環境微生物學

鄭州大學生物工程系席宇EnvironmentalMicrobiology第一章

微生物分類學主要內容及教學重點第一節微生物的分類單位與命名第二節微生物的分類依據

第三節微生物的分類方法和分類系統地球上的物種估計大約有150萬，其中微生物超過10萬種，而且其數目還在不斷增加。分類是認識客觀事物的一種基本方法。我們要認識、研究和利用各種微生物資源也必須對它們進行分類。生物分類的二種基本原則：a）根據表型(phenetic)特征的相似程度分群歸類，這種表型分類重在應用，不涉及生物進化或不以反映生物親緣關系為目標。b）按照生物系統發育相關性水平來分群歸類，其目標是探尋各種生物之間的進化關系，建立反映生物系統發育的分類系統。從進化論誕生以來，已經成生物學家普遍接受的分類原則生物系統學(systematics)microbialtaxonomy

TaxonomyorSystematics

thescienceofbiologicalclassificationMicrobialtaxonomyisgoingthroughaperiodofgreatchangeduetotheuseofnewmoleculartechniquesNomenclature--assignmentofnamestotaxonomicgroupsIdentification--determinationoftheparticulartaxontowhichaparticularisolatebelongsClassification--arrangementoforganismsintogroups(taxa)Consistsofthreeseparatebutinterrelatedparts

微生物分類學（microbialtaxonomy）是一門按微生物的親緣關系把它們安排成條理清楚的各種分類單元或分類群的科學。分類（classification)：根據親緣關系和相似性，把一個生物有機體放在一個單元中。命名(nomenclature)：按照國際命名法則給生物有機體一個科學名字。鑒定（identification；determination）：確定一個新的分離物是否歸屬與一個已經命名的分類單元的過程。Importanceofmicrobialtaxonomy

Allowsscientiststoorganizehugeamountsofknowledge

AllowsscientiststomakepredictionsandframehypothesesaboutorganismsPlacesorganismsinmeaningful,usefulgroupswithprecisenames,thusfacilitatingscientificcommunicationEssentialforaccurateidentificationofmicroorganismsThreekeyobjectivesDescriptionofthebiologicalunitsBoundaryofthebiologicalunitsRelationshipstootherbiologicalunits按照微生物的親緣關系分群歸類，有規則地排列成一個分類系統,根據分類系統，將微生物的特性作人為歸納，找出一種或一套特征來制訂檢索表，以便能迅速而簡單地識別某種未知微生物。一、微生物的分類單位(taxon)

第一節微生物的分類單位與命名Thetaxonomicranks(inascendingorder)are:species-genus-family-order-class–phylum-kingdomThebasictaxonomicgroupisthespecies具有完全或極多相同特點的有機體構成同種；性質相似、相互有關的各種組成屬；相近似的屬合并為科；近似的科合并為目；近似目歸納為綱；綜合各綱成為門。種:結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)

屬:分枝桿菌屬(Mycobacterium)

科:分枝桿菌科(Mycobacteriaceae)

目:放線菌目(Actinomycetales)

門:細菌門(Bacteria)

界:原核生物界(Procaryotae)二.分類單位中的基本概念1.種(species)

伯杰氏：“凡是與典型培養菌緊密相同的其他培養菌統一起來，區分成為細菌的一個種"。

克拉西里尼科夫：有共同根源的親近有機體的總合，它們在進化發育階段上有一定的共同形態和生理上的特征。并且它們在不同程度上是被選擇分化出來的，能適應一定的環境和外部生存條件。

種是以某個標準菌株為代表的十分類似的菌株的總稱。種是一個基本分類單位，是一大群表型特征高度相似、親緣關系極其接近、與同屬內其他種有明顯差異的菌株的總稱。一個種只能用該種內的一個典型菌株作為具體標本，它就是該種的模式種。不管人們怎樣理解“種”的概念，生物的種都是客觀存在的，并且都是相對穩定的。在一定條件下，物種保持相對穩定，是物種存在的根據，也使生物分類成為可能。另一方面，生物又是不斷變化的，同一種微生物的不同個體，由于它們所處的環境不同，其本身或它的后代也會出現一些變異。變異則是物種發展的根據，同種生物個體之間的變異是演變成新種的前奏。

2.變種(variety;var)或亞種(subspecies)

從自然界分離到的某一微生物的純種，必須與已知的典型種所記載的特征完全符合，才能鑒定為同一個種。實際上，有時分離到的純種卻有某一特性與典型種不同，其余特性完全符合，而這一特性又是穩定的，于是就將這種微生物稱為典型種的變種（亞種）.

3.型(type,form)

在自然界中，同一地區也可能有同一種微生物的各種類型同時存在,它們之間的差別往往又不象亞種那樣顯著。結核分枝桿菌依其寄主的不同可分為人型、牛型和禽型;胸膜肺炎鏈球菌依其抗原性的不同分為幾十個血清型；還可以根據形態或對噬菌體反應的差別分為不同的形態型或溶菌型等。生物型（biovar;biotype）血清型（serovar;serotype）致病型（pathovar;pathotype）噬菌型（phagovar;phagotype）形態型（morphovar;morphotype）4.菌株或品系(strain)

自然界不存在兩個絕對相同的個體。從自然界分離到的微生物純培養，盡管它們同屬一個種，但由于來源不同，它們之間總會出現一些細微的差異，這些同種不同來源的微生物純培養就是不同的菌株

模式菌株(typestrain):當某一個菌株被鑒定為一個新種或者亞種時，該菌株就被指定為該種或者亞種的模式菌株。Astrainisapopulationoforganismsthatisdistinguishablefromatleastsomeotherpopulationsinataxonomiccategory;itisthoughttohavedescendedfromasingleorganismorpurecultureisolate.Thetypestrainisusuallythefirststudied(ormostfullycharacterized)strainofaspecies.菌株與型的區別：菌株之間不存在鑒別性特征的差異，命名不同的菌株無需分類學依據，不同型的細菌之間存在鑒別性特征的差異，命名或鑒定不同的型必需有分類學依據。4.培養物（culture）與純培養（pureculture）培養物:指一定時間一定空間內微生物細胞群或生長物。純培養：如果某一培養物是由單一微生物細胞繁殖產生的，就稱之為該微生物的純培養物。三.微生物的命名

1.命名目的microbiologistsoftenusesectionnames(alessformalgrouping)thataredescriptive(e.g.,methanogens,purplebacteria,lacticacidbacteria,etc.)同種微生物在不同的國家或地區常有不同的俗名(vernacularname)。俗名在一定的國家或地區，使用很方便，但有局限性，不便于不同國家和地區之間的交流。為了便于交流和避免混亂，需要有一個統一的命名法則，以給每一種微生物都取一個為大家所公認的科學名稱，即學名(scientificname)。

2.命名規則微生物和其他生物一樣，都按國際命名法規命名，即采用林奈(Linnaeus)所創立的“雙名法”。每一種微生物的學名都依屬與種而命名，由兩個拉丁字或希臘字或拉丁化了其他文字組成。

屬名在前，規定用拉丁字名詞表示，字首字母要大寫，由微生物的構造、形狀，或由科學家名字而來，用以描述微生物的主要特征種名在后，常用拉丁字形容詞表示，字首字母小寫，為微生物的色素、來源、病名、或科學家的姓名等，用以描述微生物的次要特征。金黃色葡萄球菌(Stapylococcusaureus)

黑曲霉(Aspergillusniger)

巴斯德酵母(Saccharomycespastori)

四聯加夫基氏菌(Gaffkyatetragena)

破傷風梭菌(Clostridiumtetani)

巴拿馬沙門氏菌(Salmonellapanama)3.微生物命名的幾點補充由于自然中的微生物種類太多，有時會發生同物異名或同名異物的現象，為了避免混亂和誤解，常需要在種名之后附有定名人的姓。

由于各分類學家的觀點不同，有時對一個種列入哪個屬也有不同的看法，往往發生種轉屬的問題。

種名后括弧內的姓，是表示這個種首先由Krainsky氏定的名，在括弧后再附加改定此菌學名人的姓。

白孢放線菌ActinomycesalbosporeusKrainsky白孢鏈霉菌Streptomycesalbosporeus(Krainsky)Waksmaset有時只泛指某一屬的微生物，而不是指定某一個具體的種，或沒有種名，只有屬名時，可在屬名后加sp.或spp.(Species的縮寫sp.表示單數；spp.表示復數)Micrococcussp.一種微球菌Micrococcusspp.一些微球菌

Streptomycessp.一種鏈霉菌Streptomycesspp.一些鏈霉菌表示亞種的學名，是在種名后加上亞種名稱，并在亞種名稱之前加subsp.。有時為了避免混淆，還應該標注上命名人的姓名、命名年份和菌株編號枯草芽孢桿菌黑色亞種Bacillussubtilissubsp.nigerStaphylococcusaureusRosenbach1884BacillussubtilisBF7658BacillussubtilisASI.3984.新名稱的發表根據細菌命名法規的規定，有效發表的細菌名稱應該在公開發行的刊物上進行，在菌種目錄、會議記錄、會議論文摘要均視為無效記錄。發表新名稱時應該在新名稱之后加上所屬的新分類等級的縮寫詞。新目ord.nov.,新屬gen.nov.,新種sp.nov.Pyrococcusfuriosussp.nov.若新名稱是在國際系統細菌學雜志（IJSB）以外的其他雜志發表的，要取得國際的承認和學名優先權，還必須經過新名稱的合法化發表，即將有效發表的英文附件送交IJSB審查，被認為合格后在該雜志上定期公布，命名日期從公布之日算起。微生物分類鑒定是在對大量單個微生物進行觀察、分析和描述的基礎上，以它們的形態結構、生理生化反應如遺傳性等特征的異同為依據，并根據生物進化的規律和應用的方便，將微生物分門別類地排列成一個系統

第二節微生物分類的主要依據MajorCharacteristicsUsedinTaxonomyClassicalCharacteristicsMorphologicalcharacteristicsareeasytoanalyze,geneticallystableanddonotvarygreatlywithenvironmentalchanges;oftenaregoodindicationsofphylogeneticrelatednessPhysiologicalandmetaboliccharacteristicsaredirectlyrelatedtoenzymesandtransportproteins(geneproducts)andthereforeprovideanindirectcomparisonofmicrobialgenomesEcologicalcharacteristicsincludelife-cyclepatterns,symbioticrelationships,abilitytocausediseasehabitatpreferencesandgrowthrequirementsGeneticanalysisincludesthestudyofchromosomalgeneexchangethroughtransformationandconjugation;theseprocessesonlyrarelycrossgenera;onemusttakecaretoavoiderrorsthatresultfromplasmid-bornetraitsMolecularCharacteristicsComparisonofproteinsisusefulbecauseitreflectsthegeneticinformationoftheorganism;analysisisby:Determinationoftheaminoacidsequenceoftheprotein

ComparisonofelectrophoreticmobilityDeterminationofimmunologicalcross-reactivityComparisonofenzymaticpropertiesNucleicacidbasecomparison(G+Ccontent)Canbedeterminedbydeterminationofthemeltingtemperature(Tm)whichisrelatedtothetemperatureatwhichthetwostrandsofaDNAmoleculeseparatefromoneanotherasthetemperatureisslowlyincreasedTaxonomicallyusefulbecausevariationwithinagenusisusuallylessthan10%butvariationbetweengeneraisquitevariablerangingfrom25%to80%NucleicacidhybridizationDeterminesthedegreeofsequencehomologyThetemperatureofincubationcontrolsthedegreeofsequencehomologyneededtoformastablehybridNucleicacidsequencingrRNAgenesequencesaremostidealforcomparisonsbecausetheycontainbothevolutionarilystableandevolutionarilyvariablesequencesRecently,completebacterialgenomeshavebeensequenced;directcomparisonsofcompletegenomesequencesundoubtedlywillbecomeimportantinbacterialtaxonomy16Sribosomal

RNA寡核苷酸堿基序列分析18Sribosomal

RNA寡核苷酸堿基序列分析ITS(internaltranscribedspace)

序列:內轉錄間隔區16SrRNA(細菌和古細菌)或18SrRNA(真菌)的堿基序列是十分穩定的，真正代表著微生物本身的系統發育地位。測定和比較所鑒定菌株的16SrRNA或l8SrRNA堿基序列可以搞清兩比較菌株之間的系統發育關系。再匯集構建系統發育樹狀圖。ITS位于18S和5.8SrDNA(ITSl)之間以及5．8S和28SrDNA之間(ITS2)BasicLocalAlignmentSearchTool16SrDNA序列內轉錄間隔區ITS（internaltranscribedspacer

）一、常用的分類方法

經典分類法(classictaxonomy)

它的特點是隨機的和不系統的根據少數幾種特征進行分類。常用的特征主要是形態特征和生理生化特性。第三節微生物分類方法和分類系統科以上的分類以形態結構為主，科以下的以生理生化特性加形態為主數值分類法(numericaltaxonomy)

它的特點是根據較多的特征進行分類，一般為50-60個，多者可達100個以上，在分類中，每一個特性的地位是完全等同的。通常是以生理生化特征，對環境的反應和忍受性以及生態特性為依據。最后，將所測菌株兩兩進行比較，并借用電子計算機計算出菌株間的總類似值。再結合主觀上的判斷(如劃分類似程度大于85%者為同種；大于65%者為同屬等)，排列出一個個分類群。

化學分類法(chemotaxonomy)

根據微生物細胞的特征性化學組分進行分類?？煞治黾毎谥械碾木厶羌捌浣Y構、多糖、胞壁酸等；分析細胞膜化學組成、脂肪酸等；分析蛋白質的氨基酸序列、血清學、電泳圖譜等；分析微生物的代謝產物等。遺傳分類法(genetictaxonomy)

自60年代以來，由于分子生物學被不斷地應用于細菌分類學領域，使分類學者有可能在分子水平上研究種間關系，把以表型特征為主要依據的分類學引向深入。遺傳分類法的特點，主要是從遺傳學角度估價微生物間的親緣關系。以G+C含量和不同來源DNA之間堿