工业微生物学绪论工业微生物学课件课件.pptx

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1、课程教学主要内容（共课程教学主要内容（共5454学时）：学时）：第1章 绪论（2学时）第2章 原核微生物的形态、构造与功能（10学时）第3章 真核微生物的形态、构造与功能（4学时）第4章病毒（4学时）第5章微生物的营养与培养基（6学时）第6章 微生物的代谢（4学时）第7章微生物的生长与控制（6学时）第8章微生物的遗传变异与育种（11学时）第9章 微生物的生态（3学时）第10章 微生物的分类与鉴定（2学时）第11章 传染与免疫（2学时）第1页/共52页 教材及教学参考书教材及教学参考书 教材：教材：路福平.微生物学M.北京：中国轻工业出版社，2005主要参考书：主要参考书：沈萍.微生物学(第2版

2、)M.北京：高等教育出版社，2006周德庆.微生物学教程(第2版)M.北京：高等教育出版社，2002诸葛健.微生物学M.北京：科学出版社，2003沈萍，彭珍荣主译.微生物学(第5版)M.北京：高教出版社，2003Prescott L.M.et al.Microbiology,6th Ed M,WCB McGraw-Hill,2006Madigan M.T.et al.Brocks Biology of Microorganism 11 th Ed M，2004第2页/共52页第一章第一章 绪论绪论一、微生物和微生物学的研究范畴二、学习微生物的目的三、微生物对工业生产的影响四、微生物学发展史、巴

3、斯德和科赫对微生物学发展的做出的重要贡献五、微生物的共性第3页/共52页 一、微生物的定义：一、微生物的定义：传统定义传统定义：微生物（：微生物（microorganism,microbemicroorganism,microbe）是）是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它们是一些个体微小（一般小于们是一些个体微小（一般小于0.1mm0.1mm）、构造简单）、构造简单的低等生物。的低等生物。纳米比亚嗜硫细菌、费氏刺尾鱼菌纳米比亚嗜硫细菌、费氏刺尾鱼菌(肉眼可以直接看到肉眼可以直接看到)现代定义现代定义：一般是指绝大多数凭肉眼看不见或看不：一般是指

4、绝大多数凭肉眼看不见或看不清，必须借助显微镜才能看见或看清，以及少数清，必须借助显微镜才能看见或看清，以及少数能直接通过肉眼看见的单细胞、多细胞和无细胞能直接通过肉眼看见的单细胞、多细胞和无细胞结构的微小生物的总称。结构的微小生物的总称。一、微生物和微生物学的研究范畴第4页/共52页二、微生物的特点及种类微生物小小（个体微小）m（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）简简（构造简单）单细胞简单多细胞非细胞（即“分子生物”）n m（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒）低低（进化地位低）原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，立克次氏体,衣原体,支原体等真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌）

5、，原生动物，显微藻类非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病 毒）1mm=103 m=106 nm=107 分辨率：肉眼:0.1mm；显微镜:0.2 m；电子显微镜:10 第5页/共52页第6页/共52页细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034 10 12 吨每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌二、为什么要学习微生物第7页/共52页每张纸币带细菌：900万个 第8页/共52页微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！时时刻刻与微生物“共舞”是 福福？是祸？第9页/共52页第10页/共52页第11页/共52页第12页/共52页第13页/共52页第14页/共52页少数微生物也

6、是人类的敌人！鼠疫 艾滋病(AIDS)癌症 肺结核、虐疾、霍乱“卷土重来”。埃博拉病毒 疯牛病 SARS 禽流感第15页/共52页1347年的一场由鼠疫杆菌(Yersinia pestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有 1/3 的 人(约2500万人)死于这场灾难，在此后的80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾难甚至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。第16页/共52页第17页/共52页一种急性出血性传染病，病死率高达到，通过接触病人的血液或其他体液，经皮肤、呼吸道或结膜而感染，潜伏期为至天第18页/共52页The SAR

7、S Coronavirus:The SARS outbreak of 2003According to the World Health Organization(WHO),a total of 8,098 people worldwide became sick with SARS during the 2003 outbreak.Of these,774 died.第19页/共52页禽流感席卷韩日越三国世界卫生组织1月14日警告说，禽流感已经开始席卷亚洲部分地区，并且导致越南至少3人死亡，它对亚洲的威胁可能比非典更严重。1878年，意大利禽流感，首次爆发：危害最大，经济损失最严重的禽流感（

8、H5N5）:1983年美国滨州等地区,直接损失6000多万美元，间接经济损失估计达3.49亿美元 ,1997年5月，香港禽流感，直接损失达8000万港币。2003年3月，荷兰禽流感，波及最广的爆发，荷兰南部海尔德兰省800个农场已经受到禽流感的影响，已蔓延到比利时与德国边境附近。第20页/共52页可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。第21页/共52页三、微生物学对人类活动的影响微生物与医疗保健微生物与农业微生物与工业微生物与能源、生态和环

9、境保护微生物与生物技术 在医疗保健战线上的六大在医疗保健战线上的六大“战役战役”:外科消毒外科消毒术的建立；寻找人畜病原菌；免疫防治法的术的建立；寻找人畜病原菌；免疫防治法的应用；化学治疗剂的发明；抗生素治疗的兴应用；化学治疗剂的发明；抗生素治疗的兴起；用遗传工程和生物工程技术生产生化药起；用遗传工程和生物工程技术生产生化药物。物。根瘤菌的固氮作用；反刍动物的消化过程；微生物在物质根瘤菌的固氮作用；反刍动物的消化过程；微生物在物质循环中的作用；微生物对农业造成的危害等。循环中的作用；微生物对农业造成的危害等。六个里程碑六个里程碑:自然发酵与食品、饮料的酿造；罐头保藏；自然发酵与食品、饮料的酿造

10、；罐头保藏；厌氧纯种发酵技术；深层液体通气搅拌培养；代谢调控厌氧纯种发酵技术；深层液体通气搅拌培养；代谢调控理论在发酵工业上的应用；生物工程的兴起理论在发酵工业上的应用；生物工程的兴起1.生物炼制：生物乙醇、生物炼制：生物乙醇、生物柴油、生物制氢、生物柴油、生物制氢、沼气发酵、丙酮等生物沼气发酵、丙酮等生物燃料。燃料。2.原油泄漏和生原油泄漏和生物除污。物除污。3.生物环境技生物环境技术。术。利用分子生物学技术改造微生物的代谢特利用分子生物学技术改造微生物的代谢特性，再借助发酵工程实现产业化。性，再借助发酵工程实现产业化。第22页/共52页四、微生物学发展简史1.微生物的发现 1.1 影响认识

11、微生物的四大障碍：个体过于微小 群体外貌不显 种间杂居混生 形态与其作用的后果很难被认识第23页/共52页 2.微生物发展的五个时期 2.1 史前期：约8000年前-1676 2.2 初创期：1676-1861 2.3 奠基期：1861-1897 2.4 发展期：1897-1953 2.5 成熟期：1953-第24页/共52页2.1 2.1 史前时期（直观应用时期）史前时期（直观应用时期）春秋战国时期 微生物分解有机物质,沤粪积肥。公元二世纪的神农本草经 白僵蚕治病。公元6世纪 后魏的贾思勰 齐民要术 谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。豆科植物与其它作物轮作第25页/共52页2.2 初创时期（

12、形态学发展时期）初创时期（形态学发展时期）（17世纪下半叶十九世纪中叶）使用显微镜观察微生物世界的时期。代表人物：列文虎克贡献:（）发现了微生物世界（）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性第26页/共52页2.3 奠基时期（生理学发展时期）奠基时期（生理学发展时期）十九世纪下叶有关微生物的两个疑难问题：1、生物是自然产生的吗？2、传染性疾病的本质是什么？第27页/共52页新鲜食品搁置细菌检定无细菌腐败食品细菌检定有细菌由非生命的物质自然发生自然发生说（）巴斯德与自然发生学说（）巴斯德与自然发生学说第28页/共52页法国，化学家，路易斯法国，化学家，路易斯 巴斯德巴斯德（Louis Pa

13、steur，18221895）微生物学的奠基人微生物学的奠基人巴斯德反驳自然发生说的三个实验巴斯德反驳自然发生说的三个实验空气乙醇、醚混合物棉纤维沉淀物检测第一个实验第一个实验第29页/共52页第二个实验第二个实验加热营养液密封放置细菌检测无细菌检出自然发生说质疑：无机物自然变为生命有机体必须提供新鲜的空气自然发生说质疑：无机物自然变为生命有机体必须提供新鲜的空气第30页/共52页第三个实验第31页/共52页（）（）科赫与疾病的病菌说科赫与疾病的病菌说 最早人们认为疾病是由诸如超自然力、被称为瘴毒最早人们认为疾病是由诸如超自然力、被称为瘴毒的毒气以及四种体液（血液、粘痰、黄胆汁、黑胆汁）的毒气

14、以及四种体液（血液、粘痰、黄胆汁、黑胆汁）之间的失调而引起的。之间的失调而引起的。Agostino Bassi（17731856）在）在1835年证明蚕病是由年证明蚕病是由真菌感染引起的，首先提出微生物可引起疾病。真菌感染引起的，首先提出微生物可引起疾病。1845年，年，M.J.Berkeley证明爱尔兰马铃薯枯萎病证明爱尔兰马铃薯枯萎病（Potato Blight of Ireland）是由真菌引起的。）是由真菌引起的。之后，巴斯德提出之后，巴斯德提出“蚕的微粒子病蚕的微粒子病”是由原生动物是由原生动物寄生虫引起的。寄生虫引起的。Lister受巴斯德关于微生物在发酵和腐败问题中研究受巴斯德关

15、于微生物在发酵和腐败问题中研究的启发，提出了外科消毒术，消毒所使用的石炭酸可以的启发，提出了外科消毒术，消毒所使用的石炭酸可以杀死细菌，同样也可以阻止伤口感染，这一观点为微生杀死细菌，同样也可以阻止伤口感染，这一观点为微生物在疾病中的作用提供了间接的证据。物在疾病中的作用提供了间接的证据。第32页/共52页（）（）科赫与疾病的病菌说科赫与疾病的病菌说德国，乡村医生，科赫德国，乡村医生，科赫（Robert Koch，18431910）细菌学奠基人细菌学奠基人 直接关系的证明来自于德国医生柯赫对炭疽菌的研究直接关系的证明来自于德国医生柯赫对炭疽菌的研究（18761876年）年）第33页/共52页科

16、赫法则科赫法则1 1、病原微生物存在于患病动、病原微生物存在于患病动物中物中,而健康动物中没有；而健康动物中没有；2 2、该微生物可在离开动物体、该微生物可在离开动物体外纯培养生长；外纯培养生长；3 3、当培养物接种易感动物时、当培养物接种易感动物时产生特定的疾病症状；产生特定的疾病症状；4 4、该病原微生物可从患病的、该病原微生物可从患病的实验动物中重新分离到实验动物中重新分离到,且且在实验室能够再次培养在实验室能够再次培养,最最终具有与原始菌株相同的终具有与原始菌株相同的性状。性状。第34页/共52页柯赫其他主要贡献：柯赫其他主要贡献：建立了纯培养技术建立了纯培养技术（凝固剂和（凝固剂和p

17、etri dishpetri dish）对结核杆菌的分离对结核杆菌的分离和观察和观察,首创了抗酸菌首创了抗酸菌染色的染色的Ziehl-NielsenZiehl-Nielsen染染色法色法 结核组织结核杆菌 发现和分离了引起霍乱的微生物发现和分离了引起霍乱的微生物霍乱弧菌，发现霍乱弧菌，发现了在控制霍乱传播中水过滤的重要性，发表了第一张细菌了在控制霍乱传播中水过滤的重要性，发表了第一张细菌的显微镜照片。的显微镜照片。第35页/共52页2.4 2.4 发展时期（生物化学水平）发展时期（生物化学水平）德国人E.Buchner（1897年）用无细胞的酵母菌裂解液中的混合酶对葡萄糖进行了酒精发酵：酵母细

18、胞石英砂研磨过 滤滤液葡萄糖酵母细胞酒精、CO2巴斯德提出发酵是由微生物引起；他还发现了厌氧微生物。巴斯德提出发酵是由微生物引起；他还发现了厌氧微生物。第36页/共52页Martinus Beijerinck（1851-1931）对微生物领域的最大贡献）对微生物领域的最大贡献是提出了富集培养概念。用富集培养技术是提出了富集培养概念。用富集培养技术Beijerinck从土壤和从土壤和水中分离得到许多纯种微生物，包括好气的固氮菌、硫化细水中分离得到许多纯种微生物，包括好气的固氮菌、硫化细菌、固氮根瘤菌、乳酸菌、绿藻和许多其他微生物。在研究菌、固氮根瘤菌、乳酸菌、绿藻和许多其他微生物。在研究烟草花叶

19、病时，烟草花叶病时，Beijerinck指出感染物（一种病毒）不是细菌，指出感染物（一种病毒）不是细菌，而是寄生到植物细胞中生存的一类微生物；实际上，而是寄生到植物细胞中生存的一类微生物；实际上，Beijerinck描绘了病毒学的基本理论。描绘了病毒学的基本理论。Sergei WinogradskySergei Winogradsky（1856-19351856-1935）成功的分离了硝化细菌、）成功的分离了硝化细菌、硫化细菌等和氮、硫化合物循环有关的微生物，提出硝化过硫化细菌等和氮、硫化合物循环有关的微生物，提出硝化过程是细菌作用的结果，提出无机化能营养和自养生物的概念。程是细菌作用的结果，

20、提出无机化能营养和自养生物的概念。还分离到第一株厌氧固氮菌还分离到第一株厌氧固氮菌巴氏固氮梭状芽孢杆菌，提巴氏固氮梭状芽孢杆菌，提出了细菌固氮作用的概念。可称是土壤微生物学的奠基石。出了细菌固氮作用的概念。可称是土壤微生物学的奠基石。第37页/共52页2.5 成熟时期（分子水平）成熟时期（分子水平）始于二十世纪五十年代（电子显微镜的使用和始于二十世纪五十年代（电子显微镜的使用和DNADNA的发现）的发现）从1953年4月25日JWatson和FCrick在英国的自然杂志上发表关于DNA结构的双螺旋模型起，整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段，同样也也是是微微生生物物学学发发展展史史上上成

21、熟期到来的标志。成熟期到来的标志。(1)(1)微生物学从以应用为主的学科，迅速成长为一门十分热微生物学从以应用为主的学科，迅速成长为一门十分热门的门的前沿基础学前沿基础学(2)(2)在基础理论的研究方面，微生物迅速成为分子生物学研在基础理论的研究方面，微生物迅速成为分子生物学研究中究中最主要的对象最主要的对象(3)(3)在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人为控制的在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人为控制的方向发展，至方向发展，至7070年代初，有关发酵工程的研究已与遗传工年代初，有关发酵工程的研究已与遗传工程、细胞工程和酶工程等紧密结合，微生物已成为新兴的程、细胞工程和酶工程等紧密结

22、合，微生物已成为新兴的生物工程中的主角。生物工程中的主角。第38页/共52页遗传学+生物化学+微生物学 该时期，多学科交叉促进微生物学全面发展该时期，多学科交叉促进微生物学全面发展 微生物遗传学 微生物生理学 分子遗传学 微生物学推动生命科学的发展微生物学推动生命科学的发展 同同时时微微生生物物的的其其他他分分支支学学科科也也得得到到迅迅速速发发展展,使使微微生生物物学学发发展展成成为为生生命命科科学学领领域域内内一一门门发发展展最最快快，影影响响最最大大、体体现现生生命命科学发展主流科学发展主流a.促进许多重大理论问题的突破 遗遗传传物物质质基基础础;基基因因与与酶酶关关系系;突突变变的的本

23、本质质;操操纵纵子子学学说说;PCR;PCR;等等第39页/共52页b.对生命科学研究技术的贡献 细胞的人工培养；突变体筛选；细胞的人工培养；突变体筛选；DNADNA重组技术和遗传工程重组技术和遗传工程c.微生物与人类基因组计划 作为模式生物促进基因与基因组的功能研究作为模式生物促进基因与基因组的功能研究对对生生命命进进行行系系统统地地和和科科学学地地解解码码,以以达达到到了了解解和和认认识识生生命命的的起起源源,种种间间和和个个体体间间差差异异的的起起因因,疾疾病病产产生生的的机机制制,长长寿寿及及衰衰老老等等生命现象生命现象.基因组学(genomics)：研究整个基因组的所有基因 解码生命

24、 Human Genome Project,HGPHuman Genome Project,HGP 第40页/共52页1、体积小，比表面积大单位：um(10-6 m)或nm(10-9m)2m0.5m杆菌80个杆菌肩并肩总宽度=1根头发丝的宽度1500个杆菌首尾相连总长度=1粒芝麻的长度微生物的体积大小五、微生物的共性 第41页/共52页2、吸收多，转化快人（50kg）5001000g/d地鼠（体重3g）3g/d大肠杆菌 细胞重量2000倍糖/h奶牛（500kg）合成0.5kg蛋白质/24h微生物细胞 合成自身重量30-40倍的细胞物质/24h吸收多转化快第42页/共52页3、生长旺，繁殖速大肠

25、杆菌在合适的生长条件下：大肠杆菌在合适的生长条件下：12.520分钟分钟 繁殖繁殖1代代每小时每小时 分裂分裂3代，由代，由1个变成个变成8个。个。经经24小时小时 分裂分裂72代，重约代，重约4722吨吨经经48小时小时 可产生可产生2.21043个后代。个后代。地球重的4000倍微生物代时及每日增殖率微生物名称微生物名称代时代时(分分)温度温度日增殖率日增殖率乳酸菌乳酸菌38252.71011大肠杆菌大肠杆菌18371.21024根瘤菌根瘤菌110258.2103枯草杆菌枯草杆菌31307.21013光合细菌光合细菌144301.0103酿酒酵母酿酒酵母120304.1103念珠藻念珠藻1

26、380252.1硅藻硅藻1020202.64小球藻小球藻4202510.6草履虫草履虫642264.92第43页/共52页4、适应性强，易变异1）对营养物质的利用上的适应性。）对营养物质的利用上的适应性。2）对环境条件尤其是恶劣的）对环境条件尤其是恶劣的“极端环境极端环境”的适应性。的适应性。耐耐0196低温低温 耐耐250300的高温的高温 耐盐（饱和盐水）耐盐（饱和盐水）耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射适应性强第44页/共52页易变异青霉素生产菌的发酵水平1940年 每毫升20单位2000年 每毫升10

27、万单位青霉素的使用剂量：青霉素的使用剂量：1940年 10万元单位/次1980年：输液80万单位/次2000年：输液800万-1000万单位/次青霉素对金黄色葡青霉素对金黄色葡萄球菌最低抑制浓度萄球菌最低抑制浓度0.02g/ml200g/ml第45页/共52页5、分布广，种类多微生物在自然界的分布：无处不在，无孔不入土壤空气水域生物体内外极端环境正常环境高空深海底2000米深的地层温泉第46页/共52页六、微生物学及其研究内容与分科微生物学(Microbiology)(Microbiology)定义：是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生

28、命活动基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学。根本任务：1.1.发掘、利用、改造和保护有益微生物 2.2.控制、消灭和改造有害微生物最终目的:为人类社会的进步服务第47页/共52页21世纪微生物学展望1.微生物基因组学研究将全面展开21世纪微生物基因组学将在继续作为人类基因组计划“的主要模式生物，在后基因组研究(认识基因与基因组功能)中发挥不可取代的作用。模式微生物、特殊微生物及医用微生物和其他微生物，特别是与工农业及与环境、资源有关的重要微生物。从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物将产生质的飞跃。并将带动分子微生物学等基础研究学科的发展。2.微生物

29、资源的开发和应用，微生物生态学、环境微生物、细胞微生物学等，将在基因组信息的基础上获得长足发展，为人类的生存和健康发挥积极的作用。第48页/共52页3.微生物生命现象的特性和共性将更加受到重视。4.与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展。5.微生物产业将呈现全新的局面微生物将是21世纪进一步解决重大理论问题及实际应用问题的最理想的材料。学科交叉永远是科学创新的源泉！多种学科的交叉和渗透将是必然的发展趋势，21世纪的微生物学将进一步向地质、海洋、大气和太空渗透，将会出现更多的边缘学科如：微生物地球化学、海洋微生物学、大气微生物学、太空(或宇 宙)微生物学以及极端环境微生物学等。微生物与能源、信息、材料、计算机的结合也将开辟新的研究和应用领域。微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其它学科的先进技术的基础上，向自动化、定向化和定量化发展。第49页/共52页超过我的下一个首富必将出现在生物医药领域比尔盖茨第50页/共52页总结简述微生物的定义,特点和类群试述微生物学与人类进步的关系试述微生物的共性，讨论其对人类的利弊简述微生物的发展简史上5个时期的特点和代表人物（巴斯德和柯赫）试述微生物学的多样性第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页