前言 工业微生物学是微生物学的一个重要分支,它的研究对象是那些通过工业规模培养能够 获得特定产物或达到特定社会目标的微生物。研究这些微生物的形态、营养及生长规律;研 究它们的代谢及其调节和控制:并进一步人为地改变微生物的遗传和代谢特性,达到强化特 定产物或特定功能的目的。 工业微生物学涉及轻工业、食品工业、医药工业、化学工业、农林渔牧业和环境保护等 许多领域,与工农业生产和人们的日常生活有着极其密切的关系,对可持续发展战略有着十 分重要的意义。工业微生物学的相关产业已成为整个国民经济的支柱,具有举足轻重的地位。 无论是传统的发酵工业还是以基因工程为核心的现代生物技术,都离不开微生物这个主 角,是微生物所独特的生长特性和代谢活动造就了这些研究和生产领域。事实上,也正是工 业微生物发酵所带来的巨大经济和社会效益,使得人类对微生物这类微小的生物更加刮目相 看,人类对微生物的研究和应用正在不断地深入和拓展。许多人认为即将到来的二十一世纪 将是生物技术的世纪,可以预料,工业微生物学将会得到更大的发展 在多年的教学实践和对相关院校的了解中,我们深深地感到目前缺少一本《工业微生物 学》教科书。这与工业微生物学的发展以及大专院校中相关专业的不断建立是不相称的,这 正是我们编写这本《工业微生物学》教科书的主要动因。本教科书分为上、下两篇。上篇(第 至第五章)主要是介绍微生物学的基本理论和方法。包括绪论、微生物的形态和分类、微 生物的营养和生长、微生物的代谢和调控、微生物菌种选育等章节。下篇(第六至第十二章) 介绍工业微生物学的具体应用。第六章到第十章中,介绍了有机溶剂及有机酸、氨基酸、核 苷酸、酶制剂和抗生素这些重要的工业微生物发酵产物,阐述了这些产物的发酵微生物及合 成途径、代谢及调控机理、筛选和育种方法等;第十一章介绍了利用微生物作为宿主进行基 因重组的特点、方法和注意事项;第十二章介绍了用于环境保护的微生物及其生长和代谢的 特点。 在本书的编写过程中,我们一方面注重保持学科的系统性和完整性,另一方面强调了工 业微生物的特殊性。在内容的选择上,力求基本理论可靠、论述准确、信息量大、尽可能包 括工业微生物学的最新进展和研究成果。在不影响完整性的前提下,对与其它学科重复的内 容做了简化 本书可以作为下列专业大学本科或研究生的教科书或教学参考书:生物工程、生物技术、 生物化工、微生物学、发酵工程、制药工程、食品工程及环境工程等。本书对从事医药、食 品、酶制剂、有机酸、溶剂等微生物发酵生产,及其它生物技术和环境保护等领域的生产 管理、研究和开发的科技人员也有一定的参考价值 由于作者的水平有限,书中的缺点和错误在所难免,我们衷心地欢迎本书的读者批评指 编著者 于西子湖畔求是园 九九九年九月 第一章绪论
1 前言 工业微生物学是微生物学的一个重要分支，它的研究对象是那些通过工业规模培养能够 获得特定产物或达到特定社会目标的微生物。研究这些微生物的形态、营养及生长规律；研 究它们的代谢及其调节和控制；并进一步人为地改变微生物的遗传和代谢特性，达到强化特 定产物或特定功能的目的。 工业微生物学涉及轻工业、食品工业、医药工业、化学工业、农林渔牧业和环境保护等 许多领域，与工农业生产和人们的日常生活有着极其密切的关系，对可持续发展战略有着十 分重要的意义。工业微生物学的相关产业已成为整个国民经济的支柱，具有举足轻重的地位。 无论是传统的发酵工业还是以基因工程为核心的现代生物技术，都离不开微生物这个主 角，是微生物所独特的生长特性和代谢活动造就了这些研究和生产领域。事实上，也正是工 业微生物发酵所带来的巨大经济和社会效益，使得人类对微生物这类微小的生物更加刮目相 看，人类对微生物的研究和应用正在不断地深入和拓展。许多人认为即将到来的二十一世纪 将是生物技术的世纪，可以预料，工业微生物学将会得到更大的发展。 在多年的教学实践和对相关院校的了解中，我们深深地感到目前缺少一本《工业微生物 学》教科书。这与工业微生物学的发展以及大专院校中相关专业的不断建立是不相称的，这 正是我们编写这本《工业微生物学》教科书的主要动因。本教科书分为上、下两篇。上篇（第 一至第五章）主要是介绍微生物学的基本理论和方法。包括绪论、微生物的形态和分类、微 生物的营养和生长、微生物的代谢和调控、微生物菌种选育等章节。下篇（第六至第十二章） 介绍工业微生物学的具体应用。第六章到第十章中，介绍了有机溶剂及有机酸、氨基酸、核 苷酸、酶制剂和抗生素这些重要的工业微生物发酵产物，阐述了这些产物的发酵微生物及合 成途径、代谢及调控机理、筛选和育种方法等；第十一章介绍了利用微生物作为宿主进行基 因重组的特点、方法和注意事项；第十二章介绍了用于环境保护的微生物及其生长和代谢的 特点。 在本书的编写过程中，我们一方面注重保持学科的系统性和完整性，另一方面强调了工 业微生物的特殊性。在内容的选择上，力求基本理论可靠、论述准确、信息量大、尽可能包 括工业微生物学的最新进展和研究成果。在不影响完整性的前提下，对与其它学科重复的内 容做了简化。 本书可以作为下列专业大学本科或研究生的教科书或教学参考书：生物工程、生物技术、 生物化工、微生物学、发酵工程、制药工程、食品工程及环境工程等。本书对从事医药、食 品、酶制剂、有机酸、溶剂等微生物发酵生产，及其它生物技术和环境保护等领域的生产、 管理、研究和开发的科技人员也有一定的参考价值。 由于作者的水平有限，书中的缺点和错误在所难免，我们衷心地欢迎本书的读者批评指 正。 编著者 于西子湖畔求是园 一九九九年九月 第一章 绪 论
微生物是生物界中数量极其庞大的一个类群,它是自然界生态平衡和物质循环中必不 可少的重要成员,与人类及其生存环境的关系十分密切。对于微生物个体来说,它的存在对 我们人类有时是有利的,有时既无利也无害,有时却是有害的。无数事实已经证明,自从人 类认识微生物并逐渐掌握其活动规律后,就可能将原来无利的微生物变成有利的,小利的变 成大利的,有害的变成小害、无害甚至有利,从而大大改善了人类的生活质量和推动了人类 的文明进步。目前,微生物在解决人类的粮食、能源、健康、资源和环境保护等问题中正显 露出越来越重要且不可替代的独特作用。然而,据估计,迄今为止已经发现的微生物仅占其 总数的10%左右,在工农医等方面被利用并获得经济和社会效益的微生物则更少,只有数 百种。大部分微生物还有待于发掘利用。 11微生物及其特点 1.1.1微生物( microorganisn, microbe) 微生物并不是生物分类学上的名词,它是包括所有形体微小的单细胞,或个体结构简单 的多细胞,或没有细胞结构的低等生物的通称。微生物是一群进化地位较低的简单生物,其 类群十分庞杂,有原核类的细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、衣原体和支原体,真核类 的酵母菌、霉菌、担子菌、原生动物和显微藻类,还有不具细胞结构的病毒和类病毒等。因 为肉眼难以分辨小于1毫米的物体细节,所以,通常必需借助光学显微镜甚至电子显微镜才 能观察微生物的形态结构和大小。但也有例外,最近有报道称德国科学家在非洲纳米比亚海 岸的海床沉积物中发现接近于肉眼可见的世界上最大细菌,这种细菌呈球状,普遍有0.1-0.3 毫米宽,有的可达075毫米,它们比一般细菌大1000倍以上;另外,一些真核微生物的个 体也可以被肉眼观察到,有些甚至很大,如木耳、马勃等担子菌。对于大多数微生物来讲, 显微镜是观察和研究它们的必备条件。这正是微生物研究在整个生物界中起步较晚的重要原 因之 11.2微生物的特点 在生命科学研究和工业发酵生产广泛采用微生物为材料和对象的根本原因是由于微生 物个体一般是一个能自我增殖、多功能和大交换面积的单细胞反应体系。其特点可概括为体 积小、面积大,吸收快、转化快,生长旺、繁殖快,易变异、适应性强,种类多、分布广等 五大特性 11.21体积小、面积大 通常,微生物个体都极其微小,它们的测量单位是微米(μm,即10°m),甚至是纳米(nm, 即10°m)。各类微生物个体大小的差异十分明显。粗略估计,真核微生物、原核微生物、非 细胞微生物、生物大分子、分子和原子之间大小之比,大都以10比1的比例递减 杆状细菌的平均长度和宽度约2um和0.5μm,3000个头尾衔接的杆菌的长度仅为一粒 籼米的长度,而60~80个肩并肩排列的杆菌长度仅为一根头发的直径。至于细菌的体重就更 微乎其微,每毫克的细菌约含有10-100亿个 众所周知,任何物体被分割得越细,其单位体积中物体所占的表面积就越大。若以人体 的“面积/体积”比值为1,则与人体等重的大肠杆菌的“面积/体积”比值为人的30万倍
2 微生物是生物界中数量极其庞大的一个类群，它是自然界生态平衡和物质循环中必不 可少的重要成员，与人类及其生存环境的关系十分密切。对于微生物个体来说，它的存在对 我们人类有时是有利的，有时既无利也无害，有时却是有害的。无数事实已经证明，自从人 类认识微生物并逐渐掌握其活动规律后，就可能将原来无利的微生物变成有利的，小利的变 成大利的，有害的变成小害、无害甚至有利，从而大大改善了人类的生活质量和推动了人类 的文明进步。目前，微生物在解决人类的粮食、能源、健康、资源和环境保护等问题中正显 露出越来越重要且不可替代的独特作用。然而，据估计，迄今为止已经发现的微生物仅占其 总数的 10%左右，在工农医等方面被利用并获得经济和社会效益的微生物则更少，只有数 百种。大部分微生物还有待于发掘利用。 1.1 微生物及其特点 1.1.1 微生物(microorganism, microbe) 微生物并不是生物分类学上的名词，它是包括所有形体微小的单细胞，或个体结构简单 的多细胞，或没有细胞结构的低等生物的通称。微生物是一群进化地位较低的简单生物，其 类群十分庞杂，有原核类的细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、衣原体和支原体，真核类 的酵母菌、霉菌、担子菌、原生动物和显微藻类，还有不具细胞结构的病毒和类病毒等。因 为肉眼难以分辨小于 1 毫米的物体细节，所以，通常必需借助光学显微镜甚至电子显微镜才 能观察微生物的形态结构和大小。但也有例外，最近有报道称德国科学家在非洲纳米比亚海 岸的海床沉积物中发现接近于肉眼可见的世界上最大细菌，这种细菌呈球状，普遍有 0.1~0.3 毫米宽，有的可达 0.75 毫米，它们比一般细菌大 1000 倍以上; 另外，一些真核微生物的个 体也可以被肉眼观察到，有些甚至很大，如木耳、马勃等担子菌。对于大多数微生物来讲， 显微镜是观察和研究它们的必备条件。这正是微生物研究在整个生物界中起步较晚的重要原 因之一。 1.1.2 微生物的特点 在生命科学研究和工业发酵生产广泛采用微生物为材料和对象的根本原因是由于微生 物个体一般是一个能自我增殖、多功能和大交换面积的单细胞反应体系。其特点可概括为体 积小、面积大，吸收快、转化快，生长旺、繁殖快，易变异、适应性强，种类多、分布广等 五大特性。 1.1.2.1 体积小、面积大 通常，微生物个体都极其微小，它们的测量单位是微米(m,即 10-6m)，甚至是纳米(nm, 即 10-9m)。各类微生物个体大小的差异十分明显。粗略估计，真核微生物、原核微生物、非 细胞微生物、生物大分子、分子和原子之间大小之比，大都以 10 比 1 的比例递减。 杆状细菌的平均长度和宽度约 2m 和 0.5m，3000 个头尾衔接的杆菌的长度仅为一粒 籼米的长度，而 60~80 个肩并肩排列的杆菌长度仅为一根头发的直径。至于细菌的体重就更 微乎其微，每毫克的细菌约含有 10~100 亿个。 众所周知，任何物体被分割得越细，其单位体积中物体所占的表面积就越大。若以人体 的“面积/体积”比值为 1，则与人体等重的大肠杆菌的“面积/体积”比值为人的 30 万倍
不言而喻,微生物这种小体积大面积的体系,特别有利于它们与周围环境进行物质交换和能 量、信息交换。这就是微生物与一切大型生物相区别的关键所在,也是赋予微生物具有五大 特性的根本所在 1.122吸收快、转化快 生物界的一个普遍规律是,某一生物的个体越小,其单位体重所消耗的食物就越多。例 ,有一种体重仅3克的地鼠,每日要消耗与体重相等的粮食;而体重不足1克的闪绿蜂鸟, 每日消耗其体重两倍的食物:单细胞的微生物个体,比上述的动物不知要小多少倍,而且其 整个细胞表面都有吸收营养物的功能,这就使它们的“胃口”变得特别大。例如在适合的环 境中,大肠杆菌每小时就能消耗其自身体重2000倍的糖。若以成年人每年消耗相当于200 公斤糖的粮食来换算,则一个细菌在一小时内消耗的糖按重量比相当于一个人在500年时间 内所消耗的粮食,约为人的几百万倍;产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍,比 食用公牛强10万倍;在呼吸速率方面,一些微生物也比高等动植物强得多,见表11.1。 表1.1.1若干微生物和动、植物组织的比呼吸速率 生物材料名称 温度(℃) 固氮菌 2.000 醋杆菌 1.800 假单胞菌 面包酵母 110 肾和肝组织 根和叶组织 Qo2为每小时内每毫克生物干重所消耗O2的微升数。 营养物吸收快、转化快的结果使微生物能迅速地生长繁殖,同时,能为人类生产大量的 发酵产品。 11.23生长旺、繁殖快 在生物界中,微生物具有惊人的繁殖速度,其中,以二等分裂的细菌最为突出。例如: 培养在37℃下的牛奶中的大肠杆菌,12.5分钟就能繁殖一代。若以20分钟分裂一次计算, 单个细菌经过24小时可产生4722×1021个后代,总重可达4722×103公斤,若将细菌平铺 在地面,能将整个地球表面覆盖。当然,由于种种条件的限制,细菌不可能始终以这种几何 级数的繁殖速度,细菌几何级数生长速度只能数小时。一般在液体培养细菌,每毫升培养液 内菌体个数只能达到108~109。 另外,以寄生在细菌或放线菌体内的噬菌体为例,它们在宿主细胞内,能在不到半小时 时间内,从原先的1个增加到150个左右的后代(如大肠杆菌T2噬菌体),多者甚至可达 千(如大肠杆菌ψ×174噬菌体)或一万个(如噬菌体f)。 微生物的高速繁殖特性,为工业发酵生产等实际应用提供了产量高、周转快等有利条件 例如生产单细胞蛋白的酵母菌,每隔8~12小时就可“收获”一次,每年可“收获”数百次。 这是其它任何农作物不可能达到的;一个占地总面积20米2左右的发酵罐一天生产的优质 单细胞蛋白的量相当于一头牛。这在畜牧业更是无法想象的 微生物生长旺、繁殖快的特性也为生物学基本理论硏究带来了极大的便利-一使科硏周
3 不言而喻，微生物这种小体积大面积的体系，特别有利于它们与周围环境进行物质交换和能 量、信息交换。这就是微生物与一切大型生物相区别的关键所在，也是赋予微生物具有五大 特性的根本所在。 1.1.2.2 吸收快、转化快 生物界的一个普遍规律是，某一生物的个体越小，其单位体重所消耗的食物就越多。例 如，有一种体重仅 3 克的地鼠，每日要消耗与体重相等的粮食；而体重不足 1 克的闪绿蜂鸟， 每日消耗其体重两倍的食物；单细胞的微生物个体，比上述的动物不知要小多少倍，而且其 整个细胞表面都有吸收营养物的功能，这就使它们的“胃口”变得特别大。例如在适合的环 境中，大肠杆菌每小时就能消耗其自身体重 2000 倍的糖。若以成年人每年消耗相当于 200 公斤糖的粮食来换算，则一个细菌在一小时内消耗的糖按重量比相当于一个人在 500 年时间 内所消耗的粮食，约为人的几百万倍；产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强 100 倍，比 食用公牛强 10 万倍；在呼吸速率方面，一些微生物也比高等动植物强得多，见表 1.1.1。 表 1.1.1 若干微生物和动、植物组织的比呼吸速率 生物材料名称 温度（℃） ―QO2 固氮菌 醋杆菌 假单胞菌 面包酵母 肾和肝组织 根和叶组织 28 30 30 28 37 20 2,000 1,800 1,200 110 10~20 0.5~4 ―QO2 为每小时内每毫克生物干重所消耗 O2 的微升数。 营养物吸收快、转化快的结果使微生物能迅速地生长繁殖，同时，能为人类生产大量的 发酵产品。 1.1.2.3.生长旺、繁殖快 在生物界中，微生物具有惊人的繁殖速度，其中，以二等分裂的细菌最为突出。例如： 培养在 37℃下的牛奶中的大肠杆菌，12.5 分钟就能繁殖一代。若以 20 分钟分裂一次计算， 单个细菌经过 24 小时可产生 4722×1021 个后代，总重可达 4722×103 公斤，若将细菌平铺 在地面，能将整个地球表面覆盖。当然，由于种种条件的限制，细菌不可能始终以这种几何 级数的繁殖速度，细菌几何级数生长速度只能数小时。一般在液体培养细菌，每毫升培养液 内菌体个数只能达到 108~109。 另外，以寄生在细菌或放线菌体内的噬菌体为例，它们在宿主细胞内，能在不到半小时 时间内，从原先的 1 个增加到 150 个左右的后代（如大肠杆菌 T2 噬菌体），多者甚至可达 一千（如大肠杆菌×174 噬菌体）或一万个（如噬菌体 f2）。 微生物的高速繁殖特性，为工业发酵生产等实际应用提供了产量高、周转快等有利条件。 例如生产单细胞蛋白的酵母菌，每隔 8~12 小时就可“收获”一次，每年可“收获”数百次。 这是其它任何农作物不可能达到的；一个占地总面积 20 米 2 左右的发酵罐一天生产的优质 单细胞蛋白的量相当于一头牛。这在畜牧业更是无法想象的。 微生物生长旺、繁殖快的特性也为生物学基本理论研究带来了极大的便利——使科研周
期大大缩短,效率提高。当然,对于危害人、动植物的病原微生物或使物品霉变的霉腐微生 物,它们的这个特性也给人类带来了极大的麻烦和祸害。 1.1.2.4易变异、适应性强 微生物个体一般都是单细胞,通常是单倍体,加之它们具有繁殖快、数量多及与外界环 境直接接触等原因,即使变异的频率十分低(一般为105~1019,也可在短时间内出现大量的 变异后代。因此,微生物的变异性使其具有极强的遹应能力,诸如抗热性、抗寒性、抗盐性 抗干燥性、抗酸性、抗缺氧、抗髙压、抗辐射及抗毒性等能力。这是微生物在漫长的进化历 程中所经受各种复杂环境条件的影响和选择的结果。 在医疗实践中,常见致病菌对抗生素产生抗药性变异。例如,1943年青霉素刚问世时, 它对金黄色葡萄球菌( Staphylococcus aureus)的作用浓度是0.02μg/m,二十年后,有的菌 株抗药性比原始菌株提高了一万倍(即200μg/ml)。40年代初刚使用青霉素时,即使严重 感染的病人,只要每天分数次共注射10万单位青霉素即可,而至今,成人每天要100万单 位左右。病情严重时,要用到数千万甚至上亿单位 青霉素产生菌产黄青霉( Penicillium chrysogenum的产量变异同样也说明了微生物变异 的潜力很大。1943年,每毫升青霉发酵液中只分泌约20单位的青霉素,经几十年育种工作 者的努力,该菌产量变异逐渐积累,至今,在最佳的发酵条件下,其发酵水平可达每毫升5 万单位以上,甚至有接近10万单位。利用变异使产量大幅度提高,这在动植物育种工作中 简直是不可思议的。这也就是为什么几乎所有微生物发酵工厂都特别重视菌种选育工作的一 个主要原因 微生物对各种环境条件尤其是极端恶劣的环境具有惊人的适应能力。例如在海洋深处的 某些硫细菌可在250℃甚至300℃的高温条件下正常生长:大多数细菌能耐0-196℃(液氮) 的任何低温,甚至在-253℃(液体氢)下仍能保持生命:一些嗜盐菌能在约32%的饱和盐水 中正常生活:许多微生物尤其是产芽孢的细菌可在干燥环境中保存几十年、几百年甚至上千 年;氧化硫硫杆菌( Thiobacillus thiooxidans)是耐酸菌的典型,它的一些菌株能生长在5~10 (0.5~10molL,pH0.5的HSO4中。有些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌( Thiobacillus denitrificans)生长的最高pH值为10.7,有些青霉和曲霉也能在pH911的碱性条件下生长 在抗辐射方面,人和其它哺乳动物的辐射半致死剂量低于1,000R,大肠杆菌是10,000R酵 母菌为30,000R,原生动物为100,000R,而抗辐射能力最强的生物—一耐辐射微球菌 ( Micrococcus radiodurans)则可达到750,000R:在抗静水压方面,酵母菌为500个大气压, 某些细菌、霉菌为3,000个大气压,植物病毒可抗5000个大气压 1125种类多、分布广 由于微生物的发现比动植物要迟得多,加上微生物种的分类和鉴定较为复杂和困难,所 以,目前已确定的微生物种数仅十万种左右,但是,从生理类型、代谢产物和生态分布等角 度看,微生物种数应大大超过动植物种数。有人估计目前至多只开发利用了其中的百分之一。 如此众多的微生物世界充彻整个地球,它们的分布可谓无孔不入。生物界的许多极限都 是微生物开创的。从生物圈、土壤圈、水圈直至大气圈、岩石圈,到处都有微生物家族的踪 迹。例如万米深海底部有硫细菌生存;在70~80千米的高空中也能采集到细菌和真菌类;前 苏联科学家在南极冰川在钻探时地下4.5~293米的不同深度的岩心中多次发现有球菌、杆菌
4 期大大缩短，效率提高。当然，对于危害人、动植物的病原微生物或使物品霉变的霉腐微生 物，它们的这个特性也给人类带来了极大的麻烦和祸害。 1.1.2.4 易变异、适应性强 微生物个体一般都是单细胞，通常是单倍体，加之它们具有繁殖快、数量多及与外界环 境直接接触等原因，即使变异的频率十分低（一般为 10-5 ~10-10),也可在短时间内出现大量的 变异后代。因此，微生物的变异性使其具有极强的适应能力，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、 抗干燥性、抗酸性、抗缺氧、抗高压、抗辐射及抗毒性等能力。这是微生物在漫长的进化历 程中所经受各种复杂环境条件的影响和选择的结果。 在医疗实践中，常见致病菌对抗生素产生抗药性变异。例如，1943 年青霉素刚问世时， 它对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的作用浓度是 0.02g/ml，二十年后，有的菌 株抗药性比原始菌株提高了一万倍（即 200g/ml）。40 年代初刚使用青霉素时，即使严重 感染的病人，只要每天分数次共注射 10 万单位青霉素即可，而至今，成人每天要 100 万单 位左右。病情严重时，要用到数千万甚至上亿单位。 青霉素产生菌产黄青霉（Penicillium chrysogenum)的产量变异同样也说明了微生物变异 的潜力很大。1943 年，每毫升青霉发酵液中只分泌约 20 单位的青霉素，经几十年育种工作 者的努力，该菌产量变异逐渐积累，至今，在最佳的发酵条件下，其发酵水平可达每毫升 5 万单位以上，甚至有接近 10 万单位。利用变异使产量大幅度提高，这在动植物育种工作中 简直是不可思议的。这也就是为什么几乎所有微生物发酵工厂都特别重视菌种选育工作的一 个主要原因。 微生物对各种环境条件尤其是极端恶劣的环境具有惊人的适应能力。例如在海洋深处的 某些硫细菌可在 250℃甚至 300℃的高温条件下正常生长；大多数细菌能耐 0~-196℃（液氮） 的任何低温，甚至在-253℃（液体氢）下仍能保持生命；一些嗜盐菌能在约 32%的饱和盐水 中正常生活；许多微生物尤其是产芽孢的细菌可在干燥环境中保存几十年、几百年甚至上千 年；氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)是耐酸菌的典型，它的一些菌株能生长在 5~10% (0.5~1.0mol/L,pH0.5) 的 H2SO4 中。有些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌（ Thiobacillus denitrificans）生长的最高 pH 值为 10.7，有些青霉和曲霉也能在 pH9~11 的碱性条件下生长； 在抗辐射方面，人和其它哺乳动物的辐射半致死剂量低于 1,000R，大肠杆菌是 10,000R,酵 母菌为 30,000R，原生动物为 100,000R，而抗辐射能力最强的生物——耐辐射微球菌 （Micrococcus radiodurans）则可达到 750,000R；在抗静水压方面，酵母菌为 500 个大气压， 某些细菌、霉菌为 3,000 个大气压，植物病毒可抗 5,000 个大气压。 1.1.2.5 种类多、分布广 由于微生物的发现比动植物要迟得多，加上微生物种的分类和鉴定较为复杂和困难，所 以，目前已确定的微生物种数仅十万种左右，但是，从生理类型、代谢产物和生态分布等角 度看，微生物种数应大大超过动植物种数。有人估计目前至多只开发利用了其中的百分之一。 如此众多的微生物世界充彻整个地球，它们的分布可谓无孔不入。生物界的许多极限都 是微生物开创的。从生物圈、土壤圈、水圈直至大气圈、岩石圈，到处都有微生物家族的踪 迹。例如万米深海底部有硫细菌生存；在 70~80 千米的高空中也能采集到细菌和真菌类；前 苏联科学家在南极冰川在钻探时地下 4.5~293 米的不同深度的岩心中多次发现有球菌、杆菌
和微小的真菌。 微生物代谢类型和代谢产物的多样性也是其他任何动植物无法比拟的。因此,微生物领 域是一个亟待开发和利用的宝地 12微生物学的发展简史 12.1古代中国对微生物的利用 我国是世界文明发达最早国家之一。勤劳勇敢的中国人民,在长期的生产实践中,对微 生物的认识和利用有着悠久的历史,积累了丰富的经验。在我国,利用微生物进行谷物酿酒 的历史,至少可追溯到距今四千多年前的龙山文化时期。从我国龙山文化遗址出土的陶器中 有不少的饮酒用具。殷代甲骨文中记载有不少的“酒”字。公元前十四世纪《书经》中有“若 作酒醴,尔惟曲蘖”的记载,意思是要酿造酒类,必须用蘖。曲是由谷物发霉而成的,蘖就 是发芽的谷物,说明那时已用曲与蘖酿酒。在郑州曾发现商代酿酒工场的遗址,可见至少在 商代,我国的酿酒已从农业分化成独立的手工业。利用微生物的特性,在不完全灭菌的条件 下,培育出优良菌种的曲,用以酿酒及制作醋、酱等,这是我国劳动人民在酿造工艺上独特 的贡献。 在农业方面,据考证,远在商代,已知使用经过一定时间储存的粪便来肥田。到了春秋 战国时期,沤制粪便的应用更为普遍。公元前一世纪《胜之书》中就提出肥田要熟粪及瓜与 小豆间作的耕作制度。后魏贾思勰著《齐民要术》(六世纪)总结前人经验指出,种过豆类 植物的土地特别肥沃,提倡轮作。实际上是应用根瘤菌的作用为农业生产服务,而西方采用 轮作制则是十八世纪三十年代以后的事了。 随着农业生产的发展,人们对作物、牲畜、蚕、桑的病害及其防治方法也逐步有所认识 如公元二世纪,《神农本草经》中就有蚕的“白僵(病)”记载。明朝李时珍的《本草纲目》 中也有不少植物疾病的记载 在医学方面,我国古代人民对疾病的病原及传染问题已接近正确的推论,对防治疾病 有着丰富的经验。如春秋时代的名医扁鹊(约在公元前五至六世纪)即主张防重于治。左襄 公时(公元前556年)已知狂犬病来源于疯狗,而很重视驱逐疯狗来预防狂犬病。公元前三 世纪我国有“取(疯狗)脑傅之”的记载,这与近代防治狂犬病的免疫方法近似。公元前二 世纪时,张仲景判断伤寒流行与环境和季节有关,提出禁食病死兽类的肉及不洁食品。华佗 (约公元前112~212年间)首创麻醉术和剖腹外科,并主张割去腐肉以防传染。早在公元 326-336年,葛洪《肘后方》中,除详记天花病状外,并注意天花的流行方式。我国古代采 用种痘以防天花的方法,是世界医学史上的一大创造。根据《医宗金鉴》记载:“种痘之法 起于江右,达于京畿。究其起源,是宋真宗时峨嵋山有神人为丞相王达之子种痘而愈,其法 逐传于世”。可见种痘的方法在宋真宗时代(公元998~1022年)即已广泛应用。后来传至 亚洲其他国家,并于1717年经土耳其传至英国,继而传到欧洲即美洲各国,在“人痘”的 基础上才发展成为“牛痘”。现在一般认为种痘是1798年英国医生秦纳( Edward Jenner) 受挤奶女工很少患天花,而手上常感染牛痘的现象启发所发明的。实际上这是我国发明天花 浆接种以后几百年的事情了 12.2微生物的发现及微生物学的发展
5 和微小的真菌。 微生物代谢类型和代谢产物的多样性也是其他任何动植物无法比拟的。因此，微生物领 域是一个亟待开发和利用的宝地。 1.2 微生物学的发展简史 1.2.1 古代中国对微生物的利用 我国是世界文明发达最早国家之一。勤劳勇敢的中国人民，在长期的生产实践中，对微 生物的认识和利用有着悠久的历史，积累了丰富的经验。在我国，利用微生物进行谷物酿酒 的历史，至少可追溯到距今四千多年前的龙山文化时期。从我国龙山文化遗址出土的陶器中 有不少的饮酒用具。殷代甲骨文中记载有不少的“酒”字。公元前十四世纪《书经》中有“若 作酒醴，尔惟曲蘖”的记载，意思是要酿造酒类，必须用蘖。曲是由谷物发霉而成的，蘖就 是发芽的谷物，说明那时已用曲与蘖酿酒。在郑州曾发现商代酿酒工场的遗址，可见至少在 商代，我国的酿酒已从农业分化成独立的手工业。利用微生物的特性，在不完全灭菌的条件 下，培育出优良菌种的曲，用以酿酒及制作醋、酱等，这是我国劳动人民在酿造工艺上独特 的贡献。 在农业方面，据考证，远在商代，已知使用经过一定时间储存的粪便来肥田。到了春秋 战国时期，沤制粪便的应用更为普遍。公元前一世纪《胜之书》中就提出肥田要熟粪及瓜与 小豆间作的耕作制度。后魏贾思勰著《齐民要术》（六世纪）总结前人经验指出，种过豆类 植物的土地特别肥沃，提倡轮作。实际上是应用根瘤菌的作用为农业生产服务，而西方采用 轮作制则是十八世纪三十年代以后的事了。 随着农业生产的发展，人们对作物、牲畜、蚕、桑的病害及其防治方法也逐步有所认识。 如公元二世纪，《神农本草经》中就有蚕的“白僵（病）”记载。明朝李时珍的《本草纲目》 中也有不少植物疾病的记载。 在医学方面，我国古代 人民对疾病的病原及 传染问题已接近正确的推论，对防治疾病 有着丰富的经验。如春秋时代的名医扁鹊（约在公元前五至六世纪）即主张防重于治。左襄 公时（公元前 556 年）已知狂犬病来源于疯狗，而很重视驱逐疯狗来预防狂犬病。公元前三 世纪我国有“取（疯狗）脑傅之”的记载，这与近代防治狂犬病的免疫方法近似。公元前二 世纪时，张仲景判断伤寒流行与环境和季节有关，提出禁食病死兽类的肉及不洁食品。华佗 （约公元前 112~212 年间）首创麻醉术和剖腹外科，并主张割去腐肉以防传染。早在公元 326~336 年，葛洪《肘后方》中，除详记天花病状外，并注意天花的流行方式。我国古代采 用种痘以防天花的方法，是世界医学史上的一大创造。根据《医宗金鉴》记载：“种痘之法 起于江右，达于京畿。究其起源，是宋真宗时峨嵋山有神人为丞相王达之子种痘而愈，其法 逐传于世”。可见种痘的方法在宋真宗时代（公元 998~1022 年）即已广泛应用。后来传至 亚洲其他国家，并于 1717 年经土耳其传至英国，继而传到欧洲即美洲各国，在“人痘”的 基础上才发展成为“牛痘”。现在一般认为种痘是 1798 年英国医生秦纳（Edward Jenner ） 受挤奶女工很少患天花，而手上常感染牛痘的现象启发所发明的。实际上这是我国发明天花 浆接种以后几百年的事情了。 1.2.2 微生物的发现及微生物学的发展