绪论徽生物学 第一节微生物及其种类、特点和在系统发育中的地位 、微生物及其种举 人们常说的微生物(microorganism,microbe)一词，是对所有形体 细胞结构核结构微生物类！ 微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物 无细胞结构无核 内 的总称，或简单地说是对细小的人们肉眼看不见的生物的总称。指显微镜 亚病毒 拟病毒 下的才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。但其中也有少数成员是 类病毒 肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的，1993年正式确定 阮病毒 有细胞结构原核 古细 的沿革，但仍为今天所适用。 直细 微生 表表明微生物所包括的类群十分庞杂，形态大小、结构差异又十分 放线菌 二、微生物的共同特点及其多样性 真核 酵母菌 微生物作为生物，具有与一切生物的共同点，即：①遗传信总都是 露黄 由DA链上的基因所携带，除少数特例外，其复制、表达与调控都遵循 中心法则。②微生物的初级代谢途径如蛋白质、核酸、多糖、脂肪酸等 魔类 大分子物的合成途径基本相同。③微生物的能量代谢都以ATP作为能 原生动物 量载 微生物作为生物的 除了与其他生物共有的特点外，还具有其本身的特点及其独特的生物多样性： 的形 构多样 作单位，病毒等 细菌的 个。微生物木身就具有极为巨大的比表面积 如大肠杆菌(Escherichia coli)比表面积可达30万。这对于微生物 与环境的物质、能量和 息的交换极为有 尽管微生物的形态结构十分简单，大多是单细胞或简单的多细胞构成，甚至还无细胞结构，仅有DNA或RNA:形 态上也仅是球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等，细菌和古菌形态上除了那些典型形状外还有许多如方形、阿拉伯数字 状、英文字母形等等特殊形状。放线菌和霉菌的形态有多种多样的分枝丝状。微生物细胞的显微结构更是具有明显的 多样性，如细菌经革兰氏染色后可分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌，其原因在于细胞壁的化学组成和结构不同，古菌 班成更是与细菌有若明显的区别，没有肽聚釉而由蛋白质等组成，真菌细胞壁结构又与古南、细菌义 代谢多样性 长链到芳香经类，以及 而且微生物的代谢方式多样，既可以C0,为碳源进行自养型生长，也可以有机物为碳源进行异养型生长：既可以光 能为能源，也可以化学能为能源。既可在有0，条件下生长，又可在无0，条件下生长。代谢的中间体和产物更是多种多 样，有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白质、脂类、糖类等等。代谢速率也是任何其他生物所不能比拟的。如在适宜 环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的2000倍。以同等体积计，一个细菌在1小时内所消耗的糖 即可相当于人在500年时间内所消耗的粮食。 代谢产物更是多 多样， 物的代产物酸脂肪、抗生素、维生素、素、色素、生物碱、 微生 变异多样性 可以菌丝和分生孢子繁 酵母南可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖 微生物尤其是以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌37℃时世代时间为18分钟， 每24小时可分裂0次，每24小时的增硝数为1.2x1024个。枯草芽孢杆菌(B阳Ci11 us suhti1s)30℃时的时代时间为 31分钟，每24小时可分裂46次，增殖数为7.0x1013个。 微生物由于个体小，结构简单，繁殖快，与外界环境直接接触等原因，很容易发生变异， 一股自然变异的频率可 达10-5 10一10，而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及到任何性状，如形态 构造、代谢途径、抗性 抗原性的形成与消失、代期严物的种类和数量等。 如常见的人体病原菌抗药性的提高，常 霉素的发酵生 瑞提高至接0方单
绪论 微生物学 第一节 微生物及其种类、特点和在系统发育中的地位 一、微生物及其种类 人们常说的微生物 (microorganism, microbe) 一词，是对所有形体 微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物 的总称，或简单地说是对细小的人们肉眼看不见的生物的总称。指显微镜 下的才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。但其中也有少数成员是 肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的， 1993 年正式确定 为细菌的 Epulopiscium fishlsoni 以及 1998 年报道的 Thiomargarita namibiensis ，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般 的概念，是历史的沿革，但仍为今天所适用。 微生物的种类包括 上表表明微生物所包括的类群十分庞杂，形态大小、结构差异又十分 巨大。 二、微生物的共同特点及其多样性 微生物作为生物，具有与一切生物的共同点，即： ① 遗传信息都是 由 DNA 链上的基因所携带，除少数特例外，其复制、表达与调控都遵循 中心法则。 ② 微生物的初级代谢途径如蛋白质、核酸、多糖、脂肪酸等 大分子物的合成途径基本相同。 ③ 微生物的能量代谢都以 ATP 作为能 量载体。 微生物作为生物的一大类 ，除了与其他生物共有的特点外，还具有其本身的特点及其独特的生物多样性： 1 、微生物的形态与结构多样性 微生物的个体极其微小，必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到它们。测量和表示单位，细菌等须用 mm 作单位，病毒等必须用 nm 作单位。杆形细菌的宽度只有 0.5～2mm，长度也只有 1～几个 mm，每 g 细菌的个数可达 1010 个。微生物本身就具有极为巨大的比表面积，如大肠杆菌（Escherichia coli ）比表面积可达 30 万。这对于微生物 与环境的物质、能量和信息的交换极为有利。 尽管微生物的形态结构十分简单，大多是单细胞或简单的多细胞构成，甚至还无细胞结构，仅有 DNA 或 RNA；形 态上也仅是球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等，细菌和古菌形态上除了那些典型形状外还有许多如方形、阿拉伯数字 状、英文字母形等等特殊形状。放线菌和霉菌的形态有多种多样的分枝丝状。微生物细胞的显微结构更是具有明显的 多样性，如细菌经革兰氏染色后可分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌，其原因在于细胞壁的化学组成和结构不同，古菌 的细胞壁组成更是与细菌有着明显的区别，没有肽聚糖而由蛋白质等组成，真菌细胞壁结构又与古菌、细菌又很大的 差异。 2 、微生物的代谢多样性 微生物能利用的基质十分广泛，是任何其他生物所望尘莫及的。从无机的 CO2 到有机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂 类等，从短链、长链到芳香烃类，以及各种多糖大分子聚合物(果胶质、纤维素等)和许多动、植物不能利用、甚至对 其他生物有毒的物质，都可以成为微生物的碳源和能源。 而且微生物的代谢方式多样，既可以 CO2 为碳源进行自养型生长，也可以有机物为碳源进行异养型生长；既可以光 能为能源，也可以化学能为能源。既可在有 O2 条件下生长，又可在无 O2 条件下生长。代谢的中间体和产物更是多种多 样，有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白 质、脂类、糖类等等。代谢速率也是任何其他生物所不能比拟的。如在适宜 环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的 2000 倍。以同等体积计，一个细菌在 1 小时内所消耗的糖 即可相当于人在 500 年时间内所消耗的粮食。 代谢产物更是多种多样，蛋白质、多糖、核酸、脂肪、抗生素、维生素、毒素、色素、生物碱，CO2、H2O、H2S、 NO2 -1、NO3 －1 、SO4 －2 等等都可是微生物的代谢产物。 3 、微生物的繁殖与变异多样性 微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性。细菌以二裂法为主，个别可由性接合的方式繁殖；放线菌 可以菌丝和分生孢子繁殖；霉菌可由菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖，无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态； 酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。 微生物尤其是以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌 37℃时世代时间为 18 分钟， 每 24 小时可分裂 80 次，每 24 小时的增殖数为 1.2x1024 个。枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)30℃时的时代时间为 31 分钟，每 24 小时可分裂 46 次，增殖数为 7.0x1013 个。 微生物由于个体小，结构简单，繁殖快，与外界环境直接接触等原因，很容易发生变异，一般自然变异的频率可 达 10－5 ～ 10－10 ，而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及到任何性状，如形态 构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量等等。如常见的人体病原菌抗药性的提高，常 需要提高用药剂量，则是病原菌变异的结果。抗生素生产和其他发酵性生产中利用微生物变异，提高发酵产物产量。 最典型的例子是青霉素的发酵生产，最初发酵产物每 ml 只含 20 单位左右，而现在已有极大的增加，甚至接近 10 万单 位了。 细胞结构 核结构 微生物类群 无细胞结构 无核 病毒 亚病毒 拟病毒 类病毒 朊病毒 有细胞结构 原核 古细菌 真细菌 放线菌 蓝细菌 真核 酵母菌 霉菌 藻类 原生动物
4、微生物的抗性多样性 、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧、抗辐射和抗毒物等 能力， 物具有极强的 多样性 下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌，并观察到在105℃时还能生长 甚至有报导，有人从 太平洋25000 在265 细茵粉量增加1台 了100倍，其至升温到300C时仍在生长。细菌芽孢具有 0这 和发酵工业生产带来主 低温冰箱(-20℃)、 干冰(-70C)、液氨(-196C)来保藏菌种，都具有良好的效果。 嗜酸菌可以在H为0.5的强酸环境中生存，而硝化细菌可在pH9.4、脱氮硫杆菌可在pH10.7的环境中活动。在 含盐高达23%一25%的“死海”中仍有相当多的嗜盐南生存。在糖渍蜜饿、蜂蜜等高参物中同样有高渗酵母等微生物活 动，从而往往引起这些物品的变质。 微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类基至会形成特殊的休眠枸造，如芽孢，分生孢子孢囊 芽孢在休眠了几百年，甚至上干 之后仍有活力。甚至报导过3000 4000年前埃及金字塔中的木尹上全今仍 前己确定的微生 中数在十万种左右，但仍正以每年发现 上千个新动的艳热在增加 款联群尚生物学家 姆舍涅茨基说“目前我们所了解的微生物种类 至多不超过生活在自然界中的微生物总数的10% 微生物生太是 家较为一致地认为，目前己知的己分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的1%。情形可能确实如 此，在自然界中存在着极为丰富的微生物资源。 自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料。每g土壤中细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个 人体肠道中菌体总数可达100万亿左右。每g新鲜叶子表面可附生100多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量 估计达280亿吨。从 个太小和观擦技木术 些数据资科可见微生物在目然界中的数量之已。实上我们生活在 充两看微生物的环境中 微生物在 系统发有史」 植物和 类要早得多 但田于其 生物 毒界 界都是为微生物而设立的， 结构生物中的原核生物界、 范为宽 微生物6 其余 微生物在自然界中，除了“明火” 下至地表下几百米的深处，海洋上万米的水底 ,都己分布有各 同的微生物。即使是同」 同环墙，在不园的季节。士凭夏术条系，微生物的金种活作物取 组成等等有明显的不同。显示了微生物生态分布的多样性。 三、徽生物与人类社会文明进步 微生物与人类社会和文明的发展有若极为密切的关系。微生物与人类关系的重要性和对于人类已有文明所作出的 贡献以及对于人类可持续发展所具有的贡献潜力，都有着光辉的记录并将继续创造若新的功锁。当今的人类社会生活 食品 的面包、 奶酪、 酸奶、酸菜， 理与修复 物对人类疾病的控制写 抗生过程 引起的各种人 的和 尖 与微生物的 酿清活动在我国史前便已相当发达 经 用微生物的辉煌实践。古埃及人会烘制 包和配制果酒 农业生产中 用豆科植 其他作物轮作以提高士地肥力的实践，促进农业生产的持续发展。微生物是人类生存环境的清道夫和物质转化的必不 可少的重要成员，推动着物质的地球生物化学循环，使得地球上的物质循环得以正常进行。很难想象，如果没有微生 物的作用，地球将是什么样，无疑所有的生命都将无法生存与繁衍，更不用说当今的现代文明了。 微生物病原菌也曾给人类带来巨大灾难。14世纪中叶，鼠疫耶森氏菌(Yersinia pestis)引起的瘟疫导致了欧 洲总人数约1/3人的死亡。解放前的我国也经历了类似的灾难。即使是现在，人类社会仍然遭受着微生物病原菌引起 的疾病灾难 病、肺结核、疟疾、 乱正在卷士重来和大规模传布，还有正在不断出 规的新的族柄如枫牛柄 立病毒 杆菌0157 0139新致 2003年春的SAR 平的 然空 g友明了青 下on物学发正中的学家为尚生物学的建立与发昆研我 素、 疗白喉和破伤 米 数 智慧与 身。据有关 计表明，其发现或发明人就有30位诺贝尔奖获得者，在20世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者中 ,从事微生物领域研 究的就占了1/3。微生物学发展史上的重大事件，都表明微生物学的发展对世界的文明进步作出的巨大贡献。 由于微生物本身的生物学特性和独特的研究方法，微生物已经成为现代生命科学在分子水平、基因水平、基因组水平 和后基因组水平研究的基本对象和良好工具。微生物和微生物学的理论与研究技术正在被广泛应用于其他生命科学的 研究中，即日益微生物学技术化，推动着生命科学的日新月异，直接和间接地推动着人类文明的快速发展。现代生命 科学的多前沿成果大多来自于对微生物的研究
4 、微生物的抗性多样性 微生物具有极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧 、抗辐射和抗毒物等 能力，显示出其抗性的多样性。 现在已从近于 100℃条件下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌，并观察到在 105℃时还能生长。甚至有报导，有人从 太平洋 25000m 深处分离到的高温菌，在 265atm 和 250℃下，经过 40 分钟的培养，细菌数量增加 1 倍，几小时后增加 了 100 倍，甚至升温到 300℃时仍在生长。细菌芽孢具有高度抗热性，这常给科研和发酵工业生产带来危害。许多细菌 也耐冷和嗜冷，有些在-12℃下仍可生活，造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们常用冰箱(+4℃)、 低温冰箱(-20℃)、干冰(-70℃)、液氮(-196℃) 来保藏菌种，都具有良好的效果。 嗜酸菌可以在 pH 为 0.5 的强酸环境中生存，而硝化细菌可在 pH 9.4、脱氮硫杆菌可在 pH10.7 的环境中活动。在 含盐高达 23％～25%的“死海”中仍有相当多的嗜盐菌生存。在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活 动，从而往往引起这些物品的变质。 微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类甚至会形成特殊的休眠构造，如芽孢、分生孢子、孢囊等。 有些芽孢在休眠了几百年，甚至上千年之后仍有活力。甚至报导过 3000 ～ 4000 年前埃及金字塔中的木乃尹上至今仍 有活的病原菌。 5 、微生物的种类多样性 目前已确定的微生物种数在十万种左右，但仍正以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。苏联微生物学家伊 姆舍涅茨基说“目前我们所了解的微生物种类，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的 10％”，微生物生态学 家较为一致地认为，目前已知的已分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的 1％。情形可能确实如 此，在自然界中存在着极为丰富的微生物资源。 自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料。每 g 土壤中细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个。 人体肠道中菌体总数可达 100 万亿左右。每 g 新鲜叶子表面可附生 100 多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量 估计达 280 亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。 微生物在生物系统发育史上，比动植物和人类都要早得多，但由于其个体太小和观擦技术问题而发现它们却是最 晚的。微生物横跨了生物六界系统中无细胞结构生物病毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界， 除了动物界、植物界外，其余各界都是为微生物而设立的，范围极为宽广。 6 、微生物的生态分布多样性 微生物在自然界中，除了“明火” 、火山喷发中心区和人为的无菌环境外，到处都有分布，上至几十千米外的高 空，下至地表下几百米的深处，海洋上万米的水底层，土壤、水域、空气，动植物和人类体内外，都已分布有各种不 同的微生物。即使是同一地点同一环境，在不同的季节，如夏季和冬季，微生物的数量、种类、活性、生物链成员的 组成等等有明显的不同。显示了微生物生态分布的多样性。 三、微生物与人类社会文明进步 微生物与人类社会和文明的发展有着极为密切的关系。微生物与人类关系的重要性和对于人类已有文明所作出的 贡献以及对于人类可持续发展所具有的贡献潜力，都有着光辉的记录并将继续创造着新的功绩。当今的人类社会生活 已难以离开微生物所作的直接或间接贡献。食品中的面包、奶酪、酸奶、酸菜，各种发酵饮料如啤酒、白酒，酱油、 醋、味精等调味品，各种抗生素、维生素和其他微生物药品，各种微生物性保健品，环境的微生物污染和污染环境的 微生物治理与修复，动植物生产过程中使用微生物促进剂，微生物病原菌引起的各种人类疾病和微生物产生的各种药 物对人类疾病的控制与治疗，等等，都与微生物的作用或其代谢产物有关。 酿酒活动在我国史前便已相当发达，4000 多年前已十分普遍，数千年的历史长河中积累了极为丰富的酿酒理论与 经验，创造了人类利用微生物的辉煌实践。古埃及人会烘制面包和配制果酒。我国早期的农业生产中使用豆科植物与 其他作物轮作以提高土地肥力的实践，促进农业生产的持续发展。微生物是人类生存环境的清道夫和物质转化的必不 可少的重要成员，推动着物质的地球生物化学循环，使得地球上的物质循环得以正常进行。很难想象，如果没有微生 物的作用，地球将是什么样，无疑所有的生命都将无法生存与繁衍，更不用说当今的现代文明了。 微生物病原菌也曾给人类带来巨大灾难。14 世纪中叶，鼠疫耶森氏菌（Yersinia pestis）引起的瘟疫导致了欧 洲总人数约 1/3 人的死亡。解放前的我国也经历了类似的灾难。即使是现在，人类社会仍然遭受着微生物病原菌引起 的疾病灾难威胁。艾滋病、肺结核、疟疾、霍乱正在卷土重来和大规模传布，还有正在不断出现的新的疾病如疯牛病、 军团病、埃博拉病毒病、大肠杆菌 0157、霍乱 0139 新致病菌株，2003 年春的 SARS 病毒、西尼罗河病毒，2004 年的禽 流感病毒，等等，正在给人类带来新的疾病与灾难。然而正是 Louis Pasteur 研究成功狂犬疫苗、Fleming 发明了青霉 素、von Behring 成功制备抗毒素治疗白喉和破伤风，等等，挽救了无数的生命，同时也拯救了人类文明。 在微生物学发展史上有众多的科学家为微生物学的建立与发展研究、探索，奉献了自己的智慧与一身。据有关统 计表明，其发现或发明人就有 30 位诺贝尔奖获得者，在 20 世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者中，从事微生物领域研 究的就占了 1／3 。微生物学发展史上的重大事件，都表明微生物学的发展对世界的文明进步作出的巨大贡献。 由于微生物本身的生物学特性和独特的研究方法，微生物已经成为现代生命科学在分子水平、基因水平、基因组水平 和后基因组水平研究的基本对象和良好工具。微生物和微生物学的理论与研究技术正在被广泛应用于其他生命科学的 研究中，即日益微生物学技术化，推动着生命科学的日新月异，直接和间接地推动着人类文明的快速发展。现代生命 科学的许多前沿成果大多来自于对微生物的研究
第二节微生物学及其分支学科和发展史 一、徽生物学及其研究内容 crobiology 是研究微生物及其生活动件的科学即研究生物在一定条件下的形态结构生 理化因素之间的相 生物地球化学格环中的 间的程农业 既有独特的理论体系， 又有强实性相学的 还包括了有 微生物研究作为一门科学 微生物兴 当今的发展无疑是最为活跃、最为迅速、最为辉煌、影响最大的生命科学 之一 二、微生物学的分支学科 随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，又可根据研究的侧重面和层次不同而分为许 多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。按研究对象分，可分为细菌学，放线菌学，真菌学，病 毒学， 原生动物学，藻类学等。按过程与功能分， 可分为成生物生生子， 微生物分类学， 微生物遗传学，微生物生态 生物基因组气 细胞微生 妆 上壤微生物学 境微生 安应用范 业 为发醇 学微4 生生物 食品得 分为流行病等 疫学等。 随着现代理论和技 的发展，新的微生物学分支学科正在不断形成和建立 细微生物学（ce11u1a 微生物分子生物学和微生物基因组学等在分子水平、基因水平和后是 因组水平上研究微生物生命活动规律及其生命本质的分支学科和新型研究领域的出现，表明微生物学的发展进入了 个崭新的阶段。 三、徽生物的发现与微生物学发展简史 微生物学发展简史 史前时期人类对微生物的认识与利用 院克(Anton enhook)用自制的简易显微镜亲眼观察到细南个体之 前， 际 中积累了不 于微生物作用的经验规律 并且应用这些规律 财液包为配制果酒技 早广泛应用的 古埃及 食品中控制和应用微生物活动规律的典 土压青、豆类作物与其它作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和应用微生物生命活动规律的生产技术。种 痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管这些还没有上升为微生 物学理论，但都是控制和应用微生物生命活动规律的实践活动。 2、撤生物形态学发展阶段 17世纪80年代，吕文虎克用他自己制造的，可放大160倍的显微镜观察牙垢、用水、井水以及各种有机质的浸 出液发现到了许多可以活动的 的小动物 目然界的秘密 的祝歌：但是在其后 物作用 微生物生理学 法国的巴斯德( (D 立了在餐特贺生物册究方法，对微生物的生命活动及其对人类实我和 然界的 用作研杰出的科学家建 同时还建立起 许多微生物学分支学科，尤其是建立了解决当时实际问题的几门重要应用微生物学科，如医用细菌学、植物病理学 酿造学、土壤微生物学等。 在这个时期，巴斯德研究了酒变酸的微生物原理、探索了蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病的病因 有机质腐败和酿酒失败的起因，否定了生命起源的“自然发生说”，建立了巴氏消毒法等一系列微生物学实验技术。 技术和基商之后，改进了国体培养基的金方，发明了倾血法进行纯种分高，建立了细菌细随的染色技术显微 养法 找并 病和霍乱病等一系列严重传染疾病的病原体等。这些成就奠定了微 生物学成为时 科学 们是微生物学的基人7年 化学相联系起来，推动了微生 生理学的发展 同 学的发居大生物 俄四学者的发 接作 把酵母菌的生命活动和 k)首先发现 草花叶病毒(To 微生物分子生物学发展阶段 在上一时期的基础上，本世纪初至40年代末微生物学开始进入了酶学和生物化学研究时期，许多酶、辅酶、抗 生素以及许多反应的生物化学和生物遗传学都是在这一时期发现和创立的，并在40年代末形成了一门研究微生物基 本生命活动规律的综合学科 普通微生物学」 50年代初，随着电镜技术和其他高技术的出现，对微生物的研究进入到分子生物学的水平。1953年华特生(J.D. iatson）和克里克(E,H.Crick)发现了细菌基因体脱氧核糖核酸长链的双螺旋构造。1961年加古勃(,Jacab)和 莫诺德(J.Mood)提出了操纵子学说，指出了基因表达的调节机制和其局部变化与基因突变之间的关系，即阐明了
第二节 微生物学及其分支学科和发展史 一、微生物学及其研究内容 微生物学 (Microbiology) 是研究微生物及其生命活动规律的科学。即研究微生物在一定条件下的形态结构、生 理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其与其他微生物之间，与动植物之间的相互关系， 与外界环境理化因素之间的相互关系，微生物在自然界各种元素的生物地球化学循环中的作用，微生物在工业、农业、 医疗卫生、环境保护、食品生产等各个领域中的应用，等等。实际上，微生物学除了相应的理论体系外，还包括了有 别于动植物研究的微生物学研究技术，是一门既有独特的理论体系，又有很强实践性的学科。 微生物研究作为一门科学 —-- 微生物学，当今的发展无疑是最为活跃、最为迅速、最为辉煌、影响最大的生命科学 之一。 二、微生物学的分支学科 随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，又可根据研究的侧重面和层次不同而分为许 多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。按研究对象分，可分为细菌学，放线菌学，真菌学，病 毒学，原生动物学，藻类学等。按过程与功能分，可分为微生物生理学，微生物分类学，微生物遗传学，微生物生态 学，微生物分子生物学，微生物基因组学，细胞微生物学等。按生态环境分，可分为土壤微生物学，环境微生物学， 水域微生物学，海洋微生物学，宇宙微生物学等。按技术与工艺分，可分为发酵微生物学，分析微生物学，遗传工程 学，微生物技术学等。按应用范围分，可分为工业微生物学，农业微生物学，医学微生物学，兽医微生物学，食品微 生物学，预防微生物学等；按与人类疾病关系分，可分为流行病学，医学微生物学，免疫学等。随着现代理论和技术 的发展，新的微生物学分支学科正在不断形成和建立。 细胞微生物学 (cellular microbiology) 、微生物分子生物学和微生物基因组学等在分子水平、基因水平和后基 因组水平上研究微生物生命活动规律及其生命本质的分支学科和新型研究领域的出现，表明微生物学的发展进入了一 个崭新的阶段。 三、微生物的发现与微生物学发展简史 （一）、微生物学发展简史 1 、史前时期人类对微生物的认识与利用 在 17 世纪下半叶，荷兰学者吕文虎克（Antony van Leeuwenhook）用自制的简易显微镜亲眼观察到细菌个体之 前，对于一门学科来说尚没形成。这个时期称为微生物学史前时期。 在这个时期，实际上人们在生产与日常生活中积累了不少关于微生物作用的经验规律，并且应用这些规律，创造 财富，减少和消灭病害。民间早已广泛应用的酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍、蜜饯等等。古埃及人也早已 掌握制作面包和配制果酒技术。这些都是人类在食品工艺中控制和应用微生物活动规律的典型例子。积肥、沤粪、翻 土压青、豆类作物与其它作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和应用微生物生命活动规律的生产技术。种 痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管这些还没有上升为微生 物学理论，但都是控制和应用微生物生命活动规律的实践活动。 2 、微生物形态学发展阶段 17 世纪 80 年代，吕文虎克用他自己制造的，可放大 160 倍的显微镜观察牙垢、雨水、井水以及各种有机质的浸 出液，发现到了许多可以活动的“活的小动物”，并发表了这一“自然界的秘密”。这是首次对微生物形态和个体的 观察和记载。随后，其他研究者凭借显微镜对于其它微生物类群进行的观察和记载，充实和扩大了人类对微生物类群 形态的视野。但是在其后相当长的时间内，对于微生物作用的规律仍一无所知。这个时期也称为微生物学的创始时期。 3 、微生物生理学发展阶段 在 19 世纪 60 年代初，法国的巴斯德（Louis Pasteur）和德国的柯赫（Robert Koch）等一批杰出的科学家建 立了一套独特的微生物研究方法，对微生物的生命活动及其对人类实践和自然界的作用作了初步研究，同时还建立起 许多微生物学分支学科，尤其是建立了解决当时实际问题的几门重要应用微生物学科，如医用细菌学、植物病理学、 酿造学、土壤微生物学等。 在这个时期，巴斯德研究了酒变酸的微生物原理、探索了蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病的病因、 有机质腐败和酿酒失败的起因，否定了生命起源的“自然发生说”，建立了巴氏消毒法等一系列微生物学实验技术。 柯赫在继巴斯德之后，改进了固体培养基的配方，发明了倾皿法进行纯种分离，建立了细菌细胞的染色技术，显微摄 影技术和悬滴培养法，寻找并确证了炭疽病、结核病和霍乱病等一系列严重传染疾病的病原体等。这些成就奠定了微 生物学成为一门科学的基础。他们是微生物学的奠基人。 在这一时期，英国学者布赫纳（E. Buchner）在 1897 年研究了磨碎酵母菌的发酵作用，把酵母菌的生命活动和酶 化学相联系起来，推动了微生物生理学的发展。同时，其他学者例如俄国学者伊万诺夫斯基(Ivanovski)首先发现了烟 草花叶病毒(Tobacco mosaic virus，TMV)，扩大了微生物的类群范围。 4 、微生物分子生物学发展阶段 在上一时期的基础上，本世纪初至 40 年代末微生物学开始进入了酶学和生物化学研究时期，许多酶、辅酶、抗 生素以及许多反应的生物化学和生物遗传学都是在这一时期发现和创立的，并在 40 年代末形成了一门研究微生物基 本生命活动规律的综合学科 —— 普通微生物学。 50 年代初，随着电镜技术和其他高技术的出现，对微生物的研究进入到分子生物学的水平。1953 年华特生（J. D. Watson）和克里克（F. H. Crick）发现了细菌基因体脱氧核糖核酸长链的双螺旋构造。1961 年加古勃（F. Jacab）和 莫诺德（J. Monod）提出了操纵子学说，指出了基因表达的调节机制和其局部变化与基因突变之间的关系，即阐明了
遗传信息的传递与表达的关系。1977年，C.Wose等在分析原核生物16 S FRNA和真核生物18 S FRNA序列的基础上 期 古菌和真核生物三域，domain） 各生 间的系统发 使生物 究来 的 子水平上研究不同生理类型微生物的各种， 谢途径和调控、能量产生和转 以及严格厌氧和其他极端条件下的 微生物的形态构建和 因和分 “尤其是近年来 应田用代公子生物转王段，将且右其轴特动能的其因作山 组成序列图谱，以大肠杆菌等细菌细胞为工具和对象进行了各种各样的基因转移、克隆等等开拓性研究。在应用方面， 开发南种资源 发酵原料和代谢产物，利用代谢调控机制和周定化细胞、固定化酶发展发酵生产和提高发酵经济的效 益，应用遗传工程组建具有特殊功能的 工程莉 把研究微生物的各种方法和手段应用于动、植物和人类研究 的某些领域。这些研究使微生物学研究进入到一个崭新的时期。 四、我国微生物学的发展与贡献 我国是认识和利用微生 最为悠久 在应用成果获得最为优秀的围家 酒、酱油、醋等微生物饮料和调 是物 生物 。应用现代微生物兰 抗在基 界上有影响的研究成果正不断出现， 手生物字手夏在四保水有阿究空 个新的时期。然 而若距十分明显 第三节徽生物与人类可持续发展 一、当代微生物学的发展趋势 当代微生物字的发展趋势 万面是由于分子生物学新技术不断出现，便得微生物学研究得以迅速问纵深发展 己从细胞其他 字水平逐渐进 型因水 分水平和后 究领域 他学科交 形成许多新的字 ,近20 技术与万法的运用 使微生物字理 丰富着新理论、新发现并新 和新成 理 细菌在生物系统发育中的地位 上进行 平 定的理论 生理生化与当宝的生 进 研究了微生物分化的基因调控，分子信号物质及其作用机制， 种生理生化反应的移的基因及其组成、表状和调控，细明子蛋白质生物合成机制，建立了称生物合成和话性调节模式 探查了许多核酸序列，构建了l00多种微生物的基因核酸序列图谱。如大肠杆菌(Escheriachia coli)的基因图 谱早已绘出，1/3多的基因产物已完成了生化研究，80%的代谢途径已有了解，染色体复制模式及调控方式已基本 闸明，对许多操纵子的主要特征已有描述，对大肠杆菌细胞高分子的合成己探明，并可以在试管中模拟，即进入了后 基因组时期对氨酶合成及其活性枸 调节式 在基因和分 水平上揭示了根榴圈 成 共建有效根及 新的生物技 。目前正有许 究利用的 术改良和创 微生物新品种 培并 存的为环境 了地 明了这些极端 性状，形成了一个生命科学中的崭新领域， 为生命的起源、进化和系统发有的探素和阐明提供了大量有用的证据， 极大的丰富了自然界微生物种的多样性。微生物作为环境污染物的 “清道夫 和污染受损环墙的牛物修复者，它 们对于部分污染物尤其是含芳香环的难降解物的分解和降解，也已从质粒、 降解酶基因水平上加以阐明： 微生物学的研究将日益重视微生物特有的生命现象。如极端环境中的生存能力，特异的代谢途径和功能，化能营 养、厌氧生活、生物固氮，不放氧光合作用等，对于这些生命过程中物质和能量运动基本规律的阐明将会给人们展示 诱人的 用前景。由 微生物具有独特和尚效形的 三物转化能力和 多种 样的有用的代严物 为人类的生有 王物投 等， 将是1 性的生物科学热点 ,会得到极大 的发 因此，根据21世纪生命科学的发展趋势和研究热点 在日前己对少数微生物构建遗传物理图进的基础上，将会 全面展开微生物基因组学和后基因组学的研究。微生物基因组的研究必将明显的促进生物信息学的发展和包括比较 物学、分子进化学和分子生态学在内的生物学研究新时代的到来。对具有某种意义的微生物种、菌株进行全基因组的 序列分析、功能分析和比较分析，明确其结构、表型、功能和进化等之间的相互关系。阐明微生物与微生物之间、微 生物与其他生物之间、微生物与环境因素之间相互作用的分子机理及其控制本质基因机制，将会极大发展微生物分子 生态学、环境微生物学、细胞微生物学、微生物资源学的发展。 微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科的先进技术的基础上，向自动化、计算机化、定向化和定量化 术上的重大突破， 促使生物科学获得前所未有的高速度发展，开辟斩新的研究复 神经分子生物学、分子细胞学、分子生理学、分子生态和进化等学科领
遗传信息的传递与表达的关系。1977 年，C. Weose 等在分析原核生物 16S rRNA 和真核生物 18S rRNA 序列的基础上， 提出了可将自然界的生命分为细菌、古菌和真核生物三域（domain），揭示了各生物之间的系统发育关系，使微生物 学进入到成熟时期。在这个成熟时期，从基础研究来讲，从三大方面深入到分子水平来研究微生物的生命活动规律： ① 研究微生物大分子的结构和功能，即研究核酸、蛋白质、生物合成、信息传递、膜结构与功能等。② 在基因和分 子水平上研究不同生理类型微生物的各种代谢途径和调控、能量产生和转换，以及严格厌氧和其他极端条件下的代谢 活动等。③ 分子水平上研究微生物的形态构建和分化，病毒的装配以及微生物的进化、分类和鉴定等，在基因和分子 水平上揭示微生物的系统发育关系。尤其是近年来，应用现代分子生物技术手段，将具有某种特殊功能的基因作出了 组成序列图谱，以大肠杆菌等细菌细胞为工具和对象进行了各种各样的基因转移、克隆等等开拓性研究。在应用方面， 开发菌种资源、发酵原料和代谢产物，利用代谢调控机制和固定化细胞、固定化酶发展发酵生产和提高发酵经济的效 益，应用遗传工程组建具有特殊功能的 “ 工程菌 ” ，把研究微生物的各种方法和手段应用于动、植物和人类研究 的某些领域。这些研究使微生物学研究进入到一个崭新的时期。 四、我国微生物学的发展与贡献 我国是认识和利用微生物历史最为悠久、在应用成果获得最为优秀的国家之一。酒、酱油、醋等微生物饮料和调 味品的制作，豆科植物与非豆科植物的轮作间作，种痘预防天花等方面都有卓越的实践与记载。现在我国的微生物学 事业得到了长足发展。现代化的发酵工业、抗生素工业、生物农药和菌肥的研究和应用以及微生物学基础研究逐步形 成一定规模。应用现代微生物学分子生物学手段在基因水平、分子水平和后基因组水平尚的研究业已广泛展开。在世 界上有影响的研究成果正不断出现，在某些领域进入了国际先进水平。我国微生物学的发展进入了一个新的时期。然 而差距仍十分明显。 第三节 微生物与人类可持续发展 一、当代微生物学的发展趋势 当代微生物学的发展趋势，一方面是由于分子生物学新技术不断出现，使得微生物学研究得以迅速向纵深发展， 已从细胞水平、酶学水平逐渐进入到基因水平、分子水平和后基因组水平。另一方面是大大拓宽了微生物学的宏观研 究领域，与其他生命科学和技术、其他学科交叉、综合形成许多新的学科发展点甚至孕育新的分支学科。近 20 ～ 30 年来，微生物学研究中分子生物技术与方法的运用，已使微生物学迅速丰富着新理论、新发现、新技术和新成果。 C. Woese 1977 年提出并建立了细菌（ bacteria ）、古菌 (archaea) 和真核生物（ eucarya ）并列的生命三域的理论， 揭示了古细菌在生物系统发育中的地位，创立了利用分子生物学技术进行在分子和基因水平上进行分类鉴定的理论与 技术。微生物细胞结构与功能、生理生化与遗传学研究的结合，已经进入到基因和分子水平，即在基因和分子水平上 研究了微生物分化的基因调控，分子信号物质及其作用机制，生物大分子物质装配成细胞器过程的基因调控，催化各 种生理生化反应的酶的基因及其组成、表达和调控，阐明了蛋白质生物合成机制，建立了酶生物合成和活性调节模式， 探查了许多核酸序列，构建了 100 多种微生物的基因核酸序列图谱。如大肠杆菌（ Escheriachia coli ）的基因图 谱早已绘出， 1/3 多的基因产物已完成了生化研究， 80 ％的代谢途径已有了解，染色体复制模式及调控方式已基本 阐明，对许多操纵子的主要特征已有描述，对大肠杆菌细胞高分子的合成已探明，并可以在试管中模拟，即进入了后 基因组时期。对固氮酶合成基因及其活性已构建了调节模式，并在基因和分子水平上揭示了根瘤菌 — 豆科植物共生 固氮体系中根瘤菌和豆科植物相互识别、共建有效根瘤及其调节。 DNA 重组技术的出现为构建具有特殊功能的基因工 程菌提供了令人兴奋的成果和良好的前景，已实现了利用基因工程微生物大量生产人工胰岛素、干扰素和生长素等贵 重药物，形成了一个崭新的生物技术产业。目前正有许多研究利用 DNA 重组技术改良和创建微生物新品种。 微生物生态学的研究不仅拓宽了原有的土壤、污水、水域、地矿等环境并进入了宇宙空间和深入到微生物赖以生 存的为环境，而且极大地关注了极端环境下的微生物生命活动，阐明了这些极端环境微生物具备的其他生物所没有的 性状，形成了一个生命科学中的崭新领域，为生命的起源、进化和系统发育的探索和阐明提供了大量有用的证据，也 极大的丰富了自然界微生物种的多样性。微生物作为环境污染物的 “ 清道夫 ” 和污染受损环境的生物修复者，它 们对于部分污染物尤其是含芳香环的难降解物的分解和降解，也已从质粒、降解酶基因水平上加以阐明。 微生物学的研究将日益重视微生物特有的生命现象。如极端环境中的生存能力，特异的代谢途径和功能，化能营 养、厌氧生活、生物固氮，不放氧光合作用等，对于这些生命过程中物质和能量运动基本规律的阐明将会给人们展示 一个诱人的应用前景。由于微生物具有独特和高效的生物转化能力和产生多种多样的有用的代谢产物，为人类的生存 和社会的发展进步创造难以估量的财富，因此发展和促进微生物生物技术的应用即微生物产业化，如微生物疫苗、微 生物药品制剂、微生物食品、微生物保健品、可降解性微生物制品，等等，将是世界性的生物科学热点，会得到极大 的发展。 因此，根据 21 世纪生命科学的发展趋势和研究热点，在目前已对少数微生物构建遗传物理图谱的基础上，将会 全面展开微生物基因组学和后基因组学的研究。微生物基因组的研究必将明显的促进生物信息学的发展和包括比较生 物学、分子进化学和分子生态学在内的生物学研究新时代的到来。对具有某种意义的微生物种、菌株进行全基因组的 序列分析、功能分析和比较分析，明确其结构、表型、功能和进化等之间的相互关系。阐明微生物与微生物之间、微 生物与其他生物之间、微生物与环境因素之间相互作用的分子机理及其控制本质基因机制，将会极大发展微生物分子 生态学、环境微生物学、细胞微生物学、微生物资源学的发展。 微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科的先进技术的基础上，向自动化、计算机化、定向化和定量化 发展，微生物信息学正在孕育中。技术上的重大突破，促使生物科学获得前所未有的高速度发展，开辟斩新的研究领 域，进入新的研究深度。使发育分子生物学、神经分子生物学、分子细胞学、分子生理学、分子生态和进化等学科领
域的逢勃发展。为改造生物提供强有力的手段，从而使得在分子水平上得新设计、改造和创建新的生物形态和新的生 久的开发可能，表的应用范国可以大到食品、化好、环保来、海炼、材科能等众多盆藏有透 有的 因甚全 造新的物种 进步和人类的可持 续生存与发具有重料 跃的微生物学 破性发展，对于推动人类文明的继 做上 圣的生存繁衍和可持乡 发居依干好的生活环培、安全的食品和水。然而，由干种名样的原因，人类生 存的环境包括士壤、 动物各级生物链污染人类食物和饮用水 许多环境污染物是人类体内激素的替代物和干扰物，具有类似人类体内激素的生理特性、能干扰内分泌系统的正常生 理活动，称之为环境激素。这些环境激素可以严重损伤和破坏男性的生殖能力，明显引发女性乳腺癌等女性疾病，诱 发少年儿童的性早熟，引发人类不正常心理情绪与行为。在人类进入21世纪之初之际，不得不痛苦地面对自身造成 的污染环境，因为环境污染危机已经直接威胁到人类本身的生存紧衍和可持续发展。 1、微生物与生态环境 的良好环痛多的有凯 护环境 ,水域和大气的环境质 个适宜人类生 食品 物和合成有毒化合 生活受到关 这 有 中微生物态所民有 理化方法所不能比拟的。因此正广泛应用微生物来处理有机废水和污物】 进行污染土壤的微生物修复。某些微生物也 以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。 利用微生物生产可生物降解塑料替代目前正 在大规模使用的非生物降解塑料 2、酸生物学与农业 农业是人类赖以的最重要的客观基础。微生物学不仅与农业生产密切相关，而且与食品安全和品质改善密切相关， 土壤的形成及其形成其肥力的提高有赖于微生物的作用。土壤中含氨物质的最初来源是微生物的固氨作用。土壤 其质的形和转化、王策结的形成 由十微 推动 的物 壤的 能 随若人类对环境和食品安全质量的要求愈来愈高，易造成环境和食品污染的化学农药、化学化肥愈来愈不受欢迎， 绿色农业或有机农业、绿色食品的呼声愈来愈高。而绿色农业或有机农业、绿色食品离不开微生物的作用。在农业生 产过程中，农作物的防病、防虫害也与微生物密切相关。植物的许多病其病原就是各类微生物，而反过来也可以利用 某些微生物来防治农作物的某些病虫危害。有机肥的积制过程实际上就是通过微生物的生命活动，把有机物质改造为 腐殖质肥料的过程。有机和无机肥料施人土壤后，只有一部分可被植物直接吸收，其余部分都要经过微生物的分解、 转化、吸收、固化，然后才能逐渐并较长时间地供给植物吸收利用。许多微生物能固定大气中的氮素，为植物提供氮 营养 生物 的 业科 实际理论的 用有益的微 造者学技的发展，微生物表的之间的关系必将越 来越 的影响也必将越来越大 续的清 化学燃料不仅是二次性能 “而且燃烧过程中对于环境的污染是 个众所周知的亚重问题。由于微生物可以转化 农业和某些工业有机废弃物为氢气和乙醇等，不仅消除了环境的有机污染物又可生产如氢气、乙醇、甲烷等无污染的 清洁能源，对于人类的可持续发展具有巨大的推动作用 4、丰富的微生物资源及其产物为人类的可持续发展提供新的支持与发展点 由于微生物本身的特点和代谢产物的多样性，利用微生物生产人类战胜疾病所需的医药制品正受到广泛重视。当今人 类正面临着空前的健康安全威肋，不仅许多给人类造成巨大灾难的疾病在卷士重来，如肺结核、霍乱等，而且很多不 明原因、间 无有效控制办法的疾病正不断出现，如艾滋无 、非典型肺炎即严重急性呼吸系乡 于 与治 各无穷无尽的 源宝 人类
域的逢勃发展。为改造生物提供强有力的手段，从而使得在分子水平上得新设计、改造和创建新的生物形态和新的生 物物种成为可能。基因工程的应用范围可以扩大到食品、化工、环保、采矿、冶炼、材料、能源等众多领域，具有诱 人的开发前景。改变已有的基因甚至创造新的物种，这是一项前无古人的崭新工作。 21 世纪是生命科学的世纪，生命科学中最活跃的微生物学无疑将有极大的突破性发展，对于推动人类文明的继续 进步和人类的可持续生存与发展具有重要影响。 二、微生物与人类可持续发展 人类的生存繁衍和可持续发展依赖于良好的生活环境、安全的食品和水源。然而，由于各种各样的原因，人类生 存的环境包括土壤、水域、大气受到污染，甚至是严重污染，进而通过植物、动物各级生物链污染人类食物和饮用水。 许多环境污染物是人类体内激素的替代物和干扰物，具有类似人类体内激素的生理特性、能干扰内分泌系统的正常生 理活动，称之为环境激素。这些环境激素可以严重损伤和破坏男性的生殖能力，明显引发女性乳腺癌等女性疾病，诱 发少年儿童的性早熟，引发人类不正常心理情绪与行为。在人类进入 21 世纪之初之际，不得不痛苦地面对自身造成 的污染环境，因为环境污染危机已经直接威胁到人类本身的生存繁衍和可持续发展。 1 、微生物与生态环境 保护环境、维护生态平衡以提高土壤、水域和大气的环境质量，创造一个适宜人类生存繁衍、并能生产安全食品 的良好环境，是人类生存所面临的重大任务。随着工农业生产的发展和人民对生活环境质量要求的提高，对于进入环 境的日益增多的有机废水污物和人工合成有毒化合物等所引起的污染问题，越来越受到关注。而微生物是这些有机废 水污物和合成有毒化合物的强有力的分解者和转化者，起着环境 “ 清道夫 ” 的作用。而且由于微生物本身所具有 繁衍迅速、代谢基质范围宽、分布广泛等特点，它们在清除环境 ( 土壤、水体 ) 污染物中的作用和优势是任何其他 理化方法所不能比拟的。因此正广泛应用微生物来处理有机废水和污物，进行污染土壤的微生物修复。某些微生物也 以其本身作为病原或其代谢毒物污染各类环境或食品，危害着人类健康。 利用微生物生产可生物降解塑料替代目前正 在大规模使用的非生物降解塑料。 2 、微生物学与农业 农业是人类赖以的最重要的客观基础。微生物学不仅与农业生产密切相关，而且与食品安全和品质改善密切相关。 土壤的形成及其形成其肥力的提高有赖于微生物的作用。土壤中含氮物质的最初来源是微生物的固氮作用。土壤 中含氮物质的积累、转化和损失，土壤中有机质尤其是腐植质的形成和转化、土壤团聚结构的形成、土壤中岩石矿物 变为可溶性的植物可吸收态无机化合物等等过程都与微生物的生命活动相关：由于微生物的话动，使得土壤具有生物 活性性能，推动着自然界中最重要的物质循环，并改善着土壤的持水、透气、供肥、保肥和冷热的调节能力，有助于 农业生产。 随着人类对环境和食品安全质量的要求愈来愈高，易造成环境和食品污染的化学农药、化学化肥愈来愈不受欢迎， 绿色农业或有机农业、绿色食品的呼声愈来愈高。而绿色农业或有机农业、绿色食品离不开微生物的作用。在农业生 产过程中，农作物的防病、防虫害也与微生物密切相关。植物的许多病其病原就是各类微生物，而反过来也可以利用 某些微生物来防治农作物的某些病虫危害。有机肥的积制过程实际上就是通过微生物的生命活动，把有机物质改造为 腐殖质肥料的过程。有机和无机肥料施人土壤后，只有一部分可被植物直接吸收，其余部分都要经过微生物的分解、 转化、吸收、固化，然后才能逐渐并较长时间地供给植物吸收利用。许多微生物能固定大气中的氮素，为植物提供氮 素营养。 农产品的加工、贮藏，实际上很多是利用有益的微生物作用或是抑制有害微生物的危害的技术。 微生物学是农业科学的重要基础理论的 — 部分。随着科学技术的发展，微生物学与农业科学之间的关系必将越 来越密切，微生物学对现代农业科学的影响也必将越来越大。 3、利用微生物生产可持续的清洁能源 化学燃料不仅是一次性能源，而且燃烧过程中对于环境的污染是一个众所周知的严重问题。由于微生物可以转化 农业和某些工业有机废弃物为氢气和乙醇等，不仅消除了环境的有机污染物又可生产如氢气、乙醇、甲烷等无污染的 清洁能源，对于人类的可持续发展具有巨大的推动作用。 4、丰富的微生物资源及其产物为人类的可持续发展提供新的支持与发展点 由于微生物本身的特点和代谢产物的多样性，利用微生物生产人类战胜疾病所需的医药制品正受到广泛重视。当今人 类正面临着空前的健康安全威胁，不仅许多给人类造成巨大灾难的疾病在卷土重来，如肺结核、霍乱等，而且很多不 明原因、尚无有效控制办法的疾病正不断出现，如艾滋病、疯牛病、埃博拉病毒病、非典型肺炎即严重急性呼吸系统 综合症，等等。然而这些疾病的传染控制与治疗，将在很大程度上需要应用已有的和正在发展的微生物学理论与技术， 并依赖于新的微生物医药资源的开发与利用。利用微生物生产多糖制作人类保健品；等等。微生物是各无穷无尽的资 源宝库，利用和开发微生物必将为人类的生存和可持续发展作出巨大贡献
第一章原核微生物 一内容类要细西、故线商、黄细萌等技微牛物的形本、大小细胞的结执、成分与功能以及它们的做方和商移 特征 按生物的系统发有和16sRNA分析，细胞生物可分为细菌、古菌和真核生物，细菌和古菌同属于原核微生物， 细南有基本形态和特殊形态，细菌细胞的大小以μm度量。G一菌与G+菌的细胞壁在结构和成分上的差异 决定了革兰氏染色的结果：细菌中还存在着缺壁菌。细菌细胞膜是细胞代谢活动的中心，此外有些细菌还存在着细胞 内浪系统。细胞质中核蛋拍体是多和蛋白质合成的场所，果些细菌细胞质内有各司括美魔能内含窗王、年包牛的 物质为 递遗传信 丝状的G+原核微生物 形与能分为 落特征 养特生菌丝与孢子丝，可形成分生孢 16 S rRNA中核苷酸顺序等都与细菌中的不同，也与真核生物不同。目前古菌分为4个 类群，生长在独特的生态环境。 蓝细菌细胞内含有独特的内膜结构（内囊体）和特有的色素蛋白（藻胆蛋白），是能进行光合作用的原核微生物。枝 原体为无细跑壁的最小的原核微生物。立克次氏体和农原体都是专性细胞内寄生物，但它们的形态、大小、寄主各不 相间。 近代生物学把生物区分为细胞生物和非细胞生物两大类。细胞生物包括一切具有细胞形态的生物，按系统发有和16S ）、古菌(Archaea,曾用Archaebacteria)和 ligan et al.,2000) 原核生物与真核生物的区别 原核生物包括古菌和细菌，与真核生物的区 别综合列于表1一 主要差异有(1)、原核生 物的遗传物质主要是以双螺旋DNA构成的一条染 细菌 古生菌 真核生物 色体(chromosome),仅形成一个核区，没有核膜 包围，无核仁，称为原核(nucleoid)或拟核，无 组蛋白与之相结合。真核生物的遗传物质以双螺前 DNA构成一条或一条以上的多条染色体君 象古生界 形成 一核膜包用， 生格球两 鞭毛 并有 有自己的DN 可白主复制 2） 原楼 细的细胞质由细胞时（。e11 句用 双金 并有细胞膜大量褶皱内陷入细胞质中形成中间体 或称为间体(mesosome))。不含其他分化明显的细 胞器(organelles)。真核生物细胞同样由细胞膜 包围，但不内陷，内含多种细胞器，如主要进行呼吸能量代谢的线粒体(mitochondria)和光合作用的叶绿体 (chloroplast) 各种细胞器有各自的膜包围，细胞器膜与细胞膜之间无直接关系。(3)、原核生物和真核生物 细跑的蛋 质合成 在核蛋白体 不同，原核生物的核蛋白体为705，而真核生物的核蛋白体为80S 古和细菌在细胞形态结物。生长蝼 、遗传物质存在方式等方面相类似，因而同属原 核生物。但在分子生物学水平上，古菌和细菌之间有明显差别，主要表现见表1一 从这些差异可见，古菌确是不仅 在细胞化学组成上更是在分子生物学水平上不同于同属于原核生物的细菌和真核生物的另一类特殊生物类群。 古菌(archaea))、细菌(bacteria)和真核生物(eucaryoutes)三域(urkingdoms)的概念是沃斯(Woese)及 其同事1977年根据对代表性细菌类群的16 S FRNA碱基序列进行广泛比较后提出的，认为生物界的发育并不是一个 由简单的原核生物发育到较完全、较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细 茵和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发有而来，这一起点即是至今仍不明确的一个原始 域观念已被广泛接 菌和古菌 同的生物 类群，但它们的细胞形态和结构却基本 物的形结先 是指一大类细胞不具核膜，也无核仁，只有核区，称为原核的单细胞生物。本章介绍原
第一章 原核微生物 内容提要： 本章介绍了细菌、放线菌、蓝细菌等原核微生物的形态、大小；细胞的结构、成分与功能以及它们的繁殖方式和菌落 特征。 按生物的系统发育和 16s rRNA 分析，细胞生物可分为细菌、古菌和真核生物，细菌和古菌同属于原核微生物。 细菌有基本形态和特殊形态，细菌细胞的大小以 μ m 度量。 G - 菌与 G + 菌的细胞壁在结构和成分上的差异 决定了革兰氏染色的结果；细菌中还存在着缺壁菌。细菌细胞膜是细胞代谢活动的中心，此外有些细菌还存在着细胞 内膜系统。细胞质中核蛋白体是多肽和蛋白质合成的场所，某些细菌细胞质内含有各具不同功能的内含物。原核中的 遗传物质为 DNA ，质粒也具有储存和传递遗传信息的功能。一些细菌有特殊结构，包括荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢、伴 孢晶体、孢囊。细菌以裂殖方式繁殖，不同的细菌具有不同的菌落特征和液体培养特征。 放线菌是分枝丝状的 G + 原核微生物，根据菌丝形态与功能可分为基内菌丝、气生菌丝与孢子丝，可形成分生孢 子。放线菌有其独特的菌落特征。 古菌的细胞壁、细胞膜、 16S rRNA 中核苷酸顺序等都与细菌中的不同，也与真核生物不同。目前古菌分为 4 个 类群，生长在独特的生态环境。 蓝细菌细胞内含有独特的内膜结构（内囊体）和特有的色素蛋白（藻胆蛋白），是能进行光合作用的原核微生物。枝 原体为无细胞壁的最小的原核微生物。立克次氏体和衣原体都是专性细胞内寄生物，但它们的形态、大小、寄主各不 相同。 近代生物学把生物区分为细胞生物和非细胞生物两大类。细胞生物包括一切具有细胞形态的生物，按系统发育和 16S rRNA 分析它们分属于细菌（广义的， Bacteria ，曾用 Eubacteria ）、古菌 (Archaea ，曾用 Archaebacteria) 和 真核生物 (Eukaryota)( 图 1 · 1) 。非细胞生物包括病毒和亚病毒。 图 1 · 1 细胞生物的系统发育树 ( Madigan et al., 2000) 原核生物与真核生物的区别 原核生物包括古菌和细菌，与真核生物的区 别综合列于表 1-1 。主要差异有（ 1 ）、原核生 物的遗传物质主要是以双螺旋 DNA 构成的一条染 色体 (chromosome) ，仅形成一个核区，没有核膜 包围，无核仁，称为原核 (nucleoid) 或拟核，无 组蛋白与之相结合。真核生物的遗传物质以双螺旋 DNA 构成一条或一条以上的多条染色体群，形成一 个真核 (nucleolus) ，有一核膜包围，膜上有孔， 有核仁，明显有别于周围的细胞质，并有组蛋白与 之相结合。而且各种细胞器如线粒体、叶绿体携带 有自己的 DNA ，可自主复制。（ 2 ）、原核生物 细胞的细胞质由细胞膜 (cell membrane) 包围， 并有细胞膜大量褶皱内陷入细胞质中形成中间体 或称为间体 (mesosome) 。不含其他分化明显的细 胞器 (organelles) 。真核生物细胞同样由细胞膜 包围，但不内陷，内含多种细胞器，如主要进行呼吸能量代谢的线粒体（ mitochondria ）和光合作用的叶绿体 (chloroplast) 等。各种细胞器有各自的膜包围，细胞器膜与细胞膜之间无直接关系。（ 3 ）、原核生物和真核生物 细胞的蛋白质合成都是在核蛋白体上进行，但大小不同，原核生物的核蛋白体为 70S ，而真核生物的核蛋白体为 80S ， 其细胞器的核蛋白体也为 70S 。而且它们各自的亚单位构成也不一样，原核生物的核蛋白体是由 50S 和 30S 的两个 亚单位构成，真核生物的核蛋白体是由 60S 和 40S 两个亚单位构成，各亚单位的构成上也有区别。 古菌、细菌和真核生物三域 原核生物中，古菌和细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似，因而同属原 核生物。但在分子生物学水平上，古菌和细菌之间有明显差别，主要表现见表 1-1 。从这些差异可见，古菌确是不仅 在细胞化学组成上更是在分子生物学水平上不同于同属于原核生物的细菌和真核生物的另一类特殊生物类群。 古菌 (archaea) 、细菌 (bacteria) 和真核生物 (eucaryoutes) 三域 (urkingdoms) 的概念是沃斯 (Woese) 及 其同事 1977 年根据对代表性细菌类群的 16S rRNA 碱基序列进行广泛比较后提出的，认为生物界的发育并不是一个 由简单的原核生物发育到较完全、较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细 菌和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来，这一起点即是至今仍不明确的一个原始 祖先。这一生物界三域观念已被广泛接受。 虽然从系统发育来看，细菌和古菌是二种不同的生物类群，但它们的细胞形态和结构却基本一致，同属原核生物 (Procaryotes) ，原核生物是指一大类细胞不具核膜，也无核仁，只有核区，称为原核的单细胞生物。本章介绍原核 微生物的形态、结构和功能
表1-1古细茵、细菌和真核生物三域特性差异 比较项目 古有 细 ]真核生物 细胞大小 常1山m 币常1山m 币常10um 核膜 遗传物质染色体 条，环行染色体十质粒 1条，环行染色体+质粒 通常1条以上线行染色体 +细胸器DWA 有丝分裂 组蛋白 细跑壁 或蛋白质亚单位，假胞壁质， 或G ,总是今有肠 幼物无，或有纤维素，几 无胞壁酸 庭酸，枝原体屈中无细胞壁 丁质等，无胞壁酸 细胞膜 含异戊二烯醚，甾醇，有分支的 含脂肪酸脂，留醇稀少，无 含脂肪酸脂，甾醇普遍， 直 分支直结 无分支直链 全DNA的细朐器 线行休和叶绿依 内质网和高尔基体 向饮知河米四云动 核镜体大小 0S(细胞哭中70S) 核纳休形甘 50 50S 0S.60S NA聚合酶亚其新 15 NA共同壁上的胸感啶 妈右 仅发现于tRNA和rRNA基因 白质或启动氨基酸 氨酸 毒素反应 能与白喉毒素反应 与白喉毒素反应 有C的片 的 背素 体外，敏感 对茴香莓素的敏感性 对diptheria毒素的敏感性敏感 利福平霉素的敏感性 不成 第一 态和 要借助于光学显微镜才能观察到。细菌的基本形态可分为球状、杆状和螺旋状三种，分别被称为 球菌 球菌县球形和球形 ,球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式，在分类鉴定上有重要意义。根据球菌细 胞分裂面和分裂后的排列方式，又可分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。 杆菌细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌的长宽比例上差异很大，有的粗短，有的细长。短杆南近似球状，长的杆菌 近丝状。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis),有的两端纯圆，如维氏固氮菌(Azotobacter vinelandii）,还有的两端削尖，如梭杆菌属(Fusobacterium）。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散 存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈橱状或“八”字形排列。 菌的旋转圈 小因种而异· 并称为螺 击 状 上述二种基本形 不有其形态的细菌， 细胞呈弧状或肾状并具有 Oius),能形成衣鞘（sheath),杆状的细胞呈链状 排列在衣箱内而成为丝状体，此外还有呈星状的星状菌属(St11a)、正方形的细菌等（图3》 图1.2细菌的基本形态(ladigan et al.,2000) 图1.3特殊形态的细菌 细菌的大小可以用测微尺在显微镜下 进行测量，也可通过投影法或照相制成图 片，再按放大倍数测算。表示细菌大小的常 用单位是“m(微米)。球茵大小以其直 《 1μm。杆和螺 为0.4一10μm,长度为宽度的一倍或几倍。但螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离，而不是其正的长度，它的
表 1-1 古细菌、细菌和真核生物三域特性差异 比较项目 古菌 细菌 真核生物 细胞大小 通常 1μm 通常 1μm 通常 10μm 核膜 － － ＋ 遗传物质染色体 １条，环行染色体＋质粒 １条，环行染色体＋质粒 通常１条以上线行染色体 ＋细胞器 DNA 有丝分裂 － － ＋ 组蛋白 － ？ ＋ 细胞壁 无或蛋白质亚单位，假胞壁质， 无胞壁酸 G ＋ 或 G － ，总是含有胞 壁酸，枝原体属中无细胞壁 动物无，或有纤维素，几 丁质等，无胞壁酸 细胞膜 含异戊二烯醚，甾醇，有分支的 直链 含脂肪酸脂，甾醇稀少，无 分支直链 含脂肪酸脂，甾醇普遍， 无分支直链 含 DNA 的细胞器 － － 线粒体和叶绿体 内质网和高尔基体 － － ＋ 胞饮和阿米巴运动 － － ＋ 核糖体大小 70S 70S 80S( 细胞器中 70S) 核糖体亚基 30S ， 50S 30S ， 50S 40S ， 60S RNA 聚合酶亚基数 9~12 4 12~15 tRNA 共同臂上的胸腺嘧啶 无 一般有 一般有 内含子 ＋仅发现于 tRNA 和 rRNA 基因 － ＋ 延长因子 能与白喉毒素反应 不能与白喉毒素反应 能与白喉毒素反应 蛋白质或启动氨基酸 甲硫氨酸 N- 甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸 16(18)SrRNA 的３位是否结 合有 AUCACCUCC 片段 有 有 无 对氯霉素的敏感性 不敏感 敏感 敏感 对环己胺的敏感性 敏感 不敏感 敏感 对青霉素的敏感性 不敏感 除支原体外，敏感 不敏感 对茴香霉素的敏感性 敏感 不敏感 敏感 对 diptheria 毒素的敏感性 敏感 不敏感 敏感 对利福平霉素的敏感性 不敏感 敏感 不敏感 第一节 细 菌 一、细菌的形态和大小 细菌的个体形态要借助于光学显微镜才能观察到。细菌的基本形态可分为球状、杆状和螺旋状三种，分别被称为 球菌、杆菌和螺旋菌 ( 图 1.2) 。 球菌呈球形和近球形。球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式，在分类鉴定上有重要意义。根据球菌细 胞分裂面和分裂后的排列方式，又可分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。 杆菌细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌的长宽比例上差异很大，有的粗短，有的细长。短杆菌近似球状，长的杆菌 近丝状。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis ) ，有的两端钝圆，如维氏固氮菌 ( Azotobacter vinelandii ) ，还有的两端削尖，如梭杆菌属 ( Fusobacterium ) 。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散 存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列 。 细胞弯曲呈弧状或螺旋状。弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌 ( Vibrio cholerae ) 。弯曲度大于一周的称为 螺旋菌。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋状菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂回螺菌。有些螺旋状 菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动并称为螺旋体， 如梅毒密螺旋体 ( Treponema pallidium ) 。 细菌的形态除上述三种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属 ( Caulobacter ) ，细胞呈弧状或肾状并具有 一根特征性的细柄，可附着于基质上。又如球衣菌属 ( Sphaerotilus ), 能形成衣鞘 (sheath) ，杆状的细胞呈链状 排列在衣鞘内而成为丝状体，此外还有呈星状的星状菌属（ Stella ）、正方形的细菌等 ( 图 1.3) 。 图 1.2 细菌的基本形态(Madigan et al.,2000) 图 1.3 特殊形态的细菌 细菌的大小可以用测微尺在显微镜下 进行测量，也可通过投影法或照相制成图 片，再按放大倍数测算。表示细菌大小的常 用单位是 μ m( 微米 ) 。球菌大小以其直 径表示，多为 0.5 ～ 1 μ m 。杆菌和螺 旋菌以其宽度与长度表示，杆菌的宽度一般 为 0.4 ～ 10 μ m ，长度为宽度的一倍或几倍。但螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离，而不是真正的长度，它的
真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算。细菌的大小因菌种而异，见表1一1。 表1-2细菌的大小 菌名 直径或宽X长度(um) 在老的培养物中，或不正常的条件下】 乳链球菌(Streptococcus lactis 金黄色葡萄球黄(Staphvlococcus aureus) 0.8-1 最大八叠球菌(Sarcina maxim) 1-4.5 典型的细菌细胞构造可分为两部分： 大肠杆菌(Escherichia coli) 0.5×1-3 是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细 胞膜、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共 伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi) 0.6-0.7×2-3 有：二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、 枯草芽孢杆菌(Bacil1 us subtilis) 0.8-1.2×1.2-3 这些结构只在 炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis】 1-1.5×4-8 某些细菌种头 德氏细菌（Lactobacterium delbruckii) 0.4-0.7×2.8-7 a11)是包 乱弧南(Vibrio cholerae) 12-06×1-3 回螺(Spirillum volutans)】 1.5-2×10-20 细胞壁只有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。 细黄在一定带用的 渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细跑壁男 有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬茵体的敏感性。有鞭毛的 细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支点，为鞭毛运动所必 需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。 L884 、革兰氏 法的举 为：在 个已固定的细菌 涂片 结晶 再加媒染 碘液染 发后用2种· 黄或 复染。 生细菌（常以i 表示 这两大细黄 在细胞结 发示通过这单速色可将所有细菌分为革兰民阳西品风 分形态生理、生化、遗传、免疫 出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义 通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著 的差异，见表1-3，图1.4。 G-细茵 G+细茵 图1.4革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌细胞壁比较图（引自Prescott et al.,2002) 表1-3革兰氏阳性细菌与革兰 氏阴性细菌细胞壁的主要区别 比较项 G+图 G二细菌 内壁层外壁层 38 层， 网格紧密坚同 单层， 30%亚单 位交联 网格书 肽聚糖成 4090% 多数含有 脂蛋白 无11%22% 对青莓素、溶菌酶 敏感 有或无有 不够敏成 古细菌设有肽聚糖
真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算。细菌的大小因菌种而异，见表 1—1 。 表 1-2 细菌的大小 细菌的形态、大小受多种因素的影响， 一般处于幼龄阶段和生长条件适宜时，细菌 形态正常、整齐、表现出特定的形态大小。 在较老的培养物中，或不正常的条件下，细 胞常出现异常形态大小。 二、细菌细胞的构造与功能 典型的细菌细胞构造可分为两部分：一 是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细 胞膜 、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共 有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、 鞭毛、菌毛、芽孢和孢囊等，这些结构只在 某些细菌种类中发现，具有某些特定功能。 (一) 、细胞壁 细胞壁 (Cell wall) 是包围在细胞表 面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具 弹性的结构，占细胞干重的 10 ％— 25% 。 细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。 细菌在一定范围的高 渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具 有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成 也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的 细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支点，为鞭毛运动所必 需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。 1884 年丹麦人革兰氏 (Christian Gram) 发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在一个已固定的细菌 涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂－碘液染色，然后用乙醇脱色，最后用复染液 ( 沙黄或番红 ) 复染。显微镜下菌 体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌 ( 常以 G - 表示 ) ，呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌 ( 常以 G + 表 示 ) 。这一程序后称革兰氏染色法 (Gram staining) 。通过这一简单染色可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏 阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现 出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。 通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁 在结构和化学组分上有显著 的差异，见表 1-3 ，图 1.4 。 G - 细菌 G + 细菌 图 1.4 革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌细胞壁比较图 ( 引自 Prescott et al., 2002) 表 1-3 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别 比较项目 G + 细菌 G - 细菌 内壁层 外壁层 细胞壁厚度(nm) 肽聚糖结构 鞭毛结构 肽聚糖成分 磷壁酸 脂多糖 脂蛋白 对青霉素、溶菌酶 20～80 多层， 75% 亚单位交联，网格紧密坚固 基体上着生两个环 占细胞壁干重的 40~90% 多数含有 无 无 敏感 2～3 8 单层， 30% 亚单位交联，网格较 疏松 基体上着生四个环 5%~10% 无 无 无 11%~22% 有或无 有 不够敏感 古细菌没有肽聚糖 菌 名 直径或宽×长度 ( μ m) 乳链球菌 ( Streptococcus lactis ) 0.5-1 金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus ) 0.8-1 最大八叠球菌 ( Sarcina maxima ) 4-4.5 大肠杆菌 ( Escherichia coli ) 0.5 × 1-3 伤寒沙门氏菌 ( Salmonella typhi ) 0.6-0.7 × 2-3 枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis ) 0.8-1.2 × 1.2-3 炭疽芽孢杆菌 ( Bacillus anthracis ) 1-1.5 × 4-8 德氏乳细菌 ( Lactobacterium delbruckii ) 0.4-0.7 × 2.8-7 霍乱弧菌 ( Vibrio cholerae ) 0.3-0.6 × 1-3 迂回螺菌 ( Spirillum volutans ) 1.5-2 × 10-20
1、革兰氏阳性细菌细胞壁 氏阳性细菌只有一层厚约20~8Onm的细胞壁。细胞壁的化学组成以肤聚糖(Peptidoglycan）为主，占细 胞壁物质总量的40%~ 学成和码o1caci0又称酸，是+细菌细能特有的成分 肽聚糖是除古菌外 N-乙酰壁酸(M 多层网状结焚是中 有 。肽聚糖的单体含有 )聚合而成 CH:OH 种组 乙酰葡萄糖胺N-acetylglu 乙 酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid,简称NAM)和四肽链。 N 乙酰葡萄糖胺与N乙酰胞壁酸交替排列，通过B-1,4糖 苷健连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过 一个酰胺健与N乙酰 HC-CH CH, 溶能酶装感健 胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子时，主要是两条不 同聚糖链骨架上与N 乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的 HC-CHO L-丙氢形 父 m 不的组 四肽链 谷 CH-CO NH; D 1 少数是甘氨酸或 丝氢酸。而的变化较大，可以是内消旋的二氨基庚二酸 m -DAP) I-DAP 鸟氨酸， 氨基丁酸，有时也可以是同型丝氨酸或L-丙氨酸。四肽链第二位的D-谷氨酸也可羟基化，游离的▣一羟基可酰胺 化或被甘氨酸等所取代。革兰氏阳性菌（以金黄色葡萄球菌为例）的四肽链是L丙氨酸-D谷氨酸L-赖氨酸 D-内氨酸， 二条四肽链间通过五聚甘氨酸桥肽链而间接交联：桥肽的一头连接L一赖氨酸的€ 氨基，另一头连 着另 条四肽链的D丙氨酸的羟基，交联度高，从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层三维空间 网格结 图1.6肽聚糖单层结构模式图（引自Prescott et al.,2002) A.革兰氏阴性闲 B.革兰氏阳性 壁质酸是大多数革兰氏阳性菌细 -NAM-NAG- -NAG 干重的50% L-A 酰壁酸相结 D-Gl D-A 合。此酸有两个类型：甘油型磷壁质酸 DAP 0-G D-Ala DAP L-Lys (图1.7)和核醇型磷壁质酸。甘油型磷 0-Ala 壁质酸是由许多分子的甘油借磷酸二酯键 联结起来的分子：核醇型磷壁质酸是由君 -NAG NAG 设认 的完整性 国1.7瞬壁酸类型及基本结构 核糖醇磷壁酸B。甘油型磷壁酸 内壁层紧贴细胞膜，厚约2~3m,由肽聚糖组成，占细 胞壁干重的5%~10%。外壁层又称外膜(outer membrane) /m)iH 约8~10nm,主要由脂多糖(1 ipopolysaccharide,LPS)和 (EI BI)-H 外膜蛋白(out membrane proteins)组成。 ,菌与革兰氏阳性菌肽聚糖的不同之处就在于它们短 H.L-I: 肤上 吸以及两承湿 性菌〈以大肠杆南为的 进 个氨基酸是 谷氨酸 条肽链联结起来 脂多糖是G-茵细胞壁的特有成分，G+茵中不存在。脂多糖由三部分组成，即0-侧链、核心多糖和类脂A(图 .8)。0-侧结向外 由若干个低案糖的重复单位组成，由于具有抗原性，故又称0一抗原或茵体抗原。不同种或型的细 菌，0侧链的组成和结构（如多糖的种类和序列)均有变化，构成了各自的特异性抗原。像沙门氏菌(Sa101a), 根据0-抗原可再细分为1000多个血清型，这些血清型的沙门氏菌，核心多糖部分相同，而0-抗原的差异使之在 免疫学和临床诊断中具有重要意义。非致病性革兰氏阴性细菌细胞壁组成中不具0侧链。核心多糖由庚糖、半乳糖 2酮基-3-脱氧辛酸组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂A是以脂化的葡萄糖胺二糖为单位，通过焦磷酸 键组成的一种独特的糖脂化合物。类脂A的结构在不同细菌中有所不同，它是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性中心。 外膜蛋白指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的20多种蛋白，多数功能还不清楚。其中脂蛋白(lipoprotein)的
1、革兰氏阳性细菌细胞壁 革兰氏阳性细菌只有一层厚约 20 ～ 80nm 的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖 (Peptidoglycan) 为主，占细 胞壁物质总量的 40 ％～ 90% 。另外还结合有磷壁质酸 (teichoic acid) 又称垣酸，是 G + 细菌细胞壁特有的成分。 图 1.5 肽聚糖的化学组成和一级结构 肽聚糖 是除古菌外，凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共 有组分。肽聚糖是由若干肽聚糖单体 ( 图 1. 5 ) 聚合而成的 多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种组分： N- 乙酰葡萄糖胺 (N-acetylgluco samine ，简写 NAG) 、 N- 乙 酰胞壁酸 (N-acetylmuramic acid ，简称 NAM) 和四肽链。 N- 乙酰葡萄糖胺与 N- 乙酰胞壁酸交替排列，通过 β -1 ， 4 糖 苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与 N- 乙酰 胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子时，主要是两条不 同聚糖链骨架上与 N- 乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的 相互交联 ( 见图 1.6 ) 。不同种类细菌的肽聚糖聚糖链骨架基 本是相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条四肽链间的 交联方式。四肽链一般可以用 R 1 -D- 谷氨酸 -R 3 -D- 丙氨 酸的通式表示。 R 1 大多是 L- 丙 氨酸，少数是甘氨酸或 L- 丝氨酸。而 R3 的变化较大，可以是内消旋的二氨基庚二酸 (meso-DAP) ， L- 赖氨酸， L ， L-DAP ， L- 鸟氨酸， L- 二 氨基丁酸，有时也可以是同型丝氨酸或 L- 丙氨酸。四肽链第二位的 D- 谷氨酸也可羟基化，游离的 α - 羟基可酰胺 化或被甘氨酸等所取代。革兰氏阳性菌 ( 以金黄色葡萄球菌为例 ) 的四肽链是 L- 丙氨酸 -D- 谷氨酸 -L- 赖氨酸 -D- 丙氨酸，二条四肽链间通过五聚甘氨酸桥肽链而间接交联；桥肽的一头连接 L- 赖氨酸的 ε - 氨基，另一头连接 着另一条四肽链的 D- 丙氨酸的羟基，交联度高，从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层三维空间 网格结构。 图 1.6 肽聚糖单层结构模式图 ( 引自 Prescott et al., 2002) A. 革兰氏阴性菌 B. 革兰氏阳性 菌 磷壁质酸是大多数革兰氏阳性菌细胞 壁组分，占细胞壁干重的 50% 左右，以磷 酸二酯键同肽聚糖的 N- 乙酰胞壁酸相结 合。此酸有两个类型：甘油型磷壁质酸 ( 图 1.7) 和核醇型磷壁质酸。甘油型磷 壁质酸是由许多分子的甘油借磷酸二酯键 联结起来的分子；核醇型磷壁质酸是由若 干分子的核醇借磷酸二酯键联结而成的分 子。一般认为磷壁酸因含有大量的带负电 性的磷酸，故大大加强了细胞膜对二价离子的吸附，尤其是镁离子。而高浓度的镁离子有利于对维持细胞膜的完整性、 提高细胞壁合成酶的活性。磷壁酸是革兰氏阳性菌表面抗原 (C 抗原 ) 的主要成分，也是噬菌体吸附的受体位点。 图 1.7 磷壁酸类型及基本结构 A. 核糖醇磷壁酸 B. 甘油型磷壁酸 2、革兰氏阴性菌细胞壁 G - 菌的细胞壁比 G + 菌的薄，可分为内壁层和外壁层。 内壁层紧贴细胞膜，厚约 2 ～ 3nm ，由肽聚糖组成，占细 胞壁干重的 5％～10%。外壁层又称外膜（outer membrane） 约 8～10nm，主要由脂多糖 (lipopolysaccharide，LPS) 和 外膜蛋白 (out membrane proteins) 组成。 G - 菌与革兰氏阳性菌肽聚糖的不同之处就在于它们短 肽上的氨基酸以及两条短肽上氨基酸相联结的方式不同。革 兰氏阴性菌 ( 以大肠杆菌为例 ) 肽聚糖肽链中的四个氨基酸是 L- 丙氨酸、 D- 谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸及 D- 丙氨酸。一股肽链第三位上的二氨基庚二酸的游离氨基与相邻的另一股肽链末端的 D- 丙氨酸的羧基形成肽键，将两 条肽链联结起来。 脂多糖是 G - 菌细胞壁的特有成分，G + 菌中不存在。脂多糖由三部分组成，即 O- 侧链、核心多糖和类脂 A( 图 1.8) 。O-侧链向外，由若干个低聚糖的重复单位组成，由于具有抗原性，故又称 O-抗原或菌体抗原。不同种或型的细 菌，O-侧链的组成和结构 ( 如多糖的种类和序列 ) 均有变化，构成了各自的特异性抗原。像沙门氏菌（ Salmonella ）， 根据 O- 抗原可再细分为 1000 多个血清型，这些血清型的沙门氏菌，核心多糖部分相同，而 O- 抗原的差异使之在 免疫学和临床诊断中具有重要意义。非致病性革兰氏阴性细菌细胞壁组成中不具 O- 侧链。核心多糖由庚糖、半乳糖、 2- 酮基 -3- 脱氧辛酸组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂 A 是以脂化的葡萄糖胺二糖为单位，通过焦磷酸 键组成的一种独特的糖脂化合物。类脂 A 的结构在不同细菌中有所不同，它是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性中心。 外膜蛋白指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的 20 多种蛋白，多数功能还不清楚。其中 脂蛋白（ lipoprotein ） 的
蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层 脂相结合：因 糖层到所 通道子的亲水性物质得以进出。装血 的蛋白存在于G 的白形成“充水 一些孔蛋白具有 度特异性 种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许分子量高达50D的物质进 图1,8革兰氏G-细菌脂多糖、 类脂 、砖脂 、孔蛋白的排列方式 3、细胞壁结构与菲兰氏垫色的关系 革兰氏染色的性质同细胞壁的结构与组 分省关。在大多认为。在垫伍程中。细 胞内形成了一种不溶性的结品紫-碘的复合 物，这种复合物可被乙醇（或丙酮）从G细茵 细胞内抽提出来，但不能从G菌中抽提出来， 区是田 脂质含量低 细胞壁较厚，肽聚糖含量高 品紫-碘复 是保留初沈的生 而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄 含量较少，而且脂质含量高，经乙醇处理后 脂质被溶解，渗透性增高，结果结品紫碘复 合物外渗，细胞被番红复染成红色。 4、细胞壁缺陷型细菌 用溶菌酶处理细胞或在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素C等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为 细胞壁缺陷细菌 质体 原生质球和细菌L-型。用溶菌酶除去革兰氏阴性茵细胞壁时，若先用乙二胺 四乙 迪过 而且特别脆弱。 离以至通气等因素都易引起其破裂 有的原生质体还保目 但不能 不能被相应的噬茵体感染。 原生质体在适宜条件下同样可生长繁殖 其他生物活本 如用即将形 成芽孢的营养体获得的原生质体仍可形成芽孢。原生质体的获得，给微生物学工作者提供了另一种类型的生物学实体， 用原生质体融合新技术，可培有新的优良菌种。 原生质球(Spheroplast)指细胞壁未被全部去掉的细菌细胞，它呈圆球状，可以人为地通过溶菌酶或青霉素处理 革兰氏阴性细菌而获得。该类菌细胞壁肽聚糖虽被除去，但外壁层中脂多糖、脂蛋白仍然保留，外壁的结构尚存。所 以，原生质球较之原生质体对外界环境具一定抗性， 细菌L-型(bacterial上for 环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。细胞呈多形态，有的 能通过细商 比是能 定”变异株。由于它最先被英国Liste 医 究院发现 故名细门 间，指位于细胞壁与细胞质膜之间的狭小空间 对细菌的营养吸收、楼酸代谢、趋化性和抗药性等常有直要作用。质外膨的种类和数量随菌种而异，目 细菌)中发现的质外酶主要有：RA酶I、DNA内切酶I、青霉素酶及许多磷酸化酶等。 (二)、细胞质膜 细胞质膜(cytoplasmic membrane))又称细胞膜(cell membrane),是围绕在细胞质外面的一层柔软而富有弹性 的薄膜，厚约8m。细菌细胞膜占细胞干重的10%左右，其化学成分主要为脂类(20%30%)与蛋白质(60%70%)。 原核生物中除支原体外，细胞膜上一般不含胆固醇，这与真核生物不同（图1.9） 图1.9原核生物与真核生物的细胞质膜比较 细菌细胞膜的脂类主要为甘 由磷脂 磷脂分子在 风分子层的外表面 疏水的非极性基朝内（即排列在组成膜的内侧 面)，这样就形成了膜的基本骨架。磷脂中的脂肪酸 有饱和及不饱和两种，膜的流动性高低主要取决于它 们的相对含量和类型，如低温型微生物的膜中含有较 多的不饱和脂肪酸，而高温型微生物的膜则富含饱和 脂肪酸，从而保持了膜在不同温度下的正常生理功能。 细胞膜中的蛋白质依其存在位置可分为外周蛋白 。外周蛋白存在于膜的内或外表面 系水溶性蛋白
蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层 磷脂相结合。因此，脂蛋白是从肽聚糖层到外壁层之间的桥梁。另有一类称 微 孔蛋白（ porin ） 的蛋白存在于 G - 菌的外壁层中，这些蛋白的功能是作为一个通道使低分子的亲水性物质得以进出。有特异性性与非特异性两类。特异 性孔蛋白形成“充水”的通道，任何类型的小物质都可以通过。而另一些孔蛋白具有高度特异性，是因为它们含有一 种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许分子量高达 5000Da 的物质进入。 图 1.8 革兰氏 G - 细菌脂多糖、类脂 A 、磷脂、孔蛋白的排列方式 3 、细胞壁结构与革兰氏染色的关系 革兰氏染色的性质同细胞壁的结构与组 分有关。现在大多认为，在染色过程中，细 胞内形成了一种不溶性的结晶紫-碘的复合 物，这种复合物可被乙醇(或丙酮)从 G -细菌 细胞内抽提出来，但不能从 G +菌中抽提出来。 这是由于 G +菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高， 脂质含量低甚或没有，经乙醇处理后引起脱 水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结 晶紫-碘复合物不能外流，于是保留初染的紫 色。而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄， 含量较少，而且脂质含量高，经乙醇处理后， 脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫-碘复 合物外渗，细胞被番红复染成红色。 4 、细胞壁缺陷型细菌 用溶菌酶处理细胞或在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素 C 等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为 细胞壁缺陷细菌，通常包括原生质体、原生质球和细菌 L- 型。用溶菌酶除去革兰氏阴性菌细胞壁时，若先用乙二胺 四乙酸 (EDTA) 处理外壁，则效果更好。 原生质体 (protoplast) 在革兰氏阳性细菌培养物中加溶菌酶或通过青霉素阻止其细胞壁的正常合成而获得的完 全缺壁细胞称原生质体。原生质体由于没有坚韧的细胞壁，故任何形态的菌体均呈球形。原生质体对环境条件很敏感， 而且特别脆弱，渗透压、振荡、离心以至通气等因素都易引起其破裂。有的原生质体还保留着鞭毛，但不能运动，也 不能被相应的噬菌体感染。原生质体在适宜条件下同样可生长繁殖，形成菌落，其他生物活性基本不变。如用即将形 成芽孢的营养体获得的原生质体仍可形成芽孢。原生质体的获得，给微生物学工作者提供了另一种类型的生物学实体， 用原生质体融合新技术，可培育新的优良菌种。 原生质球 (Spheroplast) 指细胞壁未被全部去掉的细菌细胞，它呈圆球状，可以人为地通过溶菌酶或青霉素处理 革兰氏阴性细菌而获得。该类菌细胞壁肽聚糖虽被除去，但外壁层中脂多糖、脂蛋白仍然保留，外壁的结构尚存。所 以，原生质球较之原生质体对外界环境具一定抗性，并能在普通培养基上生长。 细菌 L- 型 (bacterial L-form) 是细菌在某些环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。细胞呈多形态，有的 能通过细菌滤器，故又称“滤过型菌”。 L- 型菌落生长缓慢，一般需经 2-7 天方见到针尖样小菌落，中心部分深埋 于培养基内，呈典型的“油煎蛋”状。这些变异型，有些是能回复至亲代的“不稳定”变异株，有些是不能回复的“稳 定”变异株。由于它最先被英国 Lister 医学研究院发现，故名细菌 L- 型。 周质空间 (Periplasmic space) 又称壁膜空间，指位于细胞壁与细胞质膜之间的狭小空间。内含质外酶。质外酶 对细菌的营养吸收、核酸代谢、趋化性和抗药性等常有重要作用。质外酶的种类和数量随菌种而异，目前已在细菌 ( 尤 其是 G - 细菌 ) 中发现的质外酶主要有： RNA 酶 I 、 DNA 内切酶 I 、青霉素酶及许多磷酸化酶等。 (二) 、细胞质膜 细胞质膜 (cytoplasmic membrane) 又称细胞膜 (cell membrane) ，是围绕在细胞质外面的一层柔软而富有弹性 的薄膜，厚约 8nm 。细菌细胞膜占细胞干重的 10% 左右，其化学成分主要为脂类 (20%~30%) 与蛋白质 (60%~70%) 。 原核生物中除支原体外，细胞膜上一般不含胆固醇，这与真核生物不同 ( 图 1.9) 。 图 1.9 原核生物与真核生物的细胞质膜比较 细菌细胞膜的脂类主要为甘油磷脂。磷脂分子在 水溶液中很容易形成具有高度定向性的双分子层，相 互平行排列，亲水的极性基指向双分子层的外表面， 疏水的非极性基朝内 ( 即排列在组成膜的内侧 面 ) ，这样就形成了膜的基本骨架。磷脂中的脂肪酸 有饱和及不饱和两种，膜的流动性高低主要取决于它 们的相对含量和类型，如低温型微生物的膜中含有较 多的不饱和脂肪酸，而高温型微生物的膜则富含饱和 脂肪酸，从而保持了膜在不同温度下的正常生理功能。 细胞膜中的蛋白质依其存在位置可分为外周蛋白和内 嵌蛋白两大类。外周蛋白存在于膜的内或外表面，系水溶性蛋白，占膜蛋白总量的 20 ％～ 30% 。内嵌蛋白又称固有 蛋白或结构蛋白，镶嵌于磷脂双层中，多为非水溶性蛋白，占总量的 70 ％～ 80%( 图 1.10) 。膜蛋白除作为膜的结