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微生物
本詞條是多義詞，共2個義項
個體難以用肉眼觀察的微小生物
基本信息
| 中文名 | 微生物 |
| 外文名 | Micro-Organism |
| 分類 | 生物物種 |
| 發(fā)現(xiàn)者 | 安東尼·列文虎克 |
| 涉及領域 | 食品 醫(yī)藥 工農業(yè) 環(huán)保等 |
展開
現(xiàn)代定義
發(fā)現(xiàn)歷史
形態(tài)學時期
微生物的形態(tài)觀察是從安東尼·列文虎克發(fā)明顯微鏡開始的，他利用能放大50～300倍的顯微鏡，清楚地看見了細菌和原生動物，他的發(fā)現(xiàn)和描述首次揭示了一個嶄新的生物世界——微生物世界。在微生物學的發(fā)展史上具有劃時代的意義。
生理學時期
繼列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物世界以后的200年間，微生物學的研究基本上停留在形態(tài)描述和分門別類階段。直到19世紀中期，以法國的巴斯德和德國的柯赫為代表的科學家才將微生物的研究從形態(tài)描述推進到生理學研究階段，揭露了微生物是造成腐敗發(fā)酵和人畜疾病的原因，并建立了分離、培養(yǎng)、接種和滅菌等一系列獨特的微生物技術。從而奠定了微生物學的基礎，同時開辟了醫(yī)學和工業(yè)微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。
巴斯德和柯赫的杰出工作，使微生物學作為一門獨立的學科開始形成，并出現(xiàn)以他們?yōu)榇矶⒌母鞣种W科，例如細菌學（巴斯德、柯赫等）、消毒外科技術（J. Lister），免疫學（巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等）、土壤微生物學（Beijernck Winogradsky 等）、病毒學（Ivanowsky、Beijerinck等）、植物病理學和真菌學（Bary、Berkeley等）、釀造學（Hensen、Jorgensen 等）以及化學治療法（Ehrlish 等）。微生物學的研究內容日趨豐富，使微生物學發(fā)展更加迅速。
現(xiàn)代微生物學
19世紀末和20世紀初，微生物學被牢固地建立起來。它的主要發(fā)展有兩個方面：一是研究傳染病和免疫學，研究疾病的防治和化學治療劑的功效；另一方面是和遺傳學的結合。
歷史上，微生物學的發(fā)展曾經歷了兩個輝煌的黃金時代，也經歷了其發(fā)展的低谷時期。近20年來，隨著基因組學、結構生物學、生物信息學、PCR技術、高分率熒光顯微鏡及其它物理化學理論和技術等的應用，使微生物學的研究取得了一系列突破性進展，微生物學己走出其低谷，開始進入它的第三個黃金時代。本文就下列幾個方面談談自己對當今微生學發(fā)展的機遇、挑戰(zhàn)和趨勢的一些認識。
主要特征
體小面大
一個體積恒定的物體，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。這個特征也是賦予微生物其他如代謝快等特性的基礎。
原核生物
微生物群
種類
原核；
球菌
非細胞類：病毒和亞病毒。
一般地，在中國大陸地區(qū)的教科書中，均將微生物劃分為以下7大類：
細菌、病毒、真菌、立克次氏體、支原體、衣原體、螺旋體。
細菌
(1)定義：一類細胞細短，結構簡單，胞壁堅韌，多以二分裂方式繁殖和水生性強的原核生物。
(2)分布：溫暖，潮濕和富含有機質的地方。
(3)結構：主要是單細胞的原核生物，有球形，桿形，螺旋形。
基本結構：細胞膜細胞壁細胞質核質。
(4)繁殖: 主要以二分裂方式進行繁殖的。
病毒
(1) 定義：一類由核酸和蛋白質等少數(shù)幾種成分組成的“非細胞生物”，但是它的生存必須依賴于活細胞。
(2)結構：蛋白質衣殼以及核酸（核酸為DNA或RNA）。
(3)大小：一般直徑在100nm左右，最大的病毒直徑為200nm的牛痘病毒，最小的病毒直徑為28nm的脊髓灰質炎病毒。
(4)增殖：病毒的生命活動中一個顯著的特點為寄生性。病毒只能寄生在某種特定的活細胞內才能生活。并利用宿主細胞內的環(huán)境及原料快速復制增殖。在非寄生狀態(tài)時呈結晶狀，不能進行獨立的代謝活動。以噬菌體為例：吸附→DNA注入→復制、合成→組裝→釋放。（吸附-穿入-脫殼-生物合成-裝配與釋放）。
噬菌體侵染細菌過程示意圖
化學組成
C，H，O，N，P，S以及其他元素。
營養(yǎng)物質
1,水和無機鹽
2,碳源:凡能為微生物提供生長繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物質。
來源：周圍環(huán)境中的有機物質，常用的有糖類、油脂、有機酸及有機酸酯和小分子醇。
作用：碳源對微生物生長代謝的作用主要為提供細胞的碳架，提供細胞生命活動所需的能量，提供合成產物的碳架。
3,氮源：凡能為微生物提供所必需氮元素的營養(yǎng)物質。
4,能源：能為微生物生命活動提供最初能源來源的營養(yǎng)物質或輻射能。
5,生長因子：微生物生長不可缺少的微量有機物。
病源微生物
微生物[個體難以用肉眼觀察的一切微小生物]
1,真菌：引起皮膚病。深部組織上感染。
2,放線菌：皮膚，傷口感染。
5,立克次體：斑疹傷寒等。
6,衣原體：沙眼，泌尿生殖道感染。
生物界的微生物達幾萬種，大多數(shù)對人類有益，只有一少部分能致病。有些微生物通常不致病，在特定環(huán)境下能引起感染稱條件致病菌。能引起食品變質，腐敗，正因為它們分解自然界的物體，才能完成大自然的物質循環(huán)。
作用
生活生產
微生物對人類最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50%是由病毒引起。微生物導致人類疾病的歷史，也就是人類與之不斷斗爭的歷史。在疾病的預防和治療方面，人類取得了長足的進展，但是新現(xiàn)和再現(xiàn)的微生物感染還是不斷發(fā)生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療藥物。一些疾病的致病機制并不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力，使許多菌株發(fā)生變異，導致耐藥性的產生，人類健康受到新的威脅。一些分節(jié)段的病毒之間可以通過重組或重配發(fā)生變異，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發(fā)生了變異，這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐藥性結核桿菌的出現(xiàn)使原本已經控制住的結核感染又在世界范圍內猖獗起來。
微生物千姿百態(tài)，有些是腐敗性的，即引起食品氣味和組織結構發(fā)生不良變化。當然有些微生物是有益的，它們可用來生產如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物非常小，必須通過顯微鏡放大約1000 倍才能看到。比如中等大小的細菌，1000個疊加在一起只有句號那么大。
微生物能夠致病，能夠造成食品、布匹、皮革等發(fā)霉腐爛，但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青霉菌抑制其它細菌的生長中發(fā)現(xiàn)了青霉素，這對醫(yī)藥界來講是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)。后來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰(zhàn)中挽救了無數(shù)人的生命。一些微生物被廣泛應用于工業(yè)發(fā)酵，生產乙醇、食品及各種酶制劑等；一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等等，并且可再生資源的潛力極大，稱為環(huán)保微生物；還有一些能在極端環(huán)境中生存的微生物，例如：高溫、低溫、高鹽、高堿以及高輻射等普通生命體不能生存的環(huán)境，依然存在著一部分微生物等等。看上去，我們發(fā)現(xiàn)的微生物已經很多，但實際上由于培養(yǎng)方式等技術手段的限制，人類現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的微生物還只占自然界中存在的微生物的很少一部分。
微生物間的相互作用機制也相當奧秘。例如健康人腸道中即有大量細菌存在，稱為正常菌群，其中包含的細菌種類高達上百種。在腸道環(huán)境中這些細菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物質甚至藥物的分解與吸收，菌群在這些過程中發(fā)揮的作用，以及細菌之間的相互作用機制還不明了。一旦菌群失調，就會引起腹瀉。
隨著醫(yī)學研究進入分子水平，人們對基因、遺傳物質等專業(yè)術語也日漸熟悉。人們認識到，是遺傳信息決定了生物體具有的生命特征，包括外部形態(tài)以及從事的生命活動等等，而生物體的基因組正是這些遺傳信息的攜帶者。因此闡明生物體基因組攜帶的遺傳信息，將大大有助于揭示生命的起源和奧秘。
工業(yè)微生物涉及食品、制藥、冶金、采礦、石油、皮革、輕化工等多種行業(yè)。通過微生物發(fā)酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的制備等；某些特殊微生物酶參與皮革脫毛、冶金、采油采礦等生產過程，甚至直接作為洗衣粉等的添加劑；另外還有一些微生物的代謝產物可以作為天然的微生物殺蟲劑廣泛應用于農業(yè)生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究，發(fā)現(xiàn)了一系列與抗生素及重要工業(yè)用酶的產生相關的基因。乳酸桿菌作為一種重要的微生態(tài)調節(jié)劑參與食品發(fā)酵過程，對其進行的基因組學研究將有利于找到關鍵的功能基因，然后對菌株加以改造，使其更適于工業(yè)化的生產過程。國內維生素C兩步發(fā)酵法生產過程中的關鍵菌株氧化葡萄糖酸桿菌的基因組研究，將在基因組測序完成的前提下找到與維生素C生產相關的重要代謝功能基因，經基因工程改造，實現(xiàn)新的工程菌株的構建，簡化生產步驟，降低生產成本，繼而實現(xiàn)經濟效益的大幅度提升。對工業(yè)微生物開展的基因組研究，不斷發(fā)現(xiàn)新的特殊酶基因及重要代謝過程和代謝產物生成相關的功能基因，并將其應用于生產以及傳統(tǒng)工業(yè)、工藝的改造，同時推動現(xiàn)代生物技術的迅速發(fā)展。
經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發(fā)表了全序列的植物致病微生物。還有一些在分類學、生理學和經濟價值上非常重要的農業(yè)微生物，例如：胡蘿卜歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及中國正在開展的黃單胞菌的研究等正在進行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也剛剛測定完成。借鑒已經較為成熟的從人類病原微生物的基因組學信息篩選治療性藥物的方案，可以嘗試性地應用到植物病原體上。特別像柑橘的致病菌這種需要昆蟲媒介才能完成生活周期的種類，除了殺蟲劑能阻斷其生活周期以外，只能通過遺傳學研究找到毒力相關因子，尋找抗性靶位以發(fā)展更有效地控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對于開發(fā)利用其固氮關鍵基因提高農作物的產量和質量也具有重要的意義。
在極端環(huán)境下能夠生長的微生物稱為極端微生物，又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環(huán)境具有很強的適應性，極端微生物基因組的研究有助于從分子水平研究極限條件下微生物的適應性，加深對生命本質的認識。
生物理論
現(xiàn)代生物學的若干基礎性的重大發(fā)現(xiàn)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的半保留復制方式（雙螺旋的每一條子鏈分別、都是復制模板）。遺傳密碼子的解讀（64個密碼子各對應20種氨基酸及終止信號的哪一種）。基因的轉錄調節(jié)（operon, promoter, operator, repressor, activator的概念與調節(jié)方式）。信使RNA的翻譯調節(jié)（terminator）等等……。2013年，很多常用、通用的生物學研究技術依賴于微生物，比如：分子克隆重組蛋白在細菌或酵母中的表達。很多醫(yī)學技術也依賴于微生物，比如：以病毒為載體的基因治療。
微生物的繁殖：當細胞增長到一定程度時，就以二分裂的方式形成兩個相似的子細胞，子細胞重復上述過程是細胞數(shù)目增加，稱為微生物的繁殖。
世界之最
目前世界上已知最大的微生物：1985年Fishelson、Montgomery及Myrberg三人發(fā)現(xiàn)一種生長于紅海水域中的熱帶魚（名叫surgeonfish）的小腸管道中的微生物費氏刺骨魚菌(Epulopiscium fishelsoni)，這是當時世界上所發(fā)現(xiàn)最大的微生物。它外形酷似雪茄煙，長約200～500μm，最長可達600μm，體積約為大腸桿菌的100萬倍，這種微生物并不需要由顯微鏡觀察便可直接由肉眼察覺到它的存在。目前最大的微生物則是1997年，由Heidi Schulz在納米比亞海岸海洋沉淀土中所發(fā)現(xiàn)的呈球狀的細菌，直徑約100～750μm。這比之前所提的微生物大上2~4倍。2011年9月我國科學家在海南發(fā)現(xiàn)世界最大真菌子實體，該子實體已生長了20年，長度超過10米，寬度接近1米，厚度在5厘米左右，體積為409262–525140立方厘米，重量超過500千克。
目前世界上已知最小的能獨立生活的微生物：支原體，過去也譯成“霉形體”，它是一類介于細菌和病毒之間的單細胞微生物，是地球上已知的能獨立生活的最小微生物，大小約為100納米。支原體一般都是寄生生物，其中最有名的當屬肺炎支原體（M.Pneumonia），它能引起哺乳動物特別是牛的呼吸器官發(fā)生嚴重病變。
亞病毒：（包括類病毒、擬病毒、朊病毒）是世界上最小的微生物。擬病毒的大小和類病毒相似；朊病毒比已知的最小的常規(guī)病毒還小得多（約30～50nm）；類病毒是目前已知最小的可傳染的致病因子，比普通病毒簡單，1971年首次報道的馬鈴薯紡錘形塊莖病類病毒，它的大小只有萵苣花葉病毒的三十九分之一。
微生物[個體難以用肉眼觀察的一切微小生物]
基因因素
農業(yè)微生物基因組研究認清致病機制發(fā)展控制病害的新對策。據(jù)資料統(tǒng)計，全球每年因病害導致的農作物減產可高達20%，其中植物的細菌性病害最為嚴重。除了培植在遺傳上對病害有抗性的品種以及加強園藝管理外，似乎沒有更好的病害防治策略。因此積極開展某些植物致病微生物的基因組研究，認清其致病機制并由此發(fā)展控制病害的新對策顯得十分緊迫。例如：胡蘿卜歐文氏菌、植物致病性假單胞菌以及我國正在開展的黃單胞菌的研究等正在進行之中。
微生物能夠分解纖維素等物質，并促進資源的再生利用。對這些微生物開展的基因組研究，在深入了解特殊代謝過程的遺傳背景的前提下，有選擇性地加以利用，例如找到不同污染物降解的關鍵基因，將其在某一菌株中組合，構建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同時降解不同的環(huán)境污染物質，極大發(fā)揮其改善環(huán)境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物芯片方法對微生物進行了特殊條件下的表達譜的研究，以期找到其降解有機物的關鍵基因，為開發(fā)及利用確定目標。極端環(huán)境微生物基因組研究深入認識生命本質應用潛力極大。有一種嗜極菌，它能夠暴露于數(shù)千倍強度的輻射下仍能存活，而人類一個劑量強度就會死亡。該細菌的染色體在接受幾百萬拉德a射線后粉碎為數(shù)百個片段，但能在一天內將其恢復。研究其DNA修復機制對于發(fā)展在輻射污染區(qū)進行環(huán)境的生物治理非常有意義。開發(fā)利用嗜極菌的極限特性可以突破當前生物技術領域中的一些局限，建立新的技術手段，使環(huán)境、能源、農業(yè)、健康、輕化工等領域的生物技術能力發(fā)生革命。來自極端微生物的極端酶，可在極端環(huán)境下行使功能，將極大地拓展酶的應用空間，是建立高效率、低成本生物技術加工過程的基礎，例如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的堿性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與應用將是取得現(xiàn)代生物技術優(yōu)勢的重要途徑，其在新酶、新藥開發(fā)及環(huán)境整治方面應用潛力極大。
研究發(fā)展
巴斯德
巴斯德
② 免疫學——預防接種。Jenner雖然早在1798年發(fā)明了種痘法可預防天花，但卻不了解這個免疫過程的基本機制，因此，這個發(fā)現(xiàn)沒能獲得繼續(xù)發(fā)展。1877年，巴斯德研究了雞霍亂，發(fā)現(xiàn)將病原菌減毒可誘發(fā)免疫性，以預防雞霍亂病。其后它又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病，并首次制成狂犬疫苗，證實其免疫學說，為人類防病、治病做出了重大貢獻。
③ 證實發(fā)酵是由微生物引起的。究竟發(fā)酵是一個由微生物引起的生物過程還是一個純粹的化學反應過程，曾是化學家和微生物學家激烈爭論的問題。巴斯德在否定“自生說”的基礎上，認為一切發(fā)酵作用都可能與微生物的生長繁殖有關。經不斷地努力，巴斯德終于分離到了許多引起發(fā)酵的微生物，并證實酒精發(fā)酵是由酵母菌引起的。還研究了氧氣對酵母菌的發(fā)育和酒精發(fā)酵的影響。此外，巴斯德還發(fā)現(xiàn)乳酸發(fā)酵、醋酸發(fā)酵和丁酸發(fā)酵都是不同細菌所引起的。為進一步研究微生物的生理生化奠定了基礎。
④ 其它貢獻。一直沿用至今天的巴斯德消毒法（60～65℃作短時間加熱處理，殺死有害微生物的一種消毒法）和家蠶軟化病問題的解決也是巴斯德的重要貢獻，它不僅在實踐上解決了當時法國酒變質和家蠶軟化病的實際問題，而且也推動了微生物病原學說的發(fā)展，并深刻影響醫(yī)學的發(fā)展。
柯赫
柯赫是著名的細菌學家，由于他曾經是一名醫(yī)生，因此對病原細菌的研究做出了突出的貢獻：①具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；②發(fā)現(xiàn)了肺結核病的病原菌，這是當時死亡率極高的傳染性疾病，因此柯赫獲得了諾貝爾獎；③提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則——柯赫原則：首先在患病肌體里存在著一種特定的病原菌，并可以從該肌體里分離得到純培養(yǎng)；然后用得到的純培養(yǎng)接種敏感動物，表現(xiàn)出特有的性狀；最后從被感染的敏感動物中又一次獲得與原病原菌相同的純培養(yǎng)。由于柯赫在病原菌研究方面的開創(chuàng)性工作，自19世紀70年代至20世紀20年代成了發(fā)現(xiàn)病原菌的黃金時代，所發(fā)現(xiàn)的各種病原微生物不下百余種，其中還包括植物病原菌。柯赫除了在病原菌方面的偉大成就外，在微生物基本操作技術方面的貢獻更是為微生物學的發(fā)展奠定了技術基礎，這些技術包括：①用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技術，這是進行微生物學研究的基本前提，這項技術一直沿用至今；②配制培養(yǎng)基，也是當今微生物研究的基本技術之一。這兩項技術不僅是具有微生物研究特色的重要技術，而且也為當今動植物細胞的培養(yǎng)做出了十分重要的貢獻。
現(xiàn)代發(fā)展
微生物20世紀上半葉微生物學事業(yè)欣欣向榮，微生物學沿著兩個方向發(fā)展，即應用微生物學和基礎微生物學。在應用方面，對人類疾病和軀體防御機能的研究，促進了醫(yī)學微生物學和免疫學的發(fā)展。青霉素的發(fā)現(xiàn)（Fleming,1929）和瓦克斯曼（Waksman）對土壤中放線菌的研究成果導致了抗生素科學的出現(xiàn)，這是工業(yè)微生物學的一個重要領域。
環(huán)境微生物學在土壤微生物學研究的基礎上發(fā)展起來。微生物在農業(yè)中的應用使農業(yè)微生物學和獸醫(yī)微生物學等也成為重要的應用學科。應用成果不斷涌現(xiàn)，促進了基礎研究的深入，于是細菌和其它微生物的分類系統(tǒng)在20世紀中葉出現(xiàn)了，生物化學，微生物遺傳和變異的研究導致了微生物遺傳學的誕生。微生物生態(tài)學在20世紀60年代也形成了一個獨立學科。20世紀80年代以來，在分子水平上對微生物研究迅速發(fā)展，分子微生物學應運而生。在短短的時間內取得了一系列進展，并出現(xiàn)了一些新的概念，較突出的有，生物多樣性、進化、三原界學說；細菌染色體結構和全基因組測序；細菌基因表達的整體調控和對環(huán)境變化的適應機制；細菌的發(fā)育及其分子機理；細菌細胞之間和細菌同動植物之間的信號傳遞；分子技術在微生物原位研究中的應用。經歷約150年成長起來的微生物學，在21世紀將為統(tǒng)一生物學的重要內容而繼續(xù)向前發(fā)展，分子微生物生態(tài)學。
微生物產業(yè)在21世紀將呈現(xiàn)全新的局面。微生物短短的300年間，特別是20世紀中葉，已在人類的生活和生產實踐中得到廣泛的應用，并形成了繼動、植物兩大生物產業(yè)后的第三大產業(yè)。這是以微生物的代謝產物和菌體本身為生產對象的生物產業(yè)，所用的微生物主要是從自然界篩選或選育的自然菌種。21世紀，微生物產業(yè)除了更廣泛的利用和挖掘不同生境（包括極端環(huán)境）的自然資源微生物外，基因工程菌將形成一批強大的工業(yè)生產菌，生產外源基因表達的產物，特別是藥物的生產將出現(xiàn)前所未有的新局面，結合基因組學在藥物設計上的新策略將出現(xiàn)以核酸（DNA或RNA）為靶標的新藥物（如反義寡核苷酸、肽核酸、DNA疫苗等）的大量生產，人類將完全征服癌癥、艾滋病以及其他疾病。此外，微生物工業(yè)將生產各種各樣的新產品，例如降解性塑料、DNA芯片、生物能源等，在21世紀將出現(xiàn)一批嶄新的微生物工業(yè)，為全世界的經濟和社會發(fā)展做出更大貢獻。
中國發(fā)展
微生物作為一門科學進行研究，中國起步較晚。中國學者開始從事微生物學研究在20世紀之初，那時一批到西方留學的中國科學家開始較系統(tǒng)地介紹微生物知識，從事微生物學研究。1910-1921年微生物間伍連德用近代微生物學知識對鼠疫和霍亂病原的探索和防治，在中國最早建立起衛(wèi)生防疫機構，培養(yǎng)了第一支預防鼠疫的專業(yè)隊伍，在當時這項工作居于國際先進地位。20世紀20-30年代，中國學者開始對醫(yī)學微生物學有了較多的試驗研究，其中湯飛凡等在醫(yī)學細菌學、病毒學和免疫學等方面的某些領域做出過較高水平的成績，例如沙眼病原體的分離和確認是具有國際領先水平的開創(chuàng)性工作。
現(xiàn)代化的發(fā)酵工業(yè)、抗生素工業(yè)、生物農藥和菌肥工作已經形成一定的規(guī)模，特別是改革開放以來，中國微生物學無論在應用和基礎理論研究方面都取得了重要的成果，例如中國抗生素的總產量已躍居世界首位，中國的兩步法生產維生素C的技術居世界先進水平。中國學者瞄準世界微生物學科發(fā)展前沿，進行微生物基因組學的研究，現(xiàn)已完成痘苗病毒天壇株的全基因組測序，2013年又對中國的辛德畢斯毒株（變異株）進行了全基因組測序。1999年又啟動了從中國云南省騰沖地區(qū)熱海沸泉中分離得到的泉生熱袍菌全基因組測序，2013年取得可喜進展。中國微生物學進入了一個全面發(fā)展的新時期。但從總體來說，中國的微生物學發(fā)展水平除個別領域或研究課題達到國際先進水平，為國外同行承認外，絕大多數(shù)領域與國外先進水平相比，尚有相當大的差距。因此如何發(fā)揮中國傳統(tǒng)應用微生物技術的優(yōu)勢，緊跟國際發(fā)展前沿，趕超世界先進水平，還需作出艱苦的努力。
相互作用
在分子水平上研究微生物病原體的變異規(guī)律、毒力和致病性，對于傳統(tǒng)微生物學來說是一場革命。微生物以人類基因組計劃為代表的生物體基因組研究成為整個生命科學研究的前沿，而微生物基因組，研究又是其中的重要分支。世界權威性雜志《科學》曾將微生物基因組研究評為世界重大科學進展之一。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機制，發(fā)現(xiàn)重要的功能基因并在此基礎上發(fā)展疫苗，開發(fā)新型抗病毒、抗細菌、真菌藥物，將對有效地控制新老傳染病的流行，促進醫(yī)療健康事業(yè)的迅速發(fā)展和壯大! 從分子水平上對微生物進行基因組研究為探索微生物個體以及群體間作用的奧秘提供了新的線索和思路。
為了充分開發(fā)微生物（特別是細菌）資源，1994年美國發(fā)起了微生物基因組研究計劃（MGP）。通過研究完整的基因組信息開發(fā)和利用微生物重要的功能基因，不僅能夠加深對微生物的致病機制、重要代謝和調控機制的認識，更能在此基礎上發(fā)展一系列與我們的生活密切相關的基因工程產品，包括：接種用的疫苗、治療用的新藥、診斷試劑和應用于工農業(yè)生產的各種酶制劑等等。通過基因工程方法的改造，促進新型菌株的構建和傳統(tǒng)菌株的改造，全面促進微生物工業(yè)時代的來臨。
世界地位
當人類在發(fā)現(xiàn)和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的兩大界－動物界和植物界。隨著人們對微生物認識的逐步深化，從兩界系統(tǒng)經歷過三界系統(tǒng)、四界系統(tǒng)、五界系統(tǒng)甚至六界系統(tǒng)，直到70年代后期，美國人Woese等發(fā)現(xiàn)了地球上的第三生命形式－古菌，才導致了生命三域學說的誕生。該學說認為生命是由古菌域（Archaea）、細菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所構成。在圖示“生物的系統(tǒng)進化樹”中，左側的黃色分枝是細菌域；中間的褐色和紫色分枝是古菌域；右側的綠色分枝是真核生物域。古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota）、廣域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）；細菌域包括細菌、放線菌、藍細菌和各種除古菌以外的其它原核生物；真核生物域包括真菌、原生生物、動物和植物。除動物和植物以外，其它絕大多數(shù)生物都屬微生物范疇。由此可見，微生物在生物界級分類中占有特殊重要的地位。生命進化一直是人們關注的熱點。Brown等依據(jù)平行同源基因構建的“Cenancestor”生命進化樹，認為生命的共同祖先Cenancestor是一個原生物。原生物在進化過程中產生兩個分支，一個是原核生物（細菌和古菌），一個是原真核生物，在之后的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化，然后原真核生物經吞食一個古菌，并由古菌的DNA取代寄主的RNA基因組而產生真核生物。從進化的角度，微生物是一切生物的老前輩。如果把地球的年齡比喻為一年的話，則微生物約在3月20日誕生，而人類約在12月31日下午7時許出現(xiàn)在地球上。
地下微生物
1989年，美國幾所大學和能源部的一些專家，在南卡羅來納州進行調查時，發(fā)現(xiàn)了一個“全新的生態(tài)系統(tǒng)”。他們在550米的地表下發(fā)現(xiàn)了3000多種微生物組織，其中有許多屬首次發(fā)現(xiàn)。
這些微生物，大多數(shù)是從地下水里吸收氧氣，而另一些則不需要氧氣就能生存。這些微生物吸收養(yǎng)料少，新陳代謝緩慢，它們的生存就像一些地表動物冬眠一樣。
地下微生物
海洋微生物
微生物定義
英文名稱：marine microorganism
所屬學科：水產學（一級學科）；水產基礎科學（二級學科）
所屬學科：資源科技（一級學科）；海洋資源學（二級學科）
特性
嗜鹽性
海洋微生物最普遍的特點。真正的海洋微生物的生長必需海水。海水中富含各種無機鹽類和微量元素。鈉為海洋微生物生長與代謝所必需此外，鉀、鎂、鈣、磷、硫或其他微量元素也是某些海洋微生物生長所必需的。
嗜冷性
大約90%海洋環(huán)境的溫度都在5℃以下，絕大多數(shù)海洋微生物的生長要求較低的溫度，一般溫度超過37℃就停止生長或死亡。那些能在 0℃生長或其最適生長溫度低于20℃的微生物稱為嗜冷微生物。嗜冷菌主要分布于極地、深海或高緯度的海域中。其細胞膜構造具有適應低溫的特點。那種嚴格依賴低溫才能生存的嗜冷菌對熱反應極為敏感，即使中溫就足以阻礙其生長與代謝。
嗜壓性
海洋中靜水壓力因水深而異，水深每增加10米，靜水壓力遞增1個標準大氣壓。海洋最深處的靜水壓力可超過1000大氣壓。深海水域是一個廣闊的生態(tài)系統(tǒng)，約56%以上的海洋環(huán)境處在100～1100大氣壓的壓力之中，嗜壓性是深海微生物獨有的特性。來源于淺海的微生物一般只能忍耐較低的壓力，而深海的嗜壓細菌則具有在高壓環(huán)境下生長的能力，能在高壓環(huán)境中保持其酶系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究嗜壓微生物的生理特性必須借助高壓培養(yǎng)器來維持特定的壓力。那種嚴格依賴高壓而存活的深海嗜壓細菌，由于研究手段的限制迄今尚難于獲得純培養(yǎng)菌株。根據(jù)自動接種培養(yǎng)裝置在深海實地實驗獲得的微生物生理活動資料判斷，在深海底部微生物分解各種有機物質的過程是相當緩慢的。
低營養(yǎng)性
海水中營養(yǎng)物質比較稀薄，部分海洋細菌要求在營養(yǎng)貧乏的培養(yǎng)基上生長。在一般營養(yǎng)較豐富的培養(yǎng)基上，有的細菌于第一次形成菌落后即迅速死亡，有的則根本不能形成菌落。這類海洋細菌在形成菌落過程中因其自身代謝產物積聚過甚而中毒致死。這種現(xiàn)象說明常規(guī)的平板法并不是一種最理想的分離海洋微生物方法。
多形性
在顯微鏡下觀察細菌形態(tài)時，有時在同一株細菌純培養(yǎng)中可以同時觀察到多種形態(tài)，如球形橢圓形、大小長短不一的桿狀或各種不規(guī)則形態(tài)的細胞。這種多形現(xiàn)象在海洋革蘭氏陰性桿菌中表現(xiàn)尤為普遍。這種特性看來是微生物長期適應復雜海洋環(huán)境的產物。
發(fā)光性
在海洋細菌中只有少數(shù)幾個屬表現(xiàn)發(fā)光特性。發(fā)光細菌通常可從海水或魚產品上分離到。細菌發(fā)光現(xiàn)象對理化因子反應敏感，因此有人試圖利用發(fā)光細菌為檢驗水域污染狀況的指示菌。
海洋微生物
空間微生物
生態(tài)學的研究表明，地球是萬物生存的搖籃，它包括陸域生態(tài)系、水域生態(tài)系及環(huán)繞地球的大氣生態(tài)系等自然生態(tài)系。能夠存活于大氣層環(huán)境中的微生物構成了自然界中大氣微生物生態(tài)系。大氣層分為對流層、同溫層和電離層。由于大氣層隨著高度的上升，溫度很快下降（對流層的溫度只有-43——-83攝氏度），不利于生命活動的化學、物理等因子（臭氧、微重力、UV射線等）也增強，因此，這一生態(tài)系中微生物只有抗逆休眠體及來源于帶有微生物細胞或孢子的塵埃、霧滴、動物呼吸和排泄物等。微生物一旦進入或者超越自然生態(tài)系中的電離層，由于銀河射線及地磁俘獲輻射形成的強輻射、微重力等空間環(huán)境因子的作用就難以存活。盡管如此，一門研究地球以外生命（包括其他星球上的生命）的新興科學——《外空生物學》（Exobiology）正在形成。這一研究領域里，外空生物學家一方面利用各種航天飛行器（高空氣球、軌道衛(wèi)星、空間站、航天飛機等）探索生物對空間環(huán)境因子作用的反應（即生物學效應），為人類征服空間提供理論知識和技術依據(jù)，及空間生物學（Space Biology）研究的主要內容：另一方面越來越多的科學家還試圖通過從包括火星、月球、木星等其他星球上取回的巖石和塵埃樣品的檢測，尋找地球外可能存在的生命形式。
研究技術
顯微
工具是人類器官的延伸。要觀察肉眼看不到的微生物，沒有適當工具是不可能的。前面所說的列文虎克用顯微鏡揭示微小的生命世界之前80多年，有個叫楊森的荷蘭人已經制造出顯微鏡，而且在列文虎克之前，英國人虎克已經描繪過顯微鏡下長在皮革上的蘭色霉菌的形態(tài)（圖1），不過，看到細菌、原生動物等活的微生物，并把它們的運動記錄下來的第一人是列文虎克（圖2）。隨著工業(yè)發(fā)展和技術進步，顯微鏡經過300多年的改進，2013年已經是林林總總，形式多樣了。但從功能上說，無非是從器具和觀察對象兩方面著手提高放大倍數(shù)和增加分辨細微結構能力。在器具上，包括選擇投射于物體上的波束的性質及為便于觀察而不斷改善操縱裝置；在觀察對象上，則是如何突顯待觀察的部分。波束有光波和電磁波，用光波的叫做光學顯微鏡，用電磁波的叫電子顯微鏡。
光波只能對大于其波長的物體造象，可見光的波長大約是0.4—0.8微米，所以光學顯微鏡不可能觀察到小于200納米（0.2微米）的物體，2013年的光學顯微鏡放大和分辨效率已經越來越接近其極限，大約可以將對象放大2000倍。電磁波的波長是光波波長的十萬分之一，電子顯微鏡的放大倍數(shù)可以達到百萬，可以分辨十分之一納米。這樣，不僅可以看到細胞中許多細微結構，還能觀察分子的形態(tài)。
無菌操作
顯微鏡技術問世而使人類開始認識了微生物，然而在對微生物的生命活動和功能有所知曉之前，微生物學并沒有誕生。促使微生物學迅速誕生的，是無菌操作技術和純種培養(yǎng)技術。在1861年，偉大的微生物學家巴斯德做了一個有名的實驗。對于微生物學發(fā)展具有決定性的作用。
巴斯德用一個有長頸的圓底燒瓶裝上肉湯，如果就這么放著，幾天后肉湯便渾濁發(fā)臭了，用顯微鏡可以觀察到里面長了許多細菌。如果把長長的瓶頸用火焰燒成彎曲狀，雖然瓶口還是和外界相通，氧氣可以自由出入，可是肉湯放置很長時間也不會變渾濁。如果把里面的肉湯從彎曲處往瓶口傾折，讓液體接觸瓶口，再讓液體流回瓶中，幾天后，液體又變渾發(fā)臭了。巴斯德這個實驗充分說明，肉湯之所以變渾發(fā)臭，是肉湯里面的細菌繁殖造成的，如果加熱殺死了肉湯里面的細菌，又不讓外面的細菌進去，肉湯就不會有細菌生長。液體和瓶口接觸后，因為空氣中的塵埃和細菌沾在瓶口，通過肉湯進入瓶內，所以幾天后會變渾發(fā)臭。而且，燒瓶盡管有彎長的頸，可是瓶口是和外界相通的，空氣可以自由進入，所以可以保證里面有氧氣，所以不是沒有氧氣而使細菌不能生長。
直到20世紀60年代，在倫敦的一個研究所中，還一直保存著19世紀后期為否定自然發(fā)生論所用的一些陳年肉湯，它們在70年后依然清亮如故。巴斯德這個簡單但是具有說服力的著名實驗，證實了微生物只能從微生物產生而不能自然地從沒有生命的物質發(fā)生。從此，人們開始認識到無菌操作的重要。滅過菌的物質在適當保護下將保持無菌狀態(tài)，除非有人去感染它。巴斯德奠定了這個微生物學的基本原理。
純種培養(yǎng)
自然界中，各種微生物之間并不是離群素居，彼此老死不相往來的。在任何天然環(huán)境中，都有多種微生物共同生活。土壤是微生物的大本營，1克普通的菜園土中就有數(shù)百種微生物，個體數(shù)量可能超過上億。連人的口腔中也有幾十種細菌。由于巴斯德對葡萄酒變質的研究，人們認識到某種微生物和物質的某種化學變化有直接關系，酵母菌可以把葡萄酒里的葡萄糖變成酒精，醋酸細菌可以使葡萄酒變酸。
巴斯德和其他一些學者的工作又證明傳染病是由某些微生物感染所致。既然每種微生物有不同的形態(tài)和生理特征，它們在自然界的作用和對人類的影響也必然有差異。我們要了解某種微生物對于人類有害還是有益，或者2013年與人類還沒有什么特別密切的關系，就必須單獨把這種微生物分離出來研究。這就是在無菌技術的基礎上微生物學的另一項基本技術——純種分離技術。
微生物[個體難以用肉眼觀察的一切微小生物]
實驗室
生物化學技術
PCR技術PCR技術采用體外酶促反應合成特異性DNA片段，再通過擴增產物來識別細菌。由于PCR靈敏度高，理論上可以檢出一個細菌的拷貝基因，因此在細菌的檢測中只需短時間增菌甚至不增菌，即可通過PCR進行篩選，節(jié)約了大量時間，但PCR技術也存在一些缺點：食物成分、增菌培養(yǎng)基成分和其他微生物DNA對Taq酶具有抑制作用，可能導致檢驗結果假陰性；操作過程要求嚴格，微量的外源性DNA進入PCR后可以引起無限放大產生假陽性結果，擴增過程中有一定的裝配誤差，會對結果產生影響。由于以上原因，PCR技術對操作者的自身素質要求很高，對于基層單位而言難以做到。短時間內也不會有經濟效益和社會效益，因此影響了這項技術在基層的應用。
基因探針技術基因探針技術利用具有同源性序列的核酸單鏈在適當條件下互補形成穩(wěn)定的DNA?RNA或DNADNA鏈的原理，采用高度特異性基因片段制備基因探針來識別細菌。基因探針的優(yōu)點是減少了基因片段長度多態(tài)性所需要分析的條帶數(shù)。如法國生物一梅里埃公司的GEN?PROBE基因探針檢測系統(tǒng)，對于分離到的單個菌落，30 min完成微生物的確證試驗，基因探針的缺點是不能鑒定目標菌以外的其他菌。
免疫學技術
免疫學技術通過抗原和抗體的特異性結合反應，再輔以免疫放大技術來鑒別細菌。免疫方法的優(yōu)點是樣品在進行選擇性增菌后，不需分離，即可采用免疫技術進行篩選。由于免疫法有較高靈敏度，樣品經增菌后可在較短的時間內達到檢出度，抗原和抗體的結合反應可在很短時間內完成。此技術對操作者要求也不高，是目前為止基層單位應用時間最長最為廣泛的一項快速檢測技術。如采用免疫磁珠法可有效地收集、濃縮神奈川現(xiàn)象陽性的副溶血性弧菌，可顯著提高環(huán)境樣品及食品中病原性副溶血性弧菌的檢出率。膠體金免疫層析法能快速、靈敏檢測金黃色葡萄球菌，應用膠體金免疫層析法檢測乙型肝炎表面抗原，可大大提高工作效率。ATP生物發(fā)光法是發(fā)展較快的一種用于食品生產加工設備潔凈度檢測的快速檢測方法。利用ATP生物發(fā)光分析技術和體細胞清除技術，測量細菌ATP和體細胞ATP，細菌ATP的量與細菌數(shù)成正比，用ATP生物發(fā)光分析技術檢測肉類食品細菌污染狀況或食品器具的現(xiàn)場衛(wèi)生學檢測，都能夠達到快速實時的目標。微型自動熒光酶標分析法(mini VIDAS)是利用酶聯(lián)熒光免疫分析技術，通過抗原-抗體特異反應，分離出目標菌，由特殊儀器根據(jù)熒光的強弱自動判斷樣品的陽性或陰性。VIDAS法檢測凍肉中沙門菌具有很高的靈敏度和特異性，用于進出口凍肉的檢測，可大大縮短檢驗時間，加快通關速度，檢測凍肉中李斯特氏菌亦如此。
全自動微生物分析系統(tǒng)(AMS)
AMS是一種由傳統(tǒng)生化反應及微生物檢測技術與現(xiàn)代計算機技術相結合，運用概率最大近似值模型法進行自動微生物檢測的技術，可鑒定由環(huán)境、原料及產品中分離的微生物。AMS僅需4～18 h即可報告結果，以常規(guī)法鑒定細菌，只能得到是或不是某種菌，要想知道是哪種菌還要做大量、繁瑣的生化試驗，而AMS則可以直接報告是什么菌。法國生物梅里埃集團公司出品的Vitek?AMS自動微生物檢測系統(tǒng)屬當今世界上最為先進、自動化程度最高的細菌鑒定儀器之一。Vitek對細菌的鑒定是以每種細菌的微量生化反應為基礎，不同種類的Vitek試卡(檢測卡)含有多種的生化反應孔，可達30種，可鑒定405種細菌。用AMS明顯縮短腸道菌生化鑒定的時間，如鑒定沙門菌屬只需4 h，鑒定志賀氏菌屬只需6 h，鑒定霍亂弧菌等致病性弧菌亦只需4～13 h。這套系統(tǒng)對基層單位而言具有極強的應用價值，但他昂貴的價格讓人望而生畏。
分離培養(yǎng)
方法步驟
接種操作方法
斜面接種(接金黃葡萄球菌)
(2)將菌種管和斜面握在左手大拇指和其它四指之間，使斜面和有菌種的一面向上，并處于水平位置。
(3)先將菌種和斜面的棉塞旋轉一下，以便接種時便于拔出。
(7)迅速將沾有菌種的接種環(huán)伸入另一支待接斜面試管。從斜面底部向上作“Z”形來回密集劃線。有時也可用接種針僅在培養(yǎng)基的中央拉一條線來作斜面接種，以便觀察菌種的生長特點。
(8)接種完畢后抽出接種環(huán)灼燒管口，塞上棉塞。
(9)將接種環(huán)燒紅滅菌。放下接種環(huán)，再將棉花塞旋緊。
液體接種
(1)由斜面培養(yǎng)基接入液體培養(yǎng)基，此法用于觀察細菌的生長特性和生化反應的測定，操作方法與前相同，但使試管口向上斜，以免培養(yǎng)液流出接入菌體后，使接種環(huán)和管內壁摩擦幾下以利洗下環(huán)上菌體。接種后塞好棉塞將試管在手掌中輕輕敲打，使菌體充分分散。
(2)由液體培養(yǎng)基接種液體培養(yǎng)基，菌種是液體時，接處除用接種環(huán)外尚用無菌吸管或滴管。接種時只需在火焰旁拔出棉塞，將管口通過火焰，用無菌吸管吸取菌液注入培養(yǎng)液內，搖勻即可。
平板接種
將菌在平板上劃線和涂布。
(1)劃線接種 見分離劃線法。
穿刺接種
把菌種接種到固體深層培養(yǎng)基中，此法用于嫌氣性細菌接種或為鑒定細菌時觀察生理性能用。
(1)操作方法與上述相同，但所用的接種針應挺直。
(2)將接種針自培養(yǎng)基中心刺入，直刺到接近管底，但勿穿透，然后尚原穿刺途徑慢慢拔出。
分離操作方法
稀釋分離法
通過不斷稀釋使被分離的樣品分散到最低限度，然后吸取一定量注入平板與溫度適合溶化了的瓊脂培養(yǎng)基混合，這樣分散的細菌被固定在原處而形成單菌落。
(1)將大腸桿菌或酵母菌用無菌水制作菌懸液。
(2)取若干支無菌試管，每支內盛9ml無菌水。
(3)吸取1ml制備好的菌懸液，置于第一支含有9ml無菌水的試管內，這樣就稀釋了10倍，也就是10-2。
(4)從第一支試管內(10-2)吸取1ml注入第二支含有無菌水的試管內，這樣就稀釋了100倍，也就是10-2。
(5)用同樣方法操作，直至稀釋至10-5-10-6。
(6)分別精確吸取10-5-10-6各稀釋度菌液0.2ml加入編好號的空無菌平皿中，同一稀釋度重復做三個平皿。
(7)將已溶化并冷卻至45℃的瓊脂培養(yǎng)基倒入上述各平皿內，輕輕旋轉使培養(yǎng)基與菌懸液充分混勻，凝固后倒置于37℃或38℃度恒溫箱中培養(yǎng)24-48小時，觀察平板上菌落生長和分布情況。
平板劃線分離法是接種環(huán)在平板培養(yǎng)基表面通過分區(qū)劃線而達到分離微生物的一種方法。其原理是將微生物樣品在固體培養(yǎng)基表面多次作“由點到線”稀釋而達到分離目的。
(1)倒平板 溶化牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基倒平板，水平靜置待凝。
(2)在酒精燈光焰上灼燒接種環(huán)，待冷，取一接種環(huán)金黃葡萄球菌、大腸桿菌混合菌液。
(3)左手握瓊脂平板稍抬起皿蓋，同時靠近火焰周圍，右手持接種環(huán)伸入皿內，在平板上一個區(qū)域作之形回劃線，劃線時例接種環(huán)與平板表面成30-40°角度輕輕接觸，以腕力在表面作輕快的滑動，勿使平板表面劃破或嵌進增基內。
(4)灼燒接種杯，以殺滅接種環(huán)上尚殘余的菌液，待冷卻后，再將接種環(huán)伸入皿內，在第一區(qū)域劃過線的地方稍接觸一下后，轉動90°，在第二區(qū)域繼續(xù)劃線。
(5)劃畢后再灼燒接種杯，冷卻后用同樣方法在其他區(qū)域劃線。
(6)全部劃線完畢后，在平皿底用特種蠟筆注明菌種、日期、組別、姓名。將整個培養(yǎng)皿倒置放入恒溫培養(yǎng)箱。
(7)37℃經過24-48小時培養(yǎng)后取出觀察。注意菌落的開關、大小、顏色、邊緣、表面結構、透明度等性狀。
注意事項
(2)進入接種室前，應先做好個人衛(wèi)生工作，在緩沖間內要更換工作鞋帽、工作衣、戴口罩。工作衣、工作鞋、口罩只準在接種室內使用。不準穿到其它地方去，并要定期更換、消毒。
(3)接種的試管、三角并瓶等應做好標記，注明培養(yǎng)基、菌種的名稱、日期。移入接種室內的所有物品，均須在緩沖室用70%酒精擦拭干凈。
(5)培養(yǎng)箱應經常清潔消毒。
參考資料
[1]
微生物學的發(fā)展 · 食品伙伴網[引用日期2013-09-19]
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