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全国生物竞赛辅导课件:微生物学(1)


微生物学
Microbiology

参考书目


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绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
原核微生物的形态、结构和功能 真核微生物的形态、结构和功能 病毒和亚病毒 微

生物的营养和培养基 微生物的新陈代谢 微生物的生长及其控制 微生物的遗传变异和育种 微生物的生态 传染与免疫 微生物的分类和鉴定





Introduction

一、什么是微生物
? 微生物(microorganism,microbe)

微生物并非生物分类学上的名词,而 是存在于自然界的一群个体微小(一般< 0.1mm)、结构简单、肉眼看不见或看不清楚, 必须借助光学或电子显微镜放大数百倍、数 千倍甚至数万倍才能观察到的低等生物的总 称。

?微生物的主要类群
微米级:光学显微镜下可见(细胞) 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,放线菌,蓝细菌,支原体,立克次氏体 衣原体,古生菌等 低(进化地位低) 真核类:真菌(酵母菌,霉菌,蕈菌),显微藻类 原生动物 非细胞类: 病毒 亚病毒(类病毒,卫星病毒,卫星RNA, 朊病毒)

小(个体微小) 微生物 简(结构简单)

二、微生物的五大共性
(一)比表面积大;

(二)代谢能力强,代谢类型多;
(三)生长繁殖快,容易培养; (四)适应能力强,易发生变异; (五)分布广泛,种类繁多

(一)比表面积大
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把一定体积的物体分割得越小,它们的总表面积就越大, 物体的表面积和体积之比称为比表面积。 一个典型的球菌,其体积仅1um3左右,可是其比面值却 极大。如果把人的比表面积值定为1,则大肠杆菌 (E.coli)的比表面积可高达30万!

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一个如此突出的小体积特大表面积的系统,正是微生物 与一切大型生物相区别的关键所在。了解了这点,我们 就比较容易理解微生物的许多特性了。

(二)代谢能力强,代谢类型多
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代谢能力强

微生物的代谢能力比动植物强得多。它们个体小,比 表面积大,一个或几个细胞就是一个独立的个体,能迅速 与周围环境进行物质交换,因而具有很强的合成与分解能 力。 例如:
大肠杆菌每小时可分解自重1000~10000倍的乳糖; 乳酸细菌每小时可产生自重1000倍的乳酸; 产朊假丝酵母(Candida utilis)合成蛋白质的能力是大豆 的100倍,是肉用公牛的10万倍。 微生物高效率的吸收转化能力具有极大的应用价值。

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代谢类型多
微生物代谢类型之多是动植物所不及的。它们几 乎能分解地球上的一切有机物,也能合成各种有机物。 微生物的代谢产物极多,仅抗生素已发现9000多 种。微生物有多种产能方式,有的利用分解有机物放 出的能量;有的从无机物的氧化中获得能量;有的能 利用光能,进行光合作用。有的能进行有氧呼吸;有 的能进行无氧呼吸。有的能固定分子态氮;有的能利 用复杂有机氮化物。有的微生物具有抗热、冷、酸、 碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的特殊能力。

(三)生长繁殖快,容易培养
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生长繁殖快
微生物的繁殖速度是动植物无法比拟的。

例如:大肠杆菌的细胞在合适的生长条件下,每分 裂1次的时间是12~20分钟,如按每20分钟分裂1次 计,则每小时可分裂3次,每昼夜可分裂72次,后 代数为:4 722 366 500万亿个(重约4722t),48 小时为22×1046个(约等于4000个地球重)。但是 当菌数增加,营养消耗,代谢积累,就会限制生长 速度。

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分裂时间:乳酸菌28分钟、根瘤菌110分钟、光合细菌 144分钟、硅藻17小时、草履虫10.4小时。 微生物的快速繁殖能力应用在工业发酵上可以大大提高 生产率,运用于科学研究中可以大大缩短科研周期。当 然,必须防止病原微生物和腐败微生物的危害。

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容易污染
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容易培养 微生物培养容易,能在常温常压下利用简 单的营养物质,甚至工农业废弃物生长繁殖, 积累代谢产物。 利用微生物发酵法生产食品、医药、化工 原料等具有许多优点:设备简单,不需要高 温、高压设备;原料广泛,可用廉价的甘薯 粉、米糠、麸皮、玉米粉及废糖蜜、酒糟等 工农业副产品;不需要催化剂;产品一般无 毒。工艺独特,成本低廉,可因地制宜,就 地取材。

(四)适应能力强,易发生变异;
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适应能力强 微生物具有极灵活的适应性,这也是动植 物无法比拟的。为了适应多变的环境条件,微 生物在长期的进化中产生了许多灵活的代谢调 控机制,并有很多种诱导酶。 微生物对环境条件尤其是恶劣的“极端环 境”具有惊人的适应能力。

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例如: 海洋深处的某些硫细菌可在10O℃以上的 高温下正常生长,一些嗜盐细菌能在32%的 盐水中正常活动。许多微生物尤其是产芽孢 的细菌可在干燥条件下保藏几十年、几百年 甚至上千年;氧化硫硫杆菌是耐酸菌的典型, 它的一些菌株能生长在pH0.5的 H2SO4中;有 些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌的生长最高pH 值为10.7,有些青霉和曲霉也能在pH9~11的 碱性条件下生长。

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易发生变异

微生物个体微小,易受环境条件影响,加 之繁殖快,数量多,容易产生大量变异的后代。 对人类有利的方面,可从不良菌种诱变为 优良菌种,大大提高质量、数量;不利的方面, 使优良菌种退化成劣质菌株,或者突变一个人 类不能对付的菌株而遭灾 。

例如,青霉素生产菌产黄青霉(Penicillium chrysogenum)1943年每毫升发酵液只含约20单位 的青霉素。经过多年的选育,变异逐渐积累, 该菌目前每毫升发酵液青霉素含量已接近10万 单位。当然,事物总是一分为二的。微生物容 易发生变异的特性在某些方面对人类也有害, 如致病菌对青霉素等抗生素的抗药性,几十年 来由于变异的不断积累,使抗生素的治疗效果 不断下降。这一特性还常导致菌种衰退。

(五)分布广泛,种类繁多
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分布广泛 微生物在自然界分布极为广泛。土壤、空 气、河流、海洋、盐湖、高山、沙漠、冰川、 油井、地层下以及动物体内外、植物体表面等 各处都有大量的微生物在活动。 种类繁多 迄今为止,我们所知道的动物约有150万种, 植物约有50万种,微生物约有15万种。

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分布广泛

例如: (1)人体肠道中的正常菌群 在人体肠道中经常 聚居着100~400种不同种类的微生物,估计它们的 个体总数大于 100万亿,重量约等于粪便干重的 1 /3。 (2)万米深海底部的耐热硫细菌 它们以地壳中逸 出的硫化氢气体为能源,以二氧化碳为碳源,在厌 氧条件下营自养生活; (3)万米高空中的微生物 70年代末,人们用地球 物理火箭从85km的高空采集微生物。

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种类繁多 据统计,目前已发现的微生物有约15万 种。更大量的微生物资源还有待我们发掘。 随着分离、培养方法的改进和研究工作的深 入,微生物的新种、新属、新科,甚至新目、 新纲不断发现。有人估计已发现的微生物种 类至多也不超过自然界中微生物总数的10%。 可以相信,随着人类认识和研究工作的发展, 总有一天微生物的总数会超过动植物的总和。

微生物的种类多主要表现在以下方面:
(1)物种的多样性 (2)微生物的生理代谢类型多 (3)代谢产物种类多 (4)遗传基因的多样性 (5)生态类型的多样性

三、微生物学及其主要分科
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微生物学(microbiology)是一门在细胞、
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。

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微生物学的重要性在于:既是应用学科,又是 基础学科。
微生物学经历了一个多世纪的发展,已分化出 大量的分支学科,据不完全统计(1990年), 已达181门之多。

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?微生物学工作者的任务:

将对人类有益的微生物用于生产实际,对人类有 害的微生物予以改造、控制和消灭;使微生物学朝向 人类需要的方向发展。
?微生物学的重要性在于:

既是应用学科,又是基础学科。

四、微生物与人类的关系

1.在自然界中元素的循环 2.在工业方面的作用 3.在农业方面的作用 4.在医药方面的作用

绝大多数微生物对 人类和动、植物是 有益的,而且有些 是必需的。

环境

微生物在碳循环、氮循环和磷循环中承担主要作用,构 成生物体的所有基本成分。微生物可作为环境中有毒化 合物的清洁剂以处理工业废水、城市垃圾等。

医药

利用微生物生产生长刺激素、甾体药物、抗生素、维 生素、疫苗、菌苗,用于免疫诊断药物、单克隆抗体 和抗癌药物的研制。

农业

利用病原微生物防治害虫,是近二三十年才发展起来 的一个领域,从而出现了微生物农药。大量研究表明 这类农药无公害,对人畜等无害。

科学研究
微生物由于比其更复杂的动植物更容易操作,已被广泛用 作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程。几百万个同 样的、单细胞的拷贝,能以大量、非常快速而且低值获得 均质的实验材料。

食品与发酵工业
微生物在生产食品的许多加工业中已被应用了几千年,如 酿酒、面包制作等。微生物用于氨基酸、有机酸、核苷酸 类物质的大量生产,用于食用及饲料蛋白(单细胞蛋白)、 酶制剂、植物激素、新型农药的研制或生产。

Aeration tank of an activated sludge installation in a metropolitan sewage treatment plant

微生物农药是利用微生物或其产物 来防治农作物病虫害的一种农药,所以 人们称它为“活农药”。害虫吞食、接 触或病菌、杂草感染后,通过微生物的 活动、毒素的作用而使病菌、害虫杂草 的新陈代谢受影响,破坏了机体器官, 阻碍它们的发育繁殖或变态,使它们发 生病变而死亡,或者生长畸形而断子绝 孙,从而达到治虫防病灭草的目的。

Microbial products: microbial cells, enzymes, pharmaceutical products Specialty Chemicals and food additives

Laboratory process development
Shake Flask Experiments Industrial Scale up

Example : Alkoholic Drinks

此外,如微生物发酵产生沼气,以微生物为 能源的微生物电池,微生物对纤维素分解转 化作用的利用,应用微生物冶金,利用微生 物富集贵重金属,利用微生物开采石油等。 微生物学的研究在控制传染病,保障人民身 体健康方面,也是成果累累。危害人类多年 的一些传染病有的已在地球上绝迹,有的已 被控制。微生物学已成为人类生存休戚相关 的一门学科。

病原微生物

五、微生物学的发展简史
微生物的发现 微生物学发展的奠基者

现代微生物学的发展
我国微生物学的简况

微生物学的发展
古代人类对微生物的利用 形态学时期
生理学时期 现代微生物学时期

微生物的发现
人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞的一 段漫长历史阶段,但人们凭借经验在实践中开 展利用有益微生物和防治有害微生物的活动。 ? 例如: 制曲酿酒、乳品发酵、制酱、制醋、腌 菜、细菌冶金、沤粪肥田、提倡轮作、刮骨疗 毒、种痘防花、麦曲治泻等。
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17世纪,荷兰人列文虎克用自制的简单显微镜( 可放大50~300倍)观察牙垢、雨水、井水和植物浸 液后,发现其中有许多运动着的“微小动物”,并 用文字和图画科学地记载了人类最早看见的“微动 体”——细菌的不同形态(球状、杆状和螺旋状等) 。过了不久,意大利植物学家米凯利也用简单的显 微镜观察了真菌的形态。

列文虎克是一位敏锐的观察家而不是理论家,他本人并不认 识到其发现的重要意义,直到相隔100年以后,才由其他自然科 学家对微生物进行重新观察和鉴定 。

Anthnoy van Leeuwenhoek

1684年寄 给皇家协 会信的部 分内容

列文虎克 (Anthnoy van Leeuwenhoek)
他的贡献主要有三方面: ①利用单氏显微镜观察了许多 微小物体和生物,并于1676年首 次观察到形态微小、作用巨大的 细菌,从而解决了认识微生物世 界的第一个障碍; ②一生制作了419架显微镜或 放大镜可放大50~300倍; ③发表过约400篇论文,其中 绝大部分(375篇)寄往皇家学 会发表。

微生物学发展的奠基者
继列文虎克发现微生物世界以后的200年间,微生 物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类的阶段。 直到19世纪中期,以法国的巴斯德(Louis Pasteur, 1822~1895)和德国的柯赫(Robert Koch,1843~1910) 为代表的科学家才将微生物的研究从形态描述推进到生 理学研究阶段,揭示了微生物是造成腐败发酵和人畜疾 病的原因,并建立了分离、培养、接种、灭菌和染色等 一系列独特的微生物技术,从而奠定了微生物学的基础, 同时开辟了医学和工业微生物等分支学科。

路易· 巴斯德 (Louis Pasteur,1822~1895) 法国的化学家和伟大的微 生物学家。1847年巴黎师范学 院毕业,巴斯德贡献不但在微 生物学基础理论方面,而且在 实用技术方面也为人类造福。

微生物学之父

巴斯德的主要贡献
(1)彻底否定了“自然发生说” 曲颈瓶试验 (2)免疫学——预防接种 1877年研究鸡霍乱,发现将 病原菌减毒可诱发免疫性,以预防鸡霍乱;其后又研究牛、 羊炭疽病和狂犬病,首次制出狂犬疫苗,证实其免疫学说, 为人类防病、治病作出了重大贡献。

(3)证实发酵是由微生物引起的

认为一切发酵作用 都可能和微生物的生长繁殖有关。巴斯德分离了许多引起发 酵的微生物,并证实酒精发酵是由酵母菌引起的,此外还发 现乳酸发酵、醋酸发酵和丁酸发酵都是由不同细菌引起的。

(4)其他贡献 巴斯德消毒法、家蚕软化病问题的解决、
推动了微生物病原学说的发展。

曲颈瓶实验

Pasteur’s swan neck flasks used in his experiments on the spontaneous generation of microorganisms

细菌学奠基人

罗佰特· 柯赫 (Robert Koch,1843—1910)
Koch毕业于医学院,专门研究细菌, 特别是病原菌,毕生研究的成果主要是:

①证实病害的病原菌学说(摸清引起病害 的微生物生活史、生理生态等)。
②建立微生物学研究基本技术,创立了用 固体培养基分离纯化微生物的技术,还创 用了显微镜技术,为发现多种传染病的病 原菌提供实验手段。

在病原菌研究方面的主要贡献

①具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌; ②发现了肺结核病的病原菌,这是当时死亡率极高的传染性疾病,因此 科赫获得了诺贝尔奖。并提倡采用消毒和杀菌方法防止这些疾病的传 播;他的学生们也陆续发现白喉,肺炎、破伤风、鼠疫等的病原细菌 ,导致了当时和以后数十年间人们对细菌给予高度的重视; ③提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——科赫法 则。
科赫法则: 1.特殊的病原菌应在同一疾病中查见,在健康人中不存在;2.该病原菌能被 分离培养得纯种;3.该纯培养物接种至易感动物,能产生同样病症;4.自人 工感染的实验动物体内能重新分离得该病原菌纯培养。

在微生物基本操作技术方面的贡献

1、配制培养基; 2、利用固体培养基分离纯化微生物技术(采 用了以琼脂作凝固剂的培养基培养细菌和 分离单菌落而获得纯培养的操作过程); 3、创立了许多显微镜技术(细菌的染色方法 等); 4、规定了鉴定病原细菌的方法和步骤。

?1892年,俄国伊凡诺夫斯基 Dmitrii Ivanowski (1864~1970 )首先发现病毒,得到了烟草花叶病毒, 从而开始了人们对病毒的深入研究。

现代微生物学的发展
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进入20世纪,由于电子显微镜的发明、同位素示 踪原子的应用,以及生物化学、生物物理学等边 缘学科的建立,推动了微生物学向分子水平的纵 深方向发展。

?1929年弗来明Alexander Fleming (1881-1955) 发现青霉菌能抑制细菌生长,抗生素诞生。

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1935年斯坦来得到烟草花叶病毒结晶,1937年鲍登 等证实该结晶为核蛋白,为探索生命本质和起源提 供了线索。 1939年电子显微镜问世,考雪第一次用电子显微镜 观察到了棒状的烟草花叶病毒。

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1944年埃弗里证实了引起肺炎链球菌形成荚膜的这 一遗传性状转化的物质是脱氧核糖核酸,标志着分 子生物学的开始。 70年代以来,基因的人工合成与基因的体外操纵使 得按照人们的需要去定向改造和创建新的微生物类 型成为可能。

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?1983年发现AIDS病毒。
?1990年人类基因组

计划正式启动。

HIV模型图

?1997绵羊多利诞生。

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21世纪微生物学将进一步向地质、海洋、大气、 太空等领域渗透,使更多的边缘学科得到发展, 如地质微生物学、海洋微生物学、大气微生物 学、太空微生物学及极端环境微生物学等。微 生物与能源、信息、材料、计算机的结合也将 开辟新的研究领域。微生物学的研究技术和方 法也将会在吸收其他学科的先进技术的基础上, 向自动化、定向化和定量化发展。

微生物产业在21世纪将呈现全新的局面。微生 物产业除了更广泛的利用和挖掘不同生境的自 然资源微生物外,基因工程菌将形成一批强大 的工业生产菌生产外源基因表达的产物,特别 是药物的生产将出现前所未有的新局面。 此外微生物工业将生产各种各样的新产品,如 降解性塑料、生物能源等,为世界的经济和社 会发展作出更大的贡献。

我国微生物学的简况
我国劳动人民对微生物的认识和利用很早,但 是微生物作为一门科学进行研究,起步较晚。 现代化的发酵工业、抗生素工业、生物农药和 菌肥工作已经形成一定的规模。改革开放以来, 我国微生物学无论是在应用还是基础理论研究 方面都取得了重要的成果。 但是我国微生物学绝大多数领域与国外先进水 平相比,尚有相当大的差距。

思考题
什么是微生物,它包括哪些类群? 简述微生物的生物学特征,并举例说明。 为什么说巴斯德是微生物学的真正奠基人?

科赫在微生物学研究方法和病因论方面有何 贡献?
试述微生物与工农业生产和环境保护的关系。


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