微生物工程 00 绪论
微生物工程 - 01
绪论一、微生物工程的概念Microbial engineeringScience，Technology，Engineering 3者之间的区别和联系。
生物工程（bioengineering）包括细胞工程（cell engineering）、基因工程（genetic engineering）、酶工程（enzyme engineering）和微生物工程（microbial engineering）。
微生物工程是利用微生物的生命活动来生产人类所需有用物质和服务的工程技术，它是一门交叉学科，需要多学科交融。
二、微生物工程的特点1.创造新物种（creating new species）基因工程的发展所带来的利弊。
2.反应条件温和（mild reaction conditions）因为使用生物酶催化反应过程，微生物工程的反应条件温和，能够节约大量能源（reduce energy consumption，扩展3R原则：reduce，reuse，recycle）。
3.原料来源广泛，属可再生资源（renewable resources）相对于煤、石油和天然气，微生物工程利用的原料以碳水化合物（carbohydrate）为主，属于可再生资源。
4.生产效率高（high productivity）微生物生长繁殖快，发酵时间短，转化率高，可大大缩短生产周期，提高设备利用率，降低生产成本。
5.毒副产物少（less by-products）微生物发酵能够有效积累目的产物，减少毒副产品，食品安全性更高。
三、微生物工程的发展历史1.自然发酵时期（natural fermentation）人类在很早以前就开始利用微生物自然发酵制造产品，如酿酒、酱油、醋、某些中药等，只是并不认识其本质。
举例：夏朝的杜康将剩饭倒入树洞里，自然发酵变成酒。
由于不了解发酵本质，自然发酵时期不能人为控制发酵过程，只能依赖自然，因此产品粗放，质量不稳定。
2.纯培养时期（pure culture）Leeuwenhoek发明显微镜（1667年）观察细菌；巴斯德Pasteur实验证明发酵是微生物活动的结果；Christian Hansen成功分离单个酵母细胞并进行纯培养；Edward Buchner证明酒精发酵是微生物酶的作用，揭示了发酵的本质。
微生物-第一章 绪论
微生物共占120分713微生物学部分大纲要求：微生物主要类群的细胞形态与结构；微生物的营养；微生物的生长与控制；微生物遗传与变异。
（具体知识点可参考804微生物大纲要求）笔记根据《微生物学》路福平编为主，《微生物学教程》周德庆编为辅进行查漏补缺（标注页码基本为路福平版书籍所对应页码，少数为周德庆版书籍所对页码）第一章绪论P1-11一、微生物的定义及其类群（一）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。
（二）类群：1.原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，支原体，立克次氏体，衣原体等（三菌三体）。
2.真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，显微藻类3.非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）（三）微生物的共性(五大共性)P111.体积小,比表面积大（最基本）;2.吸收多,转化快;3.生长旺,繁殖快;4.分布广,种类多（多样性）;5.适应性强,易变异。
三.生物学的研究内容和任务1.内容：微生物的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布、分类进化等生命活动。
2.任务：（1）发掘、利用、改善和保护有益微生物（发酵微生物）a.利用菌体：scp、生物杀虫剂，保健品，生物制品，指示菌，污水处理b.利用代谢产物：酒，甘油，调味品，抗生素，有机酸，氨基酸，维生素，激素，酶制剂(2)控制、消灭、或改造有害微生物四、五界分类系统、六界分类系统、三域系统1、五界分类系统（Whitaker，1969年）包括：动物界、植物界、原生生物界（包括原生动物单细胞藻类和粘菌等）、真菌界、原核生物界（包括细菌蓝细菌等）.2、六界分类系统（我国学者，1977年）：在Whitaker五界系统的基础上，在加上一个病毒界，包括：病毒界、原核生物界、真菌界、真核原生生物界、植物界、动物界.3、三域学说（美国C.R.Roese，70年代末）：三个域指细菌域、古生菌域、真核生物域五、微生物发展史上5个时期的特点和代表人物周德庆版P5（1）史前期（8000年前-1676年）特点：a.无显微镜，没有见到微生物个体b.在应用微生物和防止疾病方面积累了丰富的经验（凭经验自发地与微生物打交道）c.实践-实践-实践（思想方法上处于低水平的应用）（2）初创期（1676年-1861年：近200年）-起始于1676列文虎克观察到细菌个体特点：a.人类第一次用显微镜观察到了微生物个体b.停留在形态描述阶段c.微生物学科尚未形成代表人物：列文虎克——微生物学说先驱、发明显微镜（3）奠基期（1861年-1897年）-1861年，巴斯德根据曲径瓶实验，彻底推翻了“生命自生说”特点：a否定“自生说”成功，解决了生命的起源问题b建立了研究微生物的独特方法和技术（显微镜放大到700-1000倍）c.分离出了许多重要病原道d.微生物学的研究进入班理学研究水平e.微生物学科开始形成，进入一系列分支学科研究f思想方法：实践-理论-实践代表人物巴斯德（微生物学奠基人）：1）证实发酵由微生物引起—酒精发酵、醋酸发酵和乳酸发酵等；2）解决了许多实际问题，如腐败病、蚕病、酒酸等——巴氏消毒法；3）免疫学——首次制成狂犬疫苗；4）彻底否定了自生说—鹅颈瓶实验。
2020年(生物科技行业)微生物工程期末复习习题及全部答案
（生物科技行业）微生物工程期末复习习题及全部答案绪论●1680年列文虎克制成显微镜───证明了微生物的存在。
●1857年，巴斯德（LouisPasteur）微生物之父证明了酒精是由活的酵母发酵引起的。
且提出了著名的发酵理论：壹切发酵过程都是微生物作用的结果。
1897年德国化学家毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精───酶●1905年，柯赫建立微生物纯培养技术，为微生物学的发展奠定了基础。
科赫的固体培养基也是微生物学研究史上的壹大突破。
第壹章生产菌种的筛选1、工业化菌种的要求有哪些？①遗传性能要相对稳定，不易变异退化；②能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物；③抗病毒能力强，不易感染它种微生物或噬菌体；④产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好和致病菌无关，不产生任何有害的生物活性物质和毒素，包括抗生素、激素和毒素等，保证安全）；⑤有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强；⑥生产特性要符合工艺要求（如生长速度和反应速度较快，发酵周期短等）。
⑦培养和发酵条件温和（糖浓度、温度、pH、溶解氧、渗透压等）2.在工业生产中常用的微生物主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌3、自然界分离微生物的壹般操作步骤？从环境中分离目的微生物时，为何壹定要进行富集培养？样品的采集-预处理—培养—培养—菌落的选择—出筛—复筛—性能的鉴定—菌种保藏富集培养的原因：自然界中目的微生物含量很少，非目的微生物种类繁多，进行富集培养，使目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖，数量增加，由原来自然条件下的劣势种变成人工环境下的优势种，使筛选变得可能。
4.每克土壤的含菌量大体上有壹个十倍系列的递减规律：细菌（～108）＞放线菌（～107）＞霉菌（～106）＞酵母菌（～105）＞藻类（～104）＞原生动物（～103）第二章微生物的代谢调节和控制1、酶活性调节的反馈抑制类型和抑制机制。
反馈抑制——主要表当下某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第壹个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。
微生物总复习思考题第1-6章答案
微生物总复习思考题0章-绪论1.什么是微生物?它包括哪些类群?答：微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称,包括属于原核类的细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体。
属于真核类的真菌、原生动物和显微藻类。
以及属于非细胞类的病毒和亚病毒。
2.试述列文虎克、巴斯德和柯赫对微生物学的贡献。
列文虎克：自制间式显微镜，观察到细菌等微生物的个体巴斯德的贡献（微生物学奠基人）:微生物作为一门科学的诞生—-彻底驳斥了自然发生说.发现了厌氧生命（生活）的存在—发酵。
疫苗.巴斯德灭菌。
科赫（细菌学奠基人）的贡献:1、微生物的纯培养技术，及培养基的改进。
2、分离出了多种病原菌，包括炭疽芽孢子杆菌、结核分支杆菌、链球菌等。
3、创立了细菌鞭毛染色、悬滴培养法和显微摄影等多种显微镜技术。
4、提出了证明特定病害的病原菌的科赫法则3.微生物学发展的各个时期有哪些主要成就?4.简述微生物与人类的关系。
5.在生物科学中微生物学占有什么样的地位?6.微生物学的主要任务是什么?7.微生物先辈们成功的原因何在?8.微生物学与现代生物产业的关系如何?1章-原核生物的形态、结构和功能细胞的一般结构与特殊结构、鞭毛、芽孢、糖被、放线菌、质粒、肽键桥一般结构：1、细胞壁：位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖。
2、细胞膜：是一层紧贴在细胞壁内侧，包围着细胞质的柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，如磷脂双分子层和蛋白质、多糖构成。
3、细胞质：是指被细胞膜包围的核区以外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。
4、核区：指原核生物所特有的无核膜包裹、无固定形态的原始细胞核。
特殊结构：1、鞭毛：生长在某些细菌表面的长丝状、波曲的蛋白质附属物2菌毛：是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面上的功能。
3性毛：构造与成分与菌毛相同，但比菌毛长。
一般见于G-细菌的雄性菌株中，具有向雌性菌株传递遗传物质的作用。
微生物绪论
生命形式演化所处的环境。
分布广：
人迹可到之处，微生物的分布必然很多， 而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！
数十公里的高空（最高为离地85公里，需用火箭采样）；
几千米的地下；
强酸、强碱、高热的极端环境；
微生物 的类群
非细胞型微生物：病毒、类病毒、朊病毒 、拟病毒
细胞型微生物
原核微生物：细菌、放线菌、古细菌 蓝细胞、支原体等
真核微生物：真菌（霉菌、酵母菌） 藻类、原生动物等
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二、微生物的五大特点 ★ 体积小、比面大（最基础特征） ★ 吸收多、转化快 ★ 生长旺、繁殖快 ★ 适应强、易变异 ★ 分布广、种类多
了抗生素等学科； ③ 开始寻找各种有益微生物代谢产物； ④ 普通微生物学开始形成一门学科； ⑤ 各相关学科和技术方法相互渗透，相互
促进，加速了微生物学的发展。
Alexander Fleming (1881-1955)
弗莱明没有像其他同事那 样，一发现培养物被污染 就马上把它们当垃圾扔掉 ，从而发现了青霉素。
真菌界
细胞中具核膜与核仁的分化，有细胞 器，单细胞或多细胞。
植物界
细胞中具核膜与核仁的分化，有细胞 器，为大型非运动真核生物。
动物界
细胞中具核膜与核仁的分化，有细胞 器，为大型能运动真核生物。
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细 菌 放线菌 蓝细
菌 支原体 衣原体
螺旋体
立克次
氏体
单细胞藻类
原生动物等
酵母菌 霉菌 蕈菌
“黄金时期”； ③ 把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新
水平； ④ 微生物学以独立的学科形式开始形成。
微生物工程第1章绪论
03
微生物工程的基本技术
微生物的分离与纯化
微生物的分离
通过选择适当的培养基和培养条件，将目标微生物从混合样本中 分离出来。
微生物的纯化
通过反复划线培养或单菌落分离，获得纯培养物，确保微生物的 单一性。
微生物工程第1章绪论
目
CONTENCT
录
• 微生物工程的定义与重要性 • 微生物的种类与特性 • 微生物工程的基本技术 • 微生物工程的应用领域 • 微生物工程的未来展望
01
微生物工程的定义与重要性
微生物工程的定义
80%
微生物工程定义
微生物工程是利用微生物的特定 功能，通过工业化生产技术，将 微生物应用于工业生产、环境保 护、医药、农业等领域的技术。
微生物的繁殖与培养
微生物的繁殖
在适宜的培养条件下，使微生物 大量繁殖，获得足够的细胞数量 。
微生物的培养
根据微生物的生理特性和营养需 求，选择适宜的培养基和培养条 件，促进微生物的生长繁殖。
基因工程
基因克隆
通过同源重组或其他方法将外源基因 插入到载体中，形成重组DNA分子 。
基因表达
将重组DNA分子导入宿主细胞，使外 源基因在细胞内表达，产生相应的蛋 白质。
改善生态环境
微生物工程在污水处理、废弃 物处理等领域的应用，有助于 减少环境污染，改善生态环境 。
保障人类健康
微生物工程在医药领域的应用 ，如抗生素、疫苗等的生产， 为人类疾病预防和治疗提供了 重要支持。
提高农业生产效益
微生物工程在农业领域的应用 ，如生物肥料、生物农药等， 有助于提高农业生产效益和农 产品质量。
微生物工程(绪论)
九、参考书目
吴松刚(福建师大)主编 科学出版社; 2004
姚汝华
华南理工大学出版社 2002
焦瑞身 化学工业出版社
2003
陈驹声等
化学工业出版社 1987
生物法：高效、收率高 （1952年，Munrry等，黑根霉，仅1 步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步， 这样才使可的松问世）
Stigmasterol
可地松（Cortisone）
5、微生物特殊机能的利用
利用微生物消除环境污染 金属浸沥回收
利用基因工程菌开拓发酵工程新领域
抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感
4、微生物的生物转化
利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化合物的特 定部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支 链等。
转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细 胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某 一部位，进行特定部位的化学反应而形成。 反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构 位置特异性、立体特异性
生物除草剂：利用杂草的病原微生物
生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等
6、在环境保护中的作用
污水处理（厌气法、好气法）
7、在高技术领域中的应用
基因工程的各种工具酶等
二）微生物工程产品类型
1、微生物菌体的发酵
SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等） 生物防治制剂（如苏云金杆菌） 活性乳制剂
细胞的生长与产物的积累成平行关系，
糖酶：-淀粉酶、-淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、
葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等
蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）
酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）
微生物工程 第一章 绪论
微生物工程：发酵工程、生物冶金、环境保护、微生物勘探、能源开发等。
概念：利用微生物生长代谢活动产生的各种生理活性物质来生产商业产品。
6狭义“发酵”的定义：在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。
同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。
7广义“发酵”的定义：工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。
产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
8“发酵工程”的定义：应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。
基本概念8发酵工程的特点发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。
其主要特点如下：1·发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。
2·发酵所用的原料简单粗放。
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。
微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。
基于这一特性，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。
3·发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。
4·发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。
如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。
因而维持无菌条件是发酵成败的关键。
5·由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。
第一章 微生物绪论
按研究的微生物对象分： 按研究的微生物对象分：
细菌学、真菌学、病毒学、原核生物学、自养菌生物学 和厌养菌生物学等
按微生物所处生态环境分： 按微生物所处生态环境分：
土壤微生物学、微生态学、海洋微生物学、环境微生 物学、水微生物学和宇宙微生物学等
微生物基因组测序为生命科学开辟了新的研 究领域，如生物信息学、比较基因组学、功 能基因组学等。 微生物基因组测序为微生物学、医学和免疫 学等提供了新的思路和方法。 微生物基因组测序对于后基因组时代，研究 基因与功能之间的相互关系将起着重大作用。 微生物作为理想的模式生物，其基因组测序 技术和方法对于高等生物的基因组测序具有 重） 分子生物学发展阶段（成熟期）
J.D.Waston, H.F.C.Crick 提出DNA双螺旋模型 提出 双螺旋模型
成熟期特点
• 微生物学成为十分热门的前沿基础学科 • 微生物成为生物学研究中的最主要对象 • 生物工程中，发酵工程是最成熟的应用 技术
20世纪的微生物学 20世纪的微生物学
20世纪80年代后期，微生物学在分子水平上的 研究得到全面快速发展，在短期内取得了多方面的 突破性进展，形成了分子微生物学。即利用分子生 物学的技术方法研究微生物形态、生理、遗传、生 态、分类等基本生物学规律。 1995年，美国首先测定了流感嗜血杆菌 （Haemophilus influenzae) 的全基因组序列。从此， 微生物基因组(genome)的研究范围不断扩大，目前， 已经完成了100多种微生物的基因组全序列的测定， 他们分属于Woese系统发育树中的细菌、古菌和真 核微生物，如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌和 詹氏甲烷球菌等。
微生物工程课程教学大纲
微生物工程课程教学大纲课程名称：微生物工程（Microbiology Engineering)课程编码:1313073214课程类别：专业课总学时数:60课内实验时数:24学分:2.5开课单位：生命科学学院生物技术教研室适用专业：生物技术适用对象:本科(四年）一、课程的性质、类型、目的和任务微生物工程又称发酵工程，是生物技术专业的专业必修课。
发酵工程是一门综合性很强的课程，涉及到数学、化学、生物学、生物化学、微生物学、物理化学、有机化学、化工原理等多个学科,基础理论性和实践性均很强，同时要求基础理论和生产实践密切结合.在课程讲授过程中，将要按照微生物发酵生产的全过程阐明各个阶段、各种产品生产的原理和技术，讲解理论知识的同时，又重点突出生产的工艺操作和控制技术等实际问题。
因此，该课程需要在理论教学的同时，配合实验的实践环节，也要求学生建立实际生产的概念，在实践中巩固本课程的教学效果，学生利用实验、参观、实习、社会实践等机会，培养分析问题和解决问题的能力。
学生通过该课程的学习将会缩短理论与生产实践的距离,建立用理论知识分析和解决生产实际问题的概念和能力,动手能力也将有所提高。
二、本课程与其它课程的联系与分工本课程与微生物学、生物化学、高等数学、物理化学、化工原理、有机化学等课程有联系,宜在前述课程开设后开设。
三、教学内容及教学基本要求［1]表示“了解”；[2］表示“理解”或“熟悉”；［3］表示“掌握”;△表示自学内容；○表示略讲内容;第一章绪论发酵工程定义［1］;发酵工程的发展史［1];发酵工程的特点［3];发酵工程的分类及应用[2]；发酵工程与现代生物技术的关系[1］;国内外发酵工业概况及其发展趋势［1]；重点：发酵工程的特点难点:发酵工程与现代生物技术的关系教学手段:多媒体教学教学方法：讨论与讲授结合法作业：1．发酵工程的传统概念与现代意义上的概念各指什么?2．发酵工程与传统酿造、化学工程相比有什么特点？课外活动:查阅一种发酵产品的发展现状及与世界先进水平的差距。
环境工程微生物学第一章绪论
不同生物类型细胞大小的比较
第二节 微生物的特点
一、体积小，比表面积大 体积小，
微生物的比表面积
比表面积：个体的表面积与体积之比。 比表面积：个体的表面积与体积之比。 设球菌半径r=0.5µm 球菌表面积(S)＝4πｒ2＝3.1416µｍ2 球菌体积(V)＝4／3πｒ3＝0.236µｍ3 比表面=S/V＝3.1416/0.5236=6 设球菌半径ｒ＝2µｍ 球菌面积(S)＝50.3µｍ2 球菌体积(V)＝33.5µｍ3 比表面=S/V＝50.3/33.5＝1.5
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
第二节 微生物的特点
五、分布广，种类多 分布广，
分布广
一、体积小，比表面积大 体积小， 吸收多， 二、吸收多，转化快 三、生长旺，繁殖速 生长旺， 适应性强， 四、适应性强，易变异
微生物在自然界的分布：无处不在， 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 高空 深海底 2000米深的地层 米深的地层 温泉
正常环境
极端环境
第二节 微生物的特点
五、分布广，种类多 分布广，
一、体积小，比表面积大 体积小， 吸收多， 二、吸收多，转化快 三、生长旺，繁殖速 生长旺， 适应性强， 四、适应性强，易变异
60年前，中国人乘飞机采集了160米到 年前，中国人乘飞机采集了 年前 米到 5300米的高空的气样并分析了其中的 米的高空的气样并分析了其中的 微生物发布状况。 微生物发布状况。
一、体积小，比表面积大 体积小，
体积大小
单位： 单位：um(10-6 m)或nm(10-9m) 或
80 个 杆 菌 肩 并 肩
杆菌
2µm
现代微生物学与实验技术 第一章 绪论
挑选恰当的大分子应注意以下几点：
(1)它必须普遍存在于所研究的各个生物类群中。 (2)选择在各种生物中功能同源的大分子。 (3)为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所
选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进一步 的分析比较。 (4)还应注意根据所比较的各类生物之间的进化距离来 选择适当的分子序列。当我们比较亲缘关系远的生物类 群时，必须选择变化速率低的分子序列,因为序列变化 速率高的分子，在其进化过程中共同的序列已经丧失。
根据形态学特征推断生物之间的亲缘关系存在两个突出 问题：一是由于微生物可利用的形态特征少，很难把所 有生物放在同一水平上进行比较；二是形态特征在不同 类群中进化速度差异很大，仅根据形态推断进化关系往 往不准确。
因此，70年代以后研究微生物的系统发育，主要是分 析和比较生物大分子的结构特征，特别是蛋白质、 RNA和DNA这些反映生物基因组特征的分子序列，作 为判断各类微生物乃至所有生物进化关系的主要指征。
③提出了柯赫法则(1884)。
1905年，德国人科赫获得了 诺贝尔医学和生理学奖，主 要是为了表彰他在肺结核研 究方面的贡献。
科赫法则（Koch’s postulates）
1、在每一相同病例中都出现这种微生物； 2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基
中培养出来； 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的
三界学说的建立和发展，其主要意义并不在于目前研究所取得的 某些结论，更重要的是它为进一步探讨生命起源和进化，进一步 认识、研究和开发微生物资源提出了新的思路，它所提出的研究 生物进化的技术方法使我们看到了揭开生命起源和进化之谜的曙 光。
当然，随着研究的进一步深入，其学说也必然面临新的挑战
建立16 S r RNA系统发育树的意义
南方医科大学微生物工程资料
环境工程微生物学绪论
（3）当代环境问题阶段，全球性大气环境问题。它 始于1984年英国科学家发现，1985年美国科学家 证实南极上空出现“臭氧空洞”。这一阶段的核 心问题是“全球变暖”、“臭氧层破坏”和“酸 沉降”三大全球性大气环境问题。
伦敦烟雾事件
• 1952年伦敦烟雾事件是1952年12月5日－9日发生在 伦敦的一次严重大气污染事件。这次事件造成多达 12000人因为空气污染而丧生，并推动了英国环境 保护立法的进程。
研究对象和任务
• 环境工程微生物学是研究与环境领域（包括环 境工程、给水排水工程、市政工程、废水处理 等）有关的微生物及其生命活动规律。
• 主要内容包括： 微生物的形态、结构及其功能 微生物的营养、呼吸代谢、遗传和变异等 在污染环境中的微生态区系 饮用水细菌学 物质循环和转化 水体土壤自净化
• 环境工程微生物学研究任务
• 症状: 初始腰、背、手、脚等各关节疼痛 随后遍及全身，有针刺般痛感 数年后骨骼严重畸形，骨脆易折，甚至轻微
活动或咳嗽，都能引起多发性病理骨折，最后衰 弱疼痛而死。
痛痛病事件
病因：河岸的锌、铅冶炼厂等排放的含镉废水 污染了水体，使稻米含镉。而当地居民长期饮 用受镉污染的河水，以及食用含镉稻米，致使 镉在体内蓄积而中毒致病。
可持续发展（Sustainable Development，1987）
• 微生物与环境保护 • 微生物技术的发展 • 极端微生物与环境
有些微生物能在特殊的环境中生存，例如高温、 低温、高盐、高碱、高酸、高压、高辐射等环境。 这些微生物由于适应特殊环境的结果，形成独特 的机能、结构和遗传基因。
很多环境工程中遇到的废水就是在极端环境 条件下的。
防止或消除有害微生物 充分利用有益的微生物资源
微生物绪论 章末总结
微生物第一章绪论章末小结内容小结1.微生物学微生物（microorganism）：因太小，一般用肉眼看不清楚的生物。
这些微小生物包括：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）；具原核细胞结构的真细菌、古生菌以及具真核细胞结构的真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等。
但其中也有少数成员是肉眼可见的。
微生物的特点：体积小，面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；分布广，种类多。
微生物学（microbiology）：研究肉眼难以看清的称之为微生物的生命活动的科学，分离和培养这些微小生物需要特殊技术。
分子微生物学（molecular microbiology）：在分子水平上研究微生物生命活动规律的科学。
细胞微生物学（cellular microbiology）：重点研究微生物与寄主细胞相互关系的科学。
微生物基因组学（microbic genomics）：研究微生物基因组的分子结构、信息含量及其编码的基因产物的科学。
2.微生物的发现和微生物学的发展安东·列文虎克利用自制的放大倍数为50~300倍的显微镜发现了微生物世界，首次揭示了一个咱新的生物世界——微生物界。
巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人。
巴斯德：用曲颈瓶实验彻底否定了“自生说”，首次制成狂犬疫苗，证明其免疫学说，证实发酵是由微生物引起的，巴斯德消毒法等。
自生说：认为一切生命有机体能够从无生命的物质自然发生的。
柯赫：发现炭疽病及肺结核病的病原菌，柯赫氏定律等。
柯赫法则：证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则。
3. 20世纪的微生物学DNA重组技术、遗传工程、人类基因组计划4. 21世纪微生物学发展的趋势基因组学、生命起源与进化、生物质能源、降解性塑料、DNA芯片问答题1. 用具体事例说明人类与微生物的关系。
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了严重的破坏。
以我们熟悉的微生物为例：生活上，可以用酵母菌酿酒和醋、制面包和馒头，用乳酸菌制酸奶，用毛霉制腐乳；双歧杆菌和乳酸杆菌都对人的健康有益，当双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌在肠道内生长、繁殖，将阻止外面的病原体入侵肠道；肠道中的有益菌也可以分泌一些抗原物质，激活并强化肠道的免疫系统。
微生物工程：第一章 绪 论
主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质量不稳定
（2）纯培养技术的建立
• 巴斯德： 鹅颈瓶实验 • Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养 • Petri创造一种培养皿(petri dish)用于微生物平板分离 • Winograsky和 Beijerink发明富集培养法，分离特定的微生物 • 主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等 • 第一次世界大战， Weizmann 发明了丙酮丁醇发酵，建立了真
提升发酵工业整体技术水平 提高产品经济技术指标 增强国际竞争力 创造重大的社会和经济效益。
总体技术路线
发展的关键技术
过程
路线
主要方法和技术
生产菌种 改造
细胞体内遗 基因组 代谢工程
传操作
改组
诱变育种
高效表达体系/ 高产菌株
应用基因组学、蛋白质组学 和代谢组学等方法，采用新 的培养方法、理性设计育种、 高通量筛选、转基因技术、 定向进化、基因组重排等技 术
发酵产品分离提取工艺－发酵产品高效提取 技术与装备
关键问题
工程意义
1 微生物能够积累最大目 的产物(产量)的条件是什 么？
高产量 便于产品分 离提取
2 底物最多被微生物转化为 粮食原料为底物 高
产物(转化率)的条件是什么？ 转化率 降低原料成 本
3 微生物最快速度发酵生 产目的产物的条件是什么？
优化策略 高产量
高
高生
底
产强
物
度
转
化
率
r (Pyruvate) / (g/L)
在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛 显著提高发酵过程的经济性和科学性
环境工程微生物学绪论
食用公牛强10万倍
微生物所以成为人类“活化工厂”
环境工程微生物学绪论
第20页
因为微生物吸收多，转化快，所以具极高生长和繁 殖速度
大肠杆菌一个细胞重约10 –12 克，平均20分钟繁殖一代 24小时后： 23×24=4.722×1021个后代，重量达4722吨 48小时后：2.2 × 10 43个后代，重量达2.2 × 10 25 吨
环境工程微生物a学e绪r论uginosa
第18页
微生物特点
微生物含有共性中以体形微小为中心
km
m
mm
µm
nm
103
102 100
10-3 10-4
10-6
10-9
动植物界
微生物
红杉 350m 蓝鲸 34m 双生病毒 12-18nm
特点1 个体微小
体积小，比面值大 比面值=表面积/体积
纳米比亚硫磺珍 珠菌 （Thiomargarit a amibiensis）
Environmental Microbiology（2nd Edition ）,
Academic Press,
环境工程微生物学绪论
第2页
绪论
第一节 学习目标、学习内容与学习方法
• 目标
• 内容
• 方法
第二节 微生物概述
• 原核微生物与真核微生物
• 微生物分类和命名
• 环境工程微生物类群
• 微生物特点
放线菌目 （Actinomycetales）
科 Family 亚科/ 族 链霉菌科（Streotomycetaceae）
/亚族
属 Genus
链霉菌属 （Streptomyces）
种 Species
微生物工程(发酵)第一章 绪论
菌种选育 纯培养技术 发酵过程优化 发酵过程放大 发酵工程下游分离纯化技术 发酵过程自动监测控制技术
1.4 发酵工业产品和现状
1.4.1 发酵工业产品
食品、化工、能源、酶制剂、医药、材料等
1.4.2 发酵工业现状
美国、日本、欧洲的雄厚实力； （生物技术、工程技术）
我国的发酵工业现状
生产规模大
醋、酱油、啤酒等产量世界第一 抗生素，如青霉素等产量世界第一 维生素C、氨基酸(味精) 、有机酸(如柠檬酸） 等产量世界第一 产品种类多 5000多家企业，相关产业年产值超过2万亿元， 占国民经济的20%
我国的发酵工业现状
菌种生产能力不高 工艺落后
产品科技含量低，浓度低、能耗大、污染 大 装备水平落后
第一阶段
1900年前 ●酒精、醋 ●使用温度计， 比重计和热交换 器 ●分批培养 ●使用纯酵母培 养物(1896), 用优 质醋接种发酵
第二阶段
1900－1940
第三阶段
1940－1960
●青霉素，氨基 酸，核苷酸，酶 ●可灭菌的pH和 溶氧电极，计算 机控制 ●分批和补料， 连续培养开始 ●菌种筛选程序 重要
微生物工程
1. 绪论
思考题： 1.发酵及发酵工程的定义 2.发酵工程的特点 3.发酵工程的类型 4.发酵过程的组成 5.发酵工业发展的阶段及大致年代 6.和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之 处主要表现在哪些方面
1.1 发酵工程发展史和相关学科
1.1.1发酵及发酵工程的定义 发酵（狭义）：微生物细胞将有机物氧化释 放的电子直接交给本身未完全氧化的某种 中间产物，同时释放能量并产生各种不同 的代谢产物。 发酵（广义）：通过对微生物（或动植物细 胞）的进行大规模的生长培养，使之发生 化学变化和生理变化，从而产生和积累大 量人们发酵所需要的代谢产物的过程。
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3、在轻工业中的应用
糖酶：-淀粉酶、-淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、
葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等
蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）
酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）
中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）
生物除草剂：利用杂草的病原微生物
生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等
6、在环境保护中的作用
污水处理（厌气法、好气法）
7、在高技术领域中的应用
为基因工程提供各种工具酶等
二）微生物工程产品类型
1、微生物菌体的发酵
药用真菌（冬虫夏草、茯苓等） 生物防治制剂（如苏云金杆菌） 活性乳制剂
细胞的生长与产物的积累成平行关系，
如： 甾体转化
含环戊烷多氢菲核的化合物；
甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作 用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红 班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得 的； 可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体 母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett, 576kg脱 氧胆酸，30多步反应，两年→938mg醋酸可的松）
酒精、丙酮、丁醇、有机酸等
（主要是厌氧发酵；初级代谢产物）
3、第二代（近代）微生物发酵技术——深层培养技术
出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志 青霉素的发现与大量需求
1928 Alexander Fleming 发现青霉素（钱恩、弗洛里）
深层培养技术（submerged fermentation) ——机械搅拌通气发酵 链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等 抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发 酵工业等——是近代发酵工业的鼎盛时代 好氧发酵，初级、次级代谢产物
预习内容—微生物工程菌种
• • • • 发酵工业常用微生物 菌种来源 菌种选育 菌种保藏
5、能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位反应， 如氧化、还原、官能团导入等。 6、生产产品的生物体本身也是发酵产物，富含维生 素、蛋白质、酶等有用物质；除特殊情况外，培养 液一般不会对人和动物造成危害。 7、通过微生物菌种改良，能够利用原有设备使生产飞 跃上升。 发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点，使得 微生物工程成为生物技术的核心之一而受到广泛重视。
五、微生物工程的应用
（一）微生物工程应用领域
1、在食品工业的应用
微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值 仍占微生物工程的首位
食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等） 含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌
发酵乳制品：奶酪、酸奶
调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等
食品添加剂：赖氨酸、柠檬酸、色素等
生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段
2、微生物酶发酵
各种酶制剂 糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆分）、 蛋白酶、脂肪酶等
3、微生物代谢产物发酵
初级代谢产物：
与菌体生长相伴随的产物，
氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂
菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累
次级代谢产物：
与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原料而合成
果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶 脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油 凝乳酶：制干酪
4、在化工能源中的应用
醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、
丁二醇等
有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、
衣康酸、水杨酸等
多糖：黄原胶、海藻糖等
清洁能源：氢气、微生物燃料电池等
5、在农业中的应用
生物农药：
杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫） 防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病 毒、庆丰霉素）
二）发酵过程中尚存在的问题：
1、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免， 因而造成提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落 后的原因之一。
2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因 素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。 3、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。 4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言， 反应器效率低。 5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。 6、发酵废水常具有较高的BOD 和COD，需处理后排放。
许多国家都将生物技术确定为增强 国力和经济发展的关键技术之一。
现代生物技术（生物工程）
微 生 物 工 程 细 胞 工 程
基 因 工 程
酶 工 程
微生物工程
是生物技术的重要组成和基础， 是生物技术产业化的重要环节。它 已经成为与微生物学、生物化学和 化学工程学等多学科密切相关的交 叉性学科。
三、微生物工程的特点
微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是 发酵技术工程化的发展。
二、微生物工程的地位与作用
生物技术 生物工程 (biotechnology)(bioengineering)
生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容， 生物技术产业将是21世纪的支柱产业 生物技术在迎接人口、资源、能源、食物 环境等五大危机的挑战中将大显身手。
六、微生物工程面临的挑战和发展趋向
一）面临的挑战
1、化学合成工业的竞争 有机溶剂，如丙酮丁醇 发酵法产品所占份额已很少
当然也有多种原来通过化工合成的产品逐渐被发酵法所 取代，如乳酸
2、农业生物工程的冲击 转基因植物中表达生产
抗体、药物、植酸酶（将饲料中的有机磷转变为动物可以利用的形式， 减少粪便中的磷，降低饲养场地区的污染）等
四、微生物工程发展简史
1、传统的微生物发酵技术——天然发酵
几千年 酒
古埃及 公元前4000 – 3000年
古希腊、古罗马 公元前2000年
龙山文化 距今4200年
啤酒、黄酒、酱油、泡菜等 鬶
2、第一代微生物发酵技术——纯培养技术
Anthony Leeuwenhoek 通过自制显微镜观察到微生物 Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起 Eduard Buchner 酒化酶(zymase) Robert Koch 发明了固体培养基；建立了纯培养技术 人为控制发酵过程+密封式发酵罐
4、第三代发酵技术——微生物工程
DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用（不但构 建出高产的基因工程菌，还使微生物能产生外源蛋白） 1982，第一个基因工程产品——利用工程菌生产的 人胰岛素问世
现有许多种类的产品
红细胞生成素 ( 治疗贫血)
生长激素
胰岛素 干扰素
( 促进生长)
(治疗糖尿病) (抗病毒、抗肿瘤)
• 第三部分 微生物工程生产 设备
八、参考书目
姚汝华 华南理工大学出版社 2005
吴松刚 科学出版社 2004
本章知识结构
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ★微生物工程的概念 微生物工程的地位与作用 ★微生物工程的特点 微生物工程发展简史 ★微生物工程的应用 微生物工程面临的挑战和发展趋向 ★微生物工程的内容 参考书目
虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整 个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的地 位。
微生物工业生产的一般流程
微生物工程主要内容
生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、 反应器的设计及产物的分离、提取与精制等
武汉大学 曹军卫主编（4部分） 科学出版社
• 第一部分 微生物工程原理
1 2 3 4 5 6 7 8 9
抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感
4、微生物的生物转化
利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化合物的特 定部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支 链等。
转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细 胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某 一部位，进行特定部位的化学反应而形成。 反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构 位置特异性、立体特异性
生物法：高效、收率高 （1952年，Munrry等，黑根霉，仅1 步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步， 这样才使可的松问世）
豆甾醇（Stigmasterol）
可地松（Cortisone）
5、微生物特殊机能的利用
利用微生物消除环境污染 金属浸沥回收
利用基因工程菌开拓发酵工程新领域
二）微生物工程发展趋向
1、提高现有微生物发酵工业水平 2、利用重组DNA技术 3、开拓极端酶
极端酶
由于极端酶的极端稳定性，为开拓新的生物 催化和生物转化提供了广阔的应用前景。
七、微生物工程的内容
微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分 发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程；
提取部分也称后处理，或下游加工技术
2、在医药卫生中的应用
抗生素：12 000余种 青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、 新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等 氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、
苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发 酵业产值12%）
维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等 酶抑制剂：
微生物工程
主讲：许 敏
xumin12@
成绩评定
平时成绩 40%
（包括考勤、考查等）
期末考试
60%
绪
论
一、微生物工程的概念
微生物工程（ Microbial Engineering ）是利用 微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术 生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体 系；是将传统发酵与现代DNA 重组、细胞融合、 分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代 发酵技术。