微生物学教学课件-第1章-绪论

微生物学（Microbiology）第1章绪论1.1微生物的概念、分类地位及生物学特性1.2微生物学的形成及发展历程1.3微生物学的研究方向及展望动物植物微生物人类第一节微生物的概念、分类地位及生物学特性一.微生物的概念微生物（microorganism简称microbe）的概念——是指个体微小，必须借助普通光学显微镜或电子显微镜才可见，包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体。但是这里面也有例外，比如许多真菌的子实体（如我们常见的蘑菇、灵芝、冬虫夏草等）是肉眼可见，类似的，还有某些藻类能生长几米长，也是肉眼可见。针对微生物概念的学习要灵活掌握。二.微生物的分类地位①两界系统动物界、植物界②三界系统动物界、植物界和原生生物界1866年，海克尔（E.Haeckel，1834-1919）提出了区别动物界与植物界的第三界——原生生物界（包括藻类、原生动物、真菌和细菌）（Sander，2002）。1969年，魏塔科（R.H.Whittaker）提出了五界系统，即动物界、植物界、原生生物界、真菌界和原核生物界。细胞生物的三原界（1977，C.woese）沃斯（C·R·Woese）在1977年提出三原界学说，称为古细菌原界，与真核生物原界和原核真细菌原界共称为“三元界分类系统”（Woese,etal.,1990）。微生物主要有三大类群：1）原核生物类：细菌（细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体）；古细菌2）真核生物类：真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、原生动物和显微藻类。蘑菇和银耳等食、药用菌是个例外，尽管可用厘米表示它们的大小，但其本质是真菌，我们称它们为大型真菌。3）非细胞生物类：病毒和亚病毒（类病毒、拟病毒和朊病毒）。

个体小，数量大种类多，分布广比面积大，代谢活力强繁殖快，易变异三.微生物的生物学特点

微生物学(Microbiology）的研究内容：研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异、分类、生态等生命活动规律及其应用的一门学科。

个体小，数量大（以μm或

nm表示）——基础

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毫克细菌中的杆菌的平均长度为2μm，1500个杆菌首尾相连相当于一粒芝麻的长度；10～100亿个细菌加起来的重量约等于1mg。例外：真菌子实体、蘑菇；某些藻类能生长几米长。

微生物虽然个体小，但其数量十分巨大，如生病患者的一次咳嗽含有约十万个细菌，两万个病毒。人体的皮肤表面平均每平方厘米约有10万个细菌；而人体肠道中的微生物总量更是高达100万亿。

种类多，分布广微生物体积小，重量轻，可以到处传播动植物存在的地方都有微生物动植物不存在的地方也有微生物

每张纸币带细菌：900万个极端环境微生物

比面积大，代谢活力强体积越小，其比面值(surfacetovolumeratio)K（K=表面积/体积）就越大。K人

=1，K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。营养物质的吸收面代谢废物的排泄面环境信息的接受面从单位重量来看，微生物的代谢强度比高等生物大几千倍到几万倍。发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000～10000倍的乳糖；消耗自身重量2000倍食物的时间：大肠杆菌：1小时（胃口大）人：500年（按400斤/年计算）一接种环的谷氨酸生产菌，经两天的扩大培养和发酵就能将8吨糖和2吨尿素转化为3吨菌体和4吨谷氨酸。可见，微生物细胞确实是一个生产效率极高的“活工厂”。代谢活力强

代谢类型多土壤微生物：秸秆微生物降解①把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；②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；③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；④通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；⑤研制微生物电池使之实用化。

在自然界物质转化中起重要作用农用抗生素、杀虫剂、微生物菌肥、PHB（聚羟基丁酸酯）生物塑料等

繁殖快，易变异繁殖快大肠杆菌一个细胞重约10–12

克，平均20分钟繁殖一代24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到4722吨48小时后：2.2×1043个后代，重量达到2.2×1025吨相当于4000个地球的重量！事实上，由于种种客观条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，

90min，“五世同堂”

在发酵工业上有重要的实践意义

——生产效率高，发酵周期短

病原、腐败微生物给人类带来极大的麻烦

繁殖快，易变异一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液和氨水为原料，24小时可以生产50000kg优质蛋白质棉花枯萎病；禽流感，食品腐败微生物的变异频率（一般为108~109）相对于其他生物（动植物）显得尤其高

易变异

有益变异：在发酵工业中进行菌种选育，提高生产性能

青霉素——产黄青霉（Penicilliumchrysogenum)

194320单位/mL发酵液，

各国微生物遗传育种工作者的不懈努力产量变异逐渐累积其他发酵条件的改变

19835-10万单位/mL发酵液有害变异：病原菌对抗生素产生的抗药性变异如在40年代用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，每天只需10万单位，而现在成人需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。同时也说明了“滥用抗生素无异于玩火”的口号是有充分科学依据的。易变异细菌抗药性的产生：第二节、微生物的发现及微生物的学发展与奠基者1.史前期史前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，大约在距今8000年－－1676年间。开创者：各国劳动人民，其中尤以我国的制曲、酿酒技术蓍称。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）。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。1664年，英国人虎克（RobertHooke）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。1695年，安东·列文虎克把自己积累的大量结果汇集在《安东·列文虎克所发现的自然界秘密》一书里。他的发现和描述首次揭示了一个崭新的生物世界---微生物世界。这在微生物学的发展史上具有划时代的意义。时间：1861－－1897开创者：Pasteur和Koch特点：①建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；②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”；③把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平；④微生物学以独立的学科形式开始形成。3.奠基期法国人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）

曲颈瓶实验彻底推翻自然发生学说

发酵学的奠基人——巴斯德效应等

免疫学的奠基人

巴斯德消毒法

主要贡献巴斯德

(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”学说葡萄汁发酵变成酒是酵母菌作用的结果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：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物德国人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）

创立柯赫原则（1884）

纯培养技术：琼脂为凝固剂划线分离法分离病原菌

创立许多显微技术细菌的鞭毛染色悬滴培养法显微摄影技术

主要贡献柯赫a）细菌纯培养方法的建立——划线分离法土豆切面→营养明胶→营养琼脂（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（细菌鞭毛染色等）和显微摄影（2）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。（3）Lister——疾病与微生物的关系Lister认为外科手术的感染与细菌有关，采用石炭酸喷雾消毒和清洗伤口后再行外科手术，大大降低了死亡率。

外科消毒技术的建立

英国的李斯特（J.Lister)

稀释分离法（4）免疫学的发展

英国医生Jenner接种牛痘预防天花。Pasteur研究鸡霍乱病原菌认为：长老了的细菌会失去致病力，但这种减毒细菌仍然保留着刺激宿主产生抗体物质的能力。而抗体能保护宿主以后接触有毒有机体时不受侵袭。42-43oC下培养的老龄炭疽菌几星期后获免疫力37oC下培养的新鲜炭疽菌4.发展期

时间：1897－－1953Fleming青霉素

1943，美国瓦克斯曼(SelmanWaksman)发现土壤放线菌链霉菌产生链霉素。1952年获诺贝尔生理学和医学奖时间：1953－－至今开创者：Watson和Crick5.成熟期——微生物分子生物学的发展

自1953年4月25日Watson和Crick在《自然》杂志上发表DNA结构的双螺旋模型起，整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段。

微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要对象，微生物成为新型的生物工程的主角。微生物学发展史上几位诺贝尔奖获得者简介埃米尔·阿道夫·冯·贝林——白喉抗毒素的发现和研制（1901年）（2）罗伯特·科赫——肺结核病原菌的发现与结核菌素的发明（1905年）（3）亚历山大·弗莱明——青霉素的发现及成功应用（1945年）（4）乔舒亚·莱德伯格——发现细菌的遗传重组（1958年）细菌遗传学之父（5）雅克·吕西安·莫诺、弗朗索瓦·雅各布——微生物基因调控机制的发现（1965年）乳糖操纵子模型（6）罗纳托·杜尔贝克、霍华德·马丁·特明、大卫·巴尔迪摩——反转录病毒和反转录酶的发现（1975年）

逆转录酶的发现，进一步完善了原有的“中心法则”，而且明确揭示了肿瘤病毒与细胞遗传物质之间的相互作用。为癌症起因的研究及攻克癌症的生物技术应用铺平了道路，成为病毒微生物发展史上的重大转折点。（7）沃纳·阿尔伯、汉密尔顿·史密斯、丹尼尔·内森斯———限制性核酸内切酶的发现及其在分子遗传学方面的应用（1978年）细菌中存在2种酶，一种是可以降解外源DNA的酶，以此保护自身遗传物质不受外来DNA的干扰，另一种则是可通过甲基化的方式修饰自身DNA免受降解的修饰酶，2种酶协调作用形成“限制-修饰系统”。（8）斯坦利·普鲁辛纳——新型病原微生物“朊病毒”及其致病机理的发现（1997年）发现采用核酸灭活法对其致病性并无影响，反而使用蛋白质变性剂却可以导致症状消失。普鲁辛纳首次为这种不含核酸的蛋白质病毒颗粒取名“朊病毒”。（9）弗朗索瓦丝·巴尔·西诺西、吕克·蒙塔尼——艾滋病毒（HIV）的发现及哈拉尔德·楚尔·豪森——子宫颈癌致病因子-人乳头瘤病毒（HPV）的发现（2008年）弗朗索瓦丝哈拉尔德我国微生物学发展史上几位代表性人物简介（1）伍连德（WuLien-The）伍连德首次提出飞沫传染的重要作用，而此前人们只注意到鼠疫由跳蚤传染的途径。著作：《鼠疫概论》和《霍乱概论》、《中国医学史》（2）汤飞凡汤飞凡阐明了沙眼病原体侵入宿主细胞后的发育周期。“汤氏病毒”→沙眼病原体→沙眼衣原体1980年6月26日，国际沙眼防治组织主席通知中国眼科学会，将授予汤飞凡沙眼金质奖章。（3）戴芳澜《中国真菌总汇》戴芳澜遗著《真菌的形态与分类》是我国学者编写的第一本真菌学教科书。（4）陈华癸陈华癸的学生、国际著名的根瘤菌分类专家陈文新院士，她采用分子生物学方法对1940年代陈华癸命名的紫云英根瘤菌重新作了鉴定，确定是一个新种，1991年命名为华癸根瘤菌（Rhizobiumhuakuii），1997年改名为华癸中慢生根瘤菌（Mesorhizobiumhuakuii）陈华癸首次发现紫云英根瘤菌是一个具有专一性的独立互接种族，这项发现，不仅丰富了根瘤菌和宿主植物共生结瘤固氮的知识，而且为紫云英根瘤菌剂的生产和应用奠定了基础。第三节.微生物学的研究方向及展望随着基因组学、结构生物学、生物信息学、PCR技术、高分率荧光显微镜及其它物理化学理论和技术等的应用，使微生物学的研究取得了一系列突破性进展，微生物学的研究发展从最初的基础生理阶段跨越至分子水平的整个科学领域的应用阶段，成为推动整个生命科学发展的强大动力。功能获得性微生物是最近学界的一个新提法，特指一类由基因改变导致重要功能改变的新的微生物。有关超级细菌、大肠杆菌O104:H4、重组鼠痘病毒、合成脊灰病毒以及H5N1和H7N9禽流感病毒等都是具有代表性的功能获得性微生物。这种基因改变可以源于基因重组或基因重配，也可源于自然进化或人工合成。耐碳青霉烯类肠杆菌科耐甲氧西林金黄色葡萄球菌微生物群是存在于机体体表以及与外界相通的腔道粘膜上的微生物总和，细菌、真菌、古细菌、病毒均参与了其构成。微生物群的数量、种类、分布与人类的年龄、性别、饮食、药物、感染等相关。微生物群与人体是一种互利共生的关系，参与人体的代谢，微生物群还参与了免疫系统和神经系统的发育。微生物群的失调与系统疾病相关，包括消化系统疾病如肠易激综合征，炎症肠病等;免疫系统疾病如过敏，哮喘，多发性硬化等;代谢与内分泌系统疾病如肥胖，糖尿病等;神经精神疾病如抑郁症，自闭症等肠道微生物和癌症的关联PNAS：经过改造的乳酸菌逆转了小鼠的结肠癌微生物组学研究美国总统科学与技术政策办公室发布“整合微生物组计划”蓝图设想。英国自然出版集团推出NatureMicrobiology新杂志，全方位聚焦微生物研究。微生物在医学、农业、能源、气候变化、环境和生态等方面的重要作用已成为学术界的广泛共识。食品微生物，医学微生物，海洋微生物，土壤微生物等的研究领域也都发生了革命性的变化。第三节微生物应用与展望目前，人类所知道的微生物被利用的还不到1%。微生物资源一直是全球生物技术竞争的战略重点，作为全世界分布最广且拥有量最多的生物资源，其应用已涉及到诸多领域并展现出了巨大的经济价值和社会价值巨大多样的微生物资源在食品工业，医药，农业，采矿、冶金，酶工程，传感器、芯片，生物计算机等方面具有广泛的应用及开发潜力。1、微生物肥料GrowthpromotionwithPGPR.Ectomycorrhizae（外生菌根菌）asfoundonrootsofapinetree生长期为6个月的松树幼苗A:没有接种菌根；b：接种菌根2、微生物农药微生物杀虫剂微生物杀菌剂微生物除草剂微生物植物生长调节剂阿维菌素(avermectin)是杀线虫和节肢动物(特别是螨类)的抗生素。它能增加虫体内的γ-氨基丁酸，后者对神经有抑制作用。Streptomycesavermitilis微生物杀菌剂是一类控制植物病原菌的制剂，主要有农用抗生索、细菌杀菌剂、真菌杀菌剂和病毒杀菌剂等类型。微生物杀菌剂主要抑制病原菌能量产生、干扰生物合成和破坏细胞结构。内吸性强、毒性低，有的兼有刺激植物生长的作用。目前，生产上应用的微生物杀菌剂，包括有井冈霉素、公主岭霉素、赤霉索、春雷霉素、农抗120、农抗5102、中生菌素、武夷菌素、浏阳霉素等·3、微生物杀菌剂除草剂双丙胺磷具有强烈的广谱杀草活性，能防治一年生和多年生的杂草，同