1、微生物學精品課程微生物學精品課程生命科學與技術學院生命科學與技術學院李俊剛李俊剛Microbiology第一章第一章 緒論緒論一、什么是微生物二、微生物學及其分科三、微生物學發展簡史四、微生物的特點及其應用(五、微生物的分類及其命名)六、微生物的重要性及社會需求七、怎樣學好微生物學？一、什么是微生物？ 定義：微生物是所有形體微小形體微小、單細胞單細胞或結構結構較為簡單較為簡單的多細胞多細胞生物、甚至沒有細胞結構沒有細胞結構的生物的通稱 英文“微生物”一詞“microorganism”，就是在“生物（organism）”詞之前加上前綴“非常?。╩icro）”所構成。 微生物并不是一個分類學上的術

2、語，它們主要是根據生物體的大小而被人為地劃歸在一起的。微生物主要類群微生物主要類群原核生物原核生物細菌、放線菌、支原體、立克次氏細菌、放線菌、支原體、立克次氏體、衣原體、藍細菌和古生菌體、衣原體、藍細菌和古生菌真核生物真核生物真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、微真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、微型藻類、原生動物和某些寄生蠕蟲型藻類、原生動物和某些寄生蠕蟲非細胞生物非細胞生物病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒病毒、亞病毒（類病毒、擬病毒和朊病毒）和朊病毒）二、微生物學及其分科二、微生物學及其分科 微生物學（微生物學（Microbiology)就是研究微就是研究微生物的形態構造、生理代謝、遺傳變異、生生物的形態構

3、造、生理代謝、遺傳變異、生態分布和分類進化等生命活動基本規律并應態分布和分類進化等生命活動基本規律并應用于工、農、醫和環境保護等實踐領域的科用于工、農、醫和環境保護等實踐領域的科學。學。 三、微生物學發展史三、微生物學發展史 1、史前期（約、史前期（約8000年前年前1676）白酒釀造大多是固態發酵，其主要產物是乙醇。分析檢測，白酒中大部分是乙醇和水，還含有占總量2%左右的其他香味物質。由于這些香味物質在酒中種類的多少和相互比例的不同才是酒有別于酒精，具有獨特的風格。白酒中的香味物質主要是醇類、酯類、醛類、酮類、芳香族化合物等物質。白酒物質的產生過程：淀粉糖乙醇 蛋白質氨基酸醇、醛、酮等物質中

4、國創造的制曲釀酒工藝四大特點： 歷史悠久 工藝獨特 經驗豐富 品種多樣固態發酵和固態蒸餾的傳統操作 雙邊發酵 白酒發酵過程中糖化和發酵同時進行。釀酒生產中采用“低溫入窖、緩慢發酵”的操作工藝。續糟發酵 甑桶蒸餾 多菌種發酵 界面復雜 濃香型曲酒各名酒廠的生產原理相同，采用泥窖、固體發酵、續糟混蒸等工藝。但在糧糟配比、續糟方法上有不同之處，大致可分為：跑窖工藝法、本窖工藝和老五甑工藝法。 瀘州老窖釀酒工藝瀘州老窖釀酒工藝釀酒工藝流程高粱粉碎 分段取酒 稻殼拌和裝甑蒸餾出甑糧糟打量水攤晾 母糟 開窖分層母糟加糠拌合裝甑蒸餾出甑紅糟 下曲| 起窖 面糟 蒸餾丟糟黃水酒稀釋分層回窖入窖發酵 | 丟糟飼

5、料 窖池管理酒類 曲酒 果酒 啤酒 蒸餾酒曲：大曲 、散曲、 小曲 、 餅曲 、草藥曲 、紅曲 、干酵母；酒：曲酒又分為濃香型 、 醬香型、 清香型 、米香型、 混香型；菌種：混合發酵 根霉 、黑曲霉、 米曲霉 、紅曲霉、 毛霉、 酵母現在發展趨勢：生淀粉酒精發酵、生料釀酒、淀粉制糖。 李俊剛：生淀粉糖化菌NL-3的發酵條件 西南師大學報 1998.2 No 1 .92-962 2、初創期（、初創期（16761861）3 3、奠基期（、奠基期（18611897）法國科學家巴斯德法國科學家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895） 徹底否定了自然發生說證實發酵由微生物引起發明了狂犬

6、病毒減毒疫 苗制備方法 發明巴氏消毒法德國微生物學家柯赫（Robert Koch， 1843-1910） 發明培養基并用其純化微生物等一系列研究方法的創立證實炭疽病因 炭疽桿菌發現結核病原菌結核桿菌科赫法則單菌落劃線法獲得單菌落 科赫定理圖示4 4、發展期（、發展期（18971953）德國科學家E.Buchner（1897年）： 酵母菌無細胞壓榨汁將葡萄糖發酵成酒精英國科學家Fleming弗萊明（1929年）： 發現了世界上第一個抗生素-青霉素 5 5、成熟期（、成熟期（1953至今） 2121世紀微生物學展望世紀微生物學展望 微生物具備生命現象的特性和共性，將是微生物具備生命現象的特性和共性

7、，將是21世紀進一步解決生物學重大理論問題，世紀進一步解決生物學重大理論問題，如生命起如生命起源與進化，物質運動的基本規律源與進化，物質運動的基本規律等，和實際應用等，和實際應用問題，如問題，如新的微生物資源的開發利用，能源、糧新的微生物資源的開發利用，能源、糧食食等的最理想的材料。等的最理想的材料。四、微生物的特點及其應用1體積小、面積大2吸收多、轉化快3生長旺、繁殖快4適應強、易變異5分布廣、種類多病毒0.2 m桿狀細菌0.52.0 m支原體立克次氏體衣原體0.20.5 m放線菌菌絲直徑 1 m左右霉菌菌絲直徑 210m酵母15530 m比面值=表面積/體積3/r乳酸桿菌 120,000豌

8、豆 6.0雞蛋 1.5體重200磅的人 0.3 小體積大面積系統，就可形成一個巨大的營養物質吸收面、代謝廢物的排泄面和環境信息的交換面。3克地鼠每天消耗與體重等重的糧食； 1克閃綠蜂鳥每天消耗兩倍于體重的糧食； 大腸桿菌每小時消耗2000倍于體重的糖。；發酵乳糖的細菌在1小時內就可以分解相當于其自身重量1,00010,000倍的乳糖，產生乳酸；1公斤酵母菌體，在一天內可發酵幾千公斤的糖，生成酒精； 微生物是超小型“活的化工廠”。為微生物的高速生長繁殖和合成大量代謝產物提供充分的物質基礎。例如：Escherichia coli (大腸桿菌)在最適的生長條件下，每12.520分鐘細胞就能分裂一次。

9、當前全球的細菌總數約為51030個。在液體培養基中，細菌細胞的濃度一般為108109個/ml。谷氨酸短桿菌：搖瓶種子50噸發酵罐：52小時內細胞數目可增加億倍。利用微生物的這一特性就可以:實現發酵工業的短周期、高效率生產。例如生產鮮酵母時，幾乎12小時就可以收獲一次，每年可以收獲數百次。表13 若干微生物的代時及每日增殖率微生物名稱 代時 每日分裂次數 溫度 每日增殖率乳酸菌 38分 38 25 2.71011大腸桿菌 18分 80 37 1.21024 根瘤菌 110分 13 25 8.2103枯草桿菌 31分 46 30 7.01013 光合細菌 144分 10 30 1.0103釀酒酵母

10、 120分 12 30 4.1103小球藻 7小時 3.4 25 10.6念珠藻 * 23小時 1.04 25 2.1硅藻 17小時 1.4 20 2.64草履蟲 10.4小時 2.3 26 4.92* 為念珠藍菌屬 (Nostoc) 的舊稱，與細菌同屬原核生物。突變頻率一般為10-510-10，但因繁殖快，數量多，與外界環境直接接觸，因而在短時間內可出現大量變異的后代。 青霉素產量變異、耐藥性變異舉例例如，青霉素生產菌 Penicillium chrysogenum(產黃青霉)的產量1943年為每毫升發酵液中含20單位青霉素，40多年來，經過世界各國微生物遺傳育種工作者的不懈努力使該菌產量變

11、異逐漸積累，加上發酵條件的改進，目前世界上先進國家的發酵水平每毫升已超過6萬單位，甚至接近10萬單位。微生物的數量性狀變異和育種使產量提高的幅度之大，是動植物育種工作中絕對不可能達到的。正因為如此，幾乎所有微生物發酵工廠都十分重視菌種選育工作。任何有其它生物生存的環境中，都能找到微生物。而在其它生物不可能生存的極端環境中也有微生物存在。分布廣：如: 萬米深海、85公里高空、 地層下128米和427米 沉積巖中都發現有微生物存在。微生物的種數，據1995年：類型 低限 傾向種數 高限 病毒與立克次氏體 1,217 1,217 4,000 支原體 42 42 142 細菌與放線菌 1,000 1,

12、500 1,800 藍細菌 1,227 1,500 1,500 藻類 15,051 23,100 36,100 真菌 37,175 47,300 90,000 原生動物 24,068 24,068 60,000 總數 79,780 98,727 269,242種類多：物種的多樣性M總數約在50600萬種，其中記載的20多萬種；微生物的生理代謝類型的多樣性分解有機物；產能方式多樣；生物固氮；合成次生代謝產物；分解有毒和劇毒物質；抵抗極端環境。代謝產物的多樣性16500種（1992年）。遺傳基因的多樣性微生物基因組測序，31個基因組，即將發表15個。生態類型的多樣性。五、微生物的分類及其命名五、微

13、生物的分類及其命名 微生物的系統分類單元遵循林耐建立的系統分類單元，自微生物的系統分類單元遵循林耐建立的系統分類單元，自上而下依次可分七級，即：上而下依次可分七級，即： 界界Kingdom， 門門Phylum， 綱綱Class， 目目Order， 科科Family， 屬屬Genus， 種種Species。必要時每一級都還可有若干輔助單元，故共可有十余級必要時每一級都還可有若干輔助單元，故共可有十余級。以啤酒酵母為例，它在分類學上的地位是： 界(Kindom)：真菌界 門(Phyllum)：真菌門 綱(Class)：子囊菌綱 目(Order)：內孢霉目 科(Family)：內孢霉科 屬(Genu

14、s)：酵母屬 種(Species)：啤酒酵母（a原核生物界原生生物界植物界真菌界動物界共同祖先細菌域古生菌域真核生物域（ba 生物五界分類系統圖示原核生物界原生生物界植物界真菌界動物界共同祖先細菌域古生菌域真核生物域（b原核生物界原生生物界真菌界原核生物界原生生物界植物界真菌界動物界共同祖先細菌域古生菌域共同祖先細菌域古生菌域真核生物域生物三域分類系統圖示1. 種（species）：是一個基本分類單位；是一大群表型特征高度相似、親緣關系極其接近，與同屬內其他種有明顯差別的菌株的總稱。菌株（strain）: 表示任何由一個獨立分離的單細胞繁殖而成的純種群體及其一切后代（起源于共同祖先并保持祖先特

15、性的一組純種后代菌群）。因此，一種微生物的不同來源的純培養物均可稱為該菌種的一個菌株。菌株強調的是遺傳型純的譜系。例如：大腸埃希氏桿菌的兩個菌株：Escherichia coli B 和Escherichia coli K12菌株的表示法：如果說種是分類學上的基本單位，那么菌株實際上是應用的基本單位，因為同一菌種的不同菌株在產酶種類上或代謝物產量上會有很大的不同和差別！ 亞種(subspecies）或變種(variety)：為種內的再分類。當某一個種內的不同菌株存在少數明顯而穩定的變異特征或遺傳形狀，而又不足以區分成新種時，可以將這些菌株細分成兩個或更多小的分類單元亞種。變種是亞種的同義詞，因

16、“變種”一詞易引起詞義上的混淆，從1976年后，不在使用變種一詞。通常把實驗室中所獲得的變異型菌株，稱之為亞種。如：E.coli k12（野生型）是不需要特殊aa的，而實驗室變異后，可從k12獲得某aa的缺陷型，此即稱為E.coli k12的亞種。 型(form):常指亞種以下的細分。當同種或同亞種內不同菌株之間的性狀差異不足以分為新的亞種時，可以細分為不同的型。例如：按抗原特征的差異分為不同的血清型；微生物的名字有俗名和學名兩種。如： 紅色面包霉粗糙脈孢霉 綠膿桿菌銅綠假單胞菌學名是微生物的科學名稱，它是按照有關微生物分類國際委員會擬定的法則命名的。學名由拉丁詞、或拉丁化的外來詞組成。學名的

17、命名有雙名法和三名法兩種。雙名法雙名法： 學名=屬名+種名+（首次定名人）+現定名人+定名年份 屬名：拉丁文的名詞或用作名詞的形容詞，單數，首字母大寫，表示微生物的主要特征，由微生物構造，形狀或由科學家命名。 種名：拉丁文形容詞，字首小寫，為微生物次要特征， 如微生物色素、形狀、來源或科學家姓名等。例：大腸埃希氏桿菌 Escherichia coli （Migula）Castellani et Chalmers 1919 金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus Rosenbach 1884當泛指某一屬微生物，而不特指該屬中某一種（或未定種名）時，可在屬名后加sp.或ssp.

18、（分別代表species 縮寫的單數和復數形式）例如：Saccharomyces sp. 表示酵母菌屬中的一個種。菌株名稱在種名后面自行加上數字、地名或符號等，如： Bacillus subtilis AS1.389 AS=Academia Sinica Bacillus subtilis BF7658 BF=北紡 Clostridium acetobutylicum ATCC824 丙酮丁醇梭菌ATCCAmerican Type Culture Collection美國模式菌種保藏中心 當文章中前面已出現過某學名時，后面的可將其屬名縮寫成13個字母。 如：Escherichia coli 可

19、縮寫成 E.coli Staphylococcus aureus可縮寫成 S. aureus三名法三名法：用于對亞種的命名，這時在屬和種名后加寫一個subsp.，然后再附上亞種名稱（斜排體）。 如： Bacillus thuringiensis subsp. galleria 蘇云金芽孢桿菌臘螟亞種 當微生物名稱是一個亞種（當微生物名稱是一個亞種（subspecies，簡稱，簡稱“subsp”，排正體字）或變種（，排正體字）或變種（variety，簡稱，簡稱“var”，排正體字）時，學名就應按，排正體字）時，學名就應按“三名法三名法”構構成，即：成，即：例1：蘇云金芽孢桿菌蠟螟亞種Bacill

20、us thuringiensis subspgalleria例2：釀酒酵母橢圓變種Saccharomyces cerevisiae varellipsoideus 當一個微生物種名在一篇文章或著作中反復出當一個微生物種名在一篇文章或著作中反復出現時，常常可以對學名進行省略。屬及以上分類現時，常?？梢詫W名進行省略。屬及以上分類單位的名稱不能省略，只有種名可省略。當它在單位的名稱不能省略，只有種名可省略。當它在有關文章或資料中首次出現時，不能省略，必須有關文章或資料中首次出現時，不能省略，必須寫全，以后均可省略。省略時，只能簡略種名中寫全，以后均可省略。省略時，只能簡略種名中的屬名，種加詞不能省

21、略。的屬名，種加詞不能省略。 如如 Escherichia coli， E. coli （大腸桿菌），（大腸桿菌），但是這種省略也要遵循一定的原則。但是這種省略也要遵循一定的原則。六、微生物學的重要性與社會需求六、微生物學的重要性與社會需求微生物與人類和動物健康及疾病密切相關微生物與人類和動物健康及疾病密切相關微生物在工業生產中有很多應用微生物在工業生產中有很多應用 微生物對農業生產有著很大的影響微生物對農業生產有著很大的影響 微生物學促進了生物學的發展微生物學促進了生物學的發展 微生物作為模式生物具有如下優點：（1）微生物具有相對不復雜的結構；（2）微生物培養成本低、群體數量大， 易于獲得統

22、計學上可信度高的結果；（3）微生物生長速度快，倍增時間短， 極大縮短了世代培養研究所需周期。 1867 1869 Lister創立了消毒外科，并首次成功的進行創立了消毒外科，并首次成功的進行 了石炭酸消毒實驗了石炭酸消毒實驗 Miescher 發現核酸發現核酸18761877 Koch證明了炭疽病由炭疽桿菌引起證明了炭疽病由炭疽桿菌引起1881 Koch等首創用明膠固體培養基分離細菌，巴斯德等首創用明膠固體培養基分離細菌，巴斯德 制備了炭疽菌苗制備了炭疽菌苗1882 Koch發現結核桿菌發現結核桿菌(Mycobacterium tuberculosis) 1883 Koch首次發表首次發表Ko

23、ch氏法則。氏法則。Metchnikoff闡述了闡述了 吞噬作用。建立高壓蒸汽滅菌和革蘭氏染色法吞噬作用。建立高壓蒸汽滅菌和革蘭氏染色法1884 Pasteur研究狂犬病疫苗成功，開創了免疫學研究狂犬病疫苗成功，開創了免疫學1928 Griffith發現細菌轉化發現細菌轉化1929 Fleming發現青霉素發現青霉素1935 Stanley首次提純了煙草花葉病毒，并獲得了它首次提純了煙草花葉病毒，并獲得了它 的的“蛋白質結晶蛋白質結晶”1943 Luria和和Delbck用波動實驗證明細菌噬菌體的抗用波動實驗證明細菌噬菌體的抗 性是基因自發突變所致；性是基因自發突變所致； Chain和和Flo

24、ry形成青霉素工業化生產的工藝形成青霉素工業化生產的工藝1944 Avery等證實轉化過程中等證實轉化過程中DNA是遺傳信息的載體；是遺傳信息的載體； Waksman發現鏈霉素發現鏈霉素19461947 Lederberg和和Tatum發現細菌的接合現象、發現細菌的接合現象、 基因連鎖現象基因連鎖現象1949 Enders、Robbins和和Weller在非神經的組織培養在非神經的組織培養中，培養脊髓灰質炎中，培養脊髓灰質炎 病毒成功病毒成功1973 Ames建立細菌測定法檢測致癌物；建立細菌測定法檢測致癌物； Cohen 等首次將重組質粒轉入大腸桿菌中獲得成功等首次將重組質粒轉入大腸桿菌中獲得成功1974 Khler和和Milstei