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null微生物学微生物学本学期的教学安排一、授课教师本学期的教学安排主讲教师：彭菊芳null二、授课方式 讲授内容以教材为主 授课方式以PowerPoint讲板为主 平时成绩：作业＋考勤1．课堂教学2．课外教学 多种渠道的师生交流； （个别交谈、学习委员、问卷调查、电话、E-mail、网络） 课时: 72学时 考试null三、本课程的学习参考资料1、报刊及网上与微生物学相关的科技新闻；2、参考书：（1） 《微生物学》（第二版），周德庆，高等教育出 版社，2002（3）“Microbiology”， Lansing M. Prescott,Donald Klein, John Harley， McGraw-Hill Higher Education，2000 （2） 黄秀梨：微生物学，北京：高等教育出版社，1998四、学习方法四、学习方法提前预习 专心听讲 抓住重点 复习总结null微生物学：生命科学相关专业本科生的必修基础课 课程学习为生命科学的进一步学习及以后的相关工作实践打下宽厚的基础 知晓微生物的基本特性及其生命活动规律； 牢固掌握微生物学的基本理论和基础知识； 了解微生物学科的发展前沿、热点和问；学习微生物的形态结构、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布、传染免疫、分类鉴定；微生物与其他生物的相互关系及其多样性；在工、农、医等方面的应用等。第一章 绪 论第一章 绪 论null 人体体表及体内存在大量的微生物： 皮肤表面：平均10万个细菌/平方厘米； 口腔：细菌种类超过500种； 肠道：微生物总量达100万亿， 粪便干重的1/3是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个；一、微生物与我们微生物无处不在，我们无时不生活在“微生物的海洋”中。 细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034 × 10 12 吨； 每张纸币带细菌：900万个； 每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌，重感冒患者为8500万；null微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！时时刻刻与微生物“共舞” 是 祸？是 福？null 微生物是自然界物质循环的关键环节；微生物是人类的朋友！ 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证； 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障 微生物可以为我们提供很多有用的物质； 有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、 酱油等等 基因工程为代表的现代生物技术；台岛选战热闹 候选人美容保持“活力”形象 中国新闻网（2003-07-03 ） 　　台岛选战正“打得热闹”，候选人四处卖力拜票之余，也没忘了照顾“面子问题”。台湾的皮肤科医师指出，早在半年前就开始有候选人找上门来，选用激光去斑，或是注射除皱，为的就是换张漂亮的脸，，使自己看起来年轻有活力。　　 　　台湾书田诊所副院长兼皮肤雷射美容中心主任曾兴隆今天透露，几乎绝大多数台面上的候选人，都曾经在脸上动过“手脚”，只要仔细观察选前选后的皮肤是否有所不同，大概就可以猜出一二。有些人甚至还越选越漂亮，有的则是连另一半都会一起拉来“做脸”。 　　曾兴隆说，他指出，每回选举前门诊约有二到三成的候选人或助选人，选用注射肉毒素消除皱纹，追求好面相，以求高票当选。候选人以50岁上下的男性居多。候选人只要抽出30分钟就能完成注射，之后不需休息，可以马上投入工作。但每次注射仅约维持半年，选后还必须再补注射，才能有长期效果。 　　曾兴隆表示，候选人的的皮肤问题，如脂漏性皮肤炎、青春痘、皱纹、黑斑、雀斑、老人斑，这些现象不外乎是因为选举期间压力大，生活作息不正常引起，也因为长时间在日光下过度曝晒，使皮肤产生病变，皮肤变黑，变粗糙，失去弹性光泽等。 　该书田诊所皮肤科医师刘绍毅也说，他先前在万芳医院服务期间，每逢选举就有候选人来注射肉毒素除皱，时机是在拍摄选举宣传照前；由于诊所的隐密性高，他相信去诊所除皱、点痣的候选人或助选员更多。 　　“中央社”的报道则说，选战催人老，许多电视上常见的“老”面孔，借着医学美容之助，选后将会“焕然一新”。null“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。”—— 日本学者尾形学在“家畜微生物学” （1977）null少数微生物也是人类的敌人！鼠疫； 天花； 艾滋病； 疯牛病； SARS； 猪链球菌病； 手足口病； 甲型H1N1流感 null “坐在家中制造病毒”美教授揭露“生化危机” 搜狐IT 　2002-07-12 13:34:12 华盛顿消息：先从Internet上下载技术资料，再通过网上商店定购所需的实验设备，然后就可以坐在家中制造“致命病毒”了——美国纽约的生化专家，近日演示了制造病毒过程的简易性，并指出了该过程的潜在威胁。 “我们进行这个实验的目的，就是为了向世人证明问题的严重性。”纽约大学生化专家爱德华·威默教授说，“世界各国应该做好准备了。” 在威默教授的实验中，两只小白鼠轻易地被合成的病毒杀死——威默教授称，合成的病毒只是最简单的一种，但是足以造成瘟疫。如果恐怖分子进一步掌握了制造“天花病毒”的技术，将会对人类构成更大的威胁。 “尽管制造天花病毒很困难，但是恐怖分子最终会掌握这种技术。”威默教授说，“我们已经把大部分研究成果公开发表，各种材料和实验设备也可以方便的订购，天花病毒的再次出现只是一个时间的问题。” 德克萨斯州大学生物学教授C.J.皮特斯，对威默教授的做法持反对态度。“我们知道这种事情迟早会发生，但是我不明白威默教授这样做会有什么积极意义。”皮特斯说，“威默是个聪明的人，他有过许多贡献，但是这一次他让世人看到了更为可怕的潜在威胁。 皮特斯认为，威默的做法只能导致公众的心理恐慌，对于防范恐怖分子却没有帮助；威默教授辩解称，演示该危险的过程，只是为了引起世人的注意，并提醒政府加强对生化源材料的监管工作。 null 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。 （讲义P1）null二、微生物科学微生物是个体微小、结构简单、肉眼不能直接看见的微小生物的总称．微生物病毒、亚病毒（卫星病毒、卫星RNA、朊病毒）原核生物：真细菌、古生菌真核生物：真菌（酵母菌、霉菌、蕈菌等）、 单细胞藻类、 原生动物等1. 微生物定义、类群及特点nullnull 微生物的五大共性体积小，面积大吸收多，转化快适应强，易变异生长旺，繁殖快分布广，种类多null体积小，面积大测量单位：微米或纳米 杆菌的平均长度：2 微米； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1毫克 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。null火星陨石中发现的细菌化石（直径 20 nm）最近在《科学》上的一篇文章报道了对一块活性陨石上可能存在的生命遗迹的 研究，这块陨石在45亿年前在火星上形成，13亿年以前由于宇宙碰撞而离开火 星，13000年前作为陨石降落到地球上。对它的分析表明其上可能有生命存在过 ，更重要的是在该陨石上发现了类似细菌化石的东西，其直径仅为20~40 nm.null德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中 发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm， Thiomargarita namibiensis，---------“纳米比亚硫磺珍珠”null吸收多，转化快消耗自身重量2000倍食物的时间：大肠杆菌：1小时 人 ：500年（按400斤/年计算）微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用。人类对微生物的利用，主要体现在它们的生物化学转化能力上。电视剧“康熙王朝”主题歌：好想再活500年一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg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 50000 kg优质蛋白质。null生长旺，繁殖快24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到47220吨 48小时后：2.2×1043个后代，重量达到2.2×1025 吨相当于4000个地球的重量！大肠杆菌一个细胞重约10 –12 克，平均20分钟繁殖一代null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113 ℃ ； 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：pH 0.5 ~ 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个大气压下生长科学家发现一种食铁微生物可在121度高温下繁殖 在最新一期《科学》杂志（Science, Vol. 301, Issue 5635, 976-978, August 15,2003）发表的一篇表明，研究人员发现了一种能够在121度 高温下生存 繁殖的食铁微生物。如果微生物会嘲弄别人的话，这种微生物一定会嘲笑那些 在上周的欧洲热浪中有诸多抱怨的人们。 　　来自阿姆赫斯特马萨诸塞大学的研究人员Kazem Kashefi和Derek Lovley发 现这种微生物并将之成为“121株”，目前该微生物还没于科学名称。科学家在太 平洋深海海床火山口发现这种微生物，该地的温度可以高达400摄氏度。两位研 究人员将121株放在121摄氏度的烤箱中，结果发现这种微生物竟然很适合这一温 度，菌落大小很快就增大到原来的两倍。这比以前报告的微生物最高生存温度高 出8摄氏度。 　　Lovley表示，研究这种食铁的121株微生物可以为我们揭示35亿年前第一种 生命形式演化所处的环境。　　适应强，易变异null 科学家建议寻找地下50公里生命 北京晚报:2002-3-8 　　把大肠杆菌放在地下50公里的超强压力下，它会不会活下来？科学家最近惊奇地发现 ，答案是肯定的。一些科学家说，这些细菌可以适应如此极端的压力环境，说明生物对环 境具有超乎想象的“惊人”适应力。因此人类在其他星球上寻找地外生命时，眼光不能只局 限在星球的表面，而应当延伸到压力巨大的地下。 　　照理来说，大肠杆菌等一般难以在这么高的压力下生存。以前的实验发现，构成生物 的蛋白质等基本结构，在如此高的压力下往往会裂解。但美国卡内基学会地球物理研究所 夏尔马博士领导的小组在最近出版的美国《科学》杂志上介绍，在他们的实验中，大肠杆 菌不仅在极端高压下活了下来，而且还能进行新陈代谢。 　　在实验中，科学家借用了高压物理学实验工具金刚石钻压槽。放入金刚石钻压槽中的 大肠杆菌和另外一种常见细菌，受到了强力的挤压，其承受的压力最高值相当于海平面气 压的1.6万倍。 　　化学分析显示，在接受压力实验的100万个细菌中，有1%存活了下来，这些幸存者仍 然能够完成正常的代谢功能，将甲酸盐转化为二氧化碳和氢气，但是，与此同时，它们也 付出了代价，许多幸存的个体已经被挤压得面目全非，而且目前没有迹象表明细菌能够在 高压环境中繁殖。　近些年来，研究人员陆续在海底火山口旁、两极冰层和地下发现了许 多奇异的有机体，这些有机体能够在高温、高放射性、强酸性和极为干燥的环境中生存并 繁衍。这次新的研究又将生命的极限做了延伸。夏尔马说，当人类在外太空寻找生命时， 应当重新考虑那些从前因为处于高压环境而被忽略的地方，例如木星的深水层或者火星冰 盖的下面都可能有生命形式存在。 　　美生物学家提出：“当你认识到有机体能够在压强达上百吨的地下生存并繁衍的时候， 生命的极限已经被延伸了，这就预示了像木星或其他重力巨大的行星上存在生命的可能性。null休眠长：世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年 Nature 407, 897 - 900 (2000) nullnull个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、 数量多 短时间内产生大量的变异后代突变率：10-5 – 10-10null青霉素的生产：20单位/ ml（1943）100,000单位/ ml青霉素的用量：最高：10万单位/天（40年代）数百万-千万单位/次null分布广，种类多人迹可到之处，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！ 强酸、强碱、高热的极端环境； 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； 常年封冻的冰川在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表） 都生存有大量的微生物！null南极Vostok湖冰芯样品中的微生物null种类多：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%null微生物的种类多主要表现在以下三方面：第一，代谢类型多： 分解基质：天然气、石油、纤维素、木质素属于微生物专有； 产生能量的方式：光能（细菌、嗜盐菌、蓝细菌）、化能异养（发酵、好氧呼吸、无氧呼吸）、化能自养。 合成：生物固氮，次生代谢产物合成； 分解毒物：氰、酚等； 抵抗极端环境 独特的繁殖方式（细菌、病毒、类病毒、朊病毒）null第二，代谢产物种类多： 仅抗生素就有9，000多种（1984），Ⅱ型限制性核酸内切酶1443种（1990）第三，种类多 目前比较肯定的微生物种类大约为10多万种，不到自然界微生物总数的十分之一，其根据是： 首先，就病毒来说，目前的证据表明，各种生物中都有病毒存在，而动物约有1,500,000种，植物约有500，000种，毫无疑问，这些动植物中肯定存在多种病毒。 另外就是不可培养微生物。 可以肯定，微生物种的总数会超过动植物种数的总和。null2. 微生物分类地位Whittaker的 五界分类系统nullWoese三原界分类系统null3. 微生物学定义及研究内容微生物学是研究肉眼难以看清的称之为微生物的生命活动的科学。它的研究内容为微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其应用。null三、微生物的发现和微生物学的建立与发展（一）微生物的发现酿酒、醋方面：我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒； 防治疾病方面： 公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物； 公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防传染”； 公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花； 农业应用方面：《汜胜之书》(公元前1世纪)就有肥田要熟粪，瓜与小 豆轮作等农业措施的记载。比被称为世界最早提 出绿肥轮作的英国施行“诺福克轮作制”(1703年)还早千余年 ； 冶金方面：公元1034年宋仁宗期间，许申以铁化铜，相当于现在的细菌 冶金。晚600余年的西班牙人里奥廷托却被誉为细菌炼铜的创始人。 1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。 null1676年，微生物学的先驱 荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次 观察到了细菌。他没有上 过大学，是一个只会荷兰 语的小商人，但却在1680 年被选为英国皇家学会的 会员。nullnull列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50～300倍null1690年1720年1725年1760年null1790年1881年1840年1890年null（二）微生物学的奠基人法国人巴斯德（Louis Pasteur） （1822～1895）德国人柯赫（Robert Koch） （ 1843～1910）null1.巴斯德 (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的；(2) 彻底否定了“自然发生”学说；化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物， 是它们引起有机质的腐败。(3) 免疫学——预防接种预防鸡霍乱、首次制成狂犬疫苗(4)其他贡献巴斯德消毒法：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物null2.柯赫（1）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 ——著名的柯赫原则1、 在每一相同病例中都出现这种微生物； 2 、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来； 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会 重复发生； 4 、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。nulla）细菌纯培养方法的建立土豆切面 → 营养明胶 → 营养琼脂（平皿）（2）微生物学基本操作技术方面的贡献b）了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养c）流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影null（三）微生物学发展过程中的重大事件（见讲义P4 表1-1 微生物学发展中的重大事件）1890 Von Behring 制备抗毒素治疗白喉和破伤风；1892 Ivanovsky 提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；1928 Griffith 发现细菌转化；1929 Fleming 发现青霉素；1944 Avery 等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；1953 Watson和Crick 提出DNA双螺旋结构；对其机理的研究导致DNA是遗传物质的确证； 外源遗传物质导入各种细胞的基因重组技术的建立；1897 Buchner 用酒化酶对葡萄糖进行酒精发酵成功；null1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群 Sanger 首次对f×174噬菌体DNA进行了全序列分析；1982～1983 Prusiner 发现朊病毒(prion)；1983～1984 Mullis 建立PCR技术；1995 第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列 测定完成；1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成；1997 第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成1970～1972 Arber、Smith和Nathans 发现并提纯了DNA限 制性内切酶null（四）20世纪的微生物学十九世纪末到二十世纪初：微生物学：鉴定病原菌、 研究免疫学及其在预防疾病中的作用、 寻找化学治疗药物、 分析微生物的化学活性。普通生物学：细胞的构造及其在繁殖和发展中的作用、 植物和动物的遗传和进化的机制。动、植物 的生命活动规律 适用于结构大大简单的微生物？null肌肉的糖酵解酵母菌乙醇发酵本质上的同一性null“生物化学的同一性”维生素生长因子相同的化学本质多种辅酶的前体辅酶为细胞代谢所必需（一切生命系统在代谢水平上具有相同的本质）null对动植物起作用的遗传机制同样适用于微生物生化突变细菌基因水平转移微生物遗传学肺炎双球菌转化实验病毒重组实验噬菌体感染实验核酸是遗传的物质基础null 20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学 研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到 了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科 学的发展中作出了巨大的贡献。微生物学与生物学发展的主流汇合、 交叉，获得了全面、深入的发展（见P3 图1-1微生物学的主要分支学科）nullnullJacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操纵子学说， 阐明了基因表达调控的机制，为分子生物学的形成奠定了基础。60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系 及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继而完成了全部 密码的破译，为人类从分子水平上研究生命现象开辟了新的途径。“断裂基因”、 “跳跃基因”、“重叠基因”的发现， 以及基因结构的精细分析、基因组测序等。1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验 使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个酶”的假说。（五）微生物学在生命科学发展中的重要地位1．微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象， 对微生物的研究促进许多重大生物学理论问题的突破 基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说； 遗传的物质基础的阐明； 基因概念的发展； 遗传密码的破译； 基因表达调控机制的研究； 生物大分子合成的中心法则；DNA → RNA → 蛋白质null2．对生命科学研究技术的贡献细胞的人工培养；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程；3．微生物与“人类基因组”作为模式生物；基因与基因组的功能研究的重要工具;null（六)我国微生物学的发展汤飞凡：沙眼病原体的分离和确证陈华癸：根瘤菌固氮作用的研究高尚荫：创建我国病毒学的基础理论研究和第一个微生物学 专业抗生素的总产量已跃居世界首位两步法生产维生素C的技术居世界先进水平泉生热孢菌全基因组序列测定null 生命起源的研究；（七）21世纪微生物学展望1．微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用 以微生物为研究材料继续对一些基本生命现象进行研究； 生物进化方面的研究；在微生物基因组上进行的考古 微生物产业的开发； 重要致病菌的特点及其防治； 极端环境的微生物的研究；共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、 繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组 上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高 度的统一性。 特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例如可在 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其 他生物不具备的代谢途径和功能，反映了微生物极其 丰富的多样性。微生物自身特性的进一步开发、利用：例如降解性塑料，分解纤 维素、生产单细胞蛋白等。 借助（利用）微生物特点的基因工程产业：利用微生物生产原本 它们不能生产的药物、疫苗等。null 微生物具备生命现象的特性和共性，将是 21世纪进一步解决生物学重大理论问题，如生 命起源与进化，物质运动的基本规律等，和实 际应用问题，如新的微生物资源的开发利用， 能源、粮食等的最理想的材料。（见讲义P10）null2．与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展学科交叉永远是科学创新的源泉！ 微生物基因组的序列测定和分析； 微量热技术对生命过程的研究； 微生物的快速检定； 计算机技术与微生物学的结合；null本章作业本章作业 为什么说巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人?