第一章 緒論 一二三四五

第一章緒論1浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院一、什么是微生物？微生物（microorganism，microbe）

微生物是所有形體微小的單細(xì)胞或個體結(jié)構(gòu)較簡單的多細(xì)胞，以及沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的通稱。1.定義微生物小－個體微小簡－構(gòu)造簡單低－進(jìn)化地位低是一切肉眼看不見或看不清楚的微小生物的總稱。“微生物”不是分類學(xué)上的名詞微生物家族成員微生物病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒、朊病毒）古生菌（Archaea）真細(xì)菌（Eubacteria）真菌（酵母、霉菌等）、單細(xì)胞藻類、原生動物等非細(xì)胞型細(xì)胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、衣原體、支原體、立克次氏體等2.種類二、人類對微生物世界的認(rèn)識史（一）一個難以認(rèn)識的微生物世界微生物的認(rèn)識是一個漫長的發(fā)展過程。漫漫長夜終見曙光。人類認(rèn)識微生物世界的四大障礙：

1）個體微?。?）外貌不顯；3）雜居混生；4）因果難聯(lián)。（二）微生物學(xué)的發(fā)展史

微生物在地球上存在了30多億年，人類在數(shù)百萬年前出現(xiàn)之后就一直和微生物發(fā)生著千絲萬縷的密切聯(lián)系。

微生物學(xué)的發(fā)展歷史，可分為五個時期，即：史前期、初創(chuàng)期、奠基期、發(fā)展期、成熟期。1、史前期：大約距今8000年前--1676年感性認(rèn)識階段進(jìn)展：人們不自覺地和微生物頻繁地打交道，并憑自己的經(jīng)驗在實踐中開展利用有益微生物和防治有害微生物的活動。由于在思想方法上停留在“實踐—實踐—實踐”的基礎(chǔ)上，因此只能長期處于低水平的應(yīng)用階段。貢獻(xiàn)：人民在自己的生產(chǎn)實踐中都累積了許多利用有益微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗，例如發(fā)面，天然果酒和啤酒的釀造，牛乳和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來治療一些疾病,制曲釀酒、制醬和醋、輪作、種人痘等。豐富多彩的酒文化遠(yuǎn)古人類發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類最早發(fā)明的酒我國古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）豐富多彩的酒文化公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場面2、初創(chuàng)期：1676年——1861年形態(tài)學(xué)發(fā)展階段進(jìn)展：在這一時期中，人們對微生物的研究僅停留在形態(tài)學(xué)描述的低級水平上，而對它們的生理活動及其與人類實踐活動的關(guān)系卻未加研究，因此，微生物學(xué)作為一門學(xué)科在當(dāng)時還未形成。微生物學(xué)的先驅(qū)者：十七世紀(jì)最偉大的業(yè)余科學(xué)家—列文·虎克（AntonyvanLeeuwenhoek）1674～1695年，列文虎克制造分辨率大的單式顯微鏡；列文虎克的貢獻(xiàn)：（1）制作了419架顯微鏡或放大鏡，50－200倍，266倍；（2）用顯微鏡觀察了許多微生物，1676年首次觀察到細(xì)菌；（3）發(fā)表論文400篇，其中375篇寄往英國皇家學(xué)會發(fā)表。英國皇家學(xué)會會員（1680年）巴黎科學(xué)院通訊院士3、奠基期：1861年～1897年巴斯德

微生物學(xué)之父發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)酵是由微生物引起的；化學(xué)家出生的巴斯德涉足微生物學(xué)是為了治療“酒病”和“蠶病”徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說；著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實，空氣內(nèi)確實含有微生物，是它們引起有機質(zhì)的腐敗。巴斯德主要貢獻(xiàn)：（1）提出了生命只能來自生命的胚種學(xué)說，徹底否定了自然發(fā)生說（1861年）；（2）指出了發(fā)酵(傳染病、腐敗)的真正原因是微生物活動的結(jié)果；（3）在人類防病治病方面的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)病原菌減毒可誘發(fā)免疫性，首次制成狂犬疫苗，證實了免疫學(xué)說；（4）發(fā)明巴氏消毒法巴斯德消毒法：60～65℃作短時間加熱處理，殺死有害微生物，防治“酒病”（5）證實有些微生物只能在缺氧的環(huán)境中生活，并在微生物學(xué)中引進(jìn)了“好氧”和“厭氧”這兩個術(shù)語2.柯赫

細(xì)菌學(xué)的奠基人（1）微生物學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立（純種分離技術(shù)）土豆切面→營養(yǎng)明膠→營養(yǎng)瓊脂（平皿）b）設(shè)計了各種培養(yǎng)基，實現(xiàn)了在實驗室內(nèi)對各種微生物的培養(yǎng)（懸浮培養(yǎng)法）c）流動蒸汽滅菌d）染色觀察（細(xì)菌細(xì)胞染色技術(shù)）和顯微攝影（2）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——著名的柯赫原則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。4、發(fā)展期：

1897年～1953年

生化水平研究階段進(jìn)展：該時期是微生物學(xué)發(fā)展迅速的時期，開創(chuàng)了微生物生化研究的時代，各學(xué)科相互滲透，形成了許多應(yīng)用微生物的分支學(xué)科，如抗生素發(fā)酵、有機酸發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等；發(fā)現(xiàn)微生物的代謝統(tǒng)一性，開展尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物，出現(xiàn)了微生物學(xué)發(fā)展史上的第二個“淘金熱”；青霉素的發(fā)現(xiàn)推動了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)。1897年，布赫納(Buchner)研究磨碎了的酵母菌的發(fā)酵作用，因而把酵母菌的生命活動和酶的化學(xué)緊密聯(lián)系起來。特點：進(jìn)入生化水平的研究形成綜合性普通微生物學(xué)沒有酵母的酒精發(fā)酵（Discoveryofcell-freefermentation）——德國E.Buchner霉菌菌落周圍出現(xiàn)抑制萄

葡球菌生長的抑制現(xiàn)象產(chǎn)黃青霉菌落細(xì)菌生長抑制區(qū)域正常細(xì)菌生長區(qū)域5、成熟期：1953年～現(xiàn)在。

分子生物學(xué)發(fā)展階段從1953年4月25日Watson和Crick在英國的《自然》上發(fā)表DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型起，整個生命科學(xué)就進(jìn)入了分子生物學(xué)研究的新階段。特點：（1）微生物學(xué)迅速成長為一門十分熱門的前沿基礎(chǔ)學(xué)科；（2）在基礎(chǔ)理論的研究方面，微生物迅速成為分子生物學(xué)研究中的最主要的對象；（3）在應(yīng)用研究方面，向著更自覺、更有效和可人為控制的方向發(fā)展，至70年代初，成為新興的生物工程中的主角。微生物在生物工程中的應(yīng)用，微生物學(xué)發(fā)展史上的第三個“淘金熱”。沃森克里克

他們獨一無二的開闊眼界和敏捷思維，使沃森和克里克當(dāng)之無愧地獲得了1962年諾貝爾獎。法國人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）巴斯德逝世百年紀(jì)念郵票1905年，德國人科赫獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎，主要是為了表彰他在肺結(jié)核研究方面的貢獻(xiàn)。三、微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步一）醫(yī)療保健1、建立外科消毒術(shù)；2、找到人畜病原菌；3、免疫防治法的發(fā)明和應(yīng)用；4、化學(xué)治療劑的發(fā)現(xiàn)；5、抗生素的大規(guī)模生產(chǎn)和推廣；6、利用工程菌生產(chǎn)生化藥物：二）工業(yè)發(fā)展1、食品罐藏防腐；2、釀造技術(shù)的改進(jìn)；3、純種厭氧發(fā)酵的建立；4、深層液體通氣攪拌培養(yǎng)；5、代謝調(diào)控理論在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用；6、生物工程的興起；生物工程又稱生物技術(shù)，是20世紀(jì)70年代初開始興起的一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科。所謂生物工程，一般認(rèn)為是以生物學(xué)(特別是其中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞學(xué))的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機械、電子機算機等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運用分子生物學(xué)的最新成就，自覺地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超遠(yuǎn)緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應(yīng)器對這類“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨特生理功能一門新興技術(shù)。生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細(xì)胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程。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”。后三者的作用則是為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。

三）農(nóng)業(yè)進(jìn)步以菌治蟲：如Bt殺蟲劑以菌治?。耗承┪⑸锬軌虍a(chǎn)生具抑制或殺死植物病原菌的物質(zhì),該物質(zhì)稱農(nóng)用抗菌素。以菌治草：微生物治草劑以菌增肥：主要是根瘤菌肥即含固氮菌活菌的肥料。以菌促長：如赤霉菌產(chǎn)生的赤霉素以菌作飼（餌）：菌體蛋白飼料、飼料酵母以菌作菜：各種食用菌以菌產(chǎn)能：沼氣等四）環(huán)境保護(hù)微生物在環(huán)境保護(hù)中起到了至關(guān)重要的作用，原因：1、微生物是食物鏈中的重要環(huán)節(jié)；2、微生物是地球垃圾的清理者；3、微生物是污水處理中的關(guān)鍵角色；4、微生物是生態(tài)農(nóng)業(yè)中最重要的一環(huán)；5、微生物是自然界元素循環(huán)的首要推動者；五）微生物學(xué)對生物學(xué)基礎(chǔ)理論研究的貢獻(xiàn)微生物有著其獨特的生物學(xué)特點：①微生物多為單細(xì)胞，個體體制簡單；②微生物多為單倍體，突變易于檢出；③易于人工培養(yǎng)（培養(yǎng)條件簡單）并容易獲得純培養(yǎng)；；④代時短，繁殖快，實驗周期短；⑤在液體培養(yǎng)條件下易于積累代謝產(chǎn)物等。因此微生物常常被用作研究復(fù)雜生物的簡單模型，是分子生物學(xué)、遺傳學(xué)研究的良好材料。1.解決了生物學(xué)上的許多重大爭論問題2.是分子生物學(xué)的三大來源和三大支柱之一3.使經(jīng)典遺傳學(xué)發(fā)展為分子遺傳學(xué)4.微生物與基因工程（作為基因載體與基因受體）5.高等生物研究和利用中的微生物化趨向方興未艾6.微生物學(xué)獨特實驗技術(shù)擴散到生命科學(xué)各領(lǐng)域四、微生物的五大共性（一）體積小，面積大（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快（三）生長旺，繁殖快（四）分布廣，種類多（五）適應(yīng)強，易變異測量單位：微米或納米細(xì)胞核動物細(xì)胞病毒細(xì)菌（一）體積小，面積大桿菌的平均長度和寬度：2μm和0.5μm3000個桿菌首尾相連=一粒大米的長度

10-100億個細(xì)菌加起來重量=1毫克針尖上的細(xì)菌比面值=表面積／體積=3／r任何物體被分割得越細(xì)，其單位體積所占的表面積就越大；Eg.人比面值=1；

大腸桿菌比面值=30萬。結(jié)論這樣大的比表面積特別有利于它們和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交換，并由此而產(chǎn)生其余4個共性!（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快生物界的普遍規(guī)律某一生物的個體越小，其單位體重所消耗的食物就越多。為高速生長繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)

消耗自身重量2000倍食物所需的時間大腸桿菌1小時人500年（按400斤/年計算）1.胃口大2.食譜廣微生物獲取營養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動植物完全無法相比的！凡是動植物能利用的營養(yǎng)，微生物都能利用，大量的動植物不能利用的物質(zhì)，甚至劇毒的物質(zhì)，微生物照樣可以視為美味佳肴。

纖維素、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然氣、塑料、酚類、氰化物、各種有機物均可被微生物作為糧食。產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比食用公牛強10萬倍比大豆強100倍微生物加工廠（三）生長旺，繁殖快微生物以驚人的速度“生兒育女”24小時后：4722366500萬億個后代，重量達(dá)到：4722噸48小時后：2.2×1043個后代，重量達(dá)到2.2×1025噸相當(dāng)于4000個地球的重量!!!大腸桿菌一個細(xì)胞重約10–12克，平均20分鐘繁殖一代大腸桿菌驚人的增殖速度微生物的代時和每日增殖率

微生物名稱代時每日分裂次數(shù)溫度（℃）每日增殖率細(xì)菌乳酸菌38分38252.7×1011大腸桿菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草桿菌31分46307.0×1013光合細(xì)菌144分10301.0×103釀酒酵母120分12304.1×103藻類小球藻7小時3.42510.6念球藻23小時1.04252.1硅藻17小時1.4202.64草履蟲10.4小時2.3264.92為微生物學(xué)基本理論研究帶來了極大的便利：使科研周期大大縮短，效率提高在生產(chǎn)實踐中有重要的意義：生產(chǎn)效率高，發(fā)酵周期短（四）適應(yīng)強，易變異微生物對環(huán)境條件尤其是惡劣的“極端環(huán)境”具有驚人的適應(yīng)力，這是高等生物所無法比擬的。例如，多數(shù)細(xì)菌能耐0℃到－196℃的低溫；在海洋深處的某些硫細(xì)菌可在250℃-300℃的高溫條件下正常生長；一些嗜鹽細(xì)菌甚至能在飽和鹽水中正常生活；產(chǎn)芽孢細(xì)菌和真菌孢子在干燥條件下能保藏幾十年、幾百年甚至上千年。耐酸堿、耐缺氧、耐毒物、抗輻射、抗靜水壓等特性在微生物中也極為常見。個體小、結(jié)構(gòu)簡單、且多是單細(xì)胞，繁殖快、數(shù)量多，與外界環(huán)境直接接觸等特點，使微生物易發(fā)生變異。突變率：10-5–10-10易變異短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的變異后代青霉素的生產(chǎn)：20單位/ml（1943）50000單位/ml青霉素的用量：最高：10萬單位/天（40年代）數(shù)百萬-千萬單位/次青霉素：（五）分布廣，種類多微生物的分布可謂是無孔不入!無處不在！“身在菌中不知菌”：1)土壤是各種微生物生長繁殖的大本營；2)空氣里懸浮著無數(shù)細(xì)小的塵埃和水滴，它們是微生物在空氣中的藏身之地;3)各種水域中也有無數(shù)的微生物;4)從人和動植物的表皮到人和動物的內(nèi)臟，也都經(jīng)常生活著大量的微生物。物種的多樣性生理代謝類型的多樣性代謝產(chǎn)物的多樣性遺傳基因的多樣性生態(tài)類型的多樣性參見書P6微生物的生物多樣性微生物的多樣性包括所有微生物的生命形式、生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程以及有關(guān)微生物在遺傳