环境生物工程讲稿课件.ppt

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1、2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,1,环境生物工程,主讲：张忠智,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,2,环境生物工程 041023 (32)1-8;周2,9-11节周5,1-2节教材：工业微生物学 岑沛霖 蔡谨 编著 化学工业出版社， 2000.6 环境生物技术 马放 冯玉杰 任南琪 编著 化学工业出版社， 2003.5上课教室:1-207,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,3,微生物是自然界物质循环的关键环节；,微生物是人类的朋友！,体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证； 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障,微生物可以为我们提供很多有用的物

2、质； 有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等,基因工程为代表的现代生物技术；,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,4,少数微生物也是人类的敌人！,天花；鼠疫；艾滋病；疯牛病；埃博拉病毒；SARS；,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,5,可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,6,什么是微生物？,“微生物”是俗称，没有分类学上的意义。 微生物(micro

3、organism)：是存在于自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。,1. 1 微生物及其特点,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,7,微生物的特点,其特点可概括为:体积小、面积大;吸收快、转化快;生长旺、繁殖快;易变异、适应性强;种类多、分布广等五大物性。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,8,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、易变异、抗性强、休眠长、起源早、发现晚,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,

4、9,个体小:,测量单位：微米或钠米,杆菌的平均长度：2 微米； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1毫克 面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,10,个体小:,测量单位：微米或钠米,火星陨石中发现的细菌化石（直径 20 nm）,最近在科学上的一篇文章报道了对一块陨石上可能存在的生命遗迹的研究，这块陨石在45亿年前在火星上形成，13亿年以前由于宇宙碰撞而离开火星，13000年前作为

5、陨石降落到地球上。对它的分析表明其上可能有生命存在过，更重要的是在该陨石上发现了类似细菌化石的东西，其直径仅为2040 nm.,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,11,德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm，Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”,最小和最大的细菌,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,12,结构简：,无细胞结构（病毒）；单细胞；简单多细胞；,胃口大：,消耗自身重量2000倍食物的时间：,大肠杆菌：1小时

6、人 ：500年（按400斤/年计算）,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,13,食谱广：,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,14,繁殖快：,24小时后： 4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代,一头500 kg的食用公牛，24小

7、时生产 0.5 kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg蛋白质。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,15,易培养：,很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！,数量大：,在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！分析表明，微生物占地球生物总量的60%！,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,16,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,17,分布广：,人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！,强酸、强碱、高热的极端环境；,数十公里的高空（

8、最高为离地85公里，须用火箭采样）；,几千米的地下；,常年封冻的冰川；,生物物质雨般落下 科学家称外太空有生命(2001-08-02 ),2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,18,从永冻冰层分离微生物,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,19,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,20,富营养化湖泊,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,21,活性污泥中的微生物,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,22,种类多：,微生物的生理代谢类型多； 代谢产物种类多； 微生物的种数“多”；,虽然目前已定种的微生物

9、只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,23,级界宽：,Whittaker的五界分类系统,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,24,级界宽：,Woese三原界分类系统,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,25,易变异：,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、 数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10-5 10-10,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,26,易变异：,青霉素的生产：,20单位/ ml（1943）,10000单位/ ml

10、,青霉素的用量：,最高：10万单位/天（40年代）,数百万-千万单位/次,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,27,易变异:微生物与外界环境直接紧密接触,易受环境作用与变化的影响,发生突变。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,28,细菌抗药性的产生：,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,29,抗（逆）性强：,抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下存活； 自然界中细菌生长的最高温度可以达到110 以上 ； 有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；,抗寒：有些微生物可以在12 30的低温生长；,抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 1

11、3；,耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中 都有微生物生长；,抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；,科学家发现一种食铁微生物可在121度高温下繁殖 在2003年科学杂志（Science, Vol. 301, Issue 5635, 976-978, August 15, 2003）发表的一篇论文表明，研究人员发现了一种能够在121度 高温下生存繁殖的食铁微生物。来自阿姆赫斯特马萨诸塞大学的研究人员Kazem Kashefi和Derek Lovley发现这种微生物并将之成为“121株”，目前该微生物还没于科学名称。科学家在太平洋深海海床火山口发现这种微生物，该地的温度

12、可以高达400摄氏度。两位研究人员将121株放在121摄氏度的烤箱中，结果发现这种微生物竟然很适合这一温度，菌落大小很快就增大到原来的两倍。这比以前报告的微生物最高生存温度高出8摄氏度。Lovley表示，研究这种食铁的121株微生物可以为我们揭示35亿年前第一种生命形式演化所处的环境。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,30,科学家建议寻找地下50公里生命 北京晚报:2002-3-8把大肠杆菌放在地下50公里的超强压力下，它会不会活下来？科学家最近惊奇地发现，答案是肯定的。一些科学家说，这些细菌可以适应如此极端的压力环境，说明生物对环境具有超乎想象的“惊人”适应力。因此人类在其他

13、星球上寻找地外生命时，眼光不能只局限在星球的表面，而应当延伸到压力巨大的地下。 照理来说，大肠杆菌等一般难以在这么高的压力下生存。以前的实验发现，构成生物的蛋白质等基本结构，在如此高的压力下往往会裂解。但美国卡内基学会地球物理研究所夏尔马博士领导的小组在最近出版的美国科学杂志上介绍，在他们的实验中，大肠杆菌不仅在极端高压下活了下来，而且还能进行新陈代谢。 在实验中，科学家借用了高压物理学实验工具金刚石钻压槽。放入金刚石钻压槽中的大肠杆菌和另外一种常见细菌，受到了强力的挤压，其承受的压力最高值相当于海平面气压的1.6万倍。 化学分析显示，在接受压力实验的100万个细菌中，有1%存活了下来，这些幸

14、存者仍然能够完成正常的代谢功能，将甲酸盐转化为二氧化碳和氢气，但是，与此同时，它们也付出了代价，许多幸存的个体已经被挤压得面目全非，而且目前没有迹象表明细菌能够在高压环境中繁殖。近些年来，研究人员陆续在海底火山口旁、两极冰层和地下发现了许多奇异的有机体，这些有机体能够在高温、高放射性、强酸性和极为干燥的环境中生存并繁衍。这次新的研究又将生命的极限做了延伸。夏尔马说，当人类在外太空寻找生命时，应当重新考虑那些从前因为处于高压环境而被忽略的地方，例如木星的深水层或者火星冰盖的下面都可能有生命形式存在。 美生物学家提出：“当你认识到有机体能够在压强达上百吨的地下生存并繁衍的时候，生命的极限已经被延伸

15、了，这就预示了像木星或其他重力巨大的行星上存在生命的可能性。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,31,休眠长：,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年Nature 407, 897 - 900 (2000),2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,32,起源早：,38亿年前，生命在海洋中出现26亿年前，陆地上就可能存在微生物,发现晚：,300多年前人们才真正发现微生物的存在,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,33,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、变异易、抗性强、休眠长、起源早、发现晚,2013

16、年9月10日,化工学院 生物化工实验室,34,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,35,1.2 微生物学的发展简史,在我国，利用微生物进行谷物酿酒的历史，至少可追溯到距今四千年前的龙山文化时期。 1.2.1 古代中国对微生物的利用 在农业方面，据考证，远在商代已知使用经过一定时间储存的熟粪便来肥田。到了春秋战国时期，沤制粪便的应用更为普遍。 在医学方面，人们对物、牲畜、蚕、桑的病害及其防治方法也逐步有所认识。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,36,1.2.2 微生物学的发现及微生物学的发展启蒙时期形态学期 微生物学的奠基时期生理学期 微生物学的分子时代分子生物学期,

17、2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,37,1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。,启蒙时期形态学期,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,38,1690年,1720年,1725年,1760年,1790年,1881年,1840年,1890年,列文虎克利用业余时间制造过400多架单式显微镜和放大镜，放大率一般为50200倍，,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,42,微生物学的奠基时期生理学期,2013年9月10日

18、,化工学院 生物化工实验室,43,法国人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）,灭菌技术和微生物纯培养技术,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,44,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,45,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,46,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,47,德国人柯赫（Robert Koch）（ 18431910）,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,48,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,49,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,50,2013年9月10日,化工学院 生

19、物化工实验室,51,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,52,微生物学的分子时代分子生物学期,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,53,1.3 工业微生物及其研究的对象和任务,微生物学是研究微生物的形态、生理、分类以及微生物生命活动与自然界、人类、动植物相互关系及其规律性的一门科学。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,54,1.3.1工业微生物学及其研究对象,工业微生物学是微生物学的一个重要分支，是微生物在工业生产中的应用学。它从工业生产需要出发来研究微生物的生命及其代谢途径，以及人为控制微生物代谢的规律性。 20世纪70年代以来，基因工程、原生质体融合技

20、术、酶工程和发酵工程等新技术的发展，给工业微生物学注入了新的活力。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,55,1.3.2 我国工业微生物学的研究概况,20世纪50年代初期，以抗生素的研制和生产为标志，我国开始逐渐形成了新型的微生物发酵工业。有机酸、氨基酸、酶制剂、维生素、激素和单细胞蛋白等现代发酵工业陆续建立。工业微生物学在医药、食品、轻工等领域得到广泛应用，形成一个庞大的产业，对整个国民经济起着极其重要的作用。,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,56,1.3.3 现代工业微生物学的发展趋势,微生物生长所需要的主要原料碳源或者是可再生的;与化学反应一般要在高温高压的条件下进行不同;微生物的多相关性一和代谢途径的多样性 ;微生物的可变异性，可以采用各种方法（包括基因工程和物理化学诱变等）改变微生物的遗传性质;微生物的培养基、他们的代谢产物及微生物本身都是可以生物降解的；,2013年9月10日,化工学院 生物化工实验室,57,本章思考题：1. 用具体事例说明人类与微生物的关系，为什么说微生物既是 人类的敌人，更是我们的朋友？2. 为什么微生物能成为生命科学研究的“明星”?3. 为什么说巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人?4. 微生物有哪些特点？,