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谷禾健康
写在前面
本文是谷禾健康微生物团队参考自英国大不列颠国家图书馆，美国微生物学会于 2003 年 在南卡罗来纳州查尔斯顿举办的一次微生物学座谈会，以及哈佛医学院微生物学系教授罗伯托·科尔特（Roberto Kolter）给Annual Review 期刊成立75 周撰写的微生物特刊等综合整理的，我们不是历史学家，更称不上微生物学专家，整理本文仅仅是向大家分享微生物学诞生和发展历程，以及全世界微生物学如何蓬勃发展、微生物相关技术给人类生命健康和生产生活等带来哪些影响和改变，我们相信未来微生物学的历史进程将会发生巨大的变化，因为从未见过像现在这样普遍的对微生物感兴趣。
我们应该思考随着技术的进步和人类对世界资源的压力越来越大，微生物科学正在发生怎样的变化？哪些主题值得探索，探索这些领域的障碍在哪里。
当我们站在基因组学、公众对生物恐怖主义、全球传染病爆发、前所未有的计算能力以及大规模生态灾难的可能性的交汇处，微生物学的最大机遇在哪里，什么是真正需要的，必须克服哪些障碍实现的机会？21世纪微生物学应该有哪些新方向？
总之，我们应该将此视为一个特殊的机会，致力于共同改善人们的生活和我们共同星球的健康。
前言
从当今科学飞速发展的角度来看，微生物学经历了漫长的发展。从安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）对小动物的描述，到法国化学键路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）创造的“微生物”一词已经过去了200多年。但是关于微生物学的累积知识和技术发展，大部分是在19世纪下半叶获得的，得益于多学科方法来研究地球上的各种微生物活动。
此时此刻，对于微生物学来说，是一个承上启下空前发展的阶段，尤其是2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 大流后，我们越来越意识到微生物是生物圈的基础。它们是所有生物的祖先，也是所有其他生命形式的支持系统。
矛盾的是，某些微生物对人类健康以及植物和动物的健康构成威胁。作为生物圈的基础和人类健康的主要决定因素，微生物在地球上的生命中扮演着主要的、根本的角色。因此，研究微生物对于研究所有生物至关重要，而微生物学对于研究和理解这个星球上的所有生命至关重要。
微生物学研究正在迅速变化。该领域受到影响公众对微生物认知的事件的影响，例如全球大流行的新冠病毒出现和持续变异、生物恐怖主义的威胁、以前有效的抗生素和治疗微生物疾病的疗法越来越失败，以及大规模污染食物的事件。微生物研究正在利用开辟新研究领域的技术进步，特别是在基因组学方面。
微生物有着迷人的生活方式，许多生活在自然环境中的微生物会根据它们所处的环境发挥有益或有害的功能。微生物学从未像今天这样令人很多人感兴趣。强大的新技术，包括新颖的成像技术、基因组学、蛋白质组学、纳米技术、快速 DNA 测序和海量计算能力，已经融合在一起，使科学家能够深入研究以往认为无法或难以实现的研究。因此，几乎每一天都会有一项关于微生物的研究发表表明微生物具有核心重要性。
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什么是微生物和微生物学？
微生物是在自然栖息地中共同生活的微生物群落，这些生物只能用显微镜才能看到，这些生命形式被称为微生物或微生物组。微生物包括细菌、古生菌、病毒、真菌、原生动物、朊病毒和酵母菌以及微观藻类。
微生物学是对肉眼无法看到的所有生物体的研究。微生物学研究涵盖了这些微生物的所有方面，例如它们的行为、进化、生态学、生物化学和生理学，以及它们引起的疾病的病理学。正如接下来的章节中所讨论的，微生物学在不同的流中扮演着非常重要的角色。
为什么微生物很重要？
在人类的发展史上，每个人都着延长寿命，1850年出生的婴儿只能指望活35年，然而目前的人类普遍的平均寿命都可以超过75年了。
那么人类是如何推翻掌握我们生命计算尺的预言，很大程度依赖过去，现在，未来在实验室战斗的无畏科学家们，尤其是微生物学家，比如，安东尼·飞利浦·范·列文虎克（发明显微镜，并观察到 “动物”（小动物）的微生物（细菌和原生动物）的人）、路易斯·巴斯德（他创造了“发酵”一词，是“现代微生物学之父/细菌学之父”）、罗伯特·科赫（提出科赫法则，验证了疾病的细菌理论，现代微生物的奠基人）、亚历山大·弗莱明安东（青霉素的发现者）、中国科学家伍连德（中国科学防疫第一人，世界鼠疫专家）、汤飞凡（著名微生物学家、沙眼衣原体发现人）等，他们抢救孕妇，拯救婴儿，对抗瘟疫，研制疫苗，发现抗生素等，大大扩展了人类对生命和微生物的认知，对延长人类寿命做出重要的贡献。
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微生物和微生物学的核心作用
微生物影响着所有生命以及我们星球的物理和化学组成。从生命的起源开始，没有所有其他生物的生命是可能的，但没有微生物的生命是不可能的。
因此，科学家认为如果不考虑微生物的活动，就无法对生物学或地质学的任何分支进行深入研究。微生物是生物圈的主人，而我们存在的星球确实是微生物的星球。
微生物也是人类健康的决定因素，也是医疗和工业用途的关键材料的来源。因此，微生物学与生物化学、遗传学、进化或分子生物学一样，是生命研究的核心。
// 生命之树的根源
天体生物学中最大的问题之一是生命如何起源于地球。生命的基石和对生命至关重要的有机分子从原始地球开始就存在于地球上，在那里形成了生命的基本单位——细胞。这个过程是如何完成的，是天体生物学的主要研究领域之一。
微生物是现在地球上所有复杂多样的生物形式的祖先。植物和动物出现在微生物世界中，并与微生物保持着密切的联系和依赖。
作为生命之树的根，微生物是所有生命形成的原始模板，所有生命都与之密切相关。为了了解我们今天在生命之树的树枝顶端看到的生物的进化过程，有必要研究它们与祖先的关系以及这些祖先是什么样的。
通过研究当今生活的与第一批生命形式的特性相呼应的微生物，微生物学家试图了解创造我们全球生态系统的力量和过程。
此外，微生物是用于实验进化的卓越系统，因为它们为研究人员提供了快速的世代时间、遗传灵活性、无与伦比的实验规模和易于管理的研究系统。使用微生物的研究对所有物种的进化产生了开创性的见解。例如，对微生物相互关联性的研究首先揭示了地球上所有生命进化关联性的当前模型，即生命之树。
1970 年代发现了“生命的第三领域”。古生菌因其独特的生物学特性和大分子而被认为是非凡的研究对象。这一发现引发了许多关于生命起源和了解生物系统如何运作的潜力的问题，因为古细菌为研究提供了独特的资源，以揭示免疫系统的多样性和复杂性。
微生物学家开始拼凑生物系统如何从其组成部分工作，从而使科学家能够设计出执行定制功能的生物体。随着合成生物学领域的发展，现实世界的应用正在从思想领域和实验室范围内的研究转向产业化实践和产业。
最初，许多科学家的印象是深海通风口是生命起源的关键。在这里发现的化合物，可以在我们的海洋底部合成，尽管它是黑暗的，但有许多有机分子和微生物在那里发现了生命。这导致科学家们将他们的研究超越了我们的世界，对包括火星在内的行星进行了任务。鉴于我们知道微生物有能力在水中生存，他们一直在寻找确定“红色星球”过去是否有海洋。
// 维持地球上的生命
生命不仅始于微生物，地球上生命的持续存在完全依赖于不起眼的微生物。据估计，大约有5×10 31（ 重达 50 万亿公吨）微生物细胞存在于这个星球上，它们对生物圈的重要性再怎么强调都不为过。
微生物负责循环生命中的关键元素，包括碳、氮、硫、氢和氧。通过在土壤中循环这些元素，微生物可以调节植物养分的可用性，从而控制土壤肥力并实现维持人类和动物生命的有效植物生长。
微生物在循环大气气体中也发挥着重要作用，包括造成“温室效应”的化合物，自相矛盾的是，它维持着我们星球上的生命，但通过全球变暖，对所有生物构成威胁。与绿色植物相比，微生物进行更多的光合作用。
事实证明，由于微生物可以吸收大型生物通常无法利用的营养物质和其他元素，因此微生物位于许多食物链的底部，在那里它们将以前惰性的无机材料转化到生物圈中。
微生物也是回收专家，它们降解生物废物并释放关键元素供其他生物使用。
目前，科学家才刚刚开始了解微生物如何适应环境，它们如何应对变化，以及它们如何与微生物群落的其他成员交流以执行维持生物圈的功能。了解这些现象将有助于我们更全面地了解我们的全球生态系统，并可能使科学家能够纠正人类对大大小小的生态系统的破坏。
// 对人类健康至关重要但危险
人类与微生物有着密切的关系。尽管它们对环境产生了很大的有益影响，但一小部分臭名昭著的细菌、真菌、寄生虫和病毒可能会导致疾病。
我们体内90%以上的细胞都是微生物；细菌和真菌遍布我们的皮肤、口腔、肠道和其他区域。微生物能够在我们的肠道中有效消化，合成必需的营养物质，并与身体器官保持良性甚至有益的关系。这些生物的存在会影响我们的身心健康。
微生物是如何引起疾病的？病原微生物和病毒具有各自的生态策略，该策略决定了它们攻击的位置以及它们对宿主的影响。
问题的根源之一是病原体在我们的免疫系统认为是“特权”的人体区域定殖。在进入这些地点或维持其菌落的过程中，微生物和病毒可能会对人体组织造成损害，产生疾病的迹象和症状。当免疫系统检测到微生物细胞或病毒时，疾病也可能开始。身体的免疫系统会对可能对身体本身造成伤害的外来生物进行攻击。在某些情况下，病原体在人体组织中造成的损害或对它们的免疫反应可以促进病原体向新宿主的传播。
因此，疾病的出现是一种新的致病微生物或病毒被识别或一种旧的微生物或病毒导致一种新的疾病——是当今的热门话题。从大肠杆菌O157 菌株到 SARS到COVID-19，每年都会发现新的疾病和新的病原体，这让公众感到恐惧。许多情况可能在疾病出现率的增加中起作用，包括各种宿主、环境和社会因素。
// 对工业和医学有用
工业和医学越来越依赖微生物来生产化学品、抗生素和酶，从而改善我们的世界并拯救生命。微生物正在被分子生物学工具驯化，以生产可生物降解的塑料和各种类型的新材料。
生物技术很快将成为各国工业基础的支柱，它以多种方式利用微生物和病毒，包括作物基因工程和基因治疗等不同应用。微生物学研究使这些成功的技术成为可能，而在工业和医学中使用微生物的未来进步依赖于今天进行有效的研究。
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为什么微生物学研究很重要？
如上所述，微生物在我们的生活中起着至关重要的作用。事实上，我们不能没有他们，但他们可以没有我们。它们涉及许多过程，并且存在于多种环境中，其中一些是极端的。
由于它们的多功能性，微生物可以在许多方面发挥作用：疾病的原因和控制、制造救命药物、制造生物燃料、清理污染以及生产/加工食品和饮料，影响气候和生态环境。
// 医学微生物学的重要性
医学微生物学主要研究对人类和动物都有益和有害的微生物。医学微生物学的分支包括病毒学、细菌学、寄生虫学和真菌学等。
医学微生物学具有的一些重要特征，这些重要性在于它有助于病原微生物的鉴定、分离、诊断和治疗，还可以产生有益的生物体，如酵母菌和一些抗生素。
微生物学家研究微生物，而支撑现代社会的一些最重要的发现来自著名微生物学家的研究，例如詹纳和他的天花疫苗、弗莱明和青霉素的发现、马歇尔以及确定幽门螺杆菌之间的联系幽门螺杆菌感染和胃溃疡，以及 zur Hausen，他确定了乳头状瘤病毒与宫颈癌之间的联系。
生物医学研究源自生命和物理科学的许多领域，包括生物学。生物学家使用微生物学来开发预防疾病的新方法。微生物学提供的信息可进一步用于制造针对不同疾病的疫苗和治疗方法。
随着新细菌和感染的识别和分类，医学微生物学家的工作也在不断发展。生物学家在研究免疫系统时会使用从微生物学中获得的知识。
科学家在确定维生素补充剂对人类的影响时研究维生素效率。如果没有微生物学，科学家将无法看到细胞的内部结构并了解细菌、病毒和原生生物如何发育、生长和感染其他细胞。
微生物学在医疗设备中发挥着重要作用，例如荧光融合，用于快速准确地检测组织样本中的病原体。它是一种进行免疫荧光研究的技术，可用于在复杂的生物系统中寻找特定细胞。
医学微生物学的最大例子是给糖尿病患者注射从动物身上获得的胰岛素。但是由于大量需求以及由于它不是人类衍生的兼容性问题，因此需要一些其他来源的人胰岛素。然后采用涉及大肠杆菌的rDNA(Recombinant DNA)技术生产大量甚至安全的人胰岛素。
外科、医疗技术和药理学领域的发展促进了以前无法治愈的各种恶性和非恶性疾病的治疗。这些进步导致预期寿命和生活质量的提高。然而，也有不利的一面，包括因手术和其他侵入性手术、免疫抑制药物治疗或免疫系统老化而特别容易感染的患者数量激增。这些患者可能会感染多种微生物，包括那些通常不具致病性的微生物。
人们也越来越认识到感染的异常临床表现和病原体在它们通常不相关的身体区域中的存在。分子技术能够检测不可培养或难以培养的微生物，有望快速检测新的和不寻常的微生物。并非所有分子系统都是针对所有病原体设计的，但未来可检测微生物的范围可能会增加。
实验室检查是临床医生处理侵袭性感染患者的重要工具。脓毒症的发病率在世界某些地区有所增加，迫切需要快速识别致病微生物。与传统的培养和鉴定技术相比，多项研究已经确定现代分子方法的总体敏感性和特异性更高。检测时间也令人印象深刻，快速分子方法为 0.2-6 小时，而传统方法为 24-48 小时。
// 人体微生物学的重要性
人类胃肠道是极其密集的微生物群落的家园。这些微生物采用独特的策略在这种主要厌氧的环境中捕获能量。在分解源自饮食和宿主的底物的过程中，肠道微生物群会产生范围广泛的代谢产物，这些产物会在肠道中积累到高水平。越来越多的研究表明，这些化学物质通过作用于胃肠道内的细胞或进入循环并在体内远端部位发挥作用，从而影响宿主生物学。
鉴于肠道微生物群的高度功能多样性和多样化饮食，人体内微生物群衍生分子的组成部分因个体而异。因此，肠道中的微生物和它们产生的代谢终产物代表了一个表型杠杆，我们可以控制它来开发个性化医疗的新疗法。
越来越多的微生物组功能研究揭示了代谢物对人类健康和疾病的具体影响。随着对这些分子知识的扩展和生物学机制的阐明，将会出现一组新的治疗靶点。我们设想精确的健康策略将需要测量一个人的微生物组并将这些数据与代谢组以及蛋白组等分析相结合。然后，这些数据将指导利用微生物组的相对可塑性来调节微生物代谢物和促进健康的策略。
研究人员正在研发和推进控制微生物的个性化的策略，包括：
（a）改变微生物代谢的底物可用性
（b）通过饮食调节物种组成
（c）靶向微生物或代谢物的药物
（d）开发设计益生菌
（e）组装微生物群落
（f）进行粪便微生物群移植
….
这些策略存在于分子特异性的连续统一体上，从针对单个微生物中的单个酶的药物治疗方法到替代微生物组大部分代谢活动的粪便移植。
找到有效的策略将取决于对微生物和宿主新陈代谢的精确了解，同时需要足够大的人群数据库。这些与宿主修饰的化合物特别相关，在动物模型中控制代谢物通量的化合物可能不会在人体中这样做，因为 I 期和 II 期代谢不同。
// 环境微生物学的重要性
环境微生物学是对环境中微生物群落的组成和生理学的研究。在这种情况下，环境是指覆盖地球的土壤、水、空气和沉积物，还可以包括居住在这些区域上的动植物。
环境微生物学还包括对存在于人工环境（如生物反应器）中的微生物的研究。在这一领域工作的科学家通常强调微生物与植物生命和动物生命的相互作用，以及污染和季节变化等所有环境因素。
以下是微生物学的一些环境用途。它用于油的降解。
众所周知，石油是有毒的，石油造成的污染是一个重大的生态问题。沿海地区和公海的石油泄漏难以控制且难以缓解，但大部分石油可以通过微生物群落的碳氢化合物降解活动消除，特别是碳氢化合物细菌 (HCB)。这些生物可以帮助修复海洋栖息地石油污染造成的生态破坏。HCB 在生物塑料和生物催化领域也具有潜在的生物技术应用。
其次，它用于芳香族化合物的降解。从环境中分离出来的不动杆菌菌株能够降解多种芳香族化合物，也用于废物生物处理的分析。
分子生物学和基因组学在环境微生物学中的应用导致在自然微生物群落中发现了巨大的复杂性。在一系列分子和生物信息学技术的支持下，对自然种群的多样性调查、社区指纹识别和功能询问已经变得很普遍。
// 微生物学在食品工业中的重要性
微生物学也有助于保证我们的食品安全。微生物学帮助我们识别食物中存在的微生物。更好地了解这些微生物，帮助生物学家找出防止食物腐败变质和确保食物安全的方法。科学家使用好细菌对抗病原菌来防止食物污染。以下是微生物学在食品和农业工业中的优点。
专门研究食品细菌的微生物学家可以与食品和药物管理局合作，帮助识别可能对人类健康构成风险的食品。他们还调查食物中毒的爆发，旨在找出其原因，以防止再次发生。
微生物学也为我们提供了干净的水。这些活细菌有助于通过污水处理保持水的清洁。细菌分解污水中的有机物，在水释放回环境之前帮助净化水。
微生物学家研究微生物在土壤中的重要作用。一些专注于植物病虫害，开发控制它们的方法，甚至使用微生物来控制害虫和杂草。其他人则研究导致农场动物疾病的微生物。此外，微生物学帮助农民优化硝酸盐水平并最大限度地提高产量。
它有助于找出天然农药。很少有像细菌和病毒这样的微生物被用来对抗攻击农作物的害虫。因此，它们被称为天然农药。它们对害虫或昆虫如此特殊，不会对植物或动物和人类造成任何伤害。
帮助使用天然肥料。很少有像藻类和细菌这样的微生物通过固氮和保持土壤容量的水分来提高土壤肥力。因此，它们还保持适合植物生长的土壤微生物学。轮作是农民采用的一种技术，通过利用豆科植物根部的微生物来提高土壤肥力。
农业微生物学有助于分解废物。微生物分解农业土壤中的合成农药残留和其他有毒物质，从而保护农场免受毒素积累。
食品工业中微生物学应用的一个例子是乳酸链球菌素。它是一种抗菌剂，用于奶酪、肉类和饮料，通过抑制有害细菌的生长来延长保质期。
// 微生物学在日常生活中的重要性
微生物学在我们的日常生活中使用并在其中发挥着重要作用。这里讨论了我们日常生活中使用的微生物学的一些主要特征。日常生活中应用的微生物学，在食品生产、生物降解、商业产品生产、生物技术和基因工程方面。
有各种各样的菜肴需要微生物。例如，为了制作凝乳和奶酪，就需要微生物。一种叫做乳酸杆菌的细菌将牛奶中的乳糖转化为乳酸，从而将牛奶转化为凝乳。此外，酵母可以用来制作面包，在制作酸奶的过程中，细菌很重要。
此外，维生素K只能由人体内的微生物合成。除此之外，细菌用于合成具有商业价值的产品，例如用于制造一次性尿布和塑料的羟基丁酸。也在乙醇中，这是一种生物燃料，它们还合成氨基酸，这是非常常见的膳食补充剂。
因此，微生物学旨在通过研究微生物的形态、新陈代谢、生理学、繁殖和遗传学来获得和扩展我们对微生物的基本理解。这就是微生物学在不同领域发挥重要作用的方式。
在接下来的几年里，我们将看到微生物学的各种其他用途，这对我们在各个方面都非常有益。
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诞生时代
▸微生物学一词是由法国化学家路易斯巴斯德 (Louis Pasteur, 1822-95) 提出的。
▸据说微生物学起源于 1850 年后生物科学的巨大扩展和发展。
▸Sedillot (1878) 首次使用微生物一词。
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发展时代
▸17 世纪的英国科学家罗伯特·胡克是第一个使用镜头观察他称之为“细胞”的最小组织单位的人。不久之后，荷兰业余生物学家安东·范·列文虎克用他自制的显微镜观察了他所谓的“动物”。
▸荷兰代尔夫特的安东尼·范·列文虎克 (1632-1723)是第一个在 1676 年观察并准确描述称为“动物”（小动物）的微生物（细菌和原生动物）的人。他建造了 250 多台小型强大的显微镜，可以放大大约 50-300 倍。
▸列文虎克是第一个使用他自己制造的显微镜对细菌和原生动物进行精确和正确描述的人。由于对微生物学的这一非凡贡献，安东尼·范·列文虎克被认为是“微生物学之父”。
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过渡时代
▸当已知微生物存在时，大多数科学家认为这种简单的生命形式肯定可以通过自发产生。也就是说，生命被认为是从泥泞、湖泊或任何营养充足的地方自发产生的。这个概念是如此引人注目，以至于它一直持续到 19 世纪后期。
▸Francesco Redi (1626-1697)：自发产生的古老信念首先受到意大利医生 Redi 的挑战，他对腐肉及其自发产生蛆的能力进行了一系列实验。
▸John Needham (1713-1781)：他可能是自发产生理论的最大支持者。他提出这种微生物是在他的羊肉汁中自发产生的。他像 Redi 那样用软木塞盖住烧瓶，甚至加热了一些烧瓶。微生物仍然出现在羊肉汤上。
▸拉扎罗·斯帕兰扎尼（Lazzaro Spallanzani，1729-1799）：他是一位试图反驳李约瑟实验的意大利博物学家。他将牛肉汤煮了更长的时间，从烧瓶中抽出空气，然后密封容器。在温育之后，他在这些烧瓶中没有观察到生长。他表明，只要在脖子上开一个小裂缝，加热的营养物质在暴露在空气中时仍然可以生长出微生物。因此，斯帕兰扎尼反驳了自发产生的学说。
▸Nicolas Appert遵循了 Spallanzani 的工作理念。他是一位法国酿酒师，他证明了汤和液体可以通过在厚厚的香槟瓶中广泛加热来保存。
▸Ignaz Semmelweis和John Snow是对疾病传播方式的认识日益增强的两个人。
▸两位德国学者Schulze (1815-1873)和Theodor Schwan (1810-1882)认为空气是微生物的来源，并试图通过将空气通过热玻璃管或强化学物质进入烧瓶中煮沸的输液来证明这一点。两种情况下的输液都没有微生物。
▸George Schroeder和Theodor Von Dusch (1854)率先提出使用棉塞塞住微生物培养管的想法。
▸达尔文（1859 年）在他的著作《物种起源》中表明，人体可以被视为易受自然法则影响的生物。他认为疾病可能是一种生物学现象，而不是任何魔法。
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黄金时代
▸微生物学的黄金时代始于路易斯巴斯德和罗伯特科赫的工作，他们拥有自己的研究所。更重要的是，全世界的科学界都接受了他们的工作，并愿意继续和扩展这项工作。在此期间，我们看到了微生物学作为生物学学科的真正开端。
▸法国化学家路易斯·巴斯德（ Louis Pasteur）在一组涉及鹅颈烧瓶的启发性实验中最终搁置了自发产生的概念。当他在直颈烧瓶中煮肉汤并将其暴露在空气中时，有机体就会生长。当他用他的鹅颈烧瓶做这个时，什么都没有。第二个烧瓶的 S 形截留空气中的灰尘颗粒，防止它们到达肉汤。通过证明他可以让空气进入烧瓶而不是空气中的颗粒，巴斯德证明了在肉汤中生长的是灰尘中的有机体。
▸因此，巴斯德在 1858 年终于解决了自发产生与生物发生的争论，并证明微生物不是从无生命的物质自发产生的，而是从其他微生物产生的。
▸他还发现水果和谷物发酵产生酒精是由微生物引起的，并确定细菌是发酵过程中葡萄酒变质的原因。巴斯德在 1862 年提出，在 62.8°C (145°F) 温度下温和加热 30 分钟而不是煮沸足以在不破坏产品味道的情况下破坏有害生物，该过程称为巴氏杀菌。巴氏杀菌法于 1892 年在商业基础上引入美国。他的工作导致了疾病细菌理论的发展。
▸路易斯巴斯德被誉为“现代微生物学之父/细菌学之父”。
▸John Tyndall (1820 – 1893)：一位英国物理学家，在 1877 年对自发产生进行了最后一击。他在一个无菌设计的盒子中进行了实验，以证明灰尘确实携带了细菌。他证明，如果不存在灰尘，无菌肉汤即使直接暴露在空气中，也可以无限期地保持没有微生物生长。他在干草的输液中发现了高度抗性的细菌结构，后来被称为内生孢子。需要长时间煮沸或间歇加热来杀死这些孢子，使输液完全灭菌，这一过程称为丁达尔化。
▸大约在巴斯德进行实验的同时，一位名叫罗伯特·科赫的医生正在努力寻找一些非常讨厌的动物疾病（首先是炭疽，然后是肺结核）的原因。他首次直接证明了细菌在引起疾病中的作用。他是一位德国医生，1876年首先分离出炭疽杆菌（Bacillus anthracis，引起炭疽病）。他完善了纯培养分离细菌的技术。他还在 1881 年通过使用明胶作为固化剂介绍了固体培养基的使用。1882年发现结核分枝杆菌. 他提出了科赫假设，该假设发表于 1884 年，是疾病细菌理论的基石，至今仍在用于证明传染病的病因（具体原因）。
科赫的四个假设是：
许多科学家的共同努力，最重要的是路易斯巴斯德和罗伯特科赫建立了疾病的细菌理论。看不见的微生物是疾病的原因的想法被称为细菌理论。
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医学和外科的发展
▸一旦科学家们知道微生物会导致疾病，医疗实践的显着改善只是时间问题。手术曾经和不做任何事情一样危险，但一旦引入无菌（无菌）技术，康复率就会显着提高。洗手和对感染患者进行隔离减少了疾病的传播，并使医院成为接受治疗的地方，而不是死亡的地方。
▸约瑟夫·李斯特勋爵 (1827-1912)：一位著名的英国外科医生，因其对预防和治疗伤口感染的抗菌治疗的显着贡献而闻名。Lister 得出结论，伤口感染也是由微生物引起的。
1867 年，他开发了一种消毒手术系统，旨在通过在手术敷料上使用苯酚来防止微生物进入伤口，有时还会喷洒在手术区域。
他还设计了一种方法，通过向空气中喷洒细小的石炭酸雾来破坏手术室中的微生物，从而产生消毒环境。因此，约瑟夫李斯特是第一个引入无菌技术，通过使用今天仍在使用的物理和化学试剂来控制微生物。由于这一显着的贡献，Joseph Lister 被称为防腐手术之父。
▸微生物的致病机理在很大程度上是环境微生物学的一部分。罗伯特·科赫的工作是世界观即将发生变化的主要驱动力。科赫证明细菌是重要传染病的病原体，这一观点的强大吸引力使微生物学的医学方面处于中心地位。知道细菌是传染病的病原体，长期以来一直是人类死亡的主要原因，意味着如果你能杀死负责的细菌，你就能治愈疾病。
▸到了20世纪初，微生物学主要集中在努力识别人类传染病背后的微生物。1918年流感大流行造成的可怕死亡人数只是加速了这些努力。由于直到20世纪30年代才发现流感病毒，在此之前，人们认为罪魁祸首是一种细菌，因此在大流行之后的几年里，许多致病细菌都得到了鉴定和深入研究。在这种情况下，关于微生物有益方面的研究基本上被搁置一旁。
▸在鉴定致病微生物的同时，许多微生物学家将注意力转向发现能够专门杀死这些微生物的化合物，这导致了20世纪人类医学史上最戏剧性的革命。
萨哈希罗·哈塔（Sahachiro Hata）和保罗·埃利希（Paul Ehrlich）的早期努力产生了第一种有机抗菌剂，即毒性较大的砷胂胺（Salvarsan），早在1910年就用于治疗梅毒。将染料用作抗菌灵丹妙药的长期努力导致了磺胺类药物的偶然发现，首先是磺胺嘧啶核苷（Prontosil），它在20世纪30年代进入临床使用。但毫无疑问，最有影响力的早期抗菌药物是青霉素。
从1928年亚历山大·弗莱明意外发现青霉素，到1942年霍华德·弗洛里、恩斯特·查恩、玛格丽特·詹宁斯等人在牛津大学的开创性工作，青霉素的纯化和有效注射使用，这种抗生素的开发仍然是人类最伟大的成就之一。
▸一种临床上有用的杀死其他微生物的微生物产品的发现对微生物学、医学和整个制药业的历史产生了持久的影响。为了发现更多的抗生素，出现了一场巨大而非常成功的热潮。
抗生素的临床成功导致其产量增加。这最初得益于20世纪40年代初的世界大战思维。由于青霉素被视为战争中的神奇药物，它的产量在很短的时间内急剧增加。1941年，全球的库存量只有几毫克，到1945年，每月生产近4000公斤。
由于与环境微生物学的分歧，医学微生物学很少关注生产和使用如此大量抗菌剂的生态后果。那些对根除病原菌的方法感兴趣的人和那些对微生物生态学感兴趣的人之间几乎没有什么合作和深入的交流对话。
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疫苗开发
▸疫苗接种是在细菌理论之前发现的，但直到巴斯德时代才被完全理解。在 18 世纪后期，挤奶女工从他们挤奶的奶牛身上感染了非致命的牛痘病，而这些女工在周期性地肆虐英格兰的致命天花爆发中幸免于难。医生爱德华·詹纳（Edward Jenner）使用牛痘痂脓液为人们接种天花疫苗。
▸爱德华·詹纳（Edward Jenner，1749-1823）是第一个预防天花的英国医生。观察到农村挤奶女工在挤奶时接触了牛痘（牛痘是一种与天花密切相关的病毒引起的较轻的疾病），随后对天花产生了免疫力，这让他印象深刻。1796年 5 月 14日，他证明给人们接种牛痘病灶的脓液可以预防天花。
▸Jenner 于 1798 年发表了他对 23 名成功接种者的研究结果。最终这个过程被称为疫苗接种，基于拉丁词“Vacca”，意思是奶牛。
▸Jenner 的实验意义是由巴斯德实现的，他接下来将这一原理应用于预防炭疽病，并且奏效了。他将减毒培养疫苗（Vacca = 牛）和该过程称为疫苗接种。
受到通过疫苗接种成功预防炭疽热的鼓舞，巴斯德通过研制一种针对恐水症或狂犬病（一种通过狗和其他动物叮咬传播给人类的疾病）的疫苗，朝着为人类服务的方向前进。
与詹纳的天花疫苗接种一样，狂犬病的预防治疗原则也充分发挥了作用，为现代免疫计划奠定了针对白喉、破伤风、百日咳、脊髓灰质炎和麻疹等许多可怕疾病的免疫计划的基础。
▸Elie Metchnikoff (1845-1916)于 1883 年提出了免疫吞噬理论。他发现一些血液中的白细胞、白细胞 (WBC) 通过吞噬引起疾病的细菌来预防疾病。这些细胞被称为吞噬细胞和吞噬过程。因此，人体血细胞也具有免疫力，称为细胞免疫。
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化疗药物、抗毒素和抗生素的开发
▸两位著名的法国细菌学家Emile Roux (1853-1933)和Alexandre Yersin证明了在白喉生物肉汤培养物的滤液中产生了毒素。
Emil von Behring (1854 -1917) 和 Shibasaburo Kitasato (1852-1931) 都是 Robert Koch 的同事，在 1890 年发现了破伤风（锁颚）抗毒素。在宣布发现破伤风抗毒素仅大约一周后，1890 年，冯·贝林 (Von Behring) 就用白喉抗毒素对白喉进行免疫治疗提出了反驳。毒素-抗毒素关系的发现对免疫学的发展具有重要意义。
▸Paul Ehrlich (1854-1915)在 1904 年发现染料台盼红对导致非洲昏睡病的锥虫具有活性，可用于治疗。这种具有抗菌活性的染料被称为“魔术子弹”。随后在 1910 年，埃利希与日本医生畑坂弘合作，推出了药物 Salvarsan（砷苯）作为治疗由梅毒螺旋体引起的梅毒。Ehrlich 的工作为未来的许多发展奠定了重要基础，Salvarsen 的使用标志着化学疗法的开端，以及选择性抑制或杀死病原体而不对患者造成伤害的化学物质的使用。
▸1935 年，德国的Gerhard Domagk用多种合成染料进行了实验，并报告说 Prontosil 是一种用于给皮革染色的红色染料，它对小鼠体内的病原体、链球菌和葡萄球菌具有活性，尽管它在试管中对相同的传染原没有作用。同年，两位法国科学家 Jacques 和 Therese Trefonel 表明，化合物 Prontosil 在动物体内被分解为真正的活性因子磺胺（磺胺药物）。Domagk 因发现第一种磺胺类药物而于 1939 年获得诺贝尔奖。
▸抗生素是在 1920 年代完全偶然发现的，当时在培养皿（称为盘子）中放置的固体培养物比平时更长。就像任何食物来源一样，它会发霉，长出一块毛茸茸的真菌。与平板其余部分的细菌相比，真菌菌落周围区域的菌落尺寸较小，并且似乎生长不良。被发现负责这种抗菌作用的化合物被命名为青霉素。第一种抗生素青霉素后来被用于治疗患有各种细菌感染的人，并预防烧伤患者的细菌感染，以及许多其他应用。就这样，亚历山大·弗莱明爵士在 1929 年发现了第一个抗生素青霉素。
▸美国罗格斯大学的瓦克斯曼在 1944年发现了另一种抗生素链霉素，它是由两种放线菌（灰色链霉菌）产生的。瓦克斯曼于 1952 年因发现用于治疗结核病的链霉素获得了诺贝尔奖，这是一种由结核分枝杆菌引起的细菌性疾病由 Robert Koch 于 1882 年发现。
▸到 1950 年，又鉴定出其他三种产生抗生素的微生物，例如Paul R. Burkholder 博士于 1947 年从委内瑞拉链霉菌中提取的氯霉素（氯霉素），以及BM 博士从金黄色葡萄球菌中提取的金霉素1948 年的挖掘机；Finlay、Hobby 和合作者于 1950 年从S. rimosus中提取土霉素。
▸1910 年罗伯特·科赫 (Robert Koch) 去世和第一次世界大战的到来标志着微生物学研究发生了巨大转变。巴斯德研究所关闭，德国实验室转而生产用于治疗战争感染的血液成分。许多人称之为微生物学的黄金时代就此结束。
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20世纪：分子生物学时代
▸到 1900 年底，微生物学发展到青春期，并已成为更具包容性的生物学领域的一个分支。
晚年，微生物被作为研究各种生命过程的理想工具而被广泛采用，由此诞生了一个独立的微生物学学科——分子生物学。
微生物的相对简单性、它们的短寿命和遗传同质性为了解活生物体的生理、生化和遗传复杂性提供了一个真实的模拟模型。
分子生物学领域在理解遗传密码、如何调节 DNA 以及如何将 RNA 翻译成蛋白质方面取得了长足的进步。在此之前，研究主要集中在植物和动物细胞上，它们比细菌细胞复杂得多。当研究人员转而研究细菌中的这些过程时，基因和酶的许多秘密开始显露出来。
▸快速浏览一下从 1947 年到 1976 年分子生物学取得的进展，绝对会让人惊叹不已。科学从对基因性质的不确定状态转变为对复制、转录、翻译的分子基础以及如何调节这些过程的基础知识的相当完整的理解。大多数进展是细菌遗传学（Delbrück 和噬菌体小组的遗产）和生物化学（以 Avery 的纯化和表征方法为例）结合在一起的结果，生物物理学也做出了重要贡献。这一切的中心是大肠杆菌及其噬菌体。
很容易想象单看 DNA 结构就能揭示 DNA 复制和蛋白质合成的机制。但这种结构无疑提供了使用所有可用工具解决这些问题所需的所有动力。在不到十年的时间里，复制和蛋白质合成的一般机制被研究出来。
▸在提出 DNA 结构后不久，了解 DNA 中包含的信息如何被处理以产生蛋白质成为一个关键问题。1954 年，宇宙学家 George Gamow 提出了一种过程，即蛋白质合成通过钥匙锁机制在 DNA 表面发生，其中每个氨基酸都将作为一把钥匙，专门插入可能的 20 个孔或锁中的一个。
▸大部分关于 DNA 如何通过 RNA 聚合酶转录成 mRNA 以及 mRNA 如何在核糖体中翻译成蛋白质以及破译遗传密码的基础知识都发表于 1961 年，这是分子生物学非凡的一年。
▸核糖体于 1955 年被发现并被描述为真核细胞中蛋白质合成的场所。1958年报道了tRNA的存在。但到 1960 年底，几乎没有更多细节被公布。然后，在短暂的推进中，所有的拼图都慢慢凑齐了。基于对噬菌体突变体的遗传分析，Crick 与 Leslie Barnett、Sydney Brenner 和 Richard Watts-Tobin (23) 表明遗传密码是三联密码，三联密码不重叠，密码不包含逗号，每个基因序列都是从特定的起点读取的。
▸ 在基因活动调控这一主题上取得的进展使 1961 年发表的所有其他成就加冕。虽然研究了许多系统，但毫无疑问，在该主题上最有影响力的工作来自弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺。通过应用遗传分析来研究大肠杆菌中β-半乳糖苷酶活性的诱导，他们开辟了一个关于基因如何关闭和开启的全新世界。
特别是，到 1961 年，他们发表了具有里程碑意义的论文，展示了他们积累的关于乳糖利用基因如何在大肠杆菌中受到调节的遗传证据。其中，他们提出了他们的操纵子模型，其中多个编码酶的基因由作用于操纵基因的阻遏基因调节。事实证明，他们的想法对分子生物学家如何进行基因调控研究产生了持久而极强的影响。
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归为统一，21世纪微生物学
在 20 世纪的最后 20 年里，毫无疑问，研究宿主-病原体与模型系统和纯培养物相互作用的非常成功的方法使他们中的许多人专注于他们正在进行的研究。1999 年发表了使用非培养方法描述人类肠道微生物群高度多样性的最早报告之一。也许是因为它的资深作者 Joel Doré 曾接受过环境微生物学家的培训，这项开创性的工作几年来相对不为人所知。
在 Torsvik 描述土壤中的高细菌多样性 15 年后，Paul Eckburg、David Relman 及其同事在 2005 年发表了一篇广泛阅读的论文，描述了人类肠道中的高微生物多样性。这项工作让许多人大开眼界，它引发了人类微生物群研究的爆炸式增长。很快，几个实验室要么在纯培养中研究模型微生物，要么在动物模型中使用它们，转而使用独立于培养的方法研究人类微生物群的不同方面。这种转变恰逢测序方法的显着改进和计算能力的提高。
这个话题引起了科学家和公众的极大兴趣，因此美国国立卫生研究院于 2007 年启动了耗资 1.7 亿美元、为期 10 年的人类微生物组计划。尽管对因果关系有大量的夸张和广泛的不恰当解释，但将特定的微生物群落组成与功能联系起来有很多精彩的工作，这项新工作还包含生态学。
人类希望发展能够减轻与人类疾病相关的痛苦的医学实践，推动了继续进行基因研究的努力。世界各地的研究人员越来越多地以联盟和其他协作小组的形式聚集在一起，以完成生物学的重大成就。这些努力的第一个重大成功是人类基因组的测序，这是通过人类基因组计划(HGP) 完成的。
这种对理解人类与其相关微生物群落之间相互作用的兴趣的增加对整个微生物学产生了深远的，当然也是非常积极的影响。生态学家、进化生物学家、化学家、物理学家、计算生物学家和其他人已经进入该领域，因为他们的专业知识变得至关重要。现在，人们对微生物及其代谢途径的广泛多样性的研究重新引起了人们的关注，因为人们认识到所有生态系统都在其最基本的水平上存在微生物。生态和进化原理现在指导着微生物的研究。无论是研究人类肠道还是南极洲的冰冻湖泊，都是环境微生物学。
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过去十年，微生物学发生了怎样的变化
在过去的 15 年里，这一统一的新微生物学出现了许多令人兴奋的新进展，因此不可能在此一一介绍。最近的历史仍在形成中，而且是最难评估的。
公众现在比历史上任何时候都更加了解微生物和病毒。不幸的是，这种公众意识通常伴随着焦虑和恐惧。过去十年的事件和媒体报道这些事件的基调助长了公众的恐惧，并产生了微生物世界风险增加的看法。这种“微生物恐惧症”导致消毒剂、抗菌肥皂和其他声称可以阻止疾病的产品的普及。
与传染病相关的话题对微生物学家来说当然不是什么新鲜事，但过去十年的发现和进步揭示了该领域的新视野，为提高人类生活质量提供了令人兴奋的机会。预测疾病出现的能力是一个特别关键的话题。对引发病原体出现的环境因素、驱动疾病迁移的因素以及疾病频率的季节性模式的研究可能会揭示影响新旧疾病如何在人群中出现和持续存在的因素。这些观察结果将使我们能够为新的和现有的病原体设计更好的治疗策略。
最近发现将人类疾病越来越多的与细菌或病毒原因联系起来，突出了其他具有神秘病因的慢性疾病也可能由微生物介导的可能性。候选药物包括炎症性肠病、糖尿病、类风湿性关节炎、结节病、系统性红斑狼疮和冠状动脉疾病。对这些疾病和其他疾病原因的研究将更加了解这些疾病及其诊断、预防和治疗。
生物恐怖主义以及炭疽或其他传染性微生物可能被用作对付无辜平民、农作物或牲畜的武器的明显可能性已经吓坏了全球人民。COVID-19、SARS、西尼罗河病等新型传染病的出现明显增加，也将微生物带入了公众视野。
最近，用于对抗某些传染病（包括艾滋病和肺结核）的常规健康疗法由于这些病原体的不断进化而失败，这加剧了公众对科学家和医生保护公众免受熟悉疾病侵害的能力的怀疑。一些曾经被认为是由遗传易感性或偶然性等因素引起的慢性疾病已被证明是由细菌或病毒引起的。而在很多国家，大规模食品污染事件呈上升趋势。
由于公众对生物战、传染病和食源性疾病的担忧，过去十年微生物学的进步经常被忽视。然而，过去十年的进步是不可否认的。药物研究现在严重依赖微生物和微生物学来进行药物发现和生产。2019年，美国科学家团队捕捉到细菌“间谍”：研究人员发现了一种有助于耐药细菌感知抗生素的蛋白质。肠道微生物作为隐藏的骑士：肠道微生物群被证明可以保护宿主免受轮状病毒感染。
使用微生物进行工业过程的绿色化学是解决化学相关行业安全性和可持续性问题的一种日益有效的策略。生物技术也依赖微生物技术和微生物基因来进行改良，以改善作物、牲畜品种和合成原料。
在农业中，微生物和微生物产品现在用于益生菌疗法、抗生素和害虫防治措施。
食品微生物学的进步提高了我们在超市和餐馆购买的食品的安全性，无疑每天都在挽救生命。
在危险废物处理场，微生物已经开始消化有毒化学物质——将它们代谢成无害物质，从而防止进一步污染土壤和水。
生物恐怖主义和疾病令人恐惧，但应牢记微生物学的进步和应用微生物正在解决看似棘手的人类问题。
在过去十年中，不仅公众对微生物学的看法发生了变化，微生物学研究的实践也发生了变化。过去十年的微生物学是充满活力和令人兴奋的，新的发现建立在过去非凡的工作之上。
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更多的综合，更少的简化
微生物学曾经几乎只关注在人工条件下孤立生长的单个微生物，试图从实验室记录的微小观察中推断出对疾病或环境的理解。然而，今天，许多科学正在从还原论方法转向综合领域——将微生物、其环境以及其他生物体在许多尺度上的影响的测量和观察编织在一起，以创建一个综合图景的微生物活动。曾经不熟悉的细胞由相互作用的蛋白质网络组成的概念现在已经渗透到科学界。现在更加重视系统级研究，其中微生物在其栖息地被视为一系列相互关联的隔间、过程、和反馈。
将合成或系统镜头放在微生物学上可能具有很高的指导意义，并且与严格的还原论相比具有几个优点。希望在未来，综合方法将使微生物学家能够预测微生物结果，使他们能够查明人类健康或给定生态系统扰动的后果。
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更加重视进化和生态
在过去的十年里，微生物学家越来越认识到生态和进化的重要性。实验生态学和进化论的研究提供了不仅适用于微生物的原理的证据，也可能适用于更大的生物体。生态思维已占主导地位，微生物学不再是过去的试管科学。一个例子是认识到微生物引起疾病的方式实际上是一个生态问题，需要了解微生物及其环境——疾病的宿主。
微生物学研究的调查方式也发生了变化。以前，由于技术限制或缺乏与微生物学相关的领域（如土壤科学、地质学或医学）的专业知识，许多调查潜力领域都被关闭了。在这些情况下，研究中的问题经常被重新定义以适应手头的技术和主要研究者的学术经验。今天，这些探究路线通常通过应用过去十年的技术进步进行正面探索，更重要的是，通常通过合作从其他学科招募专业知识和资源。
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技术进步
技术进步改变了微生物学研究的格局，使长期存在的关于微生物的问题终于可以研究。在过去十年的重大进步中，最主要的是使基因组学成为可能的技术的发展，包括增强的计算能力、更快速的 DNA 测序和其他实验室技术。
基因组学利用基因组的全部或部分，即细胞的完整遗传体，来回答有关生物体的问题。尽管基因组学已经影响了大部分生命科学，并让人们对所有生命形式的功能和过程有了新的认识，但其最重要的影响还是对微生物学的影响，这一发展为微生物的生态学和进化开辟了新的认识。其他大规模研究，例如蛋白质组学或转录组学（基因表达的模式），也对微生物学研究的实践产生了很大影响。
信息技术的进步增加了所有领域研究人员之间的互动，使微生物学与其他学科之间的共同点得以持续对话。纳米技术和相关方法应该允许研究人员用单细胞进行实验，回答关于微生物生理学的长期问题。
最后，核磁共振成像 (NMR)、ESR 等高端成像技术允许对微生物细胞结构和微生物群落结构进行详细分析。信息技术的进步增加了所有领域研究人员之间的互动，使微生物学与其他学科之间的共同点得以持续对话。
纳米技术和相关方法应该允许研究人员用单细胞进行实验，回答关于微生物生理学的长期问题。最后，核磁共振成像 (NMR)、ESR 等高端成像技术允许对微生物细胞结构和微生物群落结构进行详细分析。
随着分子微生物学的出现，用于定义疾病微生物病因的传统方法（如科赫假设）已被发现不足，因为它们经常导致“假阴性”结论。研究人员一直在努力制定强有力的标准来识别超出科赫假设的微生物因果关系，并利用技术进步来识别因果关系，即使是无法在实验室培养的微生物也是如此。
本科阶段的培训
在本科阶段，微生物学教育有两个不同的方面：培养未来的微生物学家和培养其他领域的生物学家。关于培养未来的微生物学家，需要努力修改教科书，以反映关于微生物全球重要性的新知识，并克服可能仍然困扰一些微生物学课程的对记忆的强调。
很明显，所有生命科学家都应该接受微生物学培训，作为其核心课程的一部分。微生物生理学、进化、生物化学和遗传学等主题都应纳入生命科学本科生的课程。
幸运的是，有很多机会将适当的微生物学课程引入其他学科的课程。例如，几乎所有生物学学生都需要的有机化学课程将从微生物学和绿色化学的例子中受益，以证明从简单的前体合成复杂的化合物。即使是生命科学以外领域的学生也会从微生物学课程中受益，可能会在非专业的生物学探索课程中作为“微生物和你”部分进行介绍。
在许多大学中，微生物学被严格视为专业领域，而不是核心学科。鉴于微生物科学的根本意义，应该认识到拥有大量微生物科学教师的重要性。这样的教师不一定要设在微生物学系。地质学、化学、临床医学、工程学甚至历史学系都非常需要微生物学家的任命。这些教师可以跨越传统的部门障碍，在许多领域进行互动，有效地教育和培训下一代科学家。
提高微生物素养
回顾事实：微生物是最早的生命形式，它们是人类健康的重要决定因素，它们执行确保清洁饮用水和肥沃土壤的过程。它们是基因和生化最多样化的生命形式，也是地球上进化最快的生物。
微生物控制着世界营养物质和生命必需物质的环境循环。在每一个裂缝和每一个表面，从地壳深处，再到地球上每一种昆虫的肠道，微生物都在那里。
它们是所有生物系统的关键组成部分。鉴于这些事实，很明显微生物学家必须努力教育公众和政策制定者。然而，公共素养从事微生物学工作的人所经历的兴奋与公众的意识水平之间存在着严重的鸿沟。
然而，有证据表明，在艾滋病毒-艾滋病、西尼罗河病和 SARS 等重大公共卫生问题上对公共扫盲的支持水平提高会影响大学生对专业和研究项目的选择。换句话说，提高公共素养可能有助于引导学生进入最需要他们精力的领域。
此外，公众舆论可以通过提高对微生物学中未解决问题的认识来引导，从而影响领导者将资源投入到需要的领域。因此，旨在解决微生物学重大问题的培训计划应包括培养公众和政府意识的外展计划。
对公众进行微生物学教育的最佳方式是什么？迫切需要向公众宣传微生物学成功和紧迫的公共卫生问题的机制。
沟通问题
在向公众传达有关微生物学的信息时，首先要确定目标受众和适合传达给每个受众的信息类型是至关重要的。微生物外展的潜在目标受众包括一长串，包括商界领袖、各级学生和教师、公职人员、卫生专业人员（可能对微生物学不够熟悉）、农民、餐馆工作人员、联邦决策者机构等。
为了实现最有效的外展计划，教育公众的过程应该有明确的目标。具体的外展计划应该考虑到可以在指定时间段内实施的具体教育目标。这种方法将允许进行有针对性的评估，以确定外展计划在向公众传播微生物学方面是否有效。例如，一个项目的目标可能是在五到十年内对公众进行特定微生物学主题的教育，并且可以使用调查或其他指标来衡量目标受众的知识水平。
沟通的途径
向非科学家传达科学信息的最佳方式是什么？有许多途径可供外展。
例如，可以发起一项运动，向使用公共交通工具的人展示科学信息：公共汽车、火车、出租车或机场。
基于微生物主题的流行书籍的出版也将吸引大量读者。科学博物馆是教育年轻人的有力渠道，互动微生物展品可以以一种引人入胜的方式激发许多未来科学家的思想。也可以使用大众媒体。
以系统的方式研究目前用于向公众传播的与微生物学相关的材料的质量可能是有益的。目前缺乏公共知识可能是由于可用信息质量差，而不是可用性低。
改善向公众提供的知识需要让传播专业人士参与并通知他们。微生物组织应优先接触传播专业人士，并应帮助培训科学作家。
与决策者沟通
关于推进本报告中概述的目标，“决策者”一词包括联邦机构，例如国家科学基金会、卫生研究院、环境保护署、能源部、疾病控制和预防中心、农业部。其他包括地方教育委员会、国土安全部、食品和药物管理局、私人基金会等。
荧光显微镜、热循环仪、qPCR 机器、杂交炉、自动化专家系统、专用试剂——这些是现代微生物实验室更昂贵的要求。
在一些地区，新技术的吸收速度一直很慢。对于资源匮乏的地区，这些障碍似乎无法克服，因为必须为升级实验室基础设施和员工培训以及购买主要设备分配大量资金。同时，采购所需的设备、试剂供应和售后服务也很困难。
用于确认临床诊断、进行传染病监测和指导公共卫生保健政策的实验室拨款相对较少。获得良好实验室检测的机会有限导致对临床算法的依赖，但如果没有实验室确认，误诊可能很常见，导致治疗不充分、死亡率增加和缺乏对传染病真实流行率的了解。
受微生物科学进步影响但本身不是微生物学家的知情人士可能是微生物学的最佳倡导者之一。例子包括生物技术公司及其客户的代表、依赖训练有素的微生物学家技能的商业创始人、使用微生物修复财产的社区成员以及微生物疗法的受益者，包括细菌衍生的抗生素和其他药物。
建议
由于微生物对生命至关重要，并且在生物学研究中必须考虑到它们的活动，所有生物学家都必须具有扎实的微生物科学背景。微生物学课程应纳入生命和地球科学所有学生的核心课程。
在年轻学生中建立对微生物的了解，最终将提高公众对微生物对个人和地球日常健康重要性的认识。修改小学、初中和高中的学校科学课程，以包括微生物学课程和实验室练习。
通过与疾病相关的问题、生物技术、生物恐怖主义和食品安全，微生物和微生物学对公众产生了深远的影响。为了提高个人管理健康和对微生物科学做出明智判断的能力，与微生物学相关的专业协会应支持培养公共微生物素养的项目。
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