微生物與微生物學——1

三、微生物的主要特點

　　１．個體微小，結構簡單

　　微生物的個體極其微小，要測量它們，必須用 um 或 nm 作單位。如一個典型的球菌體積僅為１ um 3 ；最近芬蘭科學家 E. O .Kajander 等發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。迄今為止所知的個體最大的細菌是一個硫細菌，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單的，大多數微生物為單細胞，隻有少數為簡單的多細胞。又如 PSTV 由 359 個核苷酸組成的 RNA ，長度為 50nm ；朊病毒僅蛋白質分子組成。

    2. 吸收多，轉化快

科學家研究發現微生物吸收和轉化物質的能力比動物、植物要高很多倍，如在合適的環境下， Escherichia coli 每小時內可消耗其自重 2000 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地發揮“活的化工廠”的作用，人類對微生物的利用主要體現在它們的生物化學轉化能力上。

表 1.1 微生物形態、大小和細胞類型

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
原生動物	2~ 1000 m m	真核生物
藻類	1 米 ~ 幾米	真核生物

3. 生長旺，繁殖快

　　生物界中，微生物具有驚人的生長繁殖速度，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( 大腸杆菌 ) ，其細胞在合適的生長條件下，每分裂一次的時間是 12.5-20.0 分鍾。如按 20 分鍾分裂一次計，則每小時分裂 3 次， 24 小時可達到 4.722 × 10 24 個（約 4.722 × 10 6 Kg ）。

事實上，由於種種客觀條件的限製，細菌的指數分裂速度隻能維持數小時，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 /ml 。另外 T 2 Phage1 → 150/ 半小時。

　　微生物的這一特性在發酵工業上具有重要的實踐意義，主要體現在它的生產效率高、發酵周期短上。同時也給生物學基本理論的研究帶來極大的優越性：它使科研周期大大縮短、經費減少、效率提高。當然，對於危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品發黴的微生物來說，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。

4. 適應強、易變異

　　微生物有極其靈活的適應性，這是高等動植物無法比擬的，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；嗜鹽細菌可在飽和鹽水中正常生長繁殖； Thiobacillus thiooxidans( 氧化硫杆菌 ) 在 PH1-2 酸性環境中生長。 Bacillus.sp.( 未定名 ) 的芽孢在琥珀內蜜蜂腸道中已保存了 2500 萬年 --4000 萬年。

　　微生物的個體一般都是單倍體，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 ) ，也可在短時間內產生大量變異的後代。在微生物育種中利用變異這一特性可獲得高產菌株。如：在 1943 年，利用 Penicillium chrysogenum( 產黃青黴 ) 發酵生產青黴素，每毫升青黴素發酵液中隻分泌約 20 單位的青黴素，生產 1 茶匙約需數千英磅。而現在通過微生物遺傳育種工作者的不懈努力，使該菌產量變異逐漸累積，加之其他條件的改進，每毫升發酵液中達到 5 萬單位，甚至達到 10 萬單位，成本大大降低。這在動植物育種工作中是不可思議的。這是對人類有益的變異。

    實踐中常遇到一些有害變異，在醫療中最常見的致病菌對抗生素所產生的抗藥性變異。青黴素 43 年剛問世時，對 Staphylococcus aureusr 最低製菌濃度為 0.02ug/ml, 過了幾年，製菌濃度不斷提高，有的菌株的耐藥性竟比原始菌株提高了 1 萬倍。如在 40 年代用青黴素治療時，即使是嚴重感染的病人，每天隻需 10 萬單位，而現在成人需 1 ６ 0 萬單位，新生兒也不少於４０萬單位。病情嚴重時，甚至用數千萬。同時也說明了“濫用抗生素無異於玩火”的口號是有充分科學依據的。

5. 分布廣，種類多

　　在生物圈的每一個角落都有微生物蹤跡。如：人體體腔（ 100-400 種，總數約為 100 萬億，其中數量最多的是（脆弱擬杆菌）、海底（硫細菌， 100 ℃， 140 個大氣壓）、高空（ 85km ）、土壤深層；由於微生物的發現比較遲，加上鑒定微生物種的工作以及劃分種的標準等問題較複雜，所以目前確定微生物種數隻有 10 萬多種。隨著分離、培養方法的改進和研究工作的進一步的深入，將會有更多的微生物被發現。有人估計目前至多隻開發利用了其中的百分之一。因而研究和開發微生物資源的前景是十分燦爛的。

　　四、微生物學

　　微生物學是研究微生物及其生命活動規律的學科。研究的內容涉及微生物的形態結構、分類鑒定、生理生化、生長繁殖、遺傳變異、生態分布以及微生物對自然界微生物各類群之間，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、工業、環境保護、醫療衛生事業各方向的應用等。

（一）微生物的作用

    眾所共知，當前人類正麵臨著多種危機，諸如糧食危機、能源匱乏、生態惡化和人口爆炸等。人類進入 21 世紀後，將遇到從利用有限的礦物資源時代過渡到利用無限的生物資源時代而產生的一係列的新問題。由於微生物具有五大特點，使得它們能夠在解決人類麵臨的各種危機中發揮其不可替代的獨特作用，現分述如下：

1. 微生物與糧食

　　糧食生產是全人類生存中至關重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改進作物特性（如構建固氮植物）、促進糧食增產、防治糧食作物的病蟲害、防止糧食黴腐變質以及把多餘糧食轉化為糖、單細胞蛋白、各種飲料和調味品等方麵，都可大顯身手。

2 ．微生物與能源

　　當前，化學能源日益枯竭問題正在嚴重地困擾著世界各國。微生物在能源生產上有其獨特的優點：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“清潔能源” -- 氫氣；④通過微生物發酵產氣或其代謝產物來提高石油采收率（黃原膠：水溶性膠體多糖，具增粘、穩定、互溶等優良特性，用它作為注水增稠劑，注入油層驅油；也可作為鑽井粘滑劑，同時可脫去石油中的石蠟，改善成品的品質）；⑤研製微生物電池使之實用化。

3. 微生物與資源

微生物能將地球上永無枯竭的纖維素等可再生資源轉化成各種化工、輕工和製藥等工業原料。這些產品除了傳統的乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、蘋果酸等外，還可生產水楊酸、烏頭酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、長鏈脂肪酸、亞麻酸油和聚羥基丁酸酯（ PHB ），等等。由於發酵工程具有代謝產物種類多、原料來源廣、能源消耗低、經濟效益高和環境汙染少等優點，故必將逐步取代目前需高溫、高壓、能耗大和“三廢”嚴重的化學工業。另外微生物在金屬礦藏資源的開發和利用上也有獨特的作用。

4. 微生物與環境保護

在環境保護方麵可利用微生物的地方甚多：利用微生物肥料、微生物殺蟲劑或農用抗生素來取代會造成環境惡化的各種化學肥料或化學農藥；利用微生物生產的 PHB （聚羥基丁酸酯）製造易降解的醫用塑料製品以減少環境汙染；利用微生物來淨化生活汙水和有毒工業汙水；利用微生物技術來監察環境的汙染度，如用艾姆氏法檢測環境中的“三致”物質，利用 EMB 培養來檢查飲水的腸道病原菌等。

5. 微生物與人類健康

微生物與人類健康有著密切的關係。首先是因為各種傳染病構成了人類的主要疾病，而防治這類疾病的主要手段又是各種微生物產生的藥物，尤其是抗生素。自從遺傳工程開創以來，進一步擴大了微生物代謝產物的範圍和品種，使昔日由動物才能產生的胰島素、幹擾素和白細胞介素等高效藥物紛紛轉向由“工程菌”來生產。與人類生殖、避孕等密切相關的甾體激素類藥物也早已從化工生產方式轉向微生物生物轉化的生產方式。此外，一大批與人類健康、長壽有關的生物製品，如疫苗、類毒素等均是微生物產品。