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1、工业微生物学工业微生物学工业微生物学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-H
2、ill7.参考杂志国内杂志：”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”第一章第一章 微生物与工业微生物学微生物与工业微生物学 1 1、什么是微生物？、什么是微生物？AMicrobeormicroorganismisamemberofalarge,extremelydiverse,groupoforganismsthata
3、relumpedtogetheronthebasisofonepropertythefactthatnormally,theyaresosmallthattheycannotbeseenwithouttheuseofamicroscope.微生物是指所有微生物是指所有形体微小，单细胞形体微小，单细胞或或结构简单的多结构简单的多细胞细胞，或，或没有细胞结构的一群最低等生物没有细胞结构的一群最低等生物。我们生活在我们生活在“微生物的海洋微生物的海洋”中中土壤：细菌数亿土壤：细菌数亿/g/g人口腔中的微生物人口腔中的微生物2 2、微生物种类、微生物种类整个微生物家族的成员包括三大类：整个微生物家族的
4、成员包括三大类：整个微生物家族的成员包括三大类：整个微生物家族的成员包括三大类：非细胞类微生物非细胞类微生物非细胞类微生物非细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物 2.1 2.1 非细胞类微生物非细胞类微生物 病毒、类病毒、拟病毒等病毒、类病毒、拟病毒等HIVHIV病毒病毒2.2 2.2 2.2 2.2 原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物原核细胞类微生物细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体等细菌、放线菌、立克次氏体、
5、衣原体等大肠杆菌大肠杆菌 0157:H7 0157:H7 放线菌放线菌放线菌放线菌2.3 2.3 2.3 2.3 真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物真核细胞类微生物 酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原生动物等酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原生动物等酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌霉菌分生孢子霉菌分生孢子霉菌分生孢子霉菌分生孢子3 3、微生物的特点、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型 低限低限 倾向种数向种数 高限高限 病毒与立
6、克次氏体病毒与立克次氏体 1,217 1,217 1,217 支原体支原体 42 42 42 细菌与放菌与放线菌菌 1,000 1,500 1,500 蓝细菌菌 1,227 1,500 1,500 藻藻类 15,051 23,100 23,100 真菌真菌 37,175 47,300 68,939 原生原生动物物 24,068 24,068 30,000 总数数 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：细菌数亿土壤：
7、细菌数亿/g/g人体体表及人体体表及体内体内存在大量的微生物：存在大量的微生物：皮肤表面皮肤表面平均平均1010万个细菌万个细菌/平方厘米；平方厘米；口腔口腔细菌种类超过细菌种类超过500500种；种；肠道肠道微生物总量达微生物总量达100100万亿；万亿；每克粪便的细菌总数为每克粪便的细菌总数为10001000亿个；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 m3.4 繁殖快 一般细菌的世代时间
8、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38252.71011大肠杆菌18分80371.21024根瘤菌110分13258.2103枯草杆菌31分46307.01013光合细菌144分10301.0103酿酒酵母120分12304.1103小球藻7小时3.42
9、510.6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10-510-10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
10、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 4.1 史前期史前期酿酒、酱、醋以及烘制面包等酿酒、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古埃及人酿制啤酒的场面.2.2.2.2初创期（微生物学的启蒙时期初创期（微生物学的启蒙时期初创期（
11、微生物学的启蒙时期初创期（微生物学的启蒙时期形态学期形态学期形态学期形态学期 ）16641664年，英人虎克用于观察霉年，英人虎克用于观察霉菌的单筒复式显微镜菌的单筒复式显微镜荷兰列文虎克荷兰列文虎克荷兰列文虎克荷兰列文虎克（Anton van Anton van Anton van Anton van LeeuwenhoekLeeuwenhoekLeeuwenhoekLeeuwenhoek）与）与）与）与他的显微镜他的显微镜他的显微镜他的显微镜观察结果观察结果4.3 4.3 4.3 4.3 微生物学的奠基及发展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微生物
12、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。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。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；问题之一：微生物能不能自发产生；问题之二：传染病的性质是什么。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微生物学之父巴斯德微生物学之父巴斯德微生物学之父巴斯德的的的的功绩功绩功绩功绩免疫学预防接种发明巴氏消毒法著名的曲颈瓶试验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
13、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 Fleming 发现青霉素发现青霉素4.4 4.4 现代微生物学阶段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.19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提提出出DNADNA双螺旋结构双螺旋结构5 5 5 5、微生
14、物学及其分支学科、微生物学及其分支学科、微生物学及其分支学科、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、冶实际应用：食品、医药、农业、轻纺、石油、化工、冶 金、环保等。金、环保等。微生物学是微生物学是微生物学是微生物学是微生物及其生命活动规律的一门学科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、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。生态分布、遗传变异。从分类的角从分类的角度度从生态环境的从生态环境的角度角度从应用领域的从应用领域的角度角度从生物基本问从生物基本问题的角度题的角度病毒学病毒学细菌学细菌学
15、藻类学藻类学真菌学真菌学原生动物学原生动物学水生微生物学水生微生物学土壤微生物学土壤微生物学海洋微生物学海洋微生物学石油微生物学石油微生物学工业微生物学工业微生物学医用微生物学医用微生物学农业微生物学农业微生物学食品微生物学食品微生物学免疫学免疫学普通微生物学普通微生物学微生物分类学微生物分类学微生物生理学微生物生理学微生物生态学微生物生态学微生物遗传学微生物遗传学微生物分支学科微生物分支学科微生物分支学科微生物分支学科6 6、现代工业微生物学的兴起及其发展、现代工业微生物学的兴起及其发展6.1 6.1 6.1 6.1 早期阶段早期阶段早期阶段早期阶段19191919世纪末利用酵母菌、乳酸菌生
16、产酒精、乳酸和各种发酵食品。世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。20202020世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用世纪初期，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）。亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）。亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）。亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）。厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵速
17、酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用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，用微小米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小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。毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。1933193319331933年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。好氧发酵好氧发酵好氧发酵好氧发酵6.2微生物发酵工业的兴起与发展 第二次大
18、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：主要的技术进展：主要的技术进展：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。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。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、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无基灭菌、无基灭菌、无基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计
19、制造。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，二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，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。迅速形成工业大规摸生产。迅速形成工业大规摸生产。迅速形成工业大规摸生产。1928192819281928年由年由年由年由 FlemingFlemingFlemingFleming发现青霉素，发现青霉素，发现青霉素，发现青霉素，1941194119411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作
20、对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究意义：意义：意义：意义：抗生素工业的发展抗生素工业的发展抗生素工业的发展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推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展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为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础大型
21、发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业核酸发酵工业核酸发酵工业核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点切断支路代谢转折点切断支路代谢转折点切断支路代谢转折点:酶的活力调控酶的活力调控酶的活力调控酶的活力调控,酶的合成调控酶的合成调控酶的合成调控酶的合成调控(反馈控制和反馈阻
22、遏反馈控制和反馈阻遏反馈控制和反馈阻遏反馈控制和反馈阻遏)解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节,特殊特殊特殊特殊调节控制的利用调节控制的利用调节控制的利用调节控制的利用,突变株的应用突变株的应用突变株的应用突变株的应用,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等.现代工业微生物学的新发展 20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代后年代后年代后年代后细胞融合技术、基因操作技术等生物技术细胞融合技术、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发展，打破了生物种
23、间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物微生物;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。生物工程学生物工程学BiotechnologyBiotechnology微生物与工业发展的关系微生物与工业发展的关系通过食品罐藏防腐通过食品罐藏防腐酿造技术的改造酿造技术的改造纯种厌氧发酵的建立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代谢调控发酵技术的发明古老的酿造技古老的酿造技术迅速发展成术迅速发展成工业发酵新技工业发酵新技术术遗传工程等新技术的遗传
24、工程等新技术的推动下，进一步发生推动下，进一步发生质的飞跃，发展为发质的飞跃，发展为发酵工程酵工程发酵工程发酵工程遗传工程遗传工程细胞工程细胞工程酶工程酶工程生物反应器工程生物反应器工程利用微生物的代谢机能：利用微生物的代谢机能：三废处理；冶金、炼油三废处理；冶金、炼油微生物在工业生产中的应用微生物在工业生产中的应用直接利用微生物的菌体：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。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：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；酿造食品；有机溶剂；发酵饮料、酒类；有机酸；抗生素
25、；氨基酸；核苷酸；维生素。氨基酸；核苷酸；维生素。利用微生物的酶：利用微生物的酶：工业酶制剂；药用酶工业酶制剂；药用酶人类社会经济发展人类社会经济发展人类社会经济发展人类社会经济发展的危机的危机的危机的危机.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当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的当前的能源结构、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发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及发展模式。特别重
26、要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需。环境保护的急需。环境保护的急需。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基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济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将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪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只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生
27、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。这种能源合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源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，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，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，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。社会的稳定、和国家安全。社会的稳定、和国家安全。社会的稳定、和国家安全。Figure1.Idealizedbiorefineryconcept.(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)