第三章 工业微生物的菌种选育

第三章发酵工业微生物菌种微生物发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种有用物质的现代工业，它是以培养微生物进行发酵为主。

而在这个过程中，优良的菌种是一个现代化的发酵工业必不可少的，最为重要的环节。

其他如先进的生产工艺和先进的设备，则是为了更充分发挥优良菌种的性能而设计的。

第一节工业微生物菌种的分离和选育第二节工业微生物菌种的改良第三节发酵工业中菌种的退化第四节工业微生物菌种的保藏第五节工业微生物菌种的扩大培养第一节工业微生物菌种的分离和选育一般来说，从自然界直接分离到的菌种，不能立即适应实际的生产需要，只有通过选育，才能提高代谢产物的产量、改进产品质量直至简化工艺。

在微生物发酵工业中生产菌种的选育方法有：•微生物菌种的分离和选育•菌种的改良第一节工业微生物菌种的分离和选育一、微生物菌种的选育二、微生物常规育种三、根据代谢的调节机理选择高产突变菌株一、微生物菌种的选育从自然界分离新菌种一般包括以下几个步骤：1、采样2、增殖培养3、纯种分离4、性能测定1、采样采样地点的确定要根据筛选的目的、微生物的分布概况及菌种的主要特征与外界环境关系等，进行综合、具体地分析来决定。

如果不了解某种生产菌的具体来源，一般可以从土壤中分离。

①、确定选好地点取离地面5——15cm处的土壤几十克，盛入预先消毒好的牛皮纸袋或塑料袋中，扎好，记录采样时间、地点、环境情况等，以备查考。

②、尽快分离一般土壤中芽孢杆菌、放线菌和霉菌孢子忍耐不良环境能力较强，不太容易死亡。

但一般应尽快分离。

③、酵母菌或霉菌类微生物采样酵母菌或霉菌类微生物，它们对碳水化合物的需要量比较多，一般又喜欢偏酸环境，所以在普通植物花朵、瓜果种子及腐植质等上面比较多。

2、增殖培养收集到的样品，如含有所需的菌种较多，可直接进行分离。

如果样品含有所需要的菌种很少，就要设法增加该菌种的数量，进行增殖（富集）培养。

富集培养：富集培养就是指利用不同微生物之间的生命活动特点的不同，制定出特定的环境条件，使仅仅适应于这种条件的微生物旺盛生长，从而使其在群落中的数量大大增加的微生物的分离方法。

第三章工业微生物优良菌种选育从自然界分离所得的野生菌种，不论在产量上或质量上均不适应微生物工程的要求，因此从自然界存在的产生某种代谢产物的菌种，经筛选分离和优良菌选育，已成为微生物工程菌种管理上的必要程序。

故优良菌种的选育是为生产提供各种类型的突变株，大幅度提高菌种产生利用价值代谢产物特别是基因工程，细胞工程和蛋白质工程等较为定向技术的发展，促进菌种选育技术不断更新，进而研制出众多有价值的微生物工程产品。

微生物工程优良菌种的选育方法包含自然选育、诱变选育、抗噬菌体菌种的选育、杂交选育、原生质体融合技术、基因工程技术等等。

微生物工程评价生产菌种优劣的标准和菌种选育工作的研究目标是实现工业化生产。

也就是说，选育的菌种特性能否满足工业化生产的实际需要，是否具有工业化生产价值和实际利用价值。

因此，一株优良的生产菌种应该具备如下的特性：①菌种的生长繁殖能力强，具较强的生长速率，产生孢子的菌种应具有较强的产孢子能力。

这样有利于缩短发酵培养周期，减少种子罐的级数，最终得以减少设备投资和运转费用。

同时，还可以减少菌种在扩大生产过程中可能发生的生产下降，或杂菌污染的可能性。

②菌种的培养基和发酵醪原料来源广泛、价格便宜、尤其对发酵原料成分的波动敏感性较小。

③对需要添加的前体物质具有耐受能力，且不能将这些前体物质作为一般碳源利用。

④菌种应具有在较短的发酵周期内产生大量发酵产物的能力，高产菌株的应用，可以在不增加投资的情况下，大幅度提高企业的生产能力。

⑤能高效地将原料转化为产品，这样可以降低生产成本，提高产品的市场竟争力。

⑥在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近的副产物及其它产物，这样不但可以提高营养物质的有效转化率，还会减少分离纯化的难度，降低成本，提高产品质量。

⑦在发酵过程中产生的泡沫要少，这对提高装料系数，提高单罐产量，降低成本具有重要意义。

⑧具有抗噬菌体感染的能力。

⑨菌株遗传特性稳定，以保证发酵能长期、稳定地进行，有利于实施最佳的工艺控制。

工业微生物菌种的选育、保藏与培养自然环境中的微生物是混杂生长的，要想得到生产某一目的产物的野生菌株，就需要采取一定的方法将它们分离出来。

菌株分离（separation）就是将混杂着各种微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取迅速、准确、有效的方法对它们进行分离、筛选，进而得到所需微生物的过程。

菌株分离和筛选是获得目的菌种的两个重要环节。

菌株的分离要根据生产实际需要、目的代谢产物的性质、可能产生所需目的产物的微生物种类、微生物的分布、理化特性及生活环境等，设计选择性高的分离方法，才能快速地从环境或混杂了多种微生物样品中获得所需菌种。

筛选方法也很重要，在设计筛选方案时有两点必须注意，即所采用方法的选择性和灵敏度。

微生物细胞内含物及其周围的培养基成分非常复杂，目标产物往往又含量极低。

因此，需要建立灵敏度高、快速、专一性强的检测方法。

菌种收集和筛选途径：（1）向菌种保藏机构索取有关的菌株，从中筛选所需菌株。

（2）由自然界采集样品，如土壤、水、动植物体等，从中进行分离筛选。

（3）从一些发酵制品中分离目的菌株，如从酱油中分离蛋白酶产生菌，从酒醪中分离淀粉酶或糖化酶的产生菌等。

该类发酵制品经过长期的自然选择，具有悠久的历史，从这些传统产品中容易筛选到理想的菌株。

发酵工业对菌种的要求如下：①能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成目的产物产量高、易于回收；②生长较快，发酵周期短；③培养条件易于控制；④抗噬菌体及杂菌污染的能力强；⑤菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定；⑥对放大设备的适应性强；⑦菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。

菌种筛选主要步骤：调查研究及查阅充分的资料筛选↓↓设计实验方案初筛（1株1瓶）↓确定采集样品的生态环境↓采样复筛（1株3～5瓶）↓确定特定的增殖条件↓结合初步工艺条件摸索增殖培养再复筛（1株3～5瓶）↓确定特殊的选择培养基及可能的↓↓定性或半定量快速检出法3～5株平板分离↓↓单株纯种分离原种斜面↓生产性能试验及毒性试验↓确定发酵培养基础条件菌种鉴定一、菌种的分离筛选一）样品采集与预处理总的原则是：样品的来源越广泛，获得新菌种的可能性越大。

理想的工业发酵菌种应符合以下要求：⑴遗传性状稳定⑵生长速度快，不易被噬菌体等污染⑶目标产物的产量尽可能接近理论转化率⑷目标产物最好能分泌到胞外，以降低产物抑制并利于产物分离⑸尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并且有利于产物分离⑹培养基成分简单、来源广、价格低廉⑺对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感⑻对溶氧的要求低，便于培养以及降低能耗一、从自然界获得新菌种的步骤分离微生物新种的具体步骤大体可分为采样、增殖、纯化、性能测定。

采样菜园和耕作层土壤是有机质较多的土层，常以细菌和放线菌为主；果园数根土层中，酵母菌含量较高；动植物残体及霉腐土层中，分布着较多的霉菌。

豆科植物根系土中，往往存在根瘤菌；河流湖泊的淤泥中能分离到产甲烷菌；油田和炼油厂周围土层中常见分解石油的微生物等。

各种水体也是工业微生物菌种的重要来源，许多具有光合作用能力的微生物以及兼性或专性厌氧微生物都能从各种水体中筛选得到。

增殖才采集的样品中，一般待分离的菌种在数量上并不占优势，为提高分离的效率，常以投其所好和取其所抗的原则在培养基中添加特殊的养分或抗菌物质，使所需菌种的数量相对增加，这种方法称为增殖培养或富集培养。

纯化常用的菌种纯化方法很多，大体可将它们分为两个层次，一个层次较粗放，一般只能达到“菌落纯”的水平，从“种”的水平来说是纯的，其方法有划线分离法，涂布分离法和稀释分离法。

另一层次是较为精细的单细胞或单孢子分离法，它可达到细胞纯即“菌株纯”的水平。

具体操作方法很多，最简便的方法是利用培养皿或凹玻片等分离小室进行细胞分离。

也可以利用复杂的显微镜操作装置进行单细胞挑取。

性能测定菌种性能测定包括菌株的毒性试验和生产性能测定。

二、基因突变和微生物菌种选育基因是在生物体内具有自主复制能力的遗传功能单位，是一个具有特定核苷酸顺序的核酸片段，每个基因约有1000个碱基对。

基因是合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是指DNA序列）。

所学内容：1、菌种：选育、培养、保藏；2、发酵的概念、原理、参数控制；3、介绍一些产品的发酵过程第一章绪论一、发酵1、发酵的定义：培养生物细胞（包括动物细胞、植物细胞和微生物）来制得产物的过程。

2、发酵工业：根据有无风味要求分为酿造工业和发酵工业。

3、实现发酵需具备的条件：①适宜的微生物；②保证微生物进行代谢的条件（pH、营养、温度等）；③进行发酵的设备；④有提取精制产品的方法和设备二、发酵工业的沿革①天然发酵阶段：嫌气发酵、非纯种培养（靠的是经验），质量不稳定。

②纯种培养技术的建立：巴斯德认识到发酵是由微生物所进行的化学反应；柯赫建立了单种微生物的分离和纯培养技术。

——表面培养、产量少③通气搅拌发酵技术的建立：青霉素④代谢控制发酵技术：运用动态生物化学、遗传学知识，控制生物合理代谢。

⑤开拓发酵原料时期；⑥基因工程阶段三、发酵工业的范围1、微生物菌体发酵：酵母、微生物菌体蛋白（scp 单细胞蛋白）、藻类、活性乳酸菌制剂、真菌、生物杀虫剂。

2、微生物酶发酵：工业应用的酶大都来自微生物发酵。

3、微生物代谢产物发酵初级代谢产物：对数生长期所产生的产物，是菌体生长繁殖所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、类脂、糖类等次级代谢产物：菌体生长静止期中，某些菌体能合成在生长期中不能合成的、具有一些特性的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等4、微生物转化发酵：利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物的生化反应，特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性和立体特异性。

最古老的生物转化就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。

5、利用生物技术所得的生物细胞发酵①消除环境污染；②保持生态平衡；③湿法冶金；④利用生物技术所得的生物细胞发酵四、发酵工业的特征1、发酵原料的选择和预处理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4、发酵产物的分离纯化5、发酵废弃物的回收利用五、发展趋势第二章工业微生物的生长与产物的生物合成微生物的特点：体积小、繁殖快、吸收转化快、适应性强、容易变异、分布广、种类多、代谢类型多。