工业微生物学绪论.ppt

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.“Brocks Biology of Microorganism 10th”，Michael T.Madigan，John M.Martinko Jack Parker，Prentice Hall5.”Prescott L M et al.Microbiology 4th”,WCB McGraw-Hill6.“Foundations of Mirobiology,5th”，WCB McGraw-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”、”Advance in Microbiology“、Trend in Microbiology”“Current Opinion in Microbiology”,第一章 微生物与工业微生物学,1、什么是微生物？,A Microbe or microorganism is a member of a large,extremely diverse,group of organisms that are lumped together on the basis of one property the fact that normally,they are so small that they cannot be seen without the use of a microscope.,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 1,217 1,217 1,217 支原体 42 42 42 细菌与放线菌 1,000 1,500 1,500 蓝细菌 1,227 1,500 1,500 藻类 15,051 23,100 23,100 真菌 37,175 47,300 68,939 原生动物 24,068 24,068 30,000 总数 79,780 98,727 127,298,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0.52.0 m,支原体立克次氏体衣原体,0.20.5 m,放线菌菌丝直径 0.52.0 m霉菌菌丝直径 210m酵母15530 m,3.4 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1320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 38 25 2.71011大肠杆菌 18分 80 37 1.21024根瘤菌 110分 13 25 8.2103枯草杆菌 31分 46 30 7.01013光合细菌 144分 10 30 1.0103酿酒酵母 120分 12 30 4.1103小球藻 7小时 3.4 25 10.6念珠藻*23小时 1.04 25 2.1硅藻 17小时 1.4 20 2.64草履虫 10.4小时 2.3 26 4.92,3.5 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10-510-10,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,.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（Anton van Leeuwenhoek）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。,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,.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,.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.Idealized biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.),