微生物第一章绪论.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,*,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、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,微生物的个体极其微小，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,um,3,.,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,4.72210,24,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,当然，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10,8,-10,9,个/,ml。,微生物的这一特性在发酵工业上体现在：生产效率高、发酵周期短。,在生物学基本理论的研究上的优越性：科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。,由于细菌比植物繁殖快,500,倍，比动物快,2000,倍，这对于危害人、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、甚至严重的祸害，因而需要认真对待。,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,0.02,ug/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。,细菌抗药性的产生：,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。,二、微生物的作用（任务）,有害方面：,引起人类、动、植物疾病，引起产品、生活用品、食物等腐蚀霉烂。,有益的方面：,1.,在自然界物质循环中起着巨大作用。（碳循环,CO,2,，氮循环）如,土壤中动物排泄物、尸体、死亡植物的分解,土壤肥力,大气中氮气的固定（固氮微生物）,光合作用中的,CO,2,有,90%,是来自微生物活动提供,土壤中的,P,、,S,、,K,等元素转化离不开微生物,（一）微生物与人类的关系,2.,农业上：细菌肥料（,5406,）、植物生长激素、发酵饲料、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：,CH,4,1.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，,2010,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。,1.,促进了生命科学中许多重大理论问题的突破,1928,年，格晨非斯（,FGriffith,），发现肺炎双球菌转化。,1941,年：利用粗粗糙链胞霉杂交提出了一个基因一个酶学说。,1944,年：亚米里（,O.T.Avery,）等证明转化因子是,DNA,。,1958,年：用大肠杆菌证明,DNA,双螺旋结构及半保留复制假说。,1961,年：用大肠杆菌研究全部遗传密码,。,（二）,微生物在生命科学中的重要地位,2.,发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。,2.无菌操作技术,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 Leeuwenhoek,1684,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,Koch,3.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”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.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,DNA,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,世纪将呈现全新的局面。微生物产业除了更广泛的利用和挖掘不同生境的自然资源微生物外，基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌生产外源基因表达的产物，特别是药物的生产将出现前所未有的新局面。,此外微生物工业将生产各种各样的新产品，如降解性塑料、生物能源等，为世界的经济和社会发展作出更大的贡献。在新型的生物技术产业中将为人类创造巨大的财富。,所对应的职业岗位众多，如：微生物培菌、微生物发酵、微生物灭菌、食用菌栽培、乳品检验发酵、饲料检验、动植物检疫、食品检验、药物检验、环境微生物检测、生物产业下游技术等众多职业工种，都与微生物学密切相关。,我系是“微生物培菌工”、“食品检验工”两个特殊技术工种的职业技能鉴定考点,。,考核合格,由国家劳动和社会保障部颁发中等职业资格证书。,所对应的职业岗位：,山东省在近期的“十一,.,五”规划中将重点发展生物产业和微生物制造等高新技术。确信未来微生物在应用领域方面将会更加广阔，我们所对应的职业岗位也会越来越多。,微生物作为研究生命本质的重要材料，仍将发挥其它生物材料难以替代的作用。,微生物虽然微小，但其作用却是巨大的；,它不仅是人们取之不竭，用之不尽的天然资源宝库，同时也是我们就业及后续学习的基础和依托。,同学们你喜欢微生物吗？那就让我们从现在开始，展开你想像的翅膀去学习、实验、探索吧！,复习与思考题,1.,微生物包括哪些类群？有哪些特点？,2.,微生物在生物分类中的地位如何？微生物最主要的研究对象是什么？,3.,试述微生物与工农业生产和环境保护的关系。,4.,试述巴斯德和柯赫的主要工作和在微生物发展史上的杰出贡献。,5.,通过社会调查和查找资料，试就微生物在工业、农业、医药、食品等方面的应用作简要介绍。,