微生物资料 第一章 绪论课件.ppt

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1、第一章 绪论,微生物的概念微生物的共性微生物学的发展微生物学的分支学科微生物学的基本任务,一、微生物的概念,微生物：个体微小、结构简单的一类低等生物。微生物是一类形体微小、单细胞或个体较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称。 简单地说是人们对肉眼看不见的细小生物的总称。,特点,小（个体微小） nm 级：电镜下可见（细胞器、病毒） 少数肉眼可见 单细胞 简（结构简单） 简单多细胞um 级：光镜下可见（细胞） 非细胞 原核类：细菌，放线菌，支原体， 立克次氏体，衣原体，蓝细菌 低（进化地位低） 真核类：真菌（酵母菌，霉菌）， 原生动物，显微藻类 非细胞类：病毒，类病毒，元病毒,二、微生物

2、的共性,体积小，比表面积大：这是五大共性的基础，原因是一个小体积大面积系统必然有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的接受面。为高速生长繁殖和大量生长代谢产物提供了基础，使微生物有可能更好发挥“活的工厂”的作用。人类对微不足道生物的利用，主要在它们的生物转化能力。,微生物的共同特点1,吸收多，转化快生长旺，繁殖快适应强，易变异分布广，种类多,微生物的共同特点2,个体微小 一般微生物以mm表示其大小 病毒用nm表示大小 结构简单 单细胞 简单多细胞 无细胞,微生物的共同特点3,代谢活跃 吸收、转化物质速度极快。 发酵乳糖的细菌每小时可分解其自重的100010000倍 产朊假丝酵母

3、合成蛋白质的能力较大豆强100倍，较成年公牛强105倍,方式多样 能利用的有机基质极为广泛，CO2 有机化能，无机化能 ，光能 好氧呼吸，厌氧呼吸，发酵，（兼性） 途径多种多样 产物多种多样,微生物的共同特点4,繁殖快速 大肠杆菌在适宜条件下37oC时的世代时间为18min，每24 h可分裂80次，即增殖数为1.2x1024容易变异 微生物的自然变异频率可达10-510-10 变异可涉及到任何形状 形态构造，代谢途径，生理特性，抗原抗性，产物种类，产物数量,微生物的共同特点5,抗逆性强 抗热性 抗压性 抗寒性 抗酸性 抗碱性,抗干燥性 抗缺氧性 抗辐射性 抗毒物性,休眠期长 具有特殊的休眠构造

4、 芽孢，孢子，胞囊 菌丝体特异结构 菌核，菌索 芽孢休眠期可达几年，几百年，上千年,微生物的共同特点6,种类繁多 目前已确定的微生物种类有105以上，每年仍以几百上千的新种在被发现 目前所了解的微生物种类仅仅为自然界中的0.1%-1%左右数量巨大 每g土壤含几亿细菌 人体肠道内菌体总数 达1013个左右, 约2kg 全球海洋中的微生物总重量达28x1012kg,微生物的共同特点7,分布广泛 除了“明火”，火山喷发中心区和人为的无菌环境外，都有微生物的存在分类级宽 微生物横跨了无细胞结构生物、细胞结构生物中的原核生物和真核生物 除动物界和植物界外各界都为微生物而设,微生物与其他生物的共同点,遗传

5、信息都是以DNA和RNA作为载体，遗传信息表达的规则相同 都是以ATP作为能量代谢的载体 氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸的合成途径相同 蛋白质、脂肪、核酸和多糖的合成途径相同 细胞的化学组成相似,什么微 生 物 学？,是研究微生物及其生命活动规律的科学。,微生物学研究的范畴,1 微生物本身 形态结构，分类鉴定，生理生化， 生长繁殖，遗传变异，生态分布 2 微生物与微生物和其他生物植物、动物和人类的关系有益、有害、致病 3 微生物在自然界各种元素生物地球化学 循环中的作用利用、转化、固定 4 微生物在工、农、医、环境保护、食品生产 中的应用促进人类可持续发展,微生物学的学科功能,基础学科 应用学科

6、 研究生命起源、本质、进化及其活动规律 促进国民经济的发展 保护人类、动植物的健康 保护自然环境和促进国民经济的可持续发展,微生物学的分支学科,以研究微生物本身分 普通微生物学 微生物形态学 微生物分类学 微生物生理学 微生物生物化学 微生物生态学 微生物遗传学 细胞微生物学,以研究对象分,细菌学 放线菌学 真菌学 病毒学 噬菌体学,藻类学 支原体学 厌氧微生物学 原生动物学,以应用方面分,工业微生物学 农业微生物学 食品微生物学 乳品微生物学 医学微生物学 兽医微生物学 抗生素学 免疫学 土壤微生物学 水域微生物学 环境微生物学 沼气发酵微生物学 水产微生物学 海洋微生物学 分析微生物学 实

7、验微生物学 发酵微生物学 预防微生物学,正在发展的新兴学科,微生物分子生物学 分子微生物学 微生物化学分类学 微生物数值分类学微生物地球化学 宇宙微生物学 微生物基因组学 微生物蛋白质组学 微生物分子系统学,微生物学的发展简史,问题：为什么微生物学的建立要比动、植物晚？原因：1、个体微小；2、外貌不显；3、杂居混生；因果难联。微生物学历史发展的早期，就是围绕如何克服四大障碍而开展各种研究工作的。当人们还处于对微生物世界的无知状态时，对待眼前的微生物往往表现出“视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其恶”的愚昧状态。,微生物学的发展简史,实例：公元6世纪鼠疫第一次

8、大流行时，危及埃及、土耳其、意大利各阿富汗等国家和地区，死亡人数约1亿人；第二次（14世纪）流行时，欧洲约死2500万人口，亚洲约死4000万（其中国1300万）；上世纪末至本世纪初的第三次流行，发生在香港等地区，死亡人数约100万。这三次全球性的流行病共殃及2亿人口，比死亡最惨重的第二次大战（约死亡1.1亿）还多！植物病原微生物对农作物的危害也有类似的情况。19世纪中叶，由于第一次“绿色革命”的结果，在欧洲普遍只种植单一的高产粮食作物马铃薯，在1843-1847年间由于气候异常，致使欧洲发生马铃薯晚疫病的大流行，毁灭了5/6的马铃薯，个别地方甚至颗粒无收。当时爱乐兰的800万人口中，有近10

9、0万人直接饿死或间接病死，并有164万人往北美谋生。,微生物学的发展简史,史前时期人类对微生物的认识与利用 微生物学初创时期微生物形态认识时期 微生物学奠基时期微生物生理学发展时期 微生物学发展时期微生物生物化学发展时期 微生物学成熟时期微生物分子生物学发展时期,史前时期,酿酒，制醋，制酱 种植豆科植物 积肥，压青，沤粪 消毒，灭菌 麦曲治病,微生物学初创时期1,初创期（16世纪）：观察到了细菌和原生动物,微生物学初创时期2,代表性事件 利用单式显微镜观察了许多微小 物体和生物 制作了419架显微镜或放大镜（放大率50200倍，最高266倍） 发表了约400篇有关论文,微生物学奠基时期1,巴斯

10、德的主要贡献,否定了自生说免疫学-提出了预防接种措施（制备了狂犬疫苗）证实发酵由微生物引起（酒精发酵）其他：消毒法、家蚕软化（病原学说）,微生物学奠基时期3,Kochs 代表性事件,1、建立了研究微生物的一系列重要方法纯种分离，固体平板，鞭毛染色，悬滴培养，显微摄影 2、分离和纯化获得了许多传染病原菌 3、提出了Koch法则 (Kochs postulates),奠基时期 特点,建立了一系列研究微生物所必须的独特方法和技术 开创了寻找病原微生物的黄金时期 把研究从形态描述推进到生理学研究水平 开始以“实践-理论-实践”的思想方法指导科学实验 微生物学以独立的学科形式开始形成,微生物学发展时期,

11、进入微生物生物化学研究水平提出了酶的概念 应用微生物的分支学科进一步扩大出现抗生素等新学科 出现寻找有益微生物代谢产物的热潮 普通微生物学形成美国M.Doudoroff 各相关学科和技术相互渗透交叉促进，加速了微生物学的发展,微生物学成熟期,代表性人物 J.D.Watson & H.F.C.Crick,本时期特点,成为以应用为主的学科，前沿基础学科 逐步进入分子生物学水平 微生物已成为新兴的生物工程的主角,微生物生物多样性Microbial biodiversity,一、微生物形态与结构的多样性 1、形态多样性 球形，杆形，螺旋形，方形，其他各种形状 2、大小多样性 病毒nm，细菌mm, 大型

12、真菌几10几cm 3、结构多样性 无细胞结构，单细胞结构，多细胞结构；有或无多种多样的特殊结构,二、微生物的代谢多样性,1、微生物代谢的底物多样性 是其他生物所不可比拟的。微生物能利用的基质十分广泛，是任何其他生物所望尘莫及的，从无机的CO2到有机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂类等，从短链、长链到芳香烃类，以及各种多糖大分子聚合物(果胶质、纤维素等)和许多动、植物不能利用、甚至对其他生物有毒的物质，都可以成为微生物的良好碳源和能源。,2、微生物的代谢方式多样性,既可以CO2为碳源进行自养型生长，也可以有机物为碳源进行异养型生长；既可以光能为能源，也可以化学能为能源。既可在有O2条件下生长，又可在无

13、 O2条件下生长。,3、代谢的中间体和产物多样性,有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白 质、脂类、糖类等等。,4、代谢速率的多样性,如在适宜环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2 000倍。以同等体积计，一个细菌在1小时内所消耗的糖即可相当于人在500年时间内所消耗的粮食。但也微生物的代谢速率极为缓慢,三、微生物的遗传与变异多样性,1、在微生物中携带遗传信息的物质及其方式具有多样性 在原核微生物中，染色体、质粒也携带遗传信息；真核微生物中，染色体和细胞器都有能自主独立复制的DNA；病毒携带的核酸可以是DNA，也可以是RNA，如朊病毒甚至用蛋白质作增殖模板。RNA病毒和朊病毒都不遵守

14、DNA RNA 蛋白质这一中心法则。,2、微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性,细菌以二裂法为主，个别可由性接合的方式繁殖；放线菌可以菌丝和分生孢子繁殖；霉菌可由菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖，无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态；酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。,3、微生物繁殖速率的多样性,以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌37时世代时间为18分钟，每24小时可分裂80次，每24小时的增殖数为 1.2 x 1024个。许多深海或嗜压微生物的生长代时远较大肠杆菌长，几天、几月者都有。,4、微生物变异的多样性,由于个体小，结构简单，繁殖快，与外界

15、环境直接接触等原因，很容易发生变异，一般自然变异的频率可达1051010，而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及到任何性状，如形态构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量等等。,四、微生物的抗性多样性,微生物具有抗逆多样性 极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧、抗辐射和抗毒物等能力。,抗热性、抗寒性,已从近于100条件下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌，并观察到在105时还能生长。细菌芽孢具有高度抗热性，100 下可生存。许多细菌也耐冷和嗜冷，有些在-12下仍可生活，造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们

16、常用冰箱(+4)、低温冰箱(-20)、干冰(-70)、液氮(-196)来保藏菌种，都具有良好的效果。,抗酸碱性,嗜酸菌可以在pH为0.5的强酸环境中生存，而硝化细菌可在pH 9.4、脱氮硫杆菌可在pH10.7的环境中活动。在含盐高达2325%的“死海”中仍有相当多的嗜盐菌生存。,抗高渗性,在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活动，从而往往引起这些物品的变质。,抗逆结构的多样性,微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类甚至会形成特殊的休眠构造，如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了几百年，甚至上千年之后仍有活力。,五、微生物的种类多样性,1、目前已确定的微生物种数在十万种左

17、右，但仍正以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。,2、未知的微生物仍是占绝大多数。,目前我们所了解的微生物种类，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10”，微生物生态学家较为一致地认为，目前已知的已分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的1。分子生物学技术和方法的发展已经揭示了运用传统的微生物学研究技术和方法获得的微生物种类和种群数量仅仅占自然界存在总数的不到1。运用分子生物学技术和方法获得了与目前所知微生物的基因完全不同的基因组。,3、自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料,每g土壤中细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个。人体肠道中菌体总数可达100万亿左右。每

18、g新鲜叶子表面可附生100多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量估计达280亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。,4、微生物横跨了生物六界系统,无细胞结构生物病毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界，除了动物界、植物界外，其余各界都是为微生物而设立的，范围极为宽广。,5、根据C. Woese1977年提出的生命三域的理论,微生物也占据了古菌、细菌和真核生物三域。,六、微生物的生态分布多样性,微生物在自然界中，除了“明火”、火山喷发中心区和人为的无菌环境外，到处都有分布，上至几十千米外的高空，下至地表下几百米的深处，海洋上

19、万米的水底层，土壤、水域、空气，动植物和人类体内外，都分布有各种不同的微生物，可以说无处不在。即使是同一地点同一环境，在不同的季节，如夏季和冬季，微生物的数量、种类、活性、生物链成员的组成等等有明显的不同。显示了微生物生态分布的多样性。,生命三域Three dominants of life,1977年，沃斯(Carl Woese)及其同事根据对代表性细菌类群的16S rRNA碱基序列进行广泛比较后提出古菌(archaea)、细菌(bacteria)和真核生物(eucaryea)三域(urkingdoms，dominant)的概念，认为生物界的系统发育并不是一个由简单的原核生物发育到较完全、较

20、复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细菌和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来，这一起点即是至今仍不明确的一个原始祖先。这一生物界三域观念已被广泛接受。微生物包括了古菌、细菌和真核生物中的相当部分。,古菌Archaea, 根据古菌染色体中DNA的结构组成和存在方式表明，古菌和细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似。但在分子生物学水平上，古菌和细菌之间有明显差别，是一群具有独特基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞生物。 古菌是一大类形态各异、特殊生理功能绝然不同的微生物群。古菌可营自养或异养型生活。,其主

21、要特点如下：, 古菌具有独特的细胞或亚细胞结构，如无细胞壁古菌没有细胞壁，仅有细胞膜，而致细胞多形态。即使有细胞壁的其他古菌，其细胞壁组分也独特，有具蛋白质性质，有具杂多糖性质，也有类似于肽聚糖的假肽聚糖，但都无胞壁酸、D-型氨基酸和二氨基庚二酸。 古菌细胞膜的化学组成上，含有异戊烯醚而不含脂肪酸酯，脂肪酸也为有分支的直链而不是无分支的直链。细胞膜中的类脂不可皂化，中性类脂为类异戊二烯(Isoprenoid)，极性脂为植烷甘油醚(Phytanyl glycerol ethers)。, 细胞内16SrRNA的核苷酸序列独特，不同于真细菌，也不同于真核生物。16S rRNA的碱基序列，tRNA的特

22、殊碱基的修饰，5S rRNA的二级结构等均不同于细菌和真核微生物。 古菌具有类似于真核生物的基因转录和翻译系统。 对于各种抗生素的敏感性上也与细菌有很大差异，如对于氯霉素、青霉素、利福平等抗生素不敏感，但细菌对此敏感；相反对于环己胺、茴香霉素等敏感而细菌却不敏感。, 古菌大多生活在地球上如超高温、高酸碱度、高盐浓度、严格无氧状态等极端环境或生命出现初期的自然环境。如产甲烷细菌，可在严格厌氧环境下利用简单二碳和一碳化合物或CO2生存和产甲烷；还原硫酸盐古菌可在极端高温、酸性条件下还原硫酸盐；极端嗜盐古菌可在极高盐浓度下生存，等等。,目前根据不同的生理特性，可将古菌分为: 产甲烷古菌群 还原硫酸盐

23、古菌群 极端嗜盐古菌群 无细胞壁古菌群 极端嗜热和超嗜热代谢元素硫古菌群 等5大类群。,微生物与人类社会文明进步Microorganism and civilization progress of human society,微生物学的发展与人类的医疗保健,外科消毒术的建立， 探寻人畜病原菌， 免疫防治的应用， 化学药物治疗， 抗生素治疗， 生化药物微生物生产中遗传工程和生物工程技术的应用,微生物学的发展与农业技术进步,以菌治虫，以菌治病，以菌治草 以菌增肥，以菌促长， 以菌作饲料，以菌作药物，以菌作蔬菜 以菌产沼气,微生物学的发展对生物学基础理论研究的巨大贡献, 解决了生物学上许多重大的争论

24、问题 是生物学的三大来源和三大支柱（生物化学，微生物学和遗传学）之一 遗传学研究对象的微生物化促进了经典遗传学向分子遗传学的发展 微生物是基因工程中供体、载体、工具酶和受体的主要提供者 高等生物研究与应用中技术的日益微生物学化 微生物学研究中的实验技术与设备向生命科学各领域研究迅速扩散，在方法学上作出贡献,微生物学的发展促进了发酵工业,食品和饮料的自然发酵 罐头生产与保藏 厌氧纯种发酵技术 深层液体通气搅拌培养 代谢调控理论在发酵工业上的应用 微生物生物工程的兴起,微生物学的发展与生态环境的保护和污染环境的生物修复, 有机废弃物、废水的生物处理 污染环境的微生物修复,微生物学发展史上的重大事件

25、,1546 Fracastoro提出不可见到生物引起疾病1676 Leeuwenhoek 发现了”animalcules”1765-1776 Spallanzani 反驳自然发生说1786 Muller 提出了第一个细菌分类1798 Jenner 介绍了牛痘疫苗18381839 Schwann & Schleiden 提出了细胞理论1857 Pasteur证明了乳酸发酵是由微生物引起的,1861 Pasteur用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论以久的“自生说”1864 Pasteur建立了巴氏消毒法1867 1869 Lister创立了消毒外科，并首次成功的进行了石炭酸消毒实验 Mi

26、escher 发现核酸18761877 Koch证明了炭疽病由炭疽杆菌引起1881Koch等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德制备了炭疽菌苗1882 Koch发现结核杆菌(Mycobacterium tuberculosis),1883Koch首次发表Koch氏法则。Metchnikoff阐述了吞噬作用。建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法1884 Pasteur研究狂犬病疫苗成功，开创了免疫学1887 Richard Petri发明了双层培养皿1889 Winogradsky发现硫循环和硝化细菌。Beijerinck首次分离根瘤菌,1890 Von Behring制备抗毒素治疗白喉和破伤风189

27、1Sternberg与巴斯德同时发现了肺炎链球菌1895Ivanowsky提供烟草花叶病是由病毒引起的证据； Bordet发现互补 现象1896Bchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功1899 Ross证实疟疾病原菌由蚊子传播,19091910 Ricketts发现立克次氏体；Ehrlich首次合成治梅毒的化学治疗剂1928 Griffith发现细菌转化1929Fleming发现青霉素1935Stanley首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶”1943Luria和Delbck用波动实验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；Chain和Flory形成青霉素工业

28、化生产的工艺1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；Waksman发现链霉素,19461947 Lederberg和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象1949Enders、Robbins和Weller在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功1952Hershey和Chase发现噬菌体将DNA注入宿主细胞； Lederberg发明了影印培养法；Zinder和Lederberg发现普遍性转导Watson和Crick提出DNA双螺旋结构,1956 Umbarger发现反馈阻遏现象1961Jocob和Monod提出基因调节的操纵子模型19611966 Holley、Kh

29、orana、Nirenberg等阐明遗传密码1969Edelman测定了抗原蛋白质分子的一级结构19701972 Arber、Nathans和Smith发现并提纯了限制性内切酶； Temin和Baltimore发现转录酶1973 Ames建立细菌测定法检测致癌物；,Cohen等首次将重组质粒转入大肠杆菌中获得成功1974 Khler和Milstein建立生产单克隆抗体的技术1977Woese提出古生菌是有不同于细菌和真核生物的特殊类群； Sanger首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析19821983 Cech和Altman发现具有催化活性的RNA（ribozyme）； McClinto

30、ck发现的转座因子获得公认； Prusiner发现朊病毒（prion,19831984 Gallo和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒； Mullis建立PCR技术1988 Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素1995第一个独立生活的生物（流感嗜血杆菌）全基因序列测定完成1996第一个自养生活的古生菌基因组测定完成1997 第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测序完成2000霍乱弧菌基因组测序完成,微生物与人类的可持续发展,微生物与人类生存环境的维护和污染环境的净化 微生物生物制剂对化学肥料、化学农药、化学促进剂的替代 微生物生物可降解物质对难降解物质的替代 微生物药物、微生物保健品与人类健康长寿 微生物能源生产乙醇、氢气、甲烷 微生物食品与饮料,20世纪的微生物学,微生物学的全面发展(微生物遗传学、微生物生理学、分子遗传学及其它分支学科)，50年代全面进入了分子研究的水平 微生物学的广泛应用微生物学推动生命科学的发展 （1）重大理论的突破 （2）对生命科学研究技术的贡献 （3）微生物与人类基因组计划,微生物学的基本任务,研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异及微生物的生态、进化、分类等基本的生命活动规律和应用的科学,作业题,1、什么是微生物？微生物有哪些共性？请举例说明。2、微生物学的发展可分为几个时期？各时期的主要成就有哪些？代表人物是谁？,