| 一、古菌的一般特性和分类
古菌与细菌和真核微生物之间的异同已在本章前面详细阐述。可见古菌是一群具有独特基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞生物，大多生活在地球上如超高温、高酸碱度、高盐浓度、严格无氧状态等极端环境或生命出现初期的自然环境。
古菌是一大类形态各异、特殊生理功能绝然不同的微生物群，如产甲烷细菌，可在严格厌氧环境下利用简单二碳和一碳化合物或 CO2 生存和产甲烷；还原硫酸盐古菌可在极端高温、酸性条件下还原硫酸盐；极端嗜盐古菌可在极高盐浓度下生存，等等。古菌可营自养或异养型生活。古菌具有独特的细胞或亚细胞结构，如无细胞壁古细菌没有细胞壁，仅有细胞膜，而致细胞多形态。即使有细胞壁，可能是由蛋白质亚单位组成或由假胞壁质组成，无胞壁酸。细胞膜的化学组成上，古细菌含有异戊烯醚而不含脂肪酸酯，脂肪酸也为有分支的直链而不是无分支的直链。16S rRNA 的碱基序列， tRNA 的特殊碱基的修饰， 5S rRNA 的二级结构等均不同于细菌和真核微生物。对于各种抗生素的敏感性上也与细菌有很大差异，如对于氯霉素、青霉素、利福平等抗生素不敏感，但细菌对此敏感；相反对于环己胺、茴香霉素等敏感而细菌却不敏感。
根据不同的生理特性，可将古菌分为 5 大类群：产甲烷古菌群、还原硫酸盐古菌群、极端嗜盐古菌群、无细胞壁古菌群和极端嗜热和超嗜热代谢元素硫古菌群。它们之间的系统发育关系如图 1.30 所示。
图 1.30 古菌的系统发育树 ( Madigan et al., 2000)
二、产甲烷古细菌群
产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。
（一）、产甲烷细菌的形态与细胞结构
产甲烷细菌是一大都能产生甲烷的生理类群，因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态，见图 1.31 。
产甲烷细菌的细胞壁染色后有围绕细胞约有 15nm-20nm 厚的一层无定形电子稠密层。在化学组成上含有假胞壁质。假胞壁质与细菌的胞壁质在化学结构上有区别：假胞壁质肽链上为 L- 氨基酸，糖链上为 N- 乙酰 -L- 塔罗糖胺糖醛酸，而且连接此 N- 乙酰 -L- 塔罗糖胺糖醛酸和 N- 乙酰 -D- 葡萄糖胺的糖苷键主要为β1，3）糖苷键，少部分为β1，4）糖苷键。细菌胞壁质肽链上为 D- 氨基酸，糖链上为 N- 乙酰胞壁酸，连接的糖苷键与产甲烷细菌的相同。产甲烷细菌无细菌细胞壁胞壁质特征而富含各种表层蛋白。产甲烷细菌的外膜可分为 5 种类型：①固定结构层 细胞质膜；②亚甲基软骨素层 S 层 细胞质膜；③固定结构层 假胞壁质 细胞质膜；④鞘 S 层 细胞质膜和⑤假胞壁质 细胞质膜。嗜热自养甲烷杆菌（ Methanobacterium thermoautotrophicum ）和布氏甲烷短杆菌（ Mb. bryantii ）的细胞壁为均匀的单层，厚度为 10nm ~18nm 。史氏甲烷短杆菌（ Methanobrevibacter smithii ）细胞壁具有 2 个电子致密层和 1 个电子透明的中层。瘤胃甲烷短杆菌细胞壁由电子致密层的内层，电子透明层的中层和粗糙不规则形的外层构成，索氏甲烷丝菌细胞壁由电子密度较高并与质膜相邻的内层和电子密度较低的外层构成。亨氏甲烷螺菌（ Methanospirillum hungatii ）有内壁和外壁之分，外壁在菌丝体处连续成鞘状，不重叠凹陷，内壁仅围绕丝状体中的各个细胞，细胞横隔处只见外壁。在不同产甲烷细菌细胞壁表层还有不同的物质层包围。绝大多数甲烷八叠球菌被一个由亚甲基软骨素组成的松紧排列的多聚合网所包围，亚甲基软骨素是由 N- 乙酰半乳糖胺、 D- 葡糖醛酸（或 D- 半乳糖醛酸）、微量 D- 葡萄糖、痕量 D- 甘露糖组成的无硫聚合物。甲烷嗜热菌属（ Methanothermus ）的 2 株古菌有一层糖蛋白表层包围，在这些糖蛋白中含有特别高的异亮氨酸、天冬氨酸和半胱氨酸，其二级结构中仅含 7% 的α - 螺旋，而β - 螺旋却高达 44% ，这有利于在极端嗜热条件下的生存。不同产甲烷细菌的细胞壁构成见表 1-6 。亨氏甲烷螺菌和索琴氏甲烷丝菌（ Methanothrix soehngenii ）等产甲烷细菌由具有表面特异超微结构的鞘包裹，每个鞘内有多个甚至几十个连成丝状的细胞。
产甲烷细菌和其他古细菌群的细胞膜化学组成与其他生物细胞膜明显不同。古菌膜脂的主要成分为植烷醇基甘油醚，包括 C 20 的二植烷基甘油醚和 C 40 的双二植烷基二甘油四醚。这种脂类缺乏可皂化的脂，羟基被甘油磷酸醚化，另一个经糖苷键和 1 个二糖相连。这样形成的磷酸甘油酯可以增进膜的刚性和稳定性。而其他生物质膜的主要成分是软脂酸甘油酯。
图 1.31 几种产甲烷细菌的形态
a. Methanobacterium sp.; b. Methanobrivebacter sp.; c. A strain of Methanosarcina mazaii ; d. a strain of Methanosarcina barkeri ; e. a strain of Methanosarcina vacuolata ; f. Methanococcus jannaschii ; g. Methanothrix sp.; h. Methanococcus igneus . a~e, 引自闵 航等 1997 ； f~h, 转引自 Brock Biology of Microorganisms, 10 版，2003。
表 1-6 一些产甲烷细菌属的细胞壁类型
|
产甲烷菌属
|
Gram 反应
|
细胞壁主要成分
|
|
甲烷杆菌属（ Methanobacterium ）
|
G
|
假胞壁质
|
|
甲烷短杆菌（ Mthanobrevibacter ）
|
G
|
假胞壁质
|
|
甲烷球菌属（ Methanococcus ）
|
G -
|
蛋白质单位，少量葡萄糖胺
|
|
甲烷微菌属（ Methanomicrobium ）
|
G -
|
蛋白质亚单位
|
|
产甲烷菌属（ Methanogenium ）
|
G -
|
蛋白质亚单位
|
|
甲烷螺菌属（ Methanospirillum ）
|
G -
|
蛋白质亚单位，蛋白质鞘
|
|
甲烷八叠球菌属（ Methanosarcina ）
|
G
|
异多糖
|
引自赵一章等《产甲烷细菌及研究方法》，成都科技大学出版社，1997。
产甲烷细菌的 DNA 很小，为 1.0×109 Da~1.8 × 10 9 Da 之间，仅及大肠杆菌（E. coli ） DNA 的 1/3 ，但其物理特性与其他原核生物的相似。古菌 tRNA 和 T 环缺失核糖胸苷，由假尿嘧啶或一种尚未鉴定的核苷酸代替。古细菌与其他生物的核糖体小亚基形状也有区别。且核糖体 A 蛋白与真核生物的 A 蛋白相似性较多，而与真细菌间的差异较大。 RNA 多聚酶的序列不同，并具有特殊亚单位。
产甲烷细菌的基质谱很窄，大多数种可利用 H2/CO2，很多种可利用 HCOOH ，有 2 个属可利用乙酸，甲烷八叠球菌属种还可利用 H2/CO2 、甲醇、乙酸、甲胺类物质。极个别种可利用异丙醇。
（二）、产甲烷细菌的分类
按产甲烷细菌的形态和可利用的底物，可将其分为 3 个亚群：① 为杆状、柳叶状或球状，可转化 H 2 /CO 2 、甲酸、甲醇 /H 2 为甲烷，细胞壁含有假胞壁酸，本亚群包括 5 个属；② 为球杆状、杆状、螺旋状或盘状，可转化 H 2 /CO 2 、甲酸或甲醇 /CO 2 为甲烷，细胞壁不含假胞壁酸，细胞可被去污剂裂解，本亚群包括 8 个属；③为假八叠状、球状或鞘杆状，能够生长于三甲胺或乙酸盐并产甲烷的亚群，包括 6 个属。按 Bergy's Manual of Determinative Bacteriology 第 9 版（ 1989 ）年的资料，列入该手册的产甲烷细菌已达 65 个种，近年的工作已明显增加了分离的产甲烷种。最典型的、研究得最多的是巴氏甲烷八叠球菌（ Methanosarcina barkeri ）、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌（ Mb. formicium ）、亨氏甲烷螺菌等。
三、还原硫酸盐古菌群
这一类主要是指古生球菌目（ archaeoglobales ）的古菌。细胞一般为不规则球形、三角形 ( 图 1-29) ，直径在 0.4~2.0 μ m ，单个或成对，革兰氏阴性反应。菌落可略呈绿黑色，在 420nm 处可产蓝绿色荧光，严格厌氧。
营养类型可为化能异养、化能自养或化能混合营养等。自养生长时可利用硫代硫酸盐和 H 2 作电子供体，但难以利用硫酸盐。异养生长时可利用葡萄糖、乳酸盐、甲酸盐和蛋白质等作电子供体，而以硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等作电子供体并生成 H 2 S ，有的还可生成少量甲烷。也可还原元素硫，但有硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐存在时，元素硫可抑制这类古菌的生长。生长温度范围为 60 ℃ ~95 ℃，最适范围为 80 ℃ ~83 ℃， pH 范围为 4.5~7.5 ，最适范围为 6.0 。生长需要浓度为 0.9%~3.6% 的 NaCl 。 DNA 中 G C mol% 为 41~46 （ Tm ）。这类古细菌主要分布于深海海底、热泉和地层深部储油层。仅有营化能自养和有机营养，单极多生鞭毛并产少量甲烷的闪烁古生球菌（A. fulgidus）、专性混合营养的深处古生球菌（ A. profundus ）和营化能自养型的自养古生球菌（A. lithotrophicus）等不多的种。
四、极端嗜盐古菌群
这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐环境中的古菌。细胞形态为杆形、球形和三角形、多角形、方形、盘形等多形态。革兰氏反应阴性，极生鞭毛，运动或不运动。好氧或兼性厌氧。胞内含有 C 50 类胡萝卜素（菌红素），产红色、粉红色、橙色或紫色等各不同色素。化能有机营养型，生长需要至少为 1.5mol/L 浓度的 NaCl ，许多种需在 3.5~4.0mol/L NaCl 才生长良好。许多种可利用糖类生长并产酸。细胞壁不含肽聚糖，膜极性脂为类异戊二烯甘油醚脂，细胞内含有甲基萘醌类电子传递体。有光时能合成菌视红蛋白（ bacteriorhodopsin ），利用光能将 H 泵出细胞膜，构成跨膜的质子浓度梯度，产生 ATP 。其 DNA 由主要 DNA 和次要（卫星） DNA 带两部分组成， G C mol% 为 59~71 。主要分布于盐湖、晒盐场、高盐腌制品等环境，可引起腌制品等腐败和脱色。
这类古菌群在分类上被列为独立的嗜盐古菌目（Halobacteriales），盐古菌科，下设盐杆菌属（Halobacterium）、盐小盒菌属（Haloarculo）等 12 个属。
五、无细胞壁古菌群
这一古菌群仅包括热原体属（Thermoplasma ）1个属，此属仅有 2 个种：生长温度在 45 ℃ ~63 ℃、 DNA 中 G Cmol% 为 46 的嗜酸热原体（T. acidophilum ）（图 1.32 ）和生长温度为 33 ℃ ~67 ℃、 DNA 中 G Cmol% 为 38 的火山热原体（T. volcanium ）。2 个种的细胞从球形到丝状的多形态都有，直径大小在 0.1mm~5.0mm 不一。此类古细菌的最大特点是细胞无细胞壁，仅由厚度为 0~7nm 的细胞膜包围。膜含有带二甘油四醚侧链的 40 碳类异戊二烯醚酯。热原体属的蛋白与真核生物的组蛋白之间的氨基酸序列有着显著的同源性。专性嗜热，十分嗜酸，生长 pH 范围为 0.5~4.0，当 pH 为中性时，细胞极易溶解。在 pH2.0 的琼脂培养基上的菌落呈现小的棕色“煎蛋”状（0.3mm 左右）。营化能有机营养型，可还原元素硫生成 H 2 S 。生长需酵母提取物作生长因子和 2%NaCl 浓度，兼性厌氧。对于氨苄青霉素、链霉素、万古霉素、利福平等抑制细胞壁合成的抗生素不敏感。分布于自然发热的废煤堆和酸性硫质喷气环境。
(引自 Madigan M.T.et al.，Brock's Biology of Microorganisms,10 版，2003)
六、极端嗜热和超嗜热的代谢元素硫的古菌群
这一古细菌群极端嗜热或超嗜热，生长要求的温度范围为 45℃~110℃，最适为 70℃~105 ℃，且要求 pH 为 1~3 的高酸度环境。有化能自养、化能异养和兼性营养三种不同的营养类型。大多能代谢元素硫，能在好氧条件下将硫或H2S，即元素硫在好氧条件下将硫或H2S氧化为H2SO4，在厌氧条件下可还原元素硫为H2S，即元素硫在好氧条件下作电子供体，而在厌氧条件下则作电子受体。主要分布于含硫温泉、火山口、燃烧后的煤矿等环境。
根据细胞形态和生长条件，将此群古菌分为 3 个亚群：Ⅰ为细胞呈球形或不规则裂片状，好氧或兼性厌氧，最佳生长 pH 低于 4.0 ，有 3 个属， DNA 中 G C mol% 分别为 31~32 ， 45~46 和 35~38 ；Ⅱ为细胞呈杆形或丝状，严格厌氧，最佳生长 pH 高于 4.0 ，也有 3 个属， DNA 中 G Cmol% 分别为 57 ， 56 和 44~52 ；Ⅲ为细胞呈球形或盘形，严格厌氧，最佳生长 pH 高于 4.0 ，有 12 个属，各属 DNA 中 G Cmol% 差异较大，低者为38，高者达67。
上一篇：蓝细菌 下一篇：真菌的形态与结构
| 
