**章 绪论
作为生物工程学科范畴*重要的专业基础课之一，微生物学既要有其本身的课程系统，也必须有其为生物工程学科应用的特色。
在生物学上，一般把形体微小、结构简单的生物称为微生物。研究这些微生物的形态、生理和遗传特性等的学科即为微生物学。因此，微生物学既是一门研究微生物生命活动本质及其基本规律的基础学科，又是一门研究微生物与自然、社会、人类活动等相关关系及其应用、具有极大应用范畴的实验学科。本书研究的微生物学更侧重于工业微生物学，更侧重研究和关注在发酵工业上常见或常用的微生物，如细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、藻类等。
**节 微生物学研究的对象和任务
一、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350m，动物中的蓝鲸长达34m，而目前知道的*小生物是病毒，如细小病毒的直径只有20nm。
微生物无所不在，遍布于自然界、动植物及人体。如，在南极一个冰湖中发现了存在至少有2800年的藻类和细菌，并成功地使这些冰冻千年的微生物“苏醒”。
微生物的个体极其微小，必须借助放大几倍、几百倍、上千倍的光学显微镜，乃至放大数万倍、上百万倍的电子显微镜才能看清(图1.1，图1.2)。表示微生物大小的单位是μm(1m=106μm)或nm(1m=109nm)。球菌的直径约0.5μm，因此80个球菌“肩并肩”地排列成横队，也只有一根头发的宽度。杆菌的长度约2μm，故1500个杆菌头尾连接起来仅有一粒芝麻那么长。
微生物虽然微小，但数量庞大。在一个人排出的粪便中，微生物约占干粪重量的40%左右，人生活在有菌环境中，皮肤以及与外界相通的腔道，如口腔、鼻咽腔、肠道等均有大量各类微生物寄居，成为人体不可缺少的一部分。一般情况下，寄居在人体中的正常微生物菌群对人体健康有益，仅在特定条件下可能对人类健康造成危害。
微生物有以下几方面的特点。
1. 比表面积大
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竟高达30 万!在采用高密度细胞发酵时，干细胞量竟达到100g/L。因此，一个小体积和特大表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。了解了这点，我们就比较容易理解微生物的许多特性了。
2. 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代谢产物。微生物“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，等比状态下而人类则需要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。也可以将有毒有害物质转化为无毒无害物质、将不能利用的物质转变为可利用的物质，为人类造福。
3. 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，12.5~20min便可繁殖一代，每小时可分裂3次，由1个变成8个。如果按此速度匀速繁殖，则每昼夜可繁殖72代，由1个细菌变成4.7×1021个(重约4722t)。经48h，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
当然，由于种种条件的限制，上述繁殖速度是不可能实现的。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1亿~10亿个，*多达到100亿。尽管如此，它的繁殖速度仍比高等动植物高出上亿倍。
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。
4. 适应强，变异快
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，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。若干微生物甚至需要“极端环境”才能生长。例如，在海洋深处的某些硫细菌可在150℃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。
与其他生物体一样，微生物细胞在自然生长环境条件下，也会随机发生遗传性状的变化(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*初每毫升20单位上升到目前每毫升近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。
5. 分布广，种类多
虽然我们不借助显微镜就无法看清微生物，可是它在地球上几乎无处不在，无孔不入。85km的高空，11km深、水压高达1.155×108Pa的海底，2000m深的地层，近100℃的温泉，-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环境。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*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，不论数量还是种类均*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3亿~5亿个微生物。
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的多，杂乱肮脏地方的空气里比整洁卫生地方的空气里多。人烟稠密、家畜家禽聚居地方的空气里微生物*多，在160m高空的微生物比5300m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，还是人肠道不可缺少的帮手呢!把手放到显微镜下观察，一双普通的手上带有细菌4万~40万个，即使是一双用清水洗过的手，上面也有近300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!当然，健康人群所携带的微生物不是致病菌。
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5%左右，微生物很可能是地球上物种*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%。
二、微生物学及其研究内容
微生物学是研究各类微小生物体，如细菌、放线菌、真菌、病毒、立克次氏体、支原体、衣原体以及藻类等生物的形态、生理、生物化学、分类和生态的生物学分支学科。
在微生物学的发展过程中，按照研究内容和目的的不同，相继建立了许多分支学科(表1.2)。
表1.2 微生物学的分科
由于微生物学各分支学科的相互配合、互相促进，以及与生物化学、生物物理学、分子生物学等学科的相互渗透，使其在基础理论研究和实际应用两方面都有了迅速的发展。
鉴于作者编写的微生物学，主要针对生物工程范畴的高等学校的学生和发酵企业的技术人员，因此内容必然倾斜于与工业发酵和农副产品深加工有关的工业微生物。
工业微生物包括所有工业上常见常用的微生物，但技术人员还必须会处理工业生产中所涉及的污染与杂菌。有时某些微生物在一种产物生产中是生产菌，而在另一种产物生产中却是杂菌。例如，产醋酸细菌在生产醋时是生产菌，但它的醋酸化作用却会使啤酒或葡萄酒酸败。因此工业微生物学研究的主要对象包含了细菌(含放线菌)、真菌和噬菌体。
每个工业技术人员都应熟悉自己工作中涉及的微生物。他必须能正确知道菌种的基本形态和培养特征及其学名，换句话说，他必须知道初步菌种鉴定方法和命名系统，也必须清楚在给定条件下微生物发酵的新陈代谢反应。如果精通分类学，便可采用迅捷的方法从中筛选出特殊的高产特性的目的菌。工业技术人员必须能够配制培养基，不断改良生产菌种性能，并防止来自空气、水、土壤或原材料中的杂菌污染。
仅仅认识工业微生物的用途和污染菌是不够的，还必须注意它们可能的病原性，保证微生物发酵等制备出的*终产物中所含的死菌体或纯粹化学化合物对操作人员或使用者安全。
学习者应该从微生物的特征来考察一种微生物，如形态特征、生理特征、遗传特征、免疫特征等。多数特征是长期的沿袭而保存下来的，有些特征是根据不同的需要新加上去的。微生物全部的特征称为它的表现型，而其表现型则由其遗传特性的基因型决定并受环境因素影响。一种微生物的表现型能够解释它在给定条件下的生物化学反应以及它在工业生产中的应用。
第二节 微生物学的发展简史及工业微生物学的发展概况
微生物在地球上存在了30多亿年，人类在数百万年前出现之后就一直和微生物发生着千丝万缕的密切联系。不过人类并不知道一直和微生物生死共处，他们不知道许多疾病是微生物引起的，也不知道发面、果酒和啤酒酿造、牛奶和奶制品的发酵等是那些看不见的小生命做出的贡献。但还是有些人曾经觉察到是某种有生命的物质在起作用。例如，在我国17世纪初的清代，在？瘟疫论？中就认为传染病“乃天地间别有一种异气所感”。并且指出“气即是物，物即是气”。这在没有发现微生物之前，能够肯定地预见有某种实体是传染病的病原体，就是一种科学的预见。
一、微生物学的发展简史
1673年有个名叫列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)的荷兰人用自己制造的显微镜观察到了被他称为“小动物”的微生物世界(图1.3)。他给英国皇家学会写了许多信，介绍他的观察结果，他发现了杆菌、球菌和原生动物，表明他实实在在看到并记录了一类从前没有人看到过的微小生命。
列文虎克出生在荷兰东部一个名叫德尔福特的小城市，16岁便在一家布店里当学徒，当时人们经常用放大镜检查纺织品的质量，列文虎克从小就迷上了用玻璃磨放大镜。他用两个金属片夹住透镜，再在透镜前面按上一根带尖的金属棒，把要观察的东西放在尖上观察，并且用一个螺旋钮调节焦距，制成了一架显微镜。连续好多年，列文虎克先后制作了400多架显微镜，*高的放大倍数达到200~300倍。用这些显微镜，列文虎克观察过雨水、污水、血液、辣椒水、腐
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