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1、1一、绪论一、绪论微生物的发现和微生物学的建立与发展 巴斯德的工作: 发现并证实发酵是由微生物引起的 彻底否定了“自然发生”学说 免疫学预防接种 其他贡献：巴斯德消毒法等 柯赫的工作 (1)微生物学基本操作技术方面的贡献 细菌纯培养方法的建立 配制培养基 流动蒸汽灭菌 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： 具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。 发现了肺结核病的病原菌 证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则柯赫原则柯赫原则柯赫原则: :1 在每一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，
2、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。微生物的类群及特点:个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、变异易、抗性强、休眠长、起源早、发现晚。个体小、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。结构简、无细胞结构（病毒）；单细胞；简单多细胞；胃口大、消耗自身重量 2000 倍食物的时间：大
3、肠杆菌：1 小时；人：500 年（按 400 斤/年计算）食谱广、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。繁殖快、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。易培养、很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！2数量大、在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物总量的 60%！分布
4、广、人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！数十公里的高空（最高为离地 85 公里，须用火箭采样）；几千米的地下；强酸、强碱、高热的极端环境；常年封冻的冰川；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%。级界宽、变异易、抗性强、抗热：有的细菌能在 265 个大气压，250 的条件下生长；自然界中细菌生长的最高温度可以达到 121 ；有些细菌的芽孢，需加热煮沸 8 小时才被杀死； 抗寒：有些微生物可以在12
5、 30的低温生长；抗酸碱：细菌能耐受并生长的 pH 范围：pH 0.5 13；耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中都有微生物生长；抗压力：有些细菌可在 1400 个大气压下生长；休眠长、世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5 亿年起源早、38 亿年前，生命在海洋中出现，陆地上就可能存在微生物发现晚、300 多年前人们才真正发现微生物的存在 二、纯培养和显微技术二、纯培养和显微技术无菌技术用于分离、培养微生物的器具事先不含任何微生物； 在转接、培养微生物时防止其它微生物的污染，其自身也不污染环境； 稀释倒平板法：操作较麻烦，对好氧菌、热敏感菌效果不好！涂布平板法：使用较多的常规
6、方法，但有时涂布不均匀！选择培养分离：1、抑制大多数其它微生物的生长；2、使待分离的微生物生长更快；使待分离的微生物在群落中的数量上升，方便用稀释法对其进行纯化。3、使待分离的微生物生长“突出”；直接挑取待分离的微生物的菌落获得纯培养 三、微生物类群与形态三、微生物类群与形态古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。球菌细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化，一般不作为分类依据。弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似
7、“C”字或逗号，鞭毛偏端生。螺旋菌：菌体回转如螺旋，螺旋数目和螺距大小因种而异。鞭毛二端生。细胞壁坚韧，菌体较硬。3螺旋体菌：菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。柄杆菌：细胞上有柄（stalk）、菌丝（hyphae）、附器（appendages）等细胞质伸出物，细胞呈杆状或梭状，并有特征性的细柄。一般生活在淡水中固形物的表面，其异常形态使得菌体的表面积与体积之比增加，能有效地吸收有限的营养物；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，Thiomargarit
8、a namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”。其体积比E . fishelsoni还大 100 倍。该菌细胞内约 98的空间都被一个胞液内富含硝酸盐的液泡所占据，而厚度在 0.5-2.0 mm、充满硫粒的细胞质层则环绕在液泡的周围。该细胞质层非常薄，其厚度类同于大多数细菌，足以保证适当的扩散速率。液泡中的硝酸盐则被用作硫氧化的电子受体，以产生能量。一种真核微生物Nanochlorumeukaryotum，直径仅有 1 2 mm，但它却是真正的真核生物，拥有一个核，一个叶绿体和一个线粒体。证实（研究）细胞壁存在的方法：（1）细菌超薄切片的电镜直接观察；（2）适当的质、壁染色，可以在光学显微
9、镜下看到细胞壁；（3）机械法破裂细胞后，分离得到纯的细胞壁；（4）制备原生质体，观察细胞形态的变化；脂多糖的主要功能：1）LPS 结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；根据 LPS 抗原性的测定，沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达 2107 种。这种 O-特异侧链种类的变化，一方面可使细菌躲避宿主免疫系统攻击，保持感染成功。另一方面，也使我们可以用灵敏的血清学方法对病原菌进行鉴定，在传染病的诊断中有其重要意义。2）LPS 负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附 Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。3）类脂 A 是革兰氏阴
10、性细菌致病物质内毒素的物质基础；4）具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；5）许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所。在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmic proteins），包括水解酶类、合成酶类、结合蛋白和受体蛋白特殊细胞壁的细菌：某些分枝杆菌和诺卡氏菌的细胞壁主要由一类被称为霉菌酸（Mycolic acid）的枝链羟基脂质组成，后者被认为与这些细菌感染能力有关。由磷脂分子形成的双分子膜中加入甾醇类物质可以提高膜的稳定性：真核生物细胞膜中一般含有胆固醇等甾醇，含量为 5%-25%。原核生物与真核生物的最大区别就是其细胞膜中
11、一般不含胆固醇，而是含有 hopanoid（藿烷类化合物）。单由磷脂分子形成的膜是不稳定的，但如果在其中加入甾醇类物质就可以提高膜的稳定性（已有实验室证据），而真核生物细胞膜中就含有胆固醇，其含量在 5%-25%。而原核生物与真核生物的最大区别就是其细胞膜中一般不含胆固醇等甾醇，而是含有 hopanoid 类甾醇，其作用被认为也是稳定细胞膜的结构。而这种含有 hopanoid 类甾醇被认为与地球上化石燃料的形成有很大关联。化石燃料之所以形成，是由于有机物沉积到底下深处后被微生物所作用而氧化成二氧化碳，然后在高温和厌氧的条件下，形成石油和煤炭。据认为，地下沉积物中碳的总量为 1016 吨。现在已
12、有越来越多的证据表明，这些沉积到地下形成化石燃料的有机物有 90%以上都是来自细菌。其实验证据是 90%的石油等的前体物质是 kerogen（油原，或称油母岩质），而研究表明，从 kerogen 主要是由细菌特有的 hopanoid 类甾醇所组成。显然是微生物活动分解动植物的遗体后的结果。目前估计，在地下沉积物中细菌特有的 hopanoid 类4甾醇的含量高达 1011-12 吨，与目前地球上存在的活的生物（living organisms）体内含有的有机碳的含量相当（也是 1011-12 吨）。因此，hopanoid 被认为是地球上含量最丰富的有机分子。硫粒：很多化能自养菌在进行产能代谢或生
13、物合成时，常涉及对还原性的硫化物如 H2S，硫代硫酸盐等的氧化。在环境中还原性硫素丰富时，常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素。当环境中环境中还原性硫缺乏时，可被细菌重新利用。不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差异。这种差异非常巨大且具有特征性，因此膜化学可被用于对细菌进行鉴定。微生物储藏物的特点及生理功能：不同微生物其储藏性内含物不同。例如厌气性梭状芽孢杆菌只含 PHB，大肠杆菌只储藏糖原，但有些光合细菌二者兼有。 微生物合理利用营养物质的一种调节方式。当环境中缺乏能源而碳源丰富时，细胞内就储藏较多的碳源类内含物，甚至达到细胞干重的 50%，如果把这样的细胞移入有氮的培养基时
14、，这些储藏物将被作为碳源和能源而用于合成反应。 储藏物以多聚体的形式存在，有利于维持细胞内环境的平衡，避免不适合的 pH，渗透压等的危害。例如羟基丁酸分子呈酸性，而当其聚合成聚-羟丁酸（ PHB）就成为中性脂肪酸了，这样便能维持细胞内中性环境，避免菌体内酸性增高。 储藏物在细菌细胞中大量积累，是重要的自然资源。 气泡的膜只含蛋白质而无磷脂。二种蛋白质相互交连，形成一个坚硬的结构，可耐受一定的压力。膜的外表面亲水，而内侧绝对疏水，故气泡只能透气而不能透过水和溶质。将蓝细菌培养在一个严密地塞紧瓶塞的瓶子里，细菌会在水面漂浮。但如果用锤子敲击瓶塞，则原来漂浮的细菌就会沉到瓶底。通过对实验前后细菌的检
15、测表明，突然增加的压力破坏了气泡，从而使微生物失去了浮力。细菌芽孢的特点：整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）细菌糖被的特点：（1）主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。经特殊的荚膜染色，特别是负染色（又称背景染色）后 可在光学显微镜清楚地观察到它的存在。（2）产生糖被是微生物的一种遗传特性，其菌
16、落特征及血清学反应是是细菌分类鉴定的指标之一。（3）荚膜等并非细胞生活的必要结构，但它对细菌在环境中的生存有利。（详见 P 57-58）（4）细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系。（详见 P58）细菌的趋避运动：鞭毛的功能是运动，这是原核生物实现其趋性（taxis）即趋向性的最有效方式。（参见 P60）化学趋避运动或趋化作用（chemotaxis）：细菌对某化学物质敏感，通过运动聚集于该物质的高浓度区域或低浓度区域。光趋避运动或趋光性（phototaxis）：有的细菌能区别不同波长的光而集中在一定波长光区内。趋磁运动或趋磁性（magnetotaxis），趋磁细菌根据磁场方向进行分布。放线菌的形态与结构：单细胞，大多由分枝发达的菌丝组成；菌丝直径与杆菌类似，约 1mm；5细胞壁组成与细菌类似，革兰氏染色阳性（少数阴性）；细胞的结构与细菌基本相同，按形态和功能可分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。1、养菌丝：匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。2、气生菌丝：营养菌丝
