《微生物学》课件 Microbiology Chapter 1

1、课程要求提前预习：结合中文教材；保持课堂纪律：（1）不迟到，不无故缺席；（2）手机关闭。注重实验课程，加强理论联系实际；欢迎对课堂教学内容加以讨论。 Introduction to MicrobiologyChapter 1MicrobiologyAntony van Leeuwenhock (1632-1723)Louis Pasteur (1822 1895)Robert Kock (1843 1910)微生物学发展中的重大事件 时 间重 大 事 件1857巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的1861巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的“自生说”1864巴斯德建立巴氏消毒

2、法1867Lister创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验1867-1877柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起1881柯赫等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗1882柯赫*发现结核杆菌1884柯赫法则首次发表；Metchnikoff*阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法1885巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学1887Richard Petri发明了双层培养皿1888Beijerinck首次分离根瘤菌1890Von Behring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风1891Steinberg与巴斯德同时发现了肺炎球菌1892Ivanowsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起

3、的证据；Winogradsky发现硫循环1897Buchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功1899Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传播1909-1910Ricketts发现立克次氏体；Ehrtich*首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂1928Griffith发现细菌转化1929Fleming*发现青霉素1935Stanley*首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶”1943Luria*和Delbruck*用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；Chain*和Florey*形成青霉素工业化生产的工艺1944Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；Wa

4、ksman*发现链霉素1946-1947Lederberg*和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象1949Enders*、Robbins*和Weller*在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功1952Hershey*和Chase发现噬菌体将DNA注入宿主细胞；Lederberg*发明了影印培养法；Zinder和Lederberg发现普遍性转导1953Watson*和Crick*提出DNA双螺旋结构1956Umbarger发现反馈阻遏现象1961Jacob*和Monod*提出基因调节的操纵子模型1961-1966Holhy*、Khorana*、Nirenberg*等阐明遗传密码196

5、9Edelman*测定了抗体蛋白分子的一级结构1970-1972Arber*、Nathans*和Smith*发现并提纯了限制性内切酶；Temin和Baltimore发现反转录酶1973Ames建立细菌测定法检测致癌物；Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功1975Khler和Milstein*建立生产单克隆抗体技术1977Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；Sanger*首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析1982-1983Cech*和Altman*发现具催化活性的RNA(ribozyme)；McClintock*发现的转座因子获得公认；Prusiner*发现朊病毒

6、(prion)1983-1984Gallo和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis*建立PCR技术1988Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素1989Bishop*和Varmus*发现癌基因1995第一个独立生活的生物(流感嗜血杆菌)全基因组序列测定完成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. What are the unique features of MicroorganismsAntoni Van Leeuwenhock The word microorganism is used to descr

7、ibe an organism that is so small that, normally, it can not be seen without use of microscope.1.1 Small size, Simple structureThe living organisms of microscopic size Most microorganisms are unicellular Some of them are non-cellular structureOur world is populated by invisible creatures too small to

8、 be seen with the unaided eye. These life forms, the microbes or microorganisms, may be seen only by magnifying their image with a microscope. Microbial worldOrganisms (living)Infectious agents (non-living)Prokaryotes (unicellular)eukaryotesvirusesviroidsprionsEubacteriaArchaeaAlgae (unicellular or

9、multicellular)Fungi (unicellular or multicellular)Protozoa (unicellular)Other multicellular organismsThe size and cell type of microbes microbeApproximate range of sizesCell typeViruses0.01-0.25mNon-cellularBacteria0.1-10mProkaryoteFungi2m-1mEukaryoteProtozoa2-1000mEukaryoteAlgae1m-several metersEuk

10、aryoteMost of the bacteria, protozoa, and fungi are single-celled microorganisms, and even the multicell microbes do not have a great range of cell types. Viruses are not even cells, just genetic material surrounded by a protein coat and incapable of independent existence.The size and cell type of m

11、icrobes 1.2 High diversitySpecies: bacteria ( actinomyce, cyanobacteria)archaeafungi (yeast, mold, mushroom)protozoavirusTotal number: 1830000Recorded number: 1495601.2 High diversityMetabolism: phototrophschemotrophsheterotrophslithotrophs沙漠中的蓝细菌和地衣，能够形成一层坚实的菌壳，有力地抵抗风沙的侵蚀Ecologic diversityRabbit Cr

12、eek, Yellowstone National Park Genetic diversity脊椎动物C值矛盾生物体的单倍体基因组所含DNA是恒定的，称为C值（C value），是每一物种的一个特征。不同物种C值的差异很大。当进化增加了生物体结构与功能的复杂性时，基因组也相应地增大。例如，蠕虫的C值大于霉菌、藻类、细菌和支原体；真菌和高等植物同属真核生物，而后者的C值要大得多。但在某些生物中，这种规律并不适用。有些单细胞真核生物的基因组大小并不比原核生物有明显的增加，如啤酒酵母（S.cerevisiue）基因组大约由2.3107 bp组成，仅比大肠杆菌大5倍。又如两栖类的C值竟然比包括人类在

13、内的哺乳类高了30倍！因此，从总体上说，生物基因组大小同生物在进化上所处地位的高低没有关系，这种现象就叫C值矛盾（C value paradox）。1.3 Widely distributed in various environment with large numbersSoil: 109 CFU/gwaterairplants, animals, human bodyextreme environment, e.g. hot springs 1.4 Fast growing, easy cultivationgeneration time: min, hr.1.5 Easy mutati

14、on2. The place of microorganisms in the living world2.1 Whittakers five kingdom concept (1969)Kingdom plantaeKingdom animaliaKingdom fungiKingdom protista(原生生物)Kingdom monera(原核生物)*This classification system was based on nutrition, photosynthesis, absorption and ingestion.2.2 Woeses three domains (

15、kingdoms) Domain bacteria Domain Archaea Domain eucarya*This classification is based on the similarity of 16S rRNA sequences. The Three-Domain System3. The scope of microbiologyMicrobiology is the study of living organisms of microscopic size, which include bacteria, archaea, fungi, algae, protozoa

16、and viruses. It is concerned with their morphology, reproduction, physiology, metabolism, genetics and classification. Microbiology includes the study of their distribution and function in nature, their relationship to each other and to other living organisms, their effects on human beings, animals

17、and plants. MicrobiologyBacteriologyProtozoologyParasitologyMicrobial MorphologyMycologyVirologyPhycology or AlgologyMicrobial physiologyMicrobial taxonomyMicrobial geneticsMolecular biologyMicrobial ecology4. Why do we study microbiology? Microorganisms affect the well-being of people in a great ma

18、ny ways. They occur in large numbers in most natural environments. Some of them are beneficial and others are detrimental. 4.1 The beneficial aspectsIn Agriculture Microbial fertilizer Biological control SCP Microbial energy: methane gas for rural consumptionIn food production yoghurt cheese wine(al

19、cohol fermentation) food ingredients Mushroom (fruiting body) In environment protection treatment of waste materials to decompose materials: pesticides, herbicides, cellulose, lignin, xenobiotic compounds (recalcitrant compounds): DDT, 666, PCB, PCP, PlasticsAerobic-Anaerobic Bioreactor Bioreactor P

20、rogram Gas Collection to Generate Energy Air Injection GroundwaterMonitoring Liquids Storage In Biochemical industry Antibiotics enzymes Amino acids organic acids In medicine Vaccine Antibiotics: penicillin, streptomycin, kanamycin, tetracyclineGMO Recombinant DNA technology Microbial plastics Micro

21、bial pesticides Microbiosensor 传感器 Microbial fuel cells 微生物燃料电池 Microbial DNA chip 微生物DNA芯片 Exploitation of microorganisms in extreme environments The potential applied areas of Microbiology微生物燃料电池（MicrobiologicalFuelCells）并非刚刚出现的一项技术。早在1910年，英国植物学家马克比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，把它放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，

22、成功制造出了世界第一个微生物燃料电池；1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过它的放电率极低；近几年，利用微生物发电的技术出现了更大的突破，宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授布鲁斯洛根是新型微生物燃料电池研制小组的负责人，他说，“传统的燃料电池是利用氢气发电，但从来没有人尝试使用富含有机物的污水来发电。” 微生物传感器生物传感器是一门集微电子学、材料科学、生物技术等学科为一体的高新技术。它由分子识别元件(感受器) 和与之结合的信号转换器件(换能器) 两部分组成的分析工具或系统。前者可以是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA) 或生物体本身

23、(细胞、细胞器、组织) ,它们能特异地识别各种被测物质并与之反应;后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管( ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体(PZ) 等,其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。生物传感器按所用分子识别元件的不同,可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等;按信号转换元件的不同,可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等;按对输出电信号的不同测量方式,又可分为电位型生物传感器、电流型生物传感器和伏安型生物传感器。微生物传感器是生物传感器的一个重要分支。1975 年Divies 制成了第一支微生物传感器,由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。在不损坏微生物机能情况下，可将微生物固定在载体上制作出微生物传感器。微生物传感器与酶传感器相比，它有以下特点：（1） 微生物的菌株比分离提纯酶的价格低得多，因而制成的传感器便于推广普及；（2） 微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长；（3） 即使微生物体内的酶的催化活性已经丧失，也可以因细胞的增殖使之再生；（4） 对于需要辅助因子的复杂的连续反应