《微生物学概要》课件

微生物学概要微生物学是一门研究微小生物体的综合性科学，涵盖了细菌、真菌、病毒、原生动物等多种微小生命形式这些肉眼不可见的生物在地球生态系统中发挥着至关重要的作用，从维持生物地球化学循环到影响人类健康与疾病，微生物无处不在本课程将带领学生从微观到宏观全面探索微生物世界，系统学习微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异等基础知识，深入了解微生物与人类生活的密切关系通过理论学习与实践应用相结合的教学方式，培养学生科学思维能力和实际应用技能课程目录概览1微生物学导论介绍微生物学的基本概念、历史发展和研究范围，建立学科认知基础2形态与构造深入学习细菌、真菌、病毒等微生物的细胞结构和形态特征3生理与代谢探讨微生物的营养类型、能量获取方式和代谢多样性特点4应用技术学习微生物在工业、环境、农业等领域的实际应用和技术发展第一章微生物学导论研究范围历史发展分类体系微生物学是研究各种微从列文虎克发明显微镜基于形态学、生理学和小生物的科学，包括细到现代分子微生物学，分子生物学特征建立的菌、真菌、病毒、原生经历了漫长而精彩的发现代微生物分类系统动物等不同类型的微观展历程生物体微生物学的定义与研究范围学科定义主要研究对象微生物学是研究形态微小、结构简单、需要用显微镜才能观察到细菌是最重要的原核微生物，种类繁多且分布广泛真菌包括酵的微小生物的科学这门学科不仅研究微生物的形态结构，还深母菌、霉菌等真核微生物病毒是非细胞型微生物，具有独特的入探讨其生理功能、遗传特性、生态分布和实际应用生物学特性微生物学作为生物学的重要分支，与生物化学、分子生物学、生原生动物、藻类、支原体、衣原体等也都属于微生物学的研究范态学、医学等多个学科密切相关，形成了独特的交叉学科特色畴每类微生物都有其特殊的结构特征和生物学功能微生物学的历史发展显微镜时代开启（1673年）1荷兰商人列文虎克改进显微镜技术，首次观察到细菌等微生物，被誉为微生物学之父，开创了微生物观察的新纪元2自然发生说的否定（19世纪）法国科学家巴斯德通过著名的鹅颈瓶实验，彻底否定了微生物自然发生说，证明了微生物来源于微生物的科学原理病原菌学说建立3德国医生科赫建立了病原菌学说和科赫法则，为医学微生物学奠定了坚实的理论基础，推动了微生物致病机制研究4现代微生物学发展分子生物学技术的应用使微生物学进入了新的发展阶段，基因组学、蛋白质组学等前沿技术推动了学科快速发展微生物的分类系统分子分类技术1基于16S rRNA序列分析的现代分类方法三域系统2真核生物域、细菌域、古细菌域传统分类基础3形态、生理、生化特征现代微生物分类系统结合了传统的形态学、生理学特征和先进的分子生物学技术三域系统的建立基于核糖体RNA序列分析，将所有生物分为真核生物、细菌和古细菌三大类群分子分类学的发展使我们能够更准确地理解微生物之间的进化关系和系统发育地位微生物的普遍存在性60%生物量占比微生物占地球总生物量的比例10^30总数量地球上微生物的估计总数量121°C极限温度已知嗜热微生物生存的最高温度11km深度记录在马里亚纳海沟发现微生物的深度微生物在自然界中无处不在，从炽热的温泉到冰冷的南极，从深海海沟到高山峰顶，都能发现微生物的身影它们在极端环境中展现出惊人的适应能力，有些能在超过100°C的高温下生存，有些能在极度酸性或碱性环境中繁殖这种普遍存在性使微生物成为地球生命系统中最重要的组成部分第二章微生物的形态与构造细菌结构真菌形态原核细胞，具有细胞壁、细胞真核细胞，包括单细胞酵母菌和膜、核区等基本结构，部分具有多细胞丝状真菌，具有典型的真荚膜、鞭毛等特殊结构核细胞器结构病毒构造非细胞结构，由核酸和蛋白质衣壳组成，部分具有包膜结构，形态多样细菌的基本形态细菌根据细胞形态可分为三大基本类型球菌呈球形或椭圆形，常以单个、成对或链状排列；杆菌呈杆状，长度和宽度比例不同；螺旋菌呈螺旋形或弯曲状除了这些基本形态外，还存在一些特殊形态的细菌，如星形、分枝状等，这些形态特征是细菌分类和鉴定的重要依据细菌的细胞结构核区细胞质含有环状DNA分子和质粒，无核膜包围，是含有核糖体、酶类和各种代谢产物，是细胞细菌的遗传物质控制中心代谢活动的主要场所12细胞壁细胞膜43主要由肽聚糖组成，维持细胞形态，抵抗渗选择性透过膜，控制物质进出，参与呼吸和透压，是革兰氏染色的基础能量转换过程革兰氏染色法复染对比脱色分化用番红染液复染，革兰氏阳性媒染固定用酒精脱色剂处理，革兰氏阳菌仍为紫色，阴性菌重新着色初染步骤用碘液处理增强染料与细胞的性菌保持紫色，阴性菌失去颜呈现红色使用结晶紫染液对细菌进行初结合力，形成难以去除的染料-色变为无色次染色，所有细菌均呈紫色，碘复合物建立染色基础细菌的特殊结构荚膜鞭毛芽孢菌毛保护细菌免受吞噬和干燥提供运动能力和趋向性极端环境下的休眠形式附着和基因转移功能细菌的特殊结构是其适应环境和执行特定功能的重要器官荚膜主要由多糖组成，能够保护细菌免受宿主免疫系统攻击鞭毛使细菌具有运动能力，能够向有利环境游动芽孢是某些细菌形成的高度抗逆性休眠体，能够抵抗高温、干燥、化学试剂等恶劣条件放线菌的形态与特征分枝丝状结构与真菌的区别放线菌具有分枝的丝状菌体，称为基内菌丝，在固体培养基表面虽然形态相似，但放线菌和真菌在细胞结构上有本质区别放线形成气生菌丝这种独特的形态结构使其在显微镜下观察时类似菌为原核细胞，无核膜包围的细胞核，细胞壁含有肽聚糖；而真于真菌的菌丝体，但在细胞结构上仍属于原核生物菌为真核细胞，具有明显的细胞核和细胞器放线菌的菌丝直径通常为

0.5-

1.0微米，比真菌菌丝细得多，且不在抗生素生产、土壤有机物分解等方面，放线菌发挥着重要作具有真菌特有的横隔膜结构用，是链霉素、土霉素等多种抗生素的重要生产菌真菌的基本形态大型真菌1形成肉眼可见的子实体结构丝状真菌2菌丝体和孢子繁殖结构酵母菌3单细胞椭圆形或球形结构真菌作为真核微生物，展现出丰富的形态多样性酵母菌是单细胞真菌，通过出芽或分裂方式繁殖，在发酵工业中应用广泛丝状真菌由菌丝组成菌丝体，通过孢子进行有性或无性繁殖大型真菌如蘑菇类能形成复杂的子实体结构，是真菌有性繁殖的重要器官病毒的基本结构核酸基因组蛋白质衣壳1DNA或RNA遗传物质，单链或双链结由衣壳蛋白组成的外壳，保护内部核2构，携带病毒复制所需的遗传信息酸，决定病毒的基本形态和对称性附属蛋白包膜结构4参与病毒吸附、侵入和复制过程的功能部分病毒具有的脂质双分子层膜结构，3性蛋白质分子含有病毒特异性蛋白质原生动物与藻类概述纤毛虫类变形虫类微藻类群具有大量纤毛用于运动和摄食，如草履通过伪足运动和摄食，细胞形态变化多具有叶绿体进行光合作用的单细胞真核生虫，是水体生态系统中重要的消费者样，在土壤和水体中广泛分布物，是水体初级生产者第三章微生物的生理与代谢营养类型多样性能量获取机制微生物具有多种营养类型，包通过光能、化学能等多种途径括自养、异养和混合营养方获取生命活动所需的能量，展式，适应不同环境条件现代谢多样性代谢产物应用微生物代谢产生的抗生素、酶类、有机酸等具有重要的工业和医学价值微生物的营养类型营养类型碳源能源典型代表化能异养有机物有机物氧化大肠杆菌光能自养CO2光能蓝细菌化能自养CO2无机物氧化硝化细菌光能异养有机物光能红螺菌微生物的营养类型反映了其对环境的适应性和代谢多样性化能异养型微生物是最常见的类型，利用有机物作为碳源和能源自养型微生物能够固定CO2合成有机物，在生态系统碳循环中发挥重要作用培养基的设计需要根据微生物的营养需求来配置相应的营养成分微生物的能量获取光能自养利用光能进行光合作用，将CO2固定为有机物，如蓝细菌和绿硫细菌，是生态系统的初级生产者化能自养氧化无机物质获取能量，同时固定CO2合成有机物，如硝化细菌、硫氧化细菌等化学合成自养菌化能异养分解有机物获取能量，包括有氧呼吸、无氧呼吸和发酵等不同代谢途径，是自然界最普遍的能量获取方式厌氧代谢在缺氧条件下进行厌氧呼吸或发酵，利用硝酸盐、硫酸盐等作为电子受体，或进行各种类型的发酵反应微生物的氧气需求微生物的代谢多样性糖类代谢途径特殊代谢功能糖酵解途径是微生物分解葡萄糖的主要方式，产生丙酮酸和某些微生物具有独特的代谢能力，如甲烷菌能够产生甲烷，硫酸ATP三羧酸循环进一步氧化丙酮酸，释放更多能量戊糖磷酸盐还原菌能够还原硫酸盐，固氮菌能够固定大气中的氮气途径提供还原力和五碳糖这些特殊代谢功能在生物地球化学循环中发挥关键作用，维持了不同微生物可能采用不同的糖代谢途径，如ED途径、磷酸酮醇地球生态系统的平衡和稳定酶途径等，体现了代谢的多样性和环境适应性发酵与发酵产物乳酸发酵乳酸菌将糖类转化为乳酸，广泛应用于酸奶、奶酪、泡菜等发酵食品的生产，具有保鲜和改善风味的作用酒精发酵酵母菌在缺氧条件下将糖类转化为乙醇和二氧化碳，是酿酒、制面包等传统发酵工艺的基础工业发酵利用微生物发酵生产抗生素、有机酸、氨基酸、维生素等高附加值产品，是现代生物技术产业的重要组成部分微生物次生代谢产物抗生素生产链霉菌、青霉菌等微生物产生的抗生素具有杀灭或抑制病原菌的作用，如青霉素、链霉素、红霉素等，拯救了无数生命酶制剂应用微生物产生的各种酶类在工业生产中应用广泛，包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等，具有高效、专

一、环保的特点营养保健品利用微生物发酵生产维生素B

12、核黄素、氨基酸等营养物质，满足人类健康和动物饲料的需求生物活性物质微生物代谢产生的免疫调节剂、抗肿瘤物质、植物生长调节剂等具有重要的医学和农业应用价值第四章微生物的生长与环境生长模式微生物生长遵循特定的规律和模式环境因素温度、pH、水分等影响生长群体效应微生物间的相互作用和调节生物膜微生物群落的复杂结构形式微生物的生长受到多种因素的影响，包括营养条件、物理化学环境和生物因素了解这些影响因素对于微生物的培养、控制和应用具有重要意义现代微生物学研究越来越重视微生物群体行为和生态相互作用的复杂性微生物生长曲线影响微生物生长的环境因素温度适应性pH值与水分条件微生物根据最适生长温度可分为嗜冷菌（0-20°C）、中温菌大多数微生物适宜在中性或弱碱性环境中生长，但也有嗜酸菌和（20-45°C）和嗜热菌（45-80°C）极端嗜热菌甚至能在100°C嗜碱菌适应极端pH环境水分活度影响微生物的渗透压平衡以上生存温度影响酶活性和细胞膜流动性，过高或过低的温度都会抑制微一些微生物能够耐受高盐环境，称为嗜盐菌，它们在盐湖、腌制生物生长甚至导致死亡食品等环境中发挥重要作用微生物的群体效应信号分子产生信号识别1微生物分泌特异性信号分子，如自诱导当信号分子浓度达到阈值时，被相应受2因子，浓度随细胞密度增加体蛋白识别并结合群体行为协调基因表达调控4实现发光、毒性因子产生、生物膜形成信号-受体复合物激活转录调节子，调控3等协调一致的群体行为特定基因的表达微生物生物膜初期附着单个细菌通过静电作用、疏水作用等物理化学力附着到固体表面，形成可逆的初期附着不可逆附着细菌产生胞外聚合物质，形成强力的不可逆附着，开始细胞分裂和群体扩张生物膜成熟形成复杂的三维结构，具有水通道和营养梯度，不同区域微生物代谢活动差异明显扩散传播部分细菌从成熟生物膜中释放，寻找新的定植位点，继续生物膜形成循环微生物的生存策略抗逆性机制发展多种抗逆性策略应对环境压力休眠与复苏在不利条件下进入休眠状态保存生命力基因调控3通过基因表达调控适应环境变化微生物在长期进化过程中形成了多样化的生存策略面对极端环境，它们能够合成特殊的保护性蛋白质、改变细胞膜成分、调节代谢活动等这些适应性机制不仅帮助微生物在恶劣环境中生存，也为人类开发新的生物技术和应用提供了重要启示休眠机制允许微生物在营养匮乏或环境恶劣时暂停生命活动，等待条件改善后重新活跃第五章微生物的遗传与变异遗传物质特点变异机制应用价值微生物具有相对简单的基因组结构，通过突变、重组等方式产生遗传变微生物遗传学研究为基因工程、合成包括环状染色体和质粒DNA，便于遗异，为微生物适应环境和人工选育提生物学和生物技术发展奠定了重要理传操作和改造供了基础论基础微生物基因组特点

4.6M大肠杆菌基因组碱基对数量4300编码基因数蛋白质编码基因87%编码序列比例基因组编码序列所占比例580kb最小基因组支原体基因组大小微生物基因组相对紧凑，编码序列比例高，非编码区域较少原核微生物通常具有环状主染色体和可选择性的质粒DNA质粒常常携带抗生素抗性、毒力因子等特殊功能基因病毒基因组可能是DNA或RNA，单链或双链，基因组大小变化范围很大这种基因组结构的简单性为分子生物学研究和基因工程应用提供了便利基因突变类型基因组重排1大片段DNA的重新排列和转位移码突变2碱基插入或缺失改变阅读框架点突变3单个碱基对的替换或改变基因突变是微生物遗传变异的重要来源，可分为自发突变和诱发突变点突变包括同义突变、错义突变和无义突变，对蛋白质功能的影响程度不同移码突变往往导致蛋白质功能的完全丧失基因组重排可能涉及大片段DNA的缺失、重复或倒位，对微生物表型产生显著影响诱变育种技术物理诱变因子化学诱变剂应用紫外线照射是最常用的物理诱变方法，主要引起DNA中胸腺嘧啶烷化剂如甲磺酸乙酯（EMS）能够与DNA碱基结合，引起碱基配二聚体的形成X射线和γ射线等电离辐射能够引起DNA分子的对错误亚硝酸等脱氨剂可以改变碱基的配对特性断裂和重排化学诱变剂具有突变类型多样、突变率高的特点，但需要注意安物理诱变具有操作简便、成本低廉的优点，但突变类型相对单全防护，处理后需要彻底清除残留诱变剂突变体的筛选通常采一，需要严格控制处理强度以获得适宜的突变率用平板筛选、梯度筛选等方法微生物基因重组机制转化受体细胞直接摄取环境中的裸DNA分子，这些DNA可能来自死亡细胞的释放或人工添加的外源DNA接合供体菌通过性菌毛与受体菌建立物理接触，将质粒DNA或染色体片段转移给受体菌转导噬菌体在感染过程中携带宿主DNA片段，感染新宿主时将这些基因转移给受体菌基因水平转移不同物种间直接的基因交换，是微生物快速获得新功能和适应环境变化的重要机制微生物基因工程基因克隆基因编辑蛋白质生产利用限制性内切酶切割CRISPR-Cas9等新技术将外源基因在微生物中DNA，连接酶重新连实现精确的基因敲除、表达，生产人类胰岛接，将目的基因插入载插入和修饰，提高了基素、生长激素等重要蛋体中进行扩增和表达因改造的效率和准确性白质药物合成生物学设计和构建具有新功能的生物系统，创造能够生产生物燃料、药物等产品的工程菌株微生物育种实例抗生素高产菌株通过多轮诱变和筛选，青霉素产量从最初的2单位/毫升提高到现在的50000单位/毫升以上，大大降低了生产成本工业酶优化改造淀粉酶、蛋白酶等工业酶的热稳定性、pH适应性和催化效率，满足不同工业应用的需求环境修复菌培育能够降解石油、重金属、农药等污染物的微生物，开发环境友好的生物修复技术第六章微生物与疾病病原微生物致病机制各类致病性细菌、真菌、病毒和寄生虫毒素产生、侵袭因子和免疫逃避策略12治疗策略43人体防御抗生素、抗真菌药物和疫苗预防先天免疫和获得性免疫系统的保护作用主要病原微生物病原微生物种类繁多，每类都有其特殊的致病特点金黄色葡萄球菌是重要的机会致病菌，常引起皮肤感染和食物中毒结核分枝杆菌具有特殊的细胞壁结构，能够在宿主细胞内长期潜伏白色念珠菌在免疫力下降时易引起系统性感染流感病毒变异快速，需要定期更新疫苗疟原虫生活史复杂，在蚊子和人体间循环传播微生物致病机制毒素作用外毒素是细菌分泌的蛋白质毒素，具有高度特异性和强烈毒性内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分，引起发热和炎症反应侵袭因子菌毛、荚膜等结构帮助病原菌附着和侵入宿主细胞胶原酶、透明质酸酶等扩散因子促进病原菌在组织中传播免疫逃避抗原变异、分子模拟、抑制免疫应答等策略帮助病原菌逃避宿主免疫系统的识别和清除生物膜感染病原菌形成生物膜保护自身免受抗生素和免疫细胞攻击，导致慢性感染和治疗困难人体微生物组与健康抗生素作用机制细胞壁抑制β-内酰胺类抗生素如青霉素阻断肽聚糖合成，导致细菌细胞壁缺陷和细胞裂解2蛋白质合成氨基糖苷类和四环素类抗生素结合核糖体亚基，干扰蛋白质翻译过程3核酸干扰喹诺酮类抗生素抑制DNA回旋酶，阻断DNA复制和转录过程膜功能破坏多粘菌素等抗生素破坏细胞膜完整性，导致细胞内容物泄漏抗生素耐药性问题耐药机制酶失活、靶点改变、外排泵等传播扩散基因水平转移和选择压力检测技术药敏试验和分子诊断方法抗生素耐药性是当前医学面临的重大挑战耐药基因通过质粒、转座子等可移动遗传元件在细菌间传播，导致多重耐药菌株的出现合理使用抗生素、开发新型抗菌药物、加强感染控制措施是应对耐药性的重要策略分子检测技术能够快速识别耐药基因，指导临床用药选择。