生物竞赛南京大学夏令营(microbiology-2010722)

1、微 生 物 学王睿勇共九十三页第一部分微生物学的建立、发展(fzhn)和微生物的特点共九十三页共九十三页共九十三页 人体体表及体内存在大量的微生物： 皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米； 口腔：细菌种类超过500种； 肠道：微生物总量达100万亿， 粪便(fnbin)干重的1/3是细菌，每克粪便(fnbin)的细菌总数为：1000亿个一、微生物与我们(w men)微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋”中。 细菌数亿/g土壤 每张纸币带细菌：900万个 每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万共九十三页 微生物是自然界物质(wzh)循环的关键环节微生物是人

2、类(rnli)的朋友！ 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障 微生物可以为我们提供很多有用的物质 有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等 基因工程为代表的现代生物技术共九十三页少数微生物也是人类(rnli)的敌人鼠疫；天花(tinhu)；艾滋病；疯牛病；埃博拉病毒；共九十三页 可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利(fngl)的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。共九十三页二、微生物的发现和微生物学的建立(jinl)

3、与发展（一）微生物的发现(fxin)1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。共九十三页1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）首次观察(gunch)到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。共九十三页（二）微生物学(wi shn w xu)的奠基巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）柯赫（Robert Koch）（ 18431910）共九十三页1.巴斯德 (1) 发现并证实(zhngsh)发酵是由微生物引起

4、的(2) 彻底否定了“自然(zrn)发生”学说化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败(3) 免疫学预防接种首次制成狂犬疫苗(4)其他贡献巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物共九十三页共九十三页2.柯赫a）细菌(xjn)纯培养方法的建立土豆切面 营养(yngyng)明胶 营养(yngyng)琼脂（平皿）（1）微生物学基本操作技术方面的贡献b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养c）流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影微生物学近乎一门科学共九十三页2.柯赫（2）对病原细菌

5、(xjn)的研究作出了突出的贡献a）具体证实了炭疽(tnj)杆菌是炭疽(tnj)病的病原菌b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则共九十三页（三）微生物学(wi shn w xu)发展过程中的重大事件1890 Von Behring制备(zhbi)抗毒素治疗白喉和破伤风；1892 Ivanovsky 提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；1928 Griffith发现细菌转化；1929 Fleming 发现青霉素；1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；1953 Watson和Crick提出DNA双螺

6、旋结构；19701972 Arber、Smith和Nathans发现并提纯了 DNA限制性内切酶共九十三页1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物(shngw)的特殊类群 Sanger首次对f174噬菌体DNA进行了全序列分析；19821983 Prusiner发现(fxin)朊病毒(prion)；19831984 Mullis 建立PCR技术；1995第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列 测定完成；1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成； 1997 第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成；共九十三页 20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“

7、明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速(xn s)的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。共九十三页对生命科学研究技术(jsh)的贡献细胞的人工(rngng)培养；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程；微生物与“人类基因组计划”作为模式生物；基因与基因组的功能研究的重要工具;共九十三页 微生物具备生命现象的特性和共性，将是21世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生命起源与进化(jnhu)，物质运动的基本规律等，和实际应用问题，如新的微生物资源的开发利用，能源、粮食等的最理想的材料。共九十三页三、微生物的类群(li qn)及特点微生物(shngw)

8、是微小生物(shngw)的总称，一般只有借助显微镜才能其进行观察。微生物病毒原核生物：真细菌、古生菌真核生物：真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、 单细胞藻类、 原生动物等共九十三页个体(gt)小测量(cling)单位：微米或纳米 杆菌的平均长度：2 微米； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1毫克 面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。共九十三页德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺(

9、lihung)细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”共九十三页结构(jigu)简无细胞结构(jigu)（病毒）单细胞简单多细胞胃口大消耗自身重量2000倍食物的时间大肠杆菌：1小时人 ：500年（按400斤/年计算）共九十三页食谱(shp)广微生物获取(huq)营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食共九十三页繁殖(fnzh)快24小时后： 4722366500万亿个后代

10、(hudi)，重量达到：4722吨48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨相当于4000个地球的重量！大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg优质蛋白质。共九十三页易培养(piyng)很多细菌都可以非常方便(fngbin)地进行人工培养！数量大在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！共九十三页分布(fnb)广人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到(b do)的

11、地方，也有大量的微生物存在！ 强酸、强碱、高热的极端环境； 数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）； 几千米的地下； 常年封冻的冰川；共九十三页种类(zhngli)多 微生物的生理代谢类型多 代谢产物(chnw)种类多 微生物的种数“多”虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%共九十三页变异(biny)易个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖(fnzh)快、 数量多 短时间内产生大量的变异后代突变率：10-5 10-10共九十三页抗（逆）性强抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下生长；

12、 自然界中细菌生长的最高温度可以达到113 ； 有些细菌的芽孢(y bo)，需加热煮沸8小时才被杀死；抗寒：有些微生物可以在12 30的低温(dwn)生长；抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 13；耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中 都有微生物生长；抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；共九十三页休眠(ximin)长世界上最古老的活细菌(xjn)（芽孢）：2.5亿年Nature 407, 897 - 900 (2000) 共九十三页起源(qyun)早38亿年前，生命(shngmng)在海洋中出现26亿年前，陆地上就可能存在微生物发现晚300多年前人们才

13、真正发现微生物的存在共九十三页第二部分(b fen)纯培养技术共九十三页微生物的基本(jbn)特点：小！ 在绝大多数情况下都是利用微生物的群体来研究(ynji)其属性； 微生物的物种（菌株）一般也是以群体的形式进行繁衍、保存；培养技术在微生物学中具有重要意义！共九十三页培养物：在一定的条件(tiojin)下培养、繁殖得到的微生物群体混合培养物：含有(hn yu)多种微生物的培养物；纯培养物： 只有一种微生物的培养物；通常情况下只有纯培养物才能提供可以重复的结果纯培养技术是进行微生物学研究的基础！共九十三页微生物的分离(fnl)和纯培养 从混杂的群体中分离特定(tdng)的某一种微生物，是研究和

14、利用微生物的第一步。一、无菌技术 用于分离、培养微生物的器具事先不含任何微生物； 在转接、培养微生物时防止其它微生物的污染；共九十三页二、用固体(gt)培养基分离纯培养培养基：液体(yt)培养基固体培养基半固体培养基共九十三页二、用固体(gt)培养基分离纯培养培养基：液体(yt)培养基；固体培养基；半固体培养基；琼脂共九十三页菌落(jnlu)（colony）： 单个（或聚集在一起的一团）微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长、繁殖到一定程度可以(ky)形成肉眼可见的、 有一定形态结构的子细胞生长群体众多菌落连成一片菌苔（lawn）共九十三页不同微生物在特定培养基上生长形成的菌落或菌苔一般都具有

15、稳定的特征（形状、颜色等），可以成为对该微生物进行分类(fn li)、鉴定的重要依据。共九十三页同一细菌(xjn)在不同的培养平板上形成不同的特征菌落共九十三页使微生物在固体培养基平板上形成单个菌落(jnlu)的基本方法稀释(xsh)！共九十三页1、稀释(xsh)倒平板法2、涂布平板(pngbn)法共九十三页3、平板(pngbn)划线法共九十三页二、用固体(gt)培养基分离纯培养3、平板(pngbn)划线法共九十三页五、选择(xunz)培养分离 抑制大多数其它(qt)微生物的生长； 使待分离的微生物生长更快；使待分离的微生物在群落中的数量上升，方便用稀释法对其进行纯化。微生物群落中数量占少数的

16、微生物的分离纯化：（没有一种培养基或一种培养条件能够满足自然界中一切生物 生长的要求，在一定程度上所有的培养基都是选择性的。） 使待分离的微生物生长“突出”；直接挑取待分离的微生物的菌落获得纯培养。共九十三页1. 利用选择(xunz)平板进行直接分离待分离的微生物生长(shngzhng)，其它微生物的生长(shngzhng)被抑制 高温下培养：分离嗜热细菌； 培养基中不含N：分离固氮菌； 培养基加抗生素：分离抗性菌；共九十三页1. 利用(lyng)选择平板进行直接分离待分离的微生物的生长特征明显(mngxin)不同于其它微生物 颜色反应：分离特定的菌株 牛奶平板：分离蛋白酶产生菌共九十三页2.

17、 富集培养(piyng)从自然界中分离(fnl)到所需的特定微生物特定的环境条件仅适应于该条件的微生物旺盛生长待分离微生物在群落中的数量大大增加共九十三页富集培养是微生物学家最强有力的技术手段之一。营养和生理条件(tiojin)的几乎无穷尽的组合形式可应用于从自然界选择出特定微生物的需要。根据微生物的特殊要求，从自然界分离(fnl)出特定已知微生物种类；分离培养在特定环境中能生长的微生物；共九十三页微生物学(wi shn w xu)实验室的常规操作程序共九十三页革兰氏染色(rns)与细胞壁： （1）革兰氏染色(rns)1、用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染2、用碘溶液进行媒染，其作用是提高染料

18、和细 胞间的相互作用从而使二者结合得更牢固。3、用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后 仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细 菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细 胞呈无色。4、用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对 涂片进行复染。例如沙黄，它使原来无色的 革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色，而革 兰氏阳性细菌继续保持深紫色共九十三页第三部分微生物在自然界的分布(fnb)微生物与生物环境间的相互关系共九十三页微生物的特点(tdin)：个体(gt)微小、代谢营养类型多样，适应能力强微生物在自然界中分布广泛微生物的分布生境的特征微生物的分布是生境各种物理、化学、生物因素对微生物的限制、选择的结果

19、。在某些生境中，高度专一性的微生物存在并仅限于这种生境中，并成为特定生境的标志。共九十三页一、空气(kngq)中的微生物1）无原生(yun shn)的微生物区系；2）来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动；3）种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关；4）数量取决于尘埃数量；5）停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关；6）与人类的关系：传播疾病、造成食品等的污染微生物学的基本技术：无菌操作技术制备微生物气溶胶实现群体免疫共九十三页共九十三页（viable but nonculturable state , VBNC state）活的非可培养(piyng)状态细菌处于不

20、良环境条件(tiojin)下时产生的一种特殊的生存方式或休眠状态。在常规培养条件下培养时不能生长繁殖，但仍然是具有代谢活性的活菌。一般表现为细胞保持完整，胞内酶维持活性，染色体及质粒DNA均保持稳定，而用显微镜观察，其细胞会表现为缩小成球状，细胞表面产生皱折等。共九十三页（二）海水1）嗜盐，真正的海洋细菌(xjn)在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它(qt)海水中发现的细 菌多为嗜冷菌。4）耐高压（特别是生活在深海的细菌）。3）大多数海洋细菌为G-细菌，并具有运动能力。共九十三页Micrococcus aquivivus（水活微球菌）最适生长(shngz

21、hng)条件： 600个大气压。共九十三页（三）水体的富营养化(f yn yn hu)作用和“水花”、“赤潮”水体(shu t)大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物水的富营养化藻类等过量生长，产生大量的有机物异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色共九十三页上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染并使水体自身(zshn)的正常生态失去平衡的结果。“水花(shu hu)”或“水华”（water bloom）：藻类（主要是微藻）的大量繁殖使水体出现颜色，并

22、变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上形成。赤潮或红潮（red tides）：在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色。引起水体富营养化的藻类除通过消耗水中的氧气危害养殖业外，很多藻类还能产生各种毒素，使动物得病或死亡，因此由于富营养化作用致死的鱼等水产品不能食用共九十三页共九十三页三、土壤(trng)中的微生物土壤是固体无机物(岩石和矿物质)、有机物、水、空气和生物组成(z chn)的复合物，是微生物的合适生境。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大，是主要的微生物源，是微生物的大本营。共九十三页20世纪80年代，美国能源部- 地下(dxi)科学计划（Deep S

23、ubsurface Program）地下的微生物在陆地可达4公里深（每下降1公里温度(wnd)上升20）， 在海底则可深达7公里（每下降1公里温度上升15）。目前已知微生物的最高生长温度： 113 （海底火山口）目前的采样深度：2.8公里共九十三页五、极端(jdun)环境下的微生物1、嗜热微生物2、嗜冷微生物3、嗜酸微生物4、嗜碱微生物5、嗜盐微生物6、嗜压微生物共九十三页研究(ynji)意义：(1)开发利用新的微生物资源(zyun)，包括特异性的 基因资源； (2)为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及 相关学科许多领域，如：功能基因组学、生 物电子器材等的研究提供新的课题和材料；(3)为生

24、物进化、生命起源的研究提供新的材料。共九十三页六、不可(bk)培养的微生物 从环境(hunjng)中直接分离并克隆rRNA并分析其序列和在分子进化树上的位置等方法而发现的的目前尚不能在人工条件下获得培养的微生物。不可培养微生物（uncultured microorganisms）共九十三页共九十三页“Taxonomists counts suggest that insects dominate the diversity game, but new analyses reveal that microbes are the real winners.”A Molecular View of

25、Microbial Diversity and the Biosphere. Scienec , 2 May 1997, 276 (734-740)共九十三页共九十三页研究(ynji)意义生物(shngw)多样性和系统发生的多样性 （Biodiversity and Phylogenetic diversity）微生物生态学的研究提出新的要求寻找新的致病微生物从不可培养微生物中寻找新的基因、新的蛋白据报道，美国recombianant biocatalysis Inc公司目前已从不可培养微生物中获得了约300个与工业生产相关的新蛋白共九十三页微生物与生物环境间的相互(xingh)关系自然环境中

26、的微生物一般都不是(b shi)单独存在的个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次群体（population）：具有相似特性和生活在一定空间内的同种个 体群，是组成群落的基本组分。群落（community）：在一定区域或一定生态环境内，各种生物 群体构成的一个生态学结构单位，群落中 各生物群体之间存在各种相互作用。共九十三页微生物生态的研究(ynji)特点：以微生物群体，即种群(zhn qn)作为主要研究单位。生态系统中生物之间的相互关系： 有利关系：一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响，或相互有利； 有害关系：一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响，或相互有害；

27、中性关系：二种生物生活在一起时，彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响；共九十三页微生物间及微生物与其它生物间最常见的几种相互(xingh)关系一、互生(hshng)二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。“可分可合，合比分好”一）微生物间的互生关系共九十三页纤维素分解(fnji)细菌固氮菌共九十三页二、共生(gngshng)二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在组织(zzh)和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。互惠共生：二者均得利偏利共生：一方得利，但另一方并不受害一）微生物间的共

28、生关系共九十三页地衣(dy)-藻类和真菌的共生体形成有固定形态的叶状结构(jigu)：真菌无规则地缠绕藻类细胞，或二者组成一定的层次排列。地衣繁殖时，在表面上生出球状粉芽，粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝，粉芽脱离母体散布到适宜的环境中，发育成新的地衣结构上的共生：生理上的共生：共生菌从基质中吸收水分和无机养料；共生藻进行光合作用，合成有机物； 使地衣能在十分贫瘠的环境中生存。共九十三页细菌与原生动物间的共生关系：细菌栖息于原生动物细胞内，获得营养和保护环境，并且(bngqi)这些细菌在原生动物细胞外都不能生长；原生动物通过共生菌获得生长所需要的维生素及其它生长因子共九十三页二）微生物和植物间的共生(gngshng)关系根瘤菌与豆科植物间的共生(gngshng)-形成根瘤共生体 根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供 氮素养料； 豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生 长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定 的生长条件。共九十三页2. 与反刍动物的共生(gngshng)关系 反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要 食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供 动物吸收(