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微生物學

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微生物學(microbiology)生物學的分支學科之一。它是在分子、細胞或群體水平上研究各類微小生物(細菌放線菌真菌病毒、立克次

微生物學
微生物學
氏體、支原體衣原體、螺旋體原生動物以及單細胞藻類)的形態結構、生長繁殖、生理代謝、遺傳變異、生態分佈和分類進化等生命活動的基本規律,並將其應用於工業發酵、醫學衛生和生物工程等領域的科學。

目錄

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發展簡史編輯本段回目錄

「科學的歷史就是科學本身。」——歌德                               

經驗階段自古以來,人類在日常生活和生產實踐中,已經覺察到微生物的生命活動及其所發生的作用。中國利用微生物進行釀酒的歷史,可以追溯到4000多年前的龍山文化時期。殷商時代的甲骨文中刻有「酒」字。北魏賈思勰的《齊民要術》(533~544)中,列有穀物制曲、釀酒、制醬造醋醃菜等方法。在古希臘留下來的石刻上,記有釀酒的操作過程。

古代人制曲
古代人制曲

中國在春秋戰國時期,就已經利用微生物分解有機物質的作用,進行漚糞積肥。公元1世紀的《氾勝之書》提出要以熟糞肥田以及瓜與小豆間作的制度。2世紀的《神衣本草經》中,有白殭蠶治病的記載。6世紀的《左傳》中,有用麥曲治腹瀉病的記載。在10世紀的《醫宗金鑒》中,有關於種痘方法的記載。1796年,英國人E.琴納發明了牛痘苗,為免疫學的發展奠定了基礎。

主要階段編輯本段回目錄

形態學階段  17世紀,荷蘭人列文虎克用自製的簡單顯微鏡(可放大160~260倍)觀察牙垢、雨水、井水和植

微生物
微生物

列文虎克
列文虎克

物浸液後,發現其中有許多運動著的「微小動物」,並用文字和圖畫科學地記載了人類最早看見的「微小動物」──細菌的不同形態(球狀、桿狀和螺旋狀等)。過了不久,意大利植物學家P.A.米凱利也用簡單的顯微鏡觀察了真菌的形態。1838年,德國動物學家C.G.埃倫貝格在《纖毛蟲是真正的有機體》一書中,把纖毛蟲綱分為22科,其中包括3個細菌的科(他將細菌看作動物),並且創用bacteria(細菌)一詞。1854年,德國植物學家F.J.科恩發現桿狀細菌的芽孢,他將細菌歸屬於植物界,確定了此後百年間細菌的分類地位。                                                                                                                                                  

生理學階段  微生物學的研究從19世紀60年代開始進入生理學階段。法國科學家L.巴斯德對微生物生理學的研

巴斯特
巴斯特

究為現代微生物學奠定了基礎。他論證酒和醋的釀造以及一些物質的腐敗都是由一定種類的微生物引起的發酵過程,並不是發酵或腐敗產生微生物;他認為發酵是微生物在沒有空氣的環境中的呼吸作用,而酒的變質則是有害微生物生長的結果;他進一步證明不同微生物種類各有獨特的代謝機能,各自需要不同的生活條件並引起不同的作用;他提出了防止酒變質的加熱滅菌法,後來被人稱為巴斯德滅菌法,使用這一方法可使新生產的葡萄酒啤酒長期保存。後來,他開始研究人、禽、畜的傳染病(狂犬病炭疽病雞霍亂等),創立了病原微生物是傳染病因的正確理論和應用菌苗接種預防傳染病的方法。巴斯德在微生物學各方面的科學研究成果,促進了醫學、發酵工業和農業的發展。               與他同時代的德國微生物學家R.科赫對新興的醫學微生物學作出了巨大貢獻。科赫首先論證炭疽桿菌是炭疽病的病原菌,接著又發現結核病霍亂的病原細菌,並提倡採用消毒和殺菌方法防止這些疾病的傳播;他的學生們也陸續發現白喉肺炎破傷風鼠疫等的病原細菌,導致了當時和以後數十年間

炭疽桿菌
炭疽桿菌

人們對細菌給予高度的重視;他首創細菌的染色方法,採用了以瓊脂作凝固培養基培養細菌和分離單菌落而獲得純培養的操作過程;他規定了鑒定病原細菌的方法和步驟,提出著名的科赫法則。1860年,英國外科醫生J.利斯特應用藥物殺菌,並創立了無菌的外科手術操作方法。1901年,著名細菌學家和動物學家 梅契尼科夫發現白細胞吞噬細菌的作用,對免疫學的發展作出了貢獻。
俄國出生的法國微生物學家 C.H. 維諾格拉茨基於1887年發現硫磺細菌,1890年發現硝化細菌,他論證了土壤中

硝化細菌
硝化細菌

硫化作用和硝化作用的微生物學過程以及這些細菌的化能營養特性。他最先發現嫌氣性的自生固氮細菌,並運用無機培養基、選擇性培養基以及富集培養等原理和方法,研究土壤細菌各個生理類群的生命活動,揭示土壤微生物參與土壤物質轉化的各種作用,為土壤微生物學的發展奠定了基礎。
1892年,俄國植物生理學家伊萬諾夫斯基發現煙草花葉病原體是比細菌還小的、能通過細菌過濾器的、光學顯微鏡不能窺測的生物,稱之為過濾性病毒。1915~1917年,F.W.特沃特和F.H.de埃雷爾觀察細菌菌落上出現噬菌斑以及培養液中的溶菌現象,發現了細菌病毒──噬菌體病毒的發現使人們對生物的概念從細胞形態擴大到了非細胞形態。
在這一階段中,微生物操作技術和研究方法的創立是微生物學發展的特有標誌。                                                

生物化學階段  20世紀以來,生物化學生物物理學向微生物學滲透,再加上電子顯微鏡的發明和同位素示蹤原

大腸桿菌
大腸桿菌

子的應用,推動了微生物學向生物化學階段的發展。1897年德國學者E.畢希納發現酵母菌的無細胞提取液能與酵母一樣具有發酵糖液產生乙醇的作用,從而認識了酵母菌酒精發酵的酶促過程,將微生物生命活動與化學結合起來。G.諾伊貝格等人對酵母菌生理的研究和對酒精發酵中間產物的分析,A.J.克勒伊沃對微生物代謝的研究以及他所開拓的比較生物化學的研究方向,其他許多人以大腸桿菌為材料所進行的一系列基本生理和代謝途徑的研究,都闡明了生物體的代謝規律和控制其代謝的基本原理,並且在控制微生物代謝的基礎上擴大利用微生物,發展酶學,推動了生物化學的發展。從20世紀30年代起,人們利用微生物進行乙醇丙酮丁醇甘油、各種有機酸、

青黴素
青黴素

氨基酸蛋白質油脂等的工業化生產。                                                                            1929年,A.弗萊明發現點青黴菌能抑制葡萄球菌的生長,揭示了微生物間的拮抗關係並發現了青黴素。1949年, S.A.瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所積累資料的基礎上,發現了鏈黴素。此後陸續發現的新抗生素越來越多。這些抗生素除醫用外,也應用於防治動植物的病害和食品保藏。                                                                                                            

分子生物學階段  1941年,G.W.比德爾和E.L.塔特姆用X射線和紫外線照射鏈孢霉,使其產生變異,獲得營養缺

DNA
DNA

陷型。他們對營養缺陷型的研究不僅可以進一步瞭解基因的作用和本質,而且為分子遺傳學打下了基礎。1944年,O.T.埃弗裡第一次證實了引起肺炎球菌形成莢膜遺傳性狀轉化的物質是脫氧核糖核酸(DNA)。 1953年,      J.D.沃森F.H.C.克裡克提出了 DNA分子的雙螺旋結構模型和核酸半保留複製學說。H.富蘭克爾-康拉特等通過煙草花葉病毒重組試驗,證明核糖核酸(RNA)是遺傳信息的載體,為奠定分子生物學基礎起了重要作用。其後,又相繼發現轉運核糖核酸(tRNA)的作用機制、基因三聯密碼的論說、病毒的細微結構和感染增殖過程、生物固氮機制等微生物學中的重要理論,展示了微生物學廣闊的應用前景。1957年,A.科恩伯格等成功地進行了DNA的體外組合和操縱。近年來,原核微生物基因重組的研究不斷獲得進展,胰島素已用基因轉移的大腸桿菌發酵生產,干擾素也已開始用細菌生產。現代微生物學的研究將繼續向分子水平深入,向生產的深度和廣度發展。

微生物的種類及特點編輯本段回目錄

微生物的含義:非分類學上名詞,來自法語「Microbe」一詞。是形體微小、單細胞或個體結構簡單的多細

微生物
微生物

胞、甚至無細胞結構的低等生物的通稱。

種類:微生物類群十分龐雜,包括:
無細胞結構的病毒、類病毒、擬病毒等,
屬於原核生物的細菌、放線菌、立克次氏體、衣原體等,
屬於真核生物的酵母菌和黴菌,單細胞藻類、原生動物等。
 

生物分界:                                                                                                                                                        1、兩界系統(亞里斯多德)
動物界Animalia:不具細胞壁,可運動,不行光合作用。
植物界Plantae:具有細胞壁,不運動,可行光合作用。
三界:原生生物界Protista:(E.H.Haeckel,1866年提出)                                                                                 2、五界系統
原核生物界Monera:細菌、放線菌等
原生生物界Protista:藻類、原生動物、粘菌等
真菌界Fungi:酵母、黴菌
動物界Animalia:
植物界Plantae:
五界系統是以細胞結構分化的等級以及和光合、吸收、攝食這三種主要營養方式有關的組織類型為基礎的。六界:加上病毒界。                                                                                                                                               3、三界(域)系統
Woese用寡核甘酸序列編目分析法對60多株細菌的16SrRNA序列進行比較後,驚奇地發現:產甲烷細菌完全沒有作為細菌特徵的那些序列,於是提出了生命的第三種形式--古細菌(archaebacteria)。隨後他又對包括某些真核生物在內的大量菌株進行了16SrRNA(18SrRNA)序列的分析比較,又發現極端嗜鹽菌和極端嗜酸嗜熱菌也和產甲烷細菌一樣,具有既不同其他細菌也不同於其核生物的序列特徵,而它們之間則具有許多共同的序列特徵。於是提出將生物分成為三界(Kingdom)(後來改稱三個域):古細菌真細菌(Eubacteria)和真核生物(Eukaryotes)。1990年,他為了避免把古細菌也看作是細菌的一類,他又把三界(域)改稱為:Bacteria(細菌)、Archaea(古生菌)和Eukarya(真核生物),並構建了三界(域)生物的系統樹。                                                                                            

微生物特點:                                                                                                                                                    1、體積小、比表面積大
大小以um計,但比表面積(表面積/體積)大,(插入表),必然有一個巨大的營養吸收,代謝廢物排泄和環境信息接受面。這一特點也是微生物與一切大型生物相區別的關鍵所在。
舉例:乳酸桿菌:120,000;雞蛋:1.5;人(200磅):0.3
2、吸收多、轉化快
這一特性為高速生長繁殖和產生大量代謝物提供了充分的物質基礎。
舉例:3克地鼠每天消耗與體重等重的糧食;1克閃綠蜂鳥每天消耗兩倍於體重的糧食;大腸桿菌每小時消耗2000倍於體重的糖;發酵乳糖的細菌在1小時內就可以分解相當於其自身重量1,000~10,000倍的乳糖,產生乳酸;1公斤酵母菌體,在一天內可發酵幾千公斤的糖,生成酒精;
3、生長旺、繁殖快
極高生長繁殖速度,如E.coli20-30分鐘分裂一次,若不停分裂,48小時2.2×1043菌數增加,營養消耗,代謝積累,限制生長速度。這一特性可在短時間內把大量基質轉化為有用產品,縮短科研週期。也有不利一面,如疾病、糧食霉變。                                                                                                                                                   舉例:Escherichiacoli(大腸桿菌)在最適的生長條件下,每12.5~20分鐘細胞就能分裂一次;在液體培養基中,細菌細胞的濃度一般為108~109個/ml;谷氨酸短桿菌:搖瓶種子→50噸發酵罐:52小時內細胞數目可增加32億倍。利用微生物的這一特性就可以實現發酵工業的短週期、高效率生產。例如生產鮮酵母時,幾乎12小時就可以收穫一次,每年可以收穫數百次。

表     若干微生物的代時及每日增殖率

微生物名稱 代時 每日分裂次數 溫度 每日增殖率
乳酸菌 38分 38 25 2.7×1011
大腸桿菌 18分 80 37 1.2×1024 
根瘤菌 110分 13 25 8.2×103
枯草桿菌 31分 46 30 7.0×1013 
光合細菌 144分 10 30 1.0×103
釀酒酵母 120分 12 30 4.1×103
小球藻 7小時 3.4 25 10.6
念珠藻* 23小時 1.04 25 2.1
硅藻 17小時 1.4 20 2.64
草履蟲 10.4小時 2.3 26 4.92



 

 

 

 

 

*為念珠藍菌屬(Nostoc)的舊稱,與細菌同屬原核生物。                                                                                      4、適應強、易變異
極其靈活適應性,對極端環境具有驚人的適應力,遺傳物質易變異。更重要的是在於微生物的生理代謝類型多、代謝產物種類多。                                                                                                                                                舉例:萬米深海、85公里高空、地層下128米和427米沉積岩中都發現有微生物存在。微生物的種數,據1972年:

類型 低限 傾向種數 高限
病毒與立克次氏體 1217 1217 1217
支原體 42 42 42
細菌與放線菌 >1000 1500 1500
藍細菌 1227 1500 1500
藻類 15051 23100 23100
真菌 37175 47300 68939
原生動物 24068 24068 30000
總數 79780 98727 127298

         5、分佈廣、種類多
分佈區域廣,分佈環境廣。生理代謝類型多,代謝產物種類多,種數多。更重要的是在於微生物的生理代謝類型多、代謝產物種類多。任何有其它生物生存的環境中,都能找到微生物,而在其它生物不可能生存的極端環境中也有微生物存在。
舉例:青黴素生產菌Penicilliumchrysogenum(產黃青霉)的產量1943年為每毫升發酵液中含20單位青黴素,40多年來,經過世界各國微生物遺傳育種工作者的不懈努力使該菌產量變異逐漸積累,加上發酵條件的改進,目前世界上先進國家的發酵水平每毫升已超過5萬單位,甚至接近10萬單位。微生物的數量性狀變異和育種使產量提高的幅度之大,是動植物育種工作中絕對不可能達到的。正因為如此,幾乎所有微生物發酵工廠都十分重視菌種選育工作。                                                                                                                                                                

微生物作用:
1、在自然界物質循環中作用
2、空氣與水淨化,污水處理
3、工農業生產:菌體,代謝產物,代謝活動
4、對生命科學的貢獻

微生物的分類與命名編輯本段回目錄

微生物的分類單位:界、門、綱、目、科、屬、種
種是最基本的分類單位,每一分類單位之後可有亞門、亞綱、亞目、亞科...                                                         以啤酒酵母為例,它在分類學上的地位是:                                                                                                            界(Kindom):真菌界
    門(Phyllum):真菌門
        綱(Class):子囊菌綱
            目(Order):內孢霉目
                科(Family):內孢霉科
                    屬(Genus):酵母屬
                        種(Species):啤酒酵母                                                                                                                 

種(species):是一個基本分類單位;是一大群表型特徵高度相似、親緣關係極其接近,與同屬內其他種有明顯差別的菌株的總稱。                                                                                                                                         1菌株(strain)表示任何由一個獨立分離的單細胞繁殖而成的純種群體及其一切後代(起源於共同祖先並保持祖先特性的一組純種後代菌群)。因此,一種微生物的不同來源的純培養物均可稱為該菌種的一個菌株。菌株強調的是遺傳型純的譜系。                                                                                                                                         例如:大腸埃希氏桿菌的兩個菌株:EscherichiacoliB和EscherichiacoliK12
菌株的表示法:如果說種是分類學上的基本單位,那末菌株實際上是應用的基本單位,因為同一菌種的不同菌株在產酶上種類或代謝物產量上會有很大的不同和差別!                                                                                        2亞種(subspecies)或變種(variety):為種內的再分類。
當某一個種內的不同菌株存在少數明顯而穩定的變異特徵或遺傳形狀,而又不足以區分成新種時,可以將這些菌株細分成兩個或更多的小的分類單元——亞種。
變種是亞種的同義詞,因「變種」一詞易引起詞義上的混淆,從1976年後,不在使用變種一詞。通常把實驗室中所獲得的變異型菌株,稱之為亞種。 
例如:E.colik12(野生型)是不需要特殊aa的,而實驗室變異後,可從k12獲得某aa的缺陷型,此即稱為E.colik12的亞種。                                                                                                                                                            3型(form):常指亞種以下的細分。當同種或同亞種內不同菌株之間的性狀差異不足以分為新的亞種時,可以細分為不同的型。                                                                                                                                                        例如:按抗原特徵的差異分為不同的血清型                                                                                                        

微生物的命名:微生物的名字有俗名和學名兩種。如:紅色麵包霉——粗糙脈孢霉;綠膿桿菌——銅綠假單胞菌。                                                                                                                                                                     學名—是微生物的科學名稱,它是按照有關微生物分類國際委員會擬定的法則命名的。學名由拉丁詞、或拉丁化的外來詞組成。學名的命名有雙名法和三名法兩種。                                                                                           1雙名法:學名=屬名+種名+(首次定名人)+現定名人+定名年份                                                                       屬名:拉丁文的名詞或用作名詞的形容詞,單數,首字母大寫,表示微生物的主要特徵,由微生物構造,形狀或由科學家命名。種名:拉丁文形容詞,字首小寫,為微生物次要特徵, 如微生物色素、形狀、來源或科學家姓名等。                                                                                                                                                                  例:大腸埃希氏桿菌 Escherichiacoli(Migula)CastellanietChalmers1919
       金黃色葡萄球菌   StaphylococcusaureusRosenbach1884                                                                           當泛指某一屬微生物,而不特指該屬中某一種(或未定種名)時,可在屬名後加sp.或ssp.(分別代表species縮寫的單數和複數形式)。
例如:Saccharomycessp.表示酵母菌屬中的一個種。                                                                                         菌株名稱:在種名後面自行加上數字、地名或符號等                                                                                           例如:BacillussubtilisAS1.389AS=AcademiaSinica
           BacillussubtilisBF7658BF=北紡
           ClostridiumacetobutylicumATCC824丙酮丁醇梭菌
           ATCC=AmericanTypeCultureCollection美國模式菌種保藏中心
當文章中前面已出現過某學名時,後面的可將其屬名縮寫成1~3個字母。
例如:Escherichiacoli可縮寫成E.coli
           Staphylococcusaureus可縮寫成S.aureus                                                                                                 2三名法:用於對亞種的命名,這時在屬和種名後加寫一個subsp.,然後再附上亞種名稱(斜排體)。              例如:Bacillusthuringiensissubsp.galleria  蘇雲金芽孢桿菌臘螟亞種

學科分支編輯本段回目錄

微生物學經歷了一個多世紀的發展,已分化出大量的分支學科,據不完全統計(1990年),已達181門之多。根據其性質可以簡單歸納為下面6類:
1按研究微生物的基本生命活動規律為目的來分總學科稱普通微生物學(GeneralMicrobiology),分科如微生物分類學微生物生理學微生物遺傳學微生物生態學分子微生物學等。
2按研究的微生物對像分如細菌學真菌學(菌物學),病毒學原核生物學自養菌生物學厭氧菌生物學等。
3按微生物所處的生態環境分如土壤微生物學微生態學海洋微生物學環境微生物學水微生物學宇宙微生物學
4按微生物應用領域來分總學科稱應用微生物學(AppliedMicrobiology),分科如工業微生物學農業微生物學醫學微生物學藥用微生物學診斷微生物學抗生素學食品微生物學等。
5按學科間的交叉、融合分如化學微生物學分析微生物學微生物生物工程學微生物化學分類學微生物數值分類學微生物地球化學微生物信息學等。
6按實驗方法、技術分如實驗微生物學微生物研究方法等。

相關詞條編輯本段回目錄

參考資料編輯本段回目錄

1.大科普網:http://www.ikepu.com/biology/biology/branch/microbiology_total.htm
2.http://ced.xxjy.cn/
3.周德慶《微生物學教程》(第二版).北京:高等教育出版社,2002

 

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