微生物與微生物學(xué)——1

三、微生物的主要特點(diǎn)

　�。保畟�(gè)體微小，結構簡(jiǎn)單

　　微生物的個(gè)體極其微小，要測量它們，必須用 um 或 nm 作單位。如一個(gè)典型的球菌體積僅為１ um 3 ；最近芬蘭科學(xué)家 E. O .Kajander 等發(fā)現了一種能引起尿結石的納米細菌，其直徑最小僅為 50nm ，甚至比最大的病毒更小一些。這種細菌分裂緩慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有細胞壁的細菌。迄今為止所知的個(gè)體最大的細菌是一個(gè)硫細菌，其大小一般在 0.1-0.3mm,   能夠清楚的用肉眼看到。它們的結構也是非常簡(jiǎn)單的，大多數微生物為單細胞，只有少數為簡(jiǎn)單的多細胞。又如 PSTV 由 359 個(gè)核苷酸組成的 RNA ，長(cháng)度為 50nm ；朊病毒僅蛋白質(zhì)分子組成。

    2. 吸收多，轉化快

科學(xué)家研究發(fā)現微生物吸收和轉化物質(zhì)的能力比動(dòng)物、植物要高很多倍，如在合適的環(huán)境下， Escherichia coli 每小時(shí)內可消耗其自重 2000 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 100 倍，比食用公牛強 10 萬(wàn)倍，微生物的這個(gè)特性為它們的高速生長(cháng)繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎，從而使微生物有可能更好地發(fā)揮“活的化工廠(chǎng)”的作用，人類(lèi)對微生物的利用主要體現在它們的生物化學(xué)轉化能力上。

表 1.1 微生物形態(tài)、大小和細胞類(lèi)型

微生物	大小近似值	細胞的特性
病毒	0.01~ 0.25 m m	非細胞的
細菌	0.1~ 10 m m	原核生物
真菌	2 m m~ 1m	真核生物
原生動(dòng)物	2~ 1000 m m	真核生物
藻類(lèi)	1 米 ~ 幾米	真核生物

3. 生長(cháng)旺，繁殖快

　　生物界中，微生物具有驚人的生長(cháng)繁殖速度，其中二等分裂的細菌尤為突出。人們研究得最透砌的微生物是 Escherichia coli( 大腸桿菌 ) ，其細胞在合適的生長(cháng)條件下，每分裂一次的時(shí)間是 12.5-20.0 分鐘。如按 20 分鐘分裂一次計，則每小時(shí)分裂 3 次， 24 小時(shí)可達到 4.722 × 10 24 個(gè)（約 4.722 × 10 6 Kg ）。

事實(shí)上，由于種種客觀(guān)條件的限制，細菌的指數分裂速度只能維持數小時(shí)，而在液體培養基中，細菌細胞的濃度一般僅能達到 10 8 -10 9 個(gè) /ml 。另外 T 2 Phage1 → 150/ 半小時(shí)。

　　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，主要體現在它的生產(chǎn)效率高、發(fā)酵周期短上。同時(shí)也給生物學(xué)基本理論的研究帶來(lái)極大的優(yōu)越性：它使科研周期大大縮短、經(jīng)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)霉的微生物來(lái)說(shuō)，它們的這個(gè)特性就會(huì )給人類(lèi)帶來(lái)極大的麻煩甚至嚴重的禍害，因而需要認真對待。

4. 適應強、易變異

　　微生物有極其靈活的適應性，這是高等動(dòng)植物無(wú)法比擬的，諸如抗熱性、抗寒性、抗鹽性、抗酸性、抗壓力等能力。例如：在海洋深處的某些硫細菌可在 250 ℃ -300 ℃之間生長(cháng)；嗜鹽細菌可在飽和鹽水中正常生長(cháng)繁殖； Thiobacillus thiooxidans( 氧化硫桿菌 ) 在 PH1-2 酸性環(huán)境中生長(cháng)。 Bacillus.sp.( 未定名 ) 的芽孢在琥珀內蜜蜂腸道中已保存了 2500 萬(wàn)年 --4000 萬(wàn)年。

　　微生物的個(gè)體一般都是單倍體，加之它具有繁殖快、數量多以及與外界環(huán)境直接接觸等原因，雖然微生物的變異頻率僅為 ( 10 -6 -10 -9 ) ，也可在短時(shí)間內產(chǎn)生大量變異的后代。在微生物育種中利用變異這一特性可獲得高產(chǎn)菌株。如：在 1943 年，利用 Penicillium chrysogenum( 產(chǎn)黃青霉 ) 發(fā)酵生產(chǎn)青霉素，每毫升青霉素發(fā)酵液中只分泌約 20 單位的青霉素，生產(chǎn) 1 茶匙約需數千英磅。而現在通過(guò)微生物遺傳育種工作者的不懈努力，使該菌產(chǎn)量變異逐漸累積，加之其他條件的改進(jìn)，每毫升發(fā)酵液中達到 5 萬(wàn)單位，甚至達到 10 萬(wàn)單位，成本大大降低。這在動(dòng)植物育種工作中是不可思議的。這是對人類(lèi)有益的變異。

    實(shí)踐中常遇到一些有害變異，在醫療中最常見(jiàn)的致病菌對抗生素所產(chǎn)生的抗藥性變異。青霉素 43 年剛問(wèn)世時(shí)，對 Staphylococcus aureusr 最低制菌濃度為 0.02ug/ml, 過(guò)了幾年，制菌濃度不斷提高，有的菌株的耐藥性竟比原始菌株提高了 1 萬(wàn)倍。如在 40 年代用青霉素治療時(shí)，即使是嚴重感染的病人，每天只需 10 萬(wàn)單位，而現在成人需 1 ６ 0 萬(wàn)單位，新生兒也不少于４０萬(wàn)單位。病情嚴重時(shí)，甚至用數千萬(wàn)。同時(shí)也說(shuō)明了“濫用抗生素無(wú)異于玩火”的口號是有充分科學(xué)依據的。

5. 分布廣，種類(lèi)多

　　在生物圈的每一個(gè)角落都有微生物蹤跡。如：人體體腔（ 100-400 種，總數約為 100 萬(wàn)億，其中數量最多的是（脆弱擬桿菌）、海底（硫細菌， 100 ℃， 140 個(gè)大氣壓）、高空（ 85km ）、土壤深層；由于微生物的發(fā)現比較遲，加上鑒定微生物種的工作以及劃分種的標準等問(wèn)題較復雜，所以目前確定微生物種數只有 10 萬(wàn)多種。隨著(zhù)分離、培養方法的改進(jìn)和研究工作的進(jìn)一步的深入，將會(huì )有更多的微生物被發(fā)現。有人估計目前至多只開(kāi)發(fā)利用了其中的百分之一。因而研究和開(kāi)發(fā)微生物資源的前景是十分燦爛的。

　　四、微生物學(xué)

　　微生物學(xué)是研究微生物及其生命活動(dòng)規律的學(xué)科。研究的內容涉及微生物的形態(tài)結構、分類(lèi)鑒定、生理生化、生長(cháng)繁殖、遺傳變異、生態(tài)分布以及微生物對自然界微生物各類(lèi)群之間，微生物與其他生物之間的相互作用、相互影響，微生物在農業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護、醫療衛生事業(yè)各方向的應用等。

（一）微生物的作用

    眾所共知，當前人類(lèi)正面臨著(zhù)多種危機，諸如糧食危機、能源匱乏、生態(tài)惡化和人口爆炸等。人類(lèi)進(jìn)入 21 世紀后，將遇到從利用有限的礦物資源時(shí)代過(guò)渡到利用無(wú)限的生物資源時(shí)代而產(chǎn)生的一系列的新問(wèn)題。由于微生物具有五大特點(diǎn)，使得它們能夠在解決人類(lèi)面臨的各種危機中發(fā)揮其不可替代的獨特作用，現分述如下：

1. 微生物與糧食

　　糧食生產(chǎn)是全人類(lèi)生存中至關(guān)重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改進(jìn)作物特性（如構建固氮植物）、促進(jìn)糧食增產(chǎn)、防治糧食作物的病蟲(chóng)害、防止糧食霉腐變質(zhì)以及把多余糧食轉化為糖、單細胞蛋白、各種飲料和調味品等方面，都可大顯身手。

2 ．微生物與能源

　　當前，化學(xué)能源日益枯竭問(wèn)題正在嚴重地困擾著(zhù)世界各國。微生物在能源生產(chǎn)上有其獨特的優(yōu)點(diǎn)：①把自然界蘊藏量極其豐富的纖維素轉化成乙醇；②利用產(chǎn)甲烷菌把自然界蘊藏量最豐富的可再生資源轉化成甲烷；③利用光合細菌、藍細菌或厭氧梭菌等微生物生產(chǎn)“清潔能源” -- 氫氣；④通過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)氣或其代謝產(chǎn)物來(lái)提高石油采收率（黃原膠：水溶性膠體多糖，具增粘、穩定、互溶等優(yōu)良特性，用它作為注水增稠劑，注入油層驅油；也可作為鉆井粘滑劑，同時(shí)可脫去石油中的石蠟，改善成品的品質(zhì)）；⑤研制微生物電池使之實(shí)用化。

3. 微生物與資源

微生物能將地球上永無(wú)枯竭的纖維素等可再生資源轉化成各種化工、輕工和制藥等工業(yè)原料。這些產(chǎn)品除了傳統的乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、蘋(píng)果酸等外，還可生產(chǎn)水楊酸、烏頭酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、長(cháng)鏈脂肪酸、亞麻酸油和聚羥基丁酸酯（ PHB ），等等。由于發(fā)酵工程具有代謝產(chǎn)物種類(lèi)多、原料來(lái)源廣、能源消耗低、經(jīng)濟效益高和環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，故必將逐步取代目前需高溫、高壓、能耗大和“三廢”嚴重的化學(xué)工業(yè)。另外微生物在金屬礦藏資源的開(kāi)發(fā)和利用上也有獨特的作用。

4. 微生物與環(huán)境保護

在環(huán)境保護方面可利用微生物的地方甚多：利用微生物肥料、微生物殺蟲(chóng)劑或農用抗生素來(lái)取代會(huì )造成環(huán)境惡化的各種化學(xué)肥料或化學(xué)農藥；利用微生物生產(chǎn)的 PHB （聚羥基丁酸酯）制造易降解的醫用塑料制品以減少環(huán)境污染；利用微生物來(lái)凈化生活污水和有毒工業(yè)污水；利用微生物技術(shù)來(lái)監察環(huán)境的污染度，如用艾姆氏法檢測環(huán)境中的“三致”物質(zhì)，利用 EMB 培養來(lái)檢查飲水的腸道病原菌等。

5. 微生物與人類(lèi)健康

微生物與人類(lèi)健康有著(zhù)密切的關(guān)系。首先是因為各種傳染病構成了人類(lèi)的主要疾病，而防治這類(lèi)疾病的主要手段又是各種微生物產(chǎn)生的藥物，尤其是抗生素。自從遺傳工程開(kāi)創(chuàng )以來(lái)，進(jìn)一步擴大了微生物代謝產(chǎn)物的范圍和品種，使昔日由動(dòng)物才能產(chǎn)生的胰島素、干擾素和白細胞介素等高效藥物紛紛轉向由“工程菌”來(lái)生產(chǎn)。與人類(lèi)生殖、避孕等密切相關(guān)的甾體激素類(lèi)藥物也早已從化工生產(chǎn)方式轉向微生物生物轉化的生產(chǎn)方式。此外，一大批與人類(lèi)健康、長(cháng)壽有關(guān)的生物制品，如疫苗、類(lèi)毒素等均是微生物產(chǎn)品。