微生物第一章緒論課件

1、第一節(jié) 微生物學(xué)的研究對 象、作用和分科第二節(jié) 微生物學(xué)的發(fā)展簡史 第一章緒 論第一節(jié) 微生物學(xué)的研究對象、作用和分科一、微生物學(xué)的研究對象 二、微生物的作用（任務(wù)）三、微生物的基本研究方法四、微生物學(xué)的分支學(xué)科 微生物(microorganisms)是指廣泛存在于自然界中的一大群個體體積微小，結(jié)構(gòu)簡單，大多是單細(xì)胞，少數(shù)是多細(xì)胞，甚至沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物。 1、什么是微生物？ 這些微小的生物必須借助于光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡才能看清它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)。 一、微生物學(xué)的研究對象 不具細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒、亞病毒因子（類病毒、衛(wèi)星病毒、衛(wèi)星RNA、朊病毒）具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、支原體、衣原體

2、、立克次氏體、螺旋體等原核生物包括酵母菌、霉菌、蕈菌等真菌及單細(xì)胞藻類、原生動物等原生生物的真核生物2、微生物在生物界的地位對于生物的分類，過去很長一段時間人們曾把所有的生物分為動物界和植物界兩大類。 微生物中有些類群，如原生動物，細(xì)胞柔軟而不具細(xì)胞壁，可運(yùn)動，不行光合作用，屬于動物界。有些類群，如藻類具細(xì)胞壁，行光合作用，歸于植物界。但是許多細(xì)菌具細(xì)胞壁、可運(yùn)動，又不行光合作用，將它們歸于植物界或動物界均不合適。后來有人提出另立微生物界或原生生物界的創(chuàng)意，而與動物界和植物界相并列。 直到1969年魏塔克（R.Whittaker）首先提出了五界分類系統(tǒng)，他將所有的生物分為： 微生物的個體極其微

3、小，要測量它們，必須要在顯微鏡下用測微尺測量，以um或nm作單位。如一個典型的球菌體積僅為um3.小的細(xì)菌甚至比大的病毒還要小；有些微生物甚至比蛋白質(zhì)分子還要小，如植物雙粒病毒，直徑僅有18-20nm。 3、微生物的主要特點(diǎn)個體微小、結(jié)構(gòu)簡單 它們的結(jié)構(gòu)也是非常簡單的，大多數(shù)微生物為單細(xì)胞，只有少數(shù)為簡單的多細(xì)胞，有的甚至是分子生物。如馬鈴薯紡錘形塊莖病毒（PSTV）僅是由359個核苷酸組成的單鏈環(huán)狀RNA，長度為50nm；朊病毒僅由蛋白質(zhì)分子組成。 生物界中，微生物具有驚人的生長繁殖速度，其中二等分裂的細(xì)菌尤為突出。人們研究得最透徹的微生物是E. coli，其細(xì)胞在合適的生長條件下，每分裂一

4、次的時間是12.5-20.0 min。如按每20min繁殖一代，則每小時分裂3次，24小時可繁殖72代，一個細(xì)胞可繁殖達(dá)到4.7221024個。 代謝旺盛，繁殖快速 在合適的培養(yǎng)條件下細(xì)菌呈指數(shù)級生長 微生物對環(huán)境條件特別是“極端環(huán)境”具有驚人的、極其靈活的適應(yīng)性，諸如抗熱性、抗寒性、抗鹽性、抗酸性、抗壓力等能力，這是高等動植物無法比擬的 。例如：在海洋深處的某些硫細(xì)菌可在250-300之間生長；嗜鹽細(xì)菌可在飽和鹽水中正常生長繁殖；氧化硫桿菌在PH0.5-2.0（5-10%的硫酸）的酸性環(huán)境中生長；脫氮硫桿菌生長的最高PH為10.7。適應(yīng)性強(qiáng)、易變異 以青霉素的產(chǎn)量變異為例，1943年每毫升青

5、霉素發(fā)酵液中該菌只分泌約20單位的青霉素，通過遺傳育種和菌種人員的努力，青霉素的發(fā)酵水平已超過5-10萬單位/ml。 微生物的個體一般都是單倍體，加之它具有繁殖快、數(shù)量多以及與外界環(huán)境直接接觸等原因，雖然微生物的變異頻率僅為(10-6-10-9)，也可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量變異的后代。在微生物育種中利用變異這一特性可獲得高產(chǎn)菌株而大大降低成本。當(dāng)然，病原菌產(chǎn)生的耐藥性變異也很常見。 青霉素43年剛問世時，對Staphylococcus aureusr 最低制菌濃度為0.02ug/ml,由于突變原因制菌濃度不斷提高，有的菌株的耐藥性竟比原始菌株提高了1萬倍。在40年代用青霉素治療時，即使是嚴(yán)重感染的

6、病人，每天只需10萬單位，前幾年成人需160萬單位，新生兒也不少于40萬單位。病情嚴(yán)重時，甚至用數(shù)千萬。說明“濫用抗生素?zé)o異于玩火”的口號是有充分科學(xué)依據(jù)的。 微生物是無處不有無處不在，在生物圈的每一個角落都有微生物蹤跡。如：土壤、空氣、水體、動植物的體表，人體體腔（100-400種，總數(shù)約為100萬億），其中數(shù)量最多的是（脆弱擬桿菌）。海底（硫細(xì)菌，100，140個大氣壓）、高空等極端環(huán)境到處都有微生物的存在；由于微生物的發(fā)現(xiàn)比較遲，加上鑒定微生物種的工作以及劃分種的標(biāo)準(zhǔn)等問題較復(fù)雜，所以目前確定微生物種數(shù)只有10萬多種。隨著分離、培養(yǎng)方法的改進(jìn)和研究工作的進(jìn)一步的深入，將會有更多的微生物被

7、發(fā)現(xiàn)。種類繁多，分布廣泛 微生物復(fù)雜的生物多樣性形成了代謝的多樣性，從而為人類提供了豐富的資源寶庫。 科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)微生物吸收和轉(zhuǎn)化物質(zhì)的能力比動物、植物要高很多倍，如在合適的環(huán)境下，Escherichia coli每小時內(nèi)可消耗其自重2000倍的乳糖。Candidautilis(產(chǎn)朊假絲酵母)合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍,比食用公牛強(qiáng)1萬倍，微生物的這個特性為它們的高速生長繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。吸收快，轉(zhuǎn)化力強(qiáng) 從而使微生物有可能更好地發(fā)揮“活的化工廠”的作用，人類對微生物的利用主要體現(xiàn)在它們的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化能力上。2.農(nóng)業(yè)上：細(xì)菌肥料（5406）、植物生長激素、發(fā)酵

8、飼料、生物殺蟲劑。3.工業(yè)上：釀造、食品、紡織、皮革、石油、發(fā)酵、細(xì)菌冶金。4.醫(yī)藥上：抗生素、菌體制劑、維生素、AA、E及酸制劑。5.動物體內(nèi)正常菌群。6.凈化環(huán)境：利用微生物處理污水7.產(chǎn)生沼氣：CH41.微生物與糧食 糧食生產(chǎn)是全人類生存中至關(guān)重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改進(jìn)作物特性（如構(gòu)建固氮植物）、促進(jìn)糧食增產(chǎn)、防治糧食作物的病蟲害、防止糧食霉腐變質(zhì)以及把多余糧食轉(zhuǎn)化為糖、單細(xì)胞蛋白、各種飲料和調(diào)味品等方面，都可大顯身手。把自然界蘊(yùn)藏量極其豐富的纖維素轉(zhuǎn)化成乙醇,國家推廣乙醇汽油玉米，山東省極力種植乙醇-甜高粱、小桐子等耐鹽堿非糧植物發(fā)展生物燃料，目前我國有四個生產(chǎn)工廠，201

9、0年非糧乙醇計劃達(dá)200萬噸，2020年生物燃料總量達(dá)到1200萬噸。2微生物與能源利用產(chǎn)甲烷菌把自然界蘊(yùn)藏量最豐富的可再生資源轉(zhuǎn)化成甲烷通過微生物發(fā)酵產(chǎn)氣或其代謝產(chǎn)物來提高石油采收率；利用光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌或厭氧梭菌等微生物生產(chǎn)“清潔能源”-氫氣；傳統(tǒng)的：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、蘋果酸等；3. 微生物與資源另外：微生物在金屬礦藏資源的開發(fā)和利用上也有獨(dú)特的作用。 微生物能將地球上永無枯竭的纖維素等可再生資源轉(zhuǎn)化成各種化工、輕工和制藥等工業(yè)原料?，F(xiàn)代的：水楊酸、烏頭酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、長鏈脂肪酸、亞麻酸油和聚羥基丁酸酯（PHB）等； 利用微生物肥料、微生物殺蟲劑或農(nóng)用抗生素來

10、取代能造成環(huán)境惡化的各種化學(xué)肥料或化學(xué)農(nóng)藥；4.微生物與環(huán)境保護(hù)利用EMB培養(yǎng)來檢測飲水的腸道病原菌等。 利用微生物技術(shù)來監(jiān)測環(huán)境的污染度，如用艾姆氏法檢測環(huán)境中的“三致”物質(zhì)； 利用微生物來凈化生活污水和有毒工業(yè)污水； 利用微生物生產(chǎn)的PHB（聚羥基丁酸酯）制造易降解的醫(yī)用塑料制品以減少環(huán)境污染； 利用微生物降解化肥和農(nóng)藥殘留生產(chǎn)綠色食品；防治各類疾病的主要手段是各種微生物產(chǎn)生的藥物：抗生素、干擾素和白細(xì)胞介素等高效藥物紛紛轉(zhuǎn)向由“工程菌”來生產(chǎn)。5.微生物與人類健康此外，一大批與人類健康、長壽有關(guān)的生物制品，如疫苗、類毒素等均是微生物產(chǎn)品。與人類生殖、避孕等密切相關(guān)的甾體激素類藥物。2.發(fā)

11、展了生命科學(xué)中許多研究和生物工程技術(shù)20世紀(jì)70年代基因載體（質(zhì)粒等）建立基因庫、DNA結(jié)構(gòu)、單克隆抗體、工具酶等。3.揭示生命科學(xué)本質(zhì)的重要途徑支原體（獨(dú)立）、細(xì)菌視紫紅質(zhì)，極端生物（250-300。-12）4.微生物與諾貝爾1911年勞氏瘤病毒，反轉(zhuǎn)錄 。三、微生物的基本研究方法光學(xué)顯微鏡的誕生，它將肉眼的分辨率提高到微米級水平，而電子顯微鏡的出現(xiàn)使人眼分辨達(dá)到納米水平。列文虎克是第一個用顯微鏡來觀察和描述微生物的。1.顯微鏡技術(shù)無菌操作純種分離技術(shù)是人類揭開微生物世界奧秘的重要手段。要揭開在自然條件下處于雜居混生狀態(tài)的某一微生物的特點(diǎn)，以及它們對人類是有益還是有害，就必須采用在無菌技術(shù)基

12、礎(chǔ)上的純種分離方法。早期對微生物群體進(jìn)行單個純化分離者是李斯特。但真正取得突破的是柯赫發(fā)明的培養(yǎng)皿瓊脂平板技術(shù)。3.純種分離技術(shù) 微生物純種培養(yǎng)技術(shù)在科學(xué)實驗和生產(chǎn)實踐中有著極其重大的理論與實踐意義。要使微生物在大規(guī)模生產(chǎn)中良好地生長或累積代謝產(chǎn)物，就得考慮最為合理的培養(yǎng)裝置和有效的工藝條件，并且還要在整個微生物的發(fā)酵過程中嚴(yán)防其他微生物的干擾，即防止雜菌污染。發(fā)酵罐的發(fā)明及大規(guī)模地普及使用，為生物工程學(xué)開辟了嶄新的前景。同時微生物發(fā)酵工業(yè)也已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一。 4.純種培養(yǎng)技術(shù)四、微生物學(xué)的分支學(xué)科1.按研究微生物學(xué)基本生命活動規(guī)律為目的來分有：微生物分類學(xué)、微生物生理學(xué)、微生物生

13、態(tài)學(xué)、微生物遺傳學(xué)等。2.按微生物的研究對象分有：細(xì)菌學(xué)、真菌學(xué)、病毒學(xué)、菌物學(xué)、藻類學(xué)等。4.按微生物所在的生態(tài)環(huán)境分有：土壤微生物學(xué)、海洋微生物學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、宇宙微生物學(xué)等。 3.按微生物的應(yīng)用領(lǐng)域分有：農(nóng)業(yè)微生物、工業(yè)微生物、醫(yī)學(xué)微生物、食品微生物、乳品微生物學(xué)、石油微生物學(xué)、獸醫(yī)微生物、藥物微生物、預(yù)防微生物學(xué)等。 各分支學(xué)科相互交叉，互相配合，互相促進(jìn)，有利于整個微生物學(xué)全面深入的發(fā)展。第二節(jié) 微生物學(xué)的發(fā)展簡史 一、我國古代對微生物的認(rèn)識和利用二、微生物的發(fā)現(xiàn)與奠基三、微生物應(yīng)用展望及其所對應(yīng)的職業(yè)崗位4600多年前國策魏策中記載“后世必有以酒之其國者”，“儀狄作酒”等記載，說

14、明已利用微生物釀酒了。公元前10世紀(jì)：我國祖先利用豆類在霉菌作用下制醬公元前6世紀(jì)：賈思勰、齊民要術(shù)記載制醋方法。公元前6世紀(jì)，556年：已知驅(qū)狂犬，防傳染病公元11世紀(jì)：宋代，種人痘預(yù)防天花已相當(dāng)普遍。1798年英國醫(yī)生秦納（E。Jenner）由種人痘發(fā)展為種牛痘。一、我國古代對微生物的認(rèn)識和利用1.史前期 時間：推測時期大約距今8000年1676年間，此期是指人類還未見到微生物個體尤其是細(xì)菌細(xì)胞前的一段漫長的歷史時期。開創(chuàng)者：各國勞動人民，其中尤以我國的制曲、釀酒技術(shù)著稱。特 點(diǎn)：未見細(xì)菌等微生物個體；憑實踐經(jīng)驗利用微生物的有益活動（釀酒、制醬、釀醋、漚肥、輪作、治?。?。二、微生物的發(fā)現(xiàn)與

15、奠基2.初創(chuàng)期（觀察時期） 時 間：16761861開創(chuàng)者：列文虎克（Leeuwenhoek )當(dāng)時他為布店的學(xué)徒工，對制造高倍擴(kuò)大鏡特別感興趣 。二、微生物的發(fā)現(xiàn)與奠基特 點(diǎn)：自制的單式顯微鏡觀察到細(xì)菌的個體；對一些微生物形態(tài)進(jìn)行描述。為微生物的存在提供了有力的證據(jù)，對以后微生物的研究創(chuàng)造了條件。這便是微生物的啟蒙時代。 Anthnoy van Leeuwenhoek1684年寄給皇家協(xié)會信的部分內(nèi)容1676年，微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克首次觀察到了細(xì)菌。他沒有上過大學(xué)，是一個只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學(xué)會的會員。 列文虎克是一位敏銳的觀察家而不是理論家，他本人并不

16、認(rèn)識到其發(fā)現(xiàn)的重要意義，直到相隔100年以后，才由其他自然科學(xué)家對微生物進(jìn)行重新觀察和鑒定 。時 間：18611897開創(chuàng)者：Pasteur和Koch3.奠基期特 點(diǎn)：建立了一系列研究微生物所必要的獨(dú)特方法；借助于良好的研究方法，開創(chuàng)了尋找病原微生物的“黃金時期”；把微生物的研究從形態(tài)描述推進(jìn)到生理學(xué)研究的新水平；微生物學(xué)以獨(dú)立的學(xué)科形式開始形成。法國人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）德國人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）1.巴斯德 (1) 發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)酵是由微生物引起的(2) 徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說化學(xué)家出生的巴斯德涉足微生物學(xué)是為了治療“酒病

17、”和“蠶病”實驗得出令人信服的結(jié)論：腐敗物品上的微生物，來自空氣中的種子。 (3) 免疫學(xué)預(yù)防接種首次制成狂犬疫苗(4)其他貢獻(xiàn)：巴斯德消毒法：6065作短時間加熱處理，殺死有害微生物；家蠶軟化病問題的解決 2 羅佰特柯赫 細(xì)菌學(xué)奠基人一、在微生物基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)：1、配制培養(yǎng)基；2、利用固體培養(yǎng)基分離純化微生物技術(shù)（采用了以瓊脂作凝固劑的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌和分離單菌落而獲得純培養(yǎng)的操作過程）；3、創(chuàng)立了許多顯微鏡技術(shù)（細(xì)菌的染色方法等）；4、規(guī)定了鑒定病原細(xì)菌的方法和步驟。 二、對病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn)：a）具體證實了炭疽桿菌是炭疽病的病原菌；b）發(fā)現(xiàn)了肺結(jié)核病的病原菌；（1905

18、年獲諾貝爾獎）c）證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則 著名的柯赫定理： 1 在每一相同病例中都出現(xiàn)這種微生物；2 要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來。3 用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主，同樣的疾病會重復(fù)發(fā)生；4 從試驗發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來。時 間：18971953開 創(chuàng) 者：Buchner（布赫納）4.發(fā)展期 特 點(diǎn)：進(jìn)入微生物生化水平的研究； 應(yīng)用微生物的分支學(xué)科更為擴(kuò)大， 出現(xiàn)了抗生素等學(xué)科； 開始尋找各種有益微生物代謝產(chǎn) 物； 普通微生物學(xué)開始形成； 各相關(guān)學(xué)科和技術(shù)方法相互滲透， 相互促進(jìn)，加速了微生物學(xué)的發(fā)展。時 間：1953至今5

19、.成熟期特 點(diǎn)：微生物學(xué)從一門在生命科學(xué)中較為孤立的以應(yīng)用為主的學(xué)科，成為一門十分熱門的前沿基礎(chǔ)學(xué)科；在基礎(chǔ)學(xué)理論的研究方面，逐步進(jìn)入到分子水平的研究，微生物迅速成為分子生物學(xué)研究中的最主要的對象；在應(yīng)用研究方面，向著更自覺、更有效和可人控制的方向發(fā)展； 20世紀(jì)70年代后微生物成為生物工程學(xué)科的主角三、微生物應(yīng)用展望及其所對應(yīng)的職業(yè)崗位20世紀(jì)八十年代，在世界范圍內(nèi)興起了新技術(shù)革命的浪潮，所謂新技術(shù)革命即：信息技術(shù)、新型材料、新的能源、海洋開發(fā)和生物工程等新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。 生物工程并不是一門全新的學(xué)科，生物工程包括五大工程，即基因工程、細(xì)胞工程、微生物工程（發(fā)酵工程）、酶工程和生物反應(yīng)器

20、工程。在這五大領(lǐng)域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細(xì)胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來基因，成為能表達(dá)超遠(yuǎn)緣性狀的新物種“工程菌”或“工程細(xì)胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益 和社會效益?；蚬こ淘谏锕こ讨芯哂兄匾淖饔茫驗椤胺N”是最重要的。人們可以通過基因工程這個實驗技術(shù)在DNA的分子水平上動手術(shù)，將一種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)胞中去，而使之具有新的遺傳性狀，產(chǎn)生大量的新產(chǎn)品。如： 利用這種技術(shù)在20世紀(jì)八十年代后生產(chǎn)出了商品胰島素、激素、疫苗，現(xiàn)在不僅能在微生物間的D

21、NA分子水平上動手術(shù)，在遠(yuǎn)緣生物間同樣進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移，如科學(xué)家已將雞卵清蛋白基因、大豆球蛋白基因成功的轉(zhuǎn)移到大腸桿菌細(xì)胞中，通過對大腸桿菌的培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)出雞卵清蛋白和大豆球蛋白?，F(xiàn)在已有許多動植物的產(chǎn)品由微生物大量生產(chǎn)。 如今，基因工程載體的構(gòu)建、質(zhì)粒的改造、基因庫的建立和保存、基因的正確表達(dá)及產(chǎn)物的獲得、后基因組計劃等同樣離不開微生物。21世紀(jì)微生物學(xué)將進(jìn)一步向地質(zhì)、海洋、大氣、太空等領(lǐng)域滲透，使更多的邊緣學(xué)科得到發(fā)展，如地質(zhì)微生物學(xué)、海洋微生物學(xué)、大氣微生物學(xué)、太空微生物學(xué)及極端環(huán)境微生物學(xué)等。微生物與能源、信息、材料、計算機(jī)的結(jié)合也將開辟新的研究領(lǐng)域。微生物學(xué)的研究技術(shù)和方法也將會在吸收其他學(xué)科先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，向自動化、定向化和定量化發(fā)展。 21世紀(jì)微生物學(xué)展望微生物產(chǎn)業(yè)在21世紀(jì)將呈現(xiàn)