13专题讲座2微生物资源的开发利用

1、微生物资源的开发和利用微生物资源的开发和利用生物资源开发利用生物资源开发利用n自从有了人类，天天与动植物打交道，利用动植物作自从有了人类，天天与动植物打交道，利用动植物作为人类食物的主要来源；为人类食物的主要来源；n现代工业、农业更是大规模开发利用动植物为人类服现代工业、农业更是大规模开发利用动植物为人类服务；务；n由于过度或不合理开发，环境恶化，沙漠化加剧，动由于过度或不合理开发，环境恶化，沙漠化加剧，动植物资源急剧减少，造成了长期的、甚至是难以弥补植物资源急剧减少，造成了长期的、甚至是难以弥补的损失；的损失；n地球上动植物资源急剧减少已成为一个国际化问题；地球上动植物资源急剧减少已成为一个

2、国际化问题；n我们只有一个地球，我们只有一个地球，“生物多样性公约生物多样性公约”就是全世界近就是全世界近200个签字国保护生物多样性最高意志的体现，由此个签字国保护生物多样性最高意志的体现，由此许多国家都把可持续性发展战略作为基本国策。许多国家都把可持续性发展战略作为基本国策。生物资源开发利用生物资源开发利用n放线菌放线菌生物资源开发利用生物资源开发利用n霉菌霉菌生物生物科学科学n如何产如何产业化？业化？n如何产如何产业化？业化？生物生物科学科学生物科学与产业化生物科学与产业化*生物生物科学科学信息信息科学科学制药学制药学电子电子技术技术化学化学农业农业材料科学材料科学与工程与工程高分子高分

3、子分子设计分子设计医学医学环境环境保护保护采矿采矿制药学制药学基因组的应用基因组的应用药物设计药物设计信息信息科学科学n生物信生物信息学息学 Bioinformatics环境环境保护保护n生物修复nBioremediation清除核污染和重金属污染清除核污染和重金属污染油污染的清除油污染的清除医学医学n干细胞分化干细胞分化农业农业n植物基因植物基因工程技术工程技术电子工业电子工业与生物工程？与生物工程？n后基因组工作后基因组工作：功能：功能基因的寻找基因的寻找生物芯生物芯片技术片技术n高效药物筛选高效药物筛选生物生物芯片技术芯片技术n生物芯片技术及其应生物芯片技术及其应用系统的建立！用系统的建

4、立！电子技术和微加工技电子技术和微加工技术术蛋白质蛋白质组计划组计划n蛋白质蛋白质组计划组计划与电子与电子工业和工业和精密仪精密仪器的关器的关系系生物采矿生物采矿贫贫铜矿和贫铀矿铜矿和贫铀矿微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第一，自从有了第一，自从有了人类，事实上天人类，事实上天天与微生物打交天与微生物打交道，但人类发现道，但人类发现微生物却很晚。微生物却很晚。微生物学“老祖宗”：巴斯德微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n微生物微生物“无处不在无处不在”人体皮肤细菌微生物是一类天然资源微生物是

5、一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n微生物微生物“无处不在无处不在”牙齿上的细菌微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第二，人类最初发现的第二，人类最初发现的微生物还都是引起疾病微生物还都是引起疾病的病原微生物，人类将的病原微生物，人类将微生物作为微生物作为“敌人敌人”。伤寒杆菌、梅毒螺旋体、肺炎球菌微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第二，人类最初发第二，人类最初发现的微生物还都是现的微生物还都是引起疾病的病原微引起疾病的病原微生物，人类将微生生物，人类将微生物作为物作为“

6、敌人敌人”。肝炎病毒微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第二，人类最初发第二，人类最初发现的微生物还都是现的微生物还都是引起疾病的病原微引起疾病的病原微生物，人类将微生生物，人类将微生物作为物作为“敌人敌人”。破伤风杆菌微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第二，人类最初发现第二，人类最初发现的微生物还都是引起的微生物还都是引起疾病的病原微生物，疾病的病原微生物，人类将微生物作为人类将微生物作为“敌人敌人”。冠状感冒病毒微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没

7、有建立n第三，微生物的形体极小，代谢类型极第三，微生物的形体极小，代谢类型极其多样化，生长繁殖速度惊人，在最适其多样化，生长繁殖速度惊人，在最适条件下，有的微生物条件下，有的微生物20分钟就能繁殖一分钟就能繁殖一代；在动植物不可能生长的地方都有微代；在动植物不可能生长的地方都有微生物分布和生长。生物分布和生长。微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第四，作为一类生物资源，微生物既能第四，作为一类生物资源，微生物既能提供极为多样化的产品，又可适合在人提供极为多样化的产品，又可适合在人工控制条件下进行大规模生产，而不受工控制条件下进行大规模生产，而不

8、受气候等因素的影响。气候等因素的影响。微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第五，微生物的变异性大。比较高等动物植物第五，微生物的变异性大。比较高等动物植物而言，微生物的变异性要大的多，为人类改造而言，微生物的变异性要大的多，为人类改造他们提供了更大的可能性。从分子生物学观点他们提供了更大的可能性。从分子生物学观点来看，微生物的基因组较小，调控系统相对简来看，微生物的基因组较小，调控系统相对简单，进行基因操作比动植物要容易得多。单，进行基因操作比动植物要容易得多。n例如，人们最初找到青霉素时，其产率不到例如，人们最初找到青霉素时，其产率不到0.0

9、1%，经过人们改造，今天达到了，经过人们改造，今天达到了5%以上，以上，产率提高了产率提高了500多倍。多倍。青霉素的发明是人类的标志性的伟大青霉素的发明是人类的标志性的伟大成果成果n英国生物学家弗莱明英国生物学家弗莱明微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第六，微生物种源丰富，未知者众多。动植物第六，微生物种源丰富，未知者众多。动植物有珍稀、濒危之说，而微生物无珍稀濒危之说。有珍稀、濒危之说，而微生物无珍稀濒危之说。n目前，很难用多少属、多少种、目前，很难用多少属、多少种、“特有种特有种”、“蕴藏量蕴藏量”来估价微生物的资源量。来估价微生物的资

10、源量。n全世界现已知的微生物种类不到实有数的全世界现已知的微生物种类不到实有数的2，相对而言，已知的高等动植物所占的比例要大相对而言，已知的高等动植物所占的比例要大得多。得多。微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n第七，对微生物资源的研究与开发比动第七，对微生物资源的研究与开发比动植物晚许多，但已取得了极其辉煌的成植物晚许多，但已取得了极其辉煌的成就。就。n微生物是种类繁多的可再生资源，是最微生物是种类繁多的可再生资源，是最丰富的遗传基因库。对微生物资源的开丰富的遗传基因库。对微生物资源的开发，不存在发，不存在“过度过度”问题，也不会因开问题，也

11、不会因开发造成原产地微生物资源减少或绝灭的发造成原产地微生物资源减少或绝灭的问题。问题。微生物是一类天然资源微生物是一类天然资源的公众意识远远没有建立的公众意识远远没有建立n生物资源的三大资源，即动物、植生物资源的三大资源，即动物、植物、微生物，其中微生物是一类与物、微生物，其中微生物是一类与动植物资源不同、生产性能优越、动植物资源不同、生产性能优越、开发前景广阔的生物资源。开发前景广阔的生物资源。微生物网构成整个食物链的基础微生物网构成整个食物链的基础 n 很多海洋学家目前确信，整个食物链是建立在微小很多海洋学家目前确信，整个食物链是建立在微小的单细胞细菌和小海藻基础之上，细菌和小海藻又受小

12、的单细胞细菌和小海藻基础之上，细菌和小海藻又受小病毒的侵袭。这些病毒因为太小，以前未曾探测到，但病毒的侵袭。这些病毒因为太小，以前未曾探测到，但几百万年以来一直是海洋生态系统中的一部分，已知对几百万年以来一直是海洋生态系统中的一部分，已知对人类健康不构成任何威胁。人类健康不构成任何威胁。 微生物网构成整个食物链的基础微生物网构成整个食物链的基础n 有关海洋食物链的传统理论认为，海洋中的小动物有关海洋食物链的传统理论认为，海洋中的小动物吃海藻为生，这些小动物又作为较大海洋动物的食物。吃海藻为生，这些小动物又作为较大海洋动物的食物。这种理论没有考虑到占压倒多数的由病毒、细菌、海藻这种理论没有考虑到

13、占压倒多数的由病毒、细菌、海藻和原生动物组成的海洋生物量的作用。和原生动物组成的海洋生物量的作用。 微生物网构成整个食物链的基础微生物网构成整个食物链的基础n 科学家们不再认为存科学家们不再认为存在简单的、直线的生物链，在简单的、直线的生物链，而是有一个复杂的实际上不而是有一个复杂的实际上不可见的微生物网，构成整个可见的微生物网，构成整个食物链的基础。食物链的基础。 固氮根瘤菌微生物与能源开发微生物与能源开发 n 通过微生物发酵可以产生一些能够作为能源的东西。通过微生物发酵可以产生一些能够作为能源的东西。比如说，浸泡在水中的粮食如糯米，会发出酒糟味，这比如说，浸泡在水中的粮食如糯米，会发出酒糟

14、味，这是因为在无氧条件下，厌气微生物酶发挥作用，将粮食是因为在无氧条件下，厌气微生物酶发挥作用，将粮食中的碳水化合物分解为乙醇，也就是酒精。南方人喜欢中的碳水化合物分解为乙醇，也就是酒精。南方人喜欢吃的糯米酒糟，就是利用无氧发酵制成的美味食品。酒吃的糯米酒糟，就是利用无氧发酵制成的美味食品。酒精不仅是重要的工业原料，而且可以作为燃料替代品，精不仅是重要的工业原料，而且可以作为燃料替代品，解决能源不足的矛盾。解决能源不足的矛盾。微生物与能源开发微生物与能源开发n 传统的发酵酒精生产是以玉米等粮食作为原料的，传统的发酵酒精生产是以玉米等粮食作为原料的，这无疑会使这项生产受到限制。于是人们热衷于寻找

15、廉这无疑会使这项生产受到限制。于是人们热衷于寻找廉价的替代原料，过去，像农作物秸秆、杂草、树叶、果价的替代原料，过去，像农作物秸秆、杂草、树叶、果壳、蔗渣等一向被视为废弃物。现在这些壳、蔗渣等一向被视为废弃物。现在这些“小人物小人物”将将被派上大用场。为什么这么说呢？被派上大用场。为什么这么说呢？微生物与能源开发微生物与能源开发n 我们知道，纤维素是葡萄糖分子聚合而成的多聚糖，我们知道，纤维素是葡萄糖分子聚合而成的多聚糖，如果能想办法把这些大分子降解的话，酒精、葡萄糖等如果能想办法把这些大分子降解的话，酒精、葡萄糖等有用的大分子将被源源不断地生产出来。这无疑是变废有用的大分子将被源源不断地生产

16、出来。这无疑是变废为宝的好途径。由于这条途径的诱人前景，世界上的许为宝的好途径。由于这条途径的诱人前景，世界上的许多国家都在加紧进行这方面的研究开发工作，期待着有多国家都在加紧进行这方面的研究开发工作，期待着有一天，一天，“绿色石油绿色石油”发酵酒精会源源不断地生产出发酵酒精会源源不断地生产出来。来。微生物与能源开发微生物与能源开发n 在这方面，科学家们对发酵微生物，比如酵母菌寄予在这方面，科学家们对发酵微生物，比如酵母菌寄予很大的希望。目前虽然还不能利用酵母菌一步实现从纤很大的希望。目前虽然还不能利用酵母菌一步实现从纤维素发酵酒精的过程，但科学家们正在构建这方面的维素发酵酒精的过程，但科学家

17、们正在构建这方面的“工程菌工程菌”，并取得了可喜的成绩，估计在不久的将来，并取得了可喜的成绩，估计在不久的将来会取得突破性的进展。会取得突破性的进展。微生物与能源开发微生物与能源开发n 我们中的许多人大概都听说过沼气吧。它的学名是甲我们中的许多人大概都听说过沼气吧。它的学名是甲烷，同酒精一样，也是可燃烧的气体，并可由农作物废烷，同酒精一样，也是可燃烧的气体，并可由农作物废弃物等发酵产生。在我国广大农村，建起了数以万计的弃物等发酵产生。在我国广大农村，建起了数以万计的小型沼气发酵池，充分利用人畜粪便、农作物秸秆、杂小型沼气发酵池，充分利用人畜粪便、农作物秸秆、杂草、树叶等有机垃圾生产沼气，既可解

18、决农村用能源，草、树叶等有机垃圾生产沼气，既可解决农村用能源，又能改善生态环境、培肥庄稼又能改善生态环境、培肥庄稼 、确实是一举多得的好事。、确实是一举多得的好事。在西方一些国家，则建起了大型沼气发酵厂，大量从废在西方一些国家，则建起了大型沼气发酵厂，大量从废弃物中回收沼气这种廉价的可再生能源。弃物中回收沼气这种廉价的可再生能源。微生物与能源开发微生物与能源开发n 除了发酵生产酒精和沼气之外，科学家们除了发酵生产酒精和沼气之外，科学家们还发现了能帮助人类采集石油的微生物，能还发现了能帮助人类采集石油的微生物，能够产氢的微生物等等，它们都将会在新能源够产氢的微生物等等，它们都将会在新能源的开发上

19、大显身手。的开发上大显身手。 微生物与能源开发n石油和天然气的燃烧会产生烟、酸雨和全球温室效应，而石油和天然气的燃烧会产生烟、酸雨和全球温室效应，而氢气燃烧只产生水。但氢气发动机对环境的影响并不像想氢气燃烧只产生水。但氢气发动机对环境的影响并不像想象的那么好。现在的氢气发动机的泄漏导致象的那么好。现在的氢气发动机的泄漏导致10以上的氢以上的氢气未经燃烧就漏到大气中去。根据加州理工学院的研究人气未经燃烧就漏到大气中去。根据加州理工学院的研究人员的计算，如果使用氢气燃料电池代替所有的石油和天然员的计算，如果使用氢气燃料电池代替所有的石油和天然气技术，人类向空气中释放的氢气是目前的气技术，人类向空气

20、中释放的氢气是目前的4至至8倍。氢气倍。氢气被氧化成为水，覆盖在大气层外面，它引起的冷却效应会被氧化成为水，覆盖在大气层外面，它引起的冷却效应会增进破坏臭氧的化学反应。研究者认为阻止氢气渗漏，破增进破坏臭氧的化学反应。研究者认为阻止氢气渗漏，破坏臭氧的含氯氟烃的减少、氢气被泥土吸收等因素能减少坏臭氧的含氯氟烃的减少、氢气被泥土吸收等因素能减少臭氧液破坏。他们的报告发表于臭氧液破坏。他们的报告发表于6月月13日的日的Science上。上。生物催化合成的特点生物催化合成的特点n反应条件温和反应条件温和 (30-40oC，常常压，水相反压，水相反应应)n反应选择性高反应选择性高n反应产物纯度高（包括

21、光学纯）反应产物纯度高（包括光学纯）n反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）n反应收率主要取决于菌种的性能反应收率主要取决于菌种的性能Industrial Microbiology and Fermentation TechnologynIndustrial Microbiology is the discipline that uses microorganisms, usually grown on a large scale, to produce valuable commercial products or carry out important c

22、hemical transformations.nFermentation Technology is the technology to grow cells in a large scale with high efficiency, it also includes product recovery processes.Flowsheet for developing an industrial microbial fermentation processnStrain selection nLaboratory process developmentnPilot Scale upnIn

23、dustrial Scale upnDownstream process developmentnProduct packaging techniquesnOther commercial considerationnExamplesStrain SelectionnPurchase from Culture CollectionsnScreening of nature circumstances nGenetic engineering nMutationsnCell biology techniquesInternational Culture CollectionsDomestical

24、ly, strains can be purchased from: CGMCC orChina General Microbiological Culture Collection Center中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村Screening of nature circumstancesGenetic EngineeringIncorporation into artificial plasmids of genes from a wide variety of sources has made possible

25、 the transfer of genetic material across virtually any species barrierVarious high value added products have been produced fromthe Genetic engineeringmethodsMutationVia chemicalor physical, and biologicalmeansCell biology techniquesnProtoplast fusion nremoving the cell wall with lytic enzymes in the

26、 presence of osmotic stabilizers.nIn the presence of fusogenic agent such as polyethylene glycol (PEG), protoplasts are induced to fuse and form transient hybrids or diploids.nRegeneration of viable cells from the fused protoplasts.Stages needed for transferring an industrial process from the labora

27、tory to the commercial fermentornShake flash ExperimentsnLab scale fermentor (5-10 L)nPilot scale fermentor (300-3000 L)nCommercial fermentor (10,000-500,000 L)Laboratory process developmentShake Flask ExperimentsOptimization of conditions for cell growth and product formation using shake flask expe

28、riments:1. pH2. Temperature3. Dissolved oxygen (DO)4. Substrate choice5. Maximal and optimal substrate concentration6. OthersLaboratory Process DevelopmentFermentornAgitationnCooling and heatingnAir inlet and outletnpH controlnNutrient additionnInoculationnViewing portA series of fermentors used for

29、 lab scale process developmentLaboratory process developmentLab scale fermentor ExperimentsnBatch processnFed-batch processnContinuous processnSemi-continuous processFermentation Process: Batch ProcessnAll the nutrients needed for cell growth will only be added once at the beginning of fermentation.

30、Fermentation process:Fed-batch processnDuring the fermentation, additional nutrients will be added in a batch way to promote the cell growth or product formation and to avoid nutrient deficiency.Fermentation process: Continuous processFermentation process: Semi-continuous processnSimilar to continuo

31、us process, with the addition of nutrients and outflow of fermentation broth in a continuous and batch way.Process control and monitoringnProcess parameters to be monitorsSugar consumptionpHTemperatureFermentation time (h)AgitationCell Dry WeightProductComputer softwares have been developed to monit

32、or and change the process on linePilot Scale UpnScale up: The transfer of a process from small-scale laboratory equipment to large-scale commercial equipmentnPilot experimentnTo test the feasibility of the lab scale fermentation process in a semi-industrial scalenPilot fermentors normally have a siz

33、e ranging from 50 L to 10,000 L, depending on the products to be mass produced later.Fermentor sizes for various purposesProblems emerging during the scale upnAs the size of the equipment is increased, the surface-volume ratio changesnLarge fermentor has much more volume for a given surface area, it

34、 is obviously more difficult to mix the big tank than the small flasknIn scale up studies on aerobic fermentations, oxygen rate in the fermentor is best kept constant as the size of the fermentor is increased.nHow to keep DO constant?nIncrease stirring ratenIncrease air pressurenUse pure oxygennIncr

35、ease air inletIndustrial Scale upnTo transfer the pilot scale results into a commercially feasible production setting.nFermentor sizes range from 100 L to 500,000 L, depending on products.Industrial Fermentation SettingDownstream Process DevelopmentChromatographyFilter (press filter)Downstream Proce

36、ss DevelopmentContinuous centrifugesUnit Operations in Downstream SeparationnMicrofiltersnUltrafiltrationnGel chromatographynReverse osmosisnDialysisnElectrodialysisnIon exchangenDistillation/freeze drynSolvent extractionnFoam and bubble fractionationnUltracentrifugationnCentrifugationnLiquid cyclon

37、esnGravity sedimentationSizeDiffusivityIon exchangeVapour temperature, pressureSolubilitySurface activityDensityProcessing fermentation brothFermentationDilute slurryCentrifugationFiltrationSedimentationClarified liquorFiltrationBright liquorConcentrated slurryDewateringDryingDry BiomassCentrifugati

38、on: Continuous centrifugationProduct Packaging TechniquesnSteril Packaging Techniques for Medical Applications and Food PreservationnPyrogen Free and Steril Packaging for Injection PurposenFreeze Dry Packaging for Foods or MedicinesnDewatered Packaging (such as Dry Yeast)nNormal Food Packaging (such

39、 as Na-glutamate)nSalty PackagingnPreservation ChemicalsnOrdinary PackagingOther Commercial ConsiderationStrengths and weaknesses of biotechnological processesnStrengthsnReliance on renewable feedstocksnVersatility with different feedstocksnFood, feed and drug applicationsnFine chemicals to bulk che

40、mical applicationsnLow temperaturenOperation in aqueous medianSeveral reactions achieved in a single fermentation stepnHigh level of automationnStereospecificitynComplex molecules converted and/or producedn“Benign” effluents producednWeaknessesnFeedstocks are oxidized and unsuitable for many applicationsnFeedstock costs fluctuatenSterilization is a major costnProduct often in dilute aqueous solutionsnProduct recovery costlynEquipment costs highnReactions slow leading to poor volumetric productivitynComplicated reaction conditionsnMainly batch operationnHigh cell