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菌群演算法優點

發布時間: 2022-10-08 05:30:59

㈠ 大腸菌群濾膜檢驗法有什麼優點,有什麼缺點

濾膜檢驗法的優點是比發酵法的檢驗時間短,缺點在於不能及時指導生產。
我的回答如若滿意請採納。

㈡ 自然發酵與人工發酵相比,有什麼優點

自然發酵:缺點,菌群不明,發酵風險大,容易發酵啟動困難,容易發酵中止,容易發酵不徹底,容易產生雜醇,容易產生高揮發酸(說白了 就是壞了),最後的發酵結果不可控;優點,香氣可能教特殊,可以掛著生物動力法的噱頭。

人工發酵:缺點,得花錢,得有專業的技術人員完成,優點可控,發酵風險低,可以按照釀酒師的意圖方向發展,只要願意花錢多好的酒都能做出來。

㈢ 什麼是細菌發酵它與酵母菌發酵有何不同細菌發酵的優缺點

當今,石油、煤等化石能源正以很快的速度被消耗,估計在兒十年內將被耗盡。因此乙醇、甲烷、氫氣等代替能源成為人們關注的重點。

國外的研究狀況

傳統的酒精生產採用酵母間歇式發酵,而酵母不能耐受高濃度乙醇,因此有必要尋找一種耐受高濃度乙醇的新菌種。運動發酵單胞菌被認為是較好的候選品種。它是由I_indne於1928年從墨西哥Pulgue酒中首先分離得到。它屬於革蘭氏陰性兼性厭氧桿菌,弧菌科,發酵單胞菌屬。經過實驗室及中試規模的發酵動力學比較研究,人們公認利用運動發酵單胞菌制酒精與酵母相比有以下一些優點1)糖的吸收速度要比酵母高l - 2倍。(2)酒精得率比酵母高。(3)生長過程完全不要氧氣。(4)比酵母容易進行遺傳工程處理,以獲得耐高溫、耐酒精和能利用多種碳源的優良工程菌。缺點是:現有菌株所能發酵底物局限於葡萄糖、果糖、蔗糖。

國外的研究分以下幾方面:(1)菌種的改良。(2)工藝的研究。間隙式發酵、連續式發酵、混合發酵等。(3)底物的研究。木薯、小麥、玉米、西米、大米等。(4)工藝控制研究。如底物濃度、pH,氮源、溫度等參數。

研究重點及研究方法:

當前發酵法制乙醇研究工作的重點是篩選優良的菌種,選擇低成本的發酵底物和最適的發酵控制條件。通過誘變或基因工程選育優良菌株。把其它生物細胞的基因轉移進運動發酵單胞菌。把運動發酵單胞菌的基因轉移進其它生物細胞。間隙式發酵、連續式發酵、混合發酵等。
酵母菌的一般特性
子囊菌綱酵母屬;單細胞微生物;圓形、橢圓形、細長或檸檬形;飽滿、細胞壁薄、細胞質均一、透明無色為活性強的細胞;衰老和不良條件下的細胞壁厚、細胞質呈顆粒狀。
酵母的特性:產酒精能力、產酒精效率、抗SO2能力。
酵母菌的生長周期
經典的微生物生長曲線:緩慢,對數,穩定,衰亡
繁殖階段:2-5天,達107個/mL,很少超過2(5)×108
平衡階段:持續8天左右,動態平衡
衰減階段:持續幾周,活細胞降至105
(1)溫度。液態酵母的活動最適溫度為20~30℃,當溫度達到20℃時,酵母菌的繁殖速度加快,在30℃時達到最大值,而當溫度繼續升高達到35℃時,其繁殖速度迅速下降,酵母菌呈疲勞狀態,酒精發酵有停止的危險。只要保持l~1.5h 40~45℃或保持10~15min60~65℃的溫度就可殺死酵母菌。但干態酵母抗高溫的能力很強,可忍受5min 115~120℃的高溫。

①發酵速度與溫度:在20~30℃的溫度范圍內,每升高l℃,發酵速度就可提高10%。因此,發酵速度(即糖的轉化)隨著溫度的升高而加快。但是,發酵速度越快,停止發酵越早,因為在這種情況下,酵母菌的疲勞現象出現較早。

②發酵溫度與產酒精效率:在一定范圍內,溫度越高,酵母菌的發酵速度越快,產酒精效率越低,而生成的酒度就越低。因此,如果要獲得高酒度的葡萄酒,必須將發酵溫度控制在足夠低的水平;當溫度<35時,溫度越高,開始發酵越快;溫度越低,糖分轉化越完全,生成的酒度越高。

③發酵臨界溫度:當發酵溫度達到一定值時,酵母菌不再繁殖,並且死亡,這一溫度就稱為發酵臨界溫度。如果超過臨界溫度,發酵速度就迅速下降,並引起發酵停止。由於發酵臨界溫度受許多因素如通風、基質的含糖量、酵母菌的種類及其營養條件等的影響,所以很難將某一特定的溫度確定為發酵臨界溫度。在實踐中常用「危險溫區」這一概念來警示溫度的控制,在一般情況下,發酵危險溫區為32~35℃。

對於紅葡萄酒,發酵最佳溫度為25~30℃,而對於白葡萄酒和桃紅葡萄酒,發酵的最佳溫度為18~20℃左右。

(2)通風。酵母菌繁殖需要氧,在完全的無氧條件,酵母菌只能繁殖幾代,然後就停止。這時,只要給予少量的空氣,它們又能出芽繁殖。如果缺氧時間過長,多數酵母菌就會死亡。

在進行酒精發酵以前,對葡萄的處理(破碎、除梗、泵送以及對白葡萄汁的澄清等)保證了部分氧的溶解。在發酵過程中,氧越多,發酵就越快、越徹底。因此,在生產中常用倒罐的方式來保證酵母菌對氧的需要。

(3)酸度。酵母菌在個性或微酸性條件下,發酵能力最強,如在pH4.0的條件下,其發酵能力比在pH3.0時更強。在pH很低的條件下,酵母菌活動生成揮發酸或停止活動。可見,酸度高並不利於酵母菌的活動,但卻能抑制其他微生物(如細菌)的繁殖。

㈣ 大腸菌群的測定中多管發酵法和濾膜法各自的優點

寫論文啊,大俠。
到中國期刊網上去找文獻。或者維普中文科技。
不要說在你們的校園網內不能免費在這兩個網站上下載文獻啊。
要是真不能,只能說你們學校也太……了。

㈤ 腸道菌群「搗鬼」 節食後體重反彈

科技日報北京11月30日電 (記者張夢然)在本周《自然》雜志一篇以小鼠為模型的微生物學論文中,科學家報告了腸道菌群在結束節食後體重反彈中可能發揮的作用。要想了解這一發現是否適用於人類還需進一步研究,但這項研究已經表明,腸道菌群是長期體重控制方案中一個極具潛力的目標。

許多通過節食減重的人都無法長期維持體重,而是出現了周期性的減重與反彈。但這一現象通常被稱為「溜溜球效應」,可惜其背後的機制一直不為人所知。

此次,以色列魏茨曼科學研究院的埃蘭·艾林納夫及其同事使用反復超重的小鼠模型,讓它們交替攝入高脂肪與普通的飲食,結果發現其腸道微生物組發生了改變。當這些小鼠重新攝入引發超重的飲食後,這種變化會導致小鼠體重加速反彈。若將改變後的微生物組移植到沒有採用交替飲食的小鼠體內,這些小鼠的體重增加也會加快。

由此,研究團隊開發了一種機器學習演算法,能利用來自小鼠個體的微生物組組成數據,精確預測某隻小鼠在結束節食後會增重多少。論文作者還發現,改變後的微生物組會導致腸道中一種名叫類黃酮的植物化合物減少,並降低能量消耗水平。在小鼠中,一種基於類黃酮的「益生菌產物」療法有助於抑制結束節食後的體重反彈。

但研究人員表示,未來的研究還需進一步探索類黃酮的臨床用途,以及其他生物活性代謝產物作為有效的長期體重控制療法的潛力。

作者: 張夢然 [責任編輯: 范作言]

㈥ 優化演算法筆記(二)優化演算法的分類

(以下描述,均不是學術用語,僅供大家快樂的閱讀)

在分類之前,我們先列舉一下常見的優化演算法(不然我們拿什麼分類呢?)。
1遺傳演算法Genetic algorithm
2粒子群優化演算法Particle Swarm Optimization
3差分進化演算法Differential Evolution
4人工蜂群演算法Artificial Bee Colony
5蟻群演算法Ant Colony Optimization
6人工魚群演算法Artificial Fish Swarm Algorithm
7杜鵑搜索演算法Cuckoo Search
8螢火蟲演算法Firefly Algorithm
9灰狼演算法Grey Wolf Optimizer
10鯨魚演算法Whale Optimization Algorithm
11群搜索演算法Group search optimizer
12混合蛙跳演算法Shuffled Frog Leaping Algorithm
13煙花演算法fireworks algorithm
14菌群優化演算法Bacterial Foraging Optimization
以上優化演算法是我所接觸過的演算法,沒接觸過的演算法不能隨便下結論,知之為知之,不知為不知。其實到目前為止優化演算法可能已經有幾百種了,我們不可能也不需要全面的了解所有的演算法,而且優化演算法之間也有較大的共性,深入研究幾個之後再看其他優化演算法上手速度會灰常的快。
優化演算法從提出到現在不過50-60年(遺傳演算法1975年提出),雖種類繁多但大多較為相似,不過這也很正常,比較香蕉和人的基因相似度也有50%-60%。當然演算法之間的相似度要比香蕉和人的相似度更大,畢竟人家都是優化演算法,有著相同的目標,只是實現方式不同。就像條條大路通羅馬,我們可以走去,可以坐汽車去,可以坐火車去,也可以坐飛機去,不管使用何種方式,我們都在去往羅馬的路上,也不會說坐飛機去要比走去更好,交通工具只是一個工具,最終的方案還是要看我們的選擇。

上面列舉了一些常見的演算法,即使你一個都沒見過也沒關系,後面會對它們進行詳細的介紹,但是對後面的分類可能會有些許影響,不過問題不大,就先當總結看了。
再對優化演算法分類之前,先介紹一下演算法的模型,在筆記(一)中繪制了優化演算法的流程,不過那是個較為簡單的模型,此處的模型會更加復雜。上面說了優化演算法有較大的相似性,這些相似性主要體現在演算法的運行流程中。
優化演算法的求解過程可以看做是一個群體的生存過程。

有一群原始人,他們要在野外中尋找食物,一個原始人是這個群體中的最小單元,他們的最終目標是尋找這個環境中最容易獲取食物的位置,即最易存活下來的位置。每個原始人都去獨自尋找食物,他們每個人每天獲取食物的策略只有採集果實、製作陷阱或者守株待兔,即在一天之中他們不會改變他們的位置。在下一天他們會根據自己的策略變更自己的位置。到了某一天他們又聚在了一起,選擇了他們到過的最容易獲取食物的位置定居。
一群原始人=優化演算法中的種群、群體;
一個原始人=優化演算法中的個體;
一個原始人的位置=優化演算法中個體的位置、基因等屬性;
原始人變更位置=優化演算法中總群的更新操作;
該位置獲取食物的難易程度=優化演算法中的適應度函數;
一天=優化演算法中的一個迭代;
這群原始人最終的定居位置=優化演算法所得的解。
優化演算法的流程圖如下:

對優化演算法分類得有個標准,按照不同的標准分類也會得到不一樣的結果。首先說一下我所使用的分類標准(動態更新,有了新的感悟再加):

按由來分類比較好理解,就是該演算法受何種現象啟發而發明,本質是對現象分類。

可以看出演算法根據由來可以大致分為有人類的理論創造而來,向生物學習而來,受物理現象啟發。其中向生物學習而來的演算法最多,其他類別由於舉例有偏差,不是很准確,而且物理現象也經過人類總結,有些與人類現象相交叉,但仍將其獨立出來。
類別分好了,那麼為什麼要這么分類呢?

當然是因為要湊字數啦,啊呸,當然是為了更好的理解學習這些演算法的原理及特點。
向動物生存學習而來的演算法一定是一種行之有效的方法,能夠保證演算法的效率和准確性,因為,如果使用該策略的動物無法存活到我們可以對其進行研究,我們也無法得知其生存策略。(而這也是一種倖存者偏差,我們只能看到行之有效的策略,但並不是我們沒看到的策略都是垃圾,畢竟也發生過小行星撞地球這種小概率毀滅性事件。講個冷笑話開cou心一shu下:一隻小恐龍對他的小夥伴說,好開心,我最喜歡的那顆星星越來越亮了(完)。)但是由於生物的局限性,人們所創造出的演算法也會有局限性:我們所熟知的生物都生存在三維空間,在這些環境中,影響生物生存的條件比較有限,反應到演算法中就是這些演算法在解決較低維度的問題時效果很好,當遇到超高維(維度>500)問題時,結果可能不容樂觀,沒做過實驗,我也不敢亂說。

按更新過程分類相對復雜一點,主要是根據優化演算法流程中更新位置操作的方式來進行分類。更新位置的操作按我的理解可大致分為兩類:1.跟隨最優解;2.不跟隨最優解。
還是上面原始人的例子,每天他有一次去往其他位置狩獵的機會,他們採用何種方式來決定今天自己應該去哪裡呢?
如果他們的策略是「跟隨最優解」,那麼他們選取位置的方式就是按一定的策略向群體已知的最佳狩獵位置(歷史最佳)或者是當前群體中的最佳狩獵位置(今天最佳)靠近,至於是直線跑過去還是蛇皮走位繞過去,這個要看他們群體的策略。當然,他們的目的不是在最佳狩獵位置集合,他們的目的是在過去的途中看是否能發現更加好的狩獵位置,去往已經到過的狩獵地點再次狩獵是沒有意義的,因為每個位置獲取食物的難易程度是固定的。有了目標,大家都會朝著目標前進,總有一日,大家會在謀個位置附近相聚,相聚雖好但不利於後續的覓食容易陷入局部最優。
什麼是局部最優呢?假設在當前環境中有一「桃花源」,擁有上帝視角的我們知道這個地方就是最適合原始人們生存的,但是此地入口隱蔽「山有小口,彷彿若有光」、「初極狹,才通人。」,是一個難以發現的地方。如果沒有任何一個原始人到達了這里,大家向著已知的最優位置靠近時,也難以發現這個「桃源之地」,而當大家越聚越攏之後,「桃源」被發現的可能性越來越低。雖然原始人們得到了他們的解,但這並不是我們所求的「桃源」,他們聚集之後失去了尋求「桃源」的可能,這群原始人便陷入了局部最優。

如果他們的策略是「不跟隨最優解」,那麼他們的策略是什麼呢?我也不知道,這個應該他們自己決定。畢竟「是什麼」比「不是什麼」的范圍要小的多。總之不跟隨最優解時,演算法會有自己特定的步驟來更新個體的位置,有可能是隨機在自己附近找,也有可能是隨機向別人學習。不跟隨最優解時,原始人們應該不會快速聚集到某一處,這樣一來他們的選擇更具多樣性。
按照更新過程對上面的演算法分類結果如下

可以看出上面不跟隨最優解的演算法只有遺傳演算法和差分進化演算法,他們的更新策略是與進化和基因的重組有關。因此這些不跟隨最優解的演算法,他們大多依據進化理論更新位置(基因)我把他們叫做進化演算法,而那些跟隨群體最優解的演算法,他們則大多依賴群體的配合協作,我把這些演算法叫做群智能演算法。

目前我只總結了這兩種,分類方法,如果你有更加優秀的分類方法,我們可以交流一下:

目錄
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㈦ 大腸桿菌作為基因工程受體菌具有哪些特點

優點:

1、遺傳背景清楚。目標基因表達水平高,表達系統成熟完善。

2、易於培養(培養方法簡單、生長快、培養周期短、抗污染能力強)、成本低,被美國FDA批准為安全的基因工程受體生物。

缺點:

1、表達產物缺少飯以後的修飾(如糖基化、烷基化、磷酸化、特異性的蛋白水解加工等);同時高表達時易折疊錯誤導致表達產物沒有活性,而且大腸桿菌本身含有內毒素和有毒蛋白,可能混在產物里,應用受限。

2、真核生物的啟動子不能被原核細胞(大腸桿菌)的RNA聚合酶識別。

3、真核生物的mRNA上沒有SD序列,因此不能被原核細胞核糖體結合。

4、真核生物的基因含有內含子,原核細胞缺乏見他們的轉錄物進行拼接加工的機制。

5、真核細胞的基因產物,往往需要翻譯後加工,真核細胞缺乏翻譯後加工有關的酶。

6、真核生物基因表達的蛋白質易被原核細胞蛋白酶所降解。

(7)菌群演算法優點擴展閱讀:

基因工程菌應具備以下條件:

1、發酵產品具有高濃度、高轉化率和高產率;

2、菌株能利用常用的碳源,並可進行連續發酵;

3、菌株不是致病株,也不產內毒素;

4、代謝控制容易進行;

5、能進行適當的DNA重組,並且穩定。

㈧ 細菌有哪些特點

細菌(英文:germs;學名:bacteria)隸屬生物學一類,是一類形狀細短,結構簡單,多以二分裂方式進行繁殖的原核生物,是在自然界分布最廣、個體數量最多的有機體,是大自然物質循環的主要參與者。細菌主要由細胞壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成,有的細菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結構。絕大多數細菌的直徑大小在0.5~5μm之間。可根據形狀分為三類,即:球菌、桿菌和螺旋菌(包括弧形菌)。 還有一種利用細菌的生活方式來分類,即可分為三大類:腐生生活、寄生生活及自養生存。細菌的發現者:英國人羅伯特·虎克。

細菌是生物的主要類群之一,屬於細菌域。細菌是所有生物中數量最多的一類,據估計,其總數約有 5×10的三十次方個。細菌的個體非常小,目前已知最小的細菌只有0.2微米長,因此大多隻能在顯微鏡下看到它們。細菌一般是單細胞,細胞結構簡單,缺乏細胞核、細胞骨架以及膜狀胞器,例如粒線體和葉綠體。基於這些特徵,細菌屬於原核生物(Prokaryota)。原核生物中還有另一類生物稱做古細菌(Archaea),是科學家依據演化關系而另闢的類別。為了區別,本類生物也被稱做真細菌(Eubacteria)。
細菌廣泛分布於土壤和水中,或著與其他生物共生。人體身上也帶有相當多的細菌。據估計,人體內及表皮上的細菌細胞總數約是人體細胞總數的十倍。此外,也有部分種類分布在極端的環境中,例如溫泉,甚至是放射性廢棄物中,它們被歸類為嗜極生物,其中最著名的種類之一是海棲熱袍菌(Thermotoga maritima),科學家是在義大利的一座海底火山中發現這種細菌的。然而,細菌的種類是如此之多,科學家研究過並命名的種類只佔其中的小部份。細菌域下所有門中,只有約一半包含能在實驗室培養的種類。
細菌的營養方式有自營及異營,其中異營的腐生細菌是生態系中重要的分解者,使碳循環能順利進行。部分細菌會進行固氮作用,使氮元素得以轉換為生物能利用的形式。

分類地位
域: 細菌域 Bacteria

門:
產水菌門 Aquificae
熱袍菌門 Thermotogae
熱脫硫桿菌門 Thermodesulfobacteria
異常球菌-棲熱菌門 Deinococcus-Thermus
產金菌門 Chrysiogenetes
綠彎菌門 Chloroflexi
熱微菌門 Thermomicrobia
硝化螺旋菌門 Nitrospirae
脫鐵桿菌門 Deferribacteres
藍藻門 Cyanobacteria
綠菌門 Chlorobi
變形菌門 Proteobacteria
厚壁菌門 Firmicutes
放線菌門 Actinobacteria
浮黴菌門 Planctomycetes
衣原體門 Chlamydiae
螺旋體門 Spirochaetes
纖維桿菌門 Fibrobacteres
酸桿菌門 Acidobacteria
擬桿菌門 Bacteroidetes
黃桿菌門 Flavobacteria
鞘脂桿菌門 Sphingobacteria
梭桿菌門 Fusobacteria
疣微菌門 Verrucomicrobia
網團菌門 Dictyoglomi
芽單胞菌門 Gemmatimonadetes

研究歷史
細菌這個名詞最初由德國科學家埃倫伯格(Christian Gottfried Ehrenberg, 1795-1876)在1828年提出,用來指代某種細菌。這個詞來源於希臘語βακτηριον,意為「小棍子」。
1866年,德國動物學家海克爾(Ernst Haeckel, 1834-1919)建議使用「原生生物」,包括所有單細胞生物(細菌、藻類、真菌和原生動物)。
1878年,法國外科醫生塞迪悅(Charles Emmanuel Sedillot, 1804-1883)提出「微生物」來描述細菌細胞或者更普遍的用來指微小生物體。
因為細菌是單細胞微生物,用肉眼無法看見,需要用顯微鏡來觀察。1683年,列文虎克(Antony van Leeuwenhoek, 1632–1723)最先使用自己設計的單透鏡顯微鏡觀察到了細菌,大概放大200倍。路易·巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)和羅伯特·科赫(Robert Koch, 1843-1910)指出細菌可導致疾病。

形態結構

桿菌,球菌,螺旋菌,弧菌的形態各不相同,但主要都是由以下結構組成。

(一)細胞壁

細胞壁厚度因細菌不同而異,一般為15-30nm。主要成分是肽聚糖,由N-乙醯葡糖胺和N-乙醯胞壁酸構成雙糖單元,以β(1-4)糖苷鍵連接成大分子。N-乙醯胞壁酸分子上有四肽側鏈,相鄰聚糖纖維之間的短肽通過肽橋(革蘭氏陽性菌)或肽鍵(革蘭氏陰性菌)橋接起來,形成了肽聚糖片層,像膠合板一樣,粘合成多層。

肽聚糖中的多糖鏈在各物種中都一樣,而橫向短肽鏈卻有種間差異。革蘭氏陽性菌細胞壁厚約20~80nm,有15-50層肽聚糖片層,每層厚1nm,含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),有的還具有少量蛋白質。革蘭氏陰性菌細胞壁厚約10nm,僅2-3層肽聚糖,其他成分較為復雜,由外向內依次為脂多糖、細菌外膜和脂蛋白。此外,外膜與細胞之間還有間隙。

肽聚糖是革蘭陽性菌細胞壁的主要成分,凡能破壞肽聚糖結構或抑制其合成的物質,都有抑菌或殺菌作用。如溶菌酶是N-乙醯胞壁酸酶,青黴素抑制轉肽酶的活性,抑制肽橋形成。

細菌細胞壁的功能包括:保持細胞外形;抑制機械和滲透損傷(革蘭氏陽性菌的細胞壁能耐受20kg/cm2的壓力);介導細胞間相互作用(侵入宿主);防止大分子入侵;協助細胞運動和分裂。

脫壁的細胞稱為細菌原生質體(bacterial protoplast)或球狀體(spheroplast,因脫壁不完全),脫壁後的細菌原生質體,生存和活動能力大大降低。

(二)細胞膜

是典型的單位膜結構,厚約8~10nm,外側緊貼細胞壁,某些革蘭氏陰性菌還具有細胞外膜。通常不形成內膜系統,除核糖體外,沒有其它類似真核細胞的細胞器,呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位於細胞膜上。某些行光合作用的原核生物(藍細菌和紫細菌),質膜內褶形成結合有色素的內膜,與捕光反應有關。某些革蘭氏陽性細菌質膜內褶形成小管狀結構,稱為中膜體(mesosome)或間體(圖3-11),中膜體擴大了細胞膜的表面積,提高了代謝效率,有擬線粒體(Chondroid)之稱,此外還可能與DNA的復制有關。

(三)細胞質與核質體

細菌和其它原核生物一樣,沒有核膜,DNA集中在細胞質中的低電子密度區,稱核區或核質體(nuclear body)。細菌一般具有1-4個核質體,多的可達20餘個。核質體是環狀的雙鏈DNA分子,所含的遺傳信息量可編碼2000~3000種蛋白質,空間構建十分精簡,沒有內含子。由於沒有核膜,因此DNA的復制、RNA的轉錄與蛋白的質合成可同時進行,而不像真核細胞那樣這些生化反應在時間和空間上是嚴格分隔開來的。

每個細菌細胞約含5000~50000個核糖體,部分附著在細胞膜內側,大部分游離於細胞質中。細菌核糖體的沉降系數為70S,由大亞單位(50S)與小亞單位(30S)組成,大亞單位含有23SrRNA,5SrRNA與30多種蛋白質,小亞單位含有16SrRNA與20多種蛋白質。30S的小亞單位對四環素與鏈黴素很敏感,50S的大亞單位對紅黴素與氯黴素很敏感。

細菌核區DNA以外的,可進行自主復制的遺傳因子,稱為質粒(plasmid)。質粒是裸露的環狀雙鏈DNA分子,所含遺傳信息量為2~200個基因,能進行自我復制,有時能整合到核DNA中去。質粒DNA在遺傳工程研究中很重要,常用作基因重組與基因轉移的載體。

胞質顆粒是細胞質中的顆粒,起暫時貯存營養物質的作用,包括多糖、脂類、多磷酸鹽等。

(四)其他結構

許多細菌的最外表還覆蓋著一層多糖類物質,邊界明顯的稱為莢膜(capsule),如肺炎球菌,邊界不明顯的稱為粘液層(slime layer),如葡萄球菌。莢膜對細菌的生存具有重要意義,細菌不僅可利用莢膜抵禦不良環境;保護自身不受白細胞吞噬;而且能有選擇地粘附到特定細胞的表面上,表現出對靶細胞的專一攻擊能力。例如,傷寒沙門桿菌能專一性地侵犯腸道淋巴組織。細菌莢膜的纖絲還能把細菌分泌的消化酶貯存起來,以備攻擊靶細胞之用。

鞭毛是某些細菌的運動器官,由一種稱為鞭毛蛋白(flagellin)的彈性蛋白構成,結構上不同於真核生物的鞭毛。細菌可以通過調整鞭毛旋轉的方向(順和逆時針)來改變運動狀態。

菌毛是在某些細菌表面存在著一種比鞭毛更細、更短而直硬的絲狀物,須用電鏡觀察。特點是:細、短、直、硬、多,菌毛與細菌運動無關,根據形態、結構和功能,可分為普通菌毛和性菌毛兩類。前者與細菌吸附和侵染宿主有關,後者為中空管子,與傳遞遺傳物質有關。

種類
細菌可以按照不同的方式分類。細菌具有不同的形狀。大部分細菌是如下三類:桿菌是棒狀;球菌是球形(例如鏈球菌或葡萄球菌);螺旋菌是螺旋形。另一類,弧菌,是逗號形。
細菌的結構十分簡單,原核生物,沒有膜結構的細胞器例如線粒體和葉綠體,但是有細胞壁。根據細胞壁的組成成分,細菌分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。「革蘭氏」來源於丹麥細菌學家革蘭(Hans Christian Gram),他發明了革蘭氏染色。
有些細菌細胞壁外有多糖形成的莢膜,形成了一層遮蓋物或包膜。莢膜可以幫助細菌在乾旱季節處於休眠狀態,並能儲存食物和處理廢物。

細菌的分類的變化根本上反應了發展史思想的變化,許多種類甚至經常改變或改名。最近隨著基因測序,基因組學,生物信息學和計算生物學的發展,細菌學被放到了一個合適的位置。
最初除了藍細菌外(它完全沒有被歸為細菌,而是歸為藍綠藻),其他細菌被認為是一類真菌。隨著它們的特殊的原核細胞結構被發現,這明顯不同於其他生物(它們都是真核生物),導致細菌歸為一個單獨的種類,在不同時期被稱為原核生物,細菌,原核生物界。一般認為真核生物來源於原核生物。
通過研究rRNA序列,美國微生物學家伍茲(Carl Woese)於1976年提出,原核生物包含兩個大的類群。他將其稱為真細菌(Eubacteria)和古細菌(Archaebacteria),後來被改名為細菌(Bacteria)和古菌(Archaea)。伍茲指出,這兩類細菌與真核細胞是由一個原始的生物分別起源的不同的種類。研究者已經拋棄了這個模型,但是三域系統獲得了普遍的認同。這樣,細菌就可以被分為幾個界,而在其他體系中被認為是一個界。它們通常被認為是一個單源的群體,但是這種方法仍有爭議。

古細菌
古細菌(archaeobacteria) (又可叫做古生菌或者古菌)是一類很特殊的細菌,多生活在極端的生態環境中。具有原核生物的某些特徵,如無核膜及內膜系統;也有真核生物的特徵,如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯黴素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子並結合組蛋白;此外還具有既不同於原核細胞也不同於真核細胞的特徵,如:細胞膜中的脂類是不可皂化的;細胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白質為主,有的含雜多糖,有的類似於肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

繁殖
細菌可以以無性或者遺傳重組兩種方式繁殖,最主要的方式是以二分裂法這種無性繁殖的方式:一個細菌細胞細胞壁橫向分裂,形成兩個子代細胞。並且單個細胞也會通過如下幾種方式發生遺傳變異:突變(細胞自身的遺傳密碼發生隨機改變),轉化(無修飾的DNA從一個細菌轉移到溶液中另一個細菌中),轉染(病毒的或細菌的DNA,或者兩者的DNA,通過噬菌體轉移到另一個細菌中),細菌接合(一個細菌的DNA通過兩細菌間形成的特殊的蛋白質結構,接合菌毛,轉移到另一個細菌)。細菌可以通過這些方式獲得DNA,然後進行分裂,將重組的基因組傳給後代。許多細菌都含有包含染色體外DNA的質粒。
處於有利環境中時,細菌可以形成肉眼可見的集合體,例如菌簇。

細菌以二分裂的方式繁殖,某些細菌處於不利的環境,或耗盡營養時,形成內生孢子,又稱芽孢,是對不良環境有強抵抗力的休眠體,由於芽胞在細菌細胞內形成,故常稱為內生孢子。

芽孢的生命力非常頑強,有些湖底沉積土中的芽抱桿菌經500-1000年後仍有活力,肉毒梭菌的芽孢在pH 7.0時能耐受100℃煮沸5-9.5小時。芽孢由內及外有以下幾部分組成:

1.芽孢原生質(spore protoplast,核心core):含濃縮的原生質。

2.內膜(inner membrane):由原來繁殖型細菌的細胞膜形成,包圍芽孢原生質。

3.芽孢壁(spore wall):由繁殖型細菌的肽聚糖組成,包圍內膜。發芽後成為細菌的細胞壁。

4.皮質(cortex):是芽孢包膜中最厚的一層,由肽聚糖組成,但結構不同於細胞壁的肽聚糖,交聯少,多糖支架中為胞壁酐而不是胞壁酸,四肽側鏈由L-Ala組成。

5.外膜(outer membrane):也是由細菌細胞膜形成的。

6.外殼(coat):芽孢殼,質地堅韌緻密,由類角蛋白組成(keratinlike protein),含有大量二硫鍵,具疏水性特徵。

7.外壁(exosporium):芽孢外衣,是芽孢的最外層,由脂蛋白及碳水化合物(糖類)組成,結構疏鬆。

代謝
細菌具有許多不同的代謝方式。一些細菌只需要二氧化碳作為它們的碳源,被稱作自養生物。那些通過光合作用從光中獲取能量的,稱為光合自養生物。那些依靠氧化化合物中獲取能量的,稱為化能自養生物。另外一些細菌依靠有機物形式的碳作為碳源,稱為異養生物。
光合自養菌包括藍細菌,它是已知的最古老的生物,可能在製造地球大氣的氧氣中起了重要作用。其他的光合細菌進行一些不製造氧氣的過程。包括綠硫細菌,綠非硫細菌,紫硫細菌,紫非硫細菌和太陽桿菌。
正常生長所需要的營養物質包括氮,硫,磷,維生素和金屬元素,例如鈉,鉀,鈣,鎂,鐵,鋅和鈷。
根據它們對氧氣的反應,大部分細菌可以被分為以下三類:一些只能在氧氣存在的情況下生長,稱為需氧菌;另一些只能在沒有氧氣存在的情況下生長,稱為厭氧菌;還有一些無論有氧無氧都能生長,稱為兼性厭氧菌。細菌也能在人類認為是極端的環境中旺盛得生長,這類生物被稱為極端微生物。一些細菌存在於溫泉中,被稱為嗜熱細菌;另一些居住在高鹽湖中,稱為喜鹽微生物;還有一些存在於酸性或鹼性環境中,被稱為嗜酸細菌和嗜鹼細菌;另有一些存在於阿爾卑斯山冰川中,被稱為嗜冷細菌。

運動
運動型細菌可以依靠鞭毛,細菌滑行或改變浮力來四處移動。另一類細菌,螺旋體,具有一些類似鞭毛的結構,稱為軸絲,連接周質的兩細胞膜。當他們移動時,身體呈現扭曲的螺旋型。螺旋菌則不具軸絲,但其具有鞭毛。
細菌鞭毛以不同方式排布。細菌一端可以有單獨的極鞭毛,或者一叢鞭毛。周毛菌表面具有分散的鞭毛。
運動型細菌可以被特定刺激吸引或驅逐,這個行為稱作趨性,例如,趨化性,趨光性,趨機械性。在一種特殊的細菌,粘細菌中,個體細菌互相吸引,聚集成團,形成子實體。

用途與危害
細菌對環境,人類和動物既有用處又有危害。一些細菌成為病原體,導致了破傷風、傷寒、肺炎、梅毒、霍亂和肺結核。在植物中,細菌導致葉斑病、火疫病和萎蔫。感染方式包括接觸、空氣傳播、食物、水和帶菌微生物。病原體可以用抗菌素處理,抗菌素分為殺菌型和抑菌型。
細菌通常與酵母菌及其他種類的真菌一起用於醱酵食物,例如在醋的傳統製造過程中,就是利用空氣中的醋酸菌(Acetobacter)使酒轉變成醋。其他利用細菌製造的食品還有乳酪、泡菜、醬油、醋、酒、優格等。細菌也能夠分泌多種抗生素,例如鏈黴素即是由鏈黴菌(Steptomyces)所分泌的。
細菌能降解多種有機化合物的能力也常被用來清除污染,稱做生物復育(bioremediation )。舉例來說,科學家利用嗜甲烷菌(methanotroph)來分解美國喬治亞州的三氯乙烯和四氯乙烯污染。

細菌也對人類活動有很大的影響。一方面,細菌是許多疾病的病原體,包括肺結核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由細菌所引發。然而,人類也時常利用細菌,例如乳酪及優格的製作、部分抗生素的製造、廢水的處理等,都與細菌有關。在生物科技領域中,細菌有也著廣泛的運用。

[一]細菌發電

生物學家預言,21世紀將是細菌發電造福人類的時代。說起細菌發電,可以追溯到1910年,英國植物學家利用鉑作為電極放進大腸桿菌的培養液里,成功地製造出世界上第一個細菌電池。1984年,美國科學家設計出一種太空飛船使用的細菌電池,其電極的活性物質是宇航員的尿液和活細菌。不過,那時的細菌電池放電效率較低。到了20世紀80年代末,細菌發電才有了重大突破,英國化學家讓細菌在電池組里分解分子,以釋放電子向陽極運動產生電能。其方法是,在糖液中添加某些諸如染料之類的芳香族化合物作為稀釋液,來提高生物系統輸送電子的能力。在細菌發電期間,還要往電池裡不斷地充氣,用以攪拌細菌培養液和氧化物質的混和物。據計算,利用這種細菌電池,每100克糖可獲得1352930庫侖的電能,其效率可達40%,遠遠高於現在使用的電池的效率,而且還有10%的潛力可挖掘。只要不斷地往電池裡添入糖就可獲得2安培電流,且能持續數月之久。

利用細菌發電原理,還可以建立細菌發電站。在10米見方的立方體盛器里充滿細菌培養液,就可建立一個1000千瓦的細菌發電站,每小時的耗糖量為200千克,發電成本是高了一些,但這是一種不會污染環境的"綠色"電站,更何況技術發展後,完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢棄的有機物的水解物來代替糖液,因此,細菌發電的前景十分誘人。

現在,各發達國家如八仙過海,各顯神通:美國設計出一種綜合細菌電池,是由電池裡的單細胞藻類首先利用太陽光將二氧化碳和水轉化為糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電;日本將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,而讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,由氫氣進入磷酸燃料電池發電;英國則發明出一種以甲醇為電池液,以醇脫氫酶鉑金為電極的細菌電池。

而且現在,各種不同的細菌電池相繼問世。例如有一種綜合細菌電池,先由電池裡的單細胞藻類利用日光將二氧化碳和水轉化成糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電。還有一種細菌電池則是將兩種細菌放入電池的特製糖漿中,讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸,再讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣,利用氫氣進入磷酸燃料電池發電。

人們還驚奇地發現,細菌還具有捕捉太陽能並把它直接轉化成電能的"特異功能"。最近,美國科學家在死海和大鹽湖裡找到一種嗜鹽桿菌,它們含有一種紫色素,在把所接受的大約10%的陽光轉化成化學物質時,即可產生電荷。科學家們利用它們製造出一個小型實驗性太陽能細菌電池,結果證明是可以用嗜鹽性細菌來發電的,用鹽代替糖,其成本就大大降低了。由此可見,讓細菌為人類供電已不是遙遠的設想,而是不久的現實。

[二]細菌益腸胃

身體大腸內的細菌靠分解小腸內部的廢棄物生活。這些東西由於不可消化,人體系統拒絕處理它們。這些細菌自己裝備有一系列的酶和新陳代謝的通道。這樣,它們能夠繼續把遺留的有機化合物進行分解。它們中的大多數的工作都是分解植物中的碳水化合物。大腸內部大部分的細菌是厭氧性的細菌,意思就是它們在沒有氧氣的狀態下生活。它們不是呼出和呼入氧氣,而是通過把大分子的碳水化合物分解成為小的脂肪酸分子和二氧化碳來獲得能量。這一過程稱為「發酵」。

一些脂肪酸通過大腸的腸壁被重新吸收,這會給我們提供額外的能源。剩餘的脂肪酸幫助細菌迅速生長。其速度之快可以使它們在每20分鍾內繁殖一次。因為它們合成的一些維生素B和維生素K比它們需要的多,所以它們非常慷慨地把多餘的維生素供應給它們這個群體中其他的生物,也提供給你——它們的宿主。盡管你不能自己生產這些維生素,但你可以依靠這些對你非常友好的細菌來源源不斷供應給你。

科學家們剛剛開始明白這一集體中不同的細菌之間的復雜關系,以及它們同人這個宿主之間的相互作用。這是一個動態的系統,隨著宿主在飲食結構和年齡上的變化,這一系統也做出相應的調整。你一出生就開始在體內匯集你所選擇的細菌的種類。當你的飲食結構從母乳變為牛奶,又變成不同的固體食物時,你的體內又會有新的細菌來占據主導地位了。

積聚在大腸壁上的細菌是經歷過艱難旅程後的倖存者。從口腔開始經過小腸,他們受到消化酶和強酸的襲擊。那些在完成旅行後而安然無恙的細菌在到達時會遇到更多的障礙。要想生長,它們必須同已經住在那裡的細菌爭奪空間和營養。幸運的是,這些「友好的」細菌能夠非常熟練地把自己粘貼到大腸壁上任何可利用的地方。這些友好的細菌中的一些可以產生酸和被稱為「細菌素」的抗菌化合物。這些細菌素可以幫助抵禦那些令人討厭的細菌的侵襲。

那些友好的細菌能夠控制更危險的細菌的數量,增加人們對「前生命期」食物的興趣。這種食物含有培養菌,酸奶就是其中的一種。在你喝下一瓶酸奶的時候,檢查一下標簽,看一看哪種細菌將會成為你體內的下一批客人。

培養

常用的細菌培養基

配方一 牛肉膏瓊脂培養基
牛肉膏0.3克 ,蛋白腖1.0克,氯化鈉 0.5克,瓊脂 1.5克,
水 1000毫升
在燒杯內加水100毫升,放入牛肉膏、蛋白腖和氯化鈉,用蠟筆在燒杯外作上記號後,放在火上加熱。待燒杯內各組分溶解後,加入瓊脂,不斷攪拌以免粘底。等瓊脂完全溶解後補足失水,用10%鹽酸或10%的氫氧化鈉調整pH值到7.2~7.6,分裝在各個試管里,加棉花塞,用高壓蒸汽滅菌30分鍾。

配方二 馬鈴薯培養基
取新鮮牛心(除去脂肪和血管)250克,用刀細細剁成肉末後,加入500毫升蒸餾水和5克蛋白腖。在燒杯上做好記號,煮沸,轉用文火燉2小時。過濾,濾出的肉末乾燥處理,濾液pH值調到7.5左右。每支試管內加入10毫升肉湯和少量碎末狀的干牛心,滅菌,備用。

配方三 根瘤菌培養基
葡萄糖 10克 磷酸氫二鉀 0.5克
碳酸鈣 3克 硫酸鎂 0.2克
酵母粉 0.4克 瓊脂 20克
水 1000毫升 1%結晶紫溶液 1毫升
先把瓊脂加水煮沸溶解,然後分別加入其他組分,攪拌使溶解後,分裝,滅菌,備用

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