《工業(yè)微生物》課件第一章

工業(yè)微生物第一章緒論第一節(jié)微生物及其特點一、微生物的概念微生物(Microorganism)是對所有形體微小(<0.1mm)、單細胞或個體結(jié)構(gòu)較為簡單的多細胞，甚至無細胞結(jié)構(gòu)的低等生物的總稱；或簡單地說是對細小的人們?nèi)庋劭床灰?，必須借助顯微鏡才能看清的低等生物的總稱。微生物在自然界中的分布極為廣泛，空氣、土壤、江河、湖泊、海洋等都有數(shù)量不等、種類不一的微生物存在。第一節(jié)微生物及其特點二、微生物的特點

微生物具有生物的共同特點：基本組成單位是細胞（病毒除外）；主要化學(xué)成分相同，都含有蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂質(zhì)等；新陳代謝等生理活動相似；受基因控制且遺傳機制相同；有繁殖能力。但由于其形體極其微小，結(jié)構(gòu)簡單因而具有動植物所不同的特點：

1.微生物結(jié)構(gòu)簡單，體積微小生物大都是單細胞、簡單多細胞甚至是非細胞結(jié)構(gòu)的，但相對表面積較大，物質(zhì)吸收多，轉(zhuǎn)化快。這種特性為微生物的快速生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。第一節(jié)微生物及其特點2.微生物代謝類型多，代謝能力強微生物有多種產(chǎn)能方式，有的利用分解有機物放出的能量；有的從無機物的氧化中獲得能量；有的利用光能，進行光合營養(yǎng)。有的能進行有氧呼吸；有的能進行無氧呼吸。有的能固定分子態(tài)氮；有的能利用復(fù)雜的有機氮化物。微生物的代謝產(chǎn)物極多，僅抗生素就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)90000多種。3.微生物生長旺盛，繁殖速度快，容易培養(yǎng)微生物具有極高的生長和繁殖速度。以大腸桿菌為例，細菌細胞若按每隔20min就可以分裂一次，在一天的時間內(nèi)即可以繁殖72代，則細菌后代的總重量將達到4722t。第一節(jié)微生物及其特點假如再這樣繁殖4~5d，它們就會形成跟地球同樣重量的物體。當(dāng)然不會出現(xiàn)這種情況，因為微生物的生長繁殖受到營養(yǎng)、空間和代謝產(chǎn)物等條件的限制，其分裂速度只能維持數(shù)小時而已。這一特點體現(xiàn)在發(fā)酵工業(yè)中的生產(chǎn)效率高、發(fā)酵周期短上。微生物容易培養(yǎng)，能在常溫常壓下利用簡單的營養(yǎng)物質(zhì)、甚至工農(nóng)業(yè)廢棄物生長繁殖，積累代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵工業(yè)中，利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)食品、醫(yī)藥、化工原料等具有許多優(yōu)點：如設(shè)備簡單、原料廣泛、不需要催化劑、產(chǎn)品一般無毒副作用。第一節(jié)微生物及其特點4.微生物種類繁多，分布廣泛，適應(yīng)性強微生物種類繁多,目前已發(fā)現(xiàn)的約有15萬種。隨著人類認識和研究工作的發(fā)展，微生物新綱、新目、新科，新屬、新種不斷發(fā)現(xiàn)。微生物在自然界分布廣泛，適應(yīng)性強。土壤、空氣、河流、海洋、鹽湖、高山、沙漠、冰川、油井、地層下以及動物體內(nèi)外、植物體表面都有大量微生物在活動。例如，太平洋深達1萬多米的海底溫泉中生活著既耐高溫（1000℃）又耐高壓（1.15×108Pa大氣壓）、在厭氧條件營自養(yǎng)生活的硫細菌；在85km的高空能找到微生物；在南極洲深128m和427m的沉積巖中發(fā)現(xiàn)了活細菌。再如，細菌的芽孢，放線菌的分生孢子，真菌的各種孢子，能抵抗外界不良環(huán)境的侵害，一般能成活幾年甚至幾千年。

第一節(jié)微生物及其特點5．微生物容易發(fā)生變異微生物的個體一般都是單細胞、簡單多細胞甚至是非細胞的，它們通常是單倍體，加之具有繁殖快、數(shù)量多以及與外界環(huán)境直接接觸等特點，因此即使其變異頻率（10-6～10-9）十分低，也可在短時間內(nèi)產(chǎn)生出大量變異的后代?？股厣a(chǎn)和其他發(fā)酵性生產(chǎn)中可利用微生物的變異，提高發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量。最典型的例子是青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)，最初發(fā)酵產(chǎn)物每毫升只含20單位左右，而現(xiàn)在已有極大的增加，甚至接近10萬單位了。

第一節(jié)微生物及其特點三、微生物在自然界的分類地位在生物學(xué)發(fā)展史上，曾將生物分為植物界和動物界。藻類有細胞壁，能進行光合作用，歸為植物界。原生動物無細胞壁，可運動，不能進行光合作用，歸為動物界。而微生物的另一些類群，如細菌具有細胞壁，能進行光合作用，又可運動，將它歸為植物界和動物界均不合適。

第一節(jié)微生物及其特點微生物在生物分類系統(tǒng)中的地位圖：第一節(jié)微生物及其特點四、自然界中的微生物1.非細胞微生物沒有典型的細胞結(jié)構(gòu)，亦無產(chǎn)生能量的酶系統(tǒng)，只能在活細胞內(nèi)生長繁殖。病毒屬于此類型微生物。病毒包括（真）病毒和亞病毒兩大類。其中亞病毒包括類病毒、擬病毒和朊病毒。2.原核微生物細胞核分化程度低，僅有原始核質(zhì)，沒有核膜與核仁；細胞器不很完善。這類微生物種類眾多，有細菌、放線菌、藍細菌（藍藻）、衣原體、立克次氏體和支原體。第一節(jié)微生物及其特點3.真核微生物細胞核的分化程度較高，有核膜、核仁和染色體；胞質(zhì)內(nèi)有完整的細胞器（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體及線粒體等）。真核微生物主要包括屬于植物界的顯微藻類、屬于動物界的原生動物和微型后生動物、以及屬于真菌界的真菌微生物。真菌按其外觀特征可分為酵母菌、霉菌和蕈菌三類。第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史

微生物學(xué)的發(fā)展簡史可以概括為五個階段。一、經(jīng)驗階段自古以來，人類在日常生活和生產(chǎn)實踐中，已經(jīng)覺察到微生物的生命活動及其作用。早在4000多年前的龍山文化時期，我們的祖先已能用谷物釀酒。殷商時代的甲骨文上也有酒、醴(甜酒)等的記載。在這個時期，人們在生產(chǎn)與日常生活中積累了不少關(guān)于微生物作用的經(jīng)驗規(guī)律，并且運用這些規(guī)律，創(chuàng)造財富，減少和消滅病害。民間早已廣泛應(yīng)用的釀酒、制醋、發(fā)面、腌制酸菜泡菜、鹽漬、蜜餞等等。古埃及人也早已掌握制作面包和配制果酒技術(shù)。這些都是人類在食品工藝中控制第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史和應(yīng)用微生物活動規(guī)律的典型例子。積肥、漚糞、翻土壓青、豆類作物與其他作物的間作輪作，是人類在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中控制和應(yīng)用微生物生命活動規(guī)律的生產(chǎn)技術(shù)。種牛痘預(yù)防天花是人類控制和應(yīng)用微生物生命活動規(guī)律在預(yù)防疾病保護健康方面的寶貴實踐。盡管這些還沒有上升為微生物學(xué)理論，但都是控制和應(yīng)用微生物生命活動規(guī)律的實踐活動。第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史二、形態(tài)學(xué)階段17世紀，荷蘭人列文虎克(AnthonyvanLeeuwenhoek)發(fā)現(xiàn)了微生物，從而解決了認識微生物世界的第一個障礙。但在其后的兩百年里，微生物學(xué)的研究基本停留在形態(tài)描述和分類階段。第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史三、生理學(xué)階段從19世紀60年代開始，以巴斯德(LouisPasteur法國)和柯赫(RobertKoch德國)為代表的科學(xué)家將微生物學(xué)的研究推進到生理學(xué)階段，并為微生物學(xué)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。在這個時期，巴斯德研究了酒變酸的微生物原理，探索了蠶病、牛羊炭疽病、雞霍亂和人狂犬病等傳染病的病因，研究了有機質(zhì)腐敗和釀酒失敗的起因，否定了生命起源的

“

自然發(fā)生說

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，建立了巴氏消毒法等一系列微生物學(xué)實驗技術(shù)。柯赫繼巴斯德之后，改進了固體培養(yǎng)基的配方，發(fā)明了傾皿法進行純種分離，建立了細菌細胞的第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史染色技術(shù)，顯微攝影技術(shù)和懸滴培養(yǎng)法，尋找并確證了炭疽病、結(jié)核病和霍亂病等一系列嚴重傳染疾病的病原體等。這些成就奠定了微生物學(xué)成為一門科學(xué)的基礎(chǔ)。因此，他們是微生物學(xué)的奠基人。第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史四、生物化學(xué)階段19世紀以來，隨著生物化學(xué)和生物物理學(xué)的不斷滲透，再加上電子顯微鏡的發(fā)明和同位素示蹤原子的應(yīng)用，推動了微生物學(xué)向生物化學(xué)階段發(fā)展。1897年，德國學(xué)者畢希納（Büchner）發(fā)現(xiàn)，酵母菌的無細胞提取液與酵母菌一樣，可將糖液轉(zhuǎn)化為酒精，從而確認了酵母菌酒精發(fā)酵的酶促過程，將微生物的生命活動與酶化學(xué)結(jié)合起來。一些科學(xué)家用大腸桿菌為材料所進行的一系列研究，都闡明了生物的代謝規(guī)律和控制代謝的基本過程。進入20世紀以后，人們開始利用微生物進行乙醇、甘油、各種有機酸、氨基酸等的工業(yè)化生產(chǎn)。

第二節(jié)微生物學(xué)的發(fā)展簡史五、分子生物學(xué)階段1941年，比德耳（G.Beadle）等用X射線和紫外線照射鏈孢霉，使其產(chǎn)生變異，獲得了營養(yǎng)缺陷型(即不能合成某種物質(zhì))菌株。對營養(yǎng)缺陷型菌株的研究，不僅使人們進一步了解了基因的作用和本質(zhì)，而且為分子遺傳學(xué)打下了基礎(chǔ)。1944年，艾弗里(O.Avery)第一次證實引起肺炎雙球菌形成莢膜的物質(zhì)是DNA。1953年，沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)在研究微生物DNA時，提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1956年富蘭克爾(H.Fraenkel)和康拉特(Conrat)等通過煙草花葉病毒的重組實驗，證明RNA是遺傳信息的載體，這一切為分子生物學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。近幾十年來，隨著原核微生物DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)，人們利用微生物生產(chǎn)出了胰島素、干擾素等貴重藥物，形成了一個嶄新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。21世紀，基因工程和基因組計劃在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用，微生物學(xué)及微生物產(chǎn)業(yè)將會呈現(xiàn)全新的局面。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

一、工業(yè)微生物的研究對象工業(yè)微生物學(xué)是微生物學(xué)中的重要分支，主要研究用于食品、制藥、冶金、石油、能源、材料、輕工、化工、軍工等工業(yè)生產(chǎn)中的微生物本身或微生物的眾多代謝產(chǎn)物。包括微生物的種類、菌種的獲得、代謝的機理和調(diào)控以及實際生產(chǎn)所需條件和控制。也就是說，試圖對微生物加以控制。即利用微生物來做我們要做的事，或者防止微生物做我們不要做的事。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

微生物種類繁多，容易變異，代謝類型多，適應(yīng)性強。所以，微生物工業(yè)中菌種的選擇和培育是生產(chǎn)之本，代謝調(diào)控是生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前，在工業(yè)上應(yīng)用的微生物主要有細菌、病毒、真菌、顯微藻類、動植物細胞培養(yǎng)物，具有活性的細胞碎片如酶和細胞勻漿物等。而這些微生物中產(chǎn)值最大的主要部分卻只有酵母業(yè)、抗生素業(yè)、酶制品業(yè)三項。本書將重點討論那些獨立生活的異養(yǎng)微生物如酵母、細菌、霉菌，也涉及到病毒。動植物細胞培養(yǎng)本書不予詳述。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

二、我國工業(yè)微生物的研究概況我國勞動人民數(shù)千年前就會利用微生物來釀酒，制醬、醋，但直到20世紀40年代，工業(yè)微生物沒有一個獨立的教學(xué)和科研機構(gòu)，發(fā)酵工業(yè)也奄奄一息。20世紀50年代開始，我國工業(yè)微生物領(lǐng)域的科研、生產(chǎn)均取得巨大的發(fā)展，國家設(shè)立了科學(xué)院和各級科研機構(gòu)，并在工科院校設(shè)立了發(fā)酵專業(yè)，培養(yǎng)了大批發(fā)酵科技人材，推動了科研和生產(chǎn)的發(fā)展。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

酶制劑工業(yè)是20世紀60年代才開始建立的，幾個主要酶種的發(fā)展很快，產(chǎn)量也很大。1986年全國酶制劑產(chǎn)量達3萬多噸。目前已知的酶有2500余種，有150多種已得到結(jié)晶。酶可分為氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂解酶類、異構(gòu)酶類和合成酶類6大類。酶制劑商品已有100多種，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、纖維素酶、乳糖酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖異構(gòu)酶等。并且有近百種酶可制成固定化酶?，F(xiàn)在微生物酶制品已廣泛應(yīng)用于食品、發(fā)酵、日用化工、紡織、制革、造紙、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等各個方面。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

微生物在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用是20世紀50年代后才投入生產(chǎn)的，但現(xiàn)在已居世界前列。目前可利用微生物生產(chǎn)生物制品、抗生素、葡萄糖酐、干擾素、核苷酸、維生素、甾體藥物以及基因工程菌生產(chǎn)的藥物。另外，還可利用微生物進行疾病的生物學(xué)診斷。其中，生物制品包括疫苗、類毒素和免疫血清；抗生素包括青霉素、鏈霉素、四環(huán)素、氯霉素、螺旋霉素等9000多種已被發(fā)現(xiàn)，市售有50多種，其中，由放線菌生產(chǎn)的有40種，由細菌生產(chǎn)的有6種，由霉菌生產(chǎn)的有5種；基因工程菌生產(chǎn)的藥物主要有胰島素、生長激素、胸腺素、白細胞介素等。第三節(jié)工業(yè)微生物及其研究對象和任務(wù)

微生物在其他方面的應(yīng)用也越來越廣泛。例如：利用微生物溶浸金屬是近30年發(fā)展起來的新工藝，已由浸溶銅、鈾、金發(fā)展為浸溶鈷、鎳、錳、鋅、鈦等20多種稀有和名貴金屬。微生物在石油勘探、開采、脫硫、脫蠟等方面已有廣泛應(yīng)用。微生物在環(huán)境保護中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為污水處理、對固體污染物的降解和轉(zhuǎn)