发酵工程02第二章 发酵菌种选育

第二章生产中常用菌种的分离、选育和保藏第一节菌种的分离筛选第二节培养分离第三节工业微生物育种第四节菌种的保藏及活化带图象分析系统的微生物菌种显微观察装置第一节菌种的分离简介一、菌种的来源•根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；•从大自然中分离筛选新的微生物菌种。二、分离思路•新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。•实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。•有了优良的菌种，还要有合适的工艺条件和合理先进的设备与之配合。•定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。•采样：有针对性地采集样品。•增殖：人为地通过控制养分或培养条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势。•分离：利用分离技术得到纯种。•发酵性能测定：进行生产性能测定。这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。三、新种分离与筛选的步骤菌种筛选主要步骤•调查研究及查阅充分的资料↓设计实验方案↓确定采集样品的生态环境采样↓确定特定的增殖条件增殖培养↓确定特殊的选择培养基及可能的↓定性或半定量快速检出法平板分离↓•原种斜面↓确定发酵培养基础条件筛选↓初筛（1株1瓶）↓复筛（1株3～5瓶）↓结合初步工艺条件摸索再复筛（1株3～5瓶）↓3～5株↓单株纯种分离↓生产性能试验↓→毒性试验菌种鉴定（一）采样1、采样对象以采集土壤为主。•一般园田土和耕作过的沼泽土中，以细菌和放线菌为主；富含碳水化合物的土壤和沼泽地中，酵母和霉菌较多，如一些野果生长区和果园内。•采样的对象也可以是植物，腐败物品，某些水域等。从自然界筛选•2、采样季节：以温度适中，雨量不多的秋初为好。•3、采土方式：在选好适当地点后，用小铲子除去表土，取离地面5-15cm处的土约10g，盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中，扎好，标记，记录采样时间、地点、环境条件等，以备查考。为了使土样中微生物的数量和类型尽少变化，宜将样品逐步分批寄回，以便及时分离。（二）增殖培养•为了容易分离到所需的菌种，让无关的微生物至少是在数量上不要增加，可以通过配制选择性培养基，选择一定的培养条件来控制。•例如碳源利用的控制，可选定糖，淀粉、纤维素，或者石油等，以其中的一种为唯一碳源，那么只有利用这一碳源的微生物才能大量正常生长，而其它微生物就可能死亡或淘汰。这样对下阶段的纯种分离就会顺利得多。（三）培养分离•尽管通过增殖培养效果显著，但还是处于微生物的混杂生长状态。因此还必须分离，纯化。在这—步，增殖培养的选择性控制条件还应进一步应用，而且控制得细一点，好一点。纯种分离的方法有划线分离法、稀释分离法。1.稀释平皿分离法1.稀释平皿分离法100ml1g9ml9ml9ml9ml9ml9ml1/1001/100010-810-710-610-510-41ml1ml1ml1ml1ml(1)稀释1.稀释平皿分离法b.涂布平皿分离法a.倾注平皿分离法2.平皿划线分离法a.连续划线分离法b.分区划线分离法（四）筛选•这一步是采用与生产相近的培养基和培养条件，通过三角瓶的容量进行小型发酵试验，以求得适合于工业生产用菌种。（五）毒性试验•自然界的一些微生物是在一定条件下产毒的，将其作为生产菌种应当十分当心，尤其与食品工业有关的菌种，更应慎重。据有的国家规定，微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米曲霉和枯草杆菌作为食用无须作毒性试验外，其他微生物作为食用，均需通过两年以上的毒性试验。第二节培养分离•从自然界中分离培养微生物是菌种选育的重要和基础的步骤。•到目前为止，还没有一种分离培养方法能揭示一个试样中所包含的所有微生物总数和种类。•在任一试样中所存在的微生物仅为极少数特定种类的菌株；在工业微生物筛选过程中，应及时调整检测方法，以与各种不同类型的生长和代谢之微生物相适应。•因此，建立一更为科学的和针对性不强的分离方法是必要的。一、成功的分离培养方法(1)认真考它所需产品的特征和生产过程；(2)制订初步的筛选标准；(3)将生态学方法运用到分离和筛选过程。三、将生态学方法用于培养分离的一般思路要点•1．罗列出所要分离的微生物类群；•2．根据所采集样本的各种生态参数，描述所要分离的微生物之生态系统或栖息地：•3．将若干样本分成若干类型，如植物和植物各部，土壤(类型和土层)、岩石、水、昆虫和发酵食品等；•4．罗列出所要考察和测量的环境参数，如pH、盐分、水分、氧化还原电势及温度等；5．列出生物系统中有用的自然底物，如森林土壤中的几丁质、葡萄表皮的果胶；6．根据上述1-5项中所获得的数据，设计分离方法，即选择适宜的稀释液、底物、试样、天然浸出汁和培养条件；7．用标准方法作对照来评价生态学分离方法；8．根据待检材料的生态参数需要，修改已知的方法；9．运用特定的富集方法，富集那些可能具有筛选意义的微生物类群。四、自然界中细菌的分离(一)采样和采集方法•为了从一特定生态系统中分离出具有代表性的细菌菌群，特别是分离那些在唯一微环境区域中出现的菌群时，必须十分重视样本的采集。•样本采集时所需的工具通常有无菌刮铲、土样采集器、镊子、解剖刀、手套、无菌小塑料袋和塑料瓶等。采样的注意事项1、采样时应尽可能保持相对无菌；2、所采集的样本必须具有某种代表性；3、采好的样必须完整地标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等；4、应充分考虑采样的季节性和时间因素，因为真正的原地菌群的出现可能是短暂的；•5、采好的样应及时处理，暂不能处理的也应贮存于4℃下，但贮存时间不宜过长。这是因为一旦采样结束，试样中的微生物群体就脱离了原来的生态环境，其内部生态环境就会发生变化，微生物群体之间就会出现消长(二)生态学参数及培养基的组成原则1、加入培养基中的天然提取物种类和用量、环境生物物理学参数以及用于平板涂布分离样本的溶剂都会影响实验中所要分离的细菌的数量和种类。2、就分离培养基的组成而言，部分培养基中必须含有10-50%的天然提取物。加入培养基中的天然提取物，部分培养基中则应含有多种碳、氮源，如几丁质、纤维素或果胶。3、所有分离培养基中都应含有抗真菌剂(如放线菌酮和制霉素)，掺加浓度一般为50μg／m1，以抑制真菌的生长。4、琼脂平板在使用前应置于37℃培养箱中孵育l、2天。5、培养基的生物物理学参数，如pH及盐分也应调节到与试样的生态系统参数值相近。二、分离•目的微生物不纯，需分离纯化。采用简便迅速，有一定准确性的检出方法，提高筛选效率。常用平皿反应法：•纸片培养显色法：浸有指示剂滤纸。•透明圈法：混浊底物被分解后形成透明圈。如可溶性淀粉、碳酸钙等。变色圈法：直接用显色剂或指示剂。生长圈法：利用某些具有特殊营养要求的微生物作为工具菌，要分离的微生物能在一般培养条件下生长而合成该营养物而使工具菌能生长，形成生长圈。抑制圈法：琼脂块培养法。用刚果红染色法鉴定筛选降解纤维素的菌株羧甲基纤维素钠作培养物抗生素筛选检定菌培养，加上发酵液五、放线菌的分离培养基的组成原则•大多数放线菌的分离培养是在贫脊或复杂底物的琼脂平板上进行的。除嗜温性放线菌外，其他放线菌一般在培养4-20天内在分离平板上缓慢形成菌落。•在放线菌分离琼脂中通常都加入抗真菌剂制霉菌素或放线菌酮，以抑制真菌的繁殖。•选择性地添加抗生素。•分离琼脂平板制备好后，一般皆应在37℃培养箱中存放3天。放线菌的分离•土样中放线菌的非选择性分离：土样风干，磨碎，无菌海绵压印土样后压印平板后培养。•植物体上放线菌的分离：无菌取植物组织，干燥以减少细菌数量，剪碎植物材料后植入平板表层后培养。也可洗下微生物后振荡培养。•水中放线菌的分离：为使所要分离的放线菌的数量种类增多，一般将水样离心或滤纸过滤，取离心沉积或滤纸表面沉积进行系列稀释和涂布。次代培养及纯化•菌落形成后可根据肉眼可见的菌落形态上的差异，作初步的鉴定和区分。•通过高倍放大进行镜检，可了解气生和营养孢子形成情况。•成功地分离出各种不同的放线菌属及种的关键是所采集样本的本身及其分离用的琼脂培养基；而肉眼识别不同的生长形态、从而初步地加以鉴定，在分离放线菌时显得尤为重要。•将分离平板上所形成的菌落用经火焰灼烧灭菌的钩形针或无菌牙签挑取，点接到琼脂平板上进行影印培养，以进一步筛选和分离。放线菌菌落形态六、真菌分离1、利用低碳／氮比的培养基可使真菌生长菌落分散，利于计数，分离和鉴定。这里主要是利用营养成分的减少而使生长减慢，并由此限制真菌的迁徙生长。2、改变培养温度将有利于不同嗜温区真菌的分离。3、有时，真菌子实体形成必须有光线，这在分离培养时应加以考虑。4、选择性富集：是通过一定的方式使样本中一种或一群微生物数量上的增加而利于分离的一种技术。富集可以是种水平的，如通过营养要求的改变来富集分离镰刀菌；也可以是组成群水平的，如以纤维素为唯一碳源的选择性培养基可选择性富集所有能降解纤维素的纤维素裂解微生物。5、在分离培养基中加入一定的抗生素即可有效地抑制细菌生长及菌落形成。真菌的分离方法•土中真菌的分离：稀释法，混入法，压贴法，粘附法，浮选法，注射器采集法，土过筛法，庶糖密度梯度离心法。•植物材料中真菌的分离：植入法，压贴法，洗涤法，浸泡法。•水中真菌的分离：水样稀释后涂布分离。饵诱技术常用于水中真菌的富集。•子实体直接分离培养担子菌：新采集的子实体组织植入平板内或在放于液体培养基表面放一小块无菌滤纸上培养。七、生产选种•是在长年累月的生产实践中，在培养工艺条件没有任何可见变更情况下，突然发现某些批次生产水平提高较大，这就有可能是个别自然变异朝更好的方向变的细胞，在这种条件下很适应于培养条件，并逐渐显示出它的生长优势，这种优势的发展，促使它优良的生产性能表露。第四节工业菌种的育种方针•工业菌种的育种：是运用遗传学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行的多方位的改造。通过改造，可使现存的优良性状强化，或去除不良性质或增加新的性状。工业菌种育种的方法•诱变•基因转移•基因重组育种过程•包括下列3个步骤：•(1)在不影响菌种活力的前提下，有益基因型的引入。•(2)希望基因型的选出。•(3)改良菌种的评价(包括实验规模和工业生产规模)。选择育种方法时综合考虑的因素(1)待改良性状的本质及与发酵工艺的关系(如批式或连续发酵试验)；(2)对这一特定菌种的遗传和生物化学万面认识的明了程度；(3)经济费用。•如果对特定菌种的基本性状及其工艺知晓甚少，则多半采用随机诱变、筛选及选育等技术：•如果对其遗传及生物化学方面的性状已有较深的认识，则可选择基因重组等手段进行定向育种。工业菌种改良方法(1)解除或绕过代谢途径中的限速步骤：通过增加特定基因的拷贝数或增加相应基因的表达能力来提高限速酶的含量；在代谢裔途径中引伸出新的代谢步骤，由此提供一个旁路代谢途径。(2)增加前体物的浓度。(3)改变代谢途径，减少无用副产品的生成以及提高菌种对高浓度的有潜在毒性的底物、前体或产品的耐受力。(4)抑制或消除产品分解酶。(5)改进菌种外泌产品的能力。(6)消除代谢产品的反馈抑制。如诱导代谢产品的结构类似物抗性。提高特定基因的表达水平•(1)引入强转录及翻译信号，可通过在一高效表达载体上克隆靶基因；在靶基因的上游引入强启动子；修改现有表达信号，提高基因效力等。•(2)诱导解除基因表达抑制的突变。改进菌种的生长效率•提高菌株对底物的利用率方法：•a.通过确定并改变代谢中的耗能部分;•b.由另一菌株的高效低能代谢途径代谢来实现。•c.赋予菌种对多种底物，特别是价廉而丰富的底物的利用能力，由此可降低操作费用。第四节诱变育种•以微生物的自然变异作为基础的生产选种的机率并不很高，一个基因的自然突变频率仅10-6-10-10左右。•诱变育种：以诱发突变为基础的育种，是迄今为止国内外提高菌种产量、性能的主要手段。诱变物理、化学或生物诱变方法一、诱变剂和诱变处理•物理诱变剂：射线如紫外线、X—射线、γ—射线，快中