北工大微生物学 第1章.ppt

微生物学,北京工业大学生命科学与生物工程学院吕 岫 华,联系方式：67391668地点：环化楼1309,主讲教材：张文治 微生物学 北京：高等教育出版社，2005 主要参考书目：沈萍主编.微生物学，北京：高等教育出版社，2000.沈萍等主译.(美国)微生物学(第五版),北京：高等教育出版社，2003.,参考书目,主要期刊杂志：微生物学通报双月刊综合性；微生物学报双月刊基础性；工业微生物双月刊应用性；生物工程学报双月刊；食品与发酵工业双月刊应用性；AppliedBiochemistryandBiotechnologyAppliedandEnvironmentalMicrobiologyBiotechnologyandBioengineeringBiotechnologyLetters,成绩考核：总成绩=平时成绩（20%）+笔试成绩（80%）平时成绩：作业、课堂提问和表现、出勤、等笔试试题类型：名词解释；问答题和论述题等,教学目的：,打开微生物学研究领域的大门 了解微生物研究的最新进展 掌握微生物的生物学及分子生物学特征 明确认识病原微生物引发的疾病的预防和治疗 正确认识人类如何开发、利用微生物,我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”；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；1346年，克里米亚半岛上的法卡城之战(靼坦人-罗马人)；16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见 的生物(living creatures)引起的；1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说；,微生物学发展的动力,人类与细胞、病毒的长期斗争的需要 人类探索生命秘密的需要,微生物学是一门异常广泛的学科-生物化学.细胞生物学.遗传学.分类学.病原细菌学.食品和工业微生物学以及生态学等.微生物群-病毒.细菌.真菌.藻类和原生动物.,第一章 绪论,微生物的益处:微生物的害处:1347年的瘟疫;我国解放前的鼠疫大流行;,鼠疫（黑死病）：是一种由鼠疫杆菌引起的烈性传染病，常先引起淋巴结炎，重者引起败血症或肺炎。,从公元六世纪到20世纪初共发生过三次，死亡人数近两亿，这个数字比死亡最惨重的第二次世界大战死亡的人数（1.1亿）还多。最广为人知也最为悲惨的鼠疫发生在中世纪的欧洲（1346年），导致了欧洲1/3到1/2的人口死亡。当时人们不知病因，直到19世纪后期细菌学创立后，鼠疫的病源和传播途径才逐渐明朗。1894年，法国细菌学家耶尔森在香港调查鼠疫时，发现其病原体是一种细菌，这种细菌后来就被命名为耶尔森氏杆菌。1898年，另一位法国人西蒙德确定了鼠疫的传播途径是跳蚤把病菌从老鼠传播给人。20世纪中叶，抗生素的发明使得鼠疫成了容易治愈的疾病，而公共卫生和居住环境的改善也切断了鼠疫的传播途径。现在，尽管鼠疫已非常罕见，但是历史惨剧在人们心中留下的阴影难以消除，它仍然被许多人视为一种恐怖的疾病。,师道南天愚集：清乾隆年间，“东死鼠，西死鼠，人见死鼠如见虎。鼠死未几日，人死如圻堵”；“三人行未十步路，忽死两人横截路”。,我国解放前的鼠疫大流行,当今面临的新的瘟疫,艾滋病（AIDS）癌症军团病（Legionella pneumophila）埃博拉病毒病疯牛病肺结核的卷土重来1999年8月，世界卫生组织统计，目前全世界有18.6亿人（相当于全球人口的32%）患结核病。2003年的非典现在仍存在的H1N1疾病,军团病,军团病是由嗜肺军团杆菌引起的以肺炎为主的急性感染性疾病。有时可发生暴发流行。病原菌主要来自土壤和污水，由空气传播，自呼吸道侵入。本病有两种临床表现，一种以发热、咳嗽和肺部炎症为主，称为军团病；军团病起病急骤，高热伴寒战，恶心呕吐，有时伴腹痛与水样腹泻，23天后出现干咳，胸痛，偶带血丝，但很少有脓性痰。重者还有气急、呼吸困难和意识障碍，病死率约15。,埃博拉病毒病,埃博拉病毒是引起人类和灵长类动物发生埃博拉出血热（EBHF）的烈性病毒，是一种罕见的致命病毒；它可通过血液、体液迅速传播，潜伏期为两周左右，患者最初的症状是突然发烧、头痛、肌肉痛，随后出现呕吐、腹泻和肾功能障碍，最后是体内外大出血；这种病毒的感染者有可能在24小时内死亡，其死亡率高达50%甚至90%；由于该病在非洲扎伊尔的埃博拉河附近爆发，由此予以命名。,第一章 绪论,一、什么是微生物？微生物是一类肉眼不能直接看见,必须借助光学显微镜或电子显微镜放大几百倍或几万倍后才能观察到的微小生物的总称.英文“微生物”一词“microorganism”，就是在“生物（organism）”词之前加上前缀“非常小（micro）”所构成。微生物并不是一个分类学上的术语，它们主要是根据生物体的大小而被人为地划归在一起的。,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。人们对动植物的认识，可以追溯到人类的出现。可是，对数量庞大、分布广泛并始终包围在人体内外的微生物却长期缺认识。原因主要有以下几个方面：(1)个体微小(2)外貌不显(3)杂居混生(4)因果难联,正是以上原因，使人们对微生物的认识长期处于无知的状态，对待微生物往往表现出“视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好，受其害而不知其恶的愚昧状态。深受其害而不知其恶这可以从微生物给人类带来的几次灾难得到充分的说明。,微生物主要类群真核生物细胞核分化高,有核膜,核仁和染色体;胞内有许多细胞器.真菌、微型藻类、原生动物、某些寄生蠕虫。原核生物细胞核分化低,只有DNA盘绕而成的拟核,无核膜和核仁,除核糖体外,无其他细胞器.细菌、放线菌、蓝细菌和古生菌。非细胞生物无细胞结构,无产生能量的酶系统,由单一的核酸和蛋白质衣壳组成,必须在活细胞内繁殖.病毒、类病毒和朊病毒。,微生物的种类,微生物的种类,具有细胞结构的微生物,没有细胞结构的微生物：病毒,原核生物：（由原核细胞构成的）,真核微生物（由真核细胞构成的）,真菌显微藻类原生动物,细菌,草履虫,水绵,放线菌,第一章 绪论,什么是微生物学?研究肉眼看不见,非常微小的生物体和他们的活动,即对微生物的研究.-研究微生物的生命活动的科学.,第一章 绪论,生命科学的一个重要分支，是研究微生物的类型、分布、形态、结构、代谢、生长繁殖、遗传、进化，以及与人类、动物、植物等相互关系的一门科学,微生物学的主要内容 微生物形态学：认识主要微生物类群的个体形态、群体 特征，包括繁殖方式。-微生物生理学：微生物的营养机制、能量代谢，在自然 界元素特别是植物营养元素在生物循环 中的作用。微生物遗传学:了解微生物遗传信息传递过程的特殊性 以及细菌基因重组的不同方式。-微生物生态学：了解微生物在自然界的分布，与植物、动物的相互关系。-,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、变异易、抗性强、休眠长、起源早、发现晚,二、微生物的特点,个体小,测量单位：微米或纳米,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”,胃口大：,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）,繁殖快：,48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代,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。,若干微生物的代谢及每日增殖率微生物名称 代时 每日分裂次数 温度 每日增殖率乳酸菌 38分 38 25 2.71011大肠杆菌 18分 80 37 1.21024根瘤菌 110分 13 25 8.2103枯草杆菌 31分 46 30 7.01013光合细菌 144分 10 30 1.0103酿酒酵母 120分 12 30 4.1103小球藻 7小时 3.4 25 10.6念珠藻*23小时 1.04 25 2.1硅藻 17小时 1.4 20 2.64草履虫 10.4小时 2.3 26 4.92*为念珠蓝菌属(Nostoc)的旧称，与细菌同属原核生物。,分布广：,人迹可到之处，微生物的分布很多，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；,高空,地下；,常年封冻的冰川；,抗（逆）性强：,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：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：有些细菌可在很高的大气压下生长；,食谱广：,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,易培养：,很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！,数量大：,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！,从永冻冰层分离微生物,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,变异易：,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 10-10,变异易：,青霉素的生产：,20单位/ml（1943）,10000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,休眠长：,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature 407,897-900(2000),起源早：,38亿年前，生命在海洋中出现26亿年前，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,微生物世界之最,个体最小数量最多分布最广形态最简变异最易起源最早,胃口最大抗性最强食谱最广休眠最长繁殖最快种类最多,种类多：,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%,三.微生物学的重要性与社会需求微生物与人类和动物健康及疾病密切相关微生物在工业生产中有很多应用 微生物对农业生产有着很大的影响 微生物学促进了生物学的发展,分解者微生物,消费者动物,环境土壤、空气、水,生产者植物（包括部分微生物）,微生物在生态系统中的地位：,消费者，部分生产者,1.微生物与粮食粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、酒、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。,2微生物与能源把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷；利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产”清洁能源”-氢气；通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率；研制微生物电池使之实用化。,3.微生物与资源 微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。传统的：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等；现代的：水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（PHB）等；另外：微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。,4.微生物与环境保护 利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏法检测环境中的“三致”物质；利用EMB培养来检查饮水的肠道病原菌等。,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,利用微生物改善环境,土壤改良剂农业产品内含丰富有机酶(酵素),这些有机酵素是从有益微生物菌提炼产生,可让农作物直接吸收.在农作物从土壤中吸收有机酶(酵素)及矿物质后,农作物将充满活力及发育成长.微生物菌可分解土壤中沉积的化学盐,这些化学盐是因农地长期过量使用化肥所造成.去除沉积的化学盐可松软土壤,使水份能更深入土壤,增加土壤的保水性,解除土壤的板结问题,增加农作物根部发育.,土壤改良,污水处理,5.微生物与人类健康防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物：抗生素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。,微生物与人类的关系,1.在自然界中元素的循环2.在工业方面的作用3.在农业方面的作用4.在医药方面的作用,只有少数的微生物对人类和动、植物是有害的。,四.微生物学的发展,1.微生物的发现:,1664年 英国人罗伯特.虎克用自制的显微镜并描述了霉菌的子实体结构。,罗伯特胡克的显微镜,1676年，微生物学的先驱者荷兰人列文虎克首次观察到了细菌。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。,他一生制作了419架显微镜和放大镜，放大率最高的达到300倍。他根据用简单显微镜所看到的微生物而绘制的图象，今天看来依然是正确的。,2.微生物学发展史上的重大事件,1546 Fracastoro提出不可见到的生物引起疾病1676 Leeuwenhoek 发现了“animalcules”1765-1776 Spallanzani 反驳自然发生说1786 Muller 提出了第一个细菌分类1798 Jenner 介绍了牛痘疫苗18381839 Schwann&Schleiden 提出了细胞理论1857 Pasteur证明了乳酸发酵是由微生物引起的1861 Pasteur用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻 了争论以久的“自生说”1864 Pasteur建立了巴氏消毒法,1867 1869 Lister创立了消毒外科，并首次成功的进行 了石炭酸消毒实验 Miescher 发现核酸18761877 Koch证明了炭疽病由炭疽杆菌引起1881Koch等首创用明胶固体培养基分离细菌，巴斯德 制备了炭疽菌苗1882 Koch发现结核杆菌(Mycobacterium tuberculosis)1883Koch首次发表Koch氏法则。Metchnikoff阐述了 吞噬作用。建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法1884 Pasteur研究狂犬病疫苗成功，开创了免疫学,1887Richard Petri发明了双层培养皿1889 Winogradsky发现硫循环和硝化细菌。Beijerinck首次分离根瘤菌1890 Von Behring制备抗毒素治疗白喉和破伤风1891Sternberg与巴斯德同时发现了肺炎链球菌1895Ivanowsky提供烟草花叶病是由病毒引起的证据；Bordet发现互补 现象1896Bchner用无细胞存在的酵母菌抽提液对葡萄糖进行酒精发酵成功1899Ross证实疟疾病原菌由蚊子传播19091910 Ricketts发现立克次氏体；Ehrlich首次合成治梅毒的化学治疗剂,1928Griffith发现细菌转化1929Fleming发现青霉素1935Stanley首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它 的“蛋白质结晶”1943Luria和Delbck用波动实验证明细菌噬菌体的抗 性是基因自发突变所致；Chain和Flory形成青霉素工业化生产的工艺1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体；Waksman发现链霉素19461947 Lederberg和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象1949Enders、Robbins和Weller在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎 病毒成功,1952Hershey和Chase发现噬菌体将DNA注入宿主细胞；Lederberg发明了影印培养法；Zinder和 Lederberg发现普遍性转导 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构1956Umbarger发现反馈阻遏现象1961Jocob和Monod提出基因调节的操纵子模型19611966 Holley、Khorana、Nirenberg等阐明遗传 密码1969Edelman测定了抗原蛋白质分子的一级结构19701972 Arber、Nathans和Smith发现并提纯了限制性内切酶；Temin和Baltimore发现转录酶,1973Ames建立细菌测定法检测致癌物；Cohen 等首次将重组质粒转入大肠杆菌中获得成功1974Khler和Milstein建立生产单克隆抗体的技术1977Woese提出古生菌是有不同于细菌和真核生物 的特殊类群；Sanger首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析19821983 Cech和Altman发现具有催化活性的RNA（ribozyme）；McClintock发现的转座因子获得公认；Prusiner发现朊病毒（prion）,19831984 Gallo和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis建立PCR技术1988Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素1995第一个独立生活的生物（流感嗜血杆菌）全基因序列测定完成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2000霍乱弧菌基因组测序完成,与微生物学有关的诺贝尔生理或医学奖Nobel Prize in Physiology or Medicine,19011999之间有39项。总人数：77人 美国 46人，英国人 11人，法国人 7人，德国人 6人，瑞士人 4人，澳大利亚人 2人，意大利人 1人 1945年，青霉素的发现与发展 1952年，链霉素的发现与发展 1953年，碳水化合物在细胞中的代谢 1958年，微生物遗传的生物化学研究 1959年，DNA 和 RNA的发现与合成机理,1962年，DNA结构的测定 1965年，细胞中基因活性的调节研究 1969年，细胞病毒感染的机理研究 1984年，单克隆抗体技术的发展，免疫学研究 1997年，朊病毒的研究 1999年，蛋白质在细胞中的移动和定位机理研究,与微生物学相关的诺贝尔奖,近百年来生命科中所取得的重大成果，使生命科学跃居自然科学发展的前列。由1901-1999年获诺贝尔化学、生理和医学奖的杰出科学家及其贡献足见一斑。在159位获奖者中，97%以上的研究工作与生命科学有关，其中微生物学及与微生物学关系密切的学科的诺贝尔奖获得者占到三分之一以上。,法国科学家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）,3.微生物学发展的奠基者,巴斯德,(1)发现并证实发酵是由活的小生物微生物引起的,(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,首次制成狂犬疫苗,(4)其他贡献,巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物,曲颈瓶实验,巴斯德的曲颈瓶实验,巴斯德发现免疫现象,(Edward Jenner,17491823)英国医生琴纳首创用牛痘预防天花，为预防医学开辟了广阔途径。,发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立证实炭疽病因 炭疽杆菌发现结核病原菌结核杆菌科赫法则,德国微生物学家柯赫（Robert Koch，1843-1910）,柯赫,a）细菌纯培养方法的建立,土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿）,（1）微生物学基本操作技术方面的贡献,b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微 微生物的培养,c）流动蒸汽灭菌,d）染色观察和显微摄影,（2）为病原细菌的研究作出了突出贡献：,a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌（1877）；,b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）,c）建立“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。,(3)柯赫氏法则(Koch postulates）,从动植物的患者体内分离出病原物 进行纯培养 回接到同样类型的动植物体，引起同样的病症 再分离得到与第二步一致的菌系,病原微生物总是在患传染病的动物中发现而不存在于健康个体中；这一微生物可以离开动物体，并被培养为纯种培养物；这种纯培养物接种到敏感动物体后，应当出现特有的病症；该微生物可从患病的实验动物中重新分离出来，并可在实验室中再次培养，并与原始病原微生物相同。,结 核 杆 菌,划线法获得单菌落,科赫定理图示,单菌落,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。,1.多学科交叉促进微生物学全面发展,微生物学的主要分支学科,五.20世纪的微生物学,五.20世纪的微生物学,2.微生物学推动生命科学的发展(1).促进许多重大理论问题的突破(2).对生命科学研究技术的贡献(3).微生物学与”人类基因组计划”(4).我国微生物学的发展,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。,六.21世纪微生物学展望,1.微生物基因组学研究将全面展开2.与环境密切相关的微生物学研究将获得长足 发展3.微生物生命现象的特性和共性将更加受到重 视,4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；,5.微生物产业将呈现全新的局面,七.微生物的具体应用,1.微生物菌体的应用2.微生物代谢产物的应用3.微生物酶制剂的应用,复习思考题,1.用具体事例说明人类与微生物的关系。2.简述微生物学在生命科学发展中的地位，并描绘其前景。3.为什么说巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人?4.区别于其它生物，微生物有何特点？你有何体会？5.微生物学研究的基本方法和技术有哪些？你现在了解哪些技术？你认为微生物学的理论和技术有怎样的联系？,