微生物學第一章1微生物概述微生物的形態(tài)與結(jié)構(gòu)微生物的生長與繁殖微生物的代謝與調(diào)控微生物的遺傳與變異微生物的生態(tài)與環(huán)境201微生物概述3微生物是一類形體微小、結(jié)構(gòu)簡單、必須借助顯微鏡才能觀察到的低等生物。根據(jù)形態(tài)和結(jié)構(gòu)，微生物可分為細菌、真菌、病毒、原生動物和藻類等幾大類。微生物的定義與分類分類定義4微生物具有體積小、比表面積大、代謝旺盛、繁殖快、易變異等特點。特點微生物在自然界中發(fā)揮著重要作用，如參與物質(zhì)循環(huán)、促進生物地球化學循環(huán)、降解有機物、提供人類所需物質(zhì)等。功能微生物的特點與功能5研究歷史微生物學的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，從列文虎克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)微生物到巴斯德提出疾病的微生物理論，再到科赫建立純培養(yǎng)技術(shù)，微生物學逐漸發(fā)展成為一門獨立的學科。研究現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，微生物學的研究領(lǐng)域不斷擴大，涉及醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)保等多個領(lǐng)域。同時，微生物資源的開發(fā)和利用也取得了顯著進展，如利用微生物生產(chǎn)抗生素、酶制劑、有機酸等。微生物的研究歷史與現(xiàn)狀602微生物的形態(tài)與結(jié)構(gòu)703特殊結(jié)構(gòu)莢膜、鞭毛、菌毛、芽孢01細菌的基本形態(tài)球菌、桿菌、螺旋菌02細菌的結(jié)構(gòu)細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)、核質(zhì)細菌的形態(tài)與結(jié)構(gòu)8真菌的基本形態(tài)酵母菌、霉菌、大型真菌真菌的結(jié)構(gòu)菌絲、細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核繁殖方式無性繁殖（芽殖、裂殖）、有性繁殖（接合、子囊孢子、擔孢子）真菌的形態(tài)與結(jié)構(gòu)9球形、桿形、磚形、蝌蚪形等病毒的基本形態(tài)病毒的結(jié)構(gòu)繁殖方式核酸（DNA或RNA）、蛋白質(zhì)外殼吸附、注入核酸、合成病毒蛋白、組裝與釋放030201病毒的形態(tài)與結(jié)構(gòu)1003微生物的生長與繁殖11提供微生物合成細胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的碳元素，常用碳源有糖類、油脂等。碳源主要用于合成蛋白質(zhì)、核酸等含氮物質(zhì)，常用氮源有銨鹽、硝酸鹽等。氮源維持細胞滲透壓、酸堿平衡以及酶的活性，如磷酸鹽、硫酸鹽等。無機鹽微生物的營養(yǎng)需求與生長條件12生長因子某些微生物生長所必需的微量有機物質(zhì)，如維生素、氨基酸等。水分微生物細胞的主要組成部分，參與細胞內(nèi)各種生化反應(yīng)。溫度不同微生物對溫度的需求不同，一般分為嗜冷、嗜溫、嗜熱三類。微生物的營養(yǎng)需求與生長條件13pH值影響微生物細胞膜的通透性和酶的活性，不同微生物對pH值的要求不同。氧氣分為好氧、厭氧和兼性厭氧三類微生物，對氧氣的需求各不相同。微生物的營養(yǎng)需求與生長條件14微生物的生長曲線與生長速率穩(wěn)定期由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗、代謝產(chǎn)物積累等原因，微生物生長速率逐漸降低，新增殖的細胞數(shù)與死亡細胞數(shù)達到動態(tài)平衡。對數(shù)期經(jīng)過延遲期后，微生物以恒定速率進行指數(shù)生長，此期間微生物數(shù)量迅速增加。延遲期微生物接種到新環(huán)境后，需要一段時間適應(yīng)新環(huán)境，此期間微生物生長緩慢。衰亡期營養(yǎng)物質(zhì)耗盡，有害物質(zhì)積累，導致微生物大量死亡，生長速率降為負值。生長速率常數(shù)表示微生物每小時的分裂次數(shù)，與溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等因素有關(guān)。15微生物的繁殖方式與特點無性繁殖繁殖特點有性繁殖營養(yǎng)繁殖通過二分裂、出芽等方式進行繁殖，速度快、數(shù)量多，但后代遺傳物質(zhì)與親代完全相同。通過接合、轉(zhuǎn)化等方式進行繁殖，后代具有遺傳多樣性，但繁殖速度較慢。通過菌絲斷裂、孢子萌發(fā)等方式進行繁殖，常見于真菌等微生物。微生物繁殖速度快，數(shù)量巨大；繁殖方式多樣，適應(yīng)性強；易受環(huán)境條件影響，如溫度、pH值等。1604微生物的代謝與調(diào)控17包括糖酵解、糖異生和三羧酸循環(huán)等，產(chǎn)生ATP和中間代謝產(chǎn)物。糖代謝氮代謝脂類代謝次生代謝產(chǎn)物包括氨基酸、蛋白質(zhì)和核苷酸的合成與分解代謝，產(chǎn)生氨、尿素等含氮物質(zhì)。包括脂肪酸的合成與分解、磷脂代謝等，產(chǎn)生脂肪酸、甘油等。如抗生素、色素、毒素等，具有抗菌、抗病毒等生物活性。微生物的代謝途徑與產(chǎn)物18通過變構(gòu)效應(yīng)、共價修飾等方式調(diào)節(jié)酶活性，從而控制代謝速率。酶活性的調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)錄因子、阻遏蛋白等調(diào)節(jié)基因表達，控制代謝途徑的開啟與關(guān)閉。基因表達的調(diào)控通過細胞內(nèi)的信號分子傳遞信息，調(diào)節(jié)代謝相關(guān)基因的表達和酶活性。細胞信號傳導微生物代謝的調(diào)控機制19發(fā)酵工程生物制藥生物燃料環(huán)境治理微生物代謝工程的應(yīng)用利用微生物代謝工程手段優(yōu)化發(fā)酵過程，提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用微生物代謝工程生產(chǎn)生物柴油、生物乙醇等可再生能源。通過改造微生物代謝途徑，生產(chǎn)具有藥用價值的次生代謝產(chǎn)物。利用微生物降解污染物的能力，構(gòu)建工程菌用于環(huán)境治理和修復。2005微生物的遺傳與變異21DNA是微生物的主要遺傳物質(zhì)，RNA在某些病毒中作為遺傳物質(zhì)。微生物的遺傳物質(zhì)基因是控制生物性狀的基本遺傳單位，基因組是一個生物體所有基因的總和。基因與基因組基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯過程表達為蛋白質(zhì)，其表達受到多種因素的調(diào)控。基因表達與調(diào)控微生物的遺傳物質(zhì)與基因表達22基因重組通過同源重組、非同源重組等方式實現(xiàn)基因片段的交換和重排。染色體變異包括染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異，如染色體缺失、重復、倒位和易位等?；蛲蛔儼c突變、插入和缺失突變等，導致基因結(jié)構(gòu)和功能的改變。微生物的變異類型與機制23利用自然或人工誘發(fā)的變異，通過選擇培養(yǎng)獲得優(yōu)良性狀。傳統(tǒng)育種方法利用DNA重組技術(shù)，將外源基因?qū)胛⑸锛毎瑢崿F(xiàn)遺傳改良?；蚬こ逃N通過改變微生物代謝途徑，提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量或改變產(chǎn)物性質(zhì)。代謝工程育種設(shè)計和構(gòu)建人工生物系統(tǒng)，實現(xiàn)新功能或優(yōu)化現(xiàn)有功能。合成生物學育種微生物遺傳育種的方法與應(yīng)用2406微生物的生態(tài)與環(huán)境25微生物幾乎無處不在，從土壤、水體到空氣，甚至巖石中都能找到它們的蹤跡。分布廣泛微生物在自然界中扮演著分解者的角色，通過分解動植物殘體等有機物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為無機物質(zhì)，從而完成自然界的物質(zhì)循環(huán)。物質(zhì)循環(huán)微生物通過與其他生物的競爭、共生等關(guān)系，維持著生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。維持生態(tài)平衡微生物在自然界中的分布與作用26微生物對環(huán)境的影響微生物通過代謝活動產(chǎn)生各種物質(zhì)，如二氧化碳、甲烷等溫室氣體，以及抗生素等污染物，對環(huán)境產(chǎn)生影響。微生物與環(huán)境的協(xié)同進化微生物與環(huán)境之間存在著協(xié)同進化的關(guān)系，微生物不斷適應(yīng)環(huán)境變化，同時也在一定程度上改變著環(huán)境。環(huán)境對微生物的影響溫度、濕度、pH值、氧氣含量等環(huán)境因素都會對微生物的生長和繁殖產(chǎn)生影響。微生物與環(huán)境的相互作用關(guān)系27固體廢棄物處理通過微生物的發(fā)酵作用，將固體廢棄物轉(zhuǎn)化為有機肥料或生物燃料等有用物質(zhì)。土壤修復利用微生物的降解作