农业微生物学 (2).ppt

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 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 Viruses 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 namibiensis，- -“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/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: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.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18971953（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16761861（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 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10 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 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 acid 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 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(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, sulfur 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体。在异养式中， CO2 被固定在某种有机酸上。 n 自养微生物同化CO2所需要的能量来自光能或无 机物氧化所得的化学能，固定CO2的途径主要有 三条 第二节 微生物的合成代谢 o 卡尔文循环 n 经卡尔文循环同化CO2的途径可划分为三个阶 段:CO2的固定;被固定的CO2的还原；CO2受体 的再生。卡尔文循环每循环一次，可将六分 子CO2同化成一分子葡萄糖，其总反应式为： 6C02+18ATP+12NAD(P)HC6H1206+18ADP+12NA D(P)+18Pi 第二节 微生物的合成代谢 o 还原性三羧酸循环固定CO2 n 在光合细菌、绿硫细菌中发现。 n 每循环一次，可固定四分子CO2，合成一分子 草酰乙酸，消耗三分子ATP、两分子NAD（P ）H和一分子FADH2。 第二节 微生物的合成代谢 o 还原的单羧酸环 n 这个体系与还原羧酸环不同，不需要ATP， 只要有Fd(red)就可运转。Fd(red)由H2或 NADH2提供电子生成。光合细菌也有可能利用 这个体系把CO2转换成乙酸 第二节 微生物的合成代谢 o 生物固氮 n 是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催 化而还原为氨的过程, 生物界中只有原核生 物才具有固氮能力 n 具有固氮作用的微生物近五十个属，包括细 菌、放线菌和蓝细菌 n 根据固氮微生物与高等植物以及其它生物的 关系，可以把它们分为三大类：自生固氮体 系，共生固氮体系和联合固氮体系 n 微生物能够在常温常压条件下固氨，关键是 靠固氮酶的催化作用 第二节 微生物的合成代谢 o 共生固氮体系 n 根瘤菌（Rhizobium）与豆科植物共生； n 弗兰克氏菌（Frankia）与非豆科树木共生 ； n 蓝细菌（cyanobacteria）与某些植物共生 ； n 蓝细菌与某些真菌共生 第二节 微生物的合成代谢 o 自生固氮体系 n 好氧自生固氮M 固氮单胞菌属 （ Azotobacter固氮菌属，Azotomonas 固氮单 胞菌属，etc） n 厌氧自生固氮M （Clostridium 梭菌属 ） n 兼性厌氧自生固氮M（Bacillus， Klebsiella，etc） n 大多数光合M（蓝细菌，光合细菌） 第二节 微生物的合成代谢 o 联合固氮体系 n 不生成共生固氮特殊结构；有较强的寄主专 一性雀稗固氮菌（Azotobacter paspali） 与雀稗根系形成联合 第二节 微生物的合成代谢 o 固氮机制 n N2 + 8e- + 8H+ + nATP（固氮酶Mg2+）2NH3 + H2 + nADP + nPi n 固氮反应的必要条件 o ATP，e-、H+及其载体，固氮酶，N2，Mg2+，厌氧 环境 n 固氮酶包括2种组分 o 组分I（P1）: 真正的固氮酶，又称钼铁蛋白（ MoFe），由4个亚基组成。 o 组分II（P2）: 实际上是一种固氮酶还原酶，又 称铁蛋白Fe），由2个亚基组成 第二节 微生物的合成代谢 o 肽聚糖的合成 Staphylococcus aureus 肽聚糖合成为例 n 细胞质中的合成 o 葡萄糖 N-乙酰葡萄糖胺-UDP( G-UDP ) N-乙酰胞壁酸-UDP( M-UDP ) o N-乙酰胞壁酸-UDP “Park”核苷酸( M-UDP ) UDP- N-乙酰胞壁酸五肽 第二节 微生物的合成代谢 o 肽聚糖的合成 n 细胞膜中的合成 o“Park”核苷酸 肽聚糖单体分子 - G - M- L-Ala D-Glu L-Lys D-Ala D-Ala 第二节 微生物的合成代谢 o 肽聚糖的合成 n 细胞膜外的合成 o 第一步是多糖链的伸长 o 第二步通过转肽酶的转肽作用 (transpeptidation)使相邻多糖链交联 o 转肽作用为青霉素所抑制 细胞质中合成 细胞膜中合成 细胞膜外合成 第六章 微生物的生长和环境条件 o 第一节微生物生长及测定 n 细菌生长的定义和测定方法 o 定义 微生物生长代谢的结果。当同化异化作用，细 胞物质量，个体重量和体积，就是生长。 个体生长个体繁殖群体生长；群体生长个体 生长 个体繁殖 o 纯培养 微生物学中将在实验室条件下得到1个细胞繁殖 后代的过程称为纯培养。 第一节微生物生长及测定 o 测定方法 n 细胞数量的测定 o 直接测数法或总菌数测定法 o 比浊法 o 稀释平板计数法 血球计数板示意图 稀释平板菌落计数法 第一节 微生物生长及测定 o 测定方法 n 细胞生物量的测定 o 细胞干重法 o 总氮量测定法 o DNA含量测定法 o 代谢活性法 方 法 应 用 涂片染色法 血球计数板法 比浊法 可同时计数不同类型的 微生物数量，常用于 牛奶、土壤中的细菌计数 可用于不同类型微生物的计数 微生物学分析，肉汤培养物或水悬浮液中的 细菌数估计 平皿菌落计数法 液体稀释法 薄膜过滤计数法 食品、水、土 壤、医学、卫生以及培养物中 的细菌计数 因某种原因而不能用琼脂平皿活菌计数时被 采用，如牛奶等 适用于量大而且含菌数很低的材料，如空气 、水等 定氮法 测DNA法 测定细胞干重法 生理指标测定法 主要用于代谢研究，适于细胞浓度高的样品 同上 用于调查研究，适用于细胞浓度高的材料 微生物学分析研究 细菌生长测定法 第一节微生物生长及测定 o 细菌的群体及生长曲线 n 细菌的生长曲线 第一节微生物生长及测定 o 细菌的生长曲线 n 延滞期(适应期) 在延滞期,细菌的增殖率与死亡率相等，均 为零；菌数几乎不增加，曲线平稳 n 指数期, 又称对数期 (logarithmic phase) 细胞增长以指数式进行的快速生长繁殖期称 为指数期，也称对数期 生长曲线的指数期 菌 名 培 养 基 温度 ( ) 时间 (min) 大肠杆菌 肉 汤 37 17 荧光假单胞菌 肉 汤 37 34 34.5 菜豆火疫病假单胞菌 肉 汤 25 150 白菜软腐病欧氏杆菌 肉 汤 37 71 94 甘蓝黑腐病黄杆菌 肉 汤 25 98 大豆根瘤菌 葡 萄 糖 25 343.8 460.8 枯草杆菌 葡萄糖肉汤 25 26 32 巨大芽孢杆菌 肉 汤 30 31 霉状芽孢杆菌 肉 汤 37 28 腊状芽孢杆菌 肉 汤 30 18.8 丁酸梭菌 玉 米 醪 30 51 保加利亚乳酸杆菌 牛 乳 37 39 74 肉毒梭菌 葡萄糖肉汤 37 35 乳酸链球菌 牛 乳 37 23.5 26 园褐固氮菌 葡 萄 糖 25 240 霍乱孤菌 肉 汤 37 21 38 某些微生物的生长代时 第一节微生物生长及测定 o 细菌的生长曲线 n 指数期 o 影响指数期代时长短的因素 n 菌种 n 营养成分 n 营养物浓度 n 培养温度 第一节微生物生长及测定 o 细菌的生长曲线 n 稳定生长期（ stationary phase ） 新增细胞与逐步衰老死亡细胞在数量上趋 于相对平衡状态，这就是群体生长的稳定期 n 稳定生长期到来的原因 n 衰亡期（ decline phase 或 death phase ） 群体中细胞死亡率逐渐上升，以致死亡菌 数逐渐超过新生菌数， 群体中活菌数下降 ，曲线下滑 第一节 微生物生长的测定 o 细菌的生长曲线 微生物的生长曲线，反映一种微生物在一定 的生活环境中 ( 如试管、摇瓶、发酵罐 ) 生长繁殖和死亡的规律。它既可作为营养物 和环境因素对生长繁殖影响的理论研究指标 ，也可用为调控微生物生长代谢的依据，以 指导微生物生产实践。 第一节微生物生长及测定 o 同步生长和连续培养 n 同步生长 同步培养(synchronous culture) ：设法使群体中的所 有细胞尽可能处于同的细胞生长和分裂周期中的方法。 通过同步培养而使细胞群体中各个体处于分裂步调一致 的生长状态，这种生长状态称为同步生长 n 获得同步生长的方法 o环境诱导法 o机械分离法 第一节微生物生长及测定 o 同步生长和连续培养 n 分批培养与连续培养 o 分批培养 在一个相对独立密闭的系统中，一次性投入培养 基对微生物进行接种培养的方式一般称为分批培 养 (batch culture) o 连续培养 连续培养是指在深入研究分批培养中生长曲线形 成的内在机制的基础上，开放培养系统，不断补 充营养液、解除抑制因子、优化生长代谢环境的 培养方式 分批培养与连续培养比较 第一节微生物生长及测定 o 连续培养 n 恒浊连续培养 (恒浊器turbidostat): 不断 调节流速使培养液浊度保持恒定。 适用：收获菌体及与菌体相平行的产物。 恒浊连续发酵与单批发酵相比的优点： 1） 缩短发酵周期，提高设备利用率； 2） 便于自动控制； 3） 降低动力消耗及体力劳动强度； 4） 产品质量较稳定； 第一节微生物生长及测定 o 连续培养 n 恒化连续培养 (恒化器chemostat) 恒定流速，及时补充营养，营养物浓度基本恒定 ，从而保持恒定生长速率。又称恒组成连续培养 。培养基成分中，必须将某种必需的营养物控制 在较低的浓度，以作为限制性因子，而其它营养 物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、生长因 子、无机盐等。 适用：科研 n 连续培养的优缺点优点：高效，便于自动控制， 产品质量稳定。缺点：菌种易退化，易污染杂菌 ，培养基利用率低。 第一节微生物生长及测定 o 连续培养 n 连续培养的优缺点优点：高效，便于自动控 制，产品质量稳定。缺点：菌种易退化，易 污染杂菌，培养基利用率低。 o 连续发酵 n 优点 n 缺点 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 几个概念 n 防腐 n 消毒 n 灭菌 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 温度 n 最低生长温度 n 最适生长温度 n 最高生长温度 n 致死温度 各种细菌的芽孢在湿热中的致死温度和致死时间 三大类微生物最低、最适、最高生长温度及其范围 蛋白质含水量 ( ) 蛋白质凝固温 度 ( ) 灭菌时间（ min ） 50 25 18 6 0 56 74 80 80 90 145 160 170 30 30 30 30 30 蛋白质含水量与其凝固温度的关系 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 高温灭菌 n 干热灭菌 o 灼热灭菌法 o 干热灭菌法 n 湿热灭菌 o 煮沸消毒法 o 高压蒸汽灭菌法 o 间歇灭菌法 o 巴斯德消毒法 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 氢离子浓度 (pH) n pH 值影响微生物生长的机制 微生物 pH 值 最 低 最 适 最 高 圆褐固氮菌 大豆根瘤菌 亚硝酸细菌 氧化硫硫杆 菌 嗜酸乳酸杆 菌 放线菌 酵母菌 黑曲霉 4.5 4.2 7.0 1.0 4.04.6 5.0 3.0 1.5 7.47.6 6.87.0 7.88.6 2.02.8 5.86.6 7.08.0 5.06.0 5.06.0 9.0 11.0 9.4 4.06.0 6.8 10.0 8.0 9.0 多种微生物的最低、最适与最高 pH 值范围 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 湿度、渗透压与水活度 o 氧和氧化还原电位 n 专性好氧菌 n 兼性厌氧菌 n 微好氧菌 n 耐氧菌 n 厌氧菌 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 辐射 o 化学杀菌剂和抑菌剂 n 氧化剂 n 还原剂 n 表面活性物质 n 重金属盐类 第二节 环境条件对微生物生长的影响 o 化学疗剂 n 抗生素 n 抗代谢物 第七章 微生物的遗传和变异 o 遗传性 o 遗传型 o 表型 o 饰度 第一节 微生物的突变 o 微生物的变异 n 突变 o 基因突变（ gene mutation ）或称点突 变（ point mutation ） o 染色体畸变 第一节 微生物的突变 o 微生物的变异 n 形态突变型 o 生化突变型 n 营养缺陷型 n 抗性突变型 n 抗原突变型 o 致死突变型 o 条件致死突变型 第一节 微生物的突变 o 基因突变 第一节 微生物的突变 o 基因突变 n 自发突变 o 自发突变机制 o 自发突变特性 n 诱发突变 若干诱变剂的作用机制及诱变功能 第一节 微生物的突变 o 基因突变 n 诱发突变 o 碱基置换 由亚硝酸引起的 AT GC 转换过程。 He 和 Hk 分别为烯醇式 和酮式次黄嘌呤 第一节 微生物的突变 o 基因突变 n 诱发突变 o 移码突变 o 染色体畸变 第一节 微生物的突变 o 基因突变的自发性和不对应性的证明 n 变量试验：（Fluctuation Test） o 又称波动试验或彷徨试验。1943年美国学者 鲁里亚（S、Luria）和德尔波留克（M、 Delbrack）设计了此试验。 n 涂布实验：（Newcombe Expetiment） o 1949年Newcombe设计了这一实验 n 平板影印培养试验（Replica Plating） o 1952年莱德伯格夫妇（V，Lederberg）设计 的 第二节 细菌的基因重组 o 转化Transformation 第二节 细菌的基因重组 o 转导Transduction 通过缺陷型噬菌体为媒介，把供体细胞的DNA小 片段携带到受体细胞中，通过交换与整合从而 使后者获得前者部分遗传性状的现象 n 普遍性转导（Generalized Transeuction） n 局限性转导 (Restricted transduction) n 溶源转变 (Lysogenic conversion) 第二节 细菌的基因重组 n 普遍性转导（Generalized Transeuction） 由于完全缺陷型噬菌体携带了供体菌染色体 片段，当它去感染受体菌时，使后者获得这 部分遗传性状的现象称为普遍性转导 n 局限性转导 (Restricted transduction) 是指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的 少数特定基因携带到受体菌中并获得表达的 转导现象。 第二节 细菌的基因重组 o 溶源转变 (Lysogenic conversion) n 当温和噬菌体感染宿主而使其发生溶源化时 ，因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上 ，而使后者获得了除免疫性以外的新性状的 现象，称为溶源转变。 n 性质：表面上与转导相似，而本质上不同于 转导。 第二节 细菌的基因重组 o 溶源转变与转导的区别 n 当宿主丧失其原噬菌体时，通过溶源转变而 获得的新性状也随之消失 n 温和噬菌体不携带来自供体菌的外源基因， 是噬菌体自身基因使宿主获得新性状 n 温和噬菌体是完整的，不是缺陷的 n 获得新性状的是溶源化的宿主细胞，不是转 导子 第二节 细菌的基因重组 o 接合Conjugation 研究细菌接合的营养缺陷型法原理 细菌重组的实验证据 第二节 细菌的基因重组 o E.coli 的4种接合型菌株 n F+（雄性）菌株:含游离的F因子14个，有 性菌毛14根 n Hfr（高频重组）菌株:含整合的F因子,有 性菌毛 n F菌株介于F+菌株与Hfr菌株之间，细胞中 有游 离的、带小段染色体基因的环状F因子 n F（雌性）菌株：没有F因子，无性菌毛 第二节 细菌的基因重组 o 原生质体融合 n 通过人工方法，使遗传性状不同的两个细胞 的原生质体发生融合，借以获得兼有双亲遗 传性状的稳定重组子的过程。 n 应用原生质体融合技术后，细胞间基因重组 的频率大大提高了，在某些例子中，原生质 体的重组频率已大于10-1 第二节 细菌的基因重组 o 原生质体融合主要步骤 n 选择亲株、 n 制备原生质体、 n 原生质体融合、 n 原生质体再生 n 筛选优良性状的融合子 第二节 细菌的基因重组 o 原生质体融合的优点： n 可以提高重组率 n 可进行多亲本融合 n 有利于不同种间、属间微生物的杂交 n 通过原生质体融合提高产量 第二节 细菌的基因重组 o 染色体外遗传因子 n 质粒(plasmid) 电子显微镜下观察到的完整的细菌染色体和质粒(箭头所指处为质粒) 第二节 细菌的基因重组 o 染色体外遗传因子 n 转座因子(transposable element) o 插入序列 o 转座子 o 转座噬菌体 (温和噬菌体) 第七章 微生物的遗传和变异 o 第三节 诱变育种 n 什么是诱变育种 n 诱变育种=诱变 + 筛选 诱变是随机的；筛选是定向的 目前发酵工 业生产菌株都是经过突变改造过的 o 青霉素生产菌株的选育 1943年，产黄青霉产20单位/ml的青霉素 诱变育种+其它措施，目前达到5万10 万单位/ml 。 第三节 诱变育种 o 诱变育种的基本路线 第三节 诱变育种 o 诱变育种的基本步骤 n 挑选优良的出发菌株 o 单倍体纯种为出发菌株 o 采用具有优良性状的菌株 o 选择对诱变剂敏感的菌株 o 多挑选一些已经过诱变的菌株为出发菌株 n 处理单孢子(或单细胞)悬液 第三节 诱变育种 o 诱变育种的基本步骤 n 选择简便有效、最适剂量的诱变剂 o 物理诱变剂 紫外线、X射线、射线和快中子 o 化学诱变剂 N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)、甲基 磺酸乙酯(EMS) 、甲基亚硝基脲(NMU)、 硫酸二乙酯(DES)、氮芥、乙烯亚胺和环 氧乙烷等 o 诱变剂的作用 第三节 诱变育种 o 诱变育种的基本步骤 n 利用复合处理的协同效应 n 变异菌株的筛选 n 设计或采用高效筛选方案 o 变异菌株的筛选 n 初筛:以量（选留菌株的数量）为主 n 复筛:以质（测定数据的精确度）为主 n 创造新型筛选方法 第三节 诱变育种 o 营养缺