一、微生物及其种类
人们常说的微生物 (microorganism, microbe) 一词，是对所有形体微小、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称，或简单地说是对细小的人们肉眼看不见的生物的总称。指显微镜下的才可见的生物，它不是一个分类学上的名词。但其中也有少数成员是肉眼可见的，例如近年来发现有的细菌是肉眼可见的， 1993 年正式确定为细菌的 Epulopiscium fishlsoni 以及 1998 年报道的 Thiomargarita namibiensis ，均为肉眼可见的细菌。所以上述微生物学的定义是指一般的概念，是历史的沿革，但仍为今天所适用。
微生物的种类包括
| 细胞结构 |
核结构 |
微生物类群 |
| 无细胞结构 |
无核 |
病毒 |
|
| |
|
亚病毒 |
拟病毒 |
| |
|
|
类病毒 |
| |
|
|
朊病毒 |
| 有细胞结构 |
原核 |
古细菌 |
|
| |
|
真细菌 |
|
| |
|
放线菌 |
|
| |
|
蓝细菌 |
|
| |
真核 |
酵母菌 |
|
| |
|
霉菌 |
|
| |
|
藻类 |
|
| |
|
原生动物 |
|
上表表明微生物所包括的类群十分庞杂，形态大小、结构差异又十分巨大。
二、微生物的共同特点及其多样性
微生物作为生物，具有与一切生物的共同点，即： ① 遗传信息都是由 DNA 链上的基因所携带，除少数特例外，其复制、表达与调控都遵循中心法则。 ② 微生物的初级代谢途径如蛋白质、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物的合成途径基本相同。 ③ 微生物的能量代谢都以 ATP 作为能量载体。
微生物作为生物的一大类 ，除了与其他生物共有的特点外，还具有其本身的特点及其独特的生物多样性：
1 、微生物的形态与结构多样性
微生物的个体极其微小，必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到它们。测量和表示单位，细菌等须用 m m 作单位，病毒等必须用 nm 作单位。杆形细菌的宽度只有 0.5~2 m m ，长度也只有 1~ 几个 m m ，每 g 细菌的个数可达 10 10 个。微生物本身就具有极为巨大的比表面积，如大肠杆菌（ Escherichia coli ）比表面积可达 30 万。这对于微生物与环境的物质、能量和信息的交换极为有利。
尽管微生物的形态结构十分简单，大多是单细胞或简单的多细胞构成，甚至还无细胞结构，仅有 DNA 或 RNA ；形态上也仅是球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等，细菌和古菌形态上除了那些典型形状外还有许多如方形、阿拉伯数字状、英文字母形等等特殊形状。放线菌和霉菌的形态有多种多样的分枝丝状。微生物细胞的显微结构更是具有明显的多样性，如细菌经革兰氏染色后可分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌，其原因在于细胞壁的化学组成和结构不同，古菌的细胞壁组成更是与细菌有着明显的区别，没有肽聚糖而由蛋白质等组成，真菌细胞壁结构又与古菌、细菌又很大的差异。
2 、微生物的代谢多样性
微生物能利用的基质十分广泛 ， 是任何其他生物所望尘莫及的 。 从无机的 CO 2 到有机的酸、醇、糖类、蛋白质、脂类等，从短链、长链到芳香烃类，以及各种多糖大分子聚合物 ( 果胶质、纤维素等 ) 和许多动、植物不能利用、甚至对其他生物有毒的物质，都可以成为微生物的碳源和能源。
而且微生物的代谢方式多样，既可以 CO 2 为碳源进行自养型生长，也可以有机物为碳源进行异养型生长；既可以光能为能源，也可以化学能为能源。既可在有 O 2 条件下生长，又可在无 O 2 条件下生长。代谢的中间体和产物更是多种多样，有各种各样的酸、醇、氨基酸、蛋白 质、脂类、糖类等等。代谢速率也是任何其他生物所不能比拟的。如在适宜环境下，大肠杆菌每小时可消耗的糖类相当于其自身重量的 2 000 倍。以同等体积计，一个细菌在 1 小时内所消耗的糖即可相当于人在 500 年时间内所消耗的粮食。
代谢产物更是多种多样，蛋白质、多糖、核酸、脂肪、抗生素、维生素、毒素、色素、生物碱， CO 2 、 H 2 O 、 H 2 S 、 NO 2 -1 、 NO 3 － 1 、 SO 4 － 2 等等都可是微生物的代谢产物。
3 、微生物的繁殖与变异多样性
微生物的繁殖方式相对于动植物的繁殖也具有多样性。细菌以二裂法为主，个别可由性接合的方式繁殖；放线菌可以菌丝和分生孢子繁殖；霉菌可由菌丝、无性孢子和有性孢子繁殖，无性孢子和有性孢子又各有不同的方式和形态；酵母菌可由出芽方式和形成子囊孢子方式繁殖。
微生物尤其是以二裂法繁殖的细菌具有惊人的繁殖速率。如在适宜条件下，大肠杆菌 37 ℃时世代时间为 18 分钟，每 24 小时可分裂 80 次，每 24 小时的增殖数为 1.2 x 10 24 个。枯草芽孢杆菌 ( Bacillus subtilis ) 30 o C 时的时代时间为 31 分钟，每 24 小时可分裂 46 次，增殖数为 7.0 x 10 13 个。
微生物由于个体小，结构简单，繁殖快，与外界环境直接接触等原因，很容易发生变异，一般自然变异的频率可达 10 － 5 ～ 10 － 10 ，而且在很短时间内出现大量的变异后代。变异具有多样性，其表现可涉及到任何性状，如形态构造、代谢途径、抗性、抗原性的形成与消失、代谢产物的种类和数量等等。如常见的人体病原菌抗药性的提高，常需要提高用药剂量，则是病原菌变异的结果。抗生素生产和其他发酵性生产中利用微生物变异，提高发酵产物产量。最典型的例子是青霉素的发酵生产，最初发酵产物每 ml 只含 20 单位左右，而现在已有极大的增加，甚至接近 10 万单位了。
4 、微生物的抗性多样性
微生物具有极强的抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗碱性、抗压性、抗缺氧 、抗辐射和抗毒物等能力，显示出其抗性的多样性。
现在已从近于 100 ℃条件下的温泉中分离到了高温芽孢杆菌，并观察到在 105 ℃时还能生长。甚至有报导，有人从太平洋 25 000m 深处分离到的高温菌，在 265atm 和 250 ℃下，经过 40 分钟的培养，细菌数量增加 1 倍，几小时后增加了 100 倍，甚至升温到 300 ℃时仍在生长。细菌芽孢具有高度抗热性，这常给科研和发酵工业生产带来危害。许多细菌也耐冷和嗜冷，有些在 -12 ℃下仍可生活，造成贮藏于冰箱中的肉类、鱼类和蔬菜水果的腐败。人们常用冰箱 ( 4 ℃ ) 、低温冰箱 (-20 ℃ ) 、干冰 (-70 ℃ ) 、液氮 (-196 ℃ ) 来保藏菌种，都具有良好的效果。
嗜酸菌可以在 pH 为 0.5 的强酸环境中生存，而硝化细菌可在 pH 9.4 、脱氮硫杆菌可在 pH10.7 的环境中活动。在含盐高达 23 ％～ 25% 的 “ 死海 ” 中仍有相当多的嗜盐菌生存。在糖渍蜜饯、蜂蜜等高渗物中同样有高渗酵母等微生物活动，从而往往引起这些物品的变质。
微生物在不良条件下很容易进入休眠状态，某些种类甚至会形成特殊的休眠构造，如芽孢、分生孢子、孢囊等。有些芽孢在休眠了几百年，甚至上千年之后仍有活力。甚至报导过 3 000 ～ 4 000 年前埃及金字塔中的木乃尹上至今仍有活的病原菌。
5 、微生物的种类多样性
目前已确定的微生物种数在十万种左右，但仍正以每年发现几百至上千个新种的趋势在增加。苏联微生物学家伊姆舍涅茨基说 “ 目前我们所了解的微生物种类，至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的 10 ％ ” ，微生物生态学家较为一致地认为，目前已知的已分离培养的微生物种类可能还不足自然界存在的微生物总数的 1 ％。情形可能确实如此，在自然界中存在着极为丰富的微生物资源。
自然界中微生物存在的数量往往超出一般人们的预料。每 g 土壤中细菌可达几亿个，放线菌孢子可达几千万个。人体肠道中菌体总数可达 100 万亿左右。每 g 新鲜叶子表面可附生 100 多万个微生物。全世界海洋中微生物的总重量估计达 280 亿吨。从这些数据资料可见微生物在自然界中的数量之巨。实际上我们生活在一个充满着微生物的环境中。
微生物在生物系统发育史上，比动植物和人类都要早得多，但由于其个体太小和观擦技术问题而发现它们却是最晚的。微生物横跨了生物六界系统中无细胞结构生物病毒界和细胞结构生物中的原核生物界、原生生物界、菌物界，除了动物界、植物界外，其余各界都是为微生物而设立的，范围极为宽广。
6 、微生物的生态分布多样性
微生物在自然界中，除了 “ 明火 ” 、火山喷发中心区和人为的无菌环境外，到处都有分布，上至几十千米外的高空，下至地表下几百米的深处，海洋上万米的水底层，土壤、水域、空气，动植物和人类体内外，都已分布有各种不同的微生物。即使是同一地点同一环境，在不同的季节，如夏季和冬季，微生物的数量、种类、活性、生物链成员的组成等等有明显的不同。显示了微生物生态分布的多样性。
三、微生物与人类社会文明进步
微生物与人类社会和文明的发展有着极为密切的关系。微生物与人类关系的重要性和对于人类已有文明所作出的贡献以及对于人类可持续发展所具有的贡献潜力，都有着光辉的记录并将继续创造着新的功绩。当今的人类社会生活已难以离开微生物所作的直接或间接贡献。食品中的面包、奶酪、酸奶、酸菜，各种发酵饮料如啤酒、白酒，酱油、醋、味精等调味品，各种抗生素、维生素和其他微生物药品，各种微生物性保健品，环境的微生物污染和污染环境的微生物治理与修复，动植物生产过程中使用微生物促进剂，微生物病原菌引起的各种人类疾病和微生物产生的各种药物对人类疾病的控制与治疗，等等，都与微生物的作用或其代谢产物有关。
酿酒活动在我国史前便已相当发达， 4000 多年前已十分普遍，数千年的历史长河中积累了极为丰富的酿酒理论与经验，创造了人类利用微生物的辉煌实践。古埃及人会烘制面包和配制果酒。我国早期的农业生产中使用豆科植物与其他作物轮作以提高土地肥力的实践，促进农业生产的持续发展。微生物是人类生存环境的清道夫和物质转化的必不可少的重要成员，推动着物质的地球生物化学循环，使得地球上的物质循环得以正常进行。很难想象，如果没有微生物的作用，地球将是什么样，无疑所有的生命都将无法生存与繁衍，更不用说当今的现代文明了。
微生物病原菌也曾给人类带来巨大灾难。 14 世纪中叶，鼠疫耶森氏菌（ Yersinia pestis ）引起的瘟疫导致了欧洲总人数约 1/3 人的死亡。解放前的我国也经历了类似的灾难。即使是现在，人类社会仍然遭受着微生物病原菌引起的疾病灾难威胁。艾滋病、肺结核、疟疾、霍乱正在卷土重来和大规模传布，还有正在不断出现的新的疾病如疯牛病、军团病、埃博拉病毒病、大肠杆菌 0157 、霍乱 0139 新致病菌株， 2003 年春的 SARS 病毒、西尼罗河病毒， 2004 年的禽流感病毒，等等，正在给人类带来新的疾病与灾难。然而正是 Louis Pasteur 研究成功狂犬疫苗、 Fleming 发明了青霉素、 von Behring 成功制备抗毒素治疗白喉和破伤风，等等，挽救了无数的生命，同时也拯救了人类文明。
在微生物学发展史上有众多的科学家为微生物学的建立与发展研究、探索，奉献了自己的智慧与一身。据有关统计表明，其发现或发明人就有 30 位诺贝尔奖获得者，在 20 世纪诺贝尔生理学和医学奖获得者中，从事微生物领域研究的就占了 1 ／ 3 。微生物学发展史上的重大事件，都表明微生物学的发展对世界的文明进步作出的巨大贡献。
由于微生物本身的生物学特性和独特的研究方法，微生物已经成为现代生命科学在分子水平、基因水平、基因组水平和后基因组水平研究的基本对象和良好工具。微生物和微生物学的理论与研究技术正在被广泛应用于其他生命科学的研究中，即日益微生物学技术化，推动着生命科学的日新月异，直接和间接地推动着人类文明的快速发展。现代生命科学的许多前沿成果大多来自于对微生物的研究。
上一篇：微生物与人类可持续发展 下一篇：细 菌
