微生物资源开发及利用ppt

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考点三
考情 解读
微生物的数量测定 本考点内容在生物技术实践中占有比较重要的 地位，有关特定微生物的数量测定广泛应用于食品 及水质检测等实践中，具重要的应用价值，近年高 考常将微生物计数与微生物培养及筛选综合命题， 故2013年备考仍需重点关注。
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[做一题] [例3] 急性肠胃炎、手足口病分别是由细菌和病毒通过消化 道进入人体导致的。因此检验饮用水的细菌含量和病毒含量 是有效监控疾病发生的必要措施，请回答下列与检验饮用水 有关的问题： (1)检验大肠杆菌的含量时，通常将水样进行一系列的梯度稀
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2．消毒和灭菌
项目
消毒
灭菌
使用 较为温和
条件
的
使用 强烈 的理化因素
理化方法
杀死物体表面或内部
杀死物体内外
一部分对人体有害的
所有的
结果 微生物(不包括芽孢和 微生物，包括芽孢和
孢子)
孢子
3
项目 适用
常用 方法
消毒
灭菌
实验操作的空间、操作者 培养器皿、接种用具和培
的衣着和手
养基等
煮沸 消毒法， 巴氏 消 灼烧 灭菌、 干热 灭 毒法，酒精、氯气、石炭 菌、 高压蒸汽 灭菌
()
成分 含量
NaN O3
3g
K2H PO4
1g
MgS KCl O4·7
H2O
0.5 0.5 gg
FeS O4
(CH2 O)
H2O
1 0.0
30 g 000 1g
mL
青霉 素
0.1 万单
位
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A．依物理性质划分，该培养基属于液体培养基 B．依用途划分，该培养基属于选择培养基 C．培养基中的唯一碳源是(CH2O)，唯 一氮源是NaNO3 D．若用该培养基培养纤维素分解菌，则应除去(CH2O)，

nature
Vol 467|2 September 10| doi:10.1038 /nature 09354
Bacterial charity work leads to population-wide resistance Henry H. Lee, Michael N. Molla, Charles R. Cantor & James J. Collins
to understand microbial communities. …individual host properties
such未a来s b医od师y m或a可ss依in据de肠x, a型ge的, o区r g划en，de量r 身can打n造ot 病exp患la饮in 食the清o单bserved ente以rot及yp开es处…方，甚至至为抗生素寻求替代品。
Enterotypes of the human gut microbiome
…identify three robust clusters (referred to as enterotypes hereafter)
that人ar类e n肠ot道na微tio生n 物or 系co统nti可ne拥nt 有spe特ci定fic的…分Th类is —ind肠ic型ates further the
othf比a1n2人4th类Eeu基hruo因mpe组aann大gien1nd5ei0vc倍iodmu。apllse…m.eTnth,e…geOnveesre9t,9~%15o0f
times larger the genes are
ba超ct过er9ia9l%, in为d细ica菌tin。g that the entire cohort harbours between

物质运动
第一章 微生物资源学绪论
第二节 微生物资源的特点及其开发前景
二、微生物资源的开发前景
大型真菌：约有1万种 可以食用的：已知的有2000种 已进行实验性栽培的：100种左右 已开展了商业性生产：30种左右 毛头鬼伞
第一章 微生物资源学绪论
第三节 微生物资源开发利用简史
一、萌芽阶段（19世纪中叶以前）
一、微生物资源的特点
（1）代谢类型极其多样化，生长繁殖速度惊人。 （2）种原丰富，未知者众。 （3）变异性大。
第一章 微生物资源学绪论
第二节 微生物资源的特点及其开发前景
二、微生物资源的开发前景
“21世纪将是生物学世纪” 其理由是： 1、生命运动是物质运动的最高形式 2、人类对生物界及其多样性的认识尚处初级阶段 3、动植物资源急剧减少呼唤生物资源的合理开发 生命运动 化学运动 物理运动 机械运动
1、微生物菌体利用 酵母菌：蛋白质含量达菌体干重的55％
氨基酸、维生素
藻类: 蛋白质、维生素、γ-亚麻酸
第一章 微生物资源学绪论
第三节 微生物资源开发利用简史
三、当代微生物资源的开发与利用
1、微生物菌体利用 糖 蜜 蔗糖渣 石 油 液蜡甲 烷甲 醇 工业废水 城市垃圾
酵母菌
医 用 酵 母 片
单细胞蛋白 SCP
微生物资源学绪论
第一章 微生物资源学绪论
第一节 微生物资源的概念
生物资源(可再生资源)： 是指生物圈中对人类具有一定经济价值的动物、植物、微生物有机体及 由它们所组成的生物群落。
生
态 系 统
物
种
基 因
反硝化基因
反硝化菌 氨化、硝化、反硝化作用生态系统
生物资源的层次性

目前，很难用多少属、多少种、“特有种”、 “蕴藏量”来估价微生物的资源量。
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 得多。
微生物是一类天然资源 的公众意识远远没有建立
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 就。
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 发，不存在“过度”问题，也不会因开 发造成原产地微生物资源减少或绝灭的 问题。
例如，人们最初找到青霉素时，其产率不到 0.01%，经过人们改造，今天达到了5%以上， 产率提高了500多倍。
青霉素的发明是人类的标志性的伟大 成果
英国生物学家弗莱明
微生物是一类天然资源 的公众意识远远没有建立
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。
微生物与能源开发
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 够产氢的微生物等等，它们都将会在新能源 的开发上大显身手。
微生物与能源开发
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 象的那么好。现在的氢气发动机的泄漏导致10％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 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4至8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 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 臭氧液破坏。他们的报告发表于6月13日的Science上。
微生物是一类天然资源 的公众意识远远没有建立

自然界中各类环境适应性分析
微生物在土壤中的分布与功能
包括氮循环、有机物分解等。
水体中的微生物生态
如淡水、海水中的微生物种类及其作用。
极端环境中的微生物
探讨高温、低温、高盐、低氧等极端条件下微生物的生存机制。
人体内外环境中共生关系探讨
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人体正常菌群分布及其生理功能
如肠道菌群对消化、免疫的贡献。
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在不同环境下，微生物的生理特性也会发生变化。例如，在缺氧条件下，一些微生物会进行厌氧呼吸，产 生乳酸或酒精等代谢产物；在高温条件下，一些微生物会产生耐热性酶和蛋白质，以适应高温环境。
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微生物遗传与变异
遗传物质基础：DNA和RNA
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DNA作为遗传物质 大多数微生物的遗传物质是双链DNA，它们携带 着微生物生命活动所必需的全部遗传信息。
转录过程
在转录过程中，DNA的遗传信息 被转录成mRNA，为后续的蛋白质 合成提供模板。
翻译过程
在翻译过程中，mRNA上的遗传信 息被翻译成蛋白质，这些蛋白质是 微生物生命活动的重要组成部分。
基因突变类型及影响因素
基因突变类型
基因突变包括点突变、插入突变、 缺失突变和倒位突变等，这些突 变都可能导致微生物的遗传特性
包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核等。与细菌相比，真菌的 细胞结构更为复杂，具有真正的细胞核。
真菌的繁殖方式
通过孢子进行繁殖，如芽殖、裂殖等。
病毒形态与结构
01
02
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病毒的基本形态
球形、杆形、蝌蚪形等。 病毒是一种非细胞生物， 必须在活细胞内寄生并以 复制方式增殖。
病毒的结构
包括核酸（DNA或RNA） 和蛋白质外壳。部分病毒 还有包膜结构。

应用微生物学-2
第二章、微生物资源及其 开发利用
本章内容
微生物资源的定义及其特点 微生物资源开发的基本程序 微生物资源开发的专利申请 资源微生物的特殊要求 资源微生物的研究方向
2.1 微生物资源的定义及其特点
生物资源的权威定义（《生物多样性公 约》）：对人类具有实际或潜在用途、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。
总体设计还包括开发的策略，自己的工作基础， 已具备的条件，自己的优势和劣势，合作伙伴 的力量及诚信度，投资大小、投资周期及风险 等。
微生物资源开发往往需要合作伙伴，如果有力 量互补、诚信度高的国内外合作伙伴参与，必 然对开发大有益处。为了使合作更富成效，订 立一项分工明确、成果分享公道的协议是完全 必要的。
各国通常的做法是一旦证明某种新菌种产生某 种新物质并具有某种活性(不一定就有临床价 值)，马上要做的第一件事就是申请专利。然 后再继续研究开发。这说明专利对于促进微生 物资源开发的极端重要性。
没有专利保护，简直就不会有人敢搞抗生素及 其他微生物制品的开发。
2.4 资源微生物的特殊要求
1.工业微生物应用的要求
总体设计一旦确定，明确开发意图 并贯彻始终，是微生物资源开发最 基本、时刻不离的原则，核心问题 就是千方百计尽早找到所需的目的 菌。这是开发成败的关键，所有的 策略、路线、方法都要为这个中心 服务，而不要有所偏离。
创新是微生物资源开发的灵魂
20世纪50年代从1000株菌就可能找到一种新抗生素， 现在却要从10000个新化合物中才有可能开发成功一个 有临床价值的药物，可见难度和风险之大。
可以申请专利。 专利菌种及其产物一定得新，有可能开发成生
产菌种，实现产业化，但不一定在申请专利时 就有现实生产力。 生产菌种必须有现实生产力。 在某些情况下专利菌种就是生产菌。这两者的 保护均与当事人的经济利益有关，都是对知识 产权的保护。

物种的多样性
▪ 1992年，Bull，已描述真菌种：69000 （5%）；细菌种4760（12%）；病毒种： 5000个（4%）
▪ 1995年，Amann：自然界中95%-99%微 生物种群未被分离培养和描述。
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第二节 微生物的分布生境多样性
▪ 一 微生物在自然界分布的各种生境
(一) 微生物分布的广泛性 微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不
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第三节 微生物代谢类型的多样性
一 微生物的代谢活性及营养方式 （一）微生物的代谢活性
分解的物质多样化，产能方式多样性 （二）微生物的营养方式
异养型 自养型
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二.微生物的代谢类型及代谢人工调控
▪ 1. 同化代谢 ▪ 2.异化代谢 ▪ 3.初生代谢和次生代谢 ▪ 4. 微生物代谢的人工调控
▪ 6.许多真菌是吸附重金属、氰化物、汞化 物的能手，因而真菌成了冶理这类污染的 理想手段。
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二 细菌的经济价值
▪ 食品微生物
▪ 用细菌冶金，已在低品位的铜矿和金矿的 开采中广为应用。
▪ 净化环境 ▪ 农业 根瘤菌
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三 放线菌的经济价值
产生各种胞外水解酶，降解土壤 中的各种不溶性有机物质以获得细胞 代谢所需的各种营养，对有机物的矿化有着重要作用，从而
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第四节 微生物资源的主要经济价值
▪ 一. 真菌的经济价值
所有真菌不含叶绿素，所以不能行光合作用 自制养分，必须腐生或寄生，从寄主处取得营养。 摄食时，先分泌酵素，使食物分解为小分子物质 后再行吸收。常见的真菌包括酵母菌、面包霉、 青霉等。
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参考文献
【1】刘立鸿，李箐箐，王咏星.微生物肥料及其发展前景.新疆大学学 报（自然科学版），2004. 【2】葛诚.微生物肥料的生产应用及其发展【M】中国农业科技出版社， 1996. 【3】李辉，生产无公害产品的新兴肥料-酵母素肥料河北农 业.2003,(2). 【4】吴皓琼等.生物钾肥的研制剂田间应用【J】.生物技 术,2000,10(1),40-42
施用前后对比
磷细菌的分离培养与筛选
李晓卉, 马利青, 王戈平, 陆 艳, 蔡其刚.Ch inese Q ingha i Journa l o fAn imal and V eterinary Sc iences（青海畜牧兽医杂志）.10 /2010 摘 要: 通过分离、筛选与纯化, 从土壤中筛选出具有解磷能力的菌株 , 根据 解磷圈大小判断其解磷能力 , 获得了解磷能力较强的菌株 2株, 初步鉴定结果 1株为巨大芽孢杆菌。 关键词: 磷细菌; 巨大芽孢杆菌; 分离; 筛选
微生物肥料的使用要求
微生物肥料是生物活性肥料，因此有特定的施用要求。 一是避免开袋后长期不用。开袋后，其他细菌就可能 侵入袋内，使微生物菌群发生改变，影响其使用效果。 二是避免在高温干旱条件下使用。在高温干旱条件下 使用微生物肥料，客观存在的生存和繁殖就会受到影 响，不能发挥良好的作用。三是避免与未腐熟的农家 肥混用。这类肥料与未腐熟的有机堆肥沤或混用，会 因高温杀死微生物，影响微生物肥料的发挥。同时也 要注意避免与过酸碱的肥料混合使用。四是避免与农 药同时使用。化学农药都会不同程度地抑制微生物的 生长和繁殖，甚至杀死微生物。
解磷细菌由于其可以分解土壤中的难溶磷矿物，释放出其中的磷或者 是分解土壤中的有机质，将有机磷变为植物可以吸收利用的无机磷， 从而为作物提供有效磷素。 解钾细菌多是硅酸盐细菌，它能分解硅酸盐类矿物并释放出钾等元素 供植物利用，同时它也有固氮、解磷功能。 固氮菌可以将空气中的N2。还原为可以被作物吸收利用的氮肥。

发酵过程控制
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发酵工程
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - 产品分离提纯 - 废物处理 - 副产物回收利用
发酵过程控制
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发酵工程技术
主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细 胞和生产代谢产物的工艺技术 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵 罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气 的空气过滤技术； (2) 在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计 算 机控制技术； (3) 种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
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4、发酵工业的特征

发酵过程中离不开微生物的作用
1、发酵原料的选择及预处理
2、微生物菌种的选育及扩大培养
3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种 子扩大培养和发酵采用不同的工艺。 4、发酵产物的分离提取 5、发酵废物的回收和利用
(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产 品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进 行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料 进行生物资源的改造和更新。
养生物获得次级代谢产物的工业。
（2）获得发酵产品的条件

适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件
进行微生物发酵的设备
精制成产品的方法的设备
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3、发酵工业的范围
（1）、以微生物细胞为产物的发酵工业
（2）、以微生物代谢产物为产品的发酵工业
（3）、以微生物酶为产品的发酵工业 （4）、生物转化或修饰化合物的发酵工业 （5）、微生物废水处理和其他
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4. 新世纪的微生物学
20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学 研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到

海洋微生物药物资源


现已从海水、海底泥、海鱼胃内容物、 珊瑚表面、叉珊藻、毒蟹、河豚、毛颚 动物等的体内或体表等各种采自海洋的 样品中分离到的细菌、放线菌可产生多 种生物活性物质。 海洋真菌的次级代谢产物70 %～80 %具 有生物活性。
已经分离到的新成分



抗氨基糖苷类耐药菌株的新氨基糖苷类抗生素。 对绿脓杆菌和一些耐药性革兰氏阴性菌具有较强的活 性、抗菌谱广、毒性低的抗菌物质和肌醇胺霉素。 寡霉素2A 的20-羟衍生物、肠菌素的5-脱氧衍生物以 及两种全新的细菌化合物辛内酰亚胺(Octalactins) A 和B 八氢内酰亚胺、亚酮乳酰胺、大环内酰亚胺、喹唑啉 哈利凯( halichomycin) 等具有抗病毒或抗肿瘤活性 的物质。 一种具有增强免疫活性、促进体液免疫和细胞免疫, 能抑制多种动物移植肿瘤的杂多糖, 与化疗药物在抗 肿瘤方面有协同作用, 已用于临床。
模型设计：

微生物开发最活跃的领域，可根据作用机制、 代谢途径的靶位、酶反应机制、基因操作中调 控因子、目的化合物的类型等设计初选模型。
一菌多筛：

多筛选模型，可意外找到用途更大的非 目的菌。
高通量筛选与组合生化相结合：



前者是采用相关设备，将许多模型固定在各自 不同的载体上，用机器人加样、培养后，用计 算机记录结果、分析，实现快速、准确、微量； 后者是用已知有用化合物或已知骨架的化合物 分别与不同的微生物共培养，分析不同培养时 间化合物的结构及其活性的变化（发生修饰或 转化），增加化合物的多样性，相应增加获得 理想化合物的可能性。 如两者组合会使筛选效率大大提高。

生产菌种和专利菌种的保护

微生物的代谢能力强，使得它们在废 物处理、生物修复、生物转化等领域 具有广泛的应用前景。
繁殖能力强
微生物的繁殖方式多样，可以通过分裂、出芽等方式进行繁 殖，繁殖速度快且繁殖能力强。
微生物的繁殖能力强，使得它们在农业生产、工业生产、食 品保存等领域具有广泛的应用价值。
03
CHAPTER
微生物资源的开发利用基本 原理
生态功能多样
03
微生物在自然界中扮演着分解者、生产者、消费者和调节者的
角色，对生态系统的平衡起着重要作用。
微生物资源的重要性
生物多样性保护
微生物资源的保护对于维持生物 多样性具有重要意义，有助于维 护生态平衡。
人类生产生活
微生物资源在食品工业、医药、 农业、环保等领域具有广泛的应 用价值。
科学研究
微生物资源的保护
微生物资源保护的意义
微生物资源是生物多样性的重要组成部分，对人类生产生活、生态平衡和经济发展具有 重要意义。
微生物资源保护的方法
采取科学分类、基因保存、建立微生物资源库、加强微生物资源保护法律法规建设等措 施，保护微生物资源的多样性。
微生物资源保护的挑战
微生物资源保护面临着人类活动干扰、环境变化、过度开发和外来物种入侵等挑战，需 要加强科学研究和技术创新，提高微生物资源保护水平。
生物肥料通过微生物的固氮、解磷、解钾等作用，提高土壤肥力，促 进作物生长。
生物农药和生物肥料的使用可减少化学农药和化肥的使用量，降低环 境污染。
生物制药
生物制药是利用微生物资源生产生物药物的过程。
生物药物包括抗生素、疫苗、细胞因子、生长因 子等。
生物制药的关键是筛选具有药用价值的微生物菌 种，研究其代谢机制，优化生产工艺。

❖ 脂肪酶
▪ 类可可脂，固定床反应器，Fuji Oil
❖ 青霉素酰化酶
▪ 氨苄青霉素，搅拌式固定床反应器，DSM
❖ 酶催化的优点
高选择性
底物专一性
化学、区域、对映体选择性 酶催化杂合性
1
反应条件温和
常温、常压、中性pH及 水相中
3
高温淀粉酶（啤酒发酵）
优点
高催化活性
2 H2O2
2 H2O + O2
枯草杆菌蛋白酶（Chen，1993）：降低反应体系中dATP的浓度，酶活提高 256倍
2 DNA 重组（DNA shuffling）
创造尽可能多的突变组合 更大的变异 最佳突变酶
β-内酰胺酶（Stemme，1994）：抗生素抗性性能提高16 ,000倍
3 Family shuffling
用DNA shuffling技术, 改组进化上相关的一系列基因
培养等； • 在分离的最初阶段一般不给予严密的培养条件，尽可能
分离到尽可能多的纯菌种。
三、菌种的初筛 菌种的初筛有两种方法： • 用简单的定性反应进行初筛； • 在最初分离阶段就给予特殊的培养基或培养条件，进而 让目的菌株得以繁殖，尽可能地把只成为目的菌的菌株或只 将其最适菌株的一株纯化分离。
初筛的目的：就是要用最简单和最快捷的方法来对大 量的待筛菌进行测试。
定向进化= 随机突变 + 选择
不需了解蛋白的空间结构及某种特性的作用机制
基因多样化 选择 扩增
定向进化常用方法：
1 易错PCR (Error-prone PCR)
改变PCR的反应条件，使碱基突变
✓ 调整反应体系中4种dNTP的浓度 ✓ 增加Mg2+的浓度 ✓ 加入Mn2+