《微生物学》教案

1《微生物学》教案第一章绪论一、微生物及微生物的特点1.微生物微生物（microorganism,microbe）不是分类学上的名词，而是指一切肉眼看不见或看不清、需要借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的一切微小生物（＜0.1mm）的总称。它们大多为单细胞，少数为多细胞，还包括一些没有细胞结构的生物。非细胞结构：病毒，亚病毒因子（类病毒，卫星病毒，卫星RNA，朊病毒）nm（纳米）级，微生物-分子生物，电镜下可见原核生物：细菌（真细菌，古细菌），放线菌，蓝细菌，支原体，衣原体，立细胞结构：克次氏体等μm（微米）级-细胞生物，真核生物：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原光镜下可见生动物等在日常生活中，我们每个人对微生物都有过接触并有一定的感性认识。清新的空气，可口的酸奶，美味的面包或馒头，蘑菇、木耳，腐乳以及东北人爱吃的酸菜等，都使我们享受到微生物带来的恩惠；当因感冒或其他一些疾病（传染病）使我们受到折磨，植物病害，夏天时菜饭变馊或臭（长毛），食品、衣服、皮革、器材等因受潮湿面霉烂时，便是微生物作怪，是有害的微生物侵蚀了机体；当你患病时打针、吃药，是抗生素在起作用；病愈时，则是微生物所产生的抗生素的奉献。但如果高剂量的某种抗生素注入体内，效果甚微或毫无效果时，则也是微生物的恶作剧-------病原微生物对药物产生了抗性。可见，微生物与我们日常生活的关系是十分密切的。2.微生物的特点在整个生物界中，各种生物体形的大小相差十分悬殊。植物界的一种红杉可高达350m,动物界中的蓝鲸可达34m长，而微生物体的长度一般都在μm和nm范围内。微生物由于其个体的微小性，给它们带来了一系列显然有别于高等生物的特征，从而也使微生物获得了许多“生物界之最”的桂冠。（1）体积小，面积大（形态微小，结构简单）任何固定体积的物体，如对其进行三维切割，则切割的次数越多，其所产生的颗粒数就越多，每个颗粒的体积也就越小。任何物体被分割的越细小，其单位体积所占有的表面积就越大。若把某一物体单位体积所占有的表面积称为比面值，则物体的体积越小，其比面值就越大，以球体的比面值为例：表面积4πr23比面值===体积4/3πr3r由上述公式可以推算出细胞半径（r）为1μm的球菌，其比面值为3；半径为2μm的，比面值为1.5；而半径为3μm的，则比面值仅为1了。微生物的个体都极其微小。微生物学家通常使用的标尺是微米（μm）或纳米（nm）1μm=1/1000mm1nm=1/1000μm2各类微生物个体的大小差异十分明显。一般细菌的直径通常在1μm以上。最近芬兰科学家EOKajander等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其细胞直径最小仅为50nm，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知最小的具有细胞壁的细菌；1971年发现的马铃薯纺缍块茎病的病原体------类病毒，是迄今为止所知的最简单与最小的专性细胞内寄生生物，其整个个体仅由一个以359个核苷酸组成的单链裸露的RNA分子构成，长度50nm；迄今为止所知的个体最大的细菌，则是德国科学家HNSchulz等最近在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫细菌，其大小一般在0.1～0.3mm，但有些可达0.75mm，可用肉眼清楚看到。科学家将此菌称为：“纳米比亚硫磺珍珠”。杆菌平均长度为2μm，将1500个杆菌头尾衔接仅有一颗芝麻长；杆菌平均宽为0.5μm，60～80个杆菌“肩并肩”排成横队，也只有一根头发丝宽；细菌的体重则更轻了，约10～100亿个细菌约重1mg.。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。微生物是一个如此突出的小体积大面积系统，因而赋于它们具有与一切大生物不同的特性，它们具有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的交换面。（2）吸收多（广），转化快生物界的普遍规律是：个体越小，其单位体重所消耗的食物就越多。有资料表明，E.coli在1h内可分解自重1000～10000倍的乳糖；在适宜的条件下，微生物24h所合成的物质相当于细胞原来质量的30～40倍，而一头体重500kg乳牛，一昼夜仅能合成0.5kg蛋白质，两者相差1000倍。一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg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50000kg优质蛋白质。消耗自身重量2000倍食物的时间：大肠杆菌：1小时人：500年（按400斤/年计算）微生物获取营养的方式多种多样，所能利用的营养物质也最丰富。无论是有机物还是无机物，凡是动植物能利用的营养物质，微生物全能利用，而大量为动植物所不能利用的甚至是剧毒的物质，微生物照样能够利用。已知无一例外的是：凡是有机化学家合成的分子，不论结构如何新疑复杂，最终准逃不出毁灭的命运，这就充分说明了微生物所谓食谱大，吸收广的特点。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、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。3微生物对营养物质吸收多，转化快的特点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地发挥其超小型“活的化工厂”的作用。（3）生长旺，繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度。已知E.coli在合适的生长条件下，细胞分裂1次仅需12.5～20min。若按平均20min分裂1次计，则1h可分裂3次，每昼夜可分裂72次（代），最初的一个细菌可产生4.722×1021(4万亿亿)个后代，总重量可达4722t。细菌比植物繁殖率快500倍，比动物繁殖率快2000倍。据报道，当前全球的细菌总数约为5×1030个。事实上，由于营养、空间和代谢产物等条件的限制，微生物的几何级数分裂速度充其量只能维持数小时而已。一般在液体培养时，细菌细胞的浓度通常不超过108～109个/ml。由于繁殖快，微生物的数量最多，如肥沃的根圈土壤中，每克土可有微生物几亿到几十亿个；即使在不适于微生物生长的空气中（街道空气），每立方米可含有微生物几千上万个。土壤为微生物的大本营，细菌（数亿/g）＞放线菌（孢子数千万/g）＞霉菌（孢子数百万/g）＞酵母菌（数十万/g）。人肠道中聚居100～400种微生物，为肠道正常菌群，总数达100万亿左右。苍蝇全身携带5亿多细菌（脏）。平均每张纸币上有900万细菌（成都）。一般人的每个喷嚏有1～2万个飞沫，其中约含菌4500～150000，感冒患者的“高质量”喷嚏则含多达8500万个细菌。由此可见，我们生活在被大量微生物包围的世界环境中，但常常是“身在菌中不知菌”，幸好在一般情况下，大多数微生物为非致病菌，否则，后果难设。微生物的生长旺、繁殖快的特性对生物学基本理论的研究带来极大的优越性，它使科学研究周期大为缩短、空间减少、经费降低、效率提高。当然，若是一些危害人、畜和农作物的病原微生物或能使物品霉变的有害微生物，则它们的这一特性则会给人类带来极大的损失和祸害，因此，我们必须认真对待。（4）适应强，易变异微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制，这是任何高等动、植物所无法比拟的。微生物对外界环境条件尤其是那些恶劣的“极端环境”如高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒等具有惊人的适应力，堪称生物界之最。如氧化硫硫杆菌能生长在5%～10%的H2SO4(pH0.5)的酸性环境中；某些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌生长的最高pH为10.7；在世界大洋最深的马里亚纳海沟，水深达11034米，压力约为111.775Mpa，仍有细菌存在；死海含盐达23～25%，红皮盐杆菌、盐生盐杆菌、死海盐杆菌仍有生长，死海根本不“死”。抗热：有的细菌能在265个大气压，250℃的条件下生长；自然界中细菌生长的最高温度可以达到121℃；有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；抗寒：有些微生物可以在―12℃~―30℃的低温生长；抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH0.5~13；耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl,32%)中都有微生物生长；抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；4微生物个体微小，结构简单，与外界环境直接接触，对环境条件的变化很敏感，尽管变异频率十分低，（10-5～10-10）,但发生变异后的个体由于繁殖快，可以在短期内产生大量变异的后代。有益的变异可为人类创造巨大的经济和社会效益，如产青霉素的菌种，1943年时每毫升发酵液仅分泌约20单位的青霉素，通过微生物遗传育种工作者的共同努力，至今青霉素的发酵水平已超过5～10万单位/ml；有害的变异则是人类各项事业中的大敌，如各种致病菌的耐药性使原本已得到控制的相应的传染病变得无药可治，而各种优良菌种生产性状的退化则会使生产无法正常维持等。（5）分布广，种类多微生物到处可以传播和栖息，它“无孔不入”，“随遇而安”。地球上除了火山的中心区域等少数地方以外，从土壤圈、水圈、大气圈至岩石圈，到处都有它们的踪迹。微生物永远是生物圈上下极限的开拓者和各项生存记录的保持者。在动、植物体内外，土壤、河流、空气、平原、高山、深海、污水、垃圾、海底淤泥、冰川、盐湖、沙漠、甚至油井、酸性矿水和岩层下，都有大量与其相适应的各类微生物存在。分析表明，微生物占地球生物总量的60%！人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！eg:数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；几千米的地下；强酸、强碱、高热的极端环境；常年封冻的冰川；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%。休眠长、世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年起源早、38亿年前，生命在海洋中出现，陆地上就可能存在微生物发现晚、300多年前人们才真正发现微生物的存在5微生物的种类之多十分惊人。迄今为止，人类已描述过的生物总数约200万种。据估计，微生物总数约在50～600万种之间，其中已记载巡的仅有约20万种（1995年），但这是一个正在迅速增长的变数。目前所了解的只占总数的1%，开发利用的也只占已了解的1%。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。“在近代科学中，对人类福利最大的一门科学，要算是微生物学了。”二、微生物类群与生物三域1.微生物类群真细菌：细菌，放线菌，蓝细菌等原核微生物细胞型微生物古细菌微生物真核微生物：霉菌，酵母菌，微小藻类，原生动物等非细胞型微生物：病毒，噬菌体等2.生物三域特征现代生物学把生物分为细胞生物和非细胞生物，又把细胞生物分为原核生物和真核生物。原核生物中只包括真细菌和古生菌两大类微生物；真核生物中包括几类微生物以及全部动物和植物。古细菌（古菌，古生菌）、真细菌和真核生物三域（以前曾称为三原界）的概念，是沃斯（Woese）及其同事1977年根据对代表性细菌类群的16SrRNA(或18SrRNA)碱基序列的同源性测定分析后提出的。他们认为生物界的发育并不是一个由简单的原核生物发育到比较完全和较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古细菌、真细菌和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来。这一起点即是至今仍不明确的一个原始祖先。为了避免古细菌和真细菌的混淆，又于1990年把三域改为古生菌、细菌和真核生物。古细菌和真细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似，因而同属原核生物。但在分子生物学水平上，古细菌和真细菌之间有明显差别。生物三域特征比较比较项目古细菌真细菌真核生物细胞大小通常1μm通常1μm通常10μm核膜－－+遗传物质染色体1条，环形染色体+质1