微生物第一章绪论课件

1、第一节 微生物学的研究对 象、作用和分科第二节 微生物学的发展简史 第一章绪 论第一节 微生物学的研究对象、作用和分科一、微生物学的研究对象 二、微生物的作用（任务）三、微生物的基本研究方法四、微生物学的分支学科 微生物(microorganisms)是指广泛存在于自然界中的一大群个体体积微小，结构简单，大多是单细胞，少数是多细胞，甚至没有细胞结构的低等生物。 1、什么是微生物？ 这些微小的生物必须借助于光学显微镜和电子显微镜才能看清它们的形态结构。 一、微生物学的研究对象 不具细胞结构的病毒、亚病毒因子（类病毒、卫星病毒、卫星RNA、朊病毒）具有细胞结构的细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体

2、、立克次氏体、螺旋体等原核生物包括酵母菌、霉菌、蕈菌等真菌及单细胞藻类、原生动物等原生生物的真核生物2、微生物在生物界的地位对于生物的分类，过去很长一段时间人们曾把所有的生物分为动物界和植物界两大类。 微生物中有些类群，如原生动物，细胞柔软而不具细胞壁，可运动，不行光合作用，属于动物界。有些类群，如藻类具细胞壁，行光合作用，归于植物界。但是许多细菌具细胞壁、可运动，又不行光合作用，将它们归于植物界或动物界均不合适。后来有人提出另立微生物界或原生生物界的创意，而与动物界和植物界相并列。 直到1969年魏塔克（R.Whittaker）首先提出了五界分类系统，他将所有的生物分为： 微生物的个体极其微

3、小，要测量它们，必须要在显微镜下用测微尺测量，以um或nm作单位。如一个典型的球菌体积仅为um3.小的细菌甚至比大的病毒还要小；有些微生物甚至比蛋白质分子还要小，如植物双粒病毒，直径仅有18-20nm。 3、微生物的主要特点个体微小、结构简单 它们的结构也是非常简单的，大多数微生物为单细胞，只有少数为简单的多细胞，有的甚至是分子生物。如马铃薯纺锤形块茎病毒（PSTV）仅是由359个核苷酸组成的单链环状RNA，长度为50nm；朊病毒仅由蛋白质分子组成。 生物界中，微生物具有惊人的生长繁殖速度，其中二等分裂的细菌尤为突出。人们研究得最透彻的微生物是E. coli，其细胞在合适的生长条件下，每分裂一

4、次的时间是12.5-20.0 min。如按每20min繁殖一代，则每小时分裂3次，24小时可繁殖72代，一个细胞可繁殖达到4.7221024个。 代谢旺盛，繁殖快速 在合适的培养条件下细菌呈指数级生长 微生物对环境条件特别是“极端环境”具有惊人的、极其灵活的适应性，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力，这是高等动植物无法比拟的 。例如：在海洋深处的某些硫细菌可在250-300之间生长；嗜盐细菌可在饱和盐水中正常生长繁殖；氧化硫杆菌在PH0.5-2.0（5-10%的硫酸）的酸性环境中生长；脱氮硫杆菌生长的最高PH为10.7。适应性强、易变异 以青霉素的产量变异为例，1943年每毫升青

5、霉素发酵液中该菌只分泌约20单位的青霉素，通过遗传育种和菌种人员的努力，青霉素的发酵水平已超过5-10万单位/ml。 微生物的个体一般都是单倍体，加之它具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等原因，虽然微生物的变异频率仅为(10-6-10-9)，也可在短时间内产生大量变异的后代。在微生物育种中利用变异这一特性可获得高产菌株而大大降低成本。当然，病原菌产生的耐药性变异也很常见。 青霉素43年刚问世时，对Staphylococcus aureusr 最低制菌浓度为0.02ug/ml,由于突变原因制菌浓度不断提高，有的菌株的耐药性竟比原始菌株提高了1万倍。在40年代用青霉素治疗时，即使是严重感染的

6、病人，每天只需10万单位，前几年成人需160万单位，新生儿也不少于40万单位。病情严重时，甚至用数千万。说明“滥用抗生素无异于玩火”的口号是有充分科学依据的。 微生物是无处不有无处不在，在生物圈的每一个角落都有微生物踪迹。如：土壤、空气、水体、动植物的体表，人体体腔（100-400种，总数约为100万亿），其中数量最多的是（脆弱拟杆菌）。海底（硫细菌，100，140个大气压）、高空等极端环境到处都有微生物的存在；由于微生物的发现比较迟，加上鉴定微生物种的工作以及划分种的标准等问题较复杂，所以目前确定微生物种数只有10万多种。随着分离、培养方法的改进和研究工作的进一步的深入，将会有更多的微生物被

7、发现。种类繁多，分布广泛 微生物复杂的生物多样性形成了代谢的多样性，从而为人类提供了丰富的资源宝库。 科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下，Escherichia coli每小时内可消耗其自重2000倍的乳糖。Candidautilis(产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大豆强100倍,比食用公牛强1万倍，微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础。吸收快，转化力强 从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。2.农业上：细菌肥料（5406）、植物生长激素、发酵

8、饲料、生物杀虫剂。3.工业上：酿造、食品、纺织、皮革、石油、发酵、细菌冶金。4.医药上：抗生素、菌体制剂、维生素、AA、E及酸制剂。5.动物体内正常菌群。6.净化环境：利用微生物处理污水7.产生沼气：CH41.微生物与粮食 粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇,国家推广乙醇汽油玉米，山东省极力种植乙醇-甜高粱、小桐子等耐盐碱非粮植物发展生物燃料，目前我国有四个生产工厂，201

9、0年非粮乙醇计划达200万吨，2020年生物燃料总量达到1200万吨。2微生物与能源利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源”-氢气；传统的：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等；3. 微生物与资源另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。 微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。现代的：水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（PHB）等； 利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来

10、取代能造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；4.微生物与环境保护利用EMB培养来检测饮水的肠道病原菌等。 利用微生物技术来监测环境的污染度，如用艾姆氏法检测环境中的“三致”物质； 利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水； 利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染； 利用微生物降解化肥和农药残留生产绿色食品；防治各类疾病的主要手段是各种微生物产生的药物：抗生素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。5.微生物与人类健康此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物。2.发

11、展了生命科学中许多研究和生物工程技术20世纪70年代基因载体（质粒等）建立基因库、DNA结构、单克隆抗体、工具酶等。3.揭示生命科学本质的重要途径支原体（独立）、细菌视紫红质，极端生物（250-300。-12）4.微生物与诺贝尔1911年劳氏瘤病毒，反转录 。三、微生物的基本研究方法光学显微镜的诞生，它将肉眼的分辨率提高到微米级水平，而电子显微镜的出现使人眼分辨达到纳米水平。列文虎克是第一个用显微镜来观察和描述微生物的。1.显微镜技术无菌操作纯种分离技术是人类揭开微生物世界奥秘的重要手段。要揭开在自然条件下处于杂居混生状态的某一微生物的特点，以及它们对人类是有益还是有害，就必须采用在无菌技术基

12、础上的纯种分离方法。早期对微生物群体进行单个纯化分离者是李斯特。但真正取得突破的是柯赫发明的培养皿琼脂平板技术。3.纯种分离技术 微生物纯种培养技术在科学实验和生产实践中有着极其重大的理论与实践意义。要使微生物在大规模生产中良好地生长或累积代谢产物，就得考虑最为合理的培养装置和有效的工艺条件，并且还要在整个微生物的发酵过程中严防其他微生物的干扰，即防止杂菌污染。发酵罐的发明及大规模地普及使用，为生物工程学开辟了崭新的前景。同时微生物发酵工业也已成为国民经济的重要支柱之一。 4.纯种培养技术四、微生物学的分支学科1.按研究微生物学基本生命活动规律为目的来分有：微生物分类学、微生物生理学、微生物生

13、态学、微生物遗传学等。2.按微生物的研究对象分有：细菌学、真菌学、病毒学、菌物学、藻类学等。4.按微生物所在的生态环境分有：土壤微生物学、海洋微生物学、环境微生物学、宇宙微生物学等。 3.按微生物的应用领域分有：农业微生物、工业微生物、医学微生物、食品微生物、乳品微生物学、石油微生物学、兽医微生物、药物微生物、预防微生物学等。 各分支学科相互交叉，互相配合，互相促进，有利于整个微生物学全面深入的发展。第二节 微生物学的发展简史 一、我国古代对微生物的认识和利用二、微生物的发现与奠基三、微生物应用展望及其所对应的职业岗位4600多年前国策魏策中记载“后世必有以酒之其国者”，“仪狄作酒”等记载，说

14、明已利用微生物酿酒了。公元前10世纪：我国祖先利用豆类在霉菌作用下制酱公元前6世纪：贾思勰、齐民要术记载制醋方法。公元前6世纪，556年：已知驱狂犬，防传染病公元11世纪：宋代，种人痘预防天花已相当普遍。1798年英国医生秦纳（E。Jenner）由种人痘发展为种牛痘。一、我国古代对微生物的认识和利用1.史前期 时间：推测时期大约距今8000年1676年间，此期是指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史时期。开创者：各国劳动人民，其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称。特 点：未见细菌等微生物个体；凭实践经验利用微生物的有益活动（酿酒、制酱、酿醋、沤肥、轮作、治病）。二、微生物的发现与

15、奠基2.初创期（观察时期） 时 间：16761861开创者：列文虎克（Leeuwenhoek )当时他为布店的学徒工，对制造高倍扩大镜特别感兴趣 。二、微生物的发现与奠基特 点：自制的单式显微镜观察到细菌的个体；对一些微生物形态进行描述。为微生物的存在提供了有力的证据，对以后微生物的研究创造了条件。这便是微生物的启蒙时代。 Anthnoy van Leeuwenhoek1684年寄给皇家协会信的部分内容1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克首次观察到了细菌。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。 列文虎克是一位敏锐的观察家而不是理论家，他本人并不

16、认识到其发现的重要意义，直到相隔100年以后，才由其他自然科学家对微生物进行重新观察和鉴定 。时 间：18611897开创者：Pasteur和Koch3.奠基期特 点：建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；借助于良好的研究方法，开创了寻找病原微生物的“黄金时期”；把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平；微生物学以独立的学科形式开始形成。法国人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）德国人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）1.巴斯德 (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的(2) 彻底否定了“自然发生”学说化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病

17、”和“蚕病”实验得出令人信服的结论：腐败物品上的微生物，来自空气中的种子。 (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；家蚕软化病问题的解决 2 罗佰特柯赫 细菌学奠基人一、在微生物基本操作技术方面的贡献：1、配制培养基；2、利用固体培养基分离纯化微生物技术（采用了以琼脂作凝固剂的培养基培养细菌和分离单菌落而获得纯培养的操作过程）；3、创立了许多显微镜技术（细菌的染色方法等）；4、规定了鉴定病原细菌的方法和步骤。 二、对病原细菌的研究作出了突出的贡献：a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；b）发现了肺结核病的病原菌；（1905

18、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 著名的柯赫定理： 1 在每一相同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。时 间：18971953开 创 者：Buchner（布赫纳）4.发展期 特 点：进入微生物生化水平的研究； 应用微生物的分支学科更为扩大， 出现了抗生素等学科； 开始寻找各种有益微生物代谢产 物； 普通微生物学开始形成； 各相关学科和技术方法相互渗透， 相互促进，加速了微生物学的发展。时 间：1953至今5

19、.成熟期特 点：微生物学从一门在生命科学中较为孤立的以应用为主的学科，成为一门十分热门的前沿基础学科；在基础学理论的研究方面，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最主要的对象；在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人控制的方向发展； 20世纪70年代后微生物成为生物工程学科的主角三、微生物应用展望及其所对应的职业岗位20世纪八十年代，在世界范围内兴起了新技术革命的浪潮，所谓新技术革命即：信息技术、新型材料、新的能源、海洋开发和生物工程等新技术的开发和应用。 生物工程并不是一门全新的学科，生物工程包括五大工程，即基因工程、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程和生物反应器

20、工程。在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益 和社会效益。基因工程在生物工程中具有重要的作用，因为“种”是最重要的。人们可以通过基因工程这个实验技术在DNA的分子水平上动手术，将一种细胞的结构基因转移到另一种细胞中去，而使之具有新的遗传性状，产生大量的新产品。如： 利用这种技术在20世纪八十年代后生产出了商品胰岛素、激素、疫苗，现在不仅能在微生物间的D

21、NA分子水平上动手术，在远缘生物间同样进行基因转移，如科学家已将鸡卵清蛋白基因、大豆球蛋白基因成功的转移到大肠杆菌细胞中，通过对大肠杆菌的培养发酵生产出鸡卵清蛋白和大豆球蛋白。现在已有许多动植物的产品由微生物大量生产。 如今，基因工程载体的构建、质粒的改造、基因库的建立和保存、基因的正确表达及产物的获得、后基因组计划等同样离不开微生物。21世纪微生物学将进一步向地质、海洋、大气、太空等领域渗透，使更多的边缘学科得到发展，如地质微生物学、海洋微生物学、大气微生物学、太空微生物学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领域。微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科先进技术的基础上，向自动化、定向化和定量化发展。 21世纪微生物学展望微生物产业在21世纪将呈现