DSE 生物 · Topic VII
微生物與人類
Microorganisms and Humans
選修課題三探討微生物的多樣性（病毒/細菌/原生生物/真菌）、培養方法與無菌技術、生長曲線分析，以及微生物在食品加工（發酵）、工業酶、污水處理、沼氣生產等方面的應用，同時認識微生物基因改造及其對食品安全的危害與控制。
01
微生物學基礎
Fundamentals of Microbiology
病毒複製機制；細菌/原生生物/真菌的代表特徵；微生物生長的影響因素及生長曲線各階段
核心考點
1. 描述微生物的分類及病毒的基本結構
考評提示：病毒複製步驟、微生物生長曲線
- 考評重點 病毒不屬於細胞結構，必須寄生於宿主細胞才能進行複製；其複製步驟包括：吸附於宿主細胞表面 → 把核酸注入宿主細胞 → 利用宿主細胞的核糖體及原料複製病毒核酸及合成外殼蛋白 → 組裝成新病毒顆粒 → 透過裂解宿主細胞或出芽方式釋放；抗生素對病毒無效
- 邏輯 微生物在密閉培養物中的生長曲線可分為四期：延滯期 — 微生物適應新環境並合成必要酶，細胞數量幾無改變；對數期 — 細胞以指數式快速繁殖，代謝最旺盛；靜止期 — 養分耗盡及廢物累積使出生率與死亡率相若，總數保持相對穩定；衰亡期 — 死亡率超過出生率，活細胞數量下降
- trap 細菌、原生生物及真菌均屬微生物，但病毒並非活細胞，不被視為生物體；真菌 (如酵母菌、黴菌) 為真核生物，而細菌為原核生物；考生不可把「微生物」與「細菌」等同
常見題型
區分細菌、病毒、真菌和原生動物的主要特徵
- 細菌（bacteria）：原核生物；無核膜；細胞壁由肽聚糖（peptidoglycan）組成；以二分裂（binary fission）繁殖。
- 病毒（virus）：非細胞結構；只含DNA或RNA一種核酸；必須依賴宿主細胞才能複製（絕對細胞內寄生物）；無自身代謝活動。
- 真菌（fungi）：真核生物；細胞壁含幾丁質（chitin）；有些以菌絲形式生長；以孢子繁殖；如青黴菌（Penicillium）、酵母菌（Saccharomyces）。
- 原生動物（protozoa）：真核生物；單細胞；無細胞壁；以偽足/鞭毛/纖毛運動；如環境中的阿米巴。
解釋病毒的複製週期步驟
- 吸附（attachment）：病毒表面蛋白與宿主細胞表面特異性受體結合。
- 入侵（penetration/injection）：病毒基因組（DNA或RNA）注入或進入宿主細胞。
- 複製與合成（replication and biosynthesis）：利用宿主細胞的核糖體、酶和原料複製病毒核酸並合成病毒蛋白質外殼。
- 組裝與釋放（assembly and release）：子代病毒顆粒組裝完成後，通過裂解宿主細胞或出芽方式釋放。
分析細菌生長曲線的四個階段及影響因素
- 延滯期（lag phase）：細菌調適新環境、合成所需酶和物質；細胞數目幾乎不增加。
- 對數期（log/exponential phase）：細菌以最快恆定速率進行二分裂；細胞數目呈指數增長。
- 穩定期（stationary phase）：出生率等於死亡率；養分耗盡、代謝廢物（如乳酸、乙醇）積累限制生長。
- 衰亡期（death/decline phase）：死亡率超過出生率；有害廢物積累、養分嚴重不足。
氧氣供應對不同類型細菌的影響
- 專性好氧菌（Obligate aerobes）：必須有氧氣才能生存，進行有氧呼吸（如結核桿菌）。
- 專性厭氧菌（Obligate anaerobes）：氧氣對其有毒，只能在無氧環境中生存（如肉毒桿菌）。
- 兼性厭氧菌（Facultative anaerobes）：有氧時進行有氧呼吸，無氧時進行發酵（如大腸桿菌、酵母）。
- 微嗜氧菌（Microaerophiles）：需要低於大氣濃度的氧氣（約 2-10%）才能生長。
比較分光光度法與平板計數法量度生長
- 分光光度法（Spectrophotometry）：量度總細胞數（活+死）；速度極快；適用於監測對數期增長。
- 平板計數法（Plate count）：僅量度活細胞（CFU）；需要 24-48 小時培養；結果精確反映存活菌量。
- 分光光度法靈敏度較低，菌體濃度必須達到一定水平才能產生明顯吸光度。
- 平板計數法涉及連續稀釋，若操作不當會造成較大實驗誤差。
原核與真核微生物的結構差異
- 原核生物（如細菌）：無核膜包裹的細胞核；無膜狀細胞器（如線粒體）。
- 真核生物（如真菌、原生動物）：有核膜；有線粒體、內質網等細胞器。
- 細菌細胞壁含肽聚糖；真菌細胞壁含幾丁質；原生動物通常無細胞壁。
- 遺傳物質：原核生物多為環狀 DNA；真核生物為線性染色體且含組蛋白。
細菌的二分裂繁殖過程
- DNA 複製：環狀染色體複製出兩份相同的遺傳物質。
- 細胞伸展：細胞長度增加，兩個 DNA 分子移向兩極。
- 中隔形成：細胞膜和細胞壁向內生長，形成橫隔板（Septum）。
- 分離：細胞完全分開，產生兩個基因完全相同的子細胞。
比較病毒的基本結構與細菌的形狀分類
- 病毒結構：由核酸核心（DNA 或 RNA）及外包蛋白衣殼（capsid）組成；某些病毒另有脂質外膜。
- 病毒大小：比細菌小很多，必須在宿主細胞內才能繁殖，屬絕對寄生。
- 細菌形狀：常見三類──球菌（cocci，球形）、桿菌（bacilli，棒狀）、螺旋菌（spirilla / spirochaetes，螺旋狀）。
- 排列：球菌可形成鏈球菌（鏈狀）或葡萄球菌（葡萄串狀）等不同排列。
02
無菌技術
Aseptic Technique
無菌操作的原理和注意事項；風險評估；滅菌（高壓蒸汽/乾熱/輻射/化學）與消毒的區別
核心考點
1. 比較滅菌、消毒及無菌技術的原理
考評提示：滅菌vs消毒的區別
- 考評重點 滅菌與消毒的區別：滅菌 (sterilisation) 指殺滅所有微生物 (包括內生孢子)，常用方法為高壓蒸汽滅菌器 (autoclave，121°C、15 分鐘)；消毒 (disinfection) 僅把大部分病原微生物殺滅至安全水平，不一定能殺滅內生孢子，常用消毒劑如酒精、碘酒等
- 邏輯 無菌技術有兩項同等重要的目的：一是防止外界微生物污染培養物，以確保實驗結果準確；二是防止培養物中的微生物釋出至環境而危害健康或污染環境 (生物安全)；兩者均需透過規範操作達成
- trap 培養皿應倒置培養：倒置能防止培養過程中蓋上冷凝形成的水珠滴回瓊脂表面，避免造成菌落融合或外來污染；原因並非單純與重力有關，考生不可只答「防止滴水」而不指出後果
常見題型
描述無菌技術的目的和操作程序
- 目的：防止外界污染物進入培養物；防止微生物散播到環境。
- 操作：接種環灼燒至紅熱；在酒精燈旁開蓋（熱氣流阻隔）；培養皿倒置培養。
- 滅菌：殺滅所有微生物（包括芽孢）；消毒：殺滅大部分病原微生物。
過濾除菌：薄膜過濾法的原理
- 適用對象：熱敏感液體（如抗生素溶液、維生素、血清）。
- 規格：通常使用 0.22 微米（μm）孔徑，足以攔截大多數細菌。
- 機制：液體在壓力作用下通過濾膜，微生物被物理攔截。
接種技術：劃線平板法與塗布平板法
- 劃線平板法：利用接種環在瓊脂表面連續劃線以稀釋細菌，旨在獲得單個菌落（純化）。
- 塗布平板法：將已知體積稀釋液均勻塗布於表面，旨在進行活菌計數（量化）。
超淨工作台與生物安全
- 超淨工作台：使用過濾器提供無菌氣流，隔絕空氣中的微生物。
- 廢物處置：受污染的培養基及器材在丟棄前必須經高壓蒸汽滅菌。
- 溢出處理：立即用強效消毒劑（如次氯酸鈉/漂白水）覆蓋並消毒。
本生燈火焰在無菌操作中的角色
- 火焰滅菌：直接灼燒金屬工具（如接種環）至紅熱以殺滅所有微生物。
- 無菌區：火焰加熱空氣產生上升氣流，防止塵埃落入容器，形成約 15cm 的無菌半徑。
- 過火 (Flaming)：將試管口或玻璃塗棒快速過火以殺滅表面雜菌。
概述無菌技術的基本原則及操作流程
- 目的：防止培養物受外界微生物污染，並防止培養中的微生物外泄感染操作者。
- 工作環境：清潔工作檯面，用 70% 酒精消毒；減少空氣擾動；開啟本生燈形成熱氣上升保護區。
- 器材處理：接種環在使用前後於火焰中灼紅滅菌；培養皿及培養基需預先高壓消毒。
- 操作動作：打開培養皿蓋時盡量傾斜、動作迅速，減少暴露時間。
- 結束程序：使用後的耗材放入生物危害袋，經高壓消毒後才棄置。
比較常見滅菌方法的原理與適用對象
- 高壓蒸汽滅菌（autoclave）：121°C、約 15 分鐘；蛋白質變性殺菌；適用於培養基、耐熱器材。
- 乾熱滅菌：熱風 160–180°C 數小時；適用於玻璃器皿、金屬工具（不可用於橡膠、塑膠）。
- 火焰灼燒：本生燈直接灼紅；快速處理接種環、鉗子等。
- 化學滅菌：用 70% 酒精、氯消毒劑或戊二醛處理工作檯面或不耐熱器材。
- 輻射滅菌：γ 射線用於預先包裝的醫療用品，如一次性注射器、培養皿。
概述微生物實驗中的安全守則
- 個人防護：穿著實驗袍、配戴手套；需要時戴口罩及護目鏡；長髮束起。
- 工作習慣：實驗期間禁止飲食、不觸摸臉部；實驗前後徹底洗手。
- 意外處理：溢出時以消毒劑覆蓋，靜待一段時間後清理；皮膚接觸培養物應立即清洗並報告。
- 廢物處置：使用過的培養物及耗材放入生物危害袋，經高壓消毒後才作最終棄置。
- 記錄與監督：實驗紀錄清晰可追溯；學生必須在老師監督下進行。
03
微生物的應用
Applications of Microorganisms
食品發酵（釀啤酒）；疫苗生產；抗生素；工業酶（生物洗衣粉/果膠酶）；污水處理；沼氣生產
核心考點
1. 舉例描述微生物發酵的工業應用
考評提示：釀啤酒步驟、工業酶用途
- 邏輯 釀造啤酒的主要步驟：麥芽中的澱粉酶把澱粉糖化為葡萄糖等可發酵糖；酵母在無氧條件下把葡萄糖發酵為乙醇及二氧化碳 (最適 pH 約 4–5，溫度約 15–20°C)；發酵完成後以巴士德消毒法加熱殺死酵母，最後進行過濾及充二氧化碳以保持風味及清澈
- 考評重點 工業酶的常見應用：蛋白酶加入生物洗衣劑中，可在較低溫度下去除蛋白質污漬；果膠酶用於果汁加工使果汁澄清、提高產量；脂肪酶亦用於生物洗衣劑去除油污；澱粉酶用於食品加工及麵包製造；以上酶多由微生物在大型發酵槽中大量生產
- trap 沼氣生產：甲烷產生菌在無氧條件下分解有機廢物 (如動物糞便、農業廢料)，產物為甲烷 (CH₄) 及二氧化碳；沼氣屬可再生能源。此過程與污水的好氧生物處理不同 — 後者以好氧細菌在有氧環境下把有機物氧化為 CO₂ 及 H₂O
常見題型
描述發酵工業中微生物的應用：乳酪和麵包
- 乳酪製造：乳酸桿菌進行乳酸發酵，將乳糖分解產生乳酸；乳酸降低pH使酪蛋白凝固。
- 麵包製造：釀酒酵母菌進行無氧發酵，分解糖產生乙醇和CO₂；CO₂氣泡使麵糰膨脹。
解釋抗生素的生產及工業發酵罐的應用
- 青黴素（penicillin）由青黴菌產生；抑制細菌細胞壁合成，導致細菌破裂死亡。
- 工業發酵罐提供：恆定溫度和pH、充足氧氣（通氣裝置）、無菌操作以最大化產量。
- 次級代謝物：抗生素通常在穩定期產量最高。
說明工業用酶在食品加工和日常生活中的應用
- 生物活性洗滌劑：含蛋白酶、脂肪酶、澱粉酶；在低溫下仍有效。
- 果汁加工：果膠酶（pectinase）分解細胞壁中的果膠，提高出汁率並使果汁澄清。
- 固定化酶技術：將酶固定於載體上使酶可重複使用；例：葡萄糖異構酶生產高果糖漿。
說明微生物在醫藥產品生產中的應用
- 疫苗生產：重組疫苗利用基因工程將抗原基因導入細菌或酵母菌，使其大量生產抗原蛋白。
- 胰島素生產：利用重組DNA技術將人類胰島素基因導入大腸桿菌，大量生產人胰島素。
- 抗生素：由真菌及放線菌生產（如青黴素由青黴菌屬產生），是治療細菌感染的重要藥物。
解釋沼氣生產的原理及其應用
- 原理：厭氧細菌（産甲烷菌）在無氧條件下分解有機物；產物為甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）。
- 應用：直接燃燒作燃料；發電；剩餘沼渣可用作有機肥料。
- 優點：可再生能源；減少有機廢物及溫室氣體直接排放。
食醋的生產：醋酸桿菌的作用
- 原料：通常以含酒精的液體（如酒、果酒）為原料。
- 化學反應：醋酸桿菌（Acetobacter）在有氧條件下將乙醇氧化為醋酸（乙酸）。
- 環境需求：需要充足的氧氣供應（需氧過程）和適宜的溫度。
描述酵母在麵包與啤酒生產中的應用
- 酵母屬：Saccharomyces cerevisiae 是工業中最常用的酵母。
- 麵包：酵母分解麵粉中的糖，進行厭氧呼吸產生 CO₂ 使麵糰膨脹，酒精在烘焙時蒸發。
- 啤酒：酵母將麥芽汁中的糖發酵成酒精及 CO₂；發酵溫度、pH 及糖度會影響風味。
- 控制條件：適宜溫度（約 25–35°C）、充足糖分及無雜菌環境可提高產量。
概述抗生素的來源及作用
- 來源：大多數抗生素由真菌或細菌在生長時分泌，例如青黴素來自青黴菌（Penicillium）。
- 作用對象：抗生素能抑制或殺死細菌，但對病毒無效。
- 作用機制（概括）：干擾細菌細胞壁合成、蛋白質合成或 DNA 複製。
- 工業生產：在大型發酵罐中大量培養生產菌；提取、純化後成為藥物。
- 注意事項：濫用抗生素會選擇出抗藥性菌株，令治療效果下降。
污水處理：活性污泥法與滴濾池法
- 活性污泥法：曝氣池中泵入空氣，好氧菌分解有機物並聚集形成污泥；效率高，佔地小。
- 滴濾池法：廢水噴灑在碎石/塑膠床表面，微生物膜分解有機物；自然通風，較節能。
生物殺蟲劑與生物肥料
- Bt 毒素：蘇雲金桿菌產生蛋白質晶體，在特定昆蟲鹼性腸道激活，造成穿孔死亡。
- 根瘤菌（Rhizobium）：進入豆科植物根部固氮，將 N₂ 轉化為 NH₃；互惠互利關係。
04
微生物的危害
Hazards of Microorganisms
食源性感染與食物中毒的區別；微生物腐敗；控制微生物生長的方法（加熱、冷藏、pH調節、防腐劑）
核心考點
1. 比較食源性感染與食物中毒
考評提示：兩者的發病速度與機制區別
- 考評重點 食源性感染與食物中毒的區別：食源性感染是攝入帶有活病原菌的食物後，細菌在腸道內繁殖並引致病徵 (例：沙門氏菌)，潛伏期較長 (數小時至數天)；食物中毒是攝入細菌在食物中預先產生的毒素 (例：金黃色葡萄球菌腸毒素)，病徵通常於 1–6 小時內迅速出現
- 邏輯 控制微生物生長的原理是透過改變或移除其生長條件 (如溫度、水分、pH 及 O₂) 以抑制其代謝或殺死微生物，從而延長食品保質期；例如高溫加熱殺菌、冷藏減慢代謝、加高濃度的糖或鹽降低水分活度、酸化降低 pH 值均為常用方法
- trap 金黃色葡萄球菌腸毒素具耐熱性：即使經充分加熱殺死細菌，毒素仍可能殘留並具毒性；此類食物中毒的症狀來自毒素本身，而非活細菌；故把食物「煮熟」並不一定能防止這類食物中毒
常見題型
列舉病原微生物引起的疾病及其傳播途徑
- 細菌性疾病：肺結核（空氣飛沫傳播）；霍亂（污染水源傳播）；淋病（性接觸傳播）。
- 病毒性疾病：流感（飛沫傳播）；愛滋病/HIV（血液/性接觸/母嬰傳播）；COVID-19（飛沫及接觸傳播）。
- 真菌性疾病：足癬（接觸傳播）；念珠菌感染（機會性感染）。
說明影響食物腐敗的條件及食物保存方法
- 微生物生長所需條件：水分、適宜溫度（25–40°C）、充足養分、適當pH。
- 物理保存法：冷藏（2–5°C）；冷凍（-18°C以下）；罐頭食品（高溫加壓滅菌後密封）；輻照（殺滅微生物）。
- 化學/物理脫水法：加鹽（降低水活度）；乾燥（去除水分）；巴士德消毒法（72°C持續15秒）。
比較食源性感染與食物中毒
- 食源性感染（food-borne infection）：攝入含大量活菌的食物，細菌在腸道定殖並繁殖；症狀較慢出現。
- 食物中毒（food poisoning）：攝入含細菌預先分泌毒素的食物；毒素直接作用無需活菌；症狀迅速出現。
- 預防措施：充分煮熟食物；避免生熟食交叉污染；保持手部和廚具衛生。
解釋食物腐敗的微生物學原因及延緩腐敗的方法
- 腐敗原因：細菌及真菌在食物上繁殖，分解養分產生異味、異色及有毒物質。
- 影響因素：水分含量、溫度、pH、氧氣及養分含量都會影響微生物生長速率。
- 保存方法：低溫冷藏/冷凍（減慢代謝）、乾燥（去水）、加鹽或糖（高滲透壓）、真空包裝（去氧）、加酸醃製（低 pH）。
- 加熱：巴氏消毒及高溫煮熟可殺死大部分致病菌；消毒後須冷藏以防再污染。
- 現代技術：氣調包裝、輻射保鮮及化學防腐劑等可進一步延長保存期。
概述污水中的微生物及其對人體健康的威脅
- 主要微生物：來自糞便的細菌（如大腸桿菌 E. coli）、病毒（如腸病毒）及原生動物（如阿米巴）。
- 疾病舉例：霍亂、傷寒、腹瀉及甲型肝炎等，多經受污染水源傳播。
- 高風險情境：食用以污水灌溉的蔬菜、飲用未經處理的水源、海水浴場受污染。
- 監測指標：以糞便大腸桿菌數目作為水質指標，數值越高代表污染越嚴重。
- 防控措施：污水集中處理、氯化消毒、個人衛生及煮沸食水。
分類常見傳染病的病原體類型
- 細菌引起：結核病、霍亂、傷寒；可用抗生素治療。
- 病毒引起：流感、麻疹、COVID-19、愛滋病；抗生素無效，需疫苗或抗病毒藥。
- 真菌引起：香港腳、癬及某些肺部感染；以抗真菌藥治療。
- 原生動物引起：瘧疾（經蚊傳播）、阿米巴痢疾；需特定抗寄生蟲藥。
- 重點：辨清病原體類型對選擇有效治療及預防方法極為重要。
抗生素抗藥性的起源與擴散
- 自發突變：突變在接觸抗生素之前就已經隨機發生，可能改變抗生素靶位結構。
- 天擇作用：在抗生素存在下，具抗性的突變株存活並繁殖，而敏感株被殺死。
- 水平基因傳遞：細菌通過接合作用（質粒轉移）將抗性基因傳給其他細菌（甚至是不同物種）。
