微生物學第二版重點知識筆記集錦引言微生物學作為生命科學的重要分支，探索的是肉眼難以直接觀察的微小生物世界。本筆記集錦基于《微生物學》第二版核心內(nèi)容，旨在梳理學科基礎框架、關鍵概念及重要知識點，為學習者提供一份系統(tǒng)且實用的復習參考。內(nèi)容涵蓋微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布及其與人類的關系等核心領域，力求專業(yè)嚴謹，突出重點。一、微生物學概述1.1微生物的定義與特點微生物是指個體微小、結(jié)構(gòu)簡單，通常需要借助顯微鏡才能看清其形態(tài)的一類生物的統(tǒng)稱。其主要特點包括：體積小（以微米甚至納米為計量單位）、結(jié)構(gòu)簡（多數(shù)為單細胞，部分為簡單多細胞或無細胞結(jié)構(gòu)）、種類多（包括細菌、古菌、真菌、原生動物、藻類及病毒等）、分布廣（幾乎遍布地球各個角落，包括極端環(huán)境）、繁殖快（在適宜條件下，某些細菌幾十分鐘即可繁殖一代）、易變異（遺傳物質(zhì)相對簡單，受環(huán)境因素影響易發(fā)生突變）。1.2微生物學的發(fā)展簡史微生物學的建立與發(fā)展離不開眾多先驅(qū)者的貢獻。從早期列文虎克用自制顯微鏡觀察到“微小生物”，開啟了人類對微生物世界的認知；到巴斯德通過曲頸瓶實驗否定自然發(fā)生說，建立巴氏消毒法，奠定了微生物學的理論基礎；科赫則在病原微生物研究方面做出卓越貢獻，提出了著名的科赫法則，為傳染病的病原鑒定提供了重要依據(jù)。此后，伊萬諾夫斯基發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒，弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，以及沃森和克里克揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后分子生物學在微生物學領域的滲透，均極大地推動了微生物學的飛速發(fā)展。1.3微生物的分類與命名微生物的分類遵循生物分類的基本原則，即界、門、綱、目、科、屬、種的層級系統(tǒng)。種是最基本的分類單位。微生物的命名采用林奈創(chuàng)立的雙名法，即由屬名和種名加詞組成，屬名首字母大寫，種名加詞小寫，整個名稱用斜體表示（或下劃線），必要時可加上命名人的姓氏或其縮寫。例如，*Escherichiacoli*（大腸桿菌）。模式菌株是分類學上的重要概念，指一個種的具體代表菌株。二、原核微生物2.1細菌的形態(tài)與結(jié)構(gòu)細菌的基本形態(tài)主要有球狀（球菌）、桿狀（桿菌）和螺旋狀（螺旋菌），此外還有一些特殊形態(tài)。細菌細胞的基本結(jié)構(gòu)包括細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)及擬核。細胞壁是細菌細胞的外層結(jié)構(gòu)，具有維持細胞形態(tài)、保護細胞免受滲透壓損傷等功能。革蘭氏染色法是鑒別細菌的重要方法，其原理與細菌細胞壁的化學組成和結(jié)構(gòu)差異密切相關：革蘭氏陽性菌細胞壁肽聚糖層厚且交聯(lián)度高，不含脂多糖；革蘭氏陰性菌細胞壁肽聚糖層薄，交聯(lián)度低，外層含有脂多糖。細胞膜是緊貼細胞壁內(nèi)側(cè)的一層柔軟且富有彈性的半透性膜，主要由磷脂和蛋白質(zhì)組成，具有物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞等重要生理功能。部分細菌細胞膜內(nèi)陷形成中體（或間體），可能與細胞壁合成、DNA復制等有關。擬核是細菌遺傳物質(zhì)的主要存在部位，為一環(huán)狀閉合的雙鏈DNA分子，無核膜包被。細胞質(zhì)中含有核糖體（蛋白質(zhì)合成場所）、質(zhì)粒（小型環(huán)狀DNA分子，攜帶非必需遺傳信息）等。細菌的特殊結(jié)構(gòu)包括莢膜（某些細菌細胞壁外的黏液狀物質(zhì)，具有抗吞噬、黏附等作用）、鞭毛（運動器官，由鞭毛蛋白組成，其著生方式和數(shù)量可作為分類依據(jù)）、菌毛（比鞭毛細短，與細菌黏附有關，性菌毛還參與遺傳物質(zhì)傳遞）和芽孢（某些細菌在不良環(huán)境下形成的休眠體，具有極強的抗逆性，是滅菌效果的指示指標）。2.2古菌古菌是一類在進化上與細菌和真核生物并列的生命形式，其細胞結(jié)構(gòu)與細菌相似（無核膜、核糖體為70S），但在遺傳信息傳遞和某些生化特性上更接近真核生物。古菌多生活在極端環(huán)境中，如高溫、高鹽、高酸、高堿或嚴格厭氧環(huán)境，因此也被稱為極端微生物。其細胞壁組成與細菌不同，不含肽聚糖；細胞膜的類脂組成也較為特殊。2.3放線菌放線菌是一類呈絲狀生長、主要以孢子繁殖的革蘭氏陽性細菌。其菌絲體可分為基內(nèi)菌絲（吸收營養(yǎng)）、氣生菌絲和孢子絲（產(chǎn)生孢子）。放線菌是抗生素的主要產(chǎn)生菌，如鏈霉素、青霉素（部分真菌也產(chǎn)青霉素）、四環(huán)素等。三、真核微生物3.1酵母菌酵母菌是一類單細胞真菌，通常呈圓形、橢圓形或卵圓形。其細胞結(jié)構(gòu)具有典型的真核特征：有核膜包被的細胞核、細胞質(zhì)中含有線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細胞器，細胞壁主要成分為葡聚糖和甘露聚糖。酵母菌的繁殖方式多樣，無性繁殖主要有芽殖（最常見）和裂殖，有性繁殖則產(chǎn)生子囊孢子。酵母菌在食品工業(yè)（如釀酒、制作面包）和發(fā)酵工業(yè)中具有重要應用。3.2霉菌霉菌是一類形成分枝菌絲體的真菌的統(tǒng)稱。其營養(yǎng)體由菌絲構(gòu)成，菌絲可分為無隔菌絲和有隔菌絲。菌絲體可分化出營養(yǎng)菌絲（吸收營養(yǎng)）和氣生菌絲，氣生菌絲上可產(chǎn)生孢子囊或分生孢子梗等繁殖結(jié)構(gòu)。霉菌的繁殖方式主要是產(chǎn)生無性孢子（如孢囊孢子、分生孢子、厚垣孢子等）和有性孢子（如接合孢子、子囊孢子、擔孢子等）。霉菌在自然界物質(zhì)循環(huán)中起重要作用，同時在工業(yè)上用于生產(chǎn)酶制劑、有機酸、抗生素等，但也常引起食品、衣物霉變和動植物病害。3.3蕈菌蕈菌又稱傘菌，是一類能形成大型肉質(zhì)子實體的真菌，如蘑菇、香菇、平菇等。其生活史包括菌絲體階段和子實體階段，子實體是產(chǎn)生孢子的結(jié)構(gòu)，富含營養(yǎng)，可供食用或藥用。四、病毒和亞病毒因子4.1病毒的基本特性與結(jié)構(gòu)病毒是一類非細胞結(jié)構(gòu)的微生物，其主要特點包括：體積微?。赏ㄟ^細菌濾器，需電子顯微鏡觀察）、無細胞結(jié)構(gòu)（主要由核酸和蛋白質(zhì)組成，有些病毒還含有脂質(zhì)和糖類）、專性活細胞內(nèi)寄生（依賴宿主細胞的代謝系統(tǒng)進行復制）、具有感染性。病毒的基本結(jié)構(gòu)是核衣殼，由核心（核酸，DNA或RNA，可為單鏈或雙鏈，線狀或環(huán)狀）和衣殼（蛋白質(zhì)，由衣殼粒組成，具有保護核酸和介導病毒吸附宿主細胞的作用）構(gòu)成。部分病毒在核衣殼外還包裹有包膜（源于宿主細胞膜或核膜，含有病毒編碼的糖蛋白刺突）。4.2病毒的復制周期病毒的復制周期一般包括吸附（病毒表面蛋白與宿主細胞受體特異性結(jié)合）、侵入（病毒核酸或核衣殼進入宿主細胞）、脫殼（病毒衣殼被降解，釋放出核酸）、生物合成（利用宿主細胞的原料和酶系統(tǒng)，合成病毒的核酸和蛋白質(zhì)）、裝配（病毒核酸和蛋白質(zhì)組裝成子代病毒顆粒）和釋放（子代病毒從宿主細胞內(nèi)釋放出來，可導致宿主細胞裂解或通過出芽方式釋放）。4.3噬菌體噬菌體是感染細菌的病毒。根據(jù)其與宿主菌的相互關系，可分為烈性噬菌體（能在宿主菌內(nèi)增殖并引起細菌裂解）和溫和噬菌體（感染宿主菌后，其基因組可整合到宿主菌染色體上，隨宿主菌染色體復制而復制，不立即引起宿主菌裂解，此時的噬菌體基因組稱為原噬菌體，含有原噬菌體的細菌稱為溶原性細菌）。溶原性轉(zhuǎn)換是指溫和噬菌體的基因整合到宿主菌基因組后，使宿主菌獲得新的遺傳性狀的現(xiàn)象。4.4亞病毒因子亞病毒因子包括類病毒（僅含單鏈環(huán)狀RNA分子，無蛋白質(zhì)衣殼，主要感染植物）、擬病毒（又稱類類病毒，是包裹在植物病毒粒子中的小分子RNA，依賴輔助病毒進行復制和表達）和朊病毒（僅由蛋白質(zhì)組成，不含核酸，能引起人和動物的傳染性海綿狀腦病，如瘋牛?。Ｎ?、微生物的營養(yǎng)與代謝5.1微生物的營養(yǎng)需求微生物的營養(yǎng)物質(zhì)主要包括碳源（用于合成細胞物質(zhì)和提供能量）、氮源（用于合成蛋白質(zhì)、核酸等含氮化合物）、能源（提供生命活動所需能量）、無機鹽（參與細胞組成、調(diào)節(jié)滲透壓、作為酶的輔因子等）、生長因子（某些微生物自身不能合成的微量有機物質(zhì)，如維生素、氨基酸、嘌呤嘧啶等）和水（細胞的重要組成成分，參與各種生化反應，維持細胞形態(tài)）。根據(jù)微生物對碳源和能源的需求不同，可將其營養(yǎng)類型分為：光能無機自養(yǎng)型（以光為能源，CO?為唯一或主要碳源）、光能有機異養(yǎng)型（以光為能源，有機化合物為碳源）、化能無機自養(yǎng)型（以無機物氧化釋放的化學能為能源，CO?為碳源）和化能有機異養(yǎng)型（以有機化合物為碳源和能源，大多數(shù)微生物屬于此類）。5.2培養(yǎng)基培養(yǎng)基是人工配制的、適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。其配制原則包括：目的明確（根據(jù)培養(yǎng)目的選擇適宜的營養(yǎng)物質(zhì)）、營養(yǎng)協(xié)調(diào)（各營養(yǎng)物質(zhì)的濃度和比例要適當，特別是碳氮比）、理化條件適宜（pH、滲透壓、氧化還原電位等）、經(jīng)濟節(jié)約。培養(yǎng)基按物理狀態(tài)可分為固體培養(yǎng)基（加瓊脂等凝固劑）、液體培養(yǎng)基和半固體培養(yǎng)基；按化學組成可分為天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基；按用途可分為基礎培養(yǎng)基、加富培養(yǎng)基、選擇培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基等。5.3微生物的產(chǎn)能代謝微生物的產(chǎn)能代謝主要通過生物氧化過程實現(xiàn)，即物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應，逐步釋放能量的過程。生物氧化的類型包括呼吸（有氧呼吸和無氧呼吸）和發(fā)酵。有氧呼吸是以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程，其產(chǎn)能效率高，葡萄糖經(jīng)EMP途徑（糖酵解）、TCA循環(huán)（三羧酸循環(huán)）徹底氧化分解，產(chǎn)生大量ATP。無氧呼吸是以無機氧化物（如硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等）作為最終電子受體的生物氧化過程，產(chǎn)能效率低于有氧呼吸。發(fā)酵是在無氧條件下，微生物將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的中間產(chǎn)物，同時釋放少量能量的過程，如乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等。EMP途徑、HMP途徑（己糖一磷酸途徑）、ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑）和TCA循環(huán)是微生物重要的代謝途徑，不僅為細胞提供能量，還為合成代謝提供多種中間產(chǎn)物。六、微生物的生長與控制6.1微生物的生長規(guī)律微生物的群體生長表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。將少量純種微生物接種到適宜的液體培養(yǎng)基中，在適宜條件下培養(yǎng)，其生長曲線可分為遲緩期（適應期，菌體不立即繁殖，細胞體積增大，代謝活躍）、對數(shù)期（指數(shù)期，菌體以幾何級數(shù)快速繁殖，生長速率常數(shù)最大，代時最短，菌體形態(tài)、生理特性一致，是研究微生物生理代謝和進行遺傳研究的理想材料）、穩(wěn)定期（新增殖的細胞數(shù)與死亡的細胞數(shù)達到動態(tài)平衡，菌體產(chǎn)量達到最高，開始積累代謝產(chǎn)物）和衰亡期（死亡細胞數(shù)超過新增殖細胞數(shù)，菌體形態(tài)出現(xiàn)異常，代謝活動逐漸停止）。6.2影響微生物生長的環(huán)境因素影響微生物生長的主要環(huán)境因素包括溫度（根據(jù)微生物生長的最適溫度范圍，可分為嗜冷菌、中溫菌、嗜熱菌和超嗜熱菌）、pH（大多數(shù)細菌最適pH在中性偏堿，真菌偏酸）、氧氣（根據(jù)微生物對氧氣的需求和耐受性，可分為專性好氧菌、兼性厭氧菌、微需氧菌和專性厭氧菌，厭氧菌的氧毒害機制與超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等的缺乏有關）、水活度與滲透壓、化學物質(zhì)等。6.3微生物的控制控制微生物的方法包括物理方法、化學方法和生物學方法。物理方法主要有高溫（干熱滅菌如灼燒、干烤；濕熱滅菌如煮沸、巴氏消毒法、高壓蒸汽滅菌法——滅菌效果最徹底）、低溫（冷藏、冷凍）、輻射（紫外線、電離輻射）、過濾除菌等?；瘜W方法主要使用化學消毒劑（如酚類、醇類、醛類、氧化劑、鹵素類、重金屬鹽等）和防腐劑?？刮⑸锼幬锇股兀ㄓ晌⑸锂a(chǎn)生的具有抑制或殺死其他微生物作用的物質(zhì)，其作用機制包括抑制細胞壁合成、損傷細胞膜、抑制蛋白質(zhì)合成、抑制核酸合成等）、磺胺類藥物等。使用抗生素時需注意避免耐藥性的產(chǎn)生。七、微生物的遺傳變異與育種7.1微生物的遺傳物質(zhì)微生物的遺傳物質(zhì)主要是DNA，某些病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。原核微生物的遺傳物質(zhì)主要存在于擬核（細菌染色體）和質(zhì)粒中。質(zhì)粒是一種獨立于染色體外、能自主復制的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子，具有可轉(zhuǎn)移性、可整合性、可消除性等特點，在基因工程中常作為載體。真核微生物的遺傳物質(zhì)主要存在于細胞核內(nèi)的染色體中，線粒體和葉綠體中也含有少量DNA。7.2基因突變與修復基因突變是指遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導致表型的可遺傳性變化?；蛲蛔兙哂凶园l(fā)性、稀有性、誘變性、獨立性、穩(wěn)定性、可逆性等特點。常見的基因突變類型包括堿基置換（轉(zhuǎn)換和顛換）、移碼突變、缺失和插入等。微生物具有多種DNA損傷修復機制，如光修復、切除修復、重組修復、SOS修復等，以保證遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。7.3基因重組基因重組是指兩個不同性狀的個體細胞的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到一個細胞內(nèi)，經(jīng)過遺傳物質(zhì)的重新組合，形成新遺傳型個體的過程。原核微生物的基因重組方式主要有轉(zhuǎn)化（受體菌直接吸收供體菌的游離DNA片段并整合到自身基因組中，從而獲得新性狀）、轉(zhuǎn)導（以噬菌體為媒介，將供體菌的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到受體菌中）、接合（通過性菌毛直接接觸，將遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌，如F因子的轉(zhuǎn)移）和原生質(zhì)體融合（去除細胞壁的原生質(zhì)體在融合劑作用下融合，實現(xiàn)遺傳物質(zhì)重組）。真核微生物的基因重組主要通過有性生殖（減數(shù)分裂過程中的基因重組）和準性生殖等方式進行。7.4微生物育種微生物育種是根據(jù)生產(chǎn)需要，利用微生物的遺傳變異特性，通過人工方法獲得優(yōu)良菌株的過程。常用的育種方法包括自然選育（從自然界或生產(chǎn)中篩選優(yōu)良變異菌株）、誘變育種（利用物理或化學誘變劑處理微生物，提高突變頻率，篩選優(yōu)良突變株）、雜交育種（通過基因重組獲得優(yōu)良性狀組合的菌株）、基因工程育種（定向改造微生物遺傳特性，獲得工程菌株）等。八、微生物生態(tài)8.1微生物在自然界的分布微生物在自然界分布極為廣泛，土壤是微生物的“天然培養(yǎng)基”，含有豐富的微生物；水體中也含有大量微生物，可分為淡水微生物和海洋微生物；空氣中存在少量微生物，主要來自土壤、水體和生物體；動植物體表和體內(nèi)也存在著大量微生物，形成特定的微生態(tài)系統(tǒng)。8.2微生物與生物環(huán)境間的關系微生物與生物環(huán)境間存在著復雜的相互關系，主要包括：互生（兩種生物生活在一起，互相有利，或一方有利而另一方不受害，如人體腸道正常菌群與宿主的關系）、共生（兩種生物緊密生活在一起，相互依賴，彼此有利，如地衣是真菌與藻類的共生體，根瘤菌與豆科植物的共生）、寄生（一種生物寄居于另一種生物體內(nèi)