第六章 微生物的生长及其控制
第一节 测量生长繁殖的方法
一、 测生长量
（一） 直接法；
（二） 间接法（比浊法；生理指标法）；
二、 计繁殖数
（一） 直接法（用计数板）；
（二） 间接法（平板菌落计数法；厌氧菌的菌落计数法）；

第二节 微生物的生长规律
同步培养技术：设法使某一群体中的所有个体细胞尽可能都处于同样细胞生长和分裂周期，然后通过分析此群体在各阶段的生物化学特性变化，来间接了解单个细胞的相应变化规律。
同步生长：这种通过同步培养的手段而使细胞群体中各个体处于分裂步调一致的生长状态。
方法：1）环境条件诱导法；2）机器筛选法

单细胞微生物的典型生长曲线：
生长曲线：定量描述液体培养基中微生物群体生长规律的实验曲线。如以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可画出一条有延滞期、指数期、稳定期和衰亡期4个阶段组成的曲线。
四个时期是根据微生物的生长速率常数，即每小时分裂次数（R）的不同划分的。
（一） 延滞期：
特点：1）生长速率常数为0；
2）细胞变大或变长；
3）细胞内的RNA（特别是rRNA）含量增高，原生质呈嗜碱性；
4）合成代谢活跃，为以后的生长准备物质条件；
5）对外界不良条件反应敏感。
影响延稚期长短的因素：
1） 接种龄（它生长到生长曲线上的哪一阶段用来作种子的）
2） 接种量（接种量大则延滞期短）
3） 培养基成分
（二） 指数期（对数期）：
　　特点：1）R最大，代时G最短；
　　　　　2）细胞进行平衡生长，故菌体各部分的成分十分均匀；
　　　　　3）酶系活跃，代谢旺盛
　　3个重要参数：1）繁殖代数（n）
　　　　　　　　　2）生长速率常数（R）：R=n /（t2-t1）
　　　　　　　　　3）代时（G）
　　影响指数期微生物代时长短的因素：
1） 菌种；
2） 营养成分；
3） 营养物浓度（营养物浓度很低时，会影响微生物的生长速率；随着营养物浓度的逐步提高，生长速率不受影响，只影响最终的菌体产量）
生长限制因子：凡处于较低浓度范围内可影响生长速率和菌体产量的某营养物。
4） 培养温度；
（三） 稳定期（恒定期；最高生长期）：
特点：1）生长速率常数R等于0，新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等；
　　　2）菌体产量达到了最高点，菌体产量和营养物质的消耗间呈现出有规律的比例关系：
　　　　 生长产量常数Y（生长得率）=x-x0 / C0-C
　　　3）细胞开始积累内含物；
　　　4）芽孢杆菌一般在这时开始形成芽孢；
　　　5）次生代谢物开始形成，是产物的最佳收获期，也是生物测定的最佳时期；
　　（四）衰亡期：
　　　 特点：1）R为负值，群体呈现负生长状态；
　　　　　　 2）细胞形态发生多形化，一些微生物有自溶现象；
　　　　　　 3）有的微生物进一步合成或释放抗生素等次生代谢物；
　　　　　　 4）芽孢杆菌释放芽孢；

三、微生物的连续培养
连续培养（开放培养）：是在研究典型生长曲线的基础上，通过深刻认识稳定期到来的原因，并采取相应的防止措施而实现的。
方法：当微生物以单批培养的方式培养到指数期的后期时，一方面以一定的速度连续流入新鲜培养基和通入无菌空气，并立即搅拌均匀，另一方面，利用溢流的方式，以同样的流速不断流出培养物。从而使容器内的培养物达到动态平衡，微生物可长期保持在指数期的平衡生长和衡定的生长速率上，形成连续生长。

稳定期到来的原因：1）营养物尤其是生长限制因子的耗尽；
　　　　　　　　　2）营养物的比例失调；
　　　　　　　　　3）酸、醇、毒素或H2O2等有害代谢产物的累积；
　　　　　　　　　4）pH、氧化还原势等物理化学条件越来越不适宜

按控制方式分为：
1） 恒浊器：根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。多用于生产。
2） 恒化器：保持培养液的流速不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率的条件下进行繁殖的连续培养器。多用于实验室。

第三节 影响微生物生长的主要因素：
1） 温度（生长温度三基点：最低生长因素、最适生长因素、最高生长因素）
2） 氧气；
3） pH

第五节 有害微生物的控制　　
　　　　
抗代谢药物（代谢拮抗物或代谢类似物）：一类在化学结构上与细胞内必要代谢物的结构相似，并可干扰正常代谢活动的化学物质。有很好的选择毒力。如磺胺类药物。

抗生素：一类由微生物或其他生物生命活动过程中合成的次生代谢产物或其人工衍生物，它们在很低浓度时就能抑制或干扰它种生物的生命活动。活力成为效价，计量用“单位”表示。
抗生素的作用机制：
1）抑制细胞壁合成；
2）引起细胞壁降解；
3） 干扰细胞膜；
4） 抑制蛋白质合成；
5） 抑制DNA合成；
6） 抑制DNA复制；
7） 抑制RNA转录；
8） 抑制RNA合成。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
灭菌——彻底杀灭（一切微生物）（包括杀菌、溶菌）
杀灭法　　　　　　 采用强烈的理化因素使物体的一切微生物永远丧失繁殖能力
消毒——部分杀菌（仅杀灭病原菌）
控制害菌的措施　　　　　　　　　　　　 采用较温和的理化因素杀灭有害的病原菌
　　　　　　　　　　　　　　　 防腐——抑制霉腐微生物
　　　　　　　　　　抑制法　　　　　　 利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖
　　　　　　　　　　　　　　　 化疗——抑制宿主体内的病原菌
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 利用具有高度选择毒力的化学物质来抑制宿主体内病源微生物的生长繁殖（抗生素、抗代谢药物）

第七章 微生物的遗传变异和育种
遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。
（1）遗传型：又称基因型，指某一个生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗
传信息。
（2）表型：指某一上午体所具有的一切外表特征和内在特征的总和。
（3）变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即
遗传性的改变
（4）饰变：不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。

微生物为什么是学者们最热衷选用的模式生物？
1） 个体简单：体制极其简单；营养体一般都是单倍体；易于在简单的组合培养基上大量生长繁殖。
2） 繁殖快：物种与代谢类型多样性；易于积累不同的中间代谢物或终产物；易于形成营养缺陷型突变株。
3） 各种微生物一般都有其相应的病毒；
4） 环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；
5） 存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式。

第一节 遗传便宜的物质基础
一、3个经典实验（经典转化实验；噬菌体感染实验：植物病毒的重建实验）证明了核酸尤其是DNA才是一切生物遗传变异的真正物质基础。

三、 遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式
（一）7个水平
　　1）细胞水平：DNA大部分都集中在细胞核或核区中。
　　2）细胞核水平：真核生物：细胞核有核膜包裹 DNA与组蛋白结合为核染色体；存在核外染色体
　　　　　　　　　 原核生物：无核膜包裹 呈松散状态 DNA呈环状双链结构 不和任何蛋白质结合；核外染色体在此称为质粒。
　　　　　　　　　 注意：细胞核和核区都是微生物遗传信息的最主要负荷者称为核基因
组、核染色体组或简称基因组。
　　3）染色体水平：染色体数；染色体倍数（指同一细胞中相同染色体的套数）
　　4）核酸水平：核酸种类：绝大多数生物的遗传物质是DNA 少数病毒和噬菌体为RNA。
　　　　　　　　核酸结构：绝大多数生物的DNA是双链的，少数病毒为单链；
　　　　　　　　DNA长度：基因组大小，单位是bp（碱基对）、kb（千碱基对）和Mb（兆碱基对）
　　5）基因水平：基因：生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基
础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。众多基因构成
染色体。
原核生物的基因调控系统：操纵子（启动基因；操纵基因；结构基因）
　　　　　　　　　　　　调节基因 真核生物没有操纵子
　　6）密码子水平：遗传密码：DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序，单位是密码子，每一密码子由3个核苷酸序列即1个三联体组成。
　　7）核苷酸水平：核苷酸单位是一个最低突变单位或交换单位。

（三） 原核生物的质粒
　质粒：凡游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA（circular covalently closed DNA），就是典型的质粒。
质粒具有许多有利于基因工程操作的优点：
1） 体积小，便于DNA的分离和操作；
2） 呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定；
3） 有不受核基因组控制的独立复制起始点；
4） 拷贝数多，使外源DNA可很快扩增；
5） 存在抗药性基因等选择性标记，便于含质粒克隆的检出和选择。

质粒的种类：
1） 结合性质粒：例如E.coli的F质粒 决定性别并有转移能力
2） 抗药性质粒（抗各种抗生素，抗重金属等离子）：例如R质粒
3） 产细菌素和抗生素质粒：例如Col质粒（大肠杆菌素质粒）
4） 具生理功能的质粒：例如Ri质粒（侵染双子叶植物的根部，整合到宿主的核基因组中，生出可再生新植株的毛状根）；mega质粒（巨大质粒 其上有一系列与共生固氮相关的基因）；降解性质粒。
5） 产毒质粒：例如Ti质粒（诱癌质粒）

第二节 基因突变和诱变育种
根据是否能够通过选择性培养基快速选择出来的突变株分为：
选择性突变株：1）营养缺陷型：无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。
　　　　　　　2）抗性突变型：对某种化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。
　　　　　　　3）条件致死突变型：例如Ts突变株（温度敏感突变株）
非选择突变株：1）形态突变型：个体或菌落形态发生改变；
　　　　　　　2）抗原突变型：细胞抗原结构发生变化（细胞壁有无；荚膜或鞭毛成分变异）例如L型细菌
　　　　　　　3）产量突变型：代谢产物产量发生变化，更高为正变株，反之为负变株

（二）突变率：某一细胞在每一世代中发生某一形状突变的几率

（三）基因突变的特点 1）自发性；
　　　　　　　　　　 2）不对应性（突变性状与引起突变的原因无直接对应关系）；
　　　　　　　　　　 3）稀有性；
　　　　　　　　　　 4）独立性（某基因的突变率不受它种基因突变率的影响）；
　　　　　　　　　　 5）可诱变性；
　　　　　　　　　　 6）稳定性（突变后的新遗传性状是稳定的）；
　　　　　　　　　　 7）可逆性（可发生正向突变也可发生回复突变）

（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明：
1）变量试验；2）涂布试验；3）影印平板培养法

　（五）基因突变及其机制
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
碱基置换（转换 颠换）
　　　　　　　　　　 点突变（仅影响一对碱基）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 移码突变
　　　　　　 诱变　　　　　　　　　　　　　　　　　
缺失
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 添加（重复 插入）
　　　　　　　　　　 染色体畸变（影响DNA分子）　 易位（转座）
基因突变　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　倒位

自发突变

转座：DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象。凡具有转座作用的一段DNA序列，称转座因子。

（六）紫外线（UV）对DNA的损伤及其修复
1．光复活作用：把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象。因为在黑暗下经UV照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子会和光解酶结合，而这种复合物在可见光下时，此酶会因获光能而激活，使二聚体变为单体。
2．切除修复：是活细胞内一种用于被UV等诱变剂损伤后DNA 的修复方式之一，又称暗修复，是一种不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核修复方式。
二、突变与育种
卡介苗：牛型结核分枝杆菌的减毒活菌苗，可提高人体尤其是儿童对结合分枝杆菌的免疫力，对预防肺结核有显著的效果。

诱变育种：利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速、高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株。诱变和筛选是两个主要环节。
基本环节：诱变——存活率——突变率——正变率——高产率——投产率
人们用最简单的低等生物作模型了解发生在复杂高等生物体内的各种突变事件的原因：
艾姆氏试验：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效方法。

诱变育种中的几个原则：
1） 选择简便有效的诱变剂；
2） 挑选优良的出发菌株；
3） 处理单细胞或单孢子悬液（选用单核细胞）；
表型延迟：遗传型虽已突变，但表型却要经染色体复制、分离和细胞分裂后才表现出来的现象。
4） 选用最适的诱变剂量；
5） 充分利用复合处理的协同效应；
6） 利用和创造形态、生理与产量间的相关指标；
7） 设计高效筛选方案；
8） 创造新型筛选方法；

3类诱变株的筛选方法：
1） 产量突变株的筛选：琼脂块培养法；
2） 抗药性突变株的筛选：梯度平板法；
3） 营养突变型突变株的筛选：
3类培养基：基本培养基：仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低成分的组合培养基。
　　　　　　　　完全培养基：凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或半组合培养基。
　　　　　　　　补充培养基：凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基。
　　 3类遗传型个体：野生型；营养缺陷型；原养型（营养要求在表型上与野生型相同）
　　 营养缺陷型的筛选方法：1.诱变剂处理；
　　　　　　　　　　　　　 2.淘汰野生型；
　　　　　　　　　　　　　 3.检出缺陷型（夹层培养法；限量补充法；逐个检出法；影印平板法）
4）鉴定缺陷型：生长谱法

第三节 基因重组和杂交育种
杂交：细胞水平；重组：分子水平
一、 原核生物的基因重组
特点：1）片段性；
　　　2）单向性（供体菌　　受体菌）；
　　　3）转移机制独特而多样（转化；转导；接合；原生质体融合）
　
（一）转化：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象。
转化子：通过转化方式而形成的杂种后代。
　　　感受态：受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。
　　　转化因子：离体的DNA片段。
　　　转染：用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象。
（二）转导：通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
　　　转导子：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞。
　　　普遍转导；局限转导
（三）接合：供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传形状的现象。
接合子：通过接合而获得新遗传性状的受体细胞。
（四）原生质体融合：通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质提进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。
融合子：由此法获得的重组子。

二、 真核微生物的基因重组
　 1）有性杂交：一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。
　 2）准性杂交：类似于有性生殖，但比它更为原始的两性生殖方式。是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合，它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。自发性的原生质体融合现象。

第四节 基因工程
基因工程（遗传工程）：人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、改造和重建基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度地满足人类活动的需要。

第五节 菌种的衰退、复壮和保藏（冷冻干燥保藏法；液氮保藏法）

第八章 微生物的生态
生态学：一门研究生命系统与其环境系统见相互作用规律的科学。
生态学的研究范畴：生物圈 生态系统 群落 种群

第一节
为什么土壤是微生物的大本营？
由于土壤具备了各种微生物生长发育所需要的营养、水分、空气、酸碱度、渗透压和温度等条件，所以成了微生物生活的良好环境。

水体的自净作用：1）好氧菌对有机物的降解作用；
　　　　　　　　2）原生动物对细菌的吞噬作用；
　　　　　　　　3）噬菌体对宿主的裂解作用；
　　　　　　　　4）藻类对无机元素的吸收利用；
　　　　　　　　5）浮游动物和一系列后生动物通过食物链对有机物的摄取和浓缩作用。

第二节 微生物与生物环境间的关系
1） 互生：两种可单独生活的生物，当它们在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，偏利于一方的生活方式。（好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌生活在一起时，后者分解纤维素的产物有机酸可为前者提供固氮时的营养，而前者则向后者提供氮素营养物。）
2） 共生：是指两种生物共居在一起，相互分工合作、相依为命，甚至达到难分难解、合二为一的极其紧密的一种相互关系。（真菌与蓝细菌共生的地衣；根瘤菌与豆科植物的共生；白蚁与微生物的共生，微生物分解纤维素供白蚁营养，白蚁为微生物创造无氧环境而提供纤维素；瘤胃微生物与反刍动物的共生）
3） 寄生：一般指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中夺取营养并进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的一种相互关系。（蛭弧菌与G-细菌）
4） 拮抗（抗生）：指由某种生物所产生的特定代谢产物可抑制他种生物的生长发育甚至杀死它们的一种相互关系。（泡菜乳酸菌产生的乳酸对其他腐败菌的拮抗作用；抗生素）
5） 捕食：一般指一种大型的生物直接捕捉、吞食另一种小型生物以满足其营养需要的相互关系。（生物链）

第三节 微生物与自然界物质循环（生态系统的进化见P265图表）
一、 碳素循环（见P265）
二、 氮素循环（见P266）
三、 硫素循环和细菌沥滤
细菌沥滤：利用化能自养细菌对矿物中的硫或硫化物进行氧化，使它不断生产和再生酸性浸矿剂，并让低品位矿石中的铜等金属以硫酸铜等形式不断溶解出来，然后再采用电动序较低的铁等金属粉末进行置换，以此获得铜等有色金属或稀有金属。
四、 磷素循环

第四节 微生物与环境保护
富营养化：指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。
污水的微生物处理：
1）COD（chemical oxygen demand）即化学需氧量，是表示水体中有机物含量的一个简便的间接指标，指1L污水中所含的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（mg/L）。
2）TOD（total oxygen demand）总需氧量，指污水中能被氧化的物质在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。TOD是评价某水质的综合指标之一，。
3）TOC（total organic carbon）即总有机含碳量，指水体内所含有机物中的全部有机碳的量。