微生物学教程

真核微生物(Eukaryotic microorganisms)
• Algae （藻类） • Fungi （真菌）
• Slime molds • Protozoa
（原生动物）
（粘菌）
动、植物界与微生物界个体大小的比较
Km
m
mm
m 微生物界
(包括动、植物 的单细胞培养株)
nm
动、植物界
对1cm3固体作10倍系列三维分割后的比面值变化
• 用遗传工程和生物工程技术使微生物生产生化药物
2、工业发展过程中的“六个里程 碑
• 自然发酵与食品、饮料的酿造 • 罐头保藏：1804年法国厨师N.Appert发明食品的玻璃 瓶罐藏技术。
• 厌氧纯种发酵技术
• 深层液体通气搅拌培养 • 代谢调控理论在发酵工业上的应用 • 生物工程的兴起
生物工程学
3、微生物学促进了农业的进步
• 以菌治病，以菌治虫（微生物农药） • 以菌治草（微生物除草剂） • 以菌当饲料（单细胞蛋白作饲料） • 以菌当蔬菜（蘑菇、香菇、木耳等食用菌） • 以菌增肥（固氮菌） • 以菌促长（赤霉素等促进植物生长） • 以菌当药物（药用真菌） • 以菌产沼气（产甲烷菌）
4、微生物与生态和环境保护
第一章 绪论
生物界的组成
生物界
宏生物 动物、植物
微生物 真核微生物 原核微生物 非细胞型病毒
主要内容
• 什么是微生物？ • 微生物的特点
• 微生物学的发展史
• 微生物学发展促进了人类进步
• 微生物学及其分科
一、What is microorganisms/microbes?
• 微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总
• 生态食物链中的主角 • 污水处理中的主角
• 自然界物质循环的主角
5、微生物学与生物学基础理论研究
• 以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大争 论问题。
• 分子生物学的三大来源和三大支柱之一。
• 遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展成为 分子遗传学。
• 微生物与基因工程
• 高等生物研究和利用中的微生物化趋向方兴未艾
20U./1943
约5,000 倍
50000~100000U./目前
致病菌对抗生素的抗药性变异
5、分布广，种类多
• 分布广：“无孔不入”、“无处不在” 人体肠道正常菌群
种类 100~400种 总量1013个 占排泄物干重的1/3 厌氧菌数量是好氧菌的几百至上千倍
万米深海底部的耐热硫细菌
超小型“活的催化化工厂”的作用。 为微生物生长繁殖提供物质基础 为物质转化、累积代谢产物提供条件
3、生长旺、繁殖快
• E.coli在合适条件下每12.5~20min繁殖
一代，如按每20min分裂一次，则每1h 可分裂3次，每24h可分裂72次，生成
4722366500万亿个（重约4722吨）,48h
热 250 ~ 300℃ 寒 －69 ~－196℃ 盐 饱和盐水（32%NaCl） 干 可保存几千年 压 1400atm 辐射 酸 5~10%H2SO4 碱 pH 9~11 抗毒、抗缺氧
• 变异性 变异频率：10-5~10-10 变异形式基因突变 如青霉素产生菌Penicillium chrysogenum（产黄 青霉）的产量变异
制、消灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。
微生物学的分科
• 按研究微生物的基本生命活动规律为目的来分---普 通微生物学 • 按微生物应用领域来分---应用微生物学 • 按研究的微生物对象分 • 按微生物所处的生态环境分 • 按学科的交叉、融合分
• 按实验方法、技术分
思考题
• 什么是微生物和微生物学？微生物包括哪些类群？ • 简述微生物发展史上5个时期的特点、代表人物及 其主要成就。 • 微生物有哪五大共性？试讨论五大共性对人类的利 弊。
1、体积小，面积大
• 五大共性的基础和关键
• 优点：
巨大的营养物质吸收面
巨大的代谢废物排泄面
巨大的环境信息交换面
启发了动植物研究中的单细胞培养（发酵）
2、吸收多，转化快
• Candida utilis（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10万倍。 • Escherichia coli（大肠杆菌）在1小时内可分解其自身 重2000倍的乳糖（约为人类的3,000,000倍）。 • 1kg酵母菌在一天内能使几千kg糖代谢形成酒精。 • 优点：
• 试述微生物对当代人类实践、生命科学基础理论研 究的重大贡献。
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原核微生物
(Prokaryotic microorganisms)
• 细菌(Bacteria) • 放线菌(Actinomycetes)
• 支原体(Mycoplasma)
• 立克次氏体(Rickettsia) • 衣原体(Chlamydia) • 蓝细菌（蓝藻或蓝绿藻）(Cyanobacteria)
一生制作了419架显微镜，放大率一般为50~200倍，最高达266倍。 发表了约400篇论文，其中375篇在英国皇家学会发表。
3、奠基期---生理学期
• 1861年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然 发生说并建立胚种学说 ~ 1897年。
• 代表人物和主要成就： 法国的巴斯德 （1822-1895）— 微生物学的奠基 人、微生物学之父 否定微生物的自然发生说，建立胚种学说。 创立巴氏消毒法（63℃ 30min，72℃15sec） 奠定传染病微生物病原说的基础，发明制造疫 苗和预防接种的方法。
边长 1.0cm 1.0mm 0.1mm 立方体数 1 103 106 总表面积 6cm2 60cm2 600cm2 比面值 6 60 600 近似对象 豌豆 细小药丸 滑石粉粒
0.01mm
1.0um 0.1um
109
1012 1015
6000cm2
6m2 60m2
6,000
60,000 600,000
耐高温 耐高压 >100℃ >1140atm
8.5万米高空中的微生物 地层下岩石中的微生物
球菌、杆菌、真菌
• 种类多 物种的多样性 动物：150万种 植物：50万种 微生物：20万种 → 50 ~ 600万种
生理代谢类型的多样性＞动植物的总和
代谢产物的多样性 遗传基因的多样性 生态类型的多样性
称。是一群个体微小，构造简单，大多数是单细胞， 少数是多细胞（如霉菌），还有些没有细胞结构 （如病毒）的低等生物，包括原核微生物、真核微 生物和非细胞生物。
小（个体微小）
μm（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）
nm（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器， 病毒） 单细胞
微 生 物
简（构造简单）
简单多细胞 非细胞（即“分子生物”）
• 以生物学（特别是其中的微生物学、遗传学、生物化 学和细胞学）的理论和技术为基础，结合化工、机械、 电子计算机等现代工程技术，充分应用分子生物学的 最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或 其功能，短期内创造出具有超远源性状的新物种，再 通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细 胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物 或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。
• 主要特点
进入了微生物生化水平的研究。 应用微生物的分支学科更为扩大，出现抗生素等新 学科。 出现寻找各种有益微生物代谢产物的热潮。
普通微生物学开始形成（代表人物：美国加里福利 亚大学伯克利分校的M.Doudoroff）。
各相关学科和技术方法相互渗透促进，加速了微生 物学的发展。
5、成熟期
• 1953.4.25 J.D.Waston和H.F.C.Crick在英国的 《Nature》杂志上发表DNA双螺旋模型，生命 科学进入分子生物学阶段。
• 主要特点
微生物学发展成为一门十分热门的前沿基础学科。
在基础理论的研究方面，微生物成为分子生物学研 究中的最主要的对象。 在应用研究方面，至70年代初，有关发酵工程的研 究已与遗传工程、细胞工程和酶工程紧密结合，微 生物成为新兴的生物工程中的主角。
-QO2* 2000 1800 1200 110 10-20 0.5-4
O2：每小时内每毫克生物干重所消耗O2的微升数
德国医生科赫 （1843-1910）— 细菌学的奠 基人 1884年科赫提出确定病原菌的原则 — 科 赫法则。 建立研究微生物的一系列重要方法 建立分离和纯化微生物的平板分离法
4、发展期
• 1897年德国人E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁
中的酒化酶对葡萄糖进行酒精发酵成功，开创
微生物生化研究的新时代。
变形虫
球菌 大胶粒
0.01um
1.0nm
1018
1021
600m2
6000m2
6,000,000
60,000,000
大分子
分子
比面值=总表面积/体积
若干微生物和动植物组织的比呼吸速率
生物材料名称 固氮菌属 醋杆菌属 假单胞菌属 面包酵母 肾和肝组织 根和叶组织
*-Q
温度/℃ 28 30 30 28 37 20
数目为2.2×1043个（约等于4000个地球 之重）。
How fast can you grow?
• 优点：
提高生产效率，缩短发酵周期；
缩短科学研究周期，减少空间，降低经费， 提高效率。 • 缺点： 病原微生物或有害微生物：蔓延快、危害 大
4、适应强、易变异
• 适应性-----对“极端环境”具有惊人的适应力
四、微生物学发展促进了人类进步
• 医疗保健战线上的“六大战役” • 微生物在工业发展过程中的“六个里程碑”
• 微生物学促进了农业的进步
• 微生物与生态和环境保护的关系
• 微生物学对生物学基础理论研究的贡献
1、医疗保健战线上的“六大战役”
• 外科消毒术的建立 • 寻找人畜病原菌 • 免疫防治法的应用 • 化学治疗剂的发明 • 抗生素治疗的兴起
三、微生物学的发展史
• 史前期 • 初创期
• 奠基期
• 发展期
• 成熟期
生物起源简史
• 地球年龄：约46亿年 • 细菌年龄：约35亿年
地球表面产生有机物，还原性大气包围地球，产生厌氧异养古细 菌，如甲烷菌，构成原始单极分解生态系统。 32亿年前，产生蓝细菌，构成双极----合成与分解的生态系统。 23~10亿年前，产生好氧性异养细菌，产生第三级即消费者。
我国劳动人民的酿酒制曲技术
对传染病及其规律的认识
身在菌中不知菌 对微生物视而不见，嗅而不闻，触而不觉，食而不察
2、初创期---形态学期
• 1676年列文虎克用自制的单式显微镜观察细菌个体~1861年（近 200年）。 • 代表人物和主要成就： 荷兰商人— 微生物学先驱者安东· 列文虎克（1632-1723） 1676年用自制的单式显微镜观察雨水、污水、腐败肉汁等 物质，看到了球状、杆状、螺旋状的细菌以及原生动物等 微生物，并绘制成图。
• 微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学 的各研究领域。
独特的研究技术
• 显微镜技术和制片染色技术 • 无菌操作和消毒灭菌技术 • 纯种分离和克隆技术 • 菌种保藏技术 • 原生质体制备和融合技术
• DNA重组技术
• 基因组测序技术
五、微生物学及其分科
• 微生物学：在细胞、分子或群体水平上研究微生物的 形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进 化等生命活动基本规律，并将其应用于工业发酵、医 药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学，其 根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控
原核类：细菌（真细菌、古细菌）、放线菌、
支原体、立克次氏体、衣原体、蓝 细菌（蓝绿藻或蓝藻）等
低（进化地位低）
真核类：真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌）、原
生动物、显微藻类 非细胞类：病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、 朊病毒）
二、微生物的特点（五大共性）
• 体积小，面积大 • 吸收多，转化快 • 生长旺，繁殖快 • 适应强，易变异 • 分布广，种类多
• 动植物年龄（寒武纪年代：5亿3千万年前后）
4亿年前：产生鱼类、陆地生物 3亿年前：产生两栖类 2亿年前：产生爬行类
• 人类年龄：300万年前产生人类
Evolutionary timeline
1、史前期
• 指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞之前的一 段漫长的时期，大约距今8000年前~公元1676年。 • 代表人物和主要成就：