第一章 绪 论
第－节 微生物及其特点
在生命世界中, 各种生物的体形大小相差极大，植物中的红杉高达350米，动物中的蓝鲸长达34米，而目前知道的最小微生物是病毒，如细小病毒的直径只有20 nm。
微生物是无所不在的物种，布满在自然界、动植物及人体，不过因其极为微小，看不见，摸不着，因此必须用显微镜放大几倍、几百倍、上千倍，乃至用电子显微镜放大数万倍、上百万倍才能看清。表示微生物大小的单位是μm（1 m＝106 μm）或nm（1 m＝109 nm）。球菌的直径是0.5 μm，因此80个球菌“肩并肩”地排列成横队，也只有一根头发丝的宽度。杆菌的长度约2 μm，故1500个杆菌头尾衔接起来仅有一颗芝麻长。最近在南极一个冰湖中发现了至少有2800岁的藻类和细菌，并成功使这些冰冻千年的微生物“苏醒”。
人体正常微生物与生俱来，伴随终生。微生物虽然微小，但数量庞大，一个人排出的粪便中，微生物约占干粪重量的40%左右，人从出生后就生活在有菌环境中，因此，皮肤以及与外界相通的腔道，如口腔、鼻咽腔、肠道、泌尿生殖道均有大量各类微生物寄居，成为人体不可缺少的一部分。寄居在人体的正常微生物丛一般情况下，对人体无害反有益，当然，在特定条件下也可致病。
一、微生物的定义及成员
微生物一词不是生物分类学上的专用名词，而是所有用肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。细胞是组成生命有机体基本的结构单位和功能单位，高等生物的个体是由许许多多的细胞所组成的, 如人体约由1800万亿个细胞组成。微生物的个体结构却非常简单, 大多数微生物是单细胞生物, 即一个细胞就是一个可以独立生活的微生物个体。少数微生物是多细胞, 还有一些微生物甚至连一个细胞都不是, 只是由蛋白质和(或)核酸组成的不能独立生活的大分子生物。显然, 它们是一群地球上最低等的生物。
综上所述, 如果要给微生物下一个比较恰切的定义, 则可以表述为：微生物是指所有形体微小，单细胞或结构简单的多细胞，或没有细胞结构的一群最低等的生物。
整个微生物家族的成员包括三大类：非细胞类微生物、原核细胞类微生物、真核细胞类微生物。现分述如下：
㈠ 非细胞类微生物
⒈ 真病毒
真病毒(euvirus)以活细胞内专性寄生(感染态)或以无生命的生物大分子(非感染态)两种形式存在, 由核酸和蛋白质组成的超显微的非细胞生物。 如人类病毒有：流感病毒、肝炎病毒、艾滋病毒(HIV)等；动物病毒有：腺病毒、鸡瘟病毒、口蹄疫病毒等；植物病毒有：烟草花叶病毒、番茄丛矮病毒等；原核生物病毒有：噬菌体。
⒉ 亚病毒
亚病毒(subvirus)只含核酸和蛋白质两种组分的其中一种的生物大分子病原体。包括类病毒(只含RNA, 专性活细胞内寄生)、拟病毒(仅由裸露核酸组成, 包裹于真病毒粒中)、朊粒(不含核酸的传染性蛋白质微粒)等。
㈡ 原核细胞类微生物
⒈ 细菌
细菌(bacteria)是结构简单的单细胞原核生物，一般要在普通光学显微镜下放大一千倍以上并染色才能清楚看见其个体。如人体肠道内的大肠杆菌、粪链球菌；用于酿醋的醋酸杆菌；使牛奶变酸的乳酸杆菌；生产味精的谷氨酸短杆菌；生产淀粉酶的枯草芽孢杆菌等。
⒉ 放线菌
放线菌(actinomycetes)呈丝状生长，营养菌丝为单细胞, 以孢子繁殖的一类原核生物,一般要采用油镜观察。如生产链霉素的灰色链霉菌，生产红霉素的红色链霉菌，生产庆大霉素的棘孢小单胞菌等。
⒊ 蓝细菌
蓝细菌(cyanobacteria)旧称蓝藻或蓝绿藻。呈单细胞、非丝状群体或丝状体的大型原核生物，能进行产氧光合作用。如发菜念珠蓝细菌，盘状螺旋蓝细菌(螺旋藻)等。
⒋ 支原体
支原体(mycoplasma)是一类不具细胞壁的最小型原核生物, 能在营养丰富的培养基上独立生活, 许多种类是致病菌。如肺炎支原体、生殖道支原体等。
⒌ 立克次氏体
立克次氏体(rickettsia)具有细胞壁的较大原核生物, 不能独立生活, 专性寄生于真核细胞内，是某些人类传染病的病原体。如斑疹伤寒立克次氏体、恙虫热立克次氏体等。
⒍ 衣原体
衣原体 (chlamydia) 的细胞壁缺肽聚糖, 缺乏产能酶系的原核生物，于真核细胞内营专性能量寄生的一类病原体。如沙眼衣原体、肺炎衣原体、鹦鹉热衣原体等。
㈢ 真核细胞类微生物
⒈ 酵母菌
酵母菌 (yeast) 是单细胞真菌, 能发酵糖类，是一类最低等的真核生物。－般用高倍镜（400～600倍）观察其个体细胞形态。如用于面包制作的面包酵母、酒精和酒类生产用的酿酒酵母、石油制品脱蜡用的假丝酵母等。
⒉ 霉菌
霉菌 (mould, mold) 是引起物品霉变的丝状真菌, 单细胞或多细胞真核生物。可用低倍或高倍镜观察其个体形态。如酿制小曲酒的根霉菌, 制造豆腐乳的毛霉菌, 生产葡萄糖的曲霉菌, 生产青霉素的青霉菌等。
⒊ 蕈菌
蕈菌 (mushroom) 又名伞菌或担子菌，能产生大型肉质子实体的真菌。如蘑菇、香菇、草菇、平菇、木耳、银耳、竹荪等食用菌以及灵芝、云芝、猴头等药用菌。
⒋ 藻类
藻类 (algae) 是单细胞或单细胞的聚合体，进行光合作用并产生氧气的一类真核生物。如微星鼓藻、团藻、栅藻等。
⒌ 原生动物
原生动物 (protozoan) 个体微小，无真正细胞壁，具运动性，行吞噬营养的单细胞真核生物。如阿米巴、纤毛虫、鞭毛虫等。
可见微生物世界中的成员确实是阵容庞大，姿态万千，芸芸众生，各有特色。
以上三大类微生物中, 原核生物中的细菌、放线菌，真核生物中的酵母菌、霉菌，以及非细胞生物中的噬菌体, 是在发酵工业上有重要用途或关系密切的微生物, 因而是本书讨论的重点。
二、微生物的特点
㈠ 体积小，面积大
常识告诉我们，把一定体积的物体分割得越小，它们的总表面积就越大，物体的表面积和体积之比称为比表面积。如果把人的比表面积值定为1，则大肠杆菌的比表面积值竟高达30万！在采用高密度细胞发酵时，干细胞量竟达到100 g /L，如此一个小体积特大面积的系统是微生物与一切大型生物相区别的关键所在，也是发酵工业飞速发展的关键所在。了解这点，我们就比较容易理解微生物的许多特性了。
㈡ 吸收多，转化快
由于微生物的比表面积大得惊人，所以与外界环境的接触面特别大，这非常有利于微生物通过体表吸收营养和排泄废物，“胃口”大得惊人，“排泄”得也特别厉害。而且，微生物的食谱又非常广泛，凡是动植物能利用的营养，微生物都能利用，大量的动植物不能利用的物质，甚至是剧毒的物质，微生物照样可以视为美味佳肴。如大肠杆菌在合适条件下，每小时可以消耗相当于自身重量2000倍的糖，而人体则需要40年之久。
我们可以利用微生物这个特性，发挥“微生物工厂”的作用，使大量基质在短时间内转化为大量有用的化工、医药产品或食品，为人类造福，使有害物质化为无害，将不能利用的物质变为可利用。
㈢ 生长旺，繁殖快
微生物以惊人的速度“生儿育女”。例如大肠杆菌在合适的生长条件下，12.5～20分钟便可繁殖一代，每小时可分裂3次，由1个变成8个。每昼夜可繁殖72代，由1个细菌变成4.7×1021个（重约4722吨）。经48小时后，则可产生2.2×1043个后代，如此多的细菌的重量约等于4000个地球之重。若干微生物的代时（分裂1次所需的时间）和每日增殖率如表1-1 所示。
表1-1 若干微生物的世代时间和每日增殖率
| 微生物名称 |
代时 |
每日分裂次数 |
温度℃ |
每日增值率 |
| 细菌 |
乳酸菌 |
38分 |
38 |
25 |
2.7×1011 |
| 大肠杆菌 |
18分 |
80 |
37 |
1.2×1024 |
| 根瘤菌 |
110分 |
13 |
25 |
8.2×103 |
| 枯草杆菌 |
31分 |
46 |
30 |
7.0×1013 |
| 光合细菌 |
144分 |
10 |
30 |
1.0×103 |
| 酿酒酵母 |
120分 |
12 |
30 |
4.1×103 |
| 藻类 |
小球藻 |
7小时 |
3.4 |
25 |
10.6 |
| 念珠藻 |
23小时 |
1.04 |
25 |
2.1 |
| 硅藻 |
17小时 |
1.4 |
20 |
2.64 |
| 草履虫 |
10.4小时 |
2.3 |
26 |
4.92 |
当然由于种种条件的限制，这是不可能实现的。细菌数量的翻番只能维持几个小时，不可能无限制地繁殖。因而在培养液中繁殖细菌，它们的数量一般仅能达到每毫升1～10亿个，最多达到100亿。尽管如此，它的繁殖速度仍比高等动植物高出千万倍。
微生物的这一特性在发酵工业上具有重要意义，可以提高生产效率，缩短发酵周期。
㈣适应强，易变异
微生物对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”具有惊人的适应力，这是高等生物所无法比拟的。例如，多数细菌能耐0～－196 ℃的低温；在海洋深处的某些硫细菌可在250～300 ℃的高温条件下正常生长；一些嗜盐细菌甚至能在饱和盐水中正常生活；产芽孢细菌和真菌孢子在干燥条件下能保藏几十年、几百年甚至上千年。耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射、抗渗透压等特性在微生物中也极为常见。
微生物个体微小，与外界环境的接触面积大，容易受到环境条件的影响而发生性状变化（变异）。尽管变异发生的机会只有百万分之一到百亿分之一，但由于微生物繁殖快，也可在短时间内产生大量变异的后代。正是由于这个特性，人们才能够按照自己的要求不断改良在生产上应用的微生物，如青霉素生产菌的发酵水平由最初每毫升20单位上升到目前近10万单位。利用变异和育种得到如此大幅度的产量提高，在动植物育种工作中简直是不可思议的。
㈤ 分布广，种类多
虽然我们不借助显微镜就无法看到微生物，可是它在地球上几乎无处不有，无孔不入。85公里的高空、11公里深、水压高达1140大气压的海底、2000米深的地层、近100 ℃的温泉、零下250 ℃的环境下，均有微生物存在，这些都属极端环境。至于人们正常生产生活的地方，也正是微生物生长生活的适宜条件。因此，人类生活在微生物的汪洋大海之中，但常常是“身在菌中不知菌”。
微生物聚集最多的地方是土壤，土壤是各种微生物生长繁殖的大本营，任意取一把土或一粒土，就是一个微生物世界，不论数量或种类均最多。在肥沃的土壤中，每克土含有20亿个微生物，即使是贫瘠的土壤，每克土中也含有3～5亿个微生物。
空气里悬浮着无数细小的尘埃和水滴，它们是微生物在空气中的藏身之地。哪里的尘埃多，哪里的微生物就多。一般来说，陆地上空比海洋上空的微生物多，城市上空比农村上空里的多，杂乱肮脏地方的空气里比整洁卫生地方的空气里的多。人烟稠密、家畜家禽聚居地方的空气里的微生物最多，在160米高空的微生物比5300米处要多100倍。
各种水域中也有无数的微生物，居民区附近的河水和浅井水，容易受到各种污染，水中的微生物就比较多。大湖和海水中，微生物较少。
从人和动植物的表皮到人和动物的内脏，也都经常生活着大量的微生物，大肠杆菌在正常情况下，还是人肠道缺少不了的帮手呢！把手放到显微镜下观察，一双普通的手上带有细菌四万到四十万个，即使是一双用清水洗过的手，上面也有近三百个细菌。人们在握手时，将会把许多细菌传播给对方，握手也能传播疾病！幸好大多数微生物不是致病菌。
微生物种类繁多，迄今为止，我们所知道的微生物约有10万种，有人估计目前已知的种只占地球上实际存在的微生物总数的20%，微生物很可能是地球上物种最多的一类。微生物资源是极其丰富的，但在人类生产和生活中仅开发利用了已发现微生物种数的1%。 |
