第十三章 微生物物种的多样性
第十三章微生物物种的多样性
生物多样性包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性等。它们是由进化而形成的，不仅直接为人类提供了食品、药物、纺织品、燃料、材料等，而且还通过参与物质循环来维持地球上生命所必需的生存环境。因此，保护生物的多样性，就是保护人类自己。微生物多样性是生物多样性的重要组成部分，而且有其独特之处，起着不可替代的作用。
前几章已对微生物遗传多样性、生态系统多样性等作了阐述。本章将阐明其物种的多样性，简要的介绍原核微生物(真细菌、古生菌)和真核微生物(真菌、粘菌、单细胞藻类、原生动物)的多样性。
第一节真细菌的多样性
一、真细菌系统发育总观
对细菌的系统发育以往的概念是根据类群的表型特征(主要是形态特征和生理生化特征及少量
的遗传特征)来判断它们的系统发育和进化途径。而通过细菌16s rRNA的序列分析已经揭示出，不同细菌本身保守的16SrRNA寡核苷酸序列才是识别系统发育的标记。据此，细菌的系统发育包括12个独特的类群(图13-1)。
图13-1 细菌的系统发育树
类群1. 紫色光合细菌及其有关细菌：
目前将类群1称为变形细菌(Proteobacterium)。是细菌中包括的属最多而且在生理特性上最具有多样性，由α、β、γ、δ、和ε5个亚门组成。其中能进行光合作用的紫色细菌包括在α、β和γ3个亚门中，但一些有机化能营养的属，如：埃希氏菌属、假单胞菌属、醋单胞菌属和一些无机化能营养的属，如：硝化杆菌属、亚硝化单胞菌属、贝日阿托氏菌属等也包括在这3个亚门中。δ和ε2个亚门只包括非光合作用的细菌。
尽管所有的肠道细菌、大多数的假单胞菌、自生和共生固氮细菌以及大多数化能无机营养细菌在形态、生理和生态分布的表型上与紫色细菌有明显的区别，但是，在系统发育上却都与紫色细菌有关。由紫色细菌谱系可以引申出各种各样在生理特性和生态分布上有差异的重要细菌。16s rRNA 序列分析的结果指明，AAAUUGG序列用以鉴别α亚门的紫色细菌；CYUUACACAUG(Y表示任意一个嘧啶)是β亚门的序列特征；ACUAAAACUCAAAG序列存在于大多数δ亚门紫色细菌的16SrRNA中。目前尚未发现γ和ε亚门的特殊特征。
类群2.绿硫细菌：
由于绿硫细菌具有独特的光合色素(菌绿素c或d)、绿色体(chlorosome)以及其自养代谢，所以绿硫细菌与其它细菌之间缺乏密切的系统发育关系。绿菌属的所有种均不运动，只有绿色细菌类群中的绿滑菌属（Chloroherpeton）以滑行运动。寡核苷酸AUACAAUG序列是绿色细菌的特征性识别标记。
类群3.无硫绿细菌：
从生理特性、所含色素和细胞的细微结构上看，绿曲挠菌属(Chloroflexus)与绿菌属关系密切，但在系统发育上无关系。绿屈挠菌群包括两个非光合作用的属，即滑柱菌属(Herpetosiphon)和高温微菌属(Thermomicrobium),它们是细菌中一个独特和古老的谱系。CCUAAUG寡核苷酸序列为无硫绿细菌提供了一个标记。
类群4.蓝细菌：
目前对蓝细菌的分类仍注重于形态指标。那些单细胞的蓝细菌在系统发育上则呈多样性。AAUUUUYGG寡核苷酸序列是蓝细菌的识别标记。
类群5.浮霉状菌属(Planctomyces)-小梨形菌属(Pirella):
这个类群包括芽生细菌，在自然界中自由生活时许多种都是以柄或固着器附着在基物表面上。这个类群是与其它细菌十分不同,但又是细菌中一个主要的分支。CUUAUUCG寡核苷酸序列是这个类群成员的识别标记。
类群6.螺旋体：
螺旋体的主要类群包括自由生活无致病性的螺旋体属(Spirochaeta)、寄生并致病的疏螺旋体属(Borrelia)和密螺旋体属(Treponema)，例如：引起人回归热病的回归热疏螺旋体(Borrelia recurrentis)和引起人性病--梅毒的苍白螺旋体(Treponema pallidum)。本群中的钩端螺旋体(Leptospira)则形成一个独立的分支。根据独特的形态和运动方式螺旋体被归为一群，而且这些特征其实也是系统发育的指征。AAUCUUG是螺旋体一个亚群的高度特异性序列，而UCACACYAYCYG则是大多数螺旋体的特征性序列。
类群7.拟杆菌(Bacteroides)-黄杆菌属(Flavobacterium)：
这个类群的特点是包括许多属的细菌，从而构成革兰氏阴性细菌一个主要的系统发育系。群内的拟杆菌属形成一个亚系；嗜纤维菌属(Cytophaga)和黄杆菌属则形成另一个亚系，两个亚系是相对同源的。在群内存在一个由专性厌氧的拟杆菌属和专性好氧的生孢纤维菌属(Sporocytophaga)组成的混合生理型。UUACAAUG 寡核苷酸序列是拟杆菌属的识别标记，而CCCCCACACUG是滑行细菌类群的标记。
类群8.衣原体(Chlamydia)：
该类群只包括专性细胞内寄生的种，其中有引起性病和砂眼的病原菌。通过比较寡核苷酸序列，虽然衣原体与浮霉状菌属有较远的相关性，但两群的共同点是其细胞壁均缺乏肽聚糖成分。
类群9异常球菌属(Deinococcus)-栖热菌属(Thermus)：
这个类群仅包括G+菌、高度抗辐射的异常球菌属和G-菌、化能有机营养、嗜热的栖热菌属。两个属的共性是含有非典型的细胞壁，壁中肽聚糖的二氨基庚二酸为鸟氨酸所替代。序列分析表明，该类群紧密成群，其起源可能相近。CUUAAG是本群的识别标记。
类群10革兰氏阳性细菌：
杆状和球状的G+菌，其中包括形成芽孢的细菌、乳酸菌、棒状杆菌、放线菌、大多数厌氧和好氧的球菌都形成一个紧密结合的系统发育群。在这一群中还包括无细胞壁的支原体，支原体在系统发育上可以看成是无细胞壁的梭菌。这种紧密的系统发育关系提示出经典地从形态来探讨系统发育的不确切性。使人感到惊奇的是某些光合细菌也与这个类群有亲缘关系。根据rRNA序列分析的结果，可以将G+菌再分为两个主要类别，即：含有相对低的GC碱基mol%比率类别和高GC碱基mol%比率类别。CUAAAACUCAAAG寡核苷酸序列对高GC 类别是高度特异的，而低GC类别尚未发现寡核苷酸序列标记。
类群11栖热袍菌属(Thermotoga)-栖热腔菌属(Thermosipho):
这个类群只包括以上两个属，都是嗜高温的细菌。目前仅从地热的海洋沉积物中可以分离到，其中栖热袍菌是严格厌氧并且能发酵产能的细菌，生长温度为55-90℃,最适温度约为80℃。栖热腔菌属在形态上有别于栖热袍菌属，并且GC碱基比率较低。由于这两个属的极端嗜热性以及它们接近生物总系统发育树的根部(图13-1)，所以，栖热袍菌属和栖热腔菌属的发现对早期生物是嗜热的这一假说是有力的支持。
类群12.产液菌属(Aquifex)-氢杆菌属(Hydrogenobacter)：
这个类群也仅只包括极端嗜热的产液菌属(目前仅发现一个种，Aquifex pyrophilus,嗜火产液菌)和氢杆菌属(目前仅发现两个种：Hydrogenobacter acidophilus 嗜酸氢杆菌和Hydrogenobacter thermophilus嗜热氢杆菌)。产液菌属能在95℃生长，最适生长温度为85℃，氢杆菌属的最高生长
温度约为80℃，最适生长温度为70-75℃，比产液菌属的生长温度要低一些。氢杆菌也是专性化能无机营养，只能氧化氢。在细菌的系统发育树中(图13-1)占据最根部的位置。嗜热、能氧化氢、行无机化能营养的细菌的发现，进一步支持了地球上最早期细菌是超嗜热的论点。
综上所述，通过rRNA序列分析的结果，可以明显地看出在细菌的系统发育中至少存在着12个独立的类群，这其中最大的一群是紫色细菌，包括大部分G+菌，另一个重要的大群包括大部分G-菌。在所有的这些类群中，有些在系统发育上是多样的，而其它则是高度相关的。
二、真细菌的主要类型
从真细菌的主要类型可进一步阐明微生物物种的多样性。类型和各属的特征，主要按"伯杰氏系统细菌学手册"第一版（1984-1989）划分。
1． G-细菌
这是原核生物中种类最多的一大类细菌。细胞形态和排列方式相当简单，横向二分分裂，运动的种以自由游动方式进行，营化能有机营养，其生长主要为异养方式，但有些种在H2的环境中可以自养生长。多数为腐生菌，有些为寄生菌。寄生菌中有的是条件致病菌，有的为高度致病菌。其生态分布相当广泛，如水中、土壤、动植物体及人体。G-菌中的许多种在工业、农业、环境保护、医学上具有重要的应用价值。其重要的属种介绍于后。
（1）螺旋体
螺旋体菌体细长、弯曲呈螺旋状，其大小为0.1-3×5-250μm。这类细菌以前曾被误认为是介于原生动物和细菌之间的一类微生物，其理由是未发现螺旋体的细胞壁。经深入研究现已证实螺旋体细胞的主体仍然是由细胞质和核区组成，而细胞的外围则裹以细胞质膜和细胞壁，形成原生质柱。在螺旋状的原生质柱外缠绕着周质鞭毛(periplasmic flagella)，也称轴丝，轴丝与原生质柱再由3层膜包围，称为外鞘（见图13-2）。每个细胞具有2-100条以上的周质鞭毛，使菌体在液体环境中可游动或沿纵轴旋转和屈曲运动。在固体基质上可爬行或蠕动。根据形态、生理特性、致病性和生态环境螺旋体分为六个属：脊螺旋体属(Cristispira)、螺旋体属(Spirochaeta) 、密螺旋体属(Treponema)、疏螺旋体属(Borrelia)、钩端螺旋体属(Leptospira)、纤线菌属（Leptospira）。螺旋体在系统发育上形成一个独特的细菌系。
图13-2 螺旋体的形态
（2）螺旋状或弧状的G-细菌
这类细菌的细胞呈螺旋状或弧状，螺旋圈数从1到多圈。具有典型的细菌鞭毛，化能有机营养，大多数的种不能利用碳水化合物，有的种可以在含有H2、CO2、和O2的混合气体中自养生长，有的可在微氧条件下固氮。螺旋状细菌现在已包括有九个属：螺菌属(Spirillum)、水螺菌属(Aquaspirillum) 、海洋螺菌属(Oceanospirillum) 、固氮螺菌属(Azospirillum)、草螺菌属(Herbaspirillum) 、弯曲杆菌属(Campylobaccter) 、螺杆菌属(Helicobacter)、蛭弧菌属(Bdellovibrio)、螺状菌属（Spirosoma）。蛭弧菌属中有一类特别的细菌，称为蛭弧菌，它们可以寄生在另外一些菌体上，利用寄主的细胞质组分作为营养，生长发育，也可无寄主而生存。图13-3是该菌的生活周期示意图。
图13-3 蛭弧菌生活史
3） G-的杆菌和球菌
在形态和生理特征上这些细菌都是极其多样的。它们都能利用氧作为最终电子受体而进行严格的呼吸产能代谢。有些也能进行厌氧产能呼吸，这时以硝酸盐、延胡索酸盐或其它物质作为最终电子受体，有的可固氮。
①假单胞菌属(Pseudomonas)
是直或弯曲的杆菌，1根或几根极生鞭毛，假单胞菌属最突出的特点是在大多数情况下只需要很简单的营养，能广泛地利用有机化合物作为碳源和能源，多数种能利用100多种不同的化合物，少数的种也可以利用20多种左右的化合物。假单胞菌是土壤和水中重要的细菌，它们能在有氧的情况下分解动植物的遗体。少数的种是人、动植物的病原菌，人们熟悉的铜绿色假单胞菌(P. aeruginosa)与人的泌尿生殖道和呼吸道感染有关，当它感染了人的严重烧伤或皮肤外伤的创伤面后，会引起全身性感染，导致败血症。由于该菌在创伤面生长可产生蓝脓素而使脓液呈蓝绿色，通常又称为绿脓杆菌。在土壤中该菌作为反硝化细菌在自然界的氮素循环中起重要作用。鼻疽假单胞菌(P. mallei)可引起马、驴的鼻疽病；类鼻疽假单胞菌(P. pseudomallei)可引起人或动物的类鼻疽病。许多假单胞菌对植物有致病性，伯杰氏手册(7版)中的149个种有90个种是植物病原菌，引起各种斑点病和条斑病。许多嗜冷的种适于低温生长，常造成冷库中冷藏食品的腐坏、冷藏血浆的污染。但多数假单胞菌在工业、农业、污水处理、消除环境污染中起重要作用。
②黄单胞菌属(Xanthomonas)
直杆状细菌，极生鞭毛运动，专性好氧。最明显的特征之一是在培养基上产生一种非水溶性的黄色色素(一种类胡罗卜素)，其化学成分为溴芳基多烯，使菌落呈黄色。另一特征是，所有的黄单胞菌都是植物病原菌，可引起植物病害。水稻黄单胞菌(X.oryzae)引起水稻白叶枯病。而造成甘蓝黑腐病的野油菜黄单胞菌(X.campestris)，可作为菌种生产荚膜多糖，即黄原胶，它在纺织、造纸、搪瓷、采油、食品等工业上却有广泛的用途。
③固氮菌属(Azotobacter)
细胞卵圆形，个体大，通常为1.5-2μm或更大，在含有碳水化合物的培养基上，菌体可形成丰厚的荚膜或粘液层，使菌落呈粘液状。细胞内具有特殊的防氧保护机制，可在好氧条件下自生固氮，每消耗1克葡萄糖至少可固定10mg大气中的氮素。固氮酶中的钼可用钒替代。固氮菌主要分布在土壤和水中。
④根瘤菌属(Rhizobium)
细胞杆状，可呈多形态。在碳水化合物培养基上生长时可产生大量胞外粘液。根瘤菌刺激豆科植物的根部形成根瘤，在根瘤中根瘤菌以只生长不分裂的类菌体(bacteroids)的形式存在。类菌体被一层类菌体周膜(periobacterial membrane)包围，形成了一个良好的氧、氮和营养环境，有效地进行根瘤菌与豆科植物的共生固氮。除根瘤菌属外，中华根瘤菌属(Sinorhizobium)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、固氮根瘤菌属(Azorhizobium)、和中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)也都是与植物共生的根瘤菌。
⑤甲基球菌属(Methylococcus)和甲基单胞菌属(Methylomonas)
虽然甲基球菌属是球状细菌、甲基单胞菌属是直、弯曲或分支的杆菌，但两个属的共同特征是：在好氧和微好氧条件下，以甲烷、甲醇、甲醛等一碳化合物作为唯一碳源和能源，它们又称为甲烷氧化菌。由于它们这一独特的生理特性，人们认为将来有可能利用甲烷这种廉价和广泛的碳源培养甲烷氧化菌以获得无毒的细菌蛋白，以扩大人类蛋白食品的来源。
⑥醋酸杆菌属(Acetobacter)
细胞椭圆形至杆状、直或稍弯曲。本属细菌最显著的特征是能将乙醇氧化成醋酸，并将醋酸或乳酸进一步氧化成H2O和CO2。其生长的最佳碳源是乙酸和乳酸，是制醋工业的菌种。醋酸杆菌多分布于植物的花、果实以及葡萄酒、啤酒、苹果汁和果园土中。有的种可引起菠萝的粉红病和苹果、梨的腐烂病。有的菌株在生长过程中可以合成纤维素，这在细菌中是非常罕见的，纤维素微丝缠结成片层将菌体包埋起来，在液体培养基静止状态下，可形成一层纤维素膜。
⑦埃希氏菌属(Escherichia)
细胞呈直杆状。许多菌株产荚膜和微荚膜，有的菌株生有大量的菌毛，化能有机营养型，因其为兼性厌氧菌，所以具有呼吸代谢和发酵代谢两种产能系统。该属中最具有典型意义的代表种是大肠埃希氏菌(E. Coli)，.大肠杆菌是进行微生物学和分子遗传学、基因工程研究的好材料，大肠杆菌存在于动物和人的肠道内，是肠道内的正常菌群。在正常情况下，大肠杆菌可以合成维生素B和K，供人体吸收利用，一些菌株能产生大肠杆菌素，抑制肠道致病菌(如痢疾杆菌)和腐生菌的滋生，对机体有利。但是，当机体处于极度衰弱时或外伤等原因，大肠杆菌侵入肠外组织或器官时，则又是条件致病菌，可引起肠外感染，如：肾炎、膀胱炎等泌尿系统的感染。一些致病性的大肠杆菌能产生由质粒编码的肠毒素，可引起婴儿、成年人和幼畜的严重腹泻。如大肠杆菌O157菌株，曾引发人群严重的肠道传染病。大肠杆菌不断随粪便排出体外，将污染周围的环境、水源、饮料及食品等。大肠杆菌的数量越多，表示粪便污染的情况越严重，同时表明伤寒杆菌、痢疾杆菌等肠道致病菌污染的可能性。因此，卫生细菌学上常以"大肠菌群数"和"细菌总数"作为饮用水、牛奶、食品、饮料等卫生检定指标。按我国卫生部颁布的卫生指标，生活饮用水的细菌总数每毫升不得超过100个，在1000毫升水中大肠菌群不得超过3个。
此外，志贺氏菌属(Shigella)、沙门氏菌属(Salmonella)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、肠杆菌属(Enterbacter)、沙雷氏菌属(Serratia)、变形杆菌属(Proteus) 、耶尔森氏菌属(Yersinia)、欧文氏菌属(Erwinia)、奈瑟氏球菌属(Neisseria)、莫拉氏菌属(Moraxella)、弧菌属(Vibrio)、发光杆菌属(Photobacterium)、气单胞菌属(Aeromonas)、嗜血菌属(Haemophilus)、发酵单胞菌属(Zymomonas)、拟杆菌(Bacteroides)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等属中菌种繁多，分布广泛，与人类关系密切，许多都是致病菌，有的还是严重的传染病的病原体，有的则可用来生产人们所需要的产品。
（4）支原体、立克次氏体和衣原体
支原体（Mycoplasma）、立克次氏体(Rickettsia)和衣原体(Chlamydia)三类革兰氏阴性细菌，其大小和特性均介于通常的细菌与病毒之间。表13－1是这几类微生物主要特征的比较。
表13-1 支原体、立克次氏体、衣原体与细菌、病毒的比较
①支原体
又称类菌质体，是介于一般细菌与立克次氏体之间的原核微生物。它最早从患胸膜肺炎的牛体中分离得到，以后从其他动物和人体中陆续分离到了这一类菌，故又被统称为类胸膜肺炎微生物（pleuropneumonia-like organism），简称PPLO。支原体突出的特征是不具细胞壁，只有细胞膜、细胞柔软而扭曲（图2－19）。典型的菌落像"油煎荷包蛋"模样。除肺炎支原体外，支原体一般不使人致病，但较多的支原体能引起牲畜、家禽和作物的病害。应用活组织细胞培养病毒或体外组织细胞培养时，常被支原体污染，而且光学显微镜检查也难观察到。现常用含琼脂量少的培养基直接培养法、DAN荧光染色法、探针杂交法和PCR检测法等监查，和在组织细胞培养中事先加入新霉素或卡那霉素抑制支原体生长，使其不被支原体污染。
②立克次氏体
是一类严格的活细胞内寄生的原核微生物。美国医生H.T.Ricketts 1909年，首次发现斑疹伤寒的病原体，并因研究此病而牺牲，为了表示纪念，1916年人们以他的名字命名这类病原体。立克次氏体主要以节肢动物（虱、蜱、螨等）为媒介，寄生在它们的消化道表皮细胞中，然后通过节肢动物叮咬和排泄物传播给人和其他动物。有的立克次氏体能引起人类的流行性斑疹伤寒、恙虫热、Q 热等严重疾病，而且立克次氏体大多是人兽共患病原体。
③衣原体
是介于立克次氏体与病毒之间，能通过细菌滤器，专性活细胞内寄生的一类原核微生物。过去误认为"大病毒"，但它们的生物学特性更接近细菌而不同于病毒。衣原体在宿主细胞内生长繁殖具有独特的生活周期，即存在原体和始体两种形态。具有感染性的原体通过胞饮作用进入宿主细胞，被宿主细胞膜包围形成空泡，原体逐渐增大成为始体。始体无感染性，但能在空泡中以二分裂方式反复繁殖，形成大量新的原体，积聚于细胞质内成为各种形状的包涵体（inclusion body），宿主细胞破裂，释放出的原体则感染新的细胞。衣原体广泛寄生于人类、哺乳动物及鸟类，仅少数致病，如人的沙眼衣原体，鸟的鹦鹉热衣原体。有的还是人兽共患的病原体。1956年，我国微生物学家汤飞凡等应用鸡胚卵黄囊接种法，在国际上首先成功地分离培养出沙眼衣原体。现衣原体可用多种细胞培养。
2． G+细菌
是细菌中重要的一大类群。细胞形状为球形或杆状，多数规则，其排列呈单个、成对、或成链、或成分支菌丝；有些具多形态，有些属形成耐热的芽孢；腐生和寄生类型，有些是人和动物的高度致病菌，在自然界分布广泛。
(1) G+球菌
革兰氏阳性球菌是系统发育和遗传特性差异很大的一群细菌，球形，有机营养和不形成芽孢仅仅是它们共同的形态学和生理特征。革兰氏阳性球菌包括的属：微球菌属(Micrococcus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、口腔球菌属(Stomatococcus)、动性球菌属(Planococcus)、八叠球菌属(Sarcina)、奇异球菌属(Deinococcus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、消化球菌属(Peptococcus)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)。
① 微球菌属(Micrococcus)
大多数的种可产生类胡萝卜素，以至于菌落可呈黄、橙、橙红、粉红或红色。主要分布在哺乳动物的皮肤上，也存在于肉类、乳制品、土壤和水中。从系统发育上看，微球菌不应该是一个独立
的属，它们与节杆菌(Arthrobacter)的关系反而比与葡萄球菌和动性球菌的关系更为密切，分类学家认为微球菌可能是节杆菌在细胞周期中的球菌阶段，是一种退化形式。
②葡萄球菌属(Staphylococcus)
该属细菌主要存在于温血动物的皮肤、皮肤腺体和粘膜上。有的种是人或动物的条件致病菌，可引起化脓性感染，如丘疹、肺炎、骨髓炎、心肌炎、脑膜炎及关节炎等，也可产生肠毒素，引起食物中毒。
③明串珠菌属(Leuconostoc)
其生长需要含有复杂生长因子和氨基酸的丰富培养基，所有的种都需要烟酸、硫胺素、生物素及泛酸的衍生物，在培养基中添加酵母粉、西红柿等菜汁可加速生长。通过己糖单磷酸途径和磷酸酮糖裂解途径联合发酵葡萄糖，形成异型乳酸发酵产生左旋或右旋乳酸。该属细菌分布在牛奶和植物汁液中，无致病性。肠膜状明串珠菌(L.mesenteroides)能在蔗糖中生成大量粘液物质，其成分为右旋糖苷，这种葡聚糖可作为血浆代用品，用于输液和战地救护。但这种菌也是制糖工业和食品加工业中的有害菌。
(2)产芽孢的G+杆菌和球菌
这是一类在细菌的生活周期中产生内生孢子的细菌。芽孢是菌体的休眠器官，是细菌细胞物质功能上的分化现象。芽孢产生后从细胞中脱离出来，遇到合适的环境会萌发长出一个新细菌，细胞数量并未增加，所以芽孢不是繁殖器官。产芽孢细菌的特征列于表13-2。
表13-2 芽孢细菌的各属特征*
* 在系统发育上，上述所有细菌是革兰氏阳性细菌的低GC亚门的成员。
①芽孢杆菌属(Bacillus)
细胞呈杆状，内生一个芽孢，好氧或兼性厌氧，化能有机营养类型。分子氧是最终电子受体。其生理特性极其广泛，从嗜冷到嗜热，从嗜酸到嗜热，多种多样。许多种具有广泛的经济意义。枯草芽孢杆菌 ( B.subtilis ) 是代表种。除作为细菌生理学研究外，它是一种重要的工业生产用菌种，可生产蛋白酶、淀粉酶。属内的地衣芽孢杆菌 ( B.licheniformis ) 可用于生产碱性蛋白酶、甘露聚糖酶和杆菌肽(一种畜用抗生素，可杀灭动物肠道中的G+致病菌) ；多粘芽孢杆菌(B.polymyxa)可生产多粘菌素，用于杀灭家畜、家禽肠道内的G-致病菌。炭疽芽孢杆菌(B.anthracis)是人和动物的致病菌，可引起皮肤炭疽、肺炭疽、肠炭疽等炭疽病。蜡状芽孢杆菌(B.cereus)是工业发酵生产中常见的污染菌，同时也可引起人的肠胃炎。苏芸金芽孢杆菌(B.thuringiensis)的伴孢晶体可杀死农业害虫如玉米螟虫、棉铃虫，是无公害的农药。幼虫芽孢杆菌(https://www.wendangku.net/doc/439099369.html,rvae) 、日本甲虫芽孢杆菌
(B.popilliae)是昆虫的致病菌。球形芽孢杆菌(B.sphaericus)可杀灭蚊子的幼虫。
②梭状芽孢杆菌属(Clostridium)
细胞呈杆状，形成椭圆或球形芽孢，芽孢常使菌体膨大呈鼓槌状、梭状。大多数为专性厌氧，化能有机营养类型。常见于土壤、海水、淡水的沉积物，人和动物的肠道中也有分布。丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)是工业上采用发酵法生产丙酮丁醇的菌种。
③芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)
在形态上同八叠球菌。在特定的条件下形成芽孢，严格好氧，化能有机营养类型，大多数菌株的生长都需要生长因子。广泛分布于土壤中，有的种可从海水中分离到。
(3)G+杆菌
①乳酸杆菌属(Lactobacillus)
形态变化大，从细长、偶有弯曲的杆状到短的球杆状。多为成链排列。微好氧，具发酵代谢，化能有机营养类型，营养要求复杂，需要生长因子。其明显的特征是具有高度的耐酸性，最适
pH 5.5-6.2, 在 pH5.0 以下仍可生长。专性代谢糖类化合物生成 50% 以上的乳酸。多分布于乳制品、发酵植物食品如泡菜、酸菜等以及青贮饲料和人的肠道，尤其是乳儿肠道中。它们是许多恒温动物，包括人类口腔、胃肠和阴道的正常菌群，很少致病。德氏乳酸杆菌(L.delbruckii)是工业上生产乳酸的菌种。
②棒杆菌属(Coryneacterium)
细胞呈直、略弯、两端常呈一端膨大的棒状。因行折断分裂，常呈“八”字形和栅状排列。兼性厌氧，有的为好氧，化能有机营养类型。其细胞壁中含有内消旋二氨基庚二酸和阿拉伯糖、半乳糖。呼吸链中有甲基萘醌，细胞内含有枝菌酸。腐生型的棒杆菌生存于土壤、水体中，如产生谷氨酸的北京棒杆菌(C. Pekinense) 。利用该菌种，根据代谢调控的机理，已筛选出生产各种氨基酸的菌种。寄生型的棒杆菌可引起人、动植物的病害，如使人患白喉病的白喉棒杆菌(C. Diphtheriae)以及造成马铃薯环腐病的马铃薯环腐病棒杆菌(C. Sepedonicum)。
③丙酸杆菌属(Propionibacterium)
多变的形态是这类细菌形态学上突出的特征。虽为一端圆一端尖的棒杆状，但老龄细胞(对数生长后期)则多呈球形。在排列方式上也是呈多样性，或单个、成对、成短链；或呈 V 形、 Y 形细胞对；或以“汉字“状簇群排列。细胞壁中含有 LL- 二氨基庚二酸和内消旋 DAP ，厌氧至耐氧，化能有机营养类型。能发酵乳酸、碳水化合物和蛋白胨，产生大量的丙酸及乙酸，使乳酪具有特殊风味是这类细菌生理上独特特征。从牛奶、奶酪、人的皮肤、人与动物的肠道中可分离出。有的种对人有致病性。费氏丙酸杆菌(P. Freudenreichii)是工业上用来生产丙酸和VB12的菌种。
④双歧杆菌属(Bifidobacterium)
细胞形态呈多样性，长细胞略弯或有突起，或有不同分支，或有分叉或产生匙形末端；短细胞端尖，也有球形细胞。细胞排列或单个，或成链，或呈星形、 V 形及栅状。厌氧，有的能耐氧。发酵代谢，通过特殊的 6- 磷酸果糖途径分解葡萄糖。存在于人、动物及昆虫的口腔和肠道中。近年
来，许多实验证明双歧杆菌产乙酸具有降低肠道 pH 值、抑制腐败细菌滋生、分解致癌前体物、抗肿瘤细胞、提高机体免疫力等多种对人体健康有效的生理功能。
⑤分枝杆菌属(Mycobacterium)
细胞呈略弯曲或直的杆状，有时有分枝，也能出现丝状或以菌丝体状生长。当受到触动时菌丝破碎成杆状或球状。由于细胞表面含有分枝菌酸，具有抗酸性。细胞壁中的肽聚糖含有内消旋二氨基庚二酸、阿拉伯糖和半乳糖。质膜中的磷脂含有磷脂酰乙醇胺。好氧，化能有机营养类型，包括专性细胞内寄生、腐生和兼性。可从土壤、痰液和其它污染物中分离到。结核分枝杆菌
(M.tuberculosis)是人类结核病，例如：肺结核、肠结核、骨结核、肾结核的病原菌。结核杆菌分为人型、牛型、鸟型、鼠型、冷血动物型以及非洲型。麻风分枝杆菌(M.leprae)是引起人类麻风病的病原菌，动物中的犰狳对麻风杆菌高度易感，是研究麻风杆菌的动物模型。
6．光合细菌
自然界中能以光合作用产能的细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同而分为产氧光合细菌(蓝细菌、原绿菌)和不产氧光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)。
（1）蓝细菌(Cyanobacter)
这是一类含有叶绿素 a 、以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用将光能转变成化学能、同化CO2为有机物质的光合细菌。由于它们具有与植物相同的光合作用系统，历史上曾被藻类学家归为藻类，称为蓝藻。对蓝细菌细胞结构的研究表明，蓝细菌的细胞核不具有核膜，没有有丝分裂器，细胞壁由含有二氨基庚二酸的肽聚糖和脂多糖层构成，革兰氏染色阴性，分泌粘液层、荚膜或形成鞘衣，细胞内含有70S核糖体，虽具有叶绿素的光合色素，但不形成叶绿体，进行光合作用的部位是含有叶绿素a、β- 胡萝卜素、类胡萝卜素、藻胆素(包括藻蓝素和藻红素)的类囊体(thylakoids)。蓝细菌的这些与原核生物相近的特征，使它们成为细菌家族的一员。以藻蓝素占优势的色素使细胞呈现特殊的蓝色，故而得名为蓝细菌。按形态可分为5大类群，包括29个属。蓝细菌的细胞大小差异悬殊，最小的聚球蓝细菌属(Synechococcus)其直径仅为 0.5 -1μ m, 而大颤蓝菌属(Oscillatoria)可超过60 μm 。蓝细菌在自然界中的分布极广，河流、湖泊和海水等水域中常见。蓝细菌的营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为氮源，多数能固氮，在水稻田中培养蓝细菌可保持和提高土壤肥力。一些实验证明将蓝细菌作为食物和辅助营养物，可用于治疗肝硬化、贫血、白内障、青光眼、胰腺炎等疾病。对糖尿病、肝炎也有一定的疗效。蓝细菌有别于真核生物的放氧光合作用，可能是地球上生命进化过程中第一个产氧的光合生物，对地球上从无氧到有氧的转变、真核生物的进化起着里程碑式的作用。
（2）紫色细菌
这是一群含有菌绿素和类胡萝卜素、能进行光合作用、光合内膜多样、以硫化物或硫酸盐作为电子供体、沉积硫的光能自养型细菌。因含有不同类型的类胡萝卜素，细胞培养液呈紫色、红色、橙褐色、黄褐色，故称为紫色细菌。红螺菌属(Rhodospirillum)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)和红微菌属(Rhodomicrobium)，曾被认为不能利用硫化物作为电子供体以还原CO2构成细胞物质，所以一直称它们为非硫紫色细菌。后来发现，这些细菌的大多数尚可以利用低浓度的硫化物，现归为紫色硫细菌。多分布在淡水、海水和高盐等含有可溶性有机物和低氧压的水生环境中，也常见于潮湿的土壤和水稻田中。
4．化能无机营养细菌
这类细菌中的大多数通常是从氧化无机物中获取能量，以CO2为唯一碳源，称之为化能无机营养细菌，包括硝化细菌、氢细菌、无色硫细菌等。然而也有许多化能无机营养细菌也能利用有机物，而且并不依赖CO2作为唯一碳源。
（1）硝化细菌
表13-3 硝化细菌的特征*
* 在系统发育上，到目前为止所有已检测的硝化细菌是a或b紫色细菌类群。
凡是能利用还原态的无机氮化合物、进行无机营养生长的细菌，称为硝化细菌，然而在自然界中没有一种化能无机自养细菌能够使氨完全氧化成硝酸盐，而是由两类不同生理类群的细菌协同进行，来完成氧化过程。能够把氨氧化成亚硝酸盐的细菌称为亚硝化细菌。能够将亚硝酸进一步氧化成硝酸盐的细菌称为硝化细菌。这两类细菌的共同特征列于表13-3中。
（2）无色硫细菌
能够氧化还原态或部分还原态无机硫化合物的非光能营养型细菌，称为无色硫细菌。它们有别于在厌氧有光条件氧化还原态硫化合物的光合硫细菌。这些细菌在硫素的循环中起主要作用。从对硫化物的氧化中生成元素硫，保证了硫的供应和对硫的进一步氧化作用，构成硫素循环中不可缺少的一步。它们分布在河流、湖泊和土壤中。其中有代表性的属是硫杆菌属(Thiobacillus)。硫杆菌属的细胞呈小杆状，能氧化硫或各种还原态的硫化合物，如硫化物、硫代硫酸盐、连多硫酸盐和硫氰酸盐。氧化的终产物是硫酸盐，从中获得能量，以CO2为唯一碳源，营自养生活。由于低能量的化能自养生活，这类细菌生长缓慢。硫酸盐氧化产物的形成，会造成酸性的环境，可用此类细菌进行冶金。硫酸或硫酸盐可将辉铜矿中的铜转化成为硫酸铜，溶于水中，然后用置换或萃取的方法提取出海绵铜，经加工制成铜锭。硫杆菌参与细菌冶金的反应如下：
这类细菌的代表种是氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidas)和氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidas)。
（3）氢细菌
这是一类能以H2作为电子供体，通过对H2的氧化获取能量、同化CO2的化能自养细菌。目前该类群的细菌仅有氢杆菌属(Hydrogenobacter)一属,细胞呈直杆状，最适生长温度为70-75℃，最高为80℃，细胞内脂肪酸的主要成分是18碳的直链饱和酸和20碳的直链不饱和酸。该菌在宇航业中具有潜在的重要利用价值。
5．有附属物、无附属物芽殖和非芽殖的细菌
有些细菌在细胞表面产生细胞质性突起物，如柄、菌丝等，突起物的直径比母细胞小，内含细胞质，外具细胞壁，称为附属物。这类细菌与典型的真细菌的区别在于它们的繁殖方式、特殊的形状和完整的生活史。
（1）有附属物芽殖的细菌生丝微菌属(Hyphomicrobium)
细胞呈杆状，末端尖，或呈椭圆形、卵形、菜豆形。可产生单极生或双极生的丝状物，长度不一。其繁殖方式独特，形成生活史。母细胞附着在固体基物上→长出丝状物→丝状物末端形成芽体→芽体膨大，长出1根鞭毛形成子细胞→脱离母细胞，游动→子细胞失去鞭毛，成熟为母细胞(图13-4)。在有些情况下，子细胞不脱离母细胞，可以从另一端或每一端长出丝状物，也可以不形成丝状物，芽体直接由母细胞长出。生丝微菌属是好氧的化能有机营养型，可以从含有大量锰沉积物的水管中分离到。图13-4 生丝微菌属的细胞分裂周期
（2）有附属物非芽殖的细菌柄杆菌属(Caulobacter)
细胞呈杆状或类弧状、纺锤状。这种细菌具有十分独特的不对称细胞分裂方式(图13-5)，形成非芽殖的分周期。幼龄细胞一端着生1根鞭毛，老龄细胞具柄，柄同样具有外膜、肽聚糖、细胞质膜和细胞质。其生活史为：细胞延长，以收缢方式行二分分裂，无隔膜→一端长出1根鞭毛，成为游动细胞→与母细胞脱离，游动→固着在新的基物上→鞭毛消失，由长鞭毛处形成新柄。
图13-5 柄杆菌属的细胞分裂周期
（3）无附属物、非芽殖的细菌嘉氏铁柄杆菌属(Gallionella)
细胞呈肾形，子细胞分裂后迅速变圆。在含有亚铁的天然水或矿质培养基中生长的细胞，从细胞的凹面处分泌出胶质的氢氧化铁，形成由一束数量很多的细丝构成的无机质的柄(图13-6)，柄的宽度为0.3-0.5μm,长度可达400μm。二分分裂繁殖，在分裂过程中连续产生柄，扭曲或不扭曲，产生叉状分枝。细胞旋转式运动引起柄的扭曲。若细胞离开柄，则靠1根单极生鞭毛运动。
（4）无附属物、芽殖的细菌浮霉状菌属(Planctomyces)
细胞呈球形、椭圆形，泪珠状或球茎状。个体较大，最大可达3.5μm，细胞长有由多纤维组成的刺突、束、刺毛，它们不完全是用于连接细胞和基物，而是通过固着器将细胞连接成同源的聚集物，呈玫瑰花结或花束状(图13-7) 。芽殖，具有生活史循环：无柄母细胞发芽→具鞭毛的游离细胞→失去鞭毛→无柄可发芽的母细胞。
图13-6 嘉利翁氏菌属的形态；图13-7 浮霉状菌属的形态6．鞘细菌、滑行细菌和粘细菌
鞘细菌是一类以丝状体生长的细菌，多个细菌共处于管状的鞘内，细胞呈直线排列，外观上鞘细菌呈丝状。这类细菌具有独特的生活史，如球衣菌属(Sphaerotilus) 其生活史为：鞘内细胞二分
分裂繁殖→推向鞘末端的新细胞合成新鞘物质→细胞从鞘内释放→游离细胞活跃运动→固定生长→形成新的丝状体。广泛分布于富含有机物的水生环境中，在化工厂的冷却水管道中滋生时，可造成管道堵塞。游动球衣菌(S.natans)是目前唯一的种（参见图3-16)。
滑行细菌是一类在形态和生理特性呈多样性，而且亲缘关系并不密切的细菌，其共同点是：细胞不借助可见的运动器官而是进行滑行运动。有些滑行细菌在运动时是沿着长轴在向前旋转，而有的则是只保持细胞的一边与基物表面接触，向前滑行。这类细菌不形成子实体，也不能进行光合作用。除贝日阿托氏菌属（Beggiatoa）的某些菌株进行化能无机营养外，其它均为化能有机营养。粘细菌最突出的特点是能产生由粘液、菌体(粘孢子)构成的形态各异、颜色鲜艳、肉眼可见的子实体。粘细菌的DNA G+C/mol%为67-71，高于其它所有的细菌。严格好氧，呼吸产能代谢，化能有机营养，具有复杂的生活史(图13-8)，它们所产生的胞外酶能水解蛋白质、核酸、脂肪和各种糖，有些种可分解纤维素，大多数的种能溶解真核和原核生物。常见于树皮、土壤和各种食草动物的粪便上。
图13-8 黄色粘球菌的生活史
三、主要的放线菌类型
放线菌是具有菌丝、以孢子进行繁殖、革兰氏染色阳性的一类原核微生物。因其具有分枝状菌丝、菌落形态与霉菌相似，过去曾认为放线菌是"介于细菌与真菌之间的微生物"。然而，用近代生物学技术所进行的研究结果表明，放线菌实际上是属于细菌范畴内的原核微生物，只不过其细胞形态为分枝状菌丝。从系统发育上看，放线菌（除高温放线菌外）与全部G+细菌一起同属于这一大分支中的高G+C/mol％（60-72）群。
1. 多腔孢囊放线菌
这类放线菌包括嗜皮菌属、地嗜皮菌属和弗兰克氏菌属，其共同特征是：菌丝进行纵向和横向分裂，直接产生孢子，菌丝形成细胞群或孢子簇，细胞壁含有内消旋二氨基庚二酸
(meso―Diaminopimelic acid,m―DAP)。嗜皮菌属（Dermatophilum）：菌丝在不同的平面上形成横隔，构成砖格状细胞堆，产生直角侧向分枝。寄生在哺乳动物体上，侵害未角质化的表皮，引起渗出性皮炎。弗兰克氏菌属（Frankia）：该属放线菌最显著的特征是能与非豆科木本植物共生固氮。在木麻黄和杨梅上可形成具有向上生长小根的根瘤；而在桤木、鼠李科和蔷薇科植物上形成的根瘤成簇，每簇由许多裂片状的小根瘤组成。在有隔、分枝的菌丝体顶端的泡囊柄上，形成泡囊，泡囊具有固氮功能。弗兰克氏菌属可利用的最适碳源是短链脂肪酸和有机酸，能利用吐温是该属独特的特征。
2. 孢囊放线菌
这类放线菌以孢囊孢子进行繁殖为突出特征。孢子的分裂和排列方式用于区分不同的属。
（1）游动放线菌属（Actinoplanes）
孢囊球状、棒状或不规则状，产生圆形或近圆形具丛生鞭毛的游动孢子。多分布在腐烂植物和土壤中。
（2）指孢囊菌属（Dactylosporangium）
孢囊指状或棒状，其内可产生规则的球形孢子，排列成单一行列。16SrRNA寡核苷酸编目表明该属在系统发育上与游动放线菌菌属、小单孢菌属的关系密切。
（3）游动单孢菌属（Planomonospora）
产生梭形、具周生鞭毛的游动孢子是该属的特征。多分布在温带和热带的土壤中。
3. 链霉菌
链霉菌具有发达的基内菌丝和气生菌丝，孢子丝和孢子所具有的典型特征是区分各种链霉菌明显的表观特征，产多种抗生素是这类放线菌最突出的生理特性。链霉菌属(Streptomyces )：包括几百个种的链霉菌属是放线菌中种类最多的一属。该属的孢子丝可呈直形、波曲和螺旋形，螺旋形有开环螺旋形钩状、松螺旋、紧螺旋之分。孢子丝在排列方式上又有簇生、单轮生、二级轮生之别。孢子丝可产3－50个孢子，孢子呈球形、椭圆形或杆状，有的表面光滑，有的表面具有瘤状、刺状、毛发状或鳞片状等饰物。孢子丝的形状、排列方式、孢子表面饰纹是分种的重要表型特征。该属可产生1000多种抗生素，用于临床的已超过100种，如链霉素（Streptomycin）、卡那霉素(Kanamycin)、丝裂霉素(Mitomycin)等，是放线菌中产抗生素最多的属。此外，该属的种还可以产生维生素、酶和酶抑制剂。多数腐生型的链霉菌在土壤中生长，分解土壤中其他微生物难以利用的有机物，对土壤环境具有高度的适应性，在土壤改良中具有积极意义。少数寄生型的种能引起植物病害，如疮痂链霉菌（S.scabies）可导致马铃薯和甜菜的疮痂病。
4. 其它放线菌
(1) 小单孢菌（Micromonospora）
在单轴分枝的孢子梗上产生圆形的单生孢子是该属最突出的表观特征。腐生型的小单孢菌具有很强的分解纤维素、几丁质的能力，是土壤和水体中常见的放线菌。临床上广泛使用的庆大霉素是由该属中的棘孢小单孢菌（M.echinospora）产生的。
(2) 高温放线菌属（Thermoactinomyces）
在系统发育上，该属归于G+菌DNA低G+C菌群（G+C/mol%为30-42），说明该属与其他放线菌在遗传上远缘。气生菌丝和基内菌丝均可产生单个孢子是该属的特点。多分布在高温的堆肥、厩肥和自热草堆中，有些种可产抗生素。
(3) 诺卡氏菌属(Nocardia)和拟诺卡氏菌属（Nocardiopsis）
诺卡氏菌属又名原放线菌属，培养15小时至4天的菌丝体产生横膈膜后可突然断裂成长短近一致的杆状或带叉的杆状体或球状体，以此复制成新的多核菌丝体是该属突出的特点。多数种只有营养菌丝，而无气生菌丝。一些具有极薄气生菌丝的种也可以产生杆状或椭圆形的孢子。该属可产生多种抗生素，如对结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）和麻风杆菌(M.Leprae)有特效的利福霉素(rifomycin)以及抗G+菌的瑞斯托霉素(ristocetin)。此外，有的诺卡氏菌在石油脱蜡、烃类发酵、处理含氰废水方面有实用价值。拟诺卡氏菌属在形态特征上与诺卡氏菌属相似，有的种可引起人和动物眼及肺部感染。
(4) 马杜拉放线菌属（Actinomadura）
该属的放线菌可产生多种抗生素，如抗禽类球虫病的马杜霉素（madumycin）,有的种可通过伤口感染引起足分枝菌病。
(5) 放线菌属(Actinomyces)
该属最突出的特征是无气生菌丝，不形成孢子，通过营养菌丝断裂成"V""Y"形体进行繁殖。多数是致病菌，如引起牛颚肿病的牛型放线菌(A. bovis)以及引起人后颚骨肿病和肺感染的衣氏放线菌(A.israelii)。
第二节古生菌的多样性
独特的细胞形态：叶片状(嗜热硫化叶菌)、丛生鞭毛球状(热球菌)、棍棒状(热棒菌)、盘状(富盐菌)；菌落鲜艳的颜色；不同成分的细胞壁组成；有别于真细菌的细胞质膜；对氧的不同需求和不同的营养类型；16SrRNA 独特的序列；以及极端嗜盐、超嗜热和厌氧条件下产生甲烷等生理特性，这些都展现了古生菌的多样性。
一、古生菌系统发育总观
产甲烷的细菌，嗜热的细菌是人们早就熟知的细菌，过去只注重了它们产甲烷和耐热的特性，一直归为真细菌的范畴。直到本世纪70年代后，由于细胞化学组分分析和分子生物学方法的建立，特别是16SrRNA序列分析方法的不断完善，才对产甲烷细菌、嗜热细菌、嗜盐细菌等极端环境微生
物的研究逐步深入。加之，对极端环境微生物的分离和剖析，人们终于对古生菌的系统发育有了了解和认识，根据16SrRNA 序列分析绘制的古生菌系统发育树(图13-9)展示出古生菌各个类群系统进化的关系。
图13-9 古生菌的系统发育树
系统发育树的根部是目前尚不可培养的超嗜热古生菌---古生古菌界(Korarchaeota)。由根部向上可分为4个亚群：
第1亚群：
近根部的甲烷嗜热菌以及能还原硫的超嗜热古生菌，包括：脱硫球菌，硫化叶菌，热变形菌，热网菌，热球菌，它们统称为泉古生菌界 (Crenarchaeota). 超嗜热菌的寡核苷酸标记是UAACACCAG 和 CACCACAAG 。
第2亚群：
产甲烷古生菌，包括：产甲烷球菌、产甲烷杆菌、甲烷嗜热菌、古生球菌以及产甲烷八叠球菌-产甲烷螺菌类群。 AYUAAG 序列是极端嗜热菌的标记
第3亚群：
极端嗜盐的古生菌独立成群，包括：盐杆菌 - 盐球菌，AAUUAG 序列是极端嗜盐菌的标记。
第4亚群：
嗜酸、嗜热的热源体也是独立成群， AAAACUG 和 ACCCCA 寡核苷酸序列是热源体的遗传标记。谱系树中的第 2 亚群，第 3 亚群和第 4 亚群构成了广古生菌界 (Euryarchaeota) 。
二、极端嗜盐古生菌
根据 16s rRNA 的序列分析并结合其它生物学形状，目前将极端嗜盐菌划分为 8 个属：盐杆菌属(Halobacterium)、盐深红菌属(Halorubrum)、Halobaculum、富盐菌属(Haloferax)、盐盒菌属(Haloarcula)、盐球菌属(Halococcus)、嗜盐碱杆菌属(Natronobacterium)、嗜盐碱球菌属(Natronococcus)。
所有的嗜盐古生菌的革兰氏染色均为阴性。细胞壁不含肽聚糖，质膜中含有醚键的类脂。细胞内的基因组成有别于真细菌和其它古生菌，在盐杆菌和盐球菌的细胞内存在着多拷贝的大质粒，这些大质粒的GC碱基mol%比率为 57-60% 与核 DNA 66-68% 的比率有明显的差异，质粒 DNA占细胞总DNA的25-30%，远远超过真细菌0.5-3%的含量。嗜盐菌核DNA存在着高度重复性，同时具有古生菌类型的RNA聚合酶。
嗜盐菌采用二分分裂法进行繁殖，无休眠状态，不产生孢子，大多数嗜盐菌不运动，只有少数种靠丛生鞭毛缓慢运动。所有的极端嗜盐古生菌均为化能有机营养类型，大多数的种以氨基酸或有机酸作为碳源和能源，并需要一定量的维生素作为生长因子，少数种可较弱地氧化碳水化合物。大多数的种行专性好氧呼吸，一些盐杆菌的种可进行厌氧呼吸，通过耗糖发酵以及硝酸盐或延胡索酸盐的无氧呼吸链来进行。
嗜盐菌的生长虽然需要高钠的环境，但胞内的Na+浓度并不高，这是因为嗜盐菌具有一种浓缩、吸收外部的K+而向胞外排放Na+的能力，在 Na+占优势的高盐环境中，可防止过多的Na+进入细胞，从而保持环境中的高Na+。嗜盐杆菌的细胞壁以糖蛋白替代传统的肽聚糖，这种糖蛋白含有高量酸性的氨基酸，如天门冬氨酸和谷氨酸，形成负电荷区域，吸引带正电荷的Na+，Na+被束缚在嗜盐菌细胞壁的外表面，起着维持细胞完整性的重要作用。当外环境中的Na+被降低，或者将在高盐溶液中的嗜盐菌移入低盐溶液中，由于赖以维持细胞壁稳定性的Na+的减少，会导致细胞壁一块块地破裂，最
后嗜盐菌的细胞被裂解。嗜盐菌的细胞质蛋白特异性地含有许多低分子量的亲水性氨基酸，这样，在高离子浓度的胞内环境中，细胞质可呈现溶液状态，而疏水性氨基酸过多则会趋向成簇，从而使细胞质失去活性。
嗜盐菌的菌视紫素和光介导(Light-mediated)ATP合成系统：
在厌氧光照条件下培养嗜盐菌时，产生一种菌视紫素嵌入细胞质膜中，成为紫膜，使菌体呈现红紫色。紫膜的膜片约占全膜的50%，由 25%的脂类和75%的蛋白质组成。这种蛋白质与动物视觉器官的感光细胞中的视紫红质（rhodopsin）相似，也含有视紫素，被称为菌视紫素。嗜盐菌的菌视紫素可强烈吸收570nm处的绿色光谱区。菌视紫素的视觉色基(发色团)通常以一种全-反式(all trans)结构存在于膜内侧，它可被激发并随着光吸收暂时转换成顺式(cis form)状态(图13-10)。这种转型作用的结果使H+质子转移到膜的外面，随着菌视紫素分子的松弛和黑暗时吸收细胞质中的质子，顺式状态又转换成更为稳定的全-反式异构体。再次的光吸收又被激发，转移H+。如此循环，形成质膜上的H+质子梯度差，产生电化势。菌体利用这种电化势在ATP酶的催化下，进行ATP的合成，为菌体贮备生命活动所需要的能量。这种由菌视紫素参与的光介导ATP的合成，显然与光合细菌叶绿素的能量产生有本质的区别。盐杆菌的这种光介导的H+质子泵还具有通过Na+/K+反向转运(antiport)向细胞外排出Na+的功能，并且驱动为保持细胞渗透压平衡所需要的K+和各种营养物的吸收。对于氨基酸的吸收也被证明是间接地通过光来驱动，一种氨基酸Na+泵运输系统被用于运载氨基酸的吸收。
紫膜是极端嗜盐古生菌细胞结构的一大特征，除具有光合作用外，还具有光能转换特性，如将太阳能转换为电能。紫膜的分子结构在光作用下的变构现象，也有可能作为生物计算机的光开关、存储器等。
图13-10 嗜盐杆菌紫膜菌视紫素质子泵的光介导模型
三、产甲烷古生菌
产甲烷的古生菌由于其分解代谢的产物是CH4，很早就被人们发现并对甲烷的形成进行了研究，由于产甲烷新种的不断发现，截至1990年，根据D.R.Boone的统计，产甲烷细菌的总数为55种。 1997 年有的学者根据形态特征、可利用的底物及DNA G+C/mol% 将产甲烷古生菌划分为7 个类群18个属产甲烷古生菌在形态上具有多样性，从已分离到的产甲烷古生菌可分为球形、八球球状、短杆状、长杆状、丝状和盘状。
产甲烷古生菌的革兰氏染色反应多数为G+, 少数为G-。由于它们的细胞壁不含有肽聚糖，用革兰氏染色作为产甲烷古生菌的分类指征是不适宜的。产甲烷古生菌的质膜主要是由醚键连接的类异戊二烯组成，而不是通过酯键连接的磷脂。 16SrRNA 寡核苷酸的序列分析可以提供与该菌形态和生理发育相一致的系统发育体系。产甲烷古生菌是严格的厌氧菌，它们的细胞内不含有过氧化氢酶，也不含有过氧化物酶，因此氧对它们有毒害作用，不能生活在有氧的环境中。在进行自养生长时，CO2是碳源，利用H2作为CO2的还原剂以合成有机物，利用甲烷发酵或乙酸盐呼吸来获取生命活动所需要的能量，乙酸可刺激生长。某些种需要氨基酸、酵母膏和酪素水解物等作为生长因子，如：瘤胃甲烷菌需要支链脂肪酸。所有的产甲烷古生菌都能利用NH4+作为氮源，少数的种可以固定分子态的氮。与其它古生菌不同的是，所有的产甲烷古生菌都需要金属镍作为产甲烷辅酶F430的成分(镍四吡咯)，除镍之外，铁和钴也是产甲烷古生菌所需要的重要微量元素。
四、超嗜热古生菌
超嗜热古生菌是古生菌界中能在100℃以上的温度环境中生活的嗜热微生物。它们的最适生长温度约为80℃左右。这种温度范围不仅对高等动植物是致死温度，就是对耐热的真细菌来说，也是
不能存活的温度。超嗜热古生菌分布在地热区炽热的土壤或含有元素硫、硫化物热的水域中。由于生物氧化作用，富硫的、热的水体及其周围环境往往呈现酸性，pH值5左右，有的可低于1。这些高热、高酸、高硫的环境，常被称为硫磺热泉(solfataras)。但是，主要的超嗜热古生菌多栖息在弱酸性的高热地区。
绝大多数的超嗜热古生菌专性厌氧，以硫作为电子受体，进行化能有机营养或化能无机营养的厌氧呼吸产能代谢。超嗜热古生菌的呼吸类型呈现高度多样性，不论是以有机物还是以无机物作为呼吸底物，进行化能有机营养或化能无机营养，硫元素在各类型的呼吸作用中都起着关键性的作用。或者作为电子受体或者作为电子供体。目前，我们所了解的超嗜热古生菌多分离自陆地的火山地区和海底的火山口、海底硫磺热泉及海底热流的喷出口。现已对18个属的超嗜热古生菌进行了形态、生理和遗传特性的研究。
五、无细胞壁的古生菌：热原体属(Thermoplasma)
在古生菌中，有一类无细胞壁的原核生物很象无细胞壁的支原体，由于它们无细胞壁、嗜热、嗜酸、行好氧化能有机营养，所以被称为热原体(图2-24)。
热原体的细胞大小有较大的变化，从0.2μm 到 1-5μm 。有的种具有多根鞭毛，能够运动。热原体能抵御外界渗透压的变化、对抗外环境的低pH值和高热极端环境，是因为它们虽然没有坚韧的细胞壁，但发育出一种带有甘露糖和葡萄糖单位的四醚类脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作为质膜的主要成分。同时，质膜中也含有糖肽，但没有固醇类化合物，这样的质膜使热原体表现出对渗透压、酸、热的稳定性。热原体在55 ℃、 pH 2 的合成培养基上生长。目前已知的热原体只有三个种：嗜酸热原体(T.acidophilus)、氧化硫热原体(T.thiooxidans)火山热原体
(T.volcanium)。
最令人感兴趣的是热原体的基因组，象支原体一样，热原体也只有一种极小的基因组，其DNA 中的碱基约为1100Kb,GC碱基mol% 比率为6。与其它原核微生物显然大不相同的是，在DNA的碱基周围裹以结合蛋白，这种球蛋白颗粒的组成很象真核细胞中的核小体，并且很坚硬，其蛋白组分也类似于真核细胞核小体中的组蛋白。经氨基酸测序比较，二者显示出有意义的同源性。从系统发育上看，热原体属于广古生菌 (Euryarchaeota)。
六、微生物生存的温度极限
超嗜热古生菌的生长温度比任何已知的原核生物的生长温度都要高得多。目前已经探明，超嗜热古生菌之所以能够在70-110℃的温度范围内生长，有的种属甚至可以在超过110℃的温度下正常生长，关键在于这类古生菌细胞内的蛋白质和核酸大分子物质对热的稳定性。对于耐热蛋白质来说，这种稳定性一方面取决于蛋白质中氨基酸的序列、肽键的折叠以及耐热蛋白的酶活性；另一方面通过代谢活动产生的2,3－二磷酸甘油酸可溶性物质的保护作用增强了对热的稳定性。对于DNA来说，则是通过一种与真核生物细胞组蛋白密切相关的结合蛋白和高浓度的2,3－二磷酸甘油酸来防止和保护在高热条件下DNA的变性和解链。
超嗜热古生菌中的热网菌属(Pyrodictium)的细胞最高能在110℃生长，在这样的温度条件下，热网菌可以产生占细胞蛋白总量80%的一种蛋白质，这种蛋白质具有两种酶活性，一种活性为催化ATP合成的酶活性，另一种活性是作为一种分子伴侣(molecular chaperonin)，当外环境的温度达到生长温度的最高极限接近细胞内蛋白质变性时，这种分子伴侣通过重折叠 (refolding) 来保持其它蛋白质分子对高热的稳定性。而在接近热网菌最适生长温度105℃的100℃时，只产生少量的分子伴侣，这就暗示出，只有在生长温度的最高极限时，才会大量产生防止蛋白质变性的分子伴侣。
热球菌属(Pyrococcus)这类嗜热古生菌，它们对DNA的保护装置在于细胞内含有高浓度的2,3-二磷酸甘油酸，DNA与可溶性的细胞质结合或者通过特异性的DNA结合蛋白的活性，来对抗高热对DNA的解链破坏作用，使DNA的解链温度随可溶性细胞质浓度的增加而提高。目前认为，当温度达到120℃时，微生物体内的DNA、ATP、NAD+水解酶及蛋白质均会遭到破坏、失活，生命将不复存在。然而，对于一些超嗜热古生菌，例如热叶菌(Pyrolobus)，当温度升至113℃时，菌体通过保护性物
质能很快地适应高热，得以生长。如此看来，对于微生物生存的温度极限，目前应该界定为低于120℃。113℃是超嗜热古生菌---热叶菌生存的最高温度。
七、古生菌：地球早期的生命形式
正如我们在前一章所指出的那样，三界学说的建立和发展，为进一步探讨生命起源和进化，提出了新的思路。在生命出现前的原始地球上，大气的组成是还原性的，富含大量的水蒸气、CH4、NH3、H2S、和少量的H2。宇宙大爆炸的能量使氨基酸、核苷酸、糖类、脂类等生命物质得以出现，由此演化成原始生命。早期地球高热、高盐、高湿、低pH、无氧、充满还原性的气体，是一种极端环境。只有克服和适应这种极端环境条件的生命才能得以生存和繁衍下去。在当时大约100℃或者更高温度的环境中，唯有超嗜热的生物才可能生长复杂，这种超嗜热生物应该是类似的超嗜热古生菌。从16SrRNA 序列分析的数据比较表明，古生菌在系统发育中的进化比真细菌和真核生物缓慢，这种缓慢的进化过程特别表现在超嗜热古生菌中。究其原因，这可能与超嗜热古生菌与它们所栖息的极端高热环境有密切的关系。生活在高热环境中的生物必须保持其基因的稳定性和保守性，即使由于进化，这些基因也不会发生重大改变以保持其特殊的表型特征。
可以认为，类似于超嗜热的古生菌可能是地球早期的生命形式。因为它们厌氧、化能有机或化能无机的营养代谢等表型特征能符合所推测的早期地球地质化学条件下原始生物的表型特征。能氧化H2、还原硫的超嗜热古生菌、类似于甲烷嗜热菌的产甲烷微生物都属于地球上早期的细胞类型，它们可能演化成古生球菌、热棒菌、热变形菌以及各类产甲烷的古生菌。氢代谢途径出现在超嗜热古生菌中，古生球菌以H2作为电子供体，将硫酸盐还原成H2S ，甲烷球菌和嗜热甲烷菌利用H2还原CO2生成甲烷，这显示出H2作为电子供体在地球早期生命发育和进化中的作用。虽然超嗜热古生菌和产甲烷古生菌作为地球早期的生命形式的证据还不够充分，还有许多奥秘没有解开，还有许多令人质疑的问题没有得到确切的答案，但至少我们可以认为，具有嗜热、厌氧、低pH、氧化H2、还原硫及硫酸盐、产甲烷等特性的各类古生菌，可以适应早期地球的环境，而得以生存繁衍下来，成为现代各类古生菌的祖先。
第三节真核微生物的多样性
真核微生物包括真菌、单细胞藻类和原生动物，其种类约占微生物总数的95%以上。其中已知的真菌约有 4 万多种，并且有人统计过，新发现的真菌新种数正以每年 1500 种的速度递增着。从个体形态、群体形态、营养吸收、代谢类型、代谢产物、遗传特性、和生态分布诸方面，真核微生物都展现出一幅多样化的画面。
一、真核微生物系统发育总观
生物的共同祖先沿着真细菌、古生菌、真核生物三条路线进化，其中一条路线为真核生物的演化过程。而真核生物是源于原始的原核细胞间的内共生演化而来(图13-11)。
根据 18srRNA 序列分析绘制的较详细的真核生物系统发育谱系树(图13-12)，概述了真核生物各类群的亲缘关系。从图13-12中可以看出真核生物的系统演化沿着四条路线进行。
图13-11 现代真核生物的起源
图13-32 真核微生物系统发育谱系树
双滴虫(Diplomonads)和微孢子虫(Microsporidia)是目前已知最古老的真核生物，它们具有细胞核，但是没有线粒体。在系统发育中独立成两个分支，没有较近缘的关系。这是第一条演化路线。
第二条演化路线包括近缘的鞭毛虫(Flagellates)、锥形虫(Trypanosomes)、和眼虫类(Euglenoids)。
第三条演化路线是粘质霉菌(Slime molds)。粘质霉菌是非光合作用的真核微生物，在表型上同真菌和原生动物有相似之处，来自同一个系统发育的背景。但是粘质霉菌是比真菌和某些原生动物，如纤毛虫更为古老的真核生物，在进化史上，它们比具有鞭毛的原生动物更为久远第四条路线包括了纤毛虫(Ciliates)、腰鞭毛虫(Dinoflagellates)、原生动物、动物、藻类、植物和真菌。在由原始真核生物进化成动物的演化路线中 , 纤毛虫和腰鞭毛虫虽然有较为相近的亲缘关系，但它们是进化的旁支。绿藻和植物近缘，而红藻同植物、真菌的亲缘关系并不密切，独树一帜。令人感兴趣的是，卵菌、硅藻、褐藻是较为古老的近缘的真核生物，它们距谱系树的根部近，应该说是进化的落后者。
二、藻类
藻类是一个庞大多样的真核生物类群。这个类群虽然包括着含有叶绿素、放氧的光合类型的生物，但藻类不能与同样也是行光合营养、放氧的蓝细菌相混淆。蓝细菌是原核生物，在进化上与藻类有显著的差异。藻类在大小上差别很大，有些是单细胞微小的生物，而有的藻类如海带 ( 褐藻 ) 可以长达 30 多米。除单细胞藻类外，许多藻类是群体，呈丝状或栅状，(图2-28)。有的丝状藻类不分枝，有的具复杂的分枝。大多数藻类含有叶绿素，呈现绿色，少数藻类因含有类胡萝卜素掩盖了叶绿素的绿色，而成为褐色和红色。藻类细胞中均含有1个或多个叶绿体，叶绿素分布在叶绿体的膜结构中。根据核糖体 RNA 序列分析的结果可以看出，藻类的系统发育是离散性很明显的异质类群(图13-32)。眼虫藻自发地失去叶绿体成为一种异养生物，从而与具有鞭毛的原生动物显示出系统发育中较为密切的亲缘关系。与绿藻和红藻相比较，褐藻与硅藻显然是更为古老的生物。只有绿藻和一些红藻与绿色植物有非常密切的亲缘关系。不同藻类的形态、运动性、所含叶绿素的种类、用于产生高聚物的碳源物质、细胞壁类型以及栖息地可作为藻类分离的特征依据。这些特征列于表13-4中。
表13-4主要藻类类群的特征
三、真菌
真菌(fungi)是不含叶绿体、化能有机营养、具有真正的细胞核、含有线粒体、以孢子进行繁殖、不运动(仅少数种类的游动孢子有1-2 根鞭毛)的典型的真核微生物。真菌的类群庞大而多样，估计有10万多种，目前人们已了解的真菌约有4万余种。真菌在自然界中的分布极其广泛。一些水生的种类生活在湖泊、河流中；少数种类栖息在海洋中(如海洋中的红酵母)；大多数真菌则主要生活在土壤中或死亡的植物残体上。它们在自然界的碳素循环和氮素循环中起主要作用。真菌参与淀粉、纤维素、木质素等有机含碳化合物的分解，生成 CO2 ，为植物的光合作用提供碳源。许多真菌特别是担子菌，它们重要的生态学活性在于可以分解木材、纸张、棉布和其它自然界中含碳的复杂有机物。担子菌分解这些有机物时，是利用纤维素和木质素作为生长的碳源和能源。
真菌对蛋白质及其含氮化合物的分解所释放出的NH3一部分可供植物和微生物的吸收同化，一部分可转化成硝酸盐，成为氮素循环中不可替代的一步。然而在真菌中，一些真菌是引起许多重要经济作物病害的病原菌，如玉米腥黑穗病、小麦锈病、黄瓜黑腥病、棉花枯萎病、苹果树腐烂病等；少数真菌是人类、动物的致病菌，如 , 由白色假丝酵母引起的鹅口疮、由表皮癣菌、毛癣菌引起的癣症等。
有别于系统发育多样化的藻类，除卵菌纲这一较为古老的例外，在真核生物的系统发育树中(图13-12)，真菌是亲缘关系密切的类群。它们之间仅仅在形态特征和有性生活史中呈现出有差异的多样性，因此，目前真菌的分类仍以形态特征和有性生活史作为分类的指征。有关真菌各类群的主要特征列于表13-5中。真菌的营养要求简单，属于低营养微生物，其代谢和合成不象细菌那样多种多样。真菌中的霉菌、酵母菌合蕈菌与人类的生产和生活密切相关。 ]
表13-5真菌的类群和主要特征
1. 霉菌
霉菌(molds)是丝状真菌，不同的霉菌可以产生节孢子、后垣孢子、孢囊孢子、和分生孢子四种无性孢子。孢囊孢子多呈黑褐色，而分生孢子具有各种颜色，如黑、黄绿、红色、黄色或褐色。当孢子成熟时，白色的菌丝其颜色也会发生变化，故而其菌落也会呈现出同孢子相一致的颜色。不同霉菌的有性孢子为卵孢子、接合孢子、子囊孢子和担孢子。霉菌中的任何一种无性孢子和有性孢子在适宜的环境中均能萌发并且发育成新的菌丝和菌丝体。孢子对干燥、冷热和某些化学药物具有一定的抗性。许多霉菌具有重要的经济意义，与人类的生产活动和日常生活关系密切。有代表性的霉菌简介如下：
（1）毛霉属（Mucor）
由无隔多核的菌丝构成菌丝体，产生无性的孢囊孢子和有性的接合孢子，蛛网状菌落。具有很强的分解蛋白质的能力，是制作腐乳、豆豉的菌种，有的种可用于淀粉酶的生产，有的种可用于柠檬酸发酵，有的种具有转化甾族化合物的能力。毛霉主要分布于土壤、肥料中，能引起水果、蔬菜、淀粉类食品的霉腐变质。
（2）根霉属（Rhizopus）
形态上与毛霉相似，但根霉的匍匐菌丝可分化出吸收营养的假根及产无性孢囊孢子的孢囊梗，有性繁殖产接合孢子。根霉产生淀粉酶、糖化酶是酿酒工业的菌种。另外有的种可进行甾族化合物转化及生产延胡索酸、乳酸等有机酸。根霉也可以引起食物、水果和蔬菜的霉腐。
（3）曲霉属（Aspergillus）
有隔多核菌丝，具足细胞，经由菌丝分化形成的分生孢子头产生无性的分生孢子，有的种其有性繁殖产生子囊和子囊孢子，但许多种的有性繁殖不详。菌落绒状，具黄、褐、黑、橙、绿等颜色。曲霉是发酵工业和食品加工工业重要的菌种，用于制酱、酿酒、制醋曲等，现代发酵工业用曲霉生产淀粉酶、蛋白酶、果胶酶等酶制剂以及生产柠檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等有机酸。曲霉广泛分布在谷物、空气、土壤和各种有机物上，可引起水果、蔬菜及谷物的霉腐。值得注意的是有的黄曲霉生长在谷物和花生上可产生黄曲霉毒素B1 , 据证实可诱发肝癌。
（4）青霉属（Penicillium）
有隔多核的菌丝体产生帚状分枝的分生孢子梗是青霉属在形态上典型的特征。分生孢子多为青色，菌落絮状，大多数种的有性阶段不详。青霉最显著的实用价值当属由点青霉
（Penicillium notatum）和产黄青霉(P.chrysogenum)所产生的抗G+和G-菌的广谱抗生素―青霉素。青霉中有的种可以产生磷酸二酯酶、纤维素酶等酶制剂；有的种可以产生丙二酸、甲基水扬酸以及甾族化合物的生物转化。青霉也可以引起淀粉类食品、水果、蔬菜、皮革以及光学仪器的霉腐。
（5）脉孢菌属(Neurospora)
原称链霉菌，因其子囊孢子表面带有叶脉状的纵形花纹，现更名为脉孢菌。其子囊孢子在子囊内单向排列，表现出有规律的组合，是进行有性杂交后遗传性状分离和组合的极好材料。脉孢菌的细胞内含有丰富的蛋白质、VB12，可用于制取稻草曲饲养家畜，有的种可造成食物腐烂。
（6）赤霉菌属（Gibberlla）
是植物的病原菌。分生孢子白色，菌落呈紧密的绒毛状。藤仓赤霉（G.fujikuroi）是水稻恶苗病的病原菌，可使稻苗疯长。其代谢产物―赤霉素是植物生长刺激剂，可促进作物和蔬菜的生长，在农业生产上具有实用价值。
高通量测序：环境微生物群落多样性分析
(5)高通量测序：环境微生物群落多样性分析 微生物群落多样性的基本概念 环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究 热点。长期以来，由于受到技术限制，对微生物群落结构和多样性的认识还不全面， 对微生物功能及代谢机理方面了解的也很少。但随着高通量测序、基因芯片等新技术 的不断更新，微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化。第二代高通量 测序技术（尤其 是Roche 454高通量测序技术）的成熟和普及，使我们能够对环境微生物进行深度测序，灵 敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境的改变而发生的极其微弱的变化，对于我 们研究微生物与环境的关系、环境治理和微生物资源的利用以及人类医疗健康有着重 要的理论和现实意义。 在国内，微生物多样性的研究涉及农业、土壤、林业、海洋、矿井、人体医学等诸多领域。以在医疗领域的应用为例，通 过比较正常和疾病状态下或疾病不同进程中人体微生物群落的结构和功能变化，可以 对正常人群与某些疾病患者体内的微生物群体多样性进行比较分析，研究获得人体微 生物群
落变化同疾病之间的关系；通过深度测序还可以快速地发现和检测常见病原及新发传 染病病原微生物。研究方法进展 环境微生物多样性的研究方法很多，从国内外目前采用的方法来看大致上包括以下四 类：传统的微生物平板纯培养方法、微平板分析方法、磷脂脂肪酸法以及分子生物学 方法等等。 近几年，随着分子生物学的发展，尤其是高通量测序技术的研发及应用，为微生物分 子生态学的研究策略注入了新的力量。 目前用于研究微生物多样性的分子生物学技术主要包 括:DGGE/TGGE/TTGE 、 T-RFLP 、SSCP、FISH 、印记杂交、定量 PCR、基因芯片等。 DGGE 等分子指纹图谱技术，在其实验结果中往往只含有数十条条带，只能反映出样品中少数 优势菌的信息；另一方面，由于分辨率的误差，部分电泳条带中可能包含不只一种 16S rDNA 序列，因此要获悉电泳图谱中具体的菌种信息，还需 对每一条带构建克隆文库，并筛选克隆进行测序，此实验操 作相对繁琐；此外，采用这种方法无法对样品中的微生物做 到绝对定量。生物芯片是通过固定在芯片上的探针来获得微
微生物学[第十三章微生物物种的多样性]山东大学期末考试知识点复习
第十三章微生物物种的多样性 一、要点提示 1．生物的多样性系指遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。由于微生物具有与高等动植物迥然不同的特点，使微生物在营养类型、呼吸类型、代谢类型3方面也呈现出丰富的多样性。 2．长期以来人们对细菌的认识仅从形态结构、生理生化、免疫学特性、生态分布进行区分。由于分子生物学方法的建立和发展，特别是16S rRNA寡核苷酸的序列分析，改变或修正了对细菌人为地传统分类的概念，进入了细菌系统发育和自然进化的研究阶段。按照Woese的观点，真细菌占据自然界生物三大域中的一个域，即：细菌域。在确认了16S rRNA中标志性的寡核苷酸保守序列后，真细菌被划分为12个独特的类群。每个类群可以看成是独立的门，它包括了《伯杰系统细菌学手册》中所描述的23个门的细菌。腐生型的细菌在自然界中碳、氮、硫、磷4种元素的循环和能量流动中起着不可替代的作用；一些种是动、植物和人的致病菌，与动、植物的生长和人体健康密切相关；一些具有特殊形态，如具附属物或鞘的细菌，产子实体的黏细菌等，它们的存在丰富了微生物物种的多样性。 3．古生菌是极端环境微生物，它们在形态结构、营养代谢、生理特性、遗传物质及生态分布等方面与真细菌具有十分明显的差异。16S rRNA寡核苷酸序列分析表明它们是生物总系统发育中一个重要的域，包括：产甲烷古生菌、极端嗜热S0代谢菌、极端嗜盐古生菌、无细胞壁的热原体和还原硫酸盐古生菌5个类群。古生菌的发现为人们利用古生菌中的嗜热酶(例如：Taq、Pfu DNA聚合酶)、产甲烷辅酶及其他参与碳、氮物质代谢的酶类，进行分子生物学研究和进行酶法水解、酶法转化制取有用产品提供了丰富的微生物资源。另外，对古生菌嗜热、嗜酸、厌氧、耐高盐、产甲烷、还原硫酸盐及光介导ATP合成的研究，为探索地球上早期原始生命的起源，提供了有力的佐证。 4．生物的共同祖先沿着真细菌、古生菌、真核生物3条路线进化。目前认
北师大版生物八下第22章物种的多样性
第22章物种的多样性 (夜郎中学：余明灯） 第1节生物的分类 一．教学目标： １．尝试根据一定的特征对生物进行分类； ２．生物分类原则、等级和基本单位 ３．练习编写检索表 ４．说明对生物统一命名的重要性 二．教学重难点： １．生物分类的方法；生物命名的方法 ２．活动“尝试对生物分类” ３．活动“编制检索表” 三．课时安排：2课时 四．教学过程： 第1课时 《一》创设情景、引入新课 地球上约有35万中植物和150多万种动物，它们有的形态结构相似，有的彼此千差万别，我们怎样识别这些种类繁多的生物呢？当我们到商品繁多的超市购买东西，会很容易的找到我们所需要的，为什么？——因为它们是按一定的规律分类排列的。认识生物也要采用类似商品分类的方法，根据生物的某些特征将它们分门别类，这就是生物分类。 《二》活动“尝试对生物分类” 【活动过程】：展示图片 观察图片上这些你们所熟悉的各种生物，各小组讨论分析，尝试将它们分成不同的生物类群。 检查结果 问：你们组是根据什么将这些生物分类的？（性状差异和亲缘关系）【导出】：根据这个原则，生物学家将地球上现存的生物依次分为7个等级：界、门、纲、目、科、属、种 （其中基本单位是——种，即为最小的单位；最大的单位是界。）；把各个分类等级按其高低和从属关系顺序排列起来，就构成生物分类的阶层系统。如教材
31页—32页在分类阶层系统中，我们都可以在不同的分类单位中找到各种生物的位置。 刚才看了同学们的分类情况，各有不同，这样是否有利于我们识别生物？如果各执一词是不是就乱套了？那么我们是否需要一个统一的标准呢？ （需要） 所以生物学家根据生物特征的差异，编制出生物检索表。 讲解编制方法 活动“编写检索表” 第2课时 《一》复习旧课，引入新课 【提问】：（1）生物学家们为了弄清各种生物之间的亲缘关系是怎样将生物进行分类的？ （界、门、纲、目、科、属、种） （2）为了便于人们按照统一的标准识别生物，生物学家们依据什么 编制了什么来进行生物的分类？ （生物特征差异检索表） 【引入】：很好！我们要认识一件事物，首先要给它命名，认识生物也是如此，今天我们 就来看看生物的命名。 《二》生物的命名 【师生活动】：在我们认识生物的过程中发现，由于不同的地区，同一种生物往往有多个名称。 请看图，图上的生物在我们这里叫什么名字呢？——（红苕） 这是我们平时喜欢吃的红苕，但它有多个名字哦，在北京则称之为白薯，到了湖南就变成了红薯，江苏又叫山芋，而山东和东北又称之为地瓜。 请再看看图中的这两株植物是什么？——（土豆山药） 不同的两种植物它们却有一个共同的名字——山药，像上面这样两中情况再现实生活中比较常见，那么这样是否方便呢？（容易引起歧义）
微生物多样性研究—β多样性分析概述
微生物多样研究中的—β多样性分析概述
一、β-多样性分析介绍 1. β（Beta）Diversity： 是对不同样品/不同组间样品的微生物群落构成进行比较分析。 ?β多样性分析前的数据“来源”： 1）OTUs的丰度信息表； 2）OTUs之间的系统发生关系， 计算Unweighted Unifrac及Weighted Unifrac距离。 ?通过多变量统计学方法主成分分析(PCA，Principal Component Analysis)，主坐标分析(PCoA，Principal Co-ordinates Analysis)，非加权组平均聚类分析(UPGMA，Unweighted Pair-group Method with Arithmetic Means)等分析方法，从中发现不同样品（组）间的差异。
2. PCA & PCoA分析 ?主成分分析（PCA）是多变量统计学中最为人熟知的分析方法，它通过线性变换，将原始的高维数据投影至少量新合成的变量（即主成分），从而简化数据结构，展现样品的自然分布。 ?主成分分析不考虑原始变量之间可能存在的相互关系，并且是基于欧式距离评价样品之间的相似度。 ?多维尺度分析与主成分分析类似，但是它可以采用任何距离评价样品之间的相似度。主坐标分析（Principal coordinates analysis，PCoA）是经典的多维尺度分析方法。
3.UniFrac距离 ?由于微生物极其多样，不同微生物彼此之间的系统发育关系往往千差万别，仅仅将群落中不同微生物成员视为相互独立的变量显然并不合理。 ?因此，在比较不同群落样品之间的差异时，需要考虑两个群落成员之间的系统发育关系是否相似。 ?基于这个思想，计算微生物群落样品间距离的UniFrac距离应运而生，通过比较两个群落各自独有的微生物成员之间系统发育关系的远近，更为客观地反映两个群落样品之间的相似程度。
微生物的生物多样性简介
微生物的生物多样性简介 微生物是地球上生物多样性最为丰富的资源。微生物的种类仅次于昆虫，是生命世界里的第二大类群。然而由于微生物的微观性，以及研究手段的限制，许多微生物的种群还不能分离培养，其已知种占估计种的比例仍很小。从下面的两张统计表中可以看出。 中国微生物已知物种数与世界已知物种数的比较 微生物的已知种数和估计总种数
微生物是生物中一群重要的分解代谢类群，没有微生物的活动地球上的生命是不可能存在的。它们是地球上最早出现的生命形式，其生物多样性在维持生物圈和为人类提供广泛而大量的未开发资源方面起着主要的作用。 微生物的多样性包括所有微生物的生命形式、生态系统和生态过程以及有关微生物在遗传、分类和生态系统水平上的知识概念。 物种是生物多样性的表现形式，与其它生物类群相比，人类对微生物物种多样性的了解最为贫乏。以原核生物界为例，除少数可以引起人类、家畜和农作物疾病的物种外，对其它物种知之甚少。人们甚至不能对世界上究竟存在多少种原核生物作出大概的估计。真菌是与人类关系比较密切的生物类群，目前已定名的真菌约有8万种，但据估计地球上真菌的数量约为150万种，也就是说人们已经知道的真菌仅为估计数的5％。 微生物的多样性除物种多样性外，还包括生理类群多样性、生态类型多样性和遗传多样性。 微生物的生理代谢类型之多，是动植物所不及的。微生物有着许多独特的代谢方式，如自养细菌的化能合成作用、厌氧生活、不释放氧的光合作用、生物固氮作用、对复杂有机物的生物转化能力、分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力，抵抗热、冷、酸、碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的能力，以及病毒的以非细胞形态生存的能力等。微生物产生的代谢产物种类多，仅大肠杆菌一
微生物之微生物多样性分析-DGGE
变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE） 普通的聚丙烯酰胺凝胶电泳只能通过片段大小不同在同一浓度的胶上电泳迁移率不同而分离不同的DNA片段，对于片段大小接近或相同的DNA片段无法做到有效地分离；DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis) 即变性梯度凝胶电泳，是利用DNA在不同浓度的变性剂中解链行为的不同而导致电泳迁移率发生变化，从而将片段大小相同而碱基组成不同的DNA片段分开。 DGGE作为一种成熟的分子生物学技术被广泛应用于环境科学（土壤、海洋、河流、冰川、淤泥等）、医学（各种疾病治疗前后，病变部位微生物的差异）、人体（鼻咽、口腔、黏膜、肠道）等领域进行微生物多样性分析。 实验流程图： 实验结果 实验结果包括以下内容 1 引物设计 以下是DGGE中常用的引物，我们将根据客户的不同需求，进行针对性的引物设计。 引物序列（5’-3’）
细菌 16S V3 区扩 增引物 357-F-GC CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGG GCACGGGGGGCCTACGGGAGGCAGCAG 518r ATTACCGCGGCTGCTGG 引物 序列（5’-3’） 真核 18S V1-3区扩增引物 Euk1A CTGGTTGATCCTGCCAG EukA516r-GC CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCA CGGGGGGACCAGACTTGCCCTCC 2 基因组DNA 抽提电泳检测图 针对客户的样本来源不同，我们针对性优化不同的基因组抽提方法，已达到提取效果最佳。 说明：1-8为样本所抽提基因组DNA，上样量3uL；M 为1kb Marker 上数第一条带为8 kb，中间的亮带为3kb，浓度为30ng/uL，其余为10 ng/uL。 3 目的片段PCR 检测 说明：1-8为样本，负为负对照（说明我们的实验没有污染，这对分子实验是至关重要的），上样量为5uL；M 为DL2000 Marker，上样量3uL。其中亮带为20ng/uL，其余为10 ng/uL。 Reconditioning PCR： 第一轮PCR 产物将会作为新的模板再进行少数循环的第二轮PCR 扩增，这叫做“Reconditioning PCR”。由于在“ Reconditioning PCR”的过程中引物和模板之
中国微生物物种多样性研究进展_郭良栋.
生物多样性 2012, 20 (5): 572–580 Doi: 10.3724/SP.J.1003.2012.10129 Biodiversity Science http: //https://www.wendangku.net/doc/439099369.html, —————————————————— 收稿日期: 2012-06-13; 接受日期: 2012-08-10 基金项目: 国家自然科学基金重点项目(30930005) ? 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: guold@https://www.wendangku.net/doc/439099369.html, 中国微生物物种多样性研究进展 郭良栋* (中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室, 北京 100101) 摘要: 微生物是分布最为广泛的生命形式, 几乎分布到地球上的所有生境, 具有丰富的物种多样性。我国地域辽阔, 跨越热带至寒温带, 气候条件多样, 地理环境与生态系统类型复杂, 是世界上生物多样性最丰富的国家之一。我国已开展了大量微生物多样性研究, 并证实我国多样的生境蕴藏着丰富的微生物物种多样性。目前我国已报道真核微生物(菌物)约14,700种, 其中包括真菌约14,060种、卵菌约300种、黏菌约340种, 而真菌中有药用菌473种、食用菌966个分类单元。特别是近年来通过免培养的分子生物学技术发现我国存在丰富的原核微生物多样性。本文概述了传统方法和现代分子生物学技术在我国原核微生物(古菌、细菌)和真核微生物(真菌、卵菌、黏菌)物种多样性研究的最新进展。 关键词: 真核微生物, 原核微生物, 物种多样性, 培养方法, 分子技术 Progress of microbial species diversity research in China Liangdong Guo * State Key Laboratory of Mycology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101 Abstract: Microbes with rich species and genetic diversity are widely distributed throughout various habitats in the world. China possesses a variety of climate zones, geographic environments, and complex ecosystems, which play a large role shaping the complex biodiversity of this country. Microbial diversity has been widely studied and well documented by Chinese scientists. For example, a total of ca. 14,700 eukaryotic microbe species have been recorded, including ca. 14,060 fungi, ca. 300 oomycetes, and ca. 340 slime molds. Within the Fungi, there have been 473 medicinal fungal species and 966 edible fungal taxa recorded. However, re-cent studies have documented much high species diversity of prokaryotic microbes using molecular tech-niques, which have greatly promoted the study level of microbial diversity in China. This review paper sum-marizes recent research progress of microbial (i.e., archaea, bacteria, fungi, oomycetes, and slime molds) di-versity in China based on traditional and molecular techniques. Key words: eukaryotic microbe, prokaryotic microbe, species diversity, cultivation method, molecular technique 微生物是分布最为广泛的生命形式, 几乎分布到地球上的所有生境, 可利用各种有机化合物、无机盐等作为能源, 在有氧或无氧条件下, 在寒冷的极地、高达100℃的热泉或高盐碱度等极端环境中生活。微生物具有丰富的物种和遗传多样性, 并以高度的变异性适应不同的生境。作为生态系统中的重要组分, 微生物在自然界的物质与能量循环、生态系统的演替以及生物多样性的维持中发挥重要的生态功能。微生物与人类的生活休戚相关, 在直 接或间接地为人类提供了极其丰富的物质资源的同时, 也为人类带来了巨大危害。 Woese 和Fox(1977)以核糖体RNA(rRNA)的小亚基(原核生物的16S 、真核生物的18S 基因)序列为依据, 提出了独立于真细菌(Eubacteria)和真核生物(Urkaryotes)之外的第三种生命形式——古菌(Archaea), 认为它和真核生物以及真细菌是从一个具有原始遗传机制的共同祖先分别进化而来。随后Woese 等(1990)提出了三域(Domain)分类系统, 将
土壤微生物群落多样性研究方法及进展_1
第27卷增刊V ol 127,Sup 1广西农业生物科学Journal o f Guangx i A g ric 1and Biol 1Science 2008年6月June,2008 收稿日期:20080122。 基金项目:广西大学博士启动基金项目(X05119)。 作者简介:姚晓华(广西大学副教授,博士;E -mail:x hy ao@g xu 1edu 1cn 。文章编号:10083464(2008)增008405 土壤微生物群落多样性研究方法及进展 姚晓华 (广西大学农学院,广西南宁530005) 摘要:微生物多样性是指群落中的微生物种群类型和数量、种的丰度和均度以及种的分布情况。研究 土壤微生物群落多样性的方法包括传统的以生化技术为基础的方法(直接平板计数、单碳源利用模式等) 和以现代分子生物技术为基础的方法(从土壤中提取DN A ,进行G+C%含量的分析,或杂交分析,或进 行PCR,产物再进行D GGE/T GG E 等分析)。现代生物技术与传统微生物研究方法的结合使用,为更全面 地理解土壤微生物群落的多样性和生态功能提供了良好的前景。 关键词:微生物多样性;生化技术;分子生物学技术;DN A 中图分类号:.Q 938115 文献标识码:A Advancement of methods in studying soil microbial diversity YAO Xiao -hua (Co llege of Ag ricultur e,G uangx i U niv ersit y,N anning 530005,China) Abstract:Species div ersity consist o f species richness,the total number of species,species ev enness,and the distribution of species 1Methods to measure microbial diversity in so il can be categ orized into tw o g roups:biochemica-l based techniques and m olecular -based techniques 1The fo rmer techniques include plate counts,sole carbon so urce utilizatio n patterns,fatty acid methy l ester analysis,and et al 1The latter techniques include G +C%,DNA reassociation,DNA -DNA hy br idization,DGGE/TGGC,and et al 1Ov er all,the best w ay to study soil microbial diversity w o uld be to use a variety of tests w ith differ ent endpoints and degr ees o f r esolutio n to o btain the bro adest picture possible and the most inform ation r eg ar ding the microbial co mmunity 1 Key words:microbial diversity;biochem ica-l based techniques,mo lecular -based techniques,DNA 微生物多样性研究是微生物生态学最重要的研究内容之一。微生物在土壤中普遍存在,对环境条件的变化反应敏捷,它能较早地预测土壤养分及环境质量的变化过程,被认为是最有潜力的敏感性生物指标之一[1] 。但土壤微生物的种类庞大,使得有关微生物区系的分析工作十分耗时费力。因此,微生物群落结构的研究主要通过微生物生态学的方法来完成,即通过描述微生物群落的稳定性、微生物群落生态学机理以及自然或人为干扰对群落产生的影响,揭示土壤质量与微生物数量和活性之间的关系。利用分子生物学技术和研究策略,揭示自然界各种环境中(尤其是极端环境)微生物多样性的真实水平及其物种组成,是微生物生态学各项研究的基础和核心,是重新认识复杂的微生物世界的开端。
微生物习题
第一章绪论 一、填空题 1、微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来的同时也来来。 2、1347年的一场由引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人（约2500万人）死于这场灾难。 3、2003年SARS在我国一些地区迅速蔓延，正常的生活和工作节奏严重地被打乱，这是因为SARS有很强的传染性，它是由一种新型的所引起。 4、微生物包括：细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）；具细胞结构的真细菌、古生菌；具细胞结构的真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等。 5、世界上第一个看见并描述微生物的人是__ ___商人__ ___。 6、微生物学发展的奠基者是___ 的 ____，他对微生物学的建立和发展作出卓越的贡献，主要集中体现_____、____和__ ___。 7、公元6世纪（北魏时期），我国贾思勰的巨著“”详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。 8、被称为细菌学奠基者是__ __国的_____ ____，他也对微生物学建立和发展作出卓越贡献，主要集中体现_______和__ ____。 9、20世纪中后期，由于微生物学的、等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动、植物细胞也可以像微生物一样在平板或三角瓶中分离、培养和在发酵罐中进行生产。 10、目前已经完成基因组测序的3大类微生物主要是、及。 二、选择题 1、当今，一种新的瘟疫正在全球蔓延，它是由病毒引起的（）。 （1）鼠疫（2）天花（3）艾滋病（AIDS）（4）霍乱 2、微生物在整个生物界的分类地位，无论是五界系统，还是三域（domain）系统，微生物都占据了（）的“席位”。 （1）少数（2）非常少数（3）不太多（4）绝大多数 3、微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，它又可分为（）的分支学科。
生物多样性和人类的关系
生物多样性与人类的关系 摘要： 随着社会经济的加速发展，人们的生活水平都迅速地提高了，但是与此同时，与我们人类共同拥有地球母亲的其他生物日益的减少，生物的多样性受到严酷的考验和威胁，于是保护生物多样性是当前世界国家最紧迫的任务之一，也是全球生物学界共同关心的焦点问题之一。据可靠的数据说明每天约有100多种生物在地球上绝灭，很多生物在没有被人类认识以前就消亡了，这对人类无疑是一种悲哀和灾难。保护生物多样性的行动势在必行、迫在眉睫。 关键词：生物多样性，威胁，保护 一、生物多样性的认识 生物多样性包括动物、植物、微生物的物种多样性，物种的遗传与变异的多样性及生态系统的多样性。其中，物种的多样性是生物多样性的关键条件，它既体现了生物之间及环境之间的复杂关系，又体现了生物资源的丰富性。目前我们已经知道的生物大约有200万种，这些形形色色的生物物种就构成了生物物种的多样性。 生物多样性是生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，由遗传（基因）多样性，物种多样性和生态系统多样性等部分组成。遗传（基因）多样性是指生物体内决定性状的遗传因子及其组合的多样性。物种多样性是生物多样性在物种上的表现形式，可分为区域物种多样性和群落物种（生态）多样性。生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样性。遗传（基因）多样性和物种多样性是生物多样性研究的基础。 二、生物多样性对人类的影响 生物多样性提供了地球生命的基础，包括人类生存的基础。除了经济价值和生态价值外，还具有重大的社会价值，如艺术价值、美学价值、文化价值、科学价值、旅游价值等。许多动物、植物和微生物物种的价值现在还不清楚，如果这些物种遭到破坏，后代人就不再有机会利用，因此必须注意保护，才能使社会实现可持续发展。 人类也是生物多样性的一部分。没有生物多样性，人类不能在地球上生存。
污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性测定方法
第26卷第10期 2006年10月生 态 学 报ACT A EC O LOGIC A SI NIC A V ol.26,N o.10Oct.,2006 污染土壤微生物群落结构多样性及 功能多样性测定方法 陈承利,廖 敏3 ,曾路生 (污染环境修复与生态健康教育部重点实验室,浙江大学环境与资源学院,杭州 310029)基金项目:国家重点基础研究发展规划“973”资助项目(2002C B410804);国家自然科学基金资助项目(40201026) 收稿日期:2005206227;修订日期:2006205220 作者简介:陈承利(1982～),男,浙江平阳,硕士,主要从事土壤环境化学与环境生态毒理学研究.E 2mail :clchen1982@1631com 3通讯作者C orresponding author.E -mail :liaom in @https://www.wendangku.net/doc/439099369.html, or liaom inzju1@1631com Found ation item :The project was supported by National K ey Basic Research Support F oundation of China (N o.2002C B410804)and National Natural Science F oundation of China (N o.40201026) R eceived d ate :2005206227;Accepted d ate :2006205220 Biography :CHE N Cheng 2Li ,M aster ,mainly engaged in s oil environmental chem istry and ecotoxicology.E 2mail :clchen1982@1631com 摘要:土壤微生物在促进土壤质量和植物健康方面发挥着重要的作用,土壤微生物群落结构和组成的多样性及其变化在一定程度上反映了土壤质量。为了更好地了解土壤健康状况,非常有必要发展有效的方法来研究污染土壤微生物的多样性、分布以及行为等。回顾了近年来国内外污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性的测定方法,包括生物化学技术和分子生物学技术,现将它们的原理、优缺点、实用性及其发展动态作一阐述,同时指出结合这两种技术可为微生物群落分析提供一个更全面的、精确的方法。 关键词:污染土壤;微生物多样性;分子生物学;BI O LOG;P LFA ;PCR ;DNA 文章编号:100020933(2006)1023404209 中图分类号:Q143,Q938,S154 文献标识码:A Methods to measure the microbial community structure and functional diversity in polluted soils CHE N Cheng 2Li ,LI AO Min 3,ZE NG Lu 2Sheng (MOE K ey Laboratory ,Environmental Remediation and Ecosystem H ealth ,College o f Environmental and Resources Sciences ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou ,310029,China ).Acta Ecologica Sinica ,2006,26(10):3404～3412. Abstract :S oil m icroorganisms ,such as bacteria and fungi ,play im portant roles in prom oting soil quality and im proving plant health and nutrition ,thus in fluencing terrestrial ecosystems.Increasing anthropogenic activities ,such as spraw ling urbanization ,agricultural development ,pesticides utilization ,and pollutions from all sources ,can potentially affect soil m icrobial community com position and diversity ,leading to deterioration of soil quality and fertility.H owever ,it is yet to be determ ined how these changes in m icrobial diversity can in fluence surface and ground ecosystems.T o that end ,there is an acute need for reliable and accurate methods to study the community structure and tax onomy of soil m icroorganisms.W ithout the development of effective methods for studying the m icrobial diversity ,distribution ,and behavior in polluted soil ,a thorough understanding of m icrobial diversity ,as well as its im pact on soil health ,cannot be achieved. The determ ination of species diversity depends on several factors including the intensity of each species ,the total number of species present ,species evenness ,and the spatial distribution of species.M ethods to measure m icrobial community structure and functional diversity in polluted soils can be classified into tw o groups ,i.e.,biochem ical 2based techniques and m olecular biological 2based techniques.T ypically ,diversity studies include the relative com parisons of communities across a gradient of stress and disturbance.W ith current techniques ,it is difficult to study true diversity due to lack of know ledge on com position and the techniques to determ ine the accuracy of the extraction or detection methods.T raditionally ,the analysis of soil m icrobial
第十三章 微生物物种的多样性
第十三章微生物物种的多样性 生物多样性包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性等。它们是由进化而形成的，不仅直接为人类提供了食品、药物、纺织品、燃料、材料等，而且还通过参与物质循环来维持地球上生命所必需的生存环境。因此，保护生物的多样性，就是保护人类自己。微生物多样性是生物多样性的重要组成部分，而且有其独特之处，起着不可替代的作用。 前几章已对微生物遗传多样性、生态系统多样性等作了阐述。本章将阐明其物种的多样性，简要的介绍原核微生物(真细菌、古生菌)和真核微生物(真菌、粘菌、单细胞藻类、原生动物)的多样性。 第一节真细菌的多样性 一、真细菌系统发育总观 对细菌的系统发育以往的概念是根据类群的表型特征(主要是形态特征和生理生化特征及少量 的遗传特征)来判断它们的系统发育和进化途径。而通过细菌16s rRNA的序列分析已经揭示出，不同细菌本身保守的16SrRNA寡核苷酸序列才是识别系统发育的标记。据此，细菌的系统发育包括12个独特的类群(图13-1)。 图13-1 细菌的系统发育树 类群1. 紫色光合细菌及其有关细菌： 目前将类群1称为变形细菌(Proteobacterium)。是细菌中包括的属最多而且在生理特性上最具有多样性，由α、β、γ、δ、和ε5个亚门组成。其中能进行光合作用的紫色细菌包括在α、β和γ3个亚门中，但一些有机化能营养的属，如：埃希氏菌属、假单胞菌属、醋单胞菌属和一些无机化能营养的属，如：硝化杆菌属、亚硝化单胞菌属、贝日阿托氏菌属等也包括在这3个亚门中。δ和ε2个亚门只包括非光合作用的细菌。 尽管所有的肠道细菌、大多数的假单胞菌、自生和共生固氮细菌以及大多数化能无机营养细菌在形态、生理和生态分布的表型上与紫色细菌有明显的区别，但是，在系统发育上却都与紫色细菌有关。由紫色细菌谱系可以引申出各种各样在生理特性和生态分布上有差异的重要细菌。16s rRNA 序列分析的结果指明，AAAUUGG序列用以鉴别α亚门的紫色细菌；CYUUACACAUG(Y表示任意一个嘧啶)是β亚门的序列特征；ACUAAAACUCAAAG序列存在于大多数δ亚门紫色细菌的16SrRNA中。目前尚未发现γ和ε亚门的特殊特征。 类群2.绿硫细菌： 由于绿硫细菌具有独特的光合色素(菌绿素c或d)、绿色体(chlorosome)以及其自养代谢，所以绿硫细菌与其它细菌之间缺乏密切的系统发育关系。绿菌属的所有种均不运动，只有绿色细菌类群中的绿滑菌属（Chloroherpeton）以滑行运动。寡核苷酸AUACAAUG序列是绿色细菌的特征性识别标记。 类群3.无硫绿细菌： 从生理特性、所含色素和细胞的细微结构上看，绿曲挠菌属(Chloroflexus)与绿菌属关系密切，但在系统发育上无关系。绿屈挠菌群包括两个非光合作用的属，即滑柱菌属(Herpetosiphon)和高温微菌属(Thermomicrobium),它们是细菌中一个独特和古老的谱系。CCUAAUG寡核苷酸序列为无硫绿细菌提供了一个标记。 类群4.蓝细菌：
各种生物多样性指数计算
各种生物多样性指数计算 Simpson指数运算公式 生物多样性测定要紧有三个空间尺度：α多样性，β多样性，γ多样性。α多样性要紧关注局域平均生境下的物种数目，因此也被称为生境内的多样性（within-habitat diversity）。β多样性指沿环境梯度不同生境群落之间物种组成的的相异性或物种沿环境梯度的更替速率也被称为生境间的多样性（between-habitat diversity），操纵β多样性的要紧生态因子有土壤、地貌及干扰等。γ多样性描述区域或大陆尺度的多样性，是指区域或大陆尺度的物种数量，也被称为区域多样性（regional diversity）。操纵γ多样性的生态过程要紧为水热动态，气候和物种形成及演化的历史。 α多样性 a. Gleason（1922）指数 D=S/lnA 式中A为单位面积，S为群落中的物种数目。 b. Margalef（1951，1957，1958）指数 D=（S-1）/lnN 式中S为群落中的总数目，N为观看到的个体总数。 （2）Simpson指数 D=1-ΣPi2 式中Pi种的个体数占群落中总个体数的比例。 （3）种间相遇机率（PIE）指数
请运算它的物种多样性指数。 Simpson指数： Dc=1-ΣPi2=1-Σ（Ni/N）2=1-[(99/100)2+(1/100)2]=0.0198 DB=1-[(50/100)2+(50/100)2]=0.5000 Shannon-wiener指数：
HC=-ΣNi/N ln Ni/N i=-（0.99×ln0.99+0.01×ln0.01）=0.056 HB=-(0.50×ln0.50+0.50×ln0.50)=0.69 Pielou平均度指数： Hmax=lnS=ln2=0.69 EA= H/Hmax=-[(1.0×ln1.0)+0]/0.69=0 EB=-(0.50×ln0.50+0.50×ln0.50)/0.69=0.69/0.69=1 EC=0.056/0.69=0.081 从上面的运算能够看出,群落的物种多样性指数与以下两个因素有关: ①种类数目,即丰富度；②种类中个体分配上的平均性 β多样性 β多样性能够定义为沿着环境梯度的变化物种替代的程度。不同群落或某环境梯度上不同点之间的共有种越少，β多样性越大。精确地测定β多样性具有重要的意义。这是因为：①它能够指示生境被物种隔离的程度；②β多样性的测定值能够用来比较不同地段的生境多样性；③β多样性与α多样性一起构成了总体多样性或一定地段的生物异质性。 （1）Whittaker指数（βw） βw=S/mα-1 式中：S为所研究系统中记录的物种总数；mα为各样方或样本的平均物种数。（2）Cody指数（βc） βc=[g（H）+l（H）]/2 式中：g（H）是沿生境梯度H增加的物种数目；l（H）是沿生境梯度H失去的物种数目，即在上一个梯度中存在而在下一个梯度中没有的物种数目。
教科版-科学-六年级下册-微生物的生物多样性
微生物的生物多样性 微生物是地球上生物多样性最为丰富的资源。微生物的种类仅次于昆虫，是生命世界里的第二大类群。 重要的分解代谢类群，没有微生物的活动地球上的生命是不可能存在的。它们是地球上最早出现的生命形式，其生物多样性在维持生物圈和为人类提供广泛而大量的未开发资源方面起着主要的作用。 微生物的多样性包括所有微生物的生命形式、生态系统和生态过程以及有关微生物在遗传、分类和生态系统水平上的知识概念。 物种是生物多样性的表现形式，与其它生物类群相比，人类对微生物物种多样性的了解最为贫乏。以原核生物界为例，除少数可以引起人类、家畜和农作物疾病的物种外，对其它物种知之甚少。人们甚至不能对世界上究竟存在多少种原核生物作出大概的估计。真菌是与人类关系比较密切的生物类群，目前已定名的真菌约有8万种，但据估计地球上真菌的数量约为150万种，也就是说人们已经知道的真菌仅为估计数的5％。 微生物的多样性除物种多样性外，还包括生理类群多样性、生态类型多样性和遗传多样性。 微生物的生理代谢类型之多，是动植物所不及的。微生物有着许多独特的代谢方式，如自养细菌的化能合成作用、厌氧生活、不释放氧的光合作用、生物固氮作用、对复杂有机物的生物转化能力、分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力，抵抗热、冷、酸、碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的能力，以及病毒的以非细胞形态生存的能力等。 微生物与生物环境间的相互关系也表现出多样性，主要有互生（和平共处，平等互利或一方受益，如自生固氮菌与纤维分解细菌）、共生（相依为命，结成整体，如真菌与蓝细菌共生形成地衣）、寄生（敌对，如各种植物病原菌与宿主植物）、拮抗（相克、敌对，如抗生素产生菌与敏感微生物）和捕食（如原生动物吞食细菌和藻类）等关系。 微生物资源的开发，是21世纪生命科学生命力之所在。由于动植物物种消失是可以估计的，这就意味着微生物多样性的消失现象也在发生，如何利用和保护微生物多样性已成为亟待解决的问题。近年来，世界各国和国际组织已对此做了许多努力，并提出了一项微生物多样性行动计划，随着这项计划的逐步实施，人类将从微生物生物多样性的利用和保护中受益。这项计划包括： 1．建立推动微生物多样性研究的国际组织；