第一章 非细胞结构的超微生物—— 病 毒

了解病毒的形态、化学组成、结构和病毒的繁殖、培养。

了解病毒对环境因素的抵抗力及在污水处理过程中的去除效果。

病毒

• 病毒是一类超显微的非细胞生物，每一种病毒只含有一种核酸，它们只能在活细胞内营专性寄生，靠其宿主代谢系统的协助来复制核酸，合成蛋白质等组分，然后再进行装配而得以增殖；在离体条件下，它们能以无生命的化学大分子状态长期存在并保持其侵染活性。

在微生物家族中比较特殊的是病毒。它们的个体实在太小，只有在电子显微镜下放大几万倍，才显露原形。与其他微生物不同，病毒没有细胞结构，只能在寄主细胞内繁殖。进入“病毒户口簿”的大约有 2800 种。病毒与人类关系极为密切，病毒能引起人类、动植物、昆虫的多种疾病，像艾滋病、肝炎等。目前人类还没找到一种对病毒有直接治疗效果的药说。当然，病毒并不全“坏”，它们在分子生物学领域中的应用、在病虫害防治中的作用正被人类所认识。

病毒学（ virulogy ）发展史

十九世纪末，动植物病毒性传染病致病因子的认识；1935 年， Stanley 分离提纯了 TMV( 烟草花叶病毒 ) 结晶 (Nobel Prize) ；Bawden 提示了 TMV 实质是核蛋白；1940 年， Kausche 用电镜看到了 TMV 的杆状外形；1952 年， Kershey 和 Chase 噬菌体传物质是 DNA ；1955 年， Franenkel——Conrat 完成病毒拆开实验；

Cncnc-micro

1960 年， Anderer 弄清了 TMV 外壳蛋白亚基 aa

排序；1965 年， Spiegelma 首次在细胞外复制 E.coly

噬菌体；1970 年， Baltimore 和 Temin 发现反转录酶 1 ；以后相继发现了亚病毒、朊病毒、拟病毒，并相继测出各类病毒核酸一级结构；随后相继完成了几种病毒基因组的测序并将完成所有病毒测序。

病 毒 的 研 究 方 法

电子显微镜法 ( 利用负染法 )

分级过滤法超速离心法沉降法电泳法X 射线晶体衍射

烟草花叶病毒 TMVTobacco Mosaic

Virus

(TEM x376,200)

(TEM x207,480)

T4 噬菌体T4

Bacteriophage (TEM x390,000)

Polio Virus (TEM x350,000)

Listeria sp. Bacteriophage of the

Bacterium

流感病毒Influenza A Virus (TEM x240,980)

被病毒感染的 T 淋巴细胞Human T-lymphocyte Virus Attacking a T-

lymphocyte

T 淋巴细胞中的爱滋病毒HIV Infection in Human Lymph

Tissue

血液淋巴细胞中的单疱病毒Herpes Simplex Virus

(TEM x169,920)

大豆黄萎病毒Cowpea Chlorotic Mottle

Virus (TEM x326,040)

第一节 病毒的一般特征及其分类

一、病毒的特点

二、病毒的分类

宿主：动物、植物、细菌等

核酸：DNA 或 RNA

所致疾病、大小、结构、被膜

病 毒 的 特 征

形态极其微小，必须在电镜下才能观察，一般都具过滤性；没有细胞构造，故也称分子生物；其主要成分仅是核酸和蛋白质两种；每一种病毒只含一种核酸，不是 DNA就是RNA ；既无产能酶系，也无蛋白合成系统；

利用宿主细胞设备进行增殖 , 不存在个体生长和二均分裂等细胞繁殖方式；在宿主活细胞内营专性寄生；在离体条件下 , 能以无生命的化学大分子状态存在 ,并可行成结晶；对一般抗生素不敏感 , 但对于干扰素敏感。

A virus can have either DNA or RNA but never both !!

最大的病毒与最小的病毒

天花病毒200×300nm

脊髓灰质炎病毒

口蹄疫病毒10nm

病毒的大小和组成

第二节 病毒的形态和结构

一、病毒的形态和大小 病毒的形体微小，只能以 nm计量，一般为 10 ~300 nm 。

病 毒 大 小

牛痘苗病毒 传染性浓泡皮炎病毒腮腺炎病毒

T 偶数病毒 疱疹病毒 大蚊病毒 流感病毒

烟草花叶病毒 腺病毒 多瘤病毒 脊髓灰质炎病毒1µm

几种病毒的形态与相对大小（大圆表示葡萄球菌细胞的相对大小）1.葡萄球菌噬菌体 2. 烟草花叶病毒 3. 疱疹病毒 4.腮腺炎病毒

5. 流感病毒 6.脊髓灰质炎病毒 7.狂犬病毒 8.腺病毒 9.痘病毒

病毒的形态 :

病毒的形态结构

病毒粒子的对称体质螺旋对称

二十面体对称

复合对称

RNA or DNA

Lipid envelope

Protein Coat(Capsomers)

三 类 典 型 形 态 的 病 毒

螺旋对称的代表 - 烟 草 花 叶 病 毒(TMV)

二十面体对称的代表 - 腺病毒复合对称的代表 -T偶数噬菌体

螺旋对称的代表 -烟草花叶病毒

(tobao mosaicvirus,TMV)

二十面体对称的代表 :腺病毒 (Adenovirus)

衣壳粒总数N=10(n-1)2+2 ； n 为每条边的衣壳粒数

复合对称的代表：T 噬菌体 (T Bacteriophage

)

蛋白质、核酸、类脂质、多糖

蛋白质——衣壳粒——衣壳

核酸 ——内芯

类脂质 + 多糖—— 被膜（囊膜）

核衣壳病毒颗粒病毒颗粒

病毒的化学组成和结构

病毒的结构

病毒的蛋白质

构成病毒外壳，保护病毒核酸免受核酸酶及其他理化因子的破坏；决定病毒感染的特异性，与易感细胞表面存在的受体具特异亲合力 , 促使病毒粒子的吸附；决定病毒的抗原性 ,并能刺激机体产生相应的抗体；病毒蛋白还构成了病毒组成的酶。

病毒的核酸

DNA ， RAN之分；单双链（ single strsnd,ss/double

strand,ds ）之分；环状，线状之分 ( 闭合，开放 ) ；正负链之分；基因组是单分子、双分子、三分子、多分子。

病毒的基因

第三节 病毒的繁殖

一、烈性噬菌体的繁殖吸附

侵入

复制与聚集

裂解和释放

吸附 (adsorption)

吸附的机理：尾丝尖端与受体发生共价结合；影响因素：噬菌体数量、阳离子、 辅助因子、温度等。

侵入 (penetration)

T 噬菌体的尾部借助尾丝固着在细菌细胞壁上，尾部的酶水解细胞壁上的肽聚糖形成小孔，尾鞘消耗 ATP获得能量收缩将尾髓压入宿主 细 胞 内 ，尾髓将头部的DNA注入宿主细胞内，蛋白质外壳留在细胞外。

噬菌体的核酸进入宿主细胞后，借用宿主细胞的合成机构如核糖体、 mRNA 、 tRNA 、 ATP 及酶等复制核酸，进而合成噬菌体蛋白，核酸和蛋白质聚集合成新的噬菌体，即装配。 在这个过程中，宿主细胞内的核酸不能按自身的遗传特征复制和合成蛋白质。

复制 (replication) 和装配(assembly)

噬菌体的水解酶水解宿主细胞壁，宿主死亡并破裂，释放出里面的病毒，新一代病毒开始新的生命旅程。

裂解 (lytic) 和释放 (release)

二、温和性噬菌体的溶原性

毒 ( 烈 ) 性噬菌体：侵入宿主细胞后，随即引起宿主细胞裂解的噬菌体。是正常表现的噬菌体。温和噬菌体：侵入宿主细胞后，其核酸附着并整合在宿主染色体上，和宿主核酸同步复制，宿主细胞不裂解继续生长。前噬菌体 (prophage)：整合在细菌基因组中的噬菌体基因组；溶原性细菌 (lysogenic bacterium)：带有前噬菌体基因组的细菌。

温和噬菌体可有三种存在状态： A. 游离的具有感染性的噬菌体颗粒； B. 宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸； C. 前噬菌体。前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主 菌 的潜在 能 力 ，称为溶原 性(lysogeny) 。某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换 (lysogenic conversion) 。

温和噬菌体侵染宿主

病毒的溶原性

一、病毒的培养特征

液体 : 透明的裂解溶液； 固体 : 空斑 ( 噬菌斑 )

二、病毒的培养基

要求苛刻； 专一性强

三、病毒的培养

第四节 病毒的培养

病毒在液体培养基中的培养特征

将噬菌体的敏感细菌接种在液体

培养基中，经培养后敏感细菌均匀分

布在培养基中而使培养基浑浊。然后

接种噬菌体，敏感细菌被噬菌体感染

后发生菌体裂解，原来浑浊的细菌悬

液变成透明的裂解溶液。噬菌体在液体培养基中的内的培养特征

A. 被噬菌体感染之前培养液浑浊 B. 被噬菌体感染之后培养液变清

一、病毒的培养特征

病毒在固体培养基上的培养特征

将噬菌体的敏感细菌接种在琼脂固体培养基上生长形成许多个菌落，当接种稀释适度的噬菌体悬液后引起点性感染，在感染点上进行反复的感染过程，宿主细菌菌落就一个个地被裂解成一个个空斑，这些空斑就叫噬菌斑。

噬菌体在液体培养基中的内的培养特征 C. 细菌菌落 D.四个菌落被噬菌体感染成噬菌空斑

噬菌斑试验 (Plaque Assay)

若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬菌斑计数，可测定一 定 体 积 内 的 噬 菌 斑 形 成 单 位 (plaque forming

units,pfu) 数目，即噬菌体的数目。

噬菌斑

噬斑

荧光假单胞菌

1.脊椎动物病毒培养基 ① 人胚组织细胞 ② 人组织细胞 ③ 人肿瘤细胞 ④ 动物组织细胞 ⑤ 鸡、鸭胚细胞 ⑥ 敏感动物 2. 植物病毒的培养基 与相应的敏感植株和敏感的植物组织。 3. 噬菌体的培养基 与噬菌体相应的敏感细菌，如大肠杆菌噬菌体用大肠杆菌培养。

二、病毒的培养基

亚病毒

类病毒

拟病毒

朊病毒

类病毒 (Viroid)

为裸露的单链 RNA ，营专性细胞内寄生的最小分子生物。

RNA 为闭合环状，形似棒状。

核酸分子量约为 100,000道尔顿， 350 个核苷酸。

借宿主细胞内依赖DNA 的 RNA聚合酶Ⅱ以非对称模型复制。

较耐热， 90℃ 下仍存活。

主要感染植物，可通过种子传播。

亚病毒

拟病毒 (Virusoids)

为包裹在植物病毒衣壳内的单链环状 RNA 分子 . 如：绒毛烟斑驳病毒（ VTMoV ）；

辅助病毒— RNA-1; 拟病毒— RNA-2 ；

二者单独接种 , 都不能感染和复制 , 合在一起才可以感染和复制；

借助宿主细胞内依赖于 RNA 的 RNA聚合酶以滚环方式进行复制。

亚病毒

朊病毒 (Prion)

一类能侵染动物的并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水蛋白质，亦称蛋白质感染因子 (prion protein PrP) 。

可引起中枢神经系统退化性紊乱疾病，如 :

克雅氏综合症 (Creatzfeldt-Jokob disease) ；

库鲁病 (Kura disease) ；

羊瘙痒症 (Scrapie) ；

致死性家族失眠症；

疯牛病。

亚病毒

羊瘙痒病 PrPC 与 PrPSC 的三维结构

β折叠

病毒、类病毒、朊病毒的区别

蛋白质 ( 衣壳 )

核酸 感染性

病毒 有 有 有或无类病毒 无 有 有朊病毒 有 无 有

第五节 病毒与人类的关系

在发酵工业中，噬菌体感染菌体后会使发酵周期明显延长，发酵产物形成缓慢或不形成，造成经济损失；某些植物病毒能够感染经济植物，造成植株死亡或减产，如烟草花叶病毒、黄豆黄萎病毒等；引起家畜的疾病，如疯牛病、口蹄疫等，导致家畜死亡；病毒能够引起人类疾病和癌症，如流感病毒、乙肝病毒、 HIV 病毒等。

病毒可以作为基因工程的载体，将特定的 DNA片段导入目的生物中；昆虫病毒可用作生物农药，具有专一性强、效果好、后效长、对人畜安全、无公害等优点；噬藻体可以用来防治海洋赤潮和湖泊水华；噬菌体可以用来治疗某些由真菌引起的疾病；某些植物病毒可以用作除草剂；可以利用病毒来生产疫苗和干扰素。

口蹄疫

斜纹夜蛾病毒杀虫剂及甜菜夜蛾病毒杀虫剂一种核型多角体病毒（ NPV ）

第六节 病毒对物理、化学因素的抵抗力及在污水处理过程中的去除效果

一、病毒对物理因素的抵抗力

二、病毒对化学因素的抵抗力

三、病毒对抗菌物质的抵抗力

四、病毒在环境中的存活和在污水处理过程中的去除效果

一、病毒对物理因素的抵抗力

温度 高温能使病毒的核酸和蛋白质衣壳变性，蛋白质变性能阻碍病毒吸附到宿主细胞上，削弱病毒感染力。低温不会灭活病毒，通常在 -75℃保存病毒。光及其他辐射

紫外辐射、可见光、 X 射线、 γ 射线等都有灭活病毒的作用。干燥

干燥是控制环境中病毒的重要因素。

二、病毒对化学因素的抵抗力

体内灭活 体内灭活的化学物质有抗体和干扰素

体外灭活 体外灭活的化学物质有：酚、低渗缓冲液、甲醛、亚硝

酸、氨、醚类、十二烷基硫酸钠、氯仿、去氧胆酸钠、氯（或次氯酸、二氧化氯、漂白粉）、溴、碘、臭氧、乙醇、强酸、强碱、氧化剂等。他们能够破坏病毒的蛋白质、核酸或脂类被膜。

三、病毒对抗菌物质的抵抗力

链霉菌、青霉菌、藻类等会分泌一些抗菌物质，各种

链霉菌产生的抗生素对大多数病毒无灭活作用，只有鹦

鹉—淋巴肉芽肿病毒例外。藻类产生的抗菌物质如丙烯

酸和多酚对病毒有灭活作用。枯草杆菌、大肠杆菌和铜

绿假单胞杆菌具有抗病毒活性，病毒的蛋白质衣壳可用

作细菌生长底物。

四、病毒在环境中的存活和在污水处理过程中的去除

病毒在环境中的存活 1. 水体中病毒的存活 在海水中： 在 3 ～ 5℃时，肠道病毒滴度下降 99.9％所需要的时间为 40 ～

90d ， 22 ～ 25℃时，需要 2.5 ～ 9d ， 37℃ 只需 5d 。 在湖水和河水中： 在 3 ～ 6℃时，肠道病毒传染性效价损失 103 所需时间是 7 ～

67d 。在 18 ～ 27℃时，只需 3 ～ 10d 。

在水体淤泥中：病毒吸附在固体颗粒上或被有机物包裹在颗粒中间，因为受到保护其存活时间会较长些。

2. 在土壤中病毒的存活时间

土壤由黏土、沙砾、腐殖质、矿物质、可溶性有机物及许多微生物等组成。有一定的团粒结构和孔隙，在土壤中可形成许多毛细管，是很好的过滤层。有净化污染物的功能。

土壤截留病毒的能力受土壤的类型、渗滤液的流速、土壤孔隙的饱和度、 pH 、渗滤液中的阳离子的价数（阳离子吸附病毒的能力： 3价 >2 价 >1价）和数量、可溶性有机物和病毒的种类等的影响。以土壤温度和湿度的影响最大。– 低温时的存活时间比在高温时长。

– 干燥易使病毒灭活，土壤水分含量在 10％以下，病毒的数量大减。其灭活原因是病毒成分的解离和核酸的降解。 病毒在土地处理场中可存活 6 个月以上。

空气中的病毒以气溶胶形式存在（生活污水喷灌和生活污

水生物处理导致形成）气溶胶进一步与空气中的尘埃结合，

随风飘浮于空气中。

空气中病毒的存活时间受干燥程度、相对湿度、太阳光中

的紫外辐射、温度和风速等的影响。相对湿度越大病毒存活

时间越长；相对湿度越小，越干燥，病毒存活时间越短。

3. 空气中病毒的存活

四、病毒在环境中的存活和在污水处理过程中的去除

污水处理过程中对病毒的去除效果 一级处理 : 物理过程，以过筛、除渣、初级沉淀除去沙砾、碎纸、塑料袋

及纤维状固体废物为目的。去除病毒的效果很差，去除病毒约 30％。

二级处理 : 生物处理方法，是生物吸附和生物降解和絮凝沉降的作用过程，以去除有机物、脱氮和除磷为目的，同时对污水中病毒的去除率较高，去除病毒率在 90% ～ 99% 。

三级处理 : 继生物处理后的深度处理，有生物和化学及物理的处理过程。它包括絮凝、沉淀、过滤和消毒（加氯或臭氧）过程，进一步去除有机物、脱氮和除磷。

三级处理 : 可使病毒滴度常用对数值下降 4 ～ 6 。

本章授课内容到此结束

欢迎大家提出宝贵意见

湖南大学环境科学与工程系学院