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微生物资源学 艾海新 1 自然资源 非生物资源： 生物资源 生态系统资源 物种资源 基因资源 微生物资源 资源种类 动物资源 矿物 水 大气 植物资源 第一章 概论 微生物资源是一类现实和潜在用途很大的可再生生物资源，不仅在维持生态平衡方面发挥 巨大作用，而且广泛应用于农业、工业、医药、食品及环保等各个领域。目前微生物资源 已形成了 6 项产业：微生物饲料、微生物肥料、微生物制药、微生物食品、微生物能源和 微生物生态环境保护剂。 在自然资源中生物资源属于第一性的资源,是人类生命和生存活动最基本的物质基础。而非 生物资源,如金属、煤炭、石油等矿产资源有助于改善人类生活和生存条件,但不具有可再生 性,在地球上的总贮量是有限的,属于第二性资源。 2 生物资源 生物资源是自然资源的有机组成部分，生物圈中对人类具有实际或潜在用途或价值的动物、 植物、微生物以及它们所组成的生物群落。 1992 年，联合国环境发展大会生物多样性公约 （convention on biological diversity）： “生物资源指对人类具有实际或潜在用途或价值的遗传资源，生物体或其部分、生物群体 或生态系统中任何其他生物组成部分。 ” “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” 具体包括：基因资源 物种资源 生态系统资源 3 微生物资源特性 物种多样性 代谢类型多样性 生态系统多样性 生存方式多样性 遗传多样性 在生物资源中,微生物资源具有独特的生理代谢特点,在解决人类面临的资源危机中将发挥着 不可替代的作用。其特点是此类生物具有个体微小、繁殖快、分布广等生物学特性。其表 面积与体积之比值是人体该比值的 30 万倍 ,这一典型的小体积、大面积的特点,十分有利 于微生物与周围环境的物质交换和能量、信息传递,导致微生物代谢活力强,在资源再生转化 中其效率远远大于动植物,有利于在短时间内把大量基质转化为有用产品,利于实 现工业化生产。与其它所有生物相比,微生物代谢类型十分多样化,对自然界各种物质的利用 和分解能力都很强。凡是动植物能利用的,微生物都可以 利用,而动植物所不能利用的甚至是剧毒物质,微生物也可以利用,并能把有害物质转变为无 害物质。 4 微生物资源的作用 粮食危机-粮食 资源危机-能源 生态恶化-环境 人类健康-疾病防治 微生物肥料的施用是符合可持续发展农业的需要,因为可持续发展的关键是资源利用的可持 续性,具有环境保护的良性循环。利用微生物本身或 其代谢产物防治病、虫、杂草或者调节植物的生长,也就是通常说的微生物农药。成功的例 子是苏云金芽孢杆菌的运用,其芽孢中含有的晶体毒蛋白能特异地作用于鳞翅目昆虫,达到生 物防治的目的。日本学者将固氮基因转移到水稻根际微生物中,使这些微生物提供了水稻需 氮量的 1/ 5。微生物作为蛋白质资源开发的热点一直为人们所关注。 。微生物蛋白也称单细 胞蛋白(SCP) ,同传统的动植物蛋白相比其特点首先是微生物生长快,蛋白质产量高。藻类如。 螺旋藻在 1974 年的联合国世界粮食会议上被确定为重要蛋白源。 生物乙醇。工农业生产过程中产生的废弃物,如作物的秸杆、杂草、粪便、污泥、有机性工 业废料以及生活垃圾等,被微生物转化为可燃气体是生物能源显见成效的具体体现。沼气就 是一例。氢气能源、生物燃料电池。哈尔滨工业大学教授任南琪就开始了有机废水中产生 氢气的机理研究。他利用发酵法生物制氢技术，在产生氢的同时伴随有机物的降解，使废 水得到净化。 对污水处理有活性污泥法和生物膜等方法。对固体垃圾处理有填埋法和堆肥法。对污染环 境的废气,如工业生产排放的 CO2 、CO 和 SO2 等大量有害气体,有生物过滤法、生物洗涤 法和生物吸收法等。对工农业生产活动所导致的土壤污染,如石油污染、农药残留的有害或 有毒化合物及重金属污染等,可利用微生物部分降解或转化其中的有毒成分。 5 物种多样性 海洋微生物 空气微生物 土壤微生物 已发现的微生物数量（2001 年数据） 细菌： 4760 种 真菌： 69000 种 病毒： 5000 种 未被分离培养的微生物： 占 90%-95% 6 代谢类型多样性 同化代谢（物质合成） 异化代谢（物质分解） 初生代谢、次生代谢 微生物代谢的人工控制 7 生态系统多样性 陆生微生物生态系统 水生微生物生态系统 大气微生物生态系统 根系微生物生态系统 极端环境微生物生态系统 活性污泥微生物生态系统 “生物膜”微生物生态系统 8 生存方式多样性 微生物与其他生物之间的相互关系 关系 微生物种群 其他生物体、部位 功能作用 腐生 肠杆菌、芽孢菌 代谢物质或尸体 分解代谢 互生 拟杆菌、乳酸菌 动物肠道 抑制肠道病原、提供酶、维生素 共生 根瘤菌 豆科植物根瘤 共生固氮 寄生 蛭弧菌 革兰氏阴性细菌 使寄主致死 立克次氏体 人细胞内 寄主的斑疹伤寒 多种植物病害 黄单胞菌 植物体 叶枯 锈菌 植物体 锈病 9 遗传多样性 基因组大小和基因数目的多样性 遗传物质化学组成和 DNA 序列的差异 基因组序列所揭示的遗传背景多样性 早在人类基因组计划启动之前，完成了花叶病毒、EB 病毒、T7 噬菌体、大肠杆菌丝状噬 菌体 Ike 等基因组的测序。在微生物基因组研究方面所取得的 理论和技术进展，为人类基因组计划提供了极有益的借鉴。在人类元基因组计划被称为 “人类第二基因组计划” ，其规模和广度将远远超过人类基因组计划。由于微生物代谢功能 的丰富多样，人类元基因组计划有可能发现超过 100 万个新的基因，这对于阐明许多疾病 的发生机理，研究新的药物，控制药物毒性等将发挥巨大作用。国际学术界把多种微生物 聚居在一起形成的系统叫做“微生物群落” ，也称菌群，群落中的所有微生物基因组的总和 称为“元基因组” 。把不依赖分离培养、直接分析菌群中微生物基因组序列和功能的方法称 为一个新兴的学科领域元基因组学。 “人类元基因组计划”的目标是，把人体内共生菌 群的基因组序列信息都测定出来，而且要研究与人体发育和健康有关的基因功能。 10 微生物资源种类 菌体资源 细菌 放线菌 真菌 酵母菌 噬菌体 基因资源 11 重点研究领域 寻找发现新菌种 利用现代生物技术改造菌种 完善各种微生物应用技术 生物制剂的产业化 极端微生物的研究 微生物分子生态学研究 12 人类与微生物共存策略 微生物资源开发利用策略 传染病的控制策略 13 微生物资源开发利用策略 微生物资源的保护 微生物物种的保护 14 微生物资源的保护 自然界中微生物生存要受环境因素的影响，如温度、湿度、酸碱、营养、空气等。 森林、草地、各种未受化学污染的土壤、水域，都是微生物的天然栖息地 15 微生物物种的保护 微生物资源数量是人们认识较少的生物资源，其发现的种类不到自然界中总量的 10%，还 有很多微生物尚未被发现。 微生物菌种一旦失去，将很难挽回，所以，加强微生物菌种保藏工作十分重要。 16 树立对传染病长期斗争意识，强化健康教育 传染病的控制策略 17 加强疾病控制 18 加快疫苗研究和生产 19 传统疫苗研制策略 减毒活疫苗 死疫苗 自身疫苗 新疫苗的研制 亚单位疫苗 合成疫苗 抗独特型疫苗 DNA 疫苗 20 国内重点实验室 1.中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室 实验室现任主任为东秀珠研究员。 实验室定位是：根据建设创新型国家的总体战略，以国家经济和社会发展的重大需求为导 向，瞄准微生物学科前沿，开展微生物资源利用的基础和应用基础研究。通过对重要微生 物生命机制的认识，开发其功能，实现生物技术创新，从而为解决生物能源、工业改造、 农业发展、环境保护和人口健康等相关问题提供思路、策略和途径。 实验室开展微生物资源利用的基础和应用基础研究，研究方向包括：微生物资源的收集、 评估和生物学基础研究；微生物生物活性物质的代谢调控；微生物的生物催化与转化研究 及其应用。 实验室主要在以下四个领域开展工作：（1）极端微生物资源的研究；（2）微生物来源生 物活性物质的研究；（3）生物化工；（4）微生物资源数据库及网络系统的建立。 建立了国内第一个与国际接轨的微生物资源中心（BRC。中国科学院微生物研究所微生物 资源中心（IMCAS-BRC）是在中国普通微生物菌种保藏管理中心（CGMCC）和微生物所 信息中心的微生物资源信息数据库与共享平台基础上，通过设立微生物功能评价部门，并 完善质量保证系统而组建的公益性机构。它在 CGMCC 的微生物物种保藏基础上，重点加 强了微生物资源深度开发利用的研究以及资源质量保证及其共享的标准体系。 2.云南大学教育部微生物资源开放研究重点实验室 实验室现任主任为姜成林教授。 实验室以微生物资源（放线菌、真菌、细菌及其基因资源为主）的发掘利用研究为中心， 以从微生物中发现新的生物活性物质为重点，以研究极端环境微生物和植物内生真菌资源 研究为特色，为微生物医药、农药、酶、肥料等提供创新性成果，是以基础研究和应用基 础研究并重的重点实验室。 3. 中国农业大学农业部农业微生物资源及其应用重点实验室 本实验室的研究方向是生物固氮、微生物发酵工程和真菌生理遗传学。 4.华中农业大学农业微生物学国家重点实验室 实验室定位是：依据国家科技发展方针，围绕国家发展战略目标，针对学科发展前沿和国 民经济、社会发展及国家安全的重大科技问题，以农业有益微生物的利用和有害微生物的 防治为主要研究内容，深入开展农业微生物学的应用基础研究，并向基础研究和应用开发 两个方面延伸。 主要的研究方向： 生物固氮与菌植互作研究：以根瘤菌、菌根真菌、蓝细菌等微生物为对象，研究微生物与 宿主植物相互作用基因的结构与功能，探索植物响应微生物信号的作用方式、传递途径及 其调控机制，建立微生物信号在宿主植物中传递的蛋白相互作用网络；揭示蓝细菌光合作 用、固氮作用与异形胞分化发育及其分子调控机制。利用共生微生物、蓝细菌及其生态群 落，改造并促进植物碳、氮、磷营养高效转化和利用，为研制绿色环保型微生物肥料提供 理论和技术支撑。 动物病原微生物研究： 以禽流感病毒、猪链球菌、结核分枝杆菌等重要人畜共患传染病病原以及猪繁殖与呼吸综 合征病毒、猪胸膜肺炎放线杆菌、副猪嗜血杆菌等重大动物传染病病原为主要研究对象， 开展病原生态学与流行病学、病原基因组学与蛋白质组学、分子致病与免疫机理、基因工 程疫苗、分子诊断试剂的研究与开发。 农业环境微生物研究： 以土壤重金属和废弃物转化、污水治理、生物质能源相关微生物和极端环境微生物等为研 究对象，研究其代谢途径和适应环境机理，发掘和利用废弃物转化、污水治理、抗重金属、 抗有毒物质污染、生物质能源开发利用的微生物资源，重点解决环境污染和新能源开发的 问题。 作物杀虫抗病微生物研究： 以苏云金芽胞杆菌、链霉菌、盾壳霉、真菌病毒等为主要研究对象，针对农业生产中虫害 和病害的实践需求，发掘或揭示病虫害防治中的新资源、新基因、作用机制，解决农业可 持续发展中病虫害的微生物防治中的基础理论问题，并提供技术支撑。 5.山东大学微生物技术国家重点实验室 微生物技术国家实验室主要研究方向包括：1、微生物资源及其应用基础研究，主要包括微 生物资源的搜集、整理、系