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第2節(jié) 微生物的生物學(xué)特性

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2005-10-28

微生物雖然個(gè)體小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但它們具有與高等生物相同的基本生物學(xué)特性。微生物種類(lèi)多、數(shù)量大、分布廣、繁殖快、代謝能力強(qiáng),是自然界中其他任何生物不可能比擬的,而且這些特性歸根結(jié)底是與微生物體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有關(guān)。


2.1 代謝活力強(qiáng) 
    微生物體積小,有極大的表面積/體積比值,因而微生物能與環(huán)境之間迅速進(jìn)行物質(zhì)交換,吸收營(yíng)養(yǎng)和排泄廢物,而且有最大的代謝速率。從單位重量來(lái)看,微生物的代謝強(qiáng)度比高等生物大幾千倍到幾萬(wàn)倍。如發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自重1000~10000倍的乳糖;Candida utilis(產(chǎn)朊假絲酵母)合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100倍,比食用公牛強(qiáng)10萬(wàn)倍。 
    微生物的這個(gè)特性為它們的高速生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ),從而使微生物有可能更好的發(fā)揮“活的化工廠”的作用。人類(lèi)對(duì)微生物的利用主要體現(xiàn)在它們的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化能力。


2.2 繁殖快 
    微生物繁殖速度快,易培養(yǎng),是其他生物不能比的。如Escherichia coli (大腸埃希氏菌,簡(jiǎn)稱(chēng)大腸桿菌),其細(xì)胞在合適的生存條件下,每分裂一次的時(shí)間是12.5~20.0分。如按20分鐘分裂一次計(jì),則每小時(shí)分裂3次,每晝夜可分裂72次,后代數(shù)為: 4722366500  萬(wàn)億個(gè)(重約  4722噸),48小時(shí)為2.2×1043(約等于4000個(gè)地球之重)。 
    事實(shí)上,由于種種客觀條件的限制,細(xì)菌的指數(shù)分裂速度只能維持?jǐn)?shù)小時(shí),因而在液體培養(yǎng)中,細(xì)菌的濃度一般僅能達(dá)到每毫升108~109個(gè)左右。 
    微生物的這一特性在發(fā)酵工業(yè)上具有重要的實(shí)踐意義,主要體現(xiàn)在它的生產(chǎn)效率高、發(fā)酵周期短上。而且大多數(shù)微生物都能在常溫常壓下,利用簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng),并在生長(zhǎng)過(guò)程中積累代謝產(chǎn)物,不受季節(jié)限制,可因地制宜、就地取材,這就為開(kāi)發(fā)微生物資源提供了有利的條件。如生產(chǎn)用做發(fā)面鮮酵母的Saccharmyces cerevisiae (釀酒酵母),其繁殖速度不算太高(2小時(shí)分裂1次),但在單罐發(fā)酵時(shí),幾乎每12小時(shí)即可收獲1次,每年可“收獲”數(shù)百次。這是其他任何農(nóng)作物所不能達(dá)到的“復(fù)種指數(shù)”。這對(duì)緩和人類(lèi)面臨的人口增長(zhǎng)與食物供應(yīng)矛盾也有著重大意義。另外微生物繁殖速度快的生物學(xué)特性對(duì)生物學(xué)基本理論的研究也帶來(lái)了極大的優(yōu)越性——它使科學(xué)研究周期大大縮短、經(jīng)費(fèi)減少、效率提高。當(dāng)然對(duì)于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品發(fā)生霉腐的霉腐微生物來(lái)說(shuō),它們的這個(gè)特性就會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)極大的麻煩甚至嚴(yán)重的禍害。因而需要認(rèn)真對(duì)待。

 
2.3 種類(lèi)多、分布廣
    微生物在自然界是一個(gè)十分龐雜的生物類(lèi)群。迄今為止,我們所知道的微生物約有10萬(wàn)種。它們具有各種生活方式和營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型,它們中大多數(shù)是以有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),還有些是寄生類(lèi)型。如微生物的生理代謝類(lèi)型之多,是動(dòng)、植物所不及的。分解地球上貯量最豐富的初級(jí)有機(jī)物——天然氣、石油、纖維素、木質(zhì)素的能力,屬微生物專(zhuān)有;微生物有著多種產(chǎn)能方式,如細(xì)菌光合作用、嗜鹽菌紫膜的光合作用、自養(yǎng)細(xì)菌的化能合成作用、各種厭氧產(chǎn)能途徑;生物固氮作用;合成各種復(fù)雜有機(jī)物——次生代謝產(chǎn)物的能力;對(duì)復(fù)雜有機(jī)物分子的生物轉(zhuǎn)化能力;分解氰、酚、多氯聯(lián)苯等有毒物質(zhì)的能力;抵抗熱、冷、酸、堿、高滲、高壓、高輻射劑量等極端環(huán)境能力;以及獨(dú)特的繁殖方式——病毒的復(fù)制增殖,等等。不同微生物可以有不同的代謝產(chǎn)物,如抗生素、酶類(lèi)、氨基酸及有機(jī)酸等,還可以通過(guò)微生物的活動(dòng)防止公害。自然界的物質(zhì)循環(huán)是由各種微生物參與才得以完成的。
微生物在自然界的分布極為廣泛,土壤、水域、大氣,幾乎到處都有微生物的存在,特別是土壤是微生物的大本營(yíng)。任意取一把土或一粒土,就是一個(gè)微生物世界,其中含有不同種類(lèi)的微生物?梢赃@樣說(shuō),凡是有高等生物存在的地方,就有微生物存在,即使在極端的環(huán)境條件如高山、深海、冰川、沙漠等高等生物不能存在的地方,也有微生物存在。
    從微生物種類(lèi)多、分布廣這一特性可以看出,微生物的資源是極其豐富的?墒菗(jù)估計(jì)目前人類(lèi)至多僅開(kāi)發(fā)利用了已發(fā)現(xiàn)微生物種類(lèi)的1%。因此,在生產(chǎn)實(shí)踐和生物學(xué)基本理論問(wèn)題的研究中,利用微生物的前景是十分廣闊的。


2.4 適應(yīng)性強(qiáng)、易變異
    微生物有極其靈活的適應(yīng)性,這是高等動(dòng)、植物所無(wú)法比擬的。 其原因主要是因?yàn)槠潴w積小和面積大,即比表面積大。為了適應(yīng)多變的環(huán)境條件,微生物在其長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中就產(chǎn)生了許多靈活的代謝調(diào)控機(jī)制,并有種類(lèi)很多的誘導(dǎo)酶(可占細(xì)胞蛋白質(zhì)含量的10%)。    
 
微生物的個(gè)體一般都是單細(xì)胞、簡(jiǎn)單多細(xì)胞或非細(xì)胞的。它們通常都是單倍體,加之它們具有繁殖快、數(shù)量多和與外界直接接觸等原因,即使其變異頻率十分低(一般為10-5~10-10),也可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量變異后代。最常見(jiàn)的變異形式是基因突變,它可以涉及到任何形狀,諸如形態(tài)構(gòu)造、代謝途徑、生理類(lèi)型以及代謝產(chǎn)物的質(zhì)或量的變異等。
人們利用微生物易變異的特點(diǎn)進(jìn)行菌種選育,可以在短時(shí)間內(nèi)獲得優(yōu)良菌種,提高產(chǎn)品質(zhì)量。這在工業(yè)上已有許多成功的例子。但若保存不當(dāng),菌種的優(yōu)良特性易發(fā)生退化,這種易變異的特點(diǎn)又是微生物應(yīng)用中不可忽視的。
    由于微生物具有生物的一般特性,又具有其他生物所沒(méi)有的特點(diǎn),因而微生物也成為了許多生物學(xué)基本問(wèn)題研究最理想的實(shí)驗(yàn)材料。

 
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