第一章微生物

微生物学及其研究方法白淑兰baishulan2004@163.com内蒙古农业大学林学院教学参考书周德庆.微生物学教程，1993，高等教育出版社沈萍.微生物学，2000，高等教育出版社武汉大学、复旦大学编：微生物学.（第二版）无锡轻工业学院编：微生物学.（第二版）

Referencebooks授课内容：第一章绪论—微生物学及其发展第二章微生物的形态与分类第三章微生物的分离与纯培养技术第四章菌种保存第五章微生物的营养第六章土壤微生物及其研究方法一、微生物与我们二、什么是微生物三、微生物的发现和微生物学的建立与发展四、20世纪的微生物学五、21世纪微生物学展望六、微生物的共性七、研究微生物学的基本方法八、微生物的分类及其命名第一章微生物学及其发展人体体表及体内存在大量的微生物：

皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米口腔：细菌种类超过500种肠道：微生物总量达100万亿粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万一、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。土壤中的细菌总重量估计为：1.0×1017

吨；每张纸币带细菌：900万个；微生物被广泛的应用于工业、农业、医药业等少数微生物也是人类的敌人！鼠疫；天花；梅毒；小儿麻痹症；肺结核；麻疯病；感冒；脑膜炎；艾滋病；疯牛病；非典；禽流感鼠疫杆菌结核杆菌禽流感病毒小儿麻痹症病毒HIV禽流感病毒微生物是所有形体微小、单细胞或结构较为简单的多细胞生物、甚至没有细胞结构的生物的通称。它们具有以下特点：少数肉眼可见单细胞简单多细胞非细胞μm

级：光镜下可见（细胞）nm

级：电镜下可见（细胞器、病毒）小（个体微小）简（结构简单）原核类：细菌，放线菌，支原体，立克次氏体，衣原体，蓝细菌真核类：真菌（酵母菌，霉菌），原生动物，显微藻类非细胞类：病毒，类病毒，元病毒

低（进化地位低）二、什么是微生物主要有三大类群：1）原核生物类：细菌（细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和蓝细菌）；古细菌2）真核生物类：真菌（酵母菌、霉菌）、原生动物和显微藻类。蘑菇和银耳等食、药用菌是个例外，尽管可用厘米表示它们的大小，但其本质是真菌，我们称它们为大型真菌。3）非细胞生物类：病毒和亚病毒(卫星病毒、卫星病毒RNA、朊病毒）。立克次氏体支原体衣原体放线菌蓝细菌细

菌原核生物类：真核生物类：酵母非细胞生物类：病毒引起我国8000年前就开始出现了曲酿酒；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；三、微生物的发现和微生物学的建立与发展

（一）微生物的发现和微生物学的建立与发展1664年，胡克（RobertHooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）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。公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物；公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防染”；公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花；16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro(弗拉卡斯托罗)：疾病是由肉眼看不见的生物(livingcreatures)引起的；1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说；戾气学说是吴又可的传染病病因学。这在微生物学未诞生以前，是一种很有发展前途的医学假说，然而，它并没有引起后代医家的重视，它的夭折是祖国医学发展史上的一个沉痛的教训。《温疫论》是他的一部传染病学巨著四、微生物学及其分支微生物学——是在分子、细胞或群体水平上研究微生物的形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生和生物工程等领域的科学。基础微生物学应用微生物学按微生物种类分按过程或功能分按与疾病的关系分按生态环境分按应用范围分按技术与工艺分细菌学真菌学病毒学菌物学原生动物学藻类学微生物生理学微生物遗传学微生物生态学分子微生物学细胞微生物学微生物基因组学免疫学医学微生物学流行病学土壤微生物学海洋微生物学环境微生物学水微生物学宇宙微生物学分析微生物学微生物技术学发酵微生物学遗传工程工业微生物学农业微生物学医学微生物学药学微生物学兽医微生物学食品微生物学预防微生物学微生物学的分支（一）微生物学的开端

1.古代微生物的利用我国古代的各种酒器古代微生物的利用：6000-7000年前仰韶文化时期已大量采食蘑菇；4000多年前我国酿酒已十分普遍；2500年我国人民已发明了酿酱、醋；公元6世纪的《齐民要术》记录了制曲、酿酒、制酱和酿醋工艺；公元9-10世纪我国发明鼻苗法种痘，细菌浸出法开采铜；16世纪古罗马医生G.Fracastoro提出疾病是肉眼看不见的生物引起。五、微生物学发展简史微生物学的奠基人法国人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）德国人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）

巴斯德

(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；(2)彻底否定了“自然发生”学说；化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”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。(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：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物微生物学之父巴斯德的曲颈瓶试验彻底否定了“自然发生”学说

柯赫（1）建立了研究微生物的一系列重要方法，如，发明了固体培养基、微生物的纯种分离、显微染色技术、显微摄影技术等；（2）利用平板分离方法寻找并分离到许多病原菌，如炭疽病菌（1877）、结核杆菌（1882）、链球菌（1882）、霍乱球菌（1883）等；（3）提出了柯赫法则（1884）。

1905年，科赫获得了诺贝尔医学和生理学奖，主要是为了表彰他在肺结核研究方面的贡献。1982年，我国邮电部发行了一枚纪念邮票，纪念科赫发现肺结核病原菌一百周年。细菌学之父科赫法则（Koch’spostulates）病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于健康个体中；这一微生物可以离开动物体，并被培养为纯种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体中，出现特有症状；该微生物可以从患病的实验动物中重新分离出来，并可在实验室中再次培养，此后它仍然与原始病原微生物相同。贝哲林克（Beijerinck）和维诺格拉德斯基（Winograsky）研究了豆科植物的根瘤菌及土壤中的固氮菌和硝化细菌，提出了土壤细菌和自养微生物的研究方法，奠定了微生物学发展的基础，开拓了自养微生物研究的新领域。

BeijerinckWinograskyAlexanderFleming(1881-1955)1929年发现葡萄球菌的克星——青霉菌

亚历山大.弗莱明：1881年出生在苏格兰的洛克菲尔德。英国著名细菌学家,弗莱明从伦敦圣马利亚医院医科学校毕业后,从事免疫学研究;后来在第一次世界大战中作为一名军医,研究伤口感染。李斯特工作小组

李斯特（Lister）从巴斯德的研究成果中得到了启发，认识到当时外科手术经常出现的伤口化脓是由于微生物侵入的结果，并努力寻找有效的杀菌药物及防止微生物侵入的办法，通过反复实践和不断总结，提出了无菌外科操作方法（石炭酸消毒），使外科手术出现巨大进步。六、20世纪的微生物学十九世纪末到二十世纪中期：微生物学：鉴定病原菌；研究免疫学及其在预防疾病中的作用；寻找化学治疗药物；分析微生物的化学活性。根本任务：发掘、利用和改善有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物。

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，在生命科的发展中作出了巨大的贡献。1.多学科交叉促进微生物学全面发展20世纪微生物学的发展：19世纪中期～20世纪初，微生物研究作为一门独立的学科已经形成，并进行着自身的发展。但在20世纪早期还未与生物学主流相汇合。当时大多数生物学家的研究兴趣是有关高等植物细胞的结构和功能、生态学、繁殖与发育、遗传，以及进化等；而微生物学家更关心的是感染疾病的因子、免疫，寻找新的化学治疗药物以及微生物代谢等。到20世纪40年代，随着生物学的发展，许多生物学难以解决的理论和技术问题十分突出，特别是遗传学上的争论问题，使微生物学这样一种简单而又完整的生命活动的小生物成了生物学研究的“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。

多学科交叉促进微生物学全面发展微生物学走出了独立发展，以应用为主的狭窄的研究范围，与生物学发展的主流汇合、交叉，获得全面、深入的发展。而首先与之汇合的是遗传学、生物化学。1941年Beadle(贝蒂)和Tatum用粗糙脉胞菌分离出一系列的生化突变株，将遗传学和生物化学紧密结合起来，不仅促进微生物学本身向纵深发展，形成了新的基础研究学科－－微生物遗传学和微生物生理学，而且也推动了分子遗传学的形成。与此同时，微生物的其它分支学科也得到了迅速的发展，如:细菌学、真菌学、病毒学、微生物分类学、工业微生物学、土壤微生物学、植物病理学、医学微生物学及免疫学等。还有60年代发展起来的微生物生态学、环境微生物学等。

基础微生物学应用微生物学按微生物种类分按过程或功能分按与疾病的关系分按生态环境分按应用范围分按技术与工艺分细菌学真菌学病毒学菌物学原生动物学藻类学微生物生理学微生物遗传学微生物生态学分子微生物学细胞微生物学微生物基因组学免疫学医学微生物学流行病学土壤微生物学海洋微生物学环境微生物学水微生物学宇宙微生物学分析微生物学微生物技术学发酵微生物学遗传工程工业微生物学农业微生物学医学微生物学药学微生物学兽医微生物学食品微生物学预防微生物学微生物学的分支2.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，对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；基因表达调控机制的研究；生物大分子合成的中心法则；（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;（4）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癸：根瘤菌固氮作用的研究高尚荫：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抗生素的总产量已跃居世界首位两步法生产维生素C的技术居世界先进水平泉生热孢菌全基因组序列测定（二）微生物学的蓬勃发展阶段（20世纪初到20世纪40年代）特点：微生物学与实践的联系非常密切。19世纪中期，欧洲工业、农业规模化生产方式已经形成，当时工农业生产发展中出现的葡萄酒发酵酸败、人畜传染病等与微生物相关的问题急需解决，杰出科学家巴斯德、柯赫等科学家作出了很大的贡献。微生物学建立的社会背景（三）现代微生物学阶段（20世纪50年代以后）特点：1.微生物学同相邻的兄弟学科（生物化学、遗传学）的联系非常紧密，由此诞生了新学科—分子生物学；2.微生物学与工程紧密联系，为微生物学的实际运用打下基础。到了20世纪50年代微生物学全面进入分子研究水平，并进一步与迅速发展起来的分子生物学理论和技术，以及与其它学科汇合，使微生物学发展成为生命科学领域内一门发展最快，影响最大、体现生命科学发展主流的前沿科学。这时微生物的应用也获得了重大的发展。抗生素的生产已成为现代化的大企业；微生物酶制剂已广泛用于农、工、医各个方面；微生物的其它产物，如有机酸、氨基酸、维生素、核苷酸等，都利用微生物进行大量生产。微生物的利用已组成一项新兴的发酵工业，并朝着人为有效控制的方向发展。

80年代初，在基因工程的带动下，传统的微生物发酵工业已从多方面发生了质的变化，成为现代生物技术的重要组成部分。（1）促进许多重大理论问题的突破生命科学由整体或细胞水平进入了分子水平，取决于重大理论问题的突破。其中微生物学发挥了至关重要的作用，特别是对分子遗传学和分子生物学的影响最大。我们知道“突变”是遗传学研究的重要手段，但是只有在1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞菌进行的突变实验才使基因和酶的关系得以阐明，提出了“一个基因一个酶”的假说。有关证明DNA是遗传物质也是通过细菌转化试验证实的。此外，DNA、RNA及蛋白质的合成机制，以及遗传信息传递的“中心法则”的提出都是通过对大肠杆菌等微生物的研究而诞生的。（2）对生命科学研究技术的贡献微生物的研究虽然较晚，但发展十分迅速。20世纪中后期由于受微生物学消毒灭菌，分离培养等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动植物也可以像微生物一样在平板或三角瓶中培养，可以在显微镜下进行分离，甚至可以像生物工业发酵一样，在发酵罐中进行生产。今天的转基因动物和植物的转化技术也来源于微生物的转化理论和技术。70年代后由于微生物学的重大发现，包括质粒载体，限制性内切酶，连接酶，反转录酶等，才导致了DNA的重组技术和遗传工程的出现，使整个生命科学翻开了新的一页，使人类定向改变生物性状、根治疾病、美化环境的梦想成为了现实。（3）微生物与“人类基因组计划”“人类基因组计划”的全称为“人类基因组作图和测序计划”，是当今耗资30亿美元的巨大项目（目前已经启动了后基因组研究）。在这个计划中模式生物除果蝇、线虫、拟南芥外绝大多数都是细菌和酵母。目前研究发现，微生物中存在与人类遗传疾病相类似的基因，因此可以利用这些细菌的模型来研究这些基因的功能，为认识庞大的人类基因组及其功能提供简便的模式。（4）我国微生物的研究

中国微生物的研究在20世纪初开始的，1910年－1921年我国成立了卫生防疫机构，培养了第一支预防鼠疫的专业队伍，在当时也属世界领先地位。30年代后有戴芳澜和俞大绂等真菌学、植物病理学的奠基人出现；陈华葵和张宪武等对根瘤菌固氮作用的研究开创了我国农业微生物学；高尚荫创建了我国的病毒学理论和第一个微生物学专业。但总的来说还较薄弱。未形成我国自己的现代微生物工业。微生物发展过程中的重大事件﹙1﹚1857巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起1861巴斯德证明微生物非自然发生1864巴斯德建立了巴氏消毒法1867Lister创立了消毒外科，成功用石炭酸消毒1867-1877柯赫证明炭疽病是由炭疽杆菌引起1811柯赫用明胶固体培养基分离细菌1882柯赫发现结核杆菌1885巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学1929Fleming发现青霉素1935Stanley首次提纯了烟草花叶病毒，获得了蛋白质结晶1943Chain、Florey形成青霉素工业化生产工艺。微生物发展过程中的重大事件﹙2﹚1944Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体1953Watson、Crick提出DNA双螺旋结构1973Cohen等首次将重组质粒转入大肠杆菌成功1977Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群1982-1983Prusiner发现朊病毒1983-1984Mullis建立PCR技术1995第一个独立生活的生物流感嗜血杆菌全基因组序列测定完成1996第一个自养生活的古生菌基因组测序完成1997第一个真核生物啤酒酵母基因组测序完成微生物研究全面进入分子水平（四）21世纪微生物学展望

20世纪微生物学走过了辉煌的历史，面对21世纪我们展望她的未来：（1）微生物的后基因组学研究将全面展开（2）以了解微生物之间、微生物与其它生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生态学、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，为人类的生存和健康发挥积极的作用。（3）微生物生命现象的特性和共性更加受到重视（4）与其它科学实现更广泛的交叉，获得新的发展（5）微生物产业将呈现全新的局面（6）此外，微生物工业将生产各种各样的新产品，例如：降解性塑料、DNA芯片、生物能源等，在21世纪将出现一批崭新的微生物工业，为全世界的经济和社会发展做出更大的贡献。七、微生物的特点及其应用1.体积小、面积大2.吸收多、转化快3.生长旺、繁殖快4.适应强、易变异5.分布广、种类多病毒——﹤0.2m杆状细菌——0.5×2.0m支原体立克次氏体衣原体0.2～0.5m放线菌——菌丝直径:2～5m霉菌——菌丝直径2～10m酵母——1-5×5-30m1.体积小、面积大1体积小、面积大比面=面积/体积乳酸杆菌120,000豌豆6.0鸡蛋1.5体重200磅的人0.32

吸收多，转化快＃3g地鼠每天消耗与体重等重的粮食；＃1g闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食；＃大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖。※发酵乳糖的细菌在1h内就可以分解相当于其自身重量1,000~10,000倍的乳糖，产生乳酸；※1kg酵母菌体，在一天内可发酵几千kg的糖，生成酒精。3

生长旺，繁殖快★例如：大肠杆菌

(Escherichiacoli

)在最适的生长条件下，每12.5~20min细胞就能分裂一次。★在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般为108~109个/ml。★利用微生物的这一特性就可以:实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母时，几乎12h就可以收获一次，每年可以收获数百次。★谷氨酸短杆菌：摇瓶种子→50吨发酵罐：52h内细胞数目可增加32亿倍。2、吸收多，转化快

科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下，Escherichiacoli每小时内可消耗其自重2000倍的乳糖。一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg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50000kg优质蛋白质。

若干微生物的代时及每日增殖率微生物名称代时每日分裂次数温度每日增殖率

乳酸菌38min38252.7×1011

大肠杆菌18min80371.2×1024

根瘤菌110min13258.2×103

枯草杆菌31min46307.0×1013

光合细菌144min10301.0×103

酿酒酵母120min12304.1×103

小球藻7h3.42510.6

念珠藻*23h1.04252.1

硅藻17h1.4202.64

草履虫10.4h2.3264.92

*为念珠蓝菌属(Nostoc)的旧称，与细菌同属原核生物。4种类多、分布广分布广：如:万米深海、85km高空、地层下128m和427m沉积岩中都发现有微生物存在。类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌>1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总数79,78098,727127,298微生物的种数，据1972年：更重要的是在于微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。5易变异、适应强★任何有其它生物生存的环境中，都能找到微生物。而在其它生物不可能生存的极端环境中也有微生物存在。★突变频率一般为10-5～10-10，但因繁殖快，数量多，与外界环境直接接触，因而在短时间内可出现大量变异的后代。

★青霉素产量变异、耐药性变异举例例如，青霉素生产菌Penicilliumchrysogenum(产黄青霉)的产量1943年为每毫升发酵液中含20单位青霉素，40多年来，经过世界各国微生物遗传育种工作者的不懈努力使该菌产量变异逐渐积累，加上发酵条件的改进，目前世界上先进国家的发酵水平每毫升已超过5万单位，甚至接近10万单位。微生物的数量性状变异和育种使产量提高的幅度之大，是动植物育种工作中绝对不可能达到的。正因为如此，几乎所有微生物发酵工厂都十分重视菌种选育工作。4、适应强，变异频微生物对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”具有惊人的适应力，这是高等生物所无法比拟的。例如，多数细菌能耐0℃到－196℃的低温；在海洋深处的某些硫细菌可在250℃-300℃的高温条件下正常生长；一些嗜盐细菌甚至能在饱和盐水中正常生活；产芽孢细菌和真菌孢子在干燥条件下能保藏几十年、几百年甚至上千年。耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射、抗静水压等特性在微生物中也极为常见。5、分布广，种类多

1)土壤是各种微生物生长繁殖的大本营；2)空气里悬浮着无数细小的尘埃和水滴，它们是微生物在空气中的藏身之地;3)各种水域中也有无数的微生物;4)从人和动植物的表皮到人和动物的内脏，也都经常生活着大量的微生物。“身在菌中不知菌”：八、微生物的分类与命名（一）微生物的分类系统界、门、纲、目、科、属、种。种是最基本的分类单位；每一分类单位之后可有亚门、亚纲、亚目、亚科以啤酒酵母为例，它在分类学上的地位是：界(Kindom)：真菌界门(Phyllum)：真菌门纲(Class)：子囊菌纲目(Order)：内孢霉目科(Family)：内孢霉科属(Genus)：酵母属种(Species)：啤酒酵母1.种（species）：是一个基本分类单位；是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近，与同属内其他种有明显差别的菌株的总称。①菌株（strain）:表示任何由一个独立分离的单细胞繁殖而成的纯种群体及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特性的一组纯种后代菌群）。因此，一种微生物的不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。菌株强调的是遗传型纯的谱系。例如：大肠埃希氏杆菌的两个菌株：EscherichiacoliB和EscherichiacoliK12★如果说种是分类学上的基本单位，那么菌株实际上是应用的基本单位，因为同一菌种的不同菌株在产酶种类上或代谢物产量上会有很大的不同！★菌株的表示法：在种名后面自行加上数字、地名或符号等②亚种(subspecies）或变种(variety)：为种内的再分类：当某一个种内的不同菌株存在少数明显而稳定的变异特征或遗传性状，而又不足以区分成新种时，可以将这些菌株细分成两个或更多的小的分类单元——亚种。变种是亚种的同义词，因“变种”一词易引起词义上的混淆，从1976年后，不在使用变种一词。通常把实验室中所获得的变异型菌株，称之为亚种。

如：E.colik12（野生型）经实验室变异后，可获得某E.colik12的亚种。③型(form):

常指亚种以下的细分。当同种或同亚种内不同菌株之间的性状差异不足以分为新的亚种时，可以细分为不同的型。

例如：按抗原特征的差异分为不同的血清型。学名—scientificname菌种的科学名称。菌种的学名是按照《国际细菌命名法规》命名的国际学术界公认，并通用的名称。学名由拉丁词、或拉丁化的外