微生物学绪论Introduction

1、1.1 What are the microbe and microbiology? 1.2 The history of microbiology 1.3 The importance of Microbiology 1.4 Important events in the development of microbiology 一、微生物 （一）概念：微生物是一类形体微小、单细胞或个体较为简单的多 细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称。 简单地说是人们对 肉眼看不见的细小生物的总称。 指显微镜下的才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。但其中 也有少数成员是肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌

2、是肉眼可 见的， 1993 年正式确定为细菌的 Epulopiscium fishlsoni 以 及 1998 年报道的 Thiomargarita namibiensis ，均为肉眼可 见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概念，是历史的 沿革，但仍为今天所适用。 The word microbe (microorganism) is used to describe an organism that is so small that, normally, it cannot be seen without the use of a microscope. Viruses, bacter

3、ia, fungi, protozoa and some algae are all included in this category. 细胞结构核结构微生物类群 无细胞结构无核病毒 亚病毒拟病毒 类病毒 朊病毒 有细胞结构原核 古细菌 真细菌 放线菌 蓝细菌 真核 酵母菌 霉菌 藻类 原生动物 （二）种类 Microbialworld Organisms Infectious agents Prokaryotes (unicellular) eukaryotes virusesviroidsprions EubacteriaArchaea Algae (unicellular or mul

4、ticellular Fungi (unicellular or multicellular Protozoa (unicellular) Other multicellular organisms 个体微小， 结构简单 代谢活跃， 方式多样 繁殖快速， 容易变异 抗逆性强， 休眠期长 种类繁多， 数量巨大 分布广泛， 分类级宽 个体微小 一般微生物以mmmm表示其大小 （每 g g 细菌的个数可达 10 10 10 10 个 ） 病毒用nmnm表示大小 结构简单 单细胞 简单多细胞 无细胞 代谢活跃 吸收、转化物质速度极快。 发酵乳糖的细菌每小时可分解其自重的1000100001000100

5、00 倍 产朊假丝酵母合成蛋白质的能力较大豆强100100倍， 较成年公牛强10105 5倍 以同等体积计，一个细菌在 1 1 小时内所消耗的糖即 可相当于人在 500 500 年时间内所消耗的粮食。 方式多样 能利用的有机基质极为广泛，COCO2 2 ，甚至有毒物质 有机化能，无机化能 光能 好氧呼吸，厌氧呼吸，发酵，（兼性） 途径多种多样 产物多种多样：蛋白质、多糖、核酸、脂肪、抗生素、维 生素、毒素、色素、生物碱， CO 2 CO 2 、 H 2 O H 2 O 、 H 2 S H 2 S 、 NO 2 NO 2 -1 -1 、 NO 3 NO 3 1 1 、 SO 4 SO 4 2 2

6、 繁殖快速 大肠杆菌在适宜条件下3737o oC C时的世代时间为 1818minmin，每24 24 h h可分裂8080次，即增殖数为1.21.2x10 x1024 24个后 代。 容易变异 微生物的自然变异频率可达1010-5 -510 10-10 -10 变异可涉及到任何形状 形态构造，代谢途径，生理特性，抗原抗性， 产物种类，产物数量 如常见的人体病原菌抗药性的提高，常需要提高用药剂 量，则是病原菌变异的结果。抗生素生产和其他发酵性 生产中利用微生物变异，提高发酵产物产量。最典型的 例子是青霉素的发酵生产，最初发酵产物每 ml 只含 20 单位左右，而现在已有极大的增加，甚至接近 1

7、0 万单 位了。 抗逆性强 抗热性：100100，250250，300 300 抗压性 ：265265atmatm 抗寒性 ：-12-12 抗酸性 ：0.50.5 抗碱性 ：10.710.7 抗干燥性 抗缺氧性 抗辐射性 抗毒物性 休眠期长 具有特殊的休眠构造：芽孢，孢子，胞囊 菌丝体特异结构 ：菌核，菌索 芽孢休眠期可达几年，几百年，上千年 甚至报导过 3 000 3 000 4 000 4 000 年前埃及金字塔中的木乃尹上 至今仍有活的病原菌。 种类繁多 目前已确定的微生物种类有10105 5以上，每年仍以几百 上千的新种在被发现 目前所了解的微生物种类仅仅为自然界中的0.1%-0.1%

8、- 1%1%左右 数量巨大 每g g土壤含几亿个细菌 人体肠道内菌体总数达100100万亿个左右, , 约2 2kg kg 全球海洋中的微生物总重量达280280亿吨 每 g g 新鲜叶子表面可附生 100 100 多万个微生物 分布广泛 除了“明火”，火山喷发中心区和人为的无菌环 境外，都有微生物的存在，上至几十千米外的高 空，下至地表下几百米的深处，海洋上万米的水 底层，土壤、水域、空气，动植物和人类体内外， 都已分布有各种不同的微生物。 分类级宽 微生物横跨了生物六界系统中无细胞结构生物病 毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物 界、菌物界（真菌界） 除了动物界、植物界外，其余各界都

9、是为微生物 而设立的，范围极为宽广。 1969年Whittaker提出五界分类系统： 原核生物界：古细菌，真细菌、蓝细菌、放线菌 原生生物界：藻类，原生动物 真菌界：酵母，霉菌、蘑菇 植物界 动物界 我国学者提出六界系统： 病毒界：病毒、亚病毒 遗传信息都是以DNADNA和RNARNA作为载体，遗传信息 表达的规则相同 都是以ATPATP作为能量代谢的载体 氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸的合成途径相 同 蛋白质、脂肪、核酸和多糖的合成途径相同 细胞的化学组成相似 （一）概念: 是研究微生物形态结构、生长繁殖、遗传变异、生 理生化等特征以及其在自然界中的分布、作用和 与人类及其他生物相互关系的一门

10、学科。 通过对各种微生物的研究，达到利用、控制、改造 它们，使其为人类造福的目的。 （二）、研究内容 1 1 微生物本身 形态结构，分类鉴定，生理生化， 生长繁殖，遗传变异，生态分布 2 微生物与微生物和其他生物植物、动物和人类的关 系有益、有害、致病 3 微生物在自然界各种元素生物地球化学 循环中的作用利用、转化、固定 4 4 微生物在工、农、医、环境保护、食品生产 中的应用促进人类可持续发展 是一门既有独特的理论体系，又有很强实践性的学科。 微生物研究作为一门科学 - - 微生物学，当今的发展无 疑是最为活跃、最为迅速、最为辉煌、影响最大的生命科 学之一。 （三）微生物学的分支学科 以研究

11、微生物本身分： 普通微生物学 微生物形态学 微生物分类学 微生物生理学 微生物生物化学 微生物生态学 微生物遗传学 细胞微生物学 以研究对象分 ： 细菌学 放线菌学 真菌学 病毒学 噬菌体学 藻类学 支原体学 厌氧微生物学 原生动物学 以应用方面分： 工业微生物学 农业微生物学 食品微生物学 乳品微生物学 医学微生物学 兽医微生物学 抗生素学 免疫学 土壤微生物学 水域微生物学 环境微生物学 沼气发酵微生物 学 水产微生物学 海洋微生物学 分析微生物学 实验微生物学 发酵微生物学 预防微生物学 正在发展的新兴学科 ： 微生物分子生物学 微生物化学分类学 微生物数值分类学微生物地球化学 宇宙微生

12、物学 微生物基因组学 微生物蛋白质组学 微生物分子系统学 Microbiology Bacteriology Protozoology Parasitology MicrobialMorphology Mycology Virology PhycologyorAlgology Microbialphysiology Microbialtaxonomy Microbialgenetics Molecularbiology Microbialecology 史前时期人类对微生物的认识与利用 微生物学初创时期微生物形态认识时期 微生物学奠基时期微生物生理学发展时期 微生物学发展时期微生物生物化学发展

13、时 期 微生物学成熟时期微生物分子生物学发展 时期 一、史前时期人类对微生物的认识与利用 在 17 世纪下半叶，荷兰学者吕文虎克（ Antony van Leeuwenhook ）用自制的简易显微镜亲眼观察到细菌个 体之前，对于一门学科来说尚没形成。这个时期称为微 生物学史前时期。 酿酒，制醋，制酱 ：8000年前我国曲糵酿酒 种植豆科植物 积肥，压青，沤粪 麦曲治病：2500年前用曲治消化道疾病 尽管这些还没有上升为微生物学理论，但都是控制和应 用微生物生命活动规律的实践活动。 二、微生物形态学发展阶段 17 世纪 80 年代，吕文虎克用他自己制造的，可放 大 160 倍的显微镜观察牙垢、雨

14、水、井水以及各 种有机质的浸出液，发现到了许多可以活动的 “ 活的小动物 ” ，并发表了这一 “ 自然界的 秘密 ” 。这是首次对微生物形态和个体的观察 和记载。随后，其他研究者凭借显微镜对于其它 微生物类群进行的观察和记载，充实和扩大了人 类对微生物类群形态的视野。但是在其后相当长 的时间内，对于微生物作用的规律仍一无所知。 这个时期也称为微生物学的创始时期。 发表了约400400篇有关论文 The discovery of microorganisms Thefirstpersonto accuratelyobserveand describemicroorganisms Antonyva

15、nLeeuwenhock (1632-1723) Thefirstpersontoobserveanddescribe microorganismswastheamateurmicroscopist AntonyvanleeuwenhoekofDelft,Holland. Leeuwenkoekmadehissimple,single-lens microscopewhichcouldamplifytheobjectbeing viewed50300times.Between16731723,he wroteaseriesofletterstotheRoyalSocietyof Londond

16、escribingthemicrobesheobservedfrom thesamplesofrainwater,andhumammouth. Leeuwenhoeks drawingsofbacteria fromthehuman mouth. Adrawingofoneof themicroscopes showingthelensa; mountingpinb;and focusingscrewsc andd. lens Object being viewed adjusting screws 三、微生物生理学发展阶段 在 19 世纪 60 年代初，法国的巴斯德（ Louis Paste

17、ur ）和德国的柯赫（ Robert Koch ）等一批杰出 的科学家建立了一套独特的微生物研究方法，对微生物 的生命活动及其对人类实践和自然界的作用作了初步研 究，同时还建立起许多微生物学分支学科，尤其是建立 了解决当时实际问题的几门重要应用微生物学科，如医 用细菌学、植物病理学、酿造学、土壤微生物学等。 可以说Pasteur and Koch 是微生物学的奠基人。 Final refutation of spontaneous generation birth of microbiology as a science Discovery of the existence of anaero

18、bic life fermentation Vaccines Pasteurization Pasteurscontributions: LouisPasteurworkinginhislaboratory Louis Pasteur (1822 1895) Pasteur(1857)demonstratedthatlacticacid fermentationisduetotheactivityof microorganisms. 2.Pasteur(1861)conflictoverspontaneous generationbirthofmicrobiologyasa science 3

19、.Pasteur(1881)developedanthraxvaccine 4.Pasteurization Spontaneous generationSpontaneous generation that living organisms could develop from nonliving or decomposing matter. Pasteursswanneckflasksusedinhisexperiments onthespontaneousgenerationofmicroorganisms Conclusion:Conclusion: Microorganisms ar

20、e not spontaneously Microorganisms are not spontaneously generated from inanimate matter, but are generated from inanimate matter, but are produced by other microorganismsproduced by other microorganisms RobertKockinhislaboratory Therecognitionofmicrobialroleindisease Robert Kock (1843 1910) The mic

21、roorganisms must be present in every case of the disease but absent from healthy organisms. The suspected microorganisms must be isolated and grown in a pure culture. The disease must result when the isolated microorganisms is inoculated into a healthy host. The same microorganisms must be isolated

22、again from the diseased host Kocks postulates 柯赫的其他贡献： 改进了固体培养基的配方，发明 了倾皿法进行纯种分离，建立了 细菌细胞的染色技术，显微摄影 技术和悬滴培养法。 Beijerinckmadefundamental contributionstomicrobialecology. HeisolatedAzotobacterand Rhizobium. The discovery of microbial effects on organic and inorganic matter TheRussianmicrobiologist Win

23、ograskydiscoveredthatsoil bacteriacouldoxidizeiron,sulfur andammoniatoobtainenergy, andalsoisolatednitrogenfixing bacteria. SirAlexanderFlemingdiscovered theantibioticpenicillin.Hehad theinsighttorecognizethe significanceoftheinhibition of bacterialgrowthinthevicinityofa fungalcontaminantwhenmost ot

24、herscientistsprobablywould havesimplydiscardedthe contaminatedplates. AlexanderFleming (1881-1955) 英国学者布赫纳（ E. Buchner ）在 1897 年研究了磨碎酵母菌的发酵作用， 把酵母菌的生命活动和酶化学相联系 起来，推动了微生物生理学的发展。 同时，其他学者例如俄国学者伊万诺 夫斯基 (Ivanovski) 首先发现了烟草 花叶病毒 (Tobacco mosaic virus ， TMV) ，扩大了微生物的类群范围。 1953 年华特生（ J. D. Watson ）和克里克（ F.

25、H. Crick ）发现了细菌基因体脱氧核糖核酸长链的双螺 旋构造。 1961 年加古勃（ F. Jacab ）和莫诺德（ J. Monod ）提出了操纵子学说，指出了基因表达的调节 机制和其局部变化与基因突变之间的关系，即阐明了 遗传信息的传递与表达的关系。 1977 年， C. Weose 等在分析原核生物 16S rRNA 和真核生物 18S rRNA 序列的基础上，提出了可将自 然界的生命分为细菌、古菌和真核生物三域 （ domain ），揭示了各生物之间的系统发育关系， 使微生物学进入到成熟时期。 在这一时期，从基础研究来讲，从三大方面深入到分 子水平来研究微生物的生命活动规律： 研

26、究微生物大分子的结构和功能，即研究核酸、蛋 白质、生物合成、信息传递、膜结构与功能等。 在基因和分子水平上研究不同生理类型微生物的各 种代谢途径和调控、能量产生和转换，以及严格厌氧 和其他极端条件下的代谢活动等。 分子水平上研究微生物的形态构建和分化，病毒的 装配以及微生物的进化、分类和鉴定等，在基因和分 子水平上揭示微生物的系统发育关系。尤其是近年来， 应用现代分子生物技术手段，将具有某种特殊功能的 基因作出了组成序列图谱，以大肠杆菌等细菌细胞为 工具和对象进行了各种各样的基因转移、克隆等等开 拓性研究。 在这一时期，在应用方面来讲，开发菌种资源、 发酵原料和代谢产物，利用代谢调控机制和固

27、定化细胞、固定化酶发展发酵生产和提高发酵 经济的效益，应用遗传工程组建具有特殊功能 的 “ 工程菌 ” ，把研究微生物的各种方法 和手段应用于动、植物和人类研究的某些领域。 这些研究使微生物学研究进入到一个崭新的时 期。 微生物学已发展成为生命科学领域内发展最快、 影响最大的前沿科学，并与人类的生存发展密 切相关。 一、微生物学的发展与人类的医疗保健 外科消毒术的建立， 探寻人畜病原菌， 免疫防治的应用， 化学药物治疗， 抗生素治疗， 生化药物微生物生产中遗传工程和生物工程技术的应用 二、微生物学的发展与农业技术进步 以菌治虫，以菌治病，以菌治草 以菌增肥，以菌促长， 以菌作饲料，以菌作药物，

28、以菌作蔬菜 以菌产沼气 三、微生物学的发展促进了发酵工业 食品和饮料的自然发酵 罐头生产与保藏 厌氧纯种发酵技术 深层液体通气搅拌培养 代谢调控理论在发酵工业上的应用 微生物生物工程的兴起 四、微生物学的发展与生态环境的保护和污染环境的 生物修复 有机废弃物、废水的生物处理 污染环境的微生物修复 微生物能源 废弃物的资源化再利用 五、微生物学的发展对生物学基础理 论研究的巨大贡献 解决了生物学上许多重大的争论问题 是生物学的三大来源和三大支柱（生物化学，微生 物学和遗传学）之一 遗传学研究对象的微生物化促进了经典遗传学向分 子遗传学的发展 微生物是基因工程中供体、载体、工具酶和受体的 主要提供

29、者 高等生物研究与应用中技术的日益微生物学化 微生物学研究中的实验技术与设备向生命科学各领 域研究迅速扩散，在方法学上作出贡献 六、当代微生物学的发展趋势 当代微生物学的发展趋势，一方面是由于分子生 物学新技术不断出现，使得微生物学研究得以 迅速向纵深发展，已从细胞水平、酶学水平逐 渐进入到基因水平、分子水平和后基因组水平。 另一方面是大大拓宽了微生物学的宏观研究领 域，与其他生命科学和技术、其他学科交叉、 综合形成许多新的学科发展点甚至孕育新的分 支学科。 近 20 30 年来，微生物学研究中分子生物技 术与方法的运用，已使微生物学迅速丰富着新 理论、新发现、新技术和新成果。 C. Woes

30、e 1977 年提出并建立了细菌（ bacteria ）、 古菌 (archaea) 和真核生物（ eucarya ）并 列的生命三域的理论，揭示了古细菌在生物系 统发育中的地位，创立了利用分子生物学技术 进行在分子和基因水平上进行分类鉴定的理论 与技术。 微生物细胞结构与功能、生理生化与遗传学研究的结合， 已经进入到基因和分子水平，即在基因和分子水平上研 究了微生物分化的基因调控，分子信号物质及其作用机 制，生物大分子物质装配成细胞器过程的基因调控，催 化各种生理生化反应的酶的基因及其组成、表达和调控， 阐明了蛋白质生物合成机制，建立了酶生物合成和活性 调节模式，探查了许多核酸序列，构建了

31、100 多种微 生物的基因核酸序列图谱。如大肠杆菌 （ Escheriachia coli ）的基因图谱早已绘出， 1/3 多的基因产物已完成了生化研究， 80 的代谢途径已 有了解，染色体复制模式及调控方式已基本阐明，对许 多操纵子的主要特征已有描述，对大肠杆菌细胞高分子 的合成已探明，并可以在试管中模拟，即进入了后基因 组时期。对固氮酶合成基因及其活性已构建了调节模式， 并在基因和分子水平上揭示了根瘤菌 豆科植物共生 固氮体系中根瘤菌和豆科植物相互识别、共建有效根瘤 及其调节。 DNA 重组技术的出现为构建具有特殊功能的基因 工程菌提供了令人兴奋的成果和良好的前景， 已实现了利用基因工程微

32、生物大量生产人工胰 岛素、干扰素和生长素等贵重药物，形成了一 个崭新的生物技术产业。目前正有许多研究利 用 DNA 重组技术改良和创建微生物新品种。 微生物生态学的研究不仅拓宽了原有的土壤、污 水、水域、地矿等环境并进入了宇宙空间和深 入到微生物赖以生存的为环境，而且极大地关 注了极端环境下的微生物生命活动，阐明了这 些极端环境微生物具备的其他生物所没有的性 状，形成了一个生命科学中的崭新领域，为生 命的起源、进化和系统发育的探索和阐明提供 了大量有用的证据，也极大的丰富了自然界微 生物种的多样性。微生物作为环境污染物的 “ 清道夫 ” 和污染受损环境的生物修复者， 它们对于部分污染物尤其是含

33、芳香环的难降解 物的分解和降解，也已从质粒、降解酶基因水 平上加以阐明。 微生物学的研究将日益重视微生物特有的生命现 象。如极端环境中的生存能力，特异的代谢途 径和功能，化能营养、厌氧生活、生物固氮， 不放氧光合作用等，对于这些生命过程中物质 和能量运动基本规律的阐明将会给人们展示一 个诱人的应用前景。由于微生物具有独特和高 效的生物转化能力和产生多种多样的有用的代 谢产物，为人类的生存和社会的发展进步创造 难以估量的财富，因此发展和促进微生物生物 技术的应用即微生物产业化，如微生物疫苗、 微生物药品制剂、微生物食品、微生物保健品、 可降解性微生物制品，等等，将是世界性的生 物科学热点，会得到

34、极大的发展。 因此，根据 21 世纪生命科学的发展趋势和研究 热点，在目前已对少数微生物构建遗传物理图 谱的基础上，将会全面展开微生物基因组学和 后基因组学的研究。微生物基因组的研究必将 明显的促进生物信息学的发展和包括比较生物 学、分子进化学和分子生态学在内的生物学研 究新时代的到来。对具有某种意义的微生物种、 菌株进行全基因组的序列分析、功能分析和比 较分析，明确其结构、表型、功能和进化等之 间的相互关系。阐明微生物与微生物之间、微 生物与其他生物之间、微生物与环境因素之间 相互作用的分子机理及其控制本质基因机制， 将会极大发展微生物分子生态学、环境微生物 学、细胞微生物学、微生物资源学的

35、发展。 微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学 科的先进技术的基础上，向自动化、计算机化、 定向化和定量化发展，微生物信息学正在孕育 中。技术上的重大突破，促使生物科学获得前 所未有的高速度发展，开辟斩新的研究领域， 进入新的研究深度。使发育分子生物学、神经 分子生物学、分子细胞学、分子生理学、分子 生态和进化等学科领域的逢勃发展。为改造生 物提供强有力的手段，从而使得在分子水平上 得新设计、改造和创建新的生物形态和新的生 物物种成为可能。基因工程的应用范围可以扩 大到食品、化工、环保、采矿、冶炼、材料、 能源等众多领域，具有诱人的开发前景。改变 已有的基因甚至创造新的物种，这是一项前无 古人的崭新工作。 21 世纪是生命科学的世纪，生命科学中最活跃 的微生物学无疑将有极大的突破性发展，对于 推动人类文明的继续进步和人类的可持续生存 与发展具有重要影响。 微生物学发展史上的重大事件 1 1546 Fracastoro提出不可见到生物引起疾病 1676 Leeuwenhoek 发现了”animalcules” 1765-1776 Spallanzani 反驳自然发生说 1786 Muller 提出了第一个细菌分类 1798 Jenner 介绍了牛痘疫苗 18381839 Schwann & Schleiden 提出了细胞理论 1857 Pasteur证明了乳酸发酵