高級微生物學（普通高等教育“十三五”規劃教材） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

主要介紹瞭細菌、古生菌等原核生物，酵母菌、黴菌、蕈菌等真核微生物，以及無細胞結構生物病毒的係統進化和主要類群，敘述瞭微生物的代謝、遺傳育種、生態和分類鑒定等的最近研究成果，並介紹瞭微生物在食品、醫藥、環保、能源和農業等領域中的應用，反映瞭組學時代微生物學研究與應用的新進展。在本科普通微生物學的基礎上，進一步就微生物學基礎理論、研究技術等方麵進行強化和拓展。本書有20個專題，既有比較基礎的顯微技術、古生菌等，也有組學技術應用、噬病毒體、病毒生態學、細菌物種形成等較新內容，微生物在煙草工業中的應用等內容為國內首先成為專題。

作者簡介

何培新，男，鄭州輕工業學院係主任，教授。主要作品《香菇標準化生産》《茶薪菇高效栽培技術》《食用菌栽培學》。

目錄

1 緒論

1.1技術創新直接促進瞭微生物學的發展與進步

1.2 微生物學研究技術

1.3 “組學”時代的微生物學

2 原核生物

2.1原核生物的分類與係統學

2.2 細菌

2.3 古生菌

2.4 極端微生物

3 真核微生物

3.1真核微生物的分類與係統發育

3.2 酵母菌

3.3 黴菌

3.4 蕈菌

4無細胞結構生物——病毒

4.1概述

4.2噬病毒體

4.3病毒生態學

4.4 新生病毒

5微生物的代謝

5.1 微生物的代謝體係

5.2 代謝途徑的調控

5.3 代謝流分析

6 微生物的遺傳與育種

6.1 微生物基因組學

6.2 分子定嚮進化育種

6.3 基因組定點編輯技術

7 現代微生物生態學

7.1現代微生物生態學的研究方法

7.2微生物的多樣性與微生物資源利用

7.3微生物與生物地球化學循環

7.4組學時代的微生物生態學

8 微生物的分類與鑒定

8.1 細菌種與物種形成

8.2 微生物分子鑒定技術

8.3 細菌鑒定實例

8.4放綫菌鑒定實例

8.5酵母菌鑒定實例

8.6真菌的分類與鑒定

9 微生物與食品

9.1 微生物與傳統發酵食品

9.2 食品微生物快速檢測技術

9.3組學技術在食品安全中的應用

9.4宏基因組學在食品工業中的應用

10 微生物與醫藥

10.1 抗生素

10.2萜類化閤物

10.3甾體類化閤物

10.4 微生物多糖

10.5黃酮類化閤物

10.6生物活性肽

10.7微生物産生的酶及酶抑製劑

11 微生物與環境保護

11.1環境微生物監測技術

11.2微生物與水汙染

11.3微生物與大氣汙染

11.4微生物對環境汙染物的降解

11.5微生物修復技術

12 微生物與能源

12.1生物質預處理及水解微生物

12.2 微生物與燃料乙醇

12.3 微生物與生物柴油

12.4 微生物與沼氣發酵

12.5 微生物與生物製氫

12.6 微生物燃料電池

13 微生物與農業

13.1 微生物農藥

13.2 微生物肥料

13.3 微生物飼料

精彩書摘

1.3 “組學”時代的微生物學

1.3.1 微生物“組學”研究概述

微生物“組學”包括基因組學、宏基因組學、轉錄組學、元轉錄組學、蛋白質組學、元蛋白質組學、代謝組學、糖組學、脂質組學和人體微生物組學等。

1.3.1.1 微生物基因組學與宏基因組學

近年來，已經完成瞭數百種模式菌、特殊分布微生物、主要病原微生物、特殊功能微生物等的全基因組測序。微生物基因組學（genomics）研究的重點已由結構基因組學（structural genomics）嚮功能基因組學（functional genomics）轉移。微生物功能基因組學研究不僅要闡明微生物基因組內每個基因的作用或功能，還要研究基因的調節及錶達譜，進而從整個基因組及其全套蛋白質産物的結構、功能、機理的高度去瞭解微生物生命活動的全貌，揭示微生物世界的各種前所未知的規律，並使之為人類和社會服務。全麵深入的基因組學研究促進瞭對微生物的起源和進化、適應性等生物學機製的理解。例如，微生物移動基因組（mobilome，包括質粒、噬菌體和轉座子等的DNA序列）研究揭示瞭生物之間橫嚮基因轉移的普遍性，發現移動遺傳因子（特彆是病毒）不僅顯著影響瞭微生物群落的多樣性和進化，而且有力驅動瞭細胞型宿主適應極端環境的潛力。移動遺傳因子在疾病感染、抗生素抗性、細菌共生和外源化學物的生物轉化等方麵都具有重要作用。

宏基因組學（Metagenomics）又稱元基因組學、環境基因組學、群落基因組學。宏基因組是指環境中全部微生物基因的總和，包含瞭可培養的和不可培養的微生物的總基因。宏基因組學基於非傳統培養方法，通過基因篩選和序列分析等手段，來研究環境微生物的功能活性、多樣性、種群結構、進化關係，以及它們與環境之間的關係，獲得新的酶及生物活性物質，可極大地拓展微生物基因資源的利用空間，研究其功能和彼此之間的關係和相互作用，並揭示其內在規律。宏基因組學研究已滲透到各個研究領域，包括食品科學、微生物活性篩選、新基因挖掘、醫藥領域、替代能源、環境修復、生物降解、農業、生物防禦、海洋、土壤、熱泉、人體口腔及胃腸道等，顯示瞭重要的應用價值。運用宏基因組學可分析微生物分類圖譜，深入瞭解微生物的多樣性，有可能挖掘和利用 99%以上的不可培養微生物，為功能微生物資源開發利用提供瞭豐富的研究資源，不僅可用於新藥的研發，而且在新的工業用酶、食品微生物研究、食品快速檢測及生物活性物質的篩選等方麵均都具有廣闊的應用前景。

1.3.1.2 轉錄組學與元轉錄組學

轉錄組（Transcriptome）是特定時間和條件下細胞內所有基因轉錄的 RNA總稱，包括 mRNA和非編碼 RNA。轉錄水平的調控是微生物基因錶達調控的重要方式。轉錄組學（Transcriptomics）采用基於雜交的技術（DNA微陣列、DNA宏陣列）、基於標簽的技術（基因錶達係列分析、大規模平行信號測序係統）和高通量測序技術，從RNA水平研究基因錶達及其調控規律。其研究內容包括非編碼區域功能研究（Noncoding RNA研究、microRNA 前體研究等）、轉錄本結構研究（UTR鑒定、Intron邊界鑒定、可變剪切研究、起始密碼子鑒定等）、基因轉錄水平研究和全新轉錄區域研究等。通過轉錄組分析，能夠高通量地獲得基因錶達的 RNA信息，並揭示基因錶達與某些生命現象之間的內在聯係。

元轉錄組學（Metatranscriptomics）又稱宏轉錄組學，是一門在整體水平上研究某一特定環境、特定時期群體生物全基因組轉錄情況以及轉錄調控規律的學科。它以特定環境中所有微生物的轉錄産物作為研究對象，通過分析 mRNA信息得到微生物群落中基因錶達與環境之間的關係，已廣泛應用於海洋生態係統中物質循環、微生物物質代謝、土壤等復雜係統中微生物群落的結構和功能研究，並在發現新基因、微生物群落分析、微生物和環境的相互作用、氮素等物質循環的研究中逐漸成為熱點。

1.3.1.3 蛋白質組學與元蛋白質組學

蛋白質組（Proteome）是指一個組織或細胞中由基因組錶達的全部蛋白質。蛋白質組學（Proteomics）是從整體動力學角度分析細胞內蛋白質的修飾狀態、錶達水平來瞭解蛋白質之間的相互作用，從而揭示細胞的活動規律及蛋白質功能。蛋白質組學基於蛋白質分離和質譜鑒定，從細胞、組織或生物體整體角度來研究蛋白質組成及變化。蛋白質組學研究不僅彌補瞭傳統方法對單個蛋白質研究的局限性，而且其研究結果是對基因組學、轉錄組學的補充和驗證。它比基因組學和轉錄組學更能夠代錶生物體真實的生命活動規律。根據研究目的和手段的不同，蛋白質組學可分為組成性蛋白組學、比較蛋白組學和相互作用蛋白質組學。組成性蛋白質組學是針對有關基因組或轉錄組數據庫的生物體或組織細胞，建立其蛋白質組或亞蛋白質組及其蛋白質組連鎖群。比較蛋白質組學是以重要生命過程或人類重大疾病為對象，進行重要生理病理體係或過程的局部蛋白質組分析。相互作用蛋白質組學又稱為“細胞圖譜”蛋白質組學，?是通過多種先進技術研究蛋白質之間的相互作用，繪製某個體係的蛋白質。蛋白質組學在微生物基因組注釋、新藥物開發、工業微生物 代謝途徑與調控機製、食品微生物安全評估與檢測、汙染物微生物降解等方麵，具有廣闊的應用前景。

元蛋白質組（Metaproteome）是指特定時間點內環境微生物所有蛋白質的總和。元蛋白質組學（Metaproteomics）是近年來齣現的一種基於蛋白質組學對微生物群落進行研究的新技術，它對特定環境的所有微生物蛋白質進行即時的、大規模的分析。應用元蛋白質組學技術可大規模研究原位微生物群落的蛋白質錶達，分析生態係統中微生物的功能，尋找新的功能基因和代謝通路，為微生物群體的基因和功能多樣性研究提供數據。

1.3.1.4 糖組學與脂質組學

生物體或細胞內的所有糖鏈稱為糖組（glycome）。糖組學（Glycomics）是研究糖鏈組成及其功能的學科，是基因組學的後續和延伸，具體內容包括研究糖與糖之間、糖與蛋白質之間、糖與核酸之間的聯係和相互作用，主要研究對象為聚糖。豐富多樣的聚糖覆蓋瞭生物有機體的所有細胞，不僅體現瞭細胞的類型和狀態，也參與瞭許多生物學行為，如細胞發育、分化、腫瘤轉移、微生物感染、免疫反應等。聚糖還體現生物和分子的進化作用，如糖酵解、生物閤成的保守性以及核糖的起源等。因此，糖組學的研究既是覆蓋細胞功能、發育、進化等多個方麵的基礎研究，同時也在醫藥、食品等領域具有重要的潛在應用價值。糖組學研究通常包括聚糖組的分離與純化、糖鏈組的分離和富集糖鏈的結構解析和定量以及糖鏈的性質和功能研究。根據糖蛋白組、蛋白聚糖組和糖脂組生物化學性質的不同，可相應采用分步沉澱法、硼酸親和法、二氧化鈦法、親和層析法、體積排阻法、凝膠過濾層析和柱層析法等進行分離與純化，進而通過植物凝集素、親水色譜和固相萃取等技術富集高純度且特異性的糖鏈。通過凝集素芯片技術、各種生物質譜及其聯用並輔以糖鏈的衍生化標記對糖鏈進行結構解析，並用同位素標記法和代謝標記法對糖鏈進行相對定量。最後，藉助糖鏈結構解析軟件工具及糖鏈相關數據庫進行生物信息學分析，可對糖鏈的生物學功能進行更全麵的解析。

脂質（Lipid）不僅是構成細胞膜的組成部分和能量儲存物質，而且還在生命活動中發揮著多種重要的生物學功能。作為代謝組學的分支，脂質組學（lipidomics）是係統性研究生物體、組織或細胞中脂質及與其相互作用分子的一門學科。近年來，脂質組學廣泛應用於在微生物的錶型研究、微生物傳染性研究、微生物耐藥機製研究、耐藥菌生物標誌物發現、藥物靶點及新藥研發、發酵條件優化的機製研究等方麵。

1.3.1.5 人體微生物組學

在人體錶麵（皮膚）以及與外界相通的腔道中如胃腸道、鼻腔、口腔、泌尿生殖道等部位，定植著大量以細菌為主的微生物群落。這些微生物的數量可達人體自身細胞數的 10 倍以上，其基因數量更多達人體基因數的 100 多倍。微生物群落在人體內維持一定的動態平衡，參與調節人體的一係列生理生化反應，如免疫調節、食物消化、維生素閤成等。人體微生物與諸多人類重大疾病息息相關，如肥胖癥、糖尿病、自閉癥、過敏癥、炎癥性腸道疾病、心血管疾病、多種癌癥以及抑鬱癥等大量代謝、精神、免疫係統疾病。因此，人體微生物可能成為乾預治療的最新靶標，從而在這些重大疾病的診斷、分析和治療上發揮重要作用。人體微生物組（human microbiome）的概念最早在 2001 年提齣，是人體共棲、共生和緻病的所有微生物的總稱，是人體基因組中不可缺少的組成部分。近年來，隨著 DNA 測序技術的進步，美國、歐盟等開展瞭一係列微生物組相關的國際性重大項目研究，如美國的人類微生物組項目（Human Microbiome Projetct, HMP；2008年至今）和美國的國傢微生物組計劃（National Microbiome Initiative, NMI，2016年5月批準）、歐盟的腸道微生物組計劃（Metagenomics of Human Intestinal Tract，MetaHIT，2008-2012年）和地球微生物組項目（Earth Microbiome Project, EMP，2013年至今）等。微生物組的研究，在揭示生命奧秘和生態圈運動規律等方麵具有巨大的理論價值，同時也具有重大的産業價值和生態價值。

1.3.2 “組學”時代的交叉學科

各種“組學”技術和學科的湧現和發展，促進生命科學進入“生命組學”時代、大發現時代和大數據時代。在該時代，不僅微生物學內部的諸多分支學科（如微生物生理學、微生物遺傳學、微生物生態學等）的界限比較模糊，而且生物學學科下的一些二級學科（動物學、植物學、微生物學、生態學等）的研究技術和內容也逐漸趨於一緻。此外也促進瞭生命科學與其他學科的融閤，産生瞭一些新的交叉學科，如係統生物學、定量生物學和閤成生物學等。

1.3.2.1 係統生物學

係統生物學（Systems biology）綜閤各種組學的方法，通過高通量的實驗手段，從轉錄組、蛋白質組、代謝組等方麵多層次、全方位地檢測生物體內的生命活動，同時利用生物信息學的方法和手段對相關的數據進行分析及整閤，並在此基礎上對相關的生命活動進行模擬，以係統地研究和闡明生命活動的規律。係統生物學主要包括如下內容: 細胞信號傳導係統、基因調控網絡、代謝途徑、蛋白質相互作用、生物分子標記的發現和藥物的篩選、藥物效果的建模等。其研究目標是從如下不同層次來理解生命現象：（a）理解係統的結構: 如基因調控及生化網絡，以及實體構造；（b）理解係統的行為: 定性定量地分析係統動力學，並具備創建理論或模型的能力，可用來進行預測；（c）理解如何控製係統: 研究係統控製細胞狀態的機製；（d）理解如何設計係統: 根據明確瞭的理論，設計、改進和重建生物係統。係統微生物學主要集中於微生物代謝途徑的研究，通過對代謝途徑的分析、比較，以期找齣最佳的代謝調控方式、關鍵因子、反應的最佳狀態，從而提高有效成分的産率。

1.3.2.2 定量生物學

定量生物學（Quantitative biology）是生命科學在近年的飛速發展中，與數學、物理學、化學、信息科學、工學等定量學科交叉、融閤後産生的一門新學科，涉及領域包括電氣工程、應用電子技術、通信工程、自動控製技術、信息檢測與處理技術、微電子技術、電磁場理論與微波技術、光電技術及其與其他學科的交叉研究領域等。高通量技術的進步改變瞭生物學研究的模式，從集中於分子組成的復雜性，拓展到理解生物係統的組件和網絡，尋找生物係統的整體規律。定量生物學是采用係統和定量技術分析和闡釋生物係統、結構和工程化生命係統，甚至操作生物過程和功能的一門交叉和融閤學科。

1.3.2.3 閤成生物學

閤成生物學（Synthetic biology）是21世紀誕生的新學科，是分子和細胞生物學、進化係統學、生物化學、信息學、數學、計算機和工程等多學科交叉的産物，融閤瞭生命科學、工程學、物理學與化學等諸多學科中的內容，旨在通過設計和建造新的生物元件、功能和係統，以創建在自然界中並不存在的可控方式、生物邏輯和生命係統。閤成生物學是基於人類對大腸杆菌、啤酒酵母等多種模式微生物細胞基因功能、代謝途徑和代謝係統的深入理解和把握的基礎上誕生和發展的。在未來的 50～100 年內，閤成生物學將是解決全球性重大問題的重要途徑，將對人類的醫藥健康、軍事、農業、能源、環境、化工等領域産生重大影響；同時以新的視點審視生命起源、進化、結構與功能等問題，加深對生命本質的理解。

前言/序言

微生物學（Microbiology）是生物學的主要學科，是在分子、細胞或群體水平上研究各類微生物的形態結構、生長繁殖、生理代謝、遺傳變異、生態分布和分類進化等生命活動的基本規律，並將其應用於工業發酵、醫學衛生和生物工程等領域的科學。微生物學一直處於生命科學發展的前沿，並與醫學、農業、食品、能源和環保等相關學科的發展息息相關。微生物學也通常處於新技術發明和發展的前沿。生命科學、化學、物理學、數學、信息科學等學科技術的發展和進步，直接促進瞭微生物學的發展，拓展瞭其研究內容和應用領域，促進瞭學科之間的交叉與融閤。20世紀末誕生的組學技術，使微生物學研究發生瞭革命性的變化。微生物學進入“組學”階段。“組學”階段是信息和知識的大整閤時期，生命整體將成為大的研究對象，並為相關學科的進一步發展提供瞭新的機遇。微生物學及相關學科理論與技術的發展，産生瞭大量新知識、新理論、新技術和新應用開發領域。

我國在20世紀末進行瞭本科專業調整，多數院校本科階段不再設立微生物學專業。目前，微生物學是各類高等院校生物類專業必開的一門重要基礎或專業基礎課程，也是現代高新生物技術的理論與技術基礎；同時，該課程也是高等農林業和工業類行業院校生物類專業發展及農林業現代化的重要基石之一。多數高等行業類院校的相關專業隻開設一門《微生物學》學科，學生難以係統和深入地學習微生物學的異常豐富的理論和技術。進入研究生培養階段，來自一些普通行業類高校很多學生的微生物學知識和技能的缺陷、創新能力和意識的不足等，限製瞭相關學科領域的持續發展的潛力。這是很多研究生階段從事《高級微生物學》教學的教師們普遍遇到的問題。

為瞭拓展相關專業研究生微生物學的知識麵，提高學生的科研能力和創新意識，我們組織瞭一批具有豐富教學經驗和科研各有所長的教師編寫瞭這本《高級微生物學》。從微生物學快速發展的實際情況齣發，結閤研究生所在專業的多樣性，我們在編寫過程中貫穿瞭如下幾點指導思想和安排：1. 突齣一個“新”字，使學生處於學科發展的前沿，拉近學生與科學發展的距離。由於目前微生物學已經發展到“組學”階段，我們在內容安排上注重體現“組學”階段微生物學研究和應用成果，如編寫瞭“‘組學’時代的微生物學”、“微生物基因組學”、“代謝組學技術”、“‘組學’時代的微生物生態學”、“組學技術在食品安全中的應用” 和“宏基因組學在食品工業中的應用”等專題內容；同時，介紹瞭分子定嚮進化育種、基因組定點編輯技術和噬病毒體、病毒生態學等最新理論和技術成果。作者引用瞭大量最新科研文獻，反映齣瞭各專題的最新研究成果。2. 突齣一個“實”字。考慮到一些學生在微生物分類和鑒定等實際科研中，往往難以按照學科規範要求進行係統的研究活動，我們在微生物分類與鑒定章節中，增加瞭細菌、放綫菌、酵母菌的分類鑒定實例的內容，並寫作瞭真菌的分類與鑒定的指導性內容，對學生係統從事微生物分類和鑒定研究工作具有指導價值；在微生物生理部分，著重寫作瞭微生物代謝體係，代謝途徑的調控和代謝流分析等內容，為學生從事代謝工程研究提供紮實的基礎理論保障；在微生物遺傳部分，著重寫作瞭分子定嚮進化育種和基因組定點編輯技術。3. 突齣微生物學的係統性和完整性。本書沒有采取各個專題單獨成章的編排方式，而是從學科本身的係統性和完整性齣發，采取微生物類群、微生物生理、遺傳、生態、分類各自成章的編排方式，注重章節之間的有機銜接和結構的閤理性。4. 突齣微生物學的應用性。微生物學是一門應用性很強的學科。在基礎理論和技術章節之後，我們將微生物學在食品、醫藥、環保、能源和農業中的應用各自成章，加強學生理論聯係實際，綜閤應用知識的能力，瞭解微生物的應用範圍、問題和前景。總之，本書注重知識的理論性、適用性、先進性和係統性，理論與應用並舉，突齣“新”和“實”，反映瞭國內外微生物學理論和技術的最新進展，對理論研究和技術開發等具有切實的指導價值。

本書共分13章，分彆由多名具有豐富教學經驗和科研各有所長的教師單獨或和閤作編寫。其中，“1 緒論”由何培新和劉偉編寫，“4 無細胞結構生物——病毒”由孫新城編寫，“5 微生物的代謝”由遲雷編寫，“8 微生物的分類與鑒定”由張俊傑編寫，“10 微生物與醫藥”由韓麗編寫，“11 微生物與環境保護”由張勇編寫，“12 微生物與能源”由宋麗麗編寫，其他章節由不同的作者閤作編寫，作者的名字署在其編寫的章節最後。全書最後由何培新統稿，協調各章節內容，統一格式和編寫風格，匯總瞭參考文獻，並補

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