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1、第一章 绪论,微生物的概念 微生物的共性 微生物学的发展 微生物学的分支学科 微生物学的基本任务,一、微生物的概念,微生物：个体微小、结构简单的一类低等生物。 微生物是一类形体微小、单细胞或个体较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生 物的总称。 简单地说是人们对肉眼看不见的细小生物的总称。,特点,小（个体微小） nm 级：电镜下可见（细胞器、病毒） 少数肉眼可见 单细胞 简（结构简单） 简单多细胞um 级：光镜下可见（细胞） 非细胞 原核类：细菌，放线菌，支原体， 立克次氏体，衣原体，蓝细菌 低（进化地位低） 真核类：真菌（酵母菌，霉菌）， 原生动物，显微藻类 非细胞类：病毒，类病毒，元病毒
2、,二、微生物的共性,体积小，比表面积大：这是五大共性的基础，原因是一个小体积大面积系统必然有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的接受面。为高速生长繁殖和大量生长代谢产物提供了基础，使微生物有可能更好发挥“活的工厂”的作用。人类对微不足道生物的利用，主要在它们的生物转化能力。,微生物的共同特点1,吸收多，转化快 生长旺，繁殖快 适应强，易变异 分布广，种类多,微生物的共同特点2,个体微小 一般微生物以mm表示其大小 病毒用nm表示大小 结构简单 单细胞 简单多细胞 无细胞,微生物的共同特点3,代谢活跃 吸收、转化物质速度极快。 发酵乳糖的细菌每小时可分解其自重的10001000
3、0倍 产朊假丝酵母合成蛋白质的能力较大豆强100倍，较成年公牛强105倍,方式多样 能利用的有机基质极为广泛，CO2 有机化能，无机化能 ，光能 好氧呼吸，厌氧呼吸，发酵，（兼性） 途径多种多样 产物多种多样,微生物的共同特点4,繁殖快速 大肠杆菌在适宜条件下37oC时的世代时间为18min，每24 h可分裂80次，即增殖数为1.2x1024 容易变异 微生物的自然变异频率可达10-510-10 变异可涉及到任何形状 形态构造，代谢途径，生理特性，抗原抗性，产物种类，产物数量,微生物的共同特点5,抗逆性强 抗热性 抗压性 抗寒性 抗酸性 抗碱性,抗干燥性 抗缺氧性 抗辐射性 抗毒物性,休眠期长
4、 具有特殊的休眠构造 芽孢，孢子，胞囊 菌丝体特异结构 菌核，菌索 芽孢休眠期可达几年，几百年，上千年,微生物的共同特点6,种类繁多 目前已确定的微生物种类有105以上，每年仍以几百上千的新种在被发现 目前所了解的微生物种类仅仅为自然界中的0.1%-1%左右 数量巨大 每g土壤含几亿细菌 人体肠道内菌体总数 达1013个左右, 约2kg 全球海洋中的微生物总重量达28x1012kg,微生物的共同特点7,分布广泛 除了“明火”，火山喷发中心区和人为的无菌环境外，都有微生物的存在 分类级宽 微生物横跨了无细胞结构生物、细胞结构生物中的原核生物和真核生物 除动物界和植物界外各界都为微生物而设,微生物
5、与其他生物的共同点,遗传信息都是以DNA和RNA作为载体，遗传信息表达的规则相同 都是以ATP作为能量代谢的载体 氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸的合成途径相同 蛋白质、脂肪、核酸和多糖的合成途径相同 细胞的化学组成相似,什么微 生 物 学？,是研究微生物及其生命活动规律的科学。,微生物学研究的范畴,1 微生物本身 形态结构，分类鉴定，生理生化， 生长繁殖，遗传变异，生态分布 2 微生物与微生物和其他生物植物、动物和人类的关系有益、有害、致病 3 微生物在自然界各种元素生物地球化学 循环中的作用利用、转化、固定 4 微生物在工、农、医、环境保护、食品生产 中的应用促进人类可持续发展,微生物学的学科
6、功能,基础学科 应用学科 研究生命起源、本质、进化及其活动规律 促进国民经济的发展 保护人类、动植物的健康 保护自然环境和促进国民经济的可持续发展,微生物学的分支学科,以研究微生物本身分 普通微生物学 微生物形态学 微生物分类学 微生物生理学 微生物生物化学 微生物生态学 微生物遗传学 细胞微生物学,以研究对象分,细菌学 放线菌学 真菌学 病毒学 噬菌体学,藻类学 支原体学 厌氧微生物学 原生动物学,以应用方面分,工业微生物学 农业微生物学 食品微生物学 乳品微生物学 医学微生物学 兽医微生物学 抗生素学 免疫学 土壤微生物学 水域微生物学 环境微生物学 沼气发酵微生物学 水产微生物学 海洋微
7、生物学 分析微生物学 实验微生物学 发酵微生物学 预防微生物学,正在发展的新兴学科,微生物分子生物学 分子微生物学 微生物化学分类学 微生物数值分类学微生物地球化学 宇宙微生物学 微生物基因组学 微生物蛋白质组学 微生物分子系统学,微生物学的发展简史,问题：为什么微生物学的建立要比动、植物晚？ 原因：1、个体微小；2、外貌不显；3、杂居混生；因果难联。微生物学历史发展的早期，就是围绕如何克服四大障碍而开展各种研究工作的。 当人们还处于对微生物世界的无知状态时，对待眼前的微生物往往表现出“视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其恶”的愚昧状态。,微生物学的发展简史
8、,实例：公元6世纪鼠疫第一次大流行时，危及埃及、土耳其、意大利各阿富汗等国家和地区，死亡人数约1亿人；第二次（14世纪）流行时，欧洲约死2500万人口，亚洲约死4000万（其中国1300万）；上世纪末至本世纪初的第三次流行，发生在香港等地区，死亡人数约100万。这三次全球性的流行病共殃及2亿人口，比死亡最惨重的第二次大战（约死亡1.1亿）还多！植物病原微生物对农作物的危害也有类似的情况。19世纪中叶，由于第一次“绿色革命”的结果，在欧洲普遍只种植单一的高产粮食作物马铃薯，在1843-1847年间由于气候异常，致使欧洲发生马铃薯晚疫病的大流行，毁灭了5/6的马铃薯，个别地方甚至颗粒无收。当时爱乐
9、兰的800万人口中，有近100万人直接饿死或间接病死，并有164万人往北美谋生。,微生物学的发展简史,史前时期人类对微生物的认识与利用 微生物学初创时期微生物形态认识时期 微生物学奠基时期微生物生理学发展时期 微生物学发展时期微生物生物化学发展时期 微生物学成熟时期微生物分子生物学发展时期,史前时期,酿酒，制醋，制酱 种植豆科植物 积肥，压青，沤粪 消毒，灭菌 麦曲治病,微生物学初创时期1,初创期（16世纪）：观察到了细菌和原生动物,微生物学初创时期2,代表性事件 利用单式显微镜观察了许多微小 物体和生物 制作了419架显微镜或放大镜（放大率50200倍，最高266倍） 发表了约400篇有关论
10、文,微生物学奠基时期1,巴斯德的主要贡献,否定了自生说 免疫学-提出了预防接种措施（制备了狂犬疫苗） 证实发酵由微生物引起（酒精发酵） 其他：消毒法、家蚕软化（病原学说）,微生物学奠基时期3,Kochs 代表性事件,1、建立了研究微生物的一系列重要方法纯种分离，固体平板，鞭毛染色，悬滴培养，显微摄影 2、分离和纯化获得了许多传染病原菌 3、提出了Koch法则 (Kochs postulates),奠基时期 特点,建立了一系列研究微生物所必须的独特方法和技术 开创了寻找病原微生物的黄金时期 把研究从形态描述推进到生理学研究水平 开始以“实践-理论-实践”的思想方法指导科学实验 微生物学以独立的学
11、科形式开始形成,微生物学发展时期,进入微生物生物化学研究水平提出了酶的概念 应用微生物的分支学科进一步扩大出现抗生素等新学科 出现寻找有益微生物代谢产物的热潮 普通微生物学形成美国M.Doudoroff 各相关学科和技术相互渗透交叉促进，加速了微生物学的发展,微生物学成熟期,代表性人物 J.D.Watson & H.F.C.Crick,本时期特点,成为以应用为主的学科，前沿基础学科 逐步进入分子生物学水平 微生物已成为新兴的生物工程的主角,微生物生物多样性 Microbial biodiversity,一、微生物形态与结构的多样性 1、形态多样性 球形，杆形，螺旋形，方形，其他各种形状 2、大
12、小多样性 病毒nm，细菌mm, 大型真菌几10几cm 3、结构多样性 无细胞结构，单细胞结构，多细胞结构；有或无多种多样的特殊结构,二、微生物的代谢多样性,1、微生物代谢的底物多样性 是其他生物所不可比拟的。微生物能利用的基质十分广泛，是任何其他生物所望尘莫及的，从无机的CO2到有机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂类等，从短链、长链到芳香烃类，以及各种多糖大分子聚合物(果胶质、纤维素等)和许多动、植物不能利用、甚至对其他生物有毒的物质，都可以成为微生物的良好碳源和能源。,2、微生物的代谢方式多样性,既可以CO2为碳源进行自养型生长，也可以有机物为碳源进行异养型生长；既可以光能为能源，也可以化学能为能
13、源。既可在有O2条件下生长，又可在无 O2条件下生长。,3、代谢的中间体和产物多样性,有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白 质、脂类、糖类等等。,4、代谢速率的多样性,如在适宜环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2 000倍。以同等体积计，一个细菌在1小时内所消耗的糖即可相当于人在500年时间内所消耗的粮食。但也微生物的代谢速率极为缓慢,三、微生物的遗传与变异多样性,1、在微生物中携带遗传信息的物质及其方式具有多样性 在原核微生物中，染色体、质粒也携带遗传信息；真核微生物中，染色体和细胞器都有能自主独立复制的DNA；病毒携带的核酸可以是DNA，也可以是RNA，如朊病毒甚至用蛋白质作
14、增殖模板。RNA病毒和朊病毒都不遵守DNA RNA 蛋白质这一中心法则。,2、微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性,细菌以二裂法为主，个别可由性接合的方式繁殖；放线菌可以菌丝和分生孢子繁殖；霉菌可由菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖，无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态；酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。,3、微生物繁殖速率的多样性,以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌37时世代时间为18分钟，每24小时可分裂80次，每24小时的增殖数为 1.2 x 1024个。许多深海或嗜压微生物的生长代时远较大肠杆菌长，几天、几月者都有。,4、微生物变异的多样性,
15、由于个体小，结构简单，繁殖快，与外界环境直接接触等原因，很容易发生变异，一般自然变异的频率可达1051010，而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及到任何性状，如形态构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量等等。,四、微生物的抗性多样性,微生物具有抗逆多样性 极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧、抗辐射和抗毒物等能力。,抗热性、抗寒性,已从近于100条件下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌，并观察到在105时还能生长。细菌芽孢具有高度抗热性，100 下可生存。许多细菌也耐冷和嗜冷，有些在-12下仍可生活，造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们常用冰箱(+4)、低温冰箱(-20)、干冰(-70)、液氮(-196)来保藏菌种，都具有良好的效果。,抗酸碱性,嗜酸菌可以在pH为0.5的强酸环境中生存，而硝化细菌可在pH 9.4、脱氮硫杆菌可在pH10.7的环境中活动。在含盐高达2325%的“死海”中仍有相当多的嗜盐菌生存。,抗高渗性,在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活动，从而往往引起这些物品的变质。,抗逆结构的多样性,微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类甚至会形成特殊的休眠构造，如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了几百年
