《原核细胞微生物》课件

原核细胞微生物探索微观世界中最古老生命形式揭秘它们的结构特点和生物学特性课程概述原核细胞定义分类系统无核膜包围的原始细胞细菌界和古菌界两大类群课程结构原核细胞的基本特征简单细胞结构结构简单但功能完备1无细胞器2缺乏线粒体、叶绿体等膜绑定细胞器无核膜3直接悬浮在细胞质中DNA原核细胞与真核细胞的区别原核细胞真核细胞直径直径

0.5-5μm10-100μm无膜绑定细胞器有膜绑定细胞器环状线性形成染色体DNA DNA核糖体核糖体70S80S原核微生物的分类细菌界古菌界种类最为丰富的微生物群体生活在极端环境的原始微生物细菌的形态球菌球形，可单个、成对或链状排列杆菌杆状，长度与粗细比例各异螺旋菌螺旋状，可弯曲或刚性结构细菌的大小

0.5-5μm20nm平均直径最小细菌大多数细菌的典型尺寸范围拟菌原体，能通过滤菌器750μm最大细菌纳米古菌，肉眼可见细菌的基本结构细胞壁提供保护和形态支持细胞膜控制物质出入的选择性屏障细胞质含有酶和营养物质的流动性基质核区含有遗传物质但无核膜包围细胞壁革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌壁厚，主要成分为肽聚糖壁薄，外有脂多糖层染色后呈紫色染色后呈红色主要功能维持形态，抵抗渗透压抗生素作用靶点细胞膜结构特点磷脂双分子层嵌入蛋白质主要功能选择性通透，能量转换独特之处无类固醇，含特殊脂质细胞质胶体溶液核糖体含水的半流动状态结构，蛋白质合成场所70-80%70S酶系统包涵体代谢活动的生化机器贮存多糖、脂滴、气泡等核区核区特点基因组特点无核膜包围，无染色质结构环状双链，少量组蛋白DNA核糖体结合转录与翻译同时进行细菌的特殊结构鞭毛结构特点细长丝状，由鞭毛蛋白构成运动功能旋转运动带动细菌游动分布类型3单极、两极、周生、丛生菌毛结构细短管状蛋白结构，比鞭毛短主要功能黏附、细菌接合、感染力分布特点细胞表面均匀分布，数量多不同点不具运动能力，主要用于黏附荚膜组成成分保护功能致病作用多糖、蛋白质或二者抵抗吞噬细胞，抗干增强毒力，逃避免疫混合物燥防御细菌的繁殖方式二分裂芽殖分枝复制后细胞等分为两个子细胞细胞表面形成小芽，发育成子细胞细胞延长分枝，形成菌丝体DNA细菌的生长曲线时间小时细菌数量对数值影响细菌生长的因素温度最适温度，生长温度范围高温灭菌，低温保存值pH大多数在pH6-8生长最佳嗜酸菌，嗜碱菌氧气好氧，厌氧，兼性厌氧特殊气体需求营养碳源，氮源，生长因子最简培养基，复杂培养基细菌的代谢类型自养菌利用合成有机物CO₂异养菌利用现成有机物获能兼性菌可根据环境调整代谢方式细菌的呼吸方式好氧菌厌氧菌兼性厌氧菌微需氧菌必须有氧气存在氧气存在时无法生长有无氧气均可生长需低浓度氧气例醋酸菌，铜绿假单胞例梭菌属，甲烷菌例大肠杆菌，酵母菌例空肠弯曲菌菌细菌的遗传染色体1环状双链，含基本生存基因DNA质粒2额外遗传元件，携带非必需基因转座子3可移动片段，促进基因变异DNA细菌的基因转移转化吸收环境中裸露DNA接合通过性菌毛传递DNA转导噬菌体介导的传递DNA细菌的变异自发突变诱导突变复制错误导致基因改变物理化学因素导致损伤DNA DNA表观遗传基因重组4不改变序列的基因表达调控来自不同来源的片段组合DNA DNA古菌的特点与细菌的区别与真核生物相似性生存环境细胞壁无肽聚糖转录翻译机制极端温度、、盐度pH含特殊类脂分子复制方式海洋、湖泊、土壤DNA特殊和某些蛋白质结构人体和动物消化道tRNA rRNA古菌的分类泉古菌门广古菌门嗜热、嗜酸、还原硫产甲烷、嗜盐古菌纳古菌门较新发现，环境样本分离极端环境中的古菌嗜热古菌嗜盐古菌嗜酸古菌最适生长温度能在饱和盐溶液中生长值的极酸环境生存80-105°C pH0-2古菌的特殊代谢产甲烷古菌利用和氢气产生甲烷CO₂硫还原古菌用硫作为电子受体氨氧化古菌参与海洋氮循环原核微生物的生态作用能量流动环境净化光合作用，化能合成降解污染物，水处理物质循环物种互作分解者，养分释放共生关系，寄生关系原核微生物在氮循环中的作用硝化作用铵转化为亚硝酸盐和硝酸盐固氮作用将大气氮转化为铵离子反硝化作用硝酸盐还原为氮气原核微生物在碳循环中的作用有机物分解死亡生物质转化为CO₂甲烷产生厌氧条件下有机物降解产甲烷碳固定光合和化能自养固定CO₂原核微生物在硫循环中的作用硫的矿化有机硫化合物分解为硫化氢硫的氧化硫化物氧化为硫酸盐硫的还原硫酸盐还原为硫化氢原核微生物与人类的关系有益微生物有害微生物乳酸菌，根瘤菌炭疽杆菌，肺炎链球菌保护肠道，固氮致病，食物腐败中性微生物土壤常见菌，水体菌环境平衡，物质循环人体微生物组定义组成人体各部位微生物群落总和细菌、古菌、真菌等多种微生物代谢功能保护功能合成维生素，消化纤维素阻止病原体定植，增强免疫原核微生物与疾病感染性疾病病原菌入侵引起炎症反应机会性感染免疫力下降时正常菌群致病毒素危害外毒素和内毒素损伤组织常见的致病细菌葡萄球菌皮肤感染，食物中毒链球菌咽炎，猩红热，风湿热大肠杆菌肠道感染，尿路感染结核分枝杆菌肺结核，多器官结核细菌耐药性产生机制基因突变，耐药基因获得传播途径质粒转移，接合，转导防控措施合理用药，新药开发原核微生物在工业中的应用发酵工业生物制药环境治理酒精，乳酸，氨基酸胰岛素，抗生素，酶污水处理，土壤修复生产制剂原核微生物在农业中的应用生物肥料生物农药生长促进剂根瘤菌苏云金芽孢杆菌促生根际菌固氮增肥控制害虫产生植物激素原核微生物在食品工业中的应用原核微生物在环境保护中的应用95%80%污水净化率油污降解率活性污泥法处理城市污水石油降解菌处理海洋溢油70%重金属去除微生物吸附铅、汞等重金属原核微生物在能源领域的应用生物燃料微生物燃料电池乙醇发酵生产厌氧呼吸产生电流生物柴油转化废水处理同步发电生物制氢光合细菌产氢厌氧发酵产氢原核微生物研究方法分子生物学技术，测序，基因编辑1PCR DNA显微镜观察光学，电子，荧光显微镜培养技术分离培养，纯培养，富集原核微生物的分离与纯培养平板划线法多次划线稀释获得单菌落倾注平板法稀释样品与培养基混合倾注稀释平板法连续稀释后涂布平板原核微生物的鉴定方法形态学鉴定菌落特征，细胞形态，染色生理生化鉴定发酵特性，酶活性测定分子生物学鉴定3序列，基因组分析16S rRNA原核微生物的计数方法平板计数法最大可能数法直接计数法适用于活菌计数，结果为基于稀释灭绝原理的统计方法显微镜下直接计数，包括死细胞CFU/ml原核微生物的保藏方法低温保藏冻干保藏超低温，冰箱真空冷冻干燥，适合长期保存-70℃-20℃油封保藏无菌液体石蜡油覆盖，减少氧气原核微生物基因工程基因克隆基因表达基因编辑提取目标基因，构建重组转入宿主，诱导表达蛋白精确修改基因序列，改变性状DNA技术在原核微生物中的应用CRISPR-Cas9应用领域2功能基因研究，菌种改造技术原理1利用细菌的获得性免疫系统发展前景精准疗法，生物合成合成生物学与原核微生物最小基因组人工细胞生物传感器裸露支原体合成基因组环境污染监测最小基因集功能模块组装疾病早期检测原核微生物组学研究基因组学1全基因组测序，功能注释转录组学基因表达谱，调控网络蛋白质组学蛋白质组成，翻译后修饰代谢组学代谢物分析，代谢通路宏基因组学在原核微生物研究中的应用群落分析物种组成，多样性评估未可培养微生物绕过培养限制，获取基因信息功能基因挖掘新酶，抗生素，活性物质单细胞测序技术在原核微生物研究中的应用技术优势解决群体异质性，稀有物种研究技术原理单细胞分离，全基因组扩增，测序研究实例未培养古菌，共生微生物，稀有病原3体原核微生物与生物信息学数据库资源序列分析网络分析，，比对，进化树，基因预测代谢网络，信号通路NCBI UniProtKEGG序列，功能，代谢数据功能域识别，分类注释蛋白互作，调控网络原核微生物与进化生物学细菌出现古菌出现光合作用真核生物多细胞人类原核微生物与天体生物学极端微生物生命探索嗜热菌，耐辐射菌研究火星，木卫二潜在微生物生物标志物甲烷，氧气，有机分子痕迹原核微生物研究的前沿领域微生物暗物质群落互作微生物组工程未培养物种的基因功能研究微生物间通讯与协同代谢研究人工设计稳定功能微生物群原核微生物研究的伦理问题环境影响生态释放风险评估知识产权基因专利，菌种保藏权生物安全双用途研究，病原体管理原核微生物学科的发展前景跨学科融合与材料，信息，医学深度结合新技术应用单细胞技术，基因编辑，预测AI潜在突破点合成生物学，极端微生物，群落调控总结与展望重要意义生态平衡，产业应用，基础研究知识回顾原核生物的基本特征与多样性未来方向合成微生物，宏组学研究，人工智能应用。