微生物学讲稿教案 2010-2011学年第1学期 专业班级：生科08-1,2 计划学时：54学时（理论） 授课方式：多媒体课件 任课教师：张亚平 教材：微物学（沈萍主编） 2010.8 石河子大学生命科学学院
微生物学讲稿教案 2010-2011 学年第 1 学期 专业班级:生科 08-1,2 计划学时：54 学时(理论) 授课方式：多媒体课件 任课教师：张亚平 教 材: 微物学（沈萍主编） 2010.8 石河子大学生命科学学院
目录 第一章绪论(2)- 第二章微生物的纯培养和显微技术(3) 第三章微生物的细胞结构与功能(10) -19 第四章病毒(6)一 -38 第五章微生物的营养（④） -59 第六章微生物的代谢（④） -73 第七章微生物的生长繁殖及其控制(6) 81 第八章微生物遗传(4) -97 第九章微生物与基因工程(4) 120
1 目录 第一章 绪 论(2)-2 第二章 微生物的纯培养和显微技术(3)-8 第三章 微生物的细胞结构与功能(10)-19 第四章 病毒(6)-38 第五章 微生物的营养(4)-59 第六章 微生物的代谢(4)-73 第七章 微生物的生长繁殖及其控制(6)- -81 第八章 微生物遗传(4)-97 第九章 微生物与基因工程(4)-120
第一章绪论 计划学时：2 重点：微生物和人类的关系，微生物的特点，微生物类群及微生物学的莫基人及其对微生物学的贡状： 一、徽生物和你 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。在这本书中你们将读到微生物在许多重要产品中所起的不可替代的作用，例如：面包、奶酪、魂酒 抗生素、疫苗、维生素、酶等重要产品的生产（见第十五章），同时也是人类生存环境中必不可少的成员， 有了它们才使得地球上的物质进行循环（见第十一章），否则地球上的所有生命将无法繁衍下去。此外，你 在第十章还将会看到以基因工程为代表的现代生物技术的发展及其美妙的前景也是微生物对人类作出的 又一重大贡献。 然而，这把双刃剑的另一面一微生物的残忍“性给人类带来的灾难有时甚至是毁灭性的。1347年的 场由鼠疫杆菌(ersinia pestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人（约2500万人）死于这场灾 难，在此后的80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾 难其至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。今天，一种新的痘疫一艾滋病(ADS) 也正在全球蔓延；癌症也正威胁着着人类的健康和生命：许多己被征服的传染病（如肺结核、虐疾、霍乱 等)也有"卷土重来"之势。据1999年8月世界卫生组织的统计，目前全世界有18.6亿人（相当于全球人 口的32)患结核病。随着环境的污染日趋严重，一些以前从未见过的新的疾病（如军团病、埃博拉病毒病 雷乱0139新菌型、0157以及疯牛病等)又给人类带来了新的威胁。因此，你-一未来的微生物学家或其他科 学家任重道远。正确地使用微生物这把双刃剑，造福于人类是我们学习和应用微生物学的目的，也是每一 个微生物学工作者义不容辞的责任 二、微生物科学 1研究对鱼及分举地位 物研究作为一门科学-一微生物学，比动物学、植物学要晚得多，至今不过100多年的历史。因为微生 物太小，需借助显微镜才能看清他们，因此微生物学（侧icrobiol0gy）一般定义为研究肉眼难以看清的称之 为微生物的生命活动的科学。这些微小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒（类病毒、拟 病毒、肮病毒)：具原核细胞结构的真细茵、古生菌以及具真核细胞结构的真菌（酵母、霉菌、菜菌等）、 单细胞藻类、原生动物等。但其中也有少数成员是肉思可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的： 1993年正式确定为细菌的Epulopiscium fishelsoni以及1998年报道的7 hiomargarita namibiensis(见 第二章)，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概念，是历史的沿革，也仍为今天 所适用
2 第一章 绪 论 计划学时：2 重点：微生物和人类的关系，微生物的特点，微生物类群及微生物学的奠基人及其对微生物学的贡献。 一、微生物和你 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。在这本书中你们将读到微生物在许多重要产品中所起的不可替代的作用，例如：面包、奶酪、啤酒、 抗生素、疫苗、维生素、酶等重要产品的生产(见第十五章)，同时也是人类生存环境中必不可少的成员， 有了它们才使得地球上的物质进行循环(见第十一章)，否则地球上的所有生命将无法繁衍下去。此外，你 在第十章还将会看到以基因工程为代表的现代生物技术的发展及其美妙的前景也是微生物对人类作出的 又一重大贡献。 然而，这把双刃剑的另一面-微生物的"残忍"性给人类带来的灾难有时甚至是毁灭性的。1347 年的一 场由鼠疫杆菌(Yersinia pestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有 1/3 的人(约 2500 万人)死于这场灾 难，在此后的 80 年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约 75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾 难甚至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。今天，一种新的瘟疫-艾滋病(AIDS) 也正在全球蔓延；癌症也正威胁着着人类的健康和生命；许多已被征服的传染病(如肺结核、虐疾、霍乱 等)也有"卷土重来 "之势。据 1999 年 8 月世界卫生组织的统计，目前全世界有 18.6 亿人(相当于全球人 口的 32 %)患结核病。随着环境的污染日趋严重，一些以前从未见过的新的疾病(如军团病、埃博拉病毒病、 霍乱 0139 新菌型、0157 以及疯牛病等)又给人类带来了新的威胁。因此，你-未来的微生物学家或其他科 学家任重道远。正确地使用微生物这把双刃剑，造福于人类是我们学习和应用微生物学的目的，也是每一 个微生物学工作者义不容辞的责任。 二、微生物科学 1.研究对象及分类地位 物研究作为一门科学-微生物学，比动物学、植物学要晚得多，至今不过 100 多年的历史。因为微生 物太小，需借助显微镜才能看清他们，因此微生物学(Microbiology)一般定义为研究肉眼难以看清的称之 为微生物的生命活动的科学。这些微小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒(类病毒、拟 病毒、肮病毒)；具原核细胞结构的真细菌、古生菌以及具真核细胞结构的真菌(酵母、霉菌、蕈菌等)、 单细胞藻类、原生动物等。但其中也有少数成员是肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的： 1993 年正式确定为细菌的 Epulopiscium fishelsoni 以及 1998 年报道的 Thiomargarita namibiensis(见 第二章)，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概念，是历史的沿革，也仍为今天 所适用
由于微生物的极其多样性以及独特的生物学特性（个体小、繁殖快、分布广等）使其在整个生命科学中 占据若举足轻重的地位。无论是1969年Whittaker提出的五界系统，还是1977年Woese提出的三域(domain) 系统（见第12章），微生物都占据了绝大多数的“席位“，分别为3/5和2/3强。这是微生物在整个生物界 的分类地位。在本章的后部分我们还将讨论微生物及微生物学对整个生命科学作出的巨大贡献及其生物学 地位。 2.研究内容及分科 那么微生物学具体的研究内容是什么呢？总的来说，微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构、 生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其应用的一门学科。随若微生物学 的不断发展，己形成了基础微生物学和应用微生物学，又可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。其主要的分科见图1一1。 三、缴生物的发现和微生物学的发展 1,微生物的发现 在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它们的存在，甚至人们己经在不知不觉中应用 它们。我国劳动人民已很早就认识到微生物的存在和作用，也是最早应用微生物的少数国家之一。据考古 学推测，我国在80O0年以前已经出现了曲蘖酿酒了，4000多年前我国酿酒己十分普遍，而且当时的埃及 人也已学会烘制面包和酿制果酒，2500年前我国人民已发明酿酱、醋，知道用曲治消化道疾病。公元六世 纪（北魏时期），我国贾思勰的巨著“齐民要术“详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿猎等工艺。公元九世纪 到十世纪我国已发明用鼻苗法种痘，用细菌浸出法开采铜。到了16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro才明 确提出疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起的。我国明末(164l年)医生吴又可也提出“戾 气“学说，认为传染病的病因是一种看不见的“戾气”，其传播途径以口、鼻为主。 但是直正看见并描述微生物的第一个人是荷兰商人安东·列文虎克(Antony van leeuwenhoe k.1632~ 1723)(图1-2)，但他的最大贡献不是在商界而是他利用自制的显微镜发现了微生物世界（当时被称之为微 小动物)，他的显微镜放大倍数为50~00倍，构造很简单，仅有一个透镜安装在两片金属薄片的中间， 在透镜前面有一根金属短棒，在棒的尖端搁上需要观察的样品，通过调焦螺旋调节焦距。利用这种显微镜 列文虎克清楚地看见了细菌和原生动物。首次揭示了一个崭新的生物世界一微生物界。由于他的划时代 贡献，1680年被选为英国皇家学会会员 2.微生物学发展过程中的重大事件 由列文虎克揭示的多姿多彩的微生物世界吸引着各国学者去研究、探索，推动着微生物学的建立和发 展，表1-1列出了发展过程中的重大事件 从表1-1列出的重大事件中，其发现或发明人就有0位获得诺贝尔奖，据有关统计表明，20世纪 诺贝尔奖（生理和医学）获得者中，从事微生物问题研究的就占了1/3，这从另一个侧面看到了微生物学举 足轻重的地位。也可见微生物学的发展对整个科学技术和社会经济的重大作用和贡献。 3.徽生物学发展的整基者 继列文虎克发现微生物世界以后的200年间，微生物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类的阶 段。直到19世纪中期，以法国的巴斯德Louis Pasteur,1822~1895)和德国的柯赫(Robert Koch,1843~ 1910)为代表的科学家才将微生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段，揭露了微生物是造成腐败发 酵和人后疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微牛物持术，从而尊定了微生物 学的基础，同时开辟了医学和工业微生物等分支学科。巴期德和柯棒是微生物学的奠基人。 1)巴新德
3 由于微生物的极其多样性以及独特的生物学特性(个体小、繁殖快、分布广等)使其在整个生命科学中 占据着举足轻重的地位。无论是1969年Whittaker提出的五界系统，还是1977年Woese提出的三域(domain) 系统(见第 12 章)，微生物都占据了绝大多数的"席位"，分别为 3/5 和 2/3 强。这是微生物在整个生物界 的分类地位。在本章的后部分我们还将讨论微生物及微生物学对整个生命科学作出的巨大贡献及其生物学 地位。 2.研究内容及分科 那么微生物学具体的研究内容是什么呢? 总的来说，微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构、 生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其应用的一门学科。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。其主要的分科见图 1-1。 三、微生物的发现和微生物学的发展 1.微生物的发现 在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应用 它们。我国劳动人民已很早就认识到微生物的存在和作用，也是最早应用微生物的少数国家之一。据考古 学推测，我国在 8000 年以前已经出现了曲蘖酿酒了，4000 多年前我国酿酒已十分普遍，而且当时的埃及 人也已学会烘制面包和酿制果酒，2500 年前我国人民已发明酿酱、醋，知道用曲治消化道疾病。公元六世 纪(北魏时期)，我国贾思勰的巨著"齐民要术"详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。公元九世纪 到十世纪我国已发明用鼻苗法种痘，用细菌浸出法开采铜。到了 16 世纪，古罗巴医生 G.Fracastoro 才明 确提出疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起的。我国明末(1641 年)医生吴又可也提出"戾 气 "学说，认为传染病的病因是一种看不见的"戾气"，其传播途径以口、鼻为主。 但是真正看见并描述微生物的第一个人是荷兰商人安东·列文虎克(Antony Van Leeuwenhoe k, 1632～ 1723)(图 1-2)，但他的最大贡献不是在商界而是他利用自制的显微镜发现了微生物世界(当时被称之为微 小动物)，他的显微镜放大倍数为 50～300 倍，构造很简单，仅有一个透镜安装在两片金属薄片的中间， 在透镜前面有一根金属短棒，在棒的尖端搁上需要观察的样品，通过调焦螺旋调节焦距。利用这种显微镜， 列文虎克清楚地看见了细菌和原生动物 。首次揭示了一个崭新的生物世界-微生物界。由于他的划时代 贡献，1680 年被选为英国 皇家学会会员。 2.微生物学发展过程中的重大事件 由列文虎克揭示的多姿多彩的微生物世界吸引着各国学者去研究、探索，推动着微生物学的 建立和发 展，表 1-1 列出了发展过程中的重大事件。 从表 1-1 列出的重大事件中，其发现或发明人就有 30 位获得诺贝尔奖，据有关统计表明，20 世纪 诺贝尔奖(生理和医学)获得者中，从事微生物问题研究的就占了 1/3，这从另一个侧面看到了微生物学举 足轻重的地位。也可见微生物学的发展对整个科学技术和社会经济的重大作用和贡献。 3.微生物学发展的奠基者 继列文虎克发现微生物世界以后的 200 年间，微生物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类的阶 段。直到 19 世纪中期，以法国的巴斯德(Louis Pasteur, 1822～1895)和德国的柯赫(Robert Koch, 1843～ 1910)为代表的科学家才将微生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段，揭露了微生物是造成腐败发 酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物 学的基础，同时开辟了医学和工业微生物等分支学科。巴期德和柯赫是微生物学的奠基人。 1)巴斯德
巴斯德（图1-3）原是化学家，曾在化学上作出过重要的贡献，后来转向微生物学研究领域，为微生物 学的建立和发展作出了卓越的贡献。主要集中在下列三方面。 (1)彻底否定了“自然发生“学说 ”自生说“是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生的。到了17世纪，虽然由于研究植物和动物的 生长发育和生活循环，使“自生说”逐渐软弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生的仍然是 一个难题，这不仅是”自生说“的一个顽固阵地，同时也是人们正确认识微生物生命活动的一大屏喷。巴 德在前人工作的基础上，进行了许多试验，其中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，它们引起有机质的腐败。巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液（图 -),经加热灭南后，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，一旦将瓶颈打断，瓶内浸液中才有了微生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验 彻底否定了“自生说”，并从此建立了病原学说，推动了微生物学的发展。 (2)免疫学-预防接种 Jenner虽然早在1798年发明了种痘法可预防天花，但却不了解这个免疫过程的基本机制，因此，这个 发现没能获得缘续发展。1877年，巴斯德研究了鸡霜乱，发现将病原菌成毒可透发免疫性，以预防鸡霜乱 病。其后他又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病，并首次制成狂犬疫苗，证实其免疫学说，为人类防病、治病 作出了重大贡献」 (3)证实发酵是由微生物引起的 酒精发酵是一个由微生物引起的生物过程还是一个纯粹的化学反应过程，曾是化学家和微生物学家激 烈争论的问题。巴斯德在否定“自生说“的基础上，认为一切发酵作用都可能和微生物的生长繁殖有关。经 不断地努力，巴斯德终于分离到了许多引起发酵的微生物，并证实酒精发酵是由酵母南引起的。此外，巴 斯德还发现乳酸发酵、错酸发酵和丁酸发酵都是不同细菌所引起的。为进一步研究微生物的生理生化奠定 了其础 (4)其他贡献 直沿用至今天的巴斯德消毒法(60~65℃)作短时间加热处理，杀死有害微生物的一种消毒法)和家 蚕软化病问题的解决也是巴斯德的重要贡献，他不仅在实践上解决了当时法国酒变质和家蚕软化病的实际 问题，而且也推动了微生物病原学说发展，并深刻影响医学的发展。 2小.柯赫 柯赫（图1-）是著名的细茵学家，由于他曾经是一名医生，因此对病原细菌的研究作出了突出的贡 (1)具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。 (2)发现了肺结核病的病原菌，这是当时死亡率极高的传染性疾病，因此柯赫获得了诺贝尔奖。 (3)提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则一柯赫原则。由于柯赫在病原菌研究方面 的开创性工作，自19世纪70年代至20世纪20年代成了发现病原菌的黄金时代，所发现的各种病原微生 物不下百余种，其中还包括植物病原细菌。 柯赫除了在病原菌研究方面的伟大成就外，在微生物基本操作技术方面的贡献更是为微生物学的发展 奠定了技术基础，这些技术包括： (1)用固体培养基分离纯化微生物的技术，这是进行微生物学研究的基本前体，这项技术一直沿用至今 (2)配制培养基（见第四章）。也是当今微生物学研究的基本技术之一。这二项技术不仅是具有微生物学 研究特色的重要技术，而且也为当今动植物细胞的培养作出了十分重要的贡献。 4
4 巴斯德(图 1-3)原是化学家，曾在化学上作出过重要的贡献，后来转向微生物学研究领域，为微生物 学的建立和发展作出了卓越的贡献。主要集中在下列三方面。 (1)彻底否定了"自然发生"学说 "自生说"是一个古老的学说，认为一切生物是自然发生的。到了 17 世纪，虽然由于研究植物和动物的 生长发育和生活循环，使"自生说"逐渐软弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生的仍然是 一个难题，这不仅是"自生说"的一个顽固阵地，同时也是人们正确认识微生物生命活动的一大屏障。巴斯 德在前人工作的基础上，进行了许多试验，其中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，它们引起有机质的腐败。巴斯德自制了一个具有细长而弯曲的颈的玻瓶，其中盛有有机物水浸液(图 1-4)，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，一旦将瓶颈打断，瓶内浸液中才有了微生物，有机质发生腐败。巴斯德的实验 彻底否定了"自生说"，并从此建立了病原学说，推动了微生物学的发展。 (2)免疫学-预防接种 Jenner 虽然早在 1798 年发明了种痘法可预防天花，但却不了解这个免疫过程的基本机制，因此，这个 发现没能获得继续发展。1877 年，巴斯德研究了鸡霍乱，发现将病原菌减毒可诱发免疫性，以预防鸡霍乱 病。其后他又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病，并首次制成狂犬疫苗，证实其免疫学说，为人类防病、治病 作出了重大贡献。 (3)证实发酵是由微生物引起的 酒精发酵是一个由微生物引起的生物过程还是一个纯粹的化学反应过程，曾是化学家和微生物学家激 烈争论的问题。巴斯德在否定"自生说"的基础上，认为一切发酵作用都可能和微生物的生长繁殖有关。经 不断地努力，巴斯德终于分离到了许多引起发酵的微生物，并证实酒精发酵是由酵母菌引起的。此外，巴 斯德还发现乳酸发酵、醋酸发酵和丁酸发酵都是不同细菌所引起的。为进一步研究微生物的生理生化奠定 了基础。 (4)其他贡献 一直沿用至今天的巴斯德消毒法(60～65℃）作短时间加热处理，杀死有害微生物的一种消毒法)和家 蚕软化病问题的解决也是巴斯德的重要贡献，他不仅在实践上解决了当时法国酒变质和家蚕软化病的实际 问题，而且也推动了微生物病原学说发展，并深刻影响医学的发展。 2).柯赫 柯赫(图 1-5)是著名的细菌学家，由于他曾经是一名医生，因此对病原细菌的研究作出了突出的贡 (1)具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌。 (2)发现了肺结核病的病原菌，这是当时死亡率极高的传染性疾病，因此柯赫获得了诺贝尔奖。 (3)提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则-柯赫原则。由于柯赫在病原菌研究方面 的开创性工作，自 19 世纪 70 年代至 20 世纪 20 年代成了发现病原菌的黄金时代，所发现的各种病原微生 物不下百余种，其中还包括植物病原细菌。 柯赫除了在病原菌研究方面的伟大成就外，在微生物基本操作技术方面的贡献更是为微生物学的发展 奠定了技术基础，这些技术包括： (1)用固体培养基分离纯化微生物的技术，这是进行微生物学研究的基本前体，这项技术一直沿用至今。 (2)配制培养基(见第四章)。也是当今微生物学研究的基本技术之一。这二项技术不仅是具有微生物学 研究特色的重要技术，而且也为当今动植物细胞的培养作出了十分重要的贡献