微生物与微生物学——1

三、微生物的主要特点

　　１．个体微小，结构简单

　　微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用 um 或 nm 作单位。如一个典型的球菌体积仅为１ um 3 ；最近芬兰科学家 E. O .Kajander 等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其直径最小仅为 50nm ，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。迄今为止所知的个体最大的细菌是一个硫细菌，其大小一般在 0.1-0.3mm,   能够清楚的用肉眼看到。它们的结构也是非常简单的，大多数微生物为单细胞，只有少数为简单的多细胞。又如 PSTV 由 359 个核苷酸组成的 RNA ，长度为 50nm ；朊病毒仅蛋白质分子组成。

    2. 吸收多，转化快

科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下， Escherichia coli 每小时内可消耗其自重 2000 倍的乳糖。 Candidautilis( 产朊假丝酵母 ) 合成蛋白质的能力比大豆强 100 倍，比食用公牛强 10 万倍，微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。

表 1.1 微生物形态、大小和细胞类型

微生物	大小近似值	细胞的特性
病毒	0.01~ 0.25 m m	非细胞的
细菌	0.1~ 10 m m	原核生物
真菌	2 m m~ 1m	真核生物
原生动物	2~ 1000 m m	真核生物
藻类	1 米 ~ 几米	真核生物

3. 生长旺，繁殖快

　　生物界中，微生物具有惊人的生长繁殖速度，其中二等分裂的细菌尤为突出。人们研究得最透砌的微生物是 Escherichia coli( 大肠杆菌 ) ，其细胞在合适的生长条件下，每分裂一次的时间是 12.5-20.0 分钟。如按 20 分钟分裂一次计，则每小时分裂 3 次， 24 小时可达到 4.722 × 10 24 个（约 4.722 × 10 6 Kg ）。

事实上，由于种种客观条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到 10 8 -10 9 个 /ml 。另外 T 2 Phage1 → 150/ 半小时。

　　微生物的这一特性在发酵工业上具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。同时也给生物学基本理论的研究带来极大的优越性：它使科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。

4. 适应强、易变异

　　微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物无法比拟的，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力。例如：在海洋深处的某些硫细菌可在 250 ℃ -300 ℃之间生长；嗜盐细菌可在饱和盐水中正常生长繁殖； Thiobacillus thiooxidans( 氧化硫杆菌 ) 在 PH1-2 酸性环境中生长。 Bacillus.sp.( 未定名 ) 的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中已保存了 2500 万年 --4000 万年。

　　微生物的个体一般都是单倍体，加之它具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等原因，虽然微生物的变异频率仅为 ( 10 -6 -10 -9 ) ，也可在短时间内产生大量变异的后代。在微生物育种中利用变异这一特性可获得高产菌株。如：在 1943 年，利用 Penicillium chrysogenum( 产黄青霉 ) 发酵生产青霉素，每毫升青霉素发酵液中只分泌约 20 单位的青霉素，生产 1 茶匙约需数千英磅。而现在通过微生物遗传育种工作者的不懈努力，使该菌产量变异逐渐累积，加之其他条件的改进，每毫升发酵液中达到 5 万单位，甚至达到 10 万单位，成本大大降低。这在动植物育种工作中是不可思议的。这是对人类有益的变异。

    实践中常遇到一些有害变异，在医疗中最常见的致病菌对抗生素所产生的抗药性变异。青霉素 43 年刚问世时，对 Staphylococcus aureusr 最低制菌浓度为 0.02ug/ml, 过了几年，制菌浓度不断提高，有的菌株的耐药性竟比原始菌株提高了 1 万倍。如在 40 年代用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，每天只需 10 万单位，而现在成人需 1 ６ 0 万单位，新生儿也不少于４０万单位。病情严重时，甚至用数千万。同时也说明了“滥用抗生素无异于玩火”的口号是有充分科学依据的。

5. 分布广，种类多

　　在生物圈的每一个角落都有微生物踪迹。如：人体体腔（ 100-400 种，总数约为 100 万亿，其中数量最多的是（脆弱拟杆菌）、海底（硫细菌， 100 ℃， 140 个大气压）、高空（ 85km ）、土壤深层；由于微生物的发现比较迟，加上鉴定微生物种的工作以及划分种的标准等问题较复杂，所以目前确定微生物种数只有 10 万多种。随着分离、培养方法的改进和研究工作的进一步的深入，将会有更多的微生物被发现。有人估计目前至多只开发利用了其中的百分之一。因而研究和开发微生物资源的前景是十分灿烂的。

　　四、微生物学

　　微生物学是研究微生物及其生命活动规律的学科。研究的内容涉及微生物的形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布以及微生物对自然界微生物各类群之间，微生物与其他生物之间的相互作用、相互影响，微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生事业各方向的应用等。

（一）微生物的作用

    众所共知，当前人类正面临着多种危机，诸如粮食危机、能源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。人类进入 21 世纪后，将遇到从利用有限的矿物资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列的新问题。由于微生物具有五大特点，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用，现分述如下：

1. 微生物与粮食

　　粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。

2 ．微生物与能源

　　当前，化学能源日益枯竭问题正在严重地困扰着世界各国。微生物在能源生产上有其独特的优点：①把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；②利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷；③利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源” -- 氢气；④通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率（黄原胶：水溶性胶体多糖，具增粘、稳定、互溶等优良特性，用它作为注水增稠剂，注入油层驱油；也可作为钻井粘滑剂，同时可脱去石油中的石蜡，改善成品的品质）；⑤研制微生物电池使之实用化。

3. 微生物与资源

微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。这些产品除了传统的乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等外，还可生产水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（ PHB ），等等。由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，故必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。另外微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。

4. 微生物与环境保护

在环境保护方面可利用微生物的地方甚多：利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；利用微生物生产的 PHB （聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏法检测环境中的“三致”物质，利用 EMB 培养来检查饮水的肠道病原菌等。

5. 微生物与人类健康

微生物与人类健康有着密切的关系。首先是因为各种传染病构成了人类的主要疾病，而防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素。自从遗传工程开创以来，进一步扩大了微生物代谢产物的范围和品种，使昔日由动物才能产生的胰岛素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物也早已从化工生产方式转向微生物生物转化的生产方式。此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。