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1、 基础微生物学基础微生物学1、教材：教材：李阜棣、胡正嘉主编第六版李阜棣、胡正嘉主编第六版微生物学微生物学 2、参考书：参考书： （1） 微生物学教程微生物学教程(第二版第二版)，周德庆，高等教育出版社，周德庆，高等教育出版社，2002（2） 微生物学，微生物学， 沈沈 萍，萍， 高等教育出版社，高等教育出版社，2000（3）“Brocks Biology of Microorganism 9TH”， Michael T. Madigan John M. Martinko Jack Parker，Prentice Hall，19993、参考杂志“微生物学通报微生物学通报”、 “微生物学报微生物
2、学报”基础微生物学简介基础微生物学简介介绍微生物学的基本概念、基本知识、基本原理、基本规律。介绍微生物学的基本概念、基本知识、基本原理、基本规律。本课程涉及的主要内容包括：原核、真核微生物和病毒的结构，微本课程涉及的主要内容包括：原核、真核微生物和病毒的结构，微生物营养和培养、代谢、生长及调控、遗传、生态、分类。生物营养和培养、代谢、生长及调控、遗传、生态、分类。微生物与生命科学的关系以及对人类社会生活的影响，了解微生物微生物与生命科学的关系以及对人类社会生活的影响，了解微生物学的应用范围与发展前景。学的应用范围与发展前景。目的：目的：为后续专业课以及今后的工作实践打下基础。为后续专业课以及今
3、后的工作实践打下基础。 绪绪 论论1 什么是微生物什么是微生物2 微生物和人类的关系微生物和人类的关系3 微生物的发现和微生物学的建立发展微生物的发现和微生物学的建立发展4 微生物的特点微生物的特点一、什么是微生物？一、什么是微生物？微生物不是生物分类系统中的一个类群，指一般为肉眼看不见微生物不是生物分类系统中的一个类群，指一般为肉眼看不见或看不清的微小生物的总称或看不清的微小生物的总称 。 包括细胞型生物：原核生物和真核生物包括细胞型生物：原核生物和真核生物 非细胞型生物：病毒、类病毒、朊病毒、拟病毒非细胞型生物：病毒、类病毒、朊病毒、拟病毒 v 一般小于一般小于0.1mm，多为多为m（细菌
4、）、细菌）、nm（病毒）病毒）v 构造简单，单细胞，简单多细胞，非细胞构造简单，单细胞，简单多细胞，非细胞v 进化地位低，原核类、真核类、非细胞类进化地位低，原核类、真核类、非细胞类生命的起源共同祖先古（生）菌真核生物真细菌原核（微生物）原核（微生物）大型有机体：大型有机体：动物植物微生物：微生物：藻类真菌原生动物地球形成地球形成:38-40亿年亿年细菌细菌,蓝藻蓝藻:19亿年亿年生物的出现生物的出现:35亿年亿年真核生物真核生物:10-14亿年亿年氧气产生氧气产生动物出现动物出现:7-8亿年亿年无脊椎动无脊椎动:5-6亿年亿年恐龙恐龙:亿万年亿万年始组鸟始组鸟:5亿年亿年人类文明：年人类文明
5、：年 人体体表及体内存在大量的微生物： 皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米； 口腔：细菌种类超过500种； 肠道：微生物总量达1000万亿，至少有5600个细菌群落。 粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；二、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；万个； 每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；时时刻刻与微生物时时刻刻与微生物“共舞共舞” 是是 祸祸？是是福福？微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！微生物既是人类
6、的敌人，更是人类的朋友！ 微生物是自然界物质循环的关键环节；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！微生物是人类的朋友！微生物既是生产者，又是消费者微生物既是生产者，又是消费者 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证；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；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、食用菌等等科学研究的模式生物科学研究的模式生物 基因工程为代表的现代生物技术基因工程为代表的现代生物技术微生物与环境保护微生物与环境保护少数微生物也是人类
7、的敌人少数微生物也是人类的敌人！l 造成传染病流行：造成传染病流行： 在发展中国家在发展中国家80的疾病和的疾病和19的死亡是饮用或接触受的死亡是饮用或接触受 污染的水引起的；污染的水引起的；全世界死亡的全世界死亡的52005200万人中有万人中有17001700万死于传染病万死于传染病(32.7%)(32.7%)。天花天花艾滋病艾滋病疯牛病疯牛病SARSH1N1禽流感禽流感肝炎肝炎鼠疫鼠疫(黑死病黑死病 1号病号病)霍乱霍乱炭疽（人畜共患病炭疽（人畜共患病,生物武器）生物武器）肺结核（白疫）肺结核（白疫）麻风麻风真菌病害真菌病害引起食物腐败；引起食物腐败；物品腐蚀；物品腐蚀；消耗营养物质；消
8、耗营养物质；NH4+-NO3-N2导致环境污染。导致环境污染。 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。三、微生物的发现和微生物学的建立与发展三、微生物的发现和微生物学的建立与发展（一）史前期（一）史前期我国我国8000年前就开始出现了年前就开始出现了酿酒工艺酿酒工艺 ；二千五百年前的春秋战国时期，我国人民已经发明了二千五百年前的春秋战国时期，我国人民已经发明了酿酱和醋酿酱和醋，并知道用麦曲治疗消化道疾病，并知道用麦曲治疗消化道疾病在在200
9、0年前，采用年前，采用堆肥、沤粪堆肥、沤粪和和轮作轮作等农业措施，来等农业措施，来控制有害微生物的生命活动，从而提高作物产量。控制有害微生物的生命活动，从而提高作物产量。宋代制造优良的红曲宋代制造优良的红曲 “人痘人痘”接种接种预防天花防天花n公元公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物；世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物；n公元前公元前112年年-212年间，华佗：年间，华佗：“割腐肉以防传染割腐肉以防传染”；古埃及石刻上记录的脊髓灰质炎症状古埃及石刻上记录的脊髓灰质炎症状 （二）初创期（二）初创期（16761861） 1664年，英国人虎克（年，英国人虎克（Robert H
10、ooke）曾用原始的显微镜对曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。1676年，微生物学的先驱年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次首次观察到了细菌。他没有上观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰过大学，是一个只会荷兰语的小裁缝，但却在语的小裁缝，但却在1680年被选为年被选为英国皇家学会英国皇家学会的的会员。会员。列文虎克利用业余时间制造过列文虎克利用业余时间制造过400多架多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为单式显微镜和放大镜，放大率一般为50200倍，倍，（三
11、）奠基期（三）奠基期（18611897） 法国人巴斯德（法国人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）德国人柯赫（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”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。(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17世纪，意大利医生雷迪 2. 柯赫柯赫(1)发现病原菌 炭疽病 肺结核 霍乱病
12、菌 a）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）（2）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2.柯赫（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）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在每一相同病例中都出现这种微生物；种微生物；2 、要从寄主分离出这样的微生、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；物
13、并在培养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；会重复发生；4 、从试验发病的寄主中能再度、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。分离培养出这种微生物来。1865年，英国外科医生年，英国外科医生J. Lister在巴斯德研究的启发下，创立了清在巴斯德研究的启发下，创立了清毒外科，并于同年毒外科，并于同年8月月12日进行第一次试验（石炭酸消毒）成功。日进行第一次试验（石炭酸消毒）成功。 同年，同年，E. Abbe在德国在德国蔡司蔡司工厂发明油浸物镜。工厂发明油浸物镜。 1884年，丹麦医生年
14、，丹麦医生Christian Gram创立了革兰氏染色法，通过这创立了革兰氏染色法，通过这一染色，可把几乎所有的细菌都分成革兰氏阳性细菌与革兰氏阴一染色，可把几乎所有的细菌都分成革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌两大类，成为分类鉴定菌种的重要指标。性细菌两大类，成为分类鉴定菌种的重要指标。 1888年，年，M. W. Beijerinck首次从豆科植物根瘤中分离出共生固氮首次从豆科植物根瘤中分离出共生固氮的根瘤菌。的根瘤菌。 1898年年，荷荷兰兰学学者者M. W. Beijerinck独独立立进进行行了了烟烟草草花花叶叶病病病病原原体体的的研研究究，首首次次提提出出其其病病原原菌菌是是一一种种“
15、病病毒毒”，从从此此，现现代代病病毒毒学学的历史开始了。的历史开始了。Erwin F. Smith也于该年证实了细菌可以引起植物病害。也于该年证实了细菌可以引起植物病害。 “微生物猎人微生物猎人“时代时代（三）发展期（三）发展期（ 二十世纪初二十世纪初生理生化）生理生化）v二十世纪二十年代初期，剑桥大学的斯蒂芬森和夸斯特尔二十世纪二十年代初期，剑桥大学的斯蒂芬森和夸斯特尔（J.H.QuastelJ.H.Quastel）对细菌脱氢酶进行了研究（基础代谢对细菌脱氢酶进行了研究（基础代谢 ）。）。vEdward Buchner在在 1897，发现酵母无细胞发酵现象。，发现酵母无细胞发酵现象。 v19
16、01年年E.Wildiers发现酵母菌不能合成对其自身生长所需的发现酵母菌不能合成对其自身生长所需的全部成分，需要外界加入称为全部成分，需要外界加入称为“Bios”的生长因子，同时还的生长因子，同时还发现在麦芽中存在这种可透析的、耐热的发现在麦芽中存在这种可透析的、耐热的“Bios”（即即VB1复合物）复合物）v19041904年年A.HardenA.Harden和和W.J.YongW.J.Yong等又发现酵母菌榨取汁经透析等又发现酵母菌榨取汁经透析后会失去发酵活性，从而证明了辅酶的存在。后会失去发酵活性，从而证明了辅酶的存在。v在二十世纪初已经证明微生物的拮抗现象大量存在，在二十世纪初已经证
17、明微生物的拮抗现象大量存在，19281928年，英国微生物家年，英国微生物家A.Flemming 发现青霉素。发现青霉素。v19441944年，年，S.A.Waksman分离出第二种实用的抗生素分离出第二种实用的抗生素链霉素，而且链霉素，而且链霉素的发现可以说是对青霉素的一种理想链霉素的发现可以说是对青霉素的一种理想补充，因为青霉素作用于革兰氏阳性菌，而链霉素则作用补充，因为青霉素作用于革兰氏阳性菌，而链霉素则作用于革兰氏阴性的肠杆菌科细菌以及青霉素无效的分枝杆菌于革兰氏阴性的肠杆菌科细菌以及青霉素无效的分枝杆菌v随后在四十年代中期以后，从放线菌、细菌、和真菌中随后在四十年代中期以后，从放线菌
18、、细菌、和真菌中已先后记述了已先后记述了5 5，500500种以上的抗生素，其中种以上的抗生素，其中4,0004,000多种为放多种为放线菌产生线菌产生 - -酶猎人、抗生素猎人酶猎人、抗生素猎人 20世纪世纪50年代后，微生物自身的特点使其成为生物学年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的研究的“明星明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到，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。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，微生物学
19、与生物学发展的主流汇合、交叉，获得了全面、深入的发展获得了全面、深入的发展（五）成熟期（二十世纪五十年代（五）成熟期（二十世纪五十年代分子生物学）分子生物学）1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick提出了DNA结构的双螺旋模型，这是二十世纪生物学领域中的一次最伟大的革命Crick又在又在1958年提出了遗传信息传递的中心法则年提出了遗传信息传递的中心法则 1961年，亚考伯年，亚考伯(F.Jacob)和芒诺德和芒诺德(J.Monod)在研究大在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制时，提出了著名的肠杆菌乳糖代谢的调节机制时，提出了著名的“操纵子操纵子”学说，揭示了原核基因表达的开启和关
20、闭是如何控制的学说，揭示了原核基因表达的开启和关闭是如何控制的 1955年年,肯伯格肯伯格(A.Kornberg)从从 E.coli 中发现了中发现了DNA聚合聚合酶酶,揭开了揭开了DNA复制的秘密复制的秘密; 1959年又有人发现聚合酶年又有人发现聚合酶1995第一个独立生活的细菌第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌)全基团组序列全基团组序列 测定完成；测定完成；1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；第一个自养生活的古生菌基因组测定完成； 1997 第一个真核生物第一个真核生物(啤酒酵母啤酒酵母)基因组测序完成；基因组测序完成；19831984 Mullis 等建立等建立
21、PCR技术；技术；中国农业微生物学的开创者，中国青霉中国农业微生物学的开创者，中国青霉素工业先驱素工业先驱樊庆笙先生（樊庆笙先生（1911-1998） 农业微生物 樊庆笙，陈华癸 ，张宪武植病学 戴芳澜，俞大绂，朱凤美，邓叔群兽医传染病 罗清生医学 伍连德 林宗扬，汤飞凡 工业 魏喦寿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，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。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。60年代年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成等人通过研究大肠杆菌无
22、细胞蛋白质合成体系及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成体系及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了新的途径。了新的途径。“断裂基因断裂基因”、 “跳跃基因跳跃基因”、“重叠基因重叠基因”的发现，的发现，以及基因结构的精细分析、基因组测序等。以及基因结构的精细分析、基因组测序等。1941年年Beadle和和Tatum用粗糙脉用粗糙脉孢霉进行的突变实验孢霉进行的突变实验使基因和酶的关系得以阐明，并提出了使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶一个基因一个酶”的的假
23、说。假说。四、微生物学在生物科学发展中的重要地位四、微生物学在生物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，微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象， 对微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破对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基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶一个基因一个酶”的假说；的假说； 遗传的物质基础的阐明；遗传的物质基础的阐明； 基因概念的发展；基因概念的发展； 遗传密码的破译；遗传密码的破译； 基因表达调控机制的研究；基因表达调控机制的研究； 生物大分子合成的中心法则；生物大分子合成的中心法则；DNA RNA 蛋白质
24、蛋白质2对生命科学研究技术的贡献对生命科学研究技术的贡献细胞的人工培养；细胞的人工培养；突变体筛选；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程；重组技术和遗传工程；3微生物与微生物与“人类基因组计划人类基因组计划”作为模式生物；作为模式生物；基因与基因组的功能研究的重要工具基因与基因组的功能研究的重要工具; 微生物具备生命现象的特性和共性，将是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，世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生如生命起源与进化命起源与进化，物质运动的基本规律物质运动的基本规律等，和实等，和实际应用问题，如际应用问题，如新的微生物资源的开发利用新的微生物资源
25、的开发利用，能源能源、粮食粮食等的最理想的材料。等的最理想的材料。微生物学微生物学微生物学是研究微生物生命活动的科学个体小个体小、结构简结构简、胃口大胃口大、食谱广食谱广、繁殖快繁殖快、易培养、数量大易培养、数量大、分布广分布广、种类多种类多、级界宽级界宽、变异易变异易、抗性强抗性强、休眠长休眠长、起源早起源早、发现晚发现晚四、微生物的特点四、微生物的特点个体小个体小:测量单位：微米或纳米 杆菌的平均长度：杆菌的平均长度：2 2 微米微米； 1500 1500个杆菌首尾相连个杆菌首尾相连= = 一粒芝麻的长度一粒芝麻的长度； 10-100 10-100亿个细菌加起来重量亿个细菌加起来重量 =
26、= 1 1毫克毫克 面积面积/体积比：体积比：人人 = 1，大肠杆菌大肠杆菌 = 30万万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环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。微生物的境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很其它很多属性都和这一特点密切相关。多属性都和这一特点密切相关。结构简：结构简：无细胞结构（病毒）；单细胞；简单多细胞；胃口大：胃口大：消耗自身重量消耗自身重量2000倍食物的时间：倍食物的时间：大肠杆菌：1小时 人 ：500年（按400斤/年计算）食谱广：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
27、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：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 吨相当于相当于4000个地球的重量！个地球的重量！大肠杆菌大肠杆菌一个细胞重约一个细胞重约10 12 克，克，平均平均20分钟繁殖一代分钟繁殖一代易培养：易培养：很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！数量大：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！分布广：分布广：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
28、的微生物存在！ 强酸、强碱、高热的极端环境； 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； 常年封冻的冰川；从永冻冰层分离微生物南极南极Vostok湖冰芯样品中的微生物湖冰芯样品中的微生物种类多：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%变异易：变异易：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短时间内产生大量的变异后代突变率：10-5 10-10变异易：变异易：青霉素的生产：2
29、0单位/ ml（1943）100000单位/ ml青霉素的用量：最高：10万单位/天（40年代）数百万-千万单位/次抗（逆）性强：抗（逆）性强：抗热：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 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：休眠长：世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature 407, 897 - 900 (2000) 起源早：起源早：38亿年前，生命在海洋中出现26亿年前，陆地上就可能存在微生物发现晚：发现晚：300多年前人们才真正发现微生物的存在思考题： 试根据微生物的特点，谈谈为什么说微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友。
