农学微生物生物学课件.ppt

《农学微生物生物学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《农学微生物生物学课件.ppt（50页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、湖南文理学院生命科学学院主讲 郭春秋,微 生 物 生 物 学(Biology of microorganisms),Tel： 13974212898QQ: 317979649E-mail： ,使用教材,沈萍，微生物学，高等教育出版社,2000。,主要参考书,李阜棣，胡正嘉主编。微生物学，中国农业出版社, 2000 。,周德庆，微生物学教程，高等教育出版社，（第二版）(2002年)。,蔡信之，微生物学，上海科技出版社。,微生物学报 中国科学院微生物研究所 主办 中 国 微 生 物 学 会,微生物学通报 中国科学院微生物研究所 主办 中 国 微 生 物 学 会,杨苏声，周俊初 主编。微生物生物学，

2、科学出版社, 2004 。,总学时：66 理论学时：36 实验学时：30（7次）,考 核：理论 平时成绩：20% 期末考试：80% 实验 平时成绩：20% 操作考试：20% 实验理论：60%,学时安排及考核评分规则,各章节学时安排,绪 论,本 章 重 点,1、微生物的定义、类群及特征。,2、微生物学的定义、及分科。,3、微生物在日常生活中与生产实践中与我们人类 的关系。,4、了解微生物学的发展阶段及微生物学的奠基人。,第一节 微生物学的研究对象与任务,一、微生物学的研究对象,1、什么叫微生物？,微生物是一类个体微小，结构简单，大多数为单细胞，少数为多细胞，甚至没有细胞构造生物的总称。大多数微生

3、物的个体小于1mm。所以，微生物必须借助显微镜甚至电子显微镜才能看到其形态。,微生物包括：真细菌，蓝细菌，放线菌，古细菌；真菌，原生动物，藻类；病毒。,2、微生物的研究对象,微生物一词不是分类学上的专门名词，它是指形态微小生物的总称。,当代生物分类学中，人们将生物分为如下六界：,动物界（animalia)植物界（plantae）真菌界（fungi)原生生物界（protista)（原生动物，单细胞藻类，粘菌）原核生物界（procaryotae)病毒界（virus),Whittaker (1969)的五界系统,上述六界系统中，前五界是Whittaker1969年提出的五界系统，微生物的研究对象包括

4、：真菌界，原生生物界，原核生物界，病毒界。,（1）种类多，分布广,动物：150万种,植物：50万种,微生物：10多万种，其中：,病毒： 4000多种原核生物： 5000种藻类： 23100种真菌： 47300种原生动物： 24000种,分布：土壤、水域、动植物体内、极端环境、食品等。,（2）体积小，面积大,任何一定体积的物体，如对其进行三维切割，则切割的次数越多，所产生的颗粒也越多，颗粒的体积就越小，这时如把所有颗粒的总面积相加，则表面积越大。,3、微生物的特点,例如：一个球菌，若体积为1m3的话，用这样的球菌堆成1cm3，其总面积可达6m2，而一粒1cm3大小的豌豆，其总面积仅6cm2。,微

5、生物的面积与体积的比值称为比面值。,球菌：面积=4 R2,体积=4/3 R3,面积/体积=3/R,R越小，比面值越大,比面值大的微生物必然有一个大的营养物质的吸收面，一个大的代谢物的排泄面。所以，小的微生物代谢旺盛。,（3）吸收多，转化快,产阮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。一头500kg的牛每天可以增加蛋白质0.5kg，而500kg的酵母24小时可形成50000kg的蛋白质。,（4）生长旺盛，繁殖快,E.coli每分裂1次的时间是12.520min，若以20min分裂1次计，1天24小时可以分裂72次，其后代数为4，722，366，500万亿个，约重4722吨

6、，事实上由于客观条件的限制，细菌的对数增长只能维持数小时，不可能达到这么多。,（5）适应强，易变异,微生物适应性强是动植物无法比拟的。,某些硫细菌能在250C甚至300C下正常生长，而大多数细菌可在-196C的液氮中存活。,微生物由于个体小，易受环境条件影响而发生变异。,变异有好的一面，如提高青霉素产生菌的效价；变异也有坏的一面，如细菌产生抗药性。,二、微生物学的任务与分科,什么叫微生物学？微生物学是研究微生物生命活动规律及其应用的科学。,微生物学的任务包括,研究微生物的形态及其生命活动规律。,利用有益微生物。,防治有害微生物。,微生物学的分科,按研究对象分：细菌学、真菌学、放线菌学、病毒学、

7、藻类学、原生动物学等。,按研究微生物本身的基本理论分：普通微生物学、微生物生理学、微生物遗传学、微生物生态学、微生物分子生态学等。,按微生物的生活环境可分为：土壤微生物学、海洋微生物学、水体微生物学、大气微生物学等。,按微生物的应用来划分则有：医学微生物学、食品微生物学、工业微生物学、农业微生物学、乳品微生物学、环境微生物学、酿造微生物学、兽医微生物学、石油微生物学等。,第二节 微生物学的发展,一、我国古代对微生物的利用,1、利用微生物酿酒,早在距今4000多年前的龙山文化时期（黄河流域原始父系社会时期），我国就有了利用微生物酿酒的技术。从龙山出土的陶器中有不少的饮酒用具，尊、高脚杯、小壶等器

8、皿。,殷代甲骨文中就有了酒的象形字。（殷即商朝，从公元前1611世纪）,解放后在河南郑州发现了商代酿造工厂遗址。,公元前14世纪书经一书里有“若作酒醴，尔惟曲蘖”的记载，意思是说，做甜酒，必须要麦芽和酒曲，麦芽起糖化作用，酒曲中的微生物则起转化糖变成酒。,曹操的乐府诗短歌行中道：“慨当以慷，幽思难忘；何以解忧，唯有杜康。”在这里，杜康是酒的代名词，人们都因此把姓杜名康这个人当作了酿酒的祖师。,据古藉记载，我国酿酒的创始人是仪狄和杜康两人，仪狄是夏禹的臣，他会做酒，世本里说“帝女令仪狄始作酒醪，变五味”，说明仪狄是很会造酒的人。,史籍中有多处提到仪作酒而美、始作酒醪的记载，似乎仪狄乃制酒之始祖。

9、这是否事实，有待于进一步考证。一种说法叫仪狄作酒醪，杜康作秫酒。这里并无时代先后之分，似乎是讲他们作的是不同的酒。醪是一种糯米经过发酵工而成的醪糟儿。性温软，其味甜，多产于江浙一带。现在的不少家庭中，仍自制醪糟儿。醪糟儿洁白细腻，稠状的糟糊可当主食，上面的清亮汁液颇近于酒。秫即高梁的别称。杜康作秫酒，指的是杜康造酒所使用的原料是高梁。如果硬要将仪狄或杜康确定为酒的创始人的话，只能说仪狄是黄酒的创始人，而杜康则是高梁酒创始人 。,绍兴酒是我国八大名酒之一，它是黄酒的一种，在战国时代就已经开始酿造了。,白酒又名烧酒，是一种蒸馏酒，它在唐代以前就有了。,葡萄酒是在汉代由西域传来的。,2、利用微生物提

10、高肥力,公元前1世纪氾胜之书中就提出肥田要熟粪及瓜与小豆间作的耕作制度。,熟粪是经微生物分解过的肥料，氨态氮含量高，利于作物吸收；小豆是豆科作物，可固定空气中的N2为氮化物，被作物吸收。,3、防治农业病害,公元2世纪神农本草经中就有蚕“白僵”的记载，陈 农书里也明确提到“黑白红僵”三种蚕病，并提出了相对的防治措施，如保持蚕室干燥，空气流通，勤晒养蚕用具等。,4、栽培食用菌,据本草纲目记载，栽培食用菌在我国始于公元7世纪的唐朝，而西方在18世纪才开始。,5、种痘防治天花,种痘防治天花的方法在宋真宗（公元9981022年）就已广泛应用，后来传至亚洲其它国家，并于1717年经土尔其传到英国，继而传到

11、美洲各国，在“人痘”的基础上发展成为“牛痘”。,二、微生物的发现和微生物学的奠基,1、Leeuwenhoek 最先看到了微生物,16世纪，荷兰人Leeuwenhoek 制造了能放大270300倍的简单显微镜，他利用此镜观察了污水，牙垢，腐败有机物，直接看到了微生物，并作了相当正确的描述，为微生物的存在提供了有力的证据。,后来，英国皇家学会会员 Rbert Hooke用Leeuwenhoek 制作的显微镜第一次看到了软木细胞。,2、巴斯德的贡献,巴斯德的贡献在于把微生物的研究从形态学推进到了生理学研究阶段。, 巴斯德在研究酒变质时发现，糖变成酒是由于酵母菌的作用，而酒变质则是由于杂菌引起（乳酸菌

12、和醋酸菌）。于是他得出结论，发酵是微生物引起的，不同的微生物引起不同的发酵（1857年）。, 巴斯德否定了自然发生说（1861年） 。 创立了巴斯德消毒法，推动了罐头和食品工业的发展（1864年） 。, 巴斯德发现传染病是由病原菌引起的，奠定了微生物病原学的基础（1864）, 巴斯德还发现了制造疫苗的方法和预防接种，为免疫学奠定了基础（1877）,3、柯赫的贡献, 柯赫是一位德国医生，他的一系列工作为疾病的病原说建立了牢固的基础，柯赫提出了病原菌的严格标准，即柯赫定理（通过对牛炭疽病的研究提出的定理） 。,感病动物有菌此病菌可分离到纯培养分离接种可使动物感病能再次分离出相同的纯培养体。, 柯赫

13、的贡献还在于创造了许多纯培养的方法。,4、其它学者的贡献, 1860年，苏格兰人李斯特首创无菌的外科手术。,（2）1883年，俄国人梅奇尼可夫发现细胞吞噬作用即白细胞吞噬入侵的细菌。,（3）1884年，丹麦人Gram首创革兰氏染色法。,（4）1888年，荷兰人贝依林克（病毒学创始人）分离出纯培养的根瘤菌。 1901年，贝依林克分离出自身球褐固氮菌。,（5）1890年，俄国人维诺格拉德斯基（土壤微生物学创始人）发现自养细菌。 1895年，维诺格拉德斯基分离出厌氧的固氮梭菌。,（6）1892年，俄国人伊万诺夫斯基发现烟草花叶病的病原为一种滤过性病毒。,三、现代微生物学的发展,现代微生物学的发展，包

14、括两个方面：一是微生物与生物化学的结合，一是微生物学与遗传学的结合。电子显微镜的问世，把现代微生物学的发展推向了一个新的阶段。,1、1928年，英国人格里菲斯发现了转化现象。,2、1929年，英国人弗来明（Fleming)首先发现了青霉素。,3、1935年，Stanley首先提纯了TMV，并获得了它的“蛋白质结晶”。,4、1941年，比德耳（Beadle)和塔图姆（Tatum)用X射线和紫外线照射，使链霉菌发生变异获得了营养缺陷型。,5、1943年，瓦克斯曼（Waksman）分离出链霉素产生菌。,6、1944年，艾弗里(Avery)第一次证明遗传的物质基础是DNA。,7、1946年，Ledbe

15、rg和Tatum发现细菌确有接合过程。1952年，Zinder与Ledberg发现了细菌的普遍转导。,8、1953年，华特生（Watson)与克里克（Crick)提出了DNA的双螺旋分子结构模型和半保留复制假说。,9、1961年，莫诺（Monod）和雅各布（Jacob)提出了操纵子学说。,10、1963年，尼伦伯格(Nirenberg)提出了遗传密码的理论。,11、1970年，Temin发现了反转录酶。,12、1973年，柯汉（Cohen）提出了基因工程的理论。,13、19821983年，Prusiner发现了阮病毒。,14、19831984年，Gallo分离鉴定了爱滋病毒，Mullis建立P

16、CR技术。,15、1995年，人类完成了流感嗜血杆菌全基因组的测序工作。,16、1997年，人类完成了酵母菌全基因组的测序工作。,17、2001年，人类基因组图框架数据结果正式发表。,18、2002年，水稻基因组图框架数据结果正式发表。, 微生物基因组测序为生命科学开辟了新的研究领域，如生物信息学、比较基因组学、功能基因组学等。 微生物基因组测序为微生物学、医学和免疫学等提供了新的思路和方法。 微生物基因组测序对于后基因组时代，研究基因与功能之间的相互关系将起着重大作用。 微生物作为理想的模式生物，其基因组测序技术和方法对于高等生物的基因组测序具有重要的指导和借鉴意义。,第三节 微生物与人类的

17、关系,微生物对于人类有它有利的一面，也有害的一面。我们研究微生物，就是利用微生物有利的一面为人类造福，同时防止有害微生物对人类的危害。,一、利用有益微生物为人类造福,1、酿酒：啤酒、白酒、黄酒、葡萄酒。,2、利用微生物生产调味品：酱油、醋、味精等。酱油是曲霉产生的蛋白酶降解蛋白质得到的。醋是醋酸菌氧化乙醇得到的。味精是利用谷氨酸棒杆菌发酵糖蜜或淀粉得到的。,3、利用微生物生产酶制剂：酶制剂无论是在工业上还是在医学上都大有用途，各种酶制剂都可以用微生物生产出来，如工业上退浆和制饴的淀粉酶就是用枯草杆菌生产出来的。,4、用微生物生产有机酸：柠檬酸是制造汽水和糖果的原料，它是用黑曲霉发酵蔗糖制得的。

18、,（一）在工业上,5、用微生物生产核酸：肌苷是次黄嘌呤核苷酸（IMP）它是腺嘌呤核苷酸的前体物，肌苷是用枯草杆菌发酵葡萄糖得到的。,6、用微生物冶金：一些贫矿、尾矿可以用微生物来浸溶，然后从中得到贵重金属，例如，氧化硫硫杆菌能氧化元素硫为硫酸，所生成的硫酸可直接浸溶矿石。,（二）在医药卫生上,1、有微生物产生的抗菌素拯救了无数人的生命。最著名的是青霉素，它是由产黄青霉产生的。链霉素是放线菌中的灰色链霉菌产生的抗菌素，它的问世，治好了外无数的结核病人。还有抗真菌的灰黄霉素是灰黄青霉军产生的抗菌素。抗肿瘤的自力霉素是头状链霉菌产生的抗菌素（抑制DNA合成，抗癌）。,2、医用上的许多生化药品也是由微

19、生物制得的。ATP是利用酵母菌的酶系产生的。辅酶A可治疗白细胞减少症，它是从酵母细胞中提取的。也可从白地霉菌体中提取，还可由发酵法生产。核黄素是用棉阿舒囊酶酵母发酵生产出来的。,3、用微生物制成疫苗，使许多疾病的蔓延得到控制和消灭。牛痘苗使天花在地球上已经灭迹，卡介苗有效预防结核。流脑疫苗、小儿麻痹疫苗使无数的少年儿童免遭脑膜炎和畸形之苦。,（三）在农业上,1、根瘤菌剂的应用，大大提高了豆科作物的产量。,2、用微生物防治害虫，既杀虫，又安全有效，无残毒。,（四）在日常生活中,1、酱腌菜、腐乳、米酒等好吃，它们都是粮食用微生物加工后提供的风味。,2、灵芝、虫草可治病，银耳、木耳、蘑菇、平菇是美味

20、佳肴，它们也都属于微生物。,（五）在能源开发中,1、微生物被用来勘探石油，地底层如果烃氧化菌的数量很多，那么此处就可能有石油存在。,2、利用甲烷菌发酵有机废物产生沼气，可以解决我国农村缺柴烧的问题。,上面我们仅例举了人们利用微生物为人类服务的很少一部分，现在人们利用微生物，开发微生物正向纵深发展。,二、微生物对人类的危害,（一）造成人畜疾病,肝炎、某些肿瘤、结核、小儿麻痹症、鸡瘟等都是对人、畜危害相当大的疾病，它们是由有害微生物引起的。,（二）危害农作物,棉花枯黄萎病，水稻白叶枯病等都是由微生物引起的毁灭性作物病害。,（三）危害农副产品，危害商品,粮食霉烂，食品变质，商品腐烂，都是微生物危害的

21、结果。,第四节 20世纪的微生物学,十九世纪末到二十世纪中期：,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。,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,（见 图1-1微生物学的主要分支学科）,（见 图1-1微生物学的主要分支学科）,2. 微生物学在生命科学发展中的重要地位,（1

22、）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；,（2）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“人类基因组计划”,作为模式生物；,基因与基因组的功能研究的重要工具;,（4）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：创建了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

23、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,生命起源的研究；,第五节 21世纪微生物学展望,一、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；,性别分化的意义；,生物智慧的发展；,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；,微生物学的发展促进了人类的进步,微生物与医药卫生微生物与农牧业微生物与工业微生物与食品微生物与环保微生物与生物工程（21世纪的微生物学）,用“工程菌”生产药物,干 扰 素脑 菲 肽胰 岛 素乙肝疫苗众抗生素各种单克隆抗体免疫血

24、清,微生物与医药卫生,微生物与农业和畜牧业,微生物饲料农用抗菌素生物农药生物菌肥微生物能源,微生物饲料 菌体蛋白饲料 饲 料 酵 母 维 生 素 饲 料 发 酵 饲 料 青 贮 饲 料,农用抗菌素 某些微生物能够产生具有抑制 或杀死植物病原菌的物质,该物质称 农用抗菌素。,微生物饲料 菌体蛋白饲料 饲 料 酵 母 维 生 素 饲 料 发 酵 饲 料 青 贮 饲 料,农用抗菌素 某些微生物能够产生具有抑制 或杀死植物病原菌的物质,该物质称 农用抗菌素。,生物农药,生物菌肥 主要是根瘤菌肥即含固氮菌活菌的肥料。,微生物与工业,酶 工 业氨基酸工业有机酸工业新材料开发生 物 化 工食 品 工 程,微

25、生物与饮食、调味品,青 红 方,酱，酱油，豆豉,食 用 醋,发酵饮料,味 精,发酵面食,食药用菌,食用色素,食品添加剂,淹渍蔬菜,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,（微生物与）生物工程,商品生产,改造物种,常规菌(或常规细胞株) 遗传工程 细胞工程“工程菌”（或“工程细胞株”）, 微生物工程 酶工程 生物反应器工程 经济效益 大量产品 社会效益 生态效益,重组菌株,（工程菌）,基因重组,微生物,诱变,突变株,发酵罐,产物,固定化酶,固定化细胞,反应器,产物,细胞融合,融合菌株,基因工程,酶工程,发酵工程,细胞工程,微生物是生物工程的主角！,微生物工程的内容,微生物菌体生产和应用,微生

26、物代谢产物的应用,微 生 物 机 能 的 利 用,微生物学今后的发展方向，是利用基因工程的手段，构建有益的基因工程菌，从而使之具有新的遗传性状，产生人类所需要的新物质。 目前已经开发的基因工程菌有：,1、利用基因工程菌提高抗生素的产量：如利用基因工程手段将一个带有 ce-fEF基因的整合型重组质粒转入头孢霉素高产菌株C.acremonium394-4中，所得的转化子在生产中能提高头孢霉素C的产量15%。,2、利用基因工程菌提高氨基酸的产量：1980年前，前苏联V.G.Debabov等已成功组建了苏氨酸工程菌，将质粒pTH1转入大肠杆菌C600后，通过发酵条件及菌种筛选研究，产生苏氨酸的水平已达

27、65g/L。,3、利用基因工程菌进行维生素C的生产：传统的维生素C的生产采用两步发酵法。Anderson和Hardy等克隆了2，5-二酮基-D-葡萄糖酸（2，5-DKG）还原酶基因，构建了表达载体，分别转入草生欧文氏菌（Erwinia herbicola)和柠檬欧文氏菌（Erwinia citreus)中表达。新基因工程菌能使葡萄糖氧化成为2，5-DKG，以及2，5-DKG还原成为2-KLG（2-酮基-L-古龙酸）的双重反应在同一菌种内进行，从而实现了从D-葡萄糖到2-KLG的一步发酵。,4、利用基因工程菌生产人的干扰素：早期，人干扰素的生产是利用病毒诱导人白血球或白细胞产生的，产量低、价格昂

28、贵，不能满足需要。现在干扰素的生产是利用人工构建的干扰素-2b基因工程菌生产的。该菌编号为SW-IFN -2b/E.coliDH5 ，质粒用PL启动子，含氨苄青霉素抗性基因。在30C下发酵8小时，然后在42C下诱导23小时，再经提取即可得到人的干扰素。,5、利用基因工程菌生产乙肝疫苗：基因工程乙肝疫苗是由HBsAg多肽构成的。 HBsAg由S基因编码，基因构建是使用内切酶将乙肝病毒的S基因切出，前面加上甘油醛磷酸脱氢酶（GAPDH）基因作为启动子，后面加ADH-1基因作为终止子形成一个基因盒，与pBR322质粒重组，再与酵母的2mDNA复制起点构成穿梭质粒,转化酵母细胞、破碎细胞，经硅胶吸附和

29、疏水层析两步纯化，凝胶过滤，用甲醛灭活和AL（OH）3吸附，即可制成乙肝疫苗。,二、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；, 微生物基因组和后基因组研究全面展开。 微生物多样性研究广泛深入地开展。 微生物和环境治理的重要性更加受到重视。 研究微生物及其与其他生物之间的相互作用分子机制是本世纪重要研究内容。 微生物致病性和寄主免疫机制的研究继续加强。 利用微生物作为模式生物，在揭示生物学的基本问题方面将继续发挥重要作用。 微生物学仍将是领先的前沿学科，为人类的健康和社会经济发展必将作出更大的贡献。,微生物学的未来,绪论 思考题,1、什么是微生物？具体包括哪些种类？2、自然界的生物划分为几大类？微生物包括哪几大类群？3、微生物的特点有哪些？4、什么是微生物学？它的主要任务有哪些？5、我国古代人民在哪些方面利用了微生物的作用和特点？6、试述列文虎克、巴斯德和柯赫在微生物学发展史上的杰出贡献。7、试就微生物在工业、农业、医药、食品等方面的应用作一简要介绍。8、试述微生物学在生命科学中的地位；微生物学在生命科学中可以作出哪些贡献？ 现代微生物学的发展趋势如何？,