《微生物的基本概念》课件

微生物的基本概念微生物是一个神奇而又充满活力的微观世界，它们虽然微小到肉眼无法直接观察，却在地球生态系统中扮演着至关重要的角色这些微小的生命体种类繁多，形态各异，分布广泛，从深海到高空，从酸性温泉到南极冰层，几乎无处不在本课程将带领大家探索微生物的奇妙世界，了解它们的基本概念、种类、结构特征以及它们与人类生活的密切关系通过学习微生物学基础知识，我们将揭示这个肉眼不可见却影响深远的微观宇宙让我们一起踏上这段探索微小生命奥秘的旅程，发现微生物世界的无穷魅力与巨大潜力什么是微生物？微小的生命体结构多样性微生物是指个体微小，肉眼通微生物包括单细胞或简单多细常无法直接观察，需要借助显胞形式，从结构最简单的病毒微镜才能看到的生物它们的到相对复杂的原生生物，种类大小一般在微米之丰富多样它们可以是原核生

0.1-100间，是地球上数量最多、分布物（如细菌和古菌）或真核生最广的生物类群物（如真菌和原生生物）进化历史悠久微生物是地球上最早出现的生命形式，存在已有约亿年历史它们35的进化历程见证了地球生命的起源与发展，为其他生物的演化奠定了基础微生物的历史起源1年1665英国科学家罗伯特胡克首次描述了微生物世界，他在自制显微·镜下观察并绘制了霉菌的结构，出版了《显微图谱》一书2年1676荷兰商人安东尼范列文虎克使用自制显微镜首次观察到细菌，··被称为微生物学之父他详细记录了口腔、雨水和其他环境中的微生物3年1857-1876法国科学家路易巴斯德进行了一系列实验，驳斥了自然发生·说，证明微生物来源于已存在的微生物，并发展了疫苗和巴氏灭菌法微生物学的发展进程世纪微生物的发现时期17-18列文虎克发现微生物，斯帕兰扎尼质疑自然发生说，奠定了微生物学的基础这一时期主要依靠简单的显微观察技术，对微生物世界进行初步探索世纪微生物学的黄金时代19巴斯德证明了发酵是微生物活动的结果，驳斥了自然发生说；科赫建立了病原微生物学，提出了科赫法则；建立了纯培养技术，使微生物研究走向系统化世纪分子微生物学时代20发现抗生素，双螺旋结构被揭示，分子生物学技术被广泛应用于微生物研究微生物的遗传机制和代谢途径被逐步阐明，基因工程技术兴起DNA世纪组学与合成生物学时代21高通量测序技术使微生物组学研究成为可能，纳米技术与微生物研究相结合，合成生物学和基因编辑技术开启了人工设计和改造微生物的新纪元CRISPR-Cas9微生物的主要类型病毒非细胞型微生物，仅由核酸真菌古菌（或）和蛋白质构成DNA RNA真核微生物，包括单细胞酵母和多它们必须寄生在活细胞内才能繁外形似细菌但在进化上与细菌有显细胞霉菌它们通过分解有机物获殖，是许多疾病的病原体，也是生著差异的原核生物它们常生活在取营养，在物质循环中扮演分解者态系统中重要的基因传递者极端环境中，如高温、高盐、强酸角色许多真菌能产生孢子进行繁等条件下，具有独特的细胞结构和细菌殖代谢特点原生生物单细胞原核生物，无核膜，大小通常在

0.5-5微米之间它们是地球单细胞或简单多细胞的真核微生上数量最多、分布最广的微生物物，如变形虫、草履虫等它们在形态多样，包括球形、杆形、螺旋水环境中广泛分布，在水生生态系形等统食物链中扮演重要角色微生物的主要特征微小体积结构简单微生物的最显著特征是其极小的与高等生物相比，微生物结构相体积，多数需要显微镜才能观对简单原核微生物没有成形的察细菌通常为微米，病毒细胞核和复杂的细胞器即使是

0.5-5更小，仅纳米这种微小真核微生物，其细胞组织和器官20-300体积使它们能够适应各种环境缝系统也远比多细胞生物简单，使隙，广泛分布于地球各处其更易适应环境变化繁殖迅速微生物繁殖速度极快，在适宜条件下，大肠杆菌的分裂周期仅需分钟20左右这种快速繁殖能力使微生物能在短时间内形成大量群体，也为其快速进化和适应环境提供了条件微生物的形态特征球形（球菌）典型的球形微生物如葡萄球菌、链球菌等，直径约

0.5-

1.5微米它们可以单个存在，也可以形成对球菌、四联球菌、链球菌或者葡萄状球菌等不同排列方式，这些排列方式是鉴定细菌种类的重要依据杆形（杆菌）杆状细菌如大肠杆菌、枯草杆菌等，长度通常为1-10微米，宽度约

0.3-

1.5微米杆菌可以是直的或弯曲的，单个或成链排列有些杆菌两端膨大呈棒状或纺锤形，还有些能形成芽孢螺旋形（螺旋菌）螺旋形细菌如螺旋体、弧菌等，呈弯曲或螺旋状，长度各异它们可以是轻微弯曲的弧菌（如霍乱弧菌），也可以是多圈螺旋的螺旋体（如梅毒螺旋体），这种形态有助于它们在液体或半固体环境中游动微生物的细胞结构原核生物结构细菌的特殊结构细菌和古菌是典型的原核生物，其主要特点是没有由核膜包围的许多细菌还具有特殊的结构，如用于运动的鞭毛、用于附着的菌真正细胞核其以环状染色体形式存在于细胞质中的核毛、用于抵抗不良环境的芽孢以及用于基因交换的性菌毛等这DNA区细胞内没有膜状细胞器如线粒体、内质网和高尔基体等些结构使细菌能够适应各种环境条件，增强其生存能力细胞壁提供结构支持和保护，成分主要为肽聚糖•荚膜一些细菌外层的黏液层，增强致病性细胞膜控制物质进出，进行能量转换••鞭毛用于游动的长丝状结构核区含有遗传物质，无核膜隔离••菌毛较短的丝状附属物，用于附着核糖体负责蛋白质合成，结构较真核生物简单••芽孢某些细菌在不良环境中形成的休眠结构•真菌的结构与特征单细胞酵母如酿酒酵母，呈椭圆或球形，通常通过出芽方式繁殖多细胞霉菌由菌丝体组成，分为营养菌丝和生殖菌丝真核结构具有由核膜包围的细胞核及完整的细胞器系统真菌是一类重要的真核微生物，广泛分布于土壤、水体和空气中它们的细胞壁主要成分是几丁质，这与植物细胞壁的纤维素成分明显不同真菌通常是腐生或寄生生物，通过分泌外消化酶分解有机物质获取营养真菌的繁殖方式多样，可通过有性和无性两种方式进行无性繁殖包括分裂、出芽和产生无性孢子；有性繁殖则涉及配子体融合和减数分裂，产生有性孢子这种多样的繁殖方式使真菌能够在各种环境中有效传播和生存病毒的结构20-4002纳米大小基本组成病毒颗粒极小，通常在纳米范围内，需仅由遗传物质（或）和蛋白质外壳构20-400DNA RNA要电子显微镜才能观察成0无细胞结构不具备独立的代谢系统，不能独立繁殖病毒是一种处于生命和非生命边缘的特殊微生物，其结构极为简单，仅由核酸和蛋白质构成病毒的核酸可以是或，但不会同时具有两种核酸病毒的蛋白质外壳称为衣壳，由多个蛋DNA RNA白质亚基组成，排列成特定的几何形状，如二十面体或螺旋状结构一些复杂病毒还具有包膜，由宿主细胞膜衍生而来，包含病毒编码的糖蛋白某些病毒还携带病毒酶，如逆转录病毒的逆转录酶这些结构特征使得病毒能够有效地感染宿主细胞并利用宿主的生物合成机制进行复制古生菌特性极端环境适应能力独特的细胞膜结构古菌是最能适应极端环境的微生物古菌的细胞膜结构与细菌和真核生之一，它们能在高温（的物显著不同它们的膜脂是由异戊60-110℃热泉和海底热液喷口）、高盐（饱二烯单位和甘油通过醚键连接，而和盐水环境）、极端值（非传统的脂肪酸与甘油通过酯键连pH pH2或）以及高压环境中生存接这种结构使古菌膜具有极高的pH11这些被称为嗜热菌、嗜盐菌、嗜酸稳定性，能够在极端环境下维持完菌和嗜碱菌的古菌，拥有特殊的细整性胞膜和酶系统进化地位的特殊性在进化树上，古菌与细菌和真核生物并列为生命的三大领域从核糖体和RNA某些代谢途径看，古菌与真核生物更接近；但从细胞结构和大小上看，古菌又更像细菌这种特殊性使古菌成为研究生命演化的重要材料原生生物种类原生生物是一类多样化的真核微生物，它们大多为单细胞或简单的多细胞结构主要类型包括变形虫（如阿米巴）、纤毛虫（如草履虫）、鞭毛虫（如眼虫）、孢子虫等这些微生物在形态、结构和生活方式上差异显著，但都具有完整的真核细胞结构原生生物主要生活在水环境中，包括海洋、淡水和湿润的土壤有些种类可以形成休眠孢子，在不良环境下长期存活它们在生态系统中扮演着重要角色，既可作为基础生产者（如光合自养的藻类），也可作为分解者或捕食者一些寄生性原生生物如疟原虫、利什曼原虫等可引起人类和动物疾病细菌的染色方法涂片制备在洁净载玻片上滴一小滴无菌水，取少量菌落均匀涂抹，自然干燥后经火焰轻轻固定这一步骤将细菌固定在载玻片上，便于后续染色和观察革兰氏染色过程首先用结晶紫染色分钟，水洗；然后用碘液处理分钟，水洗；接着11用酒精脱色秒，水洗；最后用番红复染分钟，水洗并晾干这一301系列步骤能区分细菌的细胞壁类型染色结果判读革兰阳性菌呈紫色，革兰阴性菌呈红色这种差异反映了细胞壁结构的不同阳性菌有厚的肽聚糖层能保留结晶紫碘复合物，而-阴性菌肽聚糖层薄，复合物被酒精洗去，只保留番红的红色细菌的主要分类根据细胞壁结构分类根据形态结构分类革兰氏染色是细菌最基本的分类方法，基于细胞壁结构差异，可根据细菌的外部形态，可以将细菌分为以下几种主要类型将细菌分为革兰阳性菌和革兰阴性菌两大类球菌呈球形，如链球菌、葡萄球菌、肺炎球菌•革兰阳性菌细胞壁肽聚糖层厚，染色后呈紫色，如金黄色•杆菌呈杆状，如大肠杆菌、枯草杆菌、结核杆菌•葡萄球菌、枯草芽孢杆菌弧菌呈弯曲的杆状，如霍乱弧菌、幽门螺杆菌•革兰阴性菌细胞壁肽聚糖层薄，外有脂多糖外膜，染色后•螺旋菌呈螺旋状，如梅毒螺旋体、钩端螺旋体•呈红色，如大肠杆菌、铜绿假单胞菌细菌繁殖方式复制细胞质分裂DNA细菌染色体开始从特定位点复制，形成复制完成后，细胞中央开始形成隔膜，DNA DNA两份完全相同的分子细胞质被均分DNA细胞生长细胞分离子细胞继续生长至原始大小，准备下一轮分隔膜完全形成，细胞壁闭合，形成两个独立裂的子细胞二分裂是细菌最主要的繁殖方式，在适宜条件下，一个细菌细胞可以在分钟内完成一次分裂理论上，一个细菌在小时内可产生数百亿个后20-3024代，但实际环境中由于营养和空间限制，细菌数量不会无限增长某些细菌（如枯草杆菌、炭疽杆菌）在不良环境条件下能形成芽孢，这是一种休眠结构，具有极强的抵抗力，可在高温、干燥、化学药剂等恶劣条件下存活多年当环境适宜时，芽孢可萌发为营养细胞，恢复生长繁殖真菌的繁殖方式出芽生殖孢子繁殖有性繁殖单细胞酵母菌的主要繁霉菌等多细胞真菌常通涉及两个配合型菌株的殖方式母细胞表面长过产生大量孢子进行繁融合，形成二倍体，然出小芽，芽体逐渐长殖孢子可通过空气、后经减数分裂产生遗传大，最后脱离母细胞成水或动物传播到新环多样性的子代这种方为新的独立个体这是境，在适宜条件下萌发式能增加真菌的遗传变一种无性繁殖方式，产形成新的菌丝体孢子异，有利于适应环境变生的子代与母体基因组可以是有性或无性产生化和进化完全相同的病毒的生命周期吸附病毒表面的特异性受体与宿主细胞膜上的相应结构结合侵入病毒核酸进入宿主细胞，衣壳留在细胞外或被吞噬降解复制病毒核酸和蛋白质在宿主细胞内大量合成组装新合成的病毒核酸和衣壳蛋白组装成完整的病毒粒子释放成熟病毒颗粒通过宿主细胞裂解或出芽方式释放微生物的适应性遗传变异通过突变和基因重组快速进化结构适应形成孢子、生物膜等保护结构代谢多样性调整代谢途径以适应不同营养条件环境耐受性能在极端温度、值和盐度下生存pH微生物展现出惊人的适应能力，这使它们能够在地球上几乎所有环境中生存从深海热液喷口到南极冰层，从酸性温泉到碱性湖泊，都能找到适应了当地环境的微生物这种适应性主要源于它们快速的世代更替和遗传物质交换能力，使它们能在短时间内产生适应特定环境的变异许多微生物在面临不良环境时会进入休眠状态，如细菌形成芽孢、真菌产生厚壁孢子等在休眠状态下，微生物代谢活动极度降低，能耐受通常致命的环境条件一些细菌芽孢已被证明可存活数千年，当环境再次适宜时迅速恢复活力这种生存策略是微生物适应环境波动的重要机制微生物的生长曲线微生物对营养的需求碳源碳是构成细胞物质的主要元素，约占干重的异养微生物利用有机物（如糖类、50%蛋白质）作为碳源；自养微生物则可利用二氧化碳碳源不仅提供结构材料，还是能量来源氮源氮是蛋白质、核酸等重要生物分子的组成部分微生物可利用氨盐、硝酸盐、尿素或氨基酸等作为氮源一些特殊细菌（如根瘤菌）能直接固定大气中的氮气无机盐微生物需要多种无机元素如磷、硫、钾、镁、钙、铁等磷是和核酸的组成部ATP分；硫存在于某些氨基酸中；钾、镁等参与酶的活化；铁是细胞色素的组成部分水分与生长因子水是所有生命活动的介质某些微生物还需要特定的生长因子，如维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等，这些物质是它们无法自行合成但又必需的有机化合物微生物的代谢类型异养型代谢化能自养型代谢大多数微生物属于异养型，它们需要化能自养微生物利用无机物氧化释放从外界获取有机碳源（如糖类、氨基的能量，将二氧化碳固定为有机物酸）作为碳骨架和能量来源异养微如硝化细菌利用氨或亚硝酸盐氧化产生物在自然界中主要作为分解者，将生的能量；硫细菌氧化硫化物；铁细复杂有机物分解为简单化合物，参与菌氧化亚铁这类微生物在生态系统物质循环根据能量获取方式，异养中具有重要作用，如参与氮、硫等元微生物又可分为好氧型（需氧气）和素的生物地球化学循环厌氧型（不需氧气）光能自养型代谢光能自养微生物利用光能将二氧化碳转化为有机物如蓝细菌（蓝藻）和紫色硫细菌等它们含有捕获光能的色素（如叶绿素、类胡萝卜素），通过光合作用合成有机物蓝细菌的光合作用类似于绿色植物，释放氧气；而某些光合细菌则不释放氧气微生物的能量获取发酵作用呼吸作用发酵是微生物在无氧或低氧条件下获取能量的方式，将有机物部呼吸作用是在有氧条件下进行的完全氧化过程，能量利用效率分氧化并产生特定的终产物根据最终产物不同，发酵可分为多高，每分子葡萄糖可产生分子根据最终电子受体不30-32ATP种类型同，呼吸作用分为乳酸发酵葡萄糖转化为乳酸，如乳酸菌有氧呼吸最终电子受体为氧气，完全氧化有机物••酒精发酵葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳，如酵母菌无氧呼吸最终电子受体为硝酸盐、硫酸盐等，如反硝化细••菌丙酸发酵葡萄糖转化为丙酸等，如丙酸菌•丁酸发酵葡萄糖转化为丁酸等，如梭菌属细菌•呼吸链是呼吸作用的关键部分，由一系列电子传递体组成，如细胞色素、铁硫蛋白等，它们将电子从底物传递给最终电子受体，发酵过程能量利用效率较低，每分子葡萄糖仅产生分子2-4同时产生质子梯度，驱动合成ATPATP微生物的生态分布土壤微生物土壤是微生物数量最多、种类最丰富的栖息地每克肥沃土壤中可含有数十亿细菌、数百万真菌和放线菌以及数万原生动物土壤微生物参与有机质分解、腐殖质形成和土壤结构改良，是土壤肥力的重要组成部分它们还参与氮、磷、硫等元素的生物地球化学循环水体微生物淡水和海洋环境中存在大量微生物浮游微生物是水生生态系统食物链的基础，如蓝细菌、硅藻等深海热液喷口周围发育着独特的化能自养微生物群落，它们利用热液中的硫化物、氢气等物质获取能量水体微生物还参与水体自净过程，分解有机污染物极端环境微生物一些特殊微生物能在极端环境中生存，如高温温泉中的嗜热菌（最高可耐受121℃）、高盐环境中的嗜盐菌、极地冰川中的嗜冷菌、强酸性矿山排水中的嗜酸菌等这些极端微生物拥有特殊的适应性机制，其特殊酶系统具有重要的生物技术应用价值人体内的微生物微生物与人类生活微生物的有益作用微生物的有害作用微生物在人类生活中有着广泛的积极影响，支撑着人类文明的多某些微生物也会对人类健康和生活造成威胁个方面感染性疾病细菌性疾病（如肺炎、结核病）、病毒性疾病•食品生产发酵食品（如奶酪、酸奶、酱油、醋）的制备（如流感、艾滋病）、真菌感染（如念珠菌病）•医药产业抗生素、疫苗、激素、酶制剂的生产食物腐败和食物中毒食物中微生物繁殖产生毒素••农业应用生物肥料、生物农药、饲料添加剂农作物病害多种植物病原菌导致农作物减产••环境保护污水处理、有机废弃物分解、生物修复抗生素耐药性病原体对药物的耐药性日益增强••工业生产各种工业酶、有机酸、溶剂、生物塑料的制造生物污染病原微生物对水源和环境的污染••能源开发生物燃料（如生物乙醇、生物柴油）的生产生物武器风险某些高致病性微生物可能被用作生物武器••微生物与全球物质循环氮循环植物吸收1固氮菌将大气氮气转化为铵盐，硝化细菌将铵植物吸收无机氮化合物构建蛋白质等生物分子氧化为硝酸盐分解还原动物摄食分解微生物将有机氮转化为铵，反硝化细菌将动物通过食物链获取有机氮化合物硝酸盐还原为氮气微生物在全球碳循环中扮演着关键角色光合微生物（如蓝细菌）和植物通过光合作用固定大气中的二氧化碳；而异养微生物则分解有机碳化合物，将其转化为二氧化碳返回大气没有微生物参与的分解作用，地球表面将堆满未分解的有机物质，碳元素将无法持续循环微生物还参与硫循环、磷循环等其他元素循环如硫化细菌和硫酸盐还原菌在硫循环中转化各种形态的硫化合物；磷酸盐溶解菌能将不溶性磷酸盐转化为植物可吸收的形式这些生物地球化学循环维持着地球上元素的平衡，支撑着整个生态系统的稳定运行微生物在食品中的应用酿酒工艺酿酒是人类最古老的微生物应用之一酵母菌在葡萄汁或谷物浸出液中进行酒精发酵，将糖分转化为乙醇和二氧化碳不同的酵母菌种和发酵条件产生不同风味的酒类产品啤酒酿造还利用麦芽淀粉酶将淀粉糖化后再发酵高度白酒则在酒精发酵后经过蒸馏得到乳制品发酵乳酸菌将乳糖发酵为乳酸，使牛奶凝固成酸奶不同的乳酸菌种赋予产品不同的风味和质地奶酪制作则涉及更复杂的微生物作用先用乳酸菌发酵和凝乳酶凝固牛奶，然后在陈化过程中，不同的细菌和真菌作用于奶酪，分解蛋白质和脂肪，产生特殊风味传统发酵食品中国传统发酵食品如豆豉、酱油、醋等利用霉菌（多为曲霉）和细菌的复合发酵这些微生物产生的酶将大豆蛋白和谷物淀粉水解为氨基酸、糖类和有机酸，形成丰富的风味物质泡菜、酸菜等蔬菜发酵食品则主要依靠乳酸菌发酵，既能保存蔬菜又增加了营养价值微生物在医药领域的应用抗生素生产1放线菌和真菌产生的次级代谢产物成为重要药物疫苗制备灭活或减毒的微生物用于预防传染病生物制药3基因工程菌产生人类蛋白质和治疗性酶抗生素是微生物在医药领域最重要的贡献之一青霉素的发现开启了抗生素时代，随后链霉素、四环素、红霉素等多种抗生素被发现和应用这些抗生素主要来源于土壤放线菌（如链霉菌属）和某些真菌的次级代谢产物它们通过抑制细菌细胞壁合成、蛋白质合成或核酸复制等机制发挥抗菌作用现代生物技术使微生物在医药生产中的应用更加广泛基因工程技术使重组大肠杆菌、酵母菌等能生产人胰岛素、生长激素、干扰素等治疗性蛋白质疫苗技术利用减毒或灭活的病原微生物，或其抗原成分，刺激机体产生免疫力此外，微生物还用于生产抗肿瘤药物、免疫抑制剂、降脂药和维生素等众多医药产品微生物在环境保护中的应用污水处理活性污泥法利用微生物群落净化城市污水微生物主要通过三种方式处理污水有机物被微生物氧化分解为二氧化碳和水；悬浮颗粒被微生物分泌的黏液凝聚沉淀；病原微生物被捕食者（如原生动物）消灭或竞争抑制土壤修复利用微生物降解土壤中的有机污染物（如石油、农药、多环芳烃）这些特殊微生物能产生降解特定污染物的酶系统，将复杂有机物转化为简单化合物植物与微生物联合修复技术结合了植物吸收和微生物降解的优势生物冶金利用微生物从低品位矿石中提取金属某些细菌（如嗜酸硫杆菌）能氧化硫化矿中的硫和铁，产生硫酸，使金属溶解后通过沉淀回收这种方法能源消耗低，对环境影响小，特别适用于铜、金等金属的提取生物过滤利用微生物降解工业废气中的有害物质生物过滤床含有附着微生物的填料，废气通过时污染物被微生物吸附和降解这种技术特别适用于处理含有低浓度挥发性有机物或恶臭气体的废气微生物在农业中的应用生物肥料生物肥料主要包含固氮菌（如根瘤菌、固氮螺旋菌）、磷溶菌和钾溶菌等有益微生物这些微生物能提高土壤养分有效性，促进植物生长，减少化肥使用以根瘤菌为例，它们与豆科植物形成共生关系，在根部形成根瘤，固定大气氮为植物可利用的形式生物农药微生物农药利用病原微生物的特异性防治农业害虫如苏云金芽孢杆菌产生的晶体蛋白毒素对鳞翅目昆虫有特异毒性；球孢白僵菌能侵染多种害虫与化学农药相比，生物农药对环境友好，对人畜安全，不易产生抗药性，但效果发挥较慢促生菌根际促生菌能产生植物激素（如吲哚乙酸、赤霉素）、铁载体或抗生物质等物质，促进植物生长，增强抗病性典型的促生菌包括假单胞菌、芽孢杆菌等此外，菌根真菌能与植物根系形成共生结构，扩大植物吸收面积，增强植物对养分和水分的吸收能力微生物的检测方法分子生物学检测1PCR、测序等基因检测技术，灵敏度高免疫学检测、免疫荧光等特异性检测方法ELISA显微镜检测3光镜、电镜直接观察微生物形态培养方法传统培养基上菌落计数和形态观察培养法是微生物检测的传统方法，通过在特定培养基上培养微生物，观察菌落特征并计数虽然操作简单，但培养周期长，且许多环境微生物难以在人工条件下培养显微镜检测包括光学显微镜和电子显微镜观察，可直接观察微生物形态结构，但难以区分活菌和死菌现代微生物检测越来越依赖分子生物学技术，如聚合酶链式反应、荧光原位杂交和高通量测序等这些方法基于检测微生物特定或序列，具有PCR FISHDNA RNA高灵敏度和特异性，能检测难培养微生物和快速鉴定病原体免疫学方法如酶联免疫吸附试验则通过抗原抗体反应检测特定微生物或其产物，广泛应用于临ELISA-床和食品安全检测微生物培养基简介培养基类型主要成分适用微生物应用领域普通营养琼脂蛋白胨、牛肉膏、琼大多数非挑食性细菌细菌总数测定脂血琼脂营养琼脂加血液溶血性细菌溶血性链球菌检测5%麦康凯琼脂胆盐、乳糖、中性红肠杆菌科细菌粪便检验沙氏培养基葡萄糖、甘油、酵母真菌真菌培养膏淀粉琼脂营养琼脂加淀粉淀粉酶产生菌淀粉水解实验微生物培养基是为微生物生长提供必要营养物质的人工配制介质根据组成成分，培养基可分为合成培养基（成分明确）和非合成培养基（含动植物提取物等复杂成分）根据物理状态，可分为液体培养基、半固体培养基和固体培养基（通常加琼脂凝固）根据用途，培养基又可分为基础培养基、选择性培养基和鉴别培养基选择性培养基通过添加抑制物（如抗生素、胆盐）抑制某些微生物生长，促进目标微生物生长鉴别培养基则通过指示剂或特殊底物，根据微生物代谢特性产生不同颜色或形态变化，便于微生物鉴定培养基配制需严格控制值、pH渗透压和灭菌条件无菌操作技术灭菌工具准备确保所有工具和培养基经过适当灭菌高压蒸汽灭菌（，分钟）适用于培121℃15-20养基和耐热器材；干热灭菌（，小时）用于玻璃器皿；过滤灭菌用于热敏160-180℃2物质；紫外线和化学消毒剂用于表面消毒工作环境准备在超净工作台或酒精灯火焰附近操作，火焰可在周围形成上升气流，减少空气中微生物污染操作前用酒精擦拭工作台面，穿戴干净实验服和手套，减少人源污染75%接种操作技术使用接种环或接种针前在火焰上灼烧至红热，冷却后取样；打开试管时，管口通过火焰消毒；操作迅速，减少暴露时间；完成后再次灼烧接种工具平板划线时应轻柔，避免刮破琼脂表面废弃物处理含微生物的废弃物必须经过适当消毒处理液体废弃物可加漂白剂或高压灭菌；固体废弃物放入专用袋中高压灭菌后处理；污染器材立即浸泡在消毒液中或高压灭菌微生物的分离与纯化样品稀释按倍系列稀释法处理原始样品10平板涂布将适当稀释度的样品均匀涂布在琼脂平板上菌落分离挑选单个菌落，进行划线纯化纯培养保存将纯化菌株接种到保存培养基中长期保存单菌落分离法是获得纯培养的基本技术其原理是将混合菌群充分稀释并均匀分布在固体培养基上，使单个微生物细胞生长形成肉眼可见的单一菌落每个菌落理论上由单个细胞繁殖而来，代表一个纯种群通过挑取单个菌落进行继代培养，可获得纯培养物稀释涂布法是常用的分离技术，通过系列稀释降低原始样品中微生物的浓度，再将适当稀释度的样品均匀涂布在平板上划线分离法则是使用接种环将样品按一定方式在平板上划线，随着划线进行，菌量逐渐减少，最终得到分离良好的单菌落对于特定微生物，还可采用选择性培养基或特殊培养条件进行富集分离微生物遗传信息的传递质粒质粒是细菌细胞中独立于染色体外的环状DNA分子，能自主复制质粒常携带抗生素抗性、毒力因子、降解特殊物质的基因等非必需基因质粒可通过细菌分裂垂直传递给子代，也可通过接合等方式水平传递给其他细菌，是细菌获得新遗传特性的重要途径接合接合是细菌间直接接触传递DNA的过程具有F因子（生育因子）的供体菌通过性菌毛与受体菌建立接触，然后将DNA单链转移到受体菌中接合可传递质粒或染色体DNA如大肠杆菌Hfr株能将染色体整合的F因子及邻近染色体DNA传递给受体菌转化与转导转化是细菌直接从环境中摄取游离DNA片段并整合到自身基因组的过程这一过程需要细菌处于感受态（特殊生理状态）转导则是通过噬菌体媒介的DNA传递，当噬菌体感染细菌时，有时会错误包装宿主细菌DNA，并将其带入下一个被感染的细菌中，实现基因转移微生物基因工程1基因克隆利用限制性核酸内切酶切割，将目标基因插入质粒或其他载体，转入宿主细胞DNA（通常是大肠杆菌或酵母菌）进行扩增这一技术使得特定基因可以被分离、大量复制和研究2蛋白质表达在目标基因前添加强启动子和调控序列，使其在宿主细胞中高效表达表达系统的选择取决于目标蛋白的性质，常用的宿主包括大肠杆菌、酿酒酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞等3基因组编辑利用等工具对微生物基因组进行精确修改，包括基因敲除、点突变引CRISPR-Cas9入、片段插入等这一技术极大提高了基因编辑的效率和精确性，为合成生物学DNA奠定了基础4合成生物学设计和构建全新的生物系统，如人工代谢途径、全合成细菌染色体等年，科学2010家成功创造了第一个拥有合成基因组的细胞，开启了生命设计的新纪元微生物的抗药性抗药性产生机制抗药性基因传播细菌获得抗药性的主要机制包括药物抗药性基因可以通过垂直传递（细菌分靶点突变，如核糖体结构改变导致对大裂传给子代）和水平传递（通过接合、环内酯类抗生素抗性；药物失活酶的产转化和转导在不同细菌间传播）两种方生，如内酰胺酶水解青霉素类抗生式扩散水平基因转移使抗药性能够在β-素；外排泵表达增强，将抗生素主动泵不同种甚至不同属的细菌间传播，大大出细胞；细胞通透性降低，减少抗生素加速了抗药性的扩散许多抗药性基因的摄入；替代代谢途径的发展，绕过抗位于可移动的遗传元件（如质粒、转座生素作用的关键步骤子、整合子）上，更易于传播多重耐药菌多重耐药菌（）指对三类或以上抗生素产生抗性的细菌著名的细菌包括MDR MDR耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（）、产超广谱内酰胺酶的肠杆菌科细菌、耐万MRSAβ-古霉素肠球菌（）等这些超级细菌导致临床治疗选择有限，增加了患者死亡VRE风险和医疗成本，已成为全球公共卫生的严重威胁微生物与疾病1/3全球疾病负担传染病占全球疾病负担的约三分之一10M+结核病影响每年超过1千万人感染结核病38M艾滋病患者全球约3800万人感染艾滋病毒98%抗病毒药物有效率现代抗病毒药物可有效控制HIV复制传染病是由病原微生物引起的疾病，根据病原体类型可分为细菌性疾病、病毒性疾病、真菌疾病和寄生虫病传染病的发生涉及病原体、传播途径和易感宿主三个要素主要传播方式包括空气传播（如流感、结核病）、接触传播（如皮肤感染）、食物和水传播（如霍乱、痢疾）以及媒介生物传播（如疟疾、登革热）结核病是由结核分枝杆菌引起的慢性传染病，主要侵犯肺部，也可累及全身多个器官多数感染者为潜伏感染，约10%发展为活动性结核病HIV/艾滋病是由人类免疫缺陷病毒引起的获得性免疫缺陷综合征，破坏人体免疫系统现代抗逆转录病毒疗法能有效控制病毒复制，但尚无法根治流感每年造成全球数十万人死亡，由于病毒易变异，需定期更新疫苗株常见感染性微生物常见致病性细菌包括金黄色葡萄球菌（引起皮肤感染、食物中毒和侵袭性感染）、链球菌（引起咽炎、猩红热和风湿热）、大肠杆菌（某些菌株可引起腹泻和尿路感染）、结核分枝杆菌（引起结核病）、沙门氏菌（引起肠炎和伤寒）等这些细菌通过产生毒素、侵袭组织或引发炎症反应导致疾病常见病毒性病原体包括流感病毒（引起季节性流感）、冠状病毒（包括引起新冠肺炎的）、肝炎病毒（引起各型肝炎）、艾滋病毒（引起艾滋病）、疱疹病毒SARS-CoV-2（引起口腔和生殖器疱疹）等真菌病原体主要包括白色念珠菌（引起鹅口疮和阴道炎）、新型隐球菌（引起脑膜炎）和皮肤癣菌等寄生虫如疟原虫、利什曼原虫等也是重要病原体微生物防治措施免疫预防消毒与灭菌疫苗接种是预防传染病最有效的手段之一根据制备方法，疫苗消毒指杀灭或去除物品上的病原微生物，灭菌则是彻底杀死所有可分为微生物包括芽孢常用方法包括减毒活疫苗含有活的但毒力减弱的病原体，如卡介苗、脊物理方法高温蒸汽灭菌（，分钟）、干热灭菌••121℃15-20髓灰质炎减毒活疫苗（，小时）、紫外线照射、辐射灭菌等160-180℃2灭活疫苗含有被杀死的完整病原体，如百白破疫苗、流感化学方法含氯消毒剂（如漂白粉）、碘制剂、过氧化物••灭活疫苗（如过氧乙酸）、醛类（如甲醛、戊二醛）、醇类（如75%乙醇）等亚单位疫苗仅含病原体的特定部分，如乙肝表面抗原疫苗•机械方法过滤灭菌，使用孔径小于的滤膜过滤液核酸疫苗含编码病原体抗原的或，如部分新冠•

0.22μm•DNA mRNA体，去除微生物疫苗选择消毒灭菌方法时需考虑物品性质、微生物类型、操作环境等疫苗通过刺激机体产生特异性抗体和记忆性免疫细胞，在遇到实因素际病原体时能迅速做出防御反应微生物的进化与多样性漫长的进化历程微生物是地球上最早的生命形式，已存在近亿年40惊人的多样性估计存在数万亿种微生物，以上尚未被发现和描述90%极强的适应能力3从热液喷口到南极冰川，从酸性矿山到盐湖，都有特化微生物微生物进化速度远快于高等生物，这主要归因于它们的快速生长繁殖（世代时间短）、基因组小且易变异以及频繁的水平基因转移原核生物采用无性繁殖，遗传变异主要通过突变和基因重组产生许多微生物在环境压力下表现出高突变率，产生超变异体以适应不良环境，这是它们快速进化和适应的关键机制环境是微生物多样性的主要驱动力不同环境条件促使微生物演化出各种特化的代谢途径和生理机制如极端环境中的微生物进化出独特的酶系统和膜结构，使其能够在常规生物无法生存的条件下繁衍近年来，随着分子生物学技术的发展，科学家不断发现新的微生物类群，拓展了我们对微生物多样性的认识，也为生物技术应用提供了丰富资源微生物组学简介生物信息分析高通量测序1序列组装、基因注释和功能预测，构建菌群结构图大规模并行测序技术，能同时分析数百万片段DNA谱功能验证生态网络构建通过实验验证微生物组的功能与宿主健康的关系分析微生物间相互作用和与环境的关系微生物组学是研究特定环境中微生物群落整体的学科，包括环境微生物组和人体微生物组研究宏基因组学通过直接从环境样本中提取总进行测序，不依赖于微生物DNA培养，能够全面揭示微生物群落的组成和功能潜力测序则专注于分析细菌和古菌的分类标记基因，提供群落结构信息，成本较低但功能信息有限16S rRNA宏转录组学分析微生物群落中表达的，反映微生物的实际活性；宏蛋白质组学研究群落中产生的蛋白质；宏代谢组学检测微生物代谢产物这些多组学数据的整合分RNA析提供了微生物群落功能的全景图微生物组研究已揭示人体微生物与多种疾病的关联，如肠道菌群与肥胖、炎症性肠病和自身免疫性疾病的关系，为精准医疗提供了新思路纳米微生物技术进展微生物检测芯片微流控芯片技术将微生物分析微型化，实现快速、高通量检测这些实验室芯片系统集成了样品处理、细胞分离、扩增和检测等多个步骤，可在几小时内完成传统方法需要数天的微生物检测新型纳米生物传感器利用量子点、纳米金和碳纳米管等材料，结合抗体或核酸适配体，实现超灵敏检测生物合成纳米材料某些微生物能在细胞内外合成纳米颗粒，如磁细菌产生磁纳米颗粒，银杆菌还原银离子形成银纳米颗粒这些生物合成的纳米材料具有独特的物理化学性质，应用于催化、医学成像、药物递送和生物传感等领域与传统化学合成相比，生物合成方法更环保，产物形貌更均一微生物机器人科学家利用微生物自身的运动能力和趋向性开发微纳米机器人如将药物纳米颗粒附着在细菌表面，利用细菌的趋化性将药物准确递送到病灶部位；或利用磁细菌在磁场引导下靶向肿瘤这些活体机器人打破了传统药物递送系统的局限，有望实现更精准的疾病治疗微生物与未来医疗微生物疗法粪菌移植已成功用于治疗难辨梭状芽孢杆菌感染，通过重建健康肠道菌群发挥作用益生菌和益生元制剂被用于调节肠道菌群，改善消化系统健康未来微生物疗法将更加精准，可能发展为个性化的菌群移植和定制化益生菌配方噬菌体治疗噬菌体是专一感染细菌的病毒，能特异性杀死靶细菌而不伤害有益菌随着抗生素耐药性问题日益严重，噬菌体治疗重获关注工程化噬菌体可精确靶向特定病原菌，甚至可携带系统敲除细菌耐药基因，提高敏感性CRISPR-Cas合成生物学疗法基因工程改造的细菌可作为活体药物工厂，感知疾病信号并在病灶部位产生治疗分子如工程化大肠杆菌可检测肠道炎症标志物并分泌抗炎因子；改造益生菌可在肠道环境中产生特定维生素或短链脂肪酸，补充人体所需微生物肿瘤治疗某些厌氧细菌如梭状芽孢杆菌自然趋向低氧肿瘤环境通过基因工程改造，这些细菌可携带抗肿瘤基因或产生抗肿瘤毒素直接杀伤肿瘤细胞此外，微生物能调节肿瘤微环境和免疫反应，增强机体抗肿瘤免疫，与免疫检查点抑制剂等现代肿瘤免疫疗法协同作用微生物资源的开发与利用微生物酶工程微生物是工业酶的主要来源，提供了蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶等重要酶制剂这些酶广泛应用于洗涤剂、食品加工、纺织、造纸和生物燃料生产等行业极端环境微生物（如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌）产生的极端酶具有特殊稳定性，在特殊工业条件下表现出色生物燃料微生物发酵是生产可再生生物燃料的重要途径酵母菌发酵产生生物乙醇，梭菌属细菌产生生物丁醇，光合微藻产生生物柴油前体合成生物学手段改造微生物代谢途径，使其能高效转化纤维素等难降解原料，降低生物燃料成本，提高与化石燃料的竞争力生物材料合成微生物能合成多种高价值生物材料，如聚羟基烷酸酯类生物塑料、细菌纤维素、透明质酸PHA等这些生物合成材料具有生物相容性好、可降解、环境友好等特点通过代谢工程和过程优化，提高产量和降低成本，使微生物制造的生物材料能在更广泛的领域取代传统石油基材料微生物资源挖掘大多数微生物尚未被培养和研究，蕴含巨大的资源潜力宏基因组学和功能筛选技术使科学家能从未培养微生物中发现新酶和生物活性物质深海、极地、温泉等极端环境中的微生物资源特别珍贵，可能产生具有独特性质的化合物，为医药和工业应用提供新选择微生物安全与伦理问题生物安全等级与管理伦理考量与风险评估微生物按照致病性和危害程度分为四个生物安全等级（至随着合成生物学和基因编辑技术的发展，微生物研究面临新的伦BSL-1）理问题BSL-4对健康成人无致病性的微生物，如酵母菌、大肠杆双用途研究同一技术既可用于造福人类，也可能被滥用•BSL-1•菌株（如增强病原体毒力）K12对人致病性中等的微生物，如沙门氏菌、流感病毒人造生命争议创造人工微生物是否挑战生命伦理界限•BSL-2•可能导致严重疾病的微生物，如结核分枝杆菌、生态风险基因工程微生物释放可能对自然生态系统造成不•BSL-3•冠状病毒可预见影响SARS致命且无有效治疗或预防措施的微生物，如埃博拉知识产权与公平微生物资源的商业开发应考虑原产国利益•BSL-4•病毒科学界已建立多层次风险评估系统和监管框架，平衡科学进步与不同安全等级的微生物必须在相应的实验室设施中操作，遵循严安全伦理需求国际合作与透明政策对微生物研究的健康发展至格的安全规程和废弃物处理流程，防止意外泄露和污染环境关重要近年微生物学重大突破新冠病毒（）研究是近年微生物学的焦点科学家在前所未有的短时间内完成了病毒基因组测序、结构解析、致病机制研究和疫苗开发疫苗技术的成功应用SARS-CoV-2mRNA开创了疫苗研发新范式系统从细菌免疫机制到革命性基因编辑工具的转化，彻底改变了微生物基因组编辑的效率和精确度CRISPR-Cas肠道菌群与人类健康关系的深入研究揭示了微生物组与多种疾病的关联，从代谢疾病到神经精神疾病粪菌移植治疗已成为临床治疗手段合成生物学领域，科学家成功创建了人工合成基因组的细菌，并设计了完全重编码的微生物基因组抗生素耐药性危机促使新型抗微生物策略的开发，如噬菌体工程、抗菌肽和抗微生物系统等环境微生物组CRISPR研究则揭示了微生物在生态系统功能中的核心作用微生物与人工智能智能设计辅助设计优化菌株和代谢途径AI预测建模2预测微生物群落行为和环境互作自动化分析3处理显微图像和大规模测序数据数据挖掘从海量微生物组数据中发现模式人工智能正深刻改变微生物学研究方法深度学习算法可以从显微镜图像自动识别和分类微生物，大大提高实验效率在合成生物学领域，机器学习模型能预测基因组编辑的效果，设计最优代谢途径，加速菌株开发的等系统在蛋白质结构预测方面取得突破，为微生物蛋白功能研究提供新工具DeepMind AlphaFoldAI在微生物组研究中，算法能从复杂的多组学数据中挖掘微生物间相互作用网络和与宿主健康的关联模式这些模型能预测菌群变化对生态系统或人体健康的影响，指导干AI预策略制定自动化实验系统结合决策算法已应用于微生物培养和筛选，通过迭代学习不断优化实验条件未来，与微生物学的融合将加速新抗生素发现、个性化微生AI AI物治疗方案设计和环境微生物管理等领域的发展微生物学学习方法与资源经典教材在线资源实践途径《微生物学教程》（周德美国国立生物技术信息中实验操作是微生物学学习庆主编）是国内高校广泛心提供免费的微生的关键大学微生物实验NCBI使用的基础教材，全面介物基因组数据库和分析工课程提供基本技能训练；绍微生物的基本概念和应具国际微生物分类学数研究生实验室轮转可接触用《微生物学》据库如提供最新的微多种微生物研究方法；寒Brock LPSN（等著）是国际生物命名和分类信息暑假实习和志愿者机会有Madigan知名的微生物学参考书，、等平台提助于积累经验参加微生Coursera edX内容丰富深入，包含最新供多所知名大学的微生物物学竞赛如国际基因工程研究进展《微生物生态学在线课程微生物数据机器竞赛能培养团iGEM学》（刘双江主编）系统共享平台如、队合作和创新能力关注MGnify介绍微生物在生态系统中整合了大量微生微生物学会组织的学术研iMicrobe的作用和研究方法物组学研究数据，促进数讨会可了解最新研究动据共享和再分析态总结与展望。