微生物与工业微生物学

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 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。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 2.1 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病毒病毒大肠杆菌大肠杆菌 0157:H7 0157:H7 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类型 低限低限 倾向种数倾向种数 高限高限 病毒与立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 细菌与放线菌细菌与放线菌 1,000 1,500 1,500 蓝细菌蓝细菌 1,227 1,500 1,500 藻类藻类 15,051 23,100 23,100 真菌真菌 37,175 47,300 68,939 原生动物原生动物 24,068 24,068 30,000 总数总数 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：细菌数亿土壤：细菌数亿/g/g人体体表及体内存在大量的微生物：人体体表及体内存在大量的微生物：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*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 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观察结果观察结果微生物学的奠基及发展微生物学的奠基及发展彻底否定了自然发生说证实发酵由微生物引起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。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.现代工业微生物学的新发展 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古老的酿造技术迅速发技术迅速发展成工业发展成工业发酵新技术酵新技术遗传工程等新技术的遗传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；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.现代工业微生物学的发展前景Figure 1.Idealized biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)