第一章、绪论 第一节:微生物学的研究对象与任务 微生物( mIcroorganIc皿,)概念 非分类学上名词,来自法语“ Microbe”一词。是形体微小(<0.1mm)、单细胞或个体结构简单的多细胞 甚或无细胞结构的低等生物的通称。 二、微生物特点 生命基本特征 生命通过它的耐久性、适应性、它的生长及修复的能力和它的繁殖而延续下去,这是生命的基本的和普遍 的特征。 新陈代谢,包括外部的和内部的,是一切生命的另一基本特征。 控制与调节,是生命的又一基本特征。 微生物特点 1、体积小、比表面积大 大小以m计,但比表面积(表面积/体积)大 举例 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 比表面积/体积比:人=1,鸡蛋=1.5,乳酸杆菌:比表面积/体积=120,000, 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 也意味者微生物必然有着一个巨大的营养吸收,代谢废物排泄和环境信息接受面。 这一特点也是微生物与一切大型生物相区别的关键所在。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 这一特性为高速生长繁殖和产生大量代谢物提供了充分的物质基础 举例 重量相同下:乳酸菌:1小时可分解其体重1000至10000倍乳糖。 人:2.5×105小时消耗自身体重1000倍乳糖 3、生长旺、繁殖快 极高生长繁殖速度,如E.coli20-30分钟分裂一次,若不停分裂,48小时可达2.2×1043 菌数增加,营养消耗,代谢积累,限制生长速度 头500kg的食用公牛,24小时生产0.5kg蛋白质,而同样重量的酵母菌,以质量较次的糖液(如糖蜜) 和氨水为原料,24小时可以生产50000kg优质蛋白质。 这一特性可在短时间内把大量基质转化为有用产品,缩短科研周期 也有不利一面,如疾病、粮食霉变 4、适应强、易变异 极其灵活适应性,对极端环境具有惊人的适应力 遗传物质易变异。 分布广、种类多
第一章、绪 论 第一节：微生物学的研究对象与任务 一、微生物(microorganism,)概念 非分类学上名词，来自法语“Microbe”一词。是形体微小（<0.1mm）、单细胞或个体结构简单的多细胞、 甚或无细胞结构的低等生物的通称。 二、微生物特点 生命基本特征： 生命通过它的耐久性、适应性、它的生长及修复的能力和它的繁殖而延续下去，这是生命的基本的和普遍 的特征。 新陈代谢，包括外部的和内部的，是一切生命的另一基本特征。 控制与调节，是生命的又一基本特征。 微生物特点 1、体积小、比表面积大 大小以 mm 计，但比表面积（表面积/体积）大， 举例 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 比表面积／体积比：人 = 1，鸡蛋＝1.5，乳酸杆菌：比表面积／体积＝120，000， 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。 也意味者微生物必然有着一个巨大的营养吸收，代谢废物排泄和环境信息接受面。 这一特点也是微生物与一切大型生物相区别的关键所在。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 这一特性为高速生长繁殖和产生大量代谢物提供了充分的物质基础。 举例 重量相同下：乳酸菌：1 小时可分解其体 重 1000 至 10000 倍乳糖。 人：2.5×105 小时消耗自身体重 1000 倍乳糖。 3、生长旺、繁殖快 极高生长繁殖速度，如 E. coli 20-30 分钟分裂一次，若不停分裂，48 小时可达 2.2×1043 菌数增加，营养消耗，代谢积累，限制生长速度。 一头 500 kg 的食用公牛，24 小时生产 0.5 kg 蛋白质，而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜） 和氨水为原料，24 小时可以生产 50000 kg 优质蛋白质。 这一特性可在短时间内把大量基质转化为有用产品，缩短科研周期。 也有不利一面，如疾病、粮食霉变。 4、适应强、易变异 极其灵活适应性，对极端环境具有惊人的适应力。 遗传物质易变异。 5、分布广、种类多
分布区域广,分布环境广 生理代谢类型多,代谢产物种类多,种数多。 其他特征 结构简、胃口大、食谱广、易培养、数量大、级界宽、休眠长、起源早、发现晚。 结构简、 无细胞结构(病毒) 单细胞 简单多细胞 胃口大 消耗自身重量2000倍食物的时间: 大肠杆菌:1小时;人:500年(按400斤/年计算) 食谱广 微生物获取营养的方式多种多样,其食谱之广是动植物完全无法相比的! 纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可 被微生物作为粮食。 数量大 在自然界中(土壤、水体、空气,动植物体内和体表)都生存有大量的微生物! 分析表明,微生物占地球生物总量的60%! 分布广、 人迹可到之处,微生物的分布必然很多,而人迹不到的地方,也有大量的微生物存在! 数十公里的高空(最高为离地85公里,须用火箭采样): 几千米的地下: 强酸、强碱、高热的极端环境: 常年封冻的冰川 种类多 微生物的生理代谢类型多 代谢产物种类多 微生物的种数“多” 虽然目前己定种的微生物只有大约10万种,远较动植物为少,但一般认为目前为人类所发现的微生物还不 到自然界中微生物总数的1%。 级界宽、横跨了生物六界系统中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 休眠长、世界上最古老的活细菌(芽孢):2.5亿年 起源早、38亿年前,生命在海洋中出现,陆地上就可能存在微生物 发现晚、300多年前人们才真正发现微生物的存在 微生物与其他生物的共同点 遗传信息都是以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
分布区域广，分布环境广。 生理代谢类型多，代谢产物种类多，种数多。 其他特征： 结构简、胃口大、食谱广、易培养、数量大、级界宽、休眠长、起源早、发现晚。 结构简、 无细胞结构（病毒） 单细胞 简单多细胞 胃口大、 消耗自身重量 2000 倍食物的时间： 大肠杆菌：1 小时; 人：500 年（按 400 斤/年计算） 食谱广、 微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！ 纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可 被微生物作为粮食。 数量大、 在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！ 分析表明，微生物占地球生物总量的 60%！ 分布广、 人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！ 数十公里的高空（最高为离地 85 公里，须用火箭采样）； 几千米的地下； 强酸、强碱、高热的极端环境； 常年封冻的冰川； 种类多、 微生物的生理代谢类型多； 代谢产物种类多； 微生物的种数“多”； 虽然目前已定种的微生物只有大约 10 万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不 到自然界中微生物总数的 1%。 级界宽、横跨了生物六界系统中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。 休眠长、 世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5 亿年 起源早、 38 亿年前，生命在海洋中出现，陆地上就可能存在微生物 发现晚、 300 多年前人们才真正发现微生物的存在 微生物与其他生物的共同点: 遗传信息都是以 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
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、动物和人类的关系一一有益、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—一利用、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 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 三、微生物在生物界的地位及主要类群 生物六界系统 四、微生物作用 l、在自然界物质循环中作用 2、空气与水净化,污水处理 3、工农业生产:菌体,代谢产物,代谢活动 4、对生命科学的贡献 五、分支学科 根据不同研究领域和不同研究对象划分 微生物学的分支学科 随着微生物学的不断发展,已形成了基础微生物学和应用微生物学,又可根据研究的侧重面和层次不同而 分为许多不同的分支学科,并还在不断地形成新的学科和研究领域。 按研究对象分,可分为细菌学,放线菌学,真菌学,病毒学,原生动物学,藻类学等 按过程与功能分,可分为微生物生理学,微生物分类学,微生物遗传学,微生物生态学,微生物分子生物 微生物基因组学,细胞微生物学等 按生态环境分,可分为土壤微生物学,环境微生物学,水域微生物学,海洋微生物学,宇宙微生物学等。 按技术与工艺分,可分为发酵微生物学,分析微生物学,遗传工程学,微生物技术学等。 按应用范围分,可分为工业微生物学,农业微生物学,医学微生物学,兽医微生物学,食品微生物学,预 防微生物学等 按与人类疾病关系分,可分为流行病学,医学微生物学,免疫学等 随着现代理论和技术的发展,新的微生物学分支学科正在不断形成和建立 细胞微生物学( cellular microbiology)、微生物分子生物学( microbial molecular biology)和微生物 基因组学( microbial genomics)等在分子水平、基因水平和后基因组水平上研究微生物生命活动规律及其 生命本质的分支学科和新型研究领域的出现,表明微生物学的发展进入了一个崭新的阶段
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 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 三、微生物在生物界的地位及主要类群 生物六界系统 四、微生物作用 1、在自然界物质循环中作用 2、空气与水净化，污水处理 3、工农业生产：菌体，代谢产物，代谢活动 4、对生命科学的贡献 五、分支学科 根据不同研究领域和不同研究对象划分 微生物学的分支学科 随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，又可根据研究的侧重面和层次不同而 分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。 按研究对象分，可分为细菌学，放线菌学，真菌学，病毒学，原生动物学，藻类学等。 按过程与功能分，可分为微生物生理学，微生物分类学，微生物遗传学，微生物生态学，微生物分子生物 学，微生物基因组学，细胞微生物学等。 按生态环境分，可分为土壤微生物学，环境微生物学，水域微生物学，海洋微生物学，宇宙微生物学等。 按技术与工艺分，可分为发酵微生物学，分析微生物学，遗传工程学，微生物技术学等。 按应用范围分，可分为工业微生物学，农业微生物学，医学微生物学，兽医微生物学，食品微生物学，预 防微生物学等； 按与人类疾病关系分，可分为流行病学，医学微生物学，免疫学等。 随着现代理论和技术的发展，新的微生物学分支学科正在不断形成和建立。 细胞微生物学 (cellular microbiology) 、微生物分子生物学(microbial molecular biology)和微生物 基因组学(microbial genomics) 等在分子水平、基因水平和后基因组水平上研究微生物生命活动规律及其 生命本质的分支学科和新型研究领域的出现，表明微生物学的发展进入了一个崭新的阶段
第二节、微生物学发展筒史 科学的历史就是科学本身。 歌德 一、中国古代 酒文化,“仪狄作酒,禹饮而甘之。”《书经》“若作酒醴,尔惟曲蘖(nie)”《齐民要术》提倡轮作制 宋真宗时代(公元998-1022)种痘防天花 与中国科学家(通过样品)进行合作,美国宾夕法尼亚大学考古与人类学博物馆的帕特里克·麦戈文的研 究小组证明中国人早在9000年以前便开始喝发酵饮料——很可能是白酒。将发酵历史前推了约2000年 二、国外微生物学发展 l、微生物的发现一一形态学时期 Antony Van Leeuwenhoek, 1632-1723 第一个报告自己观察的人。他观察了几乎每一个想看到的东西,雨水、污水、血液、体液、酒、醋、牙垢 发现了微生物,称为“微动体” 2、微生物学的奠基一—生理学时期 Louis pasteur, 1822-1895 他的一生给人类生活带来了史无前例的影响 (1)发现并证实发酵是由微生物引起的(2)彻底否定了微生物“自然发生”学说 (3)免疫学—一预防接种 (4)其他贡献:巴斯德消毒法等 A否定自生说 关于自然发生的争论: 自然发生说(无生源说):认为微小动物是从无生命的物质自然发生的。 生源说:认为微小动物是从微小动物的“种子”或“胚”形成的,“种子”或“胚”存在于空气中。 已进行的实验:1665年, Francesco redi腐肉生蛆实验,否定了动物自生说。 Spallanzani实验,充分加热的有机汁液中长出微生物原因是由于空气将微生物带进了汁液,因而采取完 全密封隔绝的封闭法 18世纪末发现02,意识到02是动物生活必需一种气体 实验 1、首先验证了空气中确实含有显微镜可观察到的“有机体” 2、加热过的空气通入汁液(煮沸过)并不导致微生物生长 3、在一封闭容器内,对完全灭菌的汁液加上一些收集到的微生物,无例外地引起微生物生长。 4、设计鹅颈瓶进行实验,最终否定自生说 B免疫学贡献 Edward Jenner,1796发明种痘,不了解机制 Pasteur1877研究了鸡霍乱、炭疽病和恐水病,发现钝化病原体可以诱发免疫性和预防疾病 C发酵研究 相信一切发酵作用都和微生物的存在及繁殖有关。不同的发酵是由不同的微生物引起的。 D发明巴斯德消毒法。 观察丁酸发酵时,发现厌氧生命,提出好氧、厌氧术语。 Robert Koch 1843-1910 2.柯赫的工作 (1)微生物学基本操作技术方面的贡献
第二节、微生物学发展简史 “科学的历史就是科学本身。”—— 歌德 一、中国古代 酒文化，“仪狄作酒，禹饮而甘之。”《书经》“若作酒醴，尔惟曲蘖（nie）”《齐民要术》提倡轮作制。 宋真宗时代（公元 998-1022）种痘防天花。 与中国科学家（通过样品）进行合作，美国宾夕法尼亚大学考古与人类学博物馆的帕特里克·麦戈文的研 究小组证明中国人早在 9000 年以前便开始喝发酵饮料——很可能是白酒。将发酵历史前推了约 2000 年。 二、国外微生物学发展 1、微生物的发现——形态学时期 Antony Van Leeuwenhock，1632-1723 第一个报告自己观察的人。他观察了几乎每一个想看到的东西，雨水、污水、血液、体液、酒、醋、牙垢 等，发现了微生物，称为“微动体”。 2、微生物学的奠基——生理学时期 Louis Pasteur，1822-1895 他的一生给人类生活带来了史无前例的影响。 (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的 (2) 彻底否定了微生物“自然发生”学说 (3) 免疫学——预防接种 (4) 其他贡献：巴斯德消毒法等 A 否定自生说 关于自然发生的争论： 自然发生说（无生源说）：认为微小动物是从无生命的物质自然发生的。 生源说：认为微小动物是从微小动物的“种子”或“胚”形成的，“种子”或“胚”存在于空气中。 已进行的实验：1665 年，Fracesco Redi 腐肉生蛆实验，否定了动物自生说。 Spallanzani 实验，充分加热的有机汁液中长出微生物原因是由于空气将微生物带进了汁液，因而采取完 全密封隔绝的封闭法。 18 世纪末发现 O2 ，意识到 O2 是动物生活必需一种气体。 Pasteur 实验 1、首先验证了空气中确实含有显微镜可观察到的“有机体”。 2、加热过的空气通入汁液（煮沸过）并不导致微生物生长。 3、在一封闭容器内，对完全灭菌的汁液加上一些收集到的微生物，无例外地引起微生物生长。 4、设计鹅颈瓶进行实验，最终否定自生说。 B 免疫学贡献 Edward Jenner，1796 发明种痘，不了解机制。 Pasteur 1877 研究了鸡霍乱、炭疽病和恐水病，发现钝化病原体可以诱发免疫性和预防疾病。 C 发酵研究 相信一切发酵作用都和微生物的存在及繁殖有关。不同的发酵是由不同的微生物引起的。 D 发明巴斯德消毒法。 观察丁酸发酵时，发现厌氧生命，提出好氧、厌氧术语。 Robert Koch 1843-1910 2. 柯赫的工作 (1) 微生物学基本操作技术方面的贡献
a)细菌纯培养方法的建立分离和纯化细菌:划线法,混合倒平板法。琼脂、培养皿( Petri)。b) 设计了培养细菌用的肉汁胨培养液和营养琼脂培养基。 c)流动蒸汽灭菌 d)细菌染色观察和显微摄影 2)对病原细菌的研究作出了突出的贡献 a)具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。b)发现了肺结核病的病原菌 c)证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——柯赫假设 柯赫假设 1、病原微生物总是在患传染病的动物中发现,而不存在与健康个体中; 2、必须能自原寄主分离出这种微生物,并在培养基中培养成为纯培养 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主,同样的疾病会重复发生 4、必须自人工接种发病的寄主内,能重新分离出同一病原微生物并培养成纯培养 其他人 Serge Winogradsky,1856-1953,发现微生物的自养生活 Beijerinck M.W.,1851-1931,发现了非共生固氮菌 Joseph Lister,1864,提出无菌外科操作技术。 Elie Metchnikoff发现白细胞的吞噬作用 Ivanovsky发现烟草花叶病毒 P. Ehrlich现代化疗的开始 3、现代微生物学发展一分子生物学阶段 1、现代发酵工业的形成 1941, Florey& Chain将青霉素投入生产,是通气培养微生物的开端,将微生物学与工程学结合。 2、微生物代谢作用研究 1944, Avery肺炎球菌转化实验,确定DNA是遗传物质,标志着分子生物学的形成 1953, Watson& Crick提出DNA双螺旋结构以及半保留复制假说。 Crick提出中心法则:DNA→RNA→蛋白质 3、分子生物学阶段 20世纪70年代,基因工程的发展,工程菌的构建更促进了微生物学的发展 微生物学推动生命科学的发展 促进许多重大理论问题的突破 对生命科学研究技术的贡献 与“人类基因组计划” 展望 微生物学与人们日常生活密切相关,有着应用的一面在研究方面,生物防恐的重视,(有人将之与癌症治 疗领域相提并论,虽现在看来有些过,但前者确实是发展迅猛的研究反向) 因此,从事微生物之一行业是有希望的 第3节:工业微生物 简介,在工业上的应用,实践意义 l、酒制造业 2、酒精工业 3、溶剂工业(丙酮、丁醇)
a） 细菌纯培养方法的建立 分离和纯化细菌：划线法，混合倒平板法。琼脂、培养皿（Petri）。 b） 设计了培养细菌用的肉汁胨培养液和营养琼脂培养基。 c） 流动蒸汽灭菌 d） 细菌染色观察和显微摄影 （2） 对病原细菌的研究作出了突出的贡献： a） 具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。 b） 发现了肺结核病的病原菌 c） 证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——柯赫假设： 柯赫假设： 1、病原微生物总是在患传染病的动物中发现，而不存在与健康个体中； 2、必须能自原寄主分离出这种微生物，并在培养基中培养成为纯培养； 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生； 4、必须自人工接种发病的寄主内，能重新分离出同一病原微生物并培养成纯培养。 其他人 Serge Winogradsky,1856-1953,发现微生物的自养生活。 Beijerinck M. W.,1851-1931，发现了非共生固氮菌。 Joseph Lister,1864,提出无菌外科操作技术。 Elie Metchnikoff 发现白细胞的吞噬作用。 Ivanovsky 发现烟草花叶病毒。 P. Ehrlich 现代化疗的开始 3、现代微生物学发展—分子生物学阶段 1、现代发酵工业的形成： 1941，Florey & Chain 将青霉素投入生产，是通气培养微生物的开端，将微生物学与工程学结合。 2、微生物代谢作用研究； 1944，Avery 肺炎球菌转化实验，确定 DNA 是遗传物质，标志着分子生物学的形成。 1953，Watson & Crick 提出 DNA 双螺旋结构以及半保留复制假说。 Crick 提出中心法则：DNA →RNA →蛋白质 3、分子生物学阶段 20 世纪 70 年代，基因工程的发展，工程菌的构建更促进了微生物学的发展。 微生物学推动生命科学的发展 促进许多重大理论问题的突破 对生命科学研究技术的贡献 与“人类基因组计划” 展望 微生物学与人们日常生活密切相关，有着应用的一面在研究方面，生物防恐的重视，（有人将之与癌症治 疗领域相提并论，虽现在看来有些过，但前者确实是发展迅猛的研究反向）。 因此，从事微生物之一行业是有希望的。 第 3 节：工业微生物 简介，在工业上的应用，实践意义。 1、酒制造业 2、酒精工业 3、溶剂工业（丙酮、丁醇）