(61)-微生物学绪论微生物学

微生物学

Microbiology教学安排地点：理工4-206,207时间：周三3-4节（单周）；

周五5-6节（1-19周）学时：共75学时，41学时理论，实验34学时教材：周德庆，《微生物学教程》，高等教育出版社沈萍，《微生物学实验》，高等教育出版社•

课堂讲授为主，PowerPoint演板；课堂听讲为主，笔记，即时理解；自学为辅。总成绩：平时成绩（30%）+期末考试（70%）平时成绩：出勤、提问与讨论、作业、实验课程说明

微生物学是生命科学中重要的基础学科之一，其知识面覆盖微观世界和宏观世界两方面，内容涉及微生物的形态结构、生理生化、遗传变异、生态分布以及食品与微生物的关系等方面。该课程有利于学生全面、系统地理解微生物学的基本知识和基本理论，熟练掌握微生物的基本操作技能，初步具有分析和解决有关实际问题的能力，同时也为后继专业课的学习打下良好的基础。绪论

一、什么是微生物

微生物(microorganism，microbe)是一切肉眼看不见的或看不清的微小生物的总称。

微生物的种类很多主要包括：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体、衣原体、真菌（酵母菌、霉菌及蕈菌）、原生动物、单细胞藻类、病毒、亚病毒等。

微生物根据其不同的进化水平和性准上的明显差别可分为三大类群：

原核类：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体

真核类：真菌（酵母菌、霉菌及蕈菌）、原生动物、显微藻类

非细胞类：病毒、亚病毒原核生物真核生物病毒、亚病毒古生菌真细菌真菌原生生物植物动物微生物细胞生物非细胞生物----------生物

二、人类对微生物世界的认识过程（一）难以认识的微生物世界原因：1、个体微小

2、外貌不显

3、杂居混生

4、因果难联微生物学历史发展的早期，就是围绕着如何克服这四大障碍而开展各种研究工作的。（二）人类揭开微生物世界奥秘的历史微生物学的发展历史可分为五个时期：

1、史前期

2、初创期

3、奠基期

4、发展期

5、成熟期

1.史前期（朦胧阶段）

史前期是指人类还未见到微生物个体，尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史时期，大约在距今8000年～1676年间。

开创者：各国劳动人民，其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称。

特点：未见细菌等微生物个体；凭实践经验利用微生物的有益活动（酿酒、制酱、酿醋、沤肥、发面）。2.初创期（形态描述阶段）时间：1676～

1861开创者：Leeuwenhoek（列文虎克）特点：自制的单式显微镜观察到细菌的个体；对一些微生物形态进行描述。

1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克首次观察到了细菌。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。3.奠基期（生理水平研究阶段）时间：1861～

1897开创者：Pasteur（巴斯德）和Koch（科赫）特点：①建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；②借助于良好的研究方法，开创了寻找病原微生物的“黄金时期”；③把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平；④微生物学以独立的学科形式开始形成。

巴斯德（LouisPasteur）——微生物学奠基人

(1)发现并证实发酵是由微生物引起的酒精发酵是一个由微生物引起的生物过程还是一个纯粹的化学反应过程，曾是化学家和微生物学家激烈争论的问题。巴斯德认为一切发酵作用都可能和微生物的生长繁殖有关。不同的发酵是由不同的微生物引起的。经不断地努力，终于证实酒精发酵是由酵母菌引起的。

(2)彻底否定了“自然发生”学说

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（钝化病原体可诱发免疫性和预防疾病）

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，杀死有害微生物科赫（RobertKoch）——细菌学奠基人（1）微生物学基本操作技术方面的贡献

a）细菌纯培养方法的建立划线法混合倒平板法

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（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；

炭疽杆菌b）发现了肺结核病的病原菌（1905年获诺贝尔奖）；结核杆菌c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——著名的柯赫原则某一种微生物，当被怀疑是病原体时，它一定伴随着病害而存在；要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；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；从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。4.发展期（生化水平研究阶段）时间：1897～

1953开创者：Büchner——生物化学奠基人特点：①进入微生物生化水平的研究；②应用微生物的分支学科更为扩大，出现了抗生素等学科；③开始寻找各种有益微生物代谢产物；④普通微生物学开始形成；⑤各相关学科和技术方法相互渗透，相互促进，加速了微生物学的发展。5.成熟期（分子生物学水平研究阶段）时间：

1953～至今开创者：

Watson

和

Crick——分子生物学奠基人特点：①微生物学从一门在生命科学中较为孤立的以应用为主的学科，成为一门十分热门的前沿基础学科；②在基础理论的研究方面，逐步进入到分子水平的研究，微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要的对象；③在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人为控制的方向发展。三、微生物的作用

1.微生物与粮食

粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。2．微生物与能源①把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；②利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷；③利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源”--氢气；④通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；⑤研制微生物电池使之实用化。

3.微生物与资源

微生物能将地球上永不枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。传统的：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等；现代的：水杨酸、乌头酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（PHB）等；另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。

4.微生物与环境保护利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；

利用微生物生产的PHB（聚-ß-羟丁酸）制造易降解的医用塑料制品、手术针和缝线以减少环境污染；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度等。

5.微生物与人类健康

防治各类疾病的主要手段是各种微生物产生的药物：抗生素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。

此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。

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8500万个；人和动物60%的传染性疾病是由病毒引起,如天花、麻疹、流行性感冒、脊髓灰质炎、乙型脑炎、肝炎、AIDS和SARS等。少数寄生型放线菌可引起人、动物（如皮肤、脑、肺和脚部感染）、植物（如马铃薯和甜菜的疮痂病）的疾病。立克次氏体大多是人兽共患的病原体，主要以节肢动物(虱、蚤、蜱、螨)为媒介，引起人类疾病如流行性斑疹伤寒、恙虫热、Q热等。沙眼衣原体是人类砂眼的病原体，甚至引起结膜炎、角膜炎、角膜血管翳等临床症状，成为致盲的重要原因。部分真菌寄生在人、动物和植物体内，可引起许多疾病。如人的头癣、灰指甲、脚癣（香港脚）均是真菌引起的。四、微生物学的基本研究方法

1.显微镜技术

光学显微镜的诞生，它将肉眼的分辨率提高到微米级水平，而电子显微镜的出现使人眼分辨达到纳米水平。列文虎克是第一个用显微镜来观察和描述微生物的人。

2.无菌技术

无菌技术是在分离、转接及培养纯培养物时防止其被其他微生物污染的技术。而对灭菌技术的原理等作出科学解释的是巴斯德，他所进行的举世闻名的曲颈瓶实验，不仅彻底否定了当时十分流行的“生命自然发生学说”，而且为微生物学中的无菌技术的创立和发展奠定了理论和实践基础。

3.纯种培养技术

微生物纯种培养技术在科学实验和生产实践中有着极其重大的理论与实践意义。若为微生物提供一个初级培养的实验方法并不复杂，但要使微生物在大规模生产中良好地生长或累积代谢产物，就得考虑一些最为合理的培养装置和有效的工艺条件，并且还要在整个微生物的发酵过程中严防其他微生物的干扰，即防止杂菌污染。发酵罐的发明及大规模地普及使用，为生物工程学开辟了崭新的前景。同时微生物发酵工业也已成为国民经济的重要支柱之一。

五、微生物的五大特点

1.体积小、面积大

微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用µm或nm作单位。如一个典型的球菌体积仅为１µm3。

最近芬兰科学家Kajander等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其直径最小仅为50nm，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。它们的结构也是非常简单的，大多数微生物为单细胞，只有少数为简单的多细胞。又如PSTV由359个核苷酸组成的RNA，长度为50nm；朊病毒仅蛋白质分子组成。比表面积=表面积/体积乳酸杆菌120,000豌豆6.0鸡蛋1.5体重200磅的人0.3

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1000倍～10000倍的乳糖。

Candidautilis(产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。

微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。

3.生长旺，繁殖快

生物界中，微生物具有惊人的生长繁殖速度，其中二等分裂的细菌尤为突出。人们研究得最透砌的微生物是Escherichiacoli，其细胞在合适的生长条件下，每分裂一次的时间是12.5～20.0分钟。如按20分钟分裂一次计，则每小时分裂3次，24小时可达到4.722×1024个。具强大的合成能力，可利用农产品废弃物、石油甚至CO2等为原料合成有机物。微生物合成蛋白质的速度比植物快500倍，比动物快2000倍。

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38分38252.7×1011大肠杆菌18分80371.2×1024

根瘤菌110分13258.2×103枯草杆菌31分46307.0×1013光合细菌144分10301.0×103酿酒酵母120分12304.1×103小球藻7小时3.42510.6念珠藻*23小时1.04252.1硅藻17小时1.4202.64草履虫10.4小时2.3264.92*为念珠蓝菌属(Nostoc)的旧称，与细菌同属原核生物。

由于条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到108～109个/ml。

微生物的这一特性在发酵工业上体现在：生产效率高、发酵周期短。在生物学基本理论的研究上的优越性：科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。

当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。4.适应强、易变异

微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物无法比拟的，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力。例如：在海洋深处的某些硫细菌可在250℃～300℃之间生长；嗜盐细菌可在饱和盐水中正常生长繁殖；Thiobacillusthioo