微生物

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一群放大10000倍的大腸桿菌細菌

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總稱,一般需要藉助顯微鏡來觀察研究。微生物個體微小(直徑小於0.1毫米),構造簡單,例子包括細菌、放線菌、原生動物、藻類原蟲等。微生物應用領域日益拓展,與人類日常生活、健康非常密切,工業應用日益廣泛[1]

主要特性[編輯]

體小面大[編輯]

一個體積恆定的物體,被切割的越小,其相對表面積越大。微生物體積很小,如一個典型的球菌,其體積約1mm³,可是其表面積卻很大。這個特徵也是賦予微生物其他如代謝快等特性的基礎。

吸多轉快[編輯]

微生物通常具有極其高效的生物化學轉化能力。據研究,乳糖菌在1個小時之內能夠分解其自身重量1000-10000倍的乳糖,產朊假絲酵母菌的蛋白合成能力是大豆蛋白合成能力的100倍。

生長繁殖快[編輯]

相比於大型動物,微生物具有極高的生長繁殖速度。大腸桿菌能夠在12.5-20分鐘內繁殖1次。不妨計算一下,1個大腸桿菌假設20分鐘分裂1次,1小時3次,1晝夜24小時分裂24×3=72次,大概可產生4722366500萬億個(2的72次方),這是非常巨大的數字。但事實上,由於各種條件的限制,如營養缺失、競爭加劇、生存環境惡化等原因,微生物無法完全達到這種指數級增長。

微生物的這一特性使其在工業上有廣泛的應用,如發酵、單細胞蛋白等。微生物是人類不可或缺的好朋友。

變異快,適應強[編輯]

微生物結構簡單,一般是單倍體,加上繁殖快、與環境直接接觸等原因,即使突變機率很低,也能在短時間內產生大量變異的後代,涉及代謝途徑、形態特徵等各種變異。

微生物由於其獨特的生理特性——靈活的調控機制,賦予其極強的適應能力。從高溫100攝氏度以上的沸水甚至火山口,到乾燥的沙漠,到寒冷的極地,都可以見到微生物的身影。細菌的耐高溫、高鹽、高度、乾旱等能力是生物之最。

微生物的代謝[編輯]

微生物的代謝指微生物(細胞)內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30萬倍),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,如胺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內,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種方式:合成的調節和酶活性的調節,前者是通過調節酶合成的數量實現代謝調控,後者是通過改變酸鹼環境或酶結構來實現對代謝的調控。 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。

主要分類[編輯]

微生物主要分為以下幾類:(參見生物分類總表

微生物在自然界的存在[編輯]

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[編輯]

微生物與人類生產生活和生存息息相關。有很多食品(如醬油味精酸奶奶酪蘑菇)、工業品(如皮革紡織石化)、藥品(如抗生素疫苗維生素生態農藥)是依賴於微生物製造的;微生物在礦產探測與開採、廢物處理(如水凈化沼氣發酵)等各種領域中也發揮重要作用。微生物是自然界唯一認知的固氮者(如大豆根瘤菌)與動植物殘體降解者(如纖維素降解),同時位於常見生物鏈的首末兩端,從而完成碳、氮、硫、磷等生物質在大循環中的銜接。若沒有微生物,眾多生物就失去必需的營養來源、植物的纖維質殘體就無法分解而無限堆積,就沒有自然界當前的繁榮與秩序或人類的產生與維續。

此外,微生物對地球上氣候的變化也起著重要作用。許多微生物直接參與了溫室氣體的排放或者吸收,而也有很多微生物可以成為未來的生物燃料[2]

使食品腐敗的微生物[編輯]

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

微生物與人類健康[編輯]

微生物與人類健康密切相關。多數微生物對人體是無害的。實際上,人體的外表面(如皮膚)和內表面(如腸道)生活著很多正常、有益的菌群。它們占據這些表面並產生天然的抗生素,抑制有害菌的著落與生長;它們也協助吸收或親自製造一些人體必需的營養物質,如維生素和胺基酸。這些菌群的失調(如抗生素濫用)可以導致感染發生或營養缺失。然而另一方面,人類與動植物的疾病也有很多是由微生物引起,這些微生物叫做病原微生物pathogenic microorganism)或病原pathogen)。重要的人類致病微生物列於下表中。

主要的人類致病微生物
疾病名稱 致病原 全球感染(攜帶者)人數 每年新發病例數 每年死亡人數
結核 結核分枝桿菌 ~20億人(全球三分之一人口) 881萬例 (2003 [1]) 175萬人(2003 [2]
愛滋病 人類免疫缺陷病毒 4200萬人 550萬例 310萬人
痢疾 志賀氏菌痢疾桿菌大腸埃希氏桿菌 27億例 190萬人
瘧疾 瘧原蟲 3-5億例 100萬人

其他經常聽說的致病微生物還有引起炭疽病炭疽桿菌

對現代生物學研究與醫學技術的貢獻[編輯]

現代生物學的若干基礎性的重大發現與理論,是在研究微生物的過程中或以微生物為實驗材料與工具取得的。這些理論包括:

  • 證明DNA脫氧核糖核酸)是遺傳信息的載體(三大經典實驗:肺炎球菌的轉化實驗、噬菌體實驗、植物病毒的重組實驗)
  • DNA的半保留複製方式(雙螺旋的每一條子鏈分別、都是複製模板)
  • 遺傳密碼子的解讀(64個密碼子各對應20種胺基酸及終止信號的哪一種)
  • 基因轉錄調節(operon, promoter, operator, repressor, activator的概念與調節方式)
  • 信使RNA翻譯調節(terminator)
  • 等等……(請添加)

現在,很多常用、通用的生物學研究技術依賴於微生物,比如:

很多醫學技術也依賴於微生物。比如:

參考文獻[編輯]

  1. ^ 周德慶.2011.微生物學教程(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,陳向東.2006年5月.微生物學(第二版).高等教育出版社,北京
  • 張甲耀,宋碧玉等.2008年12月.環境微生物學.武漢大學出版社,武漢