工业微生物学课件---第一章 绪论.ppt

现代工业微生物学 version 2.0 本课程的学习参考资料: 1. 现代工业微生物学教程，杨汝徳，华南理工大学出版社 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 Hall 5.”Prescott L M et al . Microbiology 4th”, WCB McGraw-Hill 6.“Foundations of Mirobiology, 5th”， WCB McGraw-Hill 7. 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： ”Advance in Microbiology“、”Trend in Microbiology” “Current Opinion in Microbiology” 1、什么是微生物？ 第一章第一章 绪论绪论 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。 或一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的 总称。总称。 微生物分布广 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； 微生物对人类益处 t 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！ t 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 t 微生物可以为我们提供很多有用的物质； 有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等。 t 基因工程为代表的现代生物技术； 少数微生物危害！ 鼠疫 天花 艾滋病(HIV病毒） 疯牛病（朊病毒） 埃博拉病毒 SARS（冠状病毒） 微生物是一把十分锋利双刃剑 v定义：微生物是所有形体微小、单细胞或结构较为 简单的多细胞生物、甚至没有细胞结构的生物的通称 。 v种类：微生物类群十分庞杂，包括： v无细胞结构的病毒、类病毒、拟病毒等， v属于原核生物的细菌、放线菌、立克次氏体、衣 原体等， v属于真核生物的酵母菌和霉菌，单细胞藻类、原 生动物等。 工业微生物的主要类群工业微生物的主要类群 细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、噬细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、噬 菌体、担子菌（蕈菌）、藻类菌体、担子菌（蕈菌）、藻类 细菌 蓝细菌 原生动物 藻类 真菌 2、微生物特点 个体小，比表面积大个体小，比表面积大 吸收多，转化快吸收多，转化快 生长旺，繁殖快生长旺，繁殖快 适应强，变异快适应强，变异快 分布广，种类多分布广，种类多 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 霉菌菌丝直径 210m 酵母15530 m 体积小、面积大 体积小、面积大 比面=面积/体积 乳酸杆菌 120,000 豌豆 6.0 鸡蛋 1.5 体重200磅的人 0.3 吸收多，转化快 3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食； 1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食； 大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖； 发酵乳糖的细菌在1小时内就可以分解相当于其自 身重量1,00010,000倍的乳糖，产生乳酸； 1公斤酵母菌体，在一天内可发酵几千公斤的糖， 生成酒精； 生长旺，繁殖快 例如：Escherichia coli (大肠杆菌)在最适的生长条件下，每 12.520分钟细胞就能分裂一次。 在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般为108109个/ml 。 利用微生物的这一特性就可以: 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。 谷氨酸短杆菌：摇瓶种子50吨发酵罐：52小时内 细胞数目可增加亿倍。 若干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 * 为念珠蓝菌属 (Nostoc) 的旧称，与细菌同属原核生物。 种类多、分布广 分布广：如: 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。 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 微生物的种数，据1972年： 更重要的是在于微生物的生理代谢类型多、代谢产物种类多。 易变异、适应强 任何有其它生物生存的环境中，都能找到微生 物。而在其它生物不可能生存的极端环境中也有 微生物存在。 突变频 率一般为10-510-10，但因繁殖快 ，数量多，与外界环境直接接触，因而在 短时间 内可出现大量变异的后代。 青霉素产量变异、耐药性变异举例 例如，青霉素生产菌 Penicillium chrysogenum(产黄青霉)的产量1943年为 每毫升发酵液中含20单位青霉素，40多年来，经过世界各国微生物遗传 育种工作者的不懈努力使该菌产量变异逐渐积累，加上发酵条件的改进 ，目前世界上先进国家的发酵水平每毫升已超过5万单位，甚至接近10 万单位。微生物的数量性状变异和育种使产量提高的幅度之大，是动植 物育种工作中绝对不可能达到的。正因为如此，几乎所有微生物发酵工 厂都十分重视菌种选育工作。 微生物与动物植物的生物活动规律的同一性 酵母菌乙醇发酵 本质上的同一性 肌肉的糖酵解 “生物化学的同一性” 维生素生长因子 相同的化学本质 多种辅酶的前体 辅酶为细胞代谢所必需 （一切生命系统在代谢水平上具有相同的本质） 对动植物起作用的遗传机制同样适用于微生物 生化突变细菌基因水平转移 微生物遗传学 肺炎双球菌转化实验 病毒重组实验 噬菌体感染实验 核酸是遗传的物质基础 3、微生物学及其研究内容 微生物学 研究微生物及其生命活动规律的科学。 研究内容 形态构造， 生理代谢，遗传变异， 生态分布， 分类进化 微生物学与生物工程 微生物学分支学科 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 (Virology) 细菌学 (Bacteriolog y) 藻类学 (Phycology) 真菌学 (Mycology) 原生动物学 (Protozoolog y) 水生微生物学 (Aquatic microbiology) 土壤微生物学 (Soil Microbiology) 海洋微生物学 (Marine Microbiology) 石油微生物学 (Petroleum Microbiology) 工业微生物学 (Industrial microbiology) 医用微生物学 (Medical microbiology) 农业微生物学 Agricultural microbiology) 食品微生物学 (Food microbiology) 免疫学 (Immunology) 普通微生物学 (General microbiology) 微生物分类学 (Microbial taxology) 微生物生理学 (Microbial physiology) 微生物生态学 (Microbial ecology) 微生物遗传学 (Microbial genetics) 4、微生物发展简史 我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒； 4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒； 2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病； 公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”； 公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物； 公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防传染”； 公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花； 1346年，克里米亚半岛上的法卡城之战(靼坦人-罗马人)； 16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见 的生物(living creatures)引起的； 1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说； 4.1 史前期 1664年，英国人胡克 （Robert Hooke）曾 用原始的显微镜对生长 在皮革表面及蔷薇枯叶 上的霉菌进行观察。 4.2初创期（形态学期 ） 第一个详细描述微生物形态 的是荷兰的一个显微镜业余 爱好者列文虎克（Anton van Leeuwenhoek ），首 次观察到了细菌。 他一生中曾制作了419架显 微镜，最大放大率达266倍 。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。 列文虎克在1683年寄给英 国皇家协会信的部分内 容。 A和B代表杆菌 C和D表示菌体运动轨迹 E代表球菌 F代表长杆菌 G代表螺旋菌 H代表一簇球菌 列文虎克自制显微镜列文虎克自制显微镜 不同时期的显微镜观察到的酵母菌 (a)1694年，列文虎克画的酵母 菌，完全缺乏细胞细微结构； (b)1860年，巴斯德画的正在出 芽生殖的酵母菌，细胞壁与细胞 质界限分明，细胞质中有液泡. (c)1910年，应用改进的显微镜 和染色技术观察到的酵母菌更细 微结构（尽管其中有人为修饰） ； (d)1965年，应用电子显微镜技 术获得的酵母菌图片，放大 31,200倍。 (a) (b) (c) (d) 显微镜对微生物研究的重要性 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 促使了这些微生物研究技术的 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。 微生物学之父法国人巴斯 德（Louis Pasteur） （18221895） 4.3 微生物学的奠基 巴斯德贡献 (1) 发现并证实发酵是由微生物引起的； (2) 彻底否定了“自然发生”学说； 化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病” 自然发生学说：1748年，尼达姆（John Needham）认为腐败肉汁中的微生 物是自发产生的，即微生物自生说。当时，相当多的人都认同这一观点。因为 新鲜的食物中并没有细菌，放置一段时间后就会腐败，显微镜观察可发现腐败 食物中充满着细菌。那么，细菌从哪里来？如果微生物自生说成立，就意味着 生命可以起源于非生命。 著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机 质的腐败。提出了生命只能来自生命的胚种学说，并认为只有活的微生物才是 传染病 (3) 免疫学预防接种 首次制成狂犬疫苗 (4)其他贡献 巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物 柯赫的贡献 a）细菌纯培养方法的建立 土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿） （1）微生物学基本操作技术方面的贡献 b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养 c）流动蒸汽灭菌 d）染色观察和显微摄影 (a)伟大的微生物学家科赫(Robert Koch)；(b)科赫的研究工具。钟罩(A)用来培养 微生物，照相设备(B)、显微镜(C)、染料和其它化学试剂(D)。 （2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献： a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌； b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖） c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则 1、 在每一相同病例中都出现这种微生物； 2 、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来； 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾 病会重复发生； 4 、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物。 4.3分子生物学期 1928年 Griffith 的细菌转化实验，1952年Hershey- Chase的噬菌体感染实验，1956年Frankel-Conrat烟 草花叶病毒的重建实验，证明了核酸是遗传的物质 基础； 1953年 Watson、Crick 提出DNA双螺旋结构 1961-66年 Holley 等阐明遗传密码 1973年 Boyer 和Cohen首次报到细菌基因经体外 人工重组后转入细菌内能复制表达-遗传工程问世 1975年 Milstein 等建立生产单克隆抗体技术 1988年 Mullis，建立PCR技术 1999年 基因研究所 百余种微生物基因组序列 t1890 Von Behring制备抗毒素治疗白喉和破伤风； t1892 Ivanovsky 提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据； t1928 Griffith发现细菌转化； t1929 Fleming 发现青霉素； t1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体； t1953 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构； t19701972 Arber、Smith和Nathans发现并提纯了 DNA限制性内切酶 20世纪微生物重大事件 t1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群 Sanger首次对f174噬菌体DNA进行了全序列分析； t19821983 Prusiner发现朊病毒(prion)； t19831984 Mullis 建立PCR技术； t1995第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列 测定完成； t1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成； t 1997 第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成； 5、工业微生物研究对象 主要包括五大类： (1)病毒一非细胞型生物； (2)细菌一单细胞(原核)； (3)放线菌一单细胞(原核)： (4)酵母菌一单细胞真菌(真核)： (5)霉菌一单或多细胞真菌(真核)。 此外还有： (1)蓝细菌（蓝绿藻）原核微生物，单细胞或细 胞聚合物 (2)支原体、立克次氏体、衣原体单细胞，介于 病毒与细菌之间(原核)： (3)单细胞藻类可归于植物界（微细藻类） (4)原生动物单细胞，可归于动物界。 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 天然发酵 白酒、啤酒、葡萄酒、酱油 纯种发酵 酒精、丙酮丁醇 通风发酵 抗生素、有机酸、酶制剂 代谢调控发酵氨基酸、核苷酸 基因重组菌种发酵胰岛素、干扰素 6、微生物学在生命科学发展中的重要地位 微生物是生物学基本理论研究中的理想实验对象，对微生物 的研究促进许多重大生物学理论问题的突破。 t 基因和酶关系的阐明及“一个基因一个酶”的假说； t 遗传的物质基础的阐明； t 基因概念的发展； t 遗传密码的破译； t 基因表达调控机制的研究； t 生物大分子合成的中心法则； 1941年Beadle和Tatum用粗糙脉胞霉进行的突变实验 使基因和酶的关系得以阐明，并提出了“一个基因一个 酶”的假说。 “断裂基因”、 “跳跃基因”、“重叠基因”的发现， 以及基因结构的精细分析、基因组测序等。 60年代Nirenberg等人通过研究大肠杆菌无细胞蛋白质合 成体系及多聚尿苷酶，发现了苯丙氨酸的遗传密码，继 而完成了全部密码的破译，为人类从分子水平上研究生 命现象开辟了新的途径。 Jacob等通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而提出操 纵子学说，阐明了基因表达调控的机制，为分子生物 学的形成奠定了基础。 DNA RNA 蛋白质 基因水平转移-细菌DNA的主动分泌与摄取 聪明的黏菌t 生命起源的研究； 7.1 微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用 t 以微生物为研究材料继续对一些基本生命现象进行研究； t 生物进化方面的研究； 在微生物基因组上进行的考古 t 性别分化的意义； t 生物智慧的发展； t 微生物产业的开发； t 重要致病菌的特点及其防治； t 极端环境的微生物的研究； 共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、 繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组 上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高 度的统一性。 特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例如可在 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其 他生物不具备的代谢途径和功能，反映了微生物极其 丰富的多样性。 微生物自身特性的进一步开发、利用：例如降解性塑料，分解纤 维素、生产单细胞蛋白等。 借助（利用）微生物特点的基因工程产业：利用微生物生产原本 它们不能生产的药物、疫苗等。 7、21世纪微生物学展望 7.2 与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展 学科交叉永远是科学创新的源泉！ 8、微生物在生物分类系统的地位 以啤酒酵母为例，它在分类学上的地位是： 界(Kindom)：真菌界 门(Phyllum)：真菌门 纲(Class)：子囊菌纲 目(Order)：内孢霉目 科(Family)：内孢霉科 属(Genus)：酵母属 种(Species)：啤酒酵母 （一）、微生物的分类单位 界、门、纲、目、科、属、种 种是最基本的分类单位 每一分类单位之后可有亚门、亚纲、亚目、亚科. 十三、微生物的分类与命名 1. 种（species）：是一个基本分类单类单 位；是一大群表型特 征高度相似、亲缘亲缘 关系极其接近，与同属内其他种有明显显差别别 的菌株的总总称。 菌株（strain）: 表示任何由一个独立分离的单细胞繁 殖而成的纯种群体及其一切后代（起源于共同祖先并保 持祖先特性的一组纯种后代菌群）。因此，一种微生物 的不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。菌 株强调的是遗传型纯的谱系。 例如：大肠埃希氏杆菌的两个菌株： Escherichia coli B 和Escherichia coli K12 菌株的表示法： 如果说种是分类学上的基本单位，那末菌株实际上是应用的基本单位， 因为同一菌种的不同菌株在产酶上种类或代谢物产量上会有很大的不同和 差别！ 亚亚种(subspecies）或变种(variety)： 为种内的再分类。 当某一个种内的不同菌株存在少数明显而稳定的变异特征或遗传形 状，而又不足以区分成新种时，可以将这些菌株细分成两个或更多 的小的分类单元亚种。 变种是亚种的同义词，因“变种”一词易引起词义上的混淆，从1976 年后，不在使用变种一词。通常把实验室中所获得的变异型菌株， 称之为亚种。 如：E.coli k12（野生型）是不需要特殊aa的，而实验实验 室变变异后， 可从k12获获得某aa的缺陷型，此即称为为E.coli k12的亚亚种。 型(form): 常指亚种以下的细分。当同种或同亚种内不同菌株之间 的性状差异不足以分为新的亚种时