《微生物学基础》课件

微生物学基础欢迎来到《微生物学基础》课程！这门课程将带领您探索微观世界中最为丰富多彩的生命形式作为高校微生物学入门课程，我们将在年春季学期共2025安排节课时，深入浅出地介绍微生物的奥秘50课程概述教学目标与学习成果通过本课程学习，学生将掌握微生物学基础理论，了解微生物的多样性，培养微生物实验基本技能，建立微生物与环境、健康和工业应用的联系参考教材与学习资源主要参考教材包括《微生物学》（第版）、《现代微生物学实验技术》等8电子资源将通过学校在线平台提供，包括微生物图谱、最新研究论文和视频资料评分标准与考核方式总成绩由期末考试（）、实验报告（）、课堂参与（）和小组项40%30%15%目（）组成出勤率低于者不得参加期末考试15%80%课程安排与实验要求第一章微生物学简介微生物学与其他学科的交叉关微生物学在现代科学中的地位系作为生命科学的重要分支，微生物学微生物学与生物化学、遗传学、免疫为人类提供了理解生命本质的窗口，学、生态学等多学科紧密结合，在生推动了分子生物学、遗传学和生物技物信息学和合成生物学等新兴领域也微生物学的定义与研究范围术的发展，在医学、环境和工业领域有深入合作，展现出强大的交叉科学微生物学发展历史概述发挥着关键作用特性微生物学是研究肉眼不可见的微小生从列文虎克首次观察到微小动物，到物的科学，主要包括细菌、古菌、真巴斯德驳斥自然发生说，再到现代分菌、病毒、原生生物和微藻等这些子生物学革命，微生物学历经数百年微小生命形式的结构、功能、分类、发展，不断刷新人类对微观世界的认生态和应用均是研究内容知微生物学发展史（上）1列文虎克与显微镜的发明年代1670安东尼范列文虎克通过自制显微镜首次观察并记录了微生物的存在，被称为微生··物学之父他的手工镜片放大率高达倍，让人类首次看到了微观世界的奥270秘2巴斯德与自然发生说的推翻年代1860路易巴斯德通过颈弯烧瓶实验证明了微生物并非自然发生，而是源于已存在的微·生物，彻底推翻了延续数千年的自然发生说这一发现奠定了现代微生物学的理论基础3科赫与病原微生物研究年代1870-1880罗伯特科赫建立了微生物与疾病因果关系的科赫法则，首次分离培养了炭疽杆菌·和结核杆菌他发明的固体培养基技术成为微生物分离纯化的重要方法4弗莱明与抗生素的发现年1928亚历山大弗莱明意外发现青霉素抑制细菌生长的现象，开启了抗生素时代这一·发现拯救了无数生命，彻底改变了人类对抗感染性疾病的能力微生物学发展史（下）1沃森与克里克的双螺旋结构年DNA1953詹姆斯沃森和弗朗西斯克里克解析了的双螺旋结构，揭示了遗传信息储存和传递··DNA的基本机制这一突破为微生物学研究提供了分子基础，开启了分子生物学时代分子生物学技术在微生物学中的应用技术、测序、基因克隆等分子生物学方法的发展，使微生物研究从形态学描PCR DNA述转向基因和蛋白功能水平，极大加深了人类对微生物本质的理解基因组测序技术的突破年后1995嗜热菌是首个被完全测序的生物体，此后高通量测序技术使微生物基因组分析变得快速和经济这些技术进步揭示了大量未知微生物种群的存在，扩展了微生物学的研究范围合成生物学与微生物工程的发展世纪21基因编辑技术如系统的应用，使微生物的定向改造成为可能合成生物CRISPR-Cas9学让人类能够设计和构建全新的微生物基因线路，为生物制造和生物修复提供强大工具微生物的分布土壤微生物生态系统水生环境中的微生物分布大气中的微生物土壤是微生物最为丰富的栖息地之从淡水到海洋，水体中存在着丰富多大气层中悬浮着各种微生物，包括细一，每克肥沃土壤中可含有高达样的微生物群落海洋中每毫升海水菌孢子、真菌孢子和病毒颗粒这些10⁹个微生物这些微生物种类繁多，包含有约个细菌和个病毒海洋微生物可通过气流长距离传播，影响10⁶10⁷括细菌、古菌、真菌和原生生物，它微生物在全球碳循环和海洋食物网中云形成和降水过程，在全球微生物地们在有机质分解、养分循环和土壤结担任关键角色，是地球生物地球化学理分布中起着连接作用构形成中发挥重要作用循环的重要驱动力极端环境中的微生物人体微生物组从深海热液口到极地冰川，从酸性温泉到干旱沙漠，极端环人体是约万亿个微生物细胞的家园，这些微生物主要分100境中存在着适应性极强的微生物这些微生物通过特殊的生布在皮肤、口腔和肠道等处人体微生物组在营养吸收、免理和代谢机制适应极端条件，为生命进化和极端酶应用研究疫调节和抵抗病原体方面具有重要功能，被视为人体的隐形提供了宝贵资源器官微生物的基本特征微小的体积与简单的结构快速的生长繁殖能力强大的代谢多样性大多数微生物体积微小，通常需要微生物生长繁殖速度极快，例如大微生物展现出惊人的代谢多样性，显微镜才能观察细菌直径一般为肠杆菌在适宜条件下每分钟就能够利用各种有机物和无机物作为20微米，单细胞真菌可达数十能完成一次分裂理论上，一个细能源和碳源有些微生物可以氧化

0.5-5微米与高等生物相比，微生物结菌在小时内可产生数十亿个后硫化物、氨或铁等物质获取能量，24构相对简单，多数为单细胞生物，代这种高效繁殖能力使微生物能有些则能在无氧条件下生存，适应组织分化程度低够迅速适应环境变化性极强遗传物质的可塑性与适应能力广泛的分布与生态作用微生物可通过突变、基因重组和横向基因转移等方式快速微生物几乎存在于地球上所有环境中，从深海到高空，从改变其遗传物质基因组小而灵活，使微生物能够在数代极地到热带它们在生态系统中发挥着分解者、生产者和内产生新特性，迅速适应环境变化，包括对抗生素的耐药营养循环的关键作用，是维持生态平衡的重要力量性微生物的分类与命名三域系统生命划分为细菌、古菌与真核生物三大域生物分类的层级结构域、界、门、纲、目、科、属、种八级分类系统微生物命名的二名法由属名和种加词组成，如大肠杆菌Escherichia coli分子系统发育4基于等保守基因序列的进化分析16S/18S rRNA微生物分类学是微生物学的基础学科，随着研究手段的进步不断发展完善传统分类主要基于形态特征和生理生化特性，现代分类则更加注重分子特征和基因组信息基因因其高度保守性成为细菌和古菌分类的金标准16S rRNA近年来，随着高通量测序技术的应用，微生物分类学迎来了新的革命全基因组分析和泛基因组概念的提出，使得微生物分类更加精确和系统化同时，大量环境样本的宏基因组研究揭示了大量未培养微生物的存在，拓展了微生物分类的范围第二章细菌学基础细菌的定义与一般特征1原核单细胞微生物，无细胞核和膜细胞器bound细菌在微生物界中的地位2物种数量最丰富，分布最广泛的微生物类群细菌研究的重要性对基础科学和应用领域均具有重大价值细菌学研究方法概述培养、分离、鉴定和功能分析的技术体系细菌作为地球上数量最庞大的生命形式，在生态系统中扮演着不可替代的角色它们参与物质循环、能量流动，维持着地球生态平衡从分子结构到细胞功能，从群体行为到生态互作，细菌展现出令人惊叹的多样性和适应性细菌研究已从纯粹的微生物学拓展到更广阔的领域，包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学等现代生命科学方法通过这些技术，科学家能够更全面地理解细菌的生命过程、进化关系和生态功能，为疾病防控、环境保护和工业生产提供科学依据细菌的形态与结构细菌的形态多种多样，根据基本形状可分为球菌（如葡萄球菌、链球菌）、杆菌（如大肠杆菌、枯草杆菌）和螺旋菌（如螺旋体、弯曲菌）三大类此外还有特殊形态的细菌，如分枝杆菌、芽孢杆菌和原核蓝藻等细菌的大小一般在范围内，最小的支

0.2-

2.0μm原体直径仅约，而最大的蓝藻可达以上

0.1μm10μm细菌的形态与其生态习性密切相关球形细菌表面积与体积比相对较小，耐受恶劣环境能力较强；杆菌表面积较大，便于物质交换和营养吸收；螺旋形有利于在粘稠环境中运动了解细菌的形态对于分类鉴定、生态研究和应用开发都具有重要意义细菌细胞壁的结构与功能革兰氏阳性菌细胞壁革兰氏阴性菌细胞壁无细胞壁的细菌与特殊结构革兰氏阳性菌的细胞壁结构相对简单，革兰氏阴性菌细胞壁结构复杂，由内层支原体是最小的能自我复制的微生物，主要由厚层肽聚糖（占细胞壁干重的薄的肽聚糖层（仅占细胞壁干重的缺乏细胞壁，只有细胞膜，因此对青霉10%）组成，厚度通常为左右）和外层的外膜组成外膜是由脂素等抑制细胞壁合成的抗生素不敏感，50-90%40-肽聚糖层中含有特殊的磷壁多糖、磷脂和蛋白质构成的双分子层结但对破坏膜结构的四环素等较敏感型80nm L酸，是革兰染色保留紫色的关键因素构，是革兰染色脱色的主要原因细菌是由正常细菌临时或永久性失去细胞壁而形成的变异型•结构特点多层肽聚糖，含磷壁酸•结构特点薄肽聚糖层，具有特殊外膜结构细胞壁在细菌生存中具有重要意义，它•代表菌属葡萄球菌、链球菌、芽孢维持细胞形态，抵抗渗透压，提供机械杆菌•代表菌属大肠杆菌、沙门氏菌、假保护，参与物质运输，也是许多抗生素单胞菌•抗生素敏感性对青霉素类较敏感的作用靶点细胞壁结构的差异是细菌•特殊组分脂多糖（内毒素）和膜蛋分类的重要依据，也是临床用药的重要白参考细菌胞外结构荚膜与粘液层鞭毛的结构与运动机制菌毛的类型与功能pili荚膜是细菌细胞外的致密多糖或蛋白质鞭毛是许多细菌的运动器官，由鞭毛菌毛是细菌表面的纤细蛋白质丝状结构，层，紧贴细胞壁，具有明确的边界粘丝、鞭毛钩和基体三部分组成鞭毛蛋比鞭毛短而细普通菌毛介导细菌与表液层则较为疏松，边界不清晰这些结白（鞭毛素）分子沿中心轴螺旋排列，面或其他细菌的附着，是生物膜形成的构增强细菌的附着能力，抵抗吞噬作用，形成长达的鞭毛丝基体嵌在重要因素性菌毛（菌毛）则是细菌10μm F提高致病性，是许多致病菌的重要毒力细胞壁和膜中，含有驱动蛋白利用质子接合过程中传递的通道，在细菌DNA因子动力产生旋转力，带动细菌运动基因交换中发挥关键作用•肺炎双球菌的多糖荚膜•牙龈链球菌的葡聚糖粘液层•周生鞭毛鞭毛分布于细胞表面•大肠杆菌的I型菌毛与尿路感染各处肺炎克雷伯菌的Ⅲ型菌毛与生物膜•脑膜炎奈瑟菌的荚膜与免疫逃避••端生鞭毛鞭毛位于细胞一端或•淋病奈瑟菌的菌毛与黏膜附着两端•趋化性定向运动响应环境刺激层蛋白的特性与作用S-层是某些细菌和古菌表面的规则排S-列蛋白质或糖蛋白结构，形成具有晶格状排列的表层层可保护细菌免受S-外界物理化学因素和生物因素的侵害，维持细胞形态，参与物质交换，介导细胞间识别和通讯•嗜盐菌的六方形S-层结构•难辨梭菌的S-层与宿主相互作用•S-层在纳米技术中的应用前景细菌内部结构细菌生长与繁殖细胞增大期细菌吸收营养物质，合成细胞组分，体积增大到原来的倍左右细胞复制，形2DNA成两个完整的染色体，并分别移向细胞的两极代谢活跃，蛋白质和合成速率RNA高细胞分隔期细胞中央处细胞膜内陷，形成隔膜细胞壁物质在隔膜处合成，逐渐形成完整的隔壁细胞质也随着隔壁的形成被分隔为两部分这一过程由蛋白形成的FtsZ Z环驱动细胞分离期隔壁形成完成后，两个子细胞在自溶酶的作用下逐渐分离成独立个体分离后的子细胞继续生长，进入下一轮分裂周期整个二分裂过程在适宜条件下可在分钟到几小时内完成20细菌在培养基中的生长遵循特定的规律，表现为典型的生长曲线该曲线包括四个阶段延滞期（适应环境）、对数期（快速分裂）、稳定期（资源有限，新生与死亡平衡）和衰亡期（营养耗尽，死亡占主导）多种环境因素会影响细菌生长，包括温度、值、氧pH气浓度、营养成分、水分活度和渗透压等细菌的培养与计数培养基的种类与配制培养方法与技术根据成分可分为合成培养基、半合成培养基和包括无菌操作技术、划线分离法、平板稀释天然培养基；根据用途可分为基础培养基、选法、液体培养和厌氧培养等特殊培养方法择培养基、鉴别培养基和运输培养基等生长曲线分析细菌计数方法通过连续测定培养物浊度、干重、蛋白质含量直接计数法（显微镜计数、电子计数器）和间或特定代谢产物变化，绘制并分析细菌生长动接计数法（平板计数法、最大或然数法、浊度态法）细菌培养是微生物学研究的基础技术，它使我们能够分离、纯化特定菌株，研究其生理生化特性，开展各种实验研究培养基的配制需要考虑目标菌株的营养需求、生长因子要求和生长抑制因素合理选择培养条件（温度、值、氧气条件等）是成功培养细菌的关键pH细菌计数方法各有优缺点直接计数法快速但无法区分活菌与死菌；平板计数法准确但耗时；法适用于低浓度样品；浊度法简便但精度较低在实MPN际应用中，应根据研究目的和样品特性选择合适的计数方法，确保结果的准确性和可靠性细菌代谢概述营养类型能量来源碳源代表微生物光能自养型光能₂蓝细菌、紫色硫细CO菌化能自养型无机物氧化₂硝化细菌、硫氧化CO细菌化能异养型有机物氧化有机物大肠杆菌、金黄色葡萄球菌光能异养型光能有机物紫色非硫细菌、绿色非硫细菌细菌代谢的多样性是其适应各种环境的基础根据能量和碳源的获取方式，细菌可分为不同的营养类型光能自养型细菌如蓝细菌利用光能固定二氧化碳，是水体中重要的初级生产者；化能自养型细菌如硝化细菌、铁细菌能氧化无机物获取能量，在生物地球化学循环中发挥关键作用在氧气利用方面，细菌也表现出多样性好氧菌需要氧气作为最终电子受体；兼性厌氧菌在有氧无氧环境均能生长；严格厌氧菌在氧气存在时无法生长；微需氧菌则需要低浓度氧气这种代谢多样性使细菌能够占据几乎所有生态位，成为地球上分布最广泛的生命形式细菌的能量代谢有氧呼吸途径厌氧呼吸发酵代谢有氧呼吸是最高效的能量获取方式，包在缺氧环境中，某些细菌能利用氧气以发酵是在无外部电子受体条件下，通过括三个主要阶段糖酵解、三羧外的无机物作为最终电子受体进行呼底物水平磷酸化产生的过程有机EMP ATP酸循环和电子传递链葡萄糖经糖吸，这种过程称为厌氧呼吸常见电子底物既是电子供体也是电子受体，能量TCA酵解分解为丙酮酸，进入循环进一受体包括硝酸盐₃⁻、亚硝酸盐产率较低不同细菌的发酵类型和产物TCA NO步氧化，产生还原当量、₂⁻、硫酸盐₄⁻、碳酸盐各异NADH NOSO²₂₃⁻、⁺等FADHCO²Fe³•乳酸发酵葡萄糖转化为乳酸，由乳电子传递链由一系列电子载体组成，•反硝化细菌利用₃⁻作为电子酸菌进行NO和₂的电子经过复杂的传受体，最终产生₂NADH FADHN•酒精发酵最终产物为乙醇和递过程最终传给氧气，同时跨膜形成质•硫酸盐还原菌将₄⁻还原为₂₂，酵母常用此途径SO²H SCO子梯度，驱动合成酶合成整ATP ATP•产甲烷菌利用₂作为电子受体•丙酸发酵丙酸杆菌将葡萄糖转化为CO个过程中，一分子葡萄糖理论上可产生生成₄丙酸CH分子38ATP•混合酸发酵大肠杆菌产生乙酸、乳酸、乙醇等细菌的遗传变异突变碱基序列的改变，可由物理、化学因素或复制错误引起包括点突变（单个碱基改变）、框移DNA突变（插入或缺失导致阅读框改变）和大片段重排突变是细菌自然进化的重要推动力转化细菌通过吸收环境中的外源并整合到自身基因组的过程需要细菌处于感受态，能够吸收并整DNA合同源片段这一现象最早由在肺炎球菌研究中发现，为是遗传物质的发现提供DNA GriffithDNA了重要证据接合需要细胞间直接接触的基因转移方式供体菌⁺通过性菌毛与受体菌⁻连接，单链从供FFDNA体转移到受体质粒可整合到染色体形成菌，促进染色体转移这是细菌间大片段F HfrDNA DNA交换的主要途径转导以噬菌体为媒介的基因转移噬菌体感染细菌时，有时会错误包装宿主，而后将这些带DNA DNA到新宿主细胞分为普通转导（随机包装宿主）和特殊转导（仅包装与噬菌体整合位点邻近的DNA）两种类型DNA细菌基因组的可塑性是其快速适应环境变化的关键除了基因水平转移外，转座子和插入序列等移动遗传元件IS的活动也增加了基因组的动态性这些元件可在基因组内转移，插入到新位置，导致基因失活或表达改变，甚至引起大片段重排DNA第三章病毒学基础病毒的发现与定义病毒的基本特征病毒最早由伊万诺夫斯基在研究烟草花叶病时发现，他观察到能通过病毒具有独特的生物学特性无细胞结构；只含一种核酸（或DNA细菌滤器的致病因子病毒是一类非细胞形态的生物体，由核酸）；缺乏独立的代谢系统；必须在特定宿主细胞内复制；具有晶RNA（或）和蛋白质外壳组成，必须在活细胞内寄生复制病毒体学对称性；能在宿主外保持稳定的病毒粒子（）状态；通过感DNA RNAvirion粒子大小通常在纳米范围内染方式增殖而非分裂20-300病毒在生物界的地位病毒研究的重要性与方法病毒处于生命与非生命的边界，在生物分类中属于非细胞型生物它病毒研究对人类和动植物疾病防控具有重要意义，同时病毒也是分子们可能源于细胞逃逸基因，或是早期生命形式的残留病毒对生态系生物学研究的重要工具研究方法包括细胞培养技术、鸡胚培养、电统、宿主进化和基因转移具有重要影响，是自然界基因库的重要组成子显微镜观察、血清学技术、分子生物学技术和生物信息学分析等部分病毒的结构与分类病毒粒子的基本结构病毒的对称性完整的病毒粒子（）主要由核心和衣壳两部分组成核心含有病毒基因组病毒衣壳具有高度规则的对称性，主要有两种基本类型螺旋型对称性和二十面体型对virion（或）和相关蛋白质；衣壳（）是由多个蛋白质亚基（衣壳蛋白）组称性螺旋型病毒的衣壳蛋白沿核酸形成螺旋结构，如烟草花叶病毒；二十面体型病毒DNA RNAcapsid装而成的保护性外壳某些病毒在衣壳外还有脂质包膜，称为有囊膜病毒病毒基因组的衣壳由个三角形面组成封闭结构，呈现对称性，如腺病毒和多数动物病毒205:3:2大小差异极大，从几千碱基到数十万碱基不等复杂病毒如痘病毒和噬菌体则具有混合对称性有囊膜与无囊膜病毒病毒分类系统有囊膜病毒在衣壳外包裹一层主要由脂质双分子层组成的膜结构，来源于宿主细胞膜巴尔的摩分类法根据核酸类型将病毒分为七大类双链、单链、双链、DNA DNA RNA囊膜上通常镶嵌有病毒编码的糖蛋白，负责病毒吸附和侵入宿主细胞有囊膜病毒包括正链单链、负链单链、逆转录和逆转录病毒国际病毒分类委员RNA RNA RNA DNA流感病毒、疱疹病毒和冠状病毒等；无囊膜病毒如脊髓灰质炎病毒和腺病毒对外界环境会则建立了更系统的分类体系，以病毒基因组特性、形态结构、理化性质和生ICTV更为稳定物学特性为依据，将病毒划分为目、科、属、种等分类等级病毒的复制周期吸附侵入病毒表面的吸附蛋白与宿主细胞表面的特异性病毒通过内吞作用、膜融合或直接穿透方式进受体结合入宿主细胞释放脱壳6成熟病毒粒子通过裂解或出芽方式离开宿主病毒衣壳解体，释放核酸进入细胞质或细胞细胞核组装生物合成4新合成的核酸和衣壳蛋白组装成完整病毒粒子病毒基因表达，合成病毒核酸和蛋白质病毒复制策略因病毒类型而异病毒通常在宿主细胞核内复制，利用宿主的聚合酶；病毒则主要在细胞质中复制，需携带自身的聚DNA DNARNA RNA合酶病毒基因表达严格按照时间顺序进行，先表达早期蛋白（如聚合酶）辅助复制，后表达晚期蛋白（如结构蛋白）组装病毒粒子病毒释放方式与其结构相关无囊膜病毒通常通过裂解宿主细胞释放，导致细胞死亡；有囊膜病毒则多通过出芽方式获得脂质外膜，可不立即杀死宿主细胞病毒的吸附和侵入过程具有高度宿主特异性，这决定了病毒的宿主范围和组织嗜性病毒DNA病毒科基因组特点代表病毒相关疾病疱疹病毒科线性双链单纯疱疹病毒疱疹、水痘、传染性DNA单核细胞增多症腺病毒科线性双链人腺病毒呼吸道感染、结膜炎DNA痘病毒科线性双链天花病毒天花（已根除）、猴痘DNA乳多空病毒科双链环状人乳头瘤病毒疣、宫颈癌DNA肝炎病毒科部分双链环状乙型肝炎病毒乙型肝炎、肝硬化、DNA肝癌病毒的基因组大小通常较大，从到不等，编码蛋白质种类更丰富多数病毒在宿主细胞DNA5kb280kb DNA核内复制，利用宿主的聚合酶和转录机制病毒复制的特点是具有较高的准确性，因为宿主细胞的DNA DNA聚合酶具有校对功能，能纠正复制错误，使病毒的变异率低于病毒DNA DNARNA许多病毒能够建立潜伏感染，病毒基因组在宿主细胞内长期存在但不表达或仅部分表达，不产生新的病DNA毒粒子例如，疱疹病毒在感染后可潜伏在神经节细胞中，在免疫力下降或特定刺激下重新活化引起复发性感染某些病毒如人乳头瘤病毒和乙型肝炎病毒与慢性感染和肿瘤发生具有密切关系DNA病毒RNA病毒的基本特征RNA基因组为，复制无校对机制，突变率高RNA病毒的主要分类RNA按单链双链、正链负链和复制方式分类//关键酶系统依赖的聚合酶是复制的核心RNA RNA代表性疾病流感、艾滋病、新冠肺炎、登革热等病毒种类繁多，在分类上可分为双链病毒（如轮状病毒）、正链单链病毒（如脊髓灰质炎病毒、冠状病毒）和负链单链病毒（如流感病毒、麻疹病毒）RNA RNA RNARNA正链病毒的基因组可直接作为被宿主细胞翻译，而负链病毒则需先合成互补的正链作为模板双链病毒通常需携带自身的聚合酶完成转录RNA mRNARNARNARNA RNARNA病毒的显著特点是高突变率，这是由于RNA复制酶缺乏校对功能，每复制10⁴-10⁵个碱基就会出现一个错误这种高突变率一方面使RNA病毒能够快速适应环境变化，逃避宿主免疫防御；另一方面也导致了流感病毒的抗原变异和的高度多样性，给疫苗开发和抗病毒治疗带来挑战病毒是新发传染病的重要来源，包括HIV RNA、和等SARS MERSCOVID-19特殊病毒类型逆转录病毒噬菌体朊病毒亚病毒粒子逆转录病毒携带噬菌体是感染细朊病毒是一类不亚病毒粒子包括基因组，但菌的病毒，结构含核酸的蛋白质类病毒体、卫星RNA其复制周期中包多样，从简单的感染因子，由错和病毒样颗RNA含一个中间二十面体到复杂误折叠的朊蛋白粒等，比完整病DNA体，这依赖于病的头尾结构都有组成正常朊蛋毒结构更简单毒编码的逆转录根据复制周期可白存在类病毒体如马铃PrP^C酶该酶能以分为溶菌性噬菌于动物细胞中，薯纺锤块茎类病为模板合成体（感染后立即而异常折叠的朊毒体，仅由环状RNA，逆转了中裂解宿主）和温蛋白能组成，没有DNA PrP^Sc RNA心法则的信息流和性噬菌体（可够诱导正常朊蛋蛋白质衣壳；卫向人类免疫缺整合入宿主基因白转变为异常形星需要辅助RNA陷病毒是最组成为前噬菌式，引起神经系病毒才能复制；HIV著名的逆转录病体）噬菌体是统退行性疾病，病毒样颗粒则是毒，能够感染分子生物学研究如克雅氏病、牛由病毒衣壳蛋白淋巴细胞，的重要工具，也海绵状脑病疯牛自组装形成的无CD4+T导致艾滋病逆在噬菌体疗法中病和羊瘙痒症等，核酸的空壳，在转录过程错误率被用于抗生素耐这些疾病统称为疫苗研发中具有高，导致具药细菌感染的治传染性海绵状脑应用价值HIV有极高的变异性疗病第四章真菌学基础真菌研究方法概述真菌的生态与经济价值真菌研究涉及形态学观察（光学和电真菌在生物界的地位作为分解者，真菌在生态系统中降解子显微镜）、培养分离技术、生理生真菌的定义与一般特征真菌在传统分类中曾被归入植物界，复杂有机物，促进养分循环许多真化测定、分子生物学方法（如、PCR真菌是一类具有真核细胞结构、以吸现代分类学将其单独归为真菌界分菌与植物形成菌根共生关系，增强植测序）和生物信息学分析等现代组收方式营养、主要通过孢子繁殖的生子系统发育研究表明，真菌与动物的物养分吸收在经济方面，真菌广泛学技术如基因组学、转录组学和蛋白物它们缺乏叶绿素，细胞壁主要由亲缘关系比与植物更近目前已知约应用于食品发酵、抗生素生产、酶制质组学正日益应用于真菌研究，揭示几丁质和葡聚糖组成真菌可以是单有万种真菌，但估计地球上可能存剂开发和生物转化等领域某些真菌真菌的代谢网络和功能机制12细胞形式（如酵母）或多细胞形式在万种，大部分尚未被发也是重要的植物和动物病原体150-500（如丝状真菌）作为异养生物，真现和描述菌通过分泌外消化酶分解有机物质后吸收真菌的形态与结构丝状真菌的基本结构酵母菌的形态特点真菌细胞壁与特殊结构丝状真菌的基本结构单位是菌丝，菌丝是酵母是单细胞真菌，通常呈圆形、卵形或真菌细胞壁是区别于其他真核生物的关键管状的细胞，由细胞壁包围，内含真核细椭圆形，大小在之间酵母细特征，主要成分包括几丁质、葡聚糖、甘3-15μm胞的所有典型结构菌丝可以是无隔的胞具有典型的真核结构，包括细胞核、线露聚糖和糖蛋白等细胞壁提供机械支持，（单核体，如接合菌）或有隔的（多核体，粒体、内质网和高尔基体等细胞器酵母保护细胞免受渗透压损伤，参与营养物质如子囊菌和担子菌）多根菌丝交织在一主要通过出芽方式无性繁殖，一些酵母还吸收和外界信号感应不同类群真菌的细起形成菌丝体，是丝状真菌的营养结构能形成假菌丝或真菌丝，称为双型性酵胞壁组成存在差异，这是抗真菌药物选择母性毒性的基础酵母菌细胞壁主要由甘露聚糖、葡聚糖和在适宜条件下，营养菌丝分化形成繁殖结几丁质组成，比细菌细胞壁更厚更复杂真菌还具有一些特殊结构，如担子菌的扣构，产生各种类型的孢子某些丝状真菌胎芽痕和出芽痕是酵母细胞表面的特征性状联合（相邻菌丝间的连接结构）、菌核还能形成大型子实体，如蘑菇、木耳等结构，是酵母鉴定的重要依据酵母细胞（致密的休眠结构）、菌索（由多根菌丝菌丝尖端具有顶端生长特性，细胞质流动中的储备物质主要是糖原和脂滴缠绕形成的粗壮结构）和吸器（寄生真菌将合成的材料运送到生长点，使菌丝不断用于侵入宿主细胞的特化结构）等这些延伸结构帮助真菌适应不同环境和生活方式真菌的生长与繁殖营养生长无性繁殖通过菌丝延伸和分支，菌落扩大，吸收周围环境的产生无性孢子如分生孢子、孢囊孢子、厚垣孢子等，营养物质不涉及基因重组孢子萌发有性繁殖孢子接触适宜环境，吸水膨胀，发出萌发管，形成配子体融合、核融合和减数分裂，产生有性孢子，新的菌丝体如子囊孢子、担孢子真菌的生长受温度、值、水分、氧气和营养等因素影响大多数真菌生长的最适温度为℃，但也有嗜温、嗜热和嗜冷真菌真菌倾向于酸性环境，最适通常pH25-30pH在之间作为好氧生物，真菌需要氧气进行有效呼吸，但氧气需求量因种类而异水分活度是影响真菌生长的关键因素，大多数真菌需要至少的水分活度4-6aw

0.7真菌的繁殖方式多样，无性繁殖常见于资源丰富的环境，有利于快速扩大种群；有性繁殖则在不利条件下更为常见，增加遗传多样性，提高适应能力某些真菌还能通过菌丝分割或出芽等方式进行无性繁殖真菌生活史的复杂程度各异，从简单的单一循环到复杂的多阶段循环都有了解真菌的生长繁殖特性对于真菌培养、防控和应用至关重要真菌的分类酵母菌与工业应用酵母菌的特征与分类酵母是单细胞真菌，主要通过出芽繁殖大多数酵母属于子囊菌门，少数属于担子菌门常见酵母属包括酿酒酵母、红酵母和念珠菌等酵母菌能Saccharomyces RhodotorulaCandida在有氧条件下完全氧化葡萄糖获取能量，在无氧条件下则进行酒精发酵酵母菌在发酵工业中的应用酿酒酵母是人类最早驯化的微生物之一，广泛应用于啤酒、葡萄酒、黄酒等酒类发酵生产在食品工业中，酵母用于面包制作，通过产生二氧化碳使面团膨胀酵母提取物富含蛋白质、维生素B族和核苷酸，是重要的食品添加剂和调味料近年来，酵母还被用于生物燃料乙醇的生产酵母菌作为模式生物的研究价值酿酒酵母是重要的真核模式生物，基因组简单（约个基因），易于培养和遗传操作酵母6000的许多基本生物学过程与人类细胞相似，包括复制、转录、翻译、蛋白质折叠和细胞周期调DNA控等酵母研究成果对理解真核生物的基本生命过程和人类疾病机制贡献巨大酵母菌基因工程的发展与应用酵母表达系统是生产重组蛋白的重要平台，具有翻译后修饰能力，可产生复杂的真核蛋白酵母基因工程应用包括胰岛素、疫苗抗原、血清白蛋白等生物医药产品的生产，以及工业酶制剂的开发代谢工程改造的酵母还可用于生产高价值化合物，如萜类和类固醇等天然产物丝状真菌与产品开发产抗生素的丝产有机酸的丝产酶的丝状真食用菌的培育状真菌状真菌菌及其工业应与价值用青霉菌黑曲霉食用菌主要是担子Aspergillus和头是工业生产丝状真菌是工业酶菌门的大型子实Penicillium niger孢菌柠檬酸的主要菌制剂的重要来源，体，如双孢蘑菇种，全球年产量超产生多种胞外水解Cephalosporium Agaricus是重要的抗生素生过万吨柠檬酶淀粉酶主要由、香菇200bisporus产菌青霉素的发酸广泛应用于食黑曲霉产生，用于Lentinula现彻底改变了人类品、饮料、制药和淀粉加工和酿造、金针菇edodes对抗感染性疾病的清洁产品中其他业；纤维素酶和木Flammulina能力，成为第一个重要的真菌产有机聚糖酶由木霉和平菇velutipes大规模应用的抗生酸包括米曲霉产生产等现Trichoderma Pleurotus素现代工业发酵的乳酸、黄曲霉产生，应用于生物质代食用菌栽培技术技术通过菌种选生的富马酸和根霉转化和造纸工业；包括菌种培育、培育、培养条件优化产生的苹果酸等蛋白酶由根霉养基配制、接种培和提取工艺改进，有机酸发酵过程需产生，养和环境控制等环Rhizopus大大提高了抗生素精确控制碳氮比、用于食品加工和洗节食用菌不仅是产量基因工程技微量元素水平和涤剂真菌酶具有优质蛋白质来源，pH术的应用使得构建值等参数高效性、特异性和还含有多糖、维生高产菌株和新型抗环境友好性，市场素和微量元素等营D生素分子成为可规模持续增长养物质，具有免疫能调节和降血脂等保健功能第五章原生生物与微藻原生生物的多样性与特征原生生物是一类高度多样化的真核微生物，包括许多不同的进化支系共同特征是单细胞或简单的多细胞结构，但细胞分化程度低细胞结构复杂，具有真核生物的典型细胞器和多样化的专门结构生活方式多样，包括自养、异养和混合营养原生动物的主要类群根据运动方式和形态特征，原生动物可分为肉足虫（如变形虫，通过伪足运动）、鞭毛虫（依靠鞭毛运动）、纤毛虫（靠纤毛运动，如草履虫）和孢子虫（成熟阶段无运动器官，如疟原虫）等类群许多原生动物是医学和兽医学领域的重要病原体微藻的分类与特点微藻是含有叶绿素的光合自养微生物，主要包括蓝藻（实际是原核生物）、绿藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻和隐藻等不同类群在色素组成、储能物质、细胞壁成分和繁殖方式上存在差异微藻是水生生态系统中的主要初级生产者和氧气来源原生生物在生态系统中的作用原生生物是微型食物网的重要组成部分，作为捕食者控制细菌和其他微生物种群许多微藻通过光合作用固定碳，供应食物链某些原生生物参与有机物分解和养分循环寄生性原生生物则影响宿主种群，调节群落结构原生生物也是许多水生动物的重要食物来源原生动物原生动物是一类异养型原生生物，从生态和形态角度可分为四大类群鞭毛虫依靠一根或多根鞭毛运动，包括锥虫如致病的锥虫属、内共生的木质素鞭毛虫和重要病原体利什曼原虫肉足虫通过细胞质流动形成伪足运动，如变形虫和放射虫孢子虫成熟期无运动器官，如疟原虫、球虫和隐孢子虫纤毛虫体表覆盖大量纤毛协调摆动产生运动，结构最为复杂，如草履虫和小瓜虫许多原生动物是重要病原体，疟原虫每年导致全球数十万人死亡，在蚊子和人体之间完成复杂生活周期阿米巴原虫可引起阿Plasmodium米巴痢疾，贾第鞭毛虫导致腹泻，利什曼原虫引起黑热病，锥虫导致非洲睡眠病和美洲锥虫病原生动物研究方法包括显微观察、培养分离、血清学检测和分子生物学技术等原生动物因结构复杂、种类多样，也是研究细胞进化和功能分化的重要模型生物微藻概述万3微藻已知种类地球上存在极为丰富的微藻多样性50%地球光合作用微藻贡献了全球约一半的光合固碳量70%水体氧气海洋中氧气主要来自微藻的光合作用30%石油资源现有石油资源很大部分源于古代微藻沉积微藻是一类多样化的光合自养微生物，包括蓝藻（实为原核生物，但在应用上常与真核微藻一起讨论）和各种真核微藻主要类群包括硅藻，具Bacillariophyceae有独特的硅质细胞壁；绿藻，与高等植物亲缘关系最近；甲藻，许多种类能产生毒素；金藻，常见于淡水；红Chlorophyceae DinoflagellatesChrysophyceae藻，含有特殊的光合色素；以及裸藻、隐藻和黄藻等Rhodophyceae微藻的研究方法多样，包括显微形态观察、纯种分离培养、生理生化分析和分子鉴定等培养体系可分为开放系统（如跑道池）和封闭系统（如光生物反应器）不同微藻种类对温度、光照、值和营养需求各异，培养条件需根据目标藻种特性进行优化随着基因组学、转录组学和代谢组学等技术的应用，微藻研究正进入系统pH生物学时代，为微藻生物技术的发展提供科学基础微藻的应用应用领域利用微藻主要产品或功能应用优势水产养殖小球藻、等鞭金藻鱼虾贝类饵料高营养价值，促进生长发育生物燃料小球藻、杜氏盐藻生物柴油、生物氢可再生，碳中性，不占农田营养保健螺旋藻、杜氏盐藻蛋白质、多不饱和脂蛋白质含量高，富含肪酸微量元素环境治理小球藻、栅藻废水处理，₂固定净化效率高，过程环CO保精细化工雨生红球藻、血球藻虾青素、藻蓝蛋白天然来源，活性高微藻在水产养殖中具有不可替代的作用，作为鱼虾贝类幼体和轮虫等饵料生物的基础饵料微藻提供必需的营养成分，包括优质蛋白质、多不饱和脂肪酸、、维生素和类胡萝卜素等，对水生动物的生长发育、DHA EPA存活率和抗病力有显著促进作用主要用于养殖的微藻包括小球藻、等鞭金藻、盐藻和针杆藻等微藻生物燃料研究近年来备受关注，因其不与粮食作物竞争土地、生长速度快、油脂产量高等优势杜氏盐藻和小球藻等藻种细胞内可积累高达的油脂，经提取转化为生物柴油同时，某些微藻能通过生物光解产生50%氢气，或发酵产生乙醇微藻生物质还可通过热化学转化制备生物原油此外，微藻在废水处理、二氧化碳捕获、高值保健品开发和生物活性物质生产等领域也展现出广阔的应用前景第六章微生物生理与代谢微生物生理学研究的意义1理解生命的基本过程和物质能量转换规律微生物代谢的多样性展现了生命适应各种环境的多样策略微生物代谢调控的基本原理基因表达控制和酶活性调节的精密系统微生物代谢工程的概念4定向改造微生物代谢网络实现目标产物高效生产微生物生理学是研究微生物生命活动规律的学科，包括营养需求、能量获取、物质转化和生长调控等方面这些研究不仅揭示了微生物的基本生命过程，也为微生物资源的开发利用提供了理论基础微生物代谢网络高度复杂而有序，涉及数百种酶促反应和代谢中间产物，这些反应通过精密的调控机制协调进行微生物代谢的多样性是其适应不同生态位的基础从能量代谢看，微生物可利用光能、有机化合物氧化和无机物氧化获取能量；从碳源看，既有利用二氧化碳的自养型，也有依赖有机碳的异养型；从氧气关系看，包括好氧、微需氧、厌氧和兼性等多种类型这种代谢多样性使微生物能够占据几乎所有环境，成为生物圈中物质循环和能量流动的主要推动力微生物的营养类型能源利用光能型和化能型微生物碳源利用自养型和异养型微生物氮源利用3固氮型和非固氮型微生物氧气需求好氧型、厌氧型和兼性微生物电子供体受体/有机物和无机物氧化还原对微生物展现出极其多样的营养获取方式，这种多样性是其广泛分布的基础按碳源和能源利用方式，微生物可分为四类光能自养型（如蓝细菌，利用光能固定₂）；光能异养型（如紫非硫细菌，利CO用光能但需要有机碳源）；化能自养型（如硝化细菌，氧化无机物获能并固定₂）；化能异养型（如大多数细菌和真菌，氧化有机物获能和碳源）CO氮是微生物生长的必需元素，用于合成氨基酸、核酸和其他含氮化合物大多数微生物利用铵盐、硝酸盐或有机氮源，而固氮微生物能利用气态氮₂，包括自由生活型（如固氮菌属）和共生型（如根N瘤菌）微生物还需要多种微量元素和生长因子磷作为核酸、和磷脂的组分，是微生物生长的关键元素；硫用于某些氨基酸合成；铁、锰、锌等作为酶的辅因子参与多种代谢反应某些微生物还ATP需要外源性维生素、氨基酸或嘌呤、嘧啶等生长因子微生物次级代谢产物次级代谢的定义与特点抗生素的生物合成途径次级代谢是微生物在基本生长需求满足后进行的非必需代谢活动，产物不直接参与生长抗生素是最重要的微生物次级代谢产物，主要由放线菌和丝状真菌产生内酰胺类β-和繁殖与主要代谢相比，次级代谢具有以下特点种属特异性强，同一代谢途径仅存抗生素（如青霉素、头孢菌素）由氨基酸衍生物经多步酶促反应合成；多肽类抗生素在于少数相关种类；通常在生长后期或稳定期合成；代谢调控精细，常受环境信号诱导；（如杆菌肽、多黏菌素）由非核糖体肽合成酶复合体催化合成；多烯类（如两性霉素）产物结构复杂多样，如多环、含氮或含卤素等特殊结构和大环内酯类（如红霉素）则主要通过聚酮合酶途径合成抗生素的产量和质量受培养条件、碳氮源和微量元素等因素影响色素与毒素的产生机制次级代谢与环境信号的关系许多微生物产生色素，如革兰氏阴性菌的黄素类色素、放线菌的多烯类色素、真菌的类次级代谢通常由环境信号诱导，包括营养缺乏、种群密度变化、竞争压力和物理化学因胡萝卜素和黑色素等微生物毒素种类多样，包括内毒素（革兰氏阴性菌细胞壁成分）素等例如，抗生素产生常在氮源或磷源耗竭时启动；铁限制条件下某些微生物会产生和外毒素（分泌到胞外的蛋白质毒素）外毒素根据作用机制可分为细胞毒素、神经毒铁载体；环境胁迫如温度、和氧化压力变化也会诱导某些次级代谢产物的合成许pH素和肠毒素等真菌毒素如黄曲霉毒素和赭曲霉毒素是重要的食品污染物，严重危害人多细菌通过群体感应机制感知种群密度，在高密度时激活次级代谢途径，如发光细菌的畜健康发光系统和病原菌的毒力因子表达极端环境微生物的适应机制嗜热微生物与耐热机制嗜冷微生物与低温适应嗜盐微生物与渗透压调节嗜酸嗜碱微生物与适应/pH嗜热菌能在℃环境中生长，超嗜冷微生物能在℃环境中生嗜盐微生物在高盐环境嗜酸微生物在环境中生长，50-800-

150.5-3M pH0-4嗜热菌甚至适应℃的极端高长，广泛分布于极地海洋、高山和深中生长，极端嗜盐菌甚至需要如温泉和矿山酸性废水中的硫杆菌；80-110NaCl温这类微生物主要分布在温泉、热海环境低温适应机制包括增加细接近饱和的盐浓度它们主要分布于嗜碱微生物在环境中生pH9-12液口和深海热泉等环境它们的适应胞膜中不饱和脂肪酸比例，保持膜流盐湖、盐田和高盐土壤适应机制分长，如碱湖和苏打湖中的碱杆菌pH机制包括高含量提高热稳动性；合成抗冻蛋白防止冰晶形成；为两类盐中性策略，通过排出适应机制包括维持细胞内稳定，GC DNANa+pH定性；特殊组成的细胞膜增加刚性；产生低温活性酶，在低温下保持足够并累积相容性溶质如甘油、甜菜碱通常通过主动运输系统控制H+/OH-耐热蛋白质含有更多疏水相互作用和催化效率；合成相容性溶质如甘油和平衡渗透压；盐内适应策略，细胞内流动；细胞壁和膜的特殊组成，抵抗离子桥；产生热休克蛋白和分子伴侣海藻糖保护生物大分子；表达冷休克积累高浓度，蛋白质进化出耐高盐酸碱侵蚀；产生特殊酶系在极端下K+pH保护其他蛋白质；特殊的修复系蛋白帮助正确折叠嗜冷微生物特性嗜盐微生物的特殊酶和相容性保持活性；酸碱胁迫响应系统，调控DNARNA统应对高温损伤嗜热菌的耐热酶在的低温酶在食品加工、洗涤剂和生物溶质在食品保存、环境修复和工业催一系列基因表达应对变化嗜酸菌pH洗涤剂、生物转化和分子生物学研究修复中有应用，能在低温条件下高效化中有应用，某些极端嗜盐菌的类胡在生物浸矿和污染物降解中有应用，中具有重要应用价值工作，节约能源萝卜素和膜蛋白也具有商业价值嗜碱菌的产酶用于洗涤剂和皮革加工工业第七章微生物生态学微生物生态学的研究内微生物群落与种群概念微生物间的相互作用微生物生态学研究方法容微生物种群是指在特定环境微生物之间存在多种相互作传统方法包括显微观察和选微生物生态学研究微生物与中同一物种的所有个体；微用类型，包括共生如固氮择性培养技术，但自然环境环境及其他生物之间的相互生物群落则是指特定环境中菌与豆科植物、互惠如厌氧中以上的微生物无法在99%关系，包括微生物在自然环所有微生物种群的总和微消化中的产酸菌与产甲烷实验室培养分子方法克服境中的分布、种群动态、群生物群落具有物种多样性、菌、竞争对共同资源的争了这一限制，包括宏基因组落结构、功能活动以及它们功能多样性和空间异质性等夺、捕食原生动物捕食细学研究环境样本中所有微生在生态系统中的作用关注特点群落结构受环境因素菌、寄生噬菌体感染细物的总、宏转录组学DNA微生物如何适应和改变环温度、、营养和生物因菌、拮抗抗生素生产和共研究基因表达、单细胞基因pH境，以及如何参与生物地球素竞争、捕食、共生共同影代谢一个微生物的代谢产物组学和环境代谢组学等新化学循环现代微生物生态响群落演替是指群落组成被另一个利用这些相互作兴技术如稳定同位素示踪、学整合了传统培养方法与分随时间推移而发生的有序变用共同塑造了微生物群落的高通量测序和生物信息学分子技术，从单细胞到整个生化，如有机物分解过程中不结构和功能，影响生态系统析使微生物生态研究进入新态系统进行多层次研究同微生物的依次出现过程时代，揭示了微生物世界的真实面貌土壤微生物生态系统水体微生物生态系统淡水生态系统湖泊、河流和湿地中的微生物群落结构和功能淡水环境中微生物丰度通常为个毫升，主要类10⁵-10⁷/群包括细菌如假单胞菌属、芽孢杆菌属、蓝藻、单细胞藻类和原生动物这些微生物参与有机质分解、初级生产和养分转化，影响水质和食物网结构海洋生态系统海洋是地球上最大的微生物栖息地，包含多样的微生物群落表层海水中微生物丰度约为10⁶个/毫升，随深度增加而减少海洋微生物主要包括异养细菌如类群、蓝藻如聚球藻和原绿球藻、古菌、浮SAR11游病毒和微型真核生物海洋微生物驱动全球碳泵，通过光合作用和有机碳降解影响大气二氧化碳浓度营养循环水体中的微生物在碳、氮、磷、硫等元素循环中扮演核心角色光合微生物如蓝藻和微藻固定二氧化碳,产生有机物；异养微生物分解有机物释放无机营养特定微生物参与氮循环的各个环节如固氮、硝化和反,;,硝化磷循环中微生物通过分泌磷酸酶水解有机磷化合物影响水体中磷的生物可利用性;,水质净化微生物在自然水体净化和人工水处理中发挥重要作用自然净化中，异养微生物分解污染物，将其转化为无害物质；人工水处理系统如活性污泥法和生物膜法则利用微生物代谢活性降解有机污染物、转化氮磷等营养物，并通过生物絮凝和吸附去除污染物生物强化技术通过添加特定功能微生物提高水处理效率和针对性蓝藻水华和赤潮是水体生态系统失衡的表现在富营养化条件下，特定蓝藻如微囊藻、鱼腥藻或甲藻大量繁殖形成水,华或赤潮这些微生物释放毒素危害水生生物和人类健康同时导致水体缺氧破坏生态平衡水华形成机制涉及营养负,,,荷、水文条件和气候变化等多种因素研究和控制这些现象对保护水资源具有重要意义,微生物与生物地球化学循环碳循环氮循环微生物通过光合作用固定大气₂，异养微生物分解微生物驱动的固氮、氨化、硝化和反硝化过程形成完CO有机碳并释放₂整氮素转化网络CO磷循环硫循环溶磷微生物将难溶性磷酸盐转化为可溶形式供生物利硫酸盐还原菌和硫氧化菌在硫化物和硫酸盐之间进行用氧化还原转换微生物是全球生物地球化学循环的主要驱动力，通过复杂的代谢过程促进元素在不同形态间的转换和流动在碳循环中，光合微生物蓝藻、藻类每年固定约亿吨碳，而异养500微生物则分解有机碳，释放二氧化碳返回大气海洋中的微型浮游生物通过生物泵将碳输送到深海，影响气候变化进程土壤微生物参与有机质分解和腐殖质形成，调控土壤碳汇功能甲烷生成菌和甲烷氧化菌共同调节全球甲烷排放氮循环是最复杂的微生物驱动元素循环，包括多个关键过程固氮微生物如根瘤菌、蓝藻将大气₂转化为氨；氨化细菌分解有机氮化合物释放铵；硝化细菌将铵氧化为亚硝酸N盐再到硝酸盐；反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气新发现的厌氧氨氧化过程在某些生境中也发挥重要作用微生物参与的硫循环包括硫酸盐还原、硫化物氧化和有机Anammox硫代谢等过程，在海洋和沉积物中尤为活跃磷循环中，溶磷微生物通过分泌有机酸和磷酸酶增加磷的生物可利用性，对植物生长和生态系统生产力有重要影响人体微生物组万亿381000+细菌总数微生物种类人体内微生物细胞数量超过人体细胞肠道内存在的不同微生物种类数量

3.3%70%基因贡献免疫系统微生物基因组对人体基因功能的贡献率人体免疫系统由肠道微生物调节的比例人体微生物组是指生活在人体各部位的微生物群落及其基因的总和，被视为人体的隐形器官肠道微生物组是研究最为深入的部分，由细菌、古菌、真菌、病毒和原生生物组成，以厚壁菌门（如拟杆菌属、梭菌属）和拟杆菌门（如双歧杆菌属、消化链球菌属）为主皮肤微生物组因皮肤部位不同而差异显著，油性区域以痤疮丙酸杆菌为主，潮湿部位以革兰氏阴性菌为主口腔微生物组复杂多样，含有约种微生700物人体微生物组与宿主健康密切相关，参与多种生理代谢功能参与难消化碳水化合物的分解、合成维生素和、分解胆汁酸、调节肠道免疫系统发育和功能，以及形成抵抗病原体入侵的屏障微生物组失调与多B K种疾病相关，包括炎症性肠病、肥胖、糖尿病、过敏、自身免疫疾病和某些神经系统疾病基于微生物组的新型治疗方法正在发展，包括粪菌移植、益生菌益生元干预和微生物组定向药物开发/第八章应用微生物学微生物技术的新兴方向微生物资源的开发与利用微生物技术正向更精准、高效和多功能方工业微生物学的发展历程微生物资源开发是应用微生物学的基础，向发展合成生物学使设计微生物底盘应用微生物学的研究领域工业微生物学经历了从经验积累到理性设包括三个主要方向从自然环境分离筛选和人工代谢途径成为可能；微生物组学研应用微生物学是微生物学的实践分支，研计的演变过程传统发酵技术可追溯到几具有特定功能的微生物；通过诱变育种和究揭示了复杂微生物群落的功能，为微生究如何利用微生物及其代谢产物为人类服千年前的酒、醋、乳制品发酵；世纪基因工程改造现有微生物，提高其产量或物群系工程开辟道路；单细胞技术实现了20务主要研究领域包括工业微生物学（发初，发酵产业开始工业化生产柠檬酸、丙改变其性能；利用合成生物学方法设计构对微生物个体异质性的研究；生物打印和酵工业、酶工程、代谢工程）、食品微生酮和丁醇；20世纪40年代青霉素工业生建具有新功能的微生物微生物保藏中心生物3D打印技术使微生物空间排布可物学、环境微生物学、农业微生物学和医产标志着现代生物制药时代开始；年在保存生物多样性和提供研究材料方面发控，创造新型生物材料；生物信息学和人70学微生物学等随着生物技术的发展，基代基因工程技术使高价值蛋白质生产成为挥重要作用微生物资源的可持续利用需工智能的应用加速了微生物研究和应用的因工程微生物和合成生物学设计的人工微可能；世纪以来，系统生物学和合成结合传统知识和现代技术，并注重生物安进程，预测功能和优化过程21生物为应用微生物学注入新活力生物学引领微生物工业进入精准设计阶全和知识产权保护段食品与发酵微生物学食品发酵是人类最古老的生物技术之一，利用微生物的代谢活动改变食物原料的风味、质地、营养价值和保存性发酵过程中，微生物通过酶促反应将大分子物质分解为小分子物质，产生有机酸、醇类、酯类等风味物质，同时抑制有害微生物生长乳酸菌是最重要的食品发酵微生物之一，包括乳杆菌属、乳球菌属和双歧杆菌属等，广泛应用于乳制品发酵这些细菌将乳糖转化为乳酸，降低值，同时产生多种风味物质和生物活性物质pH酒类发酵主要依靠酵母菌的作用，酿酒酵母将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳不同酒类使用不同菌种和发酵工艺啤酒需要麦芽糖化和酵母发酵两个阶段；葡萄酒依靠葡萄表面自然酵母或接种特定酵母菌发酵；中国白酒则采用多种微生物复合作用的大曲发酵醋的生产包括酒精发酵和醋酸发酵两个阶段，后者由醋酸菌将乙醇氧化为醋酸发酵食品不仅具有独特风味，还富含生物活性物质，益生菌和益生元等功能成分对人体健康有益，如促进肠道微生物平衡、增强免疫力、改善营养吸收等工业微生物学产品类别代表微生物主要应用年产量市场规模/微生物酶枯草芽孢杆菌、曲霉菌洗涤剂、食品加工、纺织亿美元50氨基酸谷氨酸棒杆菌食品添加剂、饲料、医药万吨900有机酸黑曲霉、乳酸菌食品保鲜剂、塑料原料万吨800抗生素链霉菌、青霉菌医药、兽药亿美元400多糖黄原胶菌、醋杆菌食品增稠剂、生物材料亿美元10微生物酶是工业生物技术的核心产品，具有高催化效率、反应特异性和环保特性工业酶主要来源于细菌和真菌，如枯草芽孢杆菌的蛋白酶、黑曲霉的淀粉酶和木霉的纤维素酶这些酶广泛应用于洗涤剂、食品加工、造纸、纺织和生物燃料生产等领域酶制剂的工业生产包括菌种筛选、发酵优化、下游提取和制剂加工等环节蛋白质工程和定向进化技术被用于改造酶的性能，如提高热稳定性、拓展适用范围和增强底物特异性pH氨基酸和有机酸是微生物发酵的重要产品谷氨酸是产量最大的氨基酸，主要由谷氨酸棒杆菌发酵生产，广泛用作调味剂；赖氨酸作为饲料添加剂，满足单胃动物必需氨基酸需求；色氨酸和苯丙氨酸则用于食品和制药行业柠檬酸是最重要的有机酸产品，由黑曲霉发酵生产，应用于食品、饮料和清洁产品抗生素工业生产采用深层发酵技术，链霉菌是主要生产菌种，产品包括链霉素、红霉素等微生物多糖如黄原胶、葡聚糖和海藻酸等，因其独特的流变性能和生物相容性，在食品、医药和材料领域有广泛应用环境微生物学生物修复的原理与方法污水处理的微生物学基础生物修复是利用微生物代谢活动降解或转化环境污染物的技术根据实施方式，可分为原位修微生物是污水处理的核心，通过代谢作用去除有机污染物和营养物活性污泥法是最常用的处复在污染现场直接处理和异位修复将污染物转移到特定场所处理主要策略包括生物刺激理工艺，依靠悬浮生长的微生物絮体分解污染物微生物在好氧段将溶解性有机物转化为二氧添加营养物质和电子受体，激活土著微生物；生物强化接种特定功能微生物；植物微生物化碳、水和新的生物量；在厌氧缺氧段，特定微生物进行反硝化和除磷生物膜法利用附着生-/联合修复利用植物根际微生物协同作用；生物通风供氧促进好氧微生物活性生物修复适用长的微生物形成生物膜，包括生物滤池、生物转盘和生物接触氧化等形式厌氧消化则利用产于石油烃、多环芳烃、农药、爆炸物和某些重金属等多种污染物甲烷菌将有机物转化为沼气，处理高浓度有机废水和污泥固体废物处理与微生物作用微生物矿冶技术的应用微生物在固体废物处理中发挥关键作用，主要通过堆肥和厌氧消化两种方式堆肥是一种有氧微生物矿冶技术利用微生物与矿物的相互作用，实现金属的提取、富集和回收生物浸矿是最生物降解过程，微生物将有机废物转化为稳定的腐殖质，同时杀灭病原体堆肥过程分为中温成熟的应用，主要利用嗜酸硫杆菌和嗜热硫杆菌氧化硫化矿物，释放铜、金、铀等金属生物期、高温期和成熟期，涉及细菌、放线菌和真菌的顺序参与厌氧消化则在无氧条件下，通过氧化预处理用于难处理金矿，增加氰化浸出率生物吸附和生物富集利用微生物表面官能团或产酸菌和产甲烷菌的协同作用将有机物转化为沼气，适用于高含水量废物垃圾填埋场中也发特定代谢过程富集金属离子，用于废水处理和低品位资源回收二次污染控制中，硫酸盐还原生复杂的微生物降解过程，产生填埋气并逐渐稳定废物菌可将重金属转化为硫化物沉淀，实现重金属固定微生物矿冶具有能耗低、环境友好等优势，但也面临处理速度慢、工艺控制复杂等挑战农业微生物学生物肥料生物农药饲料添加剂植物微生物互-作生物肥料是含有活微生物农药是利用微生微生物饲料添加剂主生物的制剂，能促进物或其代谢产物防治要包括益生菌、酶制植物与微生物之间存植物营养吸收和生长农业有害生物的制剂剂和发酵饲料益生在复杂的互作关系，主要类型包括固氮细菌农药中最重要的菌如乳酸菌、芽孢杆深刻影响农业生产菌肥料如根瘤菌、是苏云金芽孢杆菌，菌、酵母菌等，能调根际微生物通过多种固氮螺菌，通过生其产生的杀虫晶体蛋节动物肠道微生物平机制促进植物生长，物固氮提供氮源；溶白对鳞翅目害虫高效衡，增强免疫力，改包括固氮、溶磷、产磷菌肥料如芽孢杆特异；真菌农药如球善饲料转化率；微生生植物激素和抗生物菌、假单胞菌，分孢白僵菌和绿僵菌能物酶制剂如纤维素酶、质等菌根真菌与泌有机酸和磷酸酶释侵染多种害虫；病毒植酸酶、蛋白酶等，以上的陆地植物90%放难溶性磷；丛枝菌农药主要是核型多角提高饲料消化率和营形成共生关系，提高根真菌，通过与植物体病毒，对特定害虫养利用率，减少抗营植物养分和水分吸收根系共生扩大养分吸有高度特异性微生养因子影响；发酵饲内生菌如内生固氮菌、收表面积；促生菌肥物源农药指提取自微料通过微生物发酵预内生真菌等生活在植料，产生植物激素或生物的活性物质，如处理，增加饲料适口物体内，提供营养和抑制病原菌，促进植阿维菌素、春雷霉素性和营养价值，同时保护微生物还参与物生长生物肥料具等生物农药具有靶降低抗营养因子含量植物的系统获得性抗有环保、经济和改良标特异性高、环境友微生物饲料添加剂的性和诱导性系统抗性，土壤等优势，是绿色好和抗性发展慢等优应用减少了抗生素使增强植物对病原体和农业的重要组成部分点，是化学农药的重用，促进了畜牧业可逆境的抵抗力了解要替代品持续发展和利用这些互作关系是发展可持续农业的重要途径微生物学研究前沿合成生物学与人工微生物设计合成生物学将工程学原理应用于生物系统，设计和构建具有新功能的生物体在微生物领域，研究者已开发出标准化生物元件库，如启动子、调控序列和蛋白编码序列，用于组装复杂的遗传线路最小基因组设计去除非必需基因，创造简化底盘细胞；人工代谢途径工程引入新的生化反应，生产化学品、药物和生物燃料；基因开关和逻辑门的设计使微生物能响应特定信号克雷格文特尔团队已成功合成全基因组并移植到受体细胞，创造人造细胞，标志着合成生物学重大突破·微生物组领域研究进展微生物组研究从描述性分析向功能解析和干预调控方向发展新一代测序技术和生物信息学使微生物群落结构和功能研究更加深入；宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学相结合，揭示微生物群落的功能活性；微生物网络分析识别关键物种和相互作用关系微生物组研究已扩展到多个领域人体微生物组与健康、疾病的关系；环境微生物组与生态系统功能；植物微生物组与农业生产；极端环境微生物组与新资源发现微生物组干预技术如益生菌、益生元、粪菌移植和精确微生物组编辑等正在蓬勃发展单细胞测序技术的应用单细胞技术突破了传统混合样本测序的局限，实现对单个微生物细胞的分析单细胞分离方法包括流式细胞分选、微流控芯片和激光捕获显微切割等；单细胞全基因组扩增技术如多重置换扩增使极少量分析成为可能；单细胞转录组测序MDA DNA揭示基因表达异质性这些技术已用于多个领域未培养微生物的基因组测定；微生物群落中稀有物种的发现；病原微生物的快速鉴定；微生物在自然环境中的基因表达分析；微生物进化和水平基因转移研究等，极大拓展了微生物学研究范围在微生物研究中的应用CRISPR-Cas9系统源自细菌和古菌的适应性免疫系统，已发展为强大的基因编辑工具在微生物研究中，该技术实现了高CRISPR-Cas9效、精准的基因敲除、敲入和调控和系统通过阻遏或激活基因表达，实现基因功能的可逆调控；CRISPRi CRISPRa筛选构建基因敲除文库，进行高通量功能基因组学研究；多重基因编辑提高了复杂代谢工程的效率技术已CRISPR CRISPR用于微生物菌株改良、代谢重编程、药物靶标验证、微生物分类鉴定和病原机制研究等多个领域，引导微生物学研究进入精准操作时代未来发展方向包括无痕编辑、精确碱基编辑和表观遗传调控等总结与展望微生物学在解决全球挑战中的作用应对气候变化、环境污染和资源短缺的关键力量微生物学在科学研究中的地位2生命科学基础、交叉学科核心和技术创新源泉微生物学基础知识体系3从形态到功能、从个体到群落的系统性认知微生物学的未来发展方向精准化、系统化、智能化和融合化的发展趋势通过本课程的学习，我们系统了解了微生物学的基础知识体系，包括微生物的多样性、结构、生理、遗传与进化、分类、生态和应用等方面微生物作为地球上最早出现、数量最多、分布最广的生命形式，不仅是基础生命科学研究的重要对象，也是解决人类面临的健康、环境和能源等问题的关键从细菌、病毒、真菌到原生生物，从个体到群落，从基础到应用，我们看到了微观世界的宏大图景和深刻奥秘展望未来，微生物学将朝着更加精准、系统、智能和融合的方向发展基因编辑、合成生物学和微生物组学等前沿技术将推动微生物资源的创新利用；人工智能和大数据分析将加速微生物研究的进程；微生物工程将在绿色制造、环境修复、健康管理和可持续农业等领域发挥更大作用同时，微生物学也面临新的挑战，如新发传染病预警、抗生素耐药性危机和微生物资源保护等问题作为未来的微生物学者，需要树立全球视野和跨学科思维，既掌握坚实的基础知识，又具备创新应用的能力，为人类社会的可持续发展贡献力量。