微生物学发展及作用
微生物学一般定义为研究肉眼难以看清微小生物生命活动的科学。这些微小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、细菌、真菌、单细胞藻类、原生动物等。目前已知生物种类有200万，虽然已经发现的微生物只有20万种，但由于培养方法的限制，自然界中还有大量的未知微生物（大部分为不可培养微生物），估计有600万种以上。
由于微生物本身的特殊性，必须借助于显微镜才能观察和研究，所以微生物学建立的相对较晚，至今不过100多年的历史。但实际上人们很早就已经猜想或感觉到它们的存在，并在不知不觉中应用它们。4000多年前我国酿酒已十分普遍，2500年前已发明酿酱和醋，并知道用曲治消化道疾病。公元9世纪到10世纪，我国已发明用鼻苗法种痘，作为预防天花的措施。到了16世纪，古罗巴医生明确提出疾病是由肉眼看不见的生物引起的。直到荷兰人安东·列文虎克（1632——1723）利用自制的放大倍数为50——300倍显微镜发现了细菌和原生动物，微生物世界才真正的呈现在人们面前。
图为结合分枝杆菌H37Ra基因组图谱
微生物学的建立虽然比较晚，但发展十分迅速，比如大多数生命活动的基本规律是在研究微生物的过程中首先被阐明的，为分子遗传学和分子生物学的创立、发展提供了基础，其多样性也为人类了解生命起源和生物进化提供了依据。微生物学同时也是一门具有独特实验技术的学科，如无菌操作技术、消毒灭菌技术、纯种分离和克隆化技术、原生质体制备和融合技术等。这些技术已成为研究生命科学的必要手段，为生命科学的发展做出了方法学上的贡献。
微生物学与人类关系
众所周知，当前在人类面临着粮食危机、能源匮乏、资源紧缺和生态恶化等问题的同时，也面临从利用有限的矿产资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列挑战。由于微生物细胞强大的生化转化以及快速的自我复制能力，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其独到的作用。
粮食生产是人类生存中至关重要的大事。微生物在自然界氮素、碳素以及其他各种物质循环过程中具有不可替代的作用，可提高土壤肥力、改进作物特性（如固氮植物）和促进粮食增产，实现农业可持续发展。微生物在防治作物病虫害以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、饮料和调味品等方面都可大显身手。
在能源领域，化石能源日益枯竭问题正逐渐困扰着世界各国；而微生物可把自然界中极其丰富的纤维素转化成燃料酒精，例如高温厌氧菌热纤梭菌等能直接分解纤维素以产生乙醇。据估计，我国年产植物秸秆多达5——6亿吨，如将其中的10％进行水解和发酵，就可生产燃料酒精700——800万吨；而光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌类等微生物能生产“清洁能源”――氢气，也可以让微生物从废水的有机物中摄取营养物质和能源，生产出电池所需要的燃料。
微生物发酵工程可以生产乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸、水杨酸、乌头酸、丙烯酸和γ-亚麻酸油，等等。由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料广、能耗低、效益高和污染少等优点，故必将逐步取代目前需高能耗和“三废”严重的化学工业。
对于环境保护，微生物依然大有作为。微生物本身就可维持生态系统平衡以及调节失衡的生态环境，微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素可取代各种化学肥料或化学农药，以及利用微生物生产的PHB可以制造易降解的医用塑料减少环境污染。此外，微生物在被污染环境的生物修复、城市污水及垃圾生物处理过程中得到了广泛的应用。
微生物与人类健康
自然界中除了一部分对人类有益的微生物外，还有一部分能引起人类和动植物的病理性损伤，这类微生物称为“病原微生物”。例如，微生物能引起人类伤寒、肺结核、艾滋病以及对动植物的鸡霍乱、禽流感、水稻白叶枯病等。历史上曾给人类带来特大灾难的几种传染病至今仍让人不寒而栗。公元6世纪出现第一次鼠疫大流行，死亡约1亿人。第二次大流行始于14世纪，遍及欧洲、亚洲和非洲，欧洲人口约四分之一死于鼠疫，该次鼠疫流行在医学史上称为“黑死病”。
当然，人类在长期与传染病斗争过程中已经积累了大量的经验。通过疫苗的应用，1980年世界卫生组织宣布天花已经灭绝，2000年宣布脊髓灰质炎病毒灭绝，表明人类在这场斗争中暂时取得了胜利。另外抗生素的发现和临床应用，使得人类拥有了另一个同传染病斗争非常有效的武器。但是，由于抗生素的滥用以及微生物自身的变异，现在很多临床分离菌株具有耐药性，而且耐药性越来越强，多重耐药菌株也越来越多。
据第四次全国流行病调查数据，我国的结核病耐多药率高达10%以上，这类患者治愈率一般不超过60%，且复发率高。此外，一些新发和再发传染病如艾滋病、西尼罗热和登革热等已经成为人类健康的重要杀手。可以说传染病防控形势十分严峻，前景不容乐观，需要从根本上了解病原微生物并寻找应对之策。
目前，血清学和分子生物学技术在病原体鉴定中得到了广泛的应用，主要有聚合酶链式反应（PCR）、核酸序列测定、免疫胶体金、基因（蛋白）芯片技术等。这些技术具有敏感性高、特异性强、安全可靠和快速等特点，在病原微生物诊断、鉴定、分子分型和药敏试验中发挥着日益重要的作用，尤其是对难分离培养病原体的快速鉴定，提供了有利条件。
抗生素的发现堪称为医药技术发展史上重大里程碑之一，其意义远远超过其他药物（如阿司匹林）的发明。但病原菌耐药性的出现使得抗生素研究领域的任务越来越艰巨。除了在自然界中寻找新的抗生素，利用化学方法对已有的抗生素进行修饰，现在科研人员正通过体外基因重组技术，有目的地对抗生素的生物合成进行改造，合成出更适用于临床或具有新疗效的抗生素。相信，随着人们对细菌耐药机理了解的深入，今后若干年中人类在与细菌之间的“战争”将继续占上风。一些明智的科学家大胆设想：今后能否考虑开发出抑菌药而非杀菌剂，让细菌与人类和平相处，真正维持自然界本身的平衡。
微生物学的前景
目前人类已研制出了上千种疫苗用来预防和控制各种疾病，疫苗已成为人类同传染病斗争的一种必不可少的武器。天花和小儿麻痹症的灭绝都是依赖于有效疫苗的应用，但仍有很多传染病目前尚无有效的疫苗可用，如艾滋病；同时，以前曾有效的疫苗已经失去保护作用，如卡介苗基本对成人结核病无保护能力。因此，目前的疫苗主要集中在高效疫苗的研发和使用以及常规疫苗的改进上。借助于分子生物学的发展，基因工程疫苗取得了突破性进展，并已获得良好的临床效果。
传染病诊断、抗生素开发和疫苗研制都离不开对病原微生物的深入了解。微生物基因组学以及后基因组研究（认识基因与基因组功能）能对微生物进行全面的分析，将对传染病的研究起到不可估量的推动作用。另外，微生物基因组序列分析表明，在部分微生物中存在一些与人类某些遗传疾病相类似的基因，因此可以利用这些细菌的模型来研究这些基因的功能，为认识庞大的人类基因组及其功能提供简便的模式。相信，随着基因测序方法的不断进步，基因组学研究将成为一种常规的方法，为从本质上认识微生物以及利用和改造微生物产生质的飞跃。
此外，以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生态学、环境微生物、细胞微生物学，将在基因组信息的基础上获得长足发展，为人类的生存和健康发挥积极的作用。包括微生物生命现象的特性和共性必将更加受到重视，如生命起源与进化、物质运动的基本规律等，以及微生物实际应用问题，如新的微生物资源的开发利用，将成为能源、粮食的最理想的材料。
本文作者姚玉峰来自上海交通大学医学院病原细菌学研究室