1、微生物学,主讲 朱 大 恒郑州大学生物工程系,微生物学是现代生物学的重要分支学科,是许多学科专业的基础课程。微生物学的主要内容包括的微生物的多样性、微生物生理和代谢、微生物生态学、微生物遗传学及微生物应用技术等。要求学生系统掌握微生物学的基本理论知识以及相关实验技术;并具有应用这些知识和技术分析和解决问题的能力。,微生物学的内容与教学目的,学习内容,第一章 绪论(4),第二章 微生物的纯培养和显微技术 (4),第三章 微生物类群与形态结构(12),第四章 微生物的营养(4),第五章 微生物的代谢(4),第八章 病毒(4),第七章 微生物的生态(4),第九章 微生物遗传(4),第六章 微生物的生
2、长繁殖及其控制(4),第十章 微生物生物技术(4),第一章 绪 论,主要内容及教学重点,一、微生物与我们 二、微生物学的建立与发展 三、微生物学对人类的贡献 四、21世纪微生物学展望 五、微生物的五大共性,思考题: 1、简述Leeuwenhoek、 L.Pasteur、 R.Koch对 微生物学的贡献。 2、试根据微生物的特点,谈谈为什么说微生物既是人类的敌人,更是人类的朋友。,人体体表及体内存在大量的微生物:皮肤表面:平均10万个细菌/平方厘米;口腔:细菌种类超过500种;肠道:微生物总量达100万亿,粪便干重的1/3是细菌,每克粪便的细菌总数为:1000亿个;,一、微生物与我们,微生物无处
3、不在,我们无时不生活在“微生物的海洋”中。,细菌数亿/g土壤,土壤中的细菌总重量估计为:10034 10 12 吨;,每张纸币带细菌:900万个;,每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌,重感冒患者为8500万;,微生物是自然界物质循环的关键环节,微生物是人类的朋友!,体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障,微生物可以为我们提供很多有用的物质有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等,基因工程为代表的现代生物技术,少数微生物也是人类的敌人!,鼠疫; 天花; 艾滋病; 疯牛病; 埃博拉病毒; 非典病毒; 禽流感,鼠疫,公元6世纪:埃及、
4、土耳其、意大利、阿富汗1亿人,公元14世纪:欧洲2500万人亚洲4000万人 中国1300万人,20世纪初:香港、印度 100万人,V,二次大战(1.1亿),可以说,微生物与人类关系的重要性,你 怎么强调都不过分,微生物是一把十分锋利的 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。,(P1),二、微生物学的建立与发展 P3,(一)微生物学(Microbiology)的概念和研究对象,(二)人类对微生物世界的认识过程,(三) 20世纪的微生物学,(四)我国微生物学的发展,研究肉眼难以看清的称之为微生物的生命活动的科学。
5、,更具体地说:,研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、 遗传变异、进化、分类、生态等生命活动规律及其应用 的科学。,(一)微生物学(Microbiology)的概念和研究对象,二、微生物学的建立与发展,微 生 物,(一)微生物学(Microbiology)的概念和研究对象,二、微生物学的建立与发展,(二)人类对微生物世界的认识过程,感性认识阶段(史前时期),形态学发展阶段(初创时期),生理学发展阶段(奠基时期),分子生物学发展阶段(成熟时期),生化发展阶段(发展时期),二、微生物学的建立与发展,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
6、年前发明酿酱、醋,用曲治消化道疾病; 公元9世纪-10世纪我国发明鼻苗法种痘,(二)人类对微生物世界的认识过程,感性认识阶段(史前时期),二、微生物学的建立与发展,丰富多彩的酒文化(一),远古人类发现,吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料 人类最早发明的酒,我国古代的酿酒作坊 (四川新都县出土的汉代画像),丰富多彩的酒文化(二),公元前2300年左右,埃及人酿制啤酒的场面,礼记月令记载:,秫稻必齐 ,曲蘖必时 ,湛炽必洁 , 水泉必香, 陶器必良, 火齐必得。,六必居,龙山文化(新石器时期),黄陶鬶gui,黑陶 高柄杯,商代酒器,斝jia,唐代酒器,尊,银杯,金杯,玉竹筒形杯,清代酒具,近代酒
7、壶,现代套盅,丰富多彩的酒文化( 三 ),形态学发展阶段 (初创期),(二)人类对微生物世界的认识过程,1664年,列文虎克用于观察 霉菌的单筒复式显微镜,二、微生物学的建立与发展,1676年,微生物学的先驱 荷兰人列文虎克(Antonyvan 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50-300倍,显微,题目:列文虎克用自制的显微镜,观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录,“大量难以相信的各种不同的、极小的狄尔肯 它们活动
8、相当优美,它们来回地转动,也向前 和向一旁转动一个粗糙沙粒中有100万个这种 小东西;而在一滴水中,狄尔肯不仅能够生长 良好,而且能活跃地繁殖能够寄生大约270多 万个狄尔肯”。“狄尔肯”:拉丁文中“细小活泼的物体”的意思,1683年,牙垢成了列文虎克关注的对象,他发现人口腔中竟然躲藏着许多“小动物”,它们像蛇一样用优美的弯曲姿势运动。他惊叹地记录道:“在人的口腔的牙垢中生活的动物,比整个荷兰王国的居民还要多。”这就是人类第一次观察到细菌时发出的感叹。,生理学发展阶段(奠基期 ),微生物学的重要奠基者,法国人巴斯德(Louis Pasteur) (18221895),德国人柯赫(Robert
9、Koch)( 18431910),微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段(奠基期 ),巴斯德的主要贡献:,(2) 发现并证实发酵、疾病是由微生物引起的;,(1) 彻底否定了“自然发生”学说,证明了“生源学说”的正确;,“酒病”、“蚕病”、兽病、禽病、人病,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, 是它们引起有机质的腐败。(腐败病),(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:6065作短时间加热处理,杀死有害微生物,微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段(奠基期 ),柯赫主要贡献:,a)细菌纯培养方法的建立:固体培养基分离纯化微生物,土豆切面 营养明胶 营
10、养琼脂(平皿),(1)微生物学基本操作技术方面的贡献,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,微生物学的重要奠基者,生理学发展阶段(奠基期 ),柯赫主要贡献:,(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;(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、要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
11、的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。,生理学发展阶段(奠基期 ),细菌学(巴斯德、科赫),外科消毒术(Lister,1865),根瘤菌等土壤微生物的研究(MW贝,CH维)病毒学.伊凡诺夫斯基),酿造学(ECHensen,AJorgensen等),生化发展阶段(发展期 ),无酵母菌压汁酶功能的发现(E.Buchner,1897)“酒化酶”,化学药剂和抗生素发现和临床应用(1909-1935) 寻找各种有益微生物代谢产物的热潮,酿造技术日趋完美,普通微生物学开始 美国加利福尼亚大学伯克利分校M. Doudoroff,分子生物学发展阶段(成熟期),J.D.Waston(詹姆士沃森) H.F.C.C
12、rick(弗朗西斯克里克) 发现DNA双螺旋模型(1953,在Science发表),成熟期特点:,微生物学成为十分热门 的前沿基础学科,微生物成为分子生物学研究中的最主要对象,生物工程中,发酵工程是最成熟的应用技术,(三)20世纪的微生物学 P7,20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,(见P3 图1-1微生物学的主要分支学科),二、微生物学的建立与发展,(见P3 图1-1微生物学的主要
13、分支学科),(四)我国微生物学的发展,汤飞凡:沙眼病原体的分离和确证,陈华癸:根瘤菌固氮作用的研究(华中农大),高尚荫:创建了我国病毒学的基础理论研究和第一个微生物学专业(武大),抗生素的总产量已耀居世界首位,两步法生产维生素C的技术居世界先进水平,二、微生物学的建立与发展,伍连德:对鼠疫和霍乱病原的探索和防治,伍连德(18791960),公共卫生学家,博士。我国检疫、防疫事业的先驱 。在中国最早建立卫生防疫机构,共所,培养了第一支预防鼠疫的专业队伍。成功控制东北鼠疫大流行。创办了哈尔滨医学专门学校。发起建立中华医学会,并创刊中华医学杂志。,汤飞凡(18971958) 微生物学家,博士。赴美国
14、 哈佛大学医学院进修,研究细菌学。1943年研制中国 首批五万单位的青霉素。为抗战作出贡献。发现日军 在北平进行长达七年的细菌战研究 。1955年成功分离 出砂眼病毒“汤氏病毒”。1958年非正常死亡。,1992年,我国著名土壤微生物学家、创立华中农大微生物学课程。1936年赴英国伦敦大学细菌及热带病学院读博士学位。回国后筹建了北大土壤系,武大农业化学系。 编著了我国第一部土壤微生物学和微生物学教材。对紫云英根瘤菌剂的生产和大面积推广应用起了开创的作用。,陈华癸(1914-2002),微生物学家,病毒学家,教育家。中国病毒 学的奠基人之一。创办了我国最早的病毒学 研究机构和我国第一个微生物专业
15、、第一个 病毒学专业。赴美国佛罗里达州劳林斯大学 和耶鲁大学学习 ,曾在诺贝尔奖获得者斯坦利()的实验室从事病毒学研究工作。年回国后在武汉大学创办了我国第一个病毒学研究室。,高尚荫(1909-1989),国家“八六三”计划项目“抗TMV和CMV双 抗转基因烟草的培育”项目组科研活动剪影,我国利用卫星回收搭载微生物培养(2000年6月),三、微生物学对人类的贡献,(一)微生物学的发展促进了人类的进步,(二)微生物学在生命科学发展中的重要地位,三、微生物学对人类的贡献,(一)微生物学的发展促进了人类的进步,微生物与医药卫生,微生物与农牧业,微生物与工业,微生物与食品,微生物与医药卫生,用“工程菌”
16、生产药物,干 扰 素 胰 岛 素 乙肝疫苗 抗生素 各种单克隆抗体,1929年,英国细菌学家A.Fleming,青霉素,1944年,美国微生物学家S.Waksman,链霉素,氯霉素 金霉素 土霉素 红霉素 庆大霉素,霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象,产黄青霉菌落,细菌生长 抑制区域,正常细菌 生长区域,微生物与农业和畜牧业,微生物饲料菌体蛋白饲料饲料酵母维生素饲料发酵饲料青贮饲料,生物农药细菌农药真菌农药病毒农药除草剂,生物菌肥根瘤菌肥钾细菌磷细菌,微生物与工业,酶 工 业 氨基酸工业 有机酸工业 新材料开发 生 物 化 工 食 品 工 程,酱,酱油,豆豉,食 用 醋,发酵饮料,淹渍
17、蔬菜,味 精,发酵面食,食药用菌,食用色素,微生物与饮食、调味品,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,Jacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说, 阐明了基因表达调控的机制,为分子生物学的形成奠定了基础。,大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系发现了苯丙氨酸的遗传密码, 继而完成了全部密码的破译,“断裂基因”(病毒)、 “跳跃基因”(大肠杆菌)、“重叠 基因”的发现,以及基因结构的精细分析、基因组测序等。,1941年Beadle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。,三、微生物学对人类的贡献,(二)微生物学在生命科学
18、发展中的重要地位,1微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象,通过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;,遗传的物质基础的阐明;,基因概念的发展;,遗传密码的破译;(大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系),基因表达调控机制的研究;,生物大分子合成的中心法则;,三、微生物学对人类的贡献,(二)微生物学在生命科学发展中的重要地位,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;,3微生物与“人类基因组计划”,作为模式生物;,基因与基因组的功能研究的重要工具;,四、 21世纪微生物学展望 P10,(一)微生物自身的
19、特点将会更加受到关注和利用,(二)与其他学科实现更广泛的交叉,获得新的发展,(三)微生物基因组学研究将全面展开,(四)微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学等将在基因组信息的基础上获得长足发展,(五)微生物工程及产业呈现全新局面,学科交叉永远是科学创新的源泉!,微生物基因组学数、理、化、信息、计算机学科交叉,微生物学与海洋学海洋微生物学,微生物学研究技术自动化、定向化、定量化 烟草微生物,微生物学与地质学微生物地球化学,微生物学与大气学大气微生物学,微生物学与太空学太空微生物学,人类元基因组计划对人体内共生菌群包括肠道、口腔、呼吸道、生殖 道等菌群基因组进行测序和功能分析,以试图阐明许多 疾
20、病的发生机理,研究新的药物,控制药物毒性。,微生物工程及产业,微生物菌体生产和应用,微生物代谢产物的应用,微 生 物 机 能 的 利 用,自然菌种,不同生境自然微生物资源,基因工程菌(外源基因表达产物),新产品:可降解塑料、生物能源等,微生物具备生命现象的特性和共性,将是 21世纪进一步解决生物学重大理论问题,如生 命起源与进化,物质运动的基本规律等,以及 解决实际应用问题,如新的微生物资源的开发 利用,能源、粮食等的最理想的材料。,(见P10),五、微生物的五大共性 (补充内容),体积小,面积大,吸收多,转化快,适应强,易变异,分布广,种类多,生长旺,繁殖快,体积小,面积大,测量单位:微米或
21、纳米,杆菌的平均长度:2 微米;1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度;面积/体积比:人 = 1,大肠杆菌 = 30万;这样大的比表面积特别有利于它们和周围环 境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很 多属性都和这一特点密切相关。,德国H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中 发现的一种硫磺细菌(sulfur bacterium),达0.75 mm, Thiomargarita namibiensis,-“纳米比亚硫磺珍珠”,吸收多,转化快,微生物获取营养的方式多种多样,其食谱之广 是动植物完全无法相比的!,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、 甲烷、天然
22、气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物 均可被微生物作为粮食,“活的化工厂” 发酵乳糖的细菌1小时可分解其自身重1000-10000倍的乳糖 假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强100倍,比食用牛强10万倍,生长旺,繁殖快,24小时后: 4722366500万亿个后代,重量达到:4722吨 48小时后:2.2 10 43个后代,重量达到2.2 10 25 吨,相当于4000个地球的重量!,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克,平均20分钟繁殖一代,一头500 kg的食用公牛,24小时生产 0.5 kg蛋白质, 而同样重量的酵母菌,以质量较次的糖液(如糖蜜) 和氨水为原料,24小时可以生产 50000 k
23、g优质蛋白质。,分布广,种类多,在自然界中(动植物体内和体表、土壤、水体、空气)都生存有大量的微生物!,肠道菌群:400种,干重1/3,脆弱拟杆菌,大肠杆菌,万米海底的耐热硫细菌:H2S、CO2,8.5万米高空微生物,数百米深的沉积岩微生物,从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,分布广,种类多,微生物的生理代谢类型多;代谢产物种类多;微生物的种数“多”;,虽然目前已定种的微生物只有大约10万种,远较动植物为少, 但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物 总数的1%,适应强,易变异,极端环境中有惊人的适应力硫细菌:250-300细菌:-196 (液氮)干燥条件
24、:保存千年pH:0.5-11气压:1000个大气压,世界上最古老的活细菌(芽孢):2.5亿年 Nature 407, 897 - 900 (2000),“2-9-3”菌:美国新墨西哥州地下近 600 米处挖出的结晶盐中,天外来客?,适应强,易变异,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触繁殖快、 数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率:10-5 10-10,适应强,易变异,青霉素的生产:,20单位/ ml(1943),100000单位/ ml,青霉素的用量:,最高:10万单位/天(40年代),100万-1000万单位/次,金葡菌变异导致耐药性剧增(有弊),产黄青霉变异导致青霉素产量剧增(有利
25、),细菌抗药性的产生:,主要应掌握的教学重点,1、微生物学,解释名词、概念,2、曲颈瓶试验 3、柯赫原则,1、简述Leeuwenhoek、 L.Pasteur、 R.Koch对 微生物学的贡献。,重点思考题:,3、简述微生物学在生命科学发展中的重要地位和发展趋势。,2、人类对微生物世界的认识过程分为哪几个阶段。,微 生 物 文 献 书 目,微生物词汇: microbiology 微生物学 microbial 微生物的, 由细菌引起的 microbial community structure微生物群体结构 microbial leaching 微生物浸矿 microcolony 微生物菌群 clay particle 土壤颗粒 decomposer 分解者 ecosystem 生态系统 pure culture 纯培养 specimen 样本,微生物词汇: microscope 显微镜 microscopy 显微镜方法 methane 甲烷, 沼气 pathogen 病菌, 病原体 HIV 艾滋病病毒 (human immunodeficiency virus) lymphocyte 淋巴细胞 algae 藻类, 海藻 cyanobacterium 蓝藻 protozoa 原生动物,