第一节 微生物及其生物学特点

一、微生物及其生物学分类地位

1.微生物的概念

微生物（microorganism，microbe）不是生物分类学中的名词，而是一类个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚，必须借助于显微镜才能看清其外形的微小生物的统称。它既包括属于原核微生物的细菌、放线菌、蓝细菌、衣原体、支原体、立克次氏体，又包括属于真核微生物的酵母菌、霉菌、大型真菌、低等藻类和原生动物，还包括不具备细胞结构的病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）。虽然微小生物包括了众多的生物类群，形态和大小各异，但是，由于它们都是比较简单的、低等的生物，其生物学特性比较接近，所以人们赋予其一个共同的名称——微生物。

食品生产中经常遇到的微生物是细菌、放线菌、酵母菌、霉菌和噬菌体等，将在以后的章节中分别介绍。

2.微生物的生物学分类地位

对于生物的分类，早在18世纪中叶，人们把所有生物分成两界，即动物界（animalia）和植物界（Plantae），后来发现把自然界中存在的形体微小、结构简单的低等生物笼统地归入动物界和植物界是不妥当的。到1866年海克尔（Haeckel）提出了原生生物界（protistae），其中包括藻类（alga）、原生动物（protozoa）、真菌（fungi）和细菌。到20世纪50年代，随着电子显微镜的应用和细胞超微结构研究的进展，提出了原核与真核的概念，因此把属于原核结构的细菌和具有真核结构的真菌等统归原生生物界显然是不可能的。1957年科普兰（Copeland）提出四界分类系统：即原核生物界（Procaryotae，细菌、蓝细菌等）、原生生物界（原生动物、真菌、黏菌和藻类等）、动物界和植物界。

1969年，惠特克（Whittaker）提出把真菌单独列为一界，即形成了生物五界分类系统：原核生物界、真核原生生物界、真菌界、动物界和植物界。

随着对病毒研究的深入，于1977年，我国微生物学家王大耜提出把病毒列为一界，即病毒界（virus）。因此在五界分类系统的基础上形成了六界分类系统。根据微生物的定义，我们可以看出，在生物六界分类系统中，微生物横跨四界。

1978年，R.H.Whittaker和L.Margulis提出了三原界（urkingdom）分类系统。认为，在生物进化的早期，存在一类各生物的共同祖先，然后分成三条进化路线，形成了三个原界：古细菌原界（包括产甲烷细菌、极端嗜盐细菌、嗜热嗜酸细菌）、真细菌原界（包括除古细菌以外的其他原核生物）、真核生物原界（包括原生动物、真菌、动物和植物）。这是由于20世纪70年代发现了被称为“第三型生物”的古细菌（archaebacteria）。

近年来，我国学者又提出了菌物界（myceteae）的概念，菌物界是与动植物界并行的一大类真核生物，除指一般真菌外，还包括一些既不宜归入动物界，也不宜归入植物界，又不同于一般真菌的真核生物。

由此可见，自然界生物系统的划分，与微生物的不断发现和对微生物研究的不断深入密切相关，充分显示了微生物在生物领域中的重要地位。

二、微生物的生物学特点与作用

微生物除具有生物的共性外，也有其独特的特点，正因为具有这些特点，才使得这样微不可见的生物类群引起人们的高度重视。微生物由于其体形极其微小，因而带来了以下的三个共性。

1.分布广泛，种类繁多

微生物因其体积小、重量轻，因此可以到处传播，可以说达到“无孔不入”的地步。微生物只怕明火，地球上除了火山的中心区域外，从土壤圈、水圈、大气圈甚至岩石圈，到处都有微生物的踪迹。在动植物体内外、植物表面、土壤、河流、空气、平原、高山、深海、冰川、盐湖、沙漠中，都有大量与其相适应的微生物在活动。可以说凡是有高等生物生存的地方，都有微生物存在，甚至某些没有其他生物生存的地方，也有微生物存在。由于食品主要以植物果实或动物的组织器官为原料，所以动植物携带的微生物是食品变质的主要影响因素。

微生物的种类极其繁多，我们所知道的动物约有150万种，植物约有50万种。据估计，微生物的总数在50万至600万种之间，其中已记载的仅约20万种（1995年），包括原核生物3500种，病毒4000种，真菌9万种，原生动物和藻类10万种。随着人类对微生物的不断开发、研究和利用，这些数字还在急剧增长。

2.生长繁殖快，代谢能力强

微生物具有极高的生长和繁殖速度，一种至今被人们研究得最透彻的微生物——Escherichia coli.（大肠埃希氏菌，简称大肠杆菌）在适宜的条件下，1h即繁殖三代，24h即可繁殖72代，由一个菌细胞可繁殖到47×1022个，重4700多t，如果将这些新生菌体排列起来，可绕地球一周有余。48h繁殖后的重量约等于4000个地球之重。微生物这一特性在发酵工业上具有重要的实践意义。例如，500kg食用公牛，每昼夜只能从食物中“浓缩”0.5kg的蛋白质，使用500kg的酵母菌，以废糖液和氨水为养料，在1d内即可合成50000kg的蛋白质。

由于微生物个体微小，单位体积的表面积相对很大，有利于细胞内外的物质交换，细胞内的代谢反应快，代谢能力强。如此强的代谢能力，加速了微生物生长繁殖。微生物之所以能够成为发酵工业的产业大军，正是因为其具有生长快、代谢能力强的特点，才使得其在工、农、医等领域发挥巨大作用。加之微生物的种类繁多，代谢类型多种多样，在地球的物质转化中起到了重要作用。如果没有微生物，动植物尸体以及生活生产中的垃圾将不能腐烂分解，早已是堆积如山，布满全球。但事物总是一分为二的，也正是由于上述特点，微生物也曾经或随时都有可能给人类带来疫病的灾难。

3.遗传稳定性差，容易发生变异

微生物体微小，一般是单细胞、简单多细胞或非细胞的，它们通常是单倍体，加之它们具有繁殖速度快、数量多和与外界环境直接接触等原因，很容易受到各种不良外界环境的影响。即使微生物变异频率十分低（一般为10-8～10-10），也可在短时间内产生大量的变异后代。

微生物的遗传稳定性差，给菌种保藏工作带来一定不便，一般在能满足生产需要的情况下，尽量减少菌种的传代次数，并且经常检测菌种的纯度和活力，一旦出现菌种因突变而退化的现象，就必须对菌种进行复壮工作。另一方面，正因为微生物的遗传稳定性差，其遗传的保守性低，使得微生物菌种培育相对容易得多。通过育种工作，可以大幅度地提高菌种的生产性能。目前在发酵工业上，所用的生产菌种大多是经过突变培育的，其生产性能比原始菌株提高几倍、几十倍甚至几百倍。例如，生产青霉素的产黄青霉菌，1943年每1mL青霉素发酵液只生产20单位的青霉素，经过多年来的育种工作，目前青霉素发酵水平已提高几百倍、几千倍。