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上篇 工业微生物学基础 1

1 绪论 3

1.1 微生物及其特点 3

1.1.1 微生物 3

1.1.2 微生物的特点 3

1.1.2.1 体积小、面积大 4

1.1.2.2 吸收快、转化快 4

1.1.2.3 生长旺、繁殖快 4

1.1.2.4 易变异、适应性强 5

1.1.2.5 种类多、分布广 6

1.2 微生物学的发展简史 6

1.2.1 古代中国对微生物的利用 6

1.2.2 微生物的发现及微生物学的发展 7

1.2.2.1 微生物学的启蒙时期——形态学期 7

1.2.2.2 微生物学的奠基时期——生理学期 8

1.2.2.3 微生物学的分子时代——分子生物学期 14

1.3 工业微生物学及其研究的对象和任务 16

1.3.1 工业微生物学及其研究对象 16

1.3.2 我国工业微生物学的研究概况 16

1.3.3 现代工业微生物学的发展趋势 17

复习思考题 20

2 微生物的形态与分类 21

2.1 微生物在生物界中的地位 21

2.2 微生物的分类与命名 24

2.2.1 微生物的分类和鉴定方法 25

2.2.1.1 传统的微生物分类方法 25

2.2.1.2 现代微生物分类方法 26

2.2.1.3 数值分类法 28

2.2.2 微生物的分类系统 29

2.2.2.1 细菌的分类系统 29

2.2.2.2 放线菌分类系统 30

2.2.2.3 真菌分类系统 30

2.2.3 微生物的命名法则 31

2.3 原核微生物的形态 33

2.3.1 微生物细胞 34

2.3.2 染色技术 35

2.3.2.1 正染和负染 35

2.3.2.2 染料 36

2.3.3 细菌 36

2.3.3.1 细菌的形态 36

2.3.3.2 细菌细胞大小 39

2.3.3.3 细菌细胞的结构 39

2.3.3.4 细菌的繁殖方式 60

2.3.3.5 细菌的培养特征 60

2.3.3.6 常见的细菌 63

2.3.4 放线菌 64

2.3.4.1 放线菌的形态构造 64

2.3.4.2 放线菌菌落形态 66

2.3.4.3 放线菌的生活史 66

2.3.4.4 放线菌的繁殖 66

2.3.4.5 放线菌生理 67

2.3.4.6 放线菌的代表属 68

2.3.4.7 放线菌与细菌的比较 69

2.3.5 蓝细菌 69

2.3.6 立克次体，支原体，衣原体 71

2.3.6.1 立克次体 71

2.3.6.2 支原体 71

2.3.6.3 衣原体 72

2.4 真核微生物 73

2.4.1 酵母菌 73

2.4.1.1 酵母菌的形态和大小 74

2.4.1.2 酵母菌的细胞构造 75

2.4.1.3 酵母菌的繁殖方式和生活史 78

2.4.1.4 酵母菌的菌落 82

2.4.1.5 酵母菌的分类 82

2.4.1.6 工业上常见的酵母菌 83

2.4.2 霉菌 85

2.4.2.1 霉菌的形态和构造 85

2.4.2.2 霉菌菌落的形态特征 87

2.4.2.3 霉菌的个体形态和结构 87

2.4.2.4 霉菌的繁殖方式 89

2.4.2.5 霉菌的生活史 93

2.4.3 担子菌 96

2.4.3.1 担子菌的一般形态构造 96

2.4.3.2 担子菌的繁殖方式 97

2.4.3.3 担子菌的生活史 98

2.5 非细胞型微生物 98

2.5.1 病毒 98

2.5.1.1 病毒的形态及构造 99

2.5.1.2 病毒（噬菌体）的生长繁殖 105

2.5.1.3 噬菌体的生活史 108

2.5.1.4 噬菌体的分离 109

2.5.1.5 噬菌体的污染与防治 110

2.5.1.6 干扰素 110

2.5.2 类病毒 111

2.5.3 拟病毒 112

2.5.4 朊病毒 112

复习思考题 113

3 微生物的营养和生长 116

3.1 微生物的营养 116

3.1.1 微生物的营养类型 116

3.1.1.1 光能自养型或称光能无机自养型 116

3.1.1.2 光能异养型 117

3.1.1.3 化能自养型 117

3.1.1.4 化能异养型 117

3.1.2 微生物的营养要素 118

3.1.2.1 水 118

3.1.2.2 碳源 119

3.1.2.3 氮源 120

3.1.2.4 无机盐 120

3.1.2.5 生长因子 121

3.1.2.6 能源 122

3.1.3 微生物的培养基 123

3.1.3.1 培养基的配制原则 123

3.1.3.2 培养基的种类 124

3.1.4 营养物质的跨膜运输 128

3.1.4.1 营养物质的被动扩散 129

3.1.4.2 微生物对营养物质的主动运输 130

3.2 微生物的生长 133

3.2.1 微生物生长的测定 133

3.2.1.1 直接法 133

3.2.1.2 间接法 136

3.2.2 微生物的群体生长规律 137

3.2.2.1 分批培养 138

3.2.2.2 连续培养 140

3.2.2.3 同步分裂培养 140

3.2.2.4 微生物生长与产物形成的关系 141

3.3 微生物的培养方法 142

3.3.1 固体培养 143

3.3.1.1 实验室常见的固体培养 143

3.3.1.2 生产中常见的固体培养 145

3.3.2 液体培养 146

3.3.2.1 实验室常见的液体培养 147

3.3.2.2 生产中常见的液体培养 147

3.3.3 连续培养 149

3.3.3.1 恒化培养 149

3.3.3.2 恒浊培养 150

3.3.3.3 多级连续培养 151

3.3.3.4 固定化细胞连续培养 151

3.3.3.5 连续培养的局限性 152

3.3.4 补料分批培养 153

3.3.5 混菌培养 154

3.4 影响微生物生长的环境因素 155

3.4.1 物理因子对微生物生长的影响 155

3.4.1.1 温度对微生物生长的影响 155

3.4.1.2 水分对微生物生长的影响 159

3.4.1.3 表面张力对微生物生长的影响 160

3.4.1.4 辐射对微生物生长的影响 160

3.4.1.5 液体静压力（对微生物生长的影响） 161

3.4.1.6 声波对微生物生长的影响 161

3.4.2 化学因子对微生物生长的影响 162

3.4.2.1 氢离子浓度对微生物生长的影响 162

3.4.2.2 氧化还原电位对微生物生长的影响 163

3.5 消毒和灭菌 164

3.5.1 常见的灭菌和消毒的物理方法 165

3.5.1.1 干热灭菌法 165

3.5.1.2 湿热灭菌法 166

3.5.1.3 过滤除菌法 171

3.5.1.4 紫外线灭菌 174

3.5.1.5 γ射线灭菌 175

3.5.1.6 微波灭菌 175

3.5.2 常用控菌的化学方法 175

3.5.2.1 化学表面消毒剂 175

3.5.2.2 防腐剂 177

3.5.2.3 化学治疗剂 177

3.6 菌种保藏 179

3.6.1 菌种的退化及防治 179

3.6.1.1 菌种退化 179

3.6.1.2 菌种退化的原因 179

3.6.1.3 菌种退化的防治 180

3.6.2 菌种保藏的原理和方法 181

3.6.2.1 定期移植保藏法 181

3.6.2.2 液体石蜡保藏法 182

3.6.2.3 沙管保藏法、土壤保藏法 182

3.6.2.4 麸皮保藏法 182

3.6.2.5 蒸馏水保藏法 182

3.6.2.6 冷冻干燥保藏法 183

3.6.2.7 液氮超低温保藏法 184

3.6.2.8 甘油保藏法 185

3.6.3 国内外菌种保藏机构 186

复习思考题 187

4 微生物代谢的调节 189

4.1 酶合成的调节 189

4.1.1 酶的诱导 189

4.1.2 酶合成的阻遏 191

4.1.2.1 末端代谢产物阻遏 192

4.1.2.2 分解代谢物阻遏 193

4.2 酶活性的调节 195

4.3 微生物代谢调节的模式 196

4.3.1 直线式代谢途径的反馈控制 196

4.3.2 分支代谢途径的反馈控制 197

4.3.2.1 协同或多价反馈控制 197

4.3.2.2 合作反馈控制 197

4.3.2.3 累积反馈控制 198

4.3.2.4 顺序反馈控制 198

4.3.2.5 同工酶控制 198

4.4 代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用 199

4.4.1 遗传学的方法 200

4.4.1.1 营养缺陷型突变株的应用 200

4.4.1.2 抗反馈控制突变株的应用 201

4.4.1.3 选育组成型和超产突变株 203

4.4.1.4 增加结构基因数目 203

4.4.2 生物化学方法 203

4.4.2.1 添加前体绕过反馈控制点 203

4.4.2.2 添加诱导剂 203

4.4.2.3 发酵与分离过程耦合 203

4.4.2.4 控制细胞膜的通透性 204

4.4.2.5 控制发酵的培养基成分 204

复习思考题 205

5 微生物的菌种选育 206

5.1 从自然界中获得新菌种 206

5.1.1 采样 206

5.1.2 增殖 207

5.1.3 纯化 207

5.1.4 性能鉴定 208

5.2 基因突变和微生物菌种选育 208

5.2.1 遗传的物质基础 208

5.2.1.1 遗传物质化学本质的确证 208

5.2.1.2 核酸的结构与复制 210

5.2.2 基因突变 213

5.2.2.1 突变现象 213

5.2.2.2 突变的诱发因素 214

5.2.2.3 基因突变的特点 215

5.2.2.4 突变机制 218

5.2.3 自发突变与定向培育 220

5.2.4 诱变育种 221

5.2.4.1 诱变剂及其诱发机理 221

5.2.4.2 诱变育种方法 227

5.2.4.3 致突变物和致癌物的微生物检测 230

5.3 杂交育种 231

5.3.1 真核微生物的基因重组 231

5.3.1.1 酵母菌的有性杂交 231

5.3.1.2 霉菌的准性生殖 232

5.3.2 原核微生物的基因重组 233

5.3.2.1 细菌的接合 234

5.3.2.2 F因子转导 236

5.3.2.3 转导 236

5.3.2.4 转化 239

5.4 原生质体融合 240

5.4.1 选择亲株 241

5.4.2 原生质体制备 241

5.4.3 原生质体融合 242

5.4.4 原生质体再生 243

5.4.5 筛选优良性状融合重组子 243

5.5 基因工程 243

5.6 微生物育种新思路 245

5.6.1 拓展自然界中菌种筛选的范围和手段 245

5.6.2 以定点突变为代表的理性设计 246

5.6.3 以定向进化为代表的非理性设计 247

5.6.4 合成生物学 249

5.7 菌种筛选 251

5.7.1 菌种筛选方案 251

5.7.2 一般变异菌的筛选方法 251

5.7.2.1 从菌体形态变异分析 251

5.7.2.2 平皿快速检测法 252

5.7.2.3 摇瓶培养法 253

5.7.3 特殊变异菌的筛选方法 253

5.7.3.1 营养缺陷型突变株的筛选 253

5.7.3.2 抗性突变菌株的筛选 257

5.7.3.3 组成酶变异株的筛选 259

5.7.3.4 高分子废弃物分解菌的筛选 259

5.7.3.5 无泡沫菌株及高凝聚性菌株的筛选 259

复习思考题 260

下篇 工业微生物学应用 260

6 微生物能量代谢产物 265

6.1 从碳氢化合物经济向碳水化合物经济过渡中微生物能量代谢产物的地位 265

6.2 微生物能量代谢产物的发展历史和代谢途径 267

6.2.1 微生物能量代谢产物生产的发展历史 267

6.2.2 微生物能量代谢产物的代谢途径 268

6.3 微生物厌氧发酵的能量代谢产物 269

6.3.1 酒精发酵的微生物 269

6.3.1.1 葡萄糖发酵生产酒精的酵母 270

6.3.1.2 葡萄糖发酵生产酒精的细菌 270

6.3.1.3 戊糖发酵生产酒精的微生物 270

6.3.2 丙酮／丁醇发酵 274

6.3.3 发酵法生产2，3－丁二醇的微生物 274

6.3.4 乳酸发酵的微生物 275

6.3.5 丙酸发酵的微生物 277

6.3.6 丁酸发酵的微生物 278

6.4 好氧发酵的能量代谢产物 278

6.4.1 柠檬酸发酵的微生物 278

6.4.1.1 利用淀粉作为碳源发酵生产柠檬酸的黑曲霉 279

6.4.1.2 利用烷烃生产柠檬酸的假丝酵母 280

6.4.2 好氧发酵产生的其他有机酸 281

6.4.2.1 葡萄糖酸发酵 281

6.4.2.2 衣康酸发酵 281

6.4.2.3 其他有机酸发酵 282

复习思考题 282

7 氨基酸发酵的微生物 283

7.1 概述 283

7.1.1 微生物发酵法生产氨基酸的历史和发展趋势 283

7.1.2 发酵法生产氨基酸的微生物 284

7.2 氨基酸发酵机理和菌种选育 285

7.2.1 氨基酸发酵机理 285

7.2.2 发酵法生产氨基酸的菌种选育 286

7.2.2.1 从营养缺陷型突变株选育氨基酸产生菌 286

7.2.2.2 选育生产氨基酸的代谢调节突变菌株 289

7.2.3 利用氨基酸生物合成的前体生产氨基酸 293

7.2.4 利用基因重组技术获得氨基酸生产菌种 294

复习思考题 295

8 核苷、核苷酸及其类似物的微生物发酵 297

8.1 引言 297

8.2 核苷酸的代谢机理 298

8.2.1 嘌呤类核苷酸的生物合成途径及调节机制 298

8.2.2 嘧啶核苷酸的生物合成途径和调节机制 298

8.3 核苷酸类物质生产菌的分离和选育 299

8.3.1 核苷酸类物质生产菌的分离 299

8.3.1.1 生长圈法 299

8.3.1.2 特殊平板培养法 299

8.3.2 核苷酸类物质生产菌选育 300

8.4 发酵法生产核苷酸类物质 301

8.4.1 发酵法生产5′－IMP 301

8.4.2 直接发酵生产5′－IMP 302

8.4.3 直接发酵法生产5′－GMP 302

8.4.3.1 发酵法生产AICAR 303

8.4.3.2 发酵法生产鸟苷 303

8.4.4 发酵法生产腺苷、腺苷酸和其他腺苷酸类似物 304

8.4.5 发酵法生产S－腺苷－L－蛋氨酸 304

复习思考题 306

9 微生物和酶制剂工业 307

9.1 概述 307

9.1.1 酶的分类和命名 307

9.1.2 主要的微生物酶制剂 309

9.1.3 产酶微生物的来源和特点 310

9.2 酶合成的调节和控制 312

9.2.1 原核生物中酶合成的基因水平调节和控制 312

9.2.2 真核微生物产酶的基因水平调节和控制 314

9.3 微生物中酶生物合成调节和控制在菌种选育中的应用 314

9.3.1 产酶菌种的筛选 314

9.3.2 微生物产酶的诱导及组成型变异株的选育 315

9.3.3 酶合成的反馈阻遏及其解除 316

9.3.4 酶的分解代谢阻遏及其解除 317

9.3.5 酶生物合成与微生物生长的关系 319

9.4 酶蛋白的释放 319

9.5 应用基因重组技术获得酶制剂的生产菌种 321

复习思考题 323

10 微生物发酵生产抗生素 324

10.1 概述 324

10.1.1 微生物次级代谢产物 324

10.1.2 抗生素的定义和分类 324

10.2 抗生素生产菌的微生物学基础 328

10.2.1 芽孢杆菌属 328

10.2.2 假单胞菌属 328

10.2.3 链霉菌和链轮丝菌 329

10.2.3.1 氨基环多醇类抗生素 329

10.2.3.2 含聚酮链结构的抗生素 330

10.2.3.3 聚酮链经取代、还原后的次级代谢产物 330

10.2.3.4 多肽类抗生素 331

10.2.3.5 核苷类抗生素 332

10.2.4 其他放线菌生产的抗生素 332

10.2.4.1 诺卡菌形放线菌 332

10.2.4.2 游动放线菌 333

10.2.4.3 足分枝菌 333

10.2.5 黏细菌 334

10.2.6 曲霉 334

10.2.7 青霉 334

10.2.8 生产抗生素和次级代谢产物的其他微生物 335

10.3 新抗生素生产菌种的筛选 335

10.3.1 抗生素的基本筛选方法 335

10.3.2 提高筛选效率 336

10.3.2.1 改进筛选方法 336

10.3.2.2 改进抗生素生物活性的试验方法 337

10.4 抗生素的生物合成机理 338

10.4.1 研究抗生素生物合成途径的方法 339

10.4.1.1 示踪剂技术 339

10.4.1.2 利用阻断突变技术确定中间代谢产物 339

10.4.1.3 酶的鉴别 340

10.4.2 抗生素生物合成反应和途径 340

10.4.2.1 类型Ⅰ反应：初级代谢产物转化为生物合成的中间产物 340

10.4.2.2 类型Ⅱ反应：小分子代谢产物的聚合 343

10.4.2.3 类型Ⅲ反应：基本结构的修饰 350

10.5 抗生素生物合成的调节 351

10.5.1 反馈调节 351

10.5.2 营养物浓度的调节 352

10.5.2.1 碳源阻遏 352

10.5.2.2 氮源调节 352

10.5.2.3 磷酸盐控制 353

10.5.3 自调节因子和多效应影响因子 353

10.6 微生物对抗生素的自抗性 354

10.7 抗生素生产菌种的选育 356

10.7.1 菌种的提纯 356

10.7.2 诱变和筛选 356

10.7.3 基因工程在抗生素生产菌选育中的应用 359

复习思考题 360

11 微生物和基因工程 361

11.1 概述 361

11.2 基因工程工具酶 363

11.2.1 限制性内切酶 363

11.2.2 连接酶 364

11.2.3 其他常用的基因工程工具酶 366

11.3 获得目的基因 366

11.3.1 PCR法 367

11.3.2 获得原核生物目的基因 368

11.3.3 真核生物目的基因的获得 369

11.4 基因工程载体 370

11.4.1 用于原核生物宿主的载体 370

11.4.1.1 质粒载体 371

11.4.1.2 噬菌体载体 372

11.4.1.3 柯斯质粒 373

11.4.2 用于真核生物宿主的载体 374

11.4.3 基因工程载体的设计 374

11.5 目的基因与载体DNA的连接 376

11.6 宿主细胞选择 377

11.7 目的基因导入宿主细胞 378

11.7.1 转化 378

11.7.2 转导 379

11.7.3 显微注射 379

11.7.4 高压电穿孔法 379

11.7.5 多聚物介导法 379

11.7.6 粒子轰击法 380

11.8 重组体的筛选 380

11.8.1 利用抗生素抗性基因筛选 380

11.8.2 营养缺陷互补法筛选 381

11.8.3 核酸杂交法筛选 381

11.8.4 通过免疫反应筛选 382

11.8.5 通过酶活性筛选 382

11.9 目的基因的高效表达 382

11.9.1 质粒设计对目的基因表达的影响 382

11.9.2 目的基因的高效分泌型表达 383

11.9.3 重组细胞培养基设计和培养条件优化 383

11.9.4 利用细胞培养工程手段提高基因表达水平 384

11.9.5 提高基因工程菌的质粒稳定性 384

11.9.5.1 引起基因工程菌质粒不稳定的原因 384

11.9.5.2 生长速率引起的质粒不稳定 385

11.10 代谢工程 385

11.11 蛋白质工程及基因重排 387

11.12 基因工程的应用与发展前景 388

复习思考题 389

12 微生物与环境保护 390

12.1 环境中微生物的相互作用 390

12.2 环境保护中常见的微生物群 393

12.2.1 好氧微生物群 393

12.2.1.1 好氧的有机化能异养型微生物 393

12.2.1.2 原生动物 395

12.2.1.3 与污泥膨胀有关的微生物 396

12.2.2 厌氧微生物群 396

12.2.2.1 水解发酵细菌 397

12.2.2.2 产氢、产乙酸细菌 398

12.2.2.3 产甲烷细菌 399

12.3 利用微生物降解有毒、难分解的污染物 402

12.4 降解有害有毒污染物的特殊微生物 403

12.4.1 硫细菌 403

12.4.1.1 无色硫细菌 403

12.4.1.2 光养型硫细菌 405

12.4.2 降解木质素及多环芳烃的微生物 407

12.4.2.1 黄孢原毛平革菌 408

12.4.2.2 彩绒革盖菌 409

12.4.2.3 白腐菌在造纸工业中的应用 410

12.4.2.4 白腐菌在多环芳烃降解和染料降解中的应用 411

12.4.3 降解含氯有机化合物的微生物 412

12.4.3.1 氯代烃的降解机理 412

12.4.3.2 微生物共代谢在含氯有机物降解中的作用 413

12.5 生物修复 413

复习思考题 414

附录1 微生物学发展史上相关事件及有关的诺贝尔奖 415

附录2 伯杰氏细菌系统分类学手册 415

附录3 病毒的分类 415

参考文献 416