论绪发肝癌等疾病，若没有微生物学知识，人们无论如何也不会相信自已竟竞是被这类极不显眼的区区微生物所害。由于上述认识微生物的4个障碍迟迟未能解决，因此人类在其长期的历史发展中，尽管也有自发地利用酵母菌等若干有益微生物的活动，但更多地还是被备种病原微生物所害，例如鼠疫（“黑死病”，历史」3次大流行曾杀死近2亿人口）、天花、疮疾、麻风、梅毒、肺结核（“白疫"）和流感的大流行等。直至今天，在全球范围内，不但传染病仍是死亡的首因（1997年全球达5220万人），而且还面临着旧病卷土重米、新病不断出现（近20年来义出现30余种）的严峻形势。（二）微生物学发展史整个微生物学发展史是一部逐步克服上述认识微生物的4个障碍（如显微镜的发明，灭菌技术的运用，纯种分离和培养技术的建立等），不断探究它们的生命活动规律，并开发利用有益微生物和控制、消灭有害微生物的历史。现抛要地将它分为5个时期（表0-1)。表0-1微生物学史简表分期史前期初创期奠基期发展期成熟期时间/年约8000年前-16761676~18611861~18971897~19531953~至今形态描述阶生理水平研究 生化水平研究分子生物学水平研究实质膝胱阶段段阶段阶段阶段巴斯德各国劳动人民列文虎克微生物学奠基E.BichnerJ.Watson和F,Crick其中尤以我国的开创者徽生物人；②科赫生物化学分子生物学奠基制曲、酿酒技术学的先驱者一细菌学奠奠基人人1著称基人①未见细菌等微微①自制单式①微生物学开①对无细胞酵①广泛运用分子生物生物的个体；②显微镜，观始建立；②创母菌“酒化酶”学理论和现代研究方凭实践经验利用察到细菌等立了整套独进行生化研法，深刻揭示微生物微生物的有益活微生物的个特的微生物学究；②发现微的各种生命活动规动（进行酿酒、发体；②出于基本研究方生物的代谢统律；②以基因工程为面、制酱、酿酯、个人爱好对法：③开始运一性；③普通主导，把传统的工业呕肥、轮作、治病一些微生物用“实殿一理:微生物学开始发酵提高到发醇亡程等）进行形态措论一实践”的形成；④开展新水平：③大量理论1特点述思想方法开展广泛寻找微生性、交叉性、应用性和研究；④建立物的有益代谢实验性分支学科飞速了许多应用性产物：青霉发展；④微生物学的分支学科：5素的发现推动基础理论和独特实验进人寻找人类了微生物工业技术推动了生命科学和动物病原菌化培养技术的1各领域飞速发展；的黄金时期狂进微生物基因组的研究促进了生物信息学时代的到来
绪论·3三、微生物学的发展促进了人类的进步英国哲学家和教育家斯宾寒在其名著《教育论》（1861年）中早就提出过“人体健康是切幸福的要素”这个精辟的论点。在现代科学中，对人类健康关系最大、贡献最为突出的应该算是微生物学了，微生物学从建立之初就与人类和动物传染病的防治产生了不解之缘，接着与酿造学、植物病理学、土壤学、药物学和环境科学等密切结合，建立了一个义一个应用分支学科，为人类社会的进步和发展作出了自己的贡献。通过医疗保健战线上的“六大战役”，即外科消毒手术的建立，寻找人畜重大传染病的病原菌，免疫防治法的发明和广泛应用，磺胺等化学治疗剂的普及，抗生素的大规模生产和推广，以及近年来利用工程菌生产多肽类生化药物等，使原先猎癫的细菌性传染病得到了较好的控制，天花等烈性传染病已彻底绝迹，人类的健康水平大幅度提高，平均寿命约提高厂25岁在微生物与工业发展的关系上，通过食品罐藏防腐、酿造技术的改造、纯种厌氧发酵的建立、液体深层通气搅拌大规模培养技术的创建以及代谢调控发酵技术的发明，使得古老的酿造技术迅速发展成工业发酵新技术；接着.又在遗传工程等高新技术的推动下，进一步发生质的飞跃，发展为发酵工程，并与遗传工程、细胞工程、酶工程和生物反应器工程起，共同组成当代的-个高技术学科—生物工程学（Biotechnology），微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用。新世纪的农业是知识经济的一个重要组成部分，它以高科技为依托，走可持续发展的道路，搞大农业（含农、林、牧、副、渔）、生态农业和工厂化的农业，因而是高科技、高产量、高效益、低投入和无废弃物的农业，它兼有高经济效益、高社会效益和高生态效益的特点。其中，微生物的作用极其重要却最易被忽略，例如，以菌治害虫和以菌治植病的生物防治技术；以菌增肥效和以菌促牛长（如赤霉菌产生的赤霉素等）的微生物增产技术；以菌作饲（饵）料和以菌当蔬菜（各种食用菌）的单细胞蛋白和食用菌生产技术；以及以菌产沼气等生物能源技术；等等。微生物与环境保护的关系越来越受到当前全人类广泛的重视。人类自工业革命尤其是20世纪以来，由于过分破坏和掠夺大自然母亲，至今已受到它的多次报复，突出表现在生态坏境的严重恶化。因而许多有识之士认为，未来的世纪是人类向大自然偿还生态债的批纪，其中，微生物学工作者的作用至关重要。这是因为，微生物是占地球面积70%以上的海洋和其他水体中光合生产力的基础：是·切食物链的重要环节；是污水处理中的关键角色，是生态农业中最重要的一环（可惜不易被认识！）；是自然界重要元循环的首要推动者；以及是环境污染和监测的重要指示生物；等等。最后介绍·下微生物对生命科学基础理论研究的重大贡献。微生物由于其“五大共性”（详后）加上培养条件简便，因此是生命科学工作者在研究基础理论问题时最乐于选用的研究对象（“模式生物”，model nrganism）。历史上自然发生说的否定，糖酵解机制的认识，基因与酶关系的发现，突变本质的阐明，核酸是一切生物遗传变异的物质基础的证实，操纵子学说的提出，遗传密码的揭示，基因工程的开创，PCR（DNA聚合酶链反应）技术的建立.，真核细胞内共生学说的提出，以及近年来生物三域（ThreeDomains）理论的创建等，都是因选用微生物作为研究对象而结出的硕果。为此，大量研究者还获得了诺贝尔奖的
绪论4:殊荣。徽生物学还是代表当代生物学最高峰的分子生物学三大来源之…。在经典遗传学的发展过程中，由于先驱者们意识到微生物具有繁殖周期短、培养条件简单、表型性状丰富和多数是单倍体等种种特别适合作遗传学研究对象的优点，纷纷选用Neurosporacrassa（粗糙脉孢菌，俗称“红色面包霉），Escherichiacoli（火肠埃希氏菌，简称大肠杆菌），Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母）和E.coli的T系噬菌体作研究对象，很快揭示了许多遗传变异的规律，并使经典遗传学迅速发展成为分子遗传学。从1970年代起，由于微生物既可作为外源基因供体和基因载体，并可作为基因受体菌等的优点，加上又是基因工程操作中的各种“工具酶”的提供者，故迅速成为基因工程中的主角。由于小体积大面积系统的微生物在体制和培养等方面的优越性，还促进了高等动、植物的组织培养和细胞培养技术的发展，这种“微生物化"的高等动、植物单细胞或细胞集团，也获得了原来仅属微生物所专有的优越体制，从而可以十分方使地在试管和培养且中进行研究，并能在发酵罐或其他生物反应器中进行大规模培养和产生有益代谢产物。此外，这一趋势还使原来局限于微生物学实验室使用的一整套独特的研究方法、技术，急剧向生命科学和生物工程各领域发生横向扩散，从而对整个生命科学的发展，作出了方法学上的贡献，例如显微镜和有关制片染色技术，消毒灭菌技术，无菌操作技术，纯种分离、培养技术，合成培养基技术，选择性和鉴别性培养技术，突变型标记和筛选技术，深层液体培养技术以及菌种冷冻保藏技术等。在当前世纪之交之际，微生物学工作者可以自豪地说，在20世纪生命科学发展的四大里程碑（DNA功能的阐明，中心法则的提出，遗传工程的成功和人类基因组计划的实施）中，微生物学发挥了无可争辩的关键作用。四、微生物的五大共性在整个生物界中，各种生物体形的大小相差十分悬殊。植物界的一种红杉可高达350m，动物界中的蓝鲸可达34m长，而微生物体的长度一般都在数μm甚至nm范围内。微生物由于其体形都极其微小，因而导致了一系列与之密切相关的五个重要共性，即体积小，面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；分布广，种类多。这五大共性不论在理论上还是在实贱上都极其重要，现简单阑述如下。（一）体积小，面积大任何固定体积的物体，如对其进行示维切割，则切割的次数越多，其所产生的颗粒数就越多，每个颗粒的体积也就越小。这时，如把所有小颗粒的面积相加，其总数将极其可观（表0-2)。表0-2对1cm固体作10倍系列三维分割后的比面值变化边长立方体数总表面积比面值近似对象边长立方体数总表面积比面值近似对象1.0 cm16cm6豌豆1.0 μm10/26m260000球菌1.0mm10360 cm260细小药丸0.1 μm10's60 m2600 000大胶粒0.1 mm106600600cm2滑石粉粒0.01 μm1018600 m26000000大分子0.01mm1096000cm26 000变形虫10211.0 nm6000m260000000分子
绪论若把某一物体单位体积所占有的表面积称为比面值（surfacetovolumeratio），则物体的体积越小，其比面值就越大，现以球体的比面值为例，即：比面值表面积4元3“袜积*4/3元=一由上述公式可以推算出细胞半径（r）为1um的球菌，其比面值为3：半径为2μum者，比面值为1.5；而半径为3m者，则比面值仅为1了。由于徽生物是一个如此突山的小体积大面积系统，从而赋予它们具有不同于切大生物的五人共性，因为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交换面，并由此而产生其余4个共性，（二）吸收多，转化快有资料表明，Eschenichiacoli在1h内可分解其自重1000～10000倍的乳糖；Candidauitis（产假丝酵母）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用牛（公牛）强10方倍：一些微生物的呼吸速率也比高等动、植物的组织强数十至数百倍。这个特性为微生物的高速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物能在自然界和人类实践中更好地发挥其超小型“活的化工厂”的作用。（三）生长旺，繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度。种至今被人类研究得最透彻的生物E.coli，在合适的生长条件下，细胞分裂1次仅需12.5~20min。若按平均20min分裂1次计，则1h可分裂3次，每昼夜可分裂72次，这时，原初的一个细菌已产生了4722366500万亿个后代，总重约可达4722。据报道，当前全球的细菌总数约为5×1030个。事实上，由于营养、空间和代谢产物等条件的限制，微生物的几何级数分裂速度充其量只能维持数小时而已。因而在液体培养中，细菌细胞的浓度一般仅达10°10°个/mL左右。微生物的这一特性在发酵工业中具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。例如，用作发面剂的Saccharomyces cereuisiae（酿酒酵母），其繁殖速率虽为2h分裂1次（比上述E，coli低6倍），但在单罐发酵时，仍可为12h“收获"1次，每年可“收获”数百次，这是其他任何农作物所不可能达到的“复种指数”。它对缓解当前全球面临的人口剧增与粮食乏也有重大的现实意义。有人统计，一头500kg重的食用公牛，每昼夜只能从食物中“浓缩”0.5k名蛋白质；同等重的大总，在合适的裁培条件下，24h可生产50kg蛋白质；而同样重的酵母菌，只要以糖蜜（糖厂下脚料）和氨水作主要养料，在24h内却可真正合成50000kg的优良蛋白质。据计算，个年产10酵母菌的工厂，如以酵母菌的蛋白质含量为45%计，则相当于在562500亩（1亩=1/15公项）农田.上所生产的大豆蛋白质的量，此外，还有不受气候和季节影响等优点。微生物的生长旺、繁殖快的特性对生物学基本理论的研究也带来极大的优越性，它使科学研究周期大为缩短、空间减少、经费降低、效率提高。当然，若是一些危害人、畜和农作物的病原微生物或会使物品需腐变质的有害微生物，它们的这…·特性就会给人类带来极大的损失或祸害，因而必须认真对待
绪论+6（四）适应强，易变异微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制，这是任何高等动、植物所无法比拟的。其±要原因也是因为它们体积小、面积大的特点。试想，一个只能容纳20方～30万个蛋白质分子的E.coli细胞，却存在着2000~3000种执行不同生理功能的白质，若每种功能平均分配约100个蛋白质分子且4.不替代或协作，则它们如何保证这一物种在如此复杂的外界环境中长期生存和进化呢？微生物对环境条件儿其是地球上那些恶劣的“极端环境”例如高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒等的惊人适应力，堪称生物界之最（详见第八章）。微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞的，它们通常都是单倍体，加之具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等特点，因此即使其变异频率十分低（般为10-5~10-10)，也可在短时间内产生出大量变异的后代。有益的变异可为人类创造巨大的经济和社会效益，如产青霉素的菌种Penicillium.chrysogenum（产黄青霉），1943年时每毫升发酵液仅分泌约20单位的青霉素，至今早已超过5万单位了；有害的变异则是人类各项事业中的大敌，如各种致病菌的耐药性变异使原本已得到控制的相应传染病变得无药可治，而各种优良菌种生产性状的退化则会使生产无法正常维持等。（五）分布广，种类多微生物因其体积小、重量轻和数量多等原因，可以到处传播以致达到“无孔不入的地步，只要条件合适，它们就可“随遇而安”。地球上除了火山的中心区域等少数地方外，从出壤圈、水圈图、大气圈至岩石圈，到处都有它们的踪迹，可以认为，微生物将永远是生物圈上下限的开拓者和各项生存纪录的保持者，不论在动、植物体内外，还是土壤、河流、空气，平原、高山、深海，污水、垃圾、海底淤泥，冰川、盐湖、沙漠，甚至油井、酸性矿水和岩层下，都有大量与其相适应的各类微生物在活动着（详见第八章）。微生物的种类多主要体现在以下5个方面：（1)物种的多样性迄今为止，人类已描述过的生物总数约200万种。据估计，微生物的总数约在50万至600万种之间，其中已记载过的仪约20万种（1995年），包括原核生物3500种，病毒4000种，真菌9万种，原生动物和藻类10万种，且这些数字还在急剧增长，例如，在微生物中较易培养和观察的大型微生物—真菌，至今每年还可发现约1500个新种。（2)生理代谢类型的多样性微生物的生理代谢类型之多，是动、植物所大大不及的。例如：①分解地球上贮量最丰富的初级有机物一一天然气、石油、纤维素、木质素的能力为微生物所断②微生物有着最多样的产能方式，诸如细菌的光合作用，嗜盐菌的紫膜光合作用，自养细菌的化能合成作用，以及各种厌氧产能途径等；③生物固氮作用；①合成次生代谢产物等各种复杂有机物的能力；③对复杂有机分子基团的生物转化（bioconversion，biotransformation)能力；分解氰、酚、多氯联苯等有毒和剧毒物质的能力；抵抗极端环境（热、冷、酸、碱、渗、压、辐射等）的能力：等等。（3)代谢产物的多样性微生物究竞能产生多少种代谢产物，是一个不容易准确回答的问题，1980年代末曾有人统计为"7890种”，后来（1992年）又有人报道仪微生物产生