微生物

微生物

微生物包括:細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類等在內的一大類生物群體,它個體微小,與人類關係密切。涵蓋了有益跟有害的眾多種類,廣泛涉及食品、醫藥、工農業、環保等諸多領域。在中國大陸地區的教科書中,均將微生物劃分為以下8大類:細菌、病毒、真菌、放線菌、立克次體、支原體、衣原體、螺鏇體。有些微生物是肉眼可以看見的,像屬於真菌的蘑菇、靈芝等。還有微生物是一類由核酸和蛋白質等少數幾種成分組成的“非細胞生物”,但是它的生存必須依賴於活細胞。

基本信息

發現歷史

形態學時期

微生物的形態觀察是從安東·列文虎克發明的顯微鏡開始的,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,
微生物微生物
他的發現和描述首次揭示了一個嶄新的生物世界——微生物世界。在微生物學的發展史上具有劃時代的意義。

生理學時期

繼列文虎克發現微生物世界以後的200年間,微生物學的研究基本上停留在形態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描述推進到生理學研究階段,揭露了微生物是造成腐敗發酵和人畜疾病的原因,並建立了分離、培養、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,同時開闢了醫學和工業微生物等分支學科。巴斯德和柯赫是微生物學的奠基人。
巴斯德和柯赫的傑出工作,使微生物學作為一門獨立的學科開始形成,並出現以他們為代表而建立的各分支學科,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,使微生物學發展更加迅速。

現代微生物學

19世紀末和20世紀初,微生物學被牢固地建立起來。其後,它的主要發展有兩個方面: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。

分類學地位

微生物微生物

當人類在發現和研究微生物之前,把一切生物分成截然不同的兩大界-動物界植物界。隨著人們對微生物認識的逐步深化,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,20世紀70年代後期,美國人Woese等發現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。除動物和植物以外,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。微生物在生物界級分類中占有特殊重要的地位。
Brown等依據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,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的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時許出現在地球上。

具體分類

原核類:三菌,三體。
微生物微生物

三菌:細菌、藍細菌、放線菌三體:支原體、衣原體、立克次氏體。
真核類:真菌,原生動物,顯微藻類。
非細胞類:病毒,亞病毒(類病毒,擬病毒,朊病毒)。

細胞類

原核細菌、放線菌、螺鏇體、支原體、立克次氏體、衣原體。
微生物微生物
1.細菌一類細胞細短,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。分布在溫暖,潮濕和富含有機質的地方。個體十分微小,大約1000個細菌排成一排才有1毫米長。
2.放線菌一類主要成菌絲狀生長和以孢子繁殖的陸生性較強的原核生物。分布在含水量較低,有機物較豐富的,呈微鹼性的土壤中。主要由菌絲組成,包括基內菌絲和氣生菌絲(部分氣生菌絲可以成熟分化為孢子絲,產生孢子)。
真核
真菌、藻類、原生動物。

非細胞類

1.病毒:一類由核酸和蛋白質等少數幾種成分組成的“非細胞生物”,但是它的生存必須依賴於活細胞。形體極其微小,通常只能藉助電子顯微鏡才能觀察到它們。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。
2.亞病毒。

特點

微生物
個體微小,一般<0.1mm。構造簡單,有單細胞的,簡單多細胞的,非細胞的進化地位低。
五大共性
1,體積小,面積大。
2,吸收多,轉化快。
3,生長旺,繁殖快。
4,適應強,易變異。
5,分布廣,種類多。

化學組成

C,H,O,N,P,S以及其他元素。

營養物質

水和無機鹽碳源:凡能為微生物提供生長繁殖所需碳元素的營養物質。
氮源:凡能為微生物提供所必需氮元素的營養物質。作用:主要用於合成蛋白質,核酸以及含氮的代謝產物。
能源:能為微生物生命活動提供最初能源來源的營養物質或輻射能。 
生長因子:微生物生長不可缺少的微量有機物。

套用範圍

抗生素的發現

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。微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青黴菌抑制其它細菌的生長中發現了青黴素,這對醫藥界來講是一個劃時代的發現。後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中挽救了無數人的生命。

環保微生菌

一些微生物被廣泛套用於工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶製劑等;一部分微生物能夠降解塑膠、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱為環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在著一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由於培養方式等技術手段的限制,人類現今發現的微生物還只占自然界中存在的微生物的很少一部分。因為微生物很小,構造又簡單,所以人們充分認識它,並發展成為一門學科,與其他學科比起來,還是很晚的。儘管如此,人們已經在廣泛的套用微生物了。中國勞動人民很早就認識到微生物的存在和作用,也是最早套用微生物的少數國家之一。據考古學推測,中國在8000年前已經出現了麴櫱釀酒,4000多年前中國釀酒已十分普遍,而且當時埃及人也已學會烤制麵包和釀製果酒。
2500年前中國人民發明釀醬、,知道用曲治療消化道疾病。公元6世紀(北魏時期),中國賈思勰的巨著《齊民要術》詳細地記載了制曲、釀酒、制醬和釀醋等工藝。在農業上,雖然還不知道根瘤菌的固氮作用,但已經在利用豆科植物輪作提高土壤肥力。這些事實說明,儘管人們還不知道微生物的存在,但是已經在同微生物打交道了,在套用有益微生物的同時,還對有害微生物進行預防和治療。為防止食物變質,採用鹽漬、糖漬、乾燥、酸化等方法處理食物。在中國隆慶年間就開始用人痘預防天花。人痘預防天花是中國對世界醫學上的一大貢獻,這種方法先後傳到俄國、日本、朝鮮、土耳其及英國,1798年英國醫生琴納(Jenner)提出用牛痘預防天花。

研究發展

傳染病的流行

在人類疾病中有50%是由病毒引起。世界衛生組織公布資料顯示:傳染病的發病率和病死率在所有疾病中占據第一位。微生物導致人類疾病的歷史,也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。新現和再現的微生物感染還是不斷發生,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並不清楚。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。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,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使原本已近控制住的結核感染又在世界範圍內猖獗起來。

農業

微生物基因組研究認清致病機制發展控制病害的新對策。積極開展某些植物致病微生物的基因組研究,認清其致病機制並由此發展控制病害的新對策顯得十分緊迫。經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發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微生物,例如:胡蘿蔔歐文氏菌、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。
植物固氮根瘤菌的全序列也已測定完成。借鑑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,可以嘗試性地套用到植物病原體上。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,尋找抗性靶位以發展更有效的控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對於開發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。

基因產品開發

微生物以人類基因組計畫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。世界權威性雜誌《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,發現重要的功能基因並在此基礎上發展疫苗,開發新型抗病毒、抗細菌、真菌藥物,將對有效地控制新老傳染病的流行,促進醫療健康事業的迅速發展和壯大。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。

嗜極菌

在極端環境下能夠生長的微生物稱為極端微生物,又稱嗜極菌。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助於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。
極端微生物的適應性極強,據學者介紹,無孔不入的微生物總會在人類眼皮底下藉助貨運飛船進入空間站,同時迅速適應空間站內的環境並四處蔓延。蘇聯科學家曾經在“禮花”號空間站與“和平”號空間站內發現約300種對人體和空間站設備有害的致病細菌和微小真菌。“和平”號空間站就曾發生過微生物“蠶食”電纜的事故。但科學家們始終沒有找到抵禦微生物入侵的好辦法。

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鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類取得了長足的進展,但是新現和再現的微生物感染還是不斷發生,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並不清楚。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。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異,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使原本已近控制住的結核感染又在世界範圍內猖獗起來。
微生物千姿百態,有些是腐敗性的,即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的,它們可用來生產如乳酪,麵包,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。想像一下一滴牛奶,每毫升腐敗的牛奶中約有5千萬個細菌,或者講每夸脫牛奶中細菌總數約為50億。也就是一滴牛奶中可能含有50億個細菌。
微生物能夠致病,能夠造成食品、布匹、皮革等發霉腐爛,但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青黴菌抑制其它細菌的生長中發現了青黴素,這對醫藥界來講是一個劃時代的發現。後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中挽救了無數人的生命。一些微生物被廣泛套用於工業發酵,生產乙醇、食品及各種酶製劑等;一部分微生物能夠降解塑膠、處理廢水廢氣等等,並且可再生資源的潛力極大,稱為環保微生物;還有一些能在極端環境中生存的微生物,例如:高溫、低溫、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境,依然存在著一部分微生物等等。看上去,我們發現的微生物已經很多,但實際上由於培養方式等技術手段的限制,人類現今發現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。
隨著醫學研究進入分子水平,人們對基因、遺傳物質等專業術語也日漸熟悉。人們認識到,是遺傳信息決定了生物體具有的生命特徵,包括外部形態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,將大大有助於揭示生命的起源和奧秘。
工業微生物涉及食品、製藥、冶金、採礦、石油、皮革、輕化工等多種行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素C以及一些風味食品的製備等;某些特殊微生物酶參與皮革脫毛、冶金、採油採礦等生產過程,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套用於農業生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究,發現了一系列與抗生素及重要工業用酶的產生相關的基因。乳酸桿菌作為一種重要的微生態調節劑參與食品發酵過程,對其進行的基因組學研究將有利於找到關鍵的功能基因,然後對菌株加以改造,使其更適於工業化的生產過程。國內維生素C兩步發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,繼而實現經濟效益的大幅度提升。對工業微生物開展的基因組研究,不斷發現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,並將其套用於生產以及傳統工業、工藝的改造,同時推動現代生物技術的迅速發展。
經濟作物柑橘的致病菌是國際上第一個發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微生物,例如:胡蘿蔔歐文氏菌、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。借鑑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,可以嘗試性地套用到植物病原體上。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,尋找抗性靶位以發展更有效的控制對策。固氮菌全部遺傳信息的解析對於開發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。嗜極菌對極端環境具有很強的適應性,極端微生物基因組的研究有助於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(雙螺鏇的每一條子鏈分別、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)。基因的轉錄調節(operon,promoter,operator,repressor,activator的概念與調節方式)。信使RNA的翻譯調節(terminator)等等……。2013年,很多常用、通用的生物學研究技術依賴於微生物,比如:分子克隆重組蛋白在細菌或酵母中的表達。很多醫學技術也依賴於微生物,比如:以病毒為載體的基因治療。
微生物生長:在適宜條件下,不斷吸收營養物質,並按自身的代謝方式進行新陳代謝,如同化作用大於異化作用,其結果是原生質的總量不斷的增加,稱為微生物的生長。
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,子細胞重複上述過程是細胞數目增加,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三人發現一種生長於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(Epulopisciumfishelsoni),這是當時世界上所發現最大的微生物。它外形酷似雪茄菸,長約200~500μm,最長可達600μm,體積約為大腸桿菌的100萬倍,這種微生物並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HeidiSchulz在納米比亞海岸海洋沉澱土中所發現的呈球狀的細菌,直徑約100~750μm。這比之前所提的微生物大上2~4倍。
目前世界上已知最小的微生物:支原體,過去也譯成“霉形體”,它是一類介於細菌和病毒之間的單細胞微生物。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生嚴重病變。

基因因素

農業微生物基因組研究認清致病機制發展控制病害的新對策。據資料統計,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,認清其致病機制並由此發展控制病害的新對策顯得十分緊迫。例如:胡蘿蔔歐文氏菌、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,並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,有選擇性的加以利用,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境污染物質,極大發揮其改善環境、排除污染的潛力。美國基因組研究所結合生物晶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,為開發及利用確定目標。極端環境微生物基因組研究深入認識生命本質套用潛力極大。有一種嗜極菌,它能夠暴露於數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射線後粉碎為數百個片段,但能在一天內將其恢復。研究其DNA修復機制對於發展在輻射污染區進行環境的生物治理非常有意義。開發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,使環境、能源、農業、健康、輕化工等領域的生物技術能力發生革命。來自極端微生物的極端酶,可在極端環境下行使功能,將極大地拓展酶的套用空間,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、洗滌劑中的鹼性酶等都具有代表意義。極端微生物的研究與套用將是取得現代生物技術優勢的重要途徑,其在新酶、新藥開發及環境整治方面套用潛力極大。

特殊微生物

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,發現了一個“全新的生態系統”。他們在550米的地表下發現了3000多種微生物組織,其中有許多屬首次發現。
這些微生物,大多數是從地下水裡吸收氧氣,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。
世界地位
當人類在發現和研究微生物之前,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,從兩界系統經歷過三界系統、四界系統、五界系統甚至六界系統,直到70年代後期,美國人Woese等發現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,其它絕大多數生物都屬微生物範疇。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,在之後的進化過程中細菌和古菌首先向不同的方向進化,然後原真核生物經吞食一個古菌,並由古菌的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時許出現在地球上。

空間微生物

生態學的研究表明,地球是萬物生存的搖籃,它包括陸域生態系、水域生態系及環繞地球的大氣生態系等自然生態系。能夠存活於大氣層環境中的微生物構成了自然界中大氣微生物生態系。大氣層分為對流層、同溫層和電離層。由於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),不利於生命活動的化學、物理等因子(臭氧、微重力、UV射線等)也增強,因此,這一生態系中微生物只有抗逆休眠體及來源於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系中的電離層,由於銀河射線及地磁俘獲輻射形成的強輻射、微重力等空間環境因子的作用就難以存活。儘管如此,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。這一研究領域裡,外空生物學家一方面利用各種航天飛行器(高空氣球、軌道衛星、空間站、太空梭等)探索生物對空間環境因子作用的反應(即生物學效應),為人類征服空間提供理論知識和技術依據,及空間生物學(SpaceBiology)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岩石和塵埃樣品的檢測,尋找地球外可能存在的生命形式。

海洋微生物

微生物定義英文名稱:marinemicroorganism
定義1:分布在海洋中的個體微小、形態結構簡單的單細胞或多細胞生物。
所屬學科:水產學(一級學科);水產基礎科學(二級學科)
2:海洋中個體微小,構造簡單的低等生物的總稱。包括細菌、放線菌、黴菌、酵母、病毒、衣原體、支原體、噬菌體和微型藻及微型原生動物等。
所屬學科:資源科技(一級學科);海洋資源學(二級學科)
以海洋水體為正常棲居環境的一切微生物。但由於學科傳統及研究方法的不同,本文不介紹單細胞藻類,而只討論細菌、真菌及噬菌體等狹義微生物學的對象。海洋細菌是海洋生態系統中的重要環節。
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%海洋環境的溫度都在5℃以下,絕大多數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於20℃的微生物稱為嗜冷微生物。嗜冷菌主要分布於極地、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系統,約56%以上的海洋環境處在100~1100大氣壓的壓力之中,嗜壓性是深海微生物獨有的特性。來源於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境下生長的能力,能在高壓環境中保持其酶系統的穩定性。研究嗜壓微生物的生理特性必需藉助高壓培養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,由於研究手段的限制迄今尚難於獲得純培養菌株。根據自動接種培養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。
低營養性
海水中營養物質比較稀薄,部分海洋細菌要求在營養貧乏的培養基上生長。在一般營養較豐富的培養基上,有的細菌於第一次形成菌落後即迅速死亡,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。這種現象說明常規的平板法並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時,有時在同一株細菌純培養中可以同時觀察到多種形態,如球形橢圓形、大小長短不一的桿狀或各種不規則形態的細胞。這種多形現象在海洋革蘭氏陰性桿菌中表現尤為普遍。這種特性看來是微生物長期適應複雜海洋環境的產物。
發光性
在海洋細菌中只有少數幾個屬表現發光特性。發光細菌通常可從海水或魚產品上分離到。細菌發光現象對理化因子反應敏感,因此有人試圖利用發光細菌為檢驗水域污染狀況的指示菌。

實驗室套用

生物化學技術PCR

PCR技術採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。由於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後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。由於以上原因,PCR技術對操作者的自身素質要求很高,對於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套用。

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定的DNA?RNA或DNADNA鏈的原理,採用高度特異性基因片段製備基因探針來識別細菌。基因探針的優點是減少了基因片段長度多態性所需要分析的條帶數。如法國生物一梅里埃公司的GEN?PROBE基因探針檢測系統,對於分離到的單個菌落,30min完成微生物的確證試驗,基因探針的缺點是不能鑑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鑑別細菌。免疫方法的優點是樣品在進行選擇性增菌後,不需分離,即可採用免疫技術進行篩選。由於免疫法有較高靈敏度,樣品經增菌後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套用時間最長最為廣泛的一項快速檢測技術。如採用免疫磁珠法可有效地收集、濃縮神奈川現象陽性的副溶血性弧菌,可顯著提高環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,套用膠體金免疫層析法檢測B型肝炎表面抗原,可大大提高工作效率。ATP生物發光法是發展較快的一種用於食品生產加工設備潔淨度檢測的快速檢測方法。利用ATP生物發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的量與細菌數成正比,用ATP生物發光分析技術檢測肉類食品細菌污染狀況或食品器具的現場衛生學檢測,都能夠達到快速適時的目標。微型自動螢光酶標分析法(miniVIDAS)是利用酶聯螢光免疫分析技術,通過抗原-抗體特異反應,分離出目標菌,由特殊儀器根據螢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,用於進出口凍肉的檢測,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(AMS)

AMS是一種由傳統生化反應及微生物檢測技術與現代計算機技術相結合,運用機率最大近似值模型法進行自動微生物檢測的技術,可鑑定由環境、原料及產品中分離的微生物。AMS僅需4~18h即可報告結果,以常規法鑑定細菌,只能得到是或不是某種菌,要想知到是哪種菌還要做大量、煩瑣的生化試驗,而AMS則可以直接報告是什麼菌。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屬當今世界上最為先進、自動化程度最高的細菌鑑定儀器之一。Vitek對細菌的鑑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,可鑑定405種細菌。用AMS明顯縮短腸道菌生化鑑定的時間,如鑑定沙門菌屬只需4h,鑑定志賀氏菌屬只需6h,鑑定霍亂弧菌等致病性弧菌亦只需4~13h。這套系統對基層單位而言具有極強的套用價值,但他昂貴的價格讓人望而生畏。

分離培養

微生物在自然界中呈混雜狀態存在,要獲得所需菌種,必需從中把它們分離出來。在保存菌種時不慎受到到污染也需予以分純。微生物分離和純化的方法很多,但基本原理卻是相似的,即將待分離的樣品進行一定的稀釋,並使微生物的細胞(或孢子)儘量以分散狀態存在,然後使其長成一個個純種單菌落。然而上述工作又離不開接種,即將一種微生物移到另一滅過菌的培養基上的過程。

微生物接種分類材料工具

1.恆溫培養箱
2.接種環、玻璃棒、吸管、酒精燈
3.培養基
4.大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、酵母菌等

方法步驟

接種操作方法
斜面接種(接金黃葡萄球菌)
(1)操作前,先用75%酒精擦手,待酒精揮發後點燃酒精燈。
(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,並處於水平位置。
(3)先將菌種和斜面的棉塞鏇轉一下,以便接種時便於拔出。
(4)左手拿接種環(如握鋼筆一樣),以火焰上先將環端燒紅滅菌,然後將有可能伸入試管其餘部位也過火滅菌。
(5)用右手的無名指、小指和手掌將菌種管和待接斜面試管的棉花塞或試管帽同時拔出,然後讓試管口緩緩過火滅菌(切勿燒過燙)。
(6)將灼燒過的接種環伸入菌種管內,接種環在試管內壁或未長菌苔的培養基上接觸一下,讓其充分冷卻,然後輕輕刮取少許菌苔,再從菌種管內抽出接種環。
(7)迅速將沾有菌種的接種環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)接種完畢後抽出接種環灼燒管口,塞上棉塞。
(9)將接種環燒紅滅菌。放下接種環,再將棉花塞鏇緊。
液體接種(1)由斜面培養基接入液體培養基,此法用於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,以免培養液流出接入菌體後,使接種環和管內壁磨擦幾下以利洗下環上菌體。接種後塞好棉塞將試管在手掌中輕輕敲打,使菌體充分分散。
(2)由液體培養基接種液體培養基,菌種是液體時,接處除用接種環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液內,搖勻即可。
平板接種
將菌在平板上劃線和塗布。
(1)劃線接種見分離劃線法。
(2)塗布接種用無菌吸管吸取菌液注入平板後,用滅菌的玻棒在平板表面作均勻塗布。
穿刺接種
把菌種接種到固體深層培養基中,此法用於嫌氣性細菌接種或為鑑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)將接種針自培養基中心刺入,直刺到接近管底,但勿穿透,然後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,然後吸取一定量注入平板與溫度適合溶化了的瓊脂培養基混合,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製作菌懸液。
(2)取若干支無菌試管,每支內盛9ml無菌水。
(3)吸取1ml製備好的菌懸液,置於第一支含有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,同一稀釋度重複做三個平皿。
(7)將已溶化並冷卻至45℃的瓊脂培養基倒入上述各平皿內,輕輕鏇轉使培養基與菌懸液充分混勻,凝固後倒置於37℃或38℃度恆溫箱中培養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
平板劃線分離法是接種環在平板培養基表面通過分區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腖瓊脂培養基倒平板,水平靜置待凝。
(2)在酒精燈光焰上灼燒接種環,待冷,取一接種環金黃葡萄球菌、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,右手持接種環伸入皿內,在平板上一個區域作之形回劃線,劃線時例接種環與平板表面成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,以殺滅接種環上尚殘餘的菌液,待冷卻後,再將接種環伸入皿內,在第一區域划過線的地方稍接觸一下後,轉動90°,在第二區域繼續劃線。
(5)劃畢後再灼燒接種杯,冷卻後用同樣方法在其他區域劃線。
(6)全部劃線完畢後,在平皿底用特種蠟筆註明菌種、日期、組別、姓名。將整個培養皿倒置放入恆溫培養箱。
(7)37℃經過24-48小時培養後取出觀察。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

(1)接種室應保持清潔,用煤粉酚皂液擦洗台面及牆壁,定期用乳酸或甲醛熏蒸。每次使用前,均套用紫外燈滅菌。定期對接種室作無菌程度的檢查。
(2)進入接種室前,應先做好個人衛生工作,在緩衝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,並要定期更換、消毒。
(3)接種的試管、三角並瓶等應做好標記,註明培養基、菌種的名稱、日期。移入接種室內的所有物品,均須在緩衝室用70%酒精擦試乾淨。
(4)接種前,雙手用70%酒精或新潔爾消毒,操作過程不離開酒精燈火焰;棉塞不亂放;接種工具使用前後均需火焰滅菌。
(5)培養箱應經常清潔消毒。

微生物學辭彙

微生物學(microbiology)生物學的分支學科之一。它是在分子、細胞或群體水平上研究各類微小生物(細菌、放線菌、真菌、病毒、立克次氏體、支原體、衣原體、螺鏇體原生動物以及單細胞藻類)的形態結構、生長繁殖、生理代謝、遺傳變異、生態分布和分類進化等生命活動的基本規律,並將其套用於工業發酵、醫學衛生和生物工程等領域的科學。

微生物

微生物包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物等在內的一大 類生物群體,它個體微小,卻與人類生活密切相關。微生物在自然界中可謂“無處不在,無處不有”,涵蓋了有益有害的眾多種類,廣泛涉及健康、醫藥、工農業、環保等諸多領域。
原核微生物細菌古菌
真核微生物真菌原生生物藻類
無細胞生物 病毒類病毒擬病毒朊毒體

自然的組成元素

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