微生物

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
一群放大10000倍的大肠杆菌细菌

微生物通常是所有难以用肉眼直接看到或看不清楚的一切微小生物的总称,包括细菌、真菌、放线菌、原生动物、藻类等有细胞结构的微生物,也包括病毒、支原体、衣原体等无完整细胞结构的微生物。一般需要借助显微镜来观察研究。微生物个体微小(直径小于0.1毫米),种类繁多,与人类日常生活、健康关系密切,微生物应用领域日益拓展,广泛应用在食品、医药、环保等领域。[1]

主要特性[编辑]

体积小,面积大[编辑]

一个体积恒定的物体,被切割的越小,数量越多,其相对表面积越大。微生物体积很小,如一个典型的球菌,其体积约1mm³,可是其相对表面积却很大。这个特征也是赋予微生物其他如代谢快等特性的基础。

吸收多,转化快[编辑]

微生物通常具有极其高效的生物化学转化能力。据研究,乳糖菌在1个小时之内能够分解其自身重量1000-10000倍的乳糖,产朊假丝酵母菌的蛋白合成能力是大豆蛋白合成能力的100倍。

生长繁殖快[编辑]

相比于大型动物,微生物具有极高的生长繁殖速度,微生物理论上能做到指数级增长。大肠杆菌能够在12.5-20分钟内繁殖1次。不妨计算一下,1个大肠杆菌假设20分钟分裂1次,1小时3次,1昼夜24小时分裂24×3=72次,大概可产生4722366500万亿个(2的72次方),这是非常巨大的数字。但事实上,由于各种条件的限制,如营养缺失、竞争加剧、生存环境恶化等原因,微生物无法完全达到这种指数级增长。 已知大多數微生物生長的最佳pH範圍為7.0 (6.6~7.5)附近,部分則低於4.0。

微生物的这一特性使其在工业上有广泛的应用,如发酵、单细胞蛋白等。微生物是人类不可或缺的好朋友。

适应强,易变异[编辑]

源于体积小面积大的特点,微生物具有非常灵活的适应性或代谢调节机制。微生物对各种环境条件尤其是地球上极端恶劣环境如高温、强酸、高盐、高辐射、低温等环境的适应能力,令人惊奇。

微生物个体一般是单细胞、非细胞或者简单多细胞,加之繁殖快、数量多等特点,即使变异频率十分低,也能在短时间内产生大量遗传变异的后代。有益的变异能为人类社会创造巨大经济和社会效益。有害变异是人类大敌。

分布广,种类多[编辑]

由于微生物体积小、重量轻和数量多等原因,地球上除了火山的中心区域等少数地方外,到处都有他们的踪迹。 微生物种类多主要体现在以下五个方面:物种的多种多样;生理代谢类型的多样性;代谢产物的多样性;遗传基因的多样性;生态类型的多样性。

微生物的发现[编辑]

史前期[编辑]

约8000年前——1676前,人类对微生物的认识处于朦胧阶段,未能看到细菌等微生物的个体,凭借实践经验利用微生物的有益活动,如酿酒、发面、酿醋等。

初创期[编辑]

1676年~1861年,处于对微生物的形态描述阶段。标志事件是微生物学先驱列文虎克用自制显微镜观察到了细菌等微生物的个体。人类能够对微生物进行简单的形态描述。

奠基期[编辑]

1861-1897年,属于生理水平研究阶段。这个阶段代表人物有,巴斯德,微生物学的奠基人,其开创的巴氏消毒法,至今仍在广为使用。科赫,细菌学的奠基人。这个阶段,微生物学开始逐步;学者们创立了整套独特的微生物学基本研究方法;开始使用“实践-理论-实践”的思想方法开展研究。进入寻找人类和动物病原菌的黄金时期。

发展期[编辑]

1897-1953年,处于生化水平研究阶段。这个时期主要代表人是E.Buchner,他对无细胞酵母菌“酒化酶”进行生化研究,发现微生物的代谢统一性。普通微生物学开始逐步形成。开始广泛寻找微生物的有益代谢产物。发现了青霉素,推动了微生物工业化培养的迅猛发展。

成熟期[编辑]

1953年至今,处于分子生物学研究水平。这个时期的代表人是J.Watson和F.Crick,他们是分子生物学奠基人。这个时期的特点是,广泛运用分子生物学理论和现代研究方法,深刻揭示微生物的生命活动规律;采取基因工程的方法,把传统的工业发酵提高到发酵工程新水平;大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展;微生物的基础理论和独特实验技术推动了生命科学各个分科的快速发展。

微生物的代謝[编辑]

微生物的代謝指微生物(細胞)内發生的全部化學反應。 微生物的代謝異常旺盛,這是由於微生物的表面積與體積比很大(約是成年人的30万倍),使它們能夠迅速與外界環境進行物質交換。

代謝產物 微生物在代謝過程中,會產生多種代謝產物。根據代謝產物與微生物生長繁殖的關係,可以分爲初級代謝產物次級代謝產物兩類。 初級代謝產物是指微生物通過代謝活動產生的、自身生長和繁殖所必須的物質,如氨基酸核苷酸多糖脂質維生素等。在不同種類的微生物細胞中,初級代謝產物的種類基本相同。 次級代謝產物是指微生物生長到一定階段才產生的化學結構十分複雜,對該微生物無明顯生理功能,或並非是微生物生長和繁殖所必須的物質,如抗生素毒素激素色素等。不同種類的微生物所產生的次級代謝產物不相同,它們可能積累在細胞内,也可能排到外環境中。

代謝的調節 微生物在長期的進化過程中,形成了一整套完善的代謝調節系統,以保證証代謝活動經濟而高效地進行。微生物的代謝調節主要有兩种方式:合成的調節和酶活性的調節,前者是通过调节酶合成的数量实现代谢调控,后者是通过改变酸碱环境或酶结构来实现对代谢的调控。 另外人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物遺傳特徵,控制生産過程中的各種生化條件等。

主要分类[编辑]

微生物主要分为以下几类:(參見生物分類總表

土壤微生物是存在于地表面或土壤颗粒间隙和颗粒表面的微生物。土壤中可以观察到细菌、放线菌、子囊菌、担子菌、酵母菌、藻类、原生动物等多种微生物。其种类和数目随土层深度、氢离子浓度、温度、湿度和季节而有明显变化。藻类在地表面或靠近地表面的土层进行光合作用,硝化细菌、铁细菌和硫细菌等进行化学合成作用,其他微生物则营有机营养生活。在深层土壤等特殊条件下还发现有进行特殊化学合成作用的无机营养型细菌。细菌多分布在中性至弱碱性土壤,好氧性细菌多分布在上部土层,厌氧性细菌则多分布在下部土层。真菌多分布在酸性土壤。枯草杆菌、假单胞菌、梭状芽孢杆菌、大肠杆菌、纤维分解菌、放线菌以及各种真菌等,都是营有机营养生活的,都能分解土壤有机质,作为分解者而在自然界(生态系)的物质循环中起着重大作用。由土壤微生物引起的土壤呼吸与碳素循环有关,而由土壤微生物引起的固氮作用、硝化作用、反硝化作用等则与氮素循环有关。生物体内保持的营养盐分,经土壤微生物分解矿化,重新转化为植物能够利用的形态。S.A.Waksman很重视土壤微生物社会中由抗菌物质的存在所出现的生物拮抗作用

英文参考 soil microbes , soil microorganisms

微生物学及其分科[编辑]

  • 按研究基本生命活动规律来划分,有微生物分类学,微生物生理学,微生物遗传学,微生物生态学,分子微生物学等等。
  • 按微生物应用领域来划分,有工业微生物学,农业微生物学,医学微生物学,药用微生物学,诊断微生物学,抗生素学,食品微生物学等等。
  • 按研究对象来划分,有细菌学,真菌学(菌物学),病毒学,原核生物学,自养菌生物学,厌氧菌生物学等。
  • 按微生物所处的生态环境划分,有土壤微生物学,微生态学,海洋微生物学,环境微生物学,水微生物学,宇宙微生物学等。
  • 按学科间的融合交叉划分,有化学微生物学,分析微生物学,微生物生物工程学,微生物化学分类学,微生物数值分类学,微生物地球化学,微生物信息学等。

微生物的作用[编辑]

微生物与人类生产生活和生存息息相关。有很多食品(如酱油味精酸奶奶酪蘑菇)、工业品(如皮革纺织石化)、药品(如抗生素疫苗维生素生态农药)是依赖于微生物制造的;微生物在矿产探测与开采、废物处理(如水净化沼气发酵)等各种领域中也发挥重要作用。微生物是自然界唯一认知的固氮者(如大豆根瘤菌)与动植物残体降解者(如纤维素降解),同时位于常见生物链的首末两端,从而完成碳、氮、硫、磷等生物质在大循环中的衔接。若没有微生物,众多生物就失去必需的营养来源、植物的纤维质残体就无法分解而无限堆积,就没有自然界当前的繁荣与秩序或人类的产生与维续。

此外,微生物对地球上气候的变化也起着重要作用。许多微生物直接参与了温室气体的排放或者吸收,而也有很多微生物可以成为未来的生物燃料[2]

使食品腐敗的微生物[编辑]

使食品腐敗的微生物
微生物 Gram’s(+,-) 外型 需氧情形 特徵 食品腐敗
假單胞菌

Pseudomonas

陰性 桿菌 好氧 無芽胞、嗜冷、產色素 魚、貝、肉、乳
微球菌

Micrococcaceae(小球菌)

陽性 球菌 好氧 嗜中溫、分解醣類產酸
葡萄球菌

Staphylococcus(Cluster群狀的球體菌)

陽性 球菌 兼性厭氧 嗜中溫、分解醣類產酸
芽孢桿菌

Bacillus

陽性 桿菌 好氧、兼性厭氧 產孢、嗜中溫 魚、肉的腐敗與中毒
梭菌

Clostridium

陽性 桿菌 厭氧 產孢、嗜中溫 魚、肉的腐敗與中毒
腸桿菌

Enterobacteriaceae(腸細菌屬)

陰性 桿菌 好氧、兼性厭氧 無芽孢、發酵糖產酸、產氣 食品的酸敗、腐臭、變形桿菌、沙雷氏菌
弧菌

Vibrio

黃桿菌

Microbacterium maritypicum

陰性 弧菌

桿菌

兼性厭氧 低溫、低鹽(3~5%)生長 魚、貝類腐敗
嗜鹽桿菌

Halophiles

嗜鹽球菌

Halococcus Schoop

陰性 桿菌

球菌

好氧 高濃度鹽水 海產魚、並可產生橙紅色素
醋酸桿菌 陰性 桿菌 好氧 蔬果、果汁、使酒腐敗
乳酸桿菌

丙酸桿菌

陽性 桿菌 兼性厭氧、耐氧 乳製品的酸敗

微生物与人类健康[编辑]

微生物与人类健康密切相关。多数微生物对人体是无害的。实际上,人体的外表面(如皮肤)和内表面(如肠道)生活着很多正常、有益的菌群。它们占据这些表面并产生天然的抗生素,抑制有害菌的着落与生长;它们也协助吸收或亲自制造一些人体必需的营养物质,如维生素和氨基酸。这些菌群的失调(如抗生素滥用)可以导致感染发生或营养缺失。然而另一方面,人类与动植物的疾病也有很多是由微生物引起,这些微生物叫做病原微生物pathogenic microorganism)或病原pathogen)。重要的人类致病微生物列于下表中。

主要的人类致病微生物
疾病名称 致病原 全球感染(携带者)人数 每年新发病例数 每年死亡人数
结核 结核分枝杆菌 ~20亿人(全球三分之一人口) 881万例 (2003 [1]) 175万人(2003 [2]
艾滋病 人类免疫缺陷病毒 4200万人 550万例 310万人
痢疾 志贺氏菌痢疾杆菌大肠埃希氏杆菌 27亿例 190万人
疟疾 疟原虫 3-5亿例 100万人

其他经常听说的致病微生物还有引起炭疽病炭疽杆菌

对现代生物学研究与医学技术的贡献[编辑]

现代生物学的若干基础性的重大发现与理论,是在研究微生物的过程中或以微生物为实验材料与工具取得的。这些理论包括:

  • 证明DNA脱氧核糖核酸)是遗传信息的载体(三大经典实验:肺炎球菌的转化实验、噬菌体实验、植物病毒的重组实验)
  • DNA的半保留复制方式(双螺旋的每一条子链分别、都是复制模板)
  • 遗传密码子的解读(64个密码子各对应20种氨基酸及终止信号的哪一种)
  • 基因转录调节(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念与调节方式)
  • 信使RNA翻译调节(terminator)
  • 等等……(请添加)

现在,很多常用、通用的生物学研究技术依赖于微生物,比如:

很多医学技术也依赖于微生物。比如:

参考文献[编辑]

  1. ^ 周德庆.2011.微生物学教程(第三版).高等教育出版社,北京
  2. ^ Lucy Goodchild. Microbes as climate engineers. eurekalert. 29-Jan-2008 [2008-01-31]. 
  • 沈萍,陈向东.2006年5月.微生物学(第二版).高等教育出版社,北京
  • 张甲耀,宋碧玉等.2008年12月.环境微生物学.武汉大学出版社,武汉