【正文】 第1章 緒 論本章的學習目的與要求 掌握微生物的概念和生物學特征，及其在生物分類中的地位；了解微生物學和其主要分支學科，微生物學的形成與發(fā)展，以及食品微生物學研究的內容與任務。 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、細菌、真菌、原生動物和某些藻類，它們的大小和特征見表11。 表11.微生物形態(tài)、大小和細胞類型 微生物大小近似值細胞特征 病毒～非細胞的 細菌～10μm原核生物 真菌2μm～1m真核生物 原生動物2～1000μm真核生物 藻類1μm～幾米真核生物 但是有些例外。如許多真菌子實體、蘑菇等常肉眼可見；相同的，某些藻類能生長幾米長。一般來說，微生物可以認為是相當簡單的生物，大多數(shù)的細菌、原生動物、某些藻類和真菌是單細胞的微生物，即使為多細胞的微生物，也沒有許多的細胞類型。病毒甚至沒有細胞，只有蛋白質外殼包圍著的遺傳物質，且不能獨立生活。 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物界和植物界兩大類。而微生物，不僅形體微小、結構簡單，而且它們中間有些類型像動物，有些類型像植物，還有些類型既有動物的某些特征，又具有植物的某些特征，因而歸于動物或植物都不合適。于是，1866年?？藸枺℉aeckel）提出區(qū)別動物界與植物界的第三界——原生生物界。它包括藻類、原生動物、真菌和細菌。 隨著科學的發(fā)展，新技術和研究方法的應用，尤其是電子顯微鏡和超顯微結構研究技術的應用，發(fā)現(xiàn)了生物的細胞核有兩種類型，一種是沒有真正的核結構，稱為原核，其細胞不具核膜，只有一團裸露的核物質；另一種是由核膜、核仁及染色體組成的真正的核結構稱為真核。動物界、植物界及原生生物界中的大部分藻類、原生動物和真菌是真核生物，而細菌、藍細菌則是原核生物。真核生物和原核生物不僅細胞核的結構不同，而且其性狀也有差別，真核生物和原核生物性狀的比較內容將在第二章詳細介紹。 根據核結構的不同，1969年魏塔科（Whittaker）提出五界系統(tǒng)，即動物界、植物界、原生生物界、真菌界和原核生物界。五界系統(tǒng)的生物都有細胞結構。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期爭論未決的問題；②病毒不是用雙命法，分類不用階元系統(tǒng)。但經過長期研究發(fā)現(xiàn)，病毒和細胞型生物是有共同特性：①遺傳物質是DNA（部分病毒是RNA）；②使用共同的遺傳密碼。在此基礎上，我國學者于1979年提出將無細胞結構病毒立為病毒界，從而建立了六界系統(tǒng)。 細胞型生物 動物界（Animalia） 植物界（Plantae） 原生生物界（Protista）：原生動物、大部分藻類及粘菌 真菌界（Fungi）：酵母、霉菌 原核生物界（Procaryotae）：細菌、放線菌、藍細菌等 非細胞型生物 病毒界（Vira） 2微生物的生物學特性 微生物雖然個體小，結構簡單，但它們具有與高等生物相同的基本生物學特性。微生物種類多、數(shù)量大、分布廣、繁殖快、代謝能力強，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底是與微生物體積小，結構簡單有關。 代謝活力強 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)境之間迅速進行物質交換，吸收營養(yǎng)和排泄廢物，而且有最大的代謝速率。從單位重量來看，微生物的代謝強度比高等生物大幾千倍到幾萬倍。如發(fā)酵乳糖的細菌在1小時內可分解其自重1000~10000倍的乳糖；Candidautilis（產朊假絲酵母）合成蛋白質的能力比大豆強100倍，比食用公牛強10萬倍。 微生物的這個特性為它們的高速生長繁殖和產生大量代謝產物提供了充分的物質基礎，從而使微生物有可能更好的發(fā)揮“活的化工廠”的作用。人類對微生物的利用主要體現(xiàn)在它們的生物化學轉化能力。 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，簡稱大腸桿菌)，其細胞在合適的生存條件下，～。如按20分鐘分裂一次計，則每小時分裂3次，每晝夜可分裂72次，后代數(shù)為：4722366500萬億個（重約4722噸），1043（約等于4000個地球之重）。 事實上，由于種種客觀條件的限制，細菌的指數(shù)分裂速度只能維持數(shù)小時，因而在液體培養(yǎng)中，細菌的濃度一般僅能達到每毫升108～109個左右。 微生物的這一特性在發(fā)酵工業(yè)上具有重要的實踐意義，主要體現(xiàn)在它的生產效率高、發(fā)酵周期短上。而且大多數(shù)微生物都能在常溫常壓下，利用簡單的營養(yǎng)物質生長，并在生長過程中積累代謝產物，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小時分裂1次），但在單罐發(fā)酵時，幾乎每12小時即可收獲1次，每年可“收獲”數(shù)百次。這是其他任何農作物所不能達到的“復種指數(shù)”。這對緩和人類面臨的人口增長與食物供應矛盾也有著重大意義。另外微生物繁殖速度快的生物學特性對生物學基本理論的研究也帶來了極大的優(yōu)越性——它使科學研究周期大大縮短、經費減少、效率提高。當然對于危害人、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說，它們的這個特性就會給人類帶來極大的麻煩甚至嚴重的禍害。因而需要認真對待。 種類多、分布廣 微生物在自然界是一個十分龐雜的生物類群。迄今為止，我們所知道的微生物約有10萬種。它們具有各種生活方式和營養(yǎng)類型，它們中大多數(shù)是以有機物為營養(yǎng)物質，還有些是寄生類型。如微生物的生理代謝類型之多，是動、植物所不及的。分解地球上貯量最豐富的初級有機物——天然氣、石油、纖維素、木質素的能力，屬微生物專有；微生物有著多種產能方式，如細菌光合作用、嗜鹽菌紫膜的光合作用、自養(yǎng)細菌的化能合成作用、各種厭氧產能途徑；生物固氮作用；合成各種復雜有機物——次生代謝產物的能力；對復雜有機物分子的生物轉化能力；分解氰、酚、多氯聯(lián)苯等有毒物質的能力；抵抗熱、冷、酸、堿、高滲、高壓、高輻射劑量等極端環(huán)境能力；以及獨特的繁殖方式——病毒的復制增殖，等等。不同微生物可以有不同的代謝產物，如抗生素、酶類、氨基酸及有機酸等，還可以通過微生物的活動防止公害。自然界的物質循環(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。任意取一把土或一粒土，就是一個微生物世界，其中含有不同種類的微生物?？梢赃@樣說，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。可是據估計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，在生產實踐和生物學基本理論問題的研究中，利用微生物的前景是十分廣闊的。 適應性強、易變異 微生物有極其靈活的適應性，這是高等動、植物所無法比擬的。其原因主要是因為其體積小和面積大，即比表面積大。為了適應多變的環(huán)境條件，微生物在其長期的進化過程中就產生了許多靈活的代謝調控機制，并有種類很多的誘導酶（可占細胞蛋白質含量的10%）。 圖11微生物學的主要分支學科 微生物的個體一般都是單細胞、簡單多細胞或非細胞的。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），也可以在短時間內產生大量變異后代。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)構造、代謝途徑、生理類型以及代謝產物的質或量的變異等。 人們利用微生物易變異的特點進行菌種選育，可以在短時間內獲得優(yōu)良菌種，提高產品質量。這在工業(yè)上已有許多成功的例子。但若保存不當，菌種的優(yōu)良特性易發(fā)生退化，這種易變異的特點又是微生物應用中不可忽視的。 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，因而微生物也成為了許多生物學基本問題研究最理想的實驗材料。 3微生物學及其主要分支學科 微生物學是研究微生物在一定條件下的形態(tài)結構、生理生化、遺傳變異以及微生物的進化、分類、生態(tài)等生命活動規(guī)律及其應用的一門學科。隨著微生物學的不斷發(fā)展，已形成了基礎微生物學和應用微生物學，又可分為許多不同的分支學科，并還在不斷的形成新的學科和研究領域。其主要分支學科見圖11。從圖11可以看出微生物學既是應用學科，又是基礎學科，而且各分支學科是相互配合、相互促進的，其根本任務是利用和改善有益微生物，控制、消滅和改造有害微生物。 4微生物學的形成和發(fā)展 微生物學的形成和發(fā)展 因為微生物很小，構造又簡單，所以人們充分認識它，并發(fā)展成為一門學科，與其他學科比起來，還是很晚的。盡管如此，人們已經在廣泛的應用微生物了。我國勞動人民很早就認識到微生物的存在和作用，也是最早應用微生物的少數(shù)國家之一。據考古學推測，我國在8000年前已經出現(xiàn)了曲蘗釀酒了，4000多年前我國釀酒已十分普遍，而且當時埃及人也已學會烤制面包和釀制果酒。2500年前我國人民發(fā)明釀醬、醋，知道用曲治療消化道疾病。公元6世紀（北魏時期）,我國賈思勰的巨著《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(yè)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，盡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，在應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，采用鹽漬、糖漬、干燥、酸化等方法。在我國隆慶年間就開始用人痘預防天花。人痘預防天花是我國對世界醫(yī)學上的一大貢獻，這種方法先后傳到俄國、日本、朝鮮、土耳其及英國，1798年英國醫(yī)生琴納（Jenner）提出用牛痘預防天花。 微生物學作為一門學科，是從有顯微鏡開始的，微生物學發(fā)展經歷了三個時期：形態(tài)學時期、生理學時期和現(xiàn)代微生物學的發(fā)展。 形態(tài)學時期 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，他的顯微鏡在當時被認為是最精巧、最優(yōu)良的單式顯微鏡，他利用能放大50～300倍的顯微鏡，清楚地看見了細菌和原生動物，而且還把觀察結果報告給英國皇家學會，其中有詳細的描述，并配有準確的插圖。1695年，安東列文虎克把自己積累的大量結果匯集在《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嶄新的生物世界——微生物世界。這在微生物學的發(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（LouisPasteur,18221895）和德國的柯赫(RobertKoch,18431910)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。 (1）巴斯德 巴斯德原是化學家，曾在化學上做出過重要的貢獻，后來轉向微生物學研究領域，為微生物學的建立和發(fā)展做出了卓越的貢獻。主要集中在下列三個方面： ①徹底否定了“自然發(fā)生”學說 圖12曲頸瓶試驗裝置 “自生說”是一個古老學說，認為一切生物是自然發(fā)生的。到了17世紀，雖然由于研究植物和動物的生長發(fā)育和生活循環(huán)，是“自生說”逐漸消弱，但是由于技術問題，如何證實微生物不是自然發(fā)生的仍是一個難題，這不僅是“自生說”的一個頑固陣地，同時也是人們正確認識微生物生命活動的一大屏障。巴斯德在前人工作的基礎上，進行了許多試驗，其中著名的曲頸瓶（見圖12）試驗無可辯駁地證實，空氣內確實含有微生物，他們引起有機質的腐敗。巴斯德自制了一個具有細長而彎曲的頸的玻瓶，其中盛有有機物水浸液，經加熱滅菌后，瓶內可一直保持無菌狀態(tài)，有機物不發(fā)生腐敗，一旦將瓶頸打斷，瓶內浸液中才有了微生物，有機質發(fā)生腐敗。巴斯德的試驗徹底否定了“自生說”，并從此建立了病原學說，推動了微生物學的發(fā)展。 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