微生物學(xué)（Microbiology）第1章緒論1.1微生物的概念、分類地位及生物學(xué)特性1.2微生物學(xué)的形成及發(fā)展歷程1.3微生物學(xué)的研究方向及展望動(dòng)物植物微生物人類第一節(jié)微生物的概念、分類地位及生物學(xué)特性一.微生物的概念微生物（microorganism簡(jiǎn)稱microbe）的概念——是指?jìng)€(gè)體微小，必須借助普通光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡才可見，包括細(xì)菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動(dòng)物等在內(nèi)的一大類生物群體。但是這里面也有例外，比如許多真菌的子實(shí)體（如我們常見的蘑菇、靈芝、冬蟲夏草等）是肉眼可見，類似的，還有某些藻類能生長(zhǎng)幾米長(zhǎng)，也是肉眼可見。針對(duì)微生物概念的學(xué)習(xí)要靈活掌握。二.微生物的分類地位①兩界系統(tǒng)動(dòng)物界、植物界②三界系統(tǒng)動(dòng)物界、植物界和原生生物界1866年，?？藸枺‥.Haeckel，1834-1919）提出了區(qū)別動(dòng)物界與植物界的第三界——原生生物界（包括藻類、原生動(dòng)物、真菌和細(xì)菌）（Sander，2002）。1969年，魏塔科（R.H.Whittaker）提出了五界系統(tǒng)，即動(dòng)物界、植物界、原生生物界、真菌界和原核生物界。細(xì)胞生物的三原界（1977，C.woese）沃斯（C·R·Woese）在1977年提出三原界學(xué)說，稱為古細(xì)菌原界，與真核生物原界和原核真細(xì)菌原界共稱為“三元界分類系統(tǒng)”（Woese,etal.,1990）。微生物主要有三大類群：1）原核生物類：細(xì)菌（細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、支原體、立克次氏體和衣原體）；古細(xì)菌2）真核生物類：真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、原生動(dòng)物和顯微藻類。蘑菇和銀耳等食、藥用菌是個(gè)例外，盡管可用厘米表示它們的大小，但其本質(zhì)是真菌，我們稱它們?yōu)榇笮驼婢?）非細(xì)胞生物類：病毒和亞病毒（類病毒、擬病毒和朊病毒）。

個(gè)體小，數(shù)量大種類多，分布廣比面積大，代謝活力強(qiáng)繁殖快，易變異三.微生物的生物學(xué)特點(diǎn)

微生物學(xué)(Microbiology）的研究?jī)?nèi)容：研究微生物在一定條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、遺傳變異、分類、生態(tài)等生命活動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。

個(gè)體小，數(shù)量大（以μm或

nm表示）——基礎(chǔ)

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毫克細(xì)菌中的桿菌的平均長(zhǎng)度為2μm，1500個(gè)桿菌首尾相連相當(dāng)于一粒芝麻的長(zhǎng)度；10～100億個(gè)細(xì)菌加起來的重量約等于1mg。例外：真菌子實(shí)體、蘑菇；某些藻類能生長(zhǎng)幾米長(zhǎng)。

微生物雖然個(gè)體小，但其數(shù)量十分巨大，如生病患者的一次咳嗽含有約十萬個(gè)細(xì)菌，兩萬個(gè)病毒。人體的皮膚表面平均每平方厘米約有10萬個(gè)細(xì)菌；而人體腸道中的微生物總量更是高達(dá)100萬億。

種類多，分布廣微生物體積小，重量輕，可以到處傳播動(dòng)植物存在的地方都有微生物動(dòng)植物不存在的地方也有微生物

每張紙幣帶細(xì)菌：900萬個(gè)極端環(huán)境微生物

比面積大，代謝活力強(qiáng)體積越小，其比面值(surfacetovolumeratio)K（K=表面積/體積）就越大。K人

=1，K大腸桿菌

=30萬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)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收面代謝廢物的排泄面環(huán)境信息的接受面從單位重量來看，微生物的代謝強(qiáng)度比高等生物大幾千倍到幾萬倍。發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自重1000～10000倍的乳糖；消耗自身重量2000倍食物的時(shí)間：大腸桿菌：1小時(shí)（胃口大）人：500年（按400斤/年計(jì)算）一接種環(huán)的谷氨酸生產(chǎn)菌，經(jīng)兩天的擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵就能將8噸糖和2噸尿素轉(zhuǎn)化為3噸菌體和4噸谷氨酸?？梢姡⑸锛?xì)胞確實(shí)是一個(gè)生產(chǎn)效率極高的“活工廠”。代謝活力強(qiáng)

代謝類型多土壤微生物：秸稈微生物降解①把自然界蘊(yùn)藏量極其豐富的纖維素轉(zhuǎn)化成乙醇；②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；③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；④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；⑤研制微生物電池使之實(shí)用化。

在自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化中起重要作用農(nóng)用抗生素、殺蟲劑、微生物菌肥、PHB（聚羥基丁酸酯）生物塑料等

繁殖快，易變異繁殖快大腸桿菌一個(gè)細(xì)胞重約10–12

克，平均20分鐘繁殖一代24小時(shí)后：4722366500萬億個(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！事實(shí)上，由于種種客觀條件的限制，細(xì)菌的指數(shù)分裂速度只能維持?jǐn)?shù)小時(shí)，

90min，“五世同堂”

在發(fā)酵工業(yè)上有重要的實(shí)踐意義

——生產(chǎn)效率高，發(fā)酵周期短

病原、腐敗微生物給人類帶來極大的麻煩

繁殖快，易變異一頭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)量較次的糖液和氨水為原料，24小時(shí)可以生產(chǎn)50000kg優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)棉花枯萎??；禽流感，食品腐敗微生物的變異頻率（一般為108~109）相對(duì)于其他生物（動(dòng)植物）顯得尤其高

易變異

有益變異：在發(fā)酵工業(yè)中進(jìn)行菌種選育，提高生產(chǎn)性能

青霉素——產(chǎn)黃青霉（Penicilliumchrysogenum)

194320單位/mL發(fā)酵液，

各國(guó)微生物遺傳育種工作者的不懈努力產(chǎn)量變異逐漸累積其他發(fā)酵條件的改變

19835-10萬單位/mL發(fā)酵液有害變異：病原菌對(duì)抗生素產(chǎn)生的抗藥性變異如在40年代用青霉素治療時(shí)，即使是嚴(yán)重感染的病人，每天只需10萬單位，而現(xiàn)在成人需1６0萬單位，新生兒也不少于４０萬單位。病情嚴(yán)重時(shí)，甚至用數(shù)千萬。同時(shí)也說明了“濫用抗生素?zé)o異于玩火”的口號(hào)是有充分科學(xué)依據(jù)的。易變異細(xì)菌抗藥性的產(chǎn)生：第二節(jié)、微生物的發(fā)現(xiàn)及微生物的學(xué)發(fā)展與奠基者1.史前期史前期是指人類還未見到微生物個(gè)體尤其是細(xì)菌細(xì)胞前的一段漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，大約在距今8000年－－1676年間。開創(chuàng)者：各國(guó)勞動(dòng)人民，其中尤以我國(guó)的制曲、釀酒技術(shù)蓍稱。特點(diǎn)：未見細(xì)菌等微生物個(gè)體；憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)利用微生物的有益活動(dòng)（釀酒、制醬、釀醋、漚肥、輪作、治?。?。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(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。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。1695年，安東·列文虎克把自己積累的大量結(jié)果匯集在《安東·列文虎克所發(fā)現(xiàn)的自然界秘密》一書里。他的發(fā)現(xiàn)和描述首次揭示了一個(gè)嶄新的生物世界---微生物世界。這在微生物學(xué)的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。時(shí)間：1861－－1897開創(chuàng)者：Pasteur和Koch特點(diǎn)：①建立了一系列研究微生物所必要的獨(dú)特方法；②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(shí)期”；③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；④微生物學(xué)以獨(dú)立的學(xué)科形式開始形成。3.奠基期法國(guó)人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）

曲頸瓶實(shí)驗(yàn)徹底推翻自然發(fā)生學(xué)說

發(fā)酵學(xué)的奠基人——巴斯德效應(yīng)等

免疫學(xué)的奠基人

巴斯德消毒法

主要貢獻(xiàn)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)說葡萄汁發(fā)酵變成酒是酵母菌作用的結(jié)果著名的曲頸瓶試驗(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。(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：60～65℃作短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物德國(guó)人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）

創(chuàng)立柯赫原則（1884）

純培養(yǎng)技術(shù)：瓊脂為凝固劑劃線分離法分離病原菌

創(chuàng)立許多顯微技術(shù)細(xì)菌的鞭毛染色懸滴培養(yǎng)法顯微攝影技術(shù)

主要貢獻(xiàn)柯赫a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立——?jiǎng)澗€分離法土豆切面→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（細(xì)菌鞭毛染色等）和顯微攝影（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。（3）Lister——疾病與微生物的關(guān)系Lister認(rèn)為外科手術(shù)的感染與細(xì)菌有關(guān)，采用石炭酸噴霧消毒和清洗傷口后再行外科手術(shù)，大大降低了死亡率。

外科消毒技術(shù)的建立

英國(guó)的李斯特（J.Lister)

稀釋分離法（4）免疫學(xué)的發(fā)展

英國(guó)醫(yī)生Jenner接種牛痘預(yù)防天花。Pasteur研究雞霍亂病原菌認(rèn)為：長(zhǎng)老了的細(xì)菌會(huì)失去致病力，但這種減毒細(xì)菌仍然保留著刺激宿主產(chǎn)生抗體物質(zhì)的能力。而抗體能保護(hù)宿主以后接觸有毒有機(jī)體時(shí)不受侵襲。42-43oC下培養(yǎng)的老齡炭疽菌幾星期后獲免疫力37oC下培養(yǎng)的新鮮炭疽菌4.發(fā)展期

時(shí)間：1897－－1953Fleming青霉素

1943，美國(guó)瓦克斯曼(SelmanWaksman)發(fā)現(xiàn)土壤放線菌鏈霉菌產(chǎn)生鏈霉素。1952年獲諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)時(shí)間：1953－－至今開創(chuàng)者：Watson和Crick5.成熟期——微生物分子生物學(xué)的發(fā)展

自1953年4月25日Watson和Crick在《自然》雜志上發(fā)表DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型起，整個(gè)生命科學(xué)就進(jìn)入了分子生物學(xué)研究的新階段。

微生物迅速成為分子生物學(xué)研究中的最主要對(duì)象，微生物成為新型的生物工程的主角。微生物學(xué)發(fā)展史上幾位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者簡(jiǎn)介埃米爾·阿道夫·馮·貝林——白喉抗毒素的發(fā)現(xiàn)和研制（1901年）（2）羅伯特·科赫——肺結(jié)核病原菌的發(fā)現(xiàn)與結(jié)核菌素的發(fā)明（1905年）（3）亞歷山大·弗萊明——青霉素的發(fā)現(xiàn)及成功應(yīng)用（1945年）（4）喬舒亞·萊德伯格——發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的遺傳重組（1958年）細(xì)菌遺傳學(xué)之父（5）雅克·呂西安·莫諾、弗朗索瓦·雅各布——微生物基因調(diào)控機(jī)制的發(fā)現(xiàn)（1965年）乳糖操縱子模型（6）羅納托·杜爾貝克、霍華德·馬丁·特明、大衛(wèi)·巴爾迪摩——反轉(zhuǎn)錄病毒和反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)（1975年）

逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步完善了原有的“中心法則”，而且明確揭示了腫瘤病毒與細(xì)胞遺傳物質(zhì)之間的相互作用。為癌癥起因的研究及攻克癌癥的生物技術(shù)應(yīng)用鋪平了道路，成為病毒微生物發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（7）沃納·阿爾伯、漢密爾頓·史密斯、丹尼爾·內(nèi)森斯———限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)及其在分子遺傳學(xué)方面的應(yīng)用（1978年）細(xì)菌中存在2種酶，一種是可以降解外源DNA的酶，以此保護(hù)自身遺傳物質(zhì)不受外來DNA的干擾，另一種則是可通過甲基化的方式修飾自身DNA免受降解的修飾酶，2種酶協(xié)調(diào)作用形成“限制-修飾系統(tǒng)”。（8）斯坦利·普魯辛納——新型病原微生物“朊病毒”及其致病機(jī)理的發(fā)現(xiàn)（1997年）發(fā)現(xiàn)采用核酸滅活法對(duì)其致病性并無影響，反而使用蛋白質(zhì)變性劑卻可以導(dǎo)致癥狀消失。普魯辛納首次為這種不含核酸的蛋白質(zhì)病毒顆粒取名“朊病毒”。（9）弗朗索瓦絲·巴爾·西諾西、呂克·蒙塔尼——艾滋病毒（HIV）的發(fā)現(xiàn)及哈拉爾德·楚爾·豪森——子宮頸癌致病因子-人乳頭瘤病毒（HPV）的發(fā)現(xiàn)（2008年）弗朗索瓦絲哈拉爾德我國(guó)微生物學(xué)發(fā)展史上幾位代表性人物簡(jiǎn)介（1）伍連德（WuLien-The）伍連德首次提出飛沫傳染的重要作用，而此前人們只注意到鼠疫由跳蚤傳染的途徑。著作：《鼠疫概論》和《霍亂概論》、《中國(guó)醫(yī)學(xué)史》（2）湯飛凡湯飛凡闡明了沙眼病原體侵入宿主細(xì)胞后的發(fā)育周期?！皽喜《尽薄逞鄄≡w→沙眼衣原體1980年6月26日，國(guó)際沙眼防治組織主席通知中國(guó)眼科學(xué)會(huì)，將授予湯飛凡沙眼金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆＃?）戴芳瀾《中國(guó)真菌總匯》戴芳瀾遺著《真菌的形態(tài)與分類》是我國(guó)學(xué)者編寫的第一本真菌學(xué)教科書。（4）陳華癸陳華癸的學(xué)生、國(guó)際著名的根瘤菌分類專家陳文新院士，她采用分子生物學(xué)方法對(duì)1940年代陳華癸命名的紫云英根瘤菌重新作了鑒定，確定是一個(gè)新種，1991年命名為華癸根瘤菌（Rhizobiumhuakuii），1997年改名為華癸中慢生根瘤菌（Mesorhizobiumhuakuii）陳華癸首次發(fā)現(xiàn)紫云英根瘤菌是一個(gè)具有專一性的獨(dú)立互接種族，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，不僅豐富了根瘤菌和宿主植物共生結(jié)瘤固氮的知識(shí)，而且為紫云英根瘤菌劑的生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。第三節(jié).微生物學(xué)的研究方向及展望隨著基因組學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物信息學(xué)、PCR技術(shù)、高分率熒光顯微鏡及其它物理化學(xué)理論和技術(shù)等的應(yīng)用，使微生物學(xué)的研究取得了一系列突破性進(jìn)展，微生物學(xué)的研究發(fā)展從最初的基礎(chǔ)生理階段跨越至分子水平的整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用階段，成為推動(dòng)整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。功能獲得性微生物是最近學(xué)界的一個(gè)新提法，特指一類由基因改變導(dǎo)致重要功能改變的新的微生物。有關(guān)超級(jí)細(xì)菌、大腸桿菌O104:H4、重組鼠痘病毒、合成脊灰病毒以及H5N1和H7N9禽流感病毒等都是具有代表性的功能獲得性微生物。這種基因改變可以源于基因重組或基因重配，也可源于自然進(jìn)化或人工合成。耐碳青霉烯類腸桿菌科耐甲氧西林金黃色葡萄球菌微生物群是存在于機(jī)體體表以及與外界相通的腔道粘膜上的微生物總和，細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌、病毒均參與了其構(gòu)成。微生物群的數(shù)量、種類、分布與人類的年齡、性別、飲食、藥物、感染等相關(guān)。微生物群與人體是一種互利共生的關(guān)系，參與人體的代謝，微生物群還參與了免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。微生物群的失調(diào)與系統(tǒng)疾病相關(guān)，包括消化系統(tǒng)疾病如腸易激綜合征，炎癥腸病等;免疫系統(tǒng)疾病如過敏，哮喘，多發(fā)性硬化等;代謝與內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病如肥胖，糖尿病等;神經(jīng)精神疾病如抑郁癥，自閉癥等腸道微生物和癌癥的關(guān)聯(lián)PNAS：經(jīng)過改造的乳酸菌逆轉(zhuǎn)了小鼠的結(jié)腸癌微生物組學(xué)研究美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)政策辦公室發(fā)布“整合微生物組計(jì)劃”藍(lán)圖設(shè)想。英國(guó)自然出版集團(tuán)推出NatureMicrobiology新雜志，全方位聚焦微生物研究。微生物在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、能源、氣候變化、環(huán)境和生態(tài)等方面的重要作用已成為學(xué)術(shù)界的廣泛共識(shí)。食品微生物，醫(yī)學(xué)微生物，海洋微生物，土壤微生物等的研究領(lǐng)域也都發(fā)生了革命性的變化。第三節(jié)微生物應(yīng)用與展望目前，人類所知道的微生物被利用的還不到1%。微生物資源一直是全球生物技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略重點(diǎn)，作為全世界分布最廣且擁有量最多的生物資源，其應(yīng)用已涉及到諸多領(lǐng)域并展現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值巨大多樣的微生物資源在食品工業(yè)，醫(yī)藥，農(nóng)業(yè)，采礦、冶金，酶工程，傳感器、芯片，生物計(jì)算機(jī)等方面具有廣泛的應(yīng)用及開發(fā)潛力。1、微生物肥料GrowthpromotionwithPGPR.Ectomycorrhizae（外生菌根菌）asfoundonrootsofapinetree生長(zhǎng)期為6個(gè)月的松樹幼苗A:沒有接種菌根；b：接種菌根2、微生物農(nóng)藥微生物殺蟲劑微生物殺菌劑微生物除草劑微生物植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑阿維菌素(avermectin)是殺線蟲和節(jié)肢動(dòng)物(特別是螨類)的抗生素。它能增加蟲體內(nèi)的γ-氨基丁酸，后者對(duì)神經(jīng)有抑制作用。Streptomycesavermitilis微生物殺菌劑是一類控制植物病原菌的制劑，主要有農(nóng)用抗生索、細(xì)菌殺菌劑、真菌殺菌劑和病毒殺菌劑等類型。微生物殺菌劑主要抑制病原菌能量產(chǎn)生、干擾生物合成和破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。內(nèi)吸性強(qiáng)、毒性低，有的兼有刺激植物生長(zhǎng)的作用。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用的微生物殺菌劑，包括有井岡霉素、公主嶺霉素、赤霉索、春雷霉素、農(nóng)抗120、農(nóng)抗5102、中生菌素、武夷菌素、瀏陽(yáng)霉素等·3、微生物殺菌劑除草劑雙丙胺磷具有強(qiáng)烈的廣譜殺草活性，能防治一年生和多年生的雜草，同