微生物

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一群放大10000倍的大肠杆菌细菌

微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚的一群微小生物的总称,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),构造简单,例子包括细菌、放线菌、原生动物、藻类原虫等。微生物应用领域日益拓展,与人类日常生活、健康非常密切,工业应用日益广泛[1]

主要特性[编辑]

体小面大[编辑]

一个体积恒定的物体,被切割的越小,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。

吸多转快[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。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。

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。

变异快,适应强[编辑]

微生物结构简单,一般是单倍体,加上繁殖快、与环境直接接触等原因,即使突变概率很低,也能在短时间内产生大量变异的后代,涉及代谢途径、形态特征等各种变异。

微生物由于其独特的生理特性——灵活的调控机制,赋予其极强的适应能力。从高温100摄氏度以上的沸水甚至火山口,到干燥的沙漠,到寒冷的极地,都可以见到微生物的身影。细菌的耐高温、高盐、高度、干旱等能力是生物之最。

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和次級代謝產物兩類。 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

微生物在自然界的存在[编辑]

微生物在自然界中廣泛存在,數目巨大。下表爲一些生態環境中微生物細胞數目的估計:

密度 全球總數
海水 108~109 L−1 約1029
海洋沉積物 109 g−1 約3×1029
動物消化道 1011 g−1 約1025
地表或海底下深處 102~108 約1030

原核生物共構成全球生物量的25~50%。

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