微生物学0(教改)

1、四川农业大学应用微生物学系廖廖 德德 聪聪20212021年年1111月月我们在一个被大量微生物包围着的环境中我们在一个被大量微生物包围着的环境中l空气空气l水体水体l食品食品l 微生物无处不在微生物无处不在 我们生活在我们生活在“微生物的海洋微生物的海洋”中中!E. coli on the surface of human skin and hair follicleStaphylococcus aureus on the surface of human skinInfection Transfer-Airborne Droplet Nuclei每克新鲜植物叶子表面附生着大约每克新鲜植物叶

2、子表面附生着大约100万个万个微生物微生物 人的皮肤上平均每平方厘米含有人的皮肤上平均每平方厘米含有10万个细菌万个细菌人体肠道内菌体总数达人体肠道内菌体总数达100万亿万亿个左右（人体细胞个左右（人体细胞数量数量50万亿万亿）。粪便中细菌大约占粪便干重的）。粪便中细菌大约占粪便干重的1/3每个喷嚏的飞沫含每个喷嚏的飞沫含4500-150000个个细菌，重感冒细菌，重感冒患者为患者为8500万万每张纸币带有每张纸币带有900万个万个细菌，其中两角纸币带有的细菌，其中两角纸币带有的菌数将近是十元纸币的菌数将近是十元纸币的5倍倍引自引自 沈萍沈萍 微生物学微生物学大肠杆菌在大肠杆菌在1个小时内可消

3、耗相当于它们自身重个小时内可消耗相当于它们自身重量量2000倍倍的糖。的糖。被埋在琥珀中达被埋在琥珀中达2500万年万年的芽孢，当放到营养的芽孢，当放到营养培养基上时仍可萌发生长。培养基上时仍可萌发生长。生活在土壤中和地下的细菌数加起来，估计其生活在土壤中和地下的细菌数加起来，估计其总重量为总重量为10034X1012吨吨。全世界海洋中微生物的总重量约全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨。亿吨。引自引自 沈萍沈萍 微生物学微生物学一、微生物概述一、微生物概述二、微生物的重要性二、微生物的重要性三、微生物学的研究内容与成就三、微生物学的研究内容与成就 四、微生物学的学习方法四、微生物学的学习方

4、法五、显微镜下的微生物五、显微镜下的微生物1.1.1 什么是微生物什么是微生物1.1.2 生物界中的微生物及其地位生物界中的微生物及其地位1.1.3 微生物的特点微生物的特点微生物微生物(microbe，microorganism) ，是对所有，是对所有形体微形体微小小、单细胞或个体结构较为、单细胞或个体结构较为简简单的多细单的多细胞，甚至无细胞结构的胞，甚至无细胞结构的低低等生物的总称。等生物的总称。或简单地说是对人们或简单地说是对人们肉眼看不见肉眼看不见的细小的生物的细小的生物的总称。的总称。微生物微生物是指大量的、极其多样的、不借助显微是指大量的、极其多样的、不借助显微镜看不见的微小生物

5、类群的总称。镜看不见的微小生物类群的总称。微生物通常包括微生物通常包括病毒、亚病毒病毒、亚病毒（类病毒、拟病（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构的毒、朊病毒）、具原核细胞结构的细菌、古菌细菌、古菌以及具真核细胞结构的以及具真核细胞结构的真菌真菌（酵母、霉菌、蕈（酵母、霉菌、蕈菌等）、菌等）、原生动物原生动物和和单细胞藻类单细胞藻类，它们的大小，它们的大小和特征见表和特征见表1.1所示。所示。自然界有哪些微生物？11生生 物物细胞生物细胞生物非细胞生物：病毒、亚病毒非细胞生物：病毒、亚病毒原核生物：三菌、三体原核生物：三菌、三体真核生物：真菌、单细胞藻类、真核生物：真菌、单细胞藻类、 原生

6、动物原生动物14151617181920212223生物的系统树25体积小，比表面积大体积小，比表面积大吸收多，转化快吸收多，转化快生长旺，繁殖快生长旺，繁殖快适应强，易变异适应强，易变异分布广，种类多分布广，种类多比表面积比表面积Surface to Volume Ratio营养物质吸收、代谢废物排泄、环境信息交换营养物质吸收、代谢废物排泄、环境信息交换边长立方体数总表面积比面值类似对象1.0 cm 1 6 cm2 6 豌豆1.0 mm 103 60 cm2 60 细小药丸0.1 mm 106 600 cm2 600 滑石粉粒0.01 mm 109 6000 cm2 6000 变形虫1.0

7、1012 6 m2 60000 球菌0.1 1015 60 m2 600000 大胶粒0.01 1018 600 m2 6000000 大分子1.0 nm 1021 6000 m2 60000000 分子大肠杆菌每小时可分解其自重大肠杆菌每小时可分解其自重1000-10,000倍的倍的乳糖乳糖产朊假丝酵母（产朊假丝酵母（Candida utilis ）比大豆强）比大豆强100倍倍的蛋白质合成能力的蛋白质合成能力微生物的高呼吸速率微生物的高呼吸速率E.coli：12.520 min/次分裂次分裂液体培养物细菌浓度一般仅为液体培养物细菌浓度一般仅为108-109CFU/ml，?谷氨酸短杆菌：摇瓶种

8、子谷氨酸短杆菌：摇瓶种子50吨发酵罐，吨发酵罐，52小小时内细胞数目可增加时内细胞数目可增加32亿倍。亿倍。对于发酵工业的实践意义对于发酵工业的实践意义l生产效率高，发酵周期短生产效率高，发酵周期短例如生产鲜酵母时，几乎例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。每年可以收获数百次。灵活的适应性或代谢调节机制蛋白质分子的数量E. coli 中能容纳20万-30万个蛋白质分子，2000-3000种执行不同生理功能的蛋白质极端环境的适应能力l极端环境极端环境高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒高毒l低

9、的变异频率低的变异频率 易变异 低的变异频率：低的变异频率： 10-510-10 适应极端环境：适应极端环境：高温、高酸、高盐 例：利用变异提高青霉素的产量例：利用变异提高青霉素的产量 1943年每毫升发酵液20单位 目前每毫升发酵液超过5万单位31无孔不入，随遇而安，分布广：如无孔不入，随遇而安，分布广：如: 万米深海、万米深海、85公里高空、公里高空、 地层地层下下128米和米和427米米 沉积岩中都发现有微生物存在沉积岩中都发现有微生物存在微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。类型 低限 倾向种数 高限 病毒与立克次氏体 1,217 1,217

10、1,217 支原体 42 42 42 细菌与放线菌 1,000 1,500 1,500 蓝细菌 1,227 1,500 1,500 藻类 15,051 23,100 23,100 真菌 37,175 47,300 68,939 原生动物 24,068 24,068 30,000 总数 79,780 98,727 127,298分布广、数量大、种类多分布广、数量大、种类多l分布广：分布广：万米深海、万米深海、8585公里高空、地公里高空、地层层下、温泉下、温泉l数量大：数量大：人体人体肠肠道内菌体道内菌体总总数达数达100100万万亿亿个左右个左右l种类多：种类多： 5050万万600600万种

11、万种33环境环境能源能源农业农业医药医药食品食品保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍，并能生的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍，并能生产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大产安全食品的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。任务。微生物是有机废水污物和合成有毒化合物的强有力微生物是有机废水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境的分解者和转化者，起着环境“清道夫清道夫”的作用的作用(有有机废水和污染物的处理、污染土壤的微生物修复机废水和污染物的处理、污染土壤的微生物修复)。某些微生物也以

12、其本身作为病原或其代谢毒物污染某些微生物也以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。各类环境或食品，危害着人类健康。36Aerobic-Anaerobic Bioreactor Liquids Storage Gas Collection to Generate Energy Air Injection GroundwaterMonitoring Bioreactor Program 38传统的粗放型经济增长方式必定走到传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路型的道路现有的发展模式现有的发展模式能源结构能源结

13、构资源结构资源结构环境状态环境状态食品与营养食品与营养健康与环境健康与环境资源与能源资源与能源39只有只有微生物，微生物，才能将来源于才能将来源于太阳能的可再生资太阳能的可再生资源源-碳水化合物，转变为现代社会所需要的碳水化合物，转变为现代社会所需要的化工化工原料原料和和能源能源。实现这种实现这种能源结构能源结构和和资源结构资源结构的转变，直接关的转变，直接关系到我国经济的可持续发展、社会的稳定和国系到我国经济的可持续发展、社会的稳定和国家安全。家安全。40Idealized biorefinery concept. Nature Biotechnology 22, 671 - 675 (20

14、04) (Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.)土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物的作土壤的形成及其肥力的提高有赖于微生物的作用。用。农产品的加工、贮藏农产品的加工、贮藏-利用有益的微生物或是利用有益的微生物或是抑制有害微生物。抑制有害微生物。绿色农业或有机农业、绿色食品都离不开微生绿色农业或有机农业、绿色食品都离不开微生物的作用。防病、防虫害、供肥物的作用。防病、防虫害、供肥(生物固氮生物固氮)。1.3.1 微生物学的基本内容微生物学的基本内容1.3.2 微生物学发展简史微生物学发展简史l主

15、线主线l重大事件重大事件微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转规律；物质、信息的运转规律；微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别；间的相似性和区别；生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；间的相互作用；微生物同人类的关系。微生物同人类的关系。个体过于微小个体过于微小群体外貌不显群体外貌不显种间杂居混生种间杂居混生形态与作用后果难以认识形态与作用后果难以认识进展进展l古中国的制曲、酿酒技术

16、古中国的制曲、酿酒技术l天工开物天工开物、齐民要术齐民要术、东坡酒经东坡酒经特点特点l视而不见视而不见l臭而不闻臭而不闻l触而不觉触而不觉l食而不察食而不察l得其益而不感其好得其益而不感其好l受其害而不知其恶受其害而不知其恶进展进展l形态描述，形态描述，Antony van Leeuwenhoek，1632-1723，十七世纪最伟大的业余科学家十七世纪最伟大的业余科学家l只上过中学的布店学徒工只上过中学的布店学徒工l英国皇家学会会员英国皇家学会会员Member of Royal Societyl巴黎科学院通讯院士巴黎科学院通讯院士Antony van Leeuwenhoek进展进展l生理水平的

17、研究，微生物生理学的研究生理水平的研究，微生物生理学的研究l微生物学奠基人：巴斯德微生物学奠基人：巴斯德l细菌学奠基人：科赫细菌学奠基人：科赫奠定微生物学理论，开创新的微生物学科奠定微生物学理论，开创新的微生物学科l否定否定“自然发生说自然发生说”（曲颈瓶实验）（曲颈瓶实验）lPreventative vaccinationImmunologylFermentation caused by Microorganisms，解决了当，解决了当时生产中提出的许多难题。时生产中提出的许多难题。l创造一些微生物学实验方法创造一些微生物学实验方法l巴氏消毒法：巴氏消毒法：6065l家蚕软化病家蚕软化病Lo

18、uis Pasteur, one of the greatest scientists of the nineteenth century The spontaneous Generation Experiment病原学的研究病原学的研究l炭疽病菌炭疽病菌l肺结核病病原菌肺结核病病原菌l病原菌的寻找与分离：病原菌的寻找与分离：1870s1920sl科赫法则科赫法则微生物学基本操作技术微生物学基本操作技术l固体培养基的使用固体培养基的使用l培养基的配制培养基的配制l细菌的染色方法细菌的染色方法Robert Koch 1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中

19、培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则开创了微生物生化的研究开创了微生物生化的研究l没有酵母的酒精发酵没有酵母的酒精发酵lDiscovery of cell-free fermentation德国德国E. BuchnerFleming-Sir-Alexander进展进展l分子生物学水平的研究分子生物学水平的研究微生物基因组、蛋白质组、代谢组微生物生态学细胞微生物学微生物生命现象的特性和共性微生物学与其他学科的交叉微生物产业的全新发展61微生物学

20、发展的历史微生物学发展的历史l认识微生物的历史认识微生物的历史l开发利用有益微生物的历史开发利用有益微生物的历史l控制和消灭有害微生物的历史。控制和消灭有害微生物的历史。微生物是一把双刃剑（微生物是一把双刃剑（double-edged sword）1.3.2 微生物学发展中的重大事件微生物学发展中的重大事件时时 间间重重 大大 事事 件件1857巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的1861巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的“自生说自生说”1864巴斯德建立巴氏消毒法巴斯德建立巴氏消毒法

21、1867Lister创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验1867-1877柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起1881柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗1882柯赫柯赫* *发现结核杆菌发现结核杆菌1884柯赫法则首次发表；柯赫法则首次发表；MetchnikoffMetchnikoff* *阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法菌和革兰氏染色法1885巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学巴斯德研究狂犬疫苗

22、成功，开创了免疫学1887Richard Petri发明了双层培养皿发明了双层培养皿1888Beijerinck首次分离根瘤菌首次分离根瘤菌1.3.2 微生物学发展中的重大事件微生物学发展中的重大事件1890Von Behring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风制备抗毒素治疗白喉和破伤风1891Steinberg与巴斯德同时发现了肺炎球菌与巴斯德同时发现了肺炎球菌1892Ivanowsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；Winogradsky发发现硫循环现硫循环1897Buchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功用无细胞存在的酵母菌抽提液

23、对葡萄糖进行酒精发酵成功1899Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传播证实疟疾病原菌由蚊子传播1909-1910Ricketts发现立克次氏体；发现立克次氏体；Ehrtich*首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂1928Griffith发现细菌转化发现细菌转化1929Fleming*发现青霉素发现青霉素1935Stanley*首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶蛋白质结晶”1943Luria*和和Delbruck*用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；变所致；Chain*和

24、和Florey*形成青霉素工业化生产的工艺形成青霉素工业化生产的工艺1.3.2 微生物学发展中的重大事件微生物学发展中的重大事件1944Avery等证实转化过程中等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；是遗传信息的载体；Waksman*发现链发现链霉素霉素1946-1947Lederberg*和和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象发现细菌的接合现象、基因连锁现象1949Enders*、Robbins*和和Weller*在非神经的组织培养中，培养脊髓灰在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功质炎病毒成功1952Hershey*和和Chase发现噬菌体将发现噬菌体将DNA注入宿主细胞；

25、注入宿主细胞；Lederberg*发明发明了影印培养法；了影印培养法；Zinder和和Lederberg发现普遍性转导发现普遍性转导1953Watson*和和Crick*提出提出DNA双螺旋结构双螺旋结构1956Umbarger发现反馈阻遏现象发现反馈阻遏现象1961Jacob*和和Monod*提出基因调节的操纵子模型提出基因调节的操纵子模型1961-1966Holhy*、Khorana*、Nirenberg*等阐明遗传密码等阐明遗传密码1969Edelman*测定了抗体蛋白分子的一级结构测定了抗体蛋白分子的一级结构1970-1972Arber*、Nathans*和和Smith*发现并提纯了限

26、制性内切酶；发现并提纯了限制性内切酶；Temin和和Baltimore发现反转录酶发现反转录酶1.3.2 微生物学发展中的重大事件微生物学发展中的重大事件1973Ames建立细菌测定法检测致癌物；建立细菌测定法检测致癌物；Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功成功1975Khler和和Milstein*建立生产单克隆抗体技术建立生产单克隆抗体技术1977Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；Sanger*首次对首次对 X174噬菌体噬菌体DNA进行了全序列分析进行了全序列分析1982-1983Cech*

27、和和Altman*发现具催化活性的发现具催化活性的RNA(ribozyme)；McClintock*发现的发现的转座因子获得公认；转座因子获得公认；Prusiner*发现朊病毒发现朊病毒(prion)1983-1984Gallo和和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis*建立建立PCR技术技术1988Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素等发现并研究细菌的光合色素1989Bishop*和和Varmus*发现癌基因发现癌基因1995第一个独立生活的生物第一个独立生活的生物(流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌)全基因组序列测定完成全基因组序列测定完成1

28、996第一个自养生活的古生菌基因组测定完成第一个自养生活的古生菌基因组测定完成1997第一个真核生物第一个真核生物(啤酒酵母啤酒酵母)基因组测序完成基因组测序完成2000 霍乱弧菌基因组测序完成霍乱弧菌基因组测序完成 微生物学是一门实践性很强的学科微生物学是一门实践性很强的学科从微生物学的角度和观点看待问题从微生物学的角度和观点看待问题拉丁学名拉丁学名广泛阅读广泛阅读兴趣兴趣主动主动不要让老师牵着你的鼻子走！鼓励自学不要让老师牵着你的鼻子走！鼓励自学微生物学实验微生物学实验创新？如何才能创新？创新？如何才能创新？1-2，绪论，绪论3-8，原核微生物，原核微生物9-12，真核微生物，真核微生物1

29、3-14，病毒，病毒15-20，微生物的营养与代谢，微生物的营养与代谢21-22，微生物的生长，微生物的生长23-24，微生物的遗传，微生物的遗传25-30，微生物生态学，微生物生态学31-32，微生物在农业上的应用，微生物在农业上的应用68讲授：讲授：32学时学时实验：实验：20学时学时期末考试成绩期末考试成绩实验表现、实验报告及实验技术考核实验表现、实验报告及实验技术考核习题课、自修课习题课、自修课课后作业课后作业l思考题思考题l自己出试题自己出试题l填空、名词解释、应用题目、判断填空、名词解释、应用题目、判断课堂表现课堂表现成绩构成成绩构成l期终考试：期终考试：40%l实验成绩：实验成绩：30%l考勤、作业、测验：考勤、作业、测验：