微生物学-成就展望

微生物学—成就展望第1页/共31页十九世纪、二十世纪微生物学成就简介第2页/共31页十九世纪、二十世纪微生物学成就简介一、医疗保健方面二、工业方面三、农业方面四、生态和环境保护方面五、微生物基础理论研究方面3第3页/共31页一医疗保健方面1外科消毒术的建立巴斯德的“细菌学说”的建立，为外科消毒术的发展奠定了坚实的理论基础。【1】英国爱丁堡医院的外科医生约瑟夫·李斯特（J．Lister，1827-1912)根据巴斯德提出的细菌是腐败的真正原因的分析，在1865年8月12日试验了用石炭酸消毒的新型外科手术并取得了成功。【2】据统计，1864年时在法国巴黎的医院中，外科手术的死亡率高达53.6％，英国的一般医院为80%，其中最好的爱丁堡医院，外科手术的死亡率亦高达45%。当李斯特发明外科消毒手术后，1868年，爱丁堡医院的外科手术死亡率已降低到15%左右。4第4页/共31页一医疗保健方面2人畜病原菌的发现在19世纪70年代至二十世纪初的30年间，随着研究微生物的许多独特方法的相继建立，大量危害人畜的烈性传染病的病原菌被分离出来，例如炭疽芽孢杆菌（1877），麻风分枝杆菌（1874），肺炎链球菌【3】（1880），伤寒沙门氏菌（1880），结核分枝杆菌（1882），逗号弧菌（1883），破伤风梭菌（1884），鼠疫耶尔森氏菌（1894），痢疾志贺氏菌（1898）等。5第5页/共31页一医疗保健方面3免疫防治法的应用种痘最早起源自我国宋朝真宗(998-1022)年代的人痘。1796年，英国医生爱德华·琴纳首次为一男孩接种牛痘苗并取得成功。从此，种牛痘成为预防天花最有效的措施。19世纪末，路易斯·巴斯德（L.Pasteur）、保尔·埃尔利希（P．Ehrlich）和vonBehring等陆续发明了预防或治疗各种细菌性传染病的菌苗、疫苗、类毒素及抗血清等。1923年法国的卡尔梅特和介朗经过13年的不懈努力，发明了减毒牛型结核杆菌制成的卡介苗（BCG）。【4】此后，生物制品的研究获得了蓬勃的发展。目前，正在积极开展各种高效化学组分疫苗、单克隆抗体、嵌合抗体和双功能抗体等的研究。6第6页/共31页一医疗保健方面4化学治疗剂的发明为了抑制或杀死潜伏于人或动物体内部的病原菌，就必须寻找一类对病原菌有强大毒力而对其宿主基本无毒的药物，这就是化学治疗剂。

1909年，德国医生和化学家保尔·埃尔利希（P．Ehrlich，1854-1922）合成了能消灭人体血液中梅毒螺旋体的化学治疗剂“606”（砷凡纳明），这是人类第一次合成化学治疗剂，它打开了化学治疗领域的大门。1935年，德国医生格哈德·多马克（G．Damagk）及其同事发现了能治疗链球菌感染的新的化学治疗剂——“百浪多息”。【5】同年稍后，法国人特雷富埃证明了它的抑菌机制是在体内可释放出有效的抑菌成分——磺胺。此后适用于治疗各种感染的磺胺类化台物就生产出来，对许多病原菌有很高的疗效。例如，在19世纪中叶，进巴黎产科医院分娩的妇女，因患产褥热而致死的人数就达到1/19，1935年还未使用磺胺药时，产褥热的死亡率为105/10万人，而至1941年时，则减少至20/10万人了。此后，化学治疗剂的研究获得了很大的发展。7第7页/共31页一医疗保健方面5抗生素治疗的兴起1929年英国细菌学家弗莱明（A.Fleming）发现第一个有实用意义的抗生素——青霉素。从1943年起，青霉素已得到日益广泛的应用。1944年，美国微生物学家瓦克斯曼（S.Waksman）从近1万株土壤放线菌中，找到了疗效显著的链霉素，接着氯霉紊、金霉素、上霉索、红霉素、新霉索、万古霉素、卡那霉素和庆大霉素等相继发现。1978年时已找到超过5128种抗生素，而据1984年的统计则达到了9000多种！至今，抗生素已成为各国药物生产中最重要的产品。8第8页/共31页一医疗保健方面6用生物工程技术使微生物生产生化药物利用微生物作为各种不同生物有关目的基因的受体，由微生物来生产各种生化药物，其中除抗微生物药物外，还包括治疗各类其他疾病的药物，例如疫苗（病毒衣壳蛋白、细胞组分疫苗等）、抗体、干扰素、胰岛素、激素以及其他各种多肽类药物等。9第9页/共31页二工业方面1自然发酵与食品、饮料的酿造世界各国劳动人民在其各自的生产实践中，逐步学会了利用有益微生物在自然接种和混菌发酵的条件下来酿造自己喜爱的风味食品和饮料，例如酒、酱、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、干酪和面包等。10第10页/共31页二工业方面2罐头保藏1804年，法国人阿贝尔经过10年试验后，发明了食品的玻璃瓶罐藏技术，从而为食物的消毒灭菌和长期保藏找到了一种较为有效的方法。【7】1862年，法国生物学家巴斯德发表论文，阐明食品腐败主要原因是微生物的生长和繁殖所致。于是，罐头工厂采用蒸气杀菌技术，使罐头食品达到商业无菌的标准。11第11页/共31页二工业方面3厌氧纯种发酵技术二十世纪初，在工业发酵的早期，人们首先发展了不需通气搅拌等复杂装置的厌氧纯种发酵技术，利用它来进行乙醇、丙酮、丁醇、乳酸或甘油生产。【8】12第12页/共31页二工业方面4深层液体通气搅拌培养二十世纪40年代初，由于青霉素发酵的推动，促进了大规模液体深层通气搅拌培养技术的发展。从此，在工业发酵中占据主要地位的好氧发酵获得了飞速的发展。于是，抗生素、有机酸和酶制剂等发酵工业终于在世界各地蓬勃地建立起来了。13第13页/共31页二工业方面5代谢调控理论在发酵工业上的应用从二十世纪50年代中期起，由于对微生物代谢途径和调控研究的逐步深入，在发酵工业上找到了能突破微生物代谢调控以累积有用代谢产物的手段，并很快用于大规模工业生产上，例如谷氨酸(1956)和核苷酸类物质——肌苷酸(1966)的发酵生产等。14第14页/共31页二工业方面6生物工程的兴起生物工程学，一般认为是以生物学（特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学）的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。15第15页/共31页三农业方面微生物在农业生产中有多方面的应用，从而促进了大农业（农、林、牧、副、渔）的发展，如以菌治虫，以菌治病，以菌治草（微生物治草剂）；以菌增肥，以菌促长（如赤霉素等促进植物生长）；以菌当饲料（包括饵料）；以菌当药物（药用真菌）；以菌当蔬菜（食用菌），以及以菌产沼气等。根瘤菌的固氮作用；反刍动物的消化过程；微生物在物质循环中的作用；微生物对农业造成的危害等。16第16页/共31页三农业方面例：微生物农药定义：直接利用细菌、真菌和病毒等产生的天然活性物质或生物活体本身开发的，对植物病虫、草害进行防治的农药。优点：选择性强；对人、畜、农作物和自然环境安全，不伤害天敌；不易产生抗性等。代表药品：苏云金杆菌（属于芽杆菌类，是目前世界上用途最广、开发时间最长、产量最大、应用最成功的生物杀虫剂。）【10】17第17页/共31页四生态和环境保护方面从微生物是食物链中的主要环节、污水处理中的中心角色、生态农业中的重要措施以及自然界物质循环中的关键作用等多方面，都可看到微生物在生态和环境保护中所起的重要作用。用途如下：1.生物炼制：生物乙醇、生物柴油、生物制氢、沼气发酵、丙酮等生物燃料。2.原油泄漏和生物除污。3.生物环境技术。18第18页/共31页四生态和环境保护方面例：废水处理：水生物处理是指通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，转化为稳定无害的物质的废水处理法。根据微生物对氧的要求不同，废水生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。好氧生物处理又可细分为活性污泥法和生物膜法。厌氧生物处理也可区分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法两类。上流式厌氧污泥床工艺和厌氧滤池工艺分别是它们的典型代表。19活性污泥法的基本流程【11】厌氧生物滤池工艺的基本流程【12】第19页/共31页五微生物基础理论研究方面1以微生物作为研究对象以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大争论问题。例如生命自然发生说的否定，突变本质的证明，核酸是一切生物遗传变异的物质基础等的阐明等等，都是以微生物作为材料才得以肯定的。【12】从获诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关，更可充分证明这一点。直接相关的一个例子：2005年获奖者，澳大利亚科学家巴里·马歇尔和罗宾·沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁———幽门螺杆菌。20第20页/共31页五微生物基础理论研究方面2遗传学研究对象的微生物化遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学。由于遗传学主要是研究亲代与子代间遗传变异规律的科学，因此，代期短、培养条件简便、遗传性状丰富、多数为单倍体和具备多种原始遗传重组方式等优点的微生物，成为最适宜的遗传学研究对象。21第21页/共31页五微生物基础理论研究方面3微生物与基因工程基因工程即遗传工程，在其操作中有基因供体、基因载体、工具酶和基因受体等四个主要方面。其中除基因供体原则上可以是任何生物的任何基因外，至今基因载体都只能是微生物或其某一组分（如细菌的质粒、病毒粒子或噬菌体），各种工具酶（核酸内切酶、连接酶等）几乎都来自多种不同的微生物，而作为基因的受体，在现阶段也几乎都选择了微生物，例如大肠杆菌、枯草杆菌和酿酒酵母等。由此可以看出微生物在当代基因工程中的突出地位。22基因工程操作的模式图第22页/共31页五微生物基础理论研究方面4微生物学实验技术的应用微生物学是整个生物学中第一门具有一套独特操作技术的学科，因而需要特殊的实验室装备和独立的训练。例如显徽镜技术和制片染色技术，无菌操作技术，消毒灭菌技术，纯种分离和克隆化技术，合成培养基技术，选择性和鉴别性培养技术，突变型标记和筛选技术，深层液体培养技术，菌种保藏技术，原生质体制备和融合技术，以及各种DNA重组技术等。这些技术已迅速扩散到生命科学各领域的研究中，并几乎已成为研究一切生命科学的必要手段，从而为整个生命科学的发展，作出了方法学上的贡献。23第23页/共31页二十一世纪微生物学展望第24页/共31页二十一世纪微生物学展望1微生物基因组学研究将全面展开20世纪刚兴起，为人类基因组计划（HGP)打下一定基础，21世纪将为后基因组研究发挥更多作用。现在完成测序的主要为模式微生物、特殊微生物及医用微生物。随着测序完善，将作为常规研究方法，从本质认识和利用改造微生物。【13】25第25页/共31页二十一世纪微生物学展望26细胞微生物学微生物生态学微生物环境微生物学2以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为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。第26页/共31页二十一世纪微生物学展望3微生物生命现象的特性和共性将更加受到重视极端环境生存，有特殊代谢途径，如：生物固氮、厌氧、化能自养等具有基本生物特性：生长、繁殖、代谢个体小、结构简、易繁殖、易培养、变异快、易于操作27第27页/共31页二十一世纪微生物学展望4微生物与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展

20世纪与生化、遗传交叉形成分子生物学，21世纪进一步向地质、海洋、大气、太空渗透，发展新的学科，如：微生物地球化学、海洋微生物学、大气微生物学、太空微生物学等。与能源、信息、材料、计算机结合开辟新的研究和应用领域。微生物学的研究技术方法