微生物學(xué)(研究生)第一章 緒論1課件

1、高級食品微生物學(xué)Advanced Food Microbiology適用專業(yè)：食品類碩士研究生主講：贠建民食品科學(xué)與工程學(xué)院高級食品微生物學(xué)課程簡介是研究與食品有關(guān)的微生物及其生命活動規(guī)律的學(xué)科，是食品科學(xué)類專業(yè)碩士研究生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。講授食品工業(yè)中的四大類微生物的形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理代謝、生長繁殖、遺傳變異與菌種保藏以及微生物在食品工業(yè)中的應(yīng)用等微生物學(xué)的基本內(nèi)容。使學(xué)生能全面掌握和了解食品微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技術(shù)，訓(xùn)練和學(xué)會分析和解決微生物學(xué)研究、生產(chǎn)領(lǐng)域中實(shí)際問題的基本能力和基本技術(shù)，為學(xué)生從事食品領(lǐng)域科研、教學(xué)、生產(chǎn)、開發(fā)等工作建立較好的微生物學(xué)理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 主

2、要內(nèi)容有：微生物學(xué)概述，細(xì)菌學(xué)專題，真菌學(xué)專題，病毒與噬菌體的特性及其與發(fā)酵工業(yè)的關(guān)系，微生物的營養(yǎng)，微生物的生長與培養(yǎng)，微生物的代謝與發(fā)酵，微生物的遺傳變異與菌種選育和食品衛(wèi)生的微生物學(xué)檢驗(yàn)專題等。教學(xué)方法：以講授為主，結(jié)合課程論文和自學(xué)進(jìn)行。學(xué)時分配序 號課程主要內(nèi)容學(xué)時分配（一）微生物學(xué)概述2（二）細(xì)菌學(xué)專題6（三）真菌學(xué)專題4（四）病毒與噬菌體的特性及其與發(fā)酵工業(yè)的關(guān)系4（五）微生物的營養(yǎng)4（六）微生物的生長與培養(yǎng)4（七）微生物的代謝與發(fā)酵4（八）微生物的遺傳變異與菌種選育4（九）食品衛(wèi)生的微生物學(xué)檢驗(yàn)專題4合 計(jì)36教材及主要參考書教材：微生物學(xué)教程（第二版） 周德慶（復(fù)旦大學(xué)），高

3、教出版社，2002主要參考書：微生物學(xué)， 沈萍（武漢大學(xué)），高教出版社J.Nicklin, K.Graeme-Cook, T.Paget. Microbiology. 科學(xué)出版社.2001年. 第一章 微生物學(xué)概述微生物的概念及其主要類群微生物在生物分類系統(tǒng)中的地位微生物學(xué)的發(fā)展簡史微生物學(xué)的重要性微生物的五大共性微生物學(xué)及其主要分支學(xué)科微生物的類群（根據(jù)進(jìn)化水平和各種性狀）微生物類群具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)病毒原核微生物真核微生物真細(xì)菌古細(xì)菌 真菌（霉菌、酵母和粘菌）顯微藻類原生動物與食品工業(yè)有密切關(guān)系的主要類群： 主要是細(xì)菌、酵母菌、霉菌、放線菌和部分專門侵害微生物的病毒（噬菌體, pha

4、ge），這些微小生物雖然種類不同、形態(tài)和大小各異，但是，它們的生物學(xué)特性比較接近，所以人們賦予其一個共同的名稱微生物。動物界Animalia植物界Plantae二界（1753年） 1753年瑞典學(xué)者林奈，在其名著植物種志中首次提出了動物界和植物界。動物界Animalia植物界Plantae原生生物界Protista三界（1860年） 1860年，德國動物學(xué)家E.H.Haeckel建議在動物界和植物界之外，增加一個由低等生物構(gòu)成的第三界原生生物界。四界（1956年）動物界Animalia植物界Plantae原生生物界Protista菌類Mychota1956年，Copeland分為動物界、植物界

5、、原生生物界（原生動物、真菌、部分藻類）和菌類（細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌）1959年，Whittaker：動物界、植物界、原生生物界和菌物界1974年，Leedale等：動物界、植物界、真菌和原核生物界原核生物界Monera原生生物界Protista植物界Plantae菌物界Fungi動物界Animalia病毒界vira1977年，我國學(xué)者王大耜提出：動物界、植物界、原生生物界、真菌界、原核生物界和病毒界。六界（1977年）1978年，美國C.R.Woese等對大量微生物和其他生物進(jìn)行16S和18SrRNA的寡聚核苷酸，并比較其同源性，提出三域?qū)W說（Three Domains Theory）細(xì)菌域古生菌域

6、真核生物域二、微生物的生物學(xué)分類地位（1）兩界系統(tǒng)：（亞里斯多德，林奈） 動物界 Animalia：無細(xì)胞壁，可運(yùn)動，不行光合作用。 植物界 Plantae：有細(xì)胞壁，不運(yùn)動，可行光合作用。三界系統(tǒng)：原生生物界 Protista：（E. H. Haeckel, 1860年提出）四界系統(tǒng)： 1956年Copeland提出原生生物界（protista)（原生動物、真菌、粘菌和藻類等）；菌界（Mychota）（細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌等）；動物界 (Animalia) 多細(xì)胞動物；植物界 (Plantae)。微生物的生物學(xué)分類地位（2）五界系統(tǒng):1969年R. H Whittaker提出：是以細(xì)胞結(jié)構(gòu)分

7、化的等級（原核細(xì)胞、真核單細(xì)胞、真核多細(xì)胞）以及光合、吸收和攝食這三種主要營養(yǎng)方式有關(guān)的組織類型為基礎(chǔ)的。原核生物界 Monera：細(xì)菌、放線菌等原生生物界 Protista：藻類、原生動物、粘菌等真菌界 Fungi：酵母、霉菌動物界 Animalia：植物界 Plantae：六界分類系統(tǒng):1977年，我國微生物學(xué)家提出把病毒列為一界，即病毒界（vira）。因此在五界分類系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成了六界分類系統(tǒng)?？梢钥闯觯谏锪绶诸愊到y(tǒng)中，其中微生物包括四界。 微生物的生物學(xué)分類地位（3）三個原界:70年代以后，隨著“第三型生物”古細(xì)菌（archaebacteria）的發(fā)現(xiàn)，于1978年R.H.Wh

8、ittaker和L.Margulis提出了三原界（urkingdom）分類系統(tǒng)。認(rèn)為，在生物進(jìn)化的早期，存在一類各生物的共同祖先，然后分成三條進(jìn)化路線，形成了三個原界：古細(xì)菌原界：包括產(chǎn)甲烷細(xì)菌、極端嗜鹽細(xì)菌、嗜熱嗜酸細(xì)菌；真細(xì)菌(eubacteria)原界：包括除古細(xì)菌以外的其它原核生物；真核生物原界：包括原生動物、真菌、動物和植物。 圖1. 三域系統(tǒng)進(jìn)化樹三、 微生物學(xué)的發(fā)展簡史 我們把這個過程分成以下五個階段加以闡述。微生物學(xué)的史前時期微生物的發(fā)現(xiàn)與微生物學(xué)的啟蒙時期（初創(chuàng)期）微生物學(xué)的形成時期（奠基期）微生物學(xué)的發(fā)展時期微生物學(xué)的成熟期（一）微生物學(xué)的史前時期（1676年以前）難以認(rèn)識

9、，存在四大障礙：個體過于微小，雜居混生，群體外貌不顯，因果難聯(lián)； 例如，艾滋病與HIV，肝癌與黃曲霉毒素盲目應(yīng)用時期 （1）人類已經(jīng)在利用微生物，在生產(chǎn)實(shí)踐中都積累了很多利用有益微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗(yàn)。如釀酒、發(fā)面、制醬、釀醋、漚肥、輪作、治病等。我國古代勞動人民就利用了鹽腌、糖漬、煙熏、風(fēng)干等。 （2）微生物對人類的危害更大。鼠疫、天花、瘧疾、麻風(fēng)、梅毒、結(jié)核病和流感等大流行。（三）微生物學(xué)的形成時期（1861-1897） 由研究微生物形態(tài)的啟蒙時期到對微生物的生理生化水平研究時期。巴斯德（Louis Pasteur, 18221895）通過對酒曲的研究，證明了酒曲發(fā)酵是其中的酵母菌代

10、謝作用，這一研究結(jié)果把對微生物的研究由形態(tài)轉(zhuǎn)向生理生化研究水平，為微生物學(xué)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。巴斯德還通過大量實(shí)驗(yàn)證明了食品的腐敗變質(zhì)是遭受微生物污染后，微生物生長繁殖而引起的，從根本上否定了“微生物自然發(fā)生說”。微生物學(xué)的另一位奠基人是一位德國醫(yī)生柯赫（Robert Koch, 18431910），他為疾病的病原學(xué)說建立了基礎(chǔ)。首先從患病動物的病變臟器中分離純化得到病原菌，通過將病原菌接種回到動物體內(nèi)，能引起相同癥狀的疾病，證明了傳染病是由某些特定的病原菌傳播的。由于巴斯德和柯赫對微生物學(xué)的形成作出了極大的貢獻(xiàn)，普遍認(rèn)為，他們兩位是微生物學(xué)的奠基人。主要貢獻(xiàn)創(chuàng)立了一整套獨(dú)特的微生物學(xué)基本

11、研究方法：培養(yǎng)基制作技術(shù)，滅菌消毒技術(shù)、純種分離和培養(yǎng)技術(shù)等；開創(chuàng)了尋找人類和動物病原菌的時代；開辟了分支應(yīng)用學(xué)科；建立了“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”思維和研究模式。（五）微生物學(xué)的成熟時期（1953-至今）1953年，DNA雙螺旋解密后，微生物學(xué)進(jìn)入了分子生物學(xué)時代。進(jìn)入70年代，在微生物的研究基礎(chǔ)上，導(dǎo)致了DNA重組技術(shù)和基因工程的發(fā)展。開創(chuàng)了生物工程技術(shù)。將傳統(tǒng)發(fā)酵提高到了發(fā)酵工程水平；微生物學(xué)、遺傳學(xué)和生物化學(xué)的相互滲透與作用導(dǎo)致了現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生與發(fā)展；推動了生物信息學(xué)時代的到來。生物芯片四、微生物的重要性促進(jìn)了人類的進(jìn)步醫(yī)療保健：外科消毒術(shù)、傳染病、免疫預(yù)防法、磺胺等生化治療劑、抗生素

12、、多肽類藥物等出現(xiàn)，提高了健康水平。工業(yè)發(fā)展：食品保鮮防腐技術(shù)（罐藏）、釀造技術(shù)改造、純種發(fā)酵技術(shù)、液體深層攪拌發(fā)酵技術(shù)、代謝控制發(fā)酵技術(shù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：生物防治技術(shù)（微生物農(nóng)藥、殺菌劑）、微生物增產(chǎn)技術(shù)（菌肥、生長素），微生物飼料和食品（SCP，食用菌），生物能源（沼氣、燃料乙醇等）。環(huán)境保護(hù)：生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)，污水處理、自然界元素循環(huán)的推動者，環(huán)境污染和監(jiān)測的指示生物。生命科學(xué)：研究材料，糖酵解機(jī)制的認(rèn)識，基因與酶關(guān)系發(fā)現(xiàn)，突變本質(zhì)，遺傳物質(zhì)的載體的證實(shí)，基因工程的開創(chuàng)等基本理論研究，微生物成為基因工程的主角。研究方法的微生物化趨勢。微生物作用1、在自然界物質(zhì)循環(huán)中作用2、空氣與水凈化，污水

13、處理 3、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：菌體，代謝產(chǎn)物，代謝活動運(yùn)用與發(fā)酵工業(yè)4、對生命科學(xué)的貢獻(xiàn) 尤其是與基因工程的關(guān)系。五、微生物的生物學(xué)特點(diǎn)（五大共性）微生物除具有生物的共性外，也有其獨(dú)特的特點(diǎn):正因?yàn)槠渚哂羞@些特點(diǎn)，才使得這樣微不可見的生物類群引起人們的高度重視。 （一） 體積小、比表面積大 （二） 吸收多、轉(zhuǎn)化快 （三） 生長旺、繁殖快 （四） 適應(yīng)強(qiáng)、易變異 （五） 分布廣、種類多 微生物共性（1）體積小、比表面積大：大小以um計(jì)，但比表面積（表面積/體積）大。必然有一個巨大的營養(yǎng)吸收、代謝廢物排泄和環(huán)境信息接受面。這一特點(diǎn)也是微生物與一切大型生物相區(qū)別的關(guān)鍵所在。 舉例 乳酸桿菌：120，000

14、雞蛋：1.5 人（200磅）：0.3 微生物共性（2）吸收多、轉(zhuǎn)化快：這一特性為高速生長繁殖和產(chǎn)生大量代謝物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。“活的化工廠”。 舉例，重量相同下 乳酸菌：1小時可分解其體重1000-10000倍乳糖。 人體：2.5105 小時消耗自身體重1000倍乳糖。 產(chǎn)朊假絲酵母：合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍， 比食用公牛強(qiáng)10萬倍。微生物共性（3，4）生長旺、繁殖快： 極高生長繁殖速度。 例如， E. coli 20-30min分裂一次，若不停分裂，48小時為2.21043個。（菌數(shù)增加，營養(yǎng)消耗，代謝積累，限制生長速度）這兩個特性，可使微生物在短時間內(nèi)把大量基質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品，

15、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短，發(fā)酵工業(yè)具有重要實(shí)踐意義。也有不利一面，如疾病、糧食霉變。適應(yīng)強(qiáng)、易變異： （1）極其靈活適應(yīng)性，對極端環(huán)境具有驚人的適應(yīng)力（多樣的代謝調(diào)控機(jī)制和多種誘導(dǎo)酶）； （2）遺傳物質(zhì)易變異，有利有弊：高產(chǎn)菌株選育；菌種退化，耐藥性； 原因分析：遺傳穩(wěn)定性差，容易發(fā)生變異微生物個體微小，對外界環(huán)境很敏感，抗逆性較差，很容易受到各種不良外界環(huán)境的影響；另外，微生物的結(jié)構(gòu)簡單，缺乏免疫監(jiān)控系統(tǒng), 很容易變異。微生物的遺傳不穩(wěn)定性，是相對高等生物而言的，實(shí)際上在自然條件下，微生物的自發(fā)突變頻率為10-6左右。微生物的遺傳穩(wěn)定性差，給微生物菌種保藏工作帶來一定不便。另一方面，正因?yàn)槲⑸?/p>

16、物的遺傳穩(wěn)定性差，其遺傳的保守性低，使得微生物菌種培育相對容易得多。通過育種工作，可大幅度地提高菌種的生產(chǎn)性能，其產(chǎn)量性狀提高幅度是高等動、植物所難以實(shí)現(xiàn)的。 微生物共性（5）分布廣、種類多 （1）分布區(qū)域廣，分布環(huán)境多樣； 極端環(huán)境微生物 （嗜極菌） （2）生理代謝類型多，代謝產(chǎn)物種類多； 可利用的初級能源，產(chǎn)能代謝方式，獨(dú) 特的合成代謝等（3）微生物種數(shù)多。(50-60萬種)（4）遺傳基因多樣性（5）生態(tài)類型多樣性極端微生物在一些對其它生物是極端或致死的環(huán)境中生長和繁衍著一類微生物，這種環(huán)境稱為極端環(huán)境(Extreme environments)，而這類微生物稱為極端環(huán)境微生物或極端微生物

17、(Extremophiles)。極端微生物分成五個類群：嗜熱微生物(Thermophiles) 、嗜冷微生物(Psychrophiles) 、嗜鹽微生物(Halophiles)、嗜堿微生物(Alkaliphiles) 、嗜酸微生物(Acidophiles)。也有人認(rèn)為還應(yīng)包括嗜壓微生物(Barophiles)和抗毒物微生物(Toxic-resistant microbes)。值得注意的是，極端微生物不僅僅是“耐受”這些極端環(huán)境，而且在這些特殊生境中生長繁茂，甚至為了更好地繁衍后代需要一種或多種極端條件。 不同地球生命的溫度極限 （引自，莊逢源譯HORNECK宇宙生物學(xué)生命（極端微生物）的生長代

18、謝極限溫 度：-20 +113水活度：aw 0.7鹽 度：鹽濃度30%，鹽晶 體酸 度：pH =1-11營 養(yǎng)：高新陳代謝普適性 無機(jī)自養(yǎng)生長 高度抗擊饑餓 氧： 有氧和無氧生物輻 射：60 Gy /hour 生命存活的極限溫 度：-263 +150，甚至更高水活度：0 aw 1.0鹽 度：鹽晶體酸 度：pH =0-12.5營 養(yǎng)：不需要，最好沒有營養(yǎng)氧： 不需要，最好沒有氧氣， 孢子可在真空中存活（10-6 Pa）輻 射：5 k Gy電離輻射萌芽時，孢子 可修復(fù)損傷時 間： 25-40106 a（年）高溫環(huán)境：嗜熱和超嗜熱微生物棲息低溫環(huán)境：嗜冷微生物棲息南極冰川高鹽環(huán)境：嗜鹽和嗜鹽堿微生物

19、棲息 酸性環(huán)境：嗜酸和嗜酸熱微生物棲息 堿性環(huán)境：嗜堿和嗜鹽堿微生物去棲息新疆天山北麓泥火山環(huán)境新疆天山北麓泥火山環(huán)境 （低溫，寡營養(yǎng)）深海底層生物由管蟲類無脊椎動物、嗜熱菌菌席(mats)、以及火山口環(huán)境組成白灰色和橙黃色(含硫化物)為嗜熱菌菌席，棒狀體為管蟲類無脊椎動物石內(nèi)微生物（endolithic microorganism）云南騰沖熱海熱泉六、 微生物學(xué)及其分支學(xué)科（一）微生物學(xué)及其研究對象微生物學(xué)概念:概括地講，微生物學(xué)（Microbiology）是研究微生物及其生命活動規(guī)律的學(xué)科。從細(xì)胞、分子或群體水平上研究微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進(jìn)化等生命活動基本規(guī)

20、律，并將其在實(shí)踐領(lǐng)域應(yīng)用的學(xué)科。研究對象:研究內(nèi)容涉及形態(tài)結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)特點(diǎn)，生理生化，生長繁殖，遺傳變異，分類鑒定，生態(tài)分布以及微生物在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等各方面的應(yīng)用。研究任務(wù)和目的：充分發(fā)掘、利用、改善和保護(hù)有益微生物；控制、消滅或改造有害微生物，更好地為人類社會進(jìn)步服務(wù)。（二）微生物學(xué)的分支學(xué)科（一）根據(jù)基礎(chǔ)理論研究內(nèi)容不同，形成的分支學(xué)科 微生物生理學(xué)（Microbiol Physiology） 微生物遺傳學(xué)（Microbiol Genetics） 微生物生物化學(xué)（Microbiol Biochemistry） 微生物分類學(xué)（Microbiol Taxonomy） 微生物生態(tài)學(xué)等（Microbiol Ecology）。 （二）根據(jù)微生物類群不同，形成的分支學(xué)科 細(xì)菌學(xué)（Bacteriology） 病毒學(xué)（Virology） 真菌學(xué)（Fungi） 放線菌學(xué)（Actinomycetes）等。 （三）根據(jù)微生物的應(yīng)用領(lǐng)域不同，形成的分支學(xué)科 工業(yè)微生物學(xué)（Intustrial Microbiology） 農(nóng)業(yè)微生物學(xué)（Agricultural Micro