微生物-绪论.ppt

微生物学是生命科学中重要的基础学科之微生物学是生命科学中重要的基础学科之一，其知识面覆盖微观世界和宏观世界两方面，一，其知识面覆盖微观世界和宏观世界两方面，内容涉及微生物的形态结构、生理生化、遗传内容涉及微生物的形态结构、生理生化、遗传变异、生态分布、传染与免疫、分类与鉴定等变异、生态分布、传染与免疫、分类与鉴定等方面。该课程有利于学生全面、系统地理解微方面。该课程有利于学生全面、系统地理解微生物学的基本知识和基本理论，熟练掌握微生生物学的基本知识和基本理论，熟练掌握微生物的基本操作技能，初步具有分析和解决有关物的基本操作技能，初步具有分析和解决有关实际问题的能力，同时也为后继专业课：细胞实际问题的能力，同时也为后继专业课：细胞生物学、分子生物学、基因工程、酶工程、发生物学、分子生物学、基因工程、酶工程、发酵工程学习打下良好的基础。酵工程学习打下良好的基础。课课 程程 说说 明明章章 节节 讲课内容讲课内容 学时学时 绪绪 论论 2 2 第一章第一章 原核微生物原核微生物 4 4第二章第二章 真核微生物真核微生物 4 4第三章第三章 病病 毒毒 4 4第四章第四章 微生物的营养微生物的营养 4 4第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢 6 6第六章第六章 微生物的生长微生物的生长 4 4第七章第七章 微生物的生态微生物的生态 4 4第八章第八章 微生物的遗传变异微生物的遗传变异 6 6第九章第九章 传染与免疫传染与免疫 8 8第十章第十章 微生物的分类微生物的分类 2 2理理论论课课学学时时分分配配（4 48 8学学时时）第一章绪论第一章绪论 微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用um或或nm作单位。如一个典型的球菌体积仅为作单位。如一个典型的球菌体积仅为um3；最近芬兰科学家最近芬兰科学家E O KajanderE O Kajander等发现了一种能引等发现了一种能引起尿结石的起尿结石的纳米细菌纳米细菌，其直径最小仅为，其直径最小仅为50nm，甚至比甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。它裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。它们的结构也是非常简单的，大多数微生物为单细胞，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。又如只有少数为简单的多细胞。又如PSTV由由359个核苷酸个核苷酸组成的组成的RNA，长度为长度为50nm；朊病毒仅蛋白质分子组朊病毒仅蛋白质分子组成。成。二、微生物的主要特点二、微生物的主要特点1.个体微小、结构简单个体微小、结构简单科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动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，如在合适的环境下物、植物要高很多倍，如在合适的环境下，Escherichia coliEscherichia coli每小时内可消耗其自重每小时内可消耗其自重20002000倍倍的乳糖的乳糖。CandidautilisCandidautilis(产朊假丝酵母产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大合成蛋白质的能力比大豆强豆强100100倍，倍，比食用公牛强比食用公牛强1010万倍，万倍，微生物的这个特性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，从而使微生物有可能更好地发挥的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化活的化工厂工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的的作用，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。生物化学转化能力上。2.2.吸收多，吸收多，转化快化快生生物物界界中中，微微生生物物具具有有惊惊人人的的生生长长繁繁殖殖速速度度，其其中中二二等等分分裂裂的的细细菌菌尤尤为为突突出出。人人们们研研究究得得最最透透砌砌的的微微生生物物是是Escherichia coli，其其细细胞胞在在合合适适的的生生长长条条件件下下，每每分分裂裂一一次次的的时时间间是是12.5-20.0分分钟钟。如如按按20分分钟钟分分裂裂一一次次计计，则则每每小小时时分分裂裂3次次，24小小时时可可达达到到4.7221024个个。3.生长旺，繁殖快生长旺，繁殖快 由于条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，由于条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到108-109个个/ml。微生物的这一特性在发酵工业上体现在：微生物的这一特性在发酵工业上体现在：生产效率高、生产效率高、发酵周期短发酵周期短。在生物学基本理论的研究上的优越性：在生物学基本理论的研究上的优越性：科研科研周期大大缩短、经费减少、效率提高周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。微微生生物物有有极极其其灵灵活活的的适适应应性性，这这是是高高等等动动植植物物无无法法比比拟拟的的，诸诸如如抗抗热热性性、抗抗寒寒性性、抗抗盐盐性性、抗抗酸酸性性、抗抗压压力力等等能能力力。例例如如：在在海海洋洋深深处处的的某某些些硫硫细细菌菌可可在在250-300之之间间生生长长；嗜嗜盐盐细细菌菌可可在在饱饱和和盐盐水水中中正正常常生生长长繁繁殖殖；Thiobacillus thiooxidans(氧氧化化硫硫杆杆菌菌)在在PH1-2酸酸性性环环境境中中生生长长。Bacillus.sp.(未未定定名名)的的芽芽孢孢在在琥珀内蜜蜂肠道中已保存了琥珀内蜜蜂肠道中已保存了2500万年万年-4000万年万年。4.适应强、易变异适应强、易变异微微生生物物的的个个体体一一般般都都是是单倍倍体体，加加之之它它具具有有繁繁殖殖快快、数数量量多多以以及及与与外外界界环境境直直接接接接触触等等原原因因，虽然然微微生生物物的的变异异频率率仅为(1010-6-6-10-10-9-9)，也也可可在在短短时间内内产生生大大量量变异异的的后后代代。在在微微生生物物育育种种中中利利用用变异异这一一特特性性可可获得得高高产菌菌株株。如如：在在19431943年年，利利用用Penicillium Penicillium chrysogenumchrysogenum发酵酵生生产青青霉霉素素，青青霉霉素素发酵酵液液中中只只分分泌泌约2020单位位/mlml的的青青霉霉素素。通通过过诱诱变变现现在在发酵酵液液中中达达到到5 5万万-10-10万万单位位/mlml，成本大大降低。成本大大降低。实践中常遇到一些有害践中常遇到一些有害变异，在医异，在医疗中最常中最常见的的致病菌致病菌对抗生素所抗生素所产生的抗生的抗药性性变异。青霉素异。青霉素4343年年刚问世世时，对Staphylococcus aureusStaphylococcus aureusr r 最低制菌最低制菌浓度度为0.020.02ug/mlug/ml,由于突变原因由于突变原因制菌制菌浓度不断提高，有的度不断提高，有的菌株的耐菌株的耐药性竟比原始菌株提高了性竟比原始菌株提高了1 1万倍万倍。如在如在4040年代用青霉素治年代用青霉素治疗时，即使是，即使是严重感染的重感染的病人，每天只需病人，每天只需1010万万单位位，而，而现在成人需在成人需1 10 0万万单位位，新生儿也不少于万新生儿也不少于万单位。病情位。病情严重重时，甚至用数，甚至用数千万。同千万。同时也也说明了明了“滥用抗生素无异于玩火用抗生素无异于玩火”的口号的口号是有充分科学依据的。是有充分科学依据的。细菌抗药性的产生：细菌抗药性的产生：在生物圈的每一个角落都有微生物踪迹。如：人在生物圈的每一个角落都有微生物踪迹。如：人体体腔（体体腔（100-400100-400种种，总数约为，总数约为100100万亿万亿，其中数量最，其中数量最多的是（脆弱拟杆菌）。海底（硫细菌，多的是（脆弱拟杆菌）。海底（硫细菌，100100，140140个大气压个大气压）、高空（）、高空（8585kmkm）、）、土壤深层；由于微生物土壤深层；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的标准等问题较复杂，所以目前确定微生物种数只有1010万多种。随着分离、培养方法的改进和研究工作的万多种。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发现。进一步的深入，将会有更多的微生物被发现。5.5.分布广，种分布广，种类多多三、微生物的作用三、微生物的作用1.微生物与粮食微生物与粮食粮粮食食生生产产是是全全人人类类生生存存中中至至关关重重要要的的大大事事。微微生生物物在在提提高高土土壤壤肥肥力力、改改进进作作物物特特性性（如如构构建建固固氮氮植植物物）、促促进进粮粮食食增增产产、防防治治粮粮食食作作物物的的病病虫虫害害、防防止止粮粮食食霉霉腐腐变变质质以以及及把把多多余余粮粮食食转转化化为为糖糖、单单细细胞胞蛋蛋白白、各各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。种饮料和调味品等方面，都可大显身手。2微生物与能源微生物与能源把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；利利用用产产甲甲烷烷菌菌把把自自然然界界蕴蕴藏藏量量最最丰丰富富的的可可再再生生资资源源转转化成甲烷；化成甲烷；利利用用光光合合细细菌菌、蓝蓝细细菌菌或或厌厌氧氧梭梭菌菌等等微微生生物物生生产产“清清洁能源洁能源”-氢气；氢气；通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；研制微生物电池使之实用化。研制微生物电池使之实用化。3.微生物与资源微生物与资源 微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源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。传统的：转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。传统的：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等；等；现代的：现代的：水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯水杨酸、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（酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（PHB）等；等；另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。独特的作用。4.微生物与环境保护微生物与环境保护利用利用微生物肥料微生物肥料、微生物杀虫剂微生物杀虫剂或或农用抗生素农用抗生素来取来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；利用微生物生产的利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染；解的医用塑料制品以减少环境污染；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏法艾姆氏法检测环检测环境中的境中的“三致三致”物质；物质；利用利用EMB培养来检查饮水的肠道病原菌等。培养来检查饮水的肠道病原菌等。5.5.微生物与人微生物与人类健康健康防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物：物：抗生素、干扰素和白细胞介素抗生素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向等高效药物纷纷转向由由“工程菌工程菌”来生产。来生产。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如如疫苗、类毒素疫苗、类毒素等均是微生物产品。等均是微生物产品。四、微生物的基本研究方法四、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。镜来观察和描述微生物的。1.显微镜技术显微镜技术2.无菌技术无菌技术 无菌技术是在分离、转接及培养纯培养物时防无菌技术是在分离、转接及培养纯培养物时防止其被其他微生物污染的技术。止其被其他微生物污染的技术。而对灭菌技术的原而对灭菌技术的原理等作出科学解释的是巴斯德，他所进行的举世闻理等作出科学解释的是巴斯德，他所进行的举世闻名的曲颈瓶实验，不仅彻底否定了当时十分流行的名的曲颈瓶实验，不仅彻底否定了当时十分流行的“生命自然发生学说生命自然发生学说”，而且为微生物学中的无菌，而且为微生物学中的无菌技技术的创立和发展奠定了理论和实践基础。术的创立和发展奠定了理论和实践基础。无菌操作无菌操作纯种分离技术是人类揭开微生物世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，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础上的纯种分就必须采用在无菌技术基础上的纯种分离方法。早期对微生物群体进行单个纯离方法。早期对微生物群体进行单个纯化分离者是化分离者是李斯特李斯特。但真正取得突破的。但真正取得突破的是是柯赫柯赫发明的发明的培养皿琼脂平板技术培养皿琼脂平板技术。3.纯种分离技术纯种分离技术4.纯种培养技术纯种培养技术 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。若为微生物提供一个初级培养其重大的理论与实践意义。若为微生物提供一个初级培养的实验方法并不复杂，但要使微生物在大规模生产中良好的实验方法并不复杂，但要使微生物在大规模生产中良好地生长或累积代谢产物，就得考虑一些最为合理的培养装地生长或累积代谢产物，就得考虑一些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，它为生物工程学开明及大规模地普及使用，它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。的重要支柱之一。五、微生物学的分支五、微生物学的分支1.按研究微生物学基本生命活动规律为目的来按研究微生物学基本生命活动规律为目的来分有：分有：微生物分类学微生物分类学、微生物生理学微生物生理学、微生物微生物生态学生态学、微生物遗传学微生物遗传学等。等。2.按微生物的研究对象分有：按微生物的研究对象分有：细菌学细菌学、真菌学真菌学、病毒学病毒学、菌物学菌物学、藻类学藻类学等。等。4.按微生物所在的生态环境分有：按微生物所在的生态环境分有：土壤微生物学土壤微生物学、海洋微生物学海洋微生物学、环境微生物学环境微生物学、宇宙微生物学宇宙微生物学等。等。3.按微生物的应用领域分有：按微生物的应用领域分有：农业微生物农业微生物、工业微工业微生物生物、医学微生物医学微生物、食品微生物食品微生物、兽医微生物学兽医微生物学、预防微生物学等。预防微生物学等。六、微生物学的发展史六、微生物学的发展史1.史前期史前期 史前期是指人类还未见到微生物个体尤其是细菌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，大约在距今细胞前的一段漫长的历史时期，大约在距今8000年年1676年间。年间。开创者：开创者：各国劳动人民各国劳动人民，其中尤以我国的制曲、，其中尤以我国的制曲、酿酒技术蓍称。酿酒技术蓍称。特点：特点：未见细菌等微生物个体未见细菌等微生物个体；凭实践经验利用凭实践经验利用微生物的有益活动微生物的有益活动（酿酒、制酱、酿醋、沤肥、轮（酿酒、制酱、酿醋、沤肥、轮作、治病）。作、治病）。2.初创期初创期时时 间：间：16761861开创者：开创者：列文虎克列文虎克（Leeuwenhoek)特特 点：点：自制的单式显微镜观察到细菌的个体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对一些微生物形态进行描述。1676年，微生物学年，微生物学的先驱荷兰人列文的先驱荷兰人列文虎克首次观察到了虎克首次观察到了细菌。他没有上过细菌。他没有上过大学，是一个只会大学，是一个只会荷兰语的小商人，荷兰语的小商人，但却在但却在1680年被选年被选为英国皇家学会的为英国皇家学会的会员。会员。时时 间：间：18611897开创者：开创者：Pasteur和和Koch特特 点：点：建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；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，开创了寻找病原微借助于良好的研究方法，开创了寻找病原微 生物的生物的“黄金时期黄金时期”；把微生物的研究从形态描述推进到生理学研把微生物的研究从形态描述推进到生理学研 究的新水平；究的新水平；微生物学以独立的学科形式开始形成。微生物学以独立的学科形式开始形成。3.奠基期奠基期法国人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）德国人柯赫（Robert Koch）（18431910）1.巴斯德巴斯德(1)发现并证实发酵是由微生物引起的发现并证实发酵是由微生物引起的(2)彻底否定了彻底否定了“自然发生自然发生”学说学说化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病酒病”和和“蚕病蚕病”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，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。是它们引起有机质的腐败。(3)免疫学免疫学预防接种预防接种首次制成狂犬疫苗首次制成狂犬疫苗(4)其他贡献其他贡献巴斯德消毒法：巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物作短时间加热处理，杀死有害微生物2.柯赫柯赫a）细菌纯培养方法的建立细菌纯培养方法的建立土豆切面土豆切面 营养明胶营养明胶 营养琼脂（平皿）营养琼脂（平皿）（1）微生物学基本操作技术方面的贡献）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 生物的培养生物的培养c）流动蒸汽灭菌流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影染色观察和显微摄影（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：）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；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；发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）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证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则则 著名的柯赫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；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；、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、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会会 重复发生；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。、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。结结 核核 杆杆 菌菌柯柯赫赫法法则则时时 间：间：18971953开创者：开创者：Buchner特特 点：点：进入微生物生化水平的研究；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，应用微生物的分支学科更为扩大，出现了抗生素等学科；出现了抗生素等学科；开始寻找各种有益微生物代谢产物；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；普通微生物学开始形成；各相关学科和技术方法相互渗透，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。相互促进，加速了微生物学的发展。4.发展期发展期 时时 间：间：1953至今至今开创者：开创者：Watson 和和Crick特特 点点：微微生生物物学学从从一一门门在在生生命命科科学学中中较较为为孤孤立立 的的 以以 应应 用用 为为 主主 的的 学学 科科，成成 为为 一一 门门 十十 分分 热热 门的前沿基础学科；门的前沿基础学科；在在 基基 础础 学学 理理 论论 的的 研研 究究 方方 面面，逐逐 步步 进进 入入 到到 分分 子子 水水 平平 的的 研研 究究，微微 生生 物物 迅迅 速速 成成 为为 分分 子子 生物学研究中的最主要的对象；生物学研究中的最主要的对象；在在 应应 用用 研研 究究 方方 面面，向向 着着 更更 自自 觉觉、更更 有有 效效 和可人控制的方向发展。和可人控制的方向发展。5.成熟期成熟期