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现代生物技术导论结课论文

微生物学的发展及其应用

作者：

学号：

电话：

单位：

内蒙古科技大学建工学院

日期：

2011.12.22

微生物学的发展及其应用

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（内蒙古科技大学建工学院）

摘要：

微生物学是研究微生物及其生命活动的科学。

微生物具有种类繁多、体积微小、代谢类型多、代谢强度高、生长繁殖速度快、容易变异等多种特点。

它广泛分布于空气、水、土壤、人体及动植物体，营独立或寄生生活。

大多数微生物对人类和动植物是有益的，特别是它与人类的生活有密切的关系，对工农业生产、人类的生活环境和健康卫生有极大的影响。

所以，我们研究微生物及其生命活动的目的是为了开发微生物资源，充分利用其对人类生活有利的方面，控制有害方面，使之为社会主义经济建设服务，造福人类。

关键词：

微生物学的发展、人类生命活动、作用

一、认知微生物的重要性

当你清晨起床后，深呼吸一口清新的空气，喝一杯可口的酸奶，品尝着美味的面包和馒头的时候，你就已经开始享受到了微生物给你带来的恩惠；当你因患某种疾病而躺在医院的病床上，经受病痛的折磨是，那便是有害微生物给你侵蚀了你的身体；但当白衣天使给你服用抗生素的药物，使你很快恢复健康时，你得感谢微生物给你带来的福音，因为抗生素是微生物的“奉献”。

然而，如果高剂量的某种抗生素注入到你的体内后，效果甚微甚至毫无效果，你可曾想到这也是微生物的恶作剧。

可以说，人们已经离不开微生物了。

微生物是一把双刃剑。

首先，微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。

在人类疾病中有50％是由病毒引起。

世界卫生组织公布资料显示：

传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。

微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。

在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。

一些疾病的致病机制并不清楚。

大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。

一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。

每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。

而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。

其次，微生物当中有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，给我们的生活带来很多不便。

当然有些微生物是有益的，它们可用来生产如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。

最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。

后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。

抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。

一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：

高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。

看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。

二、认知研究的发展

1、微生物学的经验时期

古代人类虽未观察到微生物，但早已将微生物学知识用于工农业生产和疾病防治中，公元前二千多年的夏禹时代，就有仪狄酿酒的记载。

北魏（公元386～534年）《齐民要术》一书中详细记载了制醋的方法。

长期以来民间常用的盐腌、糖渍、烟熏、风干等保存食物的方法，实际上正是通过抑制微生物的生长而防止食物的腐烂变质。

关于传染病的发生与流行，在11世纪初时，我国北宋末年刘真人就提出肺痨由虫引起。

意大利Fracastoro（1483～1553）认为传染病的传播有直接、间接和通过空气等几种途径。

奥地利Plenciz（1705～1786）认为传染病的病因是活的物体，每种传染病由独特的活物体所引起。

18世纪清乾隆年间，我国师道南在《天愚集》鼠死行篇中生动地描述了当时鼠疫流行的凄惨景况，并正确地指出了鼠疫与鼠的关系。

在预防医学方面，我国自古就有将水煮沸后饮用的习惯。

明朝李时珍在《本草纲目》中指出，将病人的衣服蒸过后再穿就不会传染上疾病，说明已有消毒的记载。

大量古书证明，我国在明代隆庆年间（1567～1572）就已广泛应用人痘来预防天花，并先后传至俄国、朝鲜、日本、土耳其、英国等国家，这是我国对预防医学的一大贡献。

2、实验微生物学时期

微生物的发现首先观察到微生物的是荷兰人列文虎克（AntoryVanLeeuwenhoek，1632～1723）。

他于1676年用自磨镜片制造了世界上第一架显微镜（约放大40～270倍），并从雨水、池塘水等标本中第一次观察和描述了各种形态的微生物，为微生物的存在提供了有力证据，亦为微生物形态学的建立奠定了基础。

19世纪60年代，欧洲一些国家占重要经济地位的酿酒的工业和蚕丝业发生酒类变质和蚕病危害等，促进了人们对微生物的研究。

法国科学家巴斯德（LouisPasteur,1822～1895）首先实验证明有机物质的发酵与腐败是由微生物所引起。

而酒类变质是因污染了杂菌，从而推翻了当时盛行的自然发生说。

巴斯德的研究开创了微生物的生理学时代。

人们认识到不同微生物间不仅有形态学上的差异，在生理学特性上亦有所不同，进一步肯定了微生物在自然界中所起的重要作用。

自此，微生物开始成为一门独立学科。

巴斯德创用的加温处理以防酒类变质的消毒法，就是至今仍沿用于酒类和乳类的巴氏消毒法。

在巴斯德的影响下，英国外科医生李斯德（JosephLister,1827～1912）创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具，为防腐、消毒以及无菌操作打下基础。

微生物学的另一奠基人是德国学者郭霍（RobertKoch,1843～1910）。

他创用固体培养基，可将细菌从环境或病人排泄物等标本中分离成单一菌落，便于对各种细菌分别研究。

同时又创用了染色方法和实验性动物感染，为发现各种传染病的病原体提供了有利条件。

在19世纪的最后20年中，大多数细菌性传染病的病原体由郭霍和在他带动下的一大批学者发现并分离培养成功。

俄国学者伊凡诺夫斯基（Nвановский）于1892年发现了第一种病毒即烟草花叶病病毒。

1897年Loeffler和Frosch发现动物口蹄疫病毒。

1901年美国学者Walter-Reed首先分离出对人类致病的黄热病毒。

1915年英国学者Twort发现了细菌病毒（噬菌体）。

以后相继分离出人类和动、植物的许多病毒。

免疫学的兴起18世纪末，英国琴纳（EdwardJenner，1749～1823）创用牛痘预防天花；随后巴斯德研制鸡霍乱、炭疸和狂犬病疫苗成功，为免疫学和预防医学开辟了途径。

人们对抗感染免疫的本质的认识是从19世纪末开始的。

德国学者Behring在1891年用含白喉抗毒素的动物免疫血清成功地治愈一白喉患儿，引起科学家们注意从血清中寻找杀菌物质，导致血清学的发展。

由于各人研究的领域和重点有别，当时关于机体抗感染免疫的解释存在两种不同的学术观点：

以欧立希（PoulEhrlich，1854～1916）为代表的体液免疫学派认为机体的免疫力与血液及其他体液中的杀菌物质有关，主要是特异性抗体的作用；而以梅契尼科夫（Mечникови.и.,1845～1916）为代表的细胞免疫学派则认为吞噬细胞的作用才是机体免疫力的主要因素。

不久，Wright在血清中发现了调理素，并证明吞噬细胞的作用在体液因素参与下可大为增强，两种免疫因素是相辅相成的，从而使人们对免疫机理有了较全面的认识，促进了免疫学的进一步发展。

化学治疗剂和抗生素的发明首先合成化学治疗剂的是欧立希，他在1910年合成治疗梅毒的砷凡纳明，后又合成新砷凡纳明，开创了微生物性疾病的化学治疗途径。

以后又有一系列磺胺药相继合成，在治疗传染性疾病中广泛应用。

1929年Fleming首先发现青霉菌产生的青霉素能抑制金黄色葡萄球菌的生长，但直到1940年Florey等将青霉菌培养液加以提纯，才获得青霉素纯品，并用于治疗感染性疾病，取得了惊人的效果。

青霉素的发现和应用极大地鼓舞了微生物学家，随后链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素、红霉素等抗生素不断被发现并广泛应用于临床。

3、现代微生物学时期

近几十年来，由于生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科的发展，以及电子显微镜、气相、液相色谱技术、免疫学技术、单克隆抗体技术、分子生物学技术的进步，促进了医学微生物学的发展。

人们得以从分子水平上探讨病原微生物的基因结构与功能、致病的物质基础及诊断方法，使人们对病原微生物的活动规律有了更深刻的认识。

相继发现了一些新的病原微生物，如军团菌、弯曲菌、拉沙热病毒、马堡病毒及人类免疫缺陷病毒等。

1967～1971年美国植物病毒学家Diener等发现马铃薯纺锤形块茎病的原原是一种不具有蛋白质的RNa，分子量约为100，000，这类致病因子被称为类病毒（Viroid）。

随后在研究类病毒的过程中又发现一种引起苜蓿等植物病害的拟病毒（Virusoid）。

1982年发现引起羊搔痒病的病原为一分子量27KD的蛋白，称朊病毒（Virino）。

1983年有关国际会议上将这些病原因子统称为亚病毒（Subvirus）。

人类中亦可能存在亚病毒，例如人类的C-J病（Creutzfeldt-Jakobdisease）、库鲁病（Kurudisease）等可能由朊病毒或蛋白侵染因子（Prion）引起。

近十几年来，病原微生物迅速检验诊断方法发展很快。

ELISA快速检测抗原及抗体技术已被普遍应用，简化了过去繁琐的微生物学检验手续，特别是通过采用单克隆抗体，进一步提高了检测的特异性和敏感性。

目前已制备出许多诊断试剂盒，其中病毒快速诊断试剂盒的广泛应用，使过去长期难以实现的病毒病的快速实验室诊断成为现实。

目前许多实验室正在探索将基因探针和聚合酶链反应（PCR）用于微生物的快速检验中。

在传染病的预防方面，目前大多数严重危害人类健康的病原微生物均已研制出相应的疫苗。

1980年世界卫生组织宣布在全球消灭了天花，这是人类完全依靠自身力量彻底消灭的第一种烈性传染病，其最根本的措施即是牛痘苗的普遍接种。

各种疫苗的广泛接种，已成为当今人类对付许多传染病的最有效和最经济的手段。

在传染病的治疗方面，新的抗生素不断被制造出来，有效地控制了细菌性传染病的流行。

相比之下，抗病毒药物的研究进展较慢。

近年来应用细胞因子（如白细胞介素Ⅱ、干扰素等）治疗某些病毒性疾病，已取得一定疗效。

另外，单克隆抗体及基因治疗等手段在病毒性疾病治疗中的应用研究也日益广泛和深入。

1957年澳大利亚学者伯内特（Burnet.F.M）根据前人的工作和他自己的研究。

提出了著名的“细胞系选择学说”，使免疫学进入了生物医学新领域。

特别是近二十年来，免疫学发展十分迅速，其范围涉及细胞生物学、分子生物学、分子遗传学等生物学的许多方面和临床各学科，远远超出了以往感染免疫的传统概念，已独立成为医学和生物学中极为重要的基础学科之一。

虽然人类在医学微生物学领域及控制传染病方面已取得巨大成就，但至今仍有一些传染病的病原体尚未完全认识，某些疾病还缺乏有效的防治方法。

因此，医学微生物学今后要加强对病原微生物的生物学性状和致病性研究，建立特异的快速、早期诊断方法；研制新疫苗和改进原有疫苗，以提高防治效果。

要加强感染免疫的研究，寻找或人工合成能调动和提高机体防御机能的非特异性和特异性物质。

要加强基因工程学的研究，除制备供诊断、预防、治疗及研究用的制剂外，并能对一些与微生物感染有关的遗传性疾病采用基因疗法，以彻底治愈这类病症。

要继续加强与免疫学、生物化学、遗传学、细胞生物学、组织学、病理学等学科的联系和协作，采用先进技术，尤其是分子生物学技术。

只有这样，才能加快医学微生物学的发展，为早日控制和消灭危害人类健康的各种传染病作出贡献。

三、微生物间的相互作用机制

微生物间的相互作用机制也相当奥秘。

例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。

在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。

食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。

一旦菌群失调，就会引起腹泻。

随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。

人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。

因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。

在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。

以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，而微生物基因组研究又是其中的重要分支。

世界权威性杂志《科学》曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。

通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的迅速发展和壮大!

从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。

为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。

通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：

接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。

通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，全面促进微生物工业时代的来临。

工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。

通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。

通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。

乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。

国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。

对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。

四、微生物学在动植物及人类生命活动中的作用

（一）微生物在植物生命活动中的作用

1.源源不断地供给植物所需要的原料

绿色植物最大的特性就是能将自然界中的无机物转化成有机物，即通过光合作用将CO2和H2O合成糖类等有机物，能将无机态氮和各种的矿质元素转化成其他有机物。

而这些无机物的源源不断供应就依赖微生物将大量的有机物分解成无机物和CO2，归还到土壤和大气中，以供植物用来合成有机物。

据估计，地球上的CO2有90％是靠微生物的分解作用形成的。

2.提高土壤肥力，增加粮食产量

土壤是植物生长发育的基地，它最根本的特征是具有肥力，即具有能够提供植物生长发育需要的水分养分和空气。

因此，植物生长良好与否直接依赖于土壤肥力，而土壤肥力的发展又依赖于其中的微生物活动具体表现如下：

①固氮微生物可把大气中的氮转化为氮素化合物，供植物吸收；②土壤中的各种植物残残体及排泄物，通过土壤微生物的作用，分解和转化，形成腐殖质把分散的土壤颗粒粘结成稳固的团粒结构，从而改善了土壤的水、肥、气等条件，提高土壤肥力；③土壤中某些处于有机或无机状态的养分，通过土壤中多种微生物的分解，使之成为植物所利用的状态。

如磷细菌能分解含磷的有机物成为植物易于吸收的磷酸盐；硅细菌能分解土壤里的硅酸盐，分离出植物可吸收的钾现在人们制成微生物肥料，施到地里，能提高土壤肥力，可增加粮食产量。

（二）微生物在动物生命活动中的作用

1.提高动物摄取营养物质吸收利用率

动物区别于植物的显著特点之一，就是动物本身不能直接将环境中的无机物转化成为有机物。

因此，动物只有直接或间接地摄取现成的有机物，作为自身的营养物质。

而微生物能提高动物摄取营养物质的吸收利用率。

例如植食性动物，它们所摄取的营养物质中含有极高的纤维素，不易被消化利用。

因此人们采取细菌饲料或发酵饲料方法，其目的是利用微生物所具有的分解多糖物质的各种酶，进行直接的分解和降解有机废弃物的主要成分──纤维素、半纤维素、木质素、果胶质等。

据试验分析：

经培养蘑菇后的稻草、麦秆，粗蛋白含量增加2～3倍，粗脂肪提高2～5倍，而畜禽难以吸收利用的纤维素降低20％～50％，木质素降低20％～30％。

2.增加了动物的生产效益

据报道：

用稻草加入牛粪发酵制成蘑菇培养料，除产出大量鲜菇外，将收菇后的培养料用来喂猪，其营养价值相当于2号米糖。

还有饲料中加入5％饲料酵母，对猪增重提高15％～20％，对鸡可提高产蛋率20％～30％，对奶牛每吨饲料可增产牛奶6～7吨。

（三）微生物在人类生命活动中的作用

1.净化人类生存的基地

环境的好坏也就直接影响人类的生命活动。

当今随着工业的迅速发展、人口高度的密集，将污水、污物注入水体，造成环境严重的污染，直接危害人类的身体健康，乃至生命。

为了保护环境，除去环境中对人类有害的物质，现在采取了微生物的处理办法：

即利用微生物将含碳有机污物分解成CO2、H2S等气体；将含氮有机污物分解成氨、硝酸、亚硝酸等；将汞、砷对人类有毒的重金属在水体中得到转化，达到污水净化目的。

2.提供人类生存的物质

人类要生存，必须有最起码的衣、食、住行等物质的提供。

这些物质的提供离不开生物，即动植物。

随着人类生活水平的不断提高，需求的物质就更加丰富。

而微生物学的不断发展和研究，提供了大量而丰富的物质资源。

例如应用于酿造工业、发酵工业的酒精酵母菌、啤酒酵母菌、葡萄糖酵母菌等，生产出大批的工业酒精、葡萄酒、啤酒，既发展了工业，又丰富了人类的物质需求；应用于医药工业的多种抗菌素，生产出了各种菌苗、疫苗以及抗菌素等，丰富了治病的药品，提高了治病的效益，保障人类的身体健康；为了解决能源在农村中的不足，充分利用微生物的分解作用，利用畜禽粪便以及用过的培养饲料生产沼气，解决人类的照明、做饭和生产等方面的问题，提高了生物能的回收和利用效率。

就连人类维持正常生命活动，也需要微生物的作用。

例如人体的肠道中存在微生物，正是微生物的存在合成了人体利用的维生素K、维生成B12、烟酸、核黄素、氨基酸等不可缺少的物质。

总之，随着我国社会主义经济建设的不断发展生物科学将占居越来越重要的地位，未来微生物学的发展将会比过去和现在更加辉煌。

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作者简介：

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选修过不少有关生物的课程，如人类遗传与优生、生命科学与健康、大学生生理健康教育生命科学概论。

对生物技术有浓厚的兴趣。