By glove@smth.org 微生物学教程 周德庆编著
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目录 绪论 分布广… (15) 、什么是微生物…… 二、种类多 二、人类对微生物世界的认识过程………(1)第二章微生物的形态和构造(一) (-)一个难以认识的微生物世界…(1) 原核微生物 二)人类揭开微生物世界奥秘的 第一节细菌 历史 、细胞的形态构造及其功能 (18 三、微生物学的发展促进了人类的 (一)形态和染色 进步 (二)构造 (一)在医疗保健战线上的六大 二、细藺群体(菌落)的形态 战役 第二节放线菌… )微生物在工业发展过程 放线菌的形态构造… 中的六个里程碑…………(6) 放线菌的紫殖 三)微生物学促进了农业的 三、放线藺的菌落特征 进步……17 第三节蓝细菌 (42) (四)微生物与生态和环境保护的 第四节支原体、立克次氏体和 关系… (8) 衣原体 (五)微生物学对生物学基础理论 支原体 研究的贡献 二、立克次氏体 四、微生物学及其分科………………(9 三、衣原体 按研究微生物的基本生命活动 第三章微生物的形态和构造(二 规律为目的来分 真核微生物 (二)按微生物的应用领域来分………(9)第一节酵母菌 …(50) (三)按所研究的微生物的对象 细胞的形态构造 (5!) ()细胞壁 (5i) (四)按徵生物所在的生态环境 (二)细胞膜 (5 来分 三)细胞核 …(52) (五)按实验技术操作来分……………(9) (四)其他细胞构造 (53 (六)按徽生物学与其他学科间的 酵母菌的繁殖方式和生活史 (53 交叉情况来分………………(10) (一)无性繁殖 (54) 第一章微生物的五大共性…………(11) 二)有性繁殖 …(51 第一节体积小,面积大… (11) (三)生活史的三类型 (51) 第二节吸收多,转化快 三、酵母菌的菌落……… 第三节生长旺,繁殖快 …(12) 第二节丝状真菌一-霉菌………(56) 第四节适应强,易变异 ………(13) 一、菌丝 适应性 (13) 二、菌丝体及其各种分化形式 (58) 变异性………… (14) (一)营养菌丝体的符化形态 五节分布广,种类多 ………(15) 二)气生菌丝体的特化形态 (59)
三、真菌的袍予 第三节营养物质进入细胞的方式 (10) 四、莓菌的菌落 …4(63) 、单纯扩散 第四章微生物的形态和构造(三) 促进扩散 非细胞型生物 、主动运送 第一节病毒… 4(65) 四、基团移位 (109) ·病毒的形态构造和化学组分 (67) 第四节培养基 (1 (一)病毒的大小………… 选用和设计培养基的原则和 (二)形态… 方法 (三)三类典型形态的病毒 (70 (一)四个原则…… (111) (四)病毒的核酸… 二)四种方法… 二、各类病毒及其繁殖方式…(73) 二、培养基的种类… (117 (-)原核生物的病卷一-噬 )按对培养基成分的了解 菌体 来分……… (二)植物病毒…… 二)按培养基外观的物理状态 (三)脊椎动物病事…………… (84) 来分 (四)昆虫病毒………………(87) (三)按培养基的功能来分 第节亚病毒……………… …(89)第六章微生物的代谢和发酵 类病毒… 第一节微生物的能量代谢 (124) 拟病毒 化能异养微生物的生物氧化 三、朊病毒… 和产能 第三节病毒与实践 ()底物脱氢的四条主要途径……(125) 一、噬菌体与发酵工业 ()递氢和受氢…………………(135 二、人类和脊推动物病毒病的防治……(94 二、自养徵生物的生物氧化、产能 三、楨物病毒病的防治 和CO2固定 四、昆虫病毒用于生物防治… (-)生物氯化和产能 五、病毒在基因工程中的应用…………(96) (二)自养微生物的cO2固定………(153) (一)噬菌体可作为原核生物基因 第二节分解代谢和合成代谢间的 工程的载体… (96) 联系 (156) (二)动物DNA病毒作为动物基因 兼用代谢途径… (157) 工程的载体 二、代谢物回补顺序 (157 (三)植物病毒作为植物基因工程 (一)合成草酰乙酸(OA)的回补 的载体 (97) 顺序 157) (四)昆虫DNA病毒作为其核生物 (二)合成磷酸烯醇丙酮酸(PEP) 基因工程的载体 的回补顺序 (158) 第五章微生物的营养和培养基 第三节微生物独特合成代谢途径 第一节微生物的六种营养要素…(99) 举例 (160) 碳源 (100 生物固氮 161 二、氮源 (一)固氮微生物的种类 三、能源 (102) (二)固氮的生化机制………………(162 四、生长因子 (102) 三)好氧性固氮菌团氮的 五、无机盐 (104) 抗氧机制……………… (164) (106) 微生物结构大分子—肽聚糖的 第二节微生物的营养类型 (106) 合成
(-)在细胞质中的合成…… (--)固体培养… (202) (二)在细胞膜中的合成……………(167) (二)液体培养…… (203 (三)在细胞膜外的合成……… (168) 第五节有害微生物的控制 201) 第四节微生物的代谢调控与发酵 几个基本概念……………………(204 (l69) (一冫灭菌……… 、酶活性的调节 (二∴)消毒 (一)反偾抑制的类型………………(170) (三)防腐… (二)反镄揶制的机制… (四)化疗 205) 二、酶合成的调节… 物理杀菌因素的代表-—高温 (一)酶合成调节的类型……(174) (…)高温杀菌作用的种类 (206) (二)酶合成调节的机制 (175) (二)影响加压燕汽灭菌效果的 代谢调控在发酵工业中的 因素……… ………(177 (三)高温对培养基成分的有害 (一)应用营养缺陷型菌株以解除 影响及其防止 …………(209 正常的反馈调节 (177) 三、化学杀菌剂或制菌剂……… (213 (二)应用抗反馈调节的突变株解 (…·)表面消毒剂… (210 除反馈调节 (二)抗代谢药物的代表磺屐 (三)控制细胞膜的渗透性 类药物 第七章微生物的生长及其控制……(183 (二三)抗生素…… ………(214 第一节测定生长殖的方法… (183)第八章微生物的遗传变异和 测生长量… (183) 育种 (一)直接法 第一节遗传变异的物质基础 …(221) (二)间接法 个经典实验 (221) 计繁殖数 ………(184) (一)经典转化实验… (一)直接法 (184) (二)噬菌体慇染实验… (二)间接法 (184) (三)植物病毒的重建实验… (222) 第二节微生物的生长规律 二、遗传物质在细胞内的存在部位和 细菌的个体生长和同步生长………(186) 方式 (223) 二、典型生长出线 (一)七个水平 一)延滞期 (187) (…)原核生物的质粒 (二)指数期 (188) 第二节基因突变和诱变育种 (三)稳定期…… (190 、基因突变 (229 (四)衰亡期…………190) (一)突变类型…… (229) 微生物的连续培养 (二)突变率 第三节影响微生物生长的主要因素……(193) (三)突变的特点… 温度 (四)基因突变的自发性和不对应 氡气 (194) 性的证明……… (198) (五)基因突变的机制 第四节微生物培养法… 〈六)紫外线对DNA的损伤及其 实验室培养法 修复… …………(241) (一)固体培养…………………(200) 二、突变与育种…………… (242) (二)液体培养 一)自发突变与育种……………(242) 生产实践中的微生物培养装置……(202) (二)诱变育种
第三节基因重组 关系 原核微生物的基因重组………(255) 三、寄生 (297) (一)转化………………………(255) )微生物间的寄生关系 (297) (二)转导… …………(257) (二)微生物与植物间的寄生 (三)接合…… …(260) 关系 (298 (四)原生质体融合…… (三)微生物与动物间的寄生 二、真核微生物的基因重组………(264) 关系 (一)有性杂交 (264) 四、拈抗 (二)准性杂交………………………(265) 五、捕食…… (298) 第四节基因工程 第三节微生物在自然界物质循环中的 基因工程的基本操作…………………(268) 作用 二、基因工程的应用和发展前景…………(269) 、碳紊循环……… 第五节藺种的衰退、复壮和保藏……(271) 二、氮素循环…… 菌种的衰退和复壮 (27) 三、硫素循环与金属的细菌沥滤 (304 )衰退的防止…………… 四、磷的循环……………………(305) (二)菌种的复壮………… 五、铁的循环…… 菌种的保藏 第四节污水处理的微生物学原理… 第九章微生物的生态 (278) 污水处理中的特殊微生 第一节微生物在自然界中的分布与 二、微生物处理污水的原理………………(307) 菌种资派的开发 三、污水处理的主要装置 微生物在自然界中的分布………(278) (一)节能型污水处理装置 (一)生物体内外的正常菌群………(278) (二)耗能型污水处理装置 (二)土壤中的微生物…… (三)产能型污水处理装置 (三)水中的微生物 厌辄消化器… (31) 四)空气中的微生物……… (283) 第五节沼气发酵与环境保护 (五)工农业产品上的微生物 沼气发酵的三个阶段……………(31) (六)极端环境下的微生物…………(288) 二、甲烷形成的生化机制……………(314) 菌种资源的开发 ……(290) 产甲烷菌的cO2同化途径…………(316) (一)采集菌样…………… 第十章传染与免疫 (二)富集培养… 第一节传染 ………(319) (三)纯种分离………………………(292) 传染与传染病…… (319 四)性能测定 …(292) 决定传染结局的三个因素… (320) 第二节微生物与生物环境间的 (一)病原菌………………………(320) 相互关系 (二)宿主的免疫力 互生 三)环境因素 (一)微生物间的互生关系…………(293) 传染的三种可能结局 二)人体肠道正常菌群 ……(293) 一)隐性传染… (325) (三)混菌培养与生产实践 (二)带菌状态 共生 三)显性传染 ()微生物间的共生关系………(295)第二节非特异性免疫……326) (二)微生物与植物间的共生 屏障 (326 皮肤与粘膜 ()微生物与动物间的共生 (二)屏障结构………………………(325)
二、吞嘧细胞及其吞囈作月… 节通用分类单元………6367) )嗜中性粒细胞的吞噬功能……(328) 、种以上的系统分类单元……………(367 (二)巨磁细胞及其功能 )七级分类单元… 炎症反应 二)种的概念 正常体液或组织中的抗菌物质 (三)种的分类地位举例… )补体……………(30)二、学名 ……(370) 二)干扰素………………………(330) 三、亚种以下的分类单元 第三节符异性免疫……32) (一)亚种……………… (371) 免疫器官 (二)变种… (-)中枢免疫器官 …(334) (二)外周免疫器官… …(335) (四)类群 免疫细胞及其在细胞免疫中的 (五)菌株 372) 作用 六)小种…… …(373) (一)T细胞 (七)相 (二)B细胞 (八)态……………… (373) (三)其他淋巴细胞… (340 第二节徽生物在生物界的地位 、免疫分子及其在体液免疫中的 一、生物的界级分类学说…… (373) 作用 (一)二界系统…………… (二)三界系统 二)抗体 (344) (三)四界系统 (374) 第四节免疫学方法及其应用 四)五界系统 、抗原抗体反应的一般规律 五)六界系统 (375) 、主要的抗原抗体反应………(356) (六)三总界五界系统 …(375) (一)凝集反应 (七)三原界系统…… 375) (二)沉淀反应… 56) 二、徼生物的进化… (三)补体结合试验………357) (-)原始地球的条件 (四)中和试验 (二)化学进化阶段 己、现代免疫标记技术…………(58 (三)生物进化阶段…………………(378) (一)免疫荧光技术 第三节各大类微生物的分类系统 (二)豳免疫测定……… (359) 纲要 (三)放射免疫测定法…………(360) 、原核生物分类系统纲要……………(380) (四)免疫电镜技术 (360) (一)“伯杰氏手册”(1984)中的 (五)发光免疫测定法… (360) 高级分类单元…… (380) 第五节生物制品及其应用…… (二)“伯杰氏手册”(1984)所包 人工自动免疫生物制品… 61) 括的主要科属… (一)常规疫苗 〔三)若干重要原核微生物类群 (二)新型疫苗………………362) 简介 人工被动免疫生物制品… (362) 、真菌的分类系统纲要… (一)特异性免疫治疗剂 (一)真菌界及其有代表性的 抗血清、抗体与iRNA………(362) 分类系统……………… (二)非特异性的免疫治疗剂一 (二) Ainsworth(1973)的真菌 免疫调节剂… (363) 分类系统纲要 十一章微生物的分类和鉴定……(367) 第四节微生物的鉴定……
经典分类鉴定方法………… (394) 二)细胞化学成分的鉴定 二、现代分类鉴定方法 (395) (三)数值分类法 (401) (一)微生物遗传型的鉴定……(395)结束语
绪论 、什么是微生物 微生物( microorganism, microbe)是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(<0.1mm)、构造简单的低等生物,包括属于原核类的细菌、放线菌、支原 体、立克次氏体、衣原体和蓝细菌(过去称藍藻或蓝绿藻),属于真核类的真菌(酵母菌和霉 菌)、原生动物和显微藻类,以及属于非细胞类的病毒、类病毒和朊病毒等。现表解如下 小(个体小){um(徽米)级:光学显微镜下可见《细胞 nm〔纳米)级:电于显微镜下可见(细胞器,病毒) 单细胞 简(构造简单)〈简单多细胞 非细胞(即“分子生物”) 原核类:细菌,放线菌,支原体,立克次氏体,衣原体,蓝细菌 低(进化地位低){真核类:真茵(酵母曹,霉菌),原生动物,显微藻类 非细胞类:病毒,类病毒,朊病毒 二、人类对微生物世界的认识过程 个难以认识的微生物世界 人类对动植物的认识,可以追溯到人类的出现。可是,对数量庞大、分布广泛并始终包 围在人体内外的微生物却长期缺乏认识,原因主要有以下四个方面。 (1)个体微小一般地说,人眼对小于1mm的物体就看不清楚了,而微生物的大小多数 是在几μm至几十um范围内,因此就无法发现或辨认它们。 (2)外貌不显微生物的个体(细胞)虽看不见,但是由无数个体组成的群体(菌落或 菌苔)却是可见的。然而,各种微生物群体的外形往往平淡无奇、不甚显目,因此,对其作 用就极易忽略。 (3)杂居混生微生物在自然条件下都是杂居混生在一起的,因此,在发明对其中各纯 种微生物可进行分离、培养的技术前,是无法知道各种微生物对自然界和人类的真正作用的 (4)因果难联由于徽生物具有生长繁殖速度快和代谢活力强等特点,因此,当人体或 动植物体处在病原微生物感染的早期时,一般并不会引起人们的警觉。一旦事态突然严重时, 对于一些没有较深刻的微生物学知识的人来说,也不会真正理解这竟然是微生物生命活动的 结果,因此容易遭到损失。在非病原微生物引起的各种生物化学变化(如发酵、腐败等)中, 也有同样的情况。 微生物学历史发展的早期,就是围绕着如何克服这四大障碍而开展各种研究工作的。 当人们还处于对微生物世界的无知状态时,对待眼前的微生物往往表现出“视而不见、嗅
而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其恶”的愚昧状态。这从 人类历史上曾遭受多次严重的瘟疫流行的事实而得到充分的证明。如鼠疫(黑死病)、天花、 麻风、梅毒和肺结核(白疫)的大流行等,直至今天,也还有爱滋病等新的严重的传染病在 出现和流行。其中的鼠疫更是猖獗。当公元6世纪鼠疫在地球上第一次大沆行时,曾危及埃 及、土耳其、意大利和阿富汗等国家和地区,死亡人数约1亿人;第二次(14世纪)流行时, 欧洲约死2500万人口,亚洲约死4000万(其中中国约1300万);上世纪末至本世纪初的 第三次流行,发生在香港和印度北部地区,死亡人数约100万。这三次全球性杀人不见血的 流行病共殃及近2亿人口,比死亡最惨重的第二次世界大战(约死亡1.1亿)还多!植物病 原微生物对农作物的危害也有类似的情况。例如,19世纪中叶,由于第一次“绿色革命”的 结果,在欧洲普遍只种植单一的高产粮食作物马铃薯。在1843~1847年间由于气候异常,致 使欧洲发生马铃薯晚疫病的大流行,毀灭了5/6的马铃薯,个别地方甚至颗粒无收。当时爱 尔兰的800万人口中,有近100万人直接饿死或间接病死,并有164万人逃往北美谋生。 (二)人类揭开生物世界奥秘的历史 微生物学的发展历史可分为五个时期,现简述如下 1.史前期史前期是指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史 时期,大约在距今8000年前一直至公元1676年间。当时的人类虽未见到生物的个体,却 自发地与微生物频繁地打交道,并凭自己的经验在实践中开展利用有益微生物和防治有害微 生物的活动,但由于在思想方法上长期停留在“实践一实践一实践”的基础上,因此只能长 期处于低水平的应用阶段 在史前期,世界各国人民在自己的生产实践中都累积了许多利用有益微生物和防治有害 微生物的经验,例如发面,天然果酒和啤酒的酿造,牛乳和乳制品的发酵以及利用霉菌来治 疗…些疾病等。但是,在当时应用水平最高并独树一帜的应首推我国人民在制曲、酿酒方面 的伟大创造。 我国人民在距今约800年至4500年间,已发明了制曲酿酒工艺,在2500年前的春秋 战国时期,已知制酱和醋。在宋代,已采用老的曲子—“曲母”来进行接种,还根据红曲 菌有喜酸和喜温的生长习性,利用酸大米和明矾水在较高温度下培养,以制造优良的红曲。在 00年前,利用自养细菌生命活动的胆水浸铜法(类似于今日的细菌沥滤,见第九章)已正式 用于生产铜。在200年前,已发现豆科植物的根瘤有增产作用,并采用积肥、沤粪、压青和 轮作等农业措施,来利用和控制有益微生物的生命活动,从而提高作物产量,在医药方面,我 们的祖先早在2500年前就知道利用麦曲治疗腹病。另外,在对传染病及其流行规律的认识 对消毒、灭菌措施的利用等方面都有过一定的贡献。此外,在宋代还创造过“以毒攻毒”的 免疫方法,发明用种人痘来预防天花,这要比英国人 E. Jenner在1796年发明种牛痘预防天花 早半个多世纪。 我国人民所创造的制曲酿酒工艺有四大特点,即历史悠久、工艺独特、经验丰富、品种 多样,这是值得后人发扬光大的。现分别介绍如下: (1)历史悠久酵母菌是人类最古老的家养生物之一。关于酒在我国起源的确切时间问 题,还有待考证和讨论。一般认为,酒是人类进入农业社会后的自然产物,是在一段历史时 期中的群众性创造,并非个别人物的发明。《淮南子》(公元前2世纪)中有“清酸之美,始 于耒耜”之说;晋代的《酒诰》(3世纪)中有一段朴素而充满唯物主义观点的关于酒的起源
的叙述:“酒之所兴,肇自上皇,或云仪狄,一曰杜康。有饭不尽,委余空桑,郁积成味,久 蓄气芳。本出于此,不由奇方。”那么,我国何时进入农业社会的呢?1977年,河南新郑县发 掘到的裴李岗遗址是距今近8000年(7885年士480年)的一处较早的新石器时代遗址。在 当时的莓彝中,已可找到谷物的收割和加工工具——石镰、石磨盘、石磨棒等,说明当时已 进入农业社会并可能已开始酿酒了。至4000~5000年前新石器时代晚期的“龙山文化”时 期,从发掘到的大量尊、盉、斝等陶制酒器来看,说明当时酿酒工艺已大有发展,谷物酒已 成为较普遍的酒精饮料了 (2)工艺独特至今存在的各种酒按其酿制原理大体可分成果酒类、啤酒类、曲酒类和 蒸馏酒类四个类型,其中我国人民所发明的曲酒类是最为独特的,其酿制工艺中,先利用霉 菌淀粉酶(曲)对谷物淀粉进行糖化,然后利用酵母菌进行酒精发酵。这简直就是今日的序 列发酵和混合发酵(见第九章第二节)的一种雏型,在徵生物发酵工艺史上有着重要的地位 (3)经验丰富在制曲与酸酒技术上早有丰富的经验,这在《齐民要术》(公元6世纪) 和《天工开物》(1637年)等典籍中都有详尽的记载 (4)品种多样在曲、酒和菌种的种类上十分多样。在曲种上有散曲、小曲、饼曲、草 药曲、红曲和干酵等多种;在酒的品种上,仅《齐民要术》中即记载着39种之多;至于菌种, 当时虽没有纯种微生物,但是,经过精心选择和独特培养后,已选育出以根莓、米曲霉、酵 母菌、红曲霉或毛霉为主体的各种曲种。这些都是我们的祖先为后人留下的丰富的菌种库。 1892年,法国人A. Calmette曾从中国小曲中分离到一株糖化力很强的毛霉 Mucor portions 鲁氏毛霉),并利用它所产生的糖化酶对淀粉质原料进行糖化以生产酒精,这就是酒精发酵 技术中著名的“阿米露法”( amylo process) 2.初创期从1676年列文虎克用自制的单式显微镜观察到细菌的个体起,直至1861年 近200年的时间。在这一时期中,人们对微生物的研究仅停留在形态描述的低级水平上,而 对它们的生理活动及其与人类实践活动的关系却未加研究,因此,微生物学作为一门学科在 当时还未形成 这一时期的代表人物是荷兰的业余科学家—微生物学先驱者列文虎克( Anthony van Leeuwenhoek,1632~1723)。他的贡献主要有三方面:①利用单式显微镜(透镜直径约3mm) 观察了许多微小物体和生物,并于1676年首次观察到形态微小、作用巨大的细菌,从而解决 了认识微生物世界的第一个障碍;②一生制作了419架显微镜或放大镜,放大率一般为50 200倍,最高者达266倍;③发表过约400篇论文,其中绝大部分(375篇)寄往英国皇家学 会发表 3.莫基期从1861年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建立胚种学 说( germ theory)起,直至1897年的一段时间。其特点为:①建立了一系列研究徽生物所必 要的独特方法和技术,从而解决了认识微生物的第二、三、四个障碍;②借助于良好的研究 方法,开创了寻找病原微生物的“黄金时期”;③把微生物学的研究从形态描述推进到生理学 研究的新水平;④开始客观上以辩证唯物主义的“实践一理论一实践”的思想方法指导科学 实验;⑤微生物学以独立的学科形式开始形成,但当时主要还是以其各应用性分支学科的形 式存在。 本时期的代表人物主要是法国的巴斯德( L. Pasteur,1822~1895)和德国的科赫(RKoh 1843~1910),他们可分别称为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人