【正文】 第1章 緒 論本章的學(xué)習(xí)目的與要求 掌握微生物的概念和生物學(xué)特征，及其在生物分類中的地位；了解微生物學(xué)和其主要分支學(xué)科，微生物學(xué)的形成與發(fā)展，以及食品微生物學(xué)研究的內(nèi)容與任務(wù)。 1微生物的概念及其在生物分類中的地位 微生物的概念 微生物（Microorganism,microbe）一詞并非生物分類學(xué)上的專門名詞，而是指大量的、極其多樣的、不借助顯微鏡看不見的微小生物類群的總稱。因此，微生物通常包括病毒、細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和某些藻類，它們的大小和特征見表11。 表11.微生物形態(tài)、大小和細(xì)胞類型 微生物大小近似值細(xì)胞特征 病毒～非細(xì)胞的 細(xì)菌～10μm原核生物 真菌2μm～1m真核生物 原生動(dòng)物2～1000μm真核生物 藻類1μm～幾米真核生物 但是有些例外。如許多真菌子實(shí)體、蘑菇等常肉眼可見；相同的，某些藻類能生長(zhǎng)幾米長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，微生物可以認(rèn)為是相當(dāng)簡(jiǎn)單的生物，大多數(shù)的細(xì)菌、原生動(dòng)物、某些藻類和真菌是單細(xì)胞的微生物，即使為多細(xì)胞的微生物，也沒有許多的細(xì)胞類型。病毒甚至沒有細(xì)胞，只有蛋白質(zhì)外殼包圍著的遺傳物質(zhì)，且不能獨(dú)立生活。 微生物在生物分類中的地位 在生物發(fā)展的歷史上，曾把所有的生物分為動(dòng)物界和植物界兩大類。而微生物，不僅形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且它們中間有些類型像動(dòng)物，有些類型像植物，還有些類型既有動(dòng)物的某些特征，又具有植物的某些特征，因而歸于動(dòng)物或植物都不合適。于是，1866年海克爾（Haeckel）提出區(qū)別動(dòng)物界與植物界的第三界——原生生物界。它包括藻類、原生動(dòng)物、真菌和細(xì)菌。 隨著科學(xué)的發(fā)展，新技術(shù)和研究方法的應(yīng)用，尤其是電子顯微鏡和超顯微結(jié)構(gòu)研究技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了生物的細(xì)胞核有兩種類型，一種是沒有真正的核結(jié)構(gòu)，稱為原核，其細(xì)胞不具核膜，只有一團(tuán)裸露的核物質(zhì)；另一種是由核膜、核仁及染色體組成的真正的核結(jié)構(gòu)稱為真核。動(dòng)物界、植物界及原生生物界中的大部分藻類、原生動(dòng)物和真菌是真核生物，而細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌則是原核生物。真核生物和原核生物不僅細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)不同，而且其性狀也有差別，真核生物和原核生物性狀的比較內(nèi)容將在第二章詳細(xì)介紹。 根據(jù)核結(jié)構(gòu)的不同，1969年魏塔科（Whittaker）提出五界系統(tǒng)，即動(dòng)物界、植物界、原生生物界、真菌界和原核生物界。五界系統(tǒng)的生物都有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。病毒作為一界被提出的較晚，主要原因是①病毒和類病毒是生物還是非生物，是原始類型還是次生類型是長(zhǎng)期爭(zhēng)論未決的問題；②病毒不是用雙命法，分類不用階元系統(tǒng)。但經(jīng)過長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，病毒和細(xì)胞型生物是有共同特性：①遺傳物質(zhì)是DNA（部分病毒是RNA）；②使用共同的遺傳密碼。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)學(xué)者于1979年提出將無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)病毒立為病毒界，從而建立了六界系統(tǒng)。 細(xì)胞型生物 動(dòng)物界（Animalia） 植物界（Plantae） 原生生物界（Protista）：原生動(dòng)物、大部分藻類及粘菌 真菌界（Fungi）：酵母、霉菌 原核生物界（Procaryotae）：細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌等 非細(xì)胞型生物 病毒界（Vira） 2微生物的生物學(xué)特性 微生物雖然個(gè)體小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它們具有與高等生物相同的基本生物學(xué)特性。微生物種類多、數(shù)量大、分布廣、繁殖快、代謝能力強(qiáng)，是自然界中其他任何生物不可能比擬的，而且這些特性歸根結(jié)底是與微生物體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有關(guān)。 代謝活力強(qiáng) 微生物體積小，有極大的表面積/體積比值，因而微生物能與環(huán)境之間迅速進(jìn)行物質(zhì)交換，吸收營(yíng)養(yǎng)和排泄廢物，而且有最大的代謝速率。從單位重量來(lái)看，微生物的代謝強(qiáng)度比高等生物大幾千倍到幾萬(wàn)倍。如發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自重1000~10000倍的乳糖；Candidautilis（產(chǎn)朊假絲酵母）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍，比食用公牛強(qiáng)10萬(wàn)倍。 微生物的這個(gè)特性為它們的高速生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而使微生物有可能更好的發(fā)揮“活的化工廠”的作用。人類對(duì)微生物的利用主要體現(xiàn)在它們的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化能力。 繁殖快 微生物繁殖速度快，易培養(yǎng)，是其他生物不能比的。如Escherichiacoli(大腸埃希氏菌，簡(jiǎn)稱大腸桿菌)，其細(xì)胞在合適的生存條件下，～。如按20分鐘分裂一次計(jì)，則每小時(shí)分裂3次，每晝夜可分裂72次，后代數(shù)為：4722366500萬(wàn)億個(gè)（重約4722噸），1043（約等于4000個(gè)地球之重）。 事實(shí)上，由于種種客觀條件的限制，細(xì)菌的指數(shù)分裂速度只能維持?jǐn)?shù)小時(shí)，因而在液體培養(yǎng)中，細(xì)菌的濃度一般僅能達(dá)到每毫升108～109個(gè)左右。 微生物的這一特性在發(fā)酵工業(yè)上具有重要的實(shí)踐意義，主要體現(xiàn)在它的生產(chǎn)效率高、發(fā)酵周期短上。而且大多數(shù)微生物都能在常溫常壓下，利用簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)，并在生長(zhǎng)過程中積累代謝產(chǎn)物，不受季節(jié)限制，可因地制宜、就地取材，這就為開發(fā)微生物資源提供了有利的條件。如生產(chǎn)用做發(fā)面鮮酵母的Saccharmycescerevisiae(釀酒酵母)，其繁殖速度不算太高（2小時(shí)分裂1次），但在單罐發(fā)酵時(shí)，幾乎每12小時(shí)即可收獲1次，每年可“收獲”數(shù)百次。這是其他任何農(nóng)作物所不能達(dá)到的“復(fù)種指數(shù)”。這對(duì)緩和人類面臨的人口增長(zhǎng)與食物供應(yīng)矛盾也有著重大意義。另外微生物繁殖速度快的生物學(xué)特性對(duì)生物學(xué)基本理論的研究也帶來(lái)了極大的優(yōu)越性——它使科學(xué)研究周期大大縮短、經(jīng)費(fèi)減少、效率提高。當(dāng)然對(duì)于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品發(fā)生霉腐的霉腐微生物來(lái)說(shuō)，它們的這個(gè)特性就會(huì)給人類帶來(lái)極大的麻煩甚至嚴(yán)重的禍害。因而需要認(rèn)真對(duì)待。 種類多、分布廣 微生物在自然界是一個(gè)十分龐雜的生物類群。迄今為止，我們所知道的微生物約有10萬(wàn)種。它們具有各種生活方式和營(yíng)養(yǎng)類型，它們中大多數(shù)是以有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還有些是寄生類型。如微生物的生理代謝類型之多，是動(dòng)、植物所不及的。分解地球上貯量最豐富的初級(jí)有機(jī)物——天然氣、石油、纖維素、木質(zhì)素的能力，屬微生物專有；微生物有著多種產(chǎn)能方式，如細(xì)菌光合作用、嗜鹽菌紫膜的光合作用、自養(yǎng)細(xì)菌的化能合成作用、各種厭氧產(chǎn)能途徑；生物固氮作用；合成各種復(fù)雜有機(jī)物——次生代謝產(chǎn)物的能力；對(duì)復(fù)雜有機(jī)物分子的生物轉(zhuǎn)化能力；分解氰、酚、多氯聯(lián)苯等有毒物質(zhì)的能力；抵抗熱、冷、酸、堿、高滲、高壓、高輻射劑量等極端環(huán)境能力；以及獨(dú)特的繁殖方式——病毒的復(fù)制增殖，等等。不同微生物可以有不同的代謝產(chǎn)物，如抗生素、酶類、氨基酸及有機(jī)酸等，還可以通過微生物的活動(dòng)防止公害。自然界的物質(zhì)循環(huán)是由各種微生物參與才得以完成的。 微生物在自然界的分布極為廣泛，土壤、水域、大氣，幾乎到處都有微生物的存在，特別是土壤是微生物的大本營(yíng)。任意取一把土或一粒土，就是一個(gè)微生物世界，其中含有不同種類的微生物。可以這樣說(shuō)，凡是有高等生物存在的地方，就有微生物存在，即使在極端的環(huán)境條件如高山、深海、冰川、沙漠等高等生物不能存在的地方，也有微生物存在。 從微生物種類多、分布廣這一特性可以看出，微生物的資源是極其豐富的。可是據(jù)估計(jì)目前人類至多僅開發(fā)利用了已發(fā)現(xiàn)微生物種類的1%。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐和生物學(xué)基本理論問題的研究中，利用微生物的前景是十分廣闊的。 適應(yīng)性強(qiáng)、易變異 微生物有極其靈活的適應(yīng)性，這是高等動(dòng)、植物所無(wú)法比擬的。其原因主要是因?yàn)槠潴w積小和面積大，即比表面積大。為了適應(yīng)多變的環(huán)境條件，微生物在其長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中就產(chǎn)生了許多靈活的代謝調(diào)控機(jī)制，并有種類很多的誘導(dǎo)酶（可占細(xì)胞蛋白質(zhì)含量的10%）。 圖11微生物學(xué)的主要分支學(xué)科 微生物的個(gè)體一般都是單細(xì)胞、簡(jiǎn)單多細(xì)胞或非細(xì)胞的。它們通常都是單倍體，加之它們具有繁殖快、數(shù)量多和與外界直接接觸等原因，即使其變異頻率十分低（一般為105～1010），也可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量變異后代。最常見的變異形式是基因突變，它可以涉及到任何形狀，諸如形態(tài)構(gòu)造、代謝途徑、生理類型以及代謝產(chǎn)物的質(zhì)或量的變異等。 人們利用微生物易變異的特點(diǎn)進(jìn)行菌種選育，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得優(yōu)良菌種，提高產(chǎn)品質(zhì)量。這在工業(yè)上已有許多成功的例子。但若保存不當(dāng)，菌種的優(yōu)良特性易發(fā)生退化，這種易變異的特點(diǎn)又是微生物應(yīng)用中不可忽視的。 由于微生物具有生物的一般特性，又具有其他生物所沒有的特點(diǎn)，因而微生物也成為了許多生物學(xué)基本問題研究最理想的實(shí)驗(yàn)材料。 3微生物學(xué)及其主要分支學(xué)科 微生物學(xué)是研究微生物在一定條件下的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化、遺傳變異以及微生物的進(jìn)化、分類、生態(tài)等生命活動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。隨著微生物學(xué)的不斷發(fā)展，已形成了基礎(chǔ)微生物學(xué)和應(yīng)用微生物學(xué)，又可分為許多不同的分支學(xué)科，并還在不斷的形成新的學(xué)科和研究領(lǐng)域。其主要分支學(xué)科見圖11。從圖11可以看出微生物學(xué)既是應(yīng)用學(xué)科，又是基礎(chǔ)學(xué)科，而且各分支學(xué)科是相互配合、相互促進(jìn)的，其根本任務(wù)是利用和改善有益微生物，控制、消滅和改造有害微生物。 4微生物學(xué)的形成和發(fā)展 微生物學(xué)的形成和發(fā)展 因?yàn)槲⑸锖苄?，?gòu)造又簡(jiǎn)單，所以人們充分認(rèn)識(shí)它，并發(fā)展成為一門學(xué)科，與其他學(xué)科比起來(lái)，還是很晚的。盡管如此，人們已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用微生物了。我國(guó)勞動(dòng)人民很早就認(rèn)識(shí)到微生物的存在和作用，也是最早應(yīng)用微生物的少數(shù)國(guó)家之一。據(jù)考古學(xué)推測(cè)，我國(guó)在8000年前已經(jīng)出現(xiàn)了曲蘗釀酒了，4000多年前我國(guó)釀酒已十分普遍，而且當(dāng)時(shí)埃及人也已學(xué)會(huì)烤制面包和釀制果酒。2500年前我國(guó)人民發(fā)明釀醬、醋，知道用曲治療消化道疾病。公元6世紀(jì)（北魏時(shí)期）,我國(guó)賈思勰的巨著《齊民要術(shù)》詳細(xì)地記載了制曲、釀酒、制醬和釀醋等工藝。在農(nóng)業(yè)上，雖然還不知道根瘤菌的固氮作用，但已經(jīng)在利用豆科植物輪作提高土壤肥力。這些事實(shí)說(shuō)明，盡管人們還不知道微生物的存在，但是已經(jīng)在同微生物打交道了，在應(yīng)用有益微生物的同時(shí)，還對(duì)有害微生物進(jìn)行預(yù)防和治療。為防止食物變質(zhì)，采用鹽漬、糖漬、干燥、酸化等方法。在我國(guó)隆慶年間就開始用人痘預(yù)防天花。人痘預(yù)防天花是我國(guó)對(duì)世界醫(yī)學(xué)上的一大貢獻(xiàn)，這種方法先后傳到俄國(guó)、日本、朝鮮、土耳其及英國(guó)，1798年英國(guó)醫(yī)生琴納（Jenner）提出用牛痘預(yù)防天花。 微生物學(xué)作為一門學(xué)科，是從有顯微鏡開始的，微生物學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期：形態(tài)學(xué)時(shí)期、生理學(xué)時(shí)期和現(xiàn)代微生物學(xué)的發(fā)展。 形態(tài)學(xué)時(shí)期 微生物的形態(tài)觀察是從安東列文虎克（AntonyVanLeeuwenhock16321732）發(fā)明的顯微鏡開始的，它是真正看見并描述微生物的第一人，他的顯微鏡在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是最精巧、最優(yōu)良的單式顯微鏡，他利用能放大50～300倍的顯微鏡，清楚地看見了細(xì)菌和原生動(dòng)物，而且還把觀察結(jié)果報(bào)告給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，其中有詳細(xì)的描述，并配有準(zhǔn)確的插圖。1695年，安東列文虎克把自己積累的大量結(jié)果匯集在《安東列文虎克所發(fā)現(xiàn)的自然界秘密》一書里。他的發(fā)現(xiàn)和描述首次揭示了一個(gè)嶄新的生物世界——微生物世界。這在微生物學(xué)的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。 生理學(xué)時(shí)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(xué)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(jì)中期，以法國(guó)的巴斯德（LouisPasteur,18221895）和德國(guó)的柯赫(RobertKoch,18431910)為代表的科學(xué)家才將微生物的研究從形態(tài)描述推進(jìn)到生理學(xué)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(dú)特的微生物技術(shù)。從而奠定了微生物學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)開辟了醫(yī)學(xué)和工業(yè)微生物等分支學(xué)科。巴斯德和柯赫是微生物學(xué)的奠基人。 (1）巴斯德 巴斯德原是化學(xué)家，曾在化學(xué)上做出過重要的貢獻(xiàn)，后來(lái)轉(zhuǎn)向微生物學(xué)研究領(lǐng)域，為微生物學(xué)的建立和發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。主要集中在下列三個(gè)方面： ①?gòu)氐追穸恕白匀话l(fā)生”學(xué)說(shuō) 圖12曲頸瓶試驗(yàn)裝置 “自生說(shuō)”是一個(gè)古老學(xué)說(shuō)，認(rèn)為一切生物是自然發(fā)生的。到了17世紀(jì)，雖然由于研究植物和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育和生活循環(huán)，是“自生說(shuō)”逐漸消弱，但是由于技術(shù)問題，如何證實(shí)微生物不是自然發(fā)生的仍是一個(gè)難題，這不僅是“自生說(shuō)”的一個(gè)頑固陣地，同時(shí)也是人們正確認(rèn)識(shí)微生物生命活動(dòng)的一大屏障。巴斯德在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了許多試驗(yàn)，其中著名的曲頸瓶（見圖12）試驗(yàn)無(wú)可辯駁地證實(shí)，空氣內(nèi)確實(shí)含有微生物，他們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗。巴斯德自制了一個(gè)具有細(xì)長(zhǎng)而彎曲的頸的玻瓶，其中盛有有機(jī)物水浸液，經(jīng)加熱滅菌后，瓶?jī)?nèi)可一直保持無(wú)菌狀態(tài)，有機(jī)物不發(fā)生腐敗，一旦將瓶頸打斷，瓶?jī)?nèi)浸液中才有了微生物，有機(jī)質(zhì)發(fā)生腐敗。巴斯德的試驗(yàn)徹底否定了“自生說(shuō)”，并從此建立了病原學(xué)說(shuō)，推動(dòng)了微生物學(xué)的發(fā)展。 ②免疫學(xué)——預(yù)防接種 Jenner雖然早在1798年發(fā)明了種痘法可預(yù)防天花，但卻不了解這個(gè)免疫過程的基本機(jī)制，因此，這個(gè)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(yù)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(shí)其免疫學(xué)說(shuō)，為人類防病、治病做出了重大貢獻(xiàn)。 ③證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的 究竟發(fā)酵是一個(gè)由微生物引起的生物過程還是一個(gè)純粹的化學(xué)反應(yīng)過程，曾是化學(xué)家和微生物學(xué)家激烈爭(zhēng)論的問題。巴斯德在否定“自生說(shuō)”的基礎(chǔ)上，認(rèn)為一切發(fā)酵作用都可能與微生物的生長(zhǎng)繁殖有關(guān)。經(jīng)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(shí)酒精發(fā)酵是由酵母菌引起的。還研究了氧氣對(duì)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