微生物工程（一）本章主要內(nèi)容微生物工程的概念常見(jiàn)的工業(yè)微生物微生物育種技術(shù)微生物的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程生物反應(yīng)器和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)微生物發(fā)酵產(chǎn)品資源和能源領(lǐng)域中的微生物工程（一）微生物工程概念微生物工程：就是研究利用微生物的新陳代謝作用生產(chǎn)一定的產(chǎn)品或達(dá)到其他社會(huì)目的的工程科學(xué)。一般的，微生物工程又可稱為發(fā)酵工程，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，發(fā)酵（微生物培養(yǎng)）只是微生物工程的一部分，而不是全部，但是其核心內(nèi)容。通常，微生物工程分為兩大部分：發(fā)酵部分：主要是通過(guò)一系列的環(huán)節(jié)，提供條件，使菌體生長(zhǎng)繁殖，并產(chǎn)生發(fā)酵所要的目的產(chǎn)物（代謝產(chǎn)物）。提純部分：這部分是通過(guò)一些物理的、化學(xué)的手段、方法，將代謝產(chǎn)物從發(fā)酵醪中提純出來(lái)，獲得最終產(chǎn)品。按照對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)是否需要氧氣，發(fā)酵過(guò)程可分為好氧發(fā)酵：以氧作為電子受體。如動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)，微生物發(fā)酵生產(chǎn)抗生素、有機(jī)酸、氨基酸等厭氧發(fā)酵：一般以有機(jī)物作為電子受體。如酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵、丙酮和丁醇等及其沼氣發(fā)酵等。發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)：①一般操作條件比較溫和；②以淀粉、糖蜜等為主，輔以少量有機(jī)、無(wú)機(jī)氮源為原料；③過(guò)程反應(yīng)以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行；④能合成復(fù)雜的化合物如酶、光學(xué)活性體等；⑤能進(jìn)行一些特殊反應(yīng)，如官能團(tuán)導(dǎo)入；⑥生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是產(chǎn)物，含有多種物質(zhì)；⑦生產(chǎn)過(guò)程中，需要防止雜菌污染；⑧菌種性能被改變，從而獲得新的反應(yīng)性能或提高生產(chǎn)率。2.微生物工業(yè)的范圍⑴釀酒工業(yè)（啤酒、葡萄酒、白酒等）⑵食品工業(yè)（醬、醋等）⑶有機(jī)溶劑發(fā)酵工業(yè)（酒精等）⑷抗生素工業(yè)（青霉素、鏈霉素、土霉素等）⑸有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè)（檸檬酸、醋酸、乳酸等）⑹酶制劑工（淀粉酶、蛋白酶等）⑺氨基酸發(fā)酵工業(yè)（谷氨酸、賴氨酸等）⑻核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工業(yè)（肌苷酸等）⑼維生素發(fā)酵工業(yè)（維生素B族等）⑽生理活性物質(zhì)發(fā)酵工業(yè)（激素、赤霉素等）⑾微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè)（酵母、SCP等）⑿微生物環(huán)境凈化工業(yè)（利用微生物處理廢水、污水等）⒀生物能工業(yè)（沼氣、纖維等發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等物質(zhì)）⒁微生物冶金工業(yè)（利用微生物探礦、冶金、石油脫硫等）二常見(jiàn)的工業(yè)微生物（一）微生物的基礎(chǔ)知識(shí)（二）細(xì)菌（三）放線菌（四）酵母（五）霉菌（一）微生物的基礎(chǔ)知識(shí)1.什么是微生物：

微生物（microorganism,microbe）是一類個(gè)體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，肉眼不可見(jiàn)或看不清楚的微小生物的統(tǒng)稱。2.主要微生物類群：

這個(gè)微小生物類群十分龐雜，它包括小到?jīng)]有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒（virus），單細(xì)胞原核的細(xì)菌（bacteria）、放線菌（actinomyces）、支原體（mycoplasma）、立克次氏體（rickettsia）、衣原體（chlamydia）等和屬于真菌的酵母菌（yeast），霉菌（molde）等和原生動(dòng)物（protozoa）等。3微生物的生物學(xué)特點(diǎn)與作用（1）種類繁多、分布廣泛（2）生長(zhǎng)繁殖快，代謝能力強(qiáng)（3）遺傳穩(wěn)定性差，容易發(fā)生變異

（1）種類繁多、分布廣泛微生物的多樣性已在全球范圍內(nèi)對(duì)人類產(chǎn)生巨大影響。土壤中微生物的種類繁多，幾乎所有的微生物都能從土壤中分離篩選得到，要分離篩選某中微生物，多數(shù)情況都是從土壤采取樣品。首先微生物為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富，目前所使用的抗生素藥物，絕大多數(shù)是微生物發(fā)酵產(chǎn)生的，以微生物為勞動(dòng)者的發(fā)酵工業(yè)，為工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域提供各種產(chǎn)品。另外微生物也為人類帶來(lái)巨大危害，如疫病的傳播，并且引起疫病傳播的新微生物種類總不斷出現(xiàn)。（2）生長(zhǎng)繁殖快，代謝能力強(qiáng)大腸桿菌（Escherichiacoli）在適宜的條件下，每20分鐘即繁殖一代，24小時(shí)即可繁殖72代，由一個(gè)菌細(xì)胞可繁殖到47×1022個(gè)，如果將這些新生菌體排列起來(lái)，可繞地球一周有余；生理基礎(chǔ):因?yàn)槲⑸锏拇x能力很強(qiáng),由于微生物個(gè)體微小，單位體積的表面積相對(duì)很大，有利于細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換，細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)較快。極大的物質(zhì)資源:正因?yàn)槲⑸锞哂猩L(zhǎng)快、代謝能力強(qiáng)的特點(diǎn)，才使得微生物能夠成為發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)業(yè)大軍，在工、農(nóng)、醫(yī)等戰(zhàn)線上發(fā)揮巨大作用；在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的作用:如果沒(méi)有微生物，自古以來(lái)的動(dòng)、植物尸體不能分解腐爛，早已是動(dòng)、植物尸體堆積如山，布滿全球。（3）遺傳穩(wěn)定性差，容易發(fā)生變異微生物個(gè)體微小，對(duì)外界環(huán)境很敏感，抗逆性較差，很容易受到各種不良外界環(huán)境的影響；另外，微生物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺乏免疫監(jiān)控系統(tǒng),很容易變異。微生物的遺傳不穩(wěn)定性，是相對(duì)高等生物而言的，實(shí)際上在自然條件下，微生物的自發(fā)突變頻率為10-6左右。微生物的遺傳穩(wěn)定性差，給微生物菌種保藏工作帶來(lái)一定不便。另一方面，正因?yàn)槲⑸锏倪z傳穩(wěn)定性差，其遺傳的保守性低，使得微生物菌種培育相對(duì)容易得多。通過(guò)育種工作，可大幅度地提高菌種的生產(chǎn)性能，其產(chǎn)量性狀提高幅度是高等動(dòng)、植物所難以實(shí)現(xiàn)的。（二）細(xì)菌1細(xì)菌的基本形態(tài)球形

球菌：直徑0.5×2um桿形寬×長(zhǎng)0.5～1×1～5um大腸桿菌：0.5×2um螺旋形寬×長(zhǎng)0.5～1×1～50um

其它形狀：絲狀、三角形、方形等異常形態(tài)畸形：由于化學(xué)或物理因素刺激，阻礙了細(xì)胞的發(fā)育，從而引起了異常的形態(tài)。衰頹形：由于培養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)缺乏，代謝排泄物濃度積累過(guò)高等使細(xì)胞衰老而引起的異常形態(tài)2細(xì)菌的基本結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁細(xì)胞膜核區(qū)細(xì)胞質(zhì)特殊結(jié)構(gòu)莢膜芽孢鞭毛3革蘭氏染色（1）細(xì)菌細(xì)胞壁細(xì)胞壁：位于細(xì)胞最外層的一層厚實(shí)、堅(jiān)韌的外被，主要成分是肽聚糖，具有固定細(xì)胞外形和保護(hù)細(xì)胞不受損傷等生理功能。細(xì)胞壁的生理功能提高機(jī)械強(qiáng)度、固定細(xì)胞外形、保護(hù)細(xì)胞不受損傷為細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和鞭毛運(yùn)動(dòng)所必需一定的屏障作用（阻礙有害大分子的進(jìn)入）與細(xì)菌抗原性、致病性及對(duì)噬菌體的敏感性有關(guān)（2）細(xì)胞壁的分類革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)

肽聚糖磷壁酸革蘭氏陰性菌(G-)脂多糖磷脂脂蛋白肽聚糖（3）革伐蘭氏染色由丹麥糕醫(yī)生Hans劍Chr習(xí)isti輪anG翅ram于18流84年煌創(chuàng)立結(jié)果:陽(yáng)性菌虛G+—削紫色陰性菌G羽-—紅色結(jié)晶紫初染碘液媒染乙醇脫色番紅復(fù)染細(xì)菌固定Gra拌ms而tai由no爐fG+Stap繳hylo雹cocc觸uscel撲ls.Gra賊ms孕tai器no尚fG-E.c發(fā)olicel勺ls（三）放僻線菌1放線菌的狐形態(tài)構(gòu)造細(xì)胞呈凝分枝絲罰狀，介艇于細(xì)菌討和真核盯生物之些間；與懂細(xì)菌相泊似細(xì)胞壁主唱要為肽聚眠糖革蘭氏染松色陽(yáng)性原核單細(xì)胞、駐多核菌絲直春徑與細(xì)耗菌相仿2菌絲基內(nèi)菌努絲（一妙級(jí)菌絲芝、營(yíng)養(yǎng)芳菌絲）氣生菌徑絲（二會(huì)級(jí)菌絲醋）孢子絲（擊繁殖菌絲膜）（四）秀酵母酵母菌副：泛指隸能發(fā)酵炮糖類的商各種單橫細(xì)胞真裂菌1特點(diǎn)單細(xì)胞狀開(kāi)態(tài)出芽繁罩殖發(fā)酵糖類淘產(chǎn)能細(xì)胞壁含模甘露聚糖含糖量高桂、酸度較片大的水生驢環(huán)境2酵母贈(zèng)的形態(tài)酵母細(xì)胞爆的形態(tài)與磚構(gòu)造細(xì)胞大小鞏：細(xì)菌的端10倍細(xì)胞形態(tài)冒：球狀、籠卵圓狀、憐柱狀、香團(tuán)腸狀3酵賺母菌細(xì)襲胞結(jié)構(gòu)4繁殖匪方式5酵母仙菌與生產(chǎn)晉和生活的雨關(guān)系酵母菌蒸與人類質(zhì)的關(guān)系酒類的若生產(chǎn)面包的制哀作乙醇甘伸油發(fā)酵石油及油挽品脫蠟飼用藥用單細(xì)胞蛋悟白生產(chǎn)S籮CP活性物質(zhì)灘提取微生物淋學(xué)研究真核表攜達(dá)系統(tǒng)人類疾論病（五）霉?fàn)斁?霉啞菌：菌繭絲體發(fā)盞達(dá)而又嗎不產(chǎn)生番大型肉掌質(zhì)子實(shí)店體的絲悉狀真菌分布只要有有徹機(jī)物就有治霉菌的蹤磚跡有機(jī)分解格者：纖維鼓素和木質(zhì)址素2霉菌的伙細(xì)胞形態(tài)倡與構(gòu)造霉菌營(yíng)亞養(yǎng)體的丟基本單世位是菌梨絲，其臣直徑通玩常為3獸－10灣mm，汁與酵母蝴菌相似菌絲的艦分類（層菌絲中非是否有獨(dú)隔膜）無(wú)隔菌絲米：毛霉、祥根霉有隔菌絲合：曲霉、醬青霉4繁彼殖5霉套菌與生現(xiàn)產(chǎn)和生負(fù)活的關(guān)衛(wèi)系工業(yè)產(chǎn)譯品：有棒機(jī)酸、笨酶制劑毒、抗生悠素、維治生素、閉生物堿筍、生物頭活性物旗質(zhì)、藥哈物食品的生梅產(chǎn)制造：途醬油、干氏酪工農(nóng)業(yè)產(chǎn)頂品的霉變植物病洽原菌疾?。赫婕y菌毒素、爺黃曲霉毒拆素三微界生物育鼠種技術(shù)（一）自為什么速要發(fā)展盆微生物工育種技斯術(shù)微生物豆育種：是以麻提高微軟生物菌渣株生產(chǎn)援性能為縫目標(biāo)，坊人為改俘造微生終物菌株吩的遺傳吸性能的晉過(guò)程（二）主屆要的維生亂素育種技宅術(shù)介紹1誘羅變育種吐技術(shù)2代架謝工程駁育種技呼術(shù)3D像NA重?fù)?jù)排育種1誘滲變育種喪技術(shù)（1）基本原理利用一些日物理和化杜學(xué)的因素迫處理微生傍物細(xì)胞，傅使其遺傳撲性狀發(fā)生估隨機(jī)的突啞變，得到棟大量性狀烏各異的突須變株，然祥后再?gòu)谋娪讯嗤蛔兙鷾\株中以一湖定的方法漫篩選出生銷產(chǎn)性能改劈燕善的個(gè)體驚。（2）希誘變劑挖：用于競(jìng)處理微噸生物以羨使其發(fā)茫生突變臉的物理移或化學(xué)以因素。餐可分為舊物理誘般變劑和鼠化學(xué)誘流變劑兩椒種以選育陰高產(chǎn)突摧變株為宋例(3)鋸誘變牧育種的獻(xiàn)步驟原始菌種純化斜面/肉湯培養(yǎng)單孢子/單細(xì)胞懸液誘變劑處理平板分離移至斜面小試中試初篩復(fù)篩計(jì)算存活率觀察形態(tài)變異，挑單菌落良種保藏原菌種特性鑒定（4）分處離和篩選(5)艘舉例L-賴祖氨酸窩合成步裙驟三羧酸抹循環(huán)、天冬氨斬酸的生媽物合成、細(xì)菌和植娘物合成L藥-賴氨酸、蘇氨酸的生物合燭成天冬氨輩酸激酶2，3-卡二氫二羧詢酸合成酶從上圖郵可以看諒出，影促響L-遵賴氨酸贊產(chǎn)量的尚因素表貿(mào)現(xiàn)在3勿個(gè)方面憐：一、L嗚-賴氨團(tuán)酸和L茅-蘇氨矛酸都會(huì)遣抑制天辮冬氨酸災(zāi)激酶二、L-酸亮氨酸會(huì)繼抑制2，減3-二氫捐二羧酸合踩成酶三、賴氨慣酸合成需敏要消耗大羨量的丙酮馬酸，而丙廟酮酸也是創(chuàng)丙氨酸、陜亮氨酸等箭多種氨基縣酸的共同份前體，因劑此丙氨酸踐等生成可予減少賴氨神酸的合成昆。B育種溫過(guò)程：第一步是揭在含有S蘋AEC（量硫代賴氨和酸，為賴漆氨酸的結(jié)娘構(gòu)類似物狂）的培養(yǎng)關(guān)基上篩選嬌出SAE霉C抗性的滾突變株，慌使菌株的持天冬氨酸算激酶對(duì)L吃-賴氨酸衫和L-蘇作氨酸不敏辰感。為了尺進(jìn)一步的名提高產(chǎn)量河，接下來(lái)艙還有多種淋選擇其一、浙在SA夏EC抗萄性調(diào)節(jié)甲突變菌販株基礎(chǔ)瞇上進(jìn)一勾步篩選墾L-亮致氨酸缺碰陷型突撞變株，苗解除L近-亮氨學(xué)酸的2誤，3-及二氫二位羧酸合緣瑞成酶的善抑制。其二、籠在SA廣EC抗凈性突變滾菌株基逮礎(chǔ)上再失進(jìn)一步帽篩選出侄L-丙蜓氨酸營(yíng)認(rèn)養(yǎng)缺陷背型菌株輩。其三，在臨SAEC逐抗性突變修菌株基礎(chǔ)寫上，選育耗對(duì)SAE動(dòng)C、γ-甲耀基-L味-丙氨碰酸（L下-丙氨刃酸類似持物）和靈α-氯超代己內(nèi)擠酰氨（鎮(zhèn)L-亮?xí)灠彼岬姆Y(jié)構(gòu)類呢似物）愚具有多蔽重抗性今的L-津丙氨酸擴(kuò)營(yíng)養(yǎng)缺索陷型菌暖株，則補(bǔ)L-賴?yán)绨彼岙a(chǎn)年量會(huì)提作高更多注：SA笨EC是硫淋代賴氨酸縮慧，為賴氨民酸的結(jié)構(gòu)宿類似物，溫SAECr表示是舅SAE襯C抗性Leu堡表示順亮氨酸辦L富eu-表示此薯此菌株晝是亮氨笑酸缺陷曉型菌株Ala暫表示丙黃氨酸，逆Al臺(tái)a-表示此足此菌株接是丙氨謙酸缺陷童型菌株MA是γ-甲基質(zhì)-L-丙井氨酸，系拉L-丙氨虎酸類似物CCL劍是α-氯刻代己內(nèi)酰奇氨，系L如-亮氨酸溪的結(jié)構(gòu)類餅似物通過(guò)上述切步驟，賴皇氨酸的產(chǎn)桃量變化如酷下：2代謝工尺程育種雜技術(shù)代謝工程軟：又稱代斗謝途徑或冰途徑工程皆，是基于煙代謝流分強(qiáng)析和基因的重組技術(shù)蠻改善菌種吊遺傳性狀往的一種先迫進(jìn)技術(shù)的核工程技術(shù)亦。優(yōu)點(diǎn)：輔方向性猜強(qiáng)、目棟標(biāo)明確穿、效率捆高、技棄術(shù)手段季先進(jìn)、皂過(guò)程可長(zhǎng)控性和箭重現(xiàn)性乘好等缺點(diǎn)：需嗚要掌握相擱應(yīng)的微生列物的代謝頓和遺傳機(jī)煌理知識(shí)，木以及基因牙操作工具輛。舉例：藝S-腺環(huán)苷-L綱-蛋氨瘦酸（S框AM）SAM役：是甲猴硫氨酸已(Me時(shí)t)的吳活性形街式。在械動(dòng)植物根體內(nèi)廣襖泛存在息，它是傭由底物聞L-甲師硫氨酸書(shū)和AT疫P經(jīng)S論-腺苷膨甲硫氨公酸合成川酶酶促局合成的滲。細(xì)胞內(nèi)存音在兩種S逝-腺苷甲陡硫氨酸合鋪成酶酶SAM虛1：其族基因的購(gòu)轉(zhuǎn)錄在痕高濃度葛蛋氨酸只存在下逃受到抑葡制SAM麻2：轉(zhuǎn)襲錄不受兩蛋氨酸啟的抑制據(jù)此，可嫌大大提高侵SAM2罪在DNA昂的拷貝，浮或者1.丙