微生物学讲义

1、微生物学讲义 微生物学是现代生物学的重要分支学科，是许多学科专业的基础课程，他的主要内容包括微生物学的基本概念、微生物的生物多样性和系统学、微生物生理和代谢、微生物生态学、微生物遗传学、微生物免疫学及微生物技术等。要求学生对微生物学的基本概念、专业词语、技术原理有较深的了解；系统掌握微生物的类群、细胞结构与功能、生理代谢、遗传变异、生态学和免疫学的基本理论知识以及相关实验技术；并具有应用这些知识和技术分析和解决问题的能力。 微生物学的内容与教学目的学习内容第一章 绪论（4）第二章 微生物的纯培养和显微技术 （4）第三章 微生物类群与形态结构（10）第四章 微生物的营养（6）第九章 传染与免疫（

2、6）第五章 微生物的代谢（6）第八章 病毒（6）第七章 微生物的生态（6）第十章 微生物遗传（6）第六章 微生物的生长繁殖及其控制（6）第十一章 微生物生物技术（4） 第一章 绪 论 教学目的与要求 通过本章的课堂教学，引导我们走进微生物世界，了解微生物是什么？能做什么？以及它们与人类的特殊关系；了解微生物学的发展历程，认识微生物学在生命科学发展中的重要作用和地位；展望未来，激发我们的学习兴趣和明确肩负的重任。主要内容及教学重点一、微生物与我们二、微生物学的建立与发展三、微生物学对人类的贡献四、21世纪微生物学展望五、微生物的五大共性思考题：1、简述Leeuwenhoek、 L.Pasteur

3、、 R.Koch对 微生物学的贡献。2、试根据微生物的特点，谈谈为什么说微生物 既是人类的敌人，更是人类的朋友。一、微生物与我们微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋”中。 细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034 10 12 吨； 每张纸币带细菌：900万个； 每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！时时刻刻与微生物“共舞” 微生物是自然界物质循环的关键环节微生物是人类的朋友！ 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障 微生物可以为我们提供很多有用的物质 有机酸

4、、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等 基因工程为代表的现代生物技术少数微生物也是人类的敌人！鼠疫；天花；艾滋病；疯牛病；埃博拉病毒；非典病毒；禽流感鼠疫公元6世纪：埃及、土耳其、意大利、阿富汗 1亿人公元14世纪：欧洲2500万人 亚洲4000万人 中国1300万人20世纪初：香港、印度 100万人V二次大战（1.1亿） 可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。（讲义P1）“在近代科学中，对人类福利最大的一门科学，要算是微生物学了

5、。” 日本学者尾形学在“家畜微生物学”（1977）二、微生物学的建立与发展（一）微生物学（Microbiology)的概念和研究对象（二）人类对微生物世界的认识过程（三） 20世纪的微生物学（四）我国微生物学的发展研究肉眼难以看清的称之为微生物的生命活动的科学。更具体地说： 研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异、进化、分类、生态等生命活动规律及其应用的科学。（一）微生物学（Microbiology)的概念和研究对象二、微生物学的建立与发展微生物原核类：细菌,放线菌等真核类：酵母菌,霉菌非细胞类：病毒,类病毒,拟病毒原生生物类：单胞藻,原生动物（一）微生物学（Microbiolo

6、gy)的概念和研究对象二、微生物学的建立与发展（二）人类对微生物世界的认识过程感性认识阶段（史前时期）形态学发展阶段（初创时期）生理学发展阶段（奠基时期）分子生物学发展阶段（成熟时期）生化发展阶段（发展时期）二、微生物学的建立与发展我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；公元9世纪-10世纪我国发明鼻苗法种痘（二）人类对微生物世界的认识过程感性认识阶段（史前时期）二、微生物学的建立与发展丰富多彩的酒文化（一）远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料人类最早发明的酒 我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土

7、的汉代画像）丰富多彩的酒文化（二）公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面龙山文化（新石器时期）商代酒器唐代酒器清代酒具近代酒壶现代套盅丰富多彩的酒文化（ 三 ）形态学发展阶段 （初创期）（二）人类对微生物世界的认识过程1664年，列文虎克用于观察霉菌的单筒复式显微镜二、微生物学的建立与发展1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50-300倍题目：列文虎克用自制的显微镜，观察

8、皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录 “大量难以相信的各种不同的、极小的狄尔肯 它们活动相当优美，它们来回地转动，也向前和向一旁转动一个粗糙沙粒中有100万个这种小东西；而在一滴水中，狄尔肯不仅能够生长良好，而且能活跃地繁殖能够寄生大约270多万个狄尔肯”。 “狄尔肯”：拉丁文中“细小活泼的物体”的意思 1683年，牙垢成了列文虎克关注的对象，他发现人口腔中竟然躲藏着许多“小动物”，它们像蛇一样用优美的弯曲姿势运动。他惊叹地记录道： “在人的口腔的牙垢中生活的动物，比整个荷兰王国的居民还要多。” 这就是人类第一次观察到细菌时发出的感叹。生理学发展阶段（奠基期 ） 微生物学的重要奠基者法国人巴

9、斯德（Louis Pasteur） （18221895）德国人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）微生物学的重要奠基者生理学发展阶段（奠基期 ） 巴斯德的主要贡献： (2) 发现并证实发酵、疾病是由微生物引起的；(1) 彻底否定了“自然发生”学说，证明了“生源学说”的正确；“酒病”、“蚕病”、兽病、禽病、人病著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。（腐败病）(3) 免疫学预防接种首次制成狂犬疫苗(4)其他贡献巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物微生物学的重要奠基者生理学发展阶段（奠基期 ） 柯赫主要贡献：a）细菌纯培养方法

10、的建立:固体培养基土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿）（1）微生物学基本操作技术方面的贡献b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养c）流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影微生物学的重要奠基者生理学发展阶段（奠基期 ） 柯赫主要贡献：（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）c）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

11、；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。生理学发展阶段（奠基期 ）细菌学（巴斯德、科赫）外科消毒术（Lister，1865）根瘤菌等土壤微生物的研究（MW贝，CH维）病毒学.伊凡诺夫斯基） 酿造学（ECHensen，AJorgensen等）生化发展阶段（发展期 ）无酵母菌压汁酶功能的发现（E.Buchner,1897） “酒化酶”化学药剂和抗生素发现和临床应用（1909-1935）寻找各种有益微生物代谢产物的热潮 酿造技术日趋完美 普通微生物学开始美国加利福尼亚大学伯克利分校M. Doudoroff分子生物学发展阶段（成熟期）（詹姆士沃森） （弗朗西斯克里克）发现DNA双螺旋模型

12、(1953，在Science发表)成熟期特点:微生物学成为十分热门的前沿基础学科微生物成为分子生物学研究中的最主要对象生物工程中，发酵工程是最成熟的应用技术（三）20世纪的微生物学 P7 20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。 微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，获得了全面、深入的发展（见P3 图1-1微生物学的主要分支学科）二、微生物学的建立与发展（见P3 图1-1微生物学的主要分支学科）（四)我国微生物学的发展汤飞凡：沙眼病原体的分离和确证陈华

13、癸：根瘤菌固氮作用的研究（华中农大）高尚荫：创建了我国病毒学的基础理论研究 和第一个微生物学专业（武大）抗生素的总产量已耀居世界首位两步法生产维生素C的技术居世界先进水平二、微生物学的建立与发展伍连德：对鼠疫和霍乱病原的探索和防治 伍连德（18791960），公共卫生学家，我国检疫、防疫事业的先驱 。在中国最早建立卫生防疫机构，共所，培养了第一支预防鼠疫的专业队伍。成功控制东北鼠疫大流行。创办了哈尔滨医学专门学校。发起建立中华医学会，并创刊中华医学杂志。 汤飞凡（18971958） 微生物学家，博士。赴美国哈佛大学医学院进修，研究细菌学。1943年研制中国首批五万单位的青霉素。为抗战作出贡献。

14、发现日军在北平进行长达七年的细菌战研究 。1955年成功分离出砂眼病毒“汤氏病毒”。1958年非正常死亡。 我国著名土壤微生物学家、创立华中农大微生物学课程。1936年赴英国伦敦大学细菌及热带病学院读博士学位。回国后筹建了北大土壤系，武大农业化学系。 编著了我国第一部土壤微生物学和微生物学教材。对紫云英根瘤菌剂的生产和大面积推广应用起了开创的作用。陈华癸（1914-2002）微生物学家，病毒学家，教育家。中国病毒学的奠基人之一。创办了我国最早的病毒学研究机构和我国第一个微生物专业、第一个病毒学专业。赴美国佛罗里达州劳林斯大学和耶鲁大学学习 ，曾在诺贝尔奖获得者斯坦利（）的实验室从事病毒学研究工

15、作。年回国后在武汉大学创办了我国第一个病毒学研究室。高尚荫（1909-1989） 国家“八六三”计划项目“抗TMV和CMV双抗转基因烟草的培育”项目组科研活动剪影我国利用卫星回收搭载微生物培养（2000年6月）三、微生物学对人类的贡献（一）微生物学的发展促进了人类的进步（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位三、微生物学对人类的贡献（一）微生物学的发展促进了人类的进步微生物与医药卫生微生物与农牧业微生物与工业微生物与食品微生物与医药卫生用“工程菌”生产药物干 扰 素胰 岛 素乙肝疫苗抗生素各种单克隆抗体1929年，英国细菌学家A.Fleming 青霉素1944年，美国微生物学家S.Waksma

16、n链霉素氯霉素金霉素土霉素红霉素庆大霉素霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域微生物与农业和畜牧业微生物饲料 菌体蛋白饲料 饲料酵母 维生素饲料 发酵饲料 青贮饲料生物农药 细菌农药 真菌农药 病毒农药 除草剂生物菌肥 根瘤菌肥 钾细菌 磷细菌微生物与工业酶 工 业氨基酸工业有机酸工业新材料开发生 物 化 工食 品 工 程酱，酱油，豆豉食 用 醋发酵饮料淹渍蔬菜味 精发酵面食食药用菌食用色素微生物与饮食、调味品微生物与环保微生物处理腈纶废水的塔式滤池Jacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说，阐明了基因表达调控的机制，为分子生物

17、学的形成奠定了基础。大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部密码的破译“断裂基因”（病毒）、 “跳跃基因”（大肠杆菌）、“重叠基因”的发现，以及基因结构的精细分析、基因组测序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶”的假说。三、微生物学对人类的贡献（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位1微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象， 通过微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破 基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说； 遗传的物质基础的阐明； 基因概念的发展； 遗传密码的破译；（大肠

18、杆菌无细胞蛋白质合成体系） 基因表达调控机制的研究； 生物大分子合成的中心法则；三、微生物学对人类的贡献（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位2对生命科学研究技术的贡献细胞的人工培养；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程；3微生物与“人类基因组计划”作为模式生物；基因与基因组的功能研究的重要工具;四、 21世纪微生物学展望 P10（一）微生物自身的特点将会更加受到关注和利用（二）与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展（三）微生物基因组学研究将全面展开（四）微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学等 将在基因组信息的基础上获得长足发展（五）微生物工程及产业呈现全新局面四、 21世纪微生物学展

19、望 P10（一）微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、 繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组 上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高 度的统一性。特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例如可在 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其 他生物不具备的代谢途径和功能，反映了微生物极其 丰富的多样性。微生物自身特性的进一步开发、利用： 例如降解性塑料，分解纤维素、生产单细胞蛋白等。借助（利用）微生物特点的基因工程产业： 利用微生物生产原本它们不能生产的药物、疫苗等。四、 21世纪微生物学展望 P10（二）与

20、其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展学科交叉永远是科学创新的源泉！微生物基因组学数、理、化、信息、计算机学科交叉微生物学与海洋学海洋微生物学微生物学研究技术自动化、定向化、定量化烟草微生物微生物学与地质学微生物地球化学微生物学与大气学大气微生物学微生物学与太空学太空微生物学四、 21世纪微生物学展望 P10（三）微生物基因组学研究将全面展开范围将扩大到与农业、环境、资源、疾病有关的重要微生物人类利用和改造微生物将有质的飞跃基因组学1986年Thomas Roderick首创， 全基因组的序列分析、功能分析、比较分析人类基因组（作图和测序）计划人类最大的科学工程 模式生物：主要是细菌和酵母后基

21、因组研究认识基因与基因组功能21世纪微生物将继续作为人类基因组计划的主要模式生物在后基因组研究中发挥不可替代的作用四、 21世纪微生物学展望 P10（四）微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学等 将在基因组信息的基础上获得长足发展 为人类生存与健康发挥积极作用人类元基因组计划对人体内共生菌群包括肠道、口腔、呼吸道、生殖道等菌群基因组进行测序和功能分析，以试图阐明许多疾病的发生机理，研究新的药物，控制药物毒性。 四、 21世纪微生物学展望 P10 （五）微生物工程及产业呈现全新局面微生物菌体生产和应用微生物代谢产物的应用微 生 物 机 能 的 利 用自然菌种不同生境自然微生物资源基因工程菌（外

22、源基因表达产物）新产品：可降解塑料、生物能源等 微生物具备生命现象的特性和共性，将是21世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生命起源与进化，物质运动的基本规律等，以及解决实际应用问题，如新的微生物资源的开发利用，能源、粮食等的最理想的材料。（见P10）五、微生物的五大共性体积小，面积大吸收多，转化快适应强，易变异分布广，种类多生长旺，繁殖快体积小，面积大测量单位：微米或纳米 杆菌的平均长度：2 微米； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1毫克 面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、

23、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”吸收多，转化快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！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“活的化工厂”发酵乳糖的细菌1小时可分解其自身重1000-10000倍的乳糖假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛强1

24、0万倍生长旺，繁殖快24小时后： 4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨相当于4000个地球的重量！大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代一头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。分布广，种类多在自然界中（动植物体内和体表、土壤、水体、空气）都生存有大量的微生物！肠道菌群：400种，干重1/3，脆弱拟杆菌，大肠杆菌万米海底的耐热硫细菌：H2S、CO28.5万米高空微生物数

25、百米深的沉积岩微生物从永冻冰层分离微生物南极Vostok湖冰芯样品中的微生物分布广，种类多 微生物的生理代谢类型多； 代谢产物种类多； 微生物的种数“多”；虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%适应强，易变异极端环境中有惊人的适应力硫细菌：250-300细菌：-196 （液氮）干燥条件：保存千年pH：0.5-11气压：1000个大气压世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature 407, 897 - 900 (2000) “2-9-3”菌：美国新墨西哥州地下近 600 米处挖出的结晶盐中 天外来客？ 适应

26、强，易变异个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、 数量多 短时间内产生大量的变异后代突变率：10-5 10-10适应强，易变异青霉素的生产：20单位/ ml（1943）100000单位/ ml青霉素的用量：最高：10万单位/天（40年代）100万-1000万单位/次金葡菌变异导致耐药性剧增（有弊）产黄青霉变异导致青霉素产量剧增（有利）细菌抗药性的产生：主要应掌握的教学重点 1、微生物学解释名词、概念2、曲颈瓶试验 3、柯赫原则 1、简述Leeuwenhoek、 L.Pasteur、 R.Koch对 微生物学的贡献。重点思考题： 3、简述微生物学在生命科学发展中的重要地位和 发展趋势。

27、2、人类对微生物世界的认识过程分为哪几个阶段。微 生 物 文 献 书 目微生物学 国家自然科学基金委员会编 北京 科学出版社 1996 114页微生物学 蔡信之主编 上海 上海科学技术出版社 1996 286页微生物学 唐珊熙主编 北京 中国医药科技出版社 1996 218页微生物学 黄秀梨主编 北京 高等教育出版社 1998 275页微生物学 李榆梅主编 北京 中国医药科技出版社 1999 248页微生物学 美J.尼克林J. Nicklin著 北京 科学出版社 1999 342页微生物学 闵航主编 杭州 浙江大学出版社 1999 353页口腔微生物学 刘正主编 南京 南京出版社 1995 1

28、56页兽医微生物学 江苏省徐州农业学校主编 北京 中国农业出版社 1995 366页现代卫生微生物学 郁庆福主编 北京 人民卫生出版社 1995 740页临床微生物学及检验 李影林主编 北京 人民卫生出版社 1995 705页资源微生物学 程东升主编 哈尔滨 东北林业大学出版社 1995 289页食品微生物学 高 鼎主编 北京 中国商业出版社 1996 363页食品与微生物 郭爱莲编著 西安 陕西科学技术出版社 1996 189页食品微生物实验 王绍树主编 天津 天津大学出版社 1996 246页食品微生物学 陈子丹，赵再平主编 长春 吉林大学出版社 1997 309页食品微生物检验手册 苏世

29、彦主编 北京 中国轻工业出版社 1998 403页应用微生物学 王文仲编著 北京 中国医药科技出版社 1996 563页兽医微生物学 中国农业科学院，哈尔滨兽医研究所编著 北京 中国农业出版社 1998 720页医学微生物学 陆德源主编 北京 人民卫生出版社 1996 303页医学微生物学 刘清蒙主编 贵阳 贵州科技出版社 1997 256页土壤微生物学 李阜棣主编 北京 中国农业出版社 1996 234页资源微生物技术 魏德洲编著 北京 冶金工业出版社 1996 171页农业微生物学 梁如玉主编 北京 中国农业科技出版社 1997 192页经济微生物学 陈声明等主编 成都 成都科技大学出版社

30、 1997 292页环境微生物工程 马文漪，杨柳燕主编 南京 南京大学出版社 1998 270页卫生微生物学 王秀茹主编 北京 北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社 1998 215页畜牧微生物学 欧守杼主编 北京 中国农业出版社 1997 211页动物微生物学 郭万柱等主编 成都 四川科学技术出版社 1997 454页微生物资源学 姜成林，徐丽华著 北京 科学出版社 1997 224页农业微生物学实验技术 李阜棣等主编 北京 中国农业出版社 1996 318页环境资源中的微生物技术 王恩德编著 北京 冶金工业出版社 1997 206页微生物遗传学 沈 萍编著 武汉 武汉大学出版社 199

31、5 293页现代微生物学进展 彭珍荣主编 武汉 武汉大学出版社 1995 371页微生物工程及应用 胡尚勤,张远琼编著 成都 四川大学出版社 1995 297页微生物培养基的制造与应用 陈天寿主编 北京 中国农业出版社 1995 642页微生物提高石油采收率 (美)E.C.唐纳森(E.C.Donaldson)等著 北京 石油工业出版社 1995 143页动物性食品微生物学检验 周阳生主编 北京 中国农业出版社 1996 235页医学微生物学与免疫学 章育正,吕乃群主编 上海 上海科学技术出版社 1996 249页微生物遗传学 高 东主编 济南 山东大学出版社 1996 377菌种目录 中国普通微生物菌种保藏管理中心编 北京 中国农业科技出版社 1997 296页中国真菌志 第四卷 小煤炱目() 胡炎兴主编 北京 科学出版社 1996 270页微生物肥料的生产应用及其发展 葛诚主编 北京 中国农业科技出版社 1996 232页资源微生物技术 魏德洲编著 北京 冶金工业出版社 1996 171页微生物世界 郑一书，郑翠芳编写 福州 福建教育出版社 1994 110页食品微生物检验学 刘兴友，李全福主编 北京 中国农业科