《原核微生物细菌》课件

原核微生物细菌的奇妙世界生命科学中最古老的生命形式地球上最广泛分布的生物类型对生态系统至关重要的微观生命什么是原核微生物单细胞结构广泛分布没有细胞存在于几乎所有地球环境中membrane-bound核主要类群包括细菌和古菌两大域细菌的发现历史年16761安东尼范列文虎克首次观察到细菌··世纪192罗伯特科赫建立微生物学基础·世纪203现代微生物学的关键突破细菌的基本结构细胞壁保护细胞形态和抵抗渗透压细胞膜控制物质进出的选择性屏障细胞质含和核糖体的胶状物质DNA质粒额外的环，携带特殊功能DNA细菌细胞壁的类型革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌细胞壁厚，含多层肽聚糖细胞壁薄，含外膜结构染色后呈紫色染色后呈红色如葡萄球菌、链球菌如大肠杆菌、沙门氏菌细菌的大小与形态典型大小微米

0.5-5常见形态球形球菌、杆形杆菌、螺旋形螺旋菌形态与环境适应性紧密相关细菌的遗传物质环状质粒DNA12单一染色体，无核膜包裹小型额外，携带抗性基因DNA基因组特点基因转移小而高效，编码密度大接合、转导和转化三种方式43细菌的繁殖方式复制DNA遗传物质复制准备分裂细胞生长细胞体积增大中央分隔隔膜形成分隔细胞分裂完成形成两个相同子细胞细菌的营养类型光合型利用光能合成有机物化能型从无机物氧化获取能量自养型利用合成有机物CO₂异养型分解有机物获取能量细菌的生存环境极端温度环境高压环境极端环境pH温度范围至耐受深海极端压力条件酸性和碱性环境中的适应-20°C121°C细菌的生态作用物质循环土壤形成植物共生分解废物促进碳、氮、磷等元参与岩石风化和有机根瘤菌固氮，帮助植分解死亡生物体和废素循环质分解物生长弃物有益细菌兆1001000+肠道菌群数量发酵食品种类维持人体消化和免疫健康乳酸菌参与酸奶和奶酪制作30%氧气产量海洋蓝细菌产生全球氧气致病细菌肺炎球菌引起肺炎和中耳炎结核分枝杆菌导致结核病沙门氏菌引起食物中毒耐甲氧西林金黄色葡萄球菌抗生素耐药性细菌的免疫防御机制细菌的运动方式鞭毛运动旋转运动器官推动细胞移动滑行运动分泌粘液在表面滑动趋化性向有利条件移动，远离不利条件轴丝运动螺旋体特有的弹性运动细菌的信号传导信号分子产生信号传递分泌化学信号物质通过环境扩散行为调节信号接收基因表达和行为改变细胞表面受体识别细菌分类系统形态学分类基于细胞形态、染色特性和结构生理学分类基于代谢特征和生化反应遗传学分类基于基因组序列和系统发育重要细菌门变形菌门包括大肠杆菌、沙门氏菌医学和研究中最重要放线菌门产生多种抗生素链霉素来源于链霉菌螺旋体门包括梅毒螺旋体具有独特的螺旋形态拟杆菌门肠道优势菌群参与消化和免疫功能工业中的细菌应用60%30%抗生素生产工业酶制剂多数抗生素由细菌生产洗涤剂和生物催化剂亿40生物技术市场细菌相关产业年产值医学中的细菌研究疫苗开发基因治疗微生物组研究预防传染病的重要手段利用细菌载体传递基因探索细菌与健康的关系细菌与抗生素年19281弗莱明发现青霉素年代19402抗生素广泛使用开始年代19503首次报道耐药性问题现在4超级细菌成为全球健康威胁极端环境中的细菌嗜热菌以上环境生存90°C嗜压菌深海个大气压环境生存1000嗜冷菌南极零下环境活跃生长农业中的细菌作用生物固氮作物保护根瘤菌将大气氮转化为植物可用形式苏云金芽孢杆菌产生生物杀虫剂促进生长土壤健康产生植物激素促进作物生长分解有机物提高土壤肥力细菌的进化历史亿年前351最早的细菌化石证据亿年前252蓝细菌导致大氧化事件亿年前103细菌与真核生物共生现在4细菌继续适应和进化细菌基因组学细菌的应激响应热休克反应产生热休克蛋白保护细胞结构反应SOS损伤后启动修复系统DNA包涵体形成产生内源物质抵抗不良环境休眠状态代谢活动极度降低等待条件改善细菌与环境适应基因调控代谢调节基因水平转移激活或抑制特定基因表达调整能量产生和利用方式获取有利基因产生适应性酶和蛋白质利用可利用底物快速适应新环境细菌生物膜初始粘附单个细菌粘附到表面微菌落形成细菌分裂形成小群体胞外基质产生分泌多糖和蛋白质基质成熟生物膜形成复杂三维结构细菌的代谢多样性有氧代谢利用氧气进行呼吸作用厌氧代谢无氧条件下发酵或厌氧呼吸特殊代谢途径硫还原、甲烷产生等特殊途径细菌与气候变化碳固定甲烷产生光合细菌吸收大气厌氧细菌释放强效温室气体CO₂海洋固碳冰核作用浮游细菌参与海洋碳循环促进云和冰的形成研究probiotics补充剂形式发酵食品肠道健康以胶囊或片剂形式提供酸奶和开菲尔中的活性菌群促进肠道菌群平衡细菌的生物技术应用药物生产生产抗生素和胰岛素基因工程2基因克隆和蛋白表达系统环境生物技术生物修复和污染物降解生物传感器环境监测和疾病检测细菌的生物合成初级代谢1生长必需的基础代谢产物次级代谢2非必需但有特殊功能的化合物抗生素合成3产生抑制其他微生物的物质酶和蛋白质4催化特定生化反应的分子细菌的生物发光发光机制荧光素酶催化反应提供能量ATP氧气参与反应海洋发光现象深海鱼类共生发光器官细菌与食品工业乳酸菌酸奶和奶酪发酵核心醋酸菌醋类制品发酵主角传统发酵食品依赖多种细菌协同作用细菌的生物防御细菌修复机制DNA切除修复同源重组错配修复光重活化移除损伤片段并利用姐妹染色体作为识别并修复复制直接修复紫外线导致DNA DNA重新合成模板修复错误的损伤细菌的生物地球化学循环氮循环碳循环1固氮、硝化、反硝化过程光合作用和有机物分解2磷循环硫循环4磷酸盐溶解和转化3硫化物氧化和硫酸盐还原细菌与海洋生态系统万10050%每毫升海水细菌数量海洋初级生产力贡献微小但数量巨大蓝细菌光合作用30%海洋碳固定微生物泵固定碳元素细菌的生物合成能力天然产物合成多种生物活性化合物抗生素已知抗生素来自细菌70%生物燃料产生生物乙醇和生物柴油工业酶生产洗涤剂和食品加工酶制剂细菌的种间相互作用协同作用互惠共生，共同利用资源拮抗作用分泌抑制物质抑制其他细菌共生关系与宿主形成互利共生竞争关系争夺有限营养资源和空间细菌的生物膜通讯信号分子产生合成小分子信号物质信号扩散信号分子在环境中扩散信号识别受体蛋白识别特定信号群体行为协调细胞群体应答细菌的进化适应基因突变1随机变异产生新特性水平基因转移2获取外来有利基因自然选择3有利特性被保留和扩增适应性进化4新环境中发展特化适应性细菌与人类健康肠道微生物组皮肤微生物组口腔微生物组参与消化和免疫调节保护皮肤免受病原体侵害口腔健康的重要组成部分细菌的生物技术前沿合成生物学1设计全新基因线路基因编辑精确改造细菌基因组细菌治疗利用细菌递送药物细菌的生态功能细菌的分子生物学转录后调控通过小和核糖开关调节1RNA翻译调控2控制蛋白质合成效率转录调控3启动子和转录因子相互作用复制DNA4基因组复制和细胞分裂协调细菌的生理学研究代谢调节细胞应激生长控制调节酶的活性和表达热休克反应细胞周期调控适应不同营养条件氧化应激反应生长速率与环境营养匮乏应对细胞分裂机制细菌与农业生态植物促生菌生物控制产生植物激素促进生长抑制植物病原体有机质分解生物固氮分解残体释放养分大气氮转化为植物可用形式细菌的生物信息学比较分析基因注释不同物种间基因组比较序列组装识别编码区和功能预测基因组测序将短序列拼接成完整基因组高通量测序技术DNA细菌的生物传感全细胞生物传感器利用活细菌检测环境变化酶基传感器细菌酶催化特定反应产生信号生物传感器DNA基于核酸识别特定目标物质抗体传感器细菌产生的抗体识别特定分子细菌的生物多样性细菌的生态适应性极端高温能在121°C水中生存极端寒冷南极冰下活跃代谢高辐射能耐受强辐射环境耐酸碱pH值0-13范围内生存细菌与能源产业亿60%25转化效率市场规模光合细菌太阳能转化率细菌生物燃料年产值40%碳减排与传统燃料相比减少排放细菌的生物治理生物修复石油降解重金属治理降解环境污染物处理石油泄漏吸收和转化有毒重金属废水处理分解有机污染物细菌研究的伦理问题生物安全基因编辑1防止危险菌株泄漏改造细菌的伦理界限2研究监管生物武器4平衡创新与安全3防止细菌用于恶意目的未来细菌研究方向合成生物学创造人工设计的细菌单细胞技术深入细菌个体水平研究细菌计算利用细菌进行信息处理精准医学细菌靶向治疗疾病细菌生命的奇迹多样性的奇迹适应性的奇迹共生的奇迹数百万种不同细菌种类能在地球任何环境中生存与各种生物形成互利关系细菌研究的科学意义基础研究揭示生命本质和基本生物学原理进化研究理解地球生命起源和进化历程生态研究探索微生物在生态系统中的关键作用应用研究开发新技术解决人类面临的挑战结语微生物的伟大生命的先驱微小但强大人类的伙伴地球上最古老的生命形式体积微小但数量庞大从疾病到健康的双重影响塑造了地球环境和大气存在于地球每个角落无数科技和医学应用。