普通微生物学

绪论 一、微生物学的研究对象 1.什么是微生物 微生物（microorganism，microbe）不是分类学上的名词，而是指肉眼难以看清楚，需要借助光学显微镜或者电子显微镜才能观察到的一切微小生物的总称。它们通常是一些个体微小（通常＜0.1mm）、构造简单的低等生物，包括属于原核生物的细菌（真细菌和古生菌）、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体；属于真核生物的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、显微藻类和原生动物；以及属于非细胞类的病毒和亚病毒。但微生物中也有些成员是肉眼可见的，例如，许多真菌的子实体，蘑菇等常肉眼可见；同样某些藻类能长达几米；近年来发现有的细菌也是肉眼可见的，如1993年正式确定为细菌的Epulopiscium fishelsoni以及1998年报道的Thiomargarita namibiensis。上述微生物定义是指一般的概念，是历史的沿革，也仍为今天所适用。 2.微生物在生物界的地位 在生物学发展史上，曾将所有生物分为植物界和动物界。藻类由于有细胞壁，能进行光合作用，而归于植物界，原生动物无细胞壁，能运动，不进行光合作用而归于动物界。微生物的有些类群，如许多细菌具有细胞壁，进行光合作用，又能运动，将它们归于植物界或者动物界都不合适。因此，1866年海克尔（Haeckel）提出三界系统：植物界、动物界和原生生物界。1969年魏塔克（Whittaker）提出五界系统，即原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。根据我国学者王大等的建议，无细胞结构的病毒应另列为一界，这样便构成了生物的六界系统（表0-1）。通过对不同生物16S和18SrRNA寡核苷酸序列的同源性进行测定后，1978年伍斯（Woese）等提出生命起源的三原界系统，现称为三域学说（three domains theory），将整个生物界分为三个域，即古生菌域（Archaea）、细菌域（Bacteria）和真核生物域（Eukarya），把域放在门和界水平之上，把传统的界分别放在这三个域中，该学说已基本被各国学者接受。 在六界系统中微生物占有四界（表0G1），既有原核生物，又有真核生物，还有非细胞生物（病毒）。在三域学说中古菌域、细菌域的所有生物都属于微生物，而真核生物域中的原生动物、真菌等也属于微生物，微生物分布于三个域中。由此可见，微生物在生物界中占有极重要的地位。 表0-1 微生物在生物六界系统中的地位 3.微生物的特点 微生物具有生物的共同特点：基本组成单位是细胞（病毒例外）；主要化学组成成分相同，都含有蛋白质、核酸、多糖、脂类等；新陈代谢等生理活动相似；受基因控制的遗传机制相同；有繁殖能力。然而整个生物界中，各种生物的大小，形态构造差异显著，而微生物由于其体形极其微小，因而导致了一系列与之密切相关的、有别于动植物的特点：体积小，面积大；吸收快，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；分布广，种类多。这些特点不仅在理论上，而且在实际应用中都极其重要。 （1）体积小，面积大。任何固定体积的物体，如对其进行三维切割，随着切割次数增多，所产生的颗粒数就越多，每个颗粒的体积也就越小，但是所有小颗粒的表面积相加，其总数相当可观。若把某一物体单位体积所占的表面积称为比面值（surface to volumeratio），则物体的体积越小，其比面值就越大。由于微生物是一个突出的小体积大面积系统，该特性赋予微生物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，并由此产生了其余四个特点。 （2）吸收多，转化快。微生物个体小，比面值大，能迅速与周围环境进行物质交换，因此，微生物的代谢能力比动植物强得多。据研究，大肠杆菌（Escherichia coli）每小时可分解其自重1000～10000倍的乳糖；乳酸细菌每小时可产生自重1000倍的乳酸；产朊假丝酵母（Candida utilis）合成蛋白质的能力比大豆强100倍，是肉用公牛的10万倍。微生物的高效率吸收转化能力有极大的应用价值。 （3）生长旺，繁殖快。微生物的生长繁殖速度是动植物无法比拟的。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，一个细胞可繁殖为4×1020个细胞。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只能维持数小时而已。 微生物的快速繁殖能力在发酵工业中具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。据统计，一头质量500kg的食用公牛，24h能从食物中“浓缩”0.5kg蛋白质；同等质量的大豆，在合适的栽培条件下，24h可生产50kg蛋白质；而同样重的酵母菌，以糖蜜（糖厂下脚料）和氨水作主要养料，在24h内却可合成50000kg的优良蛋白质。利用微生物发酵法生产食品、医药、化工原料等还具有许多优点：设备简单，不需要高温、高压设备；原料广泛，可用廉价的甘薯粉、米糠、麸皮、玉米粉及废糖蜜、酒糟等工农业副产品；不需要催化剂；产品一般无毒；不受气候和季节影响等。 微生物的生长旺、繁殖快的特性对生物学基本理论的研究也带来极大的优越性，它使科学研究周期大为缩短、空间减少、经费降低、效率提高。当然这一特性也使病原微生物或使物品霉腐变质的有害微生物给人类带来极大的损失或祸害，因而必须加以防止。 （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。微生物对环境条件，特别是“极端环境”，例如，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*（详见第八章）。如氧化硫硫杆菌（Thio bacillus thiooxidans）能在5%～10%的H2SO4（pH0.5）的酸性环境中生长；某些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌（T. denitrificans）生长的*高pH为10.7；在世界大洋*深的马里亚纳海沟，水深度达11034m，压力为111.775MPa，仍有细菌存在；海洋深处的某些硫细菌可在100℃的高温下正常生长；一些嗜盐菌能在32%的盐水中正常活动。 微生物的个体微小，一般都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞生物，容易受环境影响，加之具有繁殖快、数量多等特点，因此容易产生大量的变异后代。有益的变异可为人类创造巨大的经济和社会效益，如青霉素生产菌种产黄青霉（Penicillium chrysogenum）1943年时每毫升发酵液仅含20单位的青霉素，经过多年的选育，变异的积累，该菌目前每毫升发酵液青霉素含量已接近10万单位。当然，事物总是一分为二的，微生物容易变异的特性在某些方面是对人类有害的，如各种致病菌的耐药性变异使原本已得到控制的相应传染病变得无药可治；这一特性还常导致各种优良菌种生产性状的退化，使发酵生产无法正常维持等。 （5）种类多，分布广。迄今为止，人类已描述过的生物总数约200万种。微生物的种类繁多，其中，已记载过的微生物大约有20万种。随着分离、培养技术的改进和研究工作的深入，微生物的新种、新属、新科、甚至新目、新纲不断发现，这些数字还在急剧增长。有人估计已发现的微生物种类不超过自然界中微生物总数的10%，因此大量的微生物资源还有待发掘。微生物的种类多还体现在微生物的生理代谢类型之多，以及代谢产物的多样性和遗传基因的多样性，是动、植物所大大不及的。 微生物因其体积小、重量轻和数量多等原因，可以到处传播以致达到“无孔不入”的地步，只要条件合适，它们就可“随遇而安”。地球上除了火山的中心区域等少数地方外，从土壤圈、水圈、大气圈至岩石圈，到处都有它们的踪迹，可以认为，微生物将永远是生物圈上下限的开拓者和各项生存纪录的保持者。不论在动、植物体内外，还是土壤、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（详见第八章）。 微生物的种类多、分布广这—特点，为人类在21世纪中进—步开发利用微生物资源提供了无限广阔的前景。 二、微生物学及其分科 由于微生物个体太小，需要借助显微镜才能观察，因此，微生物研究作为一门科学——微生物学，比动物学、植物学要晚得多，至今不过100多年的历史。微生物学（microbiology）是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物及其生命活动规律和应用的科学。研究内容包括微生物的形态结构、进化、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布及其在工业、农业、医药卫生、生物工程和环境保护等方面的应用。其根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。 微生物学经历了一个多世纪的发展，已分化出大量的分支学科，据不完全统计（1990年），已达181门之多。现根据其性质简单归纳成下列6类： （1）按研究微生物的基本生命活动规律为目的来分，总学科称为普通微生物学（general microbiology），分科如微生物分类学、微生物生理学、微生物遗传学、微生物生态学、细胞微生物学、分子微生物学和微生物基因组学等。 （2）按微生物应用领域来分，总学科称为应用微生物学（applied microbiology），分科如工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、药用微生物学、诊断微生物学、预防微生物学、抗生素学、食品微生物学等。 （3）按研究的微生物对象分，如细菌学、真菌学（菌物学）、病毒学、原核生物学、自养菌生物学和厌氧菌生物学等。 （4）按微生物所处的生态环境分，如土壤微生物学、微生态学、海洋微生物学、环境微生物学、水体微生物学和宇宙微生物学等。 （5）按学科间的交叉、融合分，如化学微生物学、分析微生物学、微生物生物工程学、微生物化学分类学、微生物数值分类学、微生物地球化学和微生物信息学等。 （6）按实验方法、技术分，如实验微生物学、微生物研究方法等。 三、微生物学的发展简史 微生物学发展史可分5期，即史前期、初创期、奠基期、发展期和成熟期。各期特点及代表人物见表0-2。 表0-2 微生物学发展简史 1.我国古代对微生物的认识和利用 在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应用它们。我国劳动人民很早就认识到微生物的存在和作用，也是*早应用微生物的少数国家之—。我国早在5000年前就利用微生物酿酒，4000多年前的龙山文化遗址出土的陶器中发现很多饮酒的器具，商代甲骨文中有很多不同品种酒的记载。我国的制曲酿酒以工艺独特、历史悠久、经验丰富、品种多样而闻名世界，对人类做出突出贡献。直到19世纪末，欧洲人才开始研究这种方法。红曲是我国古代劳动人民的又一项重大发明，它既是一种无害的食品染料，还可入药。公元前10世纪，我们的祖先已利用豆类在霉菌的作用下制酱。公元6世纪（北魏时期），我国贾思勰的巨著《齐民要术》详细记载了制醋、制酱的方法，并记述了不同的轮作方式，强调豆类和谷类作物的轮作制，而西方采用豆类轮作则是18世纪30年代以后。我国早在商代已使用沤粪肥田。食用菌栽培是我国劳动人民*创，据《本草纲目》记载，我国从公元7世纪已开始人工栽培食用菌，而西方从18世纪才开始。 关于微生物与动植物病害的关系，我国也认识很早。在2000年前就有对鼠疫的记载，公元2世纪《神农本草经》中就有蚕的“白僵（病）”的记载。明朝李时珍所著《本草纲目》中记载了不少植物病害。 医学方面，我国劳动人民在2500年前就知道用曲治疗消化道疾病，很早就认识到应用茯苓、灵芝等真菌治疗疾病。2000多年前就已经认识到许多疾病有传染性，并对防治传染病积累了丰富的经验。春秋时代的名医扁鹊就提出“防