工业微生物

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1、工业微生物,第一章 绪论,第一节 微生物及其特点,一、微生物的概念微生物(Microorganism)是对所有形体微小(0.1mm)、单细胞或个体结构较为简单的多细胞，甚至无细胞结构的低等生物的总称；或简单地说是对细小的人们肉眼看不见，必须借助显微镜才能看清的低等生物的总称。微生物在自然界中的分布极为广泛，空气、土壤、江河、湖泊、海洋等都有数量不等、种类不一的微生物存在。,第一节 微生物及其特点,二、微生物的特点微生物具有生物的共同特点：基本组成单位是细胞（病毒除外）；主要化学成分相同，都含有蛋白质、核酸、多糖、脂质等；新陈代谢等生理活动相似；受基因控制且遗传机制相同；有繁殖能力。但由于其形体

2、极其微小，结构简单因而具有动植物所不同的特点：1. 微生物结构简单，体积微小生物大都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞结构的，但相对表面积较大，物质吸收多，转化快。 这种特性为微生物的快速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物质基础。,第一节 微生物及其特点,2. 微生物代谢类型多，代谢能力强微生物有多种产能方式，有的利用分解有机物放出的能量；有的从无机物的氧化中获得能量；有的利用光能，进行光合营养。有的能进行有氧呼吸；有的能进行无氧呼吸。有的能固定分子态氮；有的能利用复杂的有机氮化物。微生物的代谢产物极多，仅抗生素就已经发现90000多种。3. 微生物生长旺盛，繁殖速度快，容易培养微生物具有

3、极高的生长和繁殖速度。以大肠杆菌为例，细菌细胞若按每隔20min就可以分裂一次，在一天的时间内即可以繁殖72代，则细菌后代的总重量将达到4722t。,第一节 微生物及其特点,假如再这样繁殖45d，它们就会形成跟地球同样重量的物体。当然不会出现这种情况，因为微生物的生长繁殖受到营养、空间和代谢产物等条件的限制，其分裂速度只能维持数小时而已。这一特点体现在发酵工业中的生产效率高、发酵周期短上。微生物容易培养，能在常温常压下利用简单的营养物质、甚至工农业废弃物生长繁殖，积累代谢产物。在发酵工业中，利用微生物发酵法生产食品、医药、化工原料等具有许多优点：如设备简单、原料广泛、不需要催化剂、产品一般无毒

4、副作用。,第一节 微生物及其特点,4. 微生物种类繁多，分布广泛，适应性强微生物种类繁多,目前已发现的约有15万种。随着人类认识和研究工作的发展，微生物新纲、新目、新科，新属、新种不断发现。微生物在自然界分布广泛，适应性强。土壤、空气、河流、海洋、盐湖、高山、沙漠、冰川、油井、地层下以及动物体内外、植物体表面都有大量微生物在活动。例如，太平洋深达1万多米的海底温泉中生活着既耐高温（1000）又耐高压（1.15108Pa大气压）、在厌氧条件营自养生活的硫细菌；在85km的高空能找到微生物；在南极洲深128m和427m的沉积岩中发现了活细菌。再如，细菌的芽孢，放线菌的分生孢子，真菌的各种孢子，能抵

5、抗外界不良环境的侵害，一般能成活几年甚至几千年。,第一节 微生物及其特点,5微生物容易发生变异微生物的个体一般都是单细胞、简单多细胞甚至是非细胞的，它们通常是单倍体，加之具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等特点，因此即使其变异频率（10-6 10-9）十分低，也可在短时间内产生出大量变异的后代。抗生素生产和其他发酵性生产中可利用微生物的变异，提高发酵产物产量。最典型的例子是青霉素的发酵生产，最初发酵产物每毫升只含 20 单位左右，而现在已有极大的增加，甚至接近10万单位了。,第一节 微生物及其特点,三、微生物在自然界的分类地位在生物学发展史上，曾将生物分为植物界和动物界。藻类有细胞壁，能

6、进行光合作用，归为植物界。原生动物无细胞壁，可运动，不能进行光合作用，归为动物界。而微生物的另一些类群，如细菌具有细胞壁，能进行光合作用，又可运动，将它归为植物界和动物界均不合适。,第一节 微生物及其特点,微生物在生物分类系统中的地位图：,第一节 微生物及其特点,四、自然界中的微生物1.非细胞微生物没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁殖。病毒属于此类型微生物。病毒包括（真）病毒和亚病毒两大类。其中亚病毒包括类病毒、拟病毒和朊病毒。2.原核微生物细胞核分化程度低，仅有原始核质，没有核膜与核仁；细胞器不很完善。这类微生物种类众多，有细菌、放线菌、蓝细菌（蓝藻）、衣原体、立

7、克次氏体和支原体。,第一节 微生物及其特点,3.真核微生物细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网、核糖体及线粒体等）。真核微生物主要包括属于植物界的显微藻类、属于动物界的原生动物和微型后生动物、以及属于真菌界的真菌微生物。真菌按其外观特征可分为酵母菌、霉菌和蕈菌三类。,第二节 微生物学的发展简史,微生物学的发展简史可以概括为五个阶段。一、经验阶段自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经觉察到微生物的生命活动及其作用。早在4000多年前的龙山文化时期，我们的祖先已能用谷物酿酒。殷商时代的甲骨文上也有酒、醴(甜酒)等的记载。在这个时期，人们在生产与日常生活中积

8、累了不少关于微生物作用的经验规律，并且运用这些规律，创造财富，减少和消灭病害。民间早已广泛应用的酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍、蜜饯等等。古埃及人也早已掌握制作面包和配制果酒技术。这些都是人类在食品工艺中控制,第二节 微生物学的发展简史,和应用微生物活动规律的典型例子。积肥、沤粪、翻土压青、豆类作物与其他作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和应用微生物生命活动规律的生产技术。种牛痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管这些还没有上升为微生物学理论，但都是控制和应用微生物生命活动规律的实践活动。,第二节 微生物学的发展简史,二、形态学阶段17

9、世纪，荷兰人列文虎克(Anthony van Leeuwenhoek)发现了微生物，从而解决了认识微生物世界的第一个障碍。但在其后的两百年里，微生物学的研究基本停留在形态描述和分类阶段。,第二节 微生物学的发展简史,三、生理学阶段从19世纪60年代开始，以巴斯德(Louis Pasteur 法国)和柯赫(Robert Koch 德国)为代表的科学家将微生物学的研究推进到生理学阶段，并为微生物学的发展奠定了坚实的基础。在这个时期，巴斯德研究了酒变酸的微生物原理，探索了蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病的病因，研究了有机质腐败和酿酒失败的起因，否定了生命起源的 “ 自然发生说 ” ，建立了

10、巴氏消毒法等一系列微生物学实验技术。柯赫继巴斯德之后，改进了固体培养基的配方，发明了倾皿法进行纯种分离，建立了细菌细胞的,第二节 微生物学的发展简史,染色技术，显微摄影技术和悬滴培养法，寻找并确证了炭疽病、结核病和霍乱病等一系列严重传染疾病的病原体等。这些成就奠定了微生物学成为一门科学的基础。因此，他们是微生物学的奠基人。,第二节 微生物学的发展简史,四、生物化学阶段19世纪以来，随着生物化学和生物物理学的不断渗透，再加上电子显微镜的发明和同位素示踪原子的应用，推动了微生物学向生物化学阶段发展。1897年，德国学者毕希纳（Bchner）发现，酵母菌的无细胞提取液与酵母菌一样，可将糖液转化为酒精

11、，从而确认了酵母菌酒精发酵的酶促过程，将微生物的生命活动与酶化学结合起来。一些科学家用大肠杆菌为材料所进行的一系列研究，都阐明了生物的代谢规律和控制代谢的基本过程。进入20世纪以后，人们开始利用微生物进行乙醇、甘油、各种有机酸、氨基酸等的工业化生产。,第二节 微生物学的发展简史,五、分子生物学阶段1941年，比德耳（G. Beadle）等用X射线和紫外线照射链孢霉，使其产生变异，获得了营养缺陷型(即不能合成某种物质)菌株。对营养缺陷型菌株的研究，不仅使人们进一步了解了基因的作用和本质，而且为分子遗传学打下了基础。1944年，艾弗里(O. Avery)第一次证实引起肺炎双球菌形成荚膜的物质是DN

12、A。1953年，沃森(J. Watson)和克里克(F. Crick)在研究微生物DNA时，提出了DNA分子的双螺旋结构模型。1956年富兰克尔(H. Fraenkel)和康拉特(Conrat)等通过烟草花叶病毒的重组实验，证明RNA是遗传信息的载体，这一切为分子生物学奠定了重要基础。近几十年来，随着原核微生物DNA重组技术的出现，人们利用微生物生产出了胰岛素、干扰素等贵重药物，形成了一个崭新的生物技术产业。21世纪，基因工程和基因组计划在微生物领域的应用，微生物学及微生物产业将会呈现全新的局面。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,一、工业微生物的研究对象工业微生物学是微生物学中的重要分支

13、，主要研究用于食品、制药、冶金、石油、能源、材料、轻工、化工、军工等工业生产中的微生物本身或微生物的众多代谢产物。包括微生物的种类、菌种的获得、代谢的机理和调控以及实际生产所需条件和控制。也就是说，试图对微生物加以控制。即利用微生物来做我们要做的事，或者防止微生物做我们不要做的事。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,微生物种类繁多，容易变异，代谢类型多，适应性强。所以，微生物工业中菌种的选择和培育是生产之本，代谢调控是生产的关键。目前，在工业上应用的微生物主要有细菌、病毒、真菌、显微藻类、动植物细胞培养物，具有活性的细胞碎片如酶和细胞匀浆物等。而这些微生物中产值最大的主要部分却只有酵母业、

14、抗生素业、酶制品业三项。本书将重点讨论那些独立生活的异养微生物如酵母、细菌、霉菌，也涉及到病毒。动植物细胞培养本书不予详述。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,二、我国工业微生物的研究概况我国劳动人民数千年前就会利用微生物来酿酒，制酱、醋，但直到20世纪40年代，工业微生物没有一个独立的教学和科研机构，发酵工业也奄奄一息。20世纪50年代开始，我国工业微生物领域的科研、生产均取得巨大的发展，国家设立了科学院和各级科研机构，并在工科院校设立了发酵专业，培养了大批发酵科技人材，推动了科研和生产的发展。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,酶制剂工业是20世纪60年代才开始建立的，几个主要酶种

15、的发展很快，产量也很大。1986年全国酶制剂产量达3万多吨。目前已知的酶有2500余种，有150多种已得到结晶。酶可分为氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类6大类。酶制剂商品已有100多种，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、乳糖酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶等。并且有近百种酶可制成固定化酶。现在微生物酶制品已广泛应用于食品、发酵、日用化工、纺织、制革、造纸、医药和农业等各个方面。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,微生物在医学方面的应用是20世纪50年代后才投入生产的，但现在已居世界前列。目前可利用微生物生产生物制品、抗生素、葡萄糖酐、干扰素、核苷酸、维

16、生素、甾体药物以及基因工程菌生产的药物。另外，还可利用微生物进行疾病的生物学诊断。其中，生物制品包括疫苗、类毒素和免疫血清；抗生素包括青霉素、链霉素、四环素、氯霉素、螺旋霉素等9000多种已被发现，市售有50多种，其中，由放线菌生产的有40种，由细菌生产的有6种，由霉菌生产的有5种；基因工程菌生产的药物主要有胰岛素、生长激素、胸腺素、白细胞介素等。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,微生物在其他方面的应用也越来越广泛。例如：利用微生物溶浸金属是近30年发展起来的新工艺，已由浸溶铜、铀、金发展为浸溶钴、镍、锰、锌、钛等20多种稀有和名贵金属。微生物在石油勘探、开采、脱硫、脱蜡等方面已有广泛应

17、用。微生物在环境保护中的应用主要表现为污水处理、对固体污染物的降解和转化、环境的生物修复和环境监测。微生物在农业方面的应用表现为提高土壤的生物活性，生产微生物肥料，生产微生物饲料，生产微生物农药，沼气发酵和食用微生物的栽培。,第三节 工业微生物及其研究对象和任务,三、现代工业微生物学的发展趋势20世纪，微生物学与生命科学及其他学科融合、交叉，获得了全面、深入的发展。20世纪50年代微生物学研究全面进入分子水平，并与分子生物学等学科进一步渗透，使微生物学发展成为生命科学中发展最快、影响最大、体现生命科学发展主流的前沿科学；同时微生物学也为生命科学做出了多方面的贡献。不但使生命科学在理论上产生重大变革，而且它的实验方法也是独特的、先进的。许多方法已在生命科学的很多领域广泛应用，推动了整个生命科学的发展。,