微生物学基础

1、MicrobiologyDepartment of Chemistry and Life Science Department of Chemistry and Life Science Lecturer: Li Yong ( Lecturer: Li Yong ( Email: Email: ) )课程要求及安排课程要求及安排理论：51学时；实验：24学时（8*3）成绩计算：平时成绩10%（平时作业，考勤，提问记录）实验成绩20%（实验考勤，实验预习，实验报告）期末卷面成绩70%。绪绪 论论l一一 微生物学的研究对象和分类地位微生物学的研究对象和分类地位l二二 微生物学的研究内容及分科微生物

2、学的研究内容及分科 l三三 微生物的特点微生物的特点 l四四 微生物的发现和微生物学的发展微生物的发现和微生物学的发展 l（一）微生物的发现（一）微生物的发现l（二）微生物学的发展简史（二）微生物学的发展简史l（三）微生物学的先驱者及其贡献（三）微生物学的先驱者及其贡献l 我们生活在我们生活在“微生物的海洋微生物的海洋”中中土壤：细菌数亿土壤：细菌数亿/g/g人口腔中的微生物人口腔中的微生物土壤土壤水体水体空气空气极端环境极端环境皮肤皮肤肠道肠道一、微生物学的研究对象和分类地位一、微生物学的研究对象和分类地位l1.什么是什么是“微生物微生物”？l科普意义上，微生物（科普意义上，微生物（micr

3、oorganism）是对所有形体微小、构造简单的低等生物是对所有形体微小、构造简单的低等生物的统称。的统称。l微生物学的定义：（请课后自行总结）微生物学的定义：（请课后自行总结）微生物的定义，一般要求对所有已知的类别加以列举；现代微生物的微生物的定义，一般要求对所有已知的类别加以列举；现代微生物的定义，除了从个体微小，结构简单的角度表述外，同时强调其生活习定义，除了从个体微小，结构简单的角度表述外，同时强调其生活习性及实验培养特性等。请参考网络课程相关内容。性及实验培养特性等。请参考网络课程相关内容。2.研究对象研究对象传统上又称为“三菌”、”三体“（不包括古菌）3.分类地位分类地位l五界分类

4、系统占五界分类系统占3/5；l六界占六界占4/6；l三域占三域占2/3。二、研究内容及分科l1.微生物学（微生物学（microbiology）的定义：）的定义：l就是研究微生物及其生命活动规律的科学。就是研究微生物及其生命活动规律的科学。l2.研究内容：研究内容：l形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布以及微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生态分布以及微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生等方面的应用等。生等方面的应用等。l3.研究任务研究任务l发掘、利用、改善有用的微生物发掘、利用、改善有用的微生物l控制、消灭、改造有害

5、的微生物控制、消灭、改造有害的微生物4.微生物学的分科l基础微生物学l微生物分类学微生物分类学 细菌学细菌学l微生物形态学微生物形态学 病毒学病毒学l微生物生理学微生物生理学 真菌学真菌学l微生物生态学微生物生态学 藻类学藻类学l分子微生物学分子微生物学 原生动物学原生动物学 l细胞微生物学细胞微生物学 l免疫学免疫学l医学微生物学医学微生物学l流行病学流行病学l应用微生物学l土壤微生物学土壤微生物学 工业工业l海洋微生物学海洋微生物学 农业农业l环境微生物学环境微生物学 医学医学l水微生物学水微生物学 药学药学l宇宙微生物学宇宙微生物学 食品食品l 预防预防三、微生物的特点l体积小，比表面积

6、大l吸收多，转化快 代谢能力强l生长旺，繁殖快 数量多，易大量培养l适应强，易变异l分布广，种类多1 1、体积小，、体积小，比面值比面值大大 l杆菌的平均长度：2 微米(m)； l1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； l10-100亿个细菌加起来重量 =1毫克 l比面值面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万；微生物的特点微生物的特点0.3体重为体重为90Kg的人的人1.5鸡蛋鸡蛋6豌豆（豌豆（d=1.0cm）60,000球菌（球菌（d=1.0m）120,000乳酸乳杆菌（乳酸乳杆菌（Lactobacillus lactis） （0.5m2.0m）比表面积比表面积种类种类表表1-1

7、 不同生物比表面积的比较不同生物比表面积的比较微生物的特点微生物的特点转化快l消耗自身重量2000倍食物的时间：l大肠杆菌：1小时l人：500年（按400斤/年计算）微生物的特点微生物的特点繁殖快繁殖快l一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质，而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg优质蛋白质。 微生物的特点微生物的特点种类多种类多l微生物的生理代谢类型多； l代谢产物种类多； l微生物的种数“多” 微生物的特点微生物的特点微生物的特点微生物的特点微生物的特点微生物的特点 分布广分布广 人迹可到之处，微生物的分布必然很

8、多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！例如: l数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；l几千米的地下；l强酸、强碱、高热的极端环境；l常年封冻的冰川；耐热菌的生境耐热菌的生境美国黄石公园热泉美国黄石公园热泉微生物的特点微生物的特点海底的耐热海底的耐热硫细菌硫细菌微生物的特点微生物的特点南极冰盖下的微生物南极冰盖下的微生物微生物的特点微生物的特点食谱广、易培养食谱广、易培养 微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！l纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。四、微生物的发现和微生物学的

9、发展l1.微生物的发现微生物的发现lAnthony van Leeuwenhock（荷兰人，（荷兰人，16321723）l制造了显微镜并发现了微生制造了显微镜并发现了微生物。物。安东尼安东尼. .列文虎克列文虎克Leeuwenhoeks drawings of bacteria from the human mouth.A drawing of one of the microscopes showing the lens a; mounting pin b; and focusing screws c and d.lensObject being viewedadjustingscrews2

10、.微生物学的奠基人及其贡献微生物学的奠基人及其贡献l（1） 巴斯德（法国人，巴斯德（法国人，18221896）l主要贡献：主要贡献：l发现并证实发酵是由微生物引起的；发现并证实发酵是由微生物引起的； l彻底否定了彻底否定了“自然发生自然发生”学说；学说； l免疫学免疫学预防接种预防接种 ；l其他贡献：巴斯德消毒法等。其他贡献：巴斯德消毒法等。 有关微生物学的发展中，有关微生物学的发展中，各种争论及各位科学家各种争论及各位科学家的奠基性的工作，需要的奠基性的工作，需要大家认真体会，这是微大家认真体会，这是微生物的基本理论训练中生物的基本理论训练中的必要知识与必要学习的必要知识与必要学习过程。过程

11、。Louis Pasteur working in his laboratoryIn the field of observation, chance favors only prepared minds. - Louis Pasteur公认的微生物学奠基人Louis Pasteur (1822 1895)巴斯德发现并巴斯德发现并证实发酵是由证实发酵是由微生物引起的微生物引起的自然发生学说的否定 Spontaneous generation that living organisms could develop from nonliving or decomposing matter.The

12、spontaneous generation 很早以前,人们相信自生说,生命有机体能够从无生命和物质发展而来.甚至伟大的亚里士多德也认为一些简单的无脊椎动物能够自然发生. Spontaneous generation that living organisms could develop from nonliving or decomposing matter. From earliest time, people had believed in spontaneous generation. Even the great Aristotle(384-322B.C.) thought some

13、 of the simpler invertebrates could arise by the spontaneous generation. This view finally was challenged by Italian physician Francesco Redi(1626-1697), who carried out a series of experiments on decaying meat and its ability to produce maggots spontaneously. Redi placed meat in three containers. O

14、ne was uncovered, a second was covered with paper, and the third was covered with a fine gauze(纱布) that would exclude flies. What would happen?The spontaneous generation conflict-一场“愚笨”的争论?自然发生学说自然发生学说，即无生源论认为生命体可以有无生命的有机或无机物在一定的条件下自然发生。这将导致微生物的不可知性。巴斯德以其著名的曲颈瓶实验，有力地证明包括微生物在内的一切生物皆由其同种生物的”胚种“发育而来，与自

15、然发生学说相对，也相应地称为胚种学说。lFlies laid their eggs on the uncovered meat and maggot developed. The other two meat did not produce maggots spontaneously. However, flies were attracted to the gauze-covered container and laid their eggs on the gauze; these eggs produced maggots.lThus the generation of maggots b

16、y decaying meat resulted from the presence of fly eggs, and meat did not spontaneously generate maggots as previously believed. Similar experiments by others helped discredit the theory for large organisms.lLeeuwenhoeks discovery of microorganisms renewed(复兴复兴) the controversy. Some proposed that l

17、lIn 1748 the English priest John Needham (1713-1799) “ boiled mutton broth and then tightly stoppered(塞) the flasks(长颈瓶). Eventually many of the flasks became cloudy and contained microorganisms. He thought organic matter contained a vital force that could confer the properties of life on nonliving

18、matter.Several investigators attempted to counter such arguments.Theodore Schwann(1810-1882) allowed air to enter a flask containing a sterile nutrient solution after the air had passed through a red-hot tube. The flask remained sterile. Subsequently Geoge Friedrich Schroder and theodor von Dushch a

19、llowed the air to enter a flask of heat-sterilized medium after it had passed through sterile cotton wool. No growth occurred in the medium even though the air had not been heated.If you are one of these scientistswho would not believe in Spontaneous generation theory, and was involved in this contr

20、oversial topic, what are you about to do?lDespite those experiments the French naturalist Felix Pouchet claimed in 1859 to have carried out experiments conclusively proving that microbial growth could occur without air contamination(污染). lThis claim provoked Louis Pasteur(1822-1895) to settle the ma

21、tter once for all. Pasteurs used in his experiments on the spontaneous generation of microorganismsThe flasks openings were freely open to the air but were curved so that gravity would cause any airborne dust particles to deposit(堆积堆积)in the lower part of the necks.现代科学的基本要求：假设-推论法可能证明无根据可能证明无根据假设被放

22、弃假设被放弃l（2）科赫（德国人，）科赫（德国人，18431910）l建立了研究微生物的一系列重要方法；建立了研究微生物的一系列重要方法；l细菌纯培养方法的建立细菌纯培养方法的建立 l配制培养基配制培养基 l流动蒸汽灭菌流动蒸汽灭菌 l染色观察和显微摄影染色观察和显微摄影 l科赫法则科赫法则科赫法则科赫法则l分离许多病原菌，并提出了确定病原菌的基本分离许多病原菌，并提出了确定病原菌的基本准则准则柯赫原则柯赫原则:l1 在每一病例中都出现这种微生物；在每一病例中都出现这种微生物；l2 要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；培养出来；l3用这种微生物

23、的纯培养接种健康而敏感的寄主，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；同样的疾病会重复发生；l4 从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。微生物来。Robert Koch in his laboratoryThe recognition of microbial role in disease柯赫通过对炭疽病（anthrax)的研究提供了细菌引起疾病的第一个直接证据。Robert Koch (1843 1910)l细菌引起疾病的第一个直接证据，来自于德国医生罗伯特柯赫(18431910)对炭疽的研究。l柯赫用来自有病动物的物

24、质注射健康的老鼠，这些老鼠都发病。通过20只老鼠一系列的接种转移炭疽之后，他将一块含有炭疽芽孢杆菌的脾脏放在牛血清中培养，这种杆菌生长繁炭疽病就发生了。从而证明一种微生物与一种特定疾病之间的因果关系，被称为Kochs demonstration of special organisms cause special diseasesl 尽管柯赫在他的炭疽研究中应用了该定律中所描述的一般方法，但直到1884年他发表了结核病的病因，他才充分地论述了该定律。l 巴斯德和他的同事们也用自己的工作证实了柯赫关于炭疽芽孢杆菌引起炭疽病的论述他们发现死动物埋葬后，炭疽孢子仍是活的，并被蚯蚓携带到地面，当这些孢

25、子被健康动物摄取后,动物便发病。 微生物病原体研究技术的发展 -Recognition of the role of microorganisms depended greatly upon the development of new techniques for their study. 柯赫（Germany, Pasteurs contemporary)和它的实验团队(柯赫学派),在微生物纯种分离技术的发展上做出了重大贡献.The Development of Techniques for Studying Microbial Pathogens（病原微生物研究技术的发展）lIsolat

26、ion of the bacterial pathogens-agar,petri dish(培养皿培养皿), media (“培养基培养基” suitable for growing bacteria from body, use mixture of meat extracts and protein digests as nutrient)lCharles Chamberland: constructed a porcelain bacterial filter(细菌过滤器细菌过滤器) and autoclave(高压锅高压锅)培养皿获得的真菌菌苔培养皿获得的真菌菌苔其它著名的人物举例一

27、位“主妇”为微生物学提供到至今为止最好的固体培养基凝固剂琼脂(agar) .lFannie Eilshemius Hesse, 柯赫的助手之一、Walther Hesse的妻子, 建议利用琼脂作为凝固剂， l柯赫助手之一Richard Petri研制出了培养皿(Petri dish)或平板(plate)，这是一种盛固体培养基的容器。 这些进展不仅使分离纯培养物(只含一种类型的细菌) 成为可能，而且直接促进了细菌学所有领域的进步。l由于肉提取物和蛋白质水解液与体液相似，所用它们作为营养来源，结果研制出了今天还广泛使用的营养肉汤和营养琼脂培养基。 1882年，柯赫利用这些技术分离引起结核病的杆菌随

28、后是一个约30-40年的黄金时代，在此年代中 分离出了大多数主要的病原菌。l1884年，巴斯德的同事之一Charles Chamberland 构建了一个瓷的细菌过滤器，这使得发现病毒和它在疾病中的作用有了可能。它同时也是高压灭菌锅的发明者.“The Golden age of microbiology” Koch and pure cultures Fermentation and Pasteurization Germ theory of disease Vaccination ( 本部份内容在最后一章集中介绍)微生物发展中的“黄金时代”The discovery of microbial

29、 effects on organic and inorganic matter The Russian microbiologist Winograsky (维格拉夫斯基) discovered that soil bacteria could oxidize iron, sulfur and ammonia to obtain energy, and also isolated nitrogenfixing bacteria. Beijerinck made fundamental contributions to microbial ecology. He isolated Azotob

30、acter(固氮菌) and Rhizobium(根瘤菌).Alexander Fleming (1881-1955)Sir Alexander Fleming discovered the antibiotic penicillin. He had the insight to recognize the significance of the inhibition of bacterial growth in the vicinity of a fungal contaminant.l布赫纳(Edward Buchner，德国，18601917) 于1897年用酵母菌无细胞压榨汁将葡萄 糖

31、进行酒精发酵获得成功，发现了微生物酶的重要作用，从此将。此后，微生物生理、生化等研究得到了迅速的发展。Date Microbiological History1676 Leeuwenhoek discovers animalcules1857 Pasteur shows that lactic acid fermentation is due to a microorganism1861 Pasteur shows that microorganisms do not arise by spontaneous generation1867 Lister publishes his work o

32、n antiseptic surgery1869 Miescher discovers nucleic acids1876-1877 Koch demonstrates that anthrax is caused by Bacillus anthracis1880 Laveran discovers Plasmodium, the cause of malaria1881 Koch cultures bacteria on gelatin Pasteur develops anthrax vaccineImportant events in the development of microb

33、iology1884 Kochs postulates first published Metchnikoff describes phagocytosis Gram stain developed1887 Petri dish (plate) developed by Richard Petri1889 Beijerinck isolates root nodule bacteria1899 Beijerinck proves that a virus particle causes the tobacco mosaic disease1921 Fleming discovers lysoz

34、yme1923 First edition of Bergeys Manual1928 Griffith discovers bacterial transformation1929 Fleming discovers penicillin1933 Ruska develops first transmission electron microscope1935 Stanley crystallizes the tobacco mosaic virus1944 Avery shows that DNA carries information during transformation Waks

35、man discovers streptomycin Watson and Crick propose the double helix structure for DNA1961-1966 Cohen et al use plasmid vectors to clone genes in bacteria1980 Development of the scanning tunneling microscope1983-1984 The polymerase chain reaction developed by Mullis1990 First human gene-therapy testing begun1997 Discovery of Thiomargarita namibiensis, the largest known bacterium Escherichia coli genome sequenced2000 Discovery that Vibrio cholerae h