微生物学教程

第一章绪论生物界的组成生物界宏生物动物、植物微生物真核微生物原核微生物非细胞型病毒主要内容什么是微生物？微生物的特点微生物学的发展史微生物学发展促进了人类进步微生物学及其分科一、Whatismicroorganisms/microbes?微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。是一群个体微小，构造简单，大多数是单细胞，少数是多细胞（如霉菌），还有些没有细胞结构（如病毒）的低等生物，包括原核微生物、真核微生物和非细胞生物。

μm（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）

nm（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒）单细胞简单多细胞非细胞（即“分子生物”）

原核类：细菌（真细菌、古细菌）、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、蓝细菌（蓝绿藻或蓝藻）等

真核类：真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、原生动物、显微藻类非细胞类：病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）小（个体微小）简（构造简单）低（进化地位低）微生物二、微生物的特点（五大共性）体积小，面积大吸收多，转化快生长旺，繁殖快适应强，易变异分布广，种类多1、体积小，面积大五大共性的基础和关键优点：巨大的营养物质吸收面巨大的代谢废物排泄面巨大的环境信息交换面启发了动植物研究中的单细胞培养（发酵）2、吸收多，转化快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。Escherichiacoli（大肠杆菌）在1小时内可分解其自身重2000倍的乳糖（约为人类的3,000,000倍）。1kg酵母菌在一天内能使几千kg糖代谢形成酒精。

优点：超小型“活的催化化工厂”的作用。为微生物生长繁殖提供物质基础为物质转化、累积代谢产物提供条件3、生长旺、繁殖快E.coli在合适条件下每12.5~20min繁殖一代，如按每20min分裂一次，则每1h可分裂3次，每24h可分裂72次，生成4722366500万亿个（重约4722吨）,48h数目为2.2×1043个（约等于4000个地球之重）。Howfastcanyougrow?

优点：提高生产效率，缩短发酵周期；缩短科学研究周期，减少空间，降低经费，提高效率。缺点：病原微生物或有害微生物：蔓延快、危害大4、适应强、易变异适应性-----对“极端环境”具有惊人的适应力热250~300℃寒－69~－196℃盐饱和盐水（32%NaCl）干可保存几千年压1400atm辐射酸5~10%H2SO4碱

pH9~11抗毒、抗缺氧变异性变异频率：10-5~10-10变异形式基因突变如青霉素产生菌Penicillium

chrysogenum（产黄青霉）的产量变异

20U./194350000~100000U./目前约5,000倍致病菌对抗生素的抗药性变异5、分布广，种类多分布广：“无孔不入”、“无处不在”人体肠道正常菌群种类100~400种总量1013个占排泄物干重的1/3厌氧菌数量是好氧菌的几百至上千倍万米深海底部的耐热硫细菌耐高温>100℃耐高压>1140atm8.5万米高空中的微生物地层下岩石中的微生物球菌、杆菌、真菌种类多物种的多样性动物：150万种植物：50万种微生物：20万种→50~600万种生理代谢类型的多样性＞动植物的总和代谢产物的多样性遗传基因的多样性生态类型的多样性三、微生物学的发展史史前期初创期奠基期发展期成熟期生物起源简史地球年龄：约46亿年细菌年龄：约35亿年地球表面产生有机物，还原性大气包围地球，产生厌氧异养古细菌，如甲烷菌，构成原始单极分解生态系统。32亿年前，产生蓝细菌，构成双极----合成与分解的生态系统。23~10亿年前，产生好氧性异养细菌，产生第三级即消费者。动植物年龄（寒武纪年代：5亿3千万年前后）4亿年前：产生鱼类、陆地生物3亿年前：产生两栖类2亿年前：产生爬行类人类年龄：300万年前产生人类Evolutionarytimeline1、史前期指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞之前的一段漫长的时期，大约距今8000年前~公元1676年。代表人物和主要成就：我国劳动人民的酿酒制曲技术对传染病及其规律的认识身在菌中不知菌对微生物视而不见，嗅而不闻，触而不觉，食而不察2、初创期---形态学期1676年列文虎克用自制的单式显微镜观察细菌个体~1861年（近200年）。代表人物和主要成就：荷兰商人—微生物学先驱者安东·列文虎克（1632-1723）1676年用自制的单式显微镜观察雨水、污水、腐败肉汁等物质，看到了球状、杆状、螺旋状的细菌以及原生动物等微生物，并绘制成图。一生制作了419架显微镜，放大率一般为50~200倍，最高达266倍。发表了约400篇论文，其中375篇在英国皇家学会发表。3、奠基期---生理学期1861年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建立胚种学说~1897年。代表人物和主要成就：法国的巴斯德（1822-1895）—微生物学的奠基人、微生物学之父否定微生物的自然发生说，建立胚种学说。创立巴氏消毒法（63℃30min，72℃15sec）奠定传染病微生物病原说的基础，发明制造疫苗和预防接种的方法。德国医生科赫（1843-1910）—细菌学的奠基人1884年科赫提出确定病原菌的原则—科赫法则。建立研究微生物的一系列重要方法建立分离和纯化微生物的平板分离法4、发展期1897年德国人E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的酒化酶对葡萄糖进行酒精发酵成功，开创微生物生化研究的新时代。主要特点进入了微生物生化水平的研究。应用微生物的分支学科更为扩大，出现抗生素等新学科。出现寻找各种有益微生物代谢产物的热潮。普通微生物学开始形成（代表人物：美国加里福利亚大学伯克利分校的M.Doudoroff）。各相关学科和技术方法相互渗透促进，加速了微生物学的发展。5、成熟期1953.4.25J.D.Waston和H.F.C.Crick在英国的《Nature》杂志上发表DNA双螺旋模型，生命科学进入分子生物学阶段。 主要特点微生物学发展成为一门十分热门的前沿基础学科。在基础理论的研究方面，微生物成为分子生物学研究中的最主要的对象。在应用研究方面，至70年代初，有关发酵工程的研究已与遗传工程、细胞工程和酶工程紧密结合，微生物成为新兴的生物工程中的主角。四、微生物学发展促进了人类进步医疗保健战线上的“六大战役”微生物在工业发展过程中的“六个里程碑”微生物学促进了农业的进步微生物与生态和环境保护的关系微生物学对生物学基础理论研究的贡献1、医疗保健战线上的“六大战役”外科消毒术的建立寻找人畜病原菌免疫防治法的应用化学治疗剂的发明抗生素治疗的兴起用遗传工程和生物工程技术使微生物生产生化药物2、工业发展过程中的“六个里程碑自然发酵与食品、饮料的酿造罐头保藏：1804年法国厨师N.Appert发明食品的玻璃瓶罐藏技术。厌氧纯种发酵技术深层液体通气搅拌培养代谢调控理论在发酵工业上的应用生物工程的兴起生物工程学以生物学（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，充分应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源性状的新物种，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。3、微生物学促进了农业的进步以菌治病，以菌治虫（微生物农药）以菌治草（微生物除草剂）以菌当饲料（单细胞蛋白作饲料）以菌当蔬菜（蘑菇、香菇、木耳等食用菌）以菌增肥（固氮菌）以菌促长（赤霉素等促进植物生长）以菌当药物（药用真菌）以菌产沼气（产甲烷菌）4、微生物与生态和环境保护生态食物链中的主角污水处理中的主角自然界物质循环的主角5、微生物学与生物学基础理论研究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。分子生物学的三大来源和三大支柱之一。遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展成为分子遗传学。微生物与基因工程高等生物研究和利用中的微生物化趋向方兴未艾微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学的各研究领域。独特的研究技术显微镜技术和制片染色技术无菌操作和消毒灭菌技术纯种分离和克隆技术菌种保藏技术原生质体制备和融合技术DNA重组技术基因组测序技术五、微生物学及其分科微生物学：在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学，其根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。微生物学的分科按研究微生物的基本生命活动规律为目的来分---普通微生物学按微生物应用领域来分---应用微生物学按研究的微生物对象分按微生物所处的生态环境分按学科的交叉、融合分按实验方法、技术分思考题什么是微生物和微生物学？微生物包括哪些类群？简述微生物发展史上5个时期的特点、代表人物及其主要成就。微生物有哪五大共性？试讨论五大共性对人类的利弊。试述微生物对当代人类实践、生命科学基础理论研究的重大贡献。

今天有收获吗？原核微生物

(Prokaryoticmicroorganisms)细菌(Bacteria)放线菌(Actinomycetes)支原体(Mycoplasma)立克次氏体(Rickettsia)衣原体(Chlamydia)蓝细菌（蓝藻或蓝绿藻）(Cyanobacteria)真核微生物(Eukaryoticmicroorganisms)Algae

Fungi

SlimemoldsProtozoa（藻类）（真菌）

（粘菌）（原生动物）Kmmmm

mnm

动、植物界

微生物界(包括动、植物的单细胞培养株)动、植物界与微生物界个体大小的比较

对1cm3固体作10倍系列三维分割后的比面值变化

边长立方体数总表面积比面值近似对象1.0cm16cm26豌豆1.0mm10360cm260细小药丸0.1mm106600cm2600滑石粉粒0.01mm1096000cm26,000变形虫1.0um10126m260,000球菌0.1um101560m2600,000大胶粒0.01um1018600m26,000,000大分子1.0nm10216000m260,000,000分子比面值=总表面积/体积若干微生物和动植物组织的比呼吸速率生物材料名称温度/℃-QO2*固氮菌属282000醋杆菌属301800假单胞菌属301200面包酵母28110肾和肝组织3710-20根和叶组织200.5-4*-QO2：每小时内每毫克生物干重所消耗O2的微升数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细菌藻类从医院分离到的S.aureus

耐青霉素菌株

年份194619471948194919571966

耐药株%1438596880＞97

Staphlococcusaurreus

金黄色葡萄球菌

0.02

g/ml/1943

耐药量提高10,000倍主要微生物的种数*类型种数低限倾向性种数高限病毒与立克次氏体支原体细菌与放线菌蓝细菌藻类真菌原生动物121742＞100012271505137175240681217421500150023100473002406812174215002500231006893930000总计7978098727127298*：本表参考Whittaker,R.H.etal.BiologydataBook,2nded.,vol.1,1972.p.529.

酿酒工艺归纳为三种谷物曲酿酒：谷物淀粉啤酒或醴（甜酒）：谷物淀粉葡萄等果酒：葡萄等果品曲（微生物酶）蘖（麦芽酶）直接压榨酵母菌酒蒸馏酒糖液若作酒醴，尔惟曲蘖医学之圣---张仲景《伤寒论》张仲景，名机，字仲景，河南省南阳县人。东汉末年(公元168年)是一个疫病流行的时期。他的家族本来是人丁兴旺，人口多达二百多人。在不到十年的时间里，就有一半的人因疫病死亡。“家家有僵尸之痛，室室有号泣之哀”；有感于此，张仲景痛下决心，潜心研究疫病的治疗。张仲景行医游历各地，亲眼目睹了各种疫病流行对百姓造成的严重后果，也借此将自己多年对伤寒症的研究付诸实践，进一步丰富了自己的经验，在总结前人研究的基础上，经过数十年含辛茹苦的努力，终于写成了一部名为《伤寒杂病论》的不朽之作。流行性疾病席卷罗马帝国欧洲大陆天花:公元165年，一场可怕的流行性天花席卷了整个罗马帝国。仅在罗马每天都有2000人死亡，它整整肆虐了15年，杀死了意大利全国人口的1/3。鼠疫：即黑死病，曾经是人类面对的又一个凶恶敌人。在公元3~6世纪，它席卷了整个罗马帝国。正是黑死病导致了东罗马帝国在公元7世纪的崩溃。公元1346~1361年，爆发了一场著名的黑死病潮，在这场病中，总共有2400万人死亡，相当于整个欧洲大陆人口的1/3。斑疹伤寒：1812年6月，这种由虱子传染的疾病曾经毁掉了拿破仑的大部分军队。拿破仑率领近50万大军入侵俄国，当大军行至波兰和俄国西部的时候，近半数士兵因斑疹伤寒和痢疾而死亡或丧失行动能力。当拿破仑下令撤出莫斯科的时候，他的军队只剩下8万人；而1813年6月撤退行动结束时，拿破仑手下只有3000多名士兵。流行性感冒：也是威胁人类生命的一大杀手，早在公元前4世纪就有这种病流行的记载。400多年前，意大利威尼斯城的一次流感大流行使六万人死亡，惊慌的人们认为这是上帝的惩罚，所以将这种病命名“魔鬼”。1957年和1968年发生的两次全球性流感，病人总数达10亿多。一场病魔的大屠杀如果一个种群从来没有接触过某种病毒，那么这种病毒对这个种群会有更大的杀伤力。西班牙人向美洲殖民的时候，将天花、麻疹、斑疹伤寒和流感带到了美洲，土著人对这些病根本没有抵抗力，对美洲的征服变成了一场病魔的大屠杀。西班牙人入侵时的墨西哥还有3000万居民，天花的侵袭使他们在40年后只剩下了300万，一个世纪后只剩下了160万。1、天花病毒（Smallpoxvirus）3000年前起源于印度或埃及病症：发热、大量水泡性红肿死亡率：30%以上；幸存者常伴随失明等严重残疾天花对历史的影响死于天花的帝王：中国清世祖爱新觉罗·福临（1661）日本天皇Gokomyo（1654）和Higashiyama（1709）;英国女皇玛丽二世（1694）俄国沙皇彼德二世（1730）法国国王路易十五（1774）奥地利皇帝Ferdinand四世（1654）和Joseph一世（1711）………墨西哥人口随着西班牙殖民者的到来而急剧下降1980年5月，WHO宣布消灭了天花！秦纳的牛痘接种宋真宗时代：种人痘防治天花→1796年英国人秦纳（E.Jener）发展种牛痘防治天花。2、伤寒病原体：伤寒沙门氏菌（Salmonellatyphi）肠道传染病，主要通过水源传播初期引起高烧（40oC)、发冷、头痛、肌肉痛、呕吐等症状可引起肠道出血和穿孔，造成死亡自古以来就是常见传染病汉代张仲景的《伤寒论》部分不发达地区80年代发病率仍达12－32％可用抗生素治疗，病死率已由10％降到1％以下伤寒的历史1607年-1624年：首批美洲定居者中出现暴发流行，死亡6000多人19世纪后期英国部队在南非战争中死亡1万3千人，而战争死亡为8千人美国1912年-1994年伤寒发生：伤寒的致病菌血症伤寒杆菌口、胃、小肠(淋巴结)血液坏死溃疡毒血症心脏网状内皮肝、脾、淋巴结、骨髓胆囊{3、细菌性痢疾志贺氏菌属任一种细菌感染所致引起全身中毒和大肠下部化脓性炎症通过食物传播发生率占传染病首位全球每年发生1.4亿病例，60万人死亡志贺氏菌细菌性痢疾的致病痢疾杆菌口、胃、小肠内毒素毒血症结肠肠痉挛粘膜炎症植物神经紊乱微循环障碍组织缺血缺氧4、霍乱霍乱弧菌引起经污染的水体传染传染性极强，可引起世界性大流行1817－1923年：6次世界大流行1832年：伦敦死亡4000人，巴黎死亡7000人1854年：英国死亡2万人，法国14万人发达国家通过清洁饮用水得到有效的控制近年来在印度、孟加拉、巴西等国流行，每年发病数万例。我国在新疆和海南也有发生1992年出现新霍乱－－O139霍乱，可能引起新的流行霍乱的致病霍乱弧菌口、胃、肠毒素刺激肠粘膜分泌功能亢进毒血症神经系统功能紊乱反射性呕吐血管张力减退血管通透性增强腹泻水及电解质丢失血液浓缩、血流缓慢肾功能不良5、破伤风破伤风杆菌外毒素引起破伤风杆菌：广泛分布于环境、土壤棒锤状：末端芽胞厌氧细菌经伤口感染破伤风感染中毒破伤风杆菌感染几乎不引起局部炎症症状；分泌外毒素，造成中枢神经系统急性中毒；中毒后，牙关紧闭，强直性痉挛，阵发性痉挛；死亡率高：平均死亡率20－30％；外毒素抗热，煮沸不能使之失活。破伤风致病破伤风杆菌伤口繁殖产生毒素{交感神经末梢兴奋心率加快、多汗、发热危象运动神经末梢中枢神经抑制性介质降低牙关紧闭、痉挛、肌肉强直WorldwideinfectiousdiseasestatisticsLouisPasteur，1822～1895曲颈瓶试验RobertKoch，1843~1910科赫确定病原菌实验相关性可分离培养可人工感染可再分离Watson、Crick发现的DNA结构的双螺旋模型李斯特—外科手术器械消毒奠基人约瑟夫·李斯特（J.Lister，1827-1892）英国爱丁堡医院的外科医生；提出微生物是外科手术感染的主要原因（1867）；发明用石炭酸消毒手术器械、衣物和手术环境，可大大降低感染的机会。

常规菌（或常规细胞株）

①遗传工程

改造物种

②细胞工程

“工程菌”（或“工程细胞株”）生物工程学

③微生物工程

④酶工程

⑤生物反应器工程

商品生产

经济效益