微生物的发展简史及特点

微生物的发展简史及特点一、微生物学发展简史（一）微生物学的开端（二）微生物学的蓬勃发展阶段（三）现代微生物学阶段列文虎克(AntonyvanLeeuwenhoek）（一）微生物学的开端—列文虎克（17—19世纪）巴斯德(LouisPasteur)曲颈瓶实验巴斯德1、否定了生命“自然发生”学说；2、解决了当时工、农、医方面提的许多难题，推动了生产的发展：3、奠定了微生物学的理论基础，4、创造了一些微生物学实验方法，海螵蛸多糖的提取分离及活性组分CPS21的纯化魏江洲1,张建鹏1,刘军华1,王顺春2,冯伟华13,焦炳华13(1.第二军医大学基础医学部生物化学与分子生物学教研室,上海200433;2.上海中医药大学中药研究所,上海201203)柯赫(Koch)1、发现了许多病原菌，如炭疽杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌等；2、发明了固体培养基，提出了纯培养的概念和方法；3、创造了细菌染色的方法.柯赫（二）微生物学的蓬勃发展阶段（20世纪初到20世纪40年代）特点；微生物学对实践的联系的各个方面，都发展非常快。（三）现代微生物学阶段特点：1、微生物学同相邻的兄弟学科（生物化学、遗传学）的联系非常紧密，由此诞生了新学科—分子生物学；2、微生物学与工程紧密联系，为微生物学的实际运用打下前景.（20世纪50年代以后）四、微生物的特点及其应用1、体积小、面积大2、吸收多、转化快3、生长旺、繁殖快4、适应强、易变异5、分布广、种类多二、微生物的特点在整个生物界中，各种生物的体形大小相差极大。植物界中最大的是一种红杉，高达350m，动物界中的蓝鲸长达34m，而最小的病毒如双生病毒只有12~18nm长。体形大小的量变达到一定程度就会引起一系列其它性状的质变。微生物一般是指体长在0.1mm以下的任何生物。生物界体形的大小可以从以下标尺上看出(图1－1)。微生物由于其体形都极其微小，因此具有以下五个共性，即体积小、面积大，吸收多、转化快，生长旺、繁殖快；适应强、易变异；分布广、种类多。病毒——﹤杆状细菌——0.5×支原体立克次氏体衣原体｝0.2～0.5放线菌——菌丝直径霉菌——菌丝直径2～酵母——1—5×5—1.体积小、面积大微生物个体都极其微小，测量单位是微米或纳米；各类微生物个体大小的差异十分明显；1.体积小、面积大比面=面积/体积乳酸杆菌120,000豌豆6.0鸡蛋1.5体重200磅的人有利于物质交换和能量、信息的交换；微生物一系列属性均与此特点密切相关1.体积小、面积大物体的体积越大，其单位体积所占有的表面积越小。一个典型的球菌，其体积仅1μm3左右，而其比表面积却极大。这样一个小体积大面积系统，就是微生物与一切大型生物相区别的关键所在，也是赋予微生物具有五个共同特点的本质所在，由这一点可以发展出一系列其它共性，这个小体积大面积系统具有巨大的营养物吸收面、代谢废物排泄面和环境信息的接受面。表1－1对1cm3正立方体作10倍系列三维分割后的比表面积变化边长立方体数总表面积比表面积近似对象1.0cm16cm26豌豆1.0mm10360cm260细小药丸0.1mm106600cm2600滑石粉粒0.01mm1096000cm26,000变形虫球菌大胶粒018600m26,000,000大分子1.0nm10216000m260,000,000分子2吸收多，转化快＃3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食；＃1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食；＃大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖。；※发酵乳糖的细菌在1小时内就可以分解相当于其自身重量1,000~10,000倍的乳糖，产生乳酸；※1公斤酵母菌体，在一天内可发酵几千公斤的糖，生成酒精；这讲的是微生物的代谢能力微生物具有较大的表面积/体积比，能够与周围环境迅速地交换营养物质和代谢产物。生物界的普遍规律：某生物个体越小，其单位体重消耗的食物越多；3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食；1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食；大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖；从单位重量来看，微生物的代谢强度比高等动物的代谢强度大几千倍到几百万倍。◆这一特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质条件，2吸收多，转化快微生物的小体积大面积系统吸收营养物的速度极快，从而保证了细胞快速转化作用的原料供应。发酵乳糖的细菌在1小时内分解的乳糖可达其自身重量的1,000~10,000倍；Candidautilis(产朊假丝酵母)合成蛋白质的能力比大豆强100倍，比食用肉牛强10万倍；一些微生物的呼吸速率比高等动植物组织也强得多微生物的这一特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质条件，从而使微生物能够更好地发挥“活的化工厂”的作用。人类对微生物的利用，主要体现在利用它们的生化转化能力。表1－2一些微生物和动植物组织的比呼吸速率生物材料名称温度(℃)－QO2*Azotobacter(固氮菌属)282,000Acetobacter(醋杆菌属)301,800Pseudomonas(假单胞菌属)301,200面包酵母28110肾和肝组织3710~20根和叶组织200.5~4*－QO2为每小时内每毫克微生物干重所消耗的O2的微升数。3生长旺，繁殖快★例如：Escherichiacoli(大肠杆菌)在最适的生长条件下，每12.5~20分钟细胞就能分裂一次。★在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般为108~109个/ml。★利用微生物的这一特性就可以:实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。★谷氨酸短杆菌：摇瓶种子→50吨发酵罐：52小时内细胞数目可增加３２亿倍。3生长旺盛，繁殖快微生物能快速吸收同化营养物，其生长速度也相当快。Escherichiacoli(大肠杆菌)在最适的生长条件下，每12.5~20分钟细胞就能分裂一次。按每20分钟分裂一次计算，每昼夜分裂72次，则一个细胞经过一昼夜培养，其后代数为272＝4.722×1021个(重约4722吨)，培养48小时为2.2×1043个(约等于4,000个地球的重量)。然而在实际生产、生活和实验中，微生物不可能长时间维持这种高速生长，一般情况下细菌的指数生长速度只能维持数小时，所以在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到108~109个/ml。利用微生物的这一特性就可以:实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。任何其它农作物都不可能达到这样的“复种指数”。这一特点对缓和人类所面临的粮食危机也有重大意义。例如一头500kg重的食用牛，每昼夜从食物中浓缩的蛋白质只有0.5kg，而同样重量的酵母菌，只要以粗糖液和氨水为主要养料，在24小时内即可合成50,000kg优质蛋白质。使它成为生物学基本理论的研究材料。使用微生物作为研究材料可以大大缩短科研周期，节省研究经费，提高工作效率。另一方面，同时那些危害人、畜和植物的病原微生物或是物品发生霉腐的霉腐微生物会给人类的生产和生活带来严重的危害，需要认真对待。微生物具有极高的生长速度和繁殖速度例如：大肠埃希氏菌（Escherichiacoli）在合适的培养条件下，每分裂一次的时间是12.5—20分钟。如果按20分钟分裂一次，即繁殖一代，则24小时可繁殖72代。理论上：一个菌体24小时可繁殖272个菌体，即4722×1021个后代，总重量可达4722吨。实际上：细菌以几何级数速度生长只能维持数小时。表1－3若干微生物的代时及每日增殖率微生物名称代时每日分裂次数温度每日增殖率乳酸菌38分38252.7×1011大肠杆菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草杆菌31分46307.0×1013光合细菌144分10301.0×103酿酒酵母120分12304.1×103小球藻7小时3.42510.6念珠藻*23小时1.04252.1硅藻17小时1.4202.64草履虫10.4小时2.3264.92*为念珠蓝菌属(Nostoc)的旧称，与细菌同属原核生物。表1－3若干微生物的代时及每日增殖率4.种类多、分布广分布广：如:万米深海、85公里高空、地层下128米和427米沉积岩中都发现有微生物存在。类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068微生物的种数，据1972年：更重要的是在于微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。★5分布广，种类多高等生物的分布区域常有明显的地理限制，要扩大分布范围往往要靠人类或其它生物的散播。而微生物因其体积小、重量轻，故可以到处传播，地球上除了火山口以外，从土壤圈、水圈、大气圈甚至岩石圈都能找到微生物的踪迹。微生物的分布及其广泛，充满地球。在人和动植物的体内外、土壤、江、河、湖、海、温泉、雪山、岩石、沙漠、空气等中到处都有微生物。如:△万米深海中的硫细菌；△几万米高空中的细菌和真菌；△地层下128米和427米沉积岩中的细菌。我们认识的动物约有150万种，植物约有50万种，微生物约有10万种。★种类多的主要表现：种类多主要表现在微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多和种数多。微生物的生理代谢类型之多是动、植物所不能比拟的：分解天然气、石油、纤维素、木质素等物质的能力是微生物所特有的；微生物的产能代谢方式多种多样，细菌光合作用、嗜盐菌紫膜的光合作用、自养细菌的化能合成作用、各种厌氧产能途径；生物固氮作用；合成各种复杂有机物的能力；对复杂有机物分子的生物转化能力；分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力；抵抗热、冷、酸、碱、高渗、高压、高辐射剂量等极端环境的能力；独特的繁殖方式——病毒、类病毒、朊病毒的复制增殖等。微生物能产生多种代谢产物，如抗生素，色素，毒素以及各种细胞内外的酶类等蛋白质。据报道，到1978年为止已找到5,128种抗生素，其中由微生物产生的就占4,973种，占97%；据1984年的报道，人类已找到9,000种抗生素。微生物所产生的酶的种类也极其丰富，仅“工具酶”中的Ⅱ型限制性内切酶，在各种微生物中就已发现了1,443种(1990年初)。由此可知微生物代谢产物种类之多。★表1－5主要微生物的种数*种数低限倾向性种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5002,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总计79,78098,727127,298由于微生物的发现和研究比动、植物晚得多，加上鉴定种的工作以及划分种的标准较为困难，所以首先着重研究的是与人类关系最密切的那些种。目前比较肯定的微生物种数约为10万种，随着分离、培养方法的改进和研究工作的深入微生物的新种、新属、新科乃至新目、新纲屡见不鲜。即使是发现最早的较大型的微生物——真菌，现在还以每年约1,500个新种的速度递增。从微生物的分布广、种类多这一特点可以看出，微生物的资源非常丰富，然而据估计目前人类开发利用的微生物仅占已发现微生物种数的不足1%。因此在生产实践和生物学基本理论问题的研究中，利用微生物的前景十分广阔。5.易变异、适应强★任何有其它生物生存的环境中，都能找到微生物。而在其它生物不可能生存的极端环境中也有微生物存在。★突变频率一般为10-5～10-10，但因繁殖快，数量多，与外界环境直接接触，因而在短时间内可出现大量变异的后代。★青霉素产量变异、耐药性变异举例例如，青霉素生产菌Penicilliumchrysogenum(产黄青霉)的产量1943年为每毫升发酵液中含20单位青霉素，40多年来，经过世界各国微生物遗传育种工作者的不懈努力使该菌产量变异逐渐积累，加上发酵条件的改进，目前世界上先进国家的发酵水平每毫升已超过5万单位，甚至接近10