基質中而形成的堅硬結構，也可含某些蛋白質。菌絲生長發生在頂端，通過菌絲頂端的細胞膜與囊泡的融合而生長(圖2.20)，囊泡內含來自高爾基體的聚合化酶、細胞壁單體酶及軟化細胞壁的酶。**細胞壁被軟化，在膨壓的作用下延伸，然后變堅硬。

隔膜是橫壁，形成于菌絲體內。低等**的生長并不隨之形成隔膜，只有在菌絲體形成繁殖結構時才出現隔膜，而且這種隔膜是完全無孔的。在高等**中，菌絲體的生長伴隨著不完全隔膜的形成。子囊菌綱的隔膜上有穿孔，并被內質網膜覆蓋，以限制大的細胞器如細胞核從一個室游動到另一個室。這種結構稱為陷孔隔膜(dolipore septum)。在雙核的擔子菌綱中，隔膜的形成與2個交配的核的分離是協同進行的，此雙核狀態是在形成鎖狀聯合(clamp connection)時形成的。這些隔膜與子囊形成中產囊絲鉤(crozier)的形成類似。

過去認為**是多源性的類群，所包含的微生物具有不同的祖先。現在則傾向于單源性分類，認為同一亞門中的所有類群來自于一個祖先。依據形態學及有性生殖，目前把**分成4個亞門。

    接合菌亞門和壺菌亞門稱為低等**。低等**的營養菌絲體是無隔膜的，完整的隔膜僅見于繁殖結構。無性繁殖通過形成孢子囊，有性繁殖則通過形成接合孢子。

    另外兩亞門稱為高等**，它們有更加復雜的菌絲體和復雜的、有穿孔的隔膜。分為子囊菌亞門和擔子菌亞門。子囊菌亞門產生無性的分生孢子和在一種叫子囊的囊形細胞中產生有性的子囊孢子。擔子菌亞門中的**幾乎不產生無性孢子，而是在復雜的子實體上形成棒形的擔子，在擔子上產生有性孢子。

      第五大類群屬于更高等的**，它包含所有與有性生殖無關的類型，稱為半知菌亞門。

每一亞門**又分為若干綱，其結尾的字母為-etes，例如，擔子菌綱 (Basidiomycetes)，綱中又分若干亞綱或目，以-ales結尾，其下又分屬和種，**間用于分類鑒定的*主要區別概括于表2.8。

l         l         菌落生長 菌絲頂端的生長使得**可以從一個點或一個接種物(inoculum)向新的區域延伸。老的菌絲通常缺乏內含物，因為細胞質流向生長點。這使得在瓊脂板上的菌落呈放射狀(見圖2.21)，在感染的皮膚上呈環癬狀，在草地上呈蘑菇圈狀。

l         l         菌落特征 霉菌菌落疏松，呈絨毛狀、絮狀或蜘蛛網狀，比細菌菌落大幾倍到十幾倍；霉菌孢子的形狀、構造和顏色以及產生的色素使得霉菌菌落表現出不同結構和色澤特征。

l         l         假根 是根霉屬(Rhizopus)**的匍匐枝與基質接觸處分化形成的根狀菌絲，在顯微鏡下假根的顏色比其它菌絲要深，它起固著和吸收營養的作用。

l         l         吸器 是某些寄生性**從菌絲上產生出來的旁枝，侵入寄主細胞內形成指狀、球狀或叢枝狀結構，用以吸收寄主細胞中的養料。

l         l         菌核 是由菌絲團組成的一種硬的休眠體，一般有暗色的外皮，在條件適宜時可以生出分生孢子梗、菌絲子實體等。

l         l         子實體 是由**的營養菌絲和生殖菌絲纏結而成的具有一定形狀的產孢結構，如傘菌的子實體呈傘狀。

所有的**都經過一個營養生長期，菌絲體在基質上生長。這一階段后則是無性和有性繁殖，而在4個亞門中又各不相同。

四類**中的每一類群在其生活周期中均有獨特性。**的特點是都有一個營養生長時期，這時它們的生物量增加。而在孢子形成之前，其時間的長短以及所需生物量的多少則有多種變化。幾乎所有**都以產生孢子進行繁殖，但有一些**已經喪失了所有產孢結構，而形成不育菌絲體。生活周期的不同階段產生不同類型的孢子。

壺菌綱的無性繁殖通常是在孢子囊中形成能動的(motile)、有單鞭毛的游動孢子，有性繁殖是形成卵孢子。

壺菌與其他**區別極為明顯，因為它們具有極為簡單的枝(thalli)和能游動的游動孢子。其中一些種類簡單到了在宿主細胞內(內生型的)或在宿主細胞上(外生型的)只含有一單個的營養細胞，整個細胞轉變成一個含有許多孢子的結構即孢子囊。這種方式稱為整體產果式(holocarpic)。

這一群中的其他種類則有比較復雜的形態，有假根及簡單的菌絲體。壺菌的無性繁殖是通過在孢子囊中產生能動的游動孢子，孢子囊以完全隔膜與營養菌絲隔離。游動孢子具有單根后生鞭毛。在一些壺菌中，有性繁殖是形成二倍體孢子，其形成或是通過單倍體細胞的體細胞融合，或是兩種不同配子型的菌絲體融合，或是兩種游動配子的融合，或是一個游動配子和一種不動卵的融合(圖2.23)。產生的孢子可能經過減數分裂產生單倍體的菌絲體，或是萌發產生一個二倍體的營養菌絲體，通過產生二倍體游動孢子的方式進行無性繁殖。二倍體菌絲體也可產生休眠孢子囊，在孢子囊中發生減數分裂，產生單倍體的游動孢子，然后萌發產生單倍體的營養菌絲體。

接合菌綱的無性繁殖是在孢子囊中形成非游動的孢囊孢子，有性繁殖是形成接合孢子。

在低等**中，無性繁殖開始于氣生菌絲。此時氣生菌絲的頂端，成為孢子囊梗，以一種稱作囊軸(columella)的完全隔膜與營養菌絲相隔離(圖2.24)。頂端的細胞質分化形成一個孢子囊，內含許多無性孢子。這些孢子中含有單倍體的核，來自于營養菌絲體中核的反復有絲分裂。孢子借助風或水進行傳播。

    在有性繁殖中，不同交配類型的2個核在一個稱為接合孢子的特化細胞中融合(圖2.24)。在一些種類中，不同的交配型的核可能是在一個菌絲體中(同宗配合)。在另一些種類中，必須具有不同交配型核的兩個菌絲體才能融合(異宗配合)。這兩種情況下，融合發生在經修飾的菌絲頂端之間稱作原配子囊(progametangia)的區域，一旦發生融合，便稱作接合孢子。在正在發育的接合孢子中發生減數分裂，通常3個核退化，僅有一個核存留在萌發的菌絲體中。

子囊菌綱**的無性繁殖是通過在菌絲頂端形成分生孢子。有性繁殖是通過形成子囊孢子。

在子囊菌綱的營養階段，其生活周期的延續是通過形成無性孢子，這些稱作分生孢子的單個孢子來自氣生菌絲頂端形成的稱作分生孢子梗的結構(圖2.25)。這些孢子被一完全橫隔壁隔離，隨后是孢子的分化，稱為體殖孢子的形成(thallic spore formation)(圖2.25a)。大多數情況下是菌絲頂端的壁延伸，稱為芽孢子的形成(blastic sporeformation)(圖2.25b)。這些孢子可以是單細胞的，內含單倍體核，也可是多細胞的，含有幾個來自有絲分裂的單倍體核。

孢子可以由單獨的、未經包被的分生孢子梗產生，也可以由大至肉眼可見的聚集體產生(圖2.25c)。分生孢子梗可以聚集形成柄狀結構，產生的孢子露在頂端(菌絲束或孢梗束)。另一種情況，數量不同的不育**組織，可以保護分生孢子，就像在瓶狀的分生孢子器中。一些種類在植物組織中產生分生孢子，分生孢子的聚集體以一種杯狀分生孢子盤或墊形式分生孢子座形式穿出植物表皮。

 

 

 

這一類群**的有性繁殖，發生在不同的交配型菌絲體體細胞融合之后。經過一個短暫的二倍體期后緊接著子囊孢子形成，這是在修飾后的菌絲頂端分化成的囊狀子囊中發生的。在子囊發育的*初時期，形成鉤狀的 菌絲頂端，據其形態稱之為產囊絲鉤(crozier)或牧羊杖(shepherds’crooks)。 其基部形成特殊的隔膜以保證2個不同交配型核能保持在末端細胞內。隔的形成與核分裂相一致(圖2.26)。在酵母菌中所有這些都發生在一個細胞中，2個交配型細胞融合后，整個細胞轉變成一個子囊。

在較復雜一些的子囊菌綱中，許多子囊在一起形成，成為一個能育組織，稱為子實層，在一些類群中，子實層可被大量的營養菌絲體支撐或包被。整個結構稱作子實體，作為主要的分類學特征(圖2.27)。它們可長得足夠大，以致能肉眼可見。瓶狀的有性繁殖體稱為子囊殼(Pdthecia)，杯狀繁殖體稱子囊盤(aPD6Leia)，封閉的繁殖體稱閉囊殼(cleistodhecia)。這些結構均參與保護子囊并協助其孢子傳播，但子實層并不受水的影響

 

擔子菌綱的**很少進行無性繁殖。有性繁殖則是通過在巨大子實體的菌褶或陷孔中形成擔孢子。

這一類群**的特點是具有*復雜和*大的結構。它們也以極少產生無性孢子而著稱。生活周期的大部分為營養菌絲體形式，可利用復雜的基質。有性繁殖開始的先決條件是通過相容性菌絲的融合獲得2個交配型核。2個交配型核單獨存在，并存留在延伸期的每個菌絲細胞內，稱為雙核期。該時期的維持需要在生長過程中形成復雜的隔膜和核的分裂。

有性孢子形成的**步是由環境條件和子實體原基的開始形成而引發的。雙核菌絲體延伸并分化形成大的子實體，我們稱其為蘑菇和毒草(toad-stool)。在修飾的菌絲頂端形成二倍體并進行減數分裂稱為擔子(圖2.28)。

擔子發芽長出4個孢子，擔子在一起構成一子實層，對自由水極為敏感。子實層生長在不育的雙核支撐組織上可避免雨水沖刷。子實層可存在于子實體下面的菌褶或小孔中，如各種毒蕈和檐狀菌(bracket fungi)，或在封閉在小室中，如各種馬勃(puffball)和塊菌(truffle)(見圖2.29)。

l         l         接合菌亞門
毛霉、根霉

l         l         壺菌亞門
綿霉

l         l         子囊菌亞門
酵母菌、脈孢菌、赤霉

l         l         擔子菌亞門（參見蕈菌）
蘑菇、牛肝菌、靈芝、木耳

l         l         半知菌亞門
曲霉、青霉、木霉、頭孢霉

蕈菌包括食用**和藥用**兩大類，在分類上分屬于子囊菌綱和擔子菌綱，具有豐富的營養價值和藥用價值。

蕈菌菌絲分為單核菌絲和雙核菌絲

l         l         單核菌絲 由擔孢子萌發形成的菌絲，其細胞內含有一個細胞核，也稱為初生菌絲。它通常是不能結實的。

l         l         雙核菌絲 兩條相同或不同的單核菌絲發生細胞質融合，而核不融合。細胞內含有兩個核的稱為雙核菌絲。亦叫次生菌絲或二級菌絲。
    在大多數蕈菌中，雙核菌絲的隔膜處有一個鎖狀突起叫鎖狀聯合，它是雙核菌絲所具有的結實性標志，即能產生子實體。

l         l         子實體 具有鎖狀聯合的雙核菌絲，發育到一定階段，達到一定生理成熟時，可產生果實和種子，這種結構稱為子實體。子實體就是常稱為菇和耳的食用部分，是蕈菌的繁殖器官。

l         l         擔孢子 在蕈菌的有性繁殖過程中，雙核菌絲的頂端細胞發育成擔子，在擔子上形成的有性孢子稱為擔孢子。

蕈菌資源十分豐富，全世界可供食用的**有2000多種。

常見栽培品種有雙孢蘑菇、草菇、金針菇、平菇、香菇、猴頭菌、木耳、銀耳、靈芝、和茯苓等。

病毒是專性細胞內寄生物，其大小在20—200nm之間。盡管它們在形狀和化學組成上有所不同，但都僅含有RNA或DNA。完整的顆粒稱為“病毒粒子”，它包括一個衣殼，在衣殼的外面常包圍有糖蛋白—脂類的膜。病毒對***不敏感。

l         l         沒有細胞結構；

l         l         只含有DNA或RNA一類核酸；

l         l         不以二分分裂法繁殖，只能在特定的寄主細胞內以核酸復制的方式增殖；

l         l         沒有核糖體，不含與能量代謝有關的酶，在活體外沒有生命特征。

    病毒的大小常用納米（nm）來度量，病毒大小從10-300nm之間，通常大小在100nm左右。

l         l         球狀——球狀病毒（或多面體病毒）。動物病毒多為球狀。

l         l         桿狀——桿狀病毒（包括棒狀或線狀）。植物病毒多呈桿狀。

l         l         蝌蚪狀——蝌蚪狀病毒。細菌病毒也即噬菌體多呈蝌蚪狀

 

核殼（nucleo-capsid）病毒主要由殼體和核酸二部分構成，二者統稱核殼。
殼粒（capsomer） 是構成病毒粒子的*小形態單位，每個殼粒由1-6個同種多肽分子折疊纏繞而成的蛋白質亞單位。也稱為衣殼粒
殼體（capsid） 由殼粒以對稱的形式，有規律地排列成桿狀、球狀、廿面體或其他形狀，構成病毒的外殼。也稱作衣殼，蛋白質外殼。

l         l         包膜（envelope） 在殼體外層還具有一層由病毒編碼的封套，有包膜病毒粒子是以出芽的方式穿過被侵染細胞的核膜或原生質膜。包膜可能含有少量的糖蛋白，例如人類**缺陷性病毒(HIV)，也可能含有大量的糖蛋白，例如單純疤疹病毒(HSV)。病毒的包膜上具有受體，它能使粒子附著并感染宿主細胞。

l         l         病毒的對稱性 病毒的衣殼具有螺旋體對稱或二十面體對稱。在很多情況下，衣殼被一種膜狀結構包圍(病毒包膜)。螺旋體對稱可以看作蛋白亞基通過有序的螺旋方式，排列在病毒核酸周圍，二十面體是一種有規則的立體結構，它由許多蛋白亞基的重復聚集組成，從而形成一種類似于球形的結構。

l         l         病毒蛋白 病毒蛋白，無論是結構蛋白(衣殼、包膜)還是非結構蛋白(例如，酶)都是由病毒的基因組編碼的，這些蛋白在組織培養的復制中可以是必要或非必要的。
結構蛋白 是核衣殼、基質，或者是包膜中的蛋白，這些蛋白對病毒基因組起保護作用，并且能夠利用宿主上的受體在宿主間傳遞基因組。同樣在病毒粒子的裝配過程中也起到了主要作用。
非結構蛋白 包含在病毒體內的非結構蛋白(并不作為病毒體的結構)，它們通常具有酶的活性，這對啟動病毒的感染是必要的。其他一些非結構蛋白并不在病毒中存在，但在被感染的細胞中起作用，這種作用包括關閉宿主細胞的核苦酸合成及蛋白質合成，另外這些蛋白具聚合酶、蛋白酶和激酶的活性，DNA連接酶活性，基因調控作用。

l         l         病毒的核酸 病毒基因組在大小、結構和核昔酸的組成上是多種多樣的，有線狀、環狀、雙鏈DNA(dsDNA)、單鏈DNA(ssDNA)、雙鏈RNA(dsRNA)、單鏈RNA(ssRNA)、分段的或者不分段的。
病毒的基因組攜帶有作為病毒遺傳密碼的核酸序列。在被感染的細胞中，基因組被轉錄(transcribed)和翻譯(translated)成氨基酸序列，正是由這些氨基酸序列組成了病毒的蛋白，不論是結構蛋白，還是非結構蛋白。

l         l         脂類和糖類 
病毒所含的脂類主要是一些磷脂、膽固醇和中性脂肪，多數存在于包膜。
病毒所含的糖類主要是葡萄糖、龍膽二糖、巖藻糖、半乳糖等。

l         l         病毒的包含體 有的病毒在寄主細胞內還形成包含體結構，它們多數位于細胞質內，具嗜酸性；少數位于細胞核內，具嗜堿性；也有細胞核內和細胞質都存在的類型。寄主細胞被病毒感染后形成的蛋白質結晶體，內含有1至幾個病毒粒子。

    細菌噬菌體(bacteriophage)，通常稱為噬菌體(phage)，是侵染細菌的病毒。它們是專性細胞內寄生物，可以噬菌體顆粒在細菌細胞外存在，但只能在細胞內繁殖。它們由核酸基因組和四周稱為衣殼的病毒外殼包圍而構成。噬菌體具有侵染細菌的能力，而且在細胞內指令合成噬菌體的成分。

像病毒一樣噬菌體有許多的類型。它們可以是20面體，幾乎是含有20個三角形的面構成的特殊的類型或由20面體的頭與螺旋的尾構成的復合結構。基因組是DNA或RNA；單鏈(ss)或雙鏈(ds)，環狀或線狀。某些噬菌體非常小，如大腸桿菌單鏈RNA噬菌體MS2，只含有四個蛋白信息的基因組，而其他的是大噬菌體像T4噬菌體，其基因組編碼大約135個不同的蛋白。

噬菌體由核酸基因組和四周稱為衣殼的蛋白質外殼的包圍而構成，衣殼蛋白具有保護遺傳物質和幫助侵染新的宿主的作用。某些噬菌體也攜帶有另外的酶和衣殼內部的核酸。外殼是由排列高度有序的結構蛋白亞單位所組成，給噬菌體以特別明顯的形狀。構成衣殼不同蛋白類型的數目，從如MS2簡單噬菌體中1種到如T4復合噬菌體的大于25種。

與噬菌體結構相連系有三種噬菌體的形態(圖2.32)：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l         l         20面體(icosahedron)這是由20個三角形面構成的幾乎為特殊的形狀，20面體在自然界是非常普遍的形狀，因為它非常容易裝配成一個由亞單位包裹的外殼。

l         l         絲狀(filamentous)這是由衣殼蛋白裝配成的螺旋狀結構的長的蛋白管。

l         l         復合體(complex)某些噬菌體由20面體頭部和連接螺旋狀尾部復合構成。此類中有T型偶數類群噬菌體頭部確為拉長的20面體。尾部能收縮或不能收縮，有尾鞘或沒有尾鞘，可有基片(基板)或尾絲相連接。尾部作用是幫助遺傳物質注入細胞。

l         l         典型噬菌體生活周期
    一個噬菌體典型的生活周期，從噬菌體在細菌細胞表面的特異受體吸附開始，隨后遺傳物質注入宿主。細菌含有降解外源DNA的限制修飾系統，許多侵染是不成功的。接著核酸復制開始，噬菌體基因編碼的酶被合成。*后，合成噬菌體衣殼蛋白，裝配成新的噬菌體外殼，同時包裝一個拷貝的基因。然后，噬菌體釋放，普遍通過裂解進入周圍培養基。也即經過吸附，侵入，復制，組裝和釋放5個階段（圖2.33）。
    吸附(附著)(adsorption，attachment)。噬菌體侵染宿主通過附著在細胞表面的特異受體上。受體的性質不同，是蛋白質或多糖，它們可在任何時間存在細胞表面或只在某些條件下產生。T4噬菌體結合在大腸桿菌外膜的脂蛋白上(T2、T4、T7、的吸附位點是脂多糖，T2、T6的吸附位點是脂蛋白)，而l噬菌體只有當細菌在含有麥芽糖的培養基上生長時，才能結合在外膜的麥芽糖轉運蛋白上。
    侵入(Pentration)。一般只有遺傳物質注射進入宿主，留下空蛋白外殼在細胞表面。在噬菌體頭部的溶菌酶溶解宿主細胞壁肽聚糖。噬菌體侵入方式視噬菌體結構而定。在T4噬菌體的例子中，T4噬菌體有高度復合結構的收縮性尾，噬菌體通過長的尾絲吸附和基板接觸細胞壁之后，尾鞘收縮DNA注入細胞。多數情況進來的DNA可以被內切核酸酶降解，它們是宿主的部分限制修復防御系統，偶然噬菌體的DNA可以存活引起侵染。此防御內切核酸酶稱為限制酶，結合在外源DNA的特異序列，并在此位點切離DNA。微生物自己的DNA通常通過甲基化被修飾，阻止這些限制酶降解。某些噬菌體如T偶數噬菌體有包括糖基化作用或甲基化作用和修飾自己DNA的機制，阻止它們在注射時被限制酶降解。
    核酸復制(nucleic acid replication)。一旦宿主內核酸被轉錄和翻譯(在RNA病毒情況中只有翻譯)，在新的噬菌體核酸指導下合成所需的酶。有時這些稱為早期蛋白，許多噬菌體切斷宿主蛋白質合成和降解宿主的基因組，因此，保證所有細胞生物合成機構受噬菌體的基因組指令。經過一個短時間之后，通常轉換到產生大量噬菌體結構蛋白、噬菌體裝配所需的支架蛋白和裂解及噬菌體釋放所需的蛋白。這些稱為晚期蛋白。
    噬菌體裝配(Phage assembly)。一旦噬菌體衣殼成分和核酸已被充分合成，新的噬菌體顆粒自發組裝，同時衣殼包裝核酸。
    釋放(release)。許多噬菌體通過裂解細菌細胞壁而釋放，這就是生活周期常稱為裂解周期，而噬菌體稱為烈性噬菌體。酶軟化細胞壁和每個細胞釋放裂解50-1000個之間的噬菌體。T4噬菌體37℃從侵染到釋放時間大約22分鐘。其它噬菌體如M13絲狀噬菌體穿過細胞壁釋放噬菌體并不損傷細胞，所以噬菌體釋放經歷一個長的時期。宿主細菌仍可繼續生長，但以減低的速率生長。

l         l         溶源性噬菌體生活周期
    某些噬菌體，典型例子是l菌體，在細胞進入裂解周期開始，產生終止噬菌體復制的阻遏蛋白。噬菌體進入稱為溶源化的階段，噬菌體的基因組隨染色體復制而復制，而且通過一個世代傳至下一個世代。噬菌體可從溶源階段自發誘導，進入裂解周期。隨宿主復制，大多數溶源性噬菌體(有時稱為溫和噬菌體)以原噬菌體狀態整合至染色體上，但某些噬菌體，如P1噬菌體，卻像一個質粒存在細胞質中。
    許多噬菌體，典型的為λ噬菌體，在宿主內替代裂解生活周期。在進人宿主時，這些噬菌體不進入裂解循環，而是它們進入稱為溶源性(lysgeny)的階段。在此階段它們或者整合至染色體上形成原噬菌體(prophage)(如l噬菌體)或者像質粒存在細胞質中(如P1噬菌體)。結果，這些溶源性噬菌體(有時稱為溫和噬菌體)隨著宿主染色體復制而復制，然后分配到子細胞(圖2.34)
    溶源性噬菌體具有特別的特性，因為它們能攜帶改變宿主表型的功能性基因。稱為溶源性轉變(lysogenic conversion)，溶源性噬菌體的特性有助于細菌在寄主中存活的能力。沙門氏菌噬菌體溶源化時改變細菌脂多糖(LPS)O—抗原的組分，因此改變細菌抗原的特性。許多細菌的**基因也由溫和噬菌體攜帶，包括白喉棒桿菌(Corynebacteria diphtheriae)的b噬菌體攜帶的白喉**基因。霍亂**也在此類之中。
    溶源細菌自發裂解和誘發裂解：在溶源細菌中極少數（約10^-6）會發生原噬菌體大量復制、成熟，導致寄主細胞裂解，這種現象稱為溶源細菌的自發裂解；若用低劑量的紫外線照射處理或其他物理、化學方法處理，能夠誘發溶源細胞大量潰溶，釋放成熟噬菌體粒子，這就是溶源細菌的誘發裂解。
    溶源細菌細胞復愈：溶源細胞中的原噬菌體有時會消失，成為非溶源細胞，不會裂解，稱為溶源細菌細胞復愈。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

微生物要不斷地生長繁殖，這就要從它的生活的外部環境中吸取所需要的各種營養物質，合成本身的細胞物質，提供機體進行各種生理活動所需要的能量，保證機體進行正常的生長與繁殖，保證其生命能維持和延續同時將代謝活動產生的廢棄物排出體外。

那些能夠滿足微生物機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質稱為營養物質(nutrient)。而微生物獲得和利用營養物質的過程稱為營養(nutrition)。

l         l         微生物細胞的化學成分以有機物和無機物兩種狀態存在。有機物包含各種大分子，它們是蛋白質、核酸、類脂和糖類，占細胞干重的99%。無機成分包括小分子無機物和各種離子，占細胞干重的1%。

l         l         微生物細胞的元素構成由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等組成。其中C、H、O、N、P、S六種元素占微生物細胞干重的97%；其他為微量元素。微生物細胞的化學元素組成的比例常因微生物種類的不同而各異。

l         l         組成微生物細胞的化學元素分別來自微生物生長的所需要的營養物質，即微生物生長所需的營養物質應該包含有組成細胞的各種化學元素。這些物質概括為提供構成細胞物質的碳素來源的碳源物質，構成細胞物質的氮素來源的氮源物質和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的無機鹽。

微生物生長所需要的營養物質主要是以的有機物和無機物的形式提供的，小部分由氣體物質供給。微生物的營養物質按其在機體中的生理作用可區分為：碳源、氮源、無機鹽、生長因子和水五大類。

l         l         在微生物生長過程中為微生物提供碳素來源的物質稱為碳源(source of carbon)。

l         l         從簡單的無機含碳化合物如CO₂和碳酸鹽到各種各樣的天然有機化合物都可以作為微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物質具有選擇性，利用能力有差異。(見表3.1)

l         l         碳源的生理作用主要有：碳源物質通過復雜的化學變化來構成微生物自身的細胞物質和代謝產物；同時多數碳源物質在細胞內生化反應過程中還能為機體提供維持生命活動的能量，但有些以又CO₂為**或主要碳源的微生物生長所需的能源則不是來自CO₂。

 

 

表3.1微生物利用的碳源物質

l         l         凡是可以被微生物用來構成細胞物質的或代謝產物中氮素來源的營養物質通稱為氮源(source of nitrogen)物質。

表3.2 微生物利用的氮源物質

l         l         能被微生物所利用的氮源物質有蛋白質及其各類降解產物、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、分子態氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(見表3.2)。

l         l         氮源物質常被微生物用來合成細胞中含氮物質，少數情況下可作能源物質，如某些厭氧微生物在厭氧條件下可利用某些氨基酸作為能源。

l         l         微生物對氮源的利用具有選擇性，如玉米漿相對于豆餅粉，NH₄^＋相對于NO₃^-為速效氮源。銨鹽作為氮源時會導致培養基pH值下降，稱為生理酸性鹽，而以硝酸鹽作為氮源時培養基pH值會升高，稱為生理堿性鹽。

l         l         無機鹽(inorganic salt)是微生物生長必不可少的一類營養物質，它們在機體中的生理功能主要是作為酶活性中心的組成部分、維持生物大分子和細胞結構的穩定性、調節并維持細胞的滲透壓平衡、控制細胞的氧化還原電位和作為某些微生物生長的能源物質等(表3.3)。

表3.3 無機鹽及其生理功能

l         l         微生物生長所需的無機鹽一般有磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等金屬元素的化合物。

l         l         在微生物的生長過程中還需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要量在10^-6-10^-8mol/L(培養基中含量)。微量元素一般參與酶的組成或使酶活化(表3.4)。
    如果微生物在生長過程中缺乏微量元素，會導致細胞生理活性降低甚至停止生長。由于不同微生物對營養物質的需求不盡相同，微量元素這個概念也是相對的。微量元素通常混雜在天然有機營養物、無機化學試劑、自來水、蒸餾水、普通玻璃器皿中，如果沒有特殊原因，在配制培養基時沒有必要另外加入微量元素。值得注意的是，許多微量元素是重金屬，如果它們過量，就會對機體產生毒害作用，而且單獨一種微量元素過量產生的毒害作用更大，因此有必要將培養基中微量元素的量控制在正常范圍內，并注意各種微量元素之間保持恰當比例。

表3.4 微量元素與生理功能

l         l         生長因子(growth actor)通常指那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物。

l         l         根據生長因子的化學結構和它們在機體中的生理功能的不同，可將生長因子分為維生素(vitamin)、氨基酸與嘌呤與嘧啶三大類(見表3.5)。維生素在機體中所起的作用主要是作為酶的輔基或輔酶參與新陳代謝；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必須在培養基中補充這些氨基酸或含有這些氨基酸的小肽類物質，微生物才能正常生長；嘌呤與嘧啶作為生長因子在微生物機體內的作用主要是作為酶的輔酶或輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和核酸。

表3.5 維生素及其在代謝中的作用

水是微生物生長所必不可少的。水在細胞中的生理功能主要有：

l         l         參與細胞內一系列化學反應；

l         l         維持蛋白質、核酸等生物大分子穩定的天然構象；

l         l         因為水的比熱高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱并及時地將熱迅速散發出體外，從而有效地控制細胞內溫度的變化；

l         l         保持充足的水分是細胞維持自身正常形態的重要因素；

l         l         微生物通過水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結構，如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒的組裝與解離。

微生物生長的環境中水的有效性常以水活度值(wateractivity，a_w)表示，水活度值是指在一定的溫度和壓力條件下，溶液的蒸氣壓力與同樣條件下純水蒸氣壓力之比，即a_w＝P_w／P⁰_w式中P_w代表溶液蒸氣壓力，P⁰_w代表純水蒸氣壓力。純水a_w為1.00，溶液中溶質越多，a_w越小。微生物一般在a_w為0.60-0.99的條件下生長，a_w過低時，微生物生長的遲緩期延長，比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的*適a_w不同(表3.6)。一般而言，細菌生長*適a_w較酵母菌和霉菌高，而嗜鹽微生物生長*適a_w則較低。

表3.6 幾類微生物生長*適a_w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

由于微生物種類繁多，其營養類型(nutritional types)比較復雜，人們常在不同層次和側重點上對微生物營養類型進行劃分(表3.7)。根據碳源、能源及電子供體性質的不同，可將絕大部分微生物分為光能無機自養型(photolithoautotrophy)、光能有機異養型(photoorganoheterophy)、化能無機自養型(chemolithoautotrophy)及化能有機異養型(chemoorganoheterotrophy)四種類型(表3.8)。

表3.7微生物營養類型(Ⅰ)

表3.8 微生物的營養類型(Ⅱ)

光能無機自養型和光能有機異養型微生物可利用光能生長，在地球早期生態環境的演化過程中起重要作用；化能無機自養型微生物廣泛分布于土壤及水環境中，參與地球物質循環；對化能有機異養型微生物而言，有機物通常既是碳源也是能源。目前已知的大多數細菌、**、原生動物都是化能有機異養型微生物。值得注意的是，己知的所有致病微生物都屬于此種類型。根據化能有機異養型微生物利用的有機物性質的不同，又可將它們分為腐生型(metatrophy)和寄生型(paratrophy)兩類，前者可利用無生命的有機物(如動植物尸體和殘體)作為碳源，后者則寄生在活的寄主機體內吸取營養物質，離開寄主就不能生存。在腐生型和寄生型之間還存在一些中間類型，如兼性腐生型(facultive metatrophy)和兼性寄生型(facultive paratrophy)。

某些菌株發生突變(自然突變或人工誘變)后，失去合成某種(或某些)對該菌株生長必不可少的物質(通常是生長因子如氨基酸、維生素)的能力，必須從外界環境獲得該物質才能生長繁殖，這種突變型菌株稱為營養缺陷型(auxotroph)，相應的野生型菌株稱為原養型(prototroph)。營養缺陷型菌株經常用來進行微生物遺傳學方面的研究。

必須明確，無論那種分類方式，不同營養類型之間的界限并非**的，異養型微生物并非**不能利用，只是不能以CO₂為**或主要碳源進行生長，而且在有機物存在的情況下也可將CO₂同化為細胞物質。同樣，自養型微生物也并非不能利用有機物進行生長。另外，有些微生物在不同生長條件下生長時，其營養類型也會發生改變，例如紫色非硫細菌(purple nonsulphur bacteria)在沒有有機物時可以同化CO₂，為自養型微生物，而當有機物存在時，它又可以利用有機物進行生長，此時它為異養型微生物。再如，紫色非硫細菌在光照和厭氧條件下可利用光能生長，為光能營養型微生物，而在黑暗與好氧條件下，依靠有機物氧化產生的化學能生長，則為化能營養型微生物。微生物營養類型的可變性無疑有利于提高微生物對環境條件變化的適應能力。

l         l         光能無機自養型 也稱光能自養型，這是一類能以CO₂為**碳源或主要碳源并利用光能進行生長的的微生物，它們能無機物如水、硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機化合物使CO₂固定還原成細胞物質，并且伴隨元素氧（硫）的釋放。

l         l         藻類、藍細菌和光合細菌屬于這一類營養類型。
藻類和藍細菌：
這與高等植物光合作用是一致的。
光合細菌：
這與藻類、藍細菌和高等植物是不同的。

l         l         化能無機自養型 或稱化能自養型，這類微生物利用無機物氧化過程中放出的化學能作為它們生長所需的能量，以CO₂或碳酸鹽作為的**或主要碳源進行生長，利用電子供體如氫氣、硫化氫、二價鐵離子或亞硝酸鹽等使CO₂還原成細胞物質。

l         l         屬于這類微生物的類群有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌等（參見微生物的產能方式）。例如氫細菌：
 

l         l         光能有機營養型 或稱光能異養型，這類微生物不能以CO₂作為**碳源或主要碳源，需以有機物作為供氫體，利用光能將CO₂還原為細胞物質。

l         l         紅螺屬的一些細菌就是這一營養類型的代表：

光能有機營養型細菌在生長時通常需要外源的生長因子。

l         l         化能有機營養型 或稱化能異養營養型，這類微生物生長所需的能量來自有機物氧化過程放出的化學能，生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等，也即化能有機營養型微生物里的有機物通常既是它們生長的碳源物質又是能源物質。

l         l         目前在已知的微生物中大多數屬于化能有機營養型：絕大多數的細菌、全部**、原生動物以及病毒。

l         l         如果化能有機營養型微生物利用的有機物不具有生命活性，則是腐生型；若是生活在生活細胞內從寄生體內獲得營養物質，則是寄生型。

 

l         l         培養基 (culture medium)是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物的營養基質。無論是以微生物為材料的研究，還是利用微生物生產生物制品，都必須進行培養基的配制，它是微生物學研究和微生物發酵生產的基礎。

l         l         培養基中應含滿足微生物生長發育的：水分、碳源、氮源、生長因子以及基本的離子，磷、硫、鈉、鈣、鎂、鉀和鐵及各種微量元素。

l         l         此外，培養基還應具有適宜的酸堿度(pH值)和一定緩沖能力及一定的氧化還原電位和合適的滲透壓。

l         l         選擇適宜的營養物質

總體而言，所有微生物生長繁殖均需要培養基含有碳源、氮源、無機鹽、生長因子、水及能源，但由于微生物營養類型復雜，不同微生物對營養物質的需**不一樣的，因此首先要根據不同微生物 的營養需求配制針對性強的培養基。自養型微生物能從簡單的元機物合成自身需要的糖類、脂類、蛋白質、核酸、維生素等復雜的有機物，因此培養自養型微生物的培養基完全可以(或應該)由簡單的無機物組成。例如，培養化能自養型的氧化硫硫桿菌(Thiobacillus thiooxdans)的培養基組成見表3.9。在該培養基配制過程中并末專門加入其他碳源物質，而是依靠空氣中和溶于水中的CO₂為氧化硫硫桿菌提供碳源。

表3.9 幾種類型培養基組成

就微生物主要類型而言，有細菌、放線菌、酵母菌、霉菌、原生動物、藻類及病毒之分，培養它們所需的培養基各不相同。在實驗室中常用牛肉膏蛋白胨培養基(或簡稱普通肉湯培養基)培養細菌，用高氏I號合成培養基培養放線菌，培養酵母菌一般用麥芽汁培養基，培養霉菌則一般用查氏合成培養基。

l         l         營養物質濃度及配比合適

培養基中營養物質濃度合適時微生物才能生長良好，營養物質濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對微生物生長起抑制作用，例如高濃度糖類物質、無機鹽、重金屬離子等不僅不能維持和促進微生物的生長，反而起到抑菌或**作用。另外，培養基中各營養物質之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和(或)代謝產物的形成和積累，其中碳氮比(C/N)的影響較大。嚴格地講，碳氮比指培養基中碳元素與氮元素的物質的量比值，有時也指培養基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發酵生產谷氨酸的過程中，培養基碳氮比為4/l時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；當培養基碳氮比為3/l時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產量則大量增加。再如，在***發酵生產過程中，可以通過控制培養基中速效氮(或碳)源與遲效氮(或碳)源之間的比例來控制菌體生長與***的合成協調。

l         l         控制pH條件

培養基的pH必須控制在一定的范圍內，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產生代謝產物。各類微生物生長繁殖或產生代謝產物的*適pH條件各不相同，一般來講，細菌與放線菌適于在pH7～7.5范圍內生長，酵母菌和霉菌通常在pH4.5～6范圍內生長。值得注意的是，在微生物生長繁殖和代謝過程中，由于營養物質被分解利用和代謝產物的形成與積累，會導致培養基pH發生變化，若不對培養基pH條件進行控制，往往導致微生物生長速度下降或(和)代謝產物產量下降。因此，為了維持培養基pH的相對恒定，通常在培養基中加入pH緩沖劑，常用的緩沖劑是一氫和二氫磷酸鹽(如KH₂PO₄ 和K₂HPO₄)組成的混合物。K₂HPO₄溶液呈堿性，KH₂PO₄溶液呈酸性，兩種物質的等量混合溶液的pH為6.8。當培養基中酸性物質積累導致H⁺濃度增加時，H⁺與弱堿性鹽結合形成弱酸性化合物，培養基pH不會過度降低；如果培養基中OH^-濃度增加，OH^-則與弱酸性鹽結合形成弱堿性化合物，培養基pH也不會過度升高。

但KH₂PO₄ 和K₂HPO₄4緩沖系統只能在一定的pH范圍(pH6.4～7.2)內起調節作用。有些微生物，如乳酸菌能大量產酸，上述緩沖系統就難以起到緩沖作用，此時可在培養基中添加難溶的碳酸鹽(如CaCO₃)來進行調節，CaCO₃難溶于水，不會使培養基pH過度升高，但它可以不斷中和微生物產生的酸，同時釋放出CO₂，將培養基pH控制在一定范圍內。

在培養基中還存在一些天然的緩沖系統，如氨基酸、肽、蛋白質都屬于兩性電解質，也可起到緩沖劑的作用。

l         l         控制氧化還原電位(redox　potential)

不同類型微生物生長對氧化還原電位(F)的要求不一樣，一般好氧性微生物在F值為+0.1V以上時可正常生長，一般以+0.3一+0.4V為宜，厭氧性微生物只能在F值低于+0.1V條件下生長，兼性厭氧微生物在F值為+0.1V以上時進行好氧呼吸，在+0.1V以下時進行發酵。F值與氧分壓和pH有關，也受某些微生物代謝產物的影響。在pH相對穩定的條件下，可通過增加通氣量(如振蕩培養、攪拌)提高培養基的氧分壓，或加入氧化劑，從而增加F值；在培養基中加入抗壞血酸、硫化氫、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等還原性物質可降低F值。

l         l         原料來源的選擇

    在配制培養基時應盡量利用廉價且易于獲得的原料作為培養基成分，特別是在發酵工業中，培養基用量很大，利用低成本的原料更體現出其經濟價值。例如，在微生物單細胞蛋白的工業生產過程中，常常利用糖蜜(制糖工業中含有蔗糖的廢液)、乳清(乳制品工業中含有乳糖的廢液)、豆制品工業廢液及黑廢液(造紙工業中含有戊糖和己糖的亞硫酸紙漿)等都可作為培養基的原料。再如，工業上的甲烷發酵主要利用廢水、廢渣作原料，而在我國農村，已推廣利用人畜糞便及禾草為原料發酵生產甲烷作為燃料。另外，大量的農副產品或制品，如鼓皮、米糠、玉米漿、酵母浸膏、酒糟、豆餅、花生餅、蛋白胨等都是常用的發酵工業原料。

l         l         **處理

    要獲得微生物純培養，必須避免雜菌污染，因此對所用器材及工作場所進行**與**。對培養基而言，更是要進行嚴格的**。對培養基一般采取高壓蒸汽**，一般培養基用1.05kg/cm²，121.3℃條件下維持15～30min可達到**目的。在高壓蒸汽**過程中，長時間高溫會使某些不耐熱物質遭到破壞，如使糖類物質形成氨基糖、焦糖，因此含糖培養基常在0.56kg/ cm²，112.6℃15～30min進行**，某些對糖類要求較高的培養基，可先將糖進行過濾**或間歇**，再與其他已**的成分混合；長時間高溫還會引起磷酸鹽、碳酸鹽與某些陽離子(特別是鈣、鎂、鐵離子)結合形成難溶性復合物而產生沉淀，因此，在配制用于觀察和定量測定微生物生長狀況的合成培養基時，常需在培養基中加入少量螯合劑，避免培養基中產生沉淀，常用的螯合劑為乙二胺四乙酸(EDTA)。還可以將含鈣、鎂、鐵等離子的成分與磷酸鹽、碳酸鹽分別進行**，然后再混合，避免形成沉淀；高壓蒸汽**后，培養基pH會發生改變(一般使pH降低)，可根據所培養微生物的要求，在培養基**前后加以調整。

在配制培養基過程中，泡沫的存在對**處理極不利，因為泡沫中的空氣形成隔熱層，使泡沫中微生物難以被殺死。因而有時需要在培養基中加入消泡沫劑以減少泡沫的產生，或適當提高滅。

培養基種類繁多，根據其成分、物理狀態和用途可將培養基分成多種類型。

l         l         按成分不同劃分 

天然培養基(complex medium) 這類培養基含有化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物，也稱非化學限定培養基(chemically undefined medium)。牛肉膏蛋白胨培養基和麥芽汁培養基就屬于此類。基因克隆技術中常用的LB(Luria—Bertani)培養基也是一種天然培養基，其組成見表3.9。

常用的天然有機營養物質包括牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏(表3.10)、豆芽汁、玉米粉、土壤浸液、麩皮、牛奶、血清、稻草浸汁、羽毛浸汁、胡蘿卜汁、椰子汁等，嗜糞微生物(coprophilous microorganisms)可以利用糞水作為營養物質。天然培養基成本較低，除在實驗室經常使用外，也適于用來進行工業上大規模的微生物發酵生產。

表3.10 牛肉浸膏、蛋白胨及酵母浸膏的來源及主要成分

合成培養基(synthic medium)是由化學成分完全了解的物質配制而成的培養基，也稱化學限定培養基(chemically defined medium)，高氏I號培養基和查氏培養基就屬于此種類型。配制合成培養基時重復性強，但與天然培養基相比其成本較高，微生物在其中生長速度較慢，一般適于在實驗室用來進行有關微 生物營養需求、代謝、分類鑒定、生物量測定、菌種選育及遺傳分析等方面的研究工作。

l         l         根據物理狀態劃分

    根據培養基中凝固劑的有無及含量的多少，可將培養基劃分為固體培養基、半固體培養基和液體培養基三種類型。

    固體培養基(so1id medium)

在液體培養基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態即為固體培養基。理想的凝固劑應具備以下條件：①不被所培養的微生物分解利用；②在微生物生長的溫度范圍內保持固體狀態，在培養嗜熱細菌時，由于高溫容易引起培養基液化，通常在培養基中適當增加凝固劑來解決這一問題；③凝固劑凝固點溫度不能太低，否則將不利于微生物的生長；④凝固劑對所培養的微生物無毒害作用；⑤凝固劑在**過程中不會被破壞；⑥透明度好，粘著力強；⑦配制方便且價格低廉。常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠(gelatain)和硅膠(silica gel)。表3.11列出瓊脂和明膠的一些主要特征。

對絕大多數微生物而言，瓊脂是*理想的凝固劑，瓊脂是由藻類(海產石花菜)中提取的一種高度分支的復雜多糖；明膠是由膠原蛋白制備得到的產物，是*早用來作為凝固劑的物質，但由于其凝固點太低，而且某些細菌和許多**產生的非特異性胞外蛋白酶以及梭菌產生的特異性膠原酶都能液化明膠，目前已較少作為凝固劑；硅膠是由無機的硅酸鈉(Na₂SO₃)及硅酸鉀(K₂SiO₃)被鹽酸及硫酸中和時凝聚而成的膠體，它不含有機物，適合配制分離與培養自養型微生物的培養基。

表3.11 瓊脂與明膠主要特征比較

除在液體培養基中加入凝固劑制備的固體培養基外，一些由天然固體基質制成的培養基也屬于固體培養基。例如，由馬鈴薯塊、胡蘿卜條、小米、麩皮及米糠等制成固體狀態的培養基就屬于此類。又如生產酒的酒曲，生產食用菌的棉子殼培養基。

在實驗室中，固體培養基一般是加人平皿或試管中，制成培養微生物的平板或斜面。固體培養基為微生物提供一個營養表面，單個微生物細胞在這個營養表面進行生長繁殖，可以形成單個菌落。固體培養基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數及菌種保藏等。

半固體培養基(semisolid medium)

    半固體培養基中凝固劑的含量比固體培養基少，培養基中瓊脂含量一般為0.2%～0.7%。半固體培養基常用來觀察微生物的運動特征、分類鑒定及噬菌體效價滴定等。

    液體培養基(1iquid medium) 液體培養基中未加任何凝固劑。在用液體培養基培養微生物時，通過振蕩或攪拌可以增加培養基的通氣量，同時使營養物質分布均勻。液體培養基常用于大規模工業生產以及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究。

l         l         按用途劃分

    基礎培養基(minimum medium)

    盡管不同微生物的營養需求各不相同，但大多數微生物所需的基本營養物質是相同的。基礎培養基是含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養物質的培養基。牛肉育蛋白胨培養基是*常用的基礎培養基。基礎培養基也可以作為一些特殊培養基的基礎成分，再根據某種微生物的特殊營養需求，在基礎培養基中加入所需營養物質。

    加富培養基(enrichment medium)

    加富培養基也稱營養培養基，即在基礎培養基中加入某些特殊營養物質制成的一類營養豐富的培養基，這些特殊營養物質包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等。加富培養基一般用來培養營養要求比較苛刻的異養型微生物，如培養百日咳博德氏菌(敗ydd6c6jj6加rzM55Z5)需要含有血液的加富培養基。加富培養基還可以用來富集和分離某種微生物，這是因為加富培養基含有某種微生物所需的特殊營養物質，該種微生物在這種培養基中較其他微生物生長速度快，并逐漸富集而占優勢，逐步淘汰其他微生物，從而容易達到分離該種微生物的目的。從某種意義上講，加富培養基類似選擇培養基，兩者區別在于，加富培養基是用來增加所要分離的微生物的數量，使其形成生長優勢，從而分離到該種微生物；選擇培養基則一般是抑制不需要的微生物的生長，使所需要的微生物增殖，從而達到分離所需微生物的目的。

    鑒別培養基(differential medium)

    鑒別培養基是用于鑒別不同類型微生物的培養基。在培養基中加入某種特殊化學物質，某種微生物在培養基中生長后能產生某種代謝產物，而這種代謝產物可以與培養基中的特殊化學物質發生特定的化學反應，產生明顯的特征性變化，根據這種特征性變化，可將該種微生物與其他微生物區分開來。鑒別培養基主要用于微生物的快速分類鑒定，以及分離和篩選產生某種代謝產物的微生物菌種。常用的一些鑒別培養基參見表3.12。

    表3.12 一些鑒別培養基 

    選擇培養基(selective　medium)

    選擇培養基是用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養基。根據不同種類微生物的特殊營養需求或對某種化學物質的敏感性不同，在培養基中加入相應的特殊營養物質或化學物質，抑制不需要的微生物的生長，有利于所需微生物的生長。

一種類型選擇培養基是依據某些微生物的特殊營養需求設計的，例如，利用以纖維素或石蠟油作為**碳源的選擇培養基，可以從混雜的微生物群體中分離出能分解纖維素或石蠟油的微生物；利用以蛋白質作為**氮源的選擇培養基，可以分離產胞外蛋白酶的微生物；缺乏氮源的選擇培養基可用來分離固氮微生物。另一類選擇培養基是在培養基中加入某種化學物質，這種化學物質沒有營養作用，對所需分離的微生物無害，但可以抑制或殺死其他微生物，例如，在培養基中加入數滴10%酚可以抑制細菌和霉菌的生長，從而由混雜的微生物群體中分離出放線菌；在培養基中加入亞硫酸銨，可以抑制革蘭氏陽性細菌和絕大多數革蘭氏陰性細菌的生長，而革蘭氏陰性的傷寒沙門氏菌(Salmomnella typhi)可以在這種培養基上生長；在培養基中加入染料亮綠(brilliant green)或結晶紫(crystal vio1et)，可以抑制革蘭氏陽性細菌的生長，從而達到分離革蘭氏陰性細菌的目的；在培養基中加人青霉素、四環素或鏈霉素，可以抑制細菌和放線菌生長，而將酵母菌和霉菌分離出來。現代基因克隆技術中也常用選擇培養基，在篩選含有重組質粒的基因工程菌株過程中，利用質粒上具有的對某種(些)***的抗性選擇標記，在培養基中加入相應***，就能比較方便地淘汰非重組菌株，以減少篩選目標菌株的工作量。

l         l         其他

    除上述四種主要類型外，培養基按用途劃分還有很多種，比如：分析培養基(assay medium)常用來分析某些化學物質(***、維生素)的濃度，還可用來分析微生物的營養需求；還原性培養基(reduced medium)專門用來培養厭氧型微生物；組織培養物培養基(tissue-culture midium)含有動、植物細胞，用來培養病毒、衣原體(chlamydia)、立克次氏體(rickettsia)及某些螺旋體(spirochete)等專性活細胞寄生的微生物。盡管如此，有些病毒和立克次氏體目前還不能利用人工培養基來培養，需要接種在動植物體內、動植物組織中才能增殖。常用的培養病毒與立克次氏體的動物有小白鼠、家鼠和琢鼠，雞胚也是培養某些病毒與立克次氏體的良好營養基質，雞瘟病毒、牛痘病毒、天花病毒、狂犬病毒等十幾種病毒也可用雞胚培養。

 

 

 

 

 

 

 

營養物質能否被微生物利用的一個決定性因素是這些營養物質能否進入微生物細胞。只有營養物質進入細胞后才能被微生物細胞內的新陳代謝系統分解利用，進而使微生物正常生長繁殖。

    影響營養物質進入細胞的因素主要有三個：

    其一是營養物質本身的性質。相對分子質量、溶解性、電負性、極性等都影響營養物質進入細 胞的難易程度。

    其二是微生物所處的環境。溫度通過影響營養物質的溶解度、細胞膜的流動性及運輸系統的活性來影響微生物的吸收能力；pH和離子強度通過影響營養物質的電離程度來影響其進入細胞的能力。例如，當環境pH比細胞內pH高時，弱堿性的甲胺進入大腸桿菌后以帶正電荷的形式存在，而這種狀態的甲胺不容易分泌而導致細胞內甲胺濃度升高，當環境pH比細胞內pH低時，甲胺以帶正電荷的形式存在于環境中而難以進入細胞，導致細胞內甲胺濃度降低；當環境中存在誘導物質運輸系統形成的物質時，有利于微生物吸收營養物質；而環境中存在的代謝過程抑制劑、解偶聯劑以及能與原生質膜上的蛋白質或脂類物質等成分發生作用的物質(如琉基試劑、重金屬離子等)都可以在不同程度上影響物質的運輸速率。另外，環境中被運輸物質的結構類似物也影響微生物細胞吸收被運輸物質的速率，例如L-刀豆氨酸、L-賴氨酸或D-精氨酸都能降低釀酒酵母吸收L-精氨酸的能力。

    其三是微生物細胞的透過屏障(permeability barrier)。所有微生物都具有一種保護機體完整性且能限制物質進出細胞的透過屏障，滲透屏障主要由原生質膜、細胞壁、莢膜及粘液層等組成的結構。莢膜與粘液層的結構較為疏松，對細胞吸收營養物質影響較小。革蘭氏陽性細菌由于細胞壁結構較為緊密，對營養物質的吸收有一定的影響，相對分子質量大于10000的葡聚糖難以通過這類細菌的細胞壁。**和酵母菌細胞壁只能允許相對分子質量較小的物質通過。與細胞壁相比，原生質膜在控制物質進入細胞的過程中起著更為重要的作用，它對跨膜運輸(transportaccross membrane)的物質具有選擇性，營養物質的跨膜運輸是本節著重探討的問題。根據物質運輸過程的特點，可將物質的運輸方式分為擴散、促進擴散、主動運輸與膜泡運輸。

原生質膜是一種半透膜，營養物質通過原生質膜上的含水小孔，由高濃度的跑外(內)環境向低濃度的胞內(外)進行擴散(diffusion)。擴散是非特異性的，但原生質膜上的含水小孔的大小和形狀對參與擴散的營養物質分子有一定的選擇性。物質在擴散過程中，既不與膜上的各類分子發生反應，自身分子結構也不發生變化。

擴散是一種*簡單的物質跨膜運輸方式，為純粹的物理學過程，在擴散過程中不消耗能量，物質擴散的動力來自參與擴散的物質在膜內外的濃度差，營養物質不能逆濃度運輸。物質擴散的速率隨原生質膜內外營養物質濃度差的降低而減小，直到膜內外營養物質濃度相同時才達到一個動態平衡。

由于原生質膜主要由磷脂雙分子層和蛋白質組成，而且膜上分布有含水小孔，膜內外表面為極性表面，中間為疏水層，因而物質跨膜擴散的能力和速率與該物質的性質有關，相對分子質量小、脂溶性、極性小的物質易通過擴散進出細胞。另外，溫度高時，原生質膜的流動性增加，有利于物質通過擴散進出細胞，而pH與離子強度通過影響物質的電離程度而影響物質的擴散速率。

    擴散并不是微生物細胞吸收營養物質的主要方式，水是**可以通過擴散自由通過原生質膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些氣體分子(O₂、CO₂)及某些氨基酸在一定程度上也可通過擴散進出細胞。

與擴散一樣，促進擴散(facilited diffusion)也是一種被動的物質跨膜運輸方式，在這個過程中不消耗能量，參與運輸的物質本身的分子結構不發生變化，不能進行逆濃度運輸，運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比。

    促進擴散與擴散的主要區別在于通過促進擴散進行跨膜運輸的物質需要借助于載體(carrier)的作用力才能進入細胞(圖3.1)，而且每種載體只運輸相應的物質，具有較高的專一性。被運輸物質與相應載體之間存在一種親和力，而且這種親和力在原生質膜內外的大小不同，當物質與相應載體在胞外親和力大而在胞內親和力小時，通過被運輸物質與相應載體之間親和力的大小變化，使該物質與載體發生可逆性的結合與分離，導致物質穿過原生質膜進入細胞。被運輸物質與載體之間親和力大小變化是通過載體分子的構象變化而實現的。參與促進擴散的載體主要是一些蛋白質，這些蛋白質能促進物質進行跨膜運輸，自身在這個過程中不發生化學變化，而且在促進擴散中載體只影響物質的運輸速率，并不改變該物質在膜內外形成的動態平衡狀態，被運輸物質在膜內外濃度差越大，促進擴散的速率越快，但是當被運輸物質濃度過高而使載體蛋白飽和時，運輸速率就個再增加，這些性質都類似于酶的作用特征，因此載體蛋白也稱為透過酶(pemlgLR)。透過酶大多是誘導酶，只有在環境中存在機體生長所需的營養物質時，相應的透過酶才合成。

通過促進擴散進入細胞的營養物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質，但也有微生物對同一物質的運輸由一種以上的載體蛋白來完成，例如鼠傷寒沙門氏菌Salmonella typhimurium)利用四種不同載體蛋白運輸組氨酸，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三種不同的載體蛋白來完成葡萄糖的運輸。另外，某些載體蛋白可同時完成幾種物質的運輸，例如大腸桿菌可通過一種載體蛋白完成亮氨酸、異亮氨酸和額氨酸的運輸，但這種載體蛋白對這三種氨基酸的運輸能力有差別。

    除以蛋白質載體介導的促進擴散外，一些**素可以通過提高膜的離子通透性而促進離子進行跨膜運輸。短桿菌肽A是由15個L型和D型氨基酸交替連接而成的短肽，兩個短桿菌肽A分子可在膜上形成含水通道，離子可以穿過此通道進行跨膜運輸；額氨霉素是一種環狀分子，K⁺可結合在環狀分子中心，而環狀分子外周的碳氫鏈使得該復合物能穿過膜的疏水性中心，從而促進K⁺的跨膜運輸，在這個過程中，瀕氨霉素實際上起到載體的作用。   

主動運輸(active transprt)是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質運輸方式。與擴散及促進擴散這兩種被動運輸(passive transport)方式相比，主動運輸的一個重要特點是在物質運輸過程中需要消耗能量，而且可以進行逆濃度運輸。在主動運輸過程中，運輸物質所需能量來源因微生物不同而不同，好氧型微生物與兼性厭氧微生物直接利用呼吸能，厭氧型微生物利用化學能(ATP)，光合微生物利用光能，嗜鹽細菌通過紫膜(purple membrane)利用光能。主動運輸與促進擴散類似之處在于物質運輸過程中同樣需要載體蛋白，載體蛋白通過構象變化而改變與被運輸物質之問的親和力大小，使兩者之間發生可逆性結合與分離，從而完成相應物質的跨膜運輸，區別在于主動運輸過程中的載體蛋白構象變化需要消耗能量。主動運輸的具體方式有多種，主要有初級主動運輸、次級主動運輸、基團轉位、Na⁺，K⁺-ATP酶(Na⁺，K⁺-ATPase)系統及ATP偶聯主動運輸等。

初級主動運輸指由電子傳遞系統、ATP酶或細菌嗜紫紅質引起的質子運輸方式，從物質運輸的角度考慮是一種質子的主動運輸方式。呼吸能、化學能和光能的消耗，引起胞內質子(或其他離子)外排，導致原生質膜內外建立質子濃度差(或電勢差)，使膜處于充能狀態(圖3.2)，即形成能化膜(energized membrane)。不同微生物的初級主動運輸方式不同，好氧型微生物和兼性厭氧微生物在有氧條件下生長時，物質在胞內氧化釋放的電子在位于原生質膜上的電子傳遞鏈上傳遞的過程中伴隨質子外排；厭氧型微生物利用發酵過程中產生的ATP，在位于原生質膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，同時伴隨質子向胞外分泌；光合微生物吸收光能后，光能激發產生的電子在電子傳遞過程中也伴隨質子外排；嗜鹽細菌紫膜上的細菌嗜紫紅質吸收光能后，引起蛋白質分子中某些化學基團pK值發生變化，導致質子迅速轉移，在膜內外建立質子濃度差。

通過初級主動運輸建立的能化膜在質子濃度差(或電勢差)消失的過程中，往往偶聯其他物質的運輸，包括以下三種方式：同向運輸(symport)是指某種物質與質子通過同一載體按同一方向運輸(圖3.2a)。除質子外，其他帶電荷離子(如鈉離子)建立起來的電勢差也可引起同向運輸。在大腸桿菌中，通過這種方式運輸的物質主要有丙氨酸、絲氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、巖藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些陰離子(如HPO4^2-、HSO₄^-)等；逆向運輸(antiport)是指某種物質(如Na⁺)與質子通過同一載體按相反方向進行運輸(圖3.2b)；單向運輸(uniport)是指質子濃度差在消失過程中，可促使某些物質通過載體進出細胞(圖3.2c)，運輸結果通常導致胞內陽離子(如K⁺)積累或陰離子濃度降低。

基團轉位與其他主動運輸方式的不同之處在于它有一個復雜的運輸系統來完成物質的運輸，而物質在起輸過程中發生化學變化。基團轉位主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細菌中，主要用于糖的運輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可通過這種方式運輸。目前尚未在好氧型細菌及真核生物中發現這種運輸方式，也未發現氨基酸通過這種方式進行運輸。

在研究大腸桿菌對葡萄糖和金黃色葡萄球菌對乳糖的吸收過程中，發現這些糖進入細胞后以磷酸糖的形式存在于細胞質中，表明這些糖在運輸過程中發生了磷酸化作用，其中的磷酸基團來源于胞內的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也將基團轉位稱為磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸糖轉移酶運輸系統(PTS)，簡稱磷酸轉移酶系統(圖3.3)。PTS通常由五種蛋白質組成，包括酶Ⅰ、酶Ⅱ(包括a、b和c三個亞基)和一種低相對分子質量的熱穩定蛋白質(HPr)。酶I和HPr是非特異性的細胞質蛋白，酶Ⅱ a也是可溶性細胞質蛋白，親水性酶Ⅱ b與位于細胞膜上的酶Ⅱ c相結合。在糖的運輸過程中，PEP上的磷酸基團逐步通過酶Ⅰ、HPr的磷酸化與去磷酸化作用，*終在酶H的作用下轉移到糖，生成磷酸糖釋放于細胞質中。

丹麥學者斯克(J.C.Skou)在1957年發現了存在于原生質膜上的一種重要的離子通道蛋白——Na⁺，K⁺-ATP酶(Na⁺，K⁺-ATPase)，時隔40年后，他與其他兩位學者分享了1997年諾貝爾化學獎。Na⁺，K⁺-ATP酶的功能是利用ATP的能量將Na⁺由細胞內“泵”出胞外，并將K⁺ “泵”人胞內。該酶由大小兩個亞基組成，大亞基可被磷酸化，其作用機制見圖3.4。

E為非磷酸化酶，與Na⁺的結合位點朝向膜內，與Na⁺有較高的親和力，而與K⁺的親和力低。當E與Na⁺結合后，在Mg²⁺存在的情況下，ATP水解使E磷酸化，促使E構象發生變化而轉變成E’，并導致與Na⁺的結合位點朝向膜外，E’與Na⁺的親和力降低，而與K⁺的親和力高，此時胞外的K⁺將Na⁺置換下來，E’與K⁺結合后，K⁺的結合位點朝向膜內，E’去磷酸化，該酶構象再次發生變化，轉變成E，Na⁺將K⁺置換下來。Na⁺，K⁺-ATP酶作用的結果是使細胞內Na⁺濃度低而K⁺濃度高，這種狀況并不因環境中Na⁺、K⁺濃度高低而改變，例如大腸桿菌K12在培養基中K⁺濃度非常低(0.1mmo1/L)時，仍然可以從環境中吸收K⁺，導致胞內K⁺濃度達到100mmol/L。細胞內維持高濃度K⁺是保證許多酶的活性和蛋白質的合成所必需的。由于Na⁺，K⁺-ATP酶將Na⁺由細胞內“泵”出胞外，并將K⁺ “泵”入胞內，因此常將該酶稱為Na⁺，K⁺泵。

    除上述四種主要的主動運輸方式外，在微生物中還存在一些其他的主動運輸方式。其中有一種是ATP水解不建立膜內外質子濃度差，而是直接偶聯物質的運輸，L-谷氨酰胺、L-鳥氨酰胺、L-鳥氨酸和D-核糖可以通過這種方式運輸；在大腸桿菌中，能量的消耗可以導致檸檬酸透過酶的構象變化而使之活化，促進檸檬酸進入細胞；在金黃色葡萄球菌中，在脫氫酶作用下，乳酸氧化偶聯著載體蛋白分子構象變化，促使物質進入細胞。

 膜泡運輸(membrane vesicle transport)主要存在于原生動物特別是變形蟲(amoeba)中，是這類微生物的一種營養物質的運輸方式(圖3.5)。變形蟲通過趨向性運動靠近營養物質，并將該物質吸附到膜表面，然后在該物質附近的細胞膜開始內陷，逐步將營養物質包圍，*后形成一個含有該營養物質的膜泡，之后膜泡離開細胞膜而游離于細胞質中，營養物質通過這種運輸方式由胞外進入胞內。如果膜泡中包含的是固體營養物質，則將這種營養物質運輸方式稱為胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液體，則稱之為胞飲作用(pinocytosis)。通過胞吞作用(或胞飲作用)進行的營養物質膜泡運輸一般分為五個時期(圖3.5)，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附著膜泡形成期和膜泡釋放期。

代謝(metabolism)是細胞內發生的各種化學反應的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個過程組成。

分解代謝是指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。一般可將分解代謝分為三個階段(圖3.6)：**階段是將蛋白質、多糖及脂類等大分子營養物質降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質；**階段是將**階段產物進一步降解成更為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進入三羧酸循環的某些中間產物，在這個階段會產生一些ATP、NADH及FADH₂；第三階段是通過三羧酸循環將**階段產物完全降解生成CO₂，并產生ATP、NADH及FADH₂。**和第三階段產生的ATP、NADH及FADH2通過電子傳遞鏈被氧化，可產生大量的ATP。

    合成代謝是指細胞利用簡單的小分子物質合成復雜大分子的過程，在這個過程中要消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質來源于分解代謝過程中產生的中間產物或環境中的小分子營養物質。

在代謝過程中，微生物通過分解代謝產生化學能，光合微生物還可將光能轉換成化學能，這些能量除用于合成代謝外，還可用于微生物的運動和運輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環境中去。微生物產生和利用能量及其與代謝的關系見圖3.7。

分解代謝實際上是物質在生物體內經過一系列連續的氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產能代謝過程。在生物氧化過程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過能量轉換儲存在高能化合物(如ATP)中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環境中。不同類型微生物進行生物氧化所利用的物質是不同的，異養微生物利用有機物，自養微生物則利用無機物，通過生物氧化來進行產能代謝。

異養微生物氧化有機物的方式，根據氧化還原反應中電子受體的不同可分成發酵和呼吸兩種類型，而呼吸又可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。

發酵(fermentation)是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。在發酵條件下有機化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發酵過程的氧化是與有機物的還原偶聯在一起的。被還原的有機物來自于初始發酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

發酵的種類有很多，可發酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發酵葡萄糖*為重要。生物體內葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解(glycolysis)，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑。

整個EMP途徑大致對分為兩個階段。**階段可認為是不涉及氧化還原反應及能量釋放的準備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產物：甘油醛-3-磷酸。**階段發生氧化還原反應，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。

EMP途徑可為微生物的生理活動提供ATP和NADH，其中間產物又可為微生物的合成代謝提供碳骨架，并在一定條件下可逆轉合成多糖。

　　磷酸戊糖途徑可分為氧化階段和非氧化階段。一個HMP途徑循環的結果為：

一般認為HMP途徑不是產能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力(NADPH)和中間代謝產物。

一分子葡萄糖經ED途徑*后生成兩分了丙酮酸、一分子ATP、—分子NADH和NADH。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，但對于靠底物水平磷酸化獲得ATP的***而言，ED途徑不如EMP途徑經濟。

磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途徑。

在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會積累不同的代謝產物。

l         l         乙醇發酵

目前發現多種微生物可以發酵葡萄糖產生乙醇，能進行乙醇發酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細菌。

根據在不同條件下代謝產物的不同，可將酵母菌利用葡萄糖進行的發酵分為三種類型：在酵母菌的乙醇發酵中，酵母菌可將葡萄糖經EMP途徑降解為兩分子丙酮酸，然后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD⁺再生，發酵終產物為乙醇，這種發酵類型稱為酵母的一型發酵；但當環境中存在亞硫酸氫鈉時，它可與乙醛反應生成難溶的磺化經基乙醛。由于乙醛和亞硫酸鹽結合而不能作為NADH的受氫體，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油。a-磷酸甘油進一步水解脫磷酸而生成甘油，稱為酵母的二型發酵；在弱堿性條件下(pH 7.6)，乙醛因得不到足夠的氫而積累，兩個乙醛分子間會發生歧化反應，一分子乙醛作為氧化劑被還原成乙醇，另一個則作為還原劑被氧化為乙酸，氫受體則由磷酸二經丙酮擔任，發酵終產物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發酵。這種發酵方式不能產生能量，只能在非生長的情況下才進行。

不同的細菌進行乙醇發酵時，其發酵途徑也各不相同。如運動發酵單胞菌(Zymomonas mobilis)和厭氧發酵單胞菌(Zymomonas anaerobia)是利用ED途徑分解葡萄糖為內酮酸，*后得到乙醇，對于某些生長在極端酸性條件下的嚴格***，如胃八疊球菌(arcina ventriculi)和腸桿菌(Enterobacteriaceae)則是利用EMP途徑進行乙醇發酵。

l         l         乳酸發酵

許多細菌能利用葡萄糖產生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。

根據產物的不同，乳酸發酵有三種類型：同型乳酸發酵、異型乳酸發酵和雙歧發酵。

同型乳酸發酵的過程是：葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發酵。

在異型乳酸發酵中，葡萄糖首先經PK途徑分解，發酵終產物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。在腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)中，利用HK途徑分解葡萄糖，產生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進一步轉化為乳酸，乙酰磷酸經兩次還原變為乙醇，當發酵戊糖時，則是利用PK途徑，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。

雙歧發酵是兩歧雙歧桿菌(bifidobacteriium bifidum)發酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑。此反應中有兩種磷酸酮糖酶參加反應，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分別催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解產生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。

l         l         丙酸發酵

許多***可進行丙酸發酵。葡萄糖經EMP途徑分解為兩個丙酮酸后，再被轉化為丙酸。少數丙酸細菌還能將乳酸(或利用葡萄糖分解而產生的乳酸)轉變為丙酸。

l         l         丁酸發酵

某些專性***，如梭菌屬(Clostridium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真桿菌屬(Eubacterium和梭桿菌屬(Fusobacterium)，能進行丁酸與丙酮-丁醇發酵。在發酵過程中，葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，接著在丙酮酸-鐵氧還蛋白酶的參與下，將丙酮酸轉化為乙酰輔酶A。乙酰輔酶A再經一系列反應生成丁酸或丁醇和丙酮。

l         l         混合酸發酵

某些腸桿菌，如埃希氏菌屬(Escherichia)、沙門氏菌屬(SAlmonella)和志賀氏菌屬(Shigella) 中的一些菌，能夠利用葡萄糖進行混合酸發酵。先通過EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，然后由不同的酶系將丙酮酸轉化成不同的產物，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氫氣，還有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；而腸桿菌、歐文氏菌屬(Erwinia)中的一些細菌，能將丙酮酸轉變成乙酰乳酸，乙酰乳酸經一系列反應生成丁二醇。由于這類腸道菌還具有丙酮酸-甲酸裂解酶，乳酸脫氫酶等，所以其終產物還有甲酸、乳酸、乙醇等。

＊＊葡萄糖分子在沒有外源電子受體時的代謝過程。在這個過程中，底物中所具有的能量只有一小部分被釋放出來，并合成少量ATP。造成這種現象的原因有兩個，一是底物的碳原子只被部分氧化，二是初始電子供體和*終電子受體的還原電勢相差不大。

　　如果有氧或其他外源電子受體存在時，底物分子可被完全氧化為CO₂，且在此過程中可合成的ATP的量大大多于發酵過程。

微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)⁺、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳遞系統傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。

呼吸作用與發酵作用的根本區別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產物，而是交給電子傳遞系統，逐步釋放出能量后再交給*終電子受體。

能通過呼吸作用分解的有機物包括某些碳氫化合物、脂肪酸和許多醇類。

在呼吸作用中，以分子氧作為*終電子受體的稱為有氧呼吸(aerobic respiration)。

在發酵過程中，葡萄糖經過糖酵解作用形成的丙酮酸在厭氧條件下轉變成不同的發酵產物，而在有氧呼吸過程中，丙酮酸進入三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA循環)，被徹底氧化生成CO₂和水，同時釋放大量能量。

在呼吸作用中，以氧化型化合物作為*終電子受體的稱為無氧呼吸(anaerobic respiration)。

某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸的*終電子受體不是氧，而是像NO^3-、NO^2-、SO₄^2-、CO₂等這類外源受體。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產生較多的能量用于生命活動。但由于部分能量隨電子轉移傳給*終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產生的多。

一些微生物可以從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產生ATP。

l         l         氨的氧化

NH₃同亞硝酸(NO^2-)是可以用作能源的*普通的無機氮化合物，能被硝化細菌所氧化，硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。

氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，先由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是通過這兩類細菌依次進行的。

硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為*終電子受體，且大多數是專性天機營養型。它們的細胞都具有復雜的膜內褶結構，這有利于增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽孢，多數為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在10h以上，分布非常廣泛。

l         l         硫的氧化

硫桿菌能夠利用一種或多種還原態或部分還原態的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H₂S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素系統氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯產生四個ATP。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO₄^2-的途徑，由亞硫酸鹽—細胞色素c還原酶和末端細胞色素系統催化，產生一個ATP；二是經磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化一分子SO₃^2-產生2.5個ATP。

l         l         鐵的氧化

    從亞鐵到高鐵狀態的鐵的氧化，對于少數細菌來說也是一種產能反應，但從這種氧化中只有少量的能量可以被利用。亞鐵的氧化僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)中進行了較為詳細的研究。在低pH環境中這種菌能利用亞鐵氧化時放出的能量生長。在該菌的呼吸鏈中發現了—種含銅蛋白質(rusticyanin)，它與幾種細胞色素c和一種細胞色素a₁氧化酶構成電子傳遞鏈。雖然電子傳遞過程中的放能部位和放出有效能的多少還有待研究，但已知在電子傳遞到氧的過程中細胞質內有質了消耗，從而驅動ATP的合成。

l         l         氫的氧化

    氫細菌都是一些呈革蘭氏陰件的兼性化能自養菌。它們能利用分子氫氧化產生的能量同化CO2，也能利用其他有機物生長。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素K2及細胞色素等呼吸鏈組分。在該菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統，電于在呼吸鏈傳遞過程中產生ATP。在多數氫細菌中有兩種與氫的氧化有關的酶。一種是位于壁膜間隙或結合在細胞質膜上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應：

該酶在氧化氫并通過電子傳遞系統傳遞電子的過程中，可驅動質子的跨膜運輸，形成跨膜質子梯度為ATP的合成提供動力；另一種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD⁺還原的反應。所生成的NADH主要用于CO₂的還原。

在產能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質氧化而釋放的能量儲存于ATP等高能分子中，對光合微生物而言，則可通過光合磷酸化將光能轉變為化學能儲存于ATP中。

    物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯ATP或GTP的合成，這種產生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發酵過程小，也存在于呼吸作用過程中。例如，在EMP途徑中，1，3-二磷酸甘油酸轉變為3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸的過程中都分別偶聯著一分子ATP的形成；在三羧酸循環過程中，琥珀酰輔酶A轉變為琥珀酸時偶聯著一分子GTP的形成。

物質在生物氧化過程中形成的NADH和FADH₂可通過位于線粒體內膜和細菌質膜上的電子傳遞系統將電子傳遞給氧或其他氧化型物質，在這個過程中偶聯著ATP的合成，這種產生ATP的方式稱為氧化磷酸化。一分子NADH和FADH₂可分別產生3個和2個ATP。

    光合作用是自然界一個極其重要的生物學過程，其實質是通過光合磷酸化將光能轉變成化學能，以用于從CO2合成細胞物質。行光合作用的生物體除了綠色植物外，還包括光合微生物，如藻類、藍細菌和光合細菌(包括紫色細菌、綠色細菌、嗜鹽菌等)。它們利用光能維持生命，同時也為其他生物(如動物和異養微生物)提供了賴以生存的有機物。

    光合色素是光合生物所特有的色素，是將光能轉化為化學能的關鍵物質。共分三類：葉綠素 (chl)或細菌葉綠素(Bchl)，類胡蘿卜素和藻膽素。除光合細菌外，葉綠素a普遍存在于光合生物中，葉綠素a、b共同存在于高等植物、綠藻和藍綠細菌中，葉綠素c存在于褐藻和硅藻中，葉綠素d存在于紅藻中，葉綠素e存在于金黃藻中，褐藻和紅藻也含有葉綠素a。細菌葉綠素具有和高等植物中的葉綠素相類似的化學結構，兩者的區別在于側鏈基團的不同，以及由此而導致的光吸收特性的差異。此外，葉綠素和細菌葉綠素的吸收光譜在不同的細胞中也有差異。

    所有光合生物都有類胡蘿卜素。類胡蘿卜素雖然不直接參加光合反應，但它們有捕獲光能的作用，能把吸收的光能高效地傳給細菌葉綠素(或葉綠素)。而且這種光能同葉綠素(或細菌葉綠素)直接捕捉到的光能一樣被用來進行光合磷酸化作用。此外胡蘿卜素還有兩個作用：一是可以作為葉綠素所催化的光氧化反應的淬滅劑，以保護光合機構不受光氧化損傷，二是可能在細胞能量代謝方面起輔助作用。

    藻膽素因具有類似膽汁的顏色而得名，其化學結構與葉綠素相似，都含有四個毗咯環，但藻膽素沒有長鏈植醇基，也沒有鎂原子，而且四個毗咯環是直鏈的。

以往將在光合作用過程中還原一分子CO₂所需的葉綠素分子數稱為光合單位(phutosynthetic units)。后來通過分析紫色細菌載色體的結構，獲得了對光合單位的進一步認識。光合色素分布于兩個“系統”，分別稱為“光合系統Ⅰ”和“光合系統Ⅱ”。每個系統即為一個光合單位。這兩個系統中的光合色素的成分和比例不同。一個光合單位由一個光捕獲復合體和一個反應中心復合體組成。光捕獲復合體含有菌綠素和類胡蘿卜素，它們吸收一個光子后，引起波長*長的菌綠素(P870)激活，從而傳給反應中心，激發態的P870可釋放出一個高能電子。

   光合磷酸化是指光能轉變為化學能的過程。當一個葉綠素分子吸收光量子時，葉綠素性質上即被激活，導致葉綠素(或細菌葉綠素)釋放——個電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動力。

l         l          環式光合磷酸化 

光合細菌主要通過環式光合磷酸化作用產生ATP，這類細菌主要包括紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌。在光合細菌中，吸收光量子而被激活的細菌葉綠素釋放出高能電子，于是這個細菌葉綠素分子即帶有正電荷。所釋放出來的高能電子順序通過鐵氧還蛋白、輔酶Q、細胞色素b和c，再返回到帶正電荷的細菌葉綠素分子。在輔酶Q將電子傳遞給細胞色素c的過程中，造成了質子的跨膜移動，為ATP的合成提供了能量。在這個電子循環傳遞過程中，光能轉變為化學能，故稱環式光合磷酸化。環式光合磷酸化可在厭氧條件下進行，產物只有ATP，無NADP(H)，也不產生分子氧。通常以下式表示環式光合磷酸化作用：

l         l          非環式光合磷酸化

 高等植物和藍細菌與光合細菌不同，它們可以裂解水，以提供細胞合成的還原能力。它們含有兩種類型的反應中心，連同天線色素、初級電子受體和供體一起構成了光合系統Ⅰ和光合系統Ⅱ，這兩個系統偶聯，進行非環式光合磷酸化。在光合系統Ⅰ中，葉綠素分子P7M吸收光于后被激活，釋放出一個高能電子。這個高能電子傳遞給鐵氧還蛋白(Fd)，并使之被還原。還原的扶氧還蛋白在Fd：NADP⁺還原酶的作用下，將NADP⁺還原為NADPH。用以還原P₇₀₀的電子來源于光合系統Ⅱ。在光合系統Ⅱ中，葉綠素分子P₆₈₀吸收光子后，釋放出一個高能電子。后者先傳遞給輔酶Q，再傳給光合系統Ⅰ，使P₇₀₀還原。失去電子的P₆₈₀，靠水的光解產生的電子來補充。高能電子從輔酶Q到光合系統Ⅰ的過程巾，可推動ATP的合成。非環式光合磷酸化的反應式為：

 

有的光合細菌雖然只有一個光合系統，但也以非環式光合磷酸化的方式合成ATP，如綠硫細菌和綠色細菌。從光反應中心釋放出的高能電子經鐵硫蛋白、鐵氧還蛋白、黃素蛋白，*后用于還原NAD⁺生成NADH。反應中心的還原依靠外源電子供體，如S^2-、S₂O₃^2-等。外源電子供體在氧化過程中放出電子，經電子傳遞系統傳給失去了電子的光合色素，使其還原，同時偶聯ATP的生成。由于這個電子傳遞途徑也沒有形成環式回路，故也稱為非環式光合磷酸化，反應式為：

　　在微生物學中，在人為規定的條件下培養、繁殖得到的微生物群體稱為培養物(culture)，而只有一種微生物的培養物稱為純培養物(pure culture)。由于在通常情況下純培養物能較好地被研究、利用和重復結果，因此把特定的微生物從自然界混雜存在的狀態中分離、純化出來的純培養技術是進行微生物學研究的基礎。

    微生物通常是肉眼看不到的微小生物，而且無處不在。因此，在微生物的研究及應用中，不僅需要通過分離純化技術從混雜的天然微生物群中分離出特定的微生物，而且還必須隨時注意保持微生物純培養物的“純潔”，防止其他微生物的混入。在分離、轉接及培養純培養物時防止其被其他微生物污染的技術被稱為無菌技術(aseptic　technique)，它是保證微生物學研究正常進行的關鍵。

試管、玻璃燒瓶、平皿(culture dish，petri dish)等是*為常用的培養微生物的器具，在使用前必須先行**，使容器中不合任何生物。培養微生物的營養物質[稱為培養基(culture medium)]可以加到器皿中后一起**，也可在單獨**后加到無菌的器具中。*常用的**方法是高壓蒸汽**，它可以殺滅所有的生物，包括*耐熱的某些微生物的休眠體，同時可以基本保持培養基的營養成分不被破壞。有些玻璃器皿也可采用高溫干熱**。為了防止雜菌，特別是空氣中的雜菌污染，試管及玻璃燒瓶都需采用適宜的塞子塞口，通常采用棉花塞，也可采用各種金屬、塑料及硅膠帽，它們只可讓空氣通過，而空氣中的其他微生物不能通過。而平皿是由正反兩平面板互扣而成，這種器具是專為防止空氣中微生物的污染而設計的。

    用接種環或接種針分離微生物，或在無菌條件下把微生物由一個培養器皿轉接到另一個培養容器進行培養，是微生物學研究中*常用的基本操作。由于打開器皿就可能引起器皿內部被環境中的其他微生物污染，因此微生物實驗的所有操作均應在無菌條件下進行，其要點是在火焰附近進行熟練的無菌操作，或在無菌箱或操作室內無菌的環境下進行操作。操作箱或操作室內的空氣可在使用前一段時間內用紫外燈或化學藥劑**。有的無菌室通無菌空氣維持無菌狀態。

用以挑取和轉接微生物材料的接種環及接種針，一般采用易于迅速加熱和冷卻的鎳鉻合金等金屬制備，使用時用火焰灼燒**。而轉移液體培養物可采用無菌吸管或移液槍。

    不同微生物在特定培養基上生長形成的菌落或菌苔一般都具有穩定的特征，可以成為對該微生物進行分類、鑒定的重要依據。大多數細菌、酵母菌，以及許多**和單細胞藻類能在固體培養基上形成孤立的菌落，采用適宜的平板分離法很容易得到純培養。所謂平板，即培養平板(culture plate)的簡稱，它是指熔化的固體培養基倒入無菌平皿，冷卻凝固后，盛有固體培養基的平皿。這方法包括將單個微生物分離和固定在固體培養基表面或里面。固體培養基是用瓊脂或其他凝膠物質固化的培養基，每個孤立的話微生物體生長、繁殖形成菌落，形成的菌落便于移植。*常用的分離、培養微生物的固體培養基是瓊脂固體培養基平板。這種由Koch建立的采用平板分離微生物純培養的技術簡便易行，100多年來一直是各種菌種分離的*常用手段。

先將待分離的材料用無菌水作一系列的稀釋(如1:10、1:100、1:1000、1:10000…)，然后分別 取不同稀釋液少許，與已熔化并冷卻至50℃左右的瓊脂培養基混合，搖勻后，傾人滅過菌的培養皿中，待瓊脂凝固后，制成可能含菌的瓊脂平板，保溫培養一定時間即可出現菌落。如果稀釋得當，在乎板表面或瓊脂培養基中就可出現分散的單個菌落，這個菌落可能就是由一個細菌細胞繁殖形成的。隨后挑取該單個菌落，或重復以上操作數次，便可得到純培養。

由于將含菌材料先加到還較燙的培養基中再倒平板易造成某些熱敏感菌的死亡，而且采用稀釋倒平板法也會使一些嚴格好氧菌因被固定在瓊脂中間缺乏氧氣而影響其生長，因此在微生物學研究中更常用的純種分離方法是涂布平板法。其做法是先將已熔化的培養基倒人無菌平皿，制成無菌平板，冷卻凝固后，將一定量的某一稀釋度的樣品懸液滴加在平板表面，再用無菌玻璃涂棒將菌液均勻分散至整個平板表面，經培養后挑取單個菌落

    用接種環以無菌操作沾取少許待分離的材料，在無菌平板表面進行平行劃線、扇形劃線或其他形式的連續劃線，微生物細胞數量將隨著劃線次數的增加而減少，并逐步分散開來，如果劃線適宜的話，微生物能一一分散，經培養后，可在平板表面得到單菌落。

    用固體培養基分離嚴格***有它特殊的地方。如果該微生物暴露于空氣中不立即死亡，可以來用通常的方法制備平板，然后置放在封閉的容器中培養，容器中的氧氣可采用化學、物理或生物的方法**。對于那些對氧氣更為敏感的厭氧性微生物，純培養的分離則可采用稀釋搖管培養法進行，它是稀釋倒平板法的一種變通形式。先將一系列盛無菌瓊脂培養基的試管加熱使瓊脂熔化后冷卻并保持在50℃左右，將待分離的材料用這些試管進行梯度稀釋，試管迅速搖動均勻，冷凝后，在瓊脂柱表面傾倒一層**液體石蠟和固體石蠟的混合物，將培養基和空氣隔開。培養后，菌落形成在瓊脂柱的中間。進行單菌落的挑取和移植，需先用一只**針將液體石蠟—石蠟蓋取出，再用一只毛細管插入瓊脂和管壁之間，吹入無菌無氧氣體，將瓊脂柱吸出，置放在培養皿中，用無菌刀將瓊脂柱切成薄片進行觀察和菌落的移植。

對于大多數細菌和**，用平板法分離通常是滿意的，因為它們的大多數種類在固體培養基上長得很好。然而迄今為止并不是所有的微生物都能在固體培養基上生長，例如一些細胞大的細菌、許多原生動物和藻類等，這些微生物仍需要用液體培養基分離來獲得純培養。

    通常采用的液體培養基分離純化法是稀釋法。接種物在液體培養基中進行順序稀釋，以得到高度稀釋的效果，使一支試管中分配不到一個微生物。如果經稀釋后的大多數試管中沒有微生物生長，那么有微生物生長的試管得到的培養物可能就是純培養物。如果經稀釋后的試管中有微生物生長的比例提高了，得到純培養物的概率就會急劇下降。因此，采用稀釋法進行液體分離，必須在同一個稀釋度的許多平行試管中，大多數(一般應超過95%)表現為不生長。   

稀釋法有一個重要缺點，它只能分離出混雜微生物群體中占數量優勢的種類，而在自然界，很多微生物在混雜群體中都是少數。這時，可以采取顯微分離法從混雜群體中直接分離單個細胞或單個個體進行培養以獲得純培養，稱為單細胞(單孢子)分離法。單細胞分離法的難度與細胞或個體的大小成反比，較大的微生物如藻類、原生動物較容易，個體很小的細菌則較難。

對于較大的微生物，可采用毛細管提取單個個體，并在大量的**培養基中轉移清洗幾次，除去較小微生物的污染。這項操作可在低倍顯微鏡，如解剖顯微鏡下進行。對于個體相對較小的微生物，需采用顯微操作儀，在顯微鏡下進行。目前，市場上有售的顯微操作儀種類很多，一般是通過機械、空氣或油壓傳動裝置來減小手的動作幅度，在顯微鏡下用毛細管或顯微針、鉤、環等挑取單個微生物細胞或孢子以獲得純培養。在沒有顯微操作儀時，也可采用一些變通的方法在顯微鏡下進行單細胞分離，例如將經適當稀釋后的樣品制備成小液滴在顯微鏡下觀察，選取只含一個細胞的液滴來進行純培養物的分離。單細胞分離法對操作技術有比較高的要求，多限于高度專業化的科學研究中采用。

    沒有一種培養基或一種培養條件能夠滿足自然界中一切生物生長的要求，在一定程度上所有的培養基都是選擇性的。在一種培養基上接種多種微生物，只有能生長的才生長，其他被抑制。如果某種微生物的生長需要是已知的，也可以設計一套特定環境使之特別適合這種微生物的生長，因而能夠從自然界混雜的微生物群體中把這種微生物選擇培養出來，即使在混雜的微生物群體中這種微生物可能只占少數。這種通過選擇培養進行微生物純培養分離的技術稱為選擇培養分離，是十分重要的，特別對于從自然界中分離、尋找有用的微生物。在自然界中，除了極特殊的情況外，在大多數場合下微生物群落是由多種微生物組成的。因此，要從中分離出所需的特定微生物是十分困難的，尤其當某一種微生物所存在的數量與其他微生物相比非常少時，單采用一般的平板稀釋方法幾乎是不可能分離到該種微生物的。例如，若某處的土壤中的微生物數量在10⁸時，必須稀釋到10^-6才有可能在平板上分離到單菌落，而如果所需的微生物的數量僅為10²-10³，顯然不可能在一般通用的平板上得到該微生物的單菌落。要分離這種微生物，必須根據該微生物的特點，包括營養、生理、生長條件等，采用選擇培養分離的方法。或抑制使大多數微生物不能生長，或造成有利于該菌生長的環境，經過一定時間培養后使該菌在群落中的數量上升，再通過平板稀釋等方法對它進行純培養分離。

   主要根據待分離微生物的特點選擇不同的培養條件，有多種方法可以采用。例如在從土壤中篩選蛋白酶產生菌時，可以在培養基中添加牛奶或酪素制備培養基平板，微生物生長時若產生蛋白酶則會水解牛奶或酪素，在平板上形成透明的蛋白質水解圈。通過菌株培養時產生的蛋白質水解圈對產酶菌株進行篩選，可以減少工作量，將那些大量的非產蛋白酶菌株淘汰；再如，要分離高溫菌，可在高溫條件進行培養；要分離某種***抗性菌株，可在加有***的平板上進行分離；有些微生物如螺旋體、粘細菌、藍細菌等能在瓊脂平板表面或里面滑行，可以利用它們的滑動特點進行分離純化，因為滑行能伎它們自己和其他不能移動的微生物分開，可將微生物群落點種到平板上，讓微生物滑行，從滑行前沿挑取接種物接種，反復進行，得到純培養物。

主要是指利用不同微生物間生命活動特點的不同，制定特定的環境條件，使僅適應于該條件的微生物旺盛生長，從而使其在群落中的數量大大增加，人們能夠更容易地從自然界中分離到所需的特定微生物。富集條件可根據所需分離的微生物的特點從物理、化學、生物及綜合多個方面進行選擇，如溫度、pH、紫外線、高壓、光照、氧氣、營養等等許多方面。例，采用富集方法從土壤中分離能降解酚類化合物對羥基苯甲酸(ρ-hydroxybezyl acid)的微生物的實驗過程：首先配制以對羥基苯甲釀為**碳源的液體培養基并分裝于燒瓶中，**后將少量的土壤樣品接種于該液體培養基中，培養一定時間，原來透明的培養液會變得渾濁，說明已有大量微生物生長。取少量上述培養液轉移至新鮮培養液中重新培養，該過程經數次重復后能利用對羥基苯甲酸的微生物的比例在培養物中特大大提高，將培養掖涂布于以對羥基苯甲酸為**碳源的瓊脂平板，得到的微生物菌落中的大部分都是能降解對羥基苯甲酸的微生物。挑取一部分單菌落分別接種到含有及缺乏對羥基苯甲酸的液體培養基中進行培養，其中大部分在含有對羥基苯甲酸的培養基中生長，而在沒有對羥基苯甲酸的培養基中表現為沒有生長，說明通過該富集程序的確得到了欲分離的目標微生物。

通過富集培養使原本在自然環境中占少數的微生物的數量大大提高后，可以再通過稀釋倒平板或平板劃線等操作得到純培養物。

    富集培養是微生物學家*強有力的技術手段之一。營養和生理條件的幾乎無窮盡的組合形式可應用于從自然界選擇出特定微生物的需要。富集培養方法提供了按照意愿從自然界分離出特定已知微生物種類的有力手段，只要掌握這種微生物的特殊要求就行。富集培養法也可用來分離培養出由科學家設計的特定環境中能生長的微生物，盡管我們并不知道什么微生物能在這種特定的環境中生長。

    分離的目的通常是要得到純培養。然而，在有些情況下這是做不到的或是很難做到的。但可用二元培養物作為純化培養的替代物。只有一種微生物的培養物稱為純培養物，含有二種以上微生物的培養物稱為混合培養物，而如果培養物中只含有二種微生物，而且是有意識地保持二者之間的特定關系的培養物稱為二元培養物。例如二元培養物是保存病毒的*有效途徑，因為病毒是細胞生物的嚴格的細胞內寄生物。有一些具有細胞的微生物也是嚴格的其他生物的細胞內寄生物，或特殊的共生關系。對于這些生物，二元培養物是在實驗室控制條件下可能達到的*接近于純培養的培養方法。

在自然環境中，獵食細小微生物的原生動物也很容易用二元培養法在實驗室培養，培養物由原生動物和它獵食的微生物二者組成，例如，纖毛蟲、變形蟲和粘菌。對這些生物，二者的關系可能并不是嚴格的。這些生物中有些能夠純培養，但是其營養要求往往極端復雜，制備純培養的培養基很困難、很費事。

    通過分離純化得到的微生物純培養物，還必須通過各種保藏技術使其在一定時間內不死亡，不會被其他微生物污染，不會因發生變異而丟失重要的生物學性狀，否則就無法真正保證微生物研究和應用工作的順利進行。菌種或培養物保藏是一項*重要的微生物學基礎工作，微生物菌種是珍貴的自然資源，具有重要意義。許多國家都設有相應的菌種保藏機構，例如，中國微生物菌種保藏委員會(CCCCM)，中國典型培養物保藏中心(CCTCC)，美國典型菌種保藏中心(ATCC)，美國的北部地區研究實驗室(NRRL)，荷蘭的霉菌中心保藏所(CBS)。英國的國家典型菌種保藏中心(NCTC)以及日本的大阪發酵研究所(IFO)等。國際微生物學聯合會(IAMS)還專門設立了世界菌種保藏聯合會(WFGC)，用計算機儲存世界上各保藏機構提供的菌種數據資料，可以通過國際互聯網查詢和索取，進行微生物菌種的交流、研究和使用。

    生物的生長一般都需要一定的水分，適宜的溫度和合適的營養，微生物也不例外。菌種保藏就是根據菌種特性及保藏目的的不同，給微生物菌株以特定的條件，使其存活而得以延續。例如利用培養基或宿主對微生物菌株進行連續移種，或改變其所處的環境條件，例如干燥、低溫、缺氧、避光、缺乏營養等，今菌株的代謝水平降低，乃至完全停止，達到半休眠或完全休眠的狀態，而在一定時間內得到保存，有的可保藏幾十年或更長時間。在需要時再通過提供適宜的生長條件使保藏物恢復活力。

    傳代培養與培養物的直接使用密切相關，是進行微生物保藏的基本方法。常用的有瓊脂斜面、半固體瓊脂柱及液體培養等。采用傳代法保藏微生物應注意針對不同的菌種而選擇使用適宜的培養基，并在規定的時間內進行移種，以免由于菌株接種后不生長或超過時間不能接活，喪失微生物菌種。在瓊脂斜面上保藏微生物的時間因菌種的不同而有較大差異，有些可保存數年，而有些僅數周。一般來說，通過降低培養物的代謝或防止培養基干燥，可延長傳代保藏的保存時間。例如在菌株生長良好后，改用橡皮塞封口或在培養基表面覆蓋液體石蠟，并放置低溫保存；將一些菌的菌苔直接刮入蒸餾水或其他緩沖液后，密封置4℃保存，也可以大大提高某些菌的保藏時間及保藏效果，這種方法有時也被稱為懸液保藏法。

    由于菌種進行長期傳代十分繁瑣，容易污染，特別是會由于菌株的自發突變而導致菌種衰退，使菌株的形態、生理特性、代謝物的產量等發生變化，因此在一般情況下。在實驗室里除了采用傳代法對常用的菌種進行保存外，還必須根據條件采用其他方法，特別是對那些需要長期保存的菌種更是如此。

    將微生物處于冷凍狀態，使其代謝作用停止以達到保藏的目的。大多數微生物都能通過冷凍進行保存，細胞體積大者要比小者對低溫更敏感，而無細胞壁者則比有細胞壁者敏感。其原因是低溫會使細胞內的水分形成冰晶，從而引起細胞，尤其是細胞膜的損傷。進行冷凍時，適當采取速凍的方法。可因產生的冰晶小而減少對細胞的損傷。當從低溫下移出并開始升溫時，冰晶又會長大，故快速升溫也可減少對細胞的損傷。冷凍時的介質對細胞的損傷也有顯著的影響。例如，0.5mol/L左右的甘油或二甲亞砜可透入細胞，并通過降低強烈的脫水作用而保護細胞；大分子物質如糊精、血清蛋白、脫脂牛奶或聚乙烯砒咯烷酮(PVP)雖不能透人細胞，但可通過與細胞表面結合的方式而防止細胞膜受**。因此，在采用冷凍法保藏菌種時，一船應加入各種保護劑以提高培養物的存活率。

    一般來說，保藏溫度越低，保藏效果越好。在常用的冷凍保藏方法中，液氮保藏可達到-196℃。因此，從適用的微生物范圍、存活期限、性狀的穩定性等方面來看，該方法在迄今使用的各種微生物保藏方法中是較理想的一種。但液氮保藏需使用專用器具，一般僅適合一些專業保藏機構采用。與此相應，冰箱保藏使用更為普遍。在各種基因工程手冊中，一般都推薦在-70℃低溫冰箱中保存菌株或細胞的某些特殊生理狀態(添加甘油做保護劑)，例如經誘導建立了感受態的細胞。在沒有低溫冰箱的條件下，也可利用-20—-30℃的普通冰箱冷凍室保存菌種。但應注意加有保護劑的細胞混合物的共融點處在這個溫度范圍內，常會由于冰箱可能產生的微小溫度變化引起培養物的反復融化和再結晶，而對菌體形成強烈的損傷。因此采用普通冰箱冷凍保存菌種的效果往往遠低于低溫冰箱，應注意經常檢查保藏物的存活情況，隨時轉種。

    水分對各種生化反應和一切生命活動至關重要，因此，干燥，尤其是深度干燥是微生物保藏技術中另一項經常采用的手段。

    沙土管保存和冷凍真空干燥保藏是*常用的二項微生物干燥保藏技術。前者主要適用于產孢子的微生物，如芽孢桿菌、放線菌等。一般將菌種接種至斜面，培養至長出大量的孢子后，洗下孢子制備孢子懸液，加入無菌的沙土試管中，減壓干燥，直至將水分拍干，*后用石蠟、膠塞等封閉管口，置冰箱保存。此法簡便易行，并可以將微生物保藏較長時間，適合一般實驗室及以放線菌等為菌種的發酵工廠采用。

    冷凍真空干燥保藏是將加有保護劑的細胞樣品預先冷凍，使其凍結，然后在真空下通過冰的升華作用除去水分。達到干燥的樣品可在真空或惰性氣體的密閉環境中置低溫保存，從而使微生物處于干燥、缺氧及低溫的狀態，生命活動處于休眠，可以達到長期保藏的目的。用冰升華的方式除去水分，手段比較溫和，細胞受損傷的程度相對較小，存活率及保藏效果均不錯，而且經抽真空封閉的菌種安領管的保存、郵寄、使用均很方便。因此冷凍真空干燥保藏是目前使用*普遍，也是*重要的微生物保藏方法，大多數專業的菌種保藏機構均采用此法作為主要的微生物保存手段。

    除上述方法外，各種微生物菌種保藏的方法還有很多，如紙片保藏、薄膜保藏、寄主保藏等。由于微生物的多樣性，不同的微生物往往對不同的保藏方法有不同的適應性，迄今為止尚沒有一種方法能被證明對所有的微生物均適宜。因此，在具體選擇保藏方法時必須對被保藏菌株的特性、保藏物的使用特點及現有條件等進行綜合考慮。對于一些比較重要的微生物菌株，則要盡可能多的采用各種不同的手段進行保藏，以免因某種方法的失敗而導致菌種的喪失。

微生物生長是細胞物質有規律地、不可逆增加，導致細胞體積擴大的生物學過程，這是個體生長的定義。繁殖是微生物生長到一定階段，由于細胞結構的復制與重建并通過特定方式產生新的生命個體，即引起生命個體數量增加的生物學過程。可以看出微生物的生長與繁殖是兩個不同，但又相互聯系的概念。生長是一個逐步發生的量變過程，繁殖是一個產生新的生命個體的質變過程。在高等生物里這兩個過程可以明顯分開，但在低等特別是在單細胞的生物里，由于個體微小，這兩個過程是緊密聯系很難劃分的過程。因此在討論微生物生長時，往往將這兩個過程放在一起討論，這樣微生物生長又可以定義為在一定時間和條件下細胞數量的增加，這是微生物群體生長的定義。

 　細菌的個體生長包括細胞結構的復制與再生、細胞的分裂與控制，

l         l         染色體DNA的復制和分離
細菌在個體生長過程中通過染色體DNA的復制，使其遺傳特性能保持高度的連續性和穩定性。

l         l         細胞壁擴增
細胞壁是細胞外的一種“硬”性結構。細菌在生長過程中，細胞壁只有通過擴增，才能使細胞體積擴大。

l         l         細菌的分裂
當細菌的各種結構復制完成之后就進入分裂時期。此時在細菌長度的中間位置，通過細胞質膜內陷并伴隨新合成的膚聚糖插入，導致橫隔壁向心生長，*后在中心會合，完成一次分裂，將一個細菌分裂成兩個大小相等的子細菌。

除某些**外，我們肉眼看到或接觸到的微生物已不是單個，而是成千上萬個單個的微生物組成的群體。微生物接種是群體接種，接種后的生長是微生物群體繁殖生長。

    細菌接種到均勻的液體培養基后，當細菌以二分裂法繁殖，分裂后的子細胞都具有生活能力。在不補充營養物質或移去培養物，保持整個培養液體積不變條件下，以時間為橫坐標，以菌數為縱坐標，根據不同培養時間里細菌數量的變化，可以作出一條反映細菌在整個培養期間菌數變化規律的曲線，這種曲線稱為生長曲線(growth cuwe)。一條典型的生長曲線至少可以分為遲緩期、對數期、穩定期和衰亡期等四個生長時期。

l         l         遲緩期(lag phase)

細菌接種到新鮮培養基而處于一個新的生長環境，因此在一段時間里并不馬上分裂，細菌的數量維持恒定，或增加很少。此時胞內的RNA、蛋白質等物質含量有所增加，相對地此時的細胞體積*大，說明細菌并不是處于完全靜止的狀態。產生遲緩期的原因，認為是微生物接種到一個新的環境，暫時缺乏足夠的能量和必需的生長因子，“種子”老化(即處于非對數生長期)或末充分活化，接種時造成的損傷等。

在工業發酵和科研中遲緩期會增加生產周期而產生不利的影響，但是遲緩期無疑也是必需的，因為細胞分裂之前，細胞各成分的復制與裝配等也需要時間，因此應該采取一定的措施：①通過遺傳學方法改變種的遺傳特性使遲緩期縮短；②利用對數生長期的細胞作為“種子”；③盡量使接種前后所使用的培養基組成不要相差太大；④適當擴大接種量等方式縮短遲緩期，克服**的影響。

l         l         對數生長期(log Phase)

    又稱指數生長期(exponential phase)。細菌經過遲緩期進入對數生長期，并以*大的速率生長和分裂，導致細菌數量呈對數增加，而且細菌內各成分按比例有規律地增加，很明顯，此時期內的細菌生長是平衡生長。對數生長期細菌的代謝活性、酶活性高而穩定，大小比較一致，生活力強，因而它廣泛地在生產上用作“種子”和在科研上作為理想的實驗材料。

l         l         穩定生長期(stationary phase)

    由于營養物質消耗，代謝產物積累和pH等環境變化，逐步不適宜于細菌生長，導致生長速率降低直至零(即細菌分裂增加的數量等于細菌死亡數量)，結束對數生長期，進入穩定生長期。穩定生長期的活細菌數*高并維持穩定。如果及時采取措施，補充營養物質或取走代謝產物或改善培養條件，如對好氧菌進行通氣、攪拌或振蕩等可以延長穩定生長期，獲得更多的菌體物質或代謝產物。

l         l         衰亡期(decline或death phase)

    營養物質耗盡和有毒代謝產物的大量積累，細菌死亡速率逐步增加和活細菌逐步減少，標志進入衰亡期。該時期細菌代謝活性降低，細菌衰老并出現自溶。該時期死亡的細菌以對數方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分細菌產生抗性也會使細菌死亡的速率降低。

    此外，不同的微生物，甚至同一種微生物對不同物質的利用能力是不同的。有的物質可直接被利用(例如葡萄糖或NKf等)；有的需要經過一定的適應期后才能獲得利用能力(例如乳糖或N03—等)。前者通常稱為速效碳源(或氮源)，后者稱為遲效碳源(或氮源)。當培養基中同時含有這兩類碳源(或氮源)時，微生物在生長過程中會產生二次生長現象。

l         l         連續培養

   連續培養(continous culture of microorganisms)是在微生物的整個培養期間，通過一定的方式使微生物能以恒定的比生長速率生長并能持續生長下去的一種培養方法。根據生長曲線，營養物質的消耗和代謝產物的積累是導致微生物生長停止的主要原因。因此在微生物培養過程中不斷的補充營養物質和以同樣的速率移出培養物是實現微生物連續培養的基本原則。

（參見**章第三節真核微生物）

    微生物生長情況可以通過測定單位時間里微生物數量或生物量(biomass)的變化來評價。通過微生物生長的測定可以客觀地評價培養條件、營養物質等對微生物生長的影響，或評價不同的**物質對微生物產生抑制(或殺死)作用的效果，或客觀地反映微生物生長的規律。因此微生物生長的測量在理論上和實踐上有著重要的意義。微生物生長的測定有計數、重量和生理指標等方法。

    此法通常用來測定樣品中所含細菌、孢子、酵母菌等單細胞微生物的數量。計數法又分為直接計數和間接計數兩類。

l         l         直接計數

    這類方法是利用特定的細菌計數板或血細胞計數板，在顯微鏡下計算一定容積里樣品中微生物的數量。此法的缺點不能區分死菌與活菌。計數板是一塊特制的載玻片，上面有一個特定的面積l mm²和高0.1mm的計數室，在1mm²的面積里又被刻劃成25個(或16個)中格，每個中格進—步劃分成16個(或25個)小格，但計數室都是由400個小格組成。

    將稀釋的樣品滴在計數板上，蓋上蓋玻片，然后在顯微鏡下計算4-5個中格的細菌數，并求出每個小格所含細菌的平均數，再按下面公式求出每毫升樣品所含的細菌數。

    每毫升原液所含細菌數＝每小格平均細菌數×400×l000×稀釋倍數

l         l         間接計數法

此法又稱活菌計數法，其原理是每個活細菌在適宜的培養基和良好的生長條件下可以通過生長形成菌落。將待測樣品經一系列10倍稀釋，然后選擇三個稀釋度的菌液，分別取0.2ml故人無菌平皿，再倒人適量的已熔化并冷至45℃左右的培養基，與菌液混勻，冷卻、待凝固后，放人適宜溫度的培養箱或溫室培養，長出菌落后，計數，按下面公式計算出原菌液的含菌數：
    每毫升原菌液活菌數＝同一稀釋度三個以上重復平皿菌落平均數×稀釋倍數×5

    此法可因操作不熟練造成污染，或因培養基溫度過高損傷細胞等原因造成結果不穩定。盡管如此，由于該方法能測出樣品中微量的菌數，仍是教學、科研和生產上常用的一種測定細菌數的有效方法。土壤、水、牛奶、食品和其他材料中所含細菌、酵母、芽孢與孢子等的數量均可用此法測定。但不適于測定樣品中絲狀體微生物，例如放線菌或絲狀**或絲狀藍細菌等的營養體等。

除上述兩種常用的計數方法外，還有膜過濾法、比濁法。膜過濾法是當樣品中菌數很低時，可以將一定體積的潮水、海水或飲用水等樣品通過膜過濾器。然后將濾膜干燥、染色，并經處理使膜透明，再在顯微鏡下計算膜上(或一定面積中)的細菌數；比濁法原理是在一定范圍內，菌的懸液中細胞濃度與混濁度成正比，即與光密度成正比，菌越多，光密度越大。因此可以借助于分光光度計，在一定波長下，測定菌懸液的光密度，以光密度(optical density，即O..D.)表示菌量。實驗測量時一定要控制在菌濃度與光密度成正比的線性范圍內，否則不準確。微生物計數法，發展迅速，現有多種多樣的快速、簡易、自動化的儀器和裝置等方法。

    此法的原理是根據每個細胞有一定的重量而設計的。它可以用于單細胞、多細胞以及絲狀體微生物生長的測定。將一定體積的樣品通過離心或過濾將菌體分離出來，經洗滌，再離心后直接稱重，求出濕重，如果是絲狀體微生物，過濾后用濾紙吸去菌絲之間的自由水，再稱重求出濕重。不論是細菌樣品還是絲狀菌樣品，可以將它們放在已知重量的平皿或燒杯內，于105℃烘干至恒重，取出放人干燥器內冷卻，再稱量，求出微生物干重。

    如果要測定固體培養基上生長的放線菌或絲狀**，可先加熱至50℃，使瓊脂熔化，過濾得菌絲體，再用50℃的生理鹽水洗滌菌絲，然后按上述方法求出菌絲體的濕重或干重。

    除了干重、濕重反映細胞物質重量外，還可以通過測定細胞中蛋白質或DNA的含量反映細胞物質的量。蛋白質是細胞的主要成分，含量也比較穩定，其中氮是蛋白質的重要組成元素。從一定體積的樣品中分離出細胞，洗滌后，按凱氏定氮法測出總氮量。蛋白質含氮量為16%，細菌中蛋白質含量占細菌因形物的50%一80%，一般以65%為代表，有些細菌則只占13%一14%，這種變化是由菌齡和培養條件不同所產生的。因此總含氮量與蛋白質總量之間的關系可按下列公式計算：

    蛋白質總量＝含氮量×6.25

    細胞總量＝蛋白質總量÷(50%～80%(或65%))≈蛋白質總量×1.54

    核酸DNA是微生物的重要遺傳物質，每個細菌的DNA含量相當恒定，平均為8.4×10^-5ng.因此從一定體積的細菌懸液中所含的細菌中提取DNA，求得DNA含量，再計算出這一定體積的細菌懸液所含的細菌總數。

    對于一些非真溶液的樣品，要測定微生物數量除了用活菌計數法外，還可以用生理指標測定法進行測定。生理指標包括微生物的呼吸強度、耗氧量、酶活性、生物熱等。這是根據微生物在生長過程中伴隨出現的這些指標，樣品中微生物數量多或生長旺盛，這些指標愈明顯，因此可以借助特定的儀器如瓦勃氏呼吸儀、微量量熱計等設備來測定相應的指標。這類測定方法主要用于科學研究，分析微生物生理活性等。

 

遺傳(heredity或inhertiance)和變異(Variation)是生物體*本質的屬性之一。

l         l         遺傳是生物的上一代將自己的遺傳因子傳遞給下一代的行為或功能，具有極其穩定的特性。

l         l         遺傳型(genotype)是某一生物所含有的遺傳信息即DNA中正確的核苷酸序列。生物體通過這個核苷酸序列控制蛋白質或RNA的合成，一旦功能性蛋白質合成，可調控基因表達。遺傳型是一種內在可能性或潛力，其實質是遺傳物質上所負載的特定遺傳信息。具有某遺傳型的生物只有在適當的環境條件下通過自身的代謝和發育，才能將它具體化，即產生表型。

 

l         l         表型(phenotype)是批某一生物體所具有的一切外表特征及內在特性的總和，是遺傳型在合適環境條件下的具體體現。是一種現實性。

l         l         變異是生物體在某種外因或內因作用正氣引起的遺傳物質結構改變，亦即遺傳型的改變變異的特點是在群體中以極低幾率(一般為10^-5-10^-6)出現；性狀變化幅度大；變化后的新性狀是穩定的可遺傳的。

l         l         飾變(modification)批不涉及遺傳物質結構改變尷只發生在轉錄、轉譯水平上的表型變化。其特點是整個群體中幾乎每一個體都發生變化狀變化的幅度小；因遺傳物質不變故飾變是不遺傳的。如粘質沙雷氏菌(Serratia marcescens)在 25℃下培養時會產生深紅色的靈桿菌素，在37℃時不產生色素。

一個基因內部結構或DNA序列的任何改變，改變一對或少數幾對堿基的缺失、插入或置換，而導致的遺傳變化稱為基因突變(gene mutation)。

DNA序列范圍的改變從單個堿基改變通常稱為點突變(point mutations)，到基因組大范圍的重排，有時稱為多位點突變，其中包括DNA鏈上短的一段序列或長的一段序列改變，從而影響許多基因。多位點突變可以是堿基序列的缺失、插入、倒位、置換(包括易位)和重復以及在基因組中發生重組或轉座的結果。

點突變中由一個嘌呤變為另一個嘌呤(A↔G)或一個嘧啶變為另一個嘧啶(C↔T)稱為轉換(transition)，嘌呤變為嘧啶和嘧啶變為嘌呤稱為顛換(transversions)。遺傳型上一個堿基的改變在表型上的效應取決于突變的性質和在基因組點突變發生的位置，有四種點突變類型：

l         l         同義突變(same-sense mutations)由于基因密碼的冗余[性]；同樣的氨基酸插入蛋白質，結果表型上沒有看出變化。

l         l         錯義突變(mis-sense mutations)是指不同的氨基酸插入蛋白質的肪鏈中，多肽鏈相應氨基酸改變的結果視蛋白質的基本部分或非基本部分改變而定。前者蛋白質功能改變或喪失，后者表型上沒有觀察到變化。

l         l         無義突變(nonsense mutations)是指堿基序列改變為氨基酸終止密碼子(UAA，UAG、UGA)。蛋白質合成超前停止，導致一個截短的蛋白質產生。

l         l         移碼突變(frameshift mutations)是DNA序列上缺失或插入1-2個核苷酸，引起從這一突變點后翻譯讀框移位和變成一個完全改變的氨基酸序列。

細胞中有許多基因，其基因產物對細胞生長是必需的，如DNA復制所需的蛋白質。因此，在這些基因中分離突變體是不可能的，因基因產物功能完全喪失，細胞將會死亡。在這些條件下，可用條件突變型。條件突變型只在某些條件下表達，*普通的是高生長溫度。溫度敏感突變株在低溫時為野生型表型，當轉換到較高溫度時，才表現出突變的表型，可用于研究基因的效應。

突變的效應可以通過許多方法回復。*簡單的回復突變(back mutation)是回復到原來的堿基序列(野生型)。選擇回復突變是一個闡明突變類型好的檢驗方法。比如原來的突變型是點突變或缺失突變，并不易發生回復突變。另一個獲得野生型表型的方法是通過阻抑的機制，其中**次突變發生在基因組的不同位點，它補償了**次突變的效應。**次突變可以在基因組的不同位點突變，此情況稱為校正突變(intragenic suppressor，移碼突變后閱讀框架復原的補償突變)或完全不同的基因突變，它的術語是基因間抑制((intergenic suppressor)。

雖然細菌突變以很低的頻率自然發生，但通常采用一個合適的誘變劑如紫外線，增加分離突變株的機會。鑒定突變株根據基因的特殊性質，但一般來說分成三類：

l         l         有毒化合物抗性突變株，如對***或對噬菌體侵染的抗性。這些突變株能通過在有毒藥劑或噬菌體存在下生長來選擇。只有抗性突變株才生長。

l         l         營養缺陷型突變株不能合成生長所必需的基本化合物如一個氨基酸或維生素(參見凹)。這些突變株不能直接分離，但能通過下面所敘述的影印培養法(replica plating)篩選。

l         l         不能利用特殊底物如乳糖和麥芽糖生長的突變株，這些也可以通過影印培養法鑒別。

這是用于篩選大量特殊突變菌落的一個方法。細菌鋪制成平板，在所含營養成分的培養基上親本和突變株均能生長，采用一個稀釋度使單個菌落能在平板上看到；培養后，用一個無菌的絲絨布包裹的圓柱章的圓墊轉移上述菌落至可以檢出突變株的培養基平板上(圖)。培養基的性質根據突變株的需求，在營養缺陷型突變株的情況下，可以在有特殊生長因子和沒有特殊生長因子的平板上影印法轉移菌落，不能合成那種生長因子的突變菌株，在基本培養基上不能生長，但能在加入已知生長因子的基本培養基上生長(加富培養基)，突變株菌落通過在基本培養基不能生長來鑒別，可以從能生長的補充培養基平板上選出和純化。

基因組中經常發生的突變似乎是隨機的，雖然有突變發生特別高頻率的“熱點”。自發突變是由于堿基互變異構、胞嘧啶氧化脫氨基或當DNA在短的重復的核苷酸序列合成瞬間位點鏈滑出的結果。轉座因子在基因組中的移動和之間的重組，也對基因組中的突變負責。

整個基因組所有時間均可發生突變，但是一個基因組的某些位點比其他的位點更易突變。這些突變聚集的位點稱為熱點。一個基因的突變率是不一樣的，從每10⁴復制周期每個基因出現一個基因突變到每10¹¹復制周期每個基因出現一個基因突變，平均大約每10⁶復制周期每個基因出現一個突變。

l         l         突變原因

突變可因許多原因增加，包括DNA復制時DNA聚合酶產生的誤差，DNA的物理損傷，重組和轉座。然而，重要的是應意識到DNA受大量DNA修復系統保護，使其適合于突變率減至*小程度。

自發突變的一個主要原因是由于堿基存在不同的構型稱為互變異構體，使形成不同的堿基對。通常以氨基式出現的腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)配對，當DNA復制到這一位置瞬間時轉變為稀有的亞氨基式(A＊)(互變異構現象，tautuumerism)，則與胞嘧啶(C)堿基配對，這就意味著一個胞嘧啶(C)插入DNA，代替胸腺密院(T)。假如在下一次復制周期前不被修復A-T堿基對將變為C-C堿基對。

    當DNA復制時自發突變也能由DNA鏈在短的重復核苷酸序列處向外環出而引起。導致插人或缺失一小段DNA，結果它自身對DNA分子造成實際的損傷。非常**，一個堿基可以從一個核苷酸解離的缺口上除去，稱為脫嘌呤(apurinic)或脫嘧啶(apyrimidinic)位點，通常在下一次復制周期時不能堿基配對。這是胞嘧啶自然脫氨基形成尿嘧啶的一般原因。此現象被認為是DNA修復系統的一個錯誤，而尿嘧啶通過脫離一個脫嘧啶的位點而被除去。

*后，自發突變的主要原因是轉座因子，它可以隨機插入基因組，引起突變，而且假如有兩個或多個拷貝，作為同源重組的位點，能導致基因組區段缺失、重復和倒位。

結合至DNA的化學和物理的誘變劑能提高誘變率。化學誘變劑作用有許多方式：

l         l         堿基類似物(base analogs) 　如5—溴尿嘧啶和2—氨基嘌呤，當DNA復制時摻人DNA分子，類似自發突變的堿基互變異構移位，但以高頻率導致突變。

l         l         (DNA分子)嵌入劑　是扁平的三個環的類似于堿基對形狀的化合物，它們能插入DNA分子，引起螺旋結構變型，DNA復制時導致環出及插入和缺失堿基。溴化乙啶和丫啶橙是這類試劑的典型代表。

l         l         修飾DN的化學藥品　是改變DNA中堿基的化合物，導致下一次復制周期時錯誤配對。例如包括將胞嘧啶轉變成羥胺胞嘧啶的次黃嘌呤，它同腺嘌呤配對。

l         l         電離輻射　可能引起DNA損傷。實驗室中常常用紫外線誘發突變，而且它的作用機制己了解很清楚。紫外線引起的主要損傷是形成嘧啶二聚體，*普通的是胸腺嘧啶二聚體，相鄰堿基問引起DNA螺旋的扭曲畸變。它本身不是導致突變的，但突變發生在當細胞盡力修復此損傷時，用了一個傾向錯誤的修復系統，稱作SOS修復系統。

l         l         當DNA序列已知時，體外誘變現在經常采用的辦法是**改變DNA序列。以化學合成的一個突變序列的拷貝代替野生型基因組的序列。

DNA的損傷對細胞可能是致死的，已形成大量的DNA修復系統去修復誘變劑引起的損傷。了解*清楚的是大腸桿菌紫外線損傷修復，至少有四個不同的系統。

 在光照下光解酶轉變紫外線誘導的胸腺嘧啶二聚體返回單聚體。在依賴于光的修復機制中，光解酶與黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)能切割相鄰嘧啶間的環丁烷環恢復為原來的單聚體。這是對付紫外線損傷的**線防御。

為把它與光復活作用區分開，切補修復常稱為暗修復。它作為許多不同類型的DNA損傷修復的普遍系統，如嘧啶二聚體和錯誤堿基配對引起的DNA損傷。uvrA、B和C基因產物結合形成一個核酸內切酶，它能識別堿基改變所引起的DNA螺旋扭曲。uvrABC內切核酸酶在損傷的任何一邊作一切口，DNA聚合酶I切除和替換損傷部位的堿基，DNA連接酶將缺口填補上。

胸腺嘧啶二聚體不能被復制，不是在此位點阻塞，而是DNA聚合酶能跳過該損傷部位，沿著下面DNA的模板，恢復DNA繼續合成。在新合成的DNA子鏈上二聚體對面留下一個缺口。由于需要一個完整的鏈作為模板，不能用切補修復來恢復。而這個缺口能由RecA蛋白調控的通過與母鏈DNA螺旋發生重組來填補。母鏈DNA在二聚體的對面應當含有完整的序列。盡管重組并不能修復損傷，它確創造了兩個新的DNA分子，通過切補修復完成了修復的功能。

細胞中有許多基因和操縱子受RecA蛋白協同調控和LexA蛋白阻遏轉錄。它涉及處理DNA損傷和稱為SOS修復系統。為一個傾向差錯的修復系統，該系統與DNA聚合酶相互作用，使之通過嘧啶二聚體繼續復制DNA。3’——5’校正讀碼能力的酶被抑制，結果堿基能隨機插入二聚體的對面，沒有**的堿基對(參見C2)，這個機制是紫外線所以致突變的主要原因，因為大多數的其他系統是**修復DNA的。

SOS—修復系統是由RecA蛋白誘導的，由于存在DNA損傷，RecA蛋白構型改變顯示出激活態。激活態的熱RecA蛋白引起LexA蛋白被蛋白水解酶切開，結果LexA蛋白不再作為一個轉錄的阻遏物。只要細胞中存在DNA的損傷，SOS修復系統的基因就能表達。一旦DNA損傷被消除，RecA蛋白不再有活性，不再作為LexA蛋白水解誘導物，IexA蛋白在細胞中累積，并且抑制SOS—修復的基因轉錄。

接合(conjugation)是同通過質粒使遺傳物質在兩個細菌細胞間轉移的機制。一個含有接合質粒(F⁺，致育性)的細胞與不含有接合質粒(F^-)的細胞借助于細胞表面的F^-性菌毛形成交配個體。性菌毛收縮，拉兩個細胞接觸，從含有質粒的細胞(供體)DNA轉移到受體。在F質粒上攜帶的tra基因，含有接合過程所有的信息。

轉移的起始點在質粒DNA一條鏈的一個缺口位點稱作oriT上，DNA以單鏈形式轉移，通過滾環模型形式復制。完整鏈作為DNA合成的模板，而缺口鏈被替代和轉移進人受體細胞。一旦受體細胞中互補的DNA鏈合成，形成新的F因子。

F因子從染色體上切離是與整合相反的一個過程。通常這是一個**切離的過程，但偶爾會出現偏差，質粒選出一段相鄰的染色體形成一個F’因子。F’因子可將染色體基因轉移到受體細胞中。細菌遺傳學，特別是在細胞中產生的部分二倍體基因，用于研究同樣基因的等位基因優勢/隱性間的關系。

通過噬菌體的媒介把一個細菌細胞(供體)的宿主DNA轉移到另一個細胞(受體)的過程稱為轉導。

普遍性轉導是當噬菌體裝配時偶然出現的錯誤，是替代噬菌體DNA包裝了一段寄主(供體)染色體DNA進入噬菌體頭部的結果。這種“誤包”的轉導噬菌體，能侵染新的宿主(受體)，并注入此段DNA，非噬菌體的DNA，除非通過重組將這段DNA整合到宿主(受體)染色體上，否則將丟失。

此乃某些溶源性噬菌體整合至宿主染色體上的某段時間的特征。在轉導時，代替從染色體上**切離出原溶原性噬菌體的DNA，而是切離了一段噬菌體臨近位點上的宿主染色體DNA。含有這段染色體DNA的噬菌體顆粒，將會感染受體細胞，整個噬菌體DNA可整合在染色體上形成溶源化，或通過重組作用與染色體DNA整合。

 

轉化是從周圍培養基吸收游離的DNA片段，整合到自己染色體基因組的結果。許多細菌如芽孢桿菌屬、鏈球菌屬、奈瑟氏球菌屬和嗜血菌屬(嗜血桿菌屬Haemophilus)能夠自然發生轉化作用。

細胞吸收DNA進行轉化的能力取決于細胞所處的特殊生理狀態，稱作感受態(compentence)。感受態與細胞表面存在DNA的受體有關。其他細菌，如大腸桿菌，在冷的條件下通過化學方法處理，可以誘導建立感受態。

結合和轉移進入受體細胞的DNA片段可以是特異的序列或者非特異的序列，其差異取決于種。通常雙鏈DNA結合，但在大多數情況下，它轉變成單鏈DNA進人受體細胞。亦發現流感嗜血菌(流感桿菌或流感嗜血桿菌Haemophilus influenzae)吸收完整的雙鏈DNA。進入的DNA通過重組過程整合至受體菌染色體上。

絲狀**通過準性生殖進行基因重組的。

所謂準性生殖(parasexual reproduction)是批不經過減數分裂就能導致基因重組的生殖過程。**菌絲通過相互接觸時，通過菌絲間的連接，細胞核可混合在一起而形成異核體(時具有二種或二種以上不同基因型的核的細胞)，并可以百萬分之一的概率發生核融合而形成二倍體（或雜合二倍體）。

微生物育種的目的是為了要人為地使某種的代謝產物過量積累，把生物合成的代謝途徑朝人們所希望的方向加以引導，或者使細胞內發生基因的重新組合優化遺傳性狀，實現人為控制微生物，獲得我們所需要的高產、上等和低耗的菌種。

誘變育種是指利用各種誘變劑處理微生物細胞，提高基因的隨機突變頻率，通過一定的篩選方法獲得所需要的高產上等菌株。

一般通過營養缺陷型突變株、抗阻遏和抗反饋突變型、抗性突變型（***抗性突變株、條件抗性突變）。

體內基因重組是指重組過程發生在細胞內（相對體外重組技術或基因工程技術。

體內基因重組育種是指采用接合、轉化轉導和原生質體融合等遺傳學方法和技術使微生物細胞內發生基因重組，以增加優良性狀的組合，或導致多倍體的出現，從而獲得優良菌株的一種育種方法。

原生質體融合技術是將遺傳性　不同的兩種菌（包括種間、種內及屬間）融合為一個新細胞的技術。

部分真核生物可以通過雜交育種。

DNA　Shuffling技術是一種人工分子進化技術。

近代生態學的研究推進到了生態系統生態學的水平，生態系統生態學從生態系統的整體出發考察系統中生物之間，生物與環境之間的生態關系，形成了生態系統、食物鏈、食物網、能量流、物質循環、信息傳遞以及生產者、消費者、分解者的新概念和新的理論框架，微生物是生態系統的重要成員，特別是作為分解者分解系統中的有機物，對生態系統乃至整個生物圈的能量流動、物質循環發揮著獨特的、不可替代的作用。

近幾十年和科學技術、社會經濟迅速發展相伴而來的是環境問題——環境污染和生態破壞。微生物降解污染物的巨大潛力在控制污染，修復污染環境中發揮重要作用。微生物對植物生長的促進和其他有益作用，有助于緩解生態破壞，恢復受損生態系統。

生態系統 是指在一定的空間內生物的成分和非生物的成分通過物質循環和能量流動互相作用、互相依存而構成的一個生態學功能單位。

生物成分按其在生態系統中的作用，可劃分為三大類群：生產者、消費者和分解者。微生物可以在多個方面但主要作為分解者而在生態系統中起重要作用。

    微生物*大的價值在于其分解功能。它們分解生物圈內存在的動物、植物和微生物殘體等復雜有機物質，并*后將其轉化成*簡單的無機物，再供初級生產者利用。

    微生物參與所有的物質循環，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物質的循環中，微生物是主要的成員，起主要作用；而一些過程只有微生物才能進行，起獨特作用；而有的是循環中的關鍵過程，起關鍵作用。

    光能營養和化能營養微生物是生態系統的初級生產者，它們具有初級生產者所具有的二個明顯特征，即可直接利用太陽能、無機物的化學能作為能量來源，另一方面其積累下來的能量又可以在食物鏈、食物網中流動。

    微生物和動物、植物一樣也是由物質組成和由能量維持的生命有機體。在土壤、水體中有大量的微生物生物量，貯存著大量的物質和能量。

    微生物是*早出現的生物體，并進化成后來的動、植物。藻類的產氧作用，改變大氣圈中的化學組成，為后來動、植物出現打下基礎。

具體過程LP205－233

生物地球化學循環(biogeochemical cycles) 是指生物圈中的各種化學元素，經生物化學作用在生物圈中的轉化和運動。這種循環是地球化學循環的重要組成部分。

地球上的大部分元素都以不同的循環速率參與生物地球循環。生命物質的主要組成元素(C、H、O、N、P、S)循環很快，少量元素(Mg、K、Na、鹵素元素)和跡量元素(Al、B、Co、Cr、Cu、Mo、Ni、Se、V、Zn)則循環較慢。屬于少量和跡量元素的Fe、Mn、Ca和Si是例外，鐵和錳以氧化還原的方式快速循環。鈣和硅在原生質中含量較少，但在其他結構中含量很高。

    碳、氮、磷、硫的循環受二個主要的生物過程控制，一是光合生物對無機營養物的同化，二是后來進行的異養生物的礦化。實際上所有的生物都參與生物地球化學循環。微生物在有機物的礦化中起決定性作用，地球上90%以上有機物的礦化都是由細菌和**完成的。

碳元素是一切生命有機體的*大組分，接近有機物質干重的50%。碳循環是*重要的物質循環(圖11—1)。

初級生產者把CO₂轉化成有機碳。初級生產的產物為異養消費者利用，并進一步進行循環，部分有機化合物經呼吸作用被轉化為CO₂。初級生產者和其他營養級的生物殘體*終也被分解而轉化成CO₂。大部分綠色植物不是被動物消費，而是死亡后被微生物分解，CO₂又被生產者利用。

    生境中的碳循環是生物圈總循環的基礎，異養的大生物和微生物都參與循環，但微生物的作用是*重要的。在好氧條件下，大生物和微生物都能分解簡單的有機物和生物多聚物(淀粉，果膠，蛋白質等)，但微生物是**在厭氧條件下進行有機物分解的。微生物能使非常豐富的生物多聚物得到分解，腐殖質、蠟和許多人造化合物只有微生物才能分解。

碳的循環轉化中除了*重要的CO₂外，還有CO、烴類物質等。藻類能產生少量的CO并釋放到大氣中，而一些異養和自養的微生物能固定CO作為碳源(如氧化碳細菌)。烴類物質(如甲烷)可由微生物活動產生，也可被甲烷氧化細菌所利用(圖ll—1)。大氣CO₂濃度的持續提高引起的“溫室效應”是一個全球性環境問題。

 

    氮循環(圖11—2)由6種氮化合物的轉化反應所組成，包括固氮、氫化(脫氨)、硝化作用、反硝化作用及硝酸鹽還原。它們大多實際上是氧化還原反應。氮是生物有機體的主要組成元素，氮循環是重要的生物地球化學循環。

固氮是大氣中氮被轉化成氨(銨)的生化過程。其對氮在生物圈中的循環有重要作用，據測算 每年全球有約2.40×108噸氮被固定，這和反硝化過程失去的氮大致相等。生物固氮是只有微生 物或有微生物參與才能完成的生化過程。具有固氮能力的微生物種類繁多，游離的主要有固氮菌、 梭菌、克雷伯氏菌和藍細菌；共生的主要是根瘤菌和弗蘭克氏菌。

    氮化作用是有機氮化物轉化成氨(銨)的過程。微生物、動物和植物都具有氨化能力，可以發生在好氧和厭氧環境中。氫化作用放出的氨可被生物固定利用和進一步轉化，同時也揮發釋放到大氣中去，這個部分可占總氮損失的5%(其他95%為反硝化損失)。

硝化作用是好氧條件下在無機化能硝化細菌作用下氨被氧化成硝酸鹽的過程。它的重要性是產生氧化態的硝酸鹽，產物又可以參與反硝化作用。硝化作用分兩步進行：

    把銨氧化成亞硝酸的代表性細菌是亞硝化單胞菌屬，此外還有亞硝化葉菌屬、亞硝化螺菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化弧菌屬。把亞硝酸氧化成硝酸代表性細菌是硝化桿菌屬，此外還有硝化刺菌屬、硝化球菌屬。前者稱為亞硝化菌(nitrosobacteria)，后者稱為硝化菌(nitrobacteria)，兩者統稱為硝化(作用)細菌(nitrifying bacteria)。硝化作用是一個產能過程，硝化細菌經卡爾文循環和不完全的三羧酸循環利用CO₂合成細胞物質。

    硝酸鹽還原包括異化硝酸鹽還原和同化硝酸鹽還原。異化硝酸鹽還原又分為發酵性硝酸鹽還原(fermentative nitrate reduction)和呼吸性硝酸鹽還原(respiratory nitrate reduction)。如呼吸性硝酸鹽還原的產物是氣態的N₂O、N₂，則這個過程被稱為反硝化作用。同化硝酸鹽還原是硝酸鹽被還原成亞硝酸鹽和氨，氨被同化成氨基酸的過程。這里被還原的氮化物成為微生物的氮源。異化硝酸鹽還原是在無氧或微氧條件下，微生物進行的硝酸鹽呼吸即以NO^3-或NO^2-代替O₂作為電子受體進行呼吸代謝。與同化硝酸鹽還原相比，它的酶系一般是顆粒性的，可被氧競爭性抑制，但不受氫的抑制。發酵性硝酸鹽還原中硝酸鹽是發酵過程的“附帶”電子受體，而不是末端受體，為不完全還原，發酵產物主要是亞硝酸鹽和NH₄⁺。其特點是沒有膜結合酶，細胞色素和電子傳遞磷酸化。這種現象在自然界非常普遍，大多數由兼性***來完成，如腸桿菌屬、埃希氏菌屬和芽孢桿菌屬細菌。呼吸性硝酸鹽還原中硝酸鹽作為末端電子受體被還原成亞硝酸鹽、氨或產生氣態氮(反硝化作用)。在反硝化過程中硝酸鹽經一系列酶的作用，細胞色素傳遞電子，*后被還原成N₂O和N₂，大量的N₂O、N₂釋放到大氣中去。反硝化過程也是一個偶聯產能過程，但電子傳遞鏈較短，一個硝酸鹽還原過程產生2個ATP，反硝化細菌的生長緩慢。具有異化硝酸鹽還原能力的微生物很多，大部分是異養的，少量自養，有的能兼營異養和自養。但它們都是好氧菌或兼性***。反硝化作用的效應是造成氮的損失從而降低氮肥效率，N₂O的釋放可破壞臭氧層，損失的氮因固氮過程增加的氮而得到平衡。

    硫是生命有機體的重要組成部分，大約占干物質的1%。生物圈中含有豐富的硫，一般不會成為限制性營養。硫的生物地球化學循環如圖11—3。從圖可見生物地球化學循環包括還原態無機硫化物的氧化，異化硫酸鹽還原，硫化氫的釋放(脫硫作用)，同化硫酸鹽還原。微生物參與所有這些循環過程。

    硫氧化是還原態的無機硫化物(如S⁰、H₂S、FeS₂、S₂O₂^2-和S₄O₆^2-等)被微生物氧化成硫酸的過程。具有硫氧化能力的微生物在形態，生理上各有不同的特點，一般可分為兩個不同的生理類群，包括好氧或微好氧的化能營養硫氧化菌和光營養琉細菌。此外異養微生物(如曲霉、節桿菌、芽孢桿菌、微球菌等)也具有氧化能力。

    和硝酸鹽相似，硫酸鹽也可以被微生物還原成H₂S，這部分微生物稱為硫酸鹽還原菌。硫酸鹽還原產物H₂S在胞內被結合到細胞組分中稱為同化硫酸鹽還原。硫酸鹽作為末端電子受體還原成不被同化的H₂S，稱為異化硫酸鹽還原，也稱為反硫化作用。電子供體一般是丙酮酸，乳酸和分子氫。主要的硫酸鹽(異化)還原菌包括脫硫桿菌、脫硫葉菌。

    生物尸體和殘留物中含硫蛋白質經微生物的作用釋放出H₂S、CH₃SH、(CH₂)₃S等含硫氣體，一般的腐生細菌都具有分解有機硫化物能力。

    磷是所有生物都需要的生命元素，遺傳物質的組成和能量貯存都需要磷。磷的生物地球化學循環包括三種基本過程：①有機磷轉化成溶解性無機磷(有機磷礦化)，②不溶性無機磷變成溶解性無機磷(磷的有效化)，③溶解性無機磷變成有機磷(磷的同化)。微生物參與磷循環的所有過程，但在這些過程中，微生物不改變磷的價態，因此微生物所推動的磷循環可看成是一種轉化。

    鐵循環的基本過程是氧化和還原。微生物參與的鐵循環包括氧化、還原和螯合作用。由此延伸出的微生物對鐵作用的三個方面：①鐵的氧化和沉積 在鐵氧化菌作用下亞鐵化合物被氧化高鐵化合物而沉積下來；②鐵的還原和溶解 鐵還原菌可以使高鐵化合物還原成亞鐵化合物而溶解；③鐵的吸收 微生物可以產生非專一性和專一性的鐵整合體作為結合鐵和轉運鐵的化合物。通過鐵整合化合物使鐵活躍以保持它的溶解性和可利用性。

    錳的轉化與鐵相似。許多細菌和**有能力從有機金屬復合物中沉積錳的氧化物和氫氧化物。鈣是所有生命有機體的必需營養物質，芽孢形成菌內生孢子含有鈣吡啶，鈣離子影響膜透性與鞭毛運動。鈣的循環主要是鈣鹽的溶解和沉淀，Ca(HCO₃)₂高溶解度，而CaCO₃難溶解。硅是地球上除氧外的*豐富元素，主要化合物是SiO₂。硅是某些生物細胞壁的重要組分。硅的循環表現在溶解和不溶解硅化物之間的轉化。陸地和水體環境中溶解形式是Si(OH)₄，不溶性的是硅酸鹽。硅利用微生物(主要是硅藻，硅鞭藻等)可利用溶解性硅化物。一些**和細菌產生的酸可以溶解巖石表面的硅酸鹽。

    微生物所具有的個體微小、代謝營養類型多樣、適應能力強等特點使微生物分布廣泛，可以在其他生物不能生存，甚至極端的生境中存在。同一種細菌可見于多種生境，也可以不同形式(共生或游離)存在。微生物的分布也反映了生境的特征，是生境各種物理、化學、生物因素對微生物的限制、選擇的結果。在某些生境中，高度專一性的微生物存在并**于這種生境中，并成為特定生境的標志。

    生態環境中的微生物也存在個體、種群、群落和生態系統從低到高的組織層次，與動物、植物相比，微生物具有更強的群體性。在這個系列中，群落處在關鍵的位置上，種群的相互作用是特定群落形成和結構的基礎，生態系統所表現出來的生態功能也取決于群落的功能。

    種群 是指具有相似特性和生活在一定空間內的同種個體群，種群是組成群落的基本組分。種群的相互作用復雜多樣，種群密度、代謝能力、增長速率等方面表述兩個種群之間的相互影響及作用。相互作用的基本類型包括：

    ①中立生活 兩種群之間在一起彼此沒有影響或僅存無關緊要的影響。

    ②偏利作用 一種種群因另一種種群的存在或生命活動而得利，而后者沒有從前者受益或受害。

    ③協同作用 相互作用的兩種種群相互有利，二者之間是一種非專性的松散聯合。

    ④互惠共生 相互作用的兩個種群相互有利，兩者之間是一種專性的和緊密的結合，是協同作用的進一步延伸。聯合的種群發展成一個共生體，有利于它們去占據限制單個種群存在的生境。地衣是互惠共生的典型例子。

    ⑤寄生 一種種群對另一種群的直接侵人，寄生者從寄主生活細胞或生活組織獲得營養，而對寄主產生不利影響。

    ⑥捕食 一種種群被另一種種群完全吞食，捕食者種群從被食者種群得到營養，而對被食者種群產生不利影響。

    ⑦偏害作用 一種種群阻礙另一種種群的生長，而對**種種群無影響。

    ⑧競爭 兩個種群因需要相同的生長基質或其他環境因子，致使增長率和種群密度受到限制時發生的相互作用，其結果對兩種種群都是不利的。

    群落 是一定區域內或一定生境中各種微生物種群相互松散結合的一種結構和功能單位。這種結構單位雖然結合松散，但并非是雜亂的堆積，而是有規律的結合，并由于其組成的種群種類及特點而顯現出一定的特性。任何微生物群落都是由一定的微生物種群所組成，而每個種群的個體都有一定的形態和大小，它們對周圍的生態環境各有其一定的要求和反應，它們在群落中處于不同的地位和起著不同的作用。一定生境條件下的微生物群落具有相應的生態功能，結構和功能緊密相連。一種群有多種生理功能，多個種群組合成一個群落完成一種生態功能。

    生態位 是生物個體、種群或群落所占據的具有時空特點的位置。微生物的群落結構受到生態位的生物和非生物環境的嚴格選擇，因此群落的組成實際上是生態位的狀況的真實反映。一定生態位上的微生物群落也是長期的適應性進化的結果。反芻動物和非反芻動物，都能食纖維素，經過長期的適應進化，它們的消化器官內都有相似的以能分解纖維素的細菌、**為主的微生物群落。

    種多樣性、垂直結構、水平結構和優勢種 是表征群落結構的重要參數。種多樣性可以用“多樣性指數”(diversity index)來表示，多樣性指數是以群落組成結構中種的數量和各個種的個體數量的分配有一定的特點為依據而設計的一種數值指標，種類數越多或各個種的個體數分配越均勻，則種多樣性指數值就越大，反之，種多樣性指數值就越小。垂直結構是不同種群在垂直方向上的排列狀況，垂直分布是種群間及種群與環境之間相互關系的一種特定形式，因此生境中的任何一個群落均有其本身的垂直結構。水平結構主要反映隨著緯度的變化而產生的大氣溫度的變化，微生物在不同溫度環境下而形成不同的結構。在任何群落中，組成群落的各個種群所表現的作用是不同的，所以群落中的各種種群不具有同等的重要性。其中有部分種群，因其數量、大小或活性而在群落中起著主要的控制作用。這些對群落和環境具有決定性意義的種群稱為優勢種群。

    營養物、環境條件的改變以及環境污染都會對微生物群落產生樂迫，群落的結構會有相應的改變，這實際上反映了環境對群落的選擇。這種選擇原理是我們富集特定生理功能微生物的重要理論基礎，例如，向生活污水投加表面活性劑，使其濃度從低到高達到“定水平，*后生活污水中的表面活性劑降解菌會成為優勢菌，而易于從其中分離。

    群落水平上的相互作用對它們所處的生態系統的過程及功能有重要的影響。如在穩定塘處理污水過程中細菌群落的氧化分解作用所產生的CO₂和NO^3-、PO₄^3-，藻類群落在有光條件下利用CO₂、NO^3-、PO₄^3-進行光合作用放出O₂，又提供給細菌群落好氧分解，兩個群落的相互作用使穩定塘完成有機物的凈化過程。在有強光照條件下，藻類群落的光合作用會得到增強，可以放出更多的氧，這樣又對細菌群落的氧化分解起到促進作用，從而提高穩定塘的凈化能力。

    陸生生境的主要載體是土壤。土壤是固體無機物(巖石和礦物質)、有機物、水、空氣和生物組成的復合物。溶解在土壤水中的有機和無機組分可被微生物所利用，土壤是微生物的合適生境。

    土壤微生物種類齊全、數量多、代謝潛力巨大，是主要的微生物源(表ll—1)。但一般來說微生物處于饑餓狀態，繁殖速率極低，當可用的營養物被加到土壤中，微生物數量和它們的代謝活性迅速增加直到營養物被消耗，而后微生物活性回復到較低的基線水平。

    表11—1 典型花園土壤不同深度每克土壤的微生物菌落數/CFu

*絲狀細菌

    土壤微生物的數量和分布主要受到營養物、含水量、氧、溫度、pH等因子的影響，集中分布于土壤表層和土壤顆粒表面。另外土壤具有高度的異質性，在它內部包含有許多不同的微生境，因而甚至在微小土壤顆粒中也存在著不同的生理類群。

    水生生境主要包括湖泊、池塘、溪流、河流、港灣和海洋。水體中微生物的數量和分布主要受到營養物水平、溫度、光照、溶解氧、鹽分等因素的影響。含有較多營養物或受生活污水、工業有機污水污染的水體有相應多量的細菌，如港灣(河流入海口)具有較高的營養水平，其水體中也有較高的微生物數。在水體中，特別是在低營養濃度水體中，微生物傾向于生長在固體的表面和顆粒物上，它們要比懸浮和隨水流動的微生物能吸收利用更多的營養物，常常有附著器和吸盤，這有助于附著在各種表面上。微生物在較深水體(如湖泊)中具有垂直層次分布的特點。在光線充足好氧的沿岸帶(littoral zone)、淺水區(limnetic zone)分布著大量光合藻類和好氧微生物，如假單胞菌、噬纖維菌、柄細菌、生絲微菌等。深水區(profundal zone)位于光補償水平面以下，光線少、溶解氧低，可見紫色和綠色硫細菌及其他兼性***。湖底區(benthic zone)是厭氧的沉積物，分布著大量厭氧微生物，主要有脫硫弧菌、甲烷菌、芽泡桿菌、梭菌等。

    大氣中沒有可為微生物直接利用的營養物質和足夠的水分，這種環境不適合微生物的生長繁殖。大氣中沒有固定的微生物種類。但由于微生物能產生各種休眠體以適應**環境，有些微生物可以在大氣中存在一段相當長的時間而不至死亡。所以，在大氣中仍能找到多種微生物。大氣中的微生物來源于土壤、水體和其他微生物源。進入大氣的土壤塵粒，水面吹來的小水滴，污水處理廠曝氣產生的氣溶膠，人和動物體表的干燥脫落物，呼吸道呼出的氣體都是大氣微生物的來源。主要種類是霉菌和細菌，霉菌常見種類是曲霉、木霉、青霉、毛霉、白地霉和色串孢(Torulasp)等。細菌有球菌、桿菌和一些病原菌。微生物在大氣中的分布很不均勻，所含數量取決于所處環境和飛揚的塵埃量(表ll—2)。

表11—2 不同地點大氣中的微生物數量   

 

    極端環境下微生物的研究有三個方面的重要意義：①開發利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源；②為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學及相關學科許多領域，如功能基因組學、生物電子器材等的研究提供新的課題和材料；③為生物進化、生命起源的研究提供新的材料。

按微生物生長的*適溫度，可將它們分為嗜冷、兼性嗜冷、嗜溫、嗜熱和超嗜熱五種類型。

細菌是嗜熱微生物中*耐熱的，按它們耐熱程度的不同又可以被分成五個不同類群：耐熱菌、兼性嗜熱菌、專性嗜熱菌、極端嗜熱菌和超嗜熱菌。

嗜熱微生物生長的生態環境有熱泉(溫度高達100℃)，高強度太陽輻射的土壤，巖石表面(高達70℃)，各種堆肥、廄肥、干草、鋸屑及煤渣堆，此外還有家庭及工業上使用的溫度比較高的熱水及冷卻水。

嗜熱微生物生物大分子蛋白質、核酸、類脂的熱穩定結構以及存在的熱穩定性因子是它們嗜熱的生理基礎。新的研究還表明專性嗜熱菌株的質粒攜帶與熱抗性相關的遺傳信息。

嗜熱微生物有遠大的應用前景，高溫發酵可以避免污染和提高發酵效率，其產生的酶在高溫時有更高的催化效率，高溫微生物也易于保藏。嗜熱微生物還可用于污水處理。嗜熱細菌的耐高溫DNA多聚酶使DNA體外擴增的技術得到突破，為PCR技術的廣泛應用提供基礎，這是嗜熱微生物應用的突出例子。

嗜冷微生物(psychrophilic microorganisms)能在較低的溫度下生長，可以分為專性和兼性兩類，前者的*高生長溫度不超過20℃，可以在0℃或低于0℃條件下生長；后者可在低溫下生長，但也可以在20℃以上生長。

嗜冷微生物的主要生境有極地、深海、寒冷水體、冷凍土壤、陰冷洞穴、保藏食品的低溫環境。從這些生境中分離到的主要嗜冷微生物有針絲藻、粘球藻、假單胞菌等。從深海中分離出來的細菌既嗜冷，也耐受高壓。

嗜冷微生物適應環境的生化機理是因為細胞膜脂組成中有大量的不飽和、低熔點脂肪酸。

嗜冷微生物低溫條件下生長的特性可以使低溫保藏的食品腐敗，甚至產生細菌**。研究開發嗜冷微生物的*適反應溫度低的酶，在工業和日常生活中都有應用價值。如從嗜冷微生物中獲得低溫蛋白酶用于洗滌劑，不僅能節約能源，而且效果很好。

生長*適pH在3-4以下，中性條件不能生長的微生物稱為嗜酸微生物(acidophilic microorganisms)；能在高酸條件下生長，但*適pH接近中性的微生物稱為耐酸微生物(acidotolerant microorganisms)。

溫和的酸性(PH3-5.5)自然環境較為普遍，如某些湖泊、泥碳土和酸性的沼澤。極端的酸性環境包括各種酸礦水、酸熱泉、火山湖、地熱泉等。嗜酸微生物一般都是從這些環境中分離出來，其優勢菌是無機化能營養的硫氧化菌、硫桿菌。酸熱泉不但具有高酸度，而且還具有高溫的特點，從這些環境中分離出獨具特點的嗜酸嗜熱細菌，如嗜酸熱硫化葉菌等。嗜酸微生物的胞內pH從不超出中性大約2個pH單位，其胞內物質及酶大多數接近中性。

嗜酸微生物能在酸性條件下生長繁殖，需要維持胞內外的pH梯度，現在一般認為它們的細胞壁、細胞膜具有排斥H⁺，對H⁺離子不滲透或把H⁺從胞內排出的機制。而嗜酸微生物的外被要**⁺來維持其結構。

嗜酸菌被廣泛用于微生物冶金、生物脫硫。

下生長繁殖，需要維持胞內外的pH梯度，現在一般認為它們的細胞壁、細胞膜具有排斥H+，對H+離子不滲透或把H+從胞內排出的機制。而嗜酸微生物的外被要**+來維持其結構。嗜酸菌被廣泛用于微生物冶金、生物脫硫。

一般把*適生長pH在9以上的微生物稱為嗜堿微生物(alkaliphilic microorganisms)，中性條件不能生長的為專性嗜堿微生物，中性條件甚至酸性條件都能生長的稱為耐堿微生物(alkalitolerantmicroorganisms)或堿營養微生物(alkalitrophic microorganisms)。

地球上堿性*強的自然環境是碳酸鹽湖及碳酸鹽荒漠，極端堿性湖[如肯尼亞的瑪格達(Magadi)湖，埃及的wady natrun湖]是地球上*穩定的堿性環境，那里pH達105-11.0。我國的堿性環境有青海湖等。碳酸鹽是這些環境堿性的主要來源。人為堿性環境是石灰水、堿性污水。

嗜堿微生物有兩個主要的生理類群：鹽嗜堿微生物和非鹽嗜堿微生物。前者的生長需要堿性和高鹽度(達33%NaCl十Na₂CO₃)。代表性種屬有外硫紅螺菌、甲烷嗜鹽菌、嗜鹽堿桿菌、嗜鹽堿球菌等。

嗜堿微生物生長*適PH在9以上，但胞內pH都接近中性。細胞外被是胞內中性環境和胞外堿性環境的分隔，是嗜堿微生物嗜堿性的重要基礎。其控制機制是具有排出OH^-的功能。

嗜堿微生物產生大量的堿性酶，包括蛋白酶(活性pH 10.5-12)、淀粉酶(活性pH 4.5-11)、果膠酶(活性PH l0.0)、支鏈淀粉酶(活性pH 9.0)、纖維素酶(活性pH 6-11)、木聚糖酶(活性pH 5.5-10)。這些堿性酶被廣泛用于洗滌劑或作其他用途。

    含有高濃度鹽的自然環境主要是鹽湖，如青海湖(中國)、大鹽湖(美國)、死海(黎巴嫩)和里海(俄羅斯)，此外還有鹽場、鹽礦和用鹽腌制的食品。海水中含有約3.5%的氯化鈉，是一般的含鹽環境。根據對鹽的不同需要，嗜鹽微生物(halophilic microorganisms)可以分為弱嗜鹽微生物、中度嗜鹽微生物、極端嗜鹽微生物。弱嗜鹽微生物的*適生長鹽濃度(氯化鈉濃度)為0.2-0.5mol/L，大多數海洋微生物都屬于這個類群。中度嗜鹽微生物的*適生長鹽濃度為0.5-2.5mol/L，從許多含鹽量較高的環境中都可以分離到這個類群的微生物。極端嗜鹽微生物的*適生長鹽濃度為2.5-5.2mol/L(飽和鹽濃度，a_w＝0.75)，它們大多生長在極端的高鹽環境中，已經分離出來的主要有藻類：鹽生杜氏藻、綠色杜氏藻；細菌：鹽桿菌，如紅皮鹽桿菌、鹽沼鹽桿菌，鹽球菌，如鱈鹽球菌。可以在高鹽濃度下生長，但*適生長鹽濃度較低的稱為耐鹽微生物。

    嗜鹽微生物的嗜鹽機制仍在不斷探索研究(見第十三章)，鹽桿菌和鹽球菌具有排出Na+和吸收濃縮K+的能力，K+作為一種相容性溶質，可以調節滲透壓達到胞內外平衡，其濃度高達7mol/L，以此維持胞內外同樣的水活度。

    嗜鹽細菌具有許多生理特性，其中紫膜引人注目。紫膜是在細胞膜上形成的一種特殊的紫色物質，吸收的光能以質子梯度的形式部分儲存起來，并用于合成ATP。此外紫膜是由類視紫蛋白和脂質組成，具有獨特的特性，吸引著許多科學家進行研究，探索其作為電子器件和生物芯片的可能性(見第十五章)。

需要高壓才能良好生長的微生物稱為嗜壓微生物(barophilic microorganisms)。*適生長壓力為正常壓力，但能耐受高壓的微生物被稱為耐壓微生物(barotoblerant microorganisms)。海洋深處和海底沉積物平均水壓超過4.05×107Pa(400個大氣壓)。從深海底部1.0l×l08Pa(1000大氣壓) 處，分離到嗜壓菌Pseudomonas bathycetes，從油井深部約4.05×107Pa(400大氣壓)處，分離到耐壓的硫酸鹽還原菌。

    生長在動物體上的微生物是一個種類復雜，數量龐大，生理功能多樣的群體。從生境空間位置來說有體表和體內的區別，從生理功能上說任何生活在動物上的微生物都有其相應的功能，總體上可以分為有益、有害二個方面。對動物有害的微生物可以稱為病原微生物，包括病毒、細菌、**、原生動物的一些種類。病原微生物可以通過不同的作用方式造成對動物的損害和致病。也可變害為利，如利用昆蟲病原微生物防治農林害蟲。對動物有益的微生物和動物的互惠共生關系受到廣泛的注意和深入研究，如微生物和昆蟲的共生、瘤胃共生、海洋魚類和發光細菌的共生等。

    多種多樣的微生物和昆蟲都有共生關系，情況錯綜復雜，但大部分的共生都具有三個顯著的特點，**，微生物具有昆蟲所不具有的代謝能力，昆蟲利用微生物的代謝能力得以存活于營養貧乏或營養不均衡的食料(如木材，植物液汁或脊椎動物血液)環境中；**，昆蟲和微生物雙方都需要聯合，不形成共生體的昆蟲生長緩慢，繁殖少而不產生幼體，而許多共生微生物未在昆蟲外的生境中發現，有些是不能培養的；第三，許多共生體可以在昆蟲之間轉移，一般是從親代到子代，相互和交叉轉移也存在。白蟻的消化道中的共生具有典型性，微生物共生體是細菌和原生動物，兩者均能分解纖維素，轉化昆蟲氮素廢物尿酸和固氮，這些過程的代謝產物都可以被昆蟲同化利用。

    草食動物直接食用綠色植物，植物所固定的能量流動到動物，這是生態系統中能量流動和食物鏈的重要一環。纖維素是*豐富的植物成分，然而大部分動物缺乏能利用這種物質的纖維素酶，生長在動物瘤胃內的微生物能產生分解纖維素的胞外酶，幫助動物消化此類食物。微生物分解纖維素和其他植物多聚物產生有機酸可被動物消化和利用。沒有微生物酶的作用，這樣豐富的食物資源就不能被充分利用，微生物對這里的能量流動和物質循環起重要作用。反芻動物瘤胃微生物與動物的共生具有代表性，是微生物和動物互惠共生的典型例子。

    瘤胃是一個獨特的不同于其他生態環境的生態系統，它是溫度(38-41℃)、pH(5.5-7.3)、滲透壓(250-350mOsm)相應穩定的還原性環境(Eh-350mv)，同時有相應頻繁和高水平營養物供應。大量基質的輸人和相應恒定適宜的環境條件使瘤胃微生物種類繁多，數量龐大。細菌數達10¹⁰-10¹¹CFu/克內含物。大多數細菌是專性***，但也有兼性***和好氧菌。**的游動孢子達10^3-10⁵個/克內含物。在瘤胃內可完成從孢子萌發，長出菌絲，而后又形成孢子的生活周期。細菌噬菌體數量可以達到106-107噬菌體/ml內含物，大部分是溫和噬菌體。瘤胃原生動物數量約10⁵-10⁶個/g內含物，大小20-200mm。

    纖維素、蛋白質、半纖維素等多聚物可被瘤胃微生物分解轉化，產生的小相對分子質量脂肪酸、維生素以及形成的菌體蛋白(含原生動物)可提供給反芻動物。而反芻動物則為微生物提供了豐富的營養物和良好的生境，此外，動物的生理代謝活動也有助于微生物對有機物的分解和生長繁殖。

一些海洋無脊椎動物、魚類和發光細菌也可建立一種互惠共生的關系。發光桿菌屬(Photobacterium)和貝內克氏菌屬(Beneckea)的發光細菌見于海生魚類。發光細菌生活在某些魚的特殊的囊狀器官中，這些器官一般有外生的微孔，微孔允許細菌進入，同時又能和周圍海水相交換。發光細菌發出的光有助于魚類配偶的識別，在黑暗的地方看清物體。光線還可以成為一種聚集的信號，或誘惑其他生物以便于捕食。發光也有助于魚類的成群游動以抵抗捕食者。

    植物的莖葉和果實表面是某些微生物的良好生境，細菌、藍細菌、**(特別是酵母)、地衣和某些藻類常見于這些好氣的植物表面。鄰接植物表面的生境稱為葉際(phyllosphere)。葉際主要為各種細菌和**種群所占據。葉的直接表面生境稱為葉面(phylloplane)，也為不同的微生物占據。花是附生微生物的短期生境，花從受精到果實成熟，環境條件發生了改變，微生物群落也會發生演替。果實成熟時，酵母屬有時成為優勢種群。不同種的植物果實有特定的群落組成。

    某些病毒、細菌、**和原生動物能引起植物的病害，主要的病害是由**引起的。微生物引起的植物病害是微生物對植物的偏害作用。病害使植物功能失常，因而降低了植物生長和維持它們生態位的能力。病原體通過不同的途徑進入植物體內，通過產生分解酶、**和生長調節因子干擾植物的正常功能。被感染植物能產生各種形態上和代謝上的異常，有的植物會快速死亡，或經歷緩慢的變化過程，而走向死亡。

    根際是鄰接植物根的土壤區域，其中的微生物稱為根際微生物。由于植物根在生長過程中和土壤進行著頻繁的物質交換，不斷改變周圍的養分、水分、pH、氧化還原電位和通氣狀況。從而使根際范圍內土壤的化學環境不同程度上區別于根際以外的土壤，成為微生物生長的特殊微生態環境。根際效應對土壤微生物*重要的是營養選擇和富集，使根際微生物在數量、種類以及生理類群上不同于非根際。根際微生物對植物的生長有明顯的影響。根際微生物以各種不同的方式有益于植物，包括去除H₂S降低對根的毒性，增加礦質營養的溶解性，合成維生素、氨基酸、生長素和能刺激植物生長的赤霉素。另外由于競爭關系，根際微生物對潛在的植物病原體具有拮抗性，產生的***能抑制病原菌的生長。一些根際微生物可能成為植物病原體或和植物競爭可利用的生長因子、水和營養物，而有害于植物。

    一些**和植物根以互惠關系建立起來的共生體稱為菌根。菌根共生體可以促進磷、氮和其他礦物質的吸收。**和植物根形成的共生體增強了它們對環境的適應能力，使它們能占據它們原來所不能占據的生境。根為**的生長提供能源。菌根菌為植物提供礦物質和水，產生的植物之間的抑制物質使生長植物對其他植物存在偏害關系，削弱外來者的競爭，以保持占據的生境。結合以后的共生體不同于單獨的根和**，它們除保留原來的各自的特點外，又產生了原來所沒有的優點，體現了生物種間的協調性。

菌根分為兩大類，外生菌根和內生菌根(圖11-4)。外生菌根的**在根外形成致密的鞘套，少量菌絲進入根皮層細胞的間隙中；內生菌根的菌絲體主要存在于根的皮層中，在根外較少。內生菌根又分為兩種類型，一種是由有隔膜**形成的菌根，另一種是無隔膜**所形成的菌根，后一種一般稱為VA菌根，即“泡囊-叢枝菌根”(vesilular-arbuscular mycorrhizae)。外生菌根主要見于森林樹木，內生菌根存在于草、林木和各種作物中。陸地上97%以上的綠色植物具有菌根。

    ①根瘤菌和豆科植物的共生固氮 根瘤菌和豆科植物的共生固氮作用是微生物和植物之間*重要的互惠共生關系。共生固氮把大氣中不能被植物利用的氮轉變可被植物合成其他氮素化合物的氨，這對于增加土壤肥力和推動氮循環有重要意義。

    共生固氮是一個十分復雜的生理、生化過程。根瘤菌和植物根經過一系列的相互作用過程而形成具固氮能力的成熟根瘤。固氮酶由根瘤菌提供，根瘤菌和植物根共同創造一個有助于同氮的生態位。根瘤菌專性好氧，固氮是耗能和對氧敏感過程。這些幾乎完全對立的特征被融合在豆科植物根瘤中，根瘤中的中心侵染組織是一個微好氧生態位。根瘤周圍未被侵染植物細胞的連續層限制和控制氧的內部擴散。內部組織維持大約百分之一的大氣濃度(0.2%氧)，這個氧量低到能進行固氮過程。另外中心組織的植物細胞合成大量豆血紅蛋白攜帶氧，有利于低氧濃度擴散通過植物細胞質膜，提供胞內根瘤菌(類菌體)以充分氧流進行呼吸和氧化磷酸化。固氨過程產生的氨穿過類菌體膜被植物同化利用。

共生固氮的遺傳機理也十分復雜。根瘤的形成需要特定的植物和細菌基因的協調和有序的表達。根瘤菌nif(固氮)基因是編碼固氮酶酶系的基因，基因組包括固氮酶的結構基因(nif/H、nif/D和nifK)、合成鐵-鉬輔因子的結構基因(nif/B、nifE)，與根瘤形成有關的基因是nod、nol，決定后期共生固氮根瘤發展的基因是fix。此外還有影響表面外多糖和脂多糖的基因exo和lps，以及決定類菌體二羧酸吸收的基因(dct)。植物方面的遺傳控制工作以豌豆、大豆和其他材料進行了大量的研究工作，已經發現有大約50個位點(loci)與共生固氮有關。有研究報道植物的ENOD₂基因的作用可以改變根瘤中央固氮組織的微生境，改變根瘤薄壁組織的細胞外形，因而影響氧進入根瘤通道的擴散阻力。

    ②放線菌和非豆科植物共生固氮 已知放線菌目中的弗蘭克氏菌可與200多種非豆科植物共生形成放線菌根瘤(actincrhizas)。這些根瘤也具有較強的共生固氮能力。結瘤植物多為木本雙子葉植物，如凱木、楊梅、沙棘等。

    藍細菌(藍藻)中的許多屬種除能自生因氮外，念珠藻屬、魚腥藻屆等屬的藍細菌與部分苔類植物、薛類植物、蔗類植物、棵子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生體。

    從根際、菌根到根瘤，微生物和植物根之間的互惠共生關系越來越密切，形態結構越來越復雜，生理功能越來越完備，遺傳調節越來越嚴密，這也是生物相互作用的**形式。在共生體中，植物根是主導方面。共生體的建立促進了植物的生長，從生態學的觀點可以看成是生物克服惡劣環境，抵抗環境壓力達到生物和環境協調統一的一種手段。

    人類賴以生存的食品以及其他許多生活、生產資料都是微生物生長的潛在基質，可以不同程度上為微生物所利用。在大多數情況下，微生物對這些物質的作用導致酸敗、腐爛及霉腐，消除微生物或抑制有害微生物的代謝活動，特別是應用微生物生態學原理抑制有害微生物的活動是防止食品、材料腐敗變質的重要方法。

    工業產品中的微生物大多來源于原料和成品對環境中微生物的吸附，在一定條件下微生物生理活動造成對產品的嚴重損害。食品是微生物生長繁殖的天然培養基，在加工、包裝、運輸和貯藏等過程中，都可能被霉菌、細菌、酵母菌等微生物污染，在合適的溫、濕度條件下可以迅速生長，產生各種**。在農產品上存在著大量的微生物，全世界每年因霉變而損失的糧食就占總產量的2%左右。花生、玉米、大米、棉籽、胡桃、麥類受霉菌污染產生霉菌**是農產品霉腐的突出問題，常引起食物中毒或癌變。

    控制微生物，防止生物霉腐的方法概括起來有三種，這些方法可以單獨或結合使用。①用物理或化學方法殺死或去除物品上的一切微生物，再用物理方法防止微生物的再污染。這種方法是使微生物在不能耐受的環境條件下被殺滅。②把食品和其他材料保存于微生物不能進行代謝活動或代謝活動水平極低的環境條件下。這種方法是造成微生物不具代謝活性或代謝活性極低的環境條件，但不是要殺死所有微生物或完全消除微生物的代謝活動。這種控制環境條件的方法要注意極端環境微生物代謝活動所造成的腐敗。③通過加工或加入對人無害的添加劑來抑制微生物的活動或降低食品和材料的微生物可利用性。*常用的是苯甲酸、山梨酸、乙酸等有機酸(或鹽)。*具生態學色彩的方法是用一類微生物活性來抑制另一類微生物活性。常用乳桿菌、丙酸細菌、醋化醋桿菌等產生的乳酸、丙酸、乙酸等酸性物質來抑制其他酸敗細菌的活動，達到保藏食物的目的。

    微生物生態學所涉及的主要是微生物在復雜生態環境中的結構與功能，實驗室的純培養方法盡管在一定程度上可以研究自然環境中的微生物，但并不能完全揭示它們的組成和活動，因此需要發展自然狀況下的研究方法，或稱為原位研究方法。

    生態環境中微生物群落的原位觀察由于激光聚焦(laserconfocal)顯微鏡的出現而得以實現。這種顯微鏡產生的少量x-射線可以在不擾動或固定的條件下成像。而且激光光學捕集(trspping)可以把單個細胞從生境中剝離，這種技術提供了新的洞察力，以便了解群落的種群組成。此外還有熒光標記等技術，能夠進行群落的原位觀察。

    微生境是直接對微生物產生效應的環境，研究微生境可以對微生物活動有深入的了解。通過控制生境中光、營養、氧、硫等環境因素可以模擬微生境和發生在微生境中理化因子的梯度變化。微宇宙(microcosms)模型系統類似于微小的生態圈，它包括各種微生物、植物和動物，多種生境和各種界面。使用微宇宙系統能夠檢查生態系統內更復雜的相互關系。原位培養是另一種模擬生境技術，一般使用瓶、實驗桶、透析袋或微孔濾膜組成圍隔，將要研究的樣品放入原來位置進行培養。

    微生物群落樣品可以在不進行微生物培養和顯微鏡觀察條件下被分析。首先核酸被從樣品中分離出來，再與相應的基因探針進行雜交，可以推斷出所測樣品群落組成。分子生物學技術方法，用于微生物生態的研究是發展的趨勢，正方興末艾。

    ****表面一般為無侵襲力的“土著”微生物所占據。皮膚、口腔和胃腸道有各具特色的微生物群落，占據不同生境的微生物表現出各自的群落特征，有不同的生理功能。

    皮膚表面溫度適中(33-37℃)，pH稍偏酸(4-8)，可利用水一般不足，汗液中有無機離子和其他有機物，是微生物生長的合適生境。表面的脂類物質和鹽度對微生物組成有重要影響。優勢的細菌種群是革蘭氏陽性菌，它們包括葡萄球菌屬、微球菌屬、棒桿菌屬等。革蘭氏陰性茵較少見于皮膚。**有瓶形酵母屬。皮膚表面正常棲居的微生物對外來微生物具有排斥作用，可以防止外來微生物和病原微生物的侵染，對皮膚有保護作用。

    口腔是一個有利于微生物生長的生境：①溫度穩定；②水分充足；③口腔內高低不平的表面為微生物提供多樣的微生境；④營養豐富；⑤唾液提供微生物生長因子，也含有抗微生物物質；⑥好氧的大環境和厭氧的微生境并存。口腔微生物分初于軟組織粘膜(脫落與未脫落)表面、牙齒表面和唾液。同時存在好氧和厭氧的微生物，主要類群包括細菌、放線菌、酵母菌、原生動物，以細菌數量*多。

    口腔**(齲齒和牙齦炎)和口腔微生物有重要關系，但不是外部病原微生物的侵染而是內部微生物群落組成和結構的改變。人食物中的糖分(特別是蔗糖)含量增加導致在牙齒表面形成一個產酸和耐酸的細菌群落，這個群落中的主要屬種是突變鏈球菌，表兄鏈球菌、乳桿菌屬細菌。它們代謝糖產酸，使口腔pH急劇下降，而唾液尚不足以中和其酸度，使牙齒表面pH甚至下降到4，酸溶解齒表面的琺瑯質，*終造成齲齒。氟能恢復和促進牙齒琺瑯質和抑制細菌對糖的代謝，因此是良好的防治牙病的藥物。**方法已被研究用于齲齒的防治，突變鏈球菌制備的單克隆抗體具有正向的**效應。

    胃腸道所包含的****有胃、小腸和大腸，胃腸道微生物研究的主要是大腸內的微生物。胃的特點是酸度高(pH值甚至低于3)，含大量的消化酶，這種生境不適合于微生物生長，因此胃內僅有數量較低的附在胃壁上的抗酸微生物，包括酵母、鏈球菌、乳桿菌等，但當胃酸度降低，細菌數量會增加。小腸連接胃和大腸，主要功能是消化食物和吸收營養。其正常環境pH值稍偏堿，表面多腺體，含有消化酶，強烈蠕動。微生物數量從近胃端的低量(10³Cfu/m1)到近大腸端的高量(10⁸Cfu/ml)。大腸的主要功能是吸收糞便中的水分，也吸收少量的營養。其正常環境pH偏堿到中性，表面多腺體，溫和蠕動。微生物數量巨大(10¹¹CFu/ml)，區系組成包括擬桿菌、真桿菌、厭氧鏈球菌、雙歧桿菌、腸球菌、腸桿菌、乳酸菌、梭菌、酵母等。

    人和胃腸道微生物存在著對雙方都有利的共生關系。微生物合成的維生素、蛋白質，產生的能源可以為人吸收利用，低水平的腸道區系(通常使用***后的**天)將會導致葉酸和維生素K的缺乏。

    胃腸道易于受到外來微生物或病原微生物的侵染。能侵染胃的微生物有細菌(幽門螺桿菌)、病毒(細胞巨化病毒)、酵母、寄生蟲。幽門螺桿菌可能與人類B型胃炎、消化性潰瘍及胃癌等有著密切關系，倍受臨床醫學、微生物學工作者關注。

    水攜帶的病原微生物可以通過多種途徑進入人體，這包括直接飲用、接觸和吸入。飲水不潔所造成的傳染病在發展中國家中十分普遍。接觸污染水體會引起皮膚、眼睛**。吸入帶有病原微生物的水珠會導致呼吸道傳染病。水傳播的病原微生物及其引起的傳染病如表ll—3。

    表11—3 通過水傳播的主要病原微生物及所引發的傳染病 

    帶有病原微生物未經處理的固體廢棄物隨意丟棄、堆放及作為農田肥料使用，污水灌溉都可能造成對土壤的污染。病原微生物在土壤中的遷移機制包括物理過程、化學過程和生物學過程。物理過程：土壤是一種多孔介質，微生物在土壤中的遷移類似于溶質在水體中的遷移，包括對流、平流和水動力彌散。同時微生物也受到土壤介質的作用，包括過濾、吸附、解吸和沉降。化學過程：化學過程可以認為是一種趨化性遷移。可以游動的微生物響應于化學物質的梯度而遷移，遷移具有方向性，或順濃度梯度，或逆濃度梯度移動。生物過程：生物過程是病原微生物自身屬性和與土壤環境相互作用對遷移的影響。病原微生物對土壤環境中養分的利用能力，與“土著”微生物及其他生物的競爭，對環境條件的適應能力，都影響它們的生長、繁殖和存活，因此影響它們的數量以及遷移傳播。

    病原微生物通過生物氣溶膠在空氣中傳播。生物氣溶膠(bioaerosols)是懸浮在大氣中的氣溶膠、微生物、微生物副產物和花粉的集合體。生物氣溶膠的遷移擴散主要受到自身的物理特性和環境條件的影響。顆粒越大移動速度越慢，擴散能力就越低。高溫和干燥有利于擴散，而低溫、潮濕(特別是下雨)則起相反的作用。風對生物氣溶膠在室外的擴散有重要的影響，可以使室外的微生物進人室內，還使辦公室、商業場所等室內環境的微生物向外擴散。

    氣溶膠中的病原微生物主要來源于城市污水處理廠、宿主、土壤和許多帶菌者。空氣傳播的病原菌和**主要有白喉棒狀桿菌和白喉，溶血性鏈球菌和猩紅熱、風濕熱，分枝桿菌和結核，肺炎鏈球菌、肺炎支原體和肺炎，奈瑟氏球菌和腦膜炎，博德特氏菌和百日咳，病毒和天花、流感等。

    環境保護涉及范圍很廣，主要是消除污染和保護生態環境，微生物在這二個方面都有重要作用。

   生物降解(biodegradation)是微生物(也包括其他生物)對物質(特別是環境污染物)的分解作用。生物降解和傳統的分解在本質上是一樣的，但又有分解作用所沒有的新的特征(如共代謝，降解質粒等)，因此可視為分解作用的擴展和延伸。生物降解是生態系統物質循環過程中的重要一環。研究難降解污染物的降解是當前生物降解的主要課題。

    污染物的生物降解反應和其他生物反應本質上都是酶促反應，降解過程中大部分降解酶是由染色體編碼的，但其中有些酶，特別是降解難降解化合物的酶類是由質粒控制的，這類質粒被稱為降解性質粒(catabolic plasmids)。細菌中的降解性質粒和分離的細菌所處環境污染程度密切相關，從污染地分離到的細菌50%以上含有降解性質粒，與從清潔區分離的細菌質粒相比，不但數量多，其分子也大(信息量大)，被廣泛深入研究的質粒列于表11-4。

    發生在自然界的有機物的氧化分解過程也見于污染物的降解，主要包括氧化反應、還原反應、

 水解反應和聚合反應。化學結構是決定化合物生物降解性的主要因素，一般一種有機物其結構與自然物質越相似，就越易降解，結構差別越大，就越難降解。具有不常見取代基和化學結構使部分化學農藥難于生物降解而殘留。塑料薄膜因分子體積過大而抗降解，造成白色污染。

評價化合物的降解性有兩種基本的試驗方法，微生物學方法和環境學方法。前者通常使用純培養在*適條件下研究化合物的降解，然而其條件是自然環境所沒有的，因此其結果不能直接預測它們在環境中的實際行為，降解性通常被高估，但對進行生物處理仍有重要參考價值。環境學方法著眼于化學物在受污染水體和土壤中的降解性，通常使用取自污染區域或廢水處理廠的混合微生物源或模擬自然條件培養于實驗室的混合微生物培養物來進行實驗研究，對所得結果的評價更接近于野外的實際情況。

    環境污染中所說的重金屬一般指汞、鎘、鉻、鉛、砷、銀、硒、錫等。微生物特別是細菌、**在重金屬的生物轉化中起重要作用。微生物可以改變重金屬在環境中的存在狀態，會使化學物毒性增強，引起嚴重環境問題，還可以濃縮重金屬，并通過食物鏈積累。另一方面微生物直接和間接的作用也可以去除環境中的重金屬，有助于改善環境。

    汞所造成的環境污染*早受到關注，汞的微生物轉化及其環境意義具有代表性。汞的微生物轉化包括三個方面：無機汞(Hg²⁺)的甲基化；無機汞(Hg²⁺)還原成Hg⁰；甲基汞和其他有機汞化合物裂解并還原成Hg⁰。包括梭菌、脈抱菌，假單胞菌等和許多**在內的微生物具有甲基化汞的能力。能使無機汞和有機汞轉化為單質汞的微生物也被稱為抗汞微生物，包括銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌等。微生物的抗汞功能是由質粒控制的，編碼有機汞裂解酶和無機汞還原酶的是mer操縱子。

    微生物對其他重金屬也具有轉化能力，硒、鉛、錫、鎘、砷、鋁、鎂、鈀、金、鉈也可以甲基化轉化。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對重金屬的轉化作用，控制其轉化途徑，可以達到減輕毒性的作用。

    人類生產和生活活動產生的污水(廢水)、廢氣及固體廢棄物都可以用生物方法進行處理。

微生物處理污水過程的本質是微生物代謝污水中的有機物，作為營養物取得能量生長繁殖的過程，這和一般的微生物培養過程是相同的。微生物在對溶解性和懸浮的有機物酶解(降解)過程中產生能量，所產生的能量2/3被轉化成生物量，l/3被用于維持生長，而當外源有機物減少，微生物進入內源呼吸，以消耗胞內有機物來維持微生物的存活。

l         l         好氧處理系統

l         l         厭氧處理系統

l         l         生態工程處理方法

l         l         氮、磷去除技術

    利用微生物分解固體廢棄物中的有機物，從而實現其無害化和資源化，是處理固體廢棄物的有效而經濟的技術方法。它包括堆肥化處理、生態工程處理法、廢纖維糖化、廢纖維飼料化等。

堆肥化處理

l         l         生態工程處理方法

l         l         廢纖維糖化技術

l         l         廢纖維飼料化——生產單細胞蛋白技術

    氣態污染物的生物處理技術是生物降解污染物的新應用。生物處**態污染物的原理與污水處理是一致的，本質上是對污染物的生物降解與轉化。生物降解作用難于在氣相中進行，所以廢氣的生物處理中，氣態污染物首先要經歷由氣相轉移到液相或固體表面液膜中的過程。降解與轉化液化污染物的也是混合的微生物群體。處理過程在懸浮或附著系統的生物反應器中進行。提高凈化效率需要增強傳質過程(即污染物從氣相轉入液相)和創造有利于轉化和降解的條件。

生物修復 是微生物催化降解有機污染物，轉化其他污染物從而消除污染的一個受控或自發進行的過程。生物修復基礎是發生在生態環境中微生物對有機污染物的降解作用。

由于自然的生物修復過程一般較慢，難于實際應用，生物修復技術則是工程化在人為促進條件下的生物修復；它是傳統的生物處理方法的延伸，其**之處在于它治理的對象是較大面積的污染。由于污染環境和污染物的復雜多樣，因而產生了不同于傳統治理點源污染的新概念和新的技術措施。

目前生物修復技術主要用于土壤、水體(包括地下水)、海灘的污染治理以及固體廢棄物的處理。主要的污染物是石油烴及各種有毒有害難降解的有機污染物。

生物修復的本質是生物降解，能否成功取決于生物降解速率，在生物修復中采取強化措施促進生物降解十分重要。這包括：

①接種微生物 目的是增加降解微生物數量，提高降解能力，針對不同的污染物可以接種人工篩選分離的高效降解微生物，接人單種、多種或一個降解菌群，人工構建的遺傳工程菌被認為是優選的接種微生物；

②添加微生物營養鹽 微生物的生長繁殖和降解活動需要充足均衡的營養，為了提高降解速度，需要添加缺少的營養物；

③提供電子受體 為使有機物的氧化降解途徑暢通，要提供充足的電子受體，一般為好氧環境提供氧，為厭氧環境的降解提供硝酸鹽；

④提供共代謝底物 共代謝有助于難降解有機話染物的生物降解；

⑤提高生物可利用性 低水溶性的疏水污染物難于被微生物所降解，利用表面活性劑、各種分散劑來提高污染物的溶解度，可提高生物可利用性；

⑥添加生物降解促進劑 一般使用H₂O₂可以明顯加快生物降解的速度。

    生態環境中的微生物是環境污染的直接承受者，環境狀況的任何變化都對微生物群落結構和生態功能產生影響，因此可以用微生物指示環境污染。由于微生物易變異，抗性強，微生物作為環境污染的指示物在應用上不及動物和植物廣泛而規范。但微生物的某些獨有的特性使微生物在環境監測中有特殊作用。

    糞便中腸道病原菌對水體的污染是引起霍亂、傷寒等流行病的主要原因。沙門氏菌、志賀氏菌等腸道病原菌數量少，檢出鑒定困難。因此不能把直接檢測病原菌作為常規的監測手段，從而提出了檢測與病原菌并存于腸道，且具相關性的“指示菌”，從它們的數量來判定水質污染程度和飲水(包括食品等)的**性。總大腸菌群是*基本的糞便污染指示菌，*常用的水質指標之一。檢測水體中總大腸菌群的方法主要是MPN(most probable number)試驗法和膜濾試驗法(memlbrane filtration test)。

    環境污染物的遺傳學效應主要表現在污染物的致突變作用，致突變作用是致癌和致畸的根本原因。具有致突變作用或懷疑具有致突變效能的化合物數量巨大，這就要求發展快速準確的檢測手段。微生物生長快的特點正適合這種要求，微生物監測被公認是對致突變物*好的初步檢測方法。

    現在被廣泛使用的是美國Ames教授等建立稱為Ames試驗的方法。其原理是利用鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium)的組氨酸營養缺陷型菌株在致突變物的作用下發生回復突變的性能，來檢測物質的致突變性。一般采用紙片點試法和平皿摻入法監測環境污染物的致突變性。當培養基中含有微量組氨酸時，傾注過量菌液的平板上形成一層微小的菌落，但當受到致突變物作用時，缺陷型菌株回復為野生型菌株，這時在培養基上長出明顯的菌落。

    發光細菌發光是菌體生理代謝正常的一種表現，這類菌在生長對數期發光能力極強。當環境條件**或有毒物質存在時，發光能力受到影響而減弱，其減弱程度與毒物的毒性大小和濃度成一定的比例關系。通過靈敏的光電測定裝置，檢查在毒物作用下發光菌的發光強度變化可以評價待測物的毒性。其中研究和應用*多的為明亮發光桿菌(Photobacterium phosphereum)。

    硝化細菌所進行的把銨離子(NH₄⁺)在好氧條件下氧化成硝酸根(NO₃^-)的硝化作用在生態系統的氮循環中有重要作用，這個過程只有微生物才能進行。用測定硝化細菌相對代謝率的方法檢測水及土壤中的有毒物，并以此評判水體、土壤環境及環境污染物的生物毒性，對于宏觀生態環境健康程度的評價有重要意義。

在環境污染的微生物監測中以上介紹的幾種方法重復性好，易于規范，可以作為標準的監測方法。依照同樣原理的其他微生物監測方法(以微生物組成、數量、代謝活性、遺傳特性為指標)也在不斷研究和使用。

1.微生物生態的核心問題是微生物與環境的相互關系，不同生態環境中微生物的組成和生態?%8