微生物的的教案.docx

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第一章绪 论

[教学目标]通过本章的教学，使学生掌握什么是微生物？

微生物的基本特征；微生物学和微生物学发展的历史。

[教学的重点和难点]微生物的概念和微生物的基本特征，微生物学发展过程中起重要作用的人和事。

[教学方法和手段]主要以讲授为主，实验教学为辅。

[教学内容]

§1微生物概述

一、微生物的概念

1、什么是微生物？

微生物（microbe,microorganism）非分类学上名词，来自法语"Microbe"一词。

通常是描述一切不借助显微镜用肉眼看不见的微小生物。

这类微生物包括病毒、细菌、古菌、真菌、原生动物和某些藻类。

微生物是指大量的、极其多样的、不借助显微镜看不见的微小生物类群的总称。

因此，微生物通常包括病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）、具原核细胞结构的真细菌、古生菌以及具真核细胞结构的真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、原生动物和单细胞藻类，它们的大小和特征见表1.1所示。

但是有些例外，如许多真菌的子实体、蘑菇等常肉眼可见；相同的，某些藻类能生长几米长。

一般来说微生物可以认为是相当简单的生物，大多数的细菌、原生动物、某些藻类和真菌是单细胞的微生物，即使为多细胞的微生物，也没有许多的细胞类型。

病毒甚至没有细胞，只有蛋白质外壳包围着的遗传物质，且不能独立存活。

微生物

表1.1

微生物形态、大小和细胞类型

大小近似值

细胞的特性

病毒

0.01~0.25m

非细胞的

细菌

0.1~10m

原核生物

真菌

原生动物

2m~1m

2~1000m

真核生物

真核生物

藻类

1米~几米

真核生物

2、生物中哪些是微生物？

原核生物 真细菌、古细菌

细胞生物

生 真核生物 真菌、单细胞藻类、原物

生动物

非细胞生物 病毒、亚病毒

二、生物分界（微生物在生物界的位置）

1、两界系统（亚里斯多德）

动物界Animalia：

不具细胞壁，可运动，不行光合作用。

植物界Plantae：

具有细胞壁，不运动，可行光合作用。

三界系统：

动物界、植物界和原生生物界Protista：

（E.H.Haeckel,1866年提出）

2、五界系统

R.H.Whitakker,Science,163:

150～160,1969

原核生物界Monera：

细菌、放线菌等

原生生物界Protista：

藻类、原生动物、粘菌等真菌界Fungi：

酵母、霉菌

动物界Animalia：

植物界Plantae：

五界系统是以细胞结构分化的等级以及和光合、吸收、摄食这三种主要营养方式有关的组织类型为基础的。

六界：

前五界加上病毒界。

3、三界（域）系统

Woese用寡核苷酸序列编目分析法对60多株细菌的16SrRNA序列进行比较后，惊奇地发现：

产甲烷细菌完全没有作为细菌特征的那些序列，于是提出了生命的第三种形式--古细菌（archaebacteria）。

随后他又对包括某些真核生物在内的大量菌株进行了16SrRNA（18SrRNA）序列的分析比较，又发现极端嗜盐菌和极端嗜酸嗜热菌也和产甲烷细菌一样，具有既不同其他细菌也不同于其核生物的序列特征，而它们之间则具有许多共同的序列特征。

于是提出将生物分成为三界（Kingdom）（后来改称三个域）：

古细菌、真细菌（Eubacteria）和真核生物（Eukaryotes）。

1990年，他为了避免把古细菌也看作是细菌的一类，他又把三界（域）改称为：

Bacteria（细菌）、Archaea（古生菌）和Eukarya（真核生物）。

并构建了三界（域）生物的系统树。

三、微生物的特点生命基本特征：

生命通过它的耐久性、适应性、它的生长及修复的能力和它的繁殖而延续下去，这是生命的基本的和普遍的特征。

新陈代谢，包括外部的和内部的，是一切生命的另一基本特征。

控制与调节，是生命的又一基本特征。

1、体积小、比表面积大

大小以um计，但比表面积（表面积/体积）大，必然有一个巨大的营养吸收，代谢废物排泄和环境信息接受面。

这一特点也是微生物与一切大型生物相区别的关键所在。

特点1举例

乳酸杆菌：

120,000

鸡蛋：

1.5

人（200磅）：

0.32、吸收多、转化快

这一特性为高速生长繁殖和产生大量代谢物提供了充分的物质基础。

特点2举例

重量相同下：

乳酸菌：

1小时可分解其体重1000至10000倍乳糖。

人：

2.5×105小时消耗自身体重1000倍乳糖。

3、生长旺、繁殖快

极高生长繁殖速度，如E.coli20～30分钟分裂一次，若不停分裂，48小时后分列为2.2×1043个细菌，但随着细菌数量的增加，营养物质的消耗，代谢废物的积累，限制生长速度。

这一特性可在短时间内把大量基质转化为有用产品，缩短科研周期。

也有不利一面，如疾病、粮食霉变。

4、适应强、易变异

极其灵活适应性，对极端环境具有惊人的适应力。

遗传物质易变异。

5、分布广、种类多

分布区域广，分布环境广。

生理代谢类型多，代谢产物种类多，种数多。

所以微生物是很好的研究对象，具有广泛的用途。

四、微生物学的重要性

微生物与人类生活所有方面紧密联系，下面仅列出几个：

1、自然界的物质循环和环境保护

微生物在碳循环、氮循环和磷循环（地球化学循环）中承担主要作用，构成生物体的所有基本成分。

它们可与植物相连系存在共生的关系，维持土壤肥力和环境中有毒化合物的清洁剂（生物除污）。

某些微生物是破坏植物的病原菌，它们毁灭重要的作物，但是，也可有另外的作用，即它们是针对这些疾病的生物防治剂。

2、医药

某些微生物可引起众所周知的疾病如：

天花（天花病毒）、霍乱（霍乱弧菌）和疟疾（疟原虫属，原生动物）。

但是，微生物也能向我们提供抗生素）和其他的医学上的重要药物，通过此种方式控制它们。

3、食品

微生物在生产食品的许多加工业中已被应用了几千年，从酿造、酒的酿制、干酪和面包制作到酿造酱油；害处方面，微生物引起食品酸败和常由于携带在食品上的微生物而引起疾病。

4、生物工程

传统的微生物已被用于合成许多重要的化合物，如丙酮、醋酸。

最近，遗传工程技术的进步已经引导可在微生物中克隆药用的重要多肽，然后，可以大规模的生产。

5、科学研究

微生物由于比其更复杂的动物和植物更容易操作，已被广泛用作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程。

几百万个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且低值获得均质的实验材料。

另外的益处是大多数人对用这些微生物进行实验没有种族上的异议。

§2微生物学的研究内容与成就

一、微生物学的基本内容

微生物学是研究微生物生命活动规律的学科。

它的基本内容是：

①微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；②微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之

间的相似性和区别，以及微生物的起源；③生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；④微生物同人类的关系。

二、微生物学的发展简史

科学的历史就是科学本身。

"--歌德；

中国古代：

酒文化，"仪狄作酒，禹饮而甘之。

"《书经》"若作酒醴，尔惟曲蘖（nie）"

《齐民要术》提倡轮作制。

宋真宗时代（公元998-1022，天花防御。

1、微生物的发现—形态学时期

AntonyVanLeeuwenhock，（1632～1723）：

第一个报告自己观察的人。

他观察了几乎每一个想看到的东西，雨水、污水、血液、体液、酒、醋、牙垢等，发现了微生物，称为"微动体"。

2、微生物学的奠基—生理学时期

微生物学的一套基本技术在19世纪后期均已完善，包括显微术、灭菌方法、加压灭菌器（Chamberland，1884）、纯培养技术、革兰氏染色法（Gram，1884）、培养皿（Petri，1887）和琼脂作凝固剂等。

代表人物：

LouisPasteur，（1822～1895）：

他的一生给人类生活带来了史无前例的影响。

（1）证实了微生物活动和否定了微生物自然发生学说。

（2）免疫学—预防种痘

（3）发酵的研究

（4）其他贡献否定自生说。

关于自然发生的争论：

自然发生说（无生源说）：

认为微小动物是从无生命的物质自然发生的。

生源说：

认为微小动物是从微小动物的"种子"或"胚"形成的，"种子"或"胚"存在于空气中。

已进行的实验：

1665年，FracescoRedi腐肉生蛆实验，否定了动物自生说。

Spallanzani实验，充分加热的有机汁液中长出微生物原因是由于空气将微生物带进了汁液，因而

采取完全密封隔绝的封闭法。

18世纪末发现O2，意识到O2是动物生活必需一种气体。

Pasteur实验

①首先验证了空气中确实含有显微镜可观察到的"有机体"。

②加热过的空气通入汁液（煮沸过）并不导致微生物生长。

③在一封闭容器内，对完全灭菌的汁液加上一些收集到的微生物，无例外地引起微生物生长。

④设计鹅颈瓶进行实验，最终否定自生说。

免疫学贡献

EdwardJenner，1796发明种痘，不了解机制。

Pasteur1877研究了鸡霍乱、炭疽病和恐水病，发现钝化病原体可以诱发免疫性和预防疾病。

发酵研究

相信一切发酵作用都和微生物的存在及繁殖有关。

不同的发酵是由不同的微生物引起的。

发明巴斯德消毒法。

观察丁酸发酵时，发现厌氧生命，提出好氧、厌氧术语。

RobertKoch（1843-1910）：

（1）建立微生物学研究基本技术

①分离和纯化细菌：

划线法，混合倒平板法。

琼脂、培养皿（Petri）

②设计了培养细菌用的肉汁胨培养液和营养琼脂培养基。

③设计了细菌染色技术

（2）证实疾病的病原菌学说，提出了柯赫准则。

①某一种微生物，当被怀疑是病原体时，它一定伴随着病害而存在；

②必须能自原寄主分离出这种微生物，并培养成为纯培养；

③用已纯化的纯培养微生物，人工接种寄主，必须能诱发与原来病害相同病害；

④必须自人工接种发病的寄主内，能重新分离出同一病原微生物并培养成纯培养。

其他人：

SergeWinogradsky,1856～1953,发现微生物的自养生活；

BeijerinckM.W.，1851～1931，发现了非共生固氮菌；JosephLister，1864年提出无菌外科操作技术；

ElieMetchnikoff发现白细胞的吞噬作用；

Ivanovsky发现烟草花叶病毒；

P.Ehrlich现代化疗的开始。

3、现代微生物学发展—分子生物学阶段

（1）现代发酵工业的形成：

1941，Florey&Chain

将青霉素投入生产，是通气培养微生物的开端，将微生物学与工程学结合。

（2）微生物代谢作用研究；

1944，Avery肺炎球菌转化实验，确定DNA是遗传物质，标志着分子生物学的形成。

1953，Watson&Crick提出DNA双螺旋结构以及半保留复制假说。

（3）分子生物学阶段

20世纪70年代，基因工程的发展，工程菌的构建更促进了微生物学的发展。

微生物学推动生命科学的发展，促进许多重大理论问题的突破，对生命科学研究技术的贡献，与"人类基因组计划"。

4、微生物学的应用前景

继续采用微生物作为生命科学的研究材料。

微生物生产与动植物生产并列为生物产业的三大支柱。

在工业中许多产品利用微生物来生产，如各种生物活性物质（抗生素等）、化工原料（酒精等）。

微生物在农业生产中也有着多方面的作用。

微生物在食品加工中有广泛用途，发酵食品和许多调味品都离不开微生物。

微生物是消除污染、净化环境的重要手段。

在新兴的生物技术产业中，微生物的作用更是不可替代。

作为基因工程的外源DNA载体，不是微生物本身（如噬菌体），就是微生物细胞中的质粒；被用作切割与拼接基因的工具酶，绝大多数来自各种微生物。

由于微生物生长繁殖快、培养条件较简易，当今大量的基因工程产品主要是以微生物作为受体而进行生产，尤其是大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和酿酒醉母。

借助微生物发酵法，人们已能生产外源蛋白质药物（如人胰岛素和干扰素等）。

尽管基因工程所采用的外源基因可以来自动植物，但由于微生物生理代谢类型的多样性，它们是最丰富的外源基因供体。

与高等动植物相比，已知微生物种类只是估计存在数量的很小一部分。

哺乳动物和鸟类的物种几乎全部为人们所掌握，被子植物已知种类达93%，但细菌已知种数仅为估计数的12%，真菌为5%，病毒为4%（Bull，1992）。

目前研究的也只是已知种类的很少一部分。

根据SCI（sciencecitationindex）资料，1991—1997发表的微生物学文献大量集中在8个属，尤其是埃希氏杆菌，其中大肠杆菌又占主要部分（Galvez等，1998）。

可以想像，既然对少数已知微生物的研究就已为人类作出了重要贡献，通过对多样性微生物的开发必然会为社会带来巨大利益。

微生物学事业方兴未艾。

微生物基因组学研究将全面展开，以微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为主要内容的微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学将基因组信息在基础上获得长足发展。

第二章微生物的主要类群

第一节原核生物的形态、构造和功能

[教学目标]通过本章的教学，使学生掌握微生物的种类和特征、掌握以细菌为代表原核微生物的形态结构、化学组成和繁殖特征等。

[教学的重点和难点]细菌的基本形态、构造和特征；原核微生物之间的区别；革兰氏染色；细菌的群体形态特征。

[教学方法和手段]主要以讲授为主，应用多媒体课件进行形象生动的课堂教学。

设计微生物学形态学综合实验，从菌落形态、染色方法和显微镜观察等多方面进行实验教学。

[教学内容]

非细胞型（acellularmicroorganism）：

病毒、亚病毒

细胞型：

原核微生物（prokaryotes）：

细菌、放线菌等。

特点是无明显核，也无核膜、核仁。

原核生物即广义的细菌，指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区（nuclearregion）的裸露DNA的原始单个细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古细菌（archaea）两大类群。

真核微生物（eukaryoticmicroorganism）：

酵母菌、霉菌。

特点是有明显核，有核膜、核仁。

本章主要介绍原核生物的六种类型：

细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体。

表2.1原核生物和真核生物遗传的和细胞组装上的主要差别原核生物 真核生物

遗传物质和复制的组装

DNA在细胞质中游离 DNA在膜包围的核中，只有一个核仁

只有一个染色体 多于一个染色体，每个染色体是双拷贝（双倍体）

DNA与类组蛋白连系 DNA与组蛋白连系

含有染色体外的遗传物质，称为质粒 只在酵母中发现质粒

在mRNA中没有发现内含子 所有基因中都发现内含子细胞分裂以二等分裂方式，只有无性繁殖 细胞分裂为有丝分裂

遗传信息传递可通过接合、转导、转化发生 遗传信息交换发生在有性繁殖过程，减数分裂导致产生单倍体

细胞（配子），它们能融合。

细胞的组装

质膜含有hopanoids、脂多糖和磷壁酸 质膜含有固醇

能量代谢与细胞质膜连系 多数情况在线粒体中发生

光合作用与细胞质中膜系统和泡囊连系 藻类和植物细胞中存在叶绿体

蛋白质合成和寻靶作用与内膜、粗糙内质网膜和高尔基体相连系有膜的泡囊如溶酶体和过氧化物酶体有微管骨架存在

由一根蛋白鞭毛丝构成鞭毛 鞭毛有9+2微管排列的复杂结构

核糖体——70S 核糖体——80S（线粒体和叶绿体的核糖体是70S）

肽聚糖的细胞壁（只有真细菌有，古细菌中是不同的多聚体）

多糖的细胞壁，一般或者是纤维素或者是几丁质

原核细胞和真核细胞的区别原核生物和真核生物

原核生物和真核生物细胞之间有许多差别。

真核生物的主要特征是有细胞核和如线粒体、叶绿体的细胞器及复杂的内膜系统。

病毒属于非细胞类，细菌属于原核生物，所有其他微生物属于真核生物。

原核细胞和真核细胞的区别

核、核膜、染色体

原核生物细胞没有核膜，有一个明显的核区，这个核区上集中了它的主要遗传物质，由一条与类组蛋白相联系的双链DNA构成的染色体组成。

真核生物细胞则是由一条或一条以上的双链DNA与组蛋白等结合成的染色体，并由核膜包围。

代谢场所

原核细胞没有独立的内膜系统，与代谢有关的酶如呼吸酶合成酶等位于细胞膜上，因此它的能量代谢在质膜上进行。

真核细胞不仅有独立的内膜系统，还有细胞骨架，呼吸酶在线粒体中，有专用的细胞器来完成各

项生理功能，如线粒体、叶绿体。

核糖体的大小和分布

原核细胞的核糖体大小为70S，常以游离状态或多聚体状态分布于细胞质中。

真核细胞的核糖体大小为80S，可以游离状态存在于细胞结合于内质网上。

线粒体和叶绿体内有各自在结构上特殊的核糖体。

§1细菌

细菌（bacteria）是一类细胞细短（直径约0.5μm，长度约0.5～5μm）、结构简单，胞壁坚韧，多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。

1000倍以上显微镜才能看到其形状。

一、细菌的形态构造及其功能

（一）形态与染色

1、基本外形：

球状——球菌；杆状——杆菌；螺旋状——螺旋菌。

（1）球菌（Coccus）：

球形或近球形，根据空间排列方式不同又分为单、双、链、四联、八叠、葡萄球菌。

不同的排列方式是由于细胞分裂方向及分裂后情况不同造成的。

细胞呈球状或椭圆形。

根据这些细胞分裂产生的新细胞所保持的一定空间排列方式有以下几种情形：

见图2-1

单球菌——尿素微球菌（图2-1-1）双球菌——肺炎双球菌（图2-1-2）链球菌——溶血链球菌（图2-1-3）四联球菌——四联微球菌（图2-1-4）

八叠球菌——尿素八叠球菌（图2-1-5）葡萄球菌——金黄色葡萄球菌（图

2-1-6）

（2）杆菌Bacillus（Bacterium）：

杆状

或圆柱形，径长比不同，短粗或细长。

是细菌中种类最多的。

杆菌细胞呈杆状或圆柱形。

图2.1中B的7为长杆菌和短杆菌，8为枯草芽孢杆菌，9为溶纤维梭菌。

（3）螺旋菌（Spirillum）：

细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。

是细胞呈弯曲杆状细菌统称，一般分散存在。

根据其长度、螺旋数目和螺距等差别，分为弧菌Vibrio（菌体只有一个弯曲，形似C字）和螺旋菌（螺旋状，超过1圈）。

与螺旋体Spirochaeta区别：

无鞭毛。

弧菌偏端单生鞭毛或丛生鞭毛（图2-1-10）螺旋菌两端都有鞭毛（图2-1-11）

细菌形态不是一成不变的，受环境条件影响（如温度、培养基浓度及组成、菌龄等）。

异常形态：

一般，幼龄，生长条件适宜，形状正常、整齐。

老龄，不正常，异常形态。

畸形：

由于理化因素刺激，阻碍细胞发育引起。

衰颓形：

由于培养时间长，细胞衰老，营养缺乏，或排泄物积累过多引起。

2、细菌染色法

细菌染色法

死菌

活菌：

用美蓝或TTC等

负染色：

荚膜染色法

正染色

鉴别染色法

荚膜染色法

革兰氏染色

抗酸性染色法芽孢染色法

姬姆萨（Giemsa）染

由于细菌细胞既小又透明，故一般先要经过染色才能作显微镜观察。

细菌染色法

3、细菌的大小

细菌大小的度量单位：

以m为单位。

细菌大小的表示：

球菌一般以直径来表示，球菌直径0.5～1um。

杆菌和螺旋菌则以长和宽来表示。

如12.5m，杆菌直径0.5～1um，长为直径1～几倍，螺旋菌直径0.3～1um，长1～50um。

细菌大小的测定：

在显微镜下使用显微测微尺测定。

细菌大小也不是一成不变的。

细菌的重量：

每个细菌细胞重量10-13～10-12g，大约109个E.coli细胞才达1mg重。

二、细菌的细胞构造

研究细菌细胞结构是分子生物学重要内容之一，有了电子显微镜才有可能。

其结构分为基本结构和特殊结构。

（一）细菌细胞的一般构造

基本结构是细胞不变部分，每个细胞都有，如细胞壁、细胞膜、细胞核。

1、细胞壁

①概念：

细胞壁（cellwall）是细胞质膜外面具有一定硬度和韧性的壁套，使细胞保持一定形状，保障其在不同渗透压条件下生长，即使在不良环境中也能防止胞溶作用。

真细菌的细胞壁由肽聚糖构成，而古细菌细胞壁组成物质极为多样，从类似肽聚糖的物质、假肽聚糖，到多糖、蛋白质和糖蛋白。

真细菌细胞壁由肤聚糖构成，肤聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）和带有交替排列的D-型或L-型氨基酸侧链的N-乙酰胞壁酸（NAM）的多聚体。

它是高度的交联的分子，使得细胞具有刚性、强度和保护细胞抵抗渗透压的裂解。

肽聚糖有许多独特的特性，如D-型氨基酸，它可作为抗生素攻击肽聚糖的靶目标（抗生素通过抑制或干扰肽聚糖合成而使细胞壁缺损）。

革兰氏阳性细菌细胞还含有磷壁酸。

②功能：

细菌细胞壁的生理功能有：

保护原生质体免受渗透压引起破裂的作用；维持细菌的细胞形态（可用溶菌酶处理不同形态的细菌细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明）；细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保留蛋白质在间质（革兰氏阴性菌细胞壁和细胞质之间的区域）；细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。

③革兰氏染色

革兰氏染色根据1884年革兰姆·克里斯琴（ChristianGram）发明的染色反应，真细菌常常分成两类。

对染色步骤反应的差别是由于两类细菌的细胞外膜结构。

革兰氏阳性细菌有单一的膜称作细胞膜（或原生质膜），周围被厚的肽聚糖层包围（20～80nm）。

革兰氏阴性细菌只有一薄层肽聚糖（1—3nm），但是在肽聚糖层外边，仍有另一层的外膜，作为另外的屏障（图2.3）。

革兰氏染色步骤如下：

固定过的细胞用暗染色例如结晶紫染色，接着加碘液媒染，细菌细胞壁内由于染色形成结晶紫与碘的复合物。

随后加酒精从薄的细胞壁中洗出结晶紫与碘暗染色的复合物，但是结晶紫—碘复合物不能从厚的细胞壁中洗出。

最后，用较浅的石炭酸复红复染。

加石炭酸复红染色，使脱色的细胞呈粉红色，但在暗染色的细胞中没有看到粉红色，仍保持第一次的染色结果。

保持原来染色（厚的细胞壁）的细胞称作革兰氏阳性，在光学显微镜下呈现蓝紫色。

脱色的细胞（薄的细胞壁和外膜）称作革兰氏阴性，染成粉红色或淡紫色。

步骤

表2.2革兰氏染色程序和结果

方法

结

果

初染

阳性（G+）

结晶紫30s 紫色

阴性（G-）

紫色

媒染剂

碘液30s 仍为紫色

仍为紫色

脱色

复染

95%乙醇10—20s 保持紫色

蕃红（或复红）30—60s 仍显紫色

脱去紫色

红色

④化学组成与超微结构

a革兰氏阳性细菌（Grampositive）

革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（30～40nm）而致密的肽聚糖层，多达20层，占细胞壁的成分

60-90%，它同细胞膜的外层紧密相连（见图2.4）。

有的革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid）,也即胞壁质（murein）。

b革兰氏阴性细菌（Gramnegative）

外膜革兰氏阴性细菌特殊的是外膜上含有许多独特的结构（见图示2.5），如把外膜与肽聚糖层连接起来的布朗（Braun’s）脂蛋白，使营养物被动运输通过膜的[膜]孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖（LPS）。

脂多糖也称为内毒