Chapter 1 基本微生物學

1.1 微生物的世界 1.1.1 緒論 生物界依細胞形式、生理特性，可粗分: 植物: 不具活動性、但可行光合作用； 動物: 可自由活動，依賴其他有機物，維持 生命； 微生物:單細胞、細小生物，包括有 藻類 (algae) 、細菌(bacteria) 、真菌 (fungi) 、原生動物(protozoa)和病毒 (viruses) ，如圖1.1。

微生物與動植物細胞不同之重要特徵: 單細胞或細胞聚落； 自己自足的單位:； 未完全分化之構造。

1.1.2 微生物之重要性 一、 微生物對人類之重要性 好處: 1. 人類健康維持，如疫苗和抗生素等； 2. 食品製造，如釀酒其他發酵製品等； 3. 醫學治療，如胰島素和其他必需營養物 質等； 4. 農業發展，如根瘤菌(Rhizobium)等 壞處 1. 引起疾病，如流行性感冒、愛滋病等 2. 食物中毒，如葡萄球菌中毒等

二、微生物對自然界之重要性 1. 分解自然產物，以食物鏈進行 生產者(producer) 、 消費者 (consumer) 及分解者(decomposer) 2. 促進自然界的物質循環 礦化作用(mineralization):有機物轉化成 無機物的分解過程 3. 分解人工合成有機物，如DDT、PCBs等 4. 分解廢污水的有機物 生物處理法(biological treatment)如活性 污泥法(activated sludge process)及生物旋 轉盤法(rotating biological treatment)

1.2 微生物學的發展 前人雖有疾病及進行發酵製品，但仍無法確立有微生物之存在，主要受下列問題影響: 1. 微生物存在與否； 2. 自然發生說是否存在； 3. 感染性疾病之特性為何。

直到19世紀，科學家逐漸解開問題，同時有7個發展階段: 1. 微生物的發現； 2. 病源論； 3. 病毒的發現； 4. 免疫學； 5. 化學治療； 6. 生理與遺傳； 7. 生物技術與遺傳工程

1.2.1 微生物的發現 一 、顯微鏡的發明及微生物的發現 1.強生斯(Zacharias Jenssens): 荷蘭眼鏡專家，製造第一台複式顯微鏡。 2.包瑞里(Giovanni Borelli, 1608-1679): 利 用顯微鏡觀察自然物質。 3.李文虎克(Antony van Leeuwenhoek, 1632- 1723): 自製放大266倍簡單顯微鏡，觀察、紀錄、發表稱微動物(animalcules)，分球、桿、螺旋形，因而尊稱為原生動物及細菌學之父。

二、生源論學說之建立 1、自然發生說: 生命可以來自無生命之物質 亞理士多得(Aristole, 384-322 BC)，認為高等動物來自卵，但低等動物則可自然發生。 赫爾蒙特(J. B. van Helmont, 1577-1644) :碎布生鼠 約伯洛特(Louis Joblot, 1645-1722)以煮沸乾草浸液做實驗，密封者，無空氣不長菌；不封者，長纖毛蟲類，應是自然發生的。 尼達姆(John T. Needham, 1713-1781)重複上述實驗，並另外以肉汁為材料，發現密封與否，皆會長微生物，因此是自然發生的。對嗎? 為什麼?

2. 生源論: 生命不會無中生有，應其來有自。 雷迪(Francesco Redi, 1626-1697):以玻璃瓶裝肉，上面一加紗布、一不加 。加紗布者，未長蛆，蛆來自蒼蠅。 斯巴倫札尼(Lazaro Spallanzani, 1729-1799): 重覆尼達姆實驗，但煮沸時間加長，密封於容器中，肉汁無微生物。此結果被質疑，因空氣無法進入，致使自然發生無法進行。 舒旺和舒爾茲(Theodor Schwann and Franz Schulze): 將空氣通過強酸處理，且肉汁未變壞。但被質疑，強酸會破壞空氣成份。

史洛登和范杜傑(Heinrich G. F. Schroder and Theodor von Dusch): 利用脫脂棉花過濾空氣，肉汁未變壞，證實空氣並無產生生命力之物質。 巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895): 證實細菌存在及空氣為傳播媒介。依上述實驗，由棉花培養出微生物，並發明巴斯德燒瓶，徹底粉碎自然發生說。因而尊稱 微生物之父。 丁繹爾(John Tyndall, 1820-1893): 發明無塵盒，更確認空氣是傳播介質。

1.2.2 病源論 確認疾病是由微生物引起，主要代表人物有巴斯德、柯霍(Robert Koch, 1843-1910)及李斯特(Joseph Lister, 1827-1912)。 1. 簡單的疾病預防 -巴斯德 傳染病之隔離 – 蠶病為例 接種疫苗 – 減毒之炭疽桿菌與狂犬病， 接種於動物或人體，可預防疾病。 低溫滅菌法 – 60oC、30分鐘，處理酒或 乳製品，可降低致病菌。

2. 疾病病源說 – 柯霍 柯霍氏準則 A、 致病菌可自患者身上取得，健康生 物體則無； B、 致病菌可在生物體外培養； C、 培養出之致病菌，注入健康生物 體，可使生物致病，且病徵相同； D、 致病菌仍可從發病生物體分離，培 養後，與原致病菌同。 同時 ，固體培養基發明，因而使純種培 養(pure culture)成可能。

3. 醫療消毒的發展 – 李斯特 以5%之石碳酸(carbolic acid)，噴灑於 外科手術之器材，提高手術成功率，因 而尊稱為外科之父。

1.2.3 病毒的發現 1880年，巴斯德發現骨髓炎和產褥熱，是由濾過性病毒引起； 1892年，依凡諾斯基(Dmitri Ivanovski)發現植物煙草鑲崁病毒且其可通過極小濾器； 1899年，拜傑林克(Martinus W. Beijerinck)將此命名為濾過性病毒； 1898年，屢福勒(Friedrich A. J. Loeffler)發現動物牛的口啼疫病毒； 1900年，美軍確定人的黃熱病病毒； 1931年，發現麻疹、水痘等病毒。 爾後，電子顯微鏡之發明更使病毒的發現更進一步。

1.2.4 免疫學 免疫學說的建立 1884年，馬契尼考夫(E. Metchnikoff)提出細胞免疫學說，他發現人體白血球(吞噬細胞)可吞噬入侵之微生物，是為免疫作用。 2.疫苗的發展 珍納(Edward Jenner, 1749-1823)注意染牛痘之牛奶女工不會染天花，因而將牛痘注入人體，可預防天花。

1.2.5 化學治療(chemotherapy) 利用化學藥劑直接殺細死微生物，達成治療效果。 席登罕姆(Thomas Sydenham, 1624-1689) ，在金雞納樹(cinchona tree)樹皮，萃取出奎寧(quinine)，用來治療瘧疾。 艾爾利(Ehrlich, 1854-1915) ，在1910年合成鹽酸二氨基砷酚有效治療梅毒。 抗生素(antibiotics) – 青黴素(penicillin)，弗烈敏(Alexander Fleming)發現 普托斯(prontosil)，為磺安素前身，多馬 克(Domagk)合成 鏈黴素(streptomycin)，瓦克斯曼 (Selman Waksman)發現

1.2.6 生理與遺傳 微生物生理: 起於始於巴斯德，研究葡萄釀酒發酵作用之菌種、產物、條件等。 微生物遺傳: 1944年，愛威利(O. T. Avery) 、馬克里奧(MacLeod)及麥卡迪(McCarty)利用肺炎球菌，發現DNA為遺傳物質； 1958年，李得堡(Lederberg)觀察基因之生化反應； 1959年，孔博格(Kornberg)與歐斯拉(Ochoa)以化學方法分離DNA和RNA。

1.2.7 生物技術及遺傳工程 污染去除 環境工程 生物技術 遺傳工程

1.3 微生物學的應用 一、 微生物特性研究； 二、 微生物生命現象之討論； 三、 微生物之變異與演化； 四、 微生物對動植物之影響； 五、 微生物和自然環境互動關係。 以型態生理來分:細菌學真菌學等 以應用範圍來分: 基礎發展與實際應用

微生物實際應用與研究內容包括: 一、 醫學微生物學 二、 環境微生物學 1. 衛生工程上之微生物 2. 污染物之生物淨化作用 3. 生物累積作用(bioaccumulation) 4. 生態及元素循環 – C、N、P、S、Fe cycle 三、 工業微生物學 四、 農業微生物學

1.3.2 微生物在環境工程上之應用 環境工程之定義 環境工程師應用微生物: 一、 分解環境污染物質 1、 廢污水生物處理 – 一級(物理) 、二級 (生 物) 、三級(化學)處理 2、 固體廢棄物處理 – 衛生掩埋法及堆肥 3、 毒性化學物質之分解 二、 水體的自淨作用 涵容能力: 在不影響正常用途下水體承受有機 污染量之能力

自淨作用: 在涵容能力內水體將有機物 分解之能力 三、 環境污染及廢污水之生物指標 1、 病原菌 – 水媒疾病 2、 大腸菌類 – 來判斷水質污染及水的衛生性質 3、 藻類 – 優養化(eutrofication) 4、 原生動物 – 廢水處理操作依據

微生物在環境之負面影響: 1、 致病菌污染 2、 管線腐蝕 3、 臭味問題 A、 藻類優養化現象 B、 微生物以好氧或厭氧分解污染物 4、 造成阻塞、縮短流程

作業 1、 何謂柯霍氏準則 ? 2、 微生物在環境工程之應用為何? 1、 何謂柯霍氏準則 ? 2、 微生物在環境工程之應用為何? 3、 環境污染及廢污水生物處理的生物指標 有那些? 病毒可否成為生物指標? 4、 試述微生物與動植物細胞不同之重要特 徵? 5、 請由章節中介紹之人、事或物，搜集資 料，簡單介紹其貢獻及重要性。(儘量為 文中未深提及之軼事)