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复习思考题及答案
第一章 微生物与工业微生物学
1.什么是微生物? 广义的微生物和工业微生物主要包括哪几大类?
答:
微生物是指所有形体微小, 单细胞或结构简单的多细胞, 或没有细胞结构的一群最低等的生物。
整个微生物家族的成员包括三大类: (1) 非细胞类微生物 (真病毒、 亚病毒 ); (2) 原核细胞类微生物 (细菌、 放线菌、 蓝细菌、 支原体、 立克次氏体、 衣原体); (3) 真核细胞类微生物 (酵母菌、 霉菌、 蕈菌、 藻类、 原生动物)。
以上三大类微生物中, 原核生物中的细菌、 放线菌, 真核生物中的酵母菌、 霉菌和蕈菌, 以及非细胞生物中的噬菌体, 是在工业上有重要用途或关系密切的微生物。
2.微生物具有哪些主要特性? 试简要说明之。
答:
微生物, 除了具有一般大型生物的共性外, 还带来了以下这些任何其它生物所不能比拟的特性:
(1)种类多 到当前为止, 人们已经发现并已认识的微生物种类大约有20万种, 其中绝大多数为较容易观察和培养的真菌、 藻类和原生动物等大型微生物。据粗略估计, 微生物的种类约为几百万种。人类已经开发利用的微生物则仅占已发现微生物种的约1%, 都是与人类的生活、 生产关系最密切的那些种类。另外, 在现有环境中还存在着极其大量的”不可培养的”( unculturable) 微生物。微生物种类多, 一方面还表现在微生物的生理代谢类型多, 另一方面还表现在微生物能产生和积累的代谢产物种类繁多。
(2)分布广 微生物因其形体微小、 重量轻, 故能够随着风和水流到处传播。在空气、 水、 土壤和动植物体表体内, 到处都充满了大量的各种微生物。能够说微生物是无处不有, 无孔不入, 几乎到处都是微生物活动的场所。只要环境条件合适, 它们就能够在那里大量地繁殖起来。凡是有动植物生存的地方都有微生物存在, 而没有动植物生存的地方也有微生物存在。因为一部分微生物具有特殊的抗逆性, 它们能够在某些恶劣的极端环境条件下生活, 被人们认为是生物圈上下限的开拓者和各种世界记录的保持者。
(3)繁殖快 微生物惊人的生长繁殖速度是其它任何生物都望尘莫及的。在最适宜的培养条件下, 人们最熟悉的大肠杆菌每13～20分钟就可分裂出新的一代。微生物繁殖速度快这一特性, 在发酵工业上有着重要的实践意义。
(4)代谢强 微生物的代谢强度比起高等生物要高出几百至几万倍。微生物代谢能力强主要表现在吸收多, 转化快。吸收多即”胃口大”。微生物代谢能力强这个特性, 为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础。其代谢能力强的主要原因是由于个体小, 比表面积大, 因此它们能够在细胞与环境之间迅速交换营养物质和代谢产物。同时, 它们在细胞内也会不断合成具有高活性的代谢酶类以适应自身迅速生长繁殖的需要。
(5)易变异 微生物容易发生变异的主要原因, 是个体多为单细胞或结构简单的多细胞, 甚至非细胞结构。因而在受到外界物理或化学因素影响后, 很容易引起细胞内的遗传物质发生突变, 结果导致遗传性状, 包括形态或生理表型上的变异。微生物易变异的另一个原因是细胞增殖速度快, 细胞数量多, 因而尽管其自发突变率很低, 也会造成在短时间内产生较多的变异后代。很显然, 微生物容易变异的特性对人类而言既有益又有害。
3.何谓微生物的分类、 鉴定和命名? 微生物的主要分类单位有哪些? 其命名法则怎样?
答: 微生物分类学的内容包括分类、 鉴定和命名三个部分。分类是根据微生物表型特征的相似性或系统发育的相关性进行分群归类, 编排成系统; 鉴定是依据现有的微生物分类系统, 经过各种特征描述和测试, 确定一个未知名微生物所应归属分类群的过程; 命名则是根据国际统一命名法则, 给予每个新发现的微生物一个特有的专用名称, 即学名。
微生物种以上的分类单位自上而下依次分为域、 界、 门、 纲、 目、 科、 属、 种共8级, 这是主要的分类单位。另外, 在两个主要分类单位之间, 还可添加亚门、 亚纲、 亚目、 亚科、 亚属、 亚种等次要分类单位。
微生物与其它生物一样, 按国际命名法规命名, 即采用双名法或三名法, 给每一种微生物取一个国际学术界都公认的科学名称, 即学名(scientific name)。每一个微生物的学名均由拉丁词、 希腊词或拉丁化的外来词组成, 在出版物中应排成斜体字。
4.若按六界系统分类, 生物可分为哪六界? 工业微生物在该分类系统中的位置怎样?
答: 若按1977年中国学者王大耜等在魏塔克( R. H. Whittaker) 主张五界系统的基础上再增加一个病毒界而形成的六界系统, 那么微生物在该分类系统中应分别属于病毒界、 原核生物界、 真核原生生物界和真菌界。工业微生物在该分类系统中的位于:
动物界
植物界
蕈 菌
真菌门 霉 菌
真菌界 酵母菌
粘菌门 — 粘菌
原生动物
生物分类系统 真核原生生物界 微 生 物
单细胞藻类
蓝色光合菌门 — 蓝细菌
原核生物界 放线菌
细菌门
细 菌
病毒界 — 病毒( 噬菌体)
5.微生物分类鉴定的主要依据是什么? 微生物的分类鉴定方法和技术可归纳为哪几种?
答: 微生物的分类是以它们的形态结构、 生理生化反应和遗传性等特征的异同为依据, 根据生物进化的规律, 将微生物进行分门别类, 并根据相似性或相关性水平编排成系统。微生物分类鉴定的主要依据包括:
(1) 经典的分类鉴定依据 微生物的形态特征、 微生物的生理生化特性、 微生物的生态特性、 血清学反应;
(2)现代的分类鉴定依据 细胞壁的化学成分、 细胞的其它化学成分、 DNA碱基比例 (GC比)、 DNA杂交率、 rRNA寡核昔酸序列同源性、 微生物全基因组序列。
6.现代工业微生物学的新发展主要表现在哪几方面? 展望新世纪的工业微生物学, 有哪些发展趋势?
答: 现代工业微生物学的新发展主要表现在:
(1) 20世纪50、 60年代, 受抗生素工业迅猛发展的影响, 工业微生物学史上开始出现寻找各种有益微生物代谢产物的热潮, 而且工业微生物产品逐步向生产少量而贵重的生物药物新产品的方向发展。在此期间, 工业微生物学在应用研究方面, 则向着更自觉更有效和可人为控制的方向发展。人们开始采用新的育种方法定向选育优良菌种, 以达到提高产品产量的目的。
(2) 从70年代初开始, 固定化酶和固定化菌体技术已逐步发展起来并应用于工业化生产, 它的优越性在于可连续、 稳定、 长时间地重复进行生物催化反应, 生产效率高, 易于控制、 节省原料和能源, 它使传统的微生物发酵工艺产生革命性的变化。
(3) 从80年代初开始, 各种微生物细胞的原生质体和原生质体之间的融合再生技术得到迅猛发展, 并已成为微生物发酵工业中的另一种重要而有效的育种手段。微生物种内、 异种间或异属间的细胞融合的结果形成了各种类型的重组融合体, 赋予了微生物新的遗传性状, 从而能产生新的组分, 新的代谢产物或提高某种产物的产量等。
(4) 随着分子生物学和分子遗传学的发展, 一门新兴的综合性的应用学科—生物工程学( 又称生物技术) 在世界范围内迅速地发展起来。生物工程技术体系主要包括基因工程、 细胞工程、 酶工程、 发酵工程( 微生物工程) 和生化工程。现代工业微生物学已经与基因工程、 细胞工程和酶工程等紧密结合起来, 在生物工程这个高科技前沿带中充分发挥其主角的作用并得到新的发展。
新世纪的工业微生物学发展趋势:
(1) 新世纪微生物基因组学研究, 将进一步扩大到与工业、 农业、 环境、 资源等密切相关的重要微生物, 将为进一步利用和改造微生物菌种产生质的飞跃, 将为不断地提高目标产物的生产水平或生产新的产物提供了可能性。 微生物将是新世纪进一步解决资源和能源等实际应用问题的最理想材料。
(2) 新世纪的工业微生物学将更广泛地与能源、 信息、 材料、 计算机等多种学科交叉、 渗透和结合。 因此加强学科间的交流和合作具有特别重要的意义, 它将开辟新的研究和应用领域, 并获得新的发展。微生物学的研究技术和方法, 将会在吸收其它学科的先进技术的基础上, 向自动化、 定向化和定量化发展。
(3) 21世纪, 微生物产业将呈现全新的局面, 除了更广泛地利用和挖掘不同生境 (包括极端环境)的自然资源微生物外, 基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌, 生产外源基因表示的产物, 特别是药物的生产将出现前所未有的新局面。结合基因组学在药物设计上的新策略, 将出现以核酸为靶标的新药物的大量生产, 微生物制药工业的生产水平将进一步提高。在新世纪人类将完全征服癌症、 艾滋病以及其它特殊的疾病。
(4) 在21世纪, 随着工业生物技术高潮的到来, 将出现一批崭新的微生物工业, 将生产出各种各样的新产品, 例如降解性塑料、 DNA芯片、 生物能源、 精细化学品等, 为全世界的经济和社会发展作出更大贡献。
第二章 重要的工业微生物
1. 细菌有哪几种基本形态? 其大小及繁殖方式如何?
答: 细菌按其个体形态, 基本上可分为球状、 杆状、 螺旋状三种, 分别称为球菌、 杆菌和螺旋菌。
球菌大小以其直径表示, 大多数球菌的直径为0.5~1μm; 杆菌大小以其宽度和长度表示, 多数杆菌的宽度与球菌直径相近, 其长度则为宽度的1倍至几倍 (约0.5~5μm); 螺旋菌大小也以其宽度和长度表示, 但长度一般是指菌体两端点间的距离, 并非真正的长度。 多数螺旋菌大小为0.3 ~ 1 ´ 1 ~ 50μm。
细菌一般进行无性繁殖, 最主要的无性繁殖方式是裂殖, 即一个细胞经过分裂(二分分裂或折断分裂), 结果由一个母细胞形成大小基本相等的两个子细胞。有少数芽生细菌能象酵母菌一样进行芽殖, 即在母细胞一端先形成一个小突起, 待其长大后再与母细胞分离的一种繁殖方式。另外, 还有极少数细菌种类( 主要是大肠杆菌) , 在实验室条件下能经过性菌毛进行有性接合。
2. 试述细菌细胞的一般结构、 化学组成及其主要生理功能。
答: 一般结构是指一般细菌细胞共同具有的结构, 包括细胞壁、 细胞质膜、 核质体和细胞质等。
(1) 细胞壁 革兰氏阳性细菌细胞壁较厚(20 ~ 80 nm), 机械强度较高, 化学组成较简单, 主要含肽聚糖和磷壁酸; 革兰氏阴性细菌细胞壁较薄, 机械强度较低, 但层次较多, 成分较复杂, 主要成分除蛋白质、 肽聚糖和脂多糖外, 还有磷脂质、 脂蛋白等。细胞壁的主要功能是: ①维持细胞外形, 保护细胞免受外力( 机械性或渗透压) 的损伤; ②作为鞭毛运动的支点; ③为细胞的正常分裂增殖所必须; ④具有一定屏障作用, 对大分子或有害物质起阻拦作用; ⑤与细菌的抗原性、 致病性及对噬菌体的敏感性密切相关。
(2) 细胞质膜 细胞质膜的结构可表述为液态镶嵌模型(fluid mosaic model), 即由具有高度定向性的磷脂双分子层中镶嵌着可移动的膜蛋白构成。其化学组成主要是蛋白质( 占50%~70%) 和脂类( 占20%~30%) , 还有少量的核酸和糖类。脂类主要是磷脂, 每一个磷脂分子由一个带正电荷的亲水极性头( 含氮碱、 磷酸、 甘油) 和两条不带电荷的疏水非极性尾( 长链饱和与不饱和脂肪酸) 组成。非极性尾的长度和饱和度因细菌种类和生长温度而异。
细胞质膜的生理功能主要是: ① 具有高度的选择透性, 控制营养物质的吸收及代谢产物的排除, 是维持细胞内正常渗透压的结构屏障; ② 含有各种呼吸酶系, 是氧化磷酸化或光合磷酸化产生ATP的部位; ③ 是细胞壁和糖被的各种组分生物合成的场所; ④ 质膜上的间体与DNA复制分离及细胞间隔形成密切相关; ⑤ 是鞭毛的着生点并为其运动提供能量。
(3) 核质体 核质体实际上是一条很长的环状双链DNA 与少量类组蛋白及RNA结合, 经有组织地高度压缩缠绕而成的一团丝状结构, 一般称之为细菌染色体( 图2 – 12) 。细菌染色体中心有膜蛋白核心构架, 构架上结合着几十个超螺旋结构的DNA环, 而类核小体环不规则分布在DNA链上。其功能是起贮存遗传信息和传递遗传性状的重要作用。
(4) 细胞质 主要化学成分是水(约占80%)、 蛋白质、 核酸、 脂类, 少量糖类及无机盐类。一般细菌细胞质中主要含有核糖体、 贮藏物、 酶类、 中间代谢物、 质粒、 各种营养物质和大分子的单体等。少数细菌还含有磁小体、 羧酶体、 气泡等组分。
其中, 核糖体是由核糖核酸和蛋白质组成的微粒, 由50S大亚基和30S小亚基组成, 每个细菌细胞约含1万个, 是合成蛋白质( 酶) 的场所。贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性颗粒, 主要功能是贮存营养物和提供碳源、 能源、 氮源和磷源等, 其种类主要有: 糖原颗粒、 聚b-羟基丁酸颗粒、 硫颗粒、 藻青蛋白、 异染粒等。
3. 细菌细胞的特殊结构包括哪些部分? 各有哪些生理功能?
答: 特殊结构是指仅在某些细菌细胞才具有的或仅在特殊条件下才能形成的结构, 包括糖被、 鞭毛、 菌毛和芽孢等。
(1) 糖被 糖被的生理功能主要是: ①起保护作用, 使细菌能抗干燥、 抗噬菌体吸附、 抗白细胞吞噬; ②是菌体外的贮存物质, 营养缺乏时可作为碳源和能源利用; ③可使菌体附着于某些物体表面; ④作为透性屏障, 使细菌免受重金属离子毒害。
(2) 鞭毛 鞭毛的生理功能是运动, 鞭毛的运动引起菌体的运动, 以实现其趋性 (包括趋化性、 趋氧性、 趋光性等),其运动方式有泳动、 滑动、 滚动或旋转。
(3) 菌毛 普通菌毛的主要功能是使细菌较牢固地粘附在动植物细胞或组织的表面, 即作为细菌感染动植物组织( 如呼吸道、 消化道和泌尿生殖道等的粘膜) 的粘附器官。性菌毛是雄性菌株(供体菌)在有性接合过程中, 向雌性菌株(受体菌)传递遗传物质的通道。另外, 某些RNA噬菌体( 如M13) 以性菌毛作为特异性吸附受体。
(4) 芽孢 一个细菌只形成一个芽孢, 一个芽孢萌发为一个营养细胞, 故细菌产芽孢并无繁殖功能, 而是产芽孢细菌生存的一种形式。与营养细胞相比, 休眠状态的生芽孢细胞对热、 辐射、 干燥和化学药品等恶劣环境具有极强的抵抗能力。
4. 简单表述肽聚糖的组成和结构。革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁结构和组成有何不同?
答: 每一肽聚糖单体由3部分组成: ①双糖: 由N—乙酰葡萄糖胺( NAG) 与N—乙酰胞壁酸( NAM) 经过β-1,4-糖昔键相连形成双糖单位(易被溶菌酶水解); ( 图2 – 7) ② 短肽(四肽尾): 由4个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成, 短肽接在N—乙酰胞壁酸( NAM) 上; ③ 肽桥(肽间桥): 起着连接前后2个短肽分子的作用, 其组成分具有多样性, 如金黄色葡萄球菌的肽桥为－(Gly)5－, 而大肠杆菌的肽桥为－CO·NH－。
肽聚糖的结构可简单表述为: 由N—乙酰葡萄糖胺( NAG) 与N—乙酰胞壁酸( NAM) 重复交替连接构成骨架, 接在N—乙酰胞壁酸上的相邻短肽由肽桥再交叉相联, 形成致密的多层网状结构。短肽和肽桥的组成分及联接方式依不同种类细菌而异。
革兰氏阳性细菌细胞壁较厚(20 ~ 80 nm), 机械强度较高, 化学组成较简单, 主要含肽聚糖和磷壁酸; 革兰氏阴性细菌细胞壁较薄, 机械强度较低, 但层次较多, 成分较复杂, 主要成分除蛋白质、 肽聚糖和脂多糖外, 还有磷脂质、 脂蛋白等。
5. 什么是革兰氏染色法? 其基本原理及操作步骤怎样?
答: 1884年, 丹麦医生革兰氏( Gram) 创造了一种重要的细菌鉴别染色法称革兰氏染色法 (Gram stain)。该染色法的步骤是: ( 1) 先用结晶紫液初染; ( 2) 再用碘液媒染( 与结晶紫形成不溶于水的复合物) ; ( 3) 接着用95%乙醇进行脱色; ( 4) 最后再用番红( 沙黄) 液复染。经过这种染色方法能够将所有细菌基本上区分为两大类:
革兰氏阳性细菌(Gram positive bacteria): 原经( 1) ( 2) 步已染上的紫色复合物不被乙醇洗脱仍保持紫色, 称革兰氏阳性( G +) 。
革兰氏阴性细菌(Gram negative bacteria): 原已染上的紫色复合物易被乙醇洗脱, 又变成无色菌体最后则被番红复染而呈红色, 称革兰氏阴性( G—) 。
革兰氏染色反应机理: 一般认为, 革兰氏阳性细菌细胞壁较厚而紧密, 肽聚糖网层次多、 交联致密, 不含类脂质。当用乙醇脱色时, 因失水而引起肽聚糖层网格结构的孔径缩小乃至关闭, 阻止了结晶紫—碘复合物的洗脱, 故菌体最后仍呈紫色或紫红色; 相反, 革兰氏阴性细菌因其细胞壁薄, 外膜层的类脂含量高, 而肽聚糖层薄和交联度差, 当乙醇脱色时, 外膜层的物质迅速被溶解, 通透性增大, 结晶紫—碘复合物被抽提洗脱, 细胞褪成无色, 再经沙黄等红色染料复染, 结果阴性菌呈现红色。
6. 什么是原核生物? 哪些微生物属于原核生物?
答: 原核微生物 — 这类微生物细胞中的核比较原始简单, 没有核膜包围, 不具核仁和典型的染色体, 也没有固定形态。主要包括: 细菌、 放线菌、 蓝细菌、 支原体、 立克次氏体和衣原体等, 在工业上有重要作用的原核微生物主要是细菌、 放线菌和蓝细菌。
7. 请解释下列名词: 菌落、 菌苔, 单菌落、 菌膜、 菌落特征。
菌落 细菌接种在固体培养基后, 在适宜的条件下以母细胞为中心迅速生长繁殖所形成的肉眼可见的子细胞堆团, 称为菌落( colony) 。
菌苔 将某一纯种细菌的大量细胞密集地划线( 直线或之字线) 接种到琼脂斜面上, 培养2 ~ 4天后, 每个细胞长成的菌落相互联接成一片, 称为菌苔( lawn) 。
单菌落 由一个单细胞繁殖而成的菌落则称之为单菌落, 可认为是细菌的纯培养物即纯种。
菌膜 好氧细菌在试管的液体培养基中静置培养后, 在液体表面的生长状态。
菌落特征 在一定的培养条件下, 各种细菌在固体培养基表面所形成的菌落具有一定的形态、 构造等特征。
8. 试述工业上常见几种细菌 (大肠杆菌、 谷氨酸棒状杆菌、 乳酸杆菌、 双歧杆菌、 枯草芽孢杆菌)的学名、 用途及细胞形态特征。
答: 工业上常见几种细菌的学名、 用途及细胞形态特征:
大肠杆菌 (Escherichia coli) 大肠埃希氏菌, 俗称大肠杆菌。菌体呈短杆或长杆状, 0.5～1.0×1.0～3.0 µm, 革兰氏阴性, 运动(周毛)或不运动, 无芽孢, 一般无荚膜。菌落呈白色至黄白色, 扩展, 光滑, 闪光。大肠杆菌的用途主要有: 制取氨基酸、 制备多种酶、 作为基因工程受体菌、 作为水和食品中微生物学检验的指示菌。
谷氨酸棒状杆菌 (Corynebacterium glutamicum) 为直到微弯的杆菌, 常呈一端膨大的棒状, 行折断分裂而成八字形排列或栅状排列。大多数种不运动。革兰氏阳性。 棒状杆菌的用途主要有: 高产谷氨酸、 生产其它多种氨基酸、 生产5′－核苷酸、 水杨酸、 棒状杆菌素等。
乳酸杆菌( Lactobacillus SP.) 为革兰氏阳性菌( 老培养物中的细胞可能是阴性) , 大小一般为0.5～1×2～10 μm, 形成长丝, 单个或成链。无芽孢, 多数不运动。乳酸杆菌的主要用途有: 工业生产乳酸、 发酵生产乳制品、 生产其它乳酸发酵食品、 生产药用乳酸菌制剂、 生产禽畜益生菌制剂。
双歧杆菌( Bifidobacterium SP.) 菌体细胞呈现多形态, 有的呈较规则形短杆状, 有的为纤细杆状带有尖细末端, 有的呈长而弯曲状, 也有的呈各种分枝或分叉形、 棍棒状或匙形。单个或链状, V形、 栅状排列, 或聚集成星状。革兰氏阳性、 不形成芽孢、 不运动。双歧杆菌的主要用途有: 生产微生态制剂、 生产含活性双歧杆菌的乳制品。以双歧杆菌和嗜酸乳杆菌为主、 再辅以嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌等菌种, 混种发酵生产而成的酸乳, 是一种具有很好保健作用的功能性食品。
枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis) 俗称枯草杆菌。细胞0.7～1×2～3 μm, 直杆状, 单个, 着色均匀, 无荚膜, 运动( 周生鞭毛) , 革兰氏染色阳性。芽孢小于或等于细胞宽, 椭圆至圆柱状, 中生至近中生, 壁薄。菌落粗糙, 不透明, 不闪光, 扩展, 污白色或微黄色。枯草芽孢杆菌的用途主要有: 生产各种酶制剂、 发酵生产核苷、 生产某些抗生素、 生产各种多肽、 蛋白质类药物和酶。
9. 试述放线菌的形态特征和细胞的结构。
答: 放线菌菌体是由分枝状菌丝组成的(图2 – 29), 菌丝细胞在培养生长阶段无横隔膜, 故一般都呈多核的单细胞状态。以种类最多(约500种)、 形态特征最典型的链霉菌为例, 其菌丝可分为营养菌丝、 气生菌丝和孢子丝三种: 基内菌丝、 气生菌丝、 孢子丝。孢子丝成熟后, 可形成各种各样形态不同的分生孢子。
放线菌菌丝细胞的结构基本上与细菌相似, 细胞壁主要也由肽聚糖组成, 但各种放线菌细胞壁所含肽聚糖的组成分有所不同。细胞壁化学组成中也含有原核生物所特有的胞壁酸和二氨基庚二酸, 而不含几丁质或纤维素。在幼龄菌丝细胞中有明显的核质体( 拟核) , 且为数众多。菌丝细胞革兰氏染色一般呈阳性反应。
10.放线菌孢子形成的方式可归纳为哪几种?
答: 放线菌孢子形成的方式可归纳为以下三种: (1) 横隔分裂形成分生孢子, 如链霉菌、 诺卡氏菌,; (2) 形成孢子囊产生孢囊孢子, 如链孢囊菌和游动放线菌; (3) 在菌丝顶端形成少量孢子, 如小单孢菌。
11.为什么说放线菌是介于细菌和真菌之间而又更接近于细菌的一类原核微生物?
答: (1)放线菌与霉菌相似之处
放线菌和霉菌都具有显著分枝的菌丝, 菌丝的生长和分枝方式也很相似, 而且多数都能产生分生孢子并以分生孢子进行无性繁殖。很多放线菌在液体培养基中的生长状态(形成菌丝球)也与霉菌相似。在琼脂培养基上生长形成的老龄菌落与某些霉菌( 如青霉) 相似。
(2)放线菌与细菌相同或相似之处
放线菌的菌丝和孢子的宽度与杆菌的宽度很相仿( 约1μm) , 但比霉菌菌丝细得多; 幼龄放线菌的菌落大小和表面特征与某些细菌很相似。
放线菌的菌丝细胞结构基本上与细菌细胞相同, 都属于原核生物, 无核膜、 核仁和典型染色体, 细胞壁的主要成分是肽聚糖, 含有原核细胞壁特有的胞壁酸和二氨基庚二酸, 一般革兰氏染色阳性; 放线菌噬菌体的形状与细菌的相似; 与细菌一样对溶菌酶敏感。另外放线菌的最适生长pH为中性至微碱性, 与多数细菌基本相同。
基于上述的比较, 可见放线菌是一类在形态上介于细菌和霉菌之间, 但在分类学上, 在亲缘关系上却与细菌十分接近的原核微生物。
12.放线菌有何用途? 试举例说明放线菌在生物制药工业上的重要性。
放线菌的最突出特性是能产生各种各样大量的抗生素。抗生素作为最主要的抗感染药物, 使人类基本上控制了传染病的危害。至今已发现的约1万种抗生素中, 由放线菌产生的就约占70%。
放线菌的次生代谢产物可用于制备酶抑制剂、 抗癌剂、 免疫调节剂、 受体拮抗剂等许多新的微生物药物; 有的放线菌在工业上还用于生产酶制剂和维生素。另外, 放线菌在甾体转化、 石油脱腊、 烃类发酵、 污水处理和环境保护等方面也有重要作用。
例如链霉菌属是放线菌中最大的一个属, 种类繁多。而且其中有一半以上能产生抗生素。所有由放线菌产生的抗生素中。约有90 %是由链霉菌属产生的。链霉菌在生物制药工业上的主要用途有: 生产多种重要的抗生素、 生产多种酶类、 生产各种酶抑制剂、 生产维生素。
13.酵母菌细胞结构与细菌细胞结构主要有哪些不同?
答: 酵母菌的细胞主要由细胞壁、 细胞膜、 细胞质、 细胞核、 液泡和线粒体等构成。
酵母细胞壁与细菌细胞壁相比, 在坚韧性上较差, 在结构和组成分上也大不相同。酵母细胞壁可分三层: 外层的组成分是甘露聚糖 (mannan) 和磷酸甘露聚糖, 约占40 %~ 45%; 中间层是蛋白质, 约占5% ~ 10%, 其中有些是与甘露聚糖相结合的各种酶类( 如葡聚糖酶、 蔗糖酶、 脂酶等) ; 内层的组成分是葡聚糖 (glucan), 约占35%~ 45%, 为分枝状聚合物, 是维持细胞壁机械强度的主要成分。另外, 细胞壁中还含有酯类( 3% ~ 8%) 、 少量几丁质( 1% ~ 2%) 和灰分。
酵母菌为真核微生物, 其细胞核由双层多孔核膜包裹着, 膜孔直径约为80 ~ 100 nm, 用以增大膜的透性和膜内外的物质交换。细胞核中含有由DNA和组蛋白结合而成的线状典型染色体。
在有氧时生长的酵母细胞质中, 分布有一种数目较多, 棒状或圆筒状, 大小为0.3 ~ 1×0.5 ~ 3 μm的细胞器 — 线粒体 (mitochondrion)。在老龄的酵母细胞质中, 出现一个被单层膜包围的液泡( vacuole) 。
14.真核生物与原核生物在细胞核结构上有何不同? 哪些微生物属于真核生物?
答: 原核微生物 — 这类微生物细胞中的核比较原始简单, 没有核膜包围, 不具核仁和典型的染色体, 也没有固定形态。主要包括: 细菌、 放线菌、 蓝细菌、 支原体、 立克次氏体和衣原体等, 在工业上有重要作用的原核微生物主要是细菌、 放线菌和蓝细菌。
真核微生物 — 该类微生物的细胞具有真正的核, 细胞核有核膜包围, 核内有核仁和染色体, 细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器。主要的真核微生物有: 酵母菌、 霉菌( 丝状真菌) 、 蕈菌( 大型真菌) 、 藻类和原生动物。本章将着重介绍在工业上用途最广的酵母菌、 霉菌和蕈菌。
15.酵母菌的繁殖方式与细菌有何不同?
答: 酵母菌的繁殖方式可分为无性繁殖和有性繁殖两种方式。无性繁殖主要有芽殖、 裂殖、 产无性孢子( 节孢子、 掷孢子、 厚垣孢子) 等三种方式, 而有性繁殖则以产生有性孢子—子囊孢子的方式进行繁殖。其中, 最典型和最主要的繁殖方式是芽殖、 裂殖和产子囊孢子
细菌一般进行无性繁殖, 最主要的无性繁殖方式是裂殖, 即一个细胞经过分裂(二分分裂或折断分裂), 结果由一个母细胞形成大小基本相等的两个子细胞。有少数芽生细菌能象酵母菌一样进行芽殖,。
16.工业上常见的酵母菌主要有哪些? 它们各有何特性和用途?
答: 工业上常见的酵母菌主要有:
(1) 酿酒酵母( Saccharomyces cerevisiae) 主要用途有: 用于生产酒精( 乙醇) 、 用于生产白酒和其它饮料酒、 用于食品工业生产多种食品、 用于医药工业生产各种医药品。
(2)卡尔斯伯酵母( Saccharomyces carlsbergensis) 主要用途有: 用于生产啤酒、 生产食用药用和饲料酵母、 提取麦角固醇( 含量较高) 、 作为维生素测定菌等。
(3)异常汉逊氏酵母 (Hansenula anomala) 用途主要有: 用于增加食品的味、 生产单细胞蛋白、 某些药物、 制造发酵食品等。
(4)假丝酵母 (Candida sp. ) 用途主要有: 生产酵母蛋白作为人畜可食的蛋白质、 石油发酵脱蜡并制取饲料蛋白、 由烷烃发酵生产柠檬酸等有机酸。
17.鉴别啤酒酵母菌种质量的指标主要有哪几项?
答: (1) 酵母细胞数一般约为1亿 / ml, 是反映酵母繁殖能力和培养成熟的指标 ; (2) 酵母出芽率要求在15% ~30%,是衡量繁殖是否旺盛的指标 ; (3) 酵母死亡率应在1%以下, 正常培养的酒母不应有死亡现象。
18.列表比较根霉、 曲霉和青霉形态结构的异同?
答: 根霉、 曲霉和青霉形态结构的异同(由学生自行列表比较):
根霉 (rhizopus) 的菌丝无横膈膜, 单细胞。菌丝体白色, 气生性强, 在固体培养基上迅速生长交织成疏松的棉絮状菌落, 可蔓延充满整个培养皿。
根霉在固体培养基上或自然培养物上生长时, 由营养菌丝体产生具有延伸功能的弧形匍匐菌丝 (stolon), 在培养基表面向四周蔓延生长。由匍匐菌丝分化出分枝状的假根 (rhizoid), 接触基质并吸取养分。在与假根相正确方向上生出孢囊梗( 柄) , 顶端膨大形成孢子囊, 内生孢子囊孢子。孢子囊内有一近球形的囊轴, 囊轴茎部与梗相连处有囊托。孢子囊成熟后, 孢子囊壁消解或破裂, 可释放出大量的孢子囊孢子。
曲霉 (aspergillus) 的菌丝有横膈膜, 为多细胞丝状真菌。某些菌丝细胞特化膨大成为厚壁的足细胞, 由足细胞生出直立的分生孢子梗( 无横隔) , 顶部膨大形成球形的顶囊。在顶囊的表面以放射状生出一层或两层小梗( 初生小梗、 次生小梗) , 小梗的顶端着生成串的分生孢子。顶囊、 小梗及分生孢子链一起构成分生孢子穗( 或分生孢子头) , 分生孢子穗具有各种不同的颜色和形状 。
青霉 ( penicillium ) 的菌丝与曲霉相似, 有横隔, 多细胞, 但无足细胞。分生孢子梗( 也有横隔) 直接由气生菌丝生出, 顶端不膨大成为顶囊, 而是经过多次分枝成为帚状枝( 孢子穗) 。帚状枝是由单轮、 二轮或多轮分枝构成, 对称或不对称。最后一轮分枝称为小梗, 在小梗顶端产生成串的蓝绿色分生孢子。有极少数青霉能产生闭囊壳, 内生子囊和子囊孢子。
19.霉菌的繁殖方式怎样? 霉菌可产生哪些无性孢子和有性孢子?
答: 在正常自然条件下, 霉菌是经过气生菌丝分化出各种形态的子实体, 如孢子囊、 分生孢子穗、 分生孢子器和子囊果等, 再产生各种无性孢子( 孢子囊孢子、 分生孢子、 厚垣孢子、 节孢子、 芽孢子等) 和有性孢子( 接合孢子、 子囊孢子、 卵孢子等) 分别进行无性和有性两种繁殖方式。
20.试述工业上常见几种霉菌的主要特性、 用途及分类位置。
答: 工业上常见几种霉菌的主要特性、 用途及分类位置:
(1)根霉 根霉具有活力强大的淀粉酶, 其中糖化型淀粉酶与液化型淀粉酶的比例约为3.3: 1, 可见其糖化型淀粉酶特别丰富, 活力强大, 能将淀粉结构中的α―1, 4糖苷键和α―1, 6糖苷键打断, 最终较完全地将淀粉转化为纯度较高的葡萄糖。根霉除具有糖化作用外, 还能产生少量乙醇和乳酸。根霉的主要用途有: 用于制曲酿酒、 生产葡萄糖、 生产酶制剂、 生产有机酸、 生产发酵食品、 用于医药工业。
(2)毛霉 毛霉大都能生产活力强大的蛋白酶, 有很强的分解大豆的能力。毛霉可产生多种酶类和各种有机酸。毛霉的用途主要有: 发酵生产大豆制品、 生产多种酶类、 生产有机酸、 转化甾体化合物。
(3)曲霉 曲霉属的菌种具有很多活力强大的酶, 如淀粉酶、 蛋白酶、 果胶酶、 葡萄糖氧化酶、 纤维素酶和半纤维素酶、 柚苷酶和橙皮苷酶、 脱氧核糖核酸酶等。曲霉是一类具有重要经济价值而被广泛应用的真菌, 主要用途有: 生产传统发酵食品、 生产多种重要的酶制剂、 工业化大量生产柠檬酸、 生产多种其它有机酸、 生产多种真菌类抗生素、 生产真菌毒素、 甾体化合物的转化等。
(4)青霉 青霉属中的点青霉 (P. notatum)又称音符型青霉, 是第一个用于生产青霉素的菌种。1943年开始改用产黄青霉( P. chrysogenum) , 又称橄榄型青霉, 进行工业化大量生产青霉素。青霉还可生产其它抗生素 (灰黄霉素、 桔霉素、 岛青霉肽、 苹果菌素和扩展霉素等), 生产有机酸(葡萄糖酸、 柠檬酸、 抗坏血酸等), 生产多种酶类(葡萄糖氧化酶、 中性碱性蛋白酶、 酰化酶、 5′―磷酸二酯酶、 脂肪酶、 凝乳酶、 真菌细胞壁溶解酶)等。
(5)头孢霉 头孢霉 ( cephalosporium ) 的主要用途有: 发酵生产头孢菌素C、 生产半合成新头孢菌素类抗生素。
21.画出根霉、 曲霉和青霉形态简图, 并注明各部分的名称。
答:
青霉
根 霉 曲 霉
22.列表比较细菌、 放线菌、 酵母菌和霉菌的个体形态、 细胞结构、 繁殖方式的特点。
答: 由学生自行填入下表:
细 菌
放线菌
酵母菌
霉 菌
个体形态
细胞结构
繁殖方式
23.如何在显微镜下区分上述四大类微生物?
答: 细菌 菌体微小透明, 一般要经染色并用油镜(( 1000~1500倍) )才能看清其个体形态(球状、 杆菌、 螺旋状); 酵母菌 菌体细胞较大, 可直接制成水浸片用高倍镜( 400~600倍) 观察其活细胞( 椭园或卵园形, 往往有芽细胞) ; 放线菌 一般要经染色, 用油镜或高倍镜观察其微小分枝的菌丝体; 霉菌 一般不必经染色, 用低倍镜( 100~150倍) 就可观察其较粗且分枝的菌丝体和子实体(孢子头)。
24.列表比较细菌、 放线菌、 酵母菌和霉菌菌落的形态特点。
答: 由学生自行填入下表:
细菌菌落
酵母菌菌落
放线菌菌落
霉菌菌落
25.如何从平板上区分上述四大类微生物? 其菌落形态与细胞形态有何联系?
答: 按上表列出的细菌、 放线菌、 酵母菌和霉菌菌落的形态特点的不同回答第一个问题。
个体形态与群体形态之间存在的明显相关性。以细菌为例, 多数细菌的菌落一般呈现湿润、 光滑、 粘稠、 较透明、 易挑取、 质地均匀、 颜色较一致等共同特征。但由于不同细菌细胞在个体形态结构上和生理类型上的各种差别, 因此必然会极其密切地反映在上述各种菌落特征上。
例如, 生有粘液层的细菌菌落, 一般较大型, 呈透明的蛋清状; 生芽孢细菌的菌落往往外观不透明, 表面干燥粗糙; 无鞭毛、 不能运动的球菌一般都形成小而厚、 边缘整齐的半球形菌落; 长有鞭毛、 有运动性的细菌一般都长成大而平、 边缘缺刻的不规则形菌落等等。
细菌这种在个体形态与群体形态之间存在的明显相关性, 对许多微生物学实验和研究工作很有参考价值。
26.蕈菌在生长发育过程中, 菌丝的分化可分成哪四个阶段?
答: 可分成下列四个阶段: (1) 形成由单核细胞构成的菌丝(一级菌丝); (2) 形成由双核细胞构成的菌丝(二级菌丝); (3) 分化形成菌丝束或菌丝球 (三级菌丝); (4) 形成大型肉质子实体。
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