《微生物世界探秘：细菌真菌病毒篇》课件

微生物世界探秘细菌真菌病毒篇欢迎来到微生物的奇妙世界，这是一个肉眼无法直接观察但却无处不在的微观宇宙微生物是地球上最为古老也最为丰富的生命形式，它们在生物多样性中扮演着隐藏的主角角色课程概述微生物学基础知识了解微生物的定义、历史发展和基本研究方法，为后续学习奠定基础细菌的分类与特性探索细菌王国的多样性，学习它们的结构、代谢和生长特性真菌的多样性与作用了解真菌的分类、生活史及其在自然界和人类社会中的重要作用病毒的结构与复制深入分析病毒的特殊生物学特性以及它们如何影响宿主生物微生物与人类的关系什么是微生物？定义古老起源生物量与多样性微生物是肉眼不可见，需要借助显微微生物是地球上最早出现的生命形镜才能观察到的微小生物体它们通式，化石记录表明它们约在35亿年前常是单细胞生物，但也有多细胞形式就已经存在，远早于复杂多细胞生物存在这个概念最早由列文虎克使用的出现它们经历了地球环境的各种显微镜观察到的小动物发展而来变迁，展现出惊人的适应能力微生物的发现历史1665年英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）使用自制显微镜首次观察并描述了细胞结构，他在观察软木切片时发现了类似修道院小房间的结构，并将其命名为细胞（cell）1676年荷兰商人安东尼·范·列文虎克（Antonie vanLeeuwenhoek）使用自制的简单显微镜首次观察到了单细胞微生物，包括细菌和原生生物，他称之为小动物（animalcules）1850年代法国科学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）通过著名的鹅颈瓶实验，有力地反驳了自然发生说，证明了微生物不会从无生命物质中自然产生，奠定了现代微生物学基础1928年英国微生物学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）意外发现了青霉素，开启了抗生素时代，为人类与致病微生物的斗争提供了强大武器1953年微生物的分类非细胞微生物病毒、类病毒和朊病毒真核微生物真菌、原生生物原核生物细菌和古菌微生物根据细胞结构和遗传特性可分为三大类群最基本的是原核生物，包括细菌和古菌，它们没有真正的细胞核和大多数细胞器真核微生物具有膜包围的细胞核和复杂的细胞器，主要包括真菌和原生生物非细胞微生物如病毒和类病毒是处于生命边缘的遗传物质包装体，它们不具备独立的代谢系统，必须寄生于活细胞内才能复制随着分子生物学技术的发展，现在广泛使用16S rRNA基因序列分析进行微生物的精确分类和系统发育研究微生物研究方法显微镜技术培养技术分子生物学与生物信息学显微镜是微生物学研究的基础工具，从培养是研究微生物的传统方法，通过设PCR、基因测序等分子生物学技术的应最早的光学显微镜到现代的电子显微镜计特定的培养基和环境条件，可以选择用彻底革新了微生物学研究宏基因组和共焦显微镜，显微技术的进步极大地性地培养特定的微生物厌氧培养技术学不依赖培养直接从环境样本中提取和拓展了我们对微观世界的认识电子显的发展使人们能够研究不需氧气生长的分析DNA，能够全面了解微生物群落结微镜可达到纳米级分辨率，能够清晰观微生物然而，自然界中约99%的微生构和功能生物信息学则通过计算方法察病毒和细胞超微结构物无法在实验室条件下培养，这被称为分析海量基因组数据，揭示微生物的进不可培养性难题化关系和代谢网络细菌王国导论万亿万亿110,000+总数量已知物种科学家估计地球上细菌的总数量约为目前已命名的细菌物种仅约10,000种，仅是5×10^30个，如果将地球上所有细菌排成一实际存在物种的一小部分排，长度将超过1亿光年99%环境分布地球上几乎所有环境中都能发现细菌，从深海热泉到南极冰层，从人体肠道到放射性废料细菌是地球上最为古老、数量最多、分布最广的生物类群之一作为单细胞原核生物，它们没有真正的细胞核和大多数细胞器，但拥有令人惊叹的代谢多样性和环境适应能力细菌在生态系统物质循环、食物生产、人类健康等方面扮演着不可替代的角色细菌的基本结构细胞壁细胞膜由肽聚糖（peptidoglycan）组成，为细菌磷脂双层构成的选择性屏障，控制物质进出提供结构支持和保护细胞壁是许多抗生素细胞细菌的细胞膜通常含有独特的脂质成的作用靶点，如青霉素通过干扰细胞壁合成分，如含有支链脂肪酸，这使它们能够适应杀死细菌革兰氏阳性菌有较厚的细胞壁，各种环境条件细胞膜也是许多重要酶的载革兰氏阴性菌则有外膜结构体细胞质外部结构充满蛋白质、酶和其他分子的水溶液，包含包括鞭毛（用于运动）、菌毛（用于附着和核区（nucleoid）和核糖体核区含有细菌DNA转移）和荚膜（提供额外保护和帮助逃的环状染色体，通常只有一条DNA分子核避免疫系统）这些结构使细菌能够在各种糖体是蛋白质合成工厂，是许多抗生素的作环境中生存并与宿主相互作用用靶点细菌形态多样性细菌展现出丰富的形态多样性，这些形态与它们的功能和生态适应性密切相关球菌如葡萄球菌呈球形排列，常形成葡萄状集团；链球菌则排列成链状杆菌如大肠杆菌和枯草杆菌呈棒状或杆状螺旋菌具有弯曲或螺旋形状，包括梅毒螺旋体和幽门螺杆菌等重要病原体除了这些基本形态外，还有多形性细菌可以在生活周期中呈现不同形态细菌的大小通常在

0.5-5微米之间，但也有例外，如可达750微米的硫磺细菌形态特征是细菌鉴定的重要依据，也反映了细菌适应特定生态位的演化结果革兰氏染色法染色原理革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌革兰氏染色法是基于细菌细胞壁结构差革兰氏阳性菌具有厚的肽聚糖细胞壁，革兰氏阴性菌细胞壁较薄，但拥有额外异的染色技术在染色过程中，首先用染色后呈紫色典型代表包括葡萄球的外膜结构，染色后呈粉红色代表菌结晶紫染色所有细菌，然后用碘液固定菌、链球菌、乳酸菌和枯草杆菌等这种包括大肠杆菌、沙门氏菌和铜绿假单染料随后用酒精脱色，革兰氏阳性菌类细菌通常对青霉素类抗生素更加敏胞菌等外膜使这类细菌对某些抗生素因其厚的肽聚糖层能保留蓝紫色染料，感，因为这些药物直接作用于肽聚糖合具有天然抵抗力，并含有内毒素（脂多而革兰氏阴性菌则失去颜色最后用番成许多革兰氏阳性菌能形成孢子，帮糖），可引起宿主强烈的免疫反应红复染，使革兰氏阴性菌呈现粉红色助它们在不利环境中存活细菌繁殖与生长滞后期对数期细菌适应新环境、合成酶和调整代谢的阶段，细菌以指数方式快速增殖，每20-60分钟数细胞数量变化不明显量翻倍，为最活跃阶段衰退期平台期因营养耗尽或代谢产物积累，细菌死亡速率细菌数量达到稳定状态，新细胞产生与死亡超过繁殖速率，数量逐渐减少细胞数量基本平衡细菌通过二分裂方式无性繁殖，在适宜条件下，单个细菌细胞可在20分钟内完成一次分裂这种高效的繁殖方式使细菌能够在短时间内大量增殖，例如单个大肠杆菌理论上在24小时内能产生超过10亿后代温度、pH值、养分供应和氧气浓度是影响细菌生长的关键因素某些细菌能在极端环境中生存，如嗜热菌可在接近沸点的温度下生长，嗜压菌能在深海高压环境中繁衍了解细菌生长规律对食品保存、医学治疗和工业发酵至关重要细菌代谢多样性能量获取方式细菌展现出惊人的能量获取多样性光合细菌如蓝细菌利用光能合成有机物；化能自养菌如硝化细菌氧化无机物获取能量；化能异养菌如大多数病原菌分解有机物获取能量这种代谢多样性使细菌能够占据几乎所有生态位碳源利用自养细菌能固定二氧化碳合成有机物，是生态系统的初级生产者；而异养细菌需要从环境中获取有机碳源某些细菌能够降解难分解有机物如木质素、石油和塑料，在生物修复中发挥重要作用氧气需求需氧菌需要氧气进行呼吸；微需氧菌在低氧环境中生长最佳；兼性厌氧菌能在有氧和无氧条件下生存；专性厌氧菌在氧气存在时无法生长甚至死亡这种多样性使细菌能适应各种氧气浓度的环境代谢产物细菌代谢产生多种有用物质，如乳酸菌产生乳酸用于食品保存；固氮菌产生氨供植物利用；甲烷菌产生甲烷可作为生物燃料；链霉菌产生抗生素抑制其他微生物生长这些代谢产物在生态系统、工业和医学中有广泛应用细菌与人体健康肠道菌群约1000种细菌，总重达

1.5公斤，协助消化和免疫功能皮肤菌群构成保护屏障，防止致病菌定植，维持皮肤酸性环境口腔和呼吸道菌群调节黏膜免疫，维持生态平衡，防止病原体入侵人体是一个巨大的微生物生态系统，体内携带的细菌细胞数量高达10-100万亿个，与人体细胞数量相当甚至更多这些共生细菌与人体形成了复杂的互利关系，它们帮助分解食物中的复杂多糖，合成人体无法自行产生的维生素如维生素K和部分B族维生素肠道菌群还能够训练和调节人体免疫系统，促进肠道免疫细胞的发育和成熟研究表明，肠道菌群失调与多种健康问题相关，如炎症性肠病、肥胖、糖尿病甚至精神疾病维持健康的细菌菌群平衡对人体整体健康至关重要致病细菌感染机制常见病原体抗生素耐药性致病细菌通过多种机制导致疾病侵入肺炎球菌是导致肺炎、中耳炎和脑膜炎抗生素滥用导致的耐药性已成为全球性性细菌如志贺菌能够穿透并破坏宿主组的主要病原体；金黄色葡萄球菌能引起健康危机耐甲氧西林金黄色葡萄球菌织；毒素产生菌如破伤风杆菌释放强效从轻微皮肤感染到危及生命的败血症等（MRSA）和产超广谱β-内酰胺酶的肠毒素干扰宿主生理功能；某些细菌如结多种疾病；沙门氏菌和大肠杆菌常导致杆菌科细菌（ESBL）等超级细菌对多种核杆菌能在宿主细胞内长期存活，逃避食物中毒；结核杆菌仍是全球主要传染抗生素产生耐药性耐药性基因可通过免疫清除细菌也可以形成生物膜增强病病原体，每年导致约150万人死亡质粒在不同细菌间水平传播，加速耐药其致病性和抗药性性扩散细菌与环境氮循环的关键角色细菌在全球氮循环中扮演着不可替代的角色固氮细菌能将大气中的氮气转化为氨，供植物利用；硝化细菌将氨氧化成硝酸盐；反硝化细菌则将硝酸盐还原为氮气，完成循环没有这些细菌，地球上大多数生物将因缺乏生物可利用的氮而无法生存生物降解与环境修复某些细菌具有强大的物质降解能力，能分解石油、农药和塑料等人造污染物石油降解菌在海洋石油泄漏后能将碳氢化合物转化为二氧化碳和水；其他专业细菌能将有毒重金属转化为不溶性或低毒性形式这些能力使细菌成为环境修复的重要工具极端环境中的生存者嗜极细菌在地球最恶劣的环境中繁衍生息，从深海热泉到南极冰层，从强酸火山湖到碱性苏打湖这些细菌开发出独特的分子机制应对极端条件，如抗冻蛋白、耐热酶和特殊细胞膜成分研究这些极端微生物有助于了解生命的极限和可能的外星生命形式有益细菌应用食品发酵工业生产农业应用乳酸菌在酸奶、奶酪和泡菜制作工业微生物发酵可生产多种化学根瘤菌与豆科植物共生固定氮中发挥关键作用，不仅改善食品品和药物谷氨酸棒杆菌用于生气，减少化肥需求；苏云金芽孢风味和质地，还延长保质期醋产味精；枯草杆菌生产多种工业杆菌作为生物农药控制害虫；丛酸菌用于醋的生产，丙酸菌是瑞酶如洗衣酶；链霉菌产生抗生枝菌根真菌增强植物养分吸收；士奶酪中特殊风味的来源发酵素；基因工程大肠杆菌可制造人促生长根际细菌提高作物产量和食品通常具有更高的营养价值和胰岛素和生长激素等生物药物抗逆性微生物肥料是可持续农生物利用度业的重要组成部分环境治理石油降解菌用于清理油污；脱氮细菌去除废水中的氮污染物；重金属还原菌将有毒重金属转化为无毒形式；甲烷氧化菌减少温室气体排放微生物修复是一种经济、环保的污染治理方法细菌基因工程CRISPR-Cas9系统的细菌起源重组DNA技术合成生物学CRISPR-Cas9基因编辑技术源自细菌和大肠杆菌是生物技术中最常用的微生物工合成生物学领域正在设计全新的细菌基因古菌的天然免疫系统，原本用于防御病毒厂通过将人类基因插入细菌质粒，可以组和代谢途径科学家已成功合成并移植感染细菌能记住入侵病毒的DNA片段，使细菌生产人类蛋白质如胰岛素和生长激完整细菌基因组，创造出合成细胞代将其存储在CRISPR序列中，当相同病毒素基因工程细菌还能产生各种酶、抗体谢工程细菌能生产生物燃料、生物降解塑再次入侵时，Cas蛋白可精确切割病毒片段和其他生物活性分子，大大降低了生料和药物前体这些技术有望解决能源、DNA这一源自细菌的防御机制被科学家物药物的生产成本，使糖尿病等疾病的治材料和医疗领域的重大挑战改造成为强大的基因编辑工具疗更加普及真菌王国概述万120,000+250已知物种估计物种科学家已经命名和描述的真菌种类专家认为实际存在的真菌物种总数亿年10演化历史真菌在地球上的存在时间，早于陆地植物真菌是一类独特的生物王国，在分类学上既不属于植物也不属于动物它们是多细胞真核生物，具有几丁质细胞壁（与节肢动物外骨骼成分相同）而非植物的纤维素细胞壁真菌通过分泌消化酶将复杂有机物分解成简单分子，然后吸收这些营养物质，这种营养方式与动植物都不同真菌在生态系统中扮演着分解者角色，分解动植物遗体，促进物质循环它们也形成了与植物的广泛共生关系，如菌根共生，帮助植物吸收水分和矿物质虽然已知约12万种真菌，但科学家估计实际存在的真菌种类可能高达数百万种，大部分尚未被发现和研究真菌的基本结构菌丝体细胞壁与营养孢子多数真菌的营养体是由菌丝组成的菌丝真菌细胞壁主要由几丁质和葡聚糖组孢子是真菌的繁殖体，可通过有性或无体菌丝是细长的管状结构，直径通常成，这与植物的纤维素细胞壁不同真性方式产生孢子通常极小（3-30微为2-10微米，可长达数厘米甚至更长菌通过分泌消化酶将周围环境中的复杂米），轻盈，能被风、水或动物传播到菌丝通过顶端生长，不断分支形成网络有机物分解成简单分子，然后通过细胞远处单个真菌子实体可产生数十亿孢状结构，最大化接触表面积以吸收营膜吸收这些营养物质这种营养方式称子，这些孢子能在适宜条件下萌发形成养低等真菌的菌丝通常不分隔，形成为吸收营养，与动物的摄食和植物的光新的菌丝体孢子的形态、产生方式和连续的多核体；高等真菌的菌丝则由隔合作用截然不同排列方式是真菌分类的重要依据膜分成多个细胞真菌的分类子囊菌门接合菌门最大的真菌门类，包括酵母、青霉、虫包括面包霉、黑根霉等常见霉菌，特点草等特征是形成称为子囊的特殊结是形成不分隔的菌丝和接合孢子囊这构，内含有性孢子这一门包含许多重些真菌广泛分布于土壤和腐烂有机物要的食品和医药真菌，如用于面包和酒中，某些种类可引起食物腐败，少数可类发酵的酵母菌，产生抗生素的青霉导致人类感染，如毛霉病菌不完全菌门担子菌门传统分类中包含那些未观察到有性生殖包括蘑菇、木耳、银耳等大型真菌，特阶段的真菌现代分子生物学研究表点是形成担子产生有性孢子这一门包明，这些真菌大多属于子囊菌门或担子含大多数可食用和有毒蘑菇，以及重要菌门许多重要的病原真菌如足癣、股的木材腐朽菌和植物病原菌，如锈菌和癣的病原体曾被归入此类黑粉菌真菌的生活史孢子传播真菌孢子通过风、水、昆虫等载体传播到新环境孢子萌发在适宜条件下孢子萌发，形成菌丝菌丝体生长菌丝不断分支扩展，形成网络状菌丝体菌丝融合不同菌株的菌丝相遇并融合，形成异核体子实体形成在适宜条件下形成可见的子实体（如蘑菇），产生新的孢子真菌的生活史包括有性和无性两种繁殖方式无性繁殖通过分生孢子或分裂实现快速繁殖，在环境条件稳定时最为常见有性繁殖则涉及遗传物质的交换和重组，增加遗传多样性，有助于适应环境变化许多真菌具有复杂的交配系统，由多个交配型控制，确保遗传多样性食用菌与人类真菌与医药年青霉素发现1928亚历山大·弗莱明发现青霉菌产生的物质能杀死细菌，开启抗生素时代年代抗生素工业化1940科学家成功大规模提取青霉素，挽救了无数伤员生命3年代抗生素黄金时期1950-1970链霉素、四环素、红霉素等多种抗生素被发现并应用，大多源自真菌和放线菌年代他汀类药物开发1970从青霉属真菌中分离出洛伐他汀，开发出降胆固醇药物年代至今免疫抑制剂1980从冬虫夏草等真菌中分离环孢素A等免疫抑制剂，使器官移植成为可能致病真菌表浅感染深部感染真菌毒素皮癣、足癣和甲癣等皮肤真菌病是最常念珠菌、曲霉菌和隐球菌等机会性病原某些真菌产生的毒素可通过污染食物危见的真菌感染，全球约有10亿人受到影真菌可导致严重的系统性感染，特别是害人类健康黄曲霉毒素是最强的天然响这类感染由皮霉菌属、小孢子菌属在免疫功能低下的患者中白色念珠菌致癌物之一，主要污染玉米、花生和坚和表皮癣菌属等真菌引起，它们能降解是最常见的院内感染真菌，可引起口腔、果；赭曲霉毒素可损害肾脏；呕吐毒素角蛋白，感染皮肤、头发和指甲虽然生殖道和血液感染；侵袭性肺曲霉病在和玉米赤霉烯酮影响粮食安全；草酸拟不危及生命，但可导致瘙痒、疼痛和社免疫抑制患者中致死率高达50%；隐球青霉毒素可诱发特异性呼吸道炎症真会心理影响菌脑膜炎是艾滋病患者的主要死亡原因菌毒素污染每年导致全球约25%的农作之一物损失真菌与环境真菌在生态系统中扮演着不可替代的分解者角色，分解动植物残体，释放被锁定的营养元素重新进入生态循环木材腐朽菌拥有独特的酶系统，能分解难降解的木质素和纤维素没有这些真菌，森林中倒木和落叶将累积数千年而不分解，养分循环将停滞菌根共生是陆地植物与真菌形成的互惠关系，约90%的陆地植物依赖这种关系菌根真菌通过延伸的菌丝网络大大增加植物的养分吸收表面积，帮助植物获取磷、氮和微量元素，并提高抗旱能力；作为回报，植物向真菌提供光合作用产物研究表明，菌根网络还可以连接不同植物个体，形成森林互联网，促进植物间信息和资源交流真菌的工业应用食品工业有机酸生产酶制剂酵母菌在面包、啤酒和葡萄酒生产黑曲霉是工业化生产柠檬酸的主要真菌产生的各种酶在工业中有广泛中发挥核心作用，通过发酵产生二微生物，全球年产量超过200万吨，应用淀粉酶用于淀粉糖化和酒精氧化碳和乙醇青霉菌、根霉属和广泛用于食品、饮料和洗涤剂行业生产；蛋白酶用于洗涤剂、皮革加毛霉属真菌用于制作蓝纹奶酪、卡其他由真菌生产的有机酸包括用作工和奶酪制造；脂肪酶用于油脂加门贝尔奶酪和豆腐乳等发酵食品食品防腐剂的山梨酸、用于塑料和工和生物柴油生产；纤维素酶用于霉菌发酵增强食品风味，延长保质树脂合成的富马酸，以及用作食品纸浆处理和生物质转化真菌酶的期，还可以降低某些有毒成分增酸剂的苹果酸市场规模每年超过50亿美元生物燃料木腐真菌具有分解纤维素和木质素的能力，是生物燃料生产的关键转基因酵母菌能直接发酵纤维素水解产物生产乙醇多种真菌能在固态发酵条件下生产纤维素酶和半纤维素酶，降低生物燃料生产成本真菌转化植物生物质的能力对发展可再生能源至关重要病毒世界导论遗传物质1DNA或RNA，单链或双链，线性或环状蛋白质外壳2保护核酸，决定宿主特异性宿主依赖性必须寄生在活细胞中才能复制病毒是处于生命边缘的特殊生物，它们不具备完整的细胞结构和独立代谢系统，只含有遗传物质（DNA或RNA）和蛋白质外壳病毒必须寄生在活细胞内，利用宿主细胞的生物合成机制进行复制，因此被称为专性细胞内寄生物病毒是地球上数量最多的生物实体，仅海洋中就存在约10^30个病毒粒子，如果将所有海洋病毒连接起来，长度可绕银河系数百万次病毒的大小通常在20-400纳米之间，大多数只能通过电子显微镜观察尽管体积微小，但病毒对生态系统动态和生物进化有着深远影响，甚至人类基因组中约8%的DNA来源于古老的病毒感染病毒的基本结构病毒粒子完整的病毒颗粒称为病毒粒子（virion），是病毒的传染形式病毒粒子既不是细胞，也不具备细胞核或细胞器，不能进行独立的代谢活动它们由核酸（遗传物质）和包围核酸的蛋白质衣壳组成，有些还具有额外的结构如包膜和尾丝遗传物质病毒的遗传物质可以是DNA或RNA，单链或双链，线性或环状这种多样性是病毒独特的特征，与所有细胞生物只使用双链DNA作为遗传物质形成鲜明对比病毒基因组大小差异显著，从RNA病毒的几千碱基到巨型DNA病毒的上百万碱基不等衣壳衣壳是由多个蛋白质亚基（衣壳蛋白）组装而成的保护性外壳，保护病毒核酸免受环境损伤和宿主防御系统攻击衣壳蛋白通常以高度对称的方式排列，形成螺旋状或二十面体结构衣壳蛋白也负责识别宿主细胞表面受体，是决定病毒宿主范围的关键因素包膜许多病毒在衣壳外还有一层源自宿主细胞膜的脂质双层，称为包膜包膜上嵌有病毒编码的糖蛋白，这些蛋白质在病毒吸附和进入宿主细胞过程中起关键作用包膜病毒对环境条件更为敏感，容易被消毒剂和干燥环境破坏，但包膜糖蛋白的多样性也使病毒能更好地逃避宿主免疫系统病毒的分类巴尔的摩分类DNA病毒RNA病毒巴尔的摩分类系统根据病毒的核酸类型DNA病毒包括疱疹病毒、腺病毒、痘病RNA病毒包括流感病毒、冠状病毒、轮和复制策略将病毒分为七类包括双链毒和乳多空病毒等这类病毒通常在宿状病毒和基孔肯雅病毒等这类病毒通DNA病毒（Ⅰ型）、单链DNA病毒（Ⅱ主细胞核内复制，利用宿主DNA聚合酶常在宿主细胞质内复制，必须编码自身型）、双链RNA病毒（Ⅲ型）、正链单或编码自身DNA聚合酶复制病毒基因RNA聚合酶，因为宿主细胞不能有效复链RNA病毒（Ⅳ型）、负链单链RNA病组许多DNA病毒能够建立持久性感制RNA模板RNA病毒因高突变率而迅毒（Ⅴ型）、反转录RNA病毒（Ⅵ型）染，如疱疹病毒可在神经节中潜伏多速进化，是新发传染病的主要来源许和反转录DNA病毒（Ⅶ型）这种分类年某些DNA病毒与人类癌症相关，如多重要人类病原体如HIV、SARS-CoV-方法反映了病毒的进化关系和基本生物人乳头瘤病毒（HPV）与宫颈癌关联

2、埃博拉病毒和登革热病毒都属于学特性RNA病毒病毒生活周期吸附穿透病毒表面蛋白与宿主细胞特定受体结合，病毒将遗传物质注入宿主细胞或通过胞吞确定宿主范围作用被细胞吞入释放脱壳通过细胞裂解或出芽方式释放新病毒粒病毒衣壳被去除，释放核酸进入细胞质3子或细胞核生物合成装配利用宿主细胞机制合成病毒蛋白和复制病新合成的病毒组分组装成完整病毒粒子毒基因组噬菌体特殊结构具有独特的头尾结构，像微型注射器复杂生活周期可选择裂解型或溶原型生活方式基因转移媒介通过转导作用传递细菌DNA片段噬菌体是感染细菌的病毒，是地球上数量最多的生物实体，估计总数约为10^31个，超过所有细菌数量的10倍它们存在于所有有细菌存在的环境中，特别是海洋中典型的噬菌体如T4具有独特的头尾结构，头部包含DNA，尾部是专门用于注射DNA入细菌的装置噬菌体具有两种主要的生活周期裂解型和溶原型裂解型噬菌体感染细菌后立即开始复制，最终导致宿主细胞裂解，释放新的噬菌体溶原型噬菌体的DNA则整合入宿主染色体成为前噬菌体，随宿主DNA一起复制，直到特定条件激活进入裂解周期噬菌体通过转导作用将DNA片段从一个细菌转移到另一个细菌，促进细菌进化和抗生素耐药性传播病毒与人类疾病急性感染急性病毒感染通常快速发作并在短期内解决流感病毒和普通感冒病毒引起的疾病是典型代表，症状迅速出现，持续数天至数周这类感染通常伴随明显症状如发热、咳嗽和肌肉疼痛，但宿主免疫系统能有效清除病毒其他重要的急性病毒感染包括诺如病毒（引起胃肠炎）和轮状病毒（儿童腹泻主要病原）慢性感染慢性病毒感染能在宿主体内持续数月、数年甚至终生艾滋病病毒（HIV）感染是典型的慢性病毒病，病毒通过不断复制和变异逃避免疫清除乙型肝炎病毒（HBV）感染约

3.5亿人，其中许多是慢性携带者，长期感染可导致肝硬化和肝癌丙型肝炎病毒（HCV）也可建立慢性感染，但现在有高效抗病毒药物可以治愈潜伏感染某些病毒能建立潜伏感染，病毒基因组在细胞内存在但不活跃复制疱疹病毒家族的成员如单纯疱疹病毒（HSV）和水痘-带状疱疹病毒（VZV）能在神经节中建立终生潜伏，在压力或免疫功能下降时重新激活，导致疱疹或带状疱疹巨细胞病毒（CMV）和EB病毒也建立潜伏感染，在免疫抑制时可能导致严重疾病致癌病毒至少7种人类病毒被证实与癌症相关人乳头瘤病毒（HPV）某些高危型可导致宫颈癌和其他生殖器癌症；EB病毒与多种淋巴瘤相关；乙肝和丙肝病毒是肝癌主要风险因素；人T细胞白血病病毒I型（HTLV-1）导致成人T细胞白血病这些病毒通过编码致癌蛋白干扰细胞生长控制或诱导慢性炎症促进癌变过程新发病毒威胁病毒免疫与疫苗先天免疫响应适应性免疫响应疫苗技术进展先天免疫是对病毒感染的第一道防线适应性免疫提供特异性和记忆性应答B疫苗是预防病毒疾病最有效的工具传当病毒感染细胞后，细胞可识别病毒成细胞产生抗体中和病毒粒子，阻止病毒统疫苗使用灭活病毒（如脊髓灰质炎疫分如双链RNA，激活干扰素产生和抗病入侵新细胞；细胞毒性T细胞识别并杀死苗）、减毒活病毒（如麻疹疫苗）或病毒状态干扰素通过抑制蛋白质合成、被感染细胞，消除病毒复制工厂辅助T毒亚单位（如乙肝疫苗）新兴技术包增强RNA降解和诱导邻近细胞抗病毒状细胞则协调整个免疫反应，包括抗体生括病毒载体疫苗（如埃博拉疫苗）、态发挥作用自然杀伤（NK）细胞能识成和细胞毒性反应感染或疫苗接种后DNA疫苗和mRNA疫苗COVID-19别并杀死病毒感染细胞，在控制早期感形成的记忆免疫细胞使机体能快速响应大流行推动了mRNA疫苗技术的突破，染中发挥重要作用同一病毒的再次感染这种新型疫苗具有研发快速、安全性高和效果显著的优势抗病毒策略抑制病毒吸附与释放神经氨酸酶抑制剂如奥司他韦（达菲）和扎那米韦通过阻断流感病毒表面的神经氨酸酶，防止新生病毒从感染细胞释放新型冠状病毒药物如单克隆抗体通过靶向病毒刺突蛋白阻止病毒与细胞受体结合，从而抑制感染初期阶段干扰病毒复制核苷类似物如阿昔洛韦（用于疱疹病毒）和利巴韦林（用于丙肝和呼吸道合胞病毒）通过模拟天然核苷酸，在被整合入病毒基因组后导致复制终止聚合酶抑制剂索非布韦等直接抑制病毒酶的活性，阻断基因组复制这类药物已使丙型肝炎从难治之症变为可治愈疾病阻断病毒成熟蛋白酶抑制剂如抗HIV药物洛匹那韦和抗HCV药物西美瑞韦通过抑制病毒蛋白酶，阻止病毒前体蛋白的正确切割和成熟这类药物是抗HIV鸡尾酒疗法的核心组成部分，已将艾滋病从致死性疾病转变为可控慢性病新型抗SARS-CoV-2口服药帕罗维德也是一种蛋白酶抑制剂病毒与基因治疗病毒载体设计研究人员移除病毒致病和复制基因，保留感染细胞和基因组整合能力，将其改造成运送治疗基因的工具常用的病毒载体包括腺病毒（非整合型，暂时表达）、慢病毒和AAV（腺相关病毒，可长期表达）理想的病毒载体应具备高转导效率、低免疫原性和良好的安全性2靶向基因递送病毒载体可通过修饰衣壳或包膜蛋白实现组织特异性递送例如，AAV血清型2主要靶向肝脏，而AAV9能够穿透血脑屏障病毒载体还可以携带组织特异性启动子，确保治疗基因仅在目标组织中表达这种靶向能力使基因治疗更加精准有效，减少全身不良反应临床应用基因治疗已在多种遗传性疾病治疗中取得突破Luxturna是首个获FDA批准的病毒载体基因治疗产品，用于治疗由RPE65基因突变导致的遗传性视网膜营养不良；Zolgensma通过AAV9载体递送SMN1基因，治疗脊髓性肌萎缩症；多种基于慢病毒载体的CAR-T细胞疗法已用于白血病治疗目前全球有数千个基因治疗临床试验正在进行挑战与前景病毒载体基因治疗仍面临多项挑战，包括宿主免疫反应（特别是针对病毒衣壳蛋白的中和抗体）、基因组整合风险（可能导致插入性突变）、大规模生产难题和高昂成本新技术如基因编辑工具CRISPR-Cas9与病毒载体结合，开辟了精准基因修复的新途径随着技术进步，病毒载体基因治疗有望治愈更多遗传性和获得性疾病微生物组研究微生物组定义与规模肠道微生物组研究方法微生物组是指特定环境（如人体）中所人体肠道微生物组是研究最为深入的微微生物组研究主要依赖宏基因组测序技有微生物及其基因的总和人体微生物生物群落，包含约1000多种细菌，总重术，直接从环境样本中提取DNA并测序组包含数十万亿微生物细胞，其数量超量达2-4磅肠道微生物与人体形成复杂分析，无需培养微生物16S rRNA基过人体自身细胞这些微生物携带的基的互惠关系，参与食物消化、营养吸因测序用于细菌群落分析，18S rRNA因总数约为人类基因组的150倍，大大拓收、维生素合成、免疫系统调节和代谢用于真核微生物分析，而全基因组鸟枪展了人体的代谢和功能能力微生物组物质产生肠道微生物组的组成和功能法测序则提供更全面的功能信息培养不仅包括细菌，还包括真菌、病毒、古与多种健康状况和疾病相关，包括肥组学结合新型培养技术和高通量测序，菌和原生生物胖、炎症性肠病、自身免疫疾病甚至精帮助研究传统上被认为不可培养的微神健康生物多组学整合分析将宏基因组学与宏转录组学、宏蛋白组学和代谢组学结合，全面解析微生物组功能肠道微生物组出生与早期定植婴儿微生物组的初始定植受出生方式显著影响阴道分娩的婴儿接触母亲阴道和肠道微生物，初始菌群以双歧杆菌和乳酸菌为主；剖宫产婴儿主要接触皮肤微生物，初始菌群以葡萄球菌为主母乳喂养促进有益菌如双歧杆菌生长，而配方奶则产生更多多样化菌群成人微生物组3-5岁时儿童肠道微生物组趋于稳定，形成类似成人的结构健康成人肠道微生物以拟杆菌门和厚壁菌门细菌为主，通常占总菌群的90%以上每个人的微生物组组成独特，但核心功能基因组相似，存在功能冗余成人微生物组相对稳定，但可因短期饮食变化、抗生素使用或旅行等因素发生波动影响因素饮食是影响肠道微生物组最重要的环境因素高纤维饮食促进拟杆菌等产生短链脂肪酸的有益菌生长；高脂高糖西式饮食则减少微生物多样性，增加炎症相关菌群抗生素使用可显著扰乱微生物平衡，某些微生物群落可能需要数月甚至更长时间才能恢复压力、睡眠质量和运动也能影响肠道微生物组组成健康关联肠道微生物组与多种健康状况密切相关它调节肠道屏障功能和全身免疫平衡，预防病原体定植微生物代谢产物如短链脂肪酸影响能量平衡和炎症水平研究表明，肠道微生物组失调与炎症性肠病、肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、自闭症、抑郁症和帕金森病等多种疾病相关微生物与免疫系统微生物早期接触理论卫生假说提出，现代社会过度卫生环境减少了儿童早期对微生物的接触，可能导致免疫系统发育不当，增加过敏和自身免疫性疾病风险研究发现，农场环境长大的儿童接触更多微生物，过敏和哮喘发病率显著降低这一理论解释了为何过敏性疾病在发达国家和城市地区更为普遍肠道菌群与免疫发育肠道微生物组对免疫系统的正常发育至关重要无菌动物表现出严重的免疫系统缺陷，包括肠道相关淋巴组织发育不良和循环抗体减少特定共生菌如分枝杆菌和梭菌属细菌能诱导调节性T细胞发育，维持免疫耐受；分泌型IgA产生依赖肠道菌群刺激；巨噬细胞和NK细胞功能也受微生物信号调节免疫耐受与自身免疫健康的肠道微生物组有助于维持免疫耐受平衡，区分有害病原体和无害抗原微生物失调可打破这种平衡，导致免疫系统过度反应或错误攻击自身组织研究发现类风湿关节炎、多发性硬化症、炎症性肠病和1型糖尿病等自身免疫性疾病患者的肠道微生物组组成异常某些微生物代谢产物如短链脂肪酸具有抗炎作用，可抑制自身免疫反应益生菌干预益生菌是对宿主有益的活微生物，主要包括乳酸菌和双歧杆菌临床研究表明特定益生菌株能调节免疫功能，预防或缓解过敏症状，减轻感染性腹泻，改善炎症性肠病症状益生菌通过产生抗菌物质、竞争性排除病原体、增强肠道屏障功能和调节免疫细胞活性发挥作用然而，益生菌效果高度菌株特异性，不同菌株作用机制和临床效果差异显著微生物与营养消化与吸收辅助维生素合成饮食与微生物组塑造人体无法自行消化许多复杂碳水化合肠道微生物能合成人体无法自行生产的饮食习惯显著影响肠道微生物组组成物，如纤维素、半纤维素和果胶，肠道多种维生素，特别是维生素K和大部分B地中海式饮食富含植物纤维和不饱和脂微生物提供了必要的酶系统植物多糖族维生素，包括B1（硫胺素）、B2（核肪酸，促进拟杆菌和瘤胃球菌等有益菌被肠道微生物发酵产生短链脂肪酸，主黄素）、B3（烟酸）、B5（泛酸）、生长；高脂高糖西式饮食则减少微生物要包括乙酸、丙酸和丁酸，这些代谢物B6（吡哺醇）、B7（生物素）、B9多样性，增加产内毒素的菌群纯素饮为肠上皮细胞提供能量，调节肠道pH（叶酸）和B12（钴胺素）研究表明，食者肠道中纤维素降解菌比例更高；肉值，抑制有害菌生长，并影响全身代谢肠道微生物合成的这些维生素能被人体食为主的人群肠道中蛋白质发酵菌更丰和免疫功能吸收并利用，在一定程度上补充膳食摄富饮食变化可在24-48小时内引起肠入不足道微生物组快速调整微生物与心理健康脑-肠轴神经活性物质动物实验证据临床相关性脑-肠轴是一个复杂的双向通信肠道微生物能产生多种神经活性无菌小鼠表现出焦虑和社交行为越来越多的研究表明肠道微生物网络，连接中枢神经系统与肠道物质，包括神经递质如血清素异常，其大脑神经化学和基因表组与多种精神疾病相关抑郁症它包括迷走神经、免疫系统、肠（约90%的血清素在肠道产达模式与正常小鼠不同更令人和焦虑症患者的肠道微生物多样内分泌系统和微生物代谢产物等生）、多巴胺和GABA（γ-氨基惊讶的是，将抑郁患者的粪便微性降低，拟杆菌和厚壁菌比例失多种信号通路通过这些通路，丁酸）某些乳酸菌能产生乙酰生物移植给无菌小鼠，可诱导类调；自闭症患者肠道中梭菌属细大脑活动可影响肠道功能，如胃胆碱；双歧杆菌产生GABA；大似抑郁的行为；而将健康人的微菌增多，与重复行为严重程度相肠蠕动和分泌；同样，肠道信号肠杆菌产生去甲肾上腺素此生物移植给这些小鼠则可改善其关；精神分裂症和双相情感障碍也能影响大脑活动，包括情绪和外，微生物代谢产物如短链脂肪行为症状这些发现强有力地支患者也表现出特征性微生物组改认知功能酸可影响血脑屏障完整性和小胶持了肠道微生物影响心理健康的变益生菌干预已在某些临床试质细胞功能假说验中显示出改善抑郁和焦虑症状的潜力微生物组医学应用亿90%50025%FMT成功率市场规模疾病减少粪菌移植治疗艰难梭菌感染的成功率全球益生菌与益生元市场（美元）早期微生物组干预降低过敏性疾病风险微生物组医学是一个迅速发展的领域，将微生物群落操作作为治疗手段粪菌移植（FMT）是最成熟的微生物组疗法，通过将健康捐献者的粪便微生物移植给患者，重建健康的肠道微生物生态系统FMT在治疗复发性艰难梭菌感染方面效果显著，成功率高达90%，远超抗生素治疗研究人员正探索FMT在炎症性肠病、过敏性肠综合征和代谢疾病中的应用潜力精准益生菌和合成生物群是微生物组医学的新方向与传统益生菌不同，精准益生菌基于对特定疾病微生物组变化的深入了解，针对性设计；合成生物群则是预先确定的多菌种混合物，目标是恢复关键微生物功能微生物组诊断标志物也有望成为疾病早期筛查和预后评估的工具随着研究深入，个性化微生物组干预可能成为未来医疗的重要组成部分，与药物和手术治疗相辅相成工业微生物技术生物塑料微生物合成可降解生物聚合物生物燃料微生物发酵产生乙醇和生物柴油酶工程工业酶应用于洗涤剂和食品加工发酵工业抗生素、氨基酸和有机酸的大规模生产工业微生物技术利用微生物的代谢能力生产各种有价值的产品发酵工业是最古老也是最大的微生物工业应用，每年生产数百万吨抗生素、氨基酸、维生素和有机酸青霉素和其他抗生素主要由链霉菌和真菌生产；谷氨酸和赖氨酸等氨基酸由谷氨酸棒杆菌生产，年产量超过400万吨；柠檬酸主要由黑曲霉发酵生产，广泛用于食品和药品工业酶工程利用微生物生产的高效催化剂，在多个行业创造经济和环境效益微生物酶如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶用于洗涤剂，提高清洁效率并降低能耗；纤维素酶和半纤维素酶在纸浆处理和生物燃料生产中至关重要；酶催化合成药物中间体能减少有机溶剂使用和废物产生生物燃料和生物塑料等新兴应用领域正利用合成生物学设计微生物工厂，将可再生原料转化为可持续产品，减少对石油资源的依赖微生物与循环农业生物固氮根瘤菌和其他固氮微生物能将大气中的氮气转化为植物可利用的铵，大豆等豆科植物通过与根瘤菌共生，每年可固定100-200公斤/公顷的氮素这种生物固氮可替代化学氮肥，减少能源消耗和温室气体排放非共生固氮菌如叶杆菌和固氮螺菌也能为非豆科作物提供部分氮素需求生物农药微生物源生物农药可降低化学农药使用苏云金芽孢杆菌产生的蛋白晶体对鳞翅目害虫高效特异，已成为有机农业主要防控手段；土壤放线菌产生多种抗生物质，抑制植物病原菌生长；昆虫病原真菌如白僵菌和绿僵菌通过侵染害虫体内提供生物防控生物农药环境友好，靶向性强，不易产生抗性堆肥微生物堆肥化是有机废物循环利用的关键过程，由复杂微生物群落完成堆肥初期以嗜热细菌为主，温度可达70℃，杀灭病原体；后期真菌和放线菌主导，分解难降解物质如木质素和纤维素成熟堆肥不仅提供养分，还含有有益微生物，改善土壤健康堆肥茶等微生物提取物能增强植物免疫力和抗病能力微生物与环境修复微生物修复利用微生物的代谢能力清除环境污染物，是一种成本效益高、环境友好的技术石油降解细菌如假单胞菌和铜绿假单胞菌携带特殊的降解酶系统，能将复杂碳氢化合物转化为无害的二氧化碳和水1989年阿拉斯加埃克森瓦尔迪兹油轮泄漏和2010年墨西哥湾深水地平线事故后，微生物修复成为清理油污的重要手段重金属污染土壤可通过微生物修复技术处理某些细菌和真菌能将有毒重金属如六价铬还原为毒性较低的三价铬；其他微生物通过产生金属螯合物或促进金属沉淀减低金属生物利用度活性污泥法是废水处理中最广泛使用的生物处理技术，依靠复杂微生物群落降解有机物并去除氮磷微生物矿化技术利用微生物将二氧化碳转化为碳酸钙等矿物质形式，有望应用于碳捕获和固定，减缓气候变化影响极端微生物微生物组与生态系统碳循环氮循环微生物分解有机碳，释放二氧化碳；固定大气碳，固氮、硝化和反硝化过程使氮素在不同形态间转换2维持平衡水生生态系统土壤健康海洋微生物固定碳，构成食物网基础土壤微生物影响肥力、结构和植物健康土壤是地球上微生物多样性最丰富的栖息地之一，每克土壤含有多达10亿个微生物，代表数千至数万个物种这些微生物构成复杂的食物网，分解有机物质，释放植物所需养分，同时改善土壤结构和水分保持能力菌根真菌与90%以上的陆地植物形成共生关系，大大增强植物养分吸收能力，提高抗逆性海洋微生物在全球生物地球化学循环中扮演着关键角色浮游植物和蓝细菌通过光合作用固定约一半的全球碳，构成海洋食物网的基础；微型浮游动物和异养细菌则分解有机物，将养分返回水体深海热液喷口周围发育着以化能自养细菌为基础的独特生态系统，这些细菌氧化硫化物获取能量，支持包括管状蠕虫在内的复杂生物群落，证明了微生物在极端环境中支持生态系统的能力微生物的未来应用合成生物学生物计算微生物材料合成生物学将工程原理应用于生物学，微生物细胞可作为生物计算单元，执行微生物能生产多种具有独特性能的生物设计和构建具有新功能的微生物科学逻辑运算科学家已经在大肠杆菌中构材料醋酸菌产生的微生物纤维素具有家已成功合成完整细菌基因组并移植到建了基本逻辑门（AND、OR、NOT高强度和高吸水性，可用于伤口敷料和受体细胞中，创造出合成细胞通过等），使细菌能执行复杂的信息处理任高端纸张；真菌菌丝体可培养成轻质、基因线路设计，微生物可被编程感知特务这种细菌逻辑电路可用于检测多耐用、可生物降解的材料，替代塑料、定环境信号并做出预设反应，如检测到种环境污染物的组合，或在特定条件下皮革甚至建筑材料；某些细菌产生的胞特定化学物质时产生荧光或释放药物激活治疗基因未来，微生物计算网络外聚合物具有独特的粘附性和弹性，可这些活体传感器有望应用于环境监可能解决传统计算机难以处理的复杂问用于生物胶和药物递送这些微生物材测、疾病诊断和靶向治疗题，如优化药物设计或预测蛋白质折料具有可持续性和生物兼容性优势叠微生物采矿生物采矿利用微生物从低品位矿石中提取有价值金属，减少环境影响嗜酸嗜热古菌和铁氧化细菌能氧化硫化矿，释放铜、金和铀等金属；某些真菌产生的有机酸能溶解矿物，增强金属浸出效率微生物采矿已在铜回收中实现商业化应用，正在向锌、镍和稀土金属扩展未来，工程微生物可能实现更高效、更特异的金属提取，甚至从电子废物和污泥中回收稀有金属微生物与人类共存认识转变一健康理念人类对微生物的认识经历了从恐惧到尊一健康是一种将人类健康、动物健康重的转变早期微生物学主要关注致病和环境健康视为统一整体的跨学科方法微生物，将微生物视为需要消灭的敌人；微生物在这三个领域间流动，约60%的现代研究表明绝大多数微生物对人类无人类传染病来源于动物，环境微生物变害甚至有益过度使用抗生素和消毒剂化影响动植物健康应对抗生素耐药性不仅促进了耐药性，还破坏了有益微生和预防人畜共患疾病需要多部门协作，物群落平衡的微生物观强调保护有益综合考虑人类活动、生态系统和微生物微生物的同时，精准地对抗病原体演化的复杂互动微生物保护微生物多样性与生物多样性保护同样重要土壤耕作方式、农药和气候变化正威胁微生物多样性，可能导致关键生态功能损失微生物保护包括保存微生物资源，如建立菌种收集库；发展可持续农业实践，减少对土壤微生物的干扰；减少污染物排放，保护水生微生物群落保护微生物多样性对维持生态系统服务和发现新型生物资源至关重要总结与展望无限可能微生物世界仍有大量未被探索的领域，估计95%以上的微生物种类尚未被科学家发现和描述这些未知微生物可能蕴含着解决能源危机、环境污染、疾病治疗等全球性挑战的关键随着深海、极地和深部地下等极端环境的探索，我们将不断发现具有独特代谢能力的新型微生物技术革命新一代测序技术、单细胞分析、先进显微成像和生物信息学的发展正推动微生物学进入新时代这些技术使我们能够在不依赖培养的情况下研究微生物，揭示微生物之间以及与宿主的复杂相互作用CRISPR基因编辑、合成生物学和系统生物学方法将帮助我们更深入理解和利用微生物的潜力新健康范式微生物学研究正引领医学从对抗模式向共生模式转变未来的健康策略将更加注重维护和调节微生物平衡，而非简单消灭微生物精准微生物组干预、个性化益生菌方案和微生物组早期塑造将成为预防和治疗疾病的新方法我们与微生物的和谐共处将成为健康长寿的重要基础教育与伦理下一代微生物学家将面临跨学科挑战，需要同时掌握生物学、化学、物理学、计算机科学和伦理学知识微生物改造和释放带来的安全和伦理问题需要慎重考虑公众微生物学教育对促进理性健康观念、减少抗生素滥用和应对生物安全威胁至关重要微生物学知识的普及将帮助人类社会更加理性地看待我们与微小生命的关系。