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电子讲义- 第一章 绪论[中文]

[ 推荐:★★★☆☆┋作者:未知┋来源:未知┋发布:admin┋发布:2009年1月1日┋阅读:2435次 ]

教学大纲  English Version

(总56学时=32学时理论+24学时实验)

一、微生物学是一门实验手段较强的学科,本课程共56学时,24学时的实验,12-19周。在成绩考核中,理论60%+实验30%+平时成绩10%。

二、纪律要求:课堂纪律大家都很清楚,需强调一下出勤纪律,凡无故缺席一次扣5分,凡无故早退、迟到一次扣1分,当10分扣完后,再出现无故缺席、早退、迟到的就取消考试资格。

三、提问:谈谈对微生物或微生物学的认识?学完本课程后再比较一下今天的答案就知道自己是否有收获,大家涌跃一点,对答案我不作评价,在以后的不断学习中大家再丰富自己的答案。(提出问题的理由:上课前,调查同学们得知,认为微生物很高深,很难学,因为他们的微生物知识太少,发以前学过生物,也限于动物、植物、或人(生理卫生),微生物可能知道两个名词而已,但是微生物给人的关系密切,如病毒、细菌之类的名词,与他们才学的无机、有机化学等不同,这些课在中学有很好的基础了,现在只是深化学习。而对微生物因为他几乎肉眼不可见,同学们的好奇又使他们比较的兴趣) 

第一章 绪

计划学时:2学时

重点;微生物学的定义、类群、特点研究对象,微生物学发展的奠基者巴斯德、科赫对微生物学的贡献。

 一、微生物概述

() 什么是微生物

微生物是一切不借助显微镜肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它们都是一些个体微小(一般<0.1mm)、构造简单(单细胞、简单多细胞、非细胞)的低等生物。包括:

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220世纪70年代末,C.R.Woese等人提出三域学说:细菌域、古细菌域和真核生物域。16S rRNA、18S rRNA序列来进行划分的。认为生物的发展不是一个简单的由原核生物发展到更为复杂的真核生物的过程,生物界明显存在3个发展不同的基因系统。这三个类型都是由一个尚不明确的始祖生物大约在35亿年前各自发展起来的。

微生物不是生物分类系统中的一个类群,它是微小生物的总称,涵盖全部真细菌、古细菌和真核生物中的部分真菌、单细胞藻类和原生动物,以及非细胞生物病毒。

() 微生物的特点

1、个体微小,结构简单。细胞大小以微米和纳米计量。需用显微镜进行观察。单细胞、简单多细胞、非细胞的低等生物。

2、生长旺,繁殖快。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—个细菌已产生了4 722 366 500万亿个后代,总重约可达4 722t。若将细菌平铺在地球表面,能将地球表面覆盖。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。

3、代谢类型多,活性强。微生物的生理代谢类型之多;是动、植物所大大不及的。例如:分解地球上贮量最丰富的初级有机物—天然气、石油、纤维素、木质素的能力为微生物所垄断;微生物有着最多样的产能方式,诸如细菌的光合作用,化能合成作用,各种厌氧产能途径等;生物固氮作用;合成各种次生代谢产物;抵抗极端环境的能力;分解氰、酚、多氯联苯等有毒和剧毒物质的能力,等等。

4、分布广泛。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,从土壤圈、水圈、大气圈至岩石圈;植物、动物、人体内到处都有它们的踪迹。有高等生物的地方均有微生物生活,动植物不能生活的极端环境也有微生物存在。再比如:人体正常微生物区系由微生物组成,多数是细菌,它们存在于与外部环境接触的体腔表面,即皮肤、口腔、胃腔道、阴道、泌尿道。定居于这些部位的细菌数量巨大,它们是哺乳动物细胞数的10倍(细胞微生物学陈复兴、江学成等主译,北京|人民军医出版社,2001:10)。

5、种类多,数量多。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,其中已记载的仅约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;随着人类对微生物的不断开发、研究和利用,这些数字还在急剧增长。据报道,当前全球的细菌总数约为5×1030个。在局部环境中数量多,如每克土壤含微生物几千万至几亿个。

6、易变异,适应性强。微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞甚至非细胞的,它们通常都是单倍体,加之它们具有繁殖能力快、数量多及与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变异的后代。因此,微生物的变异性使其具有极强的适应能力,如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗氧性、酸热性、抗压性、抗毒等能力。

二、微生物学研究的主要内容及成就 

1、研究的基本内容

①微生物细胞的结构和功能,研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转;

②微生物进化和多样性,研究微生物的种类,它们之间的相似性和区别,以及微生物的起源;

③生态学规律,研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用;

④微生物同人类的关系。

2、微生物学的主要分枝学科

 3、研究微生物学的基本方法:

(1)显微镜技术 (2)无菌技术(3)纯种分离技术(4)纯种培养技术

纯种培养技术发展特点:①以固体培养为主,发展到以液体培养为主;②从浅层培养法发展到深层发酵法;③从静止培养法发展到通气搅拌培养法;④从单罐培养发展到连续培养以及多级连续培养;⑤从利用分散的微生物细胞发展到固定化细胞;⑥从利用自然菌种到利用变异菌株以及“工程菌”等等。

4、微生物学的发展(自学P1-3

4.1、微生物学的早期发展

1.微生物的发现(微生物形态学的发展)

  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),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..微生物学发展的奠基者(微生物生理学的发展)

 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)和德国的柯赫(Robert Koch)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(法)和柯赫(德)是微生物学的奠基人

 1)巴斯德

  巴斯德原是化学家,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,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℃/30min)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献。

(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。其助手Petri设计出Petri皿(容纳培养基。观察菌落,通气而不污染)

 (2)配制培养基。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。其助手Hesse用其妻做果冻的培养基作为固体培养基凝固剂。

 巴斯德和柯赫的杰出工作,使微生物学作为一门独立的学科开始形成,并出现以他们为代表而建立的各分枝学科,例如细菌学、消毒外科技术,免疫学、土壤微生物学、病毒学、植物病理学和真菌学、酿造学以及化学治疗法等。微生物学的研究内容日趋丰富,使微生物学发展更加迅速。

4.2、近代微生物学的发展

①微生物学的一套基本技术在19世纪后期均已完善,包括显微技术、灭菌方法、加压灭菌器(Chamberland,1884)、纯培养技术、革兰氏染色法(Gram,1884)、培养皿(Petri,1887)和琼脂作凝固剂等。开始重视微生物生态学。

②20世纪上半叶微生物学事业欣欣向荣。微生物学沿着两个方向发展,即应用微生物学和基础微生物学。在应用方面,对人类疾病和躯体防御机能的研究,促进了医学微生物学和免疫学的发展。青霉素的发现(弗莱明,1929)和瓦克斯曼(Waksman)对土壤中放线菌的研究成果导致了抗生素科学的出现,这是工业微生物学的一个重要领域。环境微生物学在土壤微生物学研究的基础上发展起来。微生物在农业中的应用使农业微生物学和兽医微生物学等也成为重要的应用学科。应用成果不断涌现,促进了基础研究的深入,于是细菌和其它微生物的分类系统在20世纪初中叶出现了,对细胞化学结构和酶及其功能的研究发展了微生物生理学和生物化学。微生物遗传与变异的研究导致了微生物遗传学的诞生。微生物生态学在20世纪60年代也形成一个独立的学科。

③20世纪80年代以来,在分子水平上对微生物的研究迅速发展,分子微生物学应运而生:在短短的时间内取得了一系列进展,并出现了一些新的概念,较突出的有,生物多样性、进化、三原界学说;细菌染色体结构和全基因组测序;细菌基因表达的整体调控和对环境变化的适应机制;细菌的发育及其分子机理;细菌细胞之间和细菌同动植物之间的信号传递;分子技术在微生物原位研究中的应用。经历约150年成长起来的微生物学,在2l世纪将作为统一生物学的重要内容而继续向前发展,其

两个活跃的前沿领域将是分子微生物遗传学和分子微生物生态学。

④21世纪的微生物学将更加绚丽多彩。多学科的交叉、基因组研究的深入和扩展将使微生物学的基础研究及其应用出现前所未有的局面。

三、微生物的重要性(与人类的关系,可见第十二章)

  有益方面

  • 农业

农业是人类赖以生存的最重要的客观基础。微生物学不仅与农业生产密切相关,而且与食品安全和品质改善密切相关。

土壤的形成与肥力的提高有赖于微生物的作用。土壤中含氮物质最初来源是微生物的固氮作用。土壤中含氮物质的积累、转化和损失,土壤中有机质的形成和转化、土壤团聚体的形成、土壤中岩石矿物变为可溶的植物可吸收态无机化合物等等过程都 与微生物的生命活动相关:由于微生物的活动,使得土壤具有生物活性性能,推动着自然界中最重要的物质循环,并改善着土壤的水、透气、供肥、保肥和冷热的调节能力,有助于农业生产。

随着人类对环境和食品安全质量的要求愈来愈高,易造成环境和食品污染的化学农药、化学化肥愈来愈不受欢迎,绿色农业或有机农业、绿色食品的呼声越来越高。而绿色农业或有机农业、绿色食品离不开微生物的作用。在农业生产中,农作物的防病、防虫害也与微生物密切相关。植物的许多病其病原也是各类微生物,而反过来也可利用某些微生物来防治农作物的病虫害。有机物的积制过程实际上就是通过微生物的生命活动,把有机物改造成腐殖质肥料的过程。有机和无机肥料放入土壤以后,只有一部分可被植物吸收,其余部份都要经过微生物的分解、转化、吸收、固化,然后才逐渐并较长时间地供给作物吸收利用,许多微生物能固定大气中的氮素,为植物提供氮素营养。

  农产品的加工、贮藏,实际是很多是利用有益微生物作用或是抑制有害微生物的危害的技术。以菌作饲(饵)(SCP)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;免耕技术等等。

例1:微生物农药是利用微生物或其产物来防治植物病虫害和杂草危害的一类微生物制剂。通过筛选的昆虫病原体或病菌拮抗微生物,用人工方法培养、收集、提取而制成的。当这些病原体和拮抗微生物或其代谢产物为昆虫吞食、接触或病菌感染后,通过微生物的活动、毒素的作用而使害虫和病原菌的新陈代谢受影响,破坏其机体器官,影响其发育繁殖或变态,从而达到灭菌防病的目的。

由于长期、大量使用化学农药,农田生态环境遭到严重破坏,害虫天敌数量急剧减少,虫害猖獗,也使得次要害虫上升为主要害虫,造成害虫越来越难治理。同时农产品的农药残留及农药对环境的严重污染也成为人类普遍关注的问题。随着人们的健康意识、环境意识的增强,对“绿色”食品、“无公害”食品的需求大大加强。很多国家在努力研究高效低毒低残留化学农药的同时,大力加强了生物防治技术的研究与应用。微生物农药的生产和使用是生物防治的重要手段。

微生物农药的种类:

a:细菌杀虫剂,国内外都不多,产品仅有十几种,主要是苏云金杆菌菌株的各个变种,他们都是能产生伴胞晶体的芽孢杆菌。其他还有日本金龟子杆菌和蜡状芽孢杆菌。苏云金杆菌能产生α、β、γ、δ毒素,当害虫吞食了沾上该菌的作物后,主要是通过“胃肠毒”作用,使害虫致病死亡。虽然外毒素有触杀作用,但毒力不高,所以通常对啮口器式害虫鳞翅目幼虫防效较高,对刺吸口器害虫防效甚微,甚至是无效的。

b:真菌杀虫剂,始于19世纪,目前已发现750种以上的真菌是昆虫致病菌,但国际上广泛应用的只有属半知菌类中的球孢白僵功。主要通过接触感染使昆虫致病死亡。其致病机理:主要是通过孢子接触到虫体后,遇到适宜的温度和湿度就会萌发后,形成菌丝。菌丝可穿透虫体体壁伸入体内,进行繁殖,。其致病作用一是菌丝生长的机械作用引起;二是菌丝在虫体内繁殖的同时产生草酸钙结晶和白僵素,引起虫体中毒变硬。对啮口器、刺吸口器害虫均有效。但白僵菌对害虫有一定的专一性,且以光、温度、湿度很敏感。

c:病毒杀菌剂:1969年法国从烟草花叶病毒中分离提纯一个变种,其制剂喷施番茄,能抵抗花叶病毒侵染番茄。

d农用抗生素:是微生物农药应用的主要方面。国内目前应用面积最大的是防治水稻纹枯病的井岗霉素,其次是防治谷子黑穗病、苹果腐烂病为主的内疗素,以及防治稻瘟病和小麦白粉病的庆丰霉素(庆丰链霉菌)。以日本和我国发展最快。

e,微生物除草剂,日本和我国研究较多。1963山东农科院植保所筛选的“鲁保一号”微生物制剂早,能有效的防治大豆菟丝子的危害。

微生物农药的特点:①对脊椎动物和人类无毒害,不会污染环境;②对植物无毒害;③能保护害虫天敌;④昆虫不易产生抗药性;⑤有自然传播感染的能力:有些昆虫病原微生物,在使用后可在昆虫群落中自然传播感染而造成流行病;⑥容易进行大量生产。

微生物农药的主要缺点:效果较缓慢,受环境条件的影响较大。杀虫范围窄,生产成本相对较高,产品质量不稳定等因素也困扰着微生物农药的推广应用。可参考《农业微生物应用技术》(李登煜、梁如玉主编)。

例2:微生物肥料(见图片:花生根瘤菌和菌根菌的应用增产效果)

例3:生物能源技术沼气发酵三个阶段:是水解、发酵阶段,复杂有机物在发酵细菌(纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等)作用下进行水解和发酵,主要产物是脂肪酸和醇类;是产氢产乙酸细菌将脂肪酸和醇类转化为乙酸、氢气、CO2;是产甲烷细菌利用乙酸和氢气、CO2产生甲烷70%甲烷产自乙酸的分解,其余少量则产自氢气和CO2的合成。

例4:食用菌生产技术

②食品:酸奶、奶酪、酒、食品添加剂(味精、酱油等)、豆腐乳、臭豆腐(稻草上的枯草芽孢杆菌厌气条件下发酵分解蛋白质—>aa―>氨、H2S);食品罐藏防腐等。

③环境在地球生物化学循环中非常重要(没有微生物就不存在循环);废物的处理(生活垃圾、工业废水、堆肥的制作);降解杀虫剂、除草剂、纤维素、木质素、生物外源性物质(DDT、666、塑料等等)。

④医药:人类绝大多数病症是由微生物引起,其药物大多数也用微生物生产,如疫苗、抗生素(青霉素、链霉素、卡那霉素、四环素)。工程菌生产多肽类生化药物等,使原先猖獗的细菌性传染病得到了较好的控制,天花等烈性传染病彻底绝迹,人类的健康水平大幅度提高,平均寿命约提高了25岁。

⑤生物技术及科学研究:

 抗生素、酶、氨基酸、有机酸(草酸、柠檬酸等)、维生素(酵母能合成几乎全部的维生素,霉菌有合成大部分维生素的能力,细菌也有)的生产。

在国际上获得诺贝尔生理学和医学奖的研究中,有近60%的工作是微生物作研究材料的,遗传工程的研究也是首先在微生物方面找到突破口的,因此微生物学是现代生物科学的前沿之一。分子生物学就是在微生物学、生物化学和遗传学的汇合中诞生和发展起来的。分子生物学的两大分支,即基因工程和生物工程中,微生物仍是其中的宠儿和主角。基因工程实质是一种体外切割和重组DNA片段的过程,并使重组DNA获得高效表达的实验手段,而其中所需要的受体(由于微生物生长繁殖快、培养条件较简易,当今大量的基因工程产品主要是以微生物作为受体而进行生产的)、供体、载体(作为基因工程的外源DNA载体:不是微生物本身(如噬菌体),就是微生物细胞中的质粒)和工具酶等大都由微生物来承担的产生。

有害方面

①引起人、动物、植物的病害。绝大多数病症是由微生物引起。人类历史上曾多次遭受严重的瘟疫流行,如鼠疫、天花、麻风、肺结核等疾病的大流行一,现仍有艾滋病、SARS的出现和流行。

②食物的腐败:柑桔变软,长霉,

③钢铁的腐蚀、木材等的腐烂:野生菌等。

四、显微镜下的微生物

 上课时间:3-4

  • 提问:

1、按细胞结构划分,包括哪些微生物?

2、哪类微生物不具细胞结构?

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