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1673年，荷兰业余科学爱好者安东尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek）在人类历史上迈出了可喜的一步，即用自己的肉眼观察到微生物细胞。他将自己制作的放大倍率约200倍的一个透镜装在金属附件中，组成第一架单式显微镜，并于1676年首次看到了细菌，而且作图记录了这一具有划时代意义的结果。列文虎克首次克服了人类认识微生物世界的第一个难关——“个体微小”，从而使人类初步踏进了微生物世界的大门，因此，我们称他为“微生物学的先驱者”。
6世纪、14世纪和20世纪初的3次鼠疫流行共殃及近2亿世界人口，而第一、二次世界大战的死亡人数共约7 350万人（分别为1 850万人和5 500万人）；发生于1918—1919年的“西班牙流感”曾导致5 000万以上人口的死亡；被称为“世纪瘟疫”或“黄色妖魔”的艾滋病，自1981年艾滋病在美国发现后，迅速向全世界各处蔓延，至今已导致约3 500万人的死亡（2015年）；此外，在19世纪中叶，由于欧洲过分偏重种植高产作物马铃薯,1845—1846年在秋收的收获季节恰遇气候异常、潮湿多雨，导致马铃薯晚疫病大面积流行，最终造成了历史上著名的“爱尔兰大饥荒”，毁灭了当地5 /6的马铃薯，在爱尔兰的800万人口中，直接饿死或间接病死了150万人，另有164万人逃往北美谋生。由此可见，作为生物圈中最高级物种的人类，若因微生物的个体渺小和行为的变幻莫测而不加研究，就会遭遇自然界中最小、最低级的物种微生物对人类进行肆虐，人类就会显得极其虚弱，甚至不堪一击！
1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）首先发现了世界上第一种抗生素——青霉素，弗莱明因一次幸运的过失而发现了青霉素。他在用显微镜观察一只培养皿时发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌的某种分泌物能抑制葡萄球菌的生长。此后的鉴定表明，抑制葡萄球菌生长的霉菌为青霉菌，因此弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。随后，弗洛里在一种甜瓜上发现了可供大量提取青霉素的霉菌，并用玉米粉调制出了相应的培养液。在这些研究成果的推动下,1942年，美国制药企业开始生产大批量的青霉素。
1944年，美国加州大学伯克利分校博士、罗格斯大学教授赛尔曼·亚伯拉罕·瓦克斯曼（Selman Abraham Waksman）从灰链霉菌的培养液中提取获得抗菌素，抗菌素具有抗结核杆菌的特效作用，开创了结核病治疗的新纪元。从此，结核杆菌肆虐人类生命几千年的历史得以有了遏制的希望。1976年，苏联在链霉素上的生产量达1 415 t,1987年降为600 t,1989年为800 t左右。目前国外链霉素的主要生产企业是美国的辉瑞公司和法国的罗纳普朗克公司，现在全世界链霉素的产量估计在2 500～ 3 000 t。
19世纪中叶，以法国的路易斯·巴斯德（Louis Pasteur,1822—1895）和德国的罗伯特·科赫（Robert Koch,1843—1910）为代表的科学家揭示了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、筛选、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了免疫医学和工业微生物学等分支学科。巴斯德和科赫是微生物学的奠基人。
巴斯德对微生物学的贡献主要有以下几点。
①论证了酒和醋的酿造，以及一些物质的腐败都是由一定种类和数量的微生物引起的发酵过程，并不是发酵或腐败产生微生物。
②认为发酵是微生物在没有空气的环境中呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物生长的结果。
③进一步证明了不同微生物种类各有其独特的代谢机能，各自需要不同的生活条件并产生不同的作用。
④提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被称为巴氏消毒法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长期保存。后来，巴斯德开始研究人、禽、畜的传染病（如狂犬病、炭疽病、鸡霍乱等），创立了病原微生物是传染病因的正确理论，以及应用菌苗接种预防传染病的方法。巴斯德在微生物学各方面的科学研究成果促进了医学、发酵工业和农业的发展。巴斯德对微生物生理学的研究为现代微生物学奠定了基础。
与巴斯德同时代的德国微生物学家科赫也对新兴的医学微生物学做出了巨大贡献。罗伯特·科赫是德国医生和细菌学家，是世界病原细菌学的奠基人和开拓者。他首次证明了一种特定的微生物是特定疾病的病原，阐明了特定细菌会引起特定的疾病；发明了用固体培养基进行细菌纯培养法。
科赫首先论证了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌，接着又发现了结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法防止病原细菌感染和疾病的传播。他同时提出证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则——科赫法则。由于科赫在病原菌研究方面的开创性工作,19世纪70年代至20世纪20年代被称为发现病原菌的黄金时代，所发现的各种病原微生物不下百种，其中还包括植物病原菌。随后，他的学生也陆续发现白喉、肺炎、破伤风、鼠疫等病原细菌，引起了当时和以后数十年人们对细菌的高度重视。
科赫除了在病原菌方面取得了伟大成就外，他在微生物基本操作技术方面的贡献，更是为微生物学的发展奠定了技术基础。他首创了细菌的染色方法和用固体培养基分离纯化微生物的技术。细菌着色法、分离纯化技术和配制培养基技术是进行微生物研究的基本方法和技术，一直沿用至今，尤其是后两项技术，不但是具有微生物研究特色的重要技术，而且为当今动植物细胞的培养做出了十分重要的贡献。巴斯德和科赫的杰出工作，使微生物学开始作为一门独立的学科形成。
1860年，英国外科医生李斯特应用药物杀菌，并创立了无菌的外科手术操作方法。1901年，著名细菌学家和动物学家梅契尼科夫发现了白细胞吞噬细菌的作用，对免疫学的发展做出了贡献。
微生物学家维诺格拉茨基首次发现硫细菌,1890年发现硝化细菌，他论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物作用机理过程，以及这些细菌的化能营养特性。他最先发现厌氧性的自生固氮细菌，并运用无机培养基、选择性培养基及富集培养基等原理和方法研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，揭示了土壤中生物参与土壤物质转化的各种作用，为土壤微生物学的发展奠定了基础。
从20世纪30年代起，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、丁醇、甘油以及各种有机酸、氨基酸、蛋白质、油脂等的工业化生产。