1第一章-微生物和工业微生物学-绪论-20160229

工业微生物学山东理工大学生命科学学院授课教师：刘红亮电话QQ:369601804邮箱：kydarling@126.com

网络教学平台/meol/main.jspIndustrialMicrobiology个人简介学术经历理学博士，2014年6月毕业于华中农业大学微生物学专业。2014年7月就职于山东理工大学生命科学学院讲师，主讲工业微生物学课程和工业微生物学实验,参与讲授研究生微生物学理论和技术专题。研究方向1、微生物与重金属互作机制，2、重金属污染生物治理，3、重金属代谢微生物资源发掘，鉴定和应用。科研成果目前已发表SCI论文9篇，主持国家自然科学基金1项，国家重点实验室开放课题1项，青年教师发展支持计划1项，博士启动资金1项，参与国家级科研项目3项，参与编写专著1部。课程教学主要内容（共48学时）第一章微生物与工业微生物学概述2学时第二章工业微生物细胞结构与功能8学时第三章工业微生物的营养和生长6学时第四章工业微生物的代谢和调控8学时第五章工业微生物遗传变异和育种6学时第六章工业微生物的进化、发育和分类4学时第七章工业微生物生态与环境保护4学时第八章工业微生物与现代发酵和食品业6学时第九章工业微生物与现代制药4学时实验教学主要内容（32学时）实验一细菌的革兰氏染色与观察2学时实验二培养基的配制2学时实验三微生物分离与纯化技术2学时实验四微生物的形态观察2学时实验五微生物大小和数量的测量和测定2学时实验六细菌生理生化反应2学时实验七氧浓度对微生物生长影响2学时实验八抗生素抗菌谱与细菌抗药性测定2学时实验九&实验十综合设计性试验8学时从第三周开始上实验课，授课教师刘红亮/高秀珍，上课地点13-133/137,18人/组,共4组，周三（3月18日）下午5-7节，周四下午7-9节。课程考核要求全课程考核分三部分：（一）理论课讲授部分为闭卷考试，成绩占全课程50%；（二）作业测试（线上线下），课堂表现（线上线下），考勤（线上线下）占45%（20%+15%+10%）；（三）微生物专业文献讲解或翻译占全课程5%。

教材及教学参考书授课教材岑沛霖，蔡谨编著，《工业微生物学》，化学工业出版社，2008年，第二版。微生物学课程组编写《微生物学实验指导》，内部教材，2015，第一版。

参考书目1、杨汝德编著，《现代工业微生物学》，高等教育出版社，2006年，第一版2、周德庆主编，《微生物学教程》（第三版），高等教育出版社，20113、周世宁主编，《现代微生物生物技术》，高等教出版社，20074、《微生物学实验教程》周德庆徐德强主编，2012年，第三版，高等教育出版社5、《环境工程微生物学实验》王国惠主编，2012年，化学工业出版社6、《现代工业微生物学实验技术》杨汝德主编，2008年，科学出版社7、《工科微生物学实验》李玉峰唐洁主编，2007年，西南交通大学出版社8、《工业微生物实验与研究技术》诸葛健主编，2006年，科学出版社第一章绪论I、微生物和微生物学的研究范畴II、学习微生物的目的III、微生物的共性IV、微生物学发展史（巴斯德和科赫）V、微生物对工业生产的影响VI、工业微生物研究进展

一、微生物的定义：

传统定义：微生物（microorganism,microbe）是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它们是一些个体微小（一般小于0.1mm）、构造简单的低等生物。

现代定义：一般是指绝大多数凭肉眼看不见或看不清，必须借助显微镜才能看见或看清，以及少数能直接通过肉眼看见的单细胞、多细胞和无细胞结构的微小生物的总称。纳米比亚嗜硫细菌、费氏刺尾鱼菌(肉眼可以直接看到)I、微生物和微生物学的研究范畴二、微生物的特点及种类1mm=103µm=106nm=107Ǻ

分辨率：肉眼:0.1mm；显微镜:0.2µm；电子显微镜:10Ǻ细菌数亿/g土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034×1012吨每个喷嚏的飞沫含4500-150000个细菌II、为什么要学习微生物每张纸币带细菌：≈900万个

微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！

时时刻刻与微生物“共舞”

是

福？是祸？益生菌①乳杆菌类（如嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、詹氏乳杆菌、拉曼乳杆菌等）；②双歧杆菌类（如长双歧杆菌、短双歧杆菌、卵形双歧杆菌、嗜热双歧杆菌等）；③革兰氏阳性球菌（如粪链球菌、乳球菌、中介链球菌等）。少数微生物也是人类的敌人！鼠疫艾滋病(AIDS)癌症肺结核、虐疾、霍乱“卷土重来”。埃博拉病毒疯牛病SARS禽流感1347年的一场由鼠疫杆菌(Yersiniapestis)引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1/3的人(约2500万人)死于这场灾难，在此后的80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾难甚至改变了欧洲文化。我国在解放前也曾多次流行鼠疫，死亡率极高。一种急性出血性传染病，病死率高达５０％到９０％，通过接触病人的血液或其他体液，经皮肤、呼吸道或结膜而感染，潜伏期为５至１４天TheSARSCoronavirus:

TheSARSoutbreakof2003

AccordingtotheWorldHealthOrganization(WHO),atotalof8,098peopleworldwidebecamesickwithSARSduringthe2003outbreak.Ofthese,774died.2004年禽流感席卷韩日越三国世界卫生组织1月14日警告说，禽流感已经开始席卷亚洲部分地区，并且导致越南至少3人死亡，它对亚洲的威胁可能比非典更严重。1878年，意大利禽流感，首次爆发：危害最大，经济损失最严重的禽流感（H5N5）:1983年美国滨州等地区,直接损失6000多万美元，间接经济损失估计达3.49亿美元,1997年5月，香港禽流感，直接损失达8000万港币。

2003年3月，荷兰禽流感，波及最广的爆发，荷兰南部海尔德兰省800个农场已经受到禽流感的影响，已蔓延到比利时与德国边境附近。可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。III、微生物学对人类活动的影响微生物与医疗保健微生物与农业微生物与工业微生物与能源、生态和环境保护微生物与生物技术在医疗保健战线上的六大“战役”:外科消毒术的建立；寻找人畜病原菌；免疫防治法的应用；化学治疗剂的发明；抗生素治疗的兴起；用遗传工程和生物工程技术生产生化药物。根瘤菌的固氮作用；反刍动物的消化过程；微生物在物质循环中的作用；微生物对农业造成的危害等。六个里程碑:自然发酵与食品、饮料的酿造；罐头保藏；厌氧纯种发酵技术；深层液体通气搅拌培养；代谢调控理论在发酵工业上的应用；生物工程的兴起1.生物炼制：生物乙醇、生物柴油、生物制氢、沼气发酵、丙酮等生物燃料。2.原油泄漏和生物除污。3.生物环境技术。利用分子生物学技术改造微生物的代谢特性，再借助发酵工程实现产业化。

IV、微生物学发展简史1.微生物的发现1.1影响认识微生物的四大障碍：

1.1.1个体过于微小1.2.1群体外貌不显1.3.1种间杂居混生1.4.1形态与其作用的后果很难被认识2.微生物发展的五个时期

2.1史前期：约8000年前-1676

2.2初创期：1676-1861

2.3奠基期：1861-1897

2.4发展期：1897-1953

2.5成熟期：1953-IV、微生物学发展简史2.1史前时期（直观应用时期）春秋战国时期微生物分解有机物质,沤粪积肥。公元二世纪的《神农本草经》

白僵蚕治病。公元6世纪后魏的贾思勰《齐民要术》

谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜。

豆科植物与其它作物轮作2.2初创时期（形态学发展时期）（17世纪下半叶-19世纪中叶）使用显微镜观察微生物世界的时期。代表人物：列文·虎克贡献:（１）发现了微生物世界（２）科学地描述了微生物的形态并阐述了它们的繁茂性．2.3奠基时期（生理学发展时期）十九世纪下叶有关微生物的两个疑难问题：1、生物是自然产生的吗？2、传染性疾病的本质是什么？新鲜食品搁置细菌检定无细菌腐败食品细菌检定有细菌由非生命的物质自然发生自然发生说（１）巴斯德与自然发生学说法国，化学家，路易斯·巴斯德（LouisPasteur，1822—1895）

微生物学的奠基人巴斯德反驳自然发生说的三个实验空气乙醇、醚混合物棉纤维沉淀物检测第一个实验第二个实验加热营养液密封放置细菌检测无细菌检出自然发生说质疑：无机物自然变为生命有机体必须提供新鲜的空气第三个实验（２）科赫与疾病的病菌说

最早人们认为疾病是由诸如超自然力、被称为瘴毒的毒气以及四种体液（血液、粘痰、黄胆汁、黑胆汁）之间的失调而引起的。AgostinoBassi（1773~1856）在1835年证明蚕病是由真菌感染引起的，首先提出微生物可引起疾病。1845年，M.J.Berkeley证明爱尔兰马铃薯枯萎病（PotatoBlightofIreland）是由真菌引起的。

之后，巴斯德提出“蚕的微粒子病”是由原生动物寄生虫引起的。Lister受巴斯德关于微生物在发酵和腐败问题中研究的启发，提出了外科消毒术，消毒所使用的石炭酸可以杀死细菌，同样也可以阻止伤口感染，这一观点为微生物在疾病中的作用提供了间接的证据。（２）科赫与疾病的病菌说德国，乡村医生，科赫（RobertKoch，1843~1910）

细菌学奠基人

直接关系的证明来自于德国医生柯赫对炭疽菌的研究（1876年）科赫法则1、病原微生物存在于患病动物中,而健康动物中没有；2、该微生物可在离开动物体外纯培养生长；3、当培养物接种易感动物时产生特定的疾病症状；

4、该病原微生物可从患病的实验动物中重新分离到,且在实验室能够再次培养,最终具有与原始菌株相同的性状。柯赫其他主要贡献：

建立了纯培养技术（凝固剂和petridish）

对结核杆菌的分离和观察,首创了抗酸菌染色的Ziehl-Nielsen染色法结核组织结核杆菌

发现和分离了引起霍乱的微生物——霍乱弧菌，发现了在控制霍乱传播中水过滤的重要性，发表了第一张细菌的显微镜照片。2.4发展时期（生物化学水平）

德国人E.Buchner

（1897年）用无细胞的酵母菌裂解液中的混合酶对葡萄糖进行了酒精发酵：

酵母细胞石英砂研磨过滤滤液葡萄糖酵母细胞酒精、CO2巴斯德提出发酵是由微生物引起；他还发现了厌氧微生物。MartinusBeijerinck（1851-1931）对微生物领域的最大贡献是提出了富集培养概念。用富集培养技术Beijerinck从土壤和水中分离得到许多纯种微生物，包括好气的固氮菌、硫化细菌、固氮根瘤菌、乳酸菌、绿藻和许多其他微生物。在研究烟草花叶病时，Beijerinck指出感染物（一种病毒）不是细菌，而是寄生到植物细胞中生存的一类微生物；实际上，Beijerinck描绘了病毒学的基本理论。SergeiWinogradsky（1856-1935）成功的分离了硝化细菌、硫化细菌等和氮、硫化合物循环有关的微生物，提出硝化过程是细菌作用的结果，提出无机化能营养和自养生物的概念。还分离到第一株厌氧固氮菌——巴氏固氮梭状芽孢杆菌，提出了细菌固氮作用的概念。可称是土壤微生物学的奠基石。2.5成熟时期（分子水平）始于二十世纪五十年代（电子显微镜的使用和DNA的发现）从1953年4月25日J．Watson和F．Crick在英国的《自然》杂志上发表关于DNA结构的双螺旋模型起，整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段，同样也是微生物学发展史上成熟期到来的标志。(1)微生物学从以应用为主的学科，迅速成长为一门十分热门的前沿基础学(2)在基础理论的研究方面，微生物迅速成为分子生物学研究中最主要的对象(3)在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人为控制的方向发展，至70年代初，有关发酵工程的研究已与遗传工程、细胞工程和酶工程等紧密结合，微生物已成为新兴的生物工程中的主角。遗传学

+生物化学

+微生物学

该时期，多学科交叉促进微生物学全面发展

微生物遗传学微生物生理学

分子遗传学

微生物学推动生命科学的发展同时微生物的其他分支学科也得到迅速发展,使微生物学发展成为生命科学领域内一门发展最快，影响最大、体现生命科学发展主流a.促进许多重大理论问题的突破

遗传物质基础;基因与酶关系;突变的本质;操纵子学说;PCR;等b.对生命科学研究技术的贡献

细胞的人工培养；突变体筛选；DNA重组技术和遗传工程c.微生物与"人类基因组计划"

作为模式生物促进基因与基因组的功能研究对生命进行系统地和科学地解码,以达到了解和认识生命的起源,种间和个体间差异的起因,疾病产生的机制,长寿及衰老等生命现象.基因组学(genomics)：研究整个基因组的所有基因

解码生命

HumanGenomeProject,HGP

1、体积小，比表面积大单位：um(10-6m)或nm(10-9m)2μm0.5μm杆菌80个杆菌肩并肩总宽度=1根头发丝的宽度1500个杆菌首尾相连总长度=1粒芝麻的长度微生物的体积大小IV、微生物的共性2、吸收多，转化快人（50kg）500~1000g/d地鼠（体重3g）3g/d大肠杆菌细胞重量2000倍糖/h奶牛（500kg）合成0.5kg蛋白质/24h微生物细胞合成自身重量30-40倍的细胞物质/24h吸收多转化快3、生长旺，繁殖速大肠杆菌在合适的生长条件下：12.5~20分钟繁殖1代每小时分裂3代，由1个变成8个。经24小时分裂72代，重约4722吨经48小时可产生2.2×1043个后代。地球重量的4000倍（5.98*1021吨）微生物代时及每日增殖率微生物名称代时(分)温度日增殖率乳酸菌38252.7×10^11大肠杆菌18371.2×10^24根瘤菌110258.2×10^3枯草杆菌31307.2×10^13光合细菌144301.0×10^3酿酒酵母120304.1×10^3念珠藻1380252.1硅藻1020202.64小球藻4202510.6草履虫642264.92

4、适应性强，易变异1）对营养物质的利用上的适应性。2）对环境条件尤其是恶劣的“极端环境”的适应性。耐0～－196℃低温

耐250℃～300℃的高温

耐盐（饱和盐水）

耐干燥（产芽孢细菌、真菌孢子）

耐酸碱、耐缺氧、耐毒物、抗辐射适应性强易变异青霉素生产菌的发酵水平1940年每毫升20单位2000年每毫升10万单位青霉素的使用剂量：1940年10万元单位/次1980年：输液80万单位/次2000年：输液800万-1000万单位/次青霉素对金黄色葡萄球菌最低抑制浓度0.02μg/ml200μg/ml5、分布广，种类多微生物在自然界的分布：无处不在，无孔不入土壤空气水域生物体内外极端环境正常环境高空深海底2000米深的地层温泉VI、微生物学及其研究内容与分科微生物学(Microbiology)定义：是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学。根本任务：

1.发掘、利用、改造和保护有益微生物

2.控制、消灭和改造有害微生物最终目的:

为人类社会的进步服务21世纪微生物学展望1.微生物基因组学研究将全面展开21世纪微生物基因组学将在继续作为人类基因组计划“的主要模式生物，在后基因组研究(认识基因与基因组功能)中发挥不可取代的作用。模式微生物、特殊微生物及医用微生物和其他微生物，特别是与工农业及与环境、资源有关的重要微生物。从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物将产生质的飞跃。并将带动分子微生物学等基础研究学科的发展。

2.微生物资源的开发和应用，微生物生态学、环境微生物、细胞微生物学等，将在基因组信息的基础上获得长足发展，为人类的生存和健康发挥积极的作用。3.微生物生命现象的特性和共性将更加受到重视。4.与其他学科实现更广泛的交叉，获得新的发展。5.微生物产业将呈现全新的局面微生物将是21世纪进一步解决重大理论问题及实际应用问题的最理想的材料。学科交叉永远是科学创新的源泉！多学科的交叉和渗透将是必然的发展趋势，21世纪的微生物学将向地质、海洋、大气和太空渗透，将会出现更多的边缘学科：微生物地球化学、海洋微生物学、大气微生物学、太空(或宇宙)微生物学以及极端环境微生物学等。微生物与能源、信息、材料、计算机的结合也将开辟新的研究和应用领域。微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其它学科的先进技术的基础上，向自动化、定向化和定量化发展。VII工业微生物及其研究对象和任务

一、工业微生物的研究对象

工业微生物学是微生物学中的重要分支，主要研究用于食品、制药、环保、冶金、石油、能源、材料、轻工、化工、军工等工业生产中的微生物本身或微生物的众多代谢产物。包括微生物的种类、菌种的获得、代谢的机理和调控以及实际生产所需条件和控制。也就是说，试图对微生物加以控制。即利用微生物来做我们要做的事，或者防止微生物做我们不要做的事。

微生物种类繁多，容易变异，代谢类型多，适应性强。所以，微生物工业中菌种的选择和培育是生产之本，代谢调控是生产的关键。目前，在工业上应用的微生物主要有细菌、病毒、真菌、显微藻类、动植物细胞培养物，具有活性的细胞碎片如酶和细胞匀浆物等。而这些微生物中产值最大的主要部分包括酵母业、抗生素业、酶制品业三项。

二、我国工业微生物的研究概况

我国劳动人民数千年前就会利用微生物来酿酒，制酱、醋，但直到20世纪40年代，工业微生物没有一个独立的教学和科研机构，发酵工业也奄奄一息。20世纪50年代开始，我国工业微生物领域的科研、生产均取得巨大的发展，国家设立了科学院和各级科研机构，并在工科院校设立了发酵专业，培养了大批发酵科技人材，推动了科研和生产的发展。

酶制剂工业是20世纪60年代才开始建立的，几个主要酶种的发展很快，产量也很大。1986年全国酶制剂产量达3万多吨。目前已知的酶有2500余种，有150多种已得到结晶。酶可分为氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类6大类。酶制剂商品已有100多种，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、乳糖酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶等。并且有近百种酶可制成固定化酶。现在微生物酶制品已广泛应用于食品、发酵、日用化工、纺织、制革、造纸、医药和农业等各个方面。

微生物在医学方面的应用是20世纪50年代后才投入生产的，但现在已居世界前列。目前可利用微生物生产生物制品、抗生素、葡萄糖酐、干扰素、核苷酸、维生素