引言
微生物学研究微生物的结构、功能、分类及其经济意义。这是一个令人兴奋且不断发展的科学领域，因为微生物在我们的日常生活中扮演着重要角色。肉眼无法看到的微生物被称为“微生物”，而微生物学就是研究这些微生物的特性及其微观结构的学科。由于微生物的直径小于1毫米，我们无法用肉眼观察到它们。只有通过显微镜才能观察到微生物，它们可以以单个细胞的形式存在，也可以聚集成群体。微生物是由细菌、真菌、藻类和原生动物等细胞构成的生物体。除了病毒之外，无细胞结构的微生物也被归类为微生物。
微生物污染的发生
微生物存在于空气、水和土壤中，它们的存在非常普遍。这些微生物几乎栖息在自然界的每一个表面，有些甚至能在沸腾的温泉和被冰雪覆盖的海域中生存。微生物的数量比宇宙中的星星还要多。在地球上，微生物占生物量的50%以上，而动物仅占15%。人类通常能够耐受大多数微生物。我们体内的微生物有助于消化食物并保护我们免受病原体的侵害。此外，它们通过分解死亡的动植物、循环营养物质以及改善土壤健康和作物产量，维持着生物圈的正常运作，因此也被视为有益的生物。微生物群落
微生物的形态学、系统发育学和生理学特征可以分为六类。细菌——属于原核生物，即单细胞生物，通过二分裂的方式进行繁殖，通常是无性繁殖的。它们在土壤、水和空气中的微生物群落中占据主导地位。许多细菌甚至能够在极端环境中生存，比如高温、高pH值或高盐度的环境中。它们在养分循环、有机物分解以及抗生素、维生素等工业产品的生产中发挥着重要作用。然而，也有一些细菌种类会导致疾病或食物变质，例如芽孢杆菌（Bacillus）和假单胞菌（Pseudomonas）。
古菌（Archaea）在系统发育上与细菌有亲缘关系，但它们在许多方面存在差异，最显著的区别在于它们所拥有的核糖体RNA（rRNA）序列。许多古菌生活在极端环境中。例如，甲烷菌（Methanogens）通过代谢过程产生甲烷气体，其中甲烷杆菌（Methanobacterium）就是这类细菌的一个典型代表。
藻类（Algae）是一种含有叶绿素、能够进行光合作用的真核生物。水生环境中生长着大量的藻类。有些藻类通过有性繁殖，而有些则通过无性繁殖。藻类常被用于生产食品补充剂，琼脂（Agar）通常也是从藻类中提取的。常见的藻类例子包括石花菜（Gelidium）和螺旋藻（Spirulina）。
**真菌**：真菌是一种真核生物。在土壤中的数量仅次于细菌。从单细胞的酵母到巨大的多细胞蘑菇，真菌的形态和大小多种多样。它们会产生丝状的菌丝体，这些菌丝体由单独的菌丝组成，可以通过孢子在子实体上、通过分裂、出芽等方式进行有性或无性繁殖。酵母是一种单细胞真菌，负责生产含有酒精的饮料，如葡萄酒和啤酒。霉菌则是多细胞真菌，能够大量产生抗生素，例如青霉素。常见的霉菌种类包括毛霉菌（Mucor）和根霉菌（Rhizopus）。
原生动物（Protozoa）：原生动物是一种没有细胞壁的单细胞真核生物，通常能够移动。微生物群落中以自由生活的原生动物为主，它们是主要的捕食者和食草者。这类生物生活在多种环境中，有些存在于动物的消化道中，帮助消化纤维素等复杂物质。如果它们具有寄生性，也可能引发疾病。常见的例子包括变形虫（amoeba）和草履虫（paramecium）。
病毒：这些无细胞（非细胞）生物体体积极小，肉眼无法观察到，必须通过电子显微镜才能检测到。它们都是专性寄生生物，只能在活细胞内繁殖。人类、动物和植物都可能被病毒感染。大多数病毒都会引发人类疾病，例如花椰菜花叶病毒和黄瓜花叶病毒。
微生物学的历史
17世纪，随着先驱科学家们发明了显微镜，微生物学领域得到了进一步的发展并变得越来越重要。显微镜的发现彻底改变了微生物学对微生物的认识。这一理论与“自然发生说”之间的冲突，促使了更多新理论的出现。罗伯特·胡克（1635–1679）
胡克首次在软木横截面上发现了细胞（呈蜂窝状的结构）。他还在显微镜下观察到了真菌。他所观察到的所有微生物都是在30倍放大倍数下看到的，而这些放大倍数是他自己制作的。阿纳托米·范·列文虎克（Anatomy Van Leeuwenhoek，1632–1723）
被称为“微生物学之父”的列文虎克被尊为著名的科学家。他制作透镜和显微镜只是出于爱好。他原本是一名荷兰商人。那些简单的显微镜由凸透镜制成，固定在两块银板之间，放大倍率为50到300倍。正是他首次发现了细菌和原生动物。他自己的牙齿上也有细菌滋生。他将这些细菌命名为“动物微粒”。自然发生说（abiogenesis）
在列文虎克发现微生物几十年后，科学家们开始研究它们的起源。当时人们认为，由于有机物在生物体外会迅速分解，因此微生物是自然产生的。这一“自然发生说”得到了弗朗切斯科·雷迪（Francesco Redi，1626年）的支持：他将铁丝网盖在烧瓶口上，并将肉煮沸。由于肉的腐臭味，苍蝇被吸引到铁丝网上并在那里产卵，这些卵后来孵化成了蛆。雷迪因此得出结论：蛆是从肉中产生的，而不是从苍蝇身上产生的。此外，爱尔兰神父约翰·尼达姆（John Needham，1749年）也观察到腐肉中生长出了微生物，并将其解释为自然发生的现象。生物发生论 – 拉·扎罗·斯帕兰扎尼（La Zaro Spallanzani，1729–1799）
一位名叫斯帕兰扎尼的意大利神父将牛肉汤煮沸了一小时，然后密封烧瓶，以此来反驳生命自发产生和非生物起源的理论。他观察到没有细菌生长，从而证明了生物发生论（即生命起源于生物）的正确性。无论是根、生殖细胞还是种子，所有生命形式都起源于其父母。后来，路易·巴斯德也支持了他的生物发生论。路易·巴斯德（1822–1895）
他在法国里尔大学担任教授期间，还出版了大量著作。微生物学作为一门独立学科的发展，归功于他的贡献——他被誉为“微生物学的先驱”。通过使用鹅颈瓶，他推翻了“自然发生说”（Abiogenesis），证明了这一理论是错误的。他的实验证明生物体不可能从非生命物质中产生。他还利用发酵这一化学过程研究了葡萄酒和啤酒变酸的原因，发现这是由于微生物的生长产生了不良的酒精成分。他发现，将葡萄酒加热到50-60摄氏度几分钟并不会破坏其品质。如今，用巴氏杀菌法杀死牛奶中的病原微生物的方法已在乳制品加工厂得到广泛应用。“疾病的细菌理论”是以他的名字命名的，因为他认为这些疾病是由微生物引起的。他的研究促使他发现了蒸汽灭菌器、高压灭菌锅和热风烤箱，并认识到了灭菌的重要性。棉絮塞也被证明能够有效防止培养基受到空气中的污染。由于他区分了需氧菌和厌氧菌，他发现厌氧菌的生长不需要氧气。
他使用未受原生动物感染的蠕虫进行繁殖，从而展示了如何控制由原生动物引起的蚕病——Pebrine。在研究患有“鸡霍乱”的家禽时，他提出了“减毒”这一概念。将培养物在实验室中保存一段时间后，他发现这些动物的死亡率比使用新鲜培养物时要低得多。如今，这些减毒菌株被用作保护性疫苗。巴斯德发现牛和羊会感染导致炭疽病的细菌。他将炭疽菌培养在无菌酵母水中，并研究将这种培养物接种到健康动物体内是否会导致疾病。通过使用40至42°C的培养方法，他研制出了一种活减毒炭疽疫苗，这种疫苗被证明对预防动物炭疽病非常有效。猪丹毒也是他的研究课题之一。
他对抗狂犬病（Hydrophobia）的疫苗是他对医学最重要的贡献。研究人员将狂犬病病毒依次注入兔子体内，然后提取脊髓组织并干燥后制成疫苗。当这名男孩接受疫苗接种后，他的生命得以挽救。1888年，巴斯德研究所的任务是大规模治疗狂犬病患者。雅各布·詹纳（Jacob Jenner）用来描述他的牛痘疫苗的术语“Vaccine”，实际上源自巴斯德的术语“Vacca”。
约翰·丁达尔（John Tyndall，1820–1893）
为了保持培养箱内的无菌环境，他设计了一个专门用于清除空气中灰尘的装置。在装有无菌培养液的培养箱中，没有发现任何微生物生长的迹象。这证明了微生物是通过灰尘传播的，因此微生物的生长是由于灰尘中的微生物，而非自然发生。他还发明了丁达尔灭菌法（Tyndall method of sterilization）。这种灭菌方法也被称为间歇灭菌或分段灭菌（intermittent or fractional sterilization）。在丁达尔灭菌过程中，孢子和细菌会通过连续的加热和冷却过程被消灭。100°C的高温可以杀死所有活性细胞；而一旦孢子萌发，后续的加热过程会破坏孢子的结构。罗伯特·科赫（Robert Koch，1843–1912）——科赫法则
他最初是一名来自德国的乡村医生，后来被任命为柏林传染病研究所的所长，并担任卫生学教授。作为“实用细菌学之父”，他完善了许多细菌学技术。在分析死于炭疽病的动物的血液时，他发现了杆状微生物。他通过将受感染的血液注入牛眼的水液中，在载玻片上诱导炭疽菌的生长。这些细菌繁殖并形成了孢子。随后，他将这些孢子注射到小鼠体内，成功再现了炭疽病。炭疽杆菌在特定条件下形成的孢子可以在地球上存活多年。这种炭疽菌通过二十代小鼠的传播仍然保持其纯度。这使他能够研究疾病的起源机制。他是染色技术的引入者。他使用苯胺染料对玻璃载玻片上的细菌膜（涂片）进行染色，以便在显微镜下获得更好的对比度。这种细菌后来被称为科赫杆菌（结核分枝杆菌）。通过实验动物，他成功注射了结核杆菌，从而验证了科赫的假设。霍乱是由霍乱弧菌引起的，这一发现也是他的贡献之一。他引入了固体培养基，使得纯培养技术得以发展。科赫的学生妻子弗劳·赫塞（Frau Hesse）首次提出使用从干海藻（Gelidium Sp.）中提取的琼脂来制备固体细菌培养基。琼脂是一种完全惰性的固化剂，它在90°C时融化，在45°C时固化，并且没有营养价值，因此非常适合用于制备培养基。科赫利用这些固体培养基成功分离出了纯细菌培养物。这一发现彻底改变了细菌学的研究方法。
“Old Tuberculin”是由他发现的。科赫利用结核杆菌或其蛋白质提取物发现，已经感染了这种细菌的豚鼠会产生过度反应，导致局部炎症。这是一种由细胞介导的免疫现象，被称为“科赫现象”。科赫现象被用于检测结核菌素。然而，他错误地认为结核病可以通过一种从结核杆菌中提取的蛋白质——“Old Tuberculin”来治疗。遵循他的老师亨勒的教导，科赫进行了许多实验，以证明某种特定的微生物会导致某种疾病。亨勒和科赫的假说通常被称为“科赫假说”，其中包括：
- 与疾病相关联的，必须始终识别出特定的病原体。
- 实验室培养物应保持在隔离状态，并保持其纯度（即不与其他物质混合）。
- 接种后的纯培养物在注入健康动物体内后，应产生与疾病相似的症状和病变。
- 为了分离这种微生物，接种的动物应该被暴露在纯培养物中。
- 具体来说，需要在患者的血清中检测到针对导致该疾病的病原体的抗体。
