上海交通大学微生物课复习资料Word文件下载.docx
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微生物的类群及特点:
个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、变异易、抗性强、休眠长、起源早、发现晚。
个体小、
杆菌的平均长度：
2微米；
1500个杆菌首尾相连=一粒芝麻的长度；
10-100亿个细菌加起来重量=1毫克
面积/体积比：
人=1，大肠杆菌=30万；
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。
结构简、
无细胞结构（病毒）；
单细胞；
简单多细胞；
胃口大、
消耗自身重量2000倍食物的时间：
大肠杆菌：
1小时
人：
500年（按400斤/年计算）
食谱广、
微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！
纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。
繁殖快、
一头500kg的食用公牛，24小时生产0.5kg蛋白质，而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产50000kg优质蛋白质。
易培养、
很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！
数量大、
在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！
分析表明，微生物占地球生物总量的60%！
分布广、
人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！
eg:
数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；
几千米的地下；
强酸、强碱、高热的极端环境；
常年封冻的冰川；
种类多、
微生物的生理代谢类型多；
代谢产物种类多；
微生物的种数“多”；
虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%。
级界宽、
变异易、
抗性强、
抗热：
有的细菌能在265个大气压，250℃的条件下生长；
自然界中细菌生长的最高温度可以达到121℃；
有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；
抗寒：
有些微生物可以在―12℃~―30℃的低温生长；
抗酸碱：
细菌能耐受并生长的pH范围：
pH0.5~13；
耐渗透压：
蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl,32%）中都有微生物生长；
抗压力：
有些细菌可在1400个大气压下生长；
休眠长、
世界上最古老的活细菌（芽孢）：
2.5亿年
起源早、
38亿年前，生命在海洋中出现，陆地上就可能存在微生物
发现晚、
300多年前人们才真正发现微生物的存在
2－[微生物生态]
有关基本概念：
生态系统：
在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。
生态学：
研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系
微生物生态学：
研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系
第一节自然界中的微生物
一、空气中的微生物
分布特点：
1．无原生的微生物区系
2．来源于土壤、水体及人类的生产、生活活动，
3．种类主要为真菌和细菌，一般与其所在环境的微生物种类有关
4．数量取决于尘埃数量
5．在空气中的停留时间和尘埃大小、空气流速、湿度、光照等因素有关
6．与人类生活关系密切
二、水体中的微生物
一）江河水
特点：
1）数量和种类与接触的土壤有密切关系；
2）分布上更多的是吸附在悬浮在水中的有机物上及水底；
3）淡水中的微生物是可以运动的，而且某些淡水中的细菌例如柄细菌具有很异常的形态，这些异常形态使得菌体的表面积与体积之比增加，从而使这些微生物能有效地吸收有限的营养物；
4）靠近城市或城市下游水中的微生物多，并且有很多对健康不利的细菌，因此不宜作为饮用水源；
5）水体自身存在自我净化作用：
（二）海水
1）嗜盐，真正的海洋细菌在缺少氯化钠的情况下是不能生长的。
2）低温生长，除了在热带海水表面外，在其它海水中发现的细菌多为嗜冷菌。
3）耐高压（特别是生活在深海的细菌），少数微生物甚至可在600个大气压下生长，
4）大多数海洋细菌为G—细菌，并具有运动能力；
（三）水体的富营养化作用和“水花”、“赤潮”
当水体接受了大量的有机物或无机物，特别是磷酸盐和无机氮化合物，引起水的富营养化。
由于水中含有过多的含氮、磷等的营养物质，引起藻类过量生长，产生大量的有机物（藻类）异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢，并分解含硫化合物，产生H2S，从而导致水有难闻的气味，并由于缺氧引起鱼和好氧微生物的死亡，最终引起水出现大量沉淀物和水体颜色异常。
上述过程又称富营养化作用，它是水体受到污染并使水体自身的正常生态失去平衡的结果。
在水体的富营养化作用中，藻类、蓝细菌等的大量繁殖使水体出现颜色，并变得浑浊，许多藻类团块漂浮在水面上，从而形成所谓的“水花”或“水华”（waterbloom）
在海洋中，某些甲藻类大量繁殖也可也可以形成水花，从而使海水出现红色或褐色，即所谓的赤潮或红潮（redtides）。
三、土壤中的微生物
1）土壤微生物的数量和分布主要受到营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响，并随土壤类型的不同而有很大变化。
2）土壤微生物的数量和分布受季节影响；
3）微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多，随着土层的加深，微生物的数量逐步减少。
四、工农业产品上的微生物
1．微生物引起的工业产品的霉腐
2．食品、农副产品上的微生物
五、极端环境下的微生物
极端环境下微生物的研究有三个方面的重要意义：
（1）开发利用新的微生物资源，包括特异性的基因资源；
（2）为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科许多领域，如：
功能基因组学、生物电子器材等的研究提供新的课题和材料；
（3）为生物进化、生命起源的研究提供新的材料。
1、嗜热微生物
2、嗜冷微生物
3、嗜酸微生物
4、嗜碱微生物
5、嗜盐微生物
6、嗜压微生物
六、不可培养的微生物
在自然界中存在的微生物中，已为人们所认识的仅占很小一部分（通常认为仅10%，有人认为在土壤中生活的微生物仅有1%可用目前的方法在实验室进行培养），其中的原因就在于在在自然界中存在的大多数微生物在目前的条件下不能在实验室进行人工培养，不可能得到其纯培养并对其进行形态及生理、遗传等特性进行研究。
CARLWOESE在1977就提出的用rRNA（原核的16s和真核的18s）揭示生物的系统发育的方法为我们研究并开发不可培养微生物提供了可能。
其方法通常是用各种特定的引物（例如所有真细菌（eubacteria）的保守16srRNA区段或某种微生物的特异DNA或16srRNA保守序列等）进行PCR从各种生态环境中克隆16srRNA，并对其进行序列分析和同源性分析，发现和开发不可培养微生物。
第二节
微生物与生物环境间的相互关系
自然环境中的微生物一般都不是单独存在的，存在个体、种群、群落和生态系统从低到高的组织层次
群体（population）：
具有相似特性和生活在一定空间内的同种个体群，是组成群落的基本组分。
群落（community）：
在一定区域或一定生态环境内，各种生物群体构成的一个生态学结构单位，群落中各生物群体之间存在各种相互作用。
生态系统（ecosystems）：
生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体。
生态系统是生物圈的组成单元，生物圈内的任何一个相对完整的自然整体都可以被看作为生态系统，如一个池塘，一片森林，一个污水处理池，等等。
生物圈（biosphere）：
地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称。
一般来说，在生态系统中生物之间的相互关系归纳起来有如下三种：
1．有利关系：
一种生物的生长和代谢对另一种生物的生长产生有利的影响，或相互有利；
2．有害关系：
一种生物的生长对另一种生物的生长产生有害的影响，或相互有害；
3．中性关系：
二种生物生活在一起时，彼此对对方的生长代谢无明显的有利或有害影响。
微生物间及微生物与其它生物间最常见的几种相互关系
一、互生
二种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。
因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系
（一）微生物间的互生关系
在自然界中，微生物间的互生关系非常普遍，也很重要。
（二）人体肠道正常菌群
人体肠道正常菌群与宿主间的关系，主要是互生关系，但在某些特殊条件下，也会转化为寄生关系。
二、共生
二种生物共居在一起，相互分工协作、相依为命，甚至形成在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。
共生一般有二种情况：
互惠共生（二者均得利）和偏利共生（一方得利，但另一方并不受害）
（一）微生物间的共生关系
例如地衣
地衣是微生物间典型的互惠共生形式，它是藻类和真菌的共生体，
结构上的共生：
生理上的共生：
这种共生关系具有重要的生态学意义，对土壤形成具有重要作用。
（二）微生物和植物间的共生关系
根瘤菌与豆科植物间的共生关系就是典型的例子------形成根瘤共生体。
根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料，而豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长，同时，还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。
（三）微生物与动物的共生关系
1．与昆虫的共生关系
1）外共生：
2）内共生：
2．与反刍动物的共生关系
反刍动物，如牛、羊、骆驼、长颈鹿等以植物的纤维素为主要食物，它们在瘤胃中经微生物发酵变成有机酸和菌体蛋白再供动物吸收利用。
与此同时，瘤胃也为里面居住的微生物提供了必要的营养和生长条件
三、寄生
所谓寄生，一般指一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。
前者称为寄生物（parasite），后者称为寄主或宿主（host）
（一）微生物间的寄生
1．噬菌体—细菌；
2．蛭弧菌—细菌；
3．真菌—真菌；
4．真菌、细菌—原生动物；
（二）微生物与动植物
各种各样的致病菌多是行寄生生活
择生生物，现一般称为悉生生物或定菌生物（Gnotobiote）指整个个体不携带或只携带已知微生物的生物。
与通常携带众多种类微生物且数量很多的普通生物相比，用它做实验研究有很多优点：
干扰因素少，操作易控制，既可进行定性分析，也可进行定量分析，实验结果准确、可靠，对于了解微生物与宿主之间复杂的关系及其机理具有十分重要的作用。
四、拮抗
所谓拮抗，系指某种生物产生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。
在一般情况下，拮抗多是指微生物间的“化学战术”，最典型的就是抗生菌所产生的能抑制其它生物生长发育的抗生素；
此外，有时因某种微生物的生长而引起的其它条件的改变（例如缺氧、pH改变等），从而抑制它种生物的现象也称拮抗。
五、竞争
竞争：
两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子，致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用，其结果对两种种群都是不利的。
六、捕食
捕食：
一种种群被另一种种群完全吞食，捕食者种群从被食者种群得到营养，而对被食者种群产生不利影响。
对微生物来说，一般有如下几种情况：
1．原生动物吞食细菌和藻类；
2．粘细菌吞食细菌和其它微生物；
3．真菌捕食线虫和其它原生动物；
第三节微生物在生态系统中的作用
一、微生物在生态系统中的地位
生态系统是生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体。
在一定的空间内，生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。
生物成分按其在生态系统中的作用，可划分为三大类群：
生产者（从无机物合成有机物，例如植物、某些微生物）、消费者（利用有机物进行生活，一般不能将有机物直接分解成有机物，例如动物、某些微生物）和分解者（分解有机物成无机物，形成完整的物质循环）。
微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用
3－[微生物营养代谢]
微生物的营养类型：
1．光能无机自养型（光能自养型）
能以CO2为主要唯一或主要碳源；
进行光合作用获取生长所需要的能量；
以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；
例如：
藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。
红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。
2．光能有机异养型（光能异养型）
不能以CO2为主要或唯一的碳源；
以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；
在生长时大多数需要外源的生长因子；
例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。
3．化能无机自养型（化能自养型）
生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；
以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质。
4．化能有机异养型（化能异养型）
生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；
生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。
氧化还原电位：
又称氧化还原电势（redoxpotential），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。
配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,特别是在发酵工业中，以降低生产成本。
以粗代精：
对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。
而且在经济上也节约。
以“野”代“家”：
以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发酵的碳源。
以废代好：
以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。
例如，在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中,常常利用糖蜜（制糖工业中含有蔗糖的废液）、乳清（乳制品工业中含有乳糖的废液）、豆制品工业废液及黑废液（造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆）等都可作为培养基的原料。
在再如,工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,而在我国农村，已推广利用人畜粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。
另外,大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。
以简代繁：
生产上改进培养基成分时，一般都以“加”法居多，即设法使其营养越来越丰富、含量越来越高。
这对微生物生长不一定都有利，有时可尝试使用“减”法，几用稀薄的培养基成分或成分较少的培养基来取代原有的培养基成分，以求取得更好的效果。
以烃代粮：
以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。
除了生产石油蛋白外，还可以将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等化工产品和若干合成物，以及对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。
以纤代糖：
开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。
将大量的纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的食品及饮料。
以无机氮代蛋白质：
即以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价原料用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用。
燃烧与生物氧化的比较：
比较项目
燃烧
生物氧化
反应步骤
一步式快速反应
顺序严格的系列反应
条件
激烈
由酶催化，条件温和
产能形式
热、光
大部分为ATP
能量利用率
低
高
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种；
生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种；
呼吸作用与发酵作用的根本区别：
电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。
能进行硝酸盐呼吸（即能使硝酸盐还原）的细菌被称为硝酸盐还原细菌，主要生活在土壤和水环境中，它们当中有假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。
在土壤及水环境中，由于好氧性机体的呼吸作用，氧被消耗，造成局部的厌氧环境，这时如果环境中有硝酸盐存在，硝酸盐还原细菌就能通过厌氧呼吸进行生活，但如果在有氧条件下，这些菌则是通过有氧呼吸进行生活-----氧的存在可抑制位于细胞膜上的硝酸盐还原酶的活性。
这类菌通常也被作为兼性厌氧菌。
硝酸盐还原菌的反硝化作用对农业生产及地球物质循环都具有重要意义：
1）反硝化作用可使土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力，对农业生产不利。
克服反硝化作用的有效方法之一是松土，保持土壤的疏松状态，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件（此时菌行有氧呼吸）
2）反硝化作用在氮素循环中也有重要作用。
硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。
如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。
除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。
异养微生物和自养微生物在最初能源上尽管存在着巨大的差异，但它们生物氧化的本质却是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶连，就可以产生生命活动所需要的通用能源，ATP。
但从具体类型看，自养微生物中的生物氧化与产能的类型很多、途径复杂，有些化能自养菌的生物氧化与产能过程至今还了解很少。
不论是化能无机营养型，还是光能无机营养型的微生物，在它们生命活动中最重要的反应就是把CO2先还原成[CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。
这是一个大量耗能和耗还原力[H]的过程。
在化能无机营养型微生物中，其所需能量ATP是通过还原态无机物经过生物氧化产生的，还原力[H]则一般是通过耗ATP的无机氢的逆呼吸链传递而产生的；
化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢，但生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养微生物之间并不存在生存竞争。
嗜盐菌的细胞膜可分成红色和紫色二部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约0.5?
m）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。
含量占紫膜75%的是一种称为细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上的柱状细胞中所含的一种蛋白质------视野紫红质（rhodpsin）十分相似，二者都以紫色的视黄醛（retinal）作为辅基。
四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成
微生物
ATP的合成
有氧
无氧
光照
黑暗
光合细菌
–
+
绿藻
兼性厌氧菌（E.coli）
盐生盐杆菌
目前认为，细菌视紫红质与叶绿素相似，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，产生质子的跨膜运输而形成ATP。
嗜盐菌只有在环境中氧浓度很低和有光照的条件下才能合成紫膜。
这时，通过正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，转而由紫膜的光合磷酸化来提供。
通过紫膜的光能转化而建立的质子梯度除了可驱动ATP的合成外，还可为嗜盐菌在高盐环境中建立跨膜的钠离子电化学梯度，并由此完成一系列的生理生化功能。
嗜盐菌紫膜光合磷酸化的发现，使经典的叶绿素和细菌叶绿素（菌绿素）所进行的光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。
紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个很好的研究模型。
4－[生长繁殖与控制]
采用培养平板计数法要求操作熟练、准确，否则难以得到正确的结果：
1）样品充分混匀；
2）每支移液管及涂布棒只能接触一个稀释度的菌液；
3）同一稀释度三个以上重复,取平均值；
4）每个平板上的菌落数目合适，便于准确计数；
一个菌落可能是多个细胞一起形成，所以在科研中一般用菌落形成单位（colonyformingunits，CFU）来表示，而不是直接表示为细胞数。
Themostprobablenumbermethod（液体稀释法）
1）未知样品进行十倍稀释；
2）取三个连续的稀释度平行接种多支试管并培养；
3）长菌的为阳性，未长菌的为阴性；
4）查表推算出样品中的微生物数目（统计学原理）；
迟缓期的特点：
1）细胞形态变大或增长，例如巨大芽孢杆菌，在迟缓期末，细胞的平均长度比刚接种时长6倍。
一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大；
2）细胞内RNA，尤其是rRNA含量增高，合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。
3）对外界不良条件反应敏感。
以上特征说明细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓。
在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。
对数期到稳定期的转变是细胞重要的分化调节阶段：
1）开始储存糖原等内含物；
2）形成芽孢或建立自然感受态（芽孢杆菌）；
3）发酵过程积累代谢产物的重要阶段；
某些放线菌抗生素的大量形成也在此时期
衰亡期特点：
1）细菌代谢活性降低；
2）细菌衰老并出现自溶；
3）产生或释放出一些产物；
如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。
4）菌体细胞呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊；
有些革兰氏染色反应阳性菌此时会变成阴性反应
恒浊连续发酵与单批发酵相比的优点：
1）缩短发酵周期，提高设备利用率；
2）便于自动控制；
3）降低动力消耗及体力劳动强度；
4）产品质量较稳定；
磺胺是叶酸组成部分对氨基苯甲酸的结构类似物
磺胺的抑菌作用是因为很多细菌需要自己合成叶酸而生长。
磺胺对人体细胞无毒性，因为人缺乏从对氨基苯甲酸合成叶酸的相
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