工业微生物学绪论

工业微生物学本课程的学习参考资料1.《现代工业微生物学》，杨汝徳，高等教育出版社2.《微生物学教程》（第二版），周德庆，高等教育出版社3.《微生物学》，沈萍，高等教育出版社4.“Brock‘sBiologyofMicroorganism10th”，MichaelT.Madigan，JohnM.MartinkoJackParker，PrenticeHall5.”PrescottLMetal.Microbiology4th”,WCBMcGraw-Hill6.“FoundationsofMirobiology,5th”，WCBMcGraw-Hill7.参考杂志国内杂志：”微生物学报“、”生物工程学报“、“微生物学通报”、”中国科学“国外杂志：”Science“、“Nature”、“nature:Biotechnology”、”AdvanceinMicrobiology“、TrendinMicrobiology”“CurrentOpinioninMicrobiology”第一章微生物与工业微生物学1、什么是微生物？AMicrobeormicroorganismisamemberofalarge,extremelydiverse,groupoforganismsthatarelumpedtogetheronthebasisofoneproperty–thefactthatnormally,theyaresosmallthattheycannotbeseenwithouttheuseofamicroscope.微生物是指所有形体微小，单细胞或结构简单的多细胞，或没有细胞结构的一群最低等生物。我们生活在“微生物的海洋”中土壤：细菌数亿/g人口腔中的微生物2、微生物种类整个微生物家族的成员包括三大类：☆非细胞类微生物☆原核细胞类微生物☆真核细胞类微生物2.1非细胞类微生物病毒、类病毒、拟病毒等HIV病毒2.2原核细胞类微生物细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等大肠杆菌0157:H7放线菌2.3真核细胞类微生物酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原生动物等酵母菌霉菌分生孢子3、微生物的特点3.1种类多3.2分布广3.3体积小3.4繁殖快3.5代谢强3.6易变异3.1种类多微生物的种数类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总数79,78098,727127,298微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。人类已经开发利用的微生物则仅占已发现微生物种的约1%。3.2分布广在空气、水、土壤和动植物体表体内,到处都充满了大量的各种微生物。土壤：细菌数亿/g人体体表及体内存在大量的微生物：☆皮肤表面——平均10万个细菌/平方厘米；☆口腔——细菌种类超过500种；☆肠道——微生物总量达100万亿；☆每克粪便的细菌总数为——1000亿个；万米深海、85公里高空、地层下128米和427米沉积岩中都发现有微生物存在。3.3体积小病毒——﹤0.2m杆状细菌——0.5×2.0m支原体立克次氏体衣原体｝0.2～0.5m放线菌——菌丝直径0.5×2.0m霉菌——菌丝直径2～10m酵母——1—5×5—30m3.4繁殖快★一般细菌的世代时间为几十分钟至一百多分钟。☆在最适宜的培养条件下,大肠杆菌每13～20分钟就可分裂出新的一代。☆在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般为108-109个/ml。★微生物繁殖速度快的特性,在发酵工业上有着重要的实践意义。☆实现发酵工业的短周期、高效率生产。例如生产鲜酵母时，几乎12小时就可以收获一次，每年可以收获数百次。微生物的代时及每日增殖率微生物名称代时每日分裂次数温度每日增殖率乳酸菌38分38252.7×1011大肠杆菌18分80371.2×1024根瘤菌110分13258.2×103枯草杆菌31分46307.0×1013光合细菌144分10301.0×103酿酒酵母120分12304.1×103小球藻7小时3.42510.6念珠藻*23小时1.04252.1硅藻17小时1.4202.64草履虫10.4小时2.3264.923.5代谢强★一接种环的谷氨酸生产菌，经两天的扩大培养和发酵就能将8吨糖和2吨尿素转化为3吨菌体和4吨谷氨酸。★一个能够利用乳糖的细菌每小时能消耗（分解）的乳糖量等于其自身细胞重量的2千倍以上。★1公斤的酵母菌在一天之内可使几吨糖全部转化为酒精和二氧化碳。★代谢能力强的主要原因是由于个体小，比表面积大，因此它们能够在细胞与环境之间迅速交换营养物质和代谢产物3.6易变异★突变频率一般为10-5～10-10★微生物易变异原因：☆个体多为单细胞或结构简单的多细胞，甚至非细胞结构易受到外界物理或化学因素影响。☆细胞增殖速度快，细胞数量多，因而尽管其自发突变率很低，也会造成在短时间内产生较多的变异后代。生产青霉素的产黄青霉菌,开始筛选获得时，每毫升发酵液仅含约20单位的青霉素,但经过多次诱变选育后，每毫升已超过5万单位了。实例病原微生物对抗生素的耐药性变异，40年代初至今，成人患者的青霉素注射剂量,已由每天10万单位提高到100万单位甚至上千万单位。4、微生物学发展简史4.1史前期酿酒、酱、醋以及烘制面包等我国古代的酿酒作坊（汉代画像）古埃及人酿制啤酒的场面４.2初创期（微生物学的启蒙时期——形态学期）1664年，英人虎克用于观察霉菌的单筒复式显微镜荷兰列文虎克（AntonvanLeeuwenhoek）与他的显微镜观察结果4.3微生物学的奠基及发展★微生物学直到十九世纪才得到发展原因：显微镜技术研究微生物的基本技术没有建立。★十九世纪两个焦点问题的争论促使了微生物研究技术的诞生。☆问题之一：微生物能不能自发产生；☆问题之二：传染病的性质是什么。☆彻底否定了自然发生说☆证实发酵由微生物引起微生物学之父巴斯德的功绩☆免疫学—预防接种☆发明巴氏消毒法著名的曲颈瓶试验科赫的功绩☆证实炭疽病因—炭疽杆菌,发现结核病原菌—结核杆菌（1905年获诺贝尔奖）☆科赫法则☆发明固体培养基,提出了纯培养的概念和方法☆创造了细菌染色的方法.划线法获得单菌落科赫法则单菌落霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域Fleming发现青霉素4.4现代微生物学阶段特点：1、微生物学与生物化学、遗传学等学科的联系非常紧密，由此诞生了新学科—分子生物学；2、微生物学与工程紧密联系，为微生物学的实际运用打下前景.1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构5、微生物学及其分支学科★实际应用：食品、医药、农业、轻纺、石油、化工、冶金、环保等。★微生物学是微生物及其生命活动规律的一门学科★基本理论：形态结构、分类鉴定、生长繁殖、生理生化、生态分布、遗传变异。从分类的角度从生态环境的角度从应用领域的角度从生物基本问题的角度病毒学细菌学藻类学真菌学原生动物学水生微生物学土壤微生物学海洋微生物学石油微生物学工业微生物学医用微生物学农业微生物学食品微生物学免疫学普通微生物学微生物分类学微生物生理学微生物生态学微生物遗传学微生物分支学科6、现代工业微生物学的兴起及其发展6.1早期阶段☆19世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。☆20世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）。厌氧发酵☆速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。☆1933年发明了摇瓶培养法。好氧发酵6.2微生物发酵工业的兴起与发展第二次大战中青霉素与原子弹和雷达并驾齐驱的三大发现之一主要的技术进展：☆通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。☆抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素，1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究意义：☆抗生素工业的发展☆建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展☆为现代发酵工程奠定了基础大型发酵罐搅拌装置氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业──肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术切断支路代谢转折点:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)→解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等６.３现代工业微生物学的新发展20世纪70年代后细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物;现代工业微生物学已经与基因工程、细胞工程和酶工程等紧密结合起来，在生物工程这个高科技前沿带中充分发挥其主角的作用并得到新的发展。生物工程学Biotechnology微生物与工业发展的关系通过食品罐藏防腐酿造技术的改造纯种厌氧发酵的建立液体深层通气搅拌大规模培养技术的创建代谢调控发酵技术的发明古老的酿造技术迅速发展成工业发酵新技术遗传工程等新技术的推动下，进一步发生质的飞跃，发展为发酵工程发酵工程遗传工程细胞工程酶工程生物反应器工程★利用微生物的代谢机能：三废处理；冶金、炼油微生物在工业生产中的应用★直接利用微生物的菌体：菌体蛋白；生物制品；微生物农药；提取有用物质。★利用微生物的代谢产物：酿造食品；有机溶剂；发酵饮料、酒类；有机酸；抗生素；氨基酸；核苷酸；维生素。★利用微生物的酶：工业酶制剂；药用酶人类社会经济发展的危机６.４现代工业微生物学的发展前景当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需。基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。Figure1.Idealizedbiorefineryconcept.(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)