{生物科技管理}微生物讲义chapter01

,第一章 绪 论,第一节 微生物与人类 第二节 微生物学的发展史 第三节 微生物的类群及特点 第四节 微生物学及其分科 第五节 微生物学研究现状和发展 附：教材与参考文献,微生物与人类关系的重要性，我们怎么强调都不过分。微生物是一把 典型的双刃剑，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。可以这 么说，微生物既是人类的敌人又是人类的朋友。,第一节 微生物与人类,以下我们从几个大的方面体会一下微生物与人类的关系，看看微生物 作为敌人的“面孔”和作为朋友的“模样”。,1. 人类健康 病原体、抗生素,2. 工业 产品腐败、发酵产品,3. 生物工程学 （发酵、遗传、细胞、酶、生物发应器）工程 生物工程学,4. 农业 农产品霉变、农业栽培、生物农药,5. 环境 环境污染、物质循环、环境保护,第一节 微生物与人类,6. 生命科学基础理论研究 生物中心法则、核酸的变性、复性和杂交、糖酵解、发酵、TCA 循 环、EMP 途径、生物膜的流动镶嵌模型、呼吸链、氧化磷酸化、DNA 的 半保留复制、操纵子、生物代谢调节的方式、氨基酸的分解代谢途径等。,微生物确乎是一把明晃晃的双刃剑。,1. 一个难以认识的微生物世界 （1）个体过于微小 大多数微生物的个体在几m - 几十m ，在显微镜发明之前仅靠肉眼 难以发现和辨认。,二、微生物学的发展史,（2）群体外貌不显 微生物的个体看不见，形成的群体（菌落或菌苔）虽然可见，一般也 平淡无奇，不引人注意。,（3）种间杂居混生 自然状态下杂居混生，在发明各种微生物的分离、培养技术之前，无 法知道其真正的作用。,（4）形态与作用因果难联 微生物的生长繁殖快，代谢活跃，传染病早期并不引人注意，即便事 态严重，往往也没有意识到是微生物的活动。就是许多非病原微生物的生 长活动所引起的各种生化变化（发酵、腐败）等，也是如此。,2. 微生物学的发展史 整个微生物学的发展史是一部逐步克服上述认识微生物的 4 个 障碍不 断探究它们的生活规律，开发利用有益微生物和控制有害微生物的历史。 （如显微镜的发明、无菌技术的应用、纯种分离和培养技术的建立等。）,（1）史前期（8000 年前-1676 年） 这一时期的特点：低水平的应用阶段。 以下一段话可以反映这一时期的特点： 视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受 其害而不知其恶。,我们根据划时代意义的事件扼要将微生物学的发展史分为 5 个时期。,二、微生物学的发展史,在史前期，世界各国人民在自己的生产实践中都积累了许多利用有益 微生物和防治有害微生物的经验。例如发面、天然果酒和啤酒酿造、牛乳 和乳制品的发酵以及利用霉菌来治疗一些疾病等，但当时应用水平最高并 独树一帜的应用应该首推我国人民在制曲酿酒方面的伟大创造。, 酿酒, 农业, 医学,（2）初创期（1676 年-1861 年） 这一时期的特点：形态描述和分门别类的阶段。,荷兰商人安东.列文虎克（Antony van Leeuwenhoek，1632 - 1723）， 是真正看见并描述微生物的第一个人。他的最大贡献是利用自制的显微镜 发现了微生物世界（当时被称之为微小动物）。显微镜构造简单，仅一个 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。,二、微生物学的发展史,Antony van Leeuwenhoek,列文虎克和他的显微镜,二、微生物学的发展史,a. 显微镜 b. 描述的细菌,列文虎克的显微镜和描述的细菌,二、微生物学的发展史,实际上，列文虎克是清楚地看见了细菌和原生动物，首次向世人揭示 了一个崭新的生物世界微生物世界。由于列文虎克的划时代贡献，他 在 1680 年被选为英国皇家学会会员。,（3）奠基期（1861 年-1897 年） 十九世纪中期，以法国的巴斯德和德国的柯赫为代表的科学家揭示了 微生物才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。巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人。 这一时期的特点：从形态描述推进到生理水平的研究阶段。, 巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895） 巴斯德原来是化学家，在化学领域中作出 过重要的贡献，后来又转向于微生物学的研究 领域，所做的工作为微生物学的建立和发展作 出了卓越的贡献。,二、微生物学的发展史,A. 彻底否定了“自生说”学说 a. “自生说”,b. 曲颈瓶试验,二、微生物学的发展史,B. 免疫学预防接种 a. Jenner 种痘法可预防天花，但未能阐明免疫机制,C. 证实发酵是由微生物引起的,b. 减毒疫苗鸡霍乱病、牛、羊炭疽病、狂犬病,D. 其他贡献（巴斯德消毒、巴斯德效应）, 柯赫（1843-1910） 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。,Robert Koch,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，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；,C. 提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体 的基本原则柯赫法则。,二、微生物学的发展史,柯赫法则示意图,二、微生物学的发展史,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。,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： A. 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 基本前提，这项技术一直沿用至今；,B. 配制培养基，也是当今微生物学研究的基本技术之一。 这两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。,由于巴斯德和柯赫的杰出工作，微生物学作为一门独立的学科开始形 成，并且出现以他们为代表而建立的各分支学科。,细菌学（巴斯德、柯赫等）,消毒外科技术（J. Lister）,免疫学（巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等 ）,二、微生物学的发展史,病毒学（Ivanowsky、Beijerinck 等）,植物病理学和真菌学（Bary、Berkeley 等）,酿造学（Hensen、Jorgensen 等）,化学治疗法（Ehrlish 等） 微生物学的研究内容日趋丰富，使微生物学的发展更加迅速。,（4）发展期（1897 年-1953 年） 1897年，德国科学家E. Buchner用无细胞酵母菌压 榨汁中的“酒化酶”对葡萄糖进行酒精发酵成功，从而开 创了微生物生化研究的新时代。此后，微生物生理代谢 研究就蓬勃地开展起来了。,E. Buchner,这一时期的特点如下： A. 进入了微生物生化水平的研究；,B. 应用微生物的分支学科更为扩大；,C. 出现了寻找有益微生物代谢产物的热潮；,二、微生物学的发展史,D. 普通微生物学开始形成；,E. 相关学科相互渗透促进了微生物学的发展。,整个生命科学进入了分子生物学研究的新阶 段，同样也是微生物学发展史上成熟期到来的标 志。,（5）成熟期（1953 年-至今） 1953 年 2 月 28 日， Watson和 Crick建立了 DNA 双螺旋结构理论， 奠定了现代分子生物学 的基础，整个生命科学由此展开了新的一页。他 们俩因此获得了诺贝尔奖。这是迄今为止分量最 重的一项诺贝尔奖，“是诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。,本时期的特点为： A. 微生物学从一门在生命科学中较为 孤立的应用为主的学科迅速成 为一门十分热门的前沿基础学科；,二、微生物学的发展史,B. 在基础理论研究方面，逐步进入到分子水平的研究，微生物迅速成为分子生物学研究中的主要对象；,C. 在应用研究方面，微生物已成为新兴的生物工程中的主角。,微生物学的发展史是一部认识微生物的历史、开发利用有益微生物的 历史、控制和消灭有害微生物的历史。,二、微生物学的发展史,3. 微生物学发展过程中的重大事件 1890，Von Behring 制备抗毒素治疗白喉和破伤风；,1892，Ivanovsky 提供烟草花叶病是由病毒引起的证据；,1928，Griffith 发现细菌转化；,1929，Fleming 发现青霉素；,1944，Avery 等 证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；,1953，Watson 和 Crick 提出 DNA 双螺旋结构；,1970-1972，Arber、Smith 和 Nathans 发现并提纯了 DNA 限制性内 切酶；,1977，Woese 提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群；,二、微生物学的发展史,Sanger 首次对 174 噬菌体 DNA 进行了全序列分析；,1982-1983，Prusiner 发现朊病毒（prion）；,1983-1984, Mullis 建立PCR技术；,1995，第一个独立生活的细菌（流感嗜血杆菌）全基团组序列测定完 成；,1996， 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；,1997， 第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测序完成。,1. 什么是微生物 微生物（microorganism，microbe）是一切肉眼看不见或看不清的微 小生物的总称，它们是一些个体微小（一般小于0.1mm）、结构简单的低 等生物，必须借助于显微仪器才能看得见的生物。,第三节 微生物的类群及特点,微生物包括哪些类群呢？,第三节 微生物的类群及特点,注意：微生物、酵母、 霉菌、蕈菌都不 是生物分类学中 的名词。,最小的细菌：纳米细菌（nanobacteria），直径仅 50 nm。,第三节 微生物的类群及特点,最大的细菌：“纳米比亚硫磺珍珠”（Thiomargarita namibiensis）， 有些可达 0.75 mm。,2. 微生物的特点 微生物由于体形微小，因而导致了一系列与之密切相关的 5 个重要共 性。 （1）体积小、面积大比表面积大,第三节 微生物的类群及特点,对 1 cm3 固体作10倍系列三维分割后的比面值变化,第三节 微生物的类群及特点,由于微生物是一个如此突出的小体积大面积系统，从而赋予它们具有 不同于一切大生物的五个共性，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流面。由此， 产生其余 4 个 共性。,（2）吸收多、转化快 大肠杆菌（Escherichia coli）每小时可分解自身重量1,000-10,000倍的 乳糖。,产朊假丝酵母 （ Candida utilis）合成蛋白质的能力比大豆强 100 倍， 比食用公牛强10万倍，故有单细胞蛋白（single cell protein，SCP）的生 产。,一些微生物的呼吸速率比高等动、植物的组织强数十倍至数百倍。,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的发挥其超小型 “活的化工厂”的作用。,（3）生长旺、繁殖快 E.coli：12.5-20min分裂一次。如果以20min/次计算，请计算每天可产 生多少子细胞？,第三节 微生物的类群及特点,4,722,366,500 万亿个后代，总量约 4,722 吨。,液体培养物细菌浓度一般仅为108-109细胞/mL，为什么？,这一特性对于发酵工业的实践意义在于生产效率高和发酵周期短。,（4）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企及的。,E. coli 细胞中能容纳20万-30万蛋白质分子，2000-3000 种执行不同生