微生物课件__chapter01.ppt

,第一章绪论,第一节微生物与人类第二节微生物学的发展史第三节微生物的类群及特点第四节微生物学及其分科第五节微生物学研究现状和发展附：教材与参考文献,微生物与人类关系的重要性，我们怎么强调都不过分。微生物是一把典型的双刃剑，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。可以这么说，微生物既是人类的敌人又是人类的朋友。,第一节微生物与人类,以下我们从几个大的方面体会一下微生物与人类的关系，看看微生物作为敌人的“面孔”和作为朋友的“模样”。,1.人类健康病原体、抗生素,2.工业产品腐败、发酵产品,3.生物工程学（发酵、遗传、细胞、酶、生物发应器）工程生物工程学,4.农业农产品霉变、农业栽培、生物农药,5.环境环境污染、物质循环、环境保护,第一节微生物与人类,6.生命科学基础理论研究生物中心法则、核酸的变性、复性和杂交、糖酵解、发酵、TCA循环、EMP途径、生物膜的流动镶嵌模型、呼吸链、氧化磷酸化、DNA的半保留复制、操纵子、生物代谢调节的方式、氨基酸的分解代谢途径等。,微生物确乎是一把明晃晃的双刃剑。,1.一个难以认识的微生物世界（1）个体过于微小大多数微生物的个体在几m-几十m，在显微镜发明之前仅靠肉眼难以发现和辨认。,二、微生物学的发展史,（2）群体外貌不显微生物的个体看不见，形成的群体（菌落或菌苔）虽然可见，一般也平淡无奇，不引人注意。,（3）种间杂居混生自然状态下杂居混生，在发明各种微生物的分离、培养技术之前，无法知道其真正的作用。,（4）形态与作用因果难联微生物的生长繁殖快，代谢活跃，传染病早期并不引人注意，即便事态严重，往往也没有意识到是微生物的活动。就是许多非病原微生物的生长活动所引起的各种生化变化（发酵、腐败）等，也是如此。,2.微生物学的发展史整个微生物学的发展史是一部逐步克服上述认识微生物的4个障碍不断探究它们的生活规律，开发利用有益微生物和控制有害微生物的历史。（如显微镜的发明、无菌技术的应用、纯种分离和培养技术的建立等。）,（1）史前期（8000年前-1676年）这一时期的特点：低水平的应用阶段。以下一段话可以反映这一时期的特点：视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其恶。,我们根据划时代意义的事件扼要将微生物学的发展史分为5个时期。,二、微生物学的发展史,在史前期，世界各国人民在自己的生产实践中都积累了许多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。例如发面、天然果酒和啤酒酿造、牛乳和乳制品的发酵以及利用霉菌来治疗一些疾病等，但当时应用水平最高并独树一帜的应用应该首推我国人民在制曲酿酒方面的伟大创造。,酿酒,农业,医学,（2）初创期（1676年-1861年）这一时期的特点：形态描述和分门别类的阶段。,荷兰商人安东.列文虎克（AntonyvanLeeuwenhoek，1632-1723），是真正看见并描述微生物的第一个人。他的最大贡献是利用自制的显微镜发现了微生物世界（当时被称之为微小动物）。显微镜构造简单，仅一个透镜安装在两片金属薄片的中间，在透镜前面有一根金属短棒，在棒的尖端搁上需要观察的样品，通过调焦螺旋调节焦距。,二、微生物学的发展史,AntonyvanLeeuwenhoek,列文虎克和他的显微镜,二、微生物学的发展史,a.显微镜b.描述的细菌,列文虎克的显微镜和描述的细菌,二、微生物学的发展史,实际上，列文虎克是清楚地看见了细菌和原生动物，首次向世人揭示了一个崭新的生物世界微生物世界。由于列文虎克的划时代贡献，他在1680年被选为英国皇家学会会员。,（3）奠基期（1861年-1897年）十九世纪中期，以法国的巴斯德和德国的柯赫为代表的科学家揭示了微生物才是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了医学和工业微生物等分支学科。巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人。这一时期的特点：从形态描述推进到生理水平的研究阶段。,巴斯德（LouisPasteur，1822-1895）巴斯德原来是化学家，在化学领域中作出过重要的贡献，后来又转向于微生物学的研究领域，所做的工作为微生物学的建立和发展作出了卓越的贡献。,二、微生物学的发展史,A.彻底否定了“自生说”学说a.“自生说”,b.曲颈瓶试验,二、微生物学的发展史,B.免疫学预防接种a.Jenner种痘法可预防天花，但未能阐明免疫机制,C.证实发酵是由微生物引起的,b.减毒疫苗鸡霍乱病、牛、羊炭疽病、狂犬病,D.其他贡献（巴斯德消毒、巴斯德效应）,柯赫（1843-1910）柯赫是著名的细菌学家，由于他曾经是一名医生，因此对病原细菌的研究作出了突出的贡献。,RobertKoch,A.具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；,B.发现了肺结核病的病原菌，这是当时死亡率极高的传染性疾病，因此柯赫获得了诺贝尔奖；,C.提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则柯赫法则。,二、微生物学的发展史,柯赫法则示意图,二、微生物学的发展史,柯赫在病原菌研究方面的开创性工作，自19世纪70年代至20世纪20年代成了发现病原菌的黄金时代。,柯赫除了在病原菌研究方面的伟大成就外，在微生物基本操作技术方面的贡献更是为微生物学的发展奠定了技术基础，这些技术包括：A.用固体培养基分离纯化微生物的技术，这是进行微生物学研究的基本前提，这项技术一直沿用至今；,B.配制培养基，也是当今微生物学研究的基本技术之一。这两项技术不仅是具有微生物学研究特色的重要技术，而且也为当今动植物细胞的培养作出了十分重要的贡献。,由于巴斯德和柯赫的杰出工作，微生物学作为一门独立的学科开始形成，并且出现以他们为代表而建立的各分支学科。,细菌学（巴斯德、柯赫等）,消毒外科技术（J.Lister）,免疫学（巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等）,二、微生物学的发展史,病毒学（Ivanowsky、Beijerinck等）,植物病理学和真菌学（Bary、Berkeley等）,酿造学（Hensen、Jorgensen等）,化学治疗法（Ehrlish等）微生物学的研究内容日趋丰富，使微生物学的发展更加迅速。,（4）发展期（1897年-1953年）1897年，德国科学家E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”对葡萄糖进行酒精发酵成功，从而开创了微生物生化研究的新时代。此后，微生物生理代谢研究就蓬勃地开展起来了。,E.Buchner,这一时期的特点如下：A.进入了微生物生化水平的研究；,B.应用微生物的分支学科更为扩大；,C.出现了寻找有益微生物代谢产物的热潮；,二、微生物学的发展史,D.普通微生物学开始形成；,E.相关学科相互渗透促进了微生物学的发展。,整个生命科学进入了分子生物学研究的新阶段，同样也是微生物学发展史上成熟期到来的标志。,（5）成熟期（1953年-至今）1953年2月28日，Watson和Crick建立了DNA双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学的基础，整个生命科学由此展开了新的一页。他们俩因此获得了诺贝尔奖。这是迄今为止分量最重的一项诺贝尔奖，“是诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。,本时期的特点为：A.微生物学从一门在生命科学中较为孤立的应用为主的学科迅速成为一门十分热门的前沿基础学科；,二、微生物学的发展史,B.在基础理论研究方面，逐步进入到分子水平的研究，微生物迅速成为分子生物学研究中的主要对象；,C.在应用研究方面，微生物已成为新兴的生物工程中的主角。,微生物学的发展史是一部认识微生物的历史、开发利用有益微生物的历史、控制和消灭有害微生物的历史。,二、微生物学的发展史,3.微生物学发展过程中的重大事件1890，VonBehring制备抗毒素治疗白喉和破伤风；,1892，Ivanovsky提供烟草花叶病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双螺旋结构；,1970-1972，Arber、Smith和Nathans发现并提纯了DNA限制性内切酶；,1977，Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；,二、微生物学的发展史,Sanger首次对174噬菌体DNA进行了全序列分析；,1982-1983，Prusiner发现朊病毒（prion）；,1983-1984,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。,1.什么是微生物微生物（microorganism，microbe）是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称，它们是一些个体微小（一般小于0.1mm）、结构简单的低等生物，必须借助于显微仪器才能看得见的生物。,第三节微生物的类群及特点,微生物包括哪些类群呢？,第三节微生物的类群及特点,注意：微生物、酵母、霉菌、蕈菌都不是生物分类学中的名词。,最小的细菌：纳米细菌（nanobacteria），直径仅50nm。,第三节微生物的类群及特点,最大的细菌：“纳米比亚硫磺珍珠”（Thiomargaritanamibiensis），有些可达0.75mm。,2.微生物的特点微生物由于体形微小，因而导致了一系列与之密切相关的5个重要共性。（1）体积小、面积大比表面积大,第三节微生物的类群及特点,对1cm3固体作10倍系列三维分割后的比面值变化,第三节微生物的类群及特点,由于微生物是一个如此突出的小体积大面积系统，从而赋予它们具有不同于一切大生物的五个共性，因为一个小体积大面积系统，必然有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的交流面。由此，产生其余4个共性。,（2）吸收多、转化快大肠杆菌（Escherichiacoli）每小时可分解自身重量1,000-10,000倍的乳糖。,产朊假丝酵母（Candidautilis）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍，故有单细胞蛋白（singlecellprotein，SCP）的生产。,一些微生物的呼吸速率比高等动、植物的组织强数十倍至数百倍。,这个特性为微生物的高速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物能在自然界和人类实践中更好的发挥其超小型“活的化工厂”的作用。,（3）生长旺、繁殖快E.coli：12.5-20min分裂一次。如果以20min/次计算，请计算每天可产生多少子细胞？,第三节微生物的类群及特点,4,722,366,500万亿个后代，总量约4,722吨。,液体培养物细菌浓度一般仅为108-109细胞/mL，为什么？,这一特性对于发酵工业的实践意义在于生产效率高和发酵周期短。,（4）适应强、易变异微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制，这是任何高等动植物所无法企及的。,E.coli细胞中能容纳20万-30万蛋白质分子，2000-3000种执行不同生理功能的蛋白质，若每种功能平均分配约100个蛋白质分子，他们仍能保证这一物种在复杂的外界环境中长期存在和进化。,极端环境的适应力惊人：高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒等环境中能生长繁殖。,微生物的突变频率很低（一般为10-5-10-10），但由于其繁殖快、数量多、受外界环境影响大等特点，相对而言容易发生变异。,第三节微生物的类群及特点,有关青霉素有易变异正、反两个方面的例子。青霉素的使用剂量：1940年：10万单位/次1980年：输液80万单位/次2000年：输液800万-1000万单位/次,（5）分布广、种类多微生物到处传播，“无孔不入”，条件合适，即“随遇而安”。,青霉素生产菌的发酵水平：1940年：每毫升20单位2000年每毫升10万单位,微生物的种类多主要体现在以下几个方面：物种的多样性,据估计，微生物的总数在50万-60万中之间，其中已记载过的仅20万种（1995年），包括原核生物3,500种，病毒4,000种，真菌9万种，原生动物和藻类10万种，且这些数字还会急剧增加。还会发现多少种？,第三节微生物的类群及特点,生理代谢类型的多样性A.分解地球贮量最丰富的初级有机物天然气、石油、纤维素等,B.多样的产能方式光合作用、化能自养作用、厌氧产能等,C.生物固氮,D.次生代谢产生复杂有机物,E.对复杂有机物的生物转化,代谢产物的多样性,微生物的分布广、种类多这一特点，为人类在新世纪中进一步开发利用微生物资源提供了无限广阔的前景微生物资源学。,生态类型的多样性,遗传基因的多样性,Diversityinspecies,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%,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，粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；,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，土壤中的细菌总重量估计为：100341012吨,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,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,人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！,从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,1.什么是微生物学（microbiology）微生物学是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学。,第四节微生物学及其分科,2.微生物学的根本任务微生物学的根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消灭和改造有害微生物，为人类社会的进步服务。,3.微生物学的分科微生物学已经经历了一个多世纪的发展，已分化出大量的分支学科，而且还会不断地形成新的学科和研究领域。,第四节微生物学及其分科,20世纪的微生物学走过了辉煌的历程，面对新的21世纪，展望她的未来，将是幅更加绚丽多彩的立体画卷，在这画卷上也可能会出现我们目前预想不到的闪光点。因此，我们在这里只能是勾勒一下21世纪微生物学发展的趋势。,第五节微生物学研究现状和发展,1.微生物基因组学目前已经完成基因组测序的微生物主要是模式微生物、特殊微生物及医用微生物，而随着基因组作图测序方法的不断进步与完善，基因组研究将成为一种常规的研究方法，为从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物将产生质的飞跃，并将带动分子微生物学等基础研究学科的发展。,2.微生物蛋白质组学我们知道，遗传的中心法则为：DNARNAprotein。通过研究微生物蛋白质组学，研究蛋白质的结构和功能，更好地充分利用和改造微生物。,3.微生物生态学以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生态学、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。,第五节微生物学研究现状和发展,4.微生物生命现象的特性和共性微生物生命现象的特性和共性可概括为：微生物具有其他生物不具备的生物学特性，例如可在其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其他生物不具备的代谢途径和功能，如化能营养、厌氧生活、生物固氮和不释放氧的光合作用等，反映了微生物极其丰富的多样性；,微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高度的统一性；,微生物个体小、结构简单、生长周期短，易大量培养，易变异，重复性强等优势，十分易于操作。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，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等。,第五节微生物学研究现状和发展,5.微生物学与其他学科的交叉20世纪微生物学、生物化学和遗传学的交叉形成了分子生物学；21世纪的微生物基因组学则是数、理、化、信息、计算机等多种学科交叉的结果；随着各学科的迅速发展和人类社会的实际需要，各学科之间的交叉和渗透将是必然的发展趋势。,21世纪的微生物学又将进一步向地质、海洋、大气、太空渗透，使更多的边缘学科得到发展，如微生物地球化学、海洋微生物学、大气微生物学、以及极端环境微生物学等。微生物与能源、信息、材料、计算机的结合也将开辟新的研究和应用领域。微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科的