发酵工程 第二章 工业微生物的生长和产物合成

授课教师：唐小春动物生物技术系吉林大学畜牧兽医学院第二章工业微生物的生长与产物的生物合成微生物的类群庞杂原核生物界：例如细菌、蓝藻（无膜围的核和其他细胞器，不构成染色体）真菌界：例如霉菌、酵母菌、蘑菇（真核生物，不含叶绿体）原生生物界：例如草履虫、变形虫（最简单的真核生物，生存于水中，有的有叶绿体）病毒：例如艾滋病毒、脊髓灰质炎病毒目前已经知道的微生物有10万中之多，主要分布在下列类群中：真菌原生生物酵母菌农田上层15cm处微生物的数量微生物每克土壤中的数量细菌9.8×107放线菌2.0×106真菌1.2×105藻菌2.5×104原生动物3.0×104土层越深，细菌数量越少。10-20cm处菌落数与空气清洁度的关系空气清洁度菌落数最清洁的空气1-2洁净空气30个以下普通空气30-150轻度污染空气300以下严重污染空气301以上人畜呼吸道的飞沫及地面飘扬的尘埃。

人口密集的公共场所可受到传染。人体微生态中微生物的含量部位含量部位含量眼睛1g肺20g鼻腔10g肠道1000g口腔20g生殖道20g皮肤200g总量1271g

微生物发酵工业得以迅速发展的原因，主要是微生物所具有的三个重要特点：1.微生物的比表面积非常大。迅速摄取所需各种营养物质，维持极高的生长繁殖速度和很高的生物合成活动2.代谢反应具有多样性。次级代谢为人类提供无穷无尽的次级代谢产物3.容易适应多种环境。可以把菌种从自然界转钟到实验室或工业生产，进行人工培养，在廉价的碳源、氮源条件下合成若干中有价值的代谢产物第一节微生物的生长一.生长现象和繁殖方式指微生物的群体生长，包括个体生长和个体繁殖，

细胞生长：当代谢过程中同化作用的速度超过异化作用时，细胞的原生质总量就不断增加。

细胞繁殖：由于细胞分裂而出现细胞个体数目的增加。在发酵工业中，应用最多的是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。细菌分裂图Transversefission1.细菌（bacteria）:单细胞原核生物繁殖方式：无性二等分分裂法细菌对环境既有用处，又有危害，一些细菌成为病原体，导致破伤风、伤寒、肺炎、梅毒、霍乱和肺结核感染方式：接触、空气传播、食物、水和带菌微生物细菌通常与酵母菌及其他种类的真菌一起用于发酵食物，例如在醋的传统制造过程中，就是利用空气中的醋酸菌（Acetobacter）使酒转变成醋。其他利用细菌制造的食品还有奶酪、泡菜、酱油、醋、酒、优格等。细菌也能够分泌多种抗生素，例如链霉素即是由链霉菌（Steptomyces）所分泌的细菌的菌落定义：单个或者少数细菌在固体培养基上大量繁殖时，会形成一个肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群体，叫做群落。特征：大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等。功能：每种细菌在一定条件下所形成的菌落，可以作为菌种鉴定的重要依据。举例：如啤酒酵母菌落、红酵母菌落等。几种菌落2.放线菌(actinomycete)单细胞丝状繁殖方式：无性包子或菌丝片段进行气生菌丝孢子丝孢子基内菌丝培养基目前世界上生产6000多种抗生素，其中有4000种有放线菌生产。放线菌的分布放线菌在自然界分布很广，在土壤、堆肥和湖底、河底的淤泥等处，尤其在土壤中种类和数量很多。放线菌的繁殖放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性孢子形式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子在适宜环境里发芽形成新的菌丝体。3.酵母菌(yeast)单细胞真核生物。繁殖方式：芽殖方式进行。酵母的营养非常丰富，它的主要成分是蛋白质，几乎占了酵母干物质的一半含量，而且人体必需氨基酸含量充足，尤其是谷物中叫缺乏的赖氨酸含量较多。另一方面，含有大量的维生素B1,维生素B2及尼克酸4.霉菌繁殖方式：无性孢子和有性孢子单细胞或多细胞丝状真菌，发酵工业中应用最多的是青霉、曲霉、毛霉、木霉等Penicillium

毛霉

青霉墙壁潮湿，在潮湿部位容易生长霉菌如指甲，有时霉菌会侵入指甲造成灰指甲，所以指甲不要留长，经常清理脚部也是霉菌滋生的有利环境，有脚气的人就更应该注意，防止引起其他部位感染。曲霉（Aspergillus）毛霉(mucor)木霉属（Trichoderma）二、微生物生长规律（典型细菌生长曲线）延滞期对数生长期稳定期对数死亡期1.延滞期（lagphase）是微生物生长过程对外界的适应期菌体数目保持不变或略有下降，生长速率为0原生质均匀，嗜碱性强，DNA含量高代谢机能活跃，诱导酶类的合成最快2.对数生长期（logphase）细胞的代时（generationtime）最短且恒定，群体细胞以几何级数增加，单位时间内细胞数目或细胞重量的增加（生长速率）恒定细胞分裂产生的所有菌都是活菌，总菌数与活菌数接近相等细胞的形态、生理特征一致在发酵工业中要设法延长此期，获得更多的活细胞。3.稳定期（stationaryphase）菌体的代时加长且不稳定，活菌数的增加与死菌数的增加接近平衡。原生质内出现贮藏物质，如糖原、异染颗粒、脂肪粒等，液泡，芽孢稳定期内代谢活动在进行，大量的初级和次级代谢产物主要在此期形成。4.衰亡期（declineordeathphase）总菌数可以恒定，但活菌数逐渐减少细胞容易出现多形态，包括畸形，最后菌体自溶死亡在发酵工业中，由于活菌数大减，产物产生少，甚至破坏多，菌体自溶影响产物提取，及时结束发酵。三、微生物细胞的分化微生物细胞的分化：指从营养菌丝体产生不同形态类型细胞的过程。

包括仅从一种营养菌体分化为另一种形态的营养菌体；在某些条件下，营养菌体可分化为内生孢子或外生孢子等特殊的细胞类型；也可能由单细胞分化成多细胞体。微生物细胞的分化使细胞的结构和功能发生变化，而细胞的分化受到遗传性和环境因素的相互作用所控制。（一）菌体营养细胞的分化1、在某些条件下，微生物细胞形态受培养基组成的控制：如成晶节杆菌在葡萄糖-盐培养基上生长时，细胞呈球状，并继续分裂为球状；如果在上述培养基中加入蛋白胨或有机酸（苹果酸、柠檬酸）或氨基酸（精氨酸、赖氨酸或苯丙氨酸）时，菌体呈杆状，生长速度加快。球状和杆状成晶节杆菌细胞壁中肽聚糖的变化：1）杆状体的肽聚糖有更多的交联；2）球状体细胞壁肽聚糖的肽键之间的连接物有甘氨酸，杆状体细胞没有；3）球状体肽聚糖的多糖主干长度为20nm，而杆状体细胞多糖主干长度为球状体的3倍。2、质粒控制的细胞分化：放线菌、链霉菌等丝状体菌质粒游离移入染色体片段（二）孢子的形成细菌孢子或芽孢：特殊的休眠构造。许多微生物（多为杆菌）在一定条件下，细胞质高度浓缩脱水所形成的一种抗逆性很强的球星或椭圆形的休眠体。各种微生物所形成的孢子结构差异较大，至今研究得不深入。芽孢特点：抗性强，对高温、紫外线、干燥、电离辐射和很多有毒的化学物质都有很强的抗性。折光性强，在显微镜下观察染色的芽孢细菌涂片时，可以很容易的将芽孢与营养细胞区分开，营养细胞染上了颜色，芽孢抗染料且折光性强，透明无色。芽孢抗性原因：1）含水量低（38%-40%），2）含有耐热的小分子酶类，3）富含2，6-吡啶二羧酸钙，在营养细胞和不产芽孢的细菌体内未发现，在芽孢形成过程中，2，6-吡啶二羧酸钙合成，芽孢就具有耐热性，芽孢萌发成营养细胞时，2，6-吡啶二羧酸钙就消失，耐热性就消失。芽孢的作用：1．分类鉴定不同细菌的芽孢具有不同的特点，从形状、大小、表面特征，直到与菌体的关系等都有不同的表现，因此可以作为分类鉴定的依据或参考。

2．科研材料由于芽孢独特的产生方式，成为研究形态发生和遗传控制的好材料。

3．保存菌种芽孢对不良环境有很强的抵抗力，可以保持生命力达数十年之久，在自然界使细菌度过恶劣的环境，在实验室是保存菌种的好材料。

4．分离菌种芽孢的耐热性有助于芽孢细菌的分离。将含菌悬浮液进行热处理，杀死所有营养细胞，可以筛选出形成芽孢的细菌种类。

5．生物杀虫有些芽孢细菌在产生芽孢的同时，可以产生一种双锥形的结晶内含物，称为伴孢晶体，这是一种蛋白质毒素，可以杀死某些昆虫（特别是鳞翅目）的幼虫。蛋白质晶体的毒性是有高度专性的，对其他动物与植物完全没有毒性。因此，它们便成为一种理想的生物杀虫剂，这种杀虫剂的生产，并不需将蛋白质分离出来，只需培养大量细菌，在其形成芽孢并产生晶体时收获、干燥，做成粉剂即可。第二节代谢产物的生源说与生物合成按微生物与生长繁殖的关系分类：初级代谢产物：微生物产生的、生长繁殖所必需的代谢产物。如：氨基酸、核苷酸、蛋白质、多糖、核酸等。次级代谢产物：微生物产生的、与生长繁殖无明显关系的代谢产物。如抗生素、生物碱、多余的维生素、毒素、色素、生长刺激素（藤仓赤霉产生的赤霉素为植物生长刺激素）等。一、次级代谢产物基本特征1.次级代谢产物具有种特异性分类学上相同的菌种能产生不同结构的抗生素，如灰色链霉素，既能合成氨基环醇类抗生素中的链霉素，又能合成多烯大环内酯类抗生素中的杀假丝菌素；分类学上不同的微生物也能产生相同的抗生素，如产生头孢菌素c的霉菌和链霉菌。2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期生长期、产物合成期、菌体自溶期三个时期中产生菌对营养成分和环境条件的要求不同，从生长期转化到生产期的过程中，菌体的生理特征和形态学都发生变化（DNA、RNA、蛋白质合成速率明显下降），次级代谢产物大量合成，直到高峰。3.次级代谢产物多为结构相似的混合物1）参与次级代谢产物合成的酶系的底物特异性不强，如产黄青霉菌能合成五种以上具有不同生物活性的青霉素（青霉素G、V、O、F、X）。2）代谢树现象：产生菌利用一种或两种以上初级代谢产物合成一种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物进行多种化学修饰而同时合成多种衍生物。3）代谢网现象:一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途径合成。4.次级代谢产物的合成受多基因控制控制次级代谢产物合成的基因有的在染色体上，有的在质粒上，质粒在次级代谢产物合成中起着重要的作用。在深层培养中，由于环境的作用，质粒易丢失或丧失功能，导致次级代谢的不稳定性。二、次级代谢产物的构建单位的生源说和生物合成

生源说：次级代谢产物分子中构建单位的各种原子的起源，实际上是有机化学问题。生物合成：各构建单位在多种酶的作用下合成次级代谢产物的过程，实际上是生物化学问题。次级代谢产物中间产物（C5、C4、C3、C2化合物）初级代谢产物有的作为次级代谢产物的前体，有的经过微生物修饰后作为特殊前体前体：可被菌体直接并入次级代谢产物分子中，而自身结构无明显改变的物质。三、次级代谢产物合成的基本过程

合成次级代谢产物的前体合成之后，这些前体就被引进途径特殊的次级代谢产物生物合成途径中，经过聚合等反应形成次级代谢产物。这些构建单位可缩合成聚酮体、寡肽、聚乙烯等，这些特殊的产物再经过多种多样的修饰，最终形成次级代谢产物分子。构建单位：聚酮体、甲羟戊酸、糖类和氨基糖、不常见的氨基酸（非蛋白质氨基酸）、环多醇和氨基环多醇、非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱构成次级代谢产物的构建单位的种类和数量是不同的，有的由单一前体构成，绝大多数品种由两种以上的构建单位组成。新生霉素装配的生源说来自酪氨酸诺卡霉素A分子装配第三节微生物生物合成的主要调控机制一、次级代谢与初级代谢的关系1、概念初级代谢：在微生物的新陈代谢中，一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。次级代谢：是相对与初级代谢而提出的一个概念，指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。一、次级代谢与初级代谢的关系2、代谢产物不同初级代谢产物：单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等，还有由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。次级代谢产物：由初级代谢产物和中间体形成，分子结构比较复杂，根据其作用可分为抗生素、激素、生物碱、毒素等，通常分泌到胞外。分叉中间体：菌体代谢过程中产生的某些中间产物，即可用于合成初级代谢产物，又可用于合成次级代谢产物。一、次级代谢与初级代谢的关系3、存在范围不同初级代谢的代谢系统、途径、产物在各类生物中都基本相同，它普遍存在的基本代谢类型。次级代谢只存在于某些生物中，具有种属特异性。4、功能不同初级代谢：能使营养物质转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，是机体生存必不可少的物质，在这些物质的合成过程的任何环节发生障碍，或者导致生长停止或死亡，是最基本的代谢。次级代谢：对菌体自身的生命活动无明确功能，不参与细胞结构组成，也不是酶活性必需的，