中国石油大学环境生物工程--讲稿

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1、,环境生物工程,主讲：张忠智,2013年9月10日,1,化工学院 生物化工实验室,环境生物工程 041023 (32)1-8;周2,9-11节周5,1-2节 教材：工业微生物学 岑沛霖 蔡谨 编著 化学工业出版社， 2000.6 环境生物技术 马放 冯玉杰 任南琪 编著 化学工业出版社， 2003.5 上课教室:1-207,2013年9月10日,2,化工学院 生物化工实验室,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！,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、各种药物、疫苗、面包、奶酪、

2、啤酒、酱油等等,基因工程为代表的现代生物技术；,2013年9月10日,3,化工学院 生物化工实验室,少数微生物也是人类的敌人！,天花； 鼠疫； 艾滋病； 疯牛病； 埃博拉病毒； SARS；,2013年9月10日,4,化工学院 生物化工实验室,可以说，微生物与人类关系的重要性，你 怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的 双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也 带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅 是享受，而且实际上涉及到人类的生存。,2013年9月10日,5,化工学院 生物化工实验室,什么是微生物？,“微生物”是俗称，没有分类学上的意义。 微生物(microorganism)：是存在于

3、自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。,1. 1 微生物及其特点,2013年9月10日,6,化工学院 生物化工实验室,微生物的特点,其特点可概括为: 体积小、面积大; 吸收快、转化快; 生长旺、繁殖快; 易变异、适应性强; 种类多、分布广等五大物性。,2013年9月10日,7,化工学院 生物化工实验室,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、 繁殖快、易培养、数量大、分布广、 种类多、级界宽、易变异、抗性强、 休眠长、起源早、发现晚,2013年9月10日,8,化工学院 生物化工实验室,个体小:

4、,测量单位：微米或钠米,杆菌的平均长度：2 微米； 1500个杆菌首尾相连= 一粒芝麻的长度； 10-100亿个细菌加起来重量 = 1毫克 面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环 境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很 多属性都和这一特点密切相关。,2013年9月10日,9,化工学院 生物化工实验室,个体小:,测量单位：微米或钠米,火星陨石中发现的细菌化石（直径 20 nm）,最近在科学上的一篇文章报道了对一块陨石上可能存在的生命遗迹的 研究，这块陨石在45亿年前在火星上形成，13亿年以前由于宇宙碰撞而离开火 星，13000年前作为陨石降

5、落到地球上。对它的分析表明其上可能有生命存在过 ，更重要的是在该陨石上发现了类似细菌化石的东西，其直径仅为2040 nm.,2013年9月10日,10,化工学院 生物化工实验室,德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中 发现的一种硫磺细菌（sulfur bacterium），其大小可达0.75 mm， Thiomargarita namibiensis，-“纳米比亚硫磺珍珠”,最小和最大的细菌,2013年9月10日,11,化工学院 生物化工实验室,结构简：,无细胞结构（病毒）； 单细胞； 简单多细胞；,胃口大：,消耗自身重量2000倍食物的时间：,大肠杆菌：1

6、小时 人 ：500年（按400斤/年计算）,2013年9月10日,12,化工学院 生物化工实验室,食谱广：,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广 是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、 甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物 均可被微生物作为粮食,2013年9月10日,13,化工学院 生物化工实验室,繁殖快：,24小时后： 4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨 48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代,一头500 kg的食

7、用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质, 而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜） 和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg蛋白质。,2013年9月10日,14,化工学院 生物化工实验室,易培养：,很多细菌都可以非常方便地进行人工培养！,数量大：,在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表） 都生存有大量的微生物！ 分析表明，微生物占地球生物总量的60%！,2013年9月10日,15,化工学院 生物化工实验室,2013年9月10日,16,化工学院 生物化工实验室,分布广：,人迹可到之处，微生物的分布必然很多， 而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！,强酸、强碱、高热的极端

8、环境；,数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；,几千米的地下；,常年封冻的冰川；,生物物质雨般落下 科学家称外太空有生命 (2001-08-02 ),2013年9月10日,17,化工学院 生物化工实验室,从永冻冰层分离微生物,2013年9月10日,18,化工学院 生物化工实验室,南极Vostok湖冰芯样品中的微生物,2013年9月10日,19,化工学院 生物化工实验室,富营养化湖泊,2013年9月10日,20,化工学院 生物化工实验室,活性污泥中的微生物,2013年9月10日,21,化工学院 生物化工实验室,种类多：,微生物的生理代谢类型多； 代谢产物种类多； 微生物的种数“多”

9、；,虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少， 但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物 总数的1%,2013年9月10日,22,化工学院 生物化工实验室,级界宽：,Whittaker的五界分类系统,2013年9月10日,23,化工学院 生物化工实验室,级界宽：,Woese三原界分类系统,2013年9月10日,24,化工学院 生物化工实验室,易变异：,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触 繁殖快、 数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10-5 10-10,2013年9月10日,25,化工学院 生物化工实验室,易变异：,青霉素的生产：,20单位/ ml（19

10、43）,10000单位/ ml,青霉素的用量：,最高：10万单位/天（40年代）,数百万-千万单位/次,2013年9月10日,26,化工学院 生物化工实验室,易变异:微生物与外界 环境直接紧密接触, 易受环境作用与 变化的影响,发生突变。,2013年9月10日,27,化工学院 生物化工实验室,细菌抗药性的产生：,2013年9月10日,28,化工学院 生物化工实验室,抗（逆）性强：,抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下存活； 自然界中细菌生长的最高温度可以达到110 以上 ； 有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死；,抗寒：有些微生物可以在12 30的低温生长；,抗酸碱：细菌能耐

11、受并生长的pH范围：pH 0.5 13；,耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中 都有微生物生长；,抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；,科学家发现一种食铁微生物可在121度高温下繁殖 在2003年科学杂志（Science, Vol. 301, Issue 5635, 976-978, August 15, 2003）发表的一篇论文表明，研究人员发现了一种能够在121度 高温下生存 繁殖的食铁微生物。 来自阿姆赫斯特马萨诸塞大学的研究人员Kazem Kashefi和Derek Lovley发 现这种微生物并将之成为“121株”，目前该微生物还没于科学名称。科学家在太

12、平洋深海海床火山口发现这种微生物，该地的温度可以高达400摄氏度。两位研 究人员将121株放在121摄氏度的烤箱中，结果发现这种微生物竟然很适合这一温 度，菌落大小很快就增大到原来的两倍。这比以前报告的微生物最高生存温度高 出8摄氏度。 Lovley表示，研究这种食铁的121株微生物可以为我们揭示35亿年前第一种 生命形式演化所处的环境。,2013年9月10日,29,化工学院 生物化工实验室,科学家建议寻找地下50公里生命 北京晚报:2002-3-8 把大肠杆菌放在地下50公里的超强压力下，它会不会活下来？科学家最近惊奇地发现 ，答案是肯定的。一些科学家说，这些细菌可以适应如此极端的压力环境，

13、说明生物对环 境具有超乎想象的“惊人”适应力。因此人类在其他星球上寻找地外生命时，眼光不能只局 限在星球的表面，而应当延伸到压力巨大的地下。 照理来说，大肠杆菌等一般难以在这么高的压力下生存。以前的实验发现，构成生物 的蛋白质等基本结构，在如此高的压力下往往会裂解。但美国卡内基学会地球物理研究所 夏尔马博士领导的小组在最近出版的美国科学杂志上介绍，在他们的实验中，大肠杆 菌不仅在极端高压下活了下来，而且还能进行新陈代谢。 在实验中，科学家借用了高压物理学实验工具金刚石钻压槽。放入金刚石钻压槽中的 大肠杆菌和另外一种常见细菌，受到了强力的挤压，其承受的压力最高值相当于海平面气 压的1.6万倍。

14、化学分析显示，在接受压力实验的100万个细菌中，有1%存活了下来，这些幸存者仍 然能够完成正常的代谢功能，将甲酸盐转化为二氧化碳和氢气，但是，与此同时，它们也 付出了代价，许多幸存的个体已经被挤压得面目全非，而且目前没有迹象表明细菌能够在 高压环境中繁殖。 近些年来，研究人员陆续在海底火山口旁、两极冰层和地下发现了许 多奇异的有机体，这些有机体能够在高温、高放射性、强酸性和极为干燥的环境中生存并 繁衍。这次新的研究又将生命的极限做了延伸。夏尔马说，当人类在外太空寻找生命时， 应当重新考虑那些从前因为处于高压环境而被忽略的地方，例如木星的深水层或者火星冰 盖的下面都可能有生命形式存在。 美生物学

15、家提出：“当你认识到有机体能够在压强达上百吨的地下生存并繁衍的时候， 生命的极限已经被延伸了，这就预示了像木星或其他重力巨大的行星上存在生命的可能性。,2013年9月10日,30,化工学院 生物化工实验室,休眠长：,世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年 Nature 407, 897 - 900 (2000),2013年9月10日,31,化工学院 生物化工实验室,起源早：,38亿年前，生命在海洋中出现 26亿年前，陆地上就可能存在微生物,发现晚：,300多年前人们才真正发现微生物的存在,2013年9月10日,32,化工学院 生物化工实验室,微生物的特点：,个体小、结构简、胃口大、食谱广、

16、繁殖快、易培养、数量大、分布广、 种类多、级界宽、变异易、抗性强、 休眠长、起源早、发现晚,2013年9月10日,33,化工学院 生物化工实验室,2013年9月10日,34,化工学院 生物化工实验室,1.2 微生物学的发展简史,在我国，利用微生物进行谷物酿酒的历史，至少可追溯到距今四千年前的龙山文化时期。 1.2.1 古代中国对微生物的利用 在农业方面，据考证，远在商代已知使用经过一定时间储存的熟粪便来肥田。到了春秋战国时期，沤制粪便的应用更为普遍。 在医学方面，人们对物、牲畜、蚕、桑的病害及其防治方法也逐步有所认识。,2013年9月10日,35,化工学院 生物化工实验室,1.2.2 微生物学的发现及微生物学的发展 启蒙时期形态学期 微生物学的奠基时期生理学期 微生物学的分子时代分子生物学期,2013年9月10日,36,化工学院 生物化工实验室,1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有