农业微生物学.ppt
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1、农业微生物学 本课程讲授内容介绍及学时安排 o 绪论 (2学时) o 第一章 原核微生物(5学时) o 第二章 真核微生物真菌 (3学时) o 第三章 病毒(3学时) o 第四章 微生物的营养(3学时) o 第五章 微生物的代谢 (5学时) o 第六章 微生物的生长和环境条件 (3学时) o 第七章 微生物的遗传变异(5学时) o 第八章 微生物的生态(4学时) o 第九章 微生物在农业和环保上的应用 (3学时) 参考书、作业、考试 o 教材 n 王贺祥主编 农业微生物学 n 周德庆主编 微生物学教程 n 沈萍、陈向东编微生物学 o 作业 n 书面作业、课堂讨论、小组演讲(PPT) o 考试
2、n 闭卷 n 成绩:平时10%, 期中20%, 期末70% 绪 论 o 1. 微生物的定义、种类和特点 o 微生物(microorganism, microbe)是一切肉眼 看不见或看不清楚的微小生物的总称( 一般个 体0.1mm).包括: n原核生物类:细菌(真细菌和古生菌)、放线菌、蓝 细菌、支原体、立克次氏体和衣原体 n真核生物类:真菌(酵母菌、霉菌和蕈菌) 、原生动 物和显微藻类 n非细胞类:病毒和亚病毒(类病毒、拟病毒和朊病 毒) 放线菌 蓝细菌 Water: rich in CyanobacteriaCyanobacteria 酵母菌 霉菌 丝状真菌 蕈 菌 显微藻类 原生动物 V
3、iruses 绪 论 o 特点:个体微小、结构简单、进化地位低 n 个体微小 m 级:光学显微镜下可见(细胞 ),nm级:电子显微镜下可见(细胞器、病毒) n 构造简单:单细胞、简单多细胞、非细胞 n 进化地位低:原核生物类、真核生物类、非 细胞类 绪 论 oM的五大共性 n 体积小、比面大(最基础特征) n 吸收多、转化快 n 生长旺、繁殖快 n 适应强、易变异 n 分布广、种类多 1 体积小、面积大 德国科学家H. N. Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底 沉积物中发现的一种硫磺细菌(sulfur bacterium),其 大小可达0.75 mm,Thiomargarita na
4、mibiensis,- -“纳米比亚硫磺珍珠” 个体小个体小: :测量单位:微米或钠米测量单位:微米或钠米 火星陨石中发现的细菌化石(直径火星陨石中发现的细菌化石(直径10nm10nm) 小个体、大表面积的小个体、大表面积的意义意义 共性的基础:微生物体积小、面积大是微生 物五大共性基础和关键之所在。 扩大交换面:比面值大则扩大了微生物群体 对外界营养物质的吸收面、产 物和废物的释放面、信息和能 量的交换面 单细胞培养:启发了动植物研究中的单细胞 培养(发酵)。 2 . 吸收多、转化快 实例 E.coli (Escherichia coli) 大肠埃希氏菌 ( 大肠杆菌 ) 耗乳糖 2000倍
5、/每小时. 自重 (约为人类的3,000,000倍) Candiada utilis 产朊假丝酵母 合成蛋白质的能力为大豆的100倍、公牛的100,000倍 意义 o 为微生物生长繁殖提供了物质基础 o 为物质转化、累积代谢产物提供条件 o 更好地利用这一点,发挥微生物 “活的催化 化工厂”之功能 3.生长旺、繁殖快 o 实例 nVibrio Natriegens(需钠弧菌) 9.8分钟/代 nE.coli 12.520.0分钟/代 o 意义 n 积极作用:体现于发酵工业, 周转快,效率高 ; 运用于科学研究,是生化、遗传的良好 材料; 适用于农业方面,成为缓解粮食危 机的好帮手。 消极作用:
6、使病原菌蔓延快,危 害大。 4.适应强、易变异 o 适应性 n 个体微小,提供了微生物极其灵活的适应 性 为适应多变的进化环境,微生物产 生了许多灵活代谢调控机制。 n 极端环境中的微生物,为人类探索宇宙微 生 物拓展了新思路。 南极Vostok湖冰芯样品中的微生物 从永冻冰层分离微生物 嗜盐菌有重要实用价值 o 淹盐环境中都能找到嗜盐性微生物,这些嗜 盐菌有其重要实用价值。 o 如: 盐生盐杆菌所含的视觉物质一一细菌视 紫红质(bacteriorhodopsin)是开发生物芯片 的重要材料之一。另一方面,这种嗜盐古细 菌对研究地球生命起源有重要价值。. 探索高低温微生物生命的奥秘 高适应性微
7、生物的研究 o 自然界有哪些高适应性的微生物? o 有些微生物为什么在不寻常的温度条件 下能够生存? o 为什么这类微生物在极端高温或低温下 保持它们的强大生命活力和适应力? o 它们的特殊性质究竟受什么因子所制约? o 它们在生命演化中占有什么样的地位 o 它们在生产实践上有何经济意义等等。 高适性微生物的概念 o探索奇异生命的奥秘,首先对应了解高适应性微生 物的特殊环境高低温、强酸、强碱、高浓度溶 质以及干旱、高压等条件, 只能在这种条件下生存 、繁殖的微生物叫做高适应性微生物 o其中嗜高温微生物或嗜低温微生物是探讨的主题。 自然界确实有这么一些微生物能在高温(100以上 )或在低温(2以
8、下)的特殊环境下生存,并保持 它的生命活力,人们把这类微生物称为适高温或适 低温微生物 Scientists isolated the thermostable DNA polymerase Taq, an enzyme that drives PCR, from Thermus aquaticus Yellowstone type-1, a resident of geysers like this one at Yellowstone National Park. 变异惊人 o生物界的变异率相同( 10-5-10 10 ) o微生物界的优势在于个体数惊人, 因此其产生突变数量同样惊人与能见
9、可计 o例:产量变异惊人 nPenicillium chrysogenum 产黄青霉 n20U./1943 5100,000U./目前约5,000 倍 o抗药变异可怕 n Staphlococcus aurreus n 0.02g/ml / 1943 耐药量提高10,000倍 5.分布广、种类多 o 分布广 n 为生物圈的开拓者和永久居民 o 实例1: 肠道正常菌群 n 种类 100400种 n 总量1013个 n 占排泄物干重的1/3 n 厌氧菌数量是好氧菌的几百至上千倍 分布广 o 实例2:万米海底 n 耐高温 100 n 耐高压 1140 atm o 实例3:几万米高空 n 8.5万米处
10、发现微生物 o 实例4: 地层下的岩石 n 球菌,杆菌和真菌 2.M与人类的关系 o 有益方面 o 面包、奶酪、啤酒、抗生素、疫苗、维生素、酶 等重要产品的生产; o 地球的清洁工参与地球上的物质循环 o 微生物肥料和微生物农药 o 有害方面 o 人类疾病大流行 n 鼠疫(黑死病)、天花、麻风、梅毒、肺结核、 爱滋病、SARS等 o 植物病害 n 马铃薯晚疫病 小麦秆锈病 水稻稻粒黑粉病 橡胶树白粉病 稻瘟病16.叶瘟(1.急性型;.2急性型转慢性型;34.慢性型;5.褐 点型;6白点型;)7.健穗;8.穗颈盖初期症状;910.穗颈盖后期症 状;11.支梗瘟;1213.节瘟;14.谷粒曾;15
11、.护颖瘟;16.分生孢子梗 和分生孢子 3.微生物学的发展简介 o微生物学(Microbiology) n 研究微生物的生命活动的科学 n 包括微生物在一定条件下的形态结构、生理 生化、遗传变异、微生物的分类与进化、生 态等 o农业微生物学 n 是微生物学的一个分支学科,它主要研究微 生物在农业上的应用和与之相关的理论探索 。 3.微生物学的发展简介 o 微生物学的发展简史 n 史前期1676年之前(约8000年) 朦胧阶段 n 初创期16761861(约200年) 形态描述阶段(列文虎克) n 奠基期18611897 (约40年) 生 理水平研究阶段(巴斯德、科赫) n 发展期1897195
12、3(约50年) 生化水平研究阶段 n 成熟期1953至今 分子生物学水平阶段 史前期1676年之前(约8000年) o 朦胧阶段 n 凭实践经验利用微生物的有益活动 n 缺乏合适的工具来观察微生物 o 1546年 Fracastoro(1478-1553)认为肉 眼不可见的生物引起人类的疾病。 我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒; 4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒; 2500年前发明酿酱、醋,用曲治消化道疾病; 公元六世纪(北魏时期),贾思勰的“齐民要术”; 公元2世纪,张仲景:禁食病死兽类的肉和 不清洁食物; 公元前112年-212年间,华佗:“割腐肉以防传染”; 初创期1676
13、1861(约200年) o 形态描述阶段 n 列文虎克(1632-1723)用自制的显微镜发 现了“微小动物”。 n 缺乏适当的方法来研究微生物 列文. 虎克 奠基期18611897 (约40年) o 生理水平研究阶段 n 微生物学奠基人巴斯德(1822-1895) o 彻底否定了“自生说”学说 o 免疫学-预防接种 o 证实发酵是由微生物引起的 o 巴斯德消毒法 巴斯德 奠基期18611897 (约40年) o 生理水平研究阶段 n 细菌学奠基人柯赫(1843-1910) o 证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌 o 发现了结核病的病原菌-获诺贝尔奖 o 柯赫法则 o 建立了微生物的基本操作技术
14、科赫 发展期18971953(约50年) o生化水平研究阶段 n 对无细胞酵母菌“酒化酶”进行研 究 n 发现微生物代谢的统一性 o普通生物学开始形成 成熟期1953至今 o 分子生物学水平阶段 n J. Waston 2.磷酸葡萄糖异构酶;3.磷酸果糖激酶;4. 果糖二磷酸醛缩酶;5.丙糖磷酸异构酶;6.3-磷酸甘油醛脱氢酶;7.3-磷酸甘油 酸激酶;8.磷酸甘油酸变位酶;9.烯醇化酶;10.丙酮酸激酶 HMP途径(Hexose monophosphate Pathway) o 其特点是葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底 氧化,(1分子6-磷酸葡萄糖转变成1分子3-磷酸甘 油醛,3分
15、子CO2和6分子NADPH)并能产 生大量 NADPH形式的还原力以及多种重要的中间代谢产物 。 EMP和HMP途径一般同时存在,单独存在较少见 o HMP途径在微生物生命活动中的意义: (1)供应合成原料,该途径可产生从3C到7C的碳化 合物,如戊糖 -磷酸、赤藓糖-4- 磷酸;(2)产 大量NADPH形式的还原力;(3)作为固定CO2的中 介;(4)扩大碳源利用范围;(5)连接EMP途径 。 HMP途径 ED途径(Entner-Doudoroff Pathway) o 存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的 一种替代途径,为微生物所特有。葡萄糖只 经4步反应即可快速获得由EMP途径须经1
16、0 步反应才能形成的丙酮酸。 o 意义:是少数EMP途径不完整的细菌所特有 的利用葡萄糖的替代途径,可与其他途径相 互协调,满足微生物对能量、还原力和不 同中间代谢产物的需要。 ED途径(Entner-Doudoroff Pathway) o 一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮 酸,一分子ATP,一分子NADPH和NADH o ED途径提供: ATP; NADPH; ED途径 磷酸酮糖裂解途径(PK途径) o 该葡萄糖分解途径就目前所知仅存在于肠膜 明串珠菌和双岐杆菌中,分解产物为乳酸、 CO2、乙醇或乙酸。这两种细菌基本不具有 EMP、HMP和ED途径。 第一节 微生物的分解代谢 o
17、发酵(fermentation) n 发酵是指在无氧等外源氢受体的条件下,底 物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链 传递而直接交某一内源性中间代谢物接受, 以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化 反应 n 葡萄糖的发酵类型 o 酵母菌的乙醇发酵与甘油发酵 o 细菌的丁酸发酵 o 丙酮丁醇发酵 o 混合酸发酵及丁二醇发酵 酵母菌的乙醇发酵与甘油发酵途径 丁酸发酵 丙酮丁醇发酵 发酵类型产ATP数(个/葡萄糖) 乙醇发酵酵母菌2 细菌2或1 酵母菌甘油发酵加有亚硫酸氢钠少量 控制pH在7.60 乳酸发酵同型2 明串珠菌1 双岐杆菌2.5 丙酸发酵琥珀酸途径 2 丙烯酸途径3 丁酸发酵 3 丙酮-丁醇
18、发酵2 混合酸发酵2.5 丁二醇发酵2 不同发酵类型产出的ATP数量 第一节 微生物的分解代谢 o 呼吸 葡萄糖分解(生物氧化)中所脱之氢通过电子传 递链传给外源氢受体(O2或特定无机氧化物),并 逐步释放化学能,形成ATP的过程称为呼吸。其 特点为氢受体来自细胞外部,氢通过呼吸链进行 传递。 o 呼吸作用与发酵作用的根本区别: 电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中 间产物,而是交给电子传递系统,逐步释放出 能量后再交给最终电子受体 第一节 微生物的分解代谢 o 有氧呼吸(aerobic respiration) 外源氢受体为O2时的呼吸 o 三羧酸循环(tricarboxylic aci
19、d cyle, TCA) 又称Krebs循环或柠檬酸循环,是指由丙酸酸经过 一系 列循环反应而彻底氧化、脱羧,形成CO2、 H2O、NADH2的过程。 n 意义:TCA循环是绝大多数化能异养微生物的氧 化性代谢中起着 关键性的作用,是产能的主要 途径。是分解代谢和合成代谢的枢纽。 TCATCA循环在微生物代谢中的枢纽地位循环在微生物代谢中的枢纽地位 n n 糖类糖类 乙醇乙醇 n n 乳酸乳酸 n n 葡萄糖葡萄糖 丙酮丙酮 n n 甘油甘油 EMPEMP 丁醇丁醇 脂肪脂肪 丙酮酸丙酮酸 丁二醇丁二醇 n n B-B-氧化氧化 n n 脂肪酸脂肪酸 乙酰乙酰-CoA-CoA n n n n
20、氨基酸氨基酸 蛋白蛋白 质质 n n n n ATPATP,各种各种 有机有机 酸酸 ,天冬氨酸,柠檬酸,谷氨天冬氨酸,柠檬酸,谷氨 酸酸 三羧酸循环(虚线表示可用于各种生物合成的中间代谢物) 第一节 微生物的分解代谢 o 无氧呼吸(anaerobic respiration) 外源氢受体为特定无机氧化物(NO3-,SO42-,HCO3- )的呼吸 n 硝酸盐呼吸(nitrate respiration) n 硫酸盐呼吸(sulfate respiration) n 硫呼吸(sulfur respiration) n 碳酸盐呼吸(carbonate respiration) n 延胡索酸呼吸(
21、fumarate respiration) 第一节 微生物的分解代谢 o 自养微生物的生物氧化 n 化能自养型微生物 化能自养微生物无色素,所需能量是氧化无机物时 ,通过氧化磷酸化产生的ATP,被氧化产生能量的无 机物有氢、氨、亚硝酸、硫代氢、硫代硫酸盐、铁 等,细菌为氢细菌,硝化细菌硫细菌和铁细菌。 o 化能自养菌的能量代谢的特点: (1)无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系 (2)呼吸链的组分更为多样化 (3)产能效率即P/O比一般要比异养微生物低 氢的氧化 o 氢细菌(嗜粒假单胞菌)从氢的氧化中获得 能量ATP,是通过电子传递而得到的。氢细 菌的细胞膜有电子传递体。有氢化酶,电子 直接从氢
22、传递给电子传递给系统,电子在吸 台手链传递过程中产生ATP 氨的氧化 o NH3同亚硝酸是可以用作能源的最普物的无 机氮化合物,能被硝化细菌所氧化。在有氧 条件下进行。硝化作用就是氨氧化为亚硝酸 ,亚硝酸氧化为硝酸的过程。 先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸 再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸 铁的氧化 o 从亚铁到高铁状态的铁的氧化,是一种产能 反应,少量能量可以被利用。嗜酸性的氧化 亚铁硫杆菌在低pH环境中利用亚铁氧化放出 能量生长。 硫的氧化 o 硫细菌(或称硫氧化细菌)对硫化氢、硫以 及硫代硫酸盐的氧化得到能量,最后都被氧 化为硫酸。这些硫细菌称为无色硫细菌( colourless, sulf
23、ur bacteria),以区别 于含有叶绿素的绿硫细菌和紫硫细菌。如: 氧化亚铁硫杆菌(Thiobocillus ferrooxidans) 第一节 微生物的分解代谢 o 光合磷酸化 n 环式光合磷酸化 o 厌氧光合细菌利用光能产生ATP的磷酸化 反应 n 非环式光合磷酸化 o 各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利 用光能产生ATP的磷酸化反应 第一节 微生物的分解代谢 o 光合磷酸化 n 嗜盐菌紫膜的光合作用 嗜盐菌在无氧的条件下,利用光能所造成的紫 膜蛋白上视黄醛辅基结构变化,可使质子不断 驱至膜外,从而膜两测建立一个质子动势,由 它来推动ATP的合成。 n 只有嗜盐菌才有的无叶绿体或菌
24、绿素参与的独 特光合作用 嗜盐菌的紫膜及其光合磷酸化 第一节 微生物的分解代谢 o 能量转换 n 底物水平磷酸化 通过转移底物在生物氧化过程中形成的高 能化合物的高能磷酸键,直接形成ATP的 过程称为底物水平磷酸化. n 氧化磷酸化 又称电子传递磷酸化 是指呼吸链的递氢和受氢过程与磷酸化反 应偶联并产生ATP的作用. 第二节 微生物的合成代谢 第二节 微生物的合成代谢 o CO2的固定 n 将空气中的CO2同化成细胞物质的过程,称为CO2 的固定作用。微生物有两种同化CO2的方式,一 类是自养式,另一类为异养式。在自养式中, CO2加在一个特殊的受体上,经过循环反应,使 之合成糖并重新生成该受
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