北京大学微生物学课件.ppt

1、北京大学微生物课件北京大学微生物课件天狼后期工作室天狼后期工作室绪绪 论论一、一、什么是微生物什么是微生物二、人类对微生物的认识史二、人类对微生物的认识史三、微生物学的发展促进了人类的进步三、微生物学的发展促进了人类的进步 四、微生物的五大共性四、微生物的五大共性五、微生物学及其分科五、微生物学及其分科一、什么是微生物一、什么是微生物1 定义：定义：微生物微生物（microorganism, microbe）是一切肉眼看不见或）是一切肉眼看不见或 看看不清楚的微小生物的总称。它们都是一些个体微小（一般不清楚的微小生物的总称。它们都是一些个体微小（一般0.1mm）、）、构造简单的低等生物。构造简

2、单的低等生物。2 种类种类：包括属于原核类的细菌（真细菌和古生菌）、放线菌、蓝细菌：包括属于原核类的细菌（真细菌和古生菌）、放线菌、蓝细菌（旧称（旧称“蓝绿藻蓝绿藻”或或“蓝藻蓝藻”）、支原体、立克次氏体和衣原体；属于）、支原体、立克次氏体和衣原体；属于真核类的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、原生动物和显微藻类；以及属真核类的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、原生动物和显微藻类；以及属于非细胞类的病毒和亚病毒（类病毒、拟病毒和朊病毒）。于非细胞类的病毒和亚病毒（类病毒、拟病毒和朊病毒）。3 特点：特点： 小（个体微小）小（个体微小） m（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）（微米）级：光学显微镜下可见（细

3、胞） nm（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒）（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒） 简（构造简单）简（构造简单） 单细胞单细胞 简单多细胞简单多细胞 非细胞（即非细胞（即“分子生物分子生物”）低（进化地位低）低（进化地位低） 原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌， 支原体，立克次氏体，衣原体等支原体，立克次氏体，衣原体等 真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物， 显微藻类显微藻类 非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊

4、病毒）4 微生物并非生物分类学上的名词，而是所有形体微小、结构简单微生物并非生物分类学上的名词，而是所有形体微小、结构简单 的低等的低等 生物的总称。生物的总称。生物的分类概貌：（两界系统、三界系统、四界系统、五界系统、六界系生物的分类概貌：（两界系统、三界系统、四界系统、五界系统、六界系统、三总界五界系统、三域学说）统、三总界五界系统、三域学说） 非细胞生物非细胞生物 亚病毒亚病毒 病毒病毒生物生物 原核生物原核生物 细菌细菌 放线菌放线菌 原核生物界原核生物界 微生物微生物 蓝细菌蓝细菌 细胞生物细胞生物 古生菌古生菌 真核生物真核生物 真菌真菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 真菌界真菌界 蕈菌

5、蕈菌 单细胞藻类单细胞藻类 真核原生生物界真核原生生物界 原生动物原生动物 植物植物 植物界植物界 动物动物 动物界动物界二、人类对微生物世界的认识二、人类对微生物世界的认识（一）一个难以认识的微生物世界（一）一个难以认识的微生物世界原因：个体微小，外貌不显，杂居混生，因果难联（形态与其作用的后果之原因：个体微小，外貌不显，杂居混生，因果难联（形态与其作用的后果之间）间）例：例：艾滋病（艾滋病（AIDS），由人类免疫缺陷病毒（），由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起）引起,从感染病毒至发从感染病毒至发 病一般要经过病一般要经过12-13年的潜伏期。年的潜伏期。 在发霉的花生、玉米等胚的附近，常易生

6、长在发霉的花生、玉米等胚的附近，常易生长Aspergillus flavus(黄曲霉黄曲霉)，它会产生剧毒真菌毒素它会产生剧毒真菌毒素黄曲霉毒素（黄曲霉毒素（aflatoxin），若经常食用这类霉变），若经常食用这类霉变食物，就会诱发肝癌等疾病。食物，就会诱发肝癌等疾病。 由于上述认识微生物的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，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，但更多的还是被各种病原微生尽管也有自发地利用酵母菌等若干有益微生物的活动，但更多的还是被各种病原微生物所害，例如物所害，例如鼠疫鼠疫（“

7、黑死病黑死病”，历史上，历史上3次大流行曾杀死近次大流行曾杀死近2亿人口，死亡最惨重的亿人口，死亡最惨重的二二战战1.1亿）、亿）、天花天花、疟疾疟疾、麻风麻风、梅毒梅毒、肺结核肺结核（“白疫白疫”）和和流感流感的大流行等。直到的大流行等。直到今今天，在全球范围内，不但传染病仍是死亡的首因（天，在全球范围内，不但传染病仍是死亡的首因（1997年全球达年全球达5220万人），而且还万人），而且还面临着旧病卷土重来、新病不断出现（近面临着旧病卷土重来、新病不断出现（近20年来又出现年来又出现30余种）的严峻形势。余种）的严峻形势。 “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

8、而不知视而不见，嗅而不闻，触而不觉，食而不察，得其益而不感其好，受其害而不知其其恶恶”（二）微生物学发展史（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（如显微镜的发个障碍（如显微镜的发明，灭菌技术的应用，纯种分离和培养技术的建立等），不断探究它们的生命活明，灭菌技术的应用，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。现扼要地将它动规律，并开发利用有益微生物和控制、消灭有害微生物的历史。现扼要地将它分为分为5个时期。（史前期、初创期、奠基期、发展期、成

9、熟期）个时期。（史前期、初创期、奠基期、发展期、成熟期）1 史前期史前期时间：约时间：约8000年前年前-1676实质：朦胧阶段实质：朦胧阶段开创者：各国劳动人民。其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称开创者：各国劳动人民。其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称特点：特点：未见细菌等微生物的个体未见细菌等微生物的个体; 凭实践经验利用微生物的有益活动（进行酿酒、发面、制酱、酿凭实践经验利用微生物的有益活动（进行酿酒、发面、制酱、酿 醋、沤肥、轮作、治病等）醋、沤肥、轮作、治病等）2 初创期初创期时间：时间：1676-1861实质：形态描述阶段实质：形态描述阶段开创者：开创者：列文虎克列文虎克微生物学的先驱

10、者微生物学的先驱者特点：特点：自制单式显微镜，观察到细菌等微生物自制单式显微镜，观察到细菌等微生物 的个体（标志）；的个体（标志）；出于个人爱好对一些出于个人爱好对一些 微生物进行形态描述。微生物进行形态描述。标志标志：1676年列文虎克用自制的单式望远镜观察到细菌的个体年列文虎克用自制的单式望远镜观察到细菌的个体3 奠基期奠基期时间：时间：1861-1897实质：生理水平研究阶段实质：生理水平研究阶段开创者：开创者：巴斯德巴斯德微生物学奠基人；科赫微生物学奠基人；科赫细菌学奠基人细菌学奠基人特点：特点：微生物学开始建立；微生物学开始建立；创立了一整套独特的微生物学基本研究方法创立了一整套独特

11、的微生物学基本研究方法（科（科 赫）；赫）；开始运用开始运用“实践实践-理论理论-实践实践”的思想方法开展研究；的思想方法开展研究；建建立了许立了许 多应用性分支学科（细菌学、消毒外科术、免疫学、土壤微生物多应用性分支学科（细菌学、消毒外科术、免疫学、土壤微生物学、病毒学、植物病理学和真菌学）；学、病毒学、植物病理学和真菌学）；进入寻找人类和动物病原菌的进入寻找人类和动物病原菌的黄金时期。黄金时期。标志标志：1861年巴斯德根据年巴斯德根据曲颈瓶试验曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建立胚彻底推翻生命的自然发生说并建立胚 种学说（种学说（germ theory）。）。科赫学派的重要业绩：科赫

12、学派的重要业绩：科赫法则科赫法则:病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于健康个体中；这一病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于健康个体中；这一微生物可以离开动物体，并被培养成纯种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体微生物可以离开动物体，并被培养成纯种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体后，应当出现特有的病症；该微生物可以从患病的实验动物中重新分离出来，并可后，应当出现特有的病症；该微生物可以从患病的实验动物中重新分离出来，并可在实验室中再次培养，此后它仍然应该与原始病原微生物相同。在实验室中再次培养，此后它仍然应该与原始病原微生物相同。微生物研究方法（琼脂平板培养技术、显微镜技

13、术、染色方法、悬滴培微生物研究方法（琼脂平板培养技术、显微镜技术、染色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术）养法以及显微摄影技术）平板分离方法（寻找并分离多种传染病的病原菌）平板分离方法（寻找并分离多种传染病的病原菌）巴斯德学派的主要贡献：巴斯德学派的主要贡献：胚种学说：胚种学说：曲颈瓶试验：曲颈瓶试验：1862年，巴斯德终于设计年，巴斯德终于设计出一个巧妙的曲颈瓶试验。他给烧瓶安出一个巧妙的曲颈瓶试验。他给烧瓶安装了一像横着眼放的装了一像横着眼放的S形状的长颈，当形状的长颈，当把烧瓶中的肉汤煮沸时，不仅瓶中的微把烧瓶中的肉汤煮沸时，不仅瓶中的微生物被杀死了，水蒸汽把瓶颈中的微生生物被杀死了，水蒸

14、汽把瓶颈中的微生物也杀死了。等到汤放凉时，新鲜的空物也杀死了。等到汤放凉时，新鲜的空气就可以通过瓶颈自由进到瓶子中，而气就可以通过瓶颈自由进到瓶子中，而带菌的灰尘由于比空气重，在长颈向下带菌的灰尘由于比空气重，在长颈向下弯曲处就被拦截住了。经过这样处理的培养液放许多天也不会变质。而如果把弯曲处就被拦截住了。经过这样处理的培养液放许多天也不会变质。而如果把培养液倾斜，让它通过长颈的弯曲部，或者把长颈打断，培养液中很快就会充培养液倾斜，让它通过长颈的弯曲部，或者把长颈打断，培养液中很快就会充满了微生物。这样就令人信服地证明了，是空气中的微生物使汤腐败的，而不满了微生物。这样就令人信服地证明了，是空

15、气中的微生物使汤腐败的，而不是汤腐败产生微生物。是汤腐败产生微生物。巴斯德消毒法巴斯德消毒法:低温维持法，低温维持法，63 、30min;高温瞬时法，高温瞬时法，72 、15s。4 发展期发展期时间：时间：1897-1953实质：生化水平研究阶段实质：生化水平研究阶段开创者：开创者：E. Bchner生物化学奠基人生物化学奠基人特点：特点：对无细胞酵母菌对无细胞酵母菌“酒化酶酒化酶”进行生化研究（标志）；进行生化研究（标志）；发现微生物发现微生物的的 代谢统一性；代谢统一性；普通微生物学开始形成（代表人物是美国加里福尼亚普通微生物学开始形成（代表人物是美国加里福尼亚 大学伯克利分校的大学伯克利

16、分校的M. Doudoroff）；）；开展广泛寻找微生物的有益代开展广泛寻找微生物的有益代 谢产物；谢产物；青霉素的发现推动了微生物工业化培养技术的猛进。青霉素的发现推动了微生物工业化培养技术的猛进。标志：标志：1897年德国人年德国人E. Bchner用无细胞酵母菌压榨汁中的用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶酒化酶” （Zymase）对葡萄酒进行酒精发酵成功。）对葡萄酒进行酒精发酵成功。5 成熟期成熟期时间：时间：1953-至今至今实质：分子生物学水平研究阶段实质：分子生物学水平研究阶段开创者：开创者：J. Watson和和F. Crick分子生物学奠基人分子生物学奠基人特点：广泛运用分子生物

17、学理论和现代研究方法，深刻揭示微生物的各种生特点：广泛运用分子生物学理论和现代研究方法，深刻揭示微生物的各种生 命活动规律；以基因工程为主导，把传统的工业发酵提高到发酵工程新命活动规律；以基因工程为主导，把传统的工业发酵提高到发酵工程新 水平；大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展；微生水平；大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展；微生 物学的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域飞速发展；微生物学的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域飞速发展；微生 物基因组的研究促进了生物信息学时代的到来。物基因组的研究促进了生物信息学时代的到来。标志：标志：1953年年4

18、月月25日，日，J. Watson和和F. Crick在英国的在英国的自然自然杂志上发表杂志上发表 关于关于DNA结构的双螺旋模型。结构的双螺旋模型。微生物学史简表微生物学史简表分分 期期史前期史前期初创期初创期奠基期奠基期发展期发展期成熟期成熟期时间时间/ /年年约约8000年前年前-16761676-18611861-18971897-19531953-至今至今实质实质朦胧阶段朦胧阶段形态描述阶形态描述阶段段生理水平研究阶段生理水平研究阶段生化水平研究阶段生化水平研究阶段分子生物学水平研究阶段分子生物学水平研究阶段开创者开创者各国劳动人民。各国劳动人民。其中尤以我国的其中尤以我国的制曲、酿

19、酒技术制曲、酿酒技术著称著称列文虎克列文虎克微生物学的微生物学的先驱者先驱者巴斯德巴斯德微生物学奠微生物学奠基人；科赫基人；科赫细菌学细菌学奠基人奠基人E. Bchner生物化生物化学奠基人学奠基人J. Watson和和F. Crick分子分子生物学奠基人生物学奠基人特点特点未见细菌等微未见细菌等微生物的个体生物的个体;凭凭实践经验利用微实践经验利用微生物的有益活动生物的有益活动（进行酿酒、发（进行酿酒、发面、制酱、酿醋、面、制酱、酿醋、沤肥、轮作、治沤肥、轮作、治病等病等自制单式自制单式显微镜，观显微镜，观察到细菌等察到细菌等微生物的个微生物的个体；体；出于出于个人爱好对个人爱好对一些微生物

20、一些微生物进行形态描进行形态描述。述。微生物学开始建立；微生物学开始建立；创立了一整套独特创立了一整套独特的微生物学基本研究的微生物学基本研究方法（科赫）；方法（科赫）；开开始运用始运用“实践实践-理论理论-实实践践”的思想方法开展的思想方法开展研究；研究；建立了许多建立了许多应用性分支学科（细应用性分支学科（细菌学、消毒外科术、菌学、消毒外科术、免疫学、土壤微生物免疫学、土壤微生物学、病毒学、植物病学、病毒学、植物病理学和真菌学）；理学和真菌学）；进入寻找人类和动物进入寻找人类和动物病原菌的黄金时期。病原菌的黄金时期。对无细胞酵母菌对无细胞酵母菌“酒化酶酒化酶”进行生进行生化研究；化研究；发

21、现微发现微生物的代谢统一性；生物的代谢统一性；普通微生物学开普通微生物学开始形成（代表人物始形成（代表人物是美国加里福尼亚是美国加里福尼亚大学伯克利分校的大学伯克利分校的M. Doudoroff）；）；开展广泛寻找微开展广泛寻找微生物的有益代谢产生物的有益代谢产物；物；青霉素的发青霉素的发现推动了微生物工现推动了微生物工业化培养技术的猛业化培养技术的猛进。进。广泛运用分子生物学理广泛运用分子生物学理论和现代研究方法，深刻论和现代研究方法，深刻揭示微生物的各种生命活揭示微生物的各种生命活动规律；动规律；以基因工程为以基因工程为主导，把传统的工业发酵主导，把传统的工业发酵提高到发酵工程新水平；提高

22、到发酵工程新水平；大量理论性、交叉性、大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科应用性和实验性分支学科飞速发展；飞速发展；微生物学的微生物学的基础理论和独特实验技术基础理论和独特实验技术推动了生命科学各领域飞推动了生命科学各领域飞速发展；速发展；微生物基因组微生物基因组的研究促进了生物信息学的研究促进了生物信息学时代的到来。时代的到来。标志标志1676年列文年列文虎克用自制虎克用自制的单式望远的单式望远镜观察到细镜观察到细菌的个体菌的个体1861年巴斯德根据曲年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建命的自然发生说并建立胚种学说（立胚种学说（germ theory）。

23、）。1897年德国人年德国人E. Bchner用无细胞酵用无细胞酵母菌压榨汁中的母菌压榨汁中的“酒化酶酒化酶”（Zymase）对葡萄对葡萄酒进行酒精发酵成酒进行酒精发酵成功。功。1953年年4月月25日，日，J. Watson和和F. Crick在英国的在英国的 自然自然 杂志上发表关于杂志上发表关于DNADNA结构的结构的双螺旋模型。双螺旋模型。三、微生物学的发展促进了人类的进步三、微生物学的发展促进了人类的进步（一）医疗保健战线上的六大（一）医疗保健战线上的六大“战役战役”1 外科消毒术的建立：外科消毒术的建立：1864年时英国一般的医院外科手术的死亡率高达年时英国一般的医院外科手术的死亡

24、率高达80%，其中最好的爱丁堡医院为，其中最好的爱丁堡医院为45%，因此，当时的外科医生常被称为，因此，当时的外科医生常被称为“刽刽子手子手”。当。当J.Lister发明外科消毒术（石炭酸消毒）后，发明外科消毒术（石炭酸消毒）后，1868年，爱丁堡年，爱丁堡医医院的外科手术死亡率已降低到院的外科手术死亡率已降低到15%左右左右2 寻找人畜病原菌：在寻找人畜病原菌：在19世纪末至世纪末至20世纪初的世纪初的30年间，炭疽芽孢杆菌、麻年间，炭疽芽孢杆菌、麻风分支杆菌、肺炎链球菌、伤寒沙门氏菌、结核分枝杆菌、逗号弧菌、破风分支杆菌、肺炎链球菌、伤寒沙门氏菌、结核分枝杆菌、逗号弧菌、破伤风梭菌、鼠疫巴

25、斯德氏菌（目前已改称鼠疫耶尔森氏菌）、痢疾志贺氏伤风梭菌、鼠疫巴斯德氏菌（目前已改称鼠疫耶尔森氏菌）、痢疾志贺氏菌菌3 免疫防治法免疫防治法的发明和广泛应用：疫苗（种痘最早起源于我国宋朝真宗的发明和广泛应用：疫苗（种痘最早起源于我国宋朝真宗（9981022）年代的人痘。）年代的人痘。1796年英国医生年英国医生E.Jenner首次为一男孩接种首次为一男孩接种牛痘苗并取得很大的成功，从此，种牛痘就成为预防天花最有效的措施牛痘苗并取得很大的成功，从此，种牛痘就成为预防天花最有效的措施了）、菌苗、类毒素及抗血清、了）、菌苗、类毒素及抗血清、卡介苗卡介苗等。等。4 化学治疗剂的发明和普及：化学治疗剂的

26、发明和普及：化学治疗剂：为了抑制或杀死潜伏于人或动物体内部的病原菌，就必须寻找化学治疗剂：为了抑制或杀死潜伏于人或动物体内部的病原菌，就必须寻找一类对病原菌有强大毒力而对其宿主基本无毒的药物，这就是化学治疗剂。一类对病原菌有强大毒力而对其宿主基本无毒的药物，这就是化学治疗剂。砷凡纳明砷凡纳明梅毒；百浪多息（有效成分是磺胺）梅毒；百浪多息（有效成分是磺胺）-链球菌感染；磺胺药链球菌感染；磺胺药治治疗各种感染（产褥热），对许多病原菌有很高的疗效。疗各种感染（产褥热），对许多病原菌有很高的疗效。5 抗生素的大规模生产和推广：青霉素（抗生素的大规模生产和推广：青霉素（1929，英国细菌学家，英国细菌学

27、家A. Fleming）；链霉素、土霉素、红霉素、新霉素、万古霉素、卡那霉素、庆）；链霉素、土霉素、红霉素、新霉素、万古霉素、卡那霉素、庆大霉素大霉素岁。岁。图中央是青霉菌，周围是图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓，活力的细菌个大、色浓，活力十足；距青霉菌较近的细十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉菌的较差；而最接近青霉菌的细菌个最小、色发白，显细菌个最小、色发白，显然已经死亡然已经死亡 6 利用工程菌生产多肽类生化药物利用工程菌生产多肽类生化药物主要特点是利用微生物作为各种不同生物有关目的基因的受

28、体，由微生物主要特点是利用微生物作为各种不同生物有关目的基因的受体，由微生物来生产各种生化药物，其中出抗微生物药物外，还包括治疗各类其他疾病来生产各种生化药物，其中出抗微生物药物外，还包括治疗各类其他疾病的药物，例如疫苗（病毒衣壳蛋白、细胞组分疫苗等）、抗体、干扰素、的药物，例如疫苗（病毒衣壳蛋白、细胞组分疫苗等）、抗体、干扰素、胰岛素、激素以及其他各种多肽类药物等。胰岛素、激素以及其他各种多肽类药物等。“战果战果”：原先猖獗的细菌性传染病得到了较好的控制（从人类死亡率的：原先猖獗的细菌性传染病得到了较好的控制（从人类死亡率的首位退居到四五位之后），天花等烈性传染病已彻底绝迹（首位退居到四五位

29、之后），天花等烈性传染病已彻底绝迹（1979年年10月月26日由日由WHO世界卫生组织宣布在地球上绝迹），人类平均寿命约提高世界卫生组织宣布在地球上绝迹），人类平均寿命约提高了了25岁。岁。（二）微生物在工业发展过程中的六个里程碑（二）微生物在工业发展过程中的六个里程碑1 自然发酵与食品、饮料的酿造：酒、酱、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、自然发酵与食品、饮料的酿造：酒、酱、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、 干酪、面包等干酪、面包等2 罐头保藏：罐头保藏：1804年，法国厨师年，法国厨师N. Appert经经10年试验后发明年试验后发明3 厌氧纯种发酵技术：本世纪初，在工业发酵的早期，人们首先发展了厌氧纯种发

30、酵技术：本世纪初，在工业发酵的早期，人们首先发展了 不需通气搅拌等复杂装置的厌氧纯种发酵技术，利用它来进行乙醇、不需通气搅拌等复杂装置的厌氧纯种发酵技术，利用它来进行乙醇、 丙酮、丁醇、乳酸或甘油生产。丙酮、丁醇、乳酸或甘油生产。4 深层液体通气搅拌培养：抗生素、有机酸和酶制剂等发酵工业深层液体通气搅拌培养：抗生素、有机酸和酶制剂等发酵工业5 代谢调控理论在发酵工业上的利用：从代谢调控理论在发酵工业上的利用：从50年代中期起，由于对微生物年代中期起，由于对微生物 代谢途径和调控研究的逐步深入，在发酵工业上找到了能突破微生物代谢途径和调控研究的逐步深入，在发酵工业上找到了能突破微生物 代谢调控以

31、累积有用代谢产物的手段，并很快用于大规模工业生产代谢调控以累积有用代谢产物的手段，并很快用于大规模工业生产 上，例如谷氨酸（上，例如谷氨酸（1956）和核苷酸类物质）和核苷酸类物质肌苷酸（肌苷酸（1966）的发酵生）的发酵生 产等。产等。6 生物工程的兴起生物工程的兴起生物工程学（生物工程学（biotechnology,又译生物技术）。包括五大工程，即遗传又译生物技术）。包括五大工程，即遗传工程、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程（生化工程）和生工程、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反应器工程。物反应器工程。生物工程学所包括的主要领域及其作用简括如下：生物工程学

32、所包括的主要领域及其作用简括如下： 改造物种改造物种 常规菌（或常规细胞株）常规菌（或常规细胞株）生物工程（学）生物工程（学） 遗传工程遗传工程 细胞工程细胞工程 “工程菌工程菌”（或（或“工程细胞株工程细胞株”） 商品生产商品生产 微生物工程微生物工程 酶工程酶工程 生物反应器工程生物反应器工程 大量产品大量产品 经济效益经济效益 社会效益社会效益 生态效益生态效益（三）微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用（三）微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用以菌治害虫、以菌治植病、以菌治草的生物防治技术；以菌增肥效和以以菌治害虫、以菌治植病、以菌治草的生物防治技术；以菌增肥效和以菌促生长（如赤

33、霉菌产生赤霉素等）的微生物增产技术；以菌作饲菌促生长（如赤霉菌产生赤霉素等）的微生物增产技术；以菌作饲（饵）料、以菌当药物（药用真菌）和以菌当蔬菜（各种食用菌）的单（饵）料、以菌当药物（药用真菌）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。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。（四）微生物与环境保护的关系（四）微生物与环境保护的关系微生物是占地球面积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；以上的海洋和其他水体中光合生产力的基础；是一切食物链的重要环节；是污水处理的关键角色；是生态农业中最重是一切食物

34、链的重要环节；是污水处理的关键角色；是生态农业中最重要的一环（可惜不被认识！）；是自然界重要元素循环的首要推动者；要的一环（可惜不被认识！）；是自然界重要元素循环的首要推动者；以及是环境污染和监测的重要指示生物；等等。以及是环境污染和监测的重要指示生物；等等。（五）微生物学对生命科学基础理论研究的重大贡献（五）微生物学对生命科学基础理论研究的重大贡献 微生物的微生物的“五大共性五大共性”加上培养条件简便加上培养条件简便1 以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大问题（基因工程的开以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大问题（基因工程的开创、创、PCR技术的建立等）。技术的建立等）。获诺

35、贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关获诺贝尔生理学或医学奖的近一半工作都与微生物有关2 是分子生物学的三大来源和三大支柱之一：生物化学、微生物学和遗传学是分子生物学的三大来源和三大支柱之一：生物化学、微生物学和遗传学3 遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学4 微生物与基因工程微生物与基因工程基因工程即遗传工程，在其操作中有基因供体、基因载体、工具酶和基因基因工程即遗传工程，在其操作中有基因供体、基因载体、工具酶和基因受体等四个主要方面受体等四个主要方面5高等生物研究和利用中的微生物化趋向方兴未艾高等生物研究和利用中

36、的微生物化趋向方兴未艾 植物、动物的单细胞培养植物、动物的单细胞培养微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学的各研究领域（消毒微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学的各研究领域（消毒灭菌、无菌操作、纯种分离、培养技术等）灭菌、无菌操作、纯种分离、培养技术等）在在20世纪生命科学发展的四大里程碑（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，微生物发挥了无可争辩的关键作用。传工程的成功和人类基因组计划的实施）中，微生物发挥了无可争辩的关键作用。四、微生物的五大共性四、微生物的五大共性（一）体积

37、小，面积大（一）体积小，面积大（二）吸收多，转化快（二）吸收多，转化快（三）生长旺，繁殖快（三）生长旺，繁殖快（四）适应强，易变异（四）适应强，易变异（五）分布广，种类多（五）分布广，种类多（一）体积小，面积大（一）体积小，面积大E.coli（大肠杆菌）平均长度（大肠杆菌）平均长度2m，宽，宽0.5m1500个个E.coli 头尾相连，相当于一粒头尾相连，相当于一粒3mm长的芝麻。长的芝麻。120个个E.coli 肩并肩，等于一根头发宽（肩并肩，等于一根头发宽（60m）细胞单重为细胞单重为10-12 g ，1mg: 10亿个细菌重。亿个细菌重。比面值：某一物体单位体积所占有的表面积。比面值：某

38、一物体单位体积所占有的表面积。任何物体，其体积越小，单位体积所占有面积（面积任何物体，其体积越小，单位体积所占有面积（面积/体积）即比面值越大。体积）即比面值越大。立方体：立方体：1m3, 比面值为比面值为6，分割成，分割成1cm的立方体。的立方体。为为0.01m26/0.01m3 =600E.coli：比面值为：比面值为30万万这样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，这样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，有利于外界交流。代谢废物排泄面和环境信息的接受面，有利于外界交流。体积小、面积大是体积小、面积大是微生

39、物五大共性的基础，由它可发展出一系列其它共性。微生物五大共性的基础，由它可发展出一系列其它共性。（二）吸收多，转化快（二）吸收多，转化快地鼠地鼠 体重体重30g ，每天吃掉粮食，每天吃掉粮食3040g ，1个人每年消耗粮食相当于个人每年消耗粮食相当于4倍体重的糖。倍体重的糖。E.coli 每小时消耗其细胞重量每小时消耗其细胞重量2000倍的糖。倍的糖。资料表明，发酵乳糖的细菌在资料表明，发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重小时内可分解其自重1000-10000倍的乳倍的乳糖；糖；Candida utilis（产朊假丝酵母）合成蛋白质的能力比大豆强（产朊假丝酵母）合成蛋白质的能力比大豆强100倍

40、，比食用公牛强倍，比食用公牛强10万倍。万倍。好处：为微生物的迅速生长繁殖和为人们生产大量发酵产品提供了充分好处：为微生物的迅速生长繁殖和为人们生产大量发酵产品提供了充分的物质基础。的物质基础。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“活的化工厂活的化工厂”的作用。的作用。（三）生长旺，繁殖快三）生长旺，繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度。例：大肠杆菌微生物具有极高的生长和繁殖速度。例：大肠

41、杆菌 Escherichia coli在在37的牛奶中的牛奶中13分钟可分裂分钟可分裂1代代。以。以20分钟分钟1代计，则细菌代计，则细菌24小时分裂小时分裂72次，其后代数为次，其后代数为4.7221021个，重个，重4772吨；吨；48小时后达小时后达2.21043个，重个，重2.21025吨，相当于吨，相当于4000个地球重。事实上，由于种种客观条件个地球重。事实上，由于种种客观条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，因而在液体发酵时细菌细的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，因而在液体发酵时细菌细胞的浓度一般仅能达到胞的浓度一般仅能达到108109个个/ml左右。左右。实践意

42、义：实践意义：（1）发酵工业上：具有生产效率高、发酵周期短的优点。有人统计，一）发酵工业上：具有生产效率高、发酵周期短的优点。有人统计，一头头500kg重的食用公牛，每昼夜只能从食物中重的食用公牛，每昼夜只能从食物中“浓缩浓缩”0.5kg蛋白质；同等蛋白质；同等重重的大豆，在合适的栽培条件下，的大豆，在合适的栽培条件下，24h可生产可生产50kg蛋白质；而同样重的酵母蛋白质；而同样重的酵母菌，只要以糖蜜（糖厂下脚料）和氨水做主要养料，在菌，只要以糖蜜（糖厂下脚料）和氨水做主要养料，在24h内却可真正合内却可真正合成成50000kg的优良蛋白质。的优良蛋白质。（2）基础理论研究：它使科研周期大为

43、缩短、经费减少、效率提高。）基础理论研究：它使科研周期大为缩短、经费减少、效率提高。（3）有害微生物：但对于病原菌，霉腐微生物来说这个特性会给人类带）有害微生物：但对于病原菌，霉腐微生物来说这个特性会给人类带来极大的麻烦甚至祸害，因此应加以控制。来极大的麻烦甚至祸害，因此应加以控制。（四）适应强，易变异（四）适应强，易变异1 适应性：适应性：微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制。（诱导酶，微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制。（诱导酶， 20万万-30万个蛋白质分子，万个蛋白质分子，2000-3000种执行不同生理功能的蛋种执行不同生理功能的蛋 白质）白质）微生物对极端环境的惊人适应力

44、堪称世界之最。如抗热、抗微生物对极端环境的惊人适应力堪称世界之最。如抗热、抗寒、抗干燥、抗酸、抗碱、抗高盐、抗缺寒、抗干燥、抗酸、抗碱、抗高盐、抗缺O2、抗高压、抗辐、抗高压、抗辐射、抗有毒物质毒害等均有极强能力。射、抗有毒物质毒害等均有极强能力。2 变异性：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，变异性：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（一般为直接接触等特点，因此即使其变异频率十分低（一般为10-5-10-

45、10），也可在短时间内产生出大量变异的后代。），也可在短时间内产生出大量变异的后代。（1）有益变异：）有益变异：1943年时，每毫升青霉素（年时，每毫升青霉素（青霉素产生菌产黄青霉）青霉素产生菌产黄青霉）发酵发酵液中该菌只分泌约液中该菌只分泌约20单位的青霉素，而病人每天却要注射几十万单位。因单位的青霉素，而病人每天却要注射几十万单位。因此诺贝尔奖获得者之一此诺贝尔奖获得者之一H. W. Florey在回忆当时这种菌种以原始的表面培在回忆当时这种菌种以原始的表面培养法进行生产时说：养法进行生产时说：“那时一茶匙黄色粉末，其提炼价值除研究工作精力那时一茶匙黄色粉末，其提炼价值除研究工作精力与时间

46、不计外，约需数千英镑。与时间不计外，约需数千英镑。”40余年来，通过世界各国微生物遗传育余年来，通过世界各国微生物遗传育种工作者的不懈努力，是该菌产量变异逐渐累积，加上其他条件的改进，种工作者的不懈努力，是该菌产量变异逐渐累积，加上其他条件的改进，目前国际上先进的国家，其发酵水平每毫升已超过目前国际上先进的国家，其发酵水平每毫升已超过5万单位，甚至接近万单位，甚至接近10万单位。利用变异和育种使产量获得如此大幅度的提高，这在动植物育种万单位。利用变异和育种使产量获得如此大幅度的提高，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工作中简直是不可思议的。这也就是为

47、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。别重视菌种选育工作的一个主要原因。（2）有害变异：抗药性变异。青霉素）有害变异：抗药性变异。青霉素1943年刚问世时，对金黄色葡萄球年刚问世时，对金黄色葡萄球菌的最低制菌浓度为菌的最低制菌浓度为0.02g/ml，过了几年，制菌浓度不断提高，有的菌，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株耐药性竟比原始菌株提高1万倍。反映在医疗实践上，是万倍。反映在医疗实践上，是40年代初刚使年代初刚使用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，也只要每天分数次共注射用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，也只要每天分数次共注射10万万

48、单位即可，而现在，成人每天要注射单位即可，而现在，成人每天要注射100万单位左右，新生儿也不少于万单位左右，新生儿也不少于40万单位。万单位。（五）分布广，种类多（五）分布广，种类多1分布广：微生物因其体积小、重量轻和数量多等原因，可以到处传播以至分布广：微生物因其体积小、重量轻和数量多等原因，可以到处传播以至达到达到“无孔不入无孔不入”的地步，只要条件合适，它们就可的地步，只要条件合适，它们就可“随遇而安随遇而安”。地球上。地球上除除火山中心区域外，在土壤圈、水圈、大气圈以至岩石圈到处都有微生物的火山中心区域外，在土壤圈、水圈、大气圈以至岩石圈到处都有微生物的踪迹。踪迹。（1）人体肠道中的正

49、常菌群：在人体肠道中，经常聚集着）人体肠道中的正常菌群：在人体肠道中，经常聚集着100400种不同种不同种类的微生物，估计它们的个体总数大于种类的微生物，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。其中数量最多的是一类厌氧菌，主要是Bacteroids fragilis（脆弱拟（脆弱拟杆菌），数量达到杆菌），数量达到1010-1011个个/g。（双岐杆菌）。（双岐杆菌）（2）万米深海底部的耐热硫细菌：）万米深海底部的耐热硫细菌：1974年年4月和月和1977年年2月，科学家发现月，科学家发现在东太平洋加拉帕戈斯群岛

50、东部，深度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，硫细菌的含量万米的海底温泉中，硫细菌的含量达每达每ml含含100万万-100亿个，它们既耐高温（亿个，它们既耐高温（100）又耐高压（）又耐高压（1140大气大气压）压）（3）几万米高空中的微生物：在）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的高处，通过地球物理火箭采集到了微生物。了微生物。（4）地层下的微生物：有人在南极洲的罗斯岛和泰罗尔盆地）地层下的微生物：有人在南极洲的罗斯岛和泰罗尔盆地128m和和427m的沉积岩心中。找到了活细菌。的沉积岩心中。找到了活细菌。2 种类多：种类多：（1）物种的多样性：迄