微生物学

第一部分 基础知识

1. 微生物学导论

微生物学是生物学的一个分支，它处理微生物的研究。微生物具有各种各样的形态，由于其高度的稳健性和适应性，它们可以在地球上的任何地方找到。与其他细胞一样，微生物通常遵循微生物学中心法则，因此具有编码蛋白质的 DNA，这些蛋白质使它们能够发挥功能。一些生物，如病毒，虽然不使用 DNA，但采用独特的策略通过利用宿主生物的细胞机制来增殖。

微生物可以在生命的所有界中找到。微生物的常见例子是细菌，它们占据着自己的生命域，即细菌域。在这个域旁边是古菌域和真核生物域。古菌域也是许多微生物的家园，这些微生物通常被称为原生生物。原生生物是地球上一些最强大的生物，可以在极端环境中找到，例如间歇泉、冰湖和海洋底部的热液喷口。真核生物域也拥有大量的微生物，特别是在动物界，包括蠕虫和其他寄生虫，以及真菌界。

1. 1. 什么是微生物学？

微生物学是研究微观生物的学科，即我们用肉眼无法轻易观察到的生物。要了解微生物，我们首先必须发现如何观察它们。（这里介绍显微镜的历史）。

目前，微生物学是一个巨大的领域，拥有无数的工业和临床应用。致病微生物是研究的重点，在过去的一个世纪里，识别新的疾病治疗方法是一项巨大的努力。然而，并非所有微生物都是有害的，在许多情况下，它们可以非常有益。现代糖尿病患者胰岛素的生产是通过基因改造的大肠杆菌生产完成的。

1. 1. 1. 什么是微生物？
      2. 是什么让微生物与其他生物不同？
   2. 为什么要学习微生物学？
      1. 微生物学领域
         1. 医学微生物学
         2. 环境微生物学
         3. 食品微生物学
         4. 微生物学作为基础科学
      2. 微生物学应用
         1. 生物技术
         2. 生物修复
         3. 天然产物（生物制药学）
         4. 合成生物学
      3. 医学微生物学
         1. 病理学和疾病的微生物基础
         2. 人体的微生物性质
         3. 病毒学

处理病毒研究的科学分支

1. 1. 1. 总结
   2. 微生物学史
      1. 古代历史，在我们不知道自己不知道什么之前，我们所知道的
         1. 古代微生物食品
         2. 古代保存技术
         3. 在微生物世界之前对疾病的理解
      2. 冲突与转型，微生物的发现以及围绕自然发生的争论
         1. 列文虎克、显微镜和小动物
         2. 胡克和基尔歇尔，两位早期显微镜学家
         3. 自然发生理论及其反对者
         4. 路易斯·巴斯德和自然发生的终结
      3. 巴斯德和科赫，现代微生物学之父
         1. 疫苗接种和巴氏杀菌
         2. 疾病的细菌理论
         3. 科赫法则
      4. 总结
2. 微生物世界的巡礼
   1. 生命的三域
      1. 历史视角
      2. 原核生物与真核生物
   2. 细菌
      1. 什么是细菌？
      2. 常见的细菌特征
      3. 根据细胞壁对细菌进行分类
         1. 革兰氏阳性
         2. 革兰氏阴性
         3. 抗酸
         4. 支原体
         5. 题外话：革兰氏染色在现代微生物学和健康中的应用
      4. 根据形态对细菌进行分类
         1. 球菌
         2. 杆菌
         3. 螺旋菌
         4. 不太常见的形状
      5. 根据代谢对细菌进行分类
         1. 能量来源
         2. 发酵
         3. 气体产生/固定
      6. 根据遗传学对细菌进行分类
   3. 古菌
   4. 真核生物

1. 原核细胞的结构和功能
2. 生命化学和微生物细胞的代谢
3. 营养和生长
4. 遗传学和基因表达
5. 病毒

微生物形态和特征

1. 细菌

细菌是体型很小的单细胞生物，通常不超过几微米，它们生活环境、形态和食物来源多种多样。细菌属于细菌域，是原核生物，这意味着它们缺乏专门的细胞器和细胞核。细菌具有由肽聚糖组成的细胞壁，肽聚糖是一种由氨基酸交联的糖聚合物。与其他细胞一样，细菌也有细胞膜，尽管某些物种可能有两个膜，被称为革兰氏阴性。细菌物种也可能具有运动性，并利用各种方式来实现这一点，例如鞭毛。

细菌可以在几乎任何环境中生长，而且经常这样做，它们已经进化出能够适应快速输入的压力。例如，人类的消化道是数百万细菌的家园，并不断暴露于高度酸性的 pH 值和抗生素分子的释放。许多细菌已经进化出能够栖息于这种极端环境中，甚至能够与我们一起生活，并提供急需的营养，甚至防御入侵的微生物。这个概念被称为肠道微生物群，并延续到与您的皮肤直接连接的几乎您身体的每个部位。除了帮助我们防御和消化外，细菌在地球的氮循环中也极其重要，并且经常与植物相关联，将氮固定到土壤中以使其肥沃。细菌还充当分解者、初级生产者，并满足地球上几乎所有生态位。

细菌是地球上迄今为止最丰富的生物，其细胞数量超过所有其他生命形式的总和，其生物量也远远超过今天活着的所有人类的体重。这些巨大质量的细胞得益于细菌繁殖的速度。与真核物种不同，细菌通过一种称为二分裂的过程进行复制，在二分裂过程中，单个细菌复制其整个基因组，然后将其自身一分为二，有效地克隆自身。由于这种繁殖策略，细菌能够成倍地增加其数量。但这并不意味着细菌不能进行交配形式。某些物种乐于彼此之间转移遗传物质，例如幽门螺杆菌，它使用一种称为 IV 型分泌系统的特殊蛋白质通道在细胞之间移动遗传物质，这个过程称为水平基因转移。细菌吸收 DNA 的这种惊人能力是转化原理的基础，它使我们能够为了研究、临床实践和工业目的对细菌进行基因工程。

细菌形态

细菌可以按一般形态进行分类。典型的细胞形状和大小有助于命名和区分微生物。细菌细胞有五种类型：球菌、杆菌、球杆菌、梭形菌和螺旋菌。球菌细菌呈球形或卵形。球菌可以成对（双球菌）、链状（链球菌）和不规则簇状（葡萄球菌）出现。整个细菌细胞非常小，大约与真核线粒体的尺寸相同。第二种类型，杆菌，是杆状的。球杆菌是短而粗的杆菌，很容易与球菌混淆。梭形菌是杆状细菌，末端逐渐变细（像美式足球一样）。螺旋菌是螺旋形的。如果螺旋菌是螺旋形的，而细胞更灵活，则称为螺旋体。

细菌结构

第二部分 微生物多样性

• 分类学和系统发育
• 细菌
• 古菌
• 真菌
• 原生动物
• 单细胞藻类
• 病毒
• 放线菌

第三部分 医学微生物学

医学微生物学是主要关注识别、表征和中和微生物引起的疾病的研究领域。

以下领域与医学微生物学有关：免疫学、细菌学

细菌学是对存在于细菌域内的生物体的研究，病毒学、真菌学、药理学

第五部分 食品和工业微生物学

工业微生物学

介绍-

在工业或大规模生产中使用微生物被称为工业微生物学。主要在工业应用中使用细菌和真菌。细菌具有快速繁殖的特性，因为它们快速分裂，导致种群呈指数级增长。通过使用细菌，我们可以将底物转化为更有用或更有价值的产品。

现代工业微生物学在满足开发廉价且更快的化学反应替代品的需求方面发展起来。在工业发展的早期，转化反应通过多个步骤的冗长而精密的化学反应来进行。它们非常难以控制，取决于各种其他因素，有时需要苛刻的条件，例如高温、高压、使用碱和酸以及使用昂贵的过渡金属作为催化剂。通常，执行一次转化需要许多步骤的化学反应。通过使用工业微生物学，我们可以比以往更容易地在没有如此苛刻的条件下转化底物。

微生物还用于生产抗生素、维生素、氨基酸、有机酸、醇类，以及称为单细胞蛋白 (SCP) 的食品。

在工业微生物学中，我们利用微生物的天然特性在各种环境条件下生长（可以使用各种材料作为它们的碳/能源来源）。例如，酵母菌属菌种可以在有氧或无氧条件下生长。当它在有氧条件下生长时，它会将葡萄糖分解成 CO₂ 和水，并产生用于生长的能量。在厌氧条件下生长时，它会产生乙醇和 CO₂，并且仅在很少生长的条件下存活。这种特性在人类发展的早期就被识别出来，因此人类开始生产各种酒精饮料。

产品列表

• 乙醇
• 乙酸
• 乳酸
• 维生素
• 氨基酸
• 酶
• 一些杀虫剂
• 脂类
• 着色化合物
• 多糖（树胶）

微生物最重要的用途是作为酶生产者。在微生物学的初期，人们发现酵母中存在某些物质，负责将糖转化为酒精。这种生物化合物被称为酶（en=在...里面，zyme=酵母）

如今，以下工业上重要的酶是由微生物生产的

• 淀粉酶（降解淀粉）
• 蛋白酶（降解蛋白质）
• 脂肪酶（降解脂类）
• 果胶酶（澄清葡萄酒和果汁）
• 纤维素酶（将纤维素转化为葡萄糖）
• 蛋白酶和脂肪酶用作现代洗涤剂中的添加剂。

微生物自然产生酶，以利用周围存在的食物来源。例如，生长在果实基质上的各种真菌和细菌会产生果胶酶和纤维素酶，以降解存在于果实细胞细胞壁上的物质。