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微生物学 微生物教研室 绪论 五 绪论 1 什么是微生物2 微生物在生物界的位置3 微生物的五大共性4 微生物与人类的关系 微生物学的发展促进了人类的进步5 微生物学的发展6 微生物学及其分科7 微生物学对生命科学的贡献8 21世纪微生物学的展望 微生物 microorganism microbe 一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称 它们都是一些个体微小 一般 0 1mm 构造简单的低等生物 单细胞或结构较为简单的多细胞生物 甚至没有细胞结构的生物 一 什么是微生物 一 微生物的特点 1 小个体微小 m级 光学显微镜可见 细胞 nm级 电子显微镜下可见 细胞器 病毒 2 简构造简单单细胞 简单多细胞 非细胞 分子生物 3 低进化地位低 肉眼可观察到微生物聚集的群体 菌落 二 微生物的种类 微生物类群十分庞杂 包括真核类 原核类及非细胞类 真核类 属于真核生物的真菌 酵母菌 霉菌和蕈菌 单细胞藻类 原生动物等 原核类 属于原核生物的细菌 真细菌和古细菌 放线菌 蓝细菌 支原体 立克次氏体 衣原体等 非细胞类 无细胞结构的病毒 类病毒 拟病毒等 二 微生物在生物界的位置 一 生物的界级分类学说 二 分类单位与命名 一 生物的界级分类学说 随着人们对微生物认识的逐步深化 近一百多年来 从两界系统经历过三界系统 四界系统 五界系统甚至六界系统 最后又出现了三原界 或三总界 系统 图生物界级学说的发展 阴影部分为微生物 1 二界系统 动物界 植物界 人们对于动植物形态和类别的认识有了一些系统的知识 我国春秋时期已形成了对生物分成动物和植物两大类的认识 周礼 地官 考工记 等著作中 这就是最早的 二界系统 于公元前4世纪时亚里斯多德也提出了生物可分为动物和植物的 两界系统 对两界系统较为科学的叙述是1753年瑞典博物学家林奈在 植物种志 中提出来的 2 三界系统 德国动物学家E N Haeckel 1866 提出 动物界 植物界 原生生物界 Protista 原生生物界主要由一些单细胞生物及 无核类 Monera 生物组成 包括细菌 藻类 真菌和原生动物 3 四界系统 1938年Copeland提出四界 1956年成熟 植物界 动物界原生动物外除 原始生物界包括原生动物 真菌 部分藻类 菌界 原核生物界 Monera 包括细菌 蓝细菌 4 五界系统 1969年Whittaker提出了五界学说 五界系统包括 动物界 Animalia 植物界 Plantae 原生生物界 Protista 包括原生动物 单细胞藻类 粘菌等 真菌界 Fungi 包括真菌和酵母菌 原核生物界 Monera 包括细菌 蓝细菌等 图Whittaker的五界系统示意图 以纵向显示从原核生物到真核单细胞生物再到真核多细胞生物的三大进化阶段 而以横向显示光合营养 photosynthesis 吸收式营养 absorption 和摄食式营养 ingestion 这三大进化方向 5 六界系统 后生动物界 Metazoa 后生植物界 Metaphyta 真菌界 原生生物界 原核生物界 病毒界 Archetista 我国学者王大耜等 1977 在Whittaker五界系统的基础上 也提出过应增加一个病毒界 Vira 的六界系统 动物界 植物界 原生生物界 真菌界 原核生物界 病毒界 1996年美国P H Raven等的六界系统 动物界 植物界 原生生物界 真菌界 真细菌界 古细菌界 6 三总界五界系统 我国学者陈世骧 1979年 等按生物历史发展的三个阶段的不同将生物分为来分三个总界 再按生理 生态特性的差别分五个界 非细胞总界 SuperkingdomAcytonia 原核总界 SuperkingdomProcaryota 1 细菌界 KingdomMycomonera 2 蓝细菌界 KingdomPhycomonera 真核总界 SuperkingdomEucaryota 3 植物界 KingdomPlantae 4 真菌界 KingdomFungi 5 动物界 KingdomAnimalia 7 三原界系统 根据16SrRNA核苷酸顺序的同源性测定 1978年R H Whittaker和L Margulis提出了三原界 Urkingdom 学说 在生物进化过程的早期 存在着一类各生物的共同祖先 由它分三条进化路线 亦即形成了三个原界 古细菌 Archaebacteria 原界包括产甲烷菌 极端嗜盐菌和嗜热嗜酸菌 真细菌 Eubacteria 原界包括蓝细菌和各种除古细菌以外的其他原核生物 真核生物 Eucaryotes 原界包括原生生物 真菌 动物和植物 图三原界系统图示 二 分类单位与命名 1 分类单位界 门 纲 目 科 属 种 种是最基本的分类单位 它是一大群表型特征高度相似 亲缘关系极其相近 与同属内其它种有着明显差异的菌株的总称 种以下又分亚种 变种 型 类群 菌株 品系 按照 国际细菌命名法规 采用林奈氏双名法 属名 种名 命名人属名 名词 斜体 首字母大写 一般描绘主要形态或生理特征 种名 形容词 斜体 小写 代表一个种次要特征 如大肠杆菌 Escherichiacoli Migula Castellani Chalmers1919E coli Escherichiacoli大肠埃希氏菌 简称大肠杆菌 未确定种名或不指特定的种时 可在属名后加sp 表示 如 Penicilliumsp 青霉属 2 命名 三 微生物的五大共性 1 体积小 面积大2 吸收多 转化快3 生长旺 繁殖快4 适应强 易变异5 分布广 种类多 病毒 0 2 m杆状细菌 0 5 2 0 m 支原体立克次氏体衣原体 0 2 0 5 m 放线菌 菌丝直径 1 m霉菌 菌丝直径2 10 m酵母 1 5 5 30 m 一 体积小 面积大 个体微小 其体积必然很小 一个典型的球菌 直径0 5mm左右 体积仅1 m3 每个球菌都有其相应的表面 它所拥有的表面积要比同体积其他生物所拥有的表面积大得多 因此说 微生物体积小 面积大 这是微生物五大共性的基础 由它可发展出一系列其他共性 比面值 表面积 体积 4 r2 4 3 r2 3 r 二 吸收多 转化快 微生物对于营养物质的吸收和代谢产物的排出都是通过细胞表面进行的 因此体积小 面积大就为其提供一个巨大的营养物质吸收面和对于外界环境信息 冷 热 干 湿 酸 碱 盐 渗透压等等 的接收面 吸收多就转化快 3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食 1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食 大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖 微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖提供了物质基础 人类利用微生物生产许多产品 就是因为它们的生物化学转化能力特别强 活的化工厂 发酵乳糖的细菌在1小时内就可以分解相当于其自身重量1 000 10 000倍的乳糖 产生乳酸 1公斤酵母菌体 在一天内可发酵几千公斤的糖 生成酒精 由于其吸收多 转化快 因此具极高的生长和繁殖速度 例如 Escherichiacoli 大肠杆菌 在最适的生长条件下 每12 5 20分钟细胞就能分裂一次 24h其后代4722366500万亿个 重约4722吨 500kg酵母菌以废糖蜜和氨水为养料 24hr可合成5000kg优良蛋白质 微生物的这一重要特性在发酵工业中具有重要的实践意义 可使发酵周期缩短 生产速率提高 使科研周期大为缩短 空间减少 经费降低 效率提高 但若是有害微生物 将会给人类带来极大的损失和危害 三 生长旺 繁殖快 表1 3若干微生物的代时及每日增殖率微生物名称代时每日分裂次数温度每日增殖率乳酸菌38分38252 7 1011大肠杆菌18分80371 2 1024根瘤菌110分13258 2 103枯草杆菌31分46307 0 1013光合细菌144分10301 0 103酿酒酵母120分12304 1 103小球藻7小时3 42510 6念珠藻 23小时1 04252 1硅藻17小时1 4202 64草履虫10 4小时2 3264 92 为念珠蓝菌属 Nostoc 的旧称 与细菌同属原核生物 四 适应强 易变异 1 适应强微生物具有极其灵活的适应性或代谢调控机制 这是任何高等动 植物无法比拟的 微生物对环境条件尤其是地球上的极端环境有极其惊人的适应能力 堪称 生物界之最 任何有其它生物生存的环境中 都能找到微生物 而在其它生物不可能生存的极端环境中也有微生物存在 突变频率虽低 但因繁殖快 数量多 与外界环境直接接触 因而在短时间内可出现大量变异的后代 2 易变异微生物一般都是单细胞 简单多细胞或非细胞的 通常都是单倍体 n 容易发生变异 变异频率十分低10 5 10 10 最常见的变异形式是基因突变 微生物的变异有 有益变异和有害变异 五 分布广 种类多 万米深海 85公里高空 地层下128米和427米沉积岩中都发现有微生物存在 1 分布广 微生物因其体积小 重量轻 可以随空气流动到处传播 但其怕明火 地球上除了火山的中心区域外 到处都有微生物的踪迹 1 物种的多样性 2 生理代谢类型的多样性 3 代谢产物的多样性 4 遗传基因的多样性 5 生态类型的多样性 2 种类多 1 物种的多样性微生物的总数约为50万 600万种 已记载过的约20万种 1995年 其中原核生物3500种 病毒4000种 真菌9万种 原生动物和藻类10万种 2 生理代谢类型的多样性微生物的生理代谢类型之多 是动 植物所大不能及的 表现在 对各种物质甚至有毒物质的分解 多种产能方式 生物固氮作用 合成各种次生代谢产物和复杂有机物 对复杂有机分子基团的生物转化 抵抗极端环境的能力等等 3 代谢产物的多样性微生物究竟能产多少种代谢产物 是一个不容易准确回答的问题 4 遗传基因的多样性微生物基因组种类多样 2000年5月止 已发表的微生物基因组31个 即将发表的15个 正在进行的106个 基因库资源丰富 5 生态类型的多样性微生物广泛分布于地球表面各处及各种极端环境 微生物与微生物或与其它生物间还存在众多的相互依存关系 互生 共生 寄生 拮抗 捕食等 如此众多的生态系统类型就会产生出各种相应生态型的微生物 微生物的 生物界之最 个体最小 形态最简 胃口 最大 食谱最广 繁殖最快 数量最多 变异最易 抗性最强 休眠最长 种类最多 分布最广 起源最早 发现最晚 界级最宽 四 微生物与人类的关系 微生物学的发展促进了人类的进步 一 害在人类历史上微生物给人类带来很多大灾难 二 益微生物对于人类 益大于害 生产 生活都离不开微生物 三 微生物的应用微生物的生理及代谢类型多种多样 代谢活力强 代谢产物多种多样 已广泛应用于工农业生产 医药卫生 环境保护等方面 1 工业通过微生物的工业化培养 为人类生产出多种产品 1 食品 发酵食品 食品添加剂 调料等 2 化工 酶制剂 氨基酸 有机酸 新材料开发等生物化工 3 石油 选矿 冶金 酸酸的食物 食物變酸後 有的能吃 有的不能吃 有些酸酸的食物是人類利用微生物製造出來的利用顯微鏡可以觀察到發酵食物中的微生物 人們利用微生物製造出來的食物很多 如酒麵包饅頭泡菜發酵乳 起司 養樂多 醃漬醬菜 豆腐乳 2 农业微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用 1 农药 农用抗菌素 微生物生物农药防治害虫 防治有害微生物 农作物有害植物等 2 肥料 堆肥 厩肥 固氮作用的菌肥 3 植物生长刺激素 赤霉素 920 4 饲料 微生物分解有机物质 菌体蛋白 SCP singlecellprotein 5 畜用生物制品 免疫制剂 药剂 6 微生物能源 沼气发酵 7 食用 药用真菌 3 医药卫生 1 医药抗生素 免疫制品 生物药品 药用真菌等 用 工程菌 生产药物 脑菲肽 胰岛素 干扰素等 2 消毒灭菌利用物理或化学方法杀灭物品上病原微生物或全部微生物 4 环境保护目前 在污水处理中 微生物起着重要作用 有的固体废弃物也可用微生物处理 微生物处理腈纶废水的塔式滤池 5 生物工程学 生物技术 以生物学的理论和技术为基础 特别是其中的微生物学 遗传学 生物化学和细胞学 结合化工 机械 电子计算机等现代工程技术 充分运用分子生物学的最新成就 自觉地操纵遗传物质 定向地改造生物或其功能 短期内创造出具有超远缘性状的新物种 再通过合适的生物反应器 对这类 工程菌 或 工程细胞株 进行大规模的培养 以产生大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术 生物工程 商品生产 改造物种 常规菌 或常规细胞株 遗传工程 细胞工程 工程菌 或 工程细胞株 微生物工程 酶工程 生物反应器工程经济效益大量产品社会效益生态效益 微生物工程的内容 微生物菌体生产和应用 微生物代谢产物的应用 微生物机能的利用 五 微生物学发展简史 人类认识微生物的四个障碍 个体过于微小 群体外貌不详 种间杂居混生 形态与其作用后果的之间很难被人认识 微生物学发展的五个时期 1 史前期2 初创期3 奠基期4 发展期5 成熟期 一 史前期 约8000年前 1676 各国劳动人民 其中尤以我国的制曲 酿酒技术著称 远古人类发现 吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料 人类最早发明的酒 我国古代的酿酒作坊 四川新都县出土的汉代画像 殷商酒具 公元前2300年左右 埃及人酿制啤酒的场面 列文虎克 AntonyvanLeeuwenhoek1632 1723 第一个看到并描述微生物的人 二 初创期 形态描述阶段 1676 1861 Leeuwenhoek1684年寄给皇家协会信的部分内容 AnthnoyvanLeeuwenhoek与他的显微镜 三 奠基期 1861 1897 生理水平研究阶段 巴斯德 科赫 1 微生物学开始建立2 创立了一整套独特的微生物学基本研究方法3 开始运用 实践 理论 实践的思想方法开展研究4 建立了许多应用性分支学科5 进入寻找人类和动物病原菌的黄金时代 LouisPasteur 1822 1895 1 解决了当时工 农 医方面提出的许多难题 推动了生产的发展 2 彻底否定了生命 自然发生 学说 3 奠定了微生物学的理论基础 4 创造了一些微生物学实验方法 5 证实发酵是由微生物引起的 6 免疫学 预防接种 7 发明巴氏消毒法 Pasteurization 巴斯德的雁颈瓶 曲颈瓶实验 RobertKock 1843 1910 1 发明了固体培养基 提出了微生物纯培养的概念和方法 2 创造了细菌染色的方法 3 发现了许多病原菌 如炭疽杆菌 结核杆菌 霍乱弧菌等 4 证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 柯赫原则 柯赫原则 1 在每一病例中都出现这种微生物 2 要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来 3 用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主 同样的疾病会重复发生 4 从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来 四 发展期 1897 1953 生化水平研究阶段 生物化学奠基人 布切诺 1 对无细胞酵母菌 酒化酶 进行研究 2 发现微生物的代谢统一性 3 普通微生物学开始形成 4 开展广泛寻找微生物的有益代谢产物 5 青霉素的发现推动了微生物工业化培养技术的猛进 AlexanderFleming1929年发现了青霉素 penicillin 世界第一个抗生素 AlexanderFleming 1881 1955 五 成熟期 1953 至今 分子生物学水平研究阶段1 广泛运用分子生物学理论和现代研究方法 深刻揭示微生物的各种生命活动规律 2 以基因工程为主导 把传统的工业发酵提高到发酵工程新水平 3 大量理论性 交叉性 应用性和实验性分支学科飞速发展 4 微生物学的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域的飞速发展 5 微生物基因组的研究促进了生物信息学时代的到来 成熟期特点 微生物学成为十分热门的前沿基础学科微生物成为生物学研究中的最主要对象生物工程中 发酵工程是最成熟的应用技术 六 微生物学及其分科 一 微生物学的研究内容 二 学习微生物学的目的与任务 三 微生物学分科 一 微生物学的研究内容 微生物学是研究微生物及其生命活动规律的学科 是在细胞 分子或群体水平上研究微生物生命活动基本规律 并将其应用于工业发酵 医学卫生和生物工程等领域的科学 研究内容涉及微生物的 形态结构 分类鉴定 生长代谢 生长繁殖 遗传变异 生态分布 微生物对自然界 微生物各类群之间 微生物与其他生物之间的相互影响 相互作用 微生物在工业 农业 医药卫生 环境保护等方面的作用 二 学习微生物学的目的与任务 学习目的 研究微生物及其生命活动规律是为了更好地利用 控制 改造微生物 为人类服务 除了利用其对人类的有利作用外 还包括防止 消除微生物的有害活动或使之转害为利 根本任务 开发 利用 改善和保护有益的微生物 控制 消灭或改造有害微生物 为人类社会的进步服务 三 微生物学分科 微生物学由于其研究任务不同 形成了一些分支学科 1 按研究微生物的基本生命活动规律为目的分 总学科为普通微生物学 分学科为微生物分类学 微生物生理学 微生物遗传学 微生物生态学 分子微生物学等 2 按微生物应用领域来分 总学科应用微生物学 分学科为工业微生物学 农业微生物学 医学微生物学 药用微生物学 诊断微生物学 抗生素学 食品微生物学等 3 按研究的微生物对象分 细菌学 真菌学 菌物学 病毒学 原核生物学 自养菌生物学 厌氧菌生物学等 4 按微生物所处的生态环境分 土壤微生物学 微生态学 海洋微生物学 环境微生物学 水微生物学 宇宙微生物学等 5 按学科间的交叉 融合分 化学微生物学 分析微生物学 微生物生物工程学 微生物化学分类学 微生物数值分类学 微生物地球化学 微生物信息学等 6 按实验方法 技术分 实验微生物学 微生物研究方法等 七 微生物学对生命科学的贡献 一 微生物是生物学基本理论研究中的理想试验对象 二 利用微生物作材料 证实了核酸是一切生物的遗传物质基础 三 微生物学是分子生物学的三大基础之一 四 遗传学研究对象的微生物化 促进了经典遗传学发展成分子遗传学 五 微生物是遗传工程中的 宠儿 是新生的生物工程的主角 六 微生物学中的一套独特的实验技术已逐渐扩散到一切生命科学的研究中总而言之 微生物学的发展促进了人类的进步 八 21世纪微生物学的展望 一 微生物基因组学研究将全面展开 二 微生物生态学 环境微生物学 细胞微生物学等将在基因组信息的基础上获得长足发展 为人类的生存和健康发挥积极的作用 三 微生物生命现象的特性和共性将更受到重视 四 与其他学科实现更广泛的交叉 获得新的发展 五 微生物产业将呈现全新的局面 应记住的微生物学名 E coli Escherichiacoli大肠埃希氏菌 简称大肠杆菌 Penicilliumsp 青霉属 复习思考题 1 2 3 4 5 6 8 9试根据微生物的特点 谈谈为什么说微生物既是人类的敌人 更是人类的朋友 教学参考书 周德庆著 微生物学教程武汉大学 复旦大学编 微生物学无锡轻工业学院编 微生物学沈平著 微生物学 微生物学文献书目