绪论教案微生物学教程周德庆

绪论

教学内容：

绪论

一、微生物概念

微生物 (microorganisms) 是一群个体微小、结构简单，人的肉眼看不见的，必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能看到的微小生物。微生物的种类很多主要包括：细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、蓝细菌、酵母菌、霉菌、原生动物、病毒、类病毒、朊病毒等。

微生物学：微生物学是研究微生物及其生命活动规律的学科。研究的内容涉及微生物的形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布以及微生物对自然界微生物各类群之间，微生物与其他生物之间的相互作用、相互影响，微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生事业各方向的应用等。

微生物的类群

非细胞型生物：病毒、类病毒、朊病毒、拟病毒

细胞型生物

原核生物：细菌、放线菌、蓝细胞、支原体等

真核生物：真菌（霉菌、酵母菌）、藻类等

微生物学的发展

二、微生物学的发展历史（可分为五个时期）

1. 史前期史前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，大约在距今8000 年前一直到 1676 年间。在史前期，世界各国人民在自已的生产生产实践中都积累了许多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。主要体现（ 1 ）酿造业方面我国人民所创造的制曲酿酒工艺有四大特点：历史悠久、工艺独特、经验丰富、品种多样。以后也逐渐能利用微生物制造醋、酱油。（ 2 ）农业方面古人提出了肥田要熟粪（堆肥）及瓜豆间作的耕作制度（主要利用根瘤菌固氮）。同时对作物、牧畜、蚕桑的病害及防治也逐步有认识。（ 3 ）医学方面对疾病的病原及传染问题已有接近正确的推论，对防治疾病有丰富的经验。例如：种“牛痘“就是通过种“人痘”发展来的，用于预防天花。

2. 初创期从 1676 年 Leeuwenhoek 用自制的单式显微镜观察到细菌的个体起，直至 1861 年近 200 年的时间。在这一时期中，人们对微生物的研究仅停留在形态描述的低级水平上，对它们的生理活动及其与人类实践活动的关系却未加研究，因此微生物学作为一门学科在当时还未形成。主要代表人物是：何兰的Leeuwenhoek 。

3. 奠基期从 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起，直至 1897 年的一段时间。这个阶段的主要特点是：①建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；②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”；③把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新

水平；④微生物学以独立的学科形式开始形成。主要代表人物是法国的 Pasteur 和德国的 Koch ，他们分别被称为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人

4. 发展期 1897 年德国人 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，从而开创了微生物生化研究的新时代。在发展期中，微生物学研究有以下几个特点：①进入微生物生化水平的研究；②应用微生物的分支学科更为扩大，出现了抗生素等学科；③开始寻找各种有益微生物代谢产物；④普通微生物学开始形成；⑤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。主要代表人物是美国的 Doudoroff 。

5. 成熟期从 1953 年 4 月 25 日在英国的《自然》杂志上发表关于 DNA 结构的双螺旋模型起，整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段，同样也是微生物学发展史上成熟期的到来的标志。本时期的特点：①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；

②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；③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。主要代表人物是 Watson and Crick 。

三、（一）微生物的作用

众所共知，当前人类正面临着多种危机，诸如粮食危机、能源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。人类进入 21 世纪后，将遇到从利用有限的矿物资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列的新问题。由于微生物具有五大特点，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用，现分述如下：

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。

2 ．微生物与能源

当前，化学能源日益枯竭问题正在严重地困扰着世界各国。微生物在能源生产上有其独特的优点：①把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；②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；③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；④通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率（黄原胶：水溶性胶体多糖，具增粘、稳定、互溶等优良特性，用它作为注水增稠剂，注入油层驱油；也可作为钻井粘滑剂，同时可脱去石油中的石蜡，改善成品的品质）；⑤研制微生物电池使之实用化。

3. 微生物与资源

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。这些产品除了传统的乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等外，还可生产水杨酸、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 ），等等。由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，故必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。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。

4. 微生物与环境保护

在环境保护方面可利用微生物的地方甚多：利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；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；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏法检测环境中的“三致”物质，利用 EMB 培养来检查饮水的肠道病原菌等。

5. 微生物与人类健康

微生物与人类健康有着密切的关系。首先是因为各种传染病构成了人类的主要疾病，而防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素。自从遗传工程开创以来，进一步扩大了微生物代谢产物的范围和品种，使昔日由动物才能产生的胰岛素、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。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物也早已从化工生产方式转向微生物生物转化的生产方式。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。

( 二 ) 研究微生物学的基本方法

在自然科学中，微生物世界难以被认识的主要障碍是：个体微小、外貌不显、杂居混生、因果难联。在微生物学的创立和发展中，克服这四道难关的主要代表是列文虎克、巴斯德、柯赫等人。由他们所创建的显微镜技术、无菌技术、纯种分离技术和微生物培养技术等四项独特研究方法，为微生物学的创建和发展奠定了基础，而且至今仍有力地推动着现代生物学的研究和生产实践的发展。

1. 显微镜技术

栖居于自然界中的微生物是以肉眼难以分辩地杂居丛生着。在显微镜问世之前，人们是无法目睹这个丰富多彩的微生物世界。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。从此过去视而不见、触而不觉的微生物世界就展现在人们的眼前。第一台显微镜是由荷兰的杨森父子发明的。列文虎克是第一个用显微镜来观察和描述微生物的。以后光学显微镜中相继出现了相差、暗视野和荧光等新附件，加上良好的制片和染色技术等又大大推动着微生物学形态、解剖和分类等研究。 30 年代初电子显微镜技术，以及与之配套的各种新技术和新方面的应用，使微生物学的研究从细胞水平逐渐向亚细菌和分子水平迈进。所以显微镜技术的问世和完善，不仅为揭开微生物世界作出贡献，同是也为揭示微观领域的奥秘提供了强有力的工具。

2. 无菌技术

要真正揭开微生物世界的奥秘，就得深入研究，也就是必须创造一个无其他微生物干扰的无菌环境，即我们熟称的无菌技术，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。现代无菌技术是由法国人阿贝特（ Appert ）在食品保藏中偶然发现的。而对灭菌技术的原理等作出科学解释的是巴斯德，他所进行的举世闻名的曲颈瓶实验，不仅彻底否定了当时十分流行的“生命自然发生学说”，而且为微生物学中的无菌技术的创立和发展奠定了理论和实践基础。

3. 纯种分离技术

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。从此它为微生物的纯种分离技术奠定了扎实的基础。直到现在它仍广泛地应用于微生物菌种的筛选、鉴定、育种、计数及各种生物测定等工作中。

4. 纯种培养技术

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。若为微生物提供一个初级培养的实验方法并不复杂，但要使微生物在大规模生产中良好地生长或累积代谢产物，就得考虑一些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。在整个微生物纯种培养技术的发展过程中，大规模液体深层通气搅拌发酵装置，即发酵罐的发明及大规模地普及使用，它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。

综上所叙，微生物学中四项独特的基本研究技术无疑为微生物学的创始、奠基和发展提供了基础。随着微生物在工、农、医及环保等领域中日益广泛地应用，微生物学的研究方法和技术必将日趋完善和发挥更大的作用。

四、微生物的五大共性

１．个体微小，结构简单

微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用 um 或 nm 作单位。如一个典型的球菌体积仅为１ um 3 ；最近芬兰科学家 E. O .Kajander 等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其直径最小仅为 50nm ，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。迄今为止所知的个体最大的细菌是一个硫细菌，其大小一般在 0.1-0.3mm, 能够清楚的用肉眼看到。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。又如 PSTV 由 359 个核苷酸组成的 RNA ，长度为 50nm ；朊病毒仅蛋白质分子组成。

2. 吸收多，转化快

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 10 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，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。

表 1.1 微生物形态、大小和细胞类型

3. 生长旺，繁殖快

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。人们研究得最透砌的微生物是 Escherichia coli( 大肠杆菌 ) ，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 分钟。如按 20 分钟分裂一次计，则每小时分裂 3 次， 24 小时可达到 4.722 × 10 24 个（约 4.722 ×10 6 Kg ）。

事实上，由于种种客观条件的限制，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 。另外 T 2 Phage1 → 150/ 半小时。

微生物的这一特性在发酵工业上具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。同时也给生物学基本理论的研究带来极大的优越性：它使科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，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麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。

4. 适应强、易变异

微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物无法比拟的，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力。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； Thiobacillus thiooxidans( 氧化硫杆菌 ) 在 PH1-2 酸性环境中生长。

Bacillus.sp.( 未定名 ) 的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中已保存了 2500 万年 --4000 万年。

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。如：在 1943 年，利用 Penicillium chrysogenum( 产黄青霉 ) 发酵生产青霉素，每毫升青霉素发酵液中只分泌约 20 单位的青霉素，生产 1 茶匙约需数千英磅。而现在通过微生物遗传育种工作者的不懈努力，使该菌产量变异逐渐累积，加之其他条件的改进，每毫升发酵液中达到5 万单位，甚至达到 10 万单位，成本大大降低。这在动植物育种工作中是不可思议的。这是对人类有益的变异。

实践中常遇到一些有害变异，在医疗中最常见的致病菌对抗生素所产生的抗药性变异。青霉素 43 年刚问世时，对 Staphylococcus aureusr 最低制菌浓度为 0.02ug/ml, 过了几年，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。如在 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，而现在成人需 1 ６ 0 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。同时也说明了“滥用抗生素无异于玩火”的口号是有充分科学依据的。

5. 分布广，种类多

在生物圈的每一个角落都有微生物踪迹。如：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（ 85km ）、土壤深层；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。有人估计目前至多只开发利用了其中的百分之一。因而研究和开发微生物资源的前景是十分灿烂的。

五、微生物学的分支

一、微生物学是研究微生物生命活动规律的学科。它的基本内容是：①微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；②微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；③生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；

④微生物同人类的关系。

微生物学随着研究范围的日益广泛和深入，又形成了许多分支。

1. 按研究微生物学基本生命活动规律为目的来分有普通微生物学、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。

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、兽医微生物学、预防微生物学等。

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。

各分支学科的相互配合、相互促进，有利于微生物学全面深入的发展。