微生物学讲义-第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微生物学是现代生物学的重要分支学科，是许多学科专业的基础课程，他的主要内容包括微生物学的基本概念、微生物的生物多样性和系统学、微生物生理和代谢、微生物生态学、微生物遗传学、微生物免疫学及微生物技术等。要求学生对微生物学的基本概念、专业词语、技术原理有较深的了解；系统掌握微生物的类群、细胞结构与功能、生理代谢、遗传变异、生态学和免疫学的基本理论知识以及相关实验技术；并具有应用这些知识和技术分析和解决问题的能力。,微生物学的内容与教学目的,学习内容,第一章,绪论（,4,）,第二章,微生物的纯培养和显微技术（,4,）,第三章,微生物类群与形态结构（,10,）,第四章,微生物的营养（,6,）,第九章,传染与免疫（,6,）,第五章,微生物的代谢（,6,）,第八章,病毒（,6,）,第七章,微生物的生态（,6,）,第十章,微生物遗传（,6,）,第六章,微生物的生长繁殖及其控制（,6,）,第十一章,微生物生物技术（,4,）,第一章,绪 论,一、微生物与我们,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：10034 10,12,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；,微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！,时时刻刻与微生物“共舞”,微生物是自然界物质循环的关键环节,微生物是人类的朋友！,体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证,帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障,微生物可以为我们提供很多有用的物质,有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等,基因工程为代表的现代生物技术,少数微生物也是人类的敌人,！,鼠疫；,天花；,艾滋病；,疯牛病；,埃博拉病毒；,非典病毒；,禽流感,鼠疫,公元6世纪：埃及、土耳其、意大利、阿富汗,1亿人,公元14世纪：欧洲2500万人,亚洲4000万人 中国1300万人,20世纪初：香港、印度 100万人,V,二次大战（1.1亿）,可以说，微生物与人类关系的重要性，你,怎么强调都不过分，,微生物是一把十分锋利的,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。,（讲义,P1）,“在近代科学中，对人类福利最大的一门科学，,要算是微生物学了。”,日本学者尾形学在“家畜微生物学”（1977）,二、微生物学的建立与发展,（一）微生物学（,Microbiology),的概念和研究对象,（二）,人类对微生物世界的认识过程,（三）,20世纪的微生物学,（四）我国微生物学的发展,研究肉眼难以看清的称之为微生物的生命活动的科学。,更具体地说：,研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、,遗传变异、进化、分类、生态等生命活动规律及其应用,的科学。,（一）微生物学（,Microbiology),的概念和研究对象,二、微生物学的建立与发展,微,生,物,原核类,：细菌,放线菌等,真核类,：酵母菌,霉菌,非细胞类,：病毒,类病毒,拟病毒,原生生物类,：单胞藻,原生动物,（一）微生物学（,Microbiology),的概念和研究对象,二、微生物学的建立与发展,（二）,人类对微生物世界的认识过程,感性认识阶段（史前时期）,形态学发展阶段（初创时期）,生理学发展阶段（奠基时期）,分子生物学发展阶段（成熟时期）,生化发展阶段（发展时期）,二、微生物学的建立与发展,我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；,4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；,2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；,公元,9,世纪,-10,世纪我国发明鼻苗法种痘,（二）,人类对微生物世界的认识过程,感性认识阶段（史前时期）,二、微生物学的建立与发展,丰富多彩的酒文化（一）,远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料,人类最早发明的酒,我国古代的酿酒作坊,（四川新都县出土的汉代画像）,丰富多彩的酒文化（二）,公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面,龙山文化（新石器时期）,商代酒器,唐代酒器,清代酒具,近代酒壶,现代套盅,丰富多彩的酒文化（三）,形态学发展阶段（初创期）,（二）,人类对微生物世界的认识过程,1664年，列文虎克用于观察,霉菌的单筒复式显微镜,二、微生物学的建立与发展,1676年，微生物学的先驱,荷兰人列文虎克（,Antony,van leeuwenhoek）,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。,列文虎克利用业余时间制造过400多架,单式显微镜和放大镜，放大率一般为50-,300,倍,题目：,列文虎克用自制的显微镜，观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录,“大量难以相信的各种不同的、极小的狄尔肯,它们活动相当优美，它们来回地转动，也向前,和向一旁转动,一个粗糙沙粒中有100,万个这种,小东西；而在一滴水中，狄尔肯不仅能够生长,良好，而且能活跃地繁殖,能够寄生大约,270,多,万个狄尔肯”。,“狄尔肯”：拉丁文中“细小活泼的物体”的意思,1683,年，牙垢成了列文虎克关注的对象，他发现人口腔中竟然躲藏着许多“小动物”，它们像蛇一样用优美的弯曲姿势运动。他惊叹地记录道：,“在人的口腔的牙垢中生活的动物，比整个荷兰王国的居民还要多。”,这就是人类第一次观察到细菌时发出的感叹。,生理学发展阶段（奠基期 ）,微生物学的重要奠基者,法国人巴斯德（,Louis Pasteur）（18221895）,德国人柯赫（,Robert Koch）（18431910）,微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段（奠基期 ）,巴斯德的主要贡献：,(,2),发现并证实发酵、疾病是由微生物引起的；,(,1),彻底否定了“自然发生”学说，证明了“生源学说”的正确；,“酒病”、“蚕病”、兽病、禽病、人病,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，,是它们引起有机质的腐败。（腐败病）,(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,微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段（奠基期 ）,柯赫主要贡献：,a）,细菌纯培养方法的建立,:,固体培养基,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）,染色观察和显微摄影,微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段（奠基期 ）,柯赫主要贡献：,（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。,生理学发展阶段（奠基期 ）,细菌学（巴斯德、科赫）,外科消毒术（,Lister，1865）,根瘤菌等土壤微生物的研究（,MW,贝，,CH,维）,病毒学,.,伊凡诺夫斯基,）,酿造学（,E,C,Hensen,，,A,Jorgensen,等,）,生化发展阶段（发展期 ）,无酵母菌压汁酶功能的发现（,E.Buchner,1897,）,“,酒化酶”,化学药剂和抗生素发现和临床应用（1909-1935）,寻找各种有益微生物代谢产物的热潮,酿造技术日趋完美,普通微生物学开始,美国加利福尼亚大学伯克利分校,M.Doudoroff,分子生物学发展阶段（成熟期）,J.D.Waston,（,詹姆士,沃森H.F.C.Crick,（,弗朗西斯,克里克,）,发现,DNA,双螺旋模型,(1953,，在,Science,发表,),成熟期特点:,微生物学成为十分热门,的前沿基础学科,微生物成为分子生物学研究中的最主要对象,生物工程中，发酵工程是最成熟的应用技术,（三）20世纪的微生物学,P7,20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。,微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，,获得了全面、深入的发展,（见,P3,图1-1微生物学的主要分支学科）,二、微生物学的建立与发展,（见,P3,图1-1微生物学的主要分支学科）,（四)我国微生物学的发展,汤飞凡：,沙眼病原体的分离和确证,陈华癸：,根瘤菌固氮作用的研究（华中农大）,高尚荫：,创建了我国病毒学的基础理论研究,和第一个微生物学专业（武大）,抗生素的总产量已耀居世界首位,两步法生产维生素,C,的技术居世界先进水平,二、微生物学的建立与发展,伍连德：,对鼠疫和霍乱病原的探索和防治,伍连德,（,18791960,），公共卫生学家，我国检疫、防疫事业的先驱。,在中国最早建立卫生防疫机构，,共所，,培养了第一支预防鼠疫的专业队伍。成功,控制东北鼠疫大流行。创办了哈尔滨医学专门学校。发起建立中华医学会，并创刊,中华医学杂志,。,汤飞凡,（,1897,1958,）微生物学家，博士。赴美国,哈佛大学医学院进修，研究细菌学。,1943,年研制中国,首批五万单位的青霉素。为抗战作出贡献。发现日军,在北平进行长达七年的细菌战研究。,1955,年成功分离,出砂眼病毒,“,汤氏病毒”。,1958,年非正常死亡。,我国著名土壤微生物学家、创立华中农大微生物学课程。,1936,年赴英国伦敦大学细菌及热带病学院读博士学位。回国后筹建了北大土壤系，武大农业化学系。编著了我国第一部,土壤微生物学,和,微生物学,教材。对紫云英根瘤菌剂的生产和大面积推广应用起了开创的作用。,陈华癸,（,1914-2002,）,微生物学家，病毒学家，教育家。中国病毒,学的奠基人之一。创办了我国最早的病毒学,研究机构和我国第一个微生物专业、第一个,病毒学专业。赴美国佛罗里达州劳林斯大学,和耶鲁大学学习，曾在诺贝尔奖获得者斯坦利（）的实验室从事病毒学研究工作。年回国后在武汉大学创办了我国第一个病毒学研究室。,高尚荫,（,1909-1989,）,国家“八六三”计划项目“抗,TMV,和,CMV,双,抗转基因烟草的培育”项目组科研活动剪影,我国利用卫星回收搭载微生物培养（2000年6月）,三、微生物学对人类的贡献,（一）微生物学的发展促进了人类的进步,（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位,三、微生物学对人类的贡献,（一）微生物学的发展促进了人类的进步,微生物与医药卫生,微生物与农牧业,微生物与工业,微生物与食品,微生物与医药卫生,用“工程菌”生产药物,干 扰 素,胰 岛 素,乙肝疫苗,抗生素,各种单克隆,抗体,1929年，英国细菌学家,A.Fleming,青霉素,1944年，美国微生物学家,S.Waksman,链霉素,氯霉素,金霉素,土霉素,红霉素,庆大霉素,霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象,产黄青霉菌落,细菌生长,抑制区域,正常细菌,生长区域,微生物与农业和畜牧业,微生物饲料,菌体蛋白饲料,饲料酵母,维生素饲料,发酵饲料,青贮饲料,生物农药,细菌农药,真菌农药,病毒农药,除草剂,生物菌肥,根瘤菌肥,钾细菌,磷细菌,微生物与工业,酶 工 业,氨基酸工业,有机酸工业,新材料开发,生 物 化 工,食 品 工 程,酱，酱油，豆豉,食 用 醋,发酵饮料,淹渍蔬菜,味 精,发酵面食,食药用菌,食用色素,微生物与饮食、调味品,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,Jacob,等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说，,阐明了基因表达调控的机制，为分子生物学的形成奠定了基础。,大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系发现了苯丙氨酸的遗传密码，,继而完成了全部密码的破译,“断裂基因”（病毒）、“跳跃基因”（大肠杆菌）,、,“重叠,基因”的发现，以及基因结构的精细分析、基因组测序等。,1941年,Beadle,和,Tatum,用粗糙脉胞霉进行的突变实验,使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶”的假说。,三、微生物学对人类的贡献,（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位,1微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象，,通过微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破,基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说,；,遗传的物质基础的阐明；,基因概念的发展,；,遗传密码的破译,；（大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系）,基因表达调控机制的研究；,生物大分子合成的中心法则；,三、微生物学对人类的贡献,（二）微生物学在生命科学发展中的重要地位,2对生命科学研究技术的贡献,细胞的人工培养,；,突变体筛选,；,DNA重组技术和遗传工程,；,3微生物与“人类基因组计划”,作为模式生物；,基因与基因组的功能研究的重要工具;,四、,21世纪微生物学展望,P10,（一）微生物自身的特点将会更加受到关注和利用,（二）,与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展,（三）微生物基因组学研究将全面展开,（四）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,（五）微生物工程及产业呈现全新局面,四、,21世纪微生物学展望,P10,（一）微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用,共性：,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。,特性：,微生物具有其它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，反映了,微生物极其,丰富的多样性。,微生物自身特性的进一步开发、利用：,例如降解性塑料，分解纤维素、生产单细胞蛋白等。,借助（利用）微生物特点的基因工程产业：,利用微生物生产原本它们不能生产的药物、疫苗等。,四、,21世纪微生物学展望,P10,（二）,与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展,学科交叉永远是科学创新的源泉！,微生物基因组学数、理、化、信息、计算机学科交叉,微生物学与海洋学海洋微生物学,微生物学研究技术自动化、定向化、定量化,烟草微生物,微生物学与地质学微生物地球化学,微生物学与大气学大气微生物学,微生物学与太空学太空微生物学,四、,21世纪微生物学展望,P10,（三）微生物基因组学研究将全面展开,范围将扩大到与农业、环境、资源、疾病有关的重要微生物,人类利用和改造微生物将有质的飞跃,基因组学,1986年,Thomas Roderick,首创，,全基因组的序列分析、功能分析、比较分析,人类基因组（作图和测序）计划,人类最大的科学工程,模式生物：主要是细菌和酵母,后基因组研究,认识基因与基因组功能,21世纪,微生物将继续作为人类基因组计划的主要模式生物,在后基因组研究中发挥不可替代的作用,四、,21世纪微生物学展望,P10,（四）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,为人类生存与健康发挥积极作用,人类元基因组计划,对人体内共生菌群包括肠道、口腔、,呼吸道、生殖道等菌群基因组进行测序和功能分析，以试,图阐明许多疾病的发生机理，研究新的药物，控制药物毒性。,四、,21世纪微生物学展望,P10,（五）微生物工程及产业呈现全新局面,微生物菌体生产和应用,微生物代谢产物的应用,微 生 物 机 能 的 利 用,自然菌种,不同生境自然微生物资源,基因工程菌（外源基因表达产物）,新产品：可降解塑料、生物能源等,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，以及,解决实际应用问题，,如新的微生物资源的开发,利用，能源、粮食等的,最理想的材料,。,（见,P10）,五、微生物的五大共性,体积小，面积大,吸收多，转化快,适应强，易变异,分布广，种类多,生长旺，繁殖快,体积小，面积大,测量单位：微米或纳米,杆菌的平均长度：,2 微米,；,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,面积/体积比：,人=1,，,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。,德国科学家,H.N.Schulz,等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中,发现的一种硫磺细菌（,sulfur bacterium），,其大小可达0.75,mm，,Thiomargarita namibiensis,，-,“纳米比亚硫磺珍珠”,吸收多，转化快,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广,是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、,甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物,均可被微生物作为粮食,“活的化工厂”,发酵乳糖的细菌1小时可分解其自身重1000-10000倍的乳糖,假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛强10万倍,生长旺，繁殖快,24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨,48小时后：2.2 10,43,个后代，重量达到2.2 10,25,吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌,一个细胞重约10,12,克，,平均,20分钟繁殖一代,一头500,kg,的食用公牛，24小时生产 0.5,kg,蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）,和氨水为原料，24小时可以生产 50000,kg,优质蛋白质。,分布广，种类多,在自然界中（动植物体内和体表、土壤、水体、空气）都生存有大量的微生物！,肠道菌群：400种，干重1/3，脆弱拟杆菌，大肠杆菌,万米海底的耐热硫细菌：,H,2,S、CO,2,8.5万米高空微生物,数百米深的沉积岩微生物,从永冻冰层分离微生物,南极,Vostok,湖冰芯样品中的微生物,分布广，种类多,微生物的生理代谢类型多；,代谢产物种类多；,微生物的种数,“,多,”,；,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%,适应强，易变异,极端环境中有惊人的适应力,硫细菌：250-300,细菌：-196（液氮）,干燥条件：保存千年,pH：0.5-11,气压：1000个大气压,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年,Nature 407,897-900(2000),“2-9-3”,菌：,美国新墨西哥州地下近,600,米处挖出的结晶盐中,天外来客？,适应强，易变异,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触,繁殖快、数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10,-5,10,-10,适应强，易变异,青霉素的生产：,20单位/,ml（1943）,100000单位/,ml,青霉素的用量：,最高：10万单位/天,（40,年代）,100万-1000万单位/次,金葡菌变异导致耐药性剧增（有弊）,产黄青霉变异导致青霉素产量剧增（有利）,细菌抗药性的产生：,主要应掌握的教学重点,1、微生物学,解释名词、概念,2、曲颈瓶试验,3、柯赫原则,1、简述,Leeuwenhoek、L.Pasteur、R.Koch,对,微生物学的贡献。,重点思考题：,3、简述微生物学在生命科学发展中的重要地位和,发展趋势。,2、人类对微生物世界的认识过程分为哪几个阶段。,微 生 物 文 献 书 目,微生物学,国家自然科学基金委员会编 北京 科学出版社 1996 114页,微生物学,蔡信之主编 上海 上海科学技术出版社 1996 286页,微生物学,唐珊熙主编 北京 中国医药科技出版社 1996 218页,微生物学,黄秀梨主编 北京 高等教育出版社 1998 275页,微生物学,李榆梅主编 北京 中国医药科技出版社 1999 248页,微生物学,美,J.,尼克林,J.Nicklin,著 北京 科学出版社 1999 342页,微生物学,闵航主编 杭州 浙江大学出版社 1999 353页,口腔微生物学,刘正主编 南京 南京出版社 1995 156页,兽医微生物学,江苏省徐州农业学校主编 北京 中国农业出版社 1995 366页,现代卫生微生物学,郁庆福主编 北京 人民卫生出版社 1995 740页,临床微生物学及检验,李影林主编 北京 人民卫生出版社 1995 705页,资源微生物学,程东升主编 哈尔滨 东北林业大学出版社 1995 289页,食品微生物学,高 鼎主编 北京 中国商业出版社 1996 363页,食品与微生物,郭爱莲编著 西安 陕西科学技术出版社 1996 189页,食品微生物实验,王绍树主编 天津 天津大学出版社 1996 246页,食品微生物学,陈子丹，赵再平主编 长春 吉林大学出版社 1997 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leaching,微生物浸矿,microcolony,微生物菌群,clay particle,土壤颗粒,decomposer,分解者,ecosystem,生态系统,pure culture,纯培养,specimen,样本,微生物词汇：,microscope,显微镜,microscopy,显微镜方法,methane,甲烷,沼气,pathogen,病菌,病原体,HIV,艾滋病病毒,(,human immunodeficiency virus),lymphocyte,淋巴细胞,algae,藻类,海藻,cyanobacterium,蓝藻,protozoa,原生动物,