材料微生物技术

1,主讲人：钱春香教授cxqian,材料微生物技术,王瑞兴讲2012年9月12日,2,主要内容,3,主要内容,微生物的概念,微生物(Microorganism,microbe),是指一大类形体微小、结构简单的低等生物的总称。,微生物的三个特点,小,测量单位为微米或纳米,简,简单多细胞；单细胞；无细胞结构,低,进化程度低，为原始的生命形式,微生物小的直观感觉,真核细胞型,原核细胞型,电镜,微生物的相对大小,肉眼,光学显微镜,可见范围,病毒,微生物的种类,原核生物,细菌、放线菌、衣原体、支原体、立克次氏体、蓝细菌,真核生物,真菌（霉菌、酵母菌等）、原生动物、单细胞藻类,非细胞生物,病毒、类病毒、拟病毒、朊病毒等,细菌,各种“视野”下的细菌,光镜,暗视野,荧光,透射电镜,超薄切片,冷冻切片,扫描电镜,DNA蛋白质复合物,电镜下的微生物,曲霉,阿米巴,草履虫,酵母菌,病毒,微生物的特点,个体最小，比面值最大,比面值:假设人=1；大肠杆菌(E.coli)=300,000,有利于物质交换和能量、信息的交换；,微生物一系列属性均与此特点密切相关。,比面值=面积/体积,微生物的生物学之最,形态最简代谢最强食谱最杂繁殖最快数量最多分布最广种类最多变异最易,个体最小,形态最简,代谢最强,生物界的普遍规律：生物个体越小，其单位体重消耗的食物越多,地鼠每天消耗与体重等重的粮食；,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,代谢最强,生物界的普遍规律：生物个体越小，其单位体重消耗的食物越多,地鼠每天消耗与体重等重的粮食；,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,食谱最杂,从无机物到有机物；从无毒物到有毒物；从结构简单到结构复杂的物质，微生物都能利用和降解。,繁殖最快,大肠杆菌37培养在牛奶中，12.5min即可分裂一次；一般培养液的菌浓度为108-109个/ml。,数量最多,人体的肠道中始终寄居着100400种微生物，为肠道正常菌群，总数可达100万亿,分布最广,万米深海的硫细菌85公里高空的微生物地层下128米和427米的沉积岩中的细菌,类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总数79,78098,727127,298,种类最多,变异最易,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。如：流感病毒,抗性最强休眠最长起源最早发现最晚,19,主要内容,神奇微生物可以带给人类,具有智慧“思考能力”的黏菌建立生物计算机,变形黄色黏菌看上去不太像是构造未来“生物计算机”的基础元素，但目前日本科学家最新研究显示，黏菌能够思考，在迷宫路径中最直接有效地寻找到食物，它将颠覆我们所理解的传统智慧生命体。其工作能力远超出一些先进计算机和软件包，它的“信息处理”水平使我们无法相信是由单细胞微生物能够完成的。,神奇微生物可以带给人类,美宇航局拟用细菌为行星探索机器人供能,为了给美国的火星车供电，科学家安装了一个放射性同位素发电系统，利用钚的放射性衰变产生的热量发电，至少可满足“好奇”号一个火星年(687个地球日)的用电需求。实验室航天器工程学部门进行用于行星探索的微型机器人细菌供电技术的初步研究，利用细菌的代谢过程供电，若取得成功，未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池。,神奇微生物可以带给人类,吃废气的神奇微生物,新西兰兰扎公司与宝钢集团、中国科学院签署三方合作协议，共建“生物能源研发中心”。目前三方启动实施的300吨乙醇示范工厂项目将为全球首次钢厂尾气制乙醇的产业化和商业化提供科学数据。如示范项目成功，兰扎公司将在宝钢集团的厂房内建立一个处理炼钢废气能力在10万加仑左右的尾气制乙醇示范工程，附加值则发电高3倍以上。,神奇微生物可以带给人类,“吃”砒霜的微生物,砒霜(As2O3)以其剧毒而闻名,神奇微生物可以带给人类,电子牧羊犬“牧放”微生物,人类放牧的历史已有数千年，但是人类最初放牧并不是件很容易的事。后来，人们开始利用牧羊犬把牧场里的牲畜集中在一起。,那么能否找到一种很简单的方法集中微生物？其实找到微生物世界的“牧羊犬”,神奇微生物可以带给人类,在沸腾中旺盛的微生物,科学家日前发现了一种深海微生物，这种微生物比其它生物都更能耐热，它在130摄氏度的高压下仍能继续生长和繁殖,它更新了科学家们对生命所能承受的温度上限的认识，有助于更深入地研究地球生命的起源和演化，也为在其他星球上寻找生命存在的迹象提供了新线索。,用铁来进行能量转换，这是以前不为人知的一种崭新的生物“呼吸”方式,神奇微生物可以带给人类,专吃氯乙烯的微生物，利于地下水清洁,氯乙烯是一种最常见的有毒工业化学制品，能在土壤中存在好几百年。现在，人们主要通过把受污染的水从地下泵吸出来，撒到空气中形成细密水雾，让阳光暴晒，使化合物自然分解来清除氯乙烯和其他有机化合物。,美国微生物学家弗兰克洛佛勒花了4年时间，从密执安州的地下土壤样本中找到了这种微生物。过去，科学家已经在利用其他一些吞食有毒废弃物的微生物来治理环境污染，但靠吞食氯乙烯为生的微生物还是首次发现。,神奇微生物可以带给人类,具有成矿作用的新型微生物,美国科学家最近在威斯康星州西南部一处废弃铁矿床的深处，发现一种能够“制造”极为细长的纳米级晶体的新型微生物。这种微生物和细长微晶体的发现，为人们探索生物成矿作用的机制开启了一扇更广阔的窗口。,这种晶体的独特性主要表现在它的直径长度比非常大：直径仅有几个纳米而长度达到10微米，相差千倍以上，与人的发丝比例接近。,有助于人类模拟大自然创制的材料杰作，从而开辟仿生合成的新途径,28,主要内容,微生物与人类关系：福兮?祸兮？,微生物是人类的朋友,微生物是自然界物质循环的关键环节,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质：有机酸、酶、药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒,微生物与人类可持续发展,当前人类正面临着多种危机，如粮食危机、能源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。,人类进入21世纪后，遇到从利用有限的矿物资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列的新问题。,由于微生物独具特点，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用。,微生物与人类可持续发展,环境限制性意义：由于世界人口的急剧增长,社会经济发展对资源的需求与日俱增。,微生物细胞不仅是一个比面值大、生化转化能力强、能进行快速自我复制的生命系统，而且它们还具有物种、遗传、代谢和生态类型的多样性，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用。,人类面临五大危机,微生物与粮食,微生物肥料提供的是能固氮、解磷、解钾等有益微生物，这些活的微生物能在植物根际生长、繁殖。,微生物肥料,通过有益微生物在根际大量繁殖，与植物分泌的粘液及矿物胶体、有机胶体相结合，形成土壤团粒结构，增进土壤蓄肥、保水能力。,降低农药残留：微生物肥料不仅本身无毒无害，还能起到净化、修复土壤的作用,微生物与能源,把自然界蕴藏量丰富的纤维素转化成乙醇,利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷,利用光合细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源”-氢气,通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率,微生物电池,微生物与资源,微生物能将可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。这些产品除了传统的乙醇、丙醇、丁醇，还包括各种高价值的有机原料,由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，可期待其逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。,微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。,微生物与环境保护,利用微生物技术来监察环境的污染度,利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染,利用微生物来净化生活污水、有毒工业污水和修复污染土壤；,微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药,微生物与人类健康,各种微生物传染病构成了人类的主要疾病，而防治手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素,一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。,SARS,禽流感病毒,疯牛病,天花,鼠疫,AIDS,微生物技术产业,当前，无论是发达国家还是发展中国家，都纷纷把生物技术产业作为优先发展的战略性产业抢占国际竞争制高点和战略重点。正因为生物技术具有非同一般的战略意义，所以世界各国都在生物技术领域展开了竞争。,微生物技术产业,生物技术的发展是我国国民经济与社会发展的需要。未来生物技术将在医学、农业、工业、能源、环境等领域引发新的产业革命：,推动医学史上一次新的革命,掀起农业的又一次“绿色革命”,能源革命缓解目前能源紧张局面,推进“绿色制造业”发展,有望从根本上解决生态环境恶化,国家“十二五”科学和技术发展规划,专栏：节能环保产业技术,战略性核心技术,国家“十二五”科学和技术发展规划,专栏：生物产业技术,国家“十二五”科学和技术发展规划,专栏：新能源产业技术,国家“十二五”科学和技术发展规划,专栏：可持续发展科技示范重点,国家“十二五”科学和技术发展规划,前沿技术研究,生物和医药技术重点研发基因组学及新一代测序技术、蛋白质组学技术、干细胞技术、生物合成技术、生物治疗技术、分子诊断和分子影像技术、生物信息技术、药靶发现与药物分子设计技术。大力开发诊断试剂、疫苗、抗体药物、灵长类疾病动物模型及血液制品、组织工程技术和产品、工业生物技术、生物能源技术、生物医学工程关键部件和生物医学应用材料。发展生物资源开发保护、生物安全监测防控技术及装备。建立基因测序、蛋白质组学、转化医学等研发平台、抗体库和疫苗研发基地。,国家“十二五”科学和技术发展规划,前沿技术研究,新材料技术抢占微电子/光电子/磁电子材料与器件、新型功能与智能材料、高性能结构材料、先进复合材料、纳米材料和器件、超导材料、高效能源材料、生态环境材料、低碳排放材料等前沿制高点。开展材料设计制备加工与评价、材料高效利用、材料服役行为和工程化等关键技术的研发。攻克稀缺材料替代与高效利用、生物医用新材料及表面改性、高性能光电子材料与器件集成、先进晶体与全固态激光材料、国家重大工程用关键材料等核心关键技术。,国家“十二五”科学和技术发展规划,前沿技术研究,先进能源技术重点探索面向第四代核能、氢能与燃料电池、海洋能、地热能、二氧化碳捕集、利用与封存等方向的前沿技术。围绕节能减排、能源材料和装备、生物质能、储能等战略必争领域和产业核心竞争力的提升，突破核心关键技术。针对可再生能源、节能技术等重大战略技术方向进行重点部署，开发一批重大战略产品和技术系统。,国家“十二五”科学和技术发展规划,前沿技术研究,资源环境技术攻克一批矿产资源与油气资源高效勘探开发与集约化利用核心关键技术与装备，提升重大关键装备的研发能力和行业核心竞争力，大幅提升我国战略性资源勘探与开发利用效率。加强新型污染物治理技术与装备开发，加快推进清洁空气技术与土壤修复技术研发，强化环境事件应急技术与装备开发。大力发展先进环境监测仪器与智能化生态环境监测技术，强化环境污染风险识别与阻断技术开发，提升生态环境监测技术水平。,国家“十二五”科学和技术发展规划,前沿技术研究,海洋技术以形成海上高技术作业能力为目标，强化核心技术开发和装备研制，推进海洋技术由近浅海向深远海的战略转移。围绕海洋环境监测、海洋油气与矿产资源开发、海洋生物资源利用、深海运载与作业等方面，大力发展深水油气勘探开发、深海潜水器、深远海海洋环境监测和海底观测网等核心技术，研制一批海洋开发重大装备，初步具备深海油气勘探开发重大装备的