微生物资源开发利用专家讲座

课程编号：12100700课程名称：微生物资源开发利用课程类型：专业选修课总学时：32课时学分：2学分先修课程：无机化学、有机化学、微生物学、生物化学第1页自20世纪以来，自然资源保护及有效利用引发了人们高度重视。植物资源、动物资源和微生物资源是自然资源关键部分。其中，微生物资源拥有其它生物资源所不具备、特有生态学和经济学意义。作为生物资源主要组成部分，微生物资源含有许多可贵特点，如生产速率高、生物转化活性强、易实现工业化生产等，因而含有极为辽阔应用前景。微生物资源开发利用已成为当代应用生物学领域研究热点之一，微生物资源已经在工业、农业、医学等各个领域得到了广泛应用，有效服务于人类。学好《微生物资源开发利用》有利于微生物有效利用与微生物资源保护。课程目标与任务第2页课程介绍微生物资源开发利用是研究微生物资源及其合理开发利用和保护科学，它是微生物学、生物化学、分子生物学、医学、农学、化学、工程学等学科边缘科学。本课程从实用角度出发，对微生物资源开发利用各个领域进行探讨，重点讨论微生物这一主要资源，它与人类关系，开发利用新成就，新技术及存在问题，开发利用战略和策略，值得重点投入领域及展望。要求掌握相关资源微生物基本知识，资源微生物在各行各业中应用现实状况及前景，系统地掌握微生物资源开发利用概貌。第3页5第七章微生物采油技术

5第六章微生物湿法冶金

6第五章微生物肥料生产应用及其资源利用

4第四章

产生有机酸和醇类微生物5第三章微生物酶

5第二章

药用微生物

2第一章微生物资源

课时内容教学安排与课时分配（共32课时）第4页采取讲授与课堂讨论相结合教学方式。课外学生完成课程作业，阅读与本课程相关期刊论文5-10篇。主要教学方式：考查，采取提交论文形式（论文成绩占60%，听课、课堂讨论及作业成绩占40%）考评评分方式：第5页《微生物资源开发利用》，姜成林、徐丽华主编，中国轻工业出版社，年。教材：1.《当代微生物学与试验技术》，林稚兰等编著，科学出版社，年。2.《工业微生物资源开发应用与保护》，储葛健主编，化学工业出版社，年。3.《环境微生物资源原理与应用》，李铁民等编著，化学工业出版社，年。4.《当代工业微生物学》，姚汝德编著，华南理工大学出版社，年。5.《生物工艺学》，俞俊堂编著，华东理工大学出版社，1991年。6.《氨基酸发酵工艺学》，张克旭编著，中国轻工业出版社，年。参考书：第6页第一章微生物资源1.1微生物资源特殊性自从有了人类，就天天跟动植物打交道，利用动植物作为食物主要起源。当代工业、当代农业更是大规模开发利用动植物资源为人类造福。不过，因为过分开发或不合理开发，环境恶化，沙漠化加剧，动植物资源急剧降低，造成了长久、甚至是难以填补损失。这已经成为国际性问题。许多国家都把可连续发展战略作为基本国策，制订了保护生物多样性，保护珍稀动物、濒危植物法规，并采取了相关办法。第7页微生物是一类天然资源公众意识远远没有建立。第一，自从有了人类，也就天天跟微生物打交道，但人类发觉微生物却很晚，仅300多年而已。第二，微生物形体极小，代谢类型极其多样化，生长繁殖速度惊人。在最适条件下，有细菌20min就能繁殖一代。第三，微生物变异性大。第四，种源丰富，未知者众。有些人认为，全世界被描述微生物种类不到实有数2%；依据Omura预计，当前所知道放线菌（约3000种）仅占实有数10%—20%。表1-1是已知和未知生物资源大致情况。第8页表1-1生物资源种类类群已知种预计种已知种占百分比%类群已知种预计种已知种占百分比%病毒50001300004甲壳虫38000细菌47604000012昆虫800000100000080真菌6900015000005其它节肢动物132460藻类400006000067软体动物50000Pryophytes170002500068棘皮动物6100裸子植物750两栖动物4184被子植物25000027000093爬行动物6380原生动物3080010000031鱼类190002100090多孔动物5000鸟类919810000～100腔肠动物9000哺乳动物41704300～100线虫150005000003第9页值得说明是，未知菌详细百分比不可能准确，因为研究地域，使用Primer,研究人员兴趣各不相同，不过还有大部分微生物种类我们不知道却是事实。微生物是类种类繁多可再生资源，是最丰富遗传基因库。对微生物资源开发，不存在“过分”问题，也不会因开发造成原产地微生物资源降低或绝灭问题。第五，对微生物资源研究与开发比动植物晚许多，但取得了极其辉煌成就。人类分离、判定微生物历史大约只有100年。只是到近些年来，人们才明确认识到，与动物、植物一样，微生物也是一类主要自然资源。第10页1992年联合国环发大会经过了《生物多样性条约》（ConventiononBiologicalDiversity）。这是人类对保护生物多样性及其永续利用共同纲领。我国是该条约缔约国之一。1993年我国成立了中国环境与发展国际合作委员会生物多样性工作组，负责生物多样性协调工作。《生物多样性条约》明确指出：“生物资源是指对人类含有实际或潜在用途或价值遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其它生物组成部分。最好在遗传资源原产国建立和维持移地保护及研究植物、动物和微生物设施”。这是对微生物资源及其保护最具权威性表示。第11页

依据条约定义，我们能够从以下几方面认识微生物这一类资源。从维持生态平衡而言，微生物起作用是巨大，是其它生物不可取代。从“有实际或潜在用途或价值”观点看，除了传统酿酒工业、面包工业、奶酪工业、酱菜工业所利用微生物以外，当代发酵工业生产药品、氨基酸、有机酸、维生素、酶、醇、微生物肥料、微生物农药等以及石化工业、冶金工业使用微生物，其“价值”是难以估量。生物资源三支柱，即动物、植物、微生物，其中微生物是一类与动物、植物资源不一样、生产性能优越、开发前景辽阔生物资源。第12页微生物资源开发利用包括农业、轻工、环境保护、矿石、医药等国民经济各部门。因为开发目标不一样，工作基础差异，开发利用战略和策略会有很大差异。这里将对微生物资源开发利用总体思绪进行讨论。微生物资源开发利用程序通常由总体设计、找到目标菌、效果试验、申请专利、菌种改良及发酵工艺研究、报批、生产、市场等相互关联过程所组成。1.2微生物资源开发利用一、总体设计第13页

总体设计是微生物资源开发利用首要任务，关键是市场。总体设计还包含开发策略，自己工作基础，已具备条件，自己优势和劣势，合作搭档力量及诚信度、投资大小、投资周期及风险等。创新是微生物资源开发灵魂。首先社会新需求日益增加，新领域不停出现，伴随科学技术不停进步，开发资源能力也增加。另首先，开发难度也大大增加。总体设计一旦确定，明确开发意图并落实一直，是微生物资源开发最基本、时刻不离标准，关键问题就是千方百计尽早找到所需目标菌。这是开发成败关键，全部策略、路线、方法都要为这个中心服务，而不要有所偏离。第14页1.

菌种起源及菌种分离二、找到目标菌世界微生物资料中心（WorldDataCenterforMicroorganisms）资料显示，当前最少有58个国家共建立了484个菌种保藏中心，已保藏菌种80多万株，很多是经典菌株。这能够作为菌种主要起源。假如自己分离菌种，就要依据开发目标，选择取样地域、取样环境。土壤是微生物种类最丰富场所，是取之不尽微生物产地。海洋微生物是尤其值得开发资源。在某种意义上讲，海洋微生物还能够算是处女地，是大有开发潜力微生物资源。第15页一样，地球上广泛分布着所谓“极端环境”，如高温温泉、盐湖、盐碱地、雪山、冰川及南北极、火山口、荒漠、放射性地域等等。极端环境微生物也是主要微生物资源。我们所知道微生物不到10%，而利用不到1%！这90%以上未知微生物大致上都能够叫做“新种”。新种就意味着存在新基因，有新基因就有新产物，有新产物就可能有新用途。所以，未知微生物是最值得开发资源。菌种分离，尤其是未知菌分离本身就是微生物资源开发利用重大课题。第16页关于混合菌：在微生物学发展历程中，分离纯培养曾经是一个巨大进步，当代工业微生物发酵几乎都是用纯种。在一些情况下，分离资源微生物不一定需要纯培养物。近些年来，越来越多事实表明，一些微生物生长繁殖需要另一个微生物参加，它们存在依存关系。2.

模型设计微生物资源开发目标千差万别，但都必须建立准确、微量、快速、简便筛选模型，尽早淘汰非目标菌，加速筛选进程。模型设计可依据作用机制、代谢路径靶位、酶反应机制、基因操作过程各种调控因子、目标化合物类型等来设计初选模型。第17页3.

一菌多筛一菌多筛，不但增加了菌种利用率和入选率，更主要是有可能找到用途更大非目标菌，比如含有某种活性菌等。4.

高通量筛选和组合生化相结合在进行生物活性物质筛选时，国外一些大企业已广泛使用高通量筛选设备。它是将许多模型固定在各自不一样载体上，用机器人加样、培养后，用计算机统计结果，并进行分析，使筛选从繁重劳动中解脱出来，实现了快速、准确、微量。

组合生化是用已知有用化合物或已知骨架化合物分别与不一样微生物共培养，然后分析不一样培养时间化合物结构及其活性改变，从而极大地增加了化合物多样性，对应增加了取得理想化合物可能性。第18页三、申请专利第一、申请专利时机普通应在确定某种新活性、新用途或新化合物时马上申请。第二、什么情况可无须申请专利？第三、研究人员往往对法律程序不熟悉，而又无法去“精通”它，最好方法是聘请法律顾问或专利申请代理人。第19页四、菌种改良及基因工程微生物资源开发利用在某种意义上讲是微生物天然功效在人工控制条件下，按照人意志重演和高效表示。通常取得菌株目标物产率会比较低，或者菌株工艺性状有缺点，如生长慢、斜面菌种孢子化程度低等等。这就需要进行菌种改良。第一、用所谓传统理化诱变技术，使菌种发生突变，存优去劣。这是当前普遍采取方法，轻易施行，易见成效。第二、研究目标物基因结构及基因调控、表示方式，进行基因重组、转殖，使之高效表示。基因工程技术将变成常规技术，它将成为微生物资源开发利用强大武器。第20页五、微生物资源开发利用重大课题人类大规模开发利用微生物资源不过50年历史，已取得了极其辉煌结果。不过，微生物资源开发利用潜力依然大得很，前景十分宽广，任务也十分艰巨。（1）微生物资源种类终究有多少？怎样检测、分离未知微生物？极端环境存在什么样微生物？它们有何开发利用价值？是很值得投入主要领域。（2）化肥、农药曾经而且正在为农业增产做出巨大贡献，不过也带来严重环境问题。提供无公害肥源希望在于微生物。与此相关，从微生物着手开发无公害农药也值得重点投入。第21页（3）许多发达国家政府和民间投入在研发方面费用，大部分用于“保健”，其中医药是研发费用投入重点。即从微生物开发药品依然是当今重大任务。伴随开发进程不停深入，开发领域不停扩大，伴随新技术发展和渗透，微生物资源开发利用将会日新月异，新思维、新产品、新用途、新领域将层出不穷。我们相信，微生物资源将更加好地为人类造福。第22页1.3微生物资源保护一、保护微生物资源必要性微生物资源开发本身不会带来原产地资源降低问题，但这并不是说，地球上微生物种类没有降低危险。微生物资源保护基本上是新提法、新问题。伴随科学进步和社会文明提升，保护微生物资源认识将会提升，保护内容也会逐步充实，保护法规和办法也会建立和完善。微生物对人类意义能够从两个方面认识。微生物作为生态系统主动参加者，对于维持生态系统平衡起着不可替换主要作用；微生物也是人类所需各种物质生产者。伴随科学技术进步，微生物用途越来越广，用处越来越大。天然微生物对人类既是现实资源，也是潜在资源。第23页因为工农业、交通运输业大规模当代化、国际化，一些国家和地域（尤其是一些发展中国家）对自然资源过分开发和不合理开发，已经带来严重环境问题，大量生物种急剧降低。伴随森林砍伐程度和耕作程度增加，放线菌种类按次生林、荒地、旱地秩序降低。原始森林不单是最宝贵动物、植物资源库、基因库，一样也是最宝贵微生物资源库、基因库。天然湖泊水生环境暂时变干带来微生物群落单调化、微生物种类降低一个显著实证。第24页自然界微生物极大地受环境原因影响，处于不停地生生死死和不停改变之中。温度、湿度、酸碱、营养、空气都会极大地影响微生物生存。表1--2云南不一样植被土壤放线菌种类植被研究地域数平均数量/(×1000/g干土)平均属数植被研究地域数平均数量/(×1000/g干土)平均属数原始林8482.89.0旱地71359.45.4次生林161199.66.7蔬菜地85963.16.5荒地11893.25.9第25页在那些原始环境，