微生物学（研究生）第一章绪论课件.ppt

高级食品微生物学Advanced Food Microbiology,适用专业：食品类硕士研究生主讲：贠建民,食品科学与工程学院,高级食品微生物学课程简介,是研究与食品有关的微生物及其生命活动规律的学科，是食品科学类专业硕士研究生必修的专业基础课程。讲授食品工业中的四大类微生物的形态、细胞结构、生理代谢、生长繁殖、遗传变异与菌种保藏以及微生物在食品工业中的应用等微生物学的基本内容。使学生能全面掌握和了解食品微生物学的基础理论、基础知识和基本技术，训练和学会分析和解决微生物学研究、生产领域中实际问题的基本能力和基本技术，为学生从事食品领域科研、教学、生产、开发等工作建立较好的微生物学理论和技术基础。 主要内容有：微生物学概述，细菌学专题，真菌学专题，病毒与噬菌体的特性及其与发酵工业的关系，微生物的营养，微生物的生长与培养，微生物的代谢与发酵，微生物的遗传变异与菌种选育和食品卫生的微生物学检验专题等。教学方法：以讲授为主，结合课程论文和自学进行。,学时分配,教材及主要参考书,教材：微生物学教程（第二版） 周德庆（复旦大学），高教出版社，2002主要参考书：微生物学， 沈萍（武汉大学），高教出版社J.Nicklin, K.Graeme-Cook, T.Paget. Microbiology. 科学出版社.2001年.,第一章 微生物学概述,微生物的概念及其主要类群微生物在生物分类系统中的地位微生物学的发展简史微生物学的重要性微生物的五大共性微生物学及其主要分支学科,一、微生物的概念及其主要类群,微生物：（microorganism, microbe），是一类个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚的微小生物的统称。特点 小：m 或nm级； 简: 单细胞，简单多细胞，非细胞（分子生物） 低：进化地位低等，包括原核类、真核类和非细胞类；主要微生物类群 这个微小生物类群十分庞杂，它包括小到没有细胞结构的病毒（virus），单细胞原核的细菌（bacteria）、放线菌（actinomyces）、支原体（mycoplasma）、立克次氏体（rickettsia）、衣原体（chlamydia）等和属于真菌的酵母菌（yeast），霉菌（mold）和原生动物（protozoa）等。,微生物的类群（根据进化水平和各种性状）,微生物类群,具有细胞结构,没有细胞结构病毒,原核微生物,真核微生物,真细菌,古细菌,真菌（霉菌、酵母和粘菌）,显微藻类,原生动物,与食品工业有密切关系的主要类群：,主要是细菌、酵母菌、霉菌、放线菌和部分专门侵害微生物的病毒（噬菌体, phage），这些微小生物虽然种类不同、形态和大小各异，但是，它们的生物学特性比较接近，所以人们赋予其一个共同的名称-微生物。,生物的分类系统,二界（1753年）,三界（1860年）,四界（1956年）,五界（1969年）,六界（1977年）,三域（1978年）,动物界Animalia,植物界Plantae,二界（1753年）,1753年瑞典学者林奈，在其名著植物种志中首次提出了动物界和植物界。,原生生物界Protista,三界（1860年）,1860年，德国动物学家E.H.Haeckel建议在动物界和植物界之外，增加一个由低等生物构成的第三界-原生生物界。,四界（1956年）,菌类Mychota,1956年，Copeland分为动物界、植物界、原生生物界（原生动物、真菌、部分藻类）和菌类（细菌和蓝细菌）,1959年，Whittaker：动物界、植物界、原生生物界和菌物界,1974年，Leedale等：动物界、植物界、真菌和原核生物界,动物界Animalia,植物界Plantae,原生生物界Protista,原核生物界Monera,1969年， R. H. Whittaker：动物界、植物界、原生生物界、真菌界和原核生物界,五界（1969年）,真菌界Fungi,原核生物界Monera,原生生物界Protista,植物界Plantae,菌物界Fungi,动物界Animalia,病毒界vira,1977年，我国学者王大耜提出：动物界、植物界、原生生物界、真菌界、原核生物界和病毒界。,六界（1977年）,1978年，美国C.R.Woese等对大量微生物和其他生物进行16S和18SrRNA的寡聚核苷酸，并比较其同源性，提出三域学说（Three Domains Theory）,细菌域,古生菌域,真核生物域,宇宙生物的系统发育树,广域菌界,嗜泉古菌界,初生古菌界,二、微生物的生物学分类地位（1）,两界系统：（亚里斯多德，林奈） 动物界 Animalia：无细胞壁，可运动，不行光合作用。 植物界 Plantae：有细胞壁，不运动，可行光合作用。三界系统：原生生物界 Protista：（E. H. Haeckel, 1860年提出）四界系统： 1956年Copeland提出原生生物界（protista)（原生动物、真菌、粘菌和藻类等）；菌界（Mychota）（细菌、放线菌、蓝细菌等）；动物界 (Animalia) 多细胞动物；植物界 (Plantae)。,微生物的生物学分类地位（2）,五界系统:1969年R. H Whittaker提出：是以细胞结构分化的等级（原核细胞、真核单细胞、真核多细胞）以及光合、吸收和摄食这三种主要营养方式有关的组织类型为基础的。原核生物界 Monera：细菌、放线菌等原生生物界 Protista：藻类、原生动物、粘菌等真菌界 Fungi：酵母、霉菌动物界 Animalia：植物界 Plantae：六界分类系统:1977年，我国微生物学家提出把病毒列为一界，即病毒界（vira）。因此在五界分类系统的基础上形成了六界分类系统。可以看出，在生物六界分类系统中，其中微生物包括四界。,微生物的生物学分类地位（3）,三个原界:70年代以后，随着“第三型生物”古细菌（archaebacteria）的发现，于1978年R.H.Whittaker和L.Margulis提出了三原界（urkingdom）分类系统。认为，在生物进化的早期，存在一类各生物的共同祖先，然后分成三条进化路线，形成了三个原界：古细菌原界：包括产甲烷细菌、极端嗜盐细菌、嗜热嗜酸细菌；真细菌(eubacteria)原界：包括除古细菌以外的其它原核生物；真核生物原界：包括原生动物、真菌、动物和植物。,图1. 三域系统进化树,三、 微生物学的发展简史,我们把这个过程分成以下五个阶段加以阐述。微生物学的史前时期微生物的发现与微生物学的启蒙时期（初创期）微生物学的形成时期（奠基期）微生物学的发展时期微生物学的成熟期,（一）微生物学的史前时期（1676年以前）,难以认识，存在四大障碍：个体过于微小，杂居混生，群体外貌不显，因果难联； 例如，艾滋病与HIV，肝癌与黄曲霉毒素盲目应用时期 （1）人类已经在利用微生物，在生产实践中都积累了很多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。如酿酒、发面、制酱、酿醋、沤肥、轮作、治病等。我国古代劳动人民就利用了盐腌、糖渍、烟熏、风干等。 （2）微生物对人类的危害更大。鼠疫、天花、疟疾、麻风、梅毒、结核病和流感等大流行。,（二）微生物发现与微生物学启蒙时期（1676-1861）,十七世纪，荷兰人吕文虎克（Antony van Leeuwenhock）发明了第一台简易显微镜（200300倍）。于1669年出版了安东.列文虎克所发现的自然界秘密。随后在近200年的时期，随着显微镜的不断改进，分辨率的提高，人们对微生物的认识由粗略的形态描述逐步发展到对微生物进行详细的观察和根据形态进行分类研究，形成了启蒙的微生物学。,（三）微生物学的形成时期（1861-1897）,由研究微生物形态的启蒙时期到对微生物的生理生化水平研究时期。巴斯德（Louis Pasteur, 18221895）通过对酒曲的研究，证明了酒曲发酵是其中的酵母菌代谢作用，这一研究结果把对微生物的研究由形态转向生理生化研究水平，为微生物学的形成和发展奠定了基础。巴斯德还通过大量实验证明了食品的腐败变质是遭受微生物污染后，微生物生长繁殖而引起的，从根本上否定了“微生物自然发生说”。,微生物学的另一位奠基人是一位德国医生柯赫（Robert Koch, 18431910），他为疾病的病原学说建立了基础。首先从患病动物的病变脏器中分离纯化得到病原菌，通过将病原菌接种回到动物体内，能引起相同症状的疾病，证明了传染病是由某些特定的病原菌传播的。由于巴斯德和柯赫对微生物学的形成作出了极大的贡献，普遍认为，他们两位是微生物学的奠基人。,主要贡献,创立了一整套独特的微生物学基本研究方法：培养基制作技术，灭菌消毒技术、纯种分离和培养技术等；开创了寻找人类和动物病原菌的时代；开辟了分支应用学科；建立了“实践-理论-实践”思维和研究模式。,（四）微生物学的发展时期（1897-1953）,Buchner，对无细胞酵母菌“酒化酶”发酵试验，开创了微生物生物化学研究时代。上世纪是微生物学的全面发展时期：发现了微生物的代谢系统；开展寻找微生物的有益代谢产物；推动了微生物工业化生产的发展（发酵工业出现）。,（五）微生物学的成熟时期（1953-至今）,1953年，DNA双螺旋解密后，微生物学进入了分子生物学时代。进入70年代，在微生物的研究基础上，导致了DNA重组技术和基因工程的发展。开创了生物工程技术。将传统发酵提高到了发酵工程水平；微生物学、遗传学和生物化学的相互渗透与作用导致了现代分子遗传学的诞生与发展；推动了生物信息学时代的到来。生物芯片,四、微生物的重要性促进了人类的进步,医疗保健：外科消毒术、传染病、免疫预防法、磺胺等生化治疗剂、抗生素、多肽类药物等出现，提高了健康水平。工业发展：食品保鲜防腐技术（罐藏）、酿造技术改造、纯种发酵技术、液体深层搅拌发酵技术、代谢控制发酵技术。农业生产：生物防治技术（微生物农药、杀菌剂）、微生物增产技术（菌肥、生长素），微生物饲料和食品（SCP，食用菌），生物能源（沼气、燃料乙醇等）。环境保护：生态农业、循环经济，污水处理、自然界元素循环的推动者，环境污染和监测的指示生物。生命科学：研究材料，糖酵解机制的认识，基因与酶关系发现，突变本质，遗传物质的载体的证实，基因工程的开创等基本理论研究，微生物成为基因工程的主角。研究方法的微生物化趋势。,微生物作用,1、在自然界物质循环中作用2、空气与水净化，污水处理 3、工农业生产：菌体，代谢产物，代谢活动运用与发酵工业4、对生命科学的贡献 尤其是与基因工程的关系。,五、微生物的生物学特点（五大共性）,微生物除具有生物的共性外，也有其独特的特点:正因为其具有这些特点，才使得这样微不可见的生物类群引起人们的高度重视。 （一） 体积小、比表面积大 （二） 吸收多、转化快 （三） 生长旺、繁殖快 （四） 适应强、易变异 （五） 分布广、种类多,微生物共性（1）,体积小、比表面积大：大小以um计，但比表面积（表面积/体积）大。必然有一个巨大的营养吸收、代谢废物排泄和环境信息接受面。这一特点也是微生物与一切大型生物相区别的关键所在。 举例 乳酸杆菌：120，000 鸡蛋：1.5 人（200磅）：0.3,微生物共性（2）,吸收多、转化快：这一特性为高速生长繁殖和产生大量代谢物提供了充分的物质基础。“活的化工厂”。 举例，重量相同下 乳酸菌：1小时可分解其体重1000-10000倍乳糖。 人体：2.5105 小时消耗自身体重1000倍乳糖。 产朊假丝酵母：合成蛋白质的能力比大豆强100倍， 比食用公牛强10万倍。,微生物共性（3，4）,生长旺、繁殖快： 极高生长繁殖速度。 例如， E. coli 20-30min分裂一次，若不停分裂，48小时为2.21043个。（菌数增加，营养消耗，代谢积累，限制生长速度）这两个特性，可使微生物在短时间内把大量基质转化为有用产品，生产效率高、生产周期短，发酵工业具有重要实践意义。也有不利一面，如疾病、粮食霉变。适应强、易变异： （1）极其灵活适应性，对极端环境具有惊人的适应力（多样的代谢调控机制和多种诱导酶）； （2）遗传物质易变异，有利有弊：高产菌株选育；菌种退化，耐药性；,原因分析：遗传稳定性差，容易发生变异,微生物个体微小，对外界环境很敏感，抗逆性较差，很容易受到各种不良外界环境的影响；另外，微生物的结构简单，缺乏免疫监控系统, 很容易变异。微生物的遗传不稳定性，是相对高等生物而言的，实际上在自然条件下，微生物的自发突变频率为10-6左右。微生物的遗传稳定性差，给微生物菌种保藏工作带来一定不便。另一方面，正因为微生物的遗传稳定性差，其遗传的保守性低，使得微生物菌种培育相对容易得多。通过育种工作，可大幅度地提高菌种的生产性能，其产量性状提高幅度是高等动、植物所难以实现的。,微生物共性（5）,分布广、种类多 （1）分布区域广，分布环境多样； 极端环境微生物 （嗜极菌） （2）生理代谢类型多，代谢产物种类多； 可利用的初级能源，产能代谢方式，独 特的合成代谢等（3）微生物种数多。(50-60万种)（4）遗传基因多样性（5）生态类型多样性,极端微生物在一些对其它生物是极端或致死的环境中生长和繁衍着一类微生物，这种环境称为极端环境(Extreme environments)，而这类微生物称为极端环境微生物或极端微生物(Extremophiles)。极端微生物分成五个类群：嗜热微生物(Thermophiles) 、嗜冷微生物(Psychrophiles) 、嗜盐微生物(Halophiles)、嗜碱微生物(Alkaliphiles) 、嗜酸微生物(Acidophiles)。也有人认为还应包括嗜压微生物(Barophiles)和抗毒物微生物(Toxic-resistant microbes)。值得注意的是，极端微生物不仅仅是“耐受”这些极端环境，而且在这些特殊生境中生长繁茂，甚至为了更好地繁衍后代需要一种或多种极端条件。,不同地球生命的温度极限 （引自，庄逢源译HORNECK宇宙生物学,生命（极端微生物）的生长代谢极限,生命存活的极限,高温环境：嗜热和超嗜热微生物栖息,低温环境：嗜冷微生物栖息,南极冰川,高盐环境：嗜盐和嗜盐碱微生物栖息,酸性环境：嗜酸和嗜酸热微生物栖息,碱性环境：嗜碱和嗜盐碱微生物去栖息,新疆天山北麓泥火山环境,新疆天山北麓泥火山环境 （低温，寡营养）,深海底层生物由管虫类无脊椎动物、嗜热菌菌席(mats)、以及火山口环境组成,白灰色和橙黄色(含硫化物)为嗜热菌菌席，棒状体为管虫类无脊椎动物,石内微生物（endolithic microorganism）,云南腾冲热海热泉,六、 微生物学及其分支学科,（一）微生物学及其研究对象微生物学概念:概括地讲，微生物学（Microbiology）是研究微生物及其生命活动规律的学科。从细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态结构、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律，并将其在实践领域应用的学科。研究对象:研究内容涉及形态结构，营养特点，生理生化，生长繁殖，遗传变异，分类鉴定，生态分布以及微生物在工业、农业、医疗卫生、环境保护等各方面的应用。研究任务和目的：充分发掘、利用、改善和保护有益微生物；控制、消灭或改造有害微生物，更好地为人类社会进步服务。,（二）微生物学的分支学科,（一）根据基础理论研究内容不同，形成的分支学科 微生物生理学（Microbiol Physiology） 微生物遗传学（Microbiol Genetics） 微生物生物化学（Microbiol Biochemistry） 微生物分类学（Microbiol Taxonomy） 微生物生态学等（Microbiol Ecology）。 （二）根据微生物类群不同，形成的分支学科 细菌学（Bacteriology） 病毒学（Virology） 真菌学（Fungi） 放线菌学（Actinomycetes）等。,（三）根据微生物的应用领域不同，形成的分支学科 工业微生物学（Intustrial Microbiology） 农业微生物学（Agricultural Microbiology） 医学微生物学（Medical Microbiology） 药用微生物学（Patherological Microbiology） 食品微生物学（Food Microbiology） 兽医微生物学（Viterinary Microbiology）等。 （四）根据微生物的生态环境不同，形成的分支学科 土壤微生物学(Soil Microbiology) 海洋微生物学（Marine Microbiology）等。,食品微生物学及其研究内容,食品微生物学:食品微生物学是专门研究与食品有关的微生物的种类、特点及其在一定条件下与食品工业关系的一门学科。尽管人类对食品微生物研究的历史很长，但作为微生物学的一门独立的分支学科食品微生物学，其仍属一门新兴学科。尤其在我国，人们对食品科学的重视仅是改革开放以来，人们解决了温饱问题之后的事情；食品微生物学是随着食品科学的发展而产生的一个重要的学科。食品微生物研究的主要内容包括三个方面：1.在食品工业中有益的微生物及其应用；2.在食品保藏过程中引起食品变质的微生物及其控制；3.与食品卫生有关的微生物。,本 章 小 结,微生物的特点是“小、简、低”，包括原核类的“三菌”（细菌、放线菌和蓝细菌）和“三体”（衣原体、支原体和立克次氏体）6类，以及真核类和非细胞结构类。微生物难以认识，其发展历史漫长，分为史前期、初创期、奠基期、发展期和成熟期。微生物学促进了人类的进步，医疗保健、工业发酵、农业生产、环境保护、生命科学基本理论等推动作用。微生物的五大共性是其发挥重要作用的基础。微生物学已分化出一系列的基础性和应用性分支学科。,