微生物資源的開發(fā)和利用

微生物資源的開發(fā)和利用生物資源開發(fā)利用自從有了人類，天天與動(dòng)植物打交道，利用動(dòng)植物作為人類食物的主要來源；現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)更是大規(guī)模開發(fā)利用動(dòng)植物為人類服務(wù)；由于過度或不合理開發(fā)，環(huán)境惡化，沙漠化加劇，動(dòng)植物資源急劇減少，造成了長期的、甚至是難以彌補(bǔ)的損失；地球上動(dòng)植物資源急劇減少已成為一個(gè)國際化問題；我們只有一個(gè)地球，“生物多樣性公約”就是全世界近200個(gè)簽字國保護(hù)生物多樣性最高意志的體現(xiàn)，由此許多國家都把可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略作為基本國策。生物資源開發(fā)利用放線菌生物資源開發(fā)利用霉菌生物

科學(xué)如何產(chǎn)業(yè)化？如何產(chǎn)業(yè)化？生物

科學(xué)生物科學(xué)與產(chǎn)業(yè)化*生物科學(xué)信息科學(xué)制藥學(xué)電子技術(shù)化學(xué)農(nóng)業(yè)材料科學(xué)與工程高分子分子設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)環(huán)境保護(hù)采礦制藥學(xué)

基因組的應(yīng)用—藥物設(shè)計(jì)信息

科學(xué)生物信息學(xué)—

Bioinformatics環(huán)境

保護(hù)生物修復(fù)Bioremediation清除核污染和重金屬污染油污染的清除醫(yī)學(xué)干細(xì)胞分化農(nóng)業(yè)植物基因工程技術(shù)電子工業(yè)

與生物工程？后基因組工作：功能基因的尋找—生物芯片技術(shù)高效藥物篩選—生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的建立！！—電子技術(shù)和微加工技術(shù)蛋白質(zhì)組計(jì)劃蛋白質(zhì)組計(jì)劃與電子工業(yè)和精密儀器的關(guān)系生物采礦—貧銅礦和貧鈾礦微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第一，自從有了人類，事實(shí)上天天與微生物打交道，但人類發(fā)現(xiàn)微生物卻很晚。微生物學(xué)“老祖宗”：巴斯德微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立微生物“無處不在”人體皮膚細(xì)菌微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立微生物“無處不在”牙齒上的細(xì)菌微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第二，人類最初發(fā)現(xiàn)的微生物還都是引起疾病的病原微生物，人類將微生物作為“敵人”。傷寒桿菌、梅毒螺旋體、肺炎球菌微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第二，人類最初發(fā)現(xiàn)的微生物還都是引起疾病的病原微生物，人類將微生物作為“敵人”。肝炎病毒微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第二，人類最初發(fā)現(xiàn)的微生物還都是引起疾病的病原微生物，人類將微生物作為“敵人”。破傷風(fēng)桿菌微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第二，人類最初發(fā)現(xiàn)的微生物還都是引起疾病的病原微生物，人類將微生物作為“敵人”。冠狀感冒病毒微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第三，微生物的形體極小，代謝類型極其多樣化，生長繁殖速度驚人，在最適條件下，有的微生物20分鐘就能繁殖一代；在動(dòng)植物不可能生長的地方都有微生物分布和生長。微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第四，作為一類生物資源，微生物既能提供極為多樣化的產(chǎn)品，又可適合在人工控制條件下進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，而不受氣候等因素的影響。微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第五，微生物的變異性大。比較高等動(dòng)物植物而言，微生物的變異性要大的多，為人類改造他們提供了更大的可能性。從分子生物學(xué)觀點(diǎn)來看，微生物的基因組較小，調(diào)控系統(tǒng)相對(duì)簡單，進(jìn)行基因操作比動(dòng)植物要容易得多。例如，人們最初找到青霉素時(shí)，其產(chǎn)率不到0.01%，經(jīng)過人們改造，今天達(dá)到了5%以上，產(chǎn)率提高了500多倍。青霉素的發(fā)明是人類的標(biāo)志性的偉大成果英國生物學(xué)家弗萊明微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第六，微生物種源豐富，未知者眾多。動(dòng)植物有珍稀、瀕危之說，而微生物無珍稀瀕危之說。目前，很難用多少屬、多少種、“特有種”、“蘊(yùn)藏量”來估價(jià)微生物的資源量。全世界現(xiàn)已知的微生物種類不到實(shí)有數(shù)的2％，相對(duì)而言，已知的高等動(dòng)植物所占的比例要大得多。微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立第七，對(duì)微生物資源的研究與開發(fā)比動(dòng)植物晚許多，但已取得了極其輝煌的成就。微生物是種類繁多的可再生資源，是最豐富的遺傳基因庫。對(duì)微生物資源的開發(fā)，不存在“過度”問題，也不會(huì)因開發(fā)造成原產(chǎn)地微生物資源減少或絕滅的問題。微生物是一類天然資源

的公眾意識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建立生物資源的三大資源，即動(dòng)物、植物、微生物，其中微生物是一類與動(dòng)植物資源不同、生產(chǎn)性能優(yōu)越、開發(fā)前景廣闊的生物資源。微生物網(wǎng)構(gòu)成整個(gè)食物鏈的基礎(chǔ)

很多海洋學(xué)家目前確信，整個(gè)食物鏈?zhǔn)墙⒃谖⑿〉膯渭?xì)胞細(xì)菌和小海藻基礎(chǔ)之上，細(xì)菌和小海藻又受小病毒的侵襲。這些病毒因?yàn)樘?，以前未曾探測(cè)到，但幾百萬年以來一直是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，已知對(duì)人類健康不構(gòu)成任何威脅。

微生物網(wǎng)構(gòu)成整個(gè)食物鏈的基礎(chǔ)有關(guān)海洋食物鏈的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，海洋中的小動(dòng)物吃海藻為生，這些小動(dòng)物又作為較大海洋動(dòng)物的食物。這種理論沒有考慮到占?jí)旱苟鄶?shù)的由病毒、細(xì)菌、海藻和原生動(dòng)物組成的海洋生物量的作用。微生物網(wǎng)構(gòu)成整個(gè)食物鏈的基礎(chǔ)

科學(xué)家們不再認(rèn)為存在簡單的、直線的生物鏈，而是有一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際上不可見的微生物網(wǎng)，構(gòu)成整個(gè)食物鏈的基礎(chǔ)。固氮根瘤菌微生物與能源開發(fā)

通過微生物發(fā)酵可以產(chǎn)生一些能夠作為能源的東西。比如說，浸泡在水中的糧食如糯米，會(huì)發(fā)出酒糟味，這是因?yàn)樵跓o氧條件下，厭氣微生物酶發(fā)揮作用，將糧食中的碳水化合物分解為乙醇，也就是酒精。南方人喜歡吃的糯米酒糟，就是利用無氧發(fā)酵制成的美味食品。酒精不僅是重要的工業(yè)原料，而且可以作為燃料替代品，解決能源不足的矛盾。

微生物與能源開發(fā)

傳統(tǒng)的發(fā)酵酒精生產(chǎn)是以玉米等糧食作為原料的，這無疑會(huì)使這項(xiàng)生產(chǎn)受到限制。于是人們熱衷于尋找廉價(jià)的替代原料，過去，像農(nóng)作物秸稈、雜草、樹葉、果殼、蔗渣等一向被視為廢棄物。現(xiàn)在這些“小人物”將被派上大用場(chǎng)。為什么這么說呢？

微生物與能源開發(fā)

我們知道，纖維素是葡萄糖分子聚合而成的多聚糖，如果能想辦法把這些大分子降解的話，酒精、葡萄糖等有用的大分子將被源源不斷地生產(chǎn)出來。這無疑是變廢為寶的好途徑。由于這條途徑的誘人前景，世界上的許多國家都在加緊進(jìn)行這方面的研究開發(fā)工作，期待著有一天，“綠色石油”——發(fā)酵酒精會(huì)源源不斷地生產(chǎn)出來。

微生物與能源開發(fā)

在這方面，科學(xué)家們對(duì)發(fā)酵微生物，比如酵母菌寄予很大的希望。目前雖然還不能利用酵母菌一步實(shí)現(xiàn)從纖維素發(fā)酵酒精的過程，但科學(xué)家們正在構(gòu)建這方面的“工程菌”，并取得了可喜的成績，估計(jì)在不久的將來會(huì)取得突破性的進(jìn)展。

微生物與能源開發(fā)

我們中的許多人大概都聽說過沼氣吧。它的學(xué)名是甲烷，同酒精一樣，也是可燃燒的氣體，并可由農(nóng)作物廢棄物等發(fā)酵產(chǎn)生。在我國廣大農(nóng)村，建起了數(shù)以萬計(jì)的小型沼氣發(fā)酵池，充分利用人畜糞便、農(nóng)作物秸稈、雜草、樹葉等有機(jī)垃圾生產(chǎn)沼氣，既可解決農(nóng)村用能源，又能改善生態(tài)環(huán)境、培肥莊稼、確實(shí)是一舉多得的好事。在西方一些國家，則建起了大型沼氣發(fā)酵廠，大量從廢棄物中回收沼氣這種廉價(jià)的可再生能源。

微生物與能源開發(fā)

除了發(fā)酵生產(chǎn)酒精和沼氣之外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了能幫助人類采集石油的微生物，能夠產(chǎn)氫的微生物等等，它們都將會(huì)在新能源的開發(fā)上大顯身手。

微生物與能源開發(fā)石油和天然氣的燃燒會(huì)產(chǎn)生煙、酸雨和全球溫室效應(yīng)，而氫氣燃燒只產(chǎn)生水。但氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境的影響并不像想象的那么好?，F(xiàn)在的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的泄漏導(dǎo)致10％以上的氫氣未經(jīng)燃燒就漏到大氣中去。根據(jù)加州理工學(xué)院的研究人員的計(jì)算，如果使用氫氣燃料電池代替所有的石油和天然氣技術(shù)，人類向空氣中釋放的氫氣是目前的4至8倍。氫氣被氧化成為水，覆蓋在大氣層外面，它引起的冷卻效應(yīng)會(huì)增進(jìn)破壞臭氧的化學(xué)反應(yīng)。研究者認(rèn)為阻止氫氣滲漏，破壞臭氧的含氯氟烴的減少、氫氣被泥土吸收等因素能減少臭氧液破壞。他們的報(bào)告發(fā)表于6月13日的Science上。生物催化合成的特點(diǎn)反應(yīng)條件溫和(30-40oC，常壓，水相反應(yīng))反應(yīng)選擇性高反應(yīng)產(chǎn)物純度高（包括光學(xué)純）反應(yīng)底物簡單便宜（一般無毒、不易燃）反應(yīng)收率主要取決于菌種的性能IndustrialMicrobiologyandFermentationTechnologyIndustrialMicrobiologyisthedisciplinethatusesmicroorganisms,usuallygrownonalargescale,toproducevaluablecommercialproductsorcarryoutimportantchemicaltransformations.FermentationTechnologyisthetechnologytogrowcellsinalargescalewithhighefficiency,italsoincludesproductrecoveryprocesses.FlowsheetfordevelopinganindustrialmicrobialfermentationprocessStrainselectionLaboratoryprocessdevelopmentPilotScaleupIndustrialScaleupDownstreamprocessdevelopmentProductpackagingtechniquesOthercommercialconsiderationExamplesStrainSelectionPurchasefromCultureCollectionsScreeningofnaturecircumstancesGeneticengineeringMutationsCellbiologytechniquesInternationalCultureCollectionsDomestically,strainscanbepurchasedfrom:CGMCCorChinaGeneralMicrobiologicalCultureCollectionCenter中國微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，北京中關(guān)村ScreeningofnaturecircumstancesGeneticEngineeringIncorporationintoartificialplasmidsofgenesfromawidevarietyofsourceshasmadepossiblethetransferofgeneticmaterialacrossvirtuallyanyspeciesbarrierVarioushighvalueaddedproductshavebeenproducedfromtheGeneticengineeringmethodsMutationViachemicalorphysical,andbiologicalmeansCellbiologytechniquesProtoplastfusionremovingthecellwallwithlyticenzymesinthepresenceofosmoticstabilizers.Inthepresenceoffusogenicagentsuchaspolyethyleneglycol(PEG),protoplastsareinducedtofuseandformtransienthybridsordiploids.Regenerationofviablecellsfromthefusedprotoplasts.StagesneededfortransferringanindustrialprocessfromthelaboratorytothecommercialfermentorShakeflashExperimentsLabscalefermentor(5-10L)Pilotscalefermentor(300-3000L)Commercialfermentor(10,000-500,000L)Laboratoryprocessdevelopment

ShakeFlaskExperimentsOptimizationofconditionsforcellgrowthandproductformationusingshakeflaskexperiments: 1.pH 2.Temperature 3.Dissolvedoxygen(DO) 4.Substratechoice 5.Maximalandoptimal substrateconcentration 6.OthersLaboratoryProcessDevelopment

FermentorAgitationCoolingandheatingAirinletandoutletpHcontrolNutrientadditionInoculationViewingportAseriesoffermentorsusedforlabscaleprocessdevelopmentLaboratoryprocessdevelopment

LabscalefermentorExperimentsBatchprocessFed-batchprocessContinuousprocessSemi-continuousprocessFermentationProcess:

BatchProcessAllthenutrientsneededforcellgrowthwillonlybeaddedonceatthebeginningoffermentation.Fermentationprocess:

Fed-batchprocessDuringthefermentation,additionalnutrientswillbeaddedinabatchwaytopromotethecellgrowthorproductformationandtoavoidnutrientdeficiency.Fermentationprocess:ContinuousprocessFermentationprocess:

Semi-continuousprocessSimilartocontinuousprocess,withtheadditionofnutrientsandoutflowoffermentationbrothinacontinuousandbatchway.ProcesscontrolandmonitoringProcessparameterstobemonitorsSugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProductComputersoftwareshavebeendevelopedtomonitorandchangetheprocessonlinePilotScaleUpScaleup:Thetransferofaprocessfromsmall-scalelaboratoryequipmenttolarge-scalecommercialequipmentPilotexperimentTotestthefeasibilityofthelabscalefermentationprocessinasemi-industrialscalePilotfermentorsnormallyhaveasizerangingfrom50Lto10,000L,dependingontheproductstobemassproducedlater.FermentorsizesforvariouspurposesProblemsemergingduringthescaleupAsthesizeoftheequipmentisincreased,thesurface-volumeratiochangesLargefermentorhasmuchmorevolumeforagivensurfacearea,itisobviouslymoredifficulttomixthebigtankthanthesmallflaskInscaleupstudiesonaerobicfermentations,oxygenrateinthefermentorisbestkeptconstantasthesizeofthefermentorisincreased.HowtokeepDOconstant?IncreasestirringrateIncreaseairpressureUsepureoxygenIncreaseairinletIndustrialScaleupTotransferthepilotscaleresultsintoacommerciallyfeasibleproductionsetting.Fermentorsizesrangefrom100Lto500,000L,dependingonproducts.IndustrialFermentationSettingDownstreamProcessDevelopmentChromatographyFilter(pressfilter)DownstreamProcessDevelopmentContinuouscentrifugesUnitOperationsinDownstreamSeparationMicrofiltersUltrafiltrationGelchromatographyReverseosmosisDialysisElectrodialysisIonexchangeDistillation/freezedrySolventextractionFoamandbubblefractionationUltracentrifugationCentrifugationLiquidcyclonesGravitysedimentationSizeDiffusivityIonexchangeVapourtemperature,pressureSolubilitySurfaceactivityDensityProcessingfermentationbrothFermentationDiluteslurryCentrifugationFiltrationSedimentationClarifiedliquorFiltrationBrightliquorConcentratedslurryDewateringDryingDryBiomassCentrifugation:ContinuouscentrifugationProductPackagingTechniquesSterilPackagingTechniquesforMedicalApplicationsandFoodPreservationPyrogenFreeandSterilPackagingforInjectionPurposeFreezeDryPackagingforFoodsorMedicinesDewateredPackaging(suchasDryYeast)NormalFoodPackaging(suchasNa-glutamate)SaltyPackagingPreservationChemicalsOrdinaryPackagingOtherCommercialConsideration

StrengthsandweaknessesofbiotechnologicalprocessesStrengthsRelianceonrenewablefeedstocksVersatilitywithdifferentfeedstocksFood,feedanddrugapplicationsFinechemicalstobulkchemicalapplicationsLowtemperatureOperationinaqueousmediaSeveralreactionsachievedinasinglefermentationstepHighlevelofautomationStereospecificityComplexmoleculesconvertedand/orproduced“Benign”effluentsproducedWeaknessesFeedstocksareoxidizedandunsuitableformanyapplicationsFeedstockcostsfluctuateSterilizationisamajorcostProductoftenindiluteaqueoussolutionsProductrecoverycostlyEquipmentcostshighReactionsslowleadingtopoorvolumetricproductivityComplicatedreactionconditionsMainlybatchoperationHighcell(catalyst)regenerationcostsHighBODwastesOtherCommercialConsideration

CostEvaluationOutlineoftotalcapitalinvestmentFixedcapitalDirectcosts(Land,sitedevelopment,buildings,processing,services)Indirectcosts(Engineering,construction,Conting