微生物學(xué)生物技術(shù)系

第1章微生物

第1章緒論生物技術(shù)系第1章微生物一、微生物與我們二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展三、微生物的類群與特點(diǎn)第1章微生物人體體表及體內(nèi)存在大量的微生物：皮膚表面：平均10萬(wàn)個(gè)細(xì)菌/平方厘米；口腔：細(xì)菌種類超過500種；腸道：微生物總量達(dá)100萬(wàn)億，糞便干重的1/3是細(xì)菌，每克糞便的細(xì)菌總數(shù)為：1000億個(gè)；一、微生物與我們微生物無處不在，我們無時(shí)不生活在“微生物的海洋”中。

細(xì)菌數(shù)億/g土壤，土壤中的細(xì)菌總重量估計(jì)為：10034×1012噸；每張紙幣帶細(xì)菌：900萬(wàn)個(gè)；每個(gè)噴嚏的飛沫含4500-150000個(gè)細(xì)菌，重感冒患者為8500萬(wàn)；第1章微生物微生物既是人類的敵人，更是人類的朋友！時(shí)時(shí)刻刻與微生物“共舞”

是禍？是福？第1章微生物

微生物是自然界物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；微生物是人類的朋友！體內(nèi)的正常菌群是人及動(dòng)物健康的基本保證；

幫助消化、提供必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、組成生理屏障微生物可以為我們提供很多有用的物質(zhì)；

有機(jī)酸、酶、各種藥物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、醬油等等基因工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)；第1章微生物少數(shù)微生物也是人類的敵人！天花；鼠疫；艾滋病；瘋牛??；埃博拉病毒；第1章微生物第1章微生物第1章微生物

可以說，微生物與人類關(guān)系的重要性，你怎么強(qiáng)調(diào)都不過分，微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，它們?cè)诮o人類帶來巨大利益的同時(shí)也帶來“殘忍”的破壞。它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實(shí)際上涉及到人類的生存。第1章微生物“在近代科學(xué)中，對(duì)人類福利最大的一門科學(xué)，要算是微生物學(xué)了?！薄毡緦W(xué)者尾形學(xué)在“家畜微生物學(xué)”（1977）第1章微生物我國(guó)8000年前就開始出現(xiàn)了曲蘗釀酒；4000年前埃及人已學(xué)會(huì)烘制面包和釀制果酒；2500年前發(fā)明釀醬、醋，用曲治消化道疾??；公元六世紀(jì)(北魏時(shí)期)賈思勰的巨著“齊民要術(shù)”；公元2世紀(jì)，張仲景：禁食病死獸類的肉和不清潔食物；公元前112年-212年間，華佗：“割腐肉以防傳染”；公元九世紀(jì)痘漿法、痘衣法預(yù)防天花；1346年，克里米亞半島上的法卡城之戰(zhàn)(靼坦人-羅馬人)；16世紀(jì)，古羅巴醫(yī)生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不見的生物(livingcreatures)引起的；1641年，明末醫(yī)生吳又可也提出“戾氣”學(xué)說；二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（一）微生物的發(fā)現(xiàn)第1章微生物1664年，英國(guó)人虎克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對(duì)生長(zhǎng)在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察。第1章微生物1676年，微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細(xì)菌。他沒有上過大學(xué)，是一個(gè)只會(huì)荷蘭語(yǔ)的小商人，但卻在1680年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。第1章微生物第1章微生物列文虎克利用業(yè)余時(shí)間制造過400多架單式顯微鏡和放大鏡，放大率一般為50~200倍，第1章微生物（二）微生物學(xué)的奠基二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展法國(guó)人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）德國(guó)人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）第1章微生物（二）微生物學(xué)的奠基二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1.巴斯德(1)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)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”和“蠶病”著名的曲頸瓶試驗(yàn)無可辯駁地證實(shí)，空氣內(nèi)確實(shí)含有微生物，是它們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗。首次制成狂犬疫苗(4)其他貢獻(xiàn)巴斯德消毒法：60～65℃作短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物生命從何而來？“自生學(xué)”、“生生說”、“神創(chuàng)論”罐頭食品(3)免疫學(xué)——預(yù)防接種第1章微生物（二）微生物學(xué)的奠基二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展2.柯赫a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立土豆切面→營(yíng)養(yǎng)明膠→營(yíng)養(yǎng)瓊脂（平皿）（1）微生物學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)b）設(shè)計(jì)了各種培養(yǎng)基，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)各種微生物的培養(yǎng)c）流動(dòng)蒸汽滅菌d）染色觀察和顯微攝影第1章微生物（二）微生物學(xué)的奠基二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展2.柯赫（2）對(duì)病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn)：a）具體證實(shí)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(jiǎng)）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(huì)重復(fù)發(fā)生；4、從試驗(yàn)發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來。第1章微生物1867Lister創(chuàng)立了消毒外科；（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1890VonBehring制備抗毒素治療白喉和破傷風(fēng)；1892Ivanovsky提供煙草花葉病毒是由病毒引起的證據(jù)；1928Griffith發(fā)現(xiàn)細(xì)菌轉(zhuǎn)化；1929Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素；1944Avery等證實(shí)轉(zhuǎn)化過程中DNA是遺傳信息的載體；1953Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；1970～1972Arber、Smith和Nathans發(fā)現(xiàn)并提純了

DNA限制性內(nèi)切酶對(duì)其機(jī)理的研究導(dǎo)致DNA是遺傳物質(zhì)的確證；外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入各種細(xì)胞的基因重組技術(shù)的建立；第1章微生物（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1977Woese提出古生菌是不同于細(xì)菌和真核生物的特殊類群

Sanger首次對(duì)f×174噬菌體DNA進(jìn)行了全序列分析；1982～1983Prusiner發(fā)現(xiàn)朊病毒(prion)；1983～1984Mullis建立PCR技術(shù)；1995第一個(gè)獨(dú)立生活的細(xì)菌(流感嗜血桿菌)全基團(tuán)組序列測(cè)定完成；1996第一個(gè)自養(yǎng)生活的古生菌基因組測(cè)定完成；1997第一個(gè)真核生物(啤酒酵母)基因組測(cè)序完成；第1章微生物（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期：微生物學(xué)：鑒定病原菌、研究免疫學(xué)及其在預(yù)防疾病中的作用、尋找化學(xué)治療藥物、分析微生物的代謝活性。普通生物學(xué)：細(xì)胞的構(gòu)造及其在繁殖和發(fā)展中的作用、植物和動(dòng)物的遺傳和進(jìn)化的機(jī)制。動(dòng)、植物的生命活動(dòng)規(guī)律適用于結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)單的微生物？第1章微生物肌肉的糖酵解酵母菌乙醇發(fā)酵本質(zhì)上的同一性第1章微生物“生物化學(xué)的同一性”維生素生長(zhǎng)因子相同的化學(xué)本質(zhì)多種輔酶的前體輔酶為細(xì)胞代謝所必需（一切生命系統(tǒng)在代謝水平上具有相同的本質(zhì)）第1章微生物對(duì)動(dòng)植物起作用的遺傳機(jī)制同樣適用于微生物生化突變細(xì)菌基因水平轉(zhuǎn)移微生物遺傳學(xué)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)病毒重組實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第1章微生物（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展

20世紀(jì)40年代后，微生物自身的特點(diǎn)使其成為生物學(xué)研究的“明星”，微生物學(xué)很快與生物學(xué)主流匯合，并被推到了整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，在生命科學(xué)的發(fā)展中作出了巨大的貢獻(xiàn)微生物學(xué)與生物學(xué)發(fā)展的主流匯合、交叉，獲得了全面、深入的發(fā)展第1章微生物第1章微生物（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展開設(shè)的微生物學(xué)專業(yè)課：

微生物遺傳學(xué)微生物生理學(xué)

微生物學(xué)技術(shù)工業(yè)微生物學(xué)

微生物生態(tài)學(xué)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)

細(xì)菌分類學(xué)免疫學(xué)病毒學(xué)第1章微生物Jacob等通過研究大腸桿菌誘導(dǎo)酶的形成機(jī)制而提出操縱子學(xué)說，闡明了基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制，為分子生物學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。60年代Nirenberg等人通過研究大腸桿菌無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系及多聚尿苷酶，發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的遺傳密碼，繼而完成了全部密碼的破譯，為人類從分子水平上研究生命現(xiàn)象開辟了新的途徑?！皵嗔鸦颉?、“跳躍基因”、“重疊基因”的發(fā)現(xiàn)，以及基因結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析、基因組測(cè)序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脈胞霉進(jìn)行的突變實(shí)驗(yàn)使基因和酶的關(guān)系得以闡明，并提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說。二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位1．微生物是生物學(xué)基本理論研究中的理想實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)微生物的研究促進(jìn)許多重大生物學(xué)理論問題的突破

基因和酶關(guān)系的闡明及“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說；遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)的闡明；基因概念的發(fā)展；遺傳密碼的破譯；基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究；生物大分子合成的中心法則；DNA→RNA→蛋白質(zhì)第1章微生物二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位2．對(duì)生命科學(xué)研究技術(shù)的貢獻(xiàn)細(xì)胞的人工培養(yǎng)；突變體篩選；DNA重組技術(shù)和遺傳工程；3．微生物與“人類基因組計(jì)劃”作為模式生物；基因與基因組的功能研究的重要工具;第1章微生物二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（五)我國(guó)微生物學(xué)的發(fā)展湯飛凡：沙眼病原體的分離和確證陳華癸：根瘤菌固氮作用的研究高尚蔭：創(chuàng)建了我國(guó)病毒學(xué)的基礎(chǔ)理論研究和第一個(gè)微生物學(xué)專業(yè)抗生素的總產(chǎn)量已耀居世界首位兩步法生產(chǎn)維生素C的技術(shù)居世界先進(jìn)水平泉生熱孢菌全基因組序列測(cè)定第1章微生物基因水平轉(zhuǎn)移---細(xì)菌DNA的主動(dòng)分泌與攝取聰明的黏菌生命起源的研究；二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（六）21世紀(jì)微生物學(xué)展望

1．微生物自身的特點(diǎn)（共性和特性）將會(huì)更加受到關(guān)注和利用以微生物為研究材料繼續(xù)對(duì)一些基本生命現(xiàn)象進(jìn)行研究；生物進(jìn)化方面的研究；在微生物基因組上進(jìn)行的考古性別分化的意義；生物智慧的發(fā)展；微生物產(chǎn)業(yè)的開發(fā)；重要致病菌的特點(diǎn)及其防治；極端環(huán)境的微生物的研究；共性：微生物具有其他生物共有的基本生物學(xué)特性：生長(zhǎng)、繁殖、代謝、共用一套遺傳密碼等，甚至其基因組上含有與高等生物同源的基因，充分反映了生物高度的統(tǒng)一性。特性：微生物具有其它生物不具備的生物學(xué)特性，例如可在其他生物無法生存的極端環(huán)境下生存和繁殖，具有其他生物不具備的代謝途徑和功能，反映了微生物極其豐富的多樣性。

微生物自身特性的進(jìn)一步開發(fā)、利用：例如降解性塑料，分解纖維素、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白等。借助（利用）微生物特點(diǎn)的基因工程產(chǎn)業(yè)：利用微生物生產(chǎn)原本它們不能生產(chǎn)的藥物、疫苗等。第1章微生物

微生物具備生命現(xiàn)象的特性和共性，將是21世紀(jì)進(jìn)一步解決生物學(xué)重大理論問題，如生命起源與進(jìn)化，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律等，和實(shí)際應(yīng)用問題，如新的微生物資源的開發(fā)利用，能源、糧食等的最理想的材料。第1章微生物二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（六）21世紀(jì)微生物學(xué)展望2．與其他學(xué)科實(shí)現(xiàn)更廣泛的交叉，獲得新的發(fā)展學(xué)科交叉永遠(yuǎn)是科學(xué)創(chuàng)新的源泉！微生物基因組的序列測(cè)定和分析；微量熱技術(shù)對(duì)生命過程的研究；微生物的快速檢定；計(jì)算機(jī)技術(shù)與微生物學(xué)的結(jié)合；

微生物學(xué)與航天技術(shù)的結(jié)合；第1章微生物三、微生物的類群及特點(diǎn)微生物是微小生物的總稱，一般只有借助顯微鏡才能其進(jìn)行觀察。微生物病毒原核生物：真細(xì)菌、古生菌真核生物：真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、單細(xì)胞藻類、原生動(dòng)物等第1章微生物微生物的特點(diǎn)：個(gè)體小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、胃口大、食譜廣、繁殖快、易培養(yǎng)、數(shù)量大、分布廣、種類多、級(jí)界寬、變異易、抗性強(qiáng)、休眠長(zhǎng)、起源早、發(fā)現(xiàn)晚第1章微生物個(gè)體小:測(cè)量單位：微米或鈉米

桿菌的平均長(zhǎng)度：2微米；1500個(gè)桿菌首尾相連=一粒芝麻的長(zhǎng)度；10-100億個(gè)細(xì)菌加起來重量=1毫克面積/體積比：人=1，大腸桿菌=30萬(wàn)；

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。微生物的其它很多屬性都和這一特點(diǎn)密切相關(guān)。第1章微生物個(gè)體小:測(cè)量單位：微米或鈉米火星隕石中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌化石（直徑20nm）最近在《科學(xué)》上的一篇文章報(bào)道了對(duì)一快活性隕石上可能存在的生命遺跡的研究，這塊隕石在45億年前在火星上形成，13億年以前由于宇宙碰撞而離開火星，13000年前作為隕石降落到地球上。對(duì)它的分析表明其上可能有生命存在過，更重要的是在該隕石上發(fā)現(xiàn)了類似細(xì)菌化石的東西，其直徑僅為20~40nm.第1章微生物德國(guó)科學(xué)家H.N.Schulz等1999年在納米比亞海岸的海底沉積物中發(fā)現(xiàn)的一種硫磺細(xì)菌（sulfurbacterium），其大小可達(dá)0.75mm，Thiomargaritanamibiensis，---------“納米比亞硫磺珍珠”第1章微生物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)：無細(xì)胞結(jié)構(gòu)（病毒）；單細(xì)胞；簡(jiǎn)單多細(xì)胞；胃口大：消耗自身重量2000倍食物的時(shí)間：大腸桿菌：1小時(shí)人：500年（按400斤/年計(jì)算）第1章微生物食譜廣：微生物獲取營(yíng)養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動(dòng)植物完全無法相比的！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(jī)物均可被微生物作為糧食第1章微生物繁殖快：24小時(shí)后：4722366500萬(wàn)億個(gè)后代，重量達(dá)到：4722噸48小時(shí)后：2.2×1043個(gè)后代，重量達(dá)到2.2×1025噸相當(dāng)于4000個(gè)地球的重量！大腸桿菌一個(gè)細(xì)胞重約10–12克，平均20分鐘繁殖一代一頭500kg的食用公牛，24小時(shí)生產(chǎn)0.5kg蛋白質(zhì),而同樣重量的酵母菌，以質(zhì)量較次的糖液（如糖蜜）和氨水為原料，24小時(shí)可以生產(chǎn)50000kg優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)。第1章微生物易培養(yǎng)：很多細(xì)菌都可以非常方便地進(jìn)行人工培養(yǎng)！數(shù)量大：在自然界中（土壤、水體、空氣，動(dòng)植物體內(nèi)和體表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物總量的60%！第1章微生物第1章微生物分布廣：人跡可到之處，微生物的分布必然很多，而人跡不到的地方，也有大量的微生物存在！

強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高熱的極端環(huán)境；

數(shù)十公里的高空（最高為離地85公里，須用火箭采樣）；

幾千米的地下；常年封凍的冰川；生物物質(zhì)雨般落下科學(xué)家稱外太空有生命(2001-08-02)第1章微生物從永凍冰層分離微生物第1章微生物南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物第1章微生物種類多：微生物的生理代謝類型多；代謝產(chǎn)物種類多；微生物的種數(shù)“多”；雖然目前已定種的微生物只有大約10萬(wàn)種，遠(yuǎn)較動(dòng)植物為少，但一般認(rèn)為目前為人類所發(fā)現(xiàn)的微生物還不到自然界中微生物總數(shù)的1%第1章微生物級(jí)界寬：Whittaker的五界分類系統(tǒng)第1章微生物級(jí)界寬：Woese三原界分類系統(tǒng)第1章微生物變異易：個(gè)體小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、且多與外界環(huán)