科普讲堂 - 让我们和各种微生物再次认识一下

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微生物（microorganism, 简称microbe）是一些肉眼看不见的微小生物的总称。作为地球上最古老的生物，微生物无处不在。几乎所有生物体——植物或动物的生命，都与微生物有关。新冠病毒的爆发将大众带入了一个微观世界，其实自然界存在的微生物达数十万种，广泛分布在土壤、空气、水、人与动物的体表及其外界相通的腔道，如呼吸道、消化道、泌尿生殖道等部位。绝大多数微生物对人类和动植物的生存是有益的，有些甚至是必要的。只有少数能引起人类及动植物发生病害，称为病原微生物。

一、微生物的类型

按照微生物细胞结构和组成不同将其分成三种类型：

1、原核细胞型微生物：仅有原始核，无核膜、无核仁，染色体仅为单个裸露的DNA分子，无有丝分裂，缺乏完整的细胞器。如细菌、放线菌、螺旋体、支原体、衣原体、立克次体。

2、真核细胞型微生物：细胞核分化程度较高，有典型的核结构（有核膜、核仁、染色体，由DNA和组蛋白组成），行有丝分裂。胞浆内有多种完整的细胞器。如真菌、藻类。

3、非细胞型微生物：结构最简单，体积最微小，能通过细菌滤器，无细胞结构，由单一核酸（DNA或RNA）和（或）蛋白质外壳组成，无产生能量的酶系统。必须寄生在活的易感细胞内生长繁殖。如病毒、亚病毒和朊粒。

二、常见的几种微生物

下面我们来详细了解一下几种常见的微生物：

1、细菌：

细菌是一类细胞细短，结构简单，胞壁坚韧，多以二分裂方式繁殖和水生性强的原核生物。分布在温暖，潮湿和富含有机质的地方。具有细胞膜、细胞壁、细胞质和核质。单个细菌用肉眼是看不见的，当单个或少数细菌在固体培养基上大量繁殖时，便会形成一个肉眼可见的，具有一定形态结构的子细胞群落。菌落是菌种鉴定重要的依据。不同种类的细菌菌落的大小，形状光泽度颜色硬度透明度都不同。

2、真菌：

真菌是一种具真核的、产孢的、无叶绿体的真核生物。真菌具有真正的细胞核；没有叶绿素，以吸收为营养方式的异养生物；其典型的营养体为丝状分支结构；细胞壁的主要成分为几丁质或纤维素或两者兼有。包含霉菌、酵母、蕈菌以及其他人类所熟知的菌菇类。真菌的细胞含甲壳素, 能通过无性繁殖和有性繁殖的方式产生孢子。

真菌的形态：

单细胞真菌呈圆形、椭圆形或圆柱形，包括酵母型和类酵母型真菌。多细胞真菌形态较复杂，由菌丝（hypha）和孢子（spore）两大基本结构组成。

菌丝：由成熟的孢子在基质上生出嫩芽，称为芽管，芽管逐渐延长呈丝状，称为菌丝。菌丝可长出许多分支，交织成团，称菌丝体（mycelium）。菌丝根据结构，分为有隔菌丝（有隔膜，将一条菌丝分隔为数个细胞）和无隔菌丝（无隔膜，一条菌丝即为一个细胞）。

根据功能，分为营养、繁殖、气生菌丝。根据形态，分为结节状、球拍状、螺旋状、鹿角状等。

孢子：是真菌的繁殖结构，是由生殖菌丝产生的一种繁殖体。真菌的孢子分为无性孢子和有性孢子两大类。

1）无性孢子：是指不经过两个性器官或性细胞的结合而产生的孢子。

a）叶状孢子。由菌丝细胞直接形成的生殖孢子。有3种类型①芽生孢子②关节孢子③厚膜孢子。

b）分生孢子。生殖菌丝末端及分支的细胞分裂或浓缩形成的单个、成簇或链状的孢子，是多细胞真菌最常见的一种无性孢子，有大小之分，分为大分生孢子和小分生孢子。

c）孢子囊孢子。由菌丝末端形成一种囊状结构即孢子囊，内有许多孢子称为孢子囊孢子。

2）有性孢子：是由同一菌体或不同菌体的两个细胞或性器官融合，经减数分裂所产生的孢子。产生的有性孢子分为四类。

a）卵孢子。在一个菌丝上生出两个配子囊，小的为雄器，大的是藏卵器，二者配合，雄器的内容物经由受精管进卵球，形成卵孢子。见于鞭毛菌亚门的卵菌纲。

b）接合孢子。两个菌丝侧枝肿胀，顶端接触结合而形成接合孢子。见于半知菌亚门接合菌纲。

c）子囊孢子。子囊的形成有单纯的和复杂的多种方式，子囊内有4～8个子囊孢子，有的外面有子囊壳，包有子囊果。见于子囊菌亚门。

d）担孢子。在担子梗顶端产生4个担孢子，由此不断产生孢子。见于担子菌亚门。

3、病毒：

病毒是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的“非细胞生物”，但是它的生存必须依赖于活细胞。一般直径在100nm左右，最大的病毒直径为200nm的牛痘病毒，最小的病毒直径为28nm的脊髓灰质炎病毒。

病毒的基本结构：病毒的蛋白质外壳称为衣壳，遗传物质多为RNA或DNA。衣壳与核酸分子统称为核衣壳。但以HIV为例，病毒表面还包裹着类似细胞膜的胞膜和刺突结构，与衣壳共同决定病毒的特异性。此外还有一些酶：如逆转录酶。 多数常见病毒由蛋白质外壳和一种核酸（DNA或RNA）组成；但是朊病毒没有核酸，只有蛋白质；还有类病毒没有蛋白质，只有一种核酸。病毒的形态主要有三种，杆状、球状、蝌蚪状。此外还有弹状、砖状。而有些病毒可具有多形性，如流感病毒可呈球形、丝状和杆状等多形态。

病毒分类：

病毒不仅分为植物病毒（如烟草花叶病毒等），动物病毒（如禽流感病毒、天花病毒、HIV等）和细菌病毒（噬菌体），也可根据戴维·巴尔的摩分类法（基于病毒mRNA的生成机制）分为以下几种：

（1）双链DNA病毒（如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒）

（2）单链DNA病毒（如小DNA病毒）

（3）双链RNA病毒（如呼肠孤病毒）

（4）(+)单链RNA病毒（如微小核糖核酸病毒、冠状病毒、披膜病毒）

（5）(?)单链RNA病毒（如正黏液病毒、炮弹病毒）

（6）单链RNA反转录病毒（如反转录病毒科）

（7）双链DNA反转录病毒（如肝病毒）

例如新冠病毒，属于一种冠状病毒，是一种具有包膜结构，含有单股正链RNA（+RNA）的病毒。包膜可以帮助病毒粒子以类似于胞吞的方式侵入宿主细胞内，而单股+RNA链可以充当mRNA，直接进行翻译过程合成蛋白质。遗传物质在复制时，先以+RNA链为模板，遵循碱基互补配对原则合成互补-RNA链，再用-RNA链指导合成多条+RNA链，新合成的蛋白质与+RNA遗传物质链组装成新的病毒粒子。新冠病毒归属于RNA复制型病毒（如图中所示的1，2过程），而HIV病毒则是反转录型病毒（如图中所示的5，6，7过程）。

病毒的生命活动中一个显著的特点为寄生性，只能寄生在某种特定的活细胞内才能生活。并利用宿主细胞内的环境及原料快速复制增殖。在非寄生状态时呈结晶状，不能进行独立的代谢活动。生命过程大致分为：吸附，注入（遗传物质），合成（逆转录/整合入宿主细胞DNA），组装（利用宿主细胞转录RNA，翻译蛋白质再组装），释放五个步骤。

无处不在的微生物与人类共同生存了数百万年，它们曾造福于人类，也给人类造成过毁灭性的灾难，始终保持着“亦敌亦友”的奇妙关系。新冠肺炎疫情就是当今世界正在发生的最严重流行性疫病，已在世界各国蔓延近3年，尚未得到有效的控制。人类对微生物的了解、探索任重而道远，对微生物的认识和研究是我们打开未知世界大门的钥匙。通过不断进步的科技手段，我们期待着能够更好地了解和利用微生物，防治病原微生物，以应对当今和未来所面临的巨大挑战。

连彩 ?| 文案

出品：科普中国

制作：韦博鑫 许进 孙成 （中国科学院金属研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

从我们一出生，体内就有无数的微生物，它们是我们身体中非常复杂的一部分，时刻与我们互动，而我们对它们却知之甚少。多年来，庞大、神秘的微生物家族，无时无刻不吸引着人们对它们进行探知、利用和对抗。

那么，是不是所有微生物都对人类有益呢？答案或许是令人失望的。

微生物——亦敌亦友的“神秘力量”

作为地球上最古老的生物，微生物在自然界分布极广。无论是人迹罕至的南北极还是环境苛刻的沙漠，无论是神秘的外太空还是深邃的海底世界，都有它们的足迹。微生物对于人类来说用处极大，人们利用微生物来生产抗菌素、抗生素等药品，帮助人类对抗疾病；利用微生物来生产饮料，啤酒，肥料和杀虫剂等产品，以服务大众；甚至还可以利用微生物生产出电池所需要的燃料，解决能源短缺。

然而，微生物并没有我们想象的那么友好，在服务人类的同时，它也“吃”掉了我们的GDP。

正在“吃掉”人类GDP微生物

并不是所有的微生物都对人类有益。 当微生物遇到钢材时，就会产生异样的“电火花”，使得管道、桥梁和船舶等受到严重腐蚀——即“微生物腐蚀（MIC）”。 我们先看三个例子：

2000年，韩国石油天然气公司一条X65输油管道发生腐蚀失效。 调查发现管道表面覆盖着一层黑色沉淀物，滴加盐酸后散发出臭鸡蛋气味，表明腐蚀产物中含有硫化物。证实了埋地管线剥离涂层下受到了土壤中硫酸盐还原菌（SRB）的腐蚀。硫酸盐还原菌（SRB）是一种广泛存在于土壤、海水、地下管道以及油气井等环境的厌氧细菌。大量研究表明SRB的存在加速了钢的腐蚀。

同年，我国某型舰艇船底在下水后不到2年内船底就发生了多处的腐蚀穿孔。 经检测舱内积水部位单位体积内SRB数量约是舱外海水的103-104倍，说明SRB在舰船的舱底水中大量存在。

2003年，新疆一条X52钢输油管道发生爆管泄露事件。 该管道曾多次发生内腐蚀穿孔泄漏事故，但令人不解的是均发生在管道沿线起伏管段。原来罪魁祸首就是“微生物”！事故最终调查结果认为，该管段起伏较大，原油流量较低，管道低洼处有微量游离水或积水聚积，从而为微生物生长提供了环境，使得硫酸盐还原菌（SRB）大量繁殖导致管道局部腐蚀失效。

据国际腐蚀工程师协会（NACE）调查结果，2013年美国的腐蚀成本已经达到2.5万亿美元，约占GDP的3.4%。 而其中由微生物腐蚀造成的损失约占20%[4]。可见，微生物已经在慢慢地吃掉我们的“GDP”。

微生物腐蚀该如何防治？

腐蚀是一种常见的自然现象。大多数的腐蚀都是物质与环境相互作用的电化学过程。那么微生物是怎样参与腐蚀过程的呢?

科学家研究表明微生物参与腐蚀过程，金属表面会附着一层具有腐蚀能力的生物膜，在微生物体内生物酶的作用下，细菌将硫酸盐还原成硫离子，硫离子与腐蚀产生的铁离子进一步反应生成铁硫化物（反应1和2），从而参与并加速腐蚀过程。

目前，科学家对于微生物腐蚀的机理也有了初步认识，并提出了多种措施防治微生物腐蚀[1]。例如：

（1）表面技术： 涂层作为一道屏障可以使金属表面光滑以减少微生物附着。目前研发抗生物污染的有机涂层，已经广泛地用于埋地管线、建筑物外墙、海洋结构材料的防护；

（2）电化学保护： 阴极保护可以使金属腐蚀过程的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。因此可以采用更低的阴极保护电位来控制微生物引起的钢铁厌氧腐蚀，同时阴极保护与有机涂层联合使用也有效地弥补了有机涂层会发生降解的缺欠；

（3）生物抑制剂： 目前采用杀菌剂注入工业水系统中，也可以作为防治细菌腐蚀的方法；

（4）实时监测： 大多数的腐蚀都可以通过早期监测来采取控制措施从而减缓腐蚀，避免事故发生。因此对腐蚀过程中微生物的生长，数量，生物膜的厚度等进行监测，也有助于我们采取控制措施。

通过上述案例，我们看到微生物不容小觑的力量， 只有了解微生物腐蚀，控制微生物腐蚀和利用微生物腐蚀，这样才能为工业装备保驾护航。 微生物腐蚀的复杂性注定它是长期斗争的过程，国内外科学家们一直在行动，齐心协力和贡献才智。让我们与微生物腐蚀宣战，抗争到底！

参考文献：

[1]林建，朱国文，孙成，韩恩厚，高立群，张淑泉. 金属的微生物腐蚀 [J]. 腐蚀科学与防护技术, 2001, 13(5).

[3] Sherar B W A , Power I M , Keech P G , et al. Characterizing the effect of carbon steel exposure in sulfide containing solutions to microbially induced corrosion [J]. Corrosion Science, 2011, 53(3).

[4] 黄烨, 刘双江, 姜成英. 微生物腐蚀及腐蚀机理研究进展[J]. 微生物学通报, 2017(7).

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