微生物生理学

绪论 在我们生存的地球上，微生物分布极为广泛，即使在一些其他生物无法生存的极端环境下，微生物也能生长繁殖。微生物之所以有如此强的生存和适应能力就是冈为其生理活动、新陈代谢具有独特性。 一、什么是微生物生理学 微生物生理学就是研究微生物生理活动规律的学科，即微生物在实验室和自然条件下生理活动的特点与规律及它们为什么具有这些特点与规律，它是微生物学的分支学科之一，其基本任务是认识微生物细胞内进行的各种过程，以及这些过程与微生物生长发育以及环境之间的关系，从而有效地控制微生物的生命活动使之服务于人类的需要。 利用微生物制造食品（如酱菜、酿酒等）、改良土壤以及控制微生物的腐败与致病作用早在古代就受到人们的重视，但只是在1840年库津(Kutzing)通过实验发现酒变质是由一种微生物引起的、1857年巴斯德(Louis Pasteur)了解到发酵过程的本质是由生物引起的化学过程，从而认为“在化学上不同的发酵是由生理上不同的生物所引起”以后，才使微生物学的研究进入了一个新时期——微生物生理学时期。随着人们对酿酒、动植物病害、人类疾病的防治和土壤微生物活动等的研究，微生物生理学逐渐兴盛起来。巴斯德提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被人称为巴斯德灭菌法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长期保存。随着研究的深入，巴斯德在1861年又发现酪酸发酵可以分为由糖变成乳酸和有乳酸变成酪酸两个过程，这两个过程都由生物完成，而且还分离到了乳酸菌；巴斯德在研究乙酸发酵与丁酸发酵时，还发现在厌氧时可以生成丁酸，从而把发酵分成有氧发酵和兼性发酵两种类型，并通过实验确定乳酸发酵、酒精发酵和丁酸发酵分别由不同生理类型的生物引起，从而将生物的形态与生理活动联系起来，推动了微生物生理学的发展。1897年巴克纳(Eduard Buchner)在前人工作的基础上，用石英砂与硅藻土研磨酵母菌细胞，再用这种新鲜的酵母滤汁进行发酵，可以完成糖发酵到乙醇，从而认识了酵母菌酒精发酵的酶促过程，将微生物生命活动与酶化学结合起来。这样发酵过程的研究工作深入到非细胞水平，为酶学发展打下了基础。 与此同时，微生物生理活动的研究工作也在其他领域广泛进行。梅兹(Maze)等人通过实验证明污水中的氨可通过微生物作用转变成硝酸盐，这就是今天所讲的硝化作用；随后俄国学者维诺格拉斯基用硅胶平板分离到能进行自养生活的白养细菌，从而建立了微生物的白养概念；1866年沃罗宁(Woronin)发现豆科植物根瘤中有细菌，1888年贝哲林克(Beijerinck)从根瘤中分离出根瘤细菌；1894年维诺格拉斯基分离出能固氮的巴氏梭菌，贝哲林克在1901年又分离出好氧固氮菌，从而推动了生物固氮的研究；德国的柯赫(Koch)利用固体培养基（明胶、马铃薯等）分离到许多细菌的纯培养物，并发现许多传染病都是由病原微生物引起的，他*创细菌的染色方法，他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则，从而推动了对病原微生物生理活动的研究；1905年，哈登（Arthur Harden)和奥伊勒歇尔平(Hans von Eulcr-Chclpim)发现磷酸盐对酒精发酵的作用；1911年，诺伊贝格(Neuburg)开始对酒精发酵作系统的研究；20世纪30年代，0．迈尔霍大(Otto Meyer hof)发现肌肉中氧消耗和乳酸代谢问题，O.H.瓦尔堡(Otto Heinrich Warburg)发现了呼吸酶的本质和活动方式，H. A.克雷布斯(Hans Adolf Krebs)等人对生物氧化机制的阐明，推动了人们对微生物代谢的研究。1931年凡尼尔(van Niel)通过财细菌光合作用机制的探讨，推动了对光合微生物生理活动与光合作用的研究；1929年英国佛莱明(Fleming)发现青霉素，随后推动了对青霉菌与青霉素临床应用的研究；1933年，克勒伊沃建立了摇床培养技术，导致现代化微生物工业深层培养的生理研究和应用。同时，同位素、电子显微镜、超速离心、微量快速生物化学分析以及生物化学突变株等技术的普遍应用，也推动了微生物生理学研究的发展。1949年，瓦克斯曼(Selman Abraham Waksman)在他多年研究土壤微生物所积累资料的基础上，发现了链霉素。此后陆续发现的新抗生素越来越乡。这些抗生素除医用外，也应用于防治动植物的病害和食品保藏。加上同位素示踪原子的应用，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、丁醇、甘油、各种有机酸、氨基酸、蛋白质、油脂、抗生素等的工业化生产。 微生物种类繁多，生理类型复杂，就营养和能量转换而论，既有像动物那样异养生活的类群，也有像植物那样进行光合作用的白养类群。另外还有利用化能的自养类群以及与其他生物具有共生或寄生关系的类群。在碳的同化方而，除一般的代谢类型外，微生物还有许多特殊的代谢途径，可以产生有机酸、溶剂、脂肪酸、维生素、多糖等对人类有用的产物，也叮产生氧化烃、芳香族化合物等，从而清除污染环境的物质。另外，微生物还可产生抗生素、色素、毒素、甾体化合物等次级代谢产物。氮的利用方面，微生物有能利用有机氮化合物的类群，也有能利用无机氮的类群。固氮菌、根瘤菌、蓝细菌和某些自养菌能够直接同化大气中的氮。微生物的能量产生方式因好氧生活、厌氧生活或兼性生活而有所不同。光合细菌可通过光合磷酸化方式获得能量，好氧菌可由氧化磷酸化获得能量，厌氧菌可由底物水平的磷酸化获得能量。在这些过程中，*终电子受体不是分子氧，而是硝酸盐、硫酸盐等。这些都显示出了微生物具有生理多样性。 随着分子生物学的发展，微生物生理学的研究已经深入到细胞中的生物化学转化、能量的产生和转换；生物大分子的结构与功能；分子水平上的形态建成、分化及其行为等方面的研究。 因此，微生物生理学所涵盖的内容较为广泛，与普通生理学以及动植物生理学有很大的差异。 现代微生物生理学所取得的成就是一个多世纪以来许许多多生理学家共同努力的结果，有些人通过观察实验积累了事实材料，有些人在前人和自己工作的基础上得到了突破性的进展，这些人都为生理学的发展做出了自己的贡献。 二、为什么要研究微生物生理学 微生物在适宜的环境中通过营养物质的吸收、能量的吸收与消耗、各个生理活动的互相调节，以及完成各个生理活动，进行蛋白质、核酸与多糖等生物大分子合成，并组建成新的细胞结构、产生新的生命个体使生命活动能够维持与延续下去，研究微生物生理学可以逐步阐明生物大分子物质合成的方式、特点与规律，以及这些生物大分子如何组建成特定的细胞结构，从而逐步阐明生命起源这个基本理论问题。 微生物生活于一定的环境中，根据环境对微生物生理活动影响的特点，可将环境区分为适宜、不适宜和有害种类型。在这种环境的作用下，微生物分别可以通过迅速生长、生长受到抑制和导致机体分化或死亡等形式作出不同反应。研究微生物生理学可以阐明微生物生长、繁殖、形态发生、与细胞分化的特点与规律，阐明微生物在极端环境条件下生存下来的机理，从而可以有效地对微生物进行控制，同时从另一个角度阐明生命的本质。 微生物的生理活动与人类的关系极为密切，几乎涉及人们日常生活的各个领域和国民经济的许多部门。一方面，可利用微生物及其生理活动米生产各种饮料与食品或其他有用品、改良土壤、三废处理和生物能源开发等；另一方面，许多病原微生物如结核杆菌、伤寒杆菌、白喉杆菌、葡萄球菌、痢疾杆菌等以及各种致病真菌都可以通过它们的生理活动引起人类与动植物的各种疾病和病害，小同程度的危害了人们的身心健康和破坏农业、畜牧业生产；日常生活中发生的食物腐败与物质霉变、金属腐蚀等过程无不与微生物的生理活动相联系。研究微生物生理学可以了解微生物在一定条件下发生了什么变化，为什么会发生这些变化，以及这些变化如何发生等问题，这样可以了解与掌握微生物的有益生理活动，杜绝与控制微生物的有害生理活动，使微生物能*大限度地造福于人类。 三、微生物生理学的研究热点 近年来，微生物生理学的研究扩展到了新的或过去不引人注意的微生物类群和可更新能源方面，这使人们对分解纤维素微生物和甲烷产生菌的生理进行深入的考察，并从化能白养菌的研究扩展到利用硫杆菌进行微生物浸矿。 另外微生物与其他生物之间的共生、寄生关系是人们多年来一直注意的领域，尤其是共生固氧的研究已有较大的进展。能使石油氧化、农药降解和人工合成的高分子物质分解的微生物，也越来越多地成为人们研究的对象。总之，每一新菌属和新现象的发现，都将为微生物生理学研究提供新的对象，开辟新的领域。 根据研究的侧重点与方向，目前微生物生理活动的研究可归纳为下列三个方面： (1) 生物化学方面：由于微生物初级代谢与能量转换的过程已基本研究清楚，日前与今后的研究主要集中在初级代谢的调节、次级代谢产物合成途径与次级代谢的调节、能量转换的基础；集中研究一些特殊类型生物的生理代谢活动，这些特殊类型的微生物有纤维分解菌、共生菌、寄生菌、单细胞蛋白产生菌等，可以看出这些研究是围绕着解决粮食、能源与三废处理等三个根本问题而进行的。 (2) 生物大分子结构与功能的研究：通过研究微生物的核酸与蛋白质生物大分子的合成来阐明微生物遗传信息传递与表达的方式和规律；研究膜结构与功能，继续发现与研究新的细胞结构与功能；研究极端环境条件下微生物抗性与敏感性的机理及其调节，从分子水平上阐明生命的本质。 (3) 从分子水平上研究细胞的重建、形态发生、分化过程与趋向性等行为的特点与规律：重点是研究微生物怎样由生物大分子组建成一个完整的有生物活性的细胞结构；研究微生物形态发生与分化的分子机理；研究微生物的趋向性（趋化性、趋光性、趋磁性）与运动的本质和生命与环境之间的本质联系等。 四、如何研究微生物生理学 微生物生理学是一门实验科学，它是建立在通过观察和实验所得到的事实材料的基础之上的，观察是微生物的生命现象如实的反映、记录；实验则是指人为地控制或改变某些条件来考查微生物生命现象的变化，以探求因果关系，认识生命现象内在的活动规律。观察和实验往往是密切联系的，先观察某些现象，提出一些问题或设想；再改变条件观察现象的变化，以求发现其内在的规律。生物机体是复杂的，各种机能之间又是相互联系、相互影响的，由于生命现象的复杂性，把实验方法用于生理学比用于物理学、化学更加困难。在观察和实验中要尽量排除假象，取得可靠的事实材料；在根据这些事实材料进行推理时，要多方考虑，严谨慎重，防止得出错误结论。 微生物生理学是一门涉及微生物学、生物化学、细胞生物学、遗传学、分类学、免疫学、化学与物理学等多门学科的边缘学科。微生物生理学研究的基本方法涉及上述各学科。微生物生理学是从微生物学分支而发展的学科，微生物学的发展直接促进了微生物生理学的发展。微生物学的纯培养、消毒与灭菌、合成培养基与分类鉴定等基本技术的建立与应用，为微生物生理学的深入发展提供了可靠的基础。 微生物的生理活动要通过一定的细胞结构来完成，细胞生物学中的染色技术、显微与显微摄影技术可用来区别不同的细胞结构或不同的细胞物质组成，逐步在亚细胞的水平上阐明微生物细胞结构的特点与生理功能，还可以通过连续摄影技术将微生物的生活过程拍摄下来，有利于研究微生物的行为等。 研究物质在生物体内的代谢过程以及代谢过程的相互调节是生物化学研究的主要内容之一。微生物生理学是研究物质在微生物里的代谢过程以及微生物如何通过代谢等过程产生新的生命的特点与规律，生物化学上常用的细胞破碎技术（超声波破碎细胞、石英砂研磨破碎细胞等）、离心技术（高速离心、差速离心、蔗糖密度梯度离心等）、层析技术（纸层析、柱层析、分子量排阻层析等）、电泳技术（纸电泳、凝胶电泳等）和过滤技术（超滤、微滤、滤膜过滤等）也是用来分离细胞结构、制备与提纯细胞物质的常用方法。另外微量测量技术（如瓦勃氏技术等）也是测量微生物呼吸与某些酶（如脱羧酶等）活力的常规方法。 微生物