微生物學概要探索微觀世界，了解微生物的奧秘課程簡介理論學習系統掌握微生物基礎知識實驗技能培養微生物操作基本能力應用拓展第一章：微生物學概述微生物的定義肉眼不可見的微小生物需借助顯微鏡觀察研究對象細菌、真菌、病毒等探究其結構與功能學科特點跨學科綜合性學科理論與實踐并重微生物的種類原核生物無核膜結構DNA裸露于細胞質中代表：細菌、古菌真核微生物具有完整細胞核細胞器發達代表：酵母菌、霉菌病毒非細胞結構專性寄生具有傳染性微生物學的發展歷史1發現時期列文虎克首次觀察微生物2黃金時代巴斯德和科赫奠定學科基礎3分子時代DNA結構發現推動學科發展4基因組時代全基因組測序技術革命微生物學的重要性1生物技術基因工程、疫苗開發2工農業生產發酵工業、生物肥料3環境保護污染治理、生態平衡4醫療健康疾病防控、藥物研發第二章：微生物的形態結構球菌呈球形或橢圓形直徑約0.5-2.0μm桿菌呈桿狀或棒狀長度約1-10μm螺旋菌呈螺旋狀或彎曲狀有完整或不完整螺旋細菌的大小和排列方式細菌大小一般在0.5-10μm之間排列方式多樣：單個、成對、鏈狀、簇狀細菌的基本結構細胞壁提供機械支持和保護革蘭氏染色的分類依據細胞膜選擇性通透屏障參與能量代謝和物質轉運莢膜某些細菌的外層保護結構增強致病性和抵抗力細菌的特殊結構鞭毛細長的絲狀蛋白質結構介導細菌運動和趨化性菌毛短于鞭毛的纖維狀突起參與細菌黏附和基因交換芽孢某些細菌形成的休眠結構對不良環境有極強抵抗力細菌的內部結構核區含有DNA但無膜包被核糖體蛋白質合成場所質粒額外的環狀DNA分子儲藏顆粒儲存營養物質的顆粒狀結構真菌的形態結構酵母菌單細胞真菌橢圓形或圓形通過出芽方式繁殖絲狀真菌多細胞真菌形成菌絲體由菌絲和孢子組成病毒的形態結構衣殼蛋白保護內部核酸2核酸DNA或RNA作為遺傳物質包膜某些病毒具有的脂質包膜第三章：微生物的營養碳源構成細胞物質的主要元素提供能量來源氮源蛋白質和核酸合成必需氨基酸和核苷酸的來源微量元素酶的輔助因子參與代謝調節生長因子某些微生物不能合成需從外界攝取的有機物營養類型光能自養型利用光能固定CO?如：藍藻、光合細菌1化能自養型氧化無機物獲能如：硫細菌、鐵細菌2腐生異養型分解死亡有機物如：多數細菌和真菌3寄生異養型寄生于活體生物如：病原微生物4營養物質的運輸方式簡單擴散不需能量，順濃度梯度促進擴散借助載體蛋白，不消耗能量主動運輸逆濃度梯度，消耗能量群體轉運多種物質同時轉運入細胞第四章：微生物的代謝代謝概念微生物體內進行的所有化學反應包括分解代謝和合成代謝代謝特點類型多樣速率快適應能力強代謝途徑糖酵解途徑三羧酸循環電子傳遞鏈異化代謝36ATP產量有氧呼吸每分子葡萄糖產生2ATP產量無氧呼吸每分子葡萄糖產生100%能量轉化呼吸作用比發酵效率高異化代謝是分解復雜有機物為簡單物質并釋放能量的過程呼吸作用是最主要的異化代謝方式，包括有氧呼吸和無氧呼吸發酵作用乳酸發酵酒精發酵丙酸發酵丁酸發酵其他類型發酵是無氧條件下的能量獲取方式最終產物因微生物種類而異廣泛應用于食品、醫藥等產業同化代謝轉錄DNA信息轉錄為mRNA翻譯mRNA指導氨基酸合成蛋白質折疊多肽鏈折疊形成功能蛋白修飾蛋白質功能所需的化學修飾第五章：微生物的生長與繁殖1延滯期適應環境，準備分裂2對數期快速分裂，數量指數增長3穩定期生長速率與死亡速率平衡4衰退期營養耗盡，死亡速率增加影響微生物生長的因素溫度嗜冷菌：0-20℃中溫菌：20-45℃嗜熱菌：45℃以上pH值嗜酸菌：pH值小于5.5中性菌：pH值5.5-8.0嗜堿菌：pH值大于8.0其他因素氧氣濃度水分活度滲透壓光照微生物的繁殖方式二分裂細菌和藍藻的主要繁殖方式出芽生殖酵母菌的典型繁殖方式2孢子生殖真菌的主要繁殖方式病毒復制需宿主細胞的復制方式第六章：微生物的遺傳與變異基因組染色體DNA攜帶全部遺傳信息質粒染色體外自主復制的DNA分子修復系統維持遺傳信息穩定的機制基因突變點突變單個核苷酸改變包括置換、缺失和插入突變誘導因素物理因素：紫外線、X射線化學因素：亞硝酸、烷化劑突變的意義增加遺傳多樣性提供進化材料獲得新功能基因重組轉化吸收環境中的DNA片段2接合細胞間形成橋梁直接傳遞DNA轉導借助噬菌體傳遞DNA質粒和轉座子質粒特點環狀DNA分子自主復制非必需遺傳元件可攜帶抗生素抗性基因質粒功能抗藥性毒力因子代謝功能生物合成能力轉座子"跳躍基因"可在基因組內移動促進基因組重排增加遺傳多樣性第七章：微生物的分類與鑒定1種微生物分類的基本單位2屬相近種的集合3科相近屬的集合4目相近科的集合5界生物分類的最高級別主要分類方法1形態學分類觀察微生物大小、形狀和結構簡單但精確度低2生理生化分類分析微生物代謝能力和生理特性可靠但耗時3血清學分類基于抗原-抗體特異性反應較高特異性4噬菌體分型利用噬菌體感染特異性適用于細菌亞型區分分子生物學分類方法基因組DNA測序全基因組分析獲取完整遺傳信息rRNA分析16S/18SrRNA序列比對微生物系統發育研究基礎DNA指紋圖譜限制性酶切片段多態性快速區分不同菌株PCR技術特異性基因擴增快速鑒定特定微生物微生物的命名二名法屬名和種加詞組成拉丁文命名屬名首字母大寫種加詞全小寫命名示例大腸桿菌：Escherichiacoli金黃色葡萄球菌：Staphylococcusaureus釀酒酵母：Saccharomycescerevisiae命名規則遵循《國際細菌命名法規》需正式發表有標準菌株保存微生物的鑒定方法形態觀察顯微鏡檢查基本特征培養特性分析菌落形態和生長特點生化試驗測定代謝和酶活性特征分子生物學方法基因測序確認物種身份第八章：微生物生態學微生物生態學定義研究微生物與環境關系的學科探究微生物在自然界的分布和作用研究內容微生物與環境互作微生物群落結構生物地球化學循環微生物與其他生物關系研究意義了解生態系統平衡解決環境污染問題發現有用微生物資源預測環境變化影響微生物在自然界的分布微生物群落1234群落組成多種微生物共存形成穩定生態系統群落關系競爭關系協同關系捕食關系群落特征多樣性穩定性功能互補性影響因素環境條件干擾程度物種入侵微生物與生物地球化學循環碳循環光合作用固定CO?，分解者釋放CO?氮循環固氮、硝化、反硝化過程2硫循環硫化物氧化和硫酸鹽還原3磷循環礦化和沉淀過程4第九章：環境微生物學水體微生物種類細菌：大腸桿菌、銅綠假單胞菌藻類：小球藻、衣藻原生動物：草履蟲、變形蟲水體微生物作用有機物分解污染物降解初級生產力指示水質研究方法培養計數法分子生物學方法生物傳感器宏基因組學分析土壤微生物10?每克土壤細菌數量最豐富的土壤微生物類群10?每克土壤真菌數量生物量大于細菌80%土壤有機質轉化微生物參與的比例30%土壤固氮量生物固氮對全球固氮的貢獻空氣微生物空氣微生物來源土壤飛揚水體飛沫人類活動影響因素氣溫和濕度風速和降雨地理位置健康影響呼吸道感染過敏反應食物污染極端環境微生物嗜熱微生物適應高溫環境最高可生長于121℃嗜冷微生物低溫環境中生長具有抗凍蛋白嗜鹽微生物耐受高鹽環境細胞內積累兼容性溶質第十章：醫學微生物學基礎病原微生物定義能引起宿主疾病的微生物包括細菌、病毒、真菌等致病因素侵襲性毒力因子抗宿主防御能力傳播途徑接觸傳播空氣傳播媒介傳播預防控制疫苗接種衛生防護抗微生物藥物感染與免疫微生物定植病原體附著并在宿主表面繁殖2侵入組織穿透屏障進入宿主體內繁殖擴散微生物在宿主內大量增殖組織損傷直接損傷或免疫反應導致病變免疫應答宿主免疫系統激活對抗感染常見病原微生物簡介類型代表微生物常見疾病細菌金黃色葡萄球菌皮膚感染、肺炎病毒流感病毒流行性感冒真菌白色念珠菌鵝口瘡、陰道炎寄生蟲瘧原蟲瘧疾抗生素及其作用機制細胞壁合成抑制青霉素、頭孢菌素類蛋白質合成抑制四環素、氨基糖苷類2核酸合成抑制喹諾酮類、利福平3細胞膜損傷多粘菌素、兩性霉素B4第十一章：食品與工業微生物學有益微生物發酵微生物益生菌食品添加劑生產菌有害微生物致病菌食品腐敗菌產毒真菌檢測方法傳統培養法快速檢測技術分子生物學技術發酵食品發酵食品利用微生物代謝改變食品特性提高保質期、風味和營養價值世界各地都有傳統發酵食品工業微生物抗生素生產青霉素霉菌產青霉素鏈霉菌產鏈霉素2氨基酸生產谷氨酸棒桿菌產谷氨酸賴氨酸棒桿菌產賴氨酸3酶制劑生產枯草芽孢桿菌產蛋白酶黑曲霉產淀粉酶4維生素生產酵母菌產維生素B族紅酵母產類胡蘿卜素微生物與生物技術基因編輯技術CRISPR-Cas9精準修飾微生物基因組2重組DNA技術構建工程菌生產有價值產品3發酵工程優化微生物發酵條件提高產量第十二章：農業微生物學植物病原菌特點專性或兼性寄生多樣的傳播方式不同的寄主特異性主要農作物病害水稻稻瘟病小麥銹病馬鈴薯晚疫病棉花枯萎病防治策略抗病品種培育農藥防治生物防治綜合防治生物農藥細菌農藥蘇云金芽孢桿菌控制鱗翅目害蟲真菌農藥白僵菌寄生多種農業害蟲病毒農藥核型多角體病毒特異性高，環境友好線蟲農藥昆蟲病原線蟲攜帶共生細菌殺蟲微生物肥料固氮微生物根瘤菌、慢生根瘤菌解磷微生物解磷菌、解磷真菌解鉀微生物解鉀細菌、鉀細菌解硅微生物硅酸鹽細菌第十三章：微生物學研究方法凈化清除實驗區域污染源消毒化學消毒劑處理儀器設備3滅菌高壓蒸汽或干熱滅菌培養基和器材操作在超凈工作臺中進行實驗操作顯微鏡技術光學顯微鏡最常用的顯微鏡放大倍數約40-1000倍熒光顯微鏡檢測熒光標記的樣品觀察特定細胞結構電子顯微鏡放大倍數可達10萬倍以上觀察超微結構培養基制備與滅菌配料基礎營養成分與特殊添加物混勻充分溶解培養基組分調整pH根據微生物需求調整酸堿度滅菌121℃高壓蒸汽滅菌15-20分鐘分裝無菌環境下分裝到培養容器中微生物的分離與純化1樣品采集無菌條件采集環境樣品2樣品處理稀釋、過濾或離心分離3平板分離涂布平板或傾注平板法4挑取單菌落轉接單個菌落至新培養基5純度檢驗鏡檢和繼代培養確認純度微生物的計數方法精確度操作難度分子生物學技術在微生物學中的應用核酸提取從微生物中分離DNA/RNAPCR技術特異性擴增目標基因片段DNA測序確定微生物基因組序列基因編輯CRISPR-Cas9靶向修飾基因第十四章：微生物學的前沿發展微生物