微生物學(xué)基礎(chǔ)1

1、 微生物學(xué)基礎(chǔ)一、 什么是微生物？ “微生物”是俗稱，沒有分類學(xué)上的意義。是指一大類形體微小、結(jié)構(gòu)簡單的低等生物的總稱。 微生物(microorganism)：是存在于自然界的一大群體形微小、結(jié)構(gòu)簡單、肉眼直接看不見，必須借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡放大數(shù)百倍、數(shù)千倍，甚至數(shù)萬倍才能觀察到的進(jìn)化程度低的微小生物。 家居環(huán)境中微生物無處不在； 人體體表及體內(nèi)存在大量的微生物： 皮膚表面：平均10萬個細(xì)菌/平方厘米； 口腔：細(xì)菌種類超過500種； 腸道：微生物總量達(dá)100萬億， 糞便干重的1/3是細(xì)菌，每克糞便的細(xì)菌總數(shù)為：1000億個；二、微生物與我們微生物無處不在，我們無時不生活在“微生物的海洋

2、”中。 細(xì)菌數(shù)億/g土壤，土壤中的細(xì)菌總重量估計為：10034 10 12 噸； 每張紙幣帶細(xì)菌：900萬個； 每個噴嚏的飛沫含4500-150000個細(xì)菌，重感冒患者為8500萬；微生物既是人類的敵人，更是人類的朋友！時時刻刻與微生物“共舞” 是 禍？是 福？ 微生物是自然界物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；微生物是人類的朋友！ 體內(nèi)的正常菌群是人及動物健康的基本保證； 幫助消化、提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)、組成生理屏障 微生物可以為我們提供很多有用的物質(zhì)； 有機(jī)酸、酶、各種藥物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、醬油等等 八卦：喬治男孩曝麥當(dāng)娜隱密：讓肉毒桿菌“吃”皺紋 流行歌手喬治男孩曾指出麥當(dāng)娜那張光滑的臉孔是注射“

3、肉毒桿菌毒素”而得來的。 微生物是自然界物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；微生物是人類的朋友！ 體內(nèi)的正常菌群是人及動物健康的基本保證； 幫助消化、提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)、組成生理屏障 微生物可以為我們提供很多有用的物質(zhì)； 有機(jī)酸、酶、各種藥物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、醬油等等 基因工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)；少數(shù)微生物也是人類的敵人！天花；鼠疫；艾滋??；瘋牛??；埃博拉病毒；SARS；“埃博拉”病毒推薦影片：The Andromeda Strain中文名：天外來菌2008 可以說，微生物與人類關(guān)系的重要性，你怎么強(qiáng)調(diào)都不過分，微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，它們在給人類帶來巨大利益的同時也帶來“殘忍”的破壞。它給人

4、類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存。我國8000年前就開始出現(xiàn)了曲蘗釀酒；4000年前埃及人已學(xué)會烘制面包和釀制果酒；2500年前發(fā)明釀醬、醋，用曲治消化道疾??；公元2世紀(jì)，張仲景：禁食病死獸類的肉和不清潔食物公元前112年-212年間，華佗：“割腐肉以防傳染”；公元九世紀(jì)痘漿法、痘衣法預(yù)防天花；16世紀(jì)，古羅馬醫(yī)生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不 見的生物(living creatures)引起的；三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（一）微生物的發(fā)現(xiàn)真核細(xì)胞型原核細(xì)胞型電鏡微生物的相對大小肉眼光學(xué)顯微鏡可見范圍病毒1664年，英國人虎克（Robert Hooke

5、）曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察。1676年，微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次觀察到了細(xì)菌。他沒有上過大學(xué)，是一個只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學(xué)會的會員。1790年1881年1840年1890年（二）微生物學(xué)的奠基三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展法國人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）德國人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）（二）微生物學(xué)的奠基三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1.巴斯德 (1) 發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)酵是由微生物引起的；(2) 徹底否定了

6、“自然發(fā)生”學(xué)說；化學(xué)家出生的巴斯德涉足微生物學(xué)是為了治療“酒病”和“蠶病”著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實，空氣內(nèi)確實含有微生物，是它們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗。罐頭食品生命從何而來？“自生學(xué)”、“生生說”、“神創(chuàng)論”（二）微生物學(xué)的奠基三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1.巴斯德 (1) 發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)酵是由微生物引起的；(2) 徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說；首次制成狂犬疫苗(4)其他貢獻(xiàn)巴斯德消毒法：6065作短時間加熱處理，殺死有害微生物(3) 免疫學(xué)預(yù)防接種（二）微生物學(xué)的奠基三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展2.柯赫a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立土豆切面 營養(yǎng)明膠 營養(yǎng)瓊脂（平皿）（1）微生物

7、學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)b）設(shè)計了各種培養(yǎng)基，實現(xiàn)了在實驗室內(nèi)對各種微生物的培養(yǎng)c）流動蒸汽滅菌d）染色觀察和顯微攝影（二）微生物學(xué)的奠基三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展2.柯赫（德國）（2）對病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn)：a）具體證實了炭疽桿菌是炭疽病的病原菌；b）發(fā)現(xiàn)了肺結(jié)核病的病原菌；（1905年獲諾貝爾獎）c）證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則 著名的柯赫原則1、 在每一相同病例中都出現(xiàn)這種微生物；2 、要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來；3、用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主，同樣的疾病會 重復(fù)發(fā)生；4 、從試驗發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生

8、物來。 Edward Jenner (17491823)首創(chuàng)用牛痘預(yù)防天花，為預(yù)防醫(yī)學(xué)開辟了廣闊途徑。Alexander Fleming (1881-1955)微生物之間的拮抗現(xiàn)象1929年，F(xiàn)leming發(fā)現(xiàn)青霉素1867 Lister創(chuàng)立了消毒外科；（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件二、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展1890 Von Behring制備抗毒素治療白喉和破傷風(fēng)；1892 Ivanovsky 提供煙草花葉病毒是由病毒引起的證據(jù)；1928 Griffith發(fā)現(xiàn)細(xì)菌轉(zhuǎn)化；1929 Fleming 發(fā)現(xiàn)青霉素；1944 Avery等證實轉(zhuǎn)化過程中DNA是遺傳信息的載體；1953

9、Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；19701972 Arber、Smith和Nathans發(fā)現(xiàn)并提純了 DNA限制性內(nèi)切酶對其機(jī)理的研究導(dǎo)致DNA是遺傳物質(zhì)的確證； 外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入各種細(xì)胞的基因重組技術(shù)的建立；（三）微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展 1977 Woese提出古生菌是不同于細(xì)菌和真核生物的特殊類群 Sanger首次對f174噬菌體DNA進(jìn)行了全序列分析； 19831984 Mullis 建立PCR技術(shù)； 1995第一個獨立生活的細(xì)菌(流感嗜血桿菌)全基團(tuán)組序列 測定完成； 1996 第一個自養(yǎng)生活的古生菌基因組測定完成； 1997

10、第一個真核生物(啤酒酵母)基因組測序完成；（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期：微生物學(xué)：鑒定病原菌、 研究免疫學(xué)及其在預(yù)防疾病中的作用、 尋找化學(xué)治療藥物、 分析微生物的代謝活性。普通生物學(xué)：細(xì)胞的構(gòu)造及其在繁殖和發(fā)展中的作用、 植物和動物的遺傳和進(jìn)化的機(jī)制。動、植物 的生命活動規(guī)律 適用于結(jié)構(gòu)大大簡單的微生物？肌肉的糖酵解酵母菌乙醇發(fā)酵本質(zhì)上的同一性“生物化學(xué)的同一性”維生素生長因子相同的化學(xué)本質(zhì)多種輔酶的前體輔酶為細(xì)胞代謝所必需（一切生命系統(tǒng)在代謝水平上具有相同的本質(zhì)）對動植物起作用的遺傳機(jī)制同樣適用于微生物生化突變細(xì)菌基因水平轉(zhuǎn)移微生物

11、遺傳學(xué)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗病毒重組實驗噬菌體感染實驗核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)（四）20世紀(jì)的微生物學(xué)三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展 20世紀(jì)40年代后，微生物自身的特點使其成為生物學(xué)研究的“明星”，微生物學(xué)很快與生物學(xué)主流匯合，并被推到了整個生命科學(xué)發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，在生命科學(xué)的發(fā)展中作出了巨大的貢獻(xiàn)。微生物學(xué)與生物學(xué)發(fā)展的主流匯合、交叉，獲得了全面、深入的發(fā)展Jacob等通過研究大腸桿菌誘導(dǎo)酶的形成機(jī)制而提出操縱子學(xué)說，闡明了基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制，為分子生物學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。60年代Nirenberg等人通過研究大腸桿菌無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系及多聚尿苷酶，發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸的遺傳密碼

12、，繼而完成了全部密碼的破譯，為人類從分子水平上研究生命現(xiàn)象開辟了新的途徑?！皵嗔鸦颉?、 “跳躍基因”、“重疊基因”的發(fā)現(xiàn)，以及基因結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析、基因組測序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脈胞霉進(jìn)行的突變實驗使基因和酶的關(guān)系得以闡明，并提出了“一個基因一個酶”的假說。三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位1微生物是生物學(xué)基本理論研究中的理想實驗對象， 對微生物的研究促進(jìn)許多重大生物學(xué)理論問題的突破 基因和酶關(guān)系的闡明及“一個基因一個酶”的假說； 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)的闡明； 基因概念的發(fā)展； 遺傳密碼的破譯； 基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究； 生物大分子

13、合成的中心法則；DNA RNA 蛋白質(zhì)三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（五）微生物學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位2對生命科學(xué)研究技術(shù)的貢獻(xiàn)細(xì)胞的人工培養(yǎng)；突變體篩選；DNA重組技術(shù)和遺傳工程；3微生物與“人類基因組計劃”作為模式生物；基因與基因組的功能研究的重要工具;基因水平轉(zhuǎn)移-細(xì)菌DNA的主動分泌與攝取聰明的黏菌 生命起源的研究；三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（六）21世紀(jì)微生物學(xué)展望1微生物自身的特點（共性和特性）將會更加受到關(guān)注和利用 以微生物為研究材料繼續(xù)對一些基本生命現(xiàn)象進(jìn)行研究； 生物進(jìn)化方面的研究；在微生物基因組上進(jìn)行的考古 性別分化的意義； 生物智慧的發(fā)展； 微生

14、物產(chǎn)業(yè)的開發(fā)； 重要致病菌的特點及其防治； 極端環(huán)境的微生物的研究；共性：微生物具有其他生物共有的基本生物學(xué)特性：生長、繁殖、代謝、 共用一套遺傳密碼等，甚至其基因組上含有與高等生物同源的基因 ，充分反映了生物高度的統(tǒng)一性。特性：微生物具有其它生物不具備的生物學(xué)特性，例如可在其他生物無法 生存的極端環(huán)境下生存和繁殖，具有其他生物不具備的代謝途徑和 功能，反映了微生物極其豐富的多樣性。微生物自身特性的進(jìn)一步開發(fā)、利用：例如降解性塑料，分解纖 維素、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白等。借助（利用）微生物特點的基因工程產(chǎn)業(yè)：利用微生物生產(chǎn)原本 它們不能生產(chǎn)的藥物、疫苗等。 微生物具備生命現(xiàn)象的特性和共性，將是21世紀(jì)

15、進(jìn)一步解決生物學(xué)重大理論問題，如生命起源與進(jìn)化，物質(zhì)運動的基本規(guī)律等，和實際應(yīng)用問題，如新的微生物資源的開發(fā)利用，能源、糧食等的最理想的材料。三、微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展（六）21世紀(jì)微生物學(xué)展望2與其他學(xué)科實現(xiàn)更廣泛的交叉，獲得新的發(fā)展學(xué)科交叉永遠(yuǎn)是科學(xué)創(chuàng)新的源泉！ 微生物基因組的序列測定和分析； 微量熱技術(shù)對生命過程的研究； 微生物的快速檢定； 計算機(jī)技術(shù)與微生物學(xué)的結(jié)合； 微生物學(xué)與航天技術(shù)的結(jié)合；四、微生物的類群及特點微生物是微小生物的總稱，一般只有借助顯微鏡才能其進(jìn)行觀察。微生物病毒原核生物：真細(xì)菌、古生菌真核生物：真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、 單細(xì)胞藻類、 原生生物等微生

16、物的特點：個體小、結(jié)構(gòu)簡、胃口大、食譜廣、繁殖快、易培養(yǎng)、數(shù)量大、分布廣、種類多、級界寬、易變異、抗性強(qiáng)、休眠長、起源早、發(fā)現(xiàn)晚個體小:測量單位：微米或納米 桿菌的平均長度：2 微米； 1500個桿菌首尾相連= 一粒芝麻的長度； 10-100億個細(xì)菌加起來重量 = 1毫克 面積/體積比：人 = 1，大腸桿菌 = 30萬； 這樣大的比表面積特別有利于它們和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交換。微生物的其它很多屬性都和這一特點密切相關(guān)。個體小:測量單位：微米或鈉米火星隕石中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌化石（直徑 20 nm）在Science上的一篇文章曾報道了對一塊隕石上可能存在的生命遺跡的研究，這塊隕石在45億年前

17、在火星上形成，13億年以前由于宇宙碰撞而離開火星，13000年前作為隕石降落到地球上。對它的分析表明其上可能有生命存在過，更重要的是在該隕石上發(fā)現(xiàn)了類似細(xì)菌化石的東西，其直徑僅為2040 nm.德國科學(xué)家H. N. Schulz等1999年在納米比亞海岸的海底沉積物中發(fā)現(xiàn)的一種硫磺細(xì)菌（sulfur bacterium），其大小可達(dá)0.75 mmThiomargarita namibiensis，-“納米比亞硫磺珍珠”結(jié)構(gòu)簡：無細(xì)胞結(jié)構(gòu)（病毒）；單細(xì)胞；簡單多細(xì)胞；胃口大：消耗自身重量2000倍食物的時間：大腸桿菌：1小時人 ：500年（按400斤/年計算） 藍(lán)細(xì)菌 真菌 藻類 原生動物 細(xì)菌

18、 病毒食譜廣：微生物獲取營養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動植物完全無法相比的！纖維素、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然氣、塑料、酚類、氰化物、各種有機(jī)物均可被微生物作為糧食繁殖快：24小時后： 4722366500萬億個后代，重量達(dá)到：4722噸48小時后：2.2 10 43個后代，重量達(dá)到2.2 10 25 噸相當(dāng)于4000個地球的重量！大腸桿菌一個細(xì)胞重約10 12 克，平均20分鐘繁殖一代一頭500 kg的食用公牛，24小時生產(chǎn) 0.5 kg蛋白質(zhì),而同樣重量的酵母菌，以質(zhì)量較次的糖液（如糖蜜）和氨水為原料，24小時可以生產(chǎn) 50000 kg蛋白質(zhì)。易培養(yǎng)：很多細(xì)菌都可以非

19、常方便地進(jìn)行人工培養(yǎng)！數(shù)量大：在自然界中（土壤、水體、空氣，動植物體內(nèi)和體表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物總量的60%！分布廣：人跡可到之處，微生物的分布必然很多，而人跡不到的地方，也有大量的微生物存在！ 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高熱的極端環(huán)境； 數(shù)十公里的高空（最高為離地85公里，須用火箭采樣）； 幾千米的地下； 常年封凍的冰川；生物物質(zhì)雨般落下 科學(xué)家稱外太空有生命(2001-08-02 )從永凍冰層分離微生物南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物富營養(yǎng)化湖泊活性污泥中的微生物種類多： 微生物的生理代謝類型多； 代謝產(chǎn)物種類多； 微生物的種數(shù)“多”；雖然目前已定種的微生物只有大約10

20、萬種，遠(yuǎn)較動植物為少，但一般認(rèn)為目前為人類所發(fā)現(xiàn)的微生物還不到自然界中微生物總數(shù)的1%級界寬：Whittaker的五界分類系統(tǒng)級界寬：Woese三原界分類系統(tǒng)真細(xì)菌原界 古細(xì)菌原界 真核生物原界 真核生物原界：原生生物、真菌、動物和植物； 古細(xì)菌原界：產(chǎn)甲烷菌、極端嗜鹽菌和嗜熱嗜酸菌; 真細(xì)菌原界：除古細(xì)菌外的其他原核微生物。易變異：個體小、結(jié)構(gòu)簡、且多與外界環(huán)境直接接觸 繁殖快、 數(shù)量多 短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的變異后代突變率：10-5 10-10易變異：青霉素的生產(chǎn)：20單位/ ml（1943）10000單位/ ml青霉素的用量：最高：10萬單位/天（40年代）數(shù)百萬-千萬單位/次易變異:微生物

21、與外界環(huán)境直接緊密接觸,易受環(huán)境作用與變化的影響,發(fā)生突變。細(xì)菌抗藥性的產(chǎn)生：抗（逆）性強(qiáng)：抗熱：有的細(xì)菌能在265個大氣壓，250 的條件下存活； 自然界中細(xì)菌生長的最高溫度可以達(dá)到110 以上 ； 有些細(xì)菌的芽孢，需加熱煮沸8小時才被殺死；抗寒：有些微生物可以在12 30的低溫生長；抗酸堿：細(xì)菌能耐受并生長的pH范圍：pH 0.5 13；耐滲透壓：蜜餞、腌制品，飽和鹽水（NaCl, 32%)中 都有微生物生長；抗壓力：有些細(xì)菌可在1400個大氣壓下生長；科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種食鐵微生物可在121度高溫下繁殖 在2003年科學(xué)雜志（Science, Vol. 301, Issue 5635, 976

22、-978, August 15, 2003）發(fā)表的一篇論文表明，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種能夠在121度 高溫下生存繁殖的食鐵微生物。來自阿姆赫斯特馬薩諸塞大學(xué)的研究人員Kazem Kashefi和Derek Lovley發(fā)現(xiàn)這種微生物并將之成為“121株”，目前該微生物還沒于科學(xué)名稱?？茖W(xué)家在太平洋深海海床火山口發(fā)現(xiàn)這種微生物，該地的溫度可以高達(dá)400攝氏度。兩位研究人員將121株放在121攝氏度的烤箱中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種微生物竟然很適合這一溫度，菌落大小很快就增大到原來的兩倍。這比以前報告的微生物最高生存溫度高出8攝氏度。Lovley表示，研究這種食鐵的121株微生物可以為我們揭示35億年前第一種生命形式演化所處的環(huán)境。 科學(xué)家建議尋找地下50公里生命 北京晚報:2002-3-8把大腸桿菌放在地下50公里的超強(qiáng)壓力下，它會不會活下來？科學(xué)家最近驚奇地發(fā)現(xiàn)，答案是肯定的。一些科學(xué)家說，這些細(xì)菌可以適應(yīng)如此極端的壓力環(huán)境，說明生物對環(huán)境具有超乎想象的“驚人”適應(yīng)力。因此人類在其他星球上尋找地外生命時，眼光不能只局限在星球的表面，而應(yīng)當(dāng)延伸到壓力巨大的地下。 照理來說，大腸桿菌等一般難