微生物的多样性
《微生物学》课程论文
微生物的多样性
专业：
班级：
学号：
姓名：
2011年6月12日星期日
微生物的多样性
摘要：微生物是一群以分解代谢为主的生物类群，其生物活性十分丰富。根据微生物的生物特性，从物种、生理代谢类群及遗传背景几个方面探讨微生物多样性的问题，使人们更加的了解微生物的多样性，更加全面的认识微生物的多样性,为解决人类目前面临的诸多问题提供更多的途径。
关键词：微生物多样性物种遗传代谢生物类型
生机勃勃的大自然，是多姿多彩的生命赋予的活力，无数生命构成了自然界的生物多样性，看不见的微生物世界也是一个多样性的微生命世界，他们和其他生命一起绘出了这个星球上一道绚丽的风景。微生物是一词，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，或简单地说是对人们肉眼看不见的微小的生物的总称。微生物是指在显微镜下才能看见的生物，它不是一个分类学上的名词。
微生物所包含的类群十分庞杂。实际上，在分子生物学技术飞速发展的今天，新的形式、新的种属的微生物仍然在不断地被发现。
微生物作为生物，既有一切生物的共同点：①绝大部分微生物的遗传信息都是由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、脂肪酸等大分子物质的合成途径基本相同；③微生物的能量代谢都可以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，还具有本身的特点极其独特的生物多样性：①微生物种类的多样性，②微生物的遗传与变异的多样性，③微生物代谢的多样性，④微生物的生态分布的多样性。下面我们将来认识微生物的多样性。
一、微生物物种的多样性
由于微生物的发现和研究比动植物迟得多，加上鉴定种的工作以及划分种的标准等教为困难，目前着重研究的微生物是对人类关系最为密切的一些种，已知种数大约为10万多种，可以预见，睡着分离、培养方法的改进和研究工作的深入，微生物界的物种种数将超过动植物界种数之和。这可以从下面三个方面加以
证明。
首先,每年新发现的微生物种数正在急剧地增长着，仅形态较大的真菌每年即有1500种新种的记载；其次，土壤是微生物的大本营，但是在土壤中约有90%的微生物还无法在实验室中加以培养鉴定；第三，由于几乎所有的动植物和微生物中找到了相同的病毒，因此，可以想象，在微生物中，仅病毒的种数即有可能超过其他动植物和微生物之和，况且有的宿主可同时有多种病毒寄生。
微生物不仅种数多，而且个体数量也庞大，具理论推测，在适宜的生长条件下，大肠杆菌经过连续48小时的生长繁殖，可达2.2×1043个，约等于4000个地球的重量。可见微生物繁殖之快、数量之大是动植物所不可比拟的，也是微生物应用于发酵工业的巨大优越性。
从上面我们可以看出，微生物作为巨大基因资源库，蕴藏着极为丰富的基因内涵。我们认识、研究和开发它，无疑将给人类带来巨大的效益，对解决现实中存在的诸多问题也具有重要的意义。无论是在农业上，还是在工业生产中，微生物都将给我带来巨大的经济效益和社会效益。
二、微生物遗传的多样性
生物多样性，从本质上讲，源于遗传的多样性。从分子水平上讲，遗传的多样性主要是由于遗传物质的碱基排列顺序的多样性和组成核酸分子的碱基数量的巨大性决定。虽然构成DNA分子的碱基只有4种，但由于DNA分子由几十万到几百万个碱基对组成，它们的排列顺序就是一个天文数字，而排列顺序的不同，就导致了物种之间的差异。从这一意义上讲，我们看到了生物多样性在宏观领域与微观领域的结合点。
微生物遗传的多样性在基因水平上更为突出，不同的种群间的遗传物质和基因表达具有很大的差异性。具体表现为以下几个方面：①基因组大小和基因组数目的多样性，②遗传物质化学组成和DNA序列的差异，③基因组系列所揭示的遗传背景多样性。
微生物遗传的多样性还可进一步扩展。首先，构成微生物的主要遗传物质不
仅仅是DNA分子双链结构，还存在单链DNA、双链RNA、和单链RNA等遗传信息的存在形式；其次，诸如传导、转化和结合及准性生殖等微生物特有的基因重组方式，对加强微生物之间的基因交流、推动新物种的形式，以及物种的进化具有重要作用；另外，加上人类的原生质体融合技术、基因工程技术的参与，使微生物遗传的多样性大大扩展，也为微生物遗传变异提供了多样化手段。
三、微生物代谢的多样性
微生物是物质循环中的分解代谢类群,代谢类型的多样性也表现在物质的分解代谢上,但其中也不乏合成代谢的类群。代谢所利用的能源有光能也有化学能;代谢中产生的电子受体可以是有机物也可以为无机物;代谢的环境可以有氧也可无氧。
除此之外,同一种微生物还会因环境的变化而改变代谢类型,如紫色硫细菌在白天利用光合作用获得能量,并氧化H2S为元素硫,还原CO2为储存物质糖原;而在夜晚或阴天时进行化能营养,氧化糖原产生乙酸。自养营养是细菌特有的生活类型,哪怕是地球上主要的基础生产者——植物的叶绿体也是起源于蓝细菌。但目前对细菌的自养营养方式我们也只肤浅地了解固氮作用和CO2固定作用,而对铁、氢及硫代谢了解甚少。所有自然的或生物合成的物质最终都由微生物降解,包括纤维素、半纤维素、木质素、难降解的卤素苯环化合物等对于其他生物来说是营养极限的物质。
无论从能量代谢还是从物质代谢角度讲,微生物代谢类型的多样性也是动植物不可比拟的。从营养代谢类型看,主要由光能自养型、光能异养型、化能自养性和化能异养型4种类型组成。如光能自养型,目前已知有3种形式,包括不产氧型光合作用——循环光合磷酸化;产氧型光合作用——非循环光合磷酸化(似绿色植物);嗜盐紫膜菌型光合作用——一种无叶绿素或菌绿素(通过细菌视紫红质)
参与的独特光合作用。化能自养型代谢是微生物独有的营养代谢类型,通过氧化无机物(NH4+、NO-、2H2S、S0、H2、Fe2+等)作为还原CO2所需要的ATP和还原力。化能异养型中,包括发酵、无氧呼吸、有氧呼吸等不同生物氧化形式及诸多代谢途径产能。可以这样讲,在自然界只要存在某种有机物(包括人工合成的),就会有相应的微生物去分解利用它,如石油、苯酚、甲苯、丙烯晴、多种染料和农药等。微生物在对碳源利用及氮源利用方面具有极其重要性,如大气中的N2,在自然界中只能通过微生物或在其协助下才能转化为其他生物可利用的氮源。
微生物的营养类型是多样的。根据微生物生长所需的营养物质的性质不同分为异养型生物和自养型生物。根据能量来源不同，分为化能营养型和光能营养型生物蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌是光能自养型生物，它们含有叶绿素或细菌叶绿体，能进行光合作用。红螺菌属于光能异养型微生物。在化能利用菌中又分为无机化能利用菌(I.ithotrophs)和有机利用菌(Organotrophs)。利用无机能源而需有机碳源的是混养菌(Mixotrophs)。但有更多种细菌能利用的有机物极为相同，如:石油、苯、酚、磷苯二酚、三硝基甲苯(TNT)、丙烯睛、多种染料和农药。因而利用微生物能降解稳定有机物的特征来处理自然环境中的污染物，以达到保护环境、防治污染的目的。微生物还能以CN一、OCN一、SCN一、NCNZ一、NO:、NH2oH为氮源，最为独特的是固定大气中的N:。
四、微生物的生态多样性
微生物世界还充满着生态的多样性，它们生活在不同的环境中，大部分微生物都生活于温和的地方，土壤、大气、水体以及生物体内都有它们的踪迹，但也有不少的微生物生活于各种极端环境，它们直接决定着生命的疆域，20世纪60年代，一位年轻的微生物学家布洛克来到了著名的美国黄石国家公园里，他此行目的是休假，但耐不住寂寞的他将公园里高达80多摄氏度的热泉水作为他观察的对象，在显微镜下，他惊奇地发现有许多“活的小生命”，布洛克敏锐地意识
到自己或许已打开了一个崭新微生物世界的窗户。今天，已经有越来越多的生活在极端环境的生命被发现，人们曾从pHO(酸度是普通细胞生存的至少10万倍)的酸矿水、1200个大气压的海底、3200米的地下、1600米的冰层下、30%盐度的盐湖水中和几百摄氏度高温的海底火山口附近都分离到微生物生命，它们的存在让人类将目光更昂然地投向了宇宙深处，希望在别的星球发现某种形式的生命。布洛克预言:“只要水保持液态就有发生生命的可能”，未来的发现或许将证明他的睿智。微生物的生活方式也丰富多彩，大部分微生物都能独立生活，但如同人不光是一个生物个体意义上的人还是一个社会的人一样，微生物的这种独立生活并不代表它们不和周围的生物发生联系，通过种种方式，它们与周围的生物存在着千丝万缕的关系。有些微生物必须生活于别的生物体内，如果它们只是贪婪地吮吸宿主的营养，它们则是寄生性微生物(如很多病原微生物)，如果它们在获得营养的同时对宿主也有好处，并且它们与宿主形成了特定形态的结构，则它们与宿主的关系叫共生，真菌和藻类形成地衣，纤维素分解菌与牛、羊等反自动物形成瘤胃都是共生的典型例子。
微生物的基因组(全部基因的总称)也存在着极大的差异，以细菌为例，不同细菌的基因组大小、基因的数量差异很大，有时相差十几倍，一种叫生殖道支原体的细菌仅有不到500个基因，而大肠杆菌却有超过4000个基因。再来看看古菌，它虽然和细菌长得一模一样，非常像细菌那样的原核生物，但古菌的许多基因特征却类似于真核生物，一些古菌的全基因组序列的测定也显示了它们是一类独特的生命形式，是生命进化之路上独立的一支。
五、微生物利用的广泛性
人类战胜疾病的历史，就是利用微生物的历史。自从1929年英国·细菌学家Fleming分离出青霉素之后，发现了4000多种抗生素，100多种已应用在医疗和工农业生产中。1990年世界20种畅销药品中4种是微生物产品，占总
销售额198.5亿美元中的29.7亿(15%)。环抱素(cyclosPrin)是强力免疫抑制剂，利用它成功地进行人的器官移植。微生物还可以生产留体类药物、维生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等。后者应用于多种工业生产，有巨大二次产值。用基因工程菌再生产激素、生长因子、干扰素、白细胞介素、乙肝疫苗等。世界每年微生物产值达2000亿美元。微生物在农业方面被广泛地利用:施用根瘤菌制剂肥田;用苏云金杆菌杀虫;用赤霉素使作物增广;抗生素使禽畜增重;用农杆菌质粒Pi将病毒CP基因或B.t基因转入植物获得抗病虫转基因植物，大田试验证明增产效果明显。在工业方面，利用微生物促进石油采收。利用酵母发酵生产酒精;用工农业和城市废物生产甲烷，可做清洁燃料，发酵液用于肥田;微生物能脱除煤和石油中的硫减少大气污染。利用微生物浸矿，可从矿中生产铜、铀、锰等，大大提高了回收率，降低成本。
六、为什么研究微生物的生物多样性
以往人们感兴趣的微生物主要是那些模式菌株及具有直接经济价值的种群,而那些被忽视的大多数未知种群也蕴藏着目前还无法估量的资源。因而研究微生物的生物多样性是十分必要的。
(1)对极端生境微生物的研究不仅使人类了解和探索生命的策略和极限,而且为超常物质的开发利用提供了资源。嗜热酶的开发已开始为人类创造前所未有的价值,众所周知的来源水生栖热菌的TaqDNA聚合酶使DNA的体外复制变得异常的简便和常规化,将生物工程、基因组研究等分子生物学领域推向一个新境界。国外的一些生物公司也瞄准了这一领域,已有20多个公司申请并被获准调查黄石公园的微生物,他们已在30多种嗜热物种中发现一半以上具有加工淀粉、纸张漂白和产生乙醇的潜力。
(2)微生物在生物圈的维持中起“中枢”作用,它们是地球上生物地化学循环的主要工作者。
(3)微生物资源对生物技术尤其具有价值,它们及它们的基因代表了最大的、未开发的无价资源。在已开发的产品中包括了抗菌、抗肿瘤物质,耐热酶类,PCE和PCB脱卤素菌,生物杀虫剂及促进植物生长的根际细菌。加拿大Terragen Diversity公司直接从土壤微生物中克隆到两个新的与
Polyketides合成酶(PKS)有关的基因,Polyketides的代谢物多是抗菌物质或有其他药效的物质。PKS序列的变化有可能产生新的抗菌物质。ARIAD公司和Wisconsin大学通过非培养手段建立了土壤微生物总基因组文库,并从中筛选到了抗白血病的靛玉红基因。我国学者也利用无培养的手段从土壤中直接克隆到了一些新酶或分子伴娘的基因,其中有催化手性化合物(环氧化酶)酶。
(4)微生物可用于监控环境变化,它们的群体通常对环境状况反应迅速,因而是一个地区或历史环境变迁的良好记录。
(5)微生物在高等生物的保护和恢复生物学中起重要作用,如菌根真菌可帮助植物成功地将根定植在土壤中,因而实现本地区的森林再造。人和动物的微生态学则是建立在人体正常菌群和人体建立的和谐的基础上的一门科学。
(6)微生物可作为阐明生态和生物进化原理的模式,因为它们容易操作、具有独特的交叉反应并在地球上存在的历史悠久。
七、基因组时代为微生物多样性的认识和应用展示了美好的前景
基因组时代的到来,将一个崭新的、全面的和内在的微生物世界展现在人们面前,它充分显示了微生物的生物多样性,并揭示了生物进化的动力。。基因组序列的完成为生物信息学、功能基因组学和比较基因组学研究奠定了基础。生物信息学不只是基因的线状排列名单,而是与生物化学功能、基因表达概貌及细胞功能相关的数据库。它的最重要的目标之一是预测蛋白质的功能。功能基因组学的
目标是利用基因组序列的数据去开掘基因和蛋白的功能,并阐明基因和产物间高层次的相互作用。它的主要任务之一是探讨那些功能尚未知的“孤儿基因”。研究发现在E.coli和酿酒酵母菌中有15%～20%的“孤儿基因”存在,古菌-詹氏甲烷球菌的“孤儿基因”高达56%。欧洲50个实验室联盟对功能基因组的研究发现,在酿酒酵母菌的600个“孤儿基因”中有13%对生命是必须的。说明人类对研究了一个世纪之久的模式生物的了解仍处在前基因组学时期。然而已建立的基因转录分析(如差异显示、DNA微排列技术、ESTs、SAGE)和蛋白质表达分析技术(蛋白组学)将结合基因组序列数据,为功能基因组学展示了一个光明的前景。
比较基因组学不仅为不同生物群体中存在的相似的生活模式比较提供了数据库,而且还为作用于特殊靶位点的生物活性物质的设计及作用方式奠定了基础。这些学科的发展将会为人类开发利用丰富的微生物资源和维持地球上的生命环境做出巨大的贡献。
参考文献：
1、《微生物学》闵航.
2、《生物学杂志》
3、余贺主编;《医学微生物学》
4、武汉医学院译，希金斯著，《污染的化学和微生物学》
5、阮继生编著;《放线菌分类基础》，科学出版社
6、翁苏颖，《环境微生物学扎科学出版社》
7、《微生物的生物多样性及应用前景》，阎章才、东秀珠
8、《微生物的多样性对地球的影响》，周小鹭
9、《关于微生物多样性的思考》，张新红
10、《土壤微生物多样性及发展前景》，姜莹