微生物課件 chapter01

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1、微生物學 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 第一章第一章 緒緒 論論第一節(jié)第一節(jié) 微生物與人類微生物與人類第二節(jié)第二節(jié) 微生物學的發(fā)展史微生物學的發(fā)展史第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點第四節(jié)第四節(jié) 微生物學及其分科微生物學及其分科第五節(jié)第五節(jié) 微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展附：附：教材與參考文獻教材與參考文獻 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 微生物與人類關系的重要性，我們怎么強調都不過分。微生物是一把微生物與人類關系的重要性，我們怎么強調都不過分。微生物是一把 典型的雙刃劍，它們在給人類帶來巨大利益的同時也帶來典型的雙刃劍，它們在給

2、人類帶來巨大利益的同時也帶來“殘忍殘忍”的破壞；的破壞； 它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存?？梢赃@它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存?？梢赃@ 么說，微生物既是人類的敵人又是人類的朋友。么說，微生物既是人類的敵人又是人類的朋友。第一節(jié)第一節(jié) 微生物與人類微生物與人類 以下我們從幾個大的方面體會一下微生物與人類的關系，看看微生物以下我們從幾個大的方面體會一下微生物與人類的關系，看看微生物 作為敵人的作為敵人的“面孔面孔”和作為朋友的和作為朋友的“模樣模樣”。1. 人類健康人類健康 病原體、抗生素病原體、抗生素2. 工業(yè)工業(yè) 產(chǎn)品腐敗、發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)品腐敗、

3、發(fā)酵產(chǎn)品3. 生物工程學生物工程學 （發(fā)酵、遺傳、細胞、酶、生物發(fā)應器）工程（發(fā)酵、遺傳、細胞、酶、生物發(fā)應器）工程 生物工程學生物工程學4. 農業(yè)農業(yè) 農產(chǎn)品霉變、農業(yè)栽培、生物農藥農產(chǎn)品霉變、農業(yè)栽培、生物農藥 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 5. 環(huán)境環(huán)境 環(huán)境污染、物質循環(huán)、環(huán)境保護環(huán)境污染、物質循環(huán)、環(huán)境保護第一節(jié)第一節(jié) 微生物與人類微生物與人類6. 生命科學基礎理論研究生命科學基礎理論研究 生物中心法則、核酸的變性、復性和雜交、糖酵解、發(fā)酵、生物中心法則、核酸的變性、復性和雜交、糖酵解、發(fā)酵、TCA 循循 環(huán)、環(huán)、EMP 途徑、生物膜的流動鑲嵌模型、呼吸鏈、氧化磷酸

4、化、途徑、生物膜的流動鑲嵌模型、呼吸鏈、氧化磷酸化、DNA 的的 半保留復制、操縱子、生物代謝調節(jié)的方式、氨基酸的分解代謝途徑等。半保留復制、操縱子、生物代謝調節(jié)的方式、氨基酸的分解代謝途徑等。 微生物確乎是一把明晃晃的雙刃劍。微生物確乎是一把明晃晃的雙刃劍。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 1. 一個難以認識的微生物世界一個難以認識的微生物世界 （1）個體過于微小個體過于微小 大多數(shù)微生物的個體在幾大多數(shù)微生物的個體在幾 m - 幾十幾十 m ，在顯微鏡發(fā)明之前僅靠肉眼，在顯微鏡發(fā)明之前僅靠肉眼 難以發(fā)現(xiàn)和辨認。難以發(fā)現(xiàn)和辨認。二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 （2）

5、群體外貌不顯群體外貌不顯 微生物的個體看不見，形成的群體（菌落或菌苔）雖然可見，一般也微生物的個體看不見，形成的群體（菌落或菌苔）雖然可見，一般也 平淡無奇，不引人注意。平淡無奇，不引人注意。 （3）種間雜居混生種間雜居混生 自然狀態(tài)下雜居混生，在發(fā)明各種微生物的分離、培養(yǎng)技術之前，無自然狀態(tài)下雜居混生，在發(fā)明各種微生物的分離、培養(yǎng)技術之前，無 法知道其真正的作用。法知道其真正的作用。 （4）形態(tài)與作用因果難聯(lián)形態(tài)與作用因果難聯(lián) 微生物的生長繁殖快，代謝活躍，傳染病早期并不引人注意，即便事微生物的生長繁殖快，代謝活躍，傳染病早期并不引人注意，即便事 態(tài)嚴重，往往也沒有意識到是微生物的活動。就是

6、許多非病原微生物的生態(tài)嚴重，往往也沒有意識到是微生物的活動。就是許多非病原微生物的生 長活動所引起的各種生化變化（發(fā)酵、腐敗）等，也是如此。長活動所引起的各種生化變化（發(fā)酵、腐?。┑龋彩侨绱?。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 2. 微生物學的發(fā)展史微生物學的發(fā)展史 整個微生物學的發(fā)展史是一部逐步克服上述認識微生物的整個微生物學的發(fā)展史是一部逐步克服上述認識微生物的 4 個個 障礙不障礙不 斷探究它們的生活規(guī)律，開發(fā)利用有益微生物和控制有害微生物的歷史。斷探究它們的生活規(guī)律，開發(fā)利用有益微生物和控制有害微生物的歷史。 （如顯微鏡的發(fā)明、無菌技術的應用、純種分離和培養(yǎng)技術的建立等

7、。）（如顯微鏡的發(fā)明、無菌技術的應用、純種分離和培養(yǎng)技術的建立等。）史前期史前期8000年前年前-1676年年初創(chuàng)期初創(chuàng)期1676年年-1861年年奠基期奠基期1861年年-1897年年發(fā)展期發(fā)展期1897年年-1953年年成熟期成熟期1953年年-至今至今Antony van LeeuwenhoekLouis Pasteur Robert KochE. BuchnerJ. WatsonF. Crick （1）史前期（史前期（8000 年前年前-1676 年）年） 這一時期的特點：這一時期的特點：低水平的應用階段低水平的應用階段。 以下一段話可以反映這一時期的特點：以下一段話可以反映這一時期的

8、特點： 視而不見、嗅而不聞、觸而不覺、食而不察、得其益而不感其好、受視而不見、嗅而不聞、觸而不覺、食而不察、得其益而不感其好、受 其害而不知其惡。其害而不知其惡。 我們根據(jù)劃時代意義的事件扼要將微生物學的發(fā)展史分為我們根據(jù)劃時代意義的事件扼要將微生物學的發(fā)展史分為 5 個時期。個時期。二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 在史前期，世界各國人民在自己的生產(chǎn)實踐中都積累了許多利用有益在史前期，世界各國人民在自己的生產(chǎn)實踐中都積累了許多利用有益 微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗。例如發(fā)面、天然果酒和啤酒釀造、牛乳微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗。例如發(fā)面

9、、天然果酒和啤酒釀造、牛乳 和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來治療一些疾病等，但當時應用水平最高并和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來治療一些疾病等，但當時應用水平最高并 獨樹一幟的應用應該首推我國人民在制曲釀酒方面的偉大創(chuàng)造。獨樹一幟的應用應該首推我國人民在制曲釀酒方面的偉大創(chuàng)造。 釀酒釀酒 農業(yè)農業(yè) 醫(yī)學醫(yī)學 （2）初創(chuàng)期（初創(chuàng)期（1676 年年-1861 年）年） 這一時期的特點：這一時期的特點：形態(tài)描述和分門別類的階段形態(tài)描述和分門別類的階段。 荷蘭商人安東荷蘭商人安東.列文虎克（列文虎克（Antony van Leeuwenhoek，1632 - 1723），）， 是真正看見并描述微生物的第一個人

10、。他的最大貢獻是利用自制的顯微鏡是真正看見并描述微生物的第一個人。他的最大貢獻是利用自制的顯微鏡 發(fā)現(xiàn)了微生物世界（當時被稱之為微小動物）。顯微鏡構造簡單，僅一個發(fā)現(xiàn)了微生物世界（當時被稱之為微小動物）。顯微鏡構造簡單，僅一個 透鏡安裝在兩片金屬薄片的中間，在透鏡前面有一根金屬短棒，在棒的尖透鏡安裝在兩片金屬薄片的中間，在透鏡前面有一根金屬短棒，在棒的尖 端擱上需要觀察的樣品，通過調焦螺旋調節(jié)焦距。端擱上需要觀察的樣品，通過調焦螺旋調節(jié)焦距。二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 Antony van Leeuwenhoek 列文虎克和他的顯微

11、鏡列文虎克和他的顯微鏡二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 a. 顯微鏡顯微鏡 b. 描述的細菌描述的細菌 列文虎克的顯微鏡和描述的細菌列文虎克的顯微鏡和描述的細菌 二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 實際上，列文虎克是清楚地看見了細菌和原生動物，首次向世人揭示實際上，列文虎克是清楚地看見了細菌和原生動物，首次向世人揭示 了一個嶄新的生物世界了一個嶄新的生物世界微生物世界。由于列文虎克的劃時代貢獻，他微生物世界。由于列文虎克的劃時代貢獻，他 在在 1680 年被選為英國皇家學會會員。年被選

12、為英國皇家學會會員。 （3）奠基期（奠基期（1861 年年-1897 年）年） 十九世紀中期，以法國的巴斯德和德國的柯赫為代表的科學家揭示了十九世紀中期，以法國的巴斯德和德國的柯赫為代表的科學家揭示了 微生物才是造成腐敗發(fā)酵和人畜疾病的原因，并建立了分離、培養(yǎng)、接種微生物才是造成腐敗發(fā)酵和人畜疾病的原因，并建立了分離、培養(yǎng)、接種 和滅菌等一系列獨特的微生物技術，從而奠定了微生物學的基礎，同時開和滅菌等一系列獨特的微生物技術，從而奠定了微生物學的基礎，同時開 辟了醫(yī)學和工業(yè)微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。辟了醫(yī)學和工業(yè)微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。 這一時期

13、的特點：這一時期的特點：從形態(tài)描述推進到生理水平的研究階段從形態(tài)描述推進到生理水平的研究階段。 巴斯德（巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895） 巴斯德原來是化學家，在化學領域中作出巴斯德原來是化學家，在化學領域中作出 過重要的貢獻，后來又轉向于微生物學的研究過重要的貢獻，后來又轉向于微生物學的研究 領域，所做的工作為微生物學的建立和發(fā)展作領域，所做的工作為微生物學的建立和發(fā)展作 出了卓越的貢獻。出了卓越的貢獻。二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 A. 徹底否定了徹底否定了“自生說自生說”學說學說 a. “自生說自生說” b

14、. 曲頸瓶試驗曲頸瓶試驗二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 B. 免疫學免疫學預防接種預防接種 a. Jenner 種痘法可預防天花，但未能闡明免疫機制種痘法可預防天花，但未能闡明免疫機制 C. 證實發(fā)酵是由微生物引起的證實發(fā)酵是由微生物引起的 b. 減毒疫苗減毒疫苗雞霍亂病、牛、羊炭疽病、狂犬病雞霍亂病、牛、羊炭疽病、狂犬病 D. 其他貢獻（巴斯德消毒、巴斯德效應）其他貢獻（巴斯德消毒、巴斯德效應） 柯赫（柯赫（1843-1910） 柯赫是著名的細菌學家，由于他曾經(jīng)是柯赫是著名的細菌學家，由于他曾經(jīng)是 一名醫(yī)生，因此對病原細菌的研究作出了

15、突一名醫(yī)生，因此對病原細菌的研究作出了突 出的貢獻。出的貢獻。Robert Koch A. 具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌； B. 發(fā)現(xiàn)了肺結核病的病原菌，這是當時死亡率極發(fā)現(xiàn)了肺結核病的病原菌，這是當時死亡率極 高的傳染性疾病，因此柯赫獲得了諾貝爾獎；高的傳染性疾病，因此柯赫獲得了諾貝爾獎； C. 提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體 的基本原則的基本原則柯赫法則?？潞辗▌t。二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 柯赫法則示意圖柯赫法則示意圖 二、微生物學的發(fā)

16、展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 柯赫在病原菌研究方面的開創(chuàng)性工作，自柯赫在病原菌研究方面的開創(chuàng)性工作，自 19 世紀世紀 70 年代至年代至 20 世紀世紀 20 年代成了發(fā)現(xiàn)病原菌的黃金時代。年代成了發(fā)現(xiàn)病原菌的黃金時代。 柯赫除了在病原菌研究方面的偉大成就外，在微生物基本操作技術方柯赫除了在病原菌研究方面的偉大成就外，在微生物基本操作技術方 面的貢獻更是為微生物學的發(fā)展奠定了技術基礎，這些技術包括：面的貢獻更是為微生物學的發(fā)展奠定了技術基礎，這些技術包括： A. 用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技術，這是進行微生物學研究的用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技

17、術，這是進行微生物學研究的 基本前提，這項技術一直沿用至今；基本前提，這項技術一直沿用至今； B. 配制培養(yǎng)基，也是當今微生物學研究的基本技術之一。配制培養(yǎng)基，也是當今微生物學研究的基本技術之一。 這兩項技術不僅是具有微生物學研究特色的重要技術，而且也為當今這兩項技術不僅是具有微生物學研究特色的重要技術，而且也為當今 動植物細胞的培養(yǎng)作出了十分重要的貢獻。動植物細胞的培養(yǎng)作出了十分重要的貢獻。 由于巴斯德和柯赫的杰出工作，微生物學作為一門獨立的學科開始形由于巴斯德和柯赫的杰出工作，微生物學作為一門獨立的學科開始形 成，并且出現(xiàn)以他們?yōu)榇矶⒌母鞣种W科。成，并且出現(xiàn)以他們?yōu)榇矶⒌母鞣?/p>

18、支學科。 細菌學（巴斯德、柯赫等）細菌學（巴斯德、柯赫等） 消毒外科技術（消毒外科技術（J. Lister） 免疫學（巴斯德、免疫學（巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等等 ）二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 病毒學（病毒學（Ivanowsky、Beijerinck 等）等） 植物病理學和真菌學（植物病理學和真菌學（Bary、Berkeley 等）等） 釀造學（釀造學（Hensen、Jorgensen 等）等） 化學治療法（化學治療法（Ehrlish 等）等） 微生物學的研究內容日趨豐富，使微生物學的發(fā)展更加迅

19、速。微生物學的研究內容日趨豐富，使微生物學的發(fā)展更加迅速。 （4）發(fā)展期（發(fā)展期（1897 年年-1953 年）年） 1897年，德國科學家年，德國科學家E. Buchner用無細胞酵母菌壓用無細胞酵母菌壓 榨汁中的榨汁中的“酒化酶酒化酶”對葡萄糖進行酒精發(fā)酵成功，從而開對葡萄糖進行酒精發(fā)酵成功，從而開 創(chuàng)了微生物生化研究的新時代。此后，微生物生理代謝創(chuàng)了微生物生化研究的新時代。此后，微生物生理代謝 研究就蓬勃地開展起來了。研究就蓬勃地開展起來了。E. Buchner 這一時期的特點如下：這一時期的特點如下： A. 進入了微生物生化水平的研究；進入了微生物生化水平的研究； B. 應用微生物的分

20、支學科更為擴大；應用微生物的分支學科更為擴大； C. 出現(xiàn)了尋找有益微生物代謝產(chǎn)物的熱潮；出現(xiàn)了尋找有益微生物代謝產(chǎn)物的熱潮；二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 D. 普通微生物學開始形成；普通微生物學開始形成； E. 相關學科相互滲透促進了微生物學的發(fā)展。相關學科相互滲透促進了微生物學的發(fā)展。 整個生命科學進入了分子生物學研究的新階整個生命科學進入了分子生物學研究的新階 段，同樣也是微生物學發(fā)展史上成熟期到來的標段，同樣也是微生物學發(fā)展史上成熟期到來的標 志。志。 （5）成熟期（成熟期（1953 年年-至今）至今） 1953 年年 2 月

21、月 28 日，日， Watson和和 Crick建立了建立了 DNA 雙螺旋結構理論，雙螺旋結構理論， 奠定了現(xiàn)代分子生物學奠定了現(xiàn)代分子生物學 的基礎，整個生命科學由此展開了新的一頁。他的基礎，整個生命科學由此展開了新的一頁。他 們倆因此獲得了諾貝爾獎。這是迄今為止分量最們倆因此獲得了諾貝爾獎。這是迄今為止分量最 重的一項諾貝爾獎，重的一項諾貝爾獎，“是諾貝爾獎中的諾貝爾獎是諾貝爾獎中的諾貝爾獎”。 本時期的特點為：本時期的特點為： A. 微生物學從一門在生命科學中較為微生物學從一門在生命科學中較為 孤立的應用為主的學科迅速成孤立的應用為主的學科迅速成 為一門十分熱門的前沿基礎學科；為一門十

22、分熱門的前沿基礎學科；二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 B. 在基礎理論研究方面，逐步進入到分子水平的研究，微生物迅速成在基礎理論研究方面，逐步進入到分子水平的研究，微生物迅速成為分子生物學研究中的主要對象；為分子生物學研究中的主要對象； C. 在應用研究方面，微生物已成為新興的生物工程中的主角。在應用研究方面，微生物已成為新興的生物工程中的主角。 微生物學的發(fā)展史是一部認識微生物的歷史、開發(fā)利用有益微生物的微生物學的發(fā)展史是一部認識微生物的歷史、開發(fā)利用有益微生物的 歷史、控制和消滅有害微生物的歷史。歷史、控制和消滅有害微生物的歷史。二

23、、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史3. 微生物學發(fā)展過程中的重大事件微生物學發(fā)展過程中的重大事件 1890，Von Behring 制備抗毒素治療白喉和破傷風；制備抗毒素治療白喉和破傷風； 1892，Ivanovsky 提供煙草花葉病是由病毒引起的證據(jù)；提供煙草花葉病是由病毒引起的證據(jù)； 1928，Griffith 發(fā)現(xiàn)細菌轉化；發(fā)現(xiàn)細菌轉化； 1929，F(xiàn)leming 發(fā)現(xiàn)青霉素；發(fā)現(xiàn)青霉素； 1944，Avery 等等 證實轉化過程中證實轉化過程中DNA是遺傳信息的載體；是遺傳信息的載體； 1953，Watson 和和 Crick 提出提出 DNA 雙螺旋結構；雙螺旋結構； 1970-

24、1972，Arber、Smith 和和 Nathans 發(fā)現(xiàn)并提純了發(fā)現(xiàn)并提純了 DNA 限制性內限制性內 切酶；切酶； 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 1977，Woese 提出古生菌是不同于細菌和真核生物的特殊類群；提出古生菌是不同于細菌和真核生物的特殊類群； 二、微生物學的發(fā)展史二、微生物學的發(fā)展史 Sanger 首次對首次對 174 噬菌體噬菌體 DNA 進行了全序列分析；進行了全序列分析； 1982-1983，Prusiner 發(fā)現(xiàn)朊病毒（發(fā)現(xiàn)朊病毒（prion）；）； 1983-1984, Mullis 建立建立PCR技術；技術； 1995，第一個獨立生活的細菌（流

25、感嗜血桿菌）全基團組序列測定完，第一個獨立生活的細菌（流感嗜血桿菌）全基團組序列測定完 成；成； 1996， 第一個自養(yǎng)生活的古生菌基因組測定完成；第一個自養(yǎng)生活的古生菌基因組測定完成； 1997， 第一個真核生物（啤酒酵母）基因組測序完成。第一個真核生物（啤酒酵母）基因組測序完成。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 1. 什么是微生物什么是微生物 微生物（微生物（microorganism，microbe）是一切肉眼看不見或看不清的微）是一切肉眼看不見或看不清的微 小生物的總稱，它們是一些個體微?。ㄒ话阈∮谛∩锏目偡Q，它們是一些個體微?。ㄒ话阈∮?.1mm）、結構簡單的低）、

26、結構簡單的低 等生物，必須借助于顯微儀器才能看得見的生物。等生物，必須借助于顯微儀器才能看得見的生物。第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 微生物包括哪些類群呢？微生物包括哪些類群呢？ 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點注意：注意：微生物、酵母、微生物、酵母、 霉菌、蕈菌都不霉菌、蕈菌都不 是生物分類學中是生物分類學中 的名詞。的名詞。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 最小的細菌：納米細菌（最小的細菌：納米細菌（nanobacteria），直徑僅），直徑僅 50 nm。第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點

27、微生物的類群及特點 最大的細菌：最大的細菌：“納米比亞硫磺珍珠納米比亞硫磺珍珠”（Thiomargarita namibiensis），）， 有些可達有些可達 0.75 mm。2. 微生物的特點微生物的特點 微生物由于體形微小，因而導致了一系列與之密切相關的微生物由于體形微小，因而導致了一系列與之密切相關的 5 個重要共個重要共 性。性。 （1）體積小、面積大體積小、面積大比表面積大比表面積大 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 邊邊 長長立方體數(shù)立方體數(shù)總表面積總表面積比面值比面值近似對象近似對象1.0 cm16 cm26豌豆豌

28、豆1.0 mm10360 cm260細小藥丸細小藥丸0.1 mm106600 cm2600滑石粉?；哿?.01 mm1096,000cm26,000變形蟲變形蟲1.0 um10126 m260,000球菌球菌0.1 um101560 m2600,000大膠粒大膠粒0.01 um1018600 m26,000,000大分子大分子1.0 nm10216,000 cm260,000,000分子分子 對對 1 cm3 固體作固體作10倍系列三維分割后的比面值變化倍系列三維分割后的比面值變化 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 由于微生

29、物是一個如此突出的小體積大面積系統(tǒng)，從而賦予它們具有由于微生物是一個如此突出的小體積大面積系統(tǒng)，從而賦予它們具有 不同于一切大生物的五個共性，因為一個小體積大面積系統(tǒng)，必然有一個不同于一切大生物的五個共性，因為一個小體積大面積系統(tǒng)，必然有一個 巨大的營養(yǎng)物質吸收面、代謝廢物的排泄面和環(huán)境信息的交流面。由此，巨大的營養(yǎng)物質吸收面、代謝廢物的排泄面和環(huán)境信息的交流面。由此， 產(chǎn)生其余產(chǎn)生其余 4 個個 共性。共性。（2）吸收多、轉化快吸收多、轉化快 大腸桿菌（大腸桿菌（Escherichia coli）每小時可分解自身重量）每小時可分解自身重量1,000-10,000倍的倍的 乳糖。乳糖。 產(chǎn)朊假

30、絲酵母產(chǎn)朊假絲酵母 （ Candida utilis）合成蛋白質的能力比大豆強）合成蛋白質的能力比大豆強 100 倍，倍， 比食用公牛強比食用公牛強10萬倍，故有單細胞蛋白（萬倍，故有單細胞蛋白（single cell protein，SCP）的生）的生 產(chǎn)。產(chǎn)。 一些微生物的呼吸速率比高等動、植物的組織強數(shù)十倍至數(shù)百倍。一些微生物的呼吸速率比高等動、植物的組織強數(shù)十倍至數(shù)百倍。 這個特性為微生物的高速生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物提供了充分的這個特性為微生物的高速生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物提供了充分的 物質基礎，物質基礎， 從而使微生物能在自然界和人類實踐中更好的發(fā)揮其超小型從而使微生物能在自然

31、界和人類實踐中更好的發(fā)揮其超小型 “活的化工廠活的化工廠”的作用。的作用。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 （3）生長旺、繁殖快生長旺、繁殖快 E.coli：12.5-20min分裂一次。如果以分裂一次。如果以20min/次計算，請計算每天可產(chǎn)次計算，請計算每天可產(chǎn) 生多少子細胞？生多少子細胞？第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 4,722,366,500 萬億個后代，總量約萬億個后代，總量約 4,722 噸。噸。 液體培養(yǎng)物細菌濃度一般僅為液體培養(yǎng)物細菌濃度一般僅為108-109細胞細胞/mL，為什么？，為什么？ 這一特性對于發(fā)酵工業(yè)的實踐意義在于生產(chǎn)效率高和

32、發(fā)酵周期短。這一特性對于發(fā)酵工業(yè)的實踐意義在于生產(chǎn)效率高和發(fā)酵周期短。 （4）適應強、易變異適應強、易變異 微生物具有極其靈活的適應性或代謝調節(jié)機制，這是任何高等動植物微生物具有極其靈活的適應性或代謝調節(jié)機制，這是任何高等動植物所無法企及的。所無法企及的。 E. coli 細胞中能容納細胞中能容納20萬萬-30萬蛋白質分子，萬蛋白質分子，2000-3000 種執(zhí)行不同生種執(zhí)行不同生 理功能的蛋白質，若每種功能平均分配約理功能的蛋白質，若每種功能平均分配約 100 個蛋白質分子，他們仍能保個蛋白質分子，他們仍能保 證這一物種在復雜的外界環(huán)境中長期存在和進化。證這一物種在復雜的外界環(huán)境中長期存在和

33、進化。 極端環(huán)境的適應力驚人：高溫、高酸、高鹽、高輻射、高壓、低溫、極端環(huán)境的適應力驚人：高溫、高酸、高鹽、高輻射、高壓、低溫、 高堿、高毒等環(huán)境中能生長繁殖。高堿、高毒等環(huán)境中能生長繁殖。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 微生物的突變頻率很低（微生物的突變頻率很低（ 一般為一般為10-5-10-10 ），但由于其繁殖快、數(shù)量），但由于其繁殖快、數(shù)量 多、受外界環(huán)境影響大等特點，相對而言容易發(fā)生變異。多、受外界環(huán)境影響大等特點，相對而言容易發(fā)生變異。第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 有關青霉素有易變異正、反兩個方面的例子。有關青霉素有易變異正、反兩個方面的例子

34、。 青霉素的使用劑量：青霉素的使用劑量： 1940 年：年： 10 萬單位萬單位/次次 1980 年：年： 輸液輸液 80 萬單位萬單位/次次 2000 年：年： 輸液輸液 800萬萬-1000 萬單位萬單位/次次 （5）分布廣、種類多分布廣、種類多 微生物到處傳播，微生物到處傳播，“無孔不入無孔不入”，條件合適，即，條件合適，即“隨遇而安隨遇而安”。 青霉素生產(chǎn)菌的發(fā)酵水平：青霉素生產(chǎn)菌的發(fā)酵水平： 1940 年：每毫升年：每毫升 20 單位單位 2000 年年 每毫升每毫升 10 萬單位萬單位 微生物的種類多主要體現(xiàn)在以下幾個方面：微生物的種類多主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 物種的多樣性物種的

35、多樣性 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 據(jù)估計，微生物的總數(shù)在據(jù)估計，微生物的總數(shù)在50萬萬-60 萬中之間，其中已記載過的僅萬中之間，其中已記載過的僅20萬萬 種（種（1995年），包括原核生物年），包括原核生物3,500種，病毒種，病毒4,000種，真菌種，真菌9萬種，原生動萬種，原生動 物和藻類物和藻類10萬種，且這些數(shù)字還會急劇增加。還會發(fā)現(xiàn)多少種？萬種，且這些數(shù)字還會急劇增加。還會發(fā)現(xiàn)多少種？第三節(jié)第三節(jié) 微生物的類群及特點微生物的類群及特點 生理代謝類型的多樣性生理代謝類型的多樣性 A. 分解地球貯量最豐富的初級有機物分解地球貯量最豐富的初級有機物天然氣、石油、纖維

36、素等天然氣、石油、纖維素等 B. 多樣的產(chǎn)能方式多樣的產(chǎn)能方式光合作用、化能自養(yǎng)作用、厭氧產(chǎn)能等光合作用、化能自養(yǎng)作用、厭氧產(chǎn)能等 C. 生物固氮生物固氮 D. 次生代謝產(chǎn)生復雜有機物次生代謝產(chǎn)生復雜有機物 E. 對復雜有機物的生物轉化對復雜有機物的生物轉化 代謝產(chǎn)物的多樣性代謝產(chǎn)物的多樣性 微生物的分布廣、種類多這一特點，為人類在新世紀中進一步開發(fā)利微生物的分布廣、種類多這一特點，為人類在新世紀中進一步開發(fā)利 用微生物資源提供了無限廣闊的前景用微生物資源提供了無限廣闊的前景微生物資源學。微生物資源學。 生態(tài)類型的多樣性生態(tài)類型的多樣性 遺傳基因的多樣性遺傳基因的多樣性 生 命 科 學 與 技

37、 術 學 院 袁 明 雄 Diversity in species雖然目前已定種的微生雖然目前已定種的微生物只有大約物只有大約10萬種，遠萬種，遠較動植物為少，但一般較動植物為少，但一般認為目前為人類所發(fā)現(xiàn)認為目前為人類所發(fā)現(xiàn)的微生物還不到自然界的微生物還不到自然界中微生物總數(shù)的中微生物總數(shù)的1% 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 t 人體體表及體內存在大量的微生物：人體體表及體內存在大量的微生物： 皮膚表面：平均皮膚表面：平均10萬個細菌萬個細菌/平方厘米；平方厘米； 口腔：細菌種類超過口腔：細菌種類超過500種；種； 腸道：微生物總量達腸道：微生物總量達100100萬億，萬億

38、， 糞便干重的糞便干重的1/31/3是細菌，每克糞便的細菌總數(shù)為：是細菌，每克糞便的細菌總數(shù)為：10001000億個；億個；微生物無處不在，我們無時不生活在微生物無處不在，我們無時不生活在“微生物的海洋微生物的海洋”中中t 細菌數(shù)億細菌數(shù)億/g土壤，土壤中的細菌總重量估計為：土壤，土壤中的細菌總重量估計為：10034 10 12 噸噸t 每張紙幣帶細菌：每張紙幣帶細菌：900萬個；萬個；t 每個噴嚏的飛沫含每個噴嚏的飛沫含4500-1500004500-150000個細菌，重感冒患者為個細菌，重感冒患者為85008500萬萬 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 t 強酸、強堿、高熱

39、的極端環(huán)境；強酸、強堿、高熱的極端環(huán)境；t 數(shù)十公里的高空（最高為離地數(shù)十公里的高空（最高為離地85公里，須用火箭采樣）；公里，須用火箭采樣）；t 幾千米的地下；幾千米的地下；t 常年封凍的冰川常年封凍的冰川人跡可到之處，微生物的分布必然很多，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！而人跡不到的地方，也有大量的微生物存在！ 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 從永凍冰層分離微生物從永凍冰層分離微生物 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 南極南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物湖冰芯樣品中的微生物 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁

40、 明 雄 1. 什么是微生物學（什么是微生物學（microbiology） 微生物學是一門在細胞、分子或群體水平上研究微生物的形態(tài)構造、微生物學是一門在細胞、分子或群體水平上研究微生物的形態(tài)構造、 生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進化等生命活動的基本規(guī)律，并將生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進化等生命活動的基本規(guī)律，并將 其應用于工業(yè)發(fā)酵、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物工程和環(huán)境保護等實踐領域的科學。其應用于工業(yè)發(fā)酵、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物工程和環(huán)境保護等實踐領域的科學。第四節(jié)第四節(jié) 微生物學及其分科微生物學及其分科2. 微生物學的根本任務微生物學的根本任務 微生物學的根本任務是發(fā)掘、利用、改善和保護有益微生物，

41、控制、微生物學的根本任務是發(fā)掘、利用、改善和保護有益微生物，控制、 消滅和改造有害微生物，為人類社會的進步服務。消滅和改造有害微生物，為人類社會的進步服務。3. 微生物學的分科微生物學的分科 微生物學已經(jīng)經(jīng)歷了一個多世紀的發(fā)展，已分化出大量的分支學科，微生物學已經(jīng)經(jīng)歷了一個多世紀的發(fā)展，已分化出大量的分支學科， 而且還會不斷地形成新的學科和研究領域。而且還會不斷地形成新的學科和研究領域。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 第四節(jié)第四節(jié) 微生物學及其分科微生物學及其分科 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 20 世紀的微生物學走過了輝煌的歷程，面對新的世紀的微生物學走過

42、了輝煌的歷程，面對新的 21 世紀，展望她的世紀，展望她的 未來，將是未來，將是幅更加絢麗多彩的立體畫卷，在這畫卷上也可能會出現(xiàn)我們幅更加絢麗多彩的立體畫卷，在這畫卷上也可能會出現(xiàn)我們 目前預想不到的閃光點。因此，我們在這里只能是勾勒一下目前預想不到的閃光點。因此，我們在這里只能是勾勒一下21世紀微生物世紀微生物 學發(fā)展的趨勢。學發(fā)展的趨勢。第五節(jié)第五節(jié) 微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展1. 微生物基因組學微生物基因組學 目前已經(jīng)完成基因組測序的微生物主要是模式微生物、特殊微生物及目前已經(jīng)完成基因組測序的微生物主要是模式微生物、特殊微生物及 醫(yī)用微生物，而隨著基因組作圖測序方法的不

43、斷進步與完善，基因組研究醫(yī)用微生物，而隨著基因組作圖測序方法的不斷進步與完善，基因組研究 將成為一種常規(guī)的研究方法，為從本質上認識微生物自身以及利用和改造將成為一種常規(guī)的研究方法，為從本質上認識微生物自身以及利用和改造 微生物將產(chǎn)生質的飛躍，并將帶動分子微生物學等基礎研究學科的發(fā)展。微生物將產(chǎn)生質的飛躍，并將帶動分子微生物學等基礎研究學科的發(fā)展。2. 微生物蛋白質組學微生物蛋白質組學 我們知道，遺傳的中心法則為：我們知道，遺傳的中心法則為：DNA RNA protein。通過。通過 研究微生物蛋白質組學，研究蛋白質的結構和功能，更好地充分利用和改研究微生物蛋白質組學，研究蛋白質的結構和功能，更

44、好地充分利用和改 造微生物。造微生物。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 3. 微生物生態(tài)學微生物生態(tài)學 以了解微生物之間、微生物與其他生物、微生物與環(huán)境的相互作用為以了解微生物之間、微生物與其他生物、微生物與環(huán)境的相互作用為 研究內容的微生物生態(tài)學、環(huán)境微生物學、細胞微生物學等，將在基因組研究內容的微生物生態(tài)學、環(huán)境微生物學、細胞微生物學等，將在基因組信信 息的基礎上獲得長足發(fā)展，為人類的生存和健康發(fā)揮積極的作用。息的基礎上獲得長足發(fā)展，為人類的生存和健康發(fā)揮積極的作用。第五節(jié)第五節(jié) 微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展4. 微生物生命現(xiàn)象的特性和共性微生物生命現(xiàn)象的特

45、性和共性 微生物生命現(xiàn)象的特性和共性可概括為：微生物生命現(xiàn)象的特性和共性可概括為： 微生物具有其他生物不具備的生物學特性，例如可在其他生物無法微生物具有其他生物不具備的生物學特性，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，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， 如化能營養(yǎng)、厭氧生活、生物固氮和不釋放氧的光合作用等，反映了微生如化能營養(yǎng)、厭氧生活、生物固氮和不釋放氧的光合作用等，反映了微生 物極其豐富的多樣性；物極其豐富的多樣性； 微生物具有其他生物共有的基本生物學特性：生長、繁殖、代謝、微生物具有其他生物共有的基本生物學特性

46、：生長、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；反映了生物高度的統(tǒng)一性； 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 微生物個體小、結構簡單、生長周期短，易大量培養(yǎng)，易變異，重微生物個體小、結構簡單、生長周期短，易大量培養(yǎng)，易變異，重 復性強等優(yōu)勢，十分易于操作。微生物具備生命現(xiàn)象的特性和共性，將是復性強等優(yōu)勢，十分易于操作。微生物具備生命現(xiàn)象的特性和共性，將是 21世紀進一步解決生物學重大理論問題如生命起源與進化，物質運動的基世紀進一步解決生物學重大理論問題如生

47、命起源與進化，物質運動的基 本規(guī)律等和實際應用問題如新的微生物資源的開發(fā)利用等。本規(guī)律等和實際應用問題如新的微生物資源的開發(fā)利用等。第五節(jié)第五節(jié) 微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展5. 微生物學與其他學科的交叉微生物學與其他學科的交叉 20世紀微生物學、生物化學和遺傳學的交叉形成了分子生物學；世紀微生物學、生物化學和遺傳學的交叉形成了分子生物學；21世世 紀的微生物基因組學則是數(shù)、理、化、信息、計算機等多種學科交叉的結紀的微生物基因組學則是數(shù)、理、化、信息、計算機等多種學科交叉的結 果；隨著各學科的迅速發(fā)展和人類社會的實際需要，各學科之間的交叉和果；隨著各學科的迅速發(fā)展和人類社會的實

48、際需要，各學科之間的交叉和 滲透將是必然的發(fā)展趨勢。滲透將是必然的發(fā)展趨勢。 21世紀的微生物學又將進一步向地質、海洋、大氣、太空滲透，使更世紀的微生物學又將進一步向地質、海洋、大氣、太空滲透，使更 多的邊緣學科得到發(fā)展，如微生物地球化學、海洋微生物學、大氣微生物多的邊緣學科得到發(fā)展，如微生物地球化學、海洋微生物學、大氣微生物 學、以及極端環(huán)境微生物學等。微生物與能源、信息、材料、計算機的結學、以及極端環(huán)境微生物學等。微生物與能源、信息、材料、計算機的結 合也將開辟新的研究和應用領域。微生物學的研究技術和方法也將會在吸合也將開辟新的研究和應用領域。微生物學的研究技術和方法也將會在吸 收其他學科

49、的先進技術的基礎上，向自動化、定向化和定量化發(fā)展。收其他學科的先進技術的基礎上，向自動化、定向化和定量化發(fā)展。 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 6. 微生物產(chǎn)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè) 微生物從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的短短的微生物從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的短短的 300 年間，特別是年間，特別是 20 世紀中期以后，世紀中期以后， 已在人類的生活和生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應用，并形成了繼動、植物兩大已在人類的生活和生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應用，并形成了繼動、植物兩大 生物產(chǎn)業(yè)后的第三大產(chǎn)業(yè)。這是以微生物的代謝產(chǎn)物和菌體本身為生產(chǎn)對生物產(chǎn)業(yè)后的第三大產(chǎn)業(yè)。這是以微生物的代謝產(chǎn)物和菌體本身為生產(chǎn)對 象的生物產(chǎn)業(yè)，所用的微生物主

50、要是從自然界篩選或選育的自然菌種。象的生物產(chǎn)業(yè)，所用的微生物主要是從自然界篩選或選育的自然菌種。第五節(jié)第五節(jié) 微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展微生物學研究現(xiàn)狀和發(fā)展 21世紀，微生物產(chǎn)業(yè)除了更廣泛地利用和挖掘不同生境（包括極端環(huán)世紀，微生物產(chǎn)業(yè)除了更廣泛地利用和挖掘不同生境（包括極端環(huán) 境）的自然資源微生物外，基因工程菌將形成一大批強大的工業(yè)生產(chǎn)菌，境）的自然資源微生物外，基因工程菌將形成一大批強大的工業(yè)生產(chǎn)菌， 生產(chǎn)外源基因表達的產(chǎn)物，特別是藥物的生產(chǎn)將出現(xiàn)前所未有的新局面，生產(chǎn)外源基因表達的產(chǎn)物，特別是藥物的生產(chǎn)將出現(xiàn)前所未有的新局面， 結合基因組學在藥物設計上的新策略將出現(xiàn)以核酸（結合基因組學在藥

51、物設計上的新策略將出現(xiàn)以核酸（DNA 或或 RNA）為靶）為靶 標的新藥物（如反義寡核苷酸、肽核酸、標的新藥物（如反義寡核苷酸、肽核酸、DNA疫苗等）的大量生產(chǎn)，人類疫苗等）的大量生產(chǎn)，人類 將完全征服癌癥、艾滋病以及其他疾病。將完全征服癌癥、艾滋病以及其他疾病。 此外，微生物工業(yè)將生產(chǎn)各種各樣的新產(chǎn)品，例如降解性塑料、此外，微生物工業(yè)將生產(chǎn)各種各樣的新產(chǎn)品，例如降解性塑料、DNA 芯片、生物能源等，在芯片、生物能源等，在21世紀將出現(xiàn)一批嶄新的微生物工業(yè)，為全世界的世紀將出現(xiàn)一批嶄新的微生物工業(yè)，為全世界的 經(jīng)濟和社會發(fā)展作出更大貢獻。經(jīng)濟和社會發(fā)展作出更大貢獻。 生 命 科 學 與 技 術

52、 學 院 袁 明 雄 1. 沈萍沈萍. 微生物學微生物學. 高等教育出版社高等教育出版社, 2006. 52. 周德慶周德慶. 微生物學教程（第二版）微生物學教程（第二版）. 高等教育出版社高等教育出版社3. Michael T, et al. “Brocks Biology of Microorganism 12th”. Prentice Hall，2008, 34. M.T 馬迪根等，微生物生物學（第七版），科學出版社，馬迪根等，微生物生物學（第七版），科學出版社，20015. 網(wǎng)絡資源：網(wǎng)絡資源：Science、Nature、ASM 等期刊雜志等等期刊雜志等 Microbiology w

53、orld, F等等附：教材與參考文獻附：教材與參考文獻 生 命 科 學 與 技 術 學 院 袁 明 雄 1. 用具體事例說明人類與微生物的關系，為什么說微生物既是人類的敵用具體事例說明人類與微生物的關系，為什么說微生物既是人類的敵 人，更是我們的朋友？人，更是我們的朋友？ 2. 為什么微生物能成為生命科學研究的為什么微生物能成為生命科學研究的“明星明星”? 3. 為什么說巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人為什么說巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人?4. 你對微生物學感興趣嗎，怎樣理解微生物學的分科？你對微生物學感興趣嗎，怎樣理解微生物學的分科？5. 你希望微生物課怎樣上？你希望微生物課怎樣上？附：思附：思 考考 題題