《微生物的功与过》课件

微生物的功与过微生物，这些肉眼不可见的生命形式，既是人类的朋友也是敌人它们遍布我们周围的环境，从土壤到水体，从空气到我们的体内这些微小生物虽然个体微不足道，但其集体影响力却无处不在，深刻影响着地球生态系统和人类社会的方方面面目录微生物概述探索微生物的定义、种类、分布及发现历史微生物的功用了解微生物在环境、食品、医药、农业等领域的积极作用微生物的危害认识微生物导致的疾病、污染和破坏微生物与人类的关系什么是微生物？定义特点主要类型微生物是指肉眼不可见、需借助显微镜才微生物通常是单细胞生物，具有简单的细•细菌单细胞原核生物能观察到的微小生物的总称它们体积微胞结构它们适应能力强，能够在各种极•病毒非细胞形态，只能在活细胞内小，但在地球生物圈中数量庞大，种类繁端环境中生存微生物繁殖速度快，代谢繁殖多，是地球上最早出现的生命形式之一活动多样，是自然界物质循环的重要参与•真菌包括酵母菌和霉菌者微生物的种类病毒真菌非细胞结构，由核酸和蛋白质组成真核生物，包括酵母菌和丝状真菌细菌•大小约20-300纳米•单细胞或多细胞结构单细胞原核生物，无细胞核，大小原生动物•必须在活细胞内复制•通过孢子繁殖约微米

0.5-5单细胞真核生物，能自由运动•球菌、杆菌、螺旋菌等多种形态•包括变形虫、鞭毛虫等•广泛分布于各种环境中微生物的分布土壤水体土壤是微生物最丰富的栖息地之一每克肥沃土壤可含有数十亿个微生从淡水到海洋，各类水体中都生活着丰富的微生物海洋中浮游细菌和古物，包括细菌、放线菌、真菌、原生动物等这些微生物参与土壤有机质菌的数量巨大，是海洋食物网的基础淡水中的微生物则参与水体自净过分解、养分循环，对维持土壤肥力至关重要程，维持水质平衡空气生物体内外空气中悬浮着各种微生物，主要为细菌和真菌孢子它们随气流传播，数量和种类受环境条件影响空气微生物在物质循环和传染病传播中扮演重要角色微生物的发现历史年1665英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）发明了早期复合显微镜，并在其著作《显微图志》中首次描述了微小生物结构，打开了人类探索微观世界的窗口他观察了软木切片，发现了小房间状的结构，首次提出了细胞概念年1676荷兰商人安东尼·范·列文虎克（Antonie vanLeeuwenhoek）使用自制的单镜片显微镜，首次观察并详细记录了微生物的存在他在雨水、池塘水和人体口腔样本中发现了小动物（微生物），并将这一重大发现报告给了英国皇家学会世纪17-18微生物学的发展世纪微生物学黄金时代19路易巴斯德（）和罗伯特科赫（）的开创性工作奠定了现代微生物学基础·Louis Pasteur·Robert Koch世纪上半叶抗生素发现202亚历山大弗莱明（）发现青霉素，开启抗生素时代·Alexander Fleming世纪中后期分子生物学革命20结构发现和分子生物学技术推动微生物学进入分子水平研究DNA世纪组学时代21高通量测序技术兴起，微生物组学研究蓬勃发展微生物的功用概览全球生态系统参与物质循环，维持生态平衡工业与科技应用生物技术、药物生产、能源开发食品生产与加工发酵食品、调味品、饮料制作农业与环境土壤肥力、植物健康、环境修复健康与医疗肠道健康、免疫功能、疾病治疗微生物在环境中的作用参与物质循环维持生态平衡微生物是地球上最伟大的化学家，它们通过各种代谢活动参与微生物群落结构和功能的多样性是生态系统稳定性的关键因素碳、氮、硫、磷等元素的全球循环没有微生物的参与，这些元它们通过复杂的相互作用网络，调节生态系统的能量流动和营养素循环将会中断，生态系统功能将受到严重影响物质转化例如，分解者微生物将动植物死亡残体分解为简单有机物和无机土壤微生物通过与植物根系的互作，促进植物生长，增强植物抵物，使这些物质能够被其他生物再次利用，防止废物积累和资源抗力水体微生物则参与水体自净过程，分解有机污染物，维持枯竭水质平衡微生物与碳循环有机碳合成有机物分解光合微生物（如蓝藻）和化能自养菌固定腐生微生物分解动植物残体，释放返CO₂形成有机物回大气CO₂甲烷氧化甲烷生成甲烷氧化菌将甲烷转化为，完成循环产甲烷古菌在厌氧条件下将有机物转化为CO₂甲烷微生物与氮循环固氮作用特定微生物（如根瘤菌、蓝藻）能将大气中的氮气N₂转化为铵离子NH₄⁺，使其能被植物吸收利用这是氮元素进入生物圈的主要途径之一氨化作用腐生微生物分解动植物残体中的蛋白质等含氮有机物，释放出氨NH₃或铵离子NH₄⁺这一过程使有机氮转变为无机氮硝化作用硝化细菌如亚硝酸菌和硝酸菌将铵离子NH₄⁺氧化为亚硝酸盐NO₂⁻和硝酸盐NO₃⁻硝酸盐是植物吸收利用的主要氮源反硝化作用在缺氧条件下，反硝化细菌将硝酸盐NO₃⁻还原为氮气N₂释放到大气中，完成氮循环微生物在食品工业中的应用发酵食品生产酒类饮料制造食品添加剂生产乳酸菌、酵母菌等微生物酵母菌将糖转化为乙醇和微生物是食品工业酶制通过发酵过程生产酸奶、二氧化碳，是啤酒、葡萄剂、氨基酸、维生素等添奶酪、泡菜等食品，不仅酒、白酒等酒类饮料生产加剂的重要来源，广泛应延长保质期，还赋予独特的核心过程，不同菌种产用于食品加工和品质改风味和营养价值生不同风味特点良食品安全检测微生物检测技术是食品安全控制的重要手段，用于监测病原菌污染和评估食品卫生质量发酵食品酸奶奶酪泡菜由乳酸菌如嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌发不同种类奶酪由不同微生物发酵制成例亚洲传统发酵蔬菜，如韩国泡菜和中国酸酵牛奶制成乳酸菌将乳糖转化为乳酸，使如，蓝纹奶酪中的青霉菌产生特有的蓝色纹菜乳酸菌在厌氧条件下将蔬菜中的糖转化牛奶凝固并产生特有风味同时，这些有益理和浓郁味道；白霉奶酪则利用白霉菌在表为乳酸和其他有机酸，形成酸味并抑制有害菌还能产生维生素族和抗菌物质，提高营面形成绒毛状菌丝，赋予奶酪独特口感菌生长，延长保存期限B养价值和保存性酒类制造啤酒酿造葡萄酒制作以麦芽为原料，通过酵母菌将利用葡萄中天然存在的或人工麦芽糖转化为乙醇和二氧化添加的酵母菌将葡萄糖转化为碳啤酒酵母主要分为上发酵乙醇不同酵母菌株、发酵温酵母和下发酵酵母，产生不同度和时间影响葡萄酒风味红类型的啤酒发酵过程中产生葡萄酒还涉及乳酸菌进行的苹的复杂风味物质决定了啤酒的果酸乳酸发酵-特性白酒生产中国传统白酒采用大曲发酵工艺，涉及复杂的微生物群落酵母、霉菌和细菌协同作用，将淀粉转化为糖再转化为乙醇，同时产生各种酯类和酸类等风味物质面包制作年1863现代面包工艺起源路易·巴斯德证实酵母是活的微生物30+面包发酵菌种类不同酵母菌种产生不同风味小时4平均发酵时间传统面包常需长时间发酵30%体积增加程度发酵使面团膨胀并形成孔洞微生物在医药工业中的应用抗生素生产细菌和真菌是许多抗生素的天然来源如青霉素由青霉菌产生，链霉素由链霉菌产生微生物发酵技术是抗生素工业化生产的基础，通过优化菌种和发酵条件提高产量和纯度疫苗制备利用减毒或灭活的病原微生物或其部分成分制备疫苗，诱导机体产生免疫力现代技术还包括重组DNA疫苗和mRNA疫苗，如新冠mRNA疫苗，开创了疫苗研发新时代酶和激素生产工程微生物作为细胞工厂生产人类胰岛素、生长激素等蛋白质药物这些基因工程产品克服了从动物体内提取的限制和风险，保证药物供应和安全性新药筛选平台微生物及其代谢产物是新药研发的重要资源，许多抗肿瘤、抗病毒药物源自微生物高通量筛选技术加速了从微生物中发现候选药物的过程抗生素生产年青霉素的发现1928亚历山大·弗莱明意外发现青霉菌能抑制金黄色葡萄球菌生长，这一偶然发现开启了抗生素时代弗莱明注意到培养皿中长有霉菌的区域周围没有细菌生长，推断霉菌产生了抑制细菌的物质年代青霉素的提纯与应用1940弗洛里和钱恩成功提取并纯化青霉素，证明其临床价值二战期间青霉素被大量用于治疗伤员感染，挽救了无数生命，被誉为奇迹药物年代抗生素工业化生产1950-1960链霉素、四环素、红霉素等新型抗生素被相继发现并实现工业化生产深层发酵技术的发展极大提高了抗生素产量，使其成为可广泛使用的药物现代基因工程改造4通过基因工程技术改造微生物，提高抗生素产量或产生新型抗生素组合生物合成技术为应对耐药性挑战开辟了新途径疫苗制造疫苗类型制备原理代表疫苗优缺点减毒活疫苗使用经人工减脊髓灰质炎沙免疫力强且持毒的活微生物宾疫苗、麻疹久，但有潜在疫苗安全风险灭活疫苗使用化学或物流感疫苗、狂安全性高，但理方法灭活的犬病疫苗免疫力较弱，病原体常需加强注射亚单位疫苗使用病原体的乙肝疫苗、高度安全，但部分成分疫苗生产成本高HPV疫苗导入编码抗原新冠疫研发速度快，mRNA mRNA的苗有效性高，但mRNA储存条件严格微生物在农业中的应用有机废弃物处理生物防控微生物分解农业废弃物，转化为有拮抗微生物抑制植物病原体生长机肥料增强植物生长作物品质改良•苏云金芽胞杆菌防治害虫•厌氧消化产生沼气促生长根际细菌分泌植物•木霉菌抑制真菌病害•堆肥化处理秸秆特定微生物影响作物风味和营养成PGPR激素，促进根系发育分•固氮菌提供氮源•提高植物抗逆性•溶磷菌提高磷可利用性•增加次生代谢产物生物肥料根瘤菌蓝绿藻根瘤菌是一类能与豆科植物形成共生关系的土壤细菌它们侵入蓝绿藻蓝细菌是一类能进行光合作用的原核生物，其中部分种类豆科植物根部后形成根瘤，在根瘤中固定大气中的氮气，将其转具有固氮能力在水稻田中，固氮蓝绿藻能够提供可观的氮素养化为植物可利用的氨基酸等含氮化合物分，降低化肥需求不同种类的根瘤菌与特定的豆科植物有较强的特异性例如，苜在传统水稻种植区，蓝绿藻被广泛用作生物肥料研究表明，蓝蓿根瘤菌专门与苜蓿共生，大豆根瘤菌则与大豆形成共生关系绿藻不仅能够为水稻提供氮源，还能分泌生长激素促进水稻生研究表明，使用适合的根瘤菌接种剂可以显著提高豆科作物的产长，改善土壤理化性质和微生物区系此外，某些蓝绿藻还能提量，减少化肥使用量高土壤中有机质含量和持水能力生物农药苏云金芽胞杆菌白僵菌Bt苏云金芽胞杆菌是目前应用最广白僵菌是一种昆虫病原真菌，能泛的微生物杀虫剂该细菌在形侵入昆虫体内引起白僵病该成芽胞时产生蛋白质晶体，这种真菌的孢子通过昆虫表皮进入体晶体毒素对鳞翅目（如玉米螟、内，发芽并繁殖，最终导致昆虫:棉铃虫）、双翅目和鞘翅目昆虫死亡死亡的昆虫表面长满白色具有高效特异性杀伤作用，而对菌丝，呈白僵状态白僵菌对人畜和非靶标生物安全技术多种农业害虫有效，如蝗虫、蚜Bt已被广泛应用于转基因抗虫作物虫、螨类等，是生物防治的重要开发工具昆虫病毒昆虫杆状病毒如核型多角体病毒能特异性感染某些害虫，如棉铃虫、甜NPV菜夜蛾等感染后的昆虫停止取食，变得迟缓，最终因器官衰竭而死亡这类生物农药特异性极高，对环境友好，是化学农药的理想替代品微生物在环境保护中的应用污染物降解重金属处理特定微生物能够分解或转化有机污染物，如石油烃、多环芳烃、某些微生物能通过吸附、沉淀、络合等机制处理重金属污染如农药、染料等例如，假单胞菌能降解石油烃，白腐真菌能分解硫酸盐还原菌能将可溶性重金属转化为不溶性硫化物沉淀；某些持久性有机污染物这些微生物拥有特殊的酶系统，能将复杂有真菌和藻类能吸附积累重金属离子，实现生物富集毒物质转化为无害产物•生物吸附微生物表面吸附重金属•原位生物修复直接在污染现场应用微生物•生物积累微生物将重金属转运到细胞内并固定•异位生物修复将污染物转移到处理设施中处理•生物转化改变重金属的价态，降低毒性生物修复石油污染处理重金属污染处理农药污染修复石油污染生物修复利用特定微生物将烃类分耐重金属微生物通过细胞外沉淀、生物吸微生物降解农药的能力是农田生态系统自我解为二氧化碳和水埃克森瓦尔迪兹油轮泄附、细胞内存储等机制实现重金属的去除和修复的关键机制某些细菌和真菌能分解有漏事件中，生物修复技术清除了海岸线转化如镉污染土壤中，特定细菌能将镉固机磷、有机氯等持久性农药，将其转化为无40-的石油污染物科学家筛选出的石油定为难溶性硫化物或磷酸盐，降低其生物可毒代谢物，防止农药在环境中累积和扩散45%降解菌能在恶劣环境下迅速分解各类烃类物利用性和迁移性，减轻环境风险质废水处理活性污泥法活性污泥法是目前最广泛应用的废水生物处理技术在曝气池中，混合微生物群落活性污泥悬浮于废水中，在充氧条件下分解有机污染物这些微生物包括细菌、原生动物、轮虫等，形成复杂的食物网处理过程中，异养细菌将有机物转化为细胞物质、CO₂和水；硝化细菌将氨氮转化为硝酸盐；某些细菌还能去除磷等营养物质活性污泥法能有效去除BOD、COD、氮和磷等污染物厌氧消化厌氧消化是在无氧条件下利用厌氧微生物分解有机物的过程这一过程涉及四个主要阶段水解、酸化、产乙酸和产甲烷，由不同功能群的微生物协同完成在厌氧消化池中，水解菌首先将大分子有机物水解为单糖、氨基酸等；发酵菌将这些产物进一步转化为有机酸；产乙酸菌将有机酸转化为乙酸、H₂和CO₂；最后，产甲烷古菌将乙酸或H₂和CO₂转化为甲烷生物膜法生物膜法利用附着在固体载体表面的微生物膜处理废水与活性污泥相比，生物膜内形成氧浓度梯度，同时存在好氧、厌氧和兼性区域，能同时进行硝化和反硝化等过程常见的生物膜工艺包括生物滤池、生物转盘和生物接触氧化等这些工艺具有抗冲击负荷能力强、污泥产量低等优点，适用于不同类型废水的处理微生物在能源生产中的应用沼气生产生物乙醇沼气是一种由甲烷、二氧化碳和少量其他气体组成的生物乙醇是由含糖或淀粉作物如玉米、甘蔗或纤维素生物质通过CH₄CO₂可再生能源沼气生产过程利用厌氧微生物分解有机物质，如农微生物发酵生产的可再生燃料传统生物乙醇生产主要依靠酵母业废弃物、畜禽粪便、食品废弃物等这一过程通常在密闭的厌菌将糖类发酵为乙醇氧消化池中进行在生产过程中，首先将原料中的多糖水解为单糖；随后，酿酒酵厌氧消化涉及复杂的微生物群落和代谢网络首先，水解菌和发母将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳现代生物乙醇技术还开发了酵菌将复杂有机物分解为简单分子；然后，产乙酸菌将这些分子能直接利用纤维素的工程菌株，以及能在高温高浓度条件下高效转化为乙酸、氢气和二氧化碳；最后，产甲烷古菌利用这些物质发酵的耐受性菌株，提高了生产效率和经济性产生甲烷最终产生的沼气可用于发电、供热或作为车用燃料微生物在工业中的应用酶制剂生产生物塑料化学品生产微生物是工业酶的主要来源，具有生产聚羟基脂肪酸酯是一类由微生物工业微生物能合成多种化学品和生物材PHA成本低、产量高、易于规模化等优势合成的生物可降解塑料某些细菌如假料例如，柠檬酸由黑曲霉发酵生产，通过发酵工程和蛋白质工程技术，可获单胞菌、醋酸杆菌等能在碳源过量而其广泛用于食品和药品工业；谷氨酸钠味得各种特性优良的酶制剂常见的工业他营养受限的条件下，将过量碳源转化精由谷氨酸棒杆菌生产；透明质酸由链用酶包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等，为储存在体内这些生物塑料具有球菌发酵生产，用于化妆品和医疗领PHA广泛应用于洗涤剂、纺织、造纸、食品良好的生物相容性和可降解性，是传统域这些生物合成路线通常比化学合成加工等领域石油基塑料的环保替代品更环保、更特异微生物在科研中的应用基因工程载体蛋白质工程平台大肠杆菌、酵母菌等作为表达外源基因的1利用微生物合成和修饰特定蛋白质，研究重要工具2结构与功能基因编辑工具模式生物等源自微生物的革命性技简单微生物作为研究生命基本过程的模型CRISPR-Cas93术系统微生物的危害概览全球性健康威胁传染病大流行与生物恐怖主义人类与动物疾病各类感染性疾病与流行病农业与食品安全作物病害、食品腐败与污染工业与基础设施4材料降解、管道腐蚀与生物膜形成生态与环境生物入侵、有毒藻华与环境污染微生物与人类疾病细菌性疾病肺结核霍乱肺结核由结核分枝杆菌引起，是全球霍乱由霍乱弧菌引起，通过污染的水最致命的传染病之一结核菌通过空和食物传播该细菌产生的霍乱毒素气传播，主要侵犯肺部，也可影响其导致肠细胞分泌大量水分，引起严重他器官感染后，菌体可在体内潜伏腹泻和脱水如不及时治疗，患者可多年，在免疫力下降时激活典型症在数小时内因脱水和电解质紊乱而死状包括持续咳嗽、咳血、胸痛、疲亡霍乱在缺乏清洁水源和卫生设施劳、体重减轻和低烧的地区易引发流行破伤风破伤风由破伤风梭菌引起，这种细菌常存在于土壤中细菌通过伤口进入体内，在缺氧环境中生长并产生强力神经毒素该毒素阻断抑制性神经递质，导致肌肉持续收缩，表现为疼痛性肌肉痉挛，严重时引起呼吸困难通过疫苗接种可有效预防病毒性疾病流感艾滋病新冠肺炎流感由正粘病毒科的流感病毒引起，主要艾滋病由人类免疫缺陷病毒引起，新冠肺炎由冠状病毒引起，HIV SARS-CoV-2通过呼吸道飞沫传播流感病毒具有高度通过血液、性接触和母婴传播攻击年底首次发现该病毒主要通过呼吸HIV2019变异性，分为、、三型型流感病人体免疫系统中的淋巴细胞，削道飞沫和密切接触传播，潜伏期天A BC ACD4+T1-14毒可引起全球性大流行，如年西班牙弱机体对抗感染的能力1918流感和年流感2009H1N1感染初期可有类似感冒的症状，随后感染者表现多样，从无症状到重症不等HIV流感症状包括突发高热、全身肌肉疼痛、进入无症状期未经治疗的感染者最终发常见症状包括发热、干咳、乏力，部分患头痛、乏力、咳嗽等虽然大多数患者可展为获得性免疫缺陷综合征，出现者有嗅觉和味觉丧失严重病例可发展为AIDS自愈，但老人、幼儿和免疫力低下者可发多种机会性感染和肿瘤目前抗逆转录病急性呼吸窘迫综合征和多脏器功能衰竭生肺炎等严重并发症每年接种流感疫苗毒治疗可有效控制病情，但尚无治愈方疫苗接种、保持社交距离和戴口罩是主要是预防的主要手段法预防措施真菌性疾病皮肤癣念珠菌病侵袭性真菌病皮肤癣是由皮癣菌属真菌引起的表浅真菌感念珠菌病由白色念珠菌等引起，这些酵母菌侵袭性真菌病多发生在免疫功能低下人群，染，根据感染部位可分为头癣、体癣、手足通常作为人体正常菌群存在当免疫系统功如艾滋病患者、器官移植受者和化疗患者癣等这类感染具有高度接触传染性，在温能受损或菌群平衡被打破时，念珠菌可过度常见病原包括曲霉菌、新型隐球菌和荚膜组暖潮湿环境下易传播典型症状为环状红生长导致感染常见类型包括口腔鹅口疮、织胞浆菌等这类感染可迅速扩散到全身多斑、瘙痒和脱屑预防措施包括保持皮肤干外阴阴道炎和皮肤感染免疫缺陷患者还可个器官，病死率高早期诊断和抗真菌治疗燥、避免共用个人物品发生侵袭性念珠菌病，危及生命对改善预后至关重要微生物与食品腐败细菌性腐败霉菌腐败酵母腐败细菌是食品腐败的主要霉菌主要通过空气传酵母菌主要引起含糖食原因之一，尤其在高蛋播，在湿度较高环境中品的发酵腐败，如果白食品如肉类、鱼类和容易生长它们能够产汁、蜂蜜和果酱等腐乳制品中假单胞菌、生特殊酶类分解各种食败酵母通过发酵产生乙产气荚膜杆菌等腐败菌品成分，并产生可见的醇和二氧化碳，导致食能分解蛋白质产生氨、菌丝体和孢子某些霉品膨胀、产生异味、口硫化氢等恶臭物质细菌如黄曲霉还能产生强感改变某些耐渗透压菌繁殖快，在适宜温度致癌性霉菌毒素，即使酵母甚至能在高糖环境下，一些腐败菌每分少量摄入也可能对健康中生长繁殖，是果脯、20钟就能繁殖一次，导致造成严重威胁果酱等食品常见的腐败食品迅速变质原因微生物与农作物病害病害类型病原体典型症状主要危害作物细菌性病害黄单胞菌、假单胞菌等水渍状病斑、细菌性流胶、软腐水稻、马铃薯、十字花科蔬菜真菌性病害锈菌、白粉菌、镰刀菌等病斑、霉层、枯萎、腐烂小麦、水稻、果树、棉花病毒性病害烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒等花叶、黄化、矮化、畸形番茄、黄瓜、马铃薯、烟草植原体病害植原体、螺旋体等丛生、黄化、脉间变黄桑树、柑橘、甘蔗、花卉微生物与畜牧业危害口蹄疫禽流感口蹄疫是由口蹄疫病毒引起的一种禽流感由甲型流感病毒引起，野生急性、热性、高度接触性传染病，水禽是自然宿主高致病性禽流感主要感染偶蹄动物如牛、猪、羊（如）可导致家禽快速死H5N1等该病以口腔、蹄部和乳房等处亡，死亡率高达该病不仅100%出现水疱为特征，导致食欲下降、危害禽类健康，部分亚型还具有人产奶量锐减虽然死亡率不高，但畜共患性，对公共卫生构成威胁发病率极高，会导致畜牧业严重经禽流感爆发常导致大规模扑杀和国济损失一旦爆发，常需采取紧急际贸易限制，造成巨大经济损失隔离甚至扑杀措施布鲁氏菌病布鲁氏菌病是由布鲁氏菌属细菌引起的慢性传染病，主要影响牛、羊、猪等家畜感染动物常出现流产、不孕和关节炎等症状这种疾病还是重要的人畜共患病，人类感染后可出现波状热、关节疼痛和慢性疲劳等症状该病严重影响畜牧业生产效率和动物繁殖能力微生物与水体污染富营养化赤潮富营养化是指水体中氮、磷等营养物质过量积累，导致藻类和水赤潮是指海洋中某些微藻、原生动物或细菌在特定环境条件下短生植物大量繁殖的现象这一过程中，蓝藻等微生物在适宜温度期内爆发性增殖，导致海水变色的现象根据引发生物的不同，和充足营养条件下迅速增殖，形成水华海水可呈现红色、黄色、绿色等富营养化水体中溶解氧降低，水质恶化，透明度下降，严重影响有害赤潮可通过多种机制危害海洋生态一些赤潮生物能产生神水生生态系统某些蓝藻还能产生微囊藻毒素等有毒物质，危害经毒素，导致鱼类和贝类死亡；密集的赤潮生物消耗水中氧气，水生生物和人类健康富营养化主要由农业径流、生活污水和工造成缺氧环境；某些赤潮还会物理性堵塞鱼鳃，影响呼吸赤潮业废水中的氮磷等营养物质引起频发严重影响渔业生产和海洋生态系统微生物与建筑物破坏木材腐朽混凝土侵蚀墙体霉变木材腐朽主要由木腐真菌引起，包括褐腐菌和微生物引起的混凝土侵蚀主要由硫氧化细菌和建筑物墙体霉变常由曲霉、青霉、黑曲霉等真白腐菌两大类褐腐菌主要分解木材中的纤维硫酸盐还原菌等参与这些微生物将环境中的菌引起这些霉菌在潮湿环境中繁殖，在墙面素和半纤维素，留下变色的木质素，导致木材硫化物氧化为硫酸，硫酸与混凝土中的钙反应形成黑色、绿色或褐色斑点霉菌不仅影响建呈现褐色并产生立方体状开裂白腐菌则能分生成石膏，导致混凝土强度下降、表面剥落筑美观，还会分泌有机酸腐蚀建材，释放挥发解所有木材成分，使木材变白、质地松软湿这种生物侵蚀在污水管道、化工厂等环境尤为性有机化合物和孢子，危害室内空气质量和居度是影响木材腐朽的关键因素，相对湿度超过严重，可显著缩短建筑物使用寿命住者健康时真菌易滋生20%微生物与文物破坏书画霉变石质文物风化纸质文物如古籍、书画等含有大量纤维素，石质文物表面常有地衣、藻类、细菌等微生是微生物理想的营养来源在高湿环境下，物生长这些微生物通过多种机制加速石材各类纤维素分解真菌如木霉、曲霉等会在纸风化物理作用方面，微生物菌丝或根状体面繁殖，分泌纤维素酶等酶类，将纤维素分的生长扩张可扩大石材裂缝；化学作用方解为简单糖类利用这一过程导致纸张强度面，微生物代谢产生的有机酸、碳酸等能溶下降、颜色变化，甚至完全分解解石灰岩等碳酸盐类石材此外，某些真菌产生的色素会渗入纸张形成此外，某些趋硫细菌如硫杆菌能将硫化物氧难以去除的霉斑，破坏文物的艺术价值已化为硫酸，导致严重的酸腐蚀石质文物一经霉变的文物即使经过处理，纸张结构的破旦被微生物损坏，其表面雕刻和纹饰就会永坏也难以恢复久性消失金属文物腐蚀金属文物的微生物腐蚀主要与硫酸盐还原菌、铁氧化菌等有关这些微生物能显著加速金属氧化过程，如青铜器表面常见的铜绿病就与微生物活动密切相关某些海洋微生物还会在水下金属文物表面形成生物膜，创造局部腐蚀微环境微生物腐蚀的一个特点是其高度选择性，常在文物表面形成点蚀，破坏文物完整性和结构强度微生物与生物武器炭疽芽胞天花病毒炭疽杆菌是一种革兰氏阳性杆菌，其惊人的危险性来自于其形成天花曾是人类历史上最可怕的传染病之一，死亡率高达通30%的耐环境芽胞这些芽胞极其稳定，能在恶劣环境中存活数十过全球疫苗接种运动，天花于年被宣布根除，成为唯一被人1980年，且只需少量即可致人死亡炭疽可通过皮肤接触、消化道或类消灭的传染病目前，天花病毒仅存在于美国和俄罗斯的高安吸入途径感染，其中吸入性炭疽最为致命，致死率几乎达全级别实验室中100%天花的高传染性、高死亡率和现代人群普遍缺乏免疫力使其成为历史上，炭疽芽胞曾被多国用作生物武器年苏联斯维尔德潜在的生物武器冷战期间，多国均开展过天花病毒武器化研1979洛夫斯克事件中，一家军事设施意外释放的炭疽芽胞导致至少究如今，天花病毒的基因序列已公开，理论上可能被合成，引66人死亡年美国炭疽邮件事件再次引发对生物武器的担发生物安全担忧2001忧微生物与人类的关系共同进化微生物与人类共同进化数百万年共生与平衡2人体微生物组与宿主形成互利共生关系免疫调节微生物参与训练和调节免疫系统健康与疾病微生物平衡影响整体健康状态人体微生物组万亿100细菌总数人体内微生物数量超过人体细胞1000+微生物种类多样性是健康微生物组的特征公斤2微生物总重量相当于一个成年人脑重量万20微生物独有基因远超人类基因组的基因数量肠道菌群皮肤微生物群面部微生物手部微生物主要为痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌多样性高，受环境接触影响大•与痤疮和皮脂分泌相关•个体间差异显著•受荷尔蒙水平影响•频繁更新和变化足部微生物腋窝微生物以拟杆菌和放线菌为主以腋臭假丝酵母菌和棒状杆菌为主3•适应低氧高湿环境•参与汗液成分分解•与足癣等感染相关•产生体味相关物质口腔微生物群牙菌斑微生物舌部微生物群牙龈微生物群牙菌斑是附着在牙面的生物膜，由多种舌头表面的凹凸不平提供了理想的微生物栖牙龈沟是连接牙齿与牙龈的微小空间，是口600微生物组成的复杂生态系统早期定植者如息地，主要菌群包括链球菌、韦荣球菌、奈腔中微生物多样性最高的区域之一健康状链球菌先附着并形成基质，随后其他细菌如瑟菌等舌部微生物与口腔异味密切相关，态下以革兰氏阳性菌为主；牙周疾病时厌氧放线菌、韦荣球菌等加入形成成熟菌斑菌某些厌氧菌分解蛋白质产生挥发性硫化物，菌如牙龈卟啉单胞菌、福赛坦菌等增多，产斑中的变形链球菌产酸能力强，是龋齿发生导致口臭舌苔越厚，微生物数量越多，口生内毒素和蛋白酶等毒性因子，破坏牙周组的主要致病因子臭可能性越大织，形成牙周袋益生菌与益生元益生菌益生元益生菌是指对宿主有益的活微生物，适量摄入后能改善宿主的肠益生元是指不能被人体消化吸收，但能选择性促进肠道有益菌生道菌群平衡，发挥健康促进作用常见益生菌包括乳酸菌如嗜酸长繁殖的物质，主要为特定碳水化合物常见益生元包括菊粉、乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和双歧杆菌等低聚果糖、低聚半乳糖、抗性淀粉等益生菌通过多种机制发挥作用竞争性排除病原菌、增强肠黏膜益生元到达结肠后被有益菌发酵，产生短链脂肪酸，降低肠道pH屏障功能、调节免疫反应、产生有益代谢产物如短链脂肪酸等值，抑制有害菌生长同时，这些发酵产物为肠上皮细胞提供能益生菌制品形式多样，包括发酵乳制品、胶囊、粉剂等量，维持肠道健康富含益生元的食物包括洋葱、大蒜、香蕉、全谷物等微生物与免疫系统先天免疫获得性免疫先天免疫是机体抵抗微生物入侵的第获得性免疫能识别特定病原体并建立一道防线，包括物理屏障如皮肤、免疫记忆T淋巴细胞识别被感染细黏膜和细胞成分如巨噬细胞、中性胞表面的抗原，直接杀伤或协助B淋粒细胞这些细胞通过识别微生物巴细胞产生抗体B细胞产生的抗体表面的保守分子模式PAMPs，快速能特异性结合病原体，促进其被吞噬响应并清除入侵者例如，巨噬细胞或激活补体系统获得性免疫反应较能吞噬细菌并释放炎症因子，招募更慢但特异性强，且能形成免疫记忆，多免疫细胞到感染部位使机体在再次遇到同一病原体时迅速响应微生物调节免疫共生微生物对免疫系统发育和功能至关重要研究表明，无菌动物免疫系统发育不全，对病原体更敏感肠道菌群通过产生短链脂肪酸和其他代谢物调节肠道免疫细胞功能；皮肤微生物则训练皮肤免疫系统识别友好菌与入侵者微生物多样性降低与过敏症、自身免疫病等免疫紊乱疾病增加相关微生物与人类进化共同进化理论人类与微生物的关系可追溯至进化早期数百万年的共同进化使人体适应并依赖这些微小居民某些微生物基因已整合入人类基因组，约的人类源自古老病毒8%DNA微生物对人类基因的影响微生物选择压力塑造了人类基因组如乳糖耐受基因的进化与乳制品发酵菌的利用密切相关；免疫系统基因则受病原菌的强烈选择压力影响，是人类基因组中进化最快的部分肠脑轴与认知进化肠道微生物通过肠脑轴影响大脑发育和功能某些微生物产生的神经递质和代谢物可调节认知和行为研究表明，肠道菌群可能在人类大脑进化和认知能力发展中扮演重要角色微生物与抗生素耐药性全球挑战世卫组织将抗菌素耐药性列为全球三大公共卫生威胁之一耐药机制2细菌通过突变和基因水平转移获得耐药性临床困境多重耐药菌导致治疗失败和医疗费用增加管控策略合理使用抗生素和开发新药物是应对耐药性的关键研究方向噬菌体疗法、抗菌肽和CRISPR技术等替代抗生素的新策略微生物检测技术检测技术原理优点局限性培养法在特定培养基上直接获得活微生时间长；无法培养培养微生物，观物；可进行药敏大多数环境微生物察菌落形态和生试验化特性PCR技术扩增特定微生物灵敏度高；特异无法区分活菌和死DNA片段进行检性好；速度快菌；需要已知序列测设计引物高通量测序大规模并行测序全面了解微生物成本较高；数据分微生物基因组或群落组成；无需析复杂；可能有偏特定标记基因培养倚免疫学方法利用抗原-抗体特操作简便；结果灵敏度较低；可能异性反应检测微快速；适合现场有交叉反应；成本生物检测高微生物控制技术物理控制方法化学控制方法物理控制方法利用物理因素如热力、辐射、过滤等杀灭或去除微化学控制方法使用化学物质杀灭或抑制微生物生长常用消毒剂生物高温灭菌是最常用的物理控制方法，包括干热灭菌包括醇类乙醇、异丙醇、卤素类氯、碘、氧化剂过氧化氢、臭160-小时和湿热灭菌分钟低温虽不能杀灭微氧、酚类和季铵盐等不同消毒剂作用机制和适用范围各异，如180℃,2121℃,15-20生物，但可抑制其生长繁殖，广泛用于食品保存氯主要用于水处理，醇类适合表面快速消毒紫外线和电离辐射能破坏微生物，用于表面、水和空气消抗生素则选择性杀灭或抑制微生物，主要用于医疗领域化学防DNA毒过滤法则通过微孔滤膜物理去除微生物，适用于热敏性液体腐剂如山梨酸、苯甲酸等在食品工业中广泛应用，延长保质期的无菌处理消毒与灭菌消毒原理灭菌方法消毒是指杀灭或去除物体表面致病灭菌是指杀灭或去除所有形式微生微生物的过程，不一定能杀灭所有物的过程，包括细菌芽胞和病毒微生物，特别是芽胞和某些病毒常用灭菌方法包括高压蒸汽灭菌消毒剂通过破坏微生物细胞壁湿热分钟、干热灭/121℃,15-20膜、变性蛋白质、干扰代谢或损伤菌小时、环氧乙烷160-180℃,2核酸等机制发挥作用消毒效果受气体灭菌、辐射灭菌射线电子γ,微生物种类、消毒剂浓度、接触时束和滤过除菌等不同物品根据间、温度和有机物污染等因素影其特性选择合适的灭菌方法响应用场景医疗领域中，手术器械、植入物等需要严格灭菌；手术部位皮肤、黏膜需要高效消毒；环境表面则进行常规消毒食品工业中，罐头等需要商业无菌处理；乳制品需要巴氏杀菌或超高温灭菌；水果蔬菜则需要表面消毒生物安全实验室中，不同安全级别有相应的消毒灭菌规程微生物安全实验室生物安全一级BSL-1适用于已知不会引起健康人群疾病的微生物操作实验室无需与公共区域隔离，工作可在开放实验台上进行标准微生物实验室操作规程，无特殊设备需求实验人员需接受基础微生物操作培训，实验室需有可关闭的门和洗手设施生物安全二级BSL-2适用于对人体有中等危害性的微生物操作，如乙肝病毒、沙门氏菌等实验室需限制进入，产气操作在生物安全柜中进行实验人员需接受专门培训，穿戴防护装备，实验室需配备洗眼装置和高压蒸汽灭菌器生物安全柜排气可不经过滤直接排入室内生物安全三级BSL-3适用于可能导致严重或致命疾病的本地或外来微生物，如炭疽杆菌、结核分枝杆菌等实验室需与公共区域完全隔离，所有操作在生物安全柜中进行设施需保持负压，排气经HEPA过滤后排出双门互锁系统控制进出，专业培训和严格监督必不可少生物安全四级BSL-4适用于危险性极高、无疫苗或治疗方法的致命微生物，如埃博拉病毒、马尔堡病毒等实验室为独立建筑或完全隔离区域，采用多重密闭和负压梯度研究人员需穿正压防护服或在三级生物安全柜中操作严格的进出程序包括化学淋浴或气锁消毒微生物与食品安全系统温度控制微生物检测HACCP危害分析与关键控制点HACCP温度是控制食品微生物生长的关键食品微生物检测是确保食品安全的系统是预防性食品安全管理体系，因素冷藏0-4℃可延缓微生物重要手段常规检测指标包括总菌通过识别并控制生产过程中的关键生长；冷冻-18℃以下可抑制大数、大肠菌群、致病菌如沙门氏环节来确保微生物安全该系统包多数微生物活动；热处理75℃菌、单核细胞增生李斯特菌和霉括七项原则危害分析、确定关键可杀灭多数致病菌危险温区菌酵母菌等现代检测技术结合传控制点、建立限值、监控程序、纠4-60℃是微生物最活跃区间，统培养法与分子生物学方法，提高偏措施、验证程序和记录保存食品在此温区停留时间应严格控了检测效率和准确性制食品安全标准食品微生物安全标准规定了各类食品中微生物指标的允许限量这些标准基于风险评估制定，综合考虑微生物特性、食品性质和消费习惯不同国家和地区标准有所差异，但都以保障公众健康为目标国际食品法典委员会努力协调各国标准微生物与公共卫生传染病监测疫苗接种传染病监测系统是及时发现和控制微疫苗接种是预防微生物传染病的最有生物疾病暴发的关键现代监测网络效手段之一通过建立群体免疫，不包括临床病例报告、实验室检测结果仅保护接种者，还能间接保护未接种汇总和疫情智能分析数字化技术和的易感人群各国普遍实施儿童免疫大数据分析提高了对新发传染病的早规划，提供基本疫苗全球疫苗接种期识别能力分子流行病学方法如全使天花被根除，脊髓灰质炎接近消基因组测序能追踪病原体传播路径灭，麻疹等多种疾病发病率显著下降卫生设施清洁水源和基本卫生设施是控制微生物传播的基础完善的给排水系统和污水处理设施能有效减少水源性疾病公共卫生基础设施建设与微生物疾病负担呈明显负相关发展中国家通过改善卫生设施，已大幅降低腹泻等疾病的发病率和死亡率微生物与生物安全级4实验室生物安全分级从BSL-1到BSL-4逐级增强的安全防护体系年1975《生物武器公约》生效禁止开发、生产和储存生物武器30+高致病性病原微生物被列入严格管控名单的危险病原体数量100+签署国承诺遵守国际生物安全规范的国家微生物资源保护微生物资源是人类宝贵的自然财富，其多样性正面临前所未有的威胁全球约有150个微生物资源库收集并保存各类菌种，中国微生物菌种保藏管理委员会CGMCC是亚洲最大的综合性菌种库之一保存方法包括低温冻存、冻干和液氮保存等特别需要关注极端环境微生物和传统发酵食品中的独特菌种，它们携带的独特基因和代谢能力是未来生物技术的宝库微生物新技术合成生物学微生物组工程合成生物学是设计和构建不存在于自微生物组工程是操控复杂微生物群落然界的新型生物系统的前沿学科研的新兴技术不同于传统微生物学关究人员能够设计人工基因回路、改造注单一菌株，微生物组工程着眼于整代谢途径，甚至创建人工染色体个微生物生态系统的调控通过添2010年，克雷格·文特尔团队创建了加、去除或改变特定微生物成员，或首个具有合成基因组的细胞合成菌调整环境因素，可优化微生物群落功，开创了生命设计的新时代合成能应用包括设计合成微生物组治疗生物学技术有望应用于生物燃料生疾病、改良土壤微生物提高作物产产、污染物检测和降解、疾病治疗等量、优化工业发酵微生物群落等领域自动化微生物学自动化和人工智能正在革新微生物研究机器人实验室系统能自动完成培养、提取和分析，大幅提高实验效率人工智能算法能预测微生物相互作用、优化发酵条件、识别新抗生素靶点高通量筛选平台每天可测试数万个样品，加速新药发现这些技术正快速转变微生物学从观察描述性学科到预测设计性学科微生物学前沿研究单细胞测序微生物群落互作微生物基因编辑单细胞测序技术突破了传统混合样本测序的局微生物很少独立生存，它们通常以复杂群落形等基因编辑工具源自细菌免疫CRISPR-Cas9限，能够分析单个微生物细胞的基因组这项式存在，成员间通过代谢物交换、信号分子通系统，如今已成为革命性生物技术这些技术技术尤其适用于研究难以培养的微生物，已帮讯和基因水平转移等方式相互作用现代技术使精确修改微生物基因组变得简单高效，为工助科学家发现数千种此前未知的微生物物种和如宏基因组学、宏转录组学和代谢组学相结程微生物开辟了新可能科学家利用基因编辑新的基因功能单细胞技术还揭示了同一物种合，使科学家能够解析这些互作网络研究显创造了能高效合成生物燃料、药物前体和新型内不同细胞间的基因组异质性，深化了对微生示，群落中的配角微生物常在维持生态系统材料的微生物，也开发了针对病原微生物的特物进化和适应机制的理解稳定性方面发挥关键作用异性抗菌策略微生物与未来发展微生物学正在拓展新疆界，太空微生物学研究微生物在太空环境中的行为变化，为长期太空任务和行星际旅行提供支持一些微生物能在极端辐射和微重力条件下生存，可能成为星际生命的先驱地球上，微生物燃料电池技术利用细菌分解有机物产生电能，同时处理废水，开创能源与环保的双赢局面生物修复领域的突破使工程微生物能分解塑料污染物，应对全球环境危机这些前沿领域彰显了微生物研究的无限可能总结微生物的双面性微生物的积极作用微生物的潜在风险微生物作为地球上最古老、最多样、最适应力强的生命形式，为微生物也带来严峻挑战传染病仍是全球主要死亡原因之一，新人类带来了无数益处它们参与全球物质循环，维持生态平衡；发传染病不断涌现；抗生素耐药性成为全球公共卫生危机；食源生产发酵食品，提供独特风味；合成药物和疫苗，挽救无数生性病原体威胁食品安全；作物病害影响农业生产；环境微生物失命；改善农业生产，保障粮食安全；修复环境污染，保护生态系衡导致生态问题统人类需要在充分认识微生物双面性的基础上，理性利用有益微生随着科学技术的发展，人类对微生物的认识和利用达到新高度物，科学应对有害微生物这要求我们深入研究微生物生态学原合成生物学、微生物组工程等新技术为解决能源、环境、健康等理，遵循与微生物和谐共存的理念，建立更可持续的微生物管全球性挑战提供了创新工具理策略。