第一章 緒論 一二三四五

第一章緒論1浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院一、什么是微生物？微生物（microorganism，microbe）

微生物是所有形體微小的單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的多細(xì)胞，以及沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的通稱(chēng)。1.定義微生物?。瓊€(gè)體微小簡(jiǎn)－構(gòu)造簡(jiǎn)單低－進(jìn)化地位低是一切肉眼看不見(jiàn)或看不清楚的微小生物的總稱(chēng)。“微生物”不是分類(lèi)學(xué)上的名詞微生物家族成員微生物病毒、亞病毒（類(lèi)病毒、擬病毒、朊病毒）古生菌（Archaea）真細(xì)菌（Eubacteria）真菌（酵母、霉菌等）、單細(xì)胞藻類(lèi)、原生動(dòng)物等非細(xì)胞型細(xì)胞型原核微生物真核微生物（Eukarya）細(xì)菌、放線(xiàn)菌、藍(lán)細(xì)菌、衣原體、支原體、立克次氏體等2.種類(lèi)二、人類(lèi)對(duì)微生物世界的認(rèn)識(shí)史（一）一個(gè)難以認(rèn)識(shí)的微生物世界微生物的認(rèn)識(shí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。漫漫長(zhǎng)夜終見(jiàn)曙光。人類(lèi)認(rèn)識(shí)微生物世界的四大障礙：

1）個(gè)體微??；2）外貌不顯；3）雜居混生；4）因果難聯(lián)。（二）微生物學(xué)的發(fā)展史

微生物在地球上存在了30多億年，人類(lèi)在數(shù)百萬(wàn)年前出現(xiàn)之后就一直和微生物發(fā)生著千絲萬(wàn)縷的密切聯(lián)系。

微生物學(xué)的發(fā)展歷史，可分為五個(gè)時(shí)期，即：史前期、初創(chuàng)期、奠基期、發(fā)展期、成熟期。1、史前期：大約距今8000年前--1676年感性認(rèn)識(shí)階段進(jìn)展：人們不自覺(jué)地和微生物頻繁地打交道，并憑自己的經(jīng)驗(yàn)在實(shí)踐中開(kāi)展利用有益微生物和防治有害微生物的活動(dòng)。由于在思想方法上停留在“實(shí)踐—實(shí)踐—實(shí)踐”的基礎(chǔ)上，因此只能長(zhǎng)期處于低水平的應(yīng)用階段。貢獻(xiàn)：人民在自己的生產(chǎn)實(shí)踐中都累積了許多利用有益微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗(yàn)，例如發(fā)面，天然果酒和啤酒的釀造，牛乳和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來(lái)治療一些疾病,制曲釀酒、制醬和醋、輪作、種人痘等。豐富多彩的酒文化遠(yuǎn)古人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類(lèi)最早發(fā)明的酒我國(guó)古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫(huà)像）豐富多彩的酒文化公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場(chǎng)面2、初創(chuàng)期：1676年——1861年形態(tài)學(xué)發(fā)展階段進(jìn)展：在這一時(shí)期中，人們對(duì)微生物的研究?jī)H停留在形態(tài)學(xué)描述的低級(jí)水平上，而對(duì)它們的生理活動(dòng)及其與人類(lèi)實(shí)踐活動(dòng)的關(guān)系卻未加研究，因此，微生物學(xué)作為一門(mén)學(xué)科在當(dāng)時(shí)還未形成。微生物學(xué)的先驅(qū)者：十七世紀(jì)最偉大的業(yè)余科學(xué)家—列文·虎克（AntonyvanLeeuwenhoek）1674～1695年，列文虎克制造分辨率大的單式顯微鏡；列文虎克的貢獻(xiàn)：（1）制作了419架顯微鏡或放大鏡，50－200倍，266倍；（2）用顯微鏡觀察了許多微生物，1676年首次觀察到細(xì)菌；（3）發(fā)表論文400篇，其中375篇寄往英國(guó)皇家學(xué)會(huì)發(fā)表。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員（1680年）巴黎科學(xué)院通訊院士3、奠基期：1861年～1897年巴斯德

微生物學(xué)之父發(fā)現(xiàn)并證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的；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”徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說(shuō)；著名的曲頸瓶試驗(yàn)無(wú)可辯駁地證實(shí)，空氣內(nèi)確實(shí)含有微生物，是它們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗。巴斯德主要貢獻(xiàn)：（1）提出了生命只能來(lái)自生命的胚種學(xué)說(shuō)，徹底否定了自然發(fā)生說(shuō)（1861年）；（2）指出了發(fā)酵(傳染病、腐敗)的真正原因是微生物活動(dòng)的結(jié)果；（3）在人類(lèi)防病治病方面的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)病原菌減毒可誘發(fā)免疫性，首次制成狂犬疫苗，證實(shí)了免疫學(xué)說(shuō)；（4）發(fā)明巴氏消毒法巴斯德消毒法：60～65℃作短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物，防治“酒病”（5）證實(shí)有些微生物只能在缺氧的環(huán)境中生活，并在微生物學(xué)中引進(jìn)了“好氧”和“厭氧”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)2.柯赫

細(xì)菌學(xué)的奠基人（1）微生物學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn)a）細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立（純種分離技術(shù)）土豆切面→營(yíng)養(yǎng)明膠→營(yíng)養(yǎng)瓊脂（平皿）b）設(shè)計(jì)了各種培養(yǎng)基，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)各種微生物的培養(yǎng)（懸浮培養(yǎng)法）c）流動(dòng)蒸汽滅菌d）染色觀察（細(xì)菌細(xì)胞染色技術(shù)）和顯微攝影（2）對(duì)病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn)：a）具體證實(shí)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(jiǎng)）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(lái)；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(huì)重復(fù)發(fā)生；4、從試驗(yàn)發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來(lái)。4、發(fā)展期：

1897年～1953年

生化水平研究階段進(jìn)展：該時(shí)期是微生物學(xué)發(fā)展迅速的時(shí)期，開(kāi)創(chuàng)了微生物生化研究的時(shí)代，各學(xué)科相互滲透，形成了許多應(yīng)用微生物的分支學(xué)科，如抗生素發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等；發(fā)現(xiàn)微生物的代謝統(tǒng)一性，開(kāi)展尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物，出現(xiàn)了微生物學(xué)發(fā)展史上的第二個(gè)“淘金熱”；青霉素的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)。1897年，布赫納(Buchner)研究磨碎了的酵母菌的發(fā)酵作用，因而把酵母菌的生命活動(dòng)和酶的化學(xué)緊密聯(lián)系起來(lái)。特點(diǎn)：進(jìn)入生化水平的研究形成綜合性普通微生物學(xué)沒(méi)有酵母的酒精發(fā)酵（Discoveryofcell-freefermentation）——德國(guó)E.Buchner霉菌菌落周?chē)霈F(xiàn)抑制萄

葡球菌生長(zhǎng)的抑制現(xiàn)象產(chǎn)黃青霉菌落細(xì)菌生長(zhǎng)抑制區(qū)域正常細(xì)菌生長(zhǎng)區(qū)域5、成熟期：1953年～現(xiàn)在。

分子生物學(xué)發(fā)展階段從1953年4月25日Watson和Crick在英國(guó)的《自然》上發(fā)表DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型起，整個(gè)生命科學(xué)就進(jìn)入了分子生物學(xué)研究的新階段。特點(diǎn)：（1）微生物學(xué)迅速成長(zhǎng)為一門(mén)十分熱門(mén)的前沿基礎(chǔ)學(xué)科；（2）在基礎(chǔ)理論的研究方面，微生物迅速成為分子生物學(xué)研究中的最主要的對(duì)象；（3）在應(yīng)用研究方面，向著更自覺(jué)、更有效和可人為控制的方向發(fā)展，至70年代初，成為新興的生物工程中的主角。微生物在生物工程中的應(yīng)用，微生物學(xué)發(fā)展史上的第三個(gè)“淘金熱”。沃森克里克

他們獨(dú)一無(wú)二的開(kāi)闊眼界和敏捷思維，使沃森和克里克當(dāng)之無(wú)愧地獲得了1962年諾貝爾獎(jiǎng)。法國(guó)人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）巴斯德逝世百年紀(jì)念郵票1905年，德國(guó)人科赫獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)，主要是為了表彰他在肺結(jié)核研究方面的貢獻(xiàn)。三、微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類(lèi)的進(jìn)步一）醫(yī)療保健1、建立外科消毒術(shù)；2、找到人畜病原菌；3、免疫防治法的發(fā)明和應(yīng)用；4、化學(xué)治療劑的發(fā)現(xiàn)；5、抗生素的大規(guī)模生產(chǎn)和推廣；6、利用工程菌生產(chǎn)生化藥物：二）工業(yè)發(fā)展1、食品罐藏防腐；2、釀造技術(shù)的改進(jìn)；3、純種厭氧發(fā)酵的建立；4、深層液體通氣攪拌培養(yǎng)；5、代謝調(diào)控理論在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用；6、生物工程的興起；生物工程又稱(chēng)生物技術(shù)，是20世紀(jì)70年代初開(kāi)始興起的一門(mén)新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科。所謂生物工程，一般認(rèn)為是以生物學(xué)(特別是其中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞學(xué))的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機(jī)械、電子機(jī)算機(jī)等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運(yùn)用分子生物學(xué)的最新成就，自覺(jué)地操縱遺傳物質(zhì)，定向地改造生物或其功能，短期內(nèi)創(chuàng)造出具有超遠(yuǎn)緣性狀的新物種，再通過(guò)合適的生物反應(yīng)器對(duì)這類(lèi)“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨(dú)特生理功能一門(mén)新興技術(shù)。生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細(xì)胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程。在這五大領(lǐng)域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動(dòng)植物細(xì)胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來(lái)基因，成為能表達(dá)超遠(yuǎn)緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細(xì)胞株”。后三者的作用則是為這一有巨大潛在價(jià)值的新物種創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)與繁殖條件，進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

三）農(nóng)業(yè)進(jìn)步以菌治蟲(chóng)：如Bt殺蟲(chóng)劑以菌治?。耗承┪⑸锬軌虍a(chǎn)生具抑制或殺死植物病原菌的物質(zhì),該物質(zhì)稱(chēng)農(nóng)用抗菌素。以菌治草：微生物治草劑以菌增肥：主要是根瘤菌肥即含固氮菌活菌的肥料。以菌促長(zhǎng)：如赤霉菌產(chǎn)生的赤霉素以菌作飼（餌）：菌體蛋白飼料、飼料酵母以菌作菜：各種食用菌以菌產(chǎn)能：沼氣等四）環(huán)境保護(hù)微生物在環(huán)境保護(hù)中起到了至關(guān)重要的作用，原因：1、微生物是食物鏈中的重要環(huán)節(jié)；2、微生物是地球垃圾的清理者；3、微生物是污水處理中的關(guān)鍵角色；4、微生物是生態(tài)農(nóng)業(yè)中最重要的一環(huán)；5、微生物是自然界元素循環(huán)的首要推動(dòng)者；五）微生物學(xué)對(duì)生物學(xué)基礎(chǔ)理論研究的貢獻(xiàn)微生物有著其獨(dú)特的生物學(xué)特點(diǎn)：①微生物多為單細(xì)胞，個(gè)體體制簡(jiǎn)單；②微生物多為單倍體，突變易于檢出；③易于人工培養(yǎng)（培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單）并容易獲得純培養(yǎng)；；④代時(shí)短，繁殖快，實(shí)驗(yàn)周期短；⑤在液體培養(yǎng)條件下易于積累代謝產(chǎn)物等。因此微生物常常被用作研究復(fù)雜生物的簡(jiǎn)單模型，是分子生物學(xué)、遺傳學(xué)研究的良好材料。1.解決了生物學(xué)上的許多重大爭(zhēng)論問(wèn)題2.是分子生物學(xué)的三大來(lái)源和三大支柱之一3.使經(jīng)典遺傳學(xué)發(fā)展為分子遺傳學(xué)4.微生物與基因工程（作為基因載體與基因受體）5.高等生物研究和利用中的微生物化趨向方興未艾6.微生物學(xué)獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)擴(kuò)散到生命科學(xué)各領(lǐng)域四、微生物的五大共性（一）體積小，面積大（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快（三）生長(zhǎng)旺，繁殖快（四）分布廣，種類(lèi)多（五）適應(yīng)強(qiáng)，易變異測(cè)量單位：微米或納米細(xì)胞核動(dòng)物細(xì)胞病毒細(xì)菌（一）體積小，面積大桿菌的平均長(zhǎng)度和寬度：2μm和0.5μm3000個(gè)桿菌首尾相連=一粒大米的長(zhǎng)度

10-100億個(gè)細(xì)菌加起來(lái)重量=1毫克針尖上的細(xì)菌比面值=表面積／體積=3／r任何物體被分割得越細(xì)，其單位體積所占的表面積就越大；Eg.人比面值=1；

大腸桿菌比面值=30萬(wàn)。結(jié)論這樣大的比表面積特別有利于它們和周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的交換，并由此而產(chǎn)生其余4個(gè)共性!（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快生物界的普遍規(guī)律某一生物的個(gè)體越小，其單位體重所消耗的食物就越多。為高速生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)

消耗自身重量2000倍食物所需的時(shí)間大腸桿菌1小時(shí)人500年（按400斤/年計(jì)算）1.胃口大2.食譜廣微生物獲取營(yíng)養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動(dòng)植物完全無(wú)法相比的！凡是動(dòng)植物能利用的營(yíng)養(yǎng)，微生物都能利用，大量的動(dòng)植物不能利用的物質(zhì)，甚至劇毒的物質(zhì)，微生物照樣可以視為美味佳肴。

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(lèi)、氰化物、各種有機(jī)物均可被微生物作為糧食。產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比食用公牛強(qiáng)10萬(wàn)倍比大豆強(qiáng)100倍微生物加工廠(chǎng)（三）生長(zhǎng)旺，繁殖快微生物以驚人的速度“生兒育女”24小時(shí)后：4722366500萬(wàn)億個(gè)后代，重量達(dá)到：4722噸48小時(shí)后：2.2×1043個(gè)后代，重量達(dá)到2.2×1025噸相當(dāng)于4000個(gè)地球的重量!!!大腸桿菌一個(gè)細(xì)胞重約10–12克，平均20分鐘繁殖一代大腸桿菌驚人的增殖速度微生物的代時(shí)和每日增殖率

微生物名稱(chēng)代時(shí)每日分裂次數(shù)溫度（℃）每日增殖率細(xì)菌乳酸菌38分38252.7×1011大腸桿菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草桿菌31分46307.0×1013光合細(xì)菌144分10301.0×103釀酒酵母120分12304.1×103藻類(lèi)小球藻7小時(shí)3.42510.6念球藻23小時(shí)1.04252.1硅藻17小時(shí)1.4202.64草履蟲(chóng)10.4小時(shí)2.3264.92為微生物學(xué)基本理論研究帶來(lái)了極大的便利：使科研周期大大縮短，效率提高在生產(chǎn)實(shí)踐中有重要的意義：生產(chǎn)效率高，發(fā)酵周期短（四）適應(yīng)強(qiáng)，易變異微生物對(duì)環(huán)境條件尤其是惡劣的“極端環(huán)境”具有驚人的適應(yīng)力，這是高等生物所無(wú)法比擬的。例如，多數(shù)細(xì)菌能耐0℃到－196℃的低溫；在海洋深處的某些硫細(xì)菌可在250℃-300℃的高溫條件下正常生長(zhǎng)；一些嗜鹽細(xì)菌甚至能在飽和鹽水中正常生活；產(chǎn)芽孢細(xì)菌和真菌孢子在干燥條件下能保藏幾十年、幾百年甚至上千年。耐酸堿、耐缺氧、耐毒物、抗輻射、抗靜水壓等特性在微生物中也極為常見(jiàn)。個(gè)體小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且多是單細(xì)胞，繁殖快、數(shù)量多，與外界環(huán)境直接接觸等特點(diǎn)，使微生物易發(fā)生變異。突變率：10-5–10-10易變異短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的變異后代青霉素的生產(chǎn)：20單位/ml（1943）50000單位/ml青霉素的用量：最高：10萬(wàn)單位/天（40年代）數(shù)百萬(wàn)-千萬(wàn)單位/次青霉素：（五）分布廣，種類(lèi)多微生物的分布可謂是無(wú)孔不入!無(wú)處不在！“身在菌中不知菌”：1)土壤是各種微生物生長(zhǎng)繁殖的大本營(yíng)；2)空氣里懸浮著無(wú)數(shù)細(xì)小的塵埃和水滴，它們是微生物在空氣中的藏身之地;3)各種水域中也有無(wú)數(shù)的微生物;4)從人和動(dòng)植物的表皮到人和動(dòng)物的內(nèi)臟，也都經(jīng)常生活著大量的微生物。物種的多樣性生理代謝類(lèi)型的多樣性代謝產(chǎn)物的多樣性遺傳基因的多樣性生態(tài)類(lèi)型的多樣性參見(jiàn)書(shū)P6微生物的生物多樣性微生物的多樣性包括所有微生物的生命形式、生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過(guò)程以及有關(guān)微生物在遺傳