《微生物界HJJ》课件

微生物界HJJ探索微小但无处不在的生命形式目录微生物的定义和分类微生物的结构和特征微生物的代谢微生物的生态作用微生物的定义肉眼不可见的微小生物需借助显微镜才能观察结构简单的单细胞或无细胞结构具有独特的生命活动方式分布广泛存在于几乎所有生态环境中类群多样微生物的分类传统分类方法现代分类系统•形态学特征•分子生物学方法•生理生化特性•基因组学分析•染色反应•蛋白质组学•培养特性•系统发育分析从两界到六界两界系统1植物界和动物界三界系统2增加原生生物界四界系统3增加菌物界五界系统4原核生物、原生生物、菌物、植物、动物六界系统5细菌、古菌、原生生物、菌物、植物、动物生命三域学说细菌域原核生物，包含多样的细菌类群古菌域原核生物，独特的膜脂和代谢途径真核生物域具有真核细胞的生物，包括原生生物、真菌、植物和动物古菌域概述环境适应性结构特点•嗜热菌•类似细菌的形态•嗜盐菌•独特的膜脂结构•嗜酸菌•无肽聚糖细胞壁•嗜碱菌代谢特性•产甲烷代谢•硫代谢•特殊的糖降解途径细菌域概述形态多样代谢途径丰富生态分布广泛球菌、杆菌、螺旋适应各种环境条件从深海到高空，从菌等多种形态的代谢能力酸性到碱性环境遗传多样性基因水平交换频繁真核生物域概述细胞器完善具有膜包被的细胞器1遗传物质组织化2染色体结构复杂复杂的细胞骨架3支持细胞形态和内部运输多样的微生物类群4原生生物、真菌等病毒是否为第六界？非细胞生命形式简单的遗传物质缺乏细胞结构和代谢系统仅含DNA或RNA绝对寄生性分类争议需利用宿主细胞才能复制处于生命与非生命边界的特殊存在微生物的多样性万亿1+已知物种数量实际存在的物种数可能更多

3.8×10^30地球上微生物总数数量远超其他生物总和微米1平均大小大小从几十纳米到几百微米不等亿年35进化历史地球上最早出现的生命形式微生物的基本结构原核微生物真核微生物•无核膜•有核膜•无膜包被细胞器•有膜包被细胞器•环状DNA•线性染色体•细胞壁结构特殊•细胞壁成分多样•大小通常为

0.5-5μm•大小通常为10-100μm原核生物的结构特征细胞壁核区维持形态，防止渗透压破裂无核膜，含环状DNA鞭毛和菌毛细胞质运动和附着功能含核糖体和储存颗粒真核微生物的结构特征线粒体细胞核能量产生中心有核膜，含染色体叶绿体部分藻类特有，进行光合作用内质网高尔基体蛋白质合成和脂质代谢场所负责蛋白质修饰和分泌病毒的结构特征核酸1DNA或RNA，单链或双链衣壳蛋白保护核酸并决定病毒形态包膜某些病毒特有，源自宿主细胞膜细菌的细胞壁革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌•厚肽聚糖层•薄肽聚糖层•含磷壁酸•有外膜结构•无外膜•含脂多糖•对青霉素敏感•对青霉素较耐受•染色后呈紫色•染色后呈红色细菌的鞭毛和菌毛鞭毛由鞭毛蛋白构成，用于运动鞭毛排列方式单极、两极、周生等多种排列形式菌毛较短细线状，用于粘附和基因交换性菌毛介导细菌接合过程中的DNA转移细菌的孢子孢子形成1在不利环境条件下形成结构特点2多层保护结构，核心含钙-DPA复合物抵抗力3耐高温、干燥、辐射和化学物质萌发4适宜条件下迅速恢复为营养细胞真菌的细胞结构细胞壁菌丝体•主要成分为几丁质•多细胞真菌的基本结构•赋予细胞形态和保护作用•由菌丝管网络组成•与植物细胞壁成分不同•可形成各种繁殖结构特殊结构•假根营养吸收•子实体产生孢子•孢子有性或无性繁殖原生动物的细胞结构原生动物具有多样化的运动结构和特化的细胞器伪足、纤毛和鞭毛是不同类群的典型运动方式微生物的生理特征环境适应性能在极端环境生存代谢多样性多种能量获取和物质转化方式快速繁殖3世代时间短，种群扩张迅速遗传可塑性基因突变和水平转移频繁微生物的繁殖方式无性繁殖有性繁殖基因重组•二分裂•接合•转化作用•出芽•配子结合•接合作用•分裂生殖•同化•转导作用•孢子形成•有性孢子形成•水平基因转移微生物的代谢概述能量获取合成代谢光能或化学能转化为ATP构建生物大分子次级代谢分解代谢产生抗生素等特殊物质降解复杂物质释放能量自养微生物定义光能自养型能以CO₂为唯一或主要碳源合成•蓝藻有机物•光合细菌•藻类化能自养型•硫氧化细菌•铁氧化细菌•硝化细菌异养微生物糖类分解者脂类分解者以碳水化合物为主要能源分泌脂肪酶降解复杂脂质纤维素分解者蛋白质分解者能降解植物细胞壁成分分泌蛋白酶获取氨基酸光合作用微生物蓝藻含叶绿素a和藻胆体，释放氧气紫色光合细菌利用细菌叶绿素，不释放氧气绿色光合细菌利用特殊色素，不使用水作为电子供体微藻真核微生物，含多种色素系统化能自养微生物氢细菌铁细菌硝化细菌氧化氢气获取能量Fe²⁺→Fe³⁺释放能量NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻过程获能需氧微生物特点1需氧气作为终末电子受体能量效率2每摩尔葡萄糖产生38ATP典型代表3大多数真菌和许多细菌厌氧微生物特点能量效率代表菌种在无氧环境中生长，氧每摩尔葡萄糖产生2-梭菌属、甲烷菌等气有毒3ATP典型栖息地沼泽、动物肠道、深海沉积物兼性厌氧微生物有氧条件无氧条件代表菌种•进行有氧呼吸•进行发酵或厌氧呼吸•大肠杆菌•能量效率高•能量效率较低•酵母菌•产物为CO₂和H₂O•产物多样•乳酸菌•完全氧化底物•底物氧化不完全•沙门氏菌嗜极微生物嗜极微生物在极端环境中繁衍生息特化的酶系统和细胞结构是其适应关键微生物的生长曲线延滞期细胞适应环境，准备分裂对数期细胞快速分裂，呈指数增长稳定期新生与死亡细胞数量平衡衰退期营养耗尽，废物积累，细胞死亡影响微生物生长的因素温度水分活度值pH影响酶活性和细胞膜流动性细胞代谢和生化反应必需影响蛋白质结构和功能氧气浓度营养物质决定能量代谢方式提供能量和生物合成原料微生物的遗传与变异突变DNA序列自发或诱导改变转化裸露DNA直接进入受体细胞接合通过性菌毛细胞间DNA传递转导噬菌体介导的DNA转移微生物的生态作用物质循环食物网参与碳、氮、硫等元素循环作为生产者和分解者共生关系土壤形成与其他生物形成互利共生促进岩石风化和有机质积累微生物在物质循环中的作用关键驱动者推动全球元素循环物质转化2改变元素化学形态废物分解将复杂有机物转化为简单物质微生物与碳循环固碳作用有机碳利用光合微生物将CO₂转化为有机碳异养微生物分解利用有机物甲烷循环呼吸作用产甲烷菌和甲烷氧化菌的作用将有机碳氧化为CO₂微生物与氮循环氮固定将大气N₂转化为NH₃硝化作用NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻反硝化作用NO₃⁻→NO₂⁻→NO→N₂O→N₂氨化作用有机氮→NH₄⁺微生物与硫循环硫氧化作用硫酸盐还原作用有机硫利用•硫单质→亚硫酸盐→硫酸盐•硫酸盐→硫化氢•分解含硫氨基酸•硫杆菌、硫球菌•脱硫弧菌•释放挥发性硫化物•产生酸性环境•厌氧环境中进行•参与食物风味形成微生物与磷循环磷的溶解作用有机磷矿化•分泌有机酸溶解磷酸盐•分解植物残体中的磷•提高土壤中可利用磷含量•释放无机磷酸盐•促进植物生长•参与生态系统磷循环磷的固定与积累•以聚磷酸盐形式储存•形成不溶性磷酸盐•影响水体富营养化微生物在食物链中的作用高级消费者鱼类等水生动物初级消费者原生动物、轮虫等微型动物生产者蓝藻、藻类等光合微生物分解者细菌、真菌分解有机废物微生物与环境保护水处理固废处理活性污泥法、硝化反硝化处理堆肥化、厌氧消化转化废物污染物降解生物监测分解石油、农药、塑料等污染物指示环境质量的生物指标微生物与生物修复原位修复异位修复植物微生物联合修复-•直接在污染地点进行•将污染物移至处理设施•根际微生物促进植物生长•生物通气法•生物堆法•协同降解有机污染物•生物刺激法•生物反应器处理•提高重金属固定效率•生物增强法•土地耕作法微生物与人类的关系共生微生物病原微生物人体微生物组与健康致病与免疫防御农业微生物工业微生物土壤肥力与植物保护发酵、制药、食品生产有益微生物有益微生物在多个领域发挥重要作用从食品制备到环境保护，从农业到医疗健康益生菌定义常见类群活的微生物，摄入足量时对宿主健•乳酸菌康有益•双歧杆菌•酵母菌•芽孢杆菌健康效益•调节肠道菌群平衡•增强免疫功能•改善消化功能•抑制有害菌生长微生物在食品工业中的应用乳制品发酵面包发酵醋类制品蔬菜发酵酸奶、奶酪、酸奶油酵母发酵产气使面团膨胀乙酸菌氧化酒精酸菜、泡菜、腌黄瓜微生物在发酵工业中的应用酒精发酵酵母将糖转化为乙醇和CO₂有机酸生产柠檬酸、乳酸、醋酸等氨基酸和维生素谷氨酸、赖氨酸、维生素B₁₂工业酶制剂4淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶微生物在医药工业中的应用抗生素生产疫苗制备生物技术药物青霉素、链霉素、红霉减毒活疫苗、灭活疫苗重组蛋白、单克隆抗体素诊断试剂PCR诊断、酶联免疫检测微生物在农业中的应用生物肥料固氮菌、磷溶菌、菌根真菌生物农药苏云金芽孢杆菌、白僵菌促生菌产生植物激素，促进根系发育生物防治利用拮抗菌抑制植物病原体有害微生物人类病原体引起各种传染病食品腐败菌2导致食品变质和经济损失工业有害菌引起设备腐蚀和产品污染植物病原体造成农作物减产和损失病原微生物细菌病毒肺炎、结核、伤寒、霍乱流感、艾滋病、肝炎、新冠真菌皮肤癣、肺曲霉菌病朊病毒原生动物疯牛病、克雅氏病疟疾、阿米巴痢疾食源性病原体细菌性病原体病毒性病原体其他病原体•沙门氏菌•诺如病毒•隐孢子虫•单核细胞增生李斯特菌•轮状病毒•贾第鞭毛虫•产志贺毒素大肠杆菌•甲型肝炎病毒•寄生蠕虫•金黄色葡萄球菌•戊型肝炎病毒•产毒真菌•肉毒梭菌人畜共患病病原体病毒性细菌性•狂犬病病毒•布鲁氏菌•禽流感病毒•炭疽杆菌•冠状病毒•鼠疫耶尔森菌•埃博拉病毒•钩端螺旋体寄生虫•弓形虫•包虫•旋毛虫•利什曼原虫植物病原体真菌性病害细菌性病害病毒性病害白粉病、锈病、霜霉病青枯病、黑斑病、软腐病花叶病、黄化病、矮缩病微生物与抗生素发现历史青霉素、链霉素等抗生素的发现主要来源放线菌、真菌、少数细菌作用机制抑制细胞壁、蛋白质或核酸合成医学意义治疗细菌感染，降低死亡率抗生素耐药性问题耐药机制酶灭活、外排、靶位点突变耐药基因传播2质粒、转座子介导的水平转移临床影响治疗失败，感染加重应对措施合理用药，研发新抗生素新兴和再现传染病疾病病原体发现/再现时间影响范围艾滋病HIV20世纪80年代全球流行SARS SARS-CoV2003年多国爆发新型冠状病毒SARS-CoV-22019年全球大流行肺炎埃博拉埃博拉病毒1976年首次，西非地区多次爆发寨卡寨卡病毒2015年美洲大规模爆发微生物学研究的前沿领域合成生物学设计人工微生物微生物组学研究微生物群落功能与互作单细胞技术揭示微生物个体差异系统生物学构建微生物系统模型总结微生物世界的魅力与挑战无处不在功能多样从极地到热带，从海洋到土壤驱动生态系统运转，支持地球生命研究前景应用广泛揭示未知微生物世界，探索新功能从传统发酵到现代生物技术3。