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1-0 微生物课程 >>绪论
作者:广西民族…    文章来源:微生物课程    点击数:4363    更新时间:2009/12/5
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一、微生物在生物界中的地位

1、什么是微生物:

   微生物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,构造简单的低等生物。

轮虫
污水中的微生物
支原体

3、微生物的五大共性
 1). 体积小,面积大
  E.coli(大肠杆菌)平均长度2μm,宽0.5μm
  1500个E.coli 头尾相连,相当于一粒3mm长的芝麻。
  一个极端突出的小体积,大面积体制,具有一个巨大的营养物吸收面,代谢废物排泄面和环境信息的接受面,有利与外界交流。体积小、面积大是微生物五大共性的基础,由它可发展出一系列其它共性。

 2). 吸收多,转化快大肠杆菌图
  一个E.coli 在1小时内消耗了500人一年的口粮。
  有资料表明,发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000-10000倍的乳糖;Candidautilis(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。
  3. 生长旺,繁殖快
  微生物具有极高的生长和繁殖速度,例:大肠杆菌 Escherichia.coli在37℃的牛奶中13分钟可分裂1代。
  以20分钟1代计,则有细菌24小时分裂72次(视频,其后代数为4.722×1021个,重4772吨;48小时后达2.2×1043个,重2.2×1025吨,相当于4000个地球重。
  生长旺,繁殖快的特点在发酵工业上具有重要意义,主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。

  4). 适应性强,易变异

嗜热放线菌

  微生物对环境条件尤其是恶劣的极端环境具有惊人的适应力:如抗热、抗寒、抗干燥、抗酸、抗碱、抗高盐、抗缺O2、抗高压、抗辐射、抗有毒物质毒害等均有极强能力。
  由于微生物繁殖快,数量多,与外界直接接触等原因,变异频率即使
很低(10-5—10-10),也可在短时间内出现大量变异后代。这种变异,我们可利用,为人类造福。
  当然实践中也会出现有害变异,如医疗中最常见的致病菌对抗生素所产生的抗药性变异。1943年青霉素刚问世时,对Staphylococcus aureus(金黄色葡萄球菌)
的最低制菌浓度为0.02μg/ml,过了几年,制菌浓度不断提高,有的菌株耐药性竟比原始菌株提高1万倍。因此需要慎重对待。

金黄色葡萄球菌革兰氏染色

  5). 分布广、种类多
 (1)分布广:地球上除火山中心区域外,在土壤圈、水圈、大气圈以至岩石多彩的酵母菌圈到处都有微生物的踪迹。
  A人体肠道中的正常菌群:在人体肠道中,经常聚集着100-400种不同种类的微生物,估计它们的个体总数大于100万亿,重量约等于粪便干重的1/3。其中数量最多的是一类厌氧菌,主要是Bacteroids fragilis(脆弱拟杆菌)
,数量达到1010-1011个/g。
  B万米深海底部的耐热硫细菌:1974年4月和1977年2月,科学家发现在东太平洋加拉帕戈斯群岛东部,深度1万米的海底温泉中,硫细菌的含量达每ml含100万-100亿个,它们既耐高温(100℃)又耐高压(1140大气压)
  C几万米高空中的微生物:在85km的高处,通过地球物理火箭采集到了微生物。
  D地层下的微生物:有人在南极洲的罗斯岛和泰罗尔盆地128m和427m的沉积岩心中。找到了活细菌。
 (2)种类多:目前已知动物150万种,植物50万种,微生物10万多种。但估计只占总数的的1/10。微生物的种类多主要表现在以下三方面:
  A.微生物的生理代谢类型多:微生物的分解复杂有机物的能力,产能方式,生物固氮作用,合成各种复杂有机物,繁殖方式等多种多样。
  B.代谢产物种类多:仅E.coli一种细菌即产生2000-3000种不同的蛋白质。
  C.微生物的种数多:目前比较肯定的微生物种数大约为10万种,但这只是冰山一角,新的种类不断发现。

二、微生物学的发展简史

  1、 古代对微生物的利用贾思勰与齐民要术
  我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒;
  4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒;
  2500年前发明酿酱、醋,用曲治消化道疾病;
  公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”;
  公元2世纪,张仲景
:禁食病死兽类的肉和不清洁食物;
  公元前112年-212年间,华佗
:“割腐肉以防传染”;
  公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花;
  1346年,克里米亚半岛上的法卡城之战(靼坦人-罗马人)。

 

古埃及壁画中的酿酒场面

  2、 微生物学的初创时期
  1664年,英国人虎克
(Robert Hooke)曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。

最早的显微镜
                                                              最初的显微镜
虎克绘制的细胞形态

  1676年,微生物学的先驱荷兰人列文虎克(Antony van leeuwenhoek)首次观察到了细菌。他没有上过大学,是一个只会荷兰语的小商人,但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜,放大率一般为50~200倍,发表过约400篇论文,其中绝大部分(375篇)寄往英国皇家学会发表。
  3、 微生物学的奠基时期巴斯德

  1). 法国人(1822~1895)巴斯德(Louis Pasteur)
  (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的;化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”.
  (2) 彻底否定了“自然发生”学说.
  著名的曲颈瓶试验(FLASH演示)无可辩驳地证实,空气内确实含有微生物,是它们引起有机质的腐败。
  (3) 免疫学——预防接种, 首次制成狂犬疫苗。
  (4)其他贡献
  巴斯德消毒法:60~65℃作短时间加热处理,杀死有害微生物.

  2).德国人( 1843~1910)科赫(Robert Koch)  
  (1)微生物学基本操作技术方面的贡献
   a) 细菌纯培养方法的建立
     土豆切面 → 营养明胶 → 营养琼脂(平皿)
   b) 设计了各种培养基,实现了在实验室内对各种微生物的培养
   c) 流动蒸汽灭菌
   d) 染色观察和显微摄影
  (2)对病原细菌的研究作出了突出的贡献:
   a) 具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌;
   b) 发现了肺结核病的病原菌(肺结核分支杆菌的扫描电子显微照片如下)(1905年获诺贝尔奖);
   c)证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——著名的柯赫原则
   1、在每一相同病例中都出现这种微生物;
   2、从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来;
   3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主,同样的疾病会重复发生;
   4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。

 

  4、 微生物学的发展时期
  1897年德国人E.Buchner用无细胞酵母压榨汁中的“酒化酶”(zymase)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、代谢研究就蓬勃开展了起来。

   5、 现代微生物学的发展
  从1953年4月25日J.D.Watson和H.F.C.Crick在英国《Nature》杂志上发表关于
DNA结构的双螺旋模型起,微生物学得到了飞速发展。DNA双螺旋模型
  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 提供烟草花叶病毒
是由病毒引起的证据;
 1928 Griffith发现细菌转化;
 对其机理的研究导致DNA是遗传物质的确证;
 外源遗传物质导入各种细胞的基因重组技术的建立;
 1929
Fleming 发现青霉素
 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
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(FLASH演示
 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;

三、微生物学对人类的贡献
显微镜下的炭疽杆菌

  1、 微生物与医疗保健
  (1) 外科消毒术的建立
  (2) 寻找人畜病原菌
  (3) 免疫防治法的应用
  (4) 化学治疗剂的发明
  (5) 抗生素治疗的兴起
  (6) 用遗传工程和生物工程技术使微生物生产生化药物。

  2、 微生物与发酵工业
  (1) 自然发酵与食品、饮料的酿造
  (2) 罐头保藏
  (3) 厌氧纯种发酵技术
  (4) 深层液体通气搅拌培养
  (5) 代谢调控理论在发酵工业上的应用点击看大图
  (6) 生物工程的兴起。
  生物工程学(Biotechnology)――以生物学的理论和技术为基础,结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术,充分运用分子生物学的最新成就,自觉地操纵遗传物质,定向地改造生物信其功能,短期内创造出具有超远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养,以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。

 

 


   3、 微生物与农业
  a) 提高土壤肥力。
  b) 植物病虫害的防治。
  c) 微生物饲料。
  d) 农产品加工。

  4、 微生物与生态和环境保护
  从微生物是食物链中的主要环节、污水处理中的中心角色、生态农业中的重要措施及自然界物质循环中的关键作用等多方面,都可以看到微生物在生态和环境保护中所起的重要作用。

   5、 微生物与生命科学
  1).微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象, 对微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破.基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说;1941年Bead
le和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验使基因和酶的关系得以阐明,并提出了“一个基因一个酶”的假说。遗传的物质基础的阐明;基因概念的发展;“断裂基因”、 “跳跃基因”、“重叠基因”的发现,以及基因结构的精细分析、基因组测序等。

  2).对生命科学研究技术的贡献:细胞的人工培养;突变体筛选;DNA重组技术和遗传工程;微生物实验技术在生命科学研究中的作用。
  3).微生物与“人类基因组计划
”: 作为模式生物,微生物是基因与基因组的功能研究的重要工具。

四、微生物学及其分科
  20世纪40年代后,微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”,微生物学很快与生物学主流汇合,并被推到了整个生命科学发展的前沿,获得了迅速的发展,在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。
   微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉,获得了全面、深入的发展(
微生物学的主要分支学科 如下图)

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