Welcome to Microbiology Classroom

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1 Welcome to Microbiology Classroom
学而时习之， 不亦说乎？ 有朋自远方来，不亦乐乎？ 孔子《论语》

2 绪 论 呼伦贝尔学院优秀课 微生物学绪论 Introduction of Microbiology 高明华 呼伦贝尔学院

3 课程类别：专业必修课 总 学 时：68课时 总 学 分：3学分 开设学期：第五学期 适用专业：生物科学（师范类本科） 先修课程：动物学、植物学、生物化学、植物生理学

4 课程性质与任务 本课程为生物学专业本科生的必修课。通过学习微生物的形态结构、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布、传染免疫、分类鉴定以及微生物与其他生物的相互关系、多样性及应用等，使学生牢固掌握微生物学的基本理论、基础知识和基本技能，具有分析问题和解决实际问题的能力。了解该学科的发展前沿和热点问题，培养学生的实践能力、创新能力和团队精神，为今后从事相关领域的科研和实践工作打下坚实的基础。

5 课时目标： E：认识微生物学在生物科学专业中的重要地位，微生物与我们日常生活的关系； D：微生物学的研究任务； C：微生物的概念；微生物的五大共性； B：人类对微生物世界的认识史； A：微生物学及分科； 重点：微生物的五大共性； 难点：微生物的五大共性； 课后作业：P11-1、3；

6 ? 微生物绪论 1. 你所知道的微生物有那些？ 2. 微生物有什么作用？ 3. 当看到或听到细菌（或病毒）这个词时，首先 想到什么？
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7 Contents 一、什么是微生物 二、人类对微生物世界的认识史 三、微生物的发展促进了人类的进步 四、微生物的五大共性
五、微生物学及其分科 hlbrc-micro

8 一、什么是微生物（定义） 微生物 (Microorganism, Microbe)
一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。它们是一些个体微小，构造简单的低等生物。 一般来说，直径﹤0.1mm 的生物都是微生物，属于微生物学研究的范畴。 hlbrc-micro

9 1. 形体微小 2. 结构简单 3. 进化地位低 微生物的特点 肉眼观察不到，借助工具：光学显微镜、电子显微镜 测量单位：微米、纳米
无细胞结构 具原核 真核单细胞，或简单多细胞 3. 进化地位低 hlbrc-micro

10 微生物的分类 微 生 物 原核生物：细菌(真细菌，古细菌)，放 线菌，蓝细菌，支原体，衣 原体，立克次氏体等 细胞结构
真核微生物：真菌( 酵母菌，霉菌，蕈菌 )， 原生动物等 特点：µm (微米) 级，-细胞生物，光镜下可见 非细胞结构：病毒，亚病毒因子 ( 类病毒、拟病毒、 朊病毒、卫星病毒 ) 特点：nm (纳米) 级，-分子生物，电镜下可见 hlbrc-micro

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12 Three-Domain System (Woese’s )
Domain Bacteria Domain Archaea Domain Eucarya 细菌域 古生菌域 真核生物域 *This classification is based on the Similarity of 16S rRNA sequences. hlbrc-micro

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14 二、人类对微生物世界的认识史 （一）一个难以认识的微生物世界 原因：个体微小、外貌不显、杂居混生、因果难联。
列文虎克的显微镜、科赫的纯种分离和巴斯德的曲颈瓶试验 1. 艾滋病：即获得性免疫缺陷综合征，英语缩写: AIDS（Acquired Immune Deficiency Syndrome）的音译。1981年在美国首次被确认。人类免疫缺陷病毒, HIV - human immunodeficiency virus, 分为两型：HIV-1型和HIV-2型。 hlbrc-micro

15 2. 黄曲霉毒素 (aflatoxin，AFT) 是黄曲霉 (Aspergillus flavus)、寄生曲霉(A、parasiticus) 在生长过程中产生、分泌的次级代谢产物。它是一类毒性极强的物质，具有强致癌性和强免疫抑制性，广泛地分布在发霉粮食及其制品中。 3. 结核病 ( tuberculosis, TB ) 与肺结核 (pulmonary tuberculosis)：结核病是由结核杆菌 (tubercle bacillus) 引起的慢性传染病。 hlbrc-micro

16 人类迄今为止只消灭了天花 1979年10月26日，WHO宣布天花已被消灭，这是人类历史上消灭的第一个传染病。 hlbrc-micro
最后一例天花患者 1979年10月26日，WHO宣布天花已被消灭，这是人类历史上消灭的第一个传染病。 阿里·毛·马林 hlbrc-micro

17 （二）微生物学发展史 1. 史前期（约8000年前~1676） 直观应用时期 春秋战国时期 微生物分解有机物质,沤粪积肥。
公元二世纪的《神农本草经》 白僵蚕治病。 公元6世纪 后魏的贾思勰 《齐民要术》 谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。 豆科植物与其它作物轮作。 hlbrc-micro

18 2. 初创期（1676~1861） 形态描述阶段 主要贡献： 1）发现了微生物世界； 2）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性。
1676年，微生物学的先驱荷兰人列文·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。业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50~200倍。 主要贡献： 1）发现了微生物世界； 2）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性。 Antony van Leeuwenhoek ( ) hlbrc-micro

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20 3. 奠基期（1861~1897） 生理水平研究阶段 （1） 巴斯德与自然发生说 主要贡献： 1）曲颈瓶试验：病原学说；
2）预防接种，研究鸡霍乱、牛羊 炭疽病； 3）狂犬病：制备减毒疫苗； 4）发酵微生物引起：分离酵母菌； 5）巴斯德消毒法（60～65℃）。 Louis Pasteur ( ), one of the greatest scientists of the nineteenth century.

21 3. 奠基期（1861~1897） 生理水平研究阶段 （2）科赫与疾病的病菌说 主要贡献： 1）建立了疾病细菌说； 2）首创了细菌染色法；
3）首创了细菌的纯培养 ——固体培养基，证实 炭疽杆菌是炭疽病的病原 菌，发现结核分枝菌； 4）提出了著名的科赫法则。 Robert Koch（ ）

22 3. 奠基期（1861~1897） 生理水平研究阶段 （3）贝耶林克 加富培养细菌方法。 （4）维诺格拉斯基
土壤微生物研究的生态学观点和原位研究路线。 hlbrc-micro

23 4. 发展期（1897~1953） 生物化学水平研究阶段 始于二十世纪初，奠基人：E. Eüchner （1897年）
重要事件：亚历山大·弗莱明发现青霉素。 Alexander Fleming, ) hlbrc-micro

24 5. 成熟期（1953~至今） 分子生物学水平研究阶段 电子显微镜的使用和DNA的发现
James D. Watson (left) and Francis Crick propose a double-helical structure for DNA

25 三、微生物的发展促进了人类的进步 (一) 微生物与人类健康——医学成就 六大战役：外科消毒手术的建立； 寻找人畜重大传染病的病原；
免疫防治法的发明和广泛应用； 磺胺等化学治疗剂的普及； 抗生素的大规模生产和推广； 基因工程药物的出现。 hlbrc-micro

26 (二) 微生物与工业发展 (三) 微生物与农业生产 (四) 微生物与环境保护
发酵工程、细胞工程、遗传工程、酶工程和生物反应器工程——生物工程学 (Biotechnology) (三) 微生物与农业生产 生物防治技术；生物菌肥；食用菌；生物能源等。 (四) 微生物与环境保护 海洋和其他水体光合生产力的基础；食物链的重要环节；污水处理；污染物降解、环境监测指示生物。 hlbrc-micro

27 (五) 微生物与生命科学理论研究 模式生物 (model organism) —— 生命科学基础理论研究；
自然发生理论的否定、糖酵解机制的认识、基因与酶关系的发现、突变本质的阐明、核酸是遗传物质的证实、操作子学说的提出、遗传密码的揭示、基因工程的开创、PCR技术的建立、生物三域 (Three Domains) 理论的创建等。 hlbrc-micro

28 四、微生物的五大共性 （一）体积小，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
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29 (一)体积小，面积大 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。
杆菌的平均长度：2 µm； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度(3mm) ； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1mg 比面值 (面积/体积)：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 是五大共性的基础：巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的接受面。 hlbrc-micro

30 (二) 吸收多、转化快 人(50kg) 消化500~1000g/d 地鼠(体重3g) 消化3g/d
大肠杆菌 分解细胞重量 倍乳糖/h 吸收多 Escherichia. coli (大肠杆菌) 奶牛(500kg) 合成0.5kg蛋白质/24h 微生物细胞 合成自身重量30-40倍的细胞物质/24h 转化快 Candida utilis (产朊假丝酵母) 合成蛋白质能力比大豆强100倍，比食用公牛强10万倍。 hlbrc-micro

31 = （三）生长旺、繁殖快 4 000 生物界中，微生物具有最高的繁殖速度。尤其是以二分裂方式繁殖的细菌，其速度更是惊人。
E.coli每分裂一次时间为 min，按20min计算，每小时可分裂3次，每昼夜72次， 万亿个(重约4722吨)，48h为2.2X1043个(约等于4 000个地球的重量)。 由于种种条件限制，细菌的指数分裂只能维持数小时，因而在液体培养基中，细菌数能达到 个/ml。 = 48h 4 000 hlbrc-micro

32 微生物这个特性为它们生长繁殖和产生大量代谢产物提供了物质基础，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力。
根据这一特点可应用于发酵工业，解决人口与粮食的矛盾。 hlbrc-micro

33 （四）适应强、易变异 适应性强 1. 对营养物质的利用上的适应性。 2. 对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”的适应性。
耐0℃ ～－196℃低温； 耐250℃～300℃的高温； 耐盐（饱和盐水）； 耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）； 耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射。 hlbrc-micro

34 （四）适应强、易变异 易变异 青霉素对金黄色葡 萄球菌最低抑制浓度 青霉素的使用剂量 1940年： 10万元单位/次
1940年： 10万元单位/次 1980年： 输液80万单位/次 2000年： 输液800万-1000万单位/次 0.02 µg/ml 200 µg/ml 青霉素生产菌的发酵水平 1940年： 每毫升20单位 2000年： 每毫升10µ万单位 各种生物变异频率一样-----十分低 (如10-5～10-10) hlbrc-micro

35 (五) 分布广、种类多 分布广 微生物在自然界的分布：无处不在，无孔不入。 正常环境：土壤、空气、水域、生物体内外等。
极端环境：高空、深海底、2000米深的地层、温泉等。 hlbrc-micro

36 (五) 分布广、种类多 种类多 目前已经知道的动物约有150万种，植物50万种，微生物约200万种 (50-600万)。其中原核生物3500种、病毒4000种、真菌4万种。 苏联微生物学家伊姆舍涅茨基曾估计，“目前我们所了解的微生物总数，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10％”。如果这一估计不错的话，将来的某一天，微生物的总数可能会超过目前动、植物的种数之和。 hlbrc-micro

37 (五) 分布广、种类多 微生物的种类多即微生物多样性 微生物的多样性（microbiodiversity）主要体现在五个方面：
1. 物种的多样性：50~600万种 2. 生理代谢类型的多样性：分解、降解、转化 3. 代谢产物的多样性：已知次生代谢产物5万种 4. 遗传基因的多样性：微生物基因组 5. 生态类型的多样性：各种生态类型 hlbrc-micro

38 五、微生物学及分科 （一）微生物学 (Microbiology) 根本任务：
是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、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，并将其应用于工业发酵、农业生产、医疗卫生环境保护和生物工程等实践领域的科学。 根本任务： ——发掘、利用、改善和保护有益微生物； ——控制、消灭和改造有害微生物。 hlbrc-micro

39 （二）微生物学分科 微 生 物 学 基础微生物学 应用微生物学 hlbrc-micro 按微生物种类分 按过程或功能分 按与疾病关系分
按生态环境分 按技术与工艺分 按应用范围分 微 生 物 分 类 学 细 菌 学 真 菌 学 病 毒 学 菌 物 学 藻 类 学 原生动物学 微 生 物 生 理 学 微 生 物 遗 传 学 微 生 物 生 态 学 分 子 微 生 物 学 细 胞 微 生 物 学 微生物基因组学 免 疫 学 医学微生物学 流 行 病 学 土壤微生物学 海洋微生物学 环境微生物学 水 微 生 物 学 宇宙微生物学 分析微生物学 微生物技术学 发酵微生物学 遗 传 工 程 工业微生物学 农业微生物学 医学微生物学 药学微生物学 兽医微生物学 食品微生物学 预防微生物学 hlbrc-micro

40 使 用 教 材 hlbrc-micro

41 主要参考书（中文） hlbrc-micro

42 Reference Book hlbrc-micro

43 References 沈萍 2008. 微生物学 高等教育出版社。 J。尼克林著 林雅兰等译。 科学出版社。
沈萍 微生物学 高等教育出版社。 J。尼克林著 林雅兰等译。 科学出版社。 李阜棣 胡正嘉 微生物学。 第五版。中国农业出版社 。 赵斌 何绍江 微生物学实验。科学出版社。 Johnson.case. Laboratory Experiments in Microbiology. John P.Harley Lansing M.Prescott Microbiology 3th Edition. Ronald M.Atlas Clifford Renk Principles of Microbiology. Lansing, M. Prescott ;John, P. Harley; and Donald, A. Klein Microbiology, 5th ed. McGraw-Hill . Gerard J. Tortora ; Bardell R. Funke ; Christine L Case. Microbiology An Introduction , 6th . Benjamin/Cummings. Michael, T. Madigan; John, M. Martinko; and Jack, Parker Brock Biology of Microorganisms , 10th . Prentice-Hall.

44 微生物学发展中的重大事件 时 间 重 大 事 件 1857 巴斯德证明乳酸发酵是由微生物引起的 1861
巴斯德用曲颈瓶实验证明微生物非自然发生，推翻了争论已久的“自生说” 1864 巴斯德建立巴氏消毒法 1867 Lister创立了消毒外科，并首次成功地进行了石炭酸消毒试验 柯赫证明炭疽病由炭疽杆菌引起 1881 柯赫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 柯赫*发现结核杆菌 1884 柯赫法则首次发表；Metchnikoff*阐述吞噬作用；建立高压蒸汽灭菌和革兰氏染色法 1885 巴斯德研究狂犬疫苗成功，开创了免疫学 1887 Richard Petri发明了双层培养皿 1888 Beijerinck首次分离根瘤菌 1890 Von Behring*制备抗毒素治疗白喉和破伤风 1891 Steinberg与巴斯德同时发现了肺炎球菌 1892 Ivanowsky提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；Winogradsky发现硫循环 1897 Buchner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 1899 Ross*证实疟疾病原菌由蚊子传播 Ricketts发现立克次氏体；Ehrtich*首次合成了治疗梅毒的化学治疗剂 1928 Griffith发现细菌转化 1929 Fleming*发现青霉素 1935 Stanley*首次提纯了烟草花叶病毒，并获得了它的“蛋白质结晶” 1943 Luria*和Delbruck*用波动试验证明细菌噬菌体的抗性是基因自发突变所致；Chain*和Florey* 形成青霉素工业化生产的工艺

45 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 Lederberg*和Tatum发现细菌的接合现象、基因连锁现象 1949 Enders*、Robbins*和Weller*在非神经的组织培养中，培养脊髓灰质炎病毒成功 1952 Hershey*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 1953 Watson*和Crick*提出DNA双螺旋结构 1956 Umbarger发现反馈阻遏现象 1961 Jacob*和Monod*提出基因调节的操纵子模型 Holhy*、Khorana*、Nirenberg*等阐明遗传密码 1969 Edelman*测定了抗体蛋白分子的一级结构 Arber*、Nathans*和Smith*发现并提纯了限制性内切酶；Temin和Baltimore发现反转录酶 1973 Ames建立细菌测定法检测致癌物；Cohen等首次将重组质粒转人大肠杆菌成功 1975 Köhler和Milstein*建立生产单克隆抗体技术 1977 Woese提出古生菌是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 Cech*和Altman*发现具催化活性的RNA(ribozyme)；McClintock*发现的转座因子获得公认； Prusiner*发现朊病毒(prion) Gallo和Montagnier分离和鉴定人免疫缺陷病毒；Mullis*建立PCR技术 1988 Deisenhofer等发现并研究细菌的光合色素 1989 Bishop*和Varmus*发现癌基因 1995 第一个独立生活的生物(流感嗜血杆菌)全基因组序列测定完成 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

46 小 结 1. 微生物的概念与分类 2. 人类对微生物世界的认识史 3. 微生物的五大共性 4. 微生物的作用 5. 微生物学及其分科
小 结 1. 微生物的概念与分类 2. 人类对微生物世界的认识史 3. 微生物的五大共性 4. 微生物的作用 5. 微生物学及其分科 hlbrc-micro

47 清明上河图