高级微生物学湖南农业大学1ppt课件.ppt

28 03 2020 1 高级食品微生物学 周传云教授zcy 28 03 2020 2 主要参考书 1 刘慧主编 现代食品微生物学 北京高等教育精品教材立项项目 北京 中国轻工业出版社 2004 7 2 刘志恒主编 现代微生物学 北京 中国科学出版社 2002 7 3 J M T 马迪根 J M 马丁克 J 帕克 美 杨文博等译 微生物生物学 北京 中国科学出版社 2001 4 BrainJ B Wood 美 主编 徐岩译 发酵食品微生物学 第二版 北京 中国轻工出版社 2001 5 JamesM Jay 美 编著 徐岩译 现代食品微生物学 第二版 北京 中国轻工出版社 2001 6 J Nicklinetc Microbiology 北京 科学出版社影印版 1998 7 徐浩等编著 工业微生物学基础及其应用 北京 中国科学出版社 1991 6 28 03 2020 3 第一章 绪论 28 03 2020 4 主要内容 一 微生物及其主要类群二 微生物在生物界中的分类地位三 微生物的特点四 微生物物多样性五 微生物学的发展简史六 现代微生物学的主要研究领域七 微生物资源开发利用和保护 28 03 2020 5 一 微生物及其主要类群1 微生物 Microbe Microorganism 所有形体极微小 单细胞或多细胞 细胞结构简单或没有细胞结构的 肉眼看不见或看不清的需借助显微镜才能观察到的一群微小的低等生物的总称 因此 微生物 不是分类学上的 名词 而是 形态学 上的概念 是一大群十分庞杂的 种类各异的 独立生活的低等生物群 其研究方法特殊 作用重大 28 03 2020 6 2 微生物包括 原核微生物 细菌 古生菌 放线菌 蓝细菌 立克次氏体 支原体 衣原体 螺旋体等等 真核微生物 酵母菌 霉菌 蕈菌 单细胞藻类 原生动物 非细胞生物 病毒 噬菌体 亚病毒等等 28 03 2020 7 二 微生物在生物界中的分类地位1 早期将生物分为 植物界 有胞壁 行光合作用 植物 藻类 动物界 无胞壁 无光合作用 动物 原生动物 2 3界系统 1866年赫克尔提出 动物界 植物界 原生生物界 28 03 2020 8 28 03 2020 9 3 5界系统 1969年魏塔克提出 原核生物界 细菌 放线菌 原生生物界 藻类 原生动物 真菌界 酵母菌 霉菌 植物界动物界 28 03 2020 10 1969 Whittacker 五界系统 原核生物界 原生生物界 古 细菌 真 细菌 粘 细菌 原生动物 真菌界 植物界 动物界 藻类 吸收式营养 光合营养 摄取式营养 28 03 2020 11 4 6界系统 1977年王大耜与Whittack提出 即 病毒界 原核生物界 真核原生生物界 真菌界 植物界 动物界 现代流行的观点是将所有细胞生物分为3个域 1990年伍斯根据16SrRNA序列进行同源性的比较提出的 细菌 真细菌 域 古生菌 古细菌 域 真核生物域 28 03 2020 12 28 03 2020 13 5 Olsen和Woose的全生命系统树 系统发育树 phylogenetictree 在研究生物进化和系统分类中 用一种树状分支的图型概括各类生物见的亲缘关系 分子系统树 1993年 伍斯 通过比较生物大分子序列 16SrRNA 差异的数字构建的系统树 真细菌共同祖先古细菌古生菌真核生物 28 03 2020 14 双滴虫 假滴虫属 生物总系统发育树 根据16SrRNA序列比较绘制 引自 布氏微生物学 2000 28 03 2020 15 三 微生物的特点1 种类多 数量大 分布广 2 个体微小 面积大 结构简单 3 繁殖迅速 代谢旺盛 4 适应性强 易人工培养 易变异 5 观察和研究的手段特殊 28 03 2020 16 非细胞生物 病毒 病毒 类病毒 朊病毒 禽流杆病毒 微 生物 原核生物 细菌 古细菌 放线菌 蓝细菌 粘细菌等 生 细胞型生物 真菌 酵母菌 霉菌 蕈菌 物 真核生物 真核原生生物 藻类 原生动物 动物 植物 高等生物 28 03 2020 17 微 生 物 的 种 类 具有细胞结 构的微生物 没有细胞结构的 微生物 病毒 原核生物 由原核细胞构成的 真核微生物 由真核细胞构成的 真菌 藻类 原生动物 细菌 草履虫 水绵 放线菌 1 种类繁多数量巨大分布广泛 1 1种类繁多 28 03 2020 18 1 2数量巨大 现已发现的微生物种类多达10万种以上 微生物的种数 据1972年 类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1 2171 2171 217支原体424242细菌与放线菌 1 0001 5001 500蓝细菌1 2271 5001 500藻类15 05123 10023 100真菌37 17547 30068 939原生动物24 06824 06830 000总数79 78098 727127 298 28 03 2020 19 1 3分布广泛 有动植物生存的地方就有微生物的栖息与生长繁殖 没有动植物生存的地方 也有微生物的踪迹 万米以上的高空 几千米以下的海底 地层128m下和427m沉积岩中都发现有微生物存在 90 以上的温泉 冰冷的南极 沙漠以及动植物组织都有微生物聚居 可以说微生物是无孔不入无处不有 28 03 2020 20 2 个体微小 面积大 结构简单2 1个体微小 细胞以微米 m 纳米 nm 来计算病毒 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2 5 m霉菌 菌丝直径2 10 m酵母菌 1 5 5 30 m每个细菌的重量只有1 10 9 1 10 10mg 即大约10亿个菌总和才有1mg 28 03 2020 21 2 2表面积大 比值 面积 体积 表面积和体积的比值大 28 03 2020 22 单细胞 原核 细菌 放线菌 立克次氏体 衣原体 古细菌等真核 酵母菌 单细胞霉菌 单细胞藻类 原生动物或简单的多细胞 多细胞霉菌 蕈菌甚至没有细胞结构 病毒 亚病毒 类病毒 拟病毒 朊病毒 等 2 3结构简单 28 03 2020 23 3 繁殖迅速 代谢旺盛 3 1繁殖迅速 以细菌为例 通常每20 30min即可分裂1次 繁殖1代 其数目比原来增加1倍 在细菌的生长对数期 例如 Escherichiacoli 大肠杆菌 在最适的生长条件下 每12 5 20min细胞就能分裂一次 理论上按20min分裂1次 那么 1个细菌23个26个272个细菌按每109个细菌重1mg计 272个菌的重量超过4722吨 1h后 2h后 24h后 28 03 2020 24 在液体培养基中 细菌细胞的浓度一般108 109cfu mL谷氨酸短杆菌 摇瓶种子 50吨发酵罐 52h内细胞数目可增加32亿倍 利用微生物的这一特性就可以 实现发酵工业的短周期 高效率生产 例如生产鲜酵母时 几乎12h就可以收获一次 每年可以收获数百次 28 03 2020 25 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38min38252 7 1011大肠杆菌18min80371 2 1024根瘤菌110min13258 2 103枯草杆菌31min46307 0 1013光合细菌144min10301 0 103酿酒酵母120min12304 1 103小球藻7h3 42510 6念珠藻 23h1 04252 1硅藻17h1 4202 64草履虫10 4h2 3264 92 为念珠蓝菌属 Nostoc 的旧称 与细菌同属原核生物 28 03 2020 26 每3g体重的地鼠每天消耗与体重等重的粮食 每1g体重的闪绿蜂鸟每天消耗2倍于体重的粮食 大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖 发酵乳糖生产乳酸的细菌 每个细胞在1h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 1kg酵母菌菌体 在24h内可发酵几千克的糖 生成酒精 3 2代谢旺盛 吸收多 转化快 28 03 2020 27 4 适应强 易人工培养 易变异 4 1适应强 易人工培养 微生物对外界环境适应能力特强 有些微生物具有某些特殊结构 形态 如 荚膜 芽孢 放线菌的分生孢子和真菌孢子等 一般都能存活数月 数年甚至数十年 一些极端微生物都有相应特殊结构蛋白质 酶和其他物质 使适应于恶劣环境 使物种能延续 微生物对物质的利用多种多样 凡是动植物能利用的物质 如 蛋白质 糖 脂和无机盐等 微生物都能利用 动物不能利用的物质 有些微生物也能利用 如纤维素 塑料 不少微生物能将它们分解 还有一些对动植物有毒的物质 氰化钾 酸 聚氯联苯等 有的微生物能将它们分解 如美国康奈尔大学早在20世纪70年代就分离到分解DDT的微生物 28 03 2020 28 4 2易变异由于表面积和体积的比值大 与外界环境的接触面也大 因而受环境影响也大 在不同的环境变化条件下 有的微生物死亡 少数个体发生变异 突变 而存活下来 人们便利用这个特点 根据需要实施对菌种的人工诱变 再进行筛选 最终得到目的菌 微生物的突变频率一般为10 5 10 10 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 28 03 2020 29 例如青霉素产量变异 耐药性变异 青霉素生产菌Penicilliumchrysogenum 产黄青霉 的产量1943年为1mL发酵液中含20单位青霉素 40多年来 经过世界各国微生物遗传育种工作者的不懈努力使该菌产量变异逐渐积累 加上发酵条件的改进 目前世界上先进国家的发酵水平1mL已超过5万单位 甚至接近10万单位 微生物的数量性状变异和育种使产量提高的幅度之大 是动植物育种工作中绝对不可能达到的 正因为如此 几乎所有微生物发酵工厂都十分重视菌种选育工作 28 03 2020 30 5 观察和研究的手段特殊 观察和研究微生物常以其群体为对象 而且必须从众多而复杂的混合菌群中分离 纯化出来 变成纯培养物 体 这样 无菌技术 分离 纯化 培养技术 显微观察技术以及杀菌技术就是微生物学必备的基本技术 没有这些技术就无从着手 等于空谈 28 03 2020 31 四 微生物物多样性生物多样性 biodiversity 由国际保护自然和自然资源联合会定义为 生物的所有生命形式 生态系 生态过程 以及可以认识到的有关基因 类群和分子水平上的遗传特性 微生物是地球上生物多样性最为丰富 用于生物技术革新最有潜力的生物资源 当今生物技术发展的起点仍然是寻找和发现有开发价值的生命现象 这一过程首先是分离纯化生物材料 然后通过巧妙设计的筛选模型 筛选人们期望的目的产物 28 03 2020 32 1 微生物多样性随着分子生物技术在系统分类学中的应用 研究微生物多样性的方法在迅速发展 Amann 1990 使用专门设计的16SrRNA分子探针和荧光染色相结合的技术 PCR技术使我们比较容易地分析16SrRNA保守基因研究微生物的多样性 特别是那些不可培养的微生物 微生物多样性还包括细胞形态多样性 细胞化学多样性 代谢多样性 运动多样性 发育多样性 遗传多样性等 28 03 2020 33 2 生物多样性与天然产物筛选的研究方法新的天然产物的发现经常是基于大量的筛选系统筛选新的生物活性菌株 bioactivestrain 放线菌和真菌是极具代谢多样性潜力的微生物 通常认为 新的微生物 种 可能产生新的生物活性物质 因此 不断发展新的微生物选择分离和培养方法是发掘微生物资源的重要途径 特别是对于那些难培养的微生物 viablebutnon culturalmicrobes VBNC 生长条件要求苛刻 分离难度大 成功率小 但可能是产生新的活性物质的新种 28 03 2020 34 共培养技术 coculturaltechnique 被认为可以满足VBNC类微生物的生长条件 将一些有益微生物或其代谢产物适当加入分离培养基中以促进VBNC菌株的生长或代谢活性 如将酿酒酵母 Saccharomycescerevisiae 或曲霉属 Aspergillus 与红曲霉属 Monascus 共培养 可使后者发生形态变异色素产量提高数十倍 28 03 2020 35 3 微生物多样性的保护和管理现在用于发展生物技术的生物多样性资源是不可估量的 然而生物多样性的消失同样受到微生物学家的关注 动植物物种的消失 就意味着微生物多样性的消失现象也在发生 热带森林生物多样性每年正以1 8 以上的速度在消失 微生物多样性的保护有微观和宏观两种途径 宏观途径菌种保护只能保护基因多样性中的很少部分 微观途径则对微生物基因多样性的保护更有实质意义 28 03 2020 36 近年来 世界各国和国际组织就如何制定微生物多样性利用和保护的行动计划做了许多努力 这项计划包括建立推动微生物多样性研究的国际组织 召开关于微生物 种 的概念和分类指征研讨会 提出巳知种的名录 发展微生物分离 培养和保藏的技术 发展微生物群落取样的标准 提出选择自然保护区和其他需要长期保护的生态系等诸多方面 28 03 2020 37 五 微生物学的发展简史1 朦胧时期 史前期 人类在长期的生产 生活中运用了微生物 尽管那时还没有人看到微生物或去研究这些细小生物 如 酿酒 制曲 4000多年前 食醋 酱 面包 盐渍 糖渍保存食品 用曲治疗消化道疾病 2500年前 用茯苓 灵芝治病 种痘防天花 宋代 华佗割腐肉疗伤 等等 28 03 2020 38 2 形态学描述时期 初创期 荷兰人安东 列文虎克 AntongVanLeeuwenhock1632 1723 于1675年首次利用自制的显微镜 能放大200一300倍 观察到了污水 牙垢 雨水 腐败有机物中的微小生物 发现了细菌 酵母菌和原生动物 并进行了形态描述 开创了微生物形态学的描述时期 列文虎克成为了微生物学的先驱者 28 03 2020 39 微生物学的杰出奠基人 列文虎克 AntonyvanLeeuwenhoek 16世纪用自己磨制的放大镜 显微镜 观察到了细菌和原生动物 28 03 2020 40 早期显微镜 28 03 2020 41 3 生理学研究时期 奠基期 路易 巴斯德 LouisPasteur法国人 1822 1895年 曾是有贡献的化学家 成为微生物学的奠基人 其突出贡献在下列4个方面 a 彻底否定了 自然发生 学说 著名的曲颈瓶试验证明了肉汁变质是由于外界微生物侵入的结果 从此 使微生物的研究从形态描述进入生理学研究的新阶段 28 03 2020 42 曲颈瓶验 28 03 2020 43 巴斯德发现并证实发酵是由微生物引起的 28 03 2020 44 b 证明发酵是由微生物引起的 证实了 酒精发酵 酵母菌引起 乳酸发酵 醋酸发酵 丁酸发酵等是由不同的细菌引起 当时葡萄酒的变酸原因 是醋酸菌发酵结果 为微生物的生理生化研究 建立工业微生物学 酿造学 食品微生物学等奠定了基础 28 03 2020 45 C 创立了巴氏消毒法当时的巴氏消毒法为 60 65 30min 一直沿用至今 同时还解决了蚕病的问题 推动了病原学的发展 d 接种疫苗预防传染病1877年巴斯德研究了鸡霍乱 牛羊的炭疽病和狗的狂犬病 并制成相应的疫苗 创造了接种疫苗的方法 为人类防治传染病作出了重大贡献 从而开创了免疫学 28 03 2020 46 柯赫 RobertKoch1843 1910年 德国医生 著名的细菌学家 细菌学奠基人 其主要贡献是 a 建立了一整套研究微生物的基本技术 发明了用明胶及琼脂作为培养基的凝固剂 设计了浇铺平板用的玻璃培养皿 发明了用固体培养基分离和纯培养微生物的技术 创造了细菌接种和染色方法 沿用至今 且为动植物细胞培养奠定了基础 28 03 2020 47 b 对病原细菌的研究 创建了柯赫法则 1884年他提出并证明了 病原菌必须来自患病机体 从患病机体中分离培养可得到该病原体 用该纯培养物接种到敏感动物体内必须引发相同的疾病 从被感染的敏感动物体内能分离到与原来相同的病原菌 如炭疽病 霍乱病 肺结核病均分别由炭疽杆菌 霍乱弧菌和结核杆菌引起的 28 03 2020 48 柯赫原则 28 03 2020 49 此后 李斯特 J Lister 用杀菌药物防止微生物侵入手术伤口 发明了消毒 无菌 外科操作技术 埃尔里赫 P Ehrlish 用化学药剂控制病原菌 开创了化学治疗法 外科消毒 28 03 2020 50 巴斯德 LouisPasteur法国1822 1895 曲颈瓶实验 1 否定了生命 自然发生 学说 2 发明了巴斯德消毒法 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 消毒法 家蚕软化 病原学说 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证明酒 醋变酸分别由不同的微生物引起 证实发酵由微生物引起 酒精发酵 5 发明了预防接种技术 制备了狂犬疫苗 免疫学 28 03 2020 51 柯赫 RobertKoch 1843 1910 1 建立了一整套微生物方法学 配制培养基技术 分离 培养 接种 细菌染色技术 显微摄像2 创建了固体培养基配制技术及分离纯化微生物的技术3 创立了柯赫法则 分离培养出炭疽杆菌 霍乱弧菌 结核杆菌等病原菌 提出疾病的病原说 为病原菌的相继发现指出了正确的思路 28 03 2020 52 4 生理生化研究期 发展期 毕希纳 E Buchner德国人 1897年对酵母菌 酒化酶 进行生化研究 发现了磨碎的酵母菌仍能发酵葡萄糖产生酒精 并将此物质称为酶 这样才真正认识了发酵现象的本质 他还发现微生物代谢的统一性 并开展了广泛寻找微生物有益代谢产物的工作 他成为了生物化学的奠基人 弗莱明 A Fleming英国医生 1929年发现青霉素能抑制细菌生长 此后开展了对抗生素的深入研究 并建立了微生物工业化培养技术 推动了抗生素工业的发展 28 03 2020 53 5 分子生物学研究时期 成熟期 进入2O世纪 电子显微镜的发明 同位素示踪原子的应用 生物化学 生物物理学等边缘学科的建立 推动了微生物向分子水平的纵深方向发展 病毒 DNA和基因 1953年沃森和克里提出 1958年克里克 F Crlck 提出遗传信息传递的 中心法则 沃森和克里克成为分子生物学的奠基人 28 03 2020 54 六 现代微生物学的主要研究领域 1 分子系统学 是指在分子或基因水平上研究微生物系统进化和物种多样性的科学 微生物作为地球上最早存在的生命形式大约发生在35亿年前 rRNA是发现于所有细胞生物中的古老生物大分子 可以很好地用来研究染色体的进化 比较rRNA分子核酸序列 可以分析微生物间的系统进化关系 由此 今天的生物学家便将生物最高分类单位的界定为 细菌界 域 古生菌界 或 真核生物界 或 28 03 2020 55 在研究生物进化和系统分类中 用一种树状分支的图型概括各类生物间的亲缘关系 分子系统树 通过比较生物大分子序列差异的数字构建的系统树 1993 伍斯 真细菌共同祖先古细菌古生菌真核生物 28 03 2020 56 28 03 2020 57 2 分子细胞学 细胞是由许多特异性的生物大分子组成的集成系统 只有研究发生在细胞中的化学过程 才能真正认知微生物 如微生物的代谢 遗传变异的本质 免疫学机制等等 3 分子生态学 微生物的特性表现出与环境充分作用 并能更好地适应和修饰环境 而用于保护 净化和修饰被污染和破坏的环境 分子生态学则是利用现代微生物学理论 分子生物学和化学技术研究微生物生态系的结构及功能的科学 28 03 2020 58 4 分子遗传学 生命具有的两个重要特性是能量转化 energytransformation 和信息流 informationflow 前者是生物的代谢 而信息流则是生物的遗传 分子遗传学 moleculargenetic 就是着重研究生物物种遗传变