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1、微生物学Microbiology,掌握微生物的基本特性及其生命活动规律；牢固掌握微生物学的基本理论和基础知识；熟悉微生物学常用的研究方法和实验技术；了解微生物学的发展方向、趋势和研究热点。,第一章 绪论Introduction,本章目的与要求掌握微生物的特点。熟悉熟悉微生物的概念、类群，微生物类群以及重要科学家对微生物学发展的重要贡献。了解微生物与生活及生产的关系。,一、微生物的类群及其特点,微生物是一切微小生物的总称。是一些个体微小、构造简单的低等生物。,1. 个体小、面积大 2. 吸收多、转化快3. 生长旺、繁殖快4. 适应强、易变异5. 分布广、种类多,微生物的特点（五大共性）,Km m
2、 mm m nm,动、植物界,微生物界(包括动、植物的单细胞培养株),动、植物界与微生物界个体大小的比较,1. 体积小、面积大,测量单位：微米或纳米,杆菌的平均长度：2 微米；1500个杆菌首尾相连 = 一粒芝麻的长度；10-100亿个细菌加起来重量 = 1 毫克；面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30 万。这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。,2. 吸收多、转化快,实例Escherichia coli (E. coli)大肠埃希氏菌 ( 大肠杆菌 )耗乳糖 2000倍/每小时.自重 (约为人类的300万倍)Can
3、diada utilis产朊假丝酵母合成蛋白质的能力为大豆的100倍、公牛的100,000倍,“活的化工厂”,3. 生长旺、繁殖快,实例 Vibrio Natriegens (需钠弧菌) 9.8分钟/代 E. coli 12.520.0分钟/代 经24 h产生4.7221021个后代，重约4722吨。 Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) 120分钟/代,4. 适应强、易变异,具有灵活的适应性 常温常压环境：动植物生存环境 适应极端环境能力强：,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10-5 10-10,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、 数量多,易变异,
4、例：产量 Penicillium chrysogenum 产黄青霉 20U/mL1943 510万U/mL,5. 分布广、种类多,分布广 生物圈的开拓者和永久居民,实例1 人体正常菌群：皮肤、口腔、呼吸道、消化道、泌尿生殖系统,实例2 土壤、空气、水实例3 高空实例4 深海海底实例5 强酸、强碱、高热的极端环境实例6 常年封冻的冰川,从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但认为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%。,种类多,二、微生物学的建立与发展简史,微生物学的研究内容和分科,微生物学：研究微生物细胞结构和
5、生命活动规律的科学,1. 形态学时期（微生物的发现和微生物学的建立） 列文虎克2. 生理学时期（微生物学的奠基） 巴斯德、科赫3. 分子生物学时期（20世纪40年代 ）4. 基因组与后基因组时期（20世纪末 ）,微生物学的建立与发展简史,我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500年前发明酿酱、醋，用“曲”治消化道疾病；公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”，详细记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋。公元九世纪我国发明痘浆法、痘衣法预防天花；16世纪，古罗马医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见的生物引起的；1641年，明末医生吴又可也提
6、出“戾气”学说。,1. 形态学时期（17世纪后期 ）,Leeuwenhoek 列文虎克（1676年）观察到细菌。微生物学先驱者 能工巧匠：一生中制作400多架单式显微镜。 敏锐的观察家 多产的业余科学家：一生发表400余篇论文， 375篇在英国皇家学会发表。 1680年被选为英国皇家学会的会员。,Leeuwenhoek 列文虎克,单式显微镜（50-200倍）,列文虎克的贡献,最大贡献是用自制的显微镜发现了微生物。 首次揭示了一个崭新的生物世界微生物界。,2. 生理学时期（19 世纪 60 年代初 ）,微生物学的奠基人物微生物学奠基：L. Pasteur 巴斯徳（18221895）细菌学奠基：R
7、. Koch 科赫（18431910）,化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”,1、发现好酒中有一种微生物，就是今天知道的酵母。2、酸败的酒（“酒病”）中带有一类比酵母小的多的微生物，现在我们知道是细菌（乳酸杆菌）。首先发明在加入酵母前先将葡萄提取液短暂加热，来减少细菌引起的酸败。,巴斯德的工作（一）发酵是由微生物引起的,巴斯德的工作（二）彻底否定“自然发生”学说,曲颈瓶试验：巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻璃，其中盛有有机物水浸液，经加热灭菌后，瓶内可一直保持无菌状态，有机物不发生腐败，因为弯曲的瓶颈阻挡了外面空气中微生物直达有机物浸液内，一旦瓶内浸液接触到了微生物
8、，有机物发生腐败。巴斯德彻底否定了“自生说”，并建立“胚种说”“病原学说” 。,著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。,巴斯德的工作（三）免疫学、预防接种,首次制成狂犬疫苗,巴斯德的工作（四）巴氏消毒法,以60 65作短时间加热处理，杀死有害微生物的一种消毒法，一直沿用至今。如牛奶、啤酒和酱油等不能高温灭菌的物品，且不影响其原有的风味。,巴斯徳工作室巴斯徳研究院,科赫的工作：（1）对病原菌的研究作出了突出贡献。如证实了炭疽病的病原菌（1877 ）；发现了当时死亡率极高的传染病肺结核病的病原菌（1882） ，因此柯赫获得了诺贝尔奖；（2）提出了科赫法则证明
9、某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则。 （3）为微生物学的发展奠定了技术基础。如固体培养基分离纯化微生物；配制培养基等。,土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿）,科赫法则判定某种微生物引起特定疾病，必须同时满足：,1、相关性：这种微生物必须在所有患该种疾病的生物体内都存在，但在健康生物中不存在；2、可分离培养：必须将这种微生物分离出来，作纯种培养；3、可人工感染：当用这种分离出来的微生物接种到一个健康寄主时，必须能够引起同样的疾病；4、可再分离：必须能够从接种感染的生物体内再次分离得到这种微生物。,李斯特：外科手术器械消毒奠基人,约瑟夫李斯特英国医生以巴斯德在酿酒中的研究为基础提出微生物是外
10、科手术感染的主要原因（1867）发明用石炭酸消毒手术器械、衣物和手术环境，可大大降低感染的机会,照片,1897年德国学者毕希纳发现酵母菌的无细胞提取 液能与酵母一样具有发酵糖液产生乙醇的作用， 从而认识了酵母菌酒精发酵的酶促过程，将微生 物生命活动与酶化学结合起来。 1929年，弗莱明发现青霉菌能抑制葡萄球菌的生长，揭示了微生物间的拮抗关系，并发现了青霉素。,霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象,产黄青霉菌落,细菌生长抑制区域,正常细菌生长区域,青霉素的发现,3. 分子生物学时期,1944年，艾弗里第一次证实引起肺炎双球菌形成荚膜的物质是DNA。1952年，赫尔希(ADHershey)和
11、蔡斯(Chase)的噬菌体侵染细菌实验进一步证实DNA是主要的遗传物质。,1953年，沃森和克里克（Watson、Crick）提出了DNA分子的双螺旋结构模型和核酸半保留复制学说。,J.D.Waston, H.F.C.Crick发现DNA双螺旋模型,1961年，法国生物学家雅各布(F.Jacob)和莫诺德（J.Monod）根据在大肠杆菌中的研究结果提出乳糖操纵子模型，标志着基因调控研究的开始。,1977 年， C. Woese 等在分析原核生物 16S rRNA 和真核生物 18S rRNA 序列的基础上，提出了可将自然界的生命分为细菌、古菌和真核生物三域（ domain ），揭示了各生物之间
12、的系统发育关系，使微生物学进入到成熟时期。,1977年Woese三元界分类系统,4.基因组及后基因组时期,1977年Sanger完成了噬菌体-X174基因组的全序列（DNA序列）测定。 1990年启动人类基因组计划。1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。 1995第一个独立生活的生物（流感嗜血杆菌）全基因组序列测定完成以来，已有4514个细菌基因组和307个古菌基因组序列发布（2013-08-29）。,基因组（genome)：整个基因组的全部基因。,检测和鉴别各种分子并研究其功能。,系统生物学（System Biology）,在已经完成测序的微生物中，除了少数模式菌株如大肠杆菌、
13、酿酒酵母、古菌等以外， （1）病原微生物是研究的重点； （2）资源微生物，在资源微生物中，具有重要工业、农业价值的微生物占主要。其中药源菌的基因组则为各个制药公司所重视。,“可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存”。,三、微生物与人类的关系,我们生活在“微生物的海洋”微生物是人类的朋友少数微生物也是人类的敌人微生物与“四大工程”的关系,1.我们生活在“微生物的海洋”,自然环境中存在大量微生物,土壤,河流、海洋、湖泊、池塘,生活环境中存在大量微
14、生物,2. 微生物是人类的朋友,微生物是自然界物质循环的关键环节在生物圈内的物质循环过程中，如果没有众多微生物的参与，自然界的许多元素循环可能就会中断(CNOS)。,人体肠道正常菌群，在肠道中能合成核黄素、维生素 B12 、维生素K等多种维生素以及氨基酸以供人体吸收利用。灵芝、猴头菇、虫草菌、金针菇、香菇、灰树花等食用菌，其味道鲜美、营养丰富，能强化人体免疫力。,微生物有利于人类健康,微生物为我们提供了很多有用的产品,馒头、酱油、醋、酒、味精、面包、酸奶等；氨基酸、有机酸、维生素、激素、酶制剂等；疫苗、各种抗生素等；, 微生物对工业、农业、环保领域的贡献,工业：燃料乙醇、微生物电池、冶金、采油
15、等；农业：杀虫剂、除草剂、肥料、饲料等；环保：环境监测、污染物降解、石油和天然气脱硫、 污水处理和净化等,3.少数微生物也是人类的敌人,微生物能导致人类疾病，威胁人类的健康和生命微生物能导致工业产品损坏微生物能导致农产品腐败,历史上微生物疾病引起的灾难,鼠疫（黑死病，鼠疫杆菌）霍乱（霍乱弧菌引起的烈性肠道传染病）天花（天花病毒引起的烈性传染病）艾滋病（人类免疫缺陷病毒HIV）SARS（冠状病毒）禽流感（）,天花病毒(Smallpox virus)3000年起源于埃及（拉美西斯五世木乃伊）病症：发热、大量水泡性红肿死亡率：30以上；幸存者常伴随失明等严重残疾,墨西哥人口随着西班牙殖民者的到来而急
16、剧下降,死于天花的帝王：中国清世祖爱新觉罗福临 （ 1661）日本天皇Gokomyo（1654） 和 Higashiyama（1709）; 英国女皇玛丽二世（1694）俄国沙皇彼德二世（1730）法国国王路易十五（1774）奥地利皇帝 Ferdinand四世（ 1654）和 Joseph一世（1711）,Edward Jenner (1749 1823)牛痘接种预防天花,1979年10月26日联合国世界卫生组织在内罗毕宣布，全世界已经消灭了天花病，并且为此举行了庆祝仪式。,艾滋病,定义：由HIV病毒感染后，宿主免疫系统受到破坏，逐渐成为许多伺机性疾病的攻击目标，促成多种临床症状，统称为获得性免
17、疫缺陷综合症，而非单纯的一种疾病。,传播途径：血液、性接触、母婴,08 年资料：全球艾滋病疫情蔓延的趋势还没有得到逆转。据联合国艾滋病规划署统计，目前全球共有万名艾滋病病毒感染者，其中万名感染者分布在撒哈拉沙漠以南的众多非洲国家（南非最多）；亚洲有近万名感染者（印度最多）；东欧和中亚地区约万名；拉美地区约万名；北美、西欧和中东欧地区约万名，其中美国约万名。,中国艾滋病现状,中国第一例艾滋病病例是在1985年发现的。中国艾滋病感染者超过100万人（24万患者死亡），处亚洲第2 位，全球第14位（2010）。中国31个省、自治区、直辖市全部有HIV感染者的报告。艾滋病防治工作十分严峻！,SARS就
18、是传染性非典型肺炎，全称严重急性呼吸综合征（英文全称是Severe Acute Respiratory Syndromes），简称SARS，是一种因感染SARS相关冠状病毒而导致的一种新的呼吸道传染病. 主要症状：发热、干咳、胸闷为，严重者出现快速进展的呼吸系统衰竭。 SARS冠状病毒主要通过近距离的飞沫传播、接触患者的分泌物以及密切接触传播，是一种新出现的病毒，人群不具有免疫力，普遍易感。 资料：中国内地累计病例5327例，死亡349人；中国香港1755例，死亡300人；中国台湾665例，死亡180人,传染性非典型肺炎,禽流感,流感病毒属于RNA病毒的正黏病毒科，颗粒外膜由两型表面糖蛋白覆盖
19、，一型为血细胞凝集素（即H），一型为神经氨酸酶（即N），H又分15个亚型，N分9个亚型。所有人类的流感病毒都可以引起禽类流感，但不是所有的禽流感病毒都可以引起人类流感，禽流感病毒中，H3、H5、H7、H9可以传染给人，其中H5为高致病性。H3为人犬共患，依据流感病毒特征可分为HxNx共135种亚型。H5N1，H3N2，H9N2，H7N9,微生物疾病的现实威胁,原来的病原微生物并没有消失鼠疫：在我国许多地区依然时有发生结核病：在得到有效控制后，近年再度猖獗病毒性肝炎：仍然是我国危害最广的疾病之一疟疾：热带地区的多发病 新的病原微生物不断产生.,1999年，马来西亚，暴发了 一场严重的流行病269
20、人染病，死亡108人，死亡率高达40患者均与养猪业或屠宰业有关，经屠宰上百万头猪才终止了流行。,新出现的病毒：Nipah 病毒,病原是一种全新的病毒，命名为Nipah病毒。原是一种蝙蝠的病毒，对人无害，但经猪这一中间寄主，发生变异，成为对人高度毒性的了。人畜共患病：可能成为新病毒的重要来源。,Nipah 病毒：蝙蝠传播的病毒,微生物疾病的现实威胁,越来越多的原来的非传染性疾病，现在发现也与微生物密切相关。胃溃疡：幽门螺旋体结石：细菌感染（细菌感染和胆固醇结石的形成有关系）多种心血管疾病、糖尿病，乃至行为疾病肿瘤：多种细菌、病毒等,引起肿瘤的病毒,约有16的肿瘤是由感染引起的已经确认的引起肿瘤的
21、病毒有：Epstein Barr 病毒(EB病毒）：引起鼻咽癌，伯杰氏淋巴瘤等 (此病毒最早始由英国学者M. A. Epstein及Y. M. Barr建立了淋巴瘤细胞株，并利用电子显微镜确认病毒颗粒的形态（Epstein and Barr, 1964）。 乙肝病毒、丙肝病毒 ：肝癌,人乳头瘤病毒（16，18型）：子宫颈癌人8型疱疹病毒：卡玻西肉瘤（艾滋病人）人T细胞白血病病毒：白血病,微生物导致工业产品损坏各种工业器材，如金属、仪表、电讯器材、绝缘材料和纺织品等，它们含有一些可被微生物利用的成分，因此，都会受到微生物的侵蚀，使之老化变质。,微生物导致农产品腐败 粮、油原料及其制品，含有丰富的
22、养分，它们是微生物的天然营养基地，如果其他条件适宜，很多微生物就会迅速地繁殖起来。,4. 微生物与“四大工程”的关系(自学）,微生物与发酵工程、食品工程、环境工程、制药工程关系十分密切，在工业、食品、环境、制药等领域应用及其广泛。,1. 微生物与发酵工程现代发酵工程可以生产氨基酸、维生素、有机酸等工业产品，生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。,2. 微生物与食品工程发酵食品是人类利用有益微生物加工制造的一类食品，具有独特的风味。食品发酵工业越来越深
23、地同国民经济部门发生关系，涉及的范围十分广泛，主要包括酿酒工业（啤酒、葡萄酒、白酒等）、调味品工业（酱油、酱、豆豉、腐乳、酱腌菜、食醋、味精等）和微生物菌体蛋白发酵工业（酵母、单蛋白细胞等）。微生物在食品工业的应用是随着微生物学科的发挥而不断壮大的，许多新的食品都可以用发酵方法来生产。,3. 微生物与制药工程我国微生物药物的生产已初具规模，如抗生素产量不断增加，质量逐步提高，品种逐渐增多，发酵单位也稳步上升，产品产量居世界首位。目前，临床应用的微生物药物约60余种，加上半合成产品有200余种，产值约占医药工业产值的15%。,4. 微生物与环境工程微生物在环境保护上应用越来越受到社会关注。利用微
24、生物处理污染物的范围不断扩大，不仅处理有机废水和固体废物，还能处理废气和水体中的重金属。利用微生物实现废物资源化和能源化，如废水产氢、产乙醇和产甲烷等等。利用高浓度有机废水生产单细胞蛋白已经工业化。,本章小结与要求,微生物是形体微小、单细胞或个体结构简单的多细胞或无细胞结构的低等生物的通称。个体微小，结构简单，吸收多，转化快，生长旺，繁殖快，代谢类型多，分布广，种类多，适应强，易变异、微生物学是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，并将其应用于生物工程、食品工程、环境工程与制药工程等实践领域的科学，它经历了一个多世纪的发展，已分化出大量的分支学科。,微生物学发展大体可分为4期：形态学时期 、生理学时期与分子生物学时期以及基因组与后基因组时期。巴斯德、科赫等科学家作出了重要贡献。微生物是人类的朋友，也是人类的敌人。微生物与生物工程、食品工程、环境工程、制药工程关系十分密切，在工业、食品、环境、制药等领域应用极其广泛。本章要求掌握微生物的特点，熟悉微生物类群以及重要科学家对微生物学发展的重要贡献，了解微生物与生活及生产的关系。,习 题,1.名词解释：微生物，微生物学，科赫法则。2.简述微生物类群及其主要特征。3.列文虎克、巴斯德、科赫的主要贡献是什么？4. 试述微生物与人类的关系。,
