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凡是细胞核具有核膜、能进行有丝分裂、细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的微小生物,都称为真核微生物。
真菌:
具有细胞壁,不含叶绿素,无根茎叶的分化,以产生大量孢子进行繁殖,以寄生或腐生方式生存的真核微生物。
工业上重要真菌:
酵母菌、霉菌、蕈菌
极端微生物:
极端微生物(extremophiles),也叫极端环境微生物,是最适合生活在极端环境中的微生物的总称,包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜盐、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型
嗜热菌的最著名的产品:
Taq酶
从黄石公园的温泉中分离到的Thermusaquaticus(水生栖热菌),能在80℃下生长,所产的DNA聚合酶叫Taq酶,这种耐热的DNA聚合酶的出现,才使得PCR技术成为一种方便、实用的技术。
现在,由Pyrococcusfuriosus(激烈火球菌,最适温度100℃)所产的PfuDNA聚合酶,其耐热性、保真性更高。
第二节菌株的分离与筛选
新种分离与筛选的一般步骤:
1定方案:
首先要查阅资料,了解所需菌种的生长培养特性,设计合理的筛选方案。
2采样:
有针对性地采集样品。
3增殖(富集):
人为地通过控制养分或培条件,使所需菌种增殖培养后,在数量上占优势。
4分离:
利用分离技术得到纯种。
5生产性能测定:
进行生产性能测定。
这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。
样品采集:
采样对象——土壤、水、空气、枯枝烂叶、植物病株、烂水果等都含有众多微生物,但总体来讲土壤样品的含菌量最多。
采样季节——以温度适中,雨量不多的秋初为好。
采土方式——在选好适当地点后,除去表土,取离地面5-15cm处的土约10g,盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中,扎好,标记,记录采样时间、地点、环境条件等,以备查考。
增殖(富集):
富集的目的:
让目的微生物在种群中占优势,使筛选变得可能。
富集培养的方法:
1控制培养基的营养成分:
不同种类的微生物,对营养的成分的需求不同,在培养基中添加要分离的目的菌容易利用而其他杂菌不易利用的成分,目的菌因得到充足的营养而迅速繁殖,其他微生物则由于不能利用这些物质,生长受到抑制。
2控制培养条件:
在筛选某些微生物时,除通过培养基营养成分的选择外,还可通过它们对pH、温度及通气量等其他一些条件的特殊要求加以控制培养,达到有效的分离目的。
如细菌、放线菌的生长繁殖一般要求偏碱(7.0~7.5),霉菌和酵母菌要求偏酸(4.5~6)。
因此,富集培养基的pH值调节到被分离微生物的要求范围不仅有利于自身生长,也可排除一部分不需要的菌类。
分离放线菌时,可将样品液在40℃恒温预处理20分钟,有利于孢子的萌发,可以较大的增加放线菌数目,达到富集的目的。
3抑制不需要的菌类:
通过高温、高压、加入抗生素等方法减少非目的微生物的数量,使目的微生物的比例增加,同样能够达到富集的目的。
从土壤中分离芽孢杆菌时,由于芽孢具有耐高温特性,100℃很难杀死,要在121℃才能彻底死亡。
可先将土样加热到80℃或在50%乙醇溶液中浸泡1h,杀死不产芽孢的菌种后再进行分离。
在富集培养基中加入适量的胆盐和十二烷基磺酸钠可抑制革兰阳性菌的生长,对革兰阴性无抑制作用。
筛选霉菌时,可在培养基中加入四环素等抗生素抑制细菌,使霉菌在样品的比例提高,从中便于分离到所需的菌株。
分离放线菌时,在样品悬浮液中加入10滴10%的酚或加青霉素(抑制G+菌)、链霉素(抑制G-菌)各30~50U/ml,以及丙酸钠10μg/ml(抑制霉菌类)抑制霉菌和细菌的生长。
某些细菌的富集条件
分离方法
分离是指采用一定的方法,将采集的含菌样品分散接种到分离培养基上,以获得单个的菌落。
常用的分离方法:
水悬浮稀释法、干土喷射法、孢子飞扬法。
水悬浮稀释法:
又称湿法分离,是最常用的一种分离土壤微生物的方法。
具体方法是:
取风干并破碎的土样1g,加如无菌水10mL,剧烈震摇1min,然后静置1min,使粗砂粒沉淀,吸取上面的悬浮液1mL,用无菌水进行系列梯度稀释,取适当浓度的稀释液0.1-0.2mL,涂布于分离平板上培养。
干土喷射法:
又称干法分离。
该法是用一种特制的喷土器将研碎的干土样直接喷射到分离平板上,根据土样的多少、喷射距离的远近以及喷射角度来调节每个平板的喷射量。
孢子飞扬法:
是将土样置于一种瓶口刚好能倒扣一个分离平版的特制瓶中,距离振荡使孢子飞扬,撞在分离平板上,进行分离培养。
该法可分离到许多放线菌。
生产性能测定
确认获得纯的单一菌落后,进行代谢产物的筛选(如产酶、抗生素等),将分离到的符合筛选目标的的菌株保藏、鉴定。
高通量筛选与自动化:
高通量筛选技术(Highthroughputscreening,HTS),是将各种模型固定在微孔板(96孔甚至384孔),进行自动稀释、加样,并用机器人读结果,用计算机记录、计算、整理分析实验结果,使筛选从繁重的劳动中解放出来,实现了筛选的快速、准确、微量、重现性高和大规模化。
高通量筛选技术的关键是建立一种微量、灵敏、可自动化操控的筛选模型。
以热稳定蛋白酶产生菌筛选为例:
将选出的菌落接液体试管进行微量培养,以对硝基苯胺短肽衍生物为反应底物,在96孔板中65℃下反应10min和40min,分别用微孔读板仪测定酶活,然后用两种酶活的比值作图来代表酶的热稳定性,选出热稳定性高的菌株。
第三节菌种改良
菌种改良的方法:
自然选育、诱变育种、杂交育种和基因工程育种。
自然选育:
在生产过程中,未经人工诱变或杂交处理,利用菌种的自发突变,从而选育出优良菌种的过程,叫做自然选育。
一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。
自然状态下,碱基对发生自然突变的机率仅为10-8~10-9,出现优良性状的可能较小,需坚持相当长的时间才能收到效果。
诱变育种:
诱变育种是指用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质(DNA)的分子结构发生改变,引起性状变异并通过筛选获得符合要求的突变菌株的一种育种方法。
诱变育种与其他育种方法相比,具有操作简便、突变率高、突变谱广的优点,它不仅能提高产量,改进质量,还可扩大产品品种和简化工艺条件,至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。
诱变育种的不足是缺乏定向性。
诱变剂:
能够提高生物体突变频率的物质称为诱变剂。
物理诱变剂中目前使用得最方便而且十分有效的是紫外线。
许多高产菌株的选育都用过紫外线,对于一般实验室、中小型工厂都适用,也很安全。
化学诱变剂中使用最多、最有效的是烷化剂。
其中亚硝基胍和甲基磺酸乙酯常被称为“超诱变剂”,甲基磺酸乙酯是毒性最小的诱变剂之一。
大部分诱变剂是致癌剂,所以在使用中必须非常谨慎,要避免化学诱变剂与皮肤接触,且切勿吸入其蒸气。
诱变育种的一般步骤:
诱变育种包括出发菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。
1.出发菌株的选择
出发菌株应具备:
①对诱变剂的敏感性高;
②具有特定生产性状的能力或潜力。
要尽量选择单倍体细胞、单核或核少的多细胞体来作出发诱变细胞,这是由于变异性状大部分是隐性的,特别是高产基因。
出发菌株开始时可以同时选2~3株,在处理比较后,将更适合的出发菌株留作继续诱变。
2.诱变处理
(1)诱变剂的选择:
在同样效果下,应选用最方便的因素;
而在同样方便的情况下,则应选择最高效的因素。
在物理诱变剂中,尤以紫外线为最方便,而在化学诱变剂中,一般可选用诱变效果最为显著的“超诱变剂”,如NTG。
(2)诱变处理方式
单一因子处理
复合因子处理:
两种以上因素先后使用、同时使用或单一因子重复使用
3.突变株筛选
菌种经诱变处理后,会产生各种各样的突变类型,需要选择一定的筛选方式,将具有所需性状的突变株筛选出来。
实际工作中,为了提高筛选效率,往往将筛选工作分为初筛和复筛两步进行。
初筛的目的:
删去明确不符合要求的大部分菌株,把生产性状类似的菌株尽量保留下来,使优良性状的菌株不至于漏网;
因此,初筛工作以量为主,测定的精确性还在其次;
初筛手段应尽可能快速、简单。
复筛的目的:
确认符合要求的菌株;
复筛以质为主,应精确测定每个菌株的生产指标。
突变株的常用筛选方法:
1菌体形态变异分析:
有些菌体的形态变异与产量的变异存在着一定的相关性,这就能很容易地将变异菌株筛选出来。
尽管相当多的突变菌株并不存在这种相关性,但是在筛选工作中应尽可能捕捉、利用这些直接的形态特征性变化。
当然,这种鉴别方法只能用于初筛。
2平皿快速检测法:
是利用菌体在特定固体培养基平板上的生理生化反应,将肉眼观察不到的产量性状转化成可见的“形态”变化。
具体的有纸片培养显色法、变色圈法、透明圈法、生长圈法和抑制圈法等。
一般只能定性或半定量用,常只用于初筛,可以大大提高筛选的效率。
3摇瓶培养法:
是将待测菌株的单菌落分别接种到三角瓶培养液中,振荡培养,然后,再对培养液进行分析测定。
摇瓶与发酵罐的条件较为接近,所测得的数据就更有实际意义。
但是摇瓶培养法需要较多的劳力、设备和时间,所以,摇瓶培养法常用于复筛。
4特殊变异菌株的筛选方法:
特殊变异菌株,如营养缺陷型、抗性突变菌株、温度敏感突变株、组成型突变株等。
营养缺陷型或抗性突变等的性状就象一个高效分离的“筛子”,以它们为筛选的条件,可以大大加快筛选的进程并有效地防止漏筛。
在现代的育种中,常有意以它们作为遗传标记选择亲本或在DNA中设置含这些遗传标记的片段,使菌种筛选工作更具方向性和预见性。
杂交育种:
不同基因型的品系或种属间,通过交配或体细胞融合等手段形成杂种,或者是通过转化和转导形成重组体,再从这些杂种或重组体或是它们的后代中筛选优良菌种。
这种育种方法称为杂交育种。
通过这种方法可以分离到具有新的基因组合的重组体,也可以选出由于具有杂种优势而生长旺盛、生物量多、适应性强以及某些酶活性提高的新品系。
杂交育种的方式因实验菌株的生殖方式不同而异,如有性杂交、准性重组、原生质体融合、转化、转导、杂种质粒的转化等;
但是,选择亲株、分离群体后代的培养、择优去劣和杂种遗传分析的过程基本是相同的。
杂交法:
一般指有交配反应的菌株进行交配或接合而形成杂种。
这种方法适用范围很广,在酒类、面包、药用和饲料酵母的育种,链霉菌和青霉菌抗生素产量的提高,曲霉的酶活性增强等方面均已获得成功。
原生质体融合:
是最近几十年发展起来的基因重组技术,通过两个遗传性状不同的亲株原生质体融合而达到杂交目的。
此法在工业微生物的菌种改良中有积极作用,已成为工业微生物育种的重要手段。
原生质体融合育种技术
原生质体(Protoplast):
采用一定方法技术去掉细胞壁,剩下的细胞部分称之为原生质体。
原生质体融合(Protoplastfusion):
用物理、化学或生物学方法,诱导遗传特性不同的两亲本原生质体相互接触、融合,经染色体交换、重组而达到杂交目的,经筛选获得集双亲优良性状于一体的稳定融合子(fusant)。
原生质体融合育种的优点:
杂交频率较高链霉菌通过原生质体融合,后代的重组率达1%,比准性重组率高20-20000倍。
扩大重组的亲本范围原生质体由于完全或部分去除了细胞壁,能实现常规杂交无法做到的种间、属间、门间等远缘杂交。
提高菌株产量的潜力较大原生质体融合时亲本整套染色体参与交换,遗传物质转移和重组性状较多,集中双亲本优良性状机会更大。
原生质体融合育种步骤:
1.标记菌株的筛选和稳定性验证。
2.原生质体制备。
3.等量原生质体加聚乙二醇促进融合。
4.涂布于再生培养基,再生出菌落。
5.选择性培养基上划线生长,分离验证,挑取融合子进一步试验、保藏。
6.生产性能筛选。
基因工程育种:
是指利用DNA重组技术将外源基因导入到微生物细胞,使后者获得前者的某些优良性状或表达前者的基因产物而获得新种。
基因工程育种的特点:
❑打破了物种的界限,突破了亲缘关系的限制
❑可进行定向变异和育种
❑可创造出自然界中原本没有的生物
基因工程育种的基本步骤:
1.获得目的基因;
2.选择载体;
3.目的基因与载体在体外连接;
4.重组DNA分子导入宿主菌;
5.筛选、鉴定阳性重组子。
1、目的基因的获得
选择目的基因的途径有4种:
①选择适宜的给体细胞,以便从中采集分离到有生产意义的目的基因;
②通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA(互补DNA);
③通过聚合酶链反应(PCR),以基因组DNA或cDNA模板扩增得到目的基因片段;
④用化学方法合成特定功能的基因。
2、选择载体
载体(Vector)是携带目的基因并将其转移至受体细胞内复制和表达的运载工具。
载体必须具备下列几个条件:
①是一个有自我复制能力的复制子;
②能在受体细胞内大量增殖,有较高的复制率;
③最好只有一个限制性内切酶的切口,使目的基因能固定地整合到载体DNA的一定位置上;
④载体上必须有一种选择性遗传标记,如具有四环素、氨苄青霉素等的抗性基因,以便及时把极少数“工程菌”选择出来。
3、目的基因与载体连接
获得目的DNA片段和载体DNA片段后,要把两者连接起来形成重组体。
目的基因与载体DNA均采用限制性内切酶处理,然后在DNA连接酶催化下,两条双链DNA片段相邻的5’-磷酸和3’-羟基间形成磷酸二酯键,形成一个完整的有复制能力的环状重组体。
在分子克隆中最有用的的DNA连接酶是来自T4噬菌体的DNA连接酶。
4、重组DNA分子导入宿主菌
体外连接的重组DNA分子必须导入适当的受体细胞中才能大量的复制、增殖和表达。
根据所采用的载体的性质,将重组DNA分子导入受体可有不同的方法。
转化:
指以细菌质粒为载体,将外源基因导入受体细胞的过程。
转化时,细菌必须经过适当的处理使之处于感受态-即容易接受外源DNA的状态,然后利用短暂热休克使DNA导入细菌宿主中。
此外还可用电穿孔法转化细菌,它的优点是操作简便、转化效率高、适用于任何菌株。
转染和感染:
利用噬菌体DNA作为载体时可经两种方式导入受体菌。
一种是感染,即在体外将噬菌体DNA包装成病毒颗粒,然后使其感染受体菌。
另一种方式是转染,即在DNA连接酶作用下使噬菌体DNA环化,再象重组质粒一样地转化进受体菌。
但习惯上常把以噬菌体DNA为载体构建成的重组子导入细胞的过程统称为转染。
5、阳性重组子的筛选、鉴定
长出的菌落不一定都是含有正确目的DNA片段的阳性重组子,因此需要从转化细菌菌落中筛选、鉴定出含有阳性重组子的菌落。
鉴定的方法有直接筛选法和分子生物学间接筛选法。
前者利用可选择的遗传表型和功能如抗药性、蓝白斑、噬菌斑等可以直观、快速的在大量群体中进行筛选;
后者根据目的基因的大小、核苷酸序列、基因表达产物的特性,用限制性酶切、分子杂交、核苷酸序列分析及表达产物分析。
第3章发酵工艺
第一节微生物发酵的一般流程
发酵概念:
利用微生物,在适宜的条件下,将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。
发酵类别:
v根据对氧的需要区分:
厌氧和有氧发酵
v根据培养基物理性状区分:
液体和固体发酵
v根据微生物生长特性区分:
分批发酵和连续发酵
发酵的一般流程
(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制;
(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌;
(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中;
(4)将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物;
(5)将产物抽提并进行提纯,以得到合格的产品;
(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水。
培养基的配制
1.培养基:
广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长、繁殖所需的一组营养物质和原料。
2.发酵培养基的作用:
Ø
满足菌体的生长
促进产物的形成
3.发酵培养基的成分及来源
(1)碳源
作用:
提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分;
提供合成目的产物所必须的碳成分。
来源:
糖类、油脂、有机酸、正烷烃
工业上常用的糖类:
①葡萄糖:
所有的微生物都能利用葡萄糖,但是会引起葡萄糖效应;
②糖蜜:
糖蜜是制糖生产时的结晶母液,它是制糖工业的副产物。
糖蜜使用的注意点:
除糖份外,含有较多的杂质,其中有些是有用的,但是许多都会对发酵产生不利的影响,需要进行预处理。
③淀粉、糊精
缺点:
难利用;
发酵液比较稠、一般>
2.0%时加入一定的α-淀粉酶;
成分比较复杂,有直链淀粉和支链淀粉等等。
优点:
来源广泛、价格底;
难利用,可以解除葡萄糖效应。
注:
不同碳源对微生物自身生长、发酵过程及产物会产生不同的影响。
(2)氮源
氮源主要用于构成菌体细胞物质(氨基酸,蛋白质、核酸等)和含氮代谢物。
常用的氮源可分为两大类:
有机氮源和无机氮源。
无机氮源
无机氮源被菌体作为氮源利用后,培养液中就留下了酸性或碱性物质,这种经微生物生理作用(代谢)后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质,如硫酸胺,若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质,如硝酸钠。
有机氮源
成分复杂:
除提供氮源外,有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。
氮源使用的一些相关问题:
❑有机氮源和无机氮源应当混合使用
早期:
容易利用易同化的氮源—无机氮源
中期:
菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质
❑有些产物会受氮源的诱导和阻遏
❑有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力
❑开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣的课题
(3)无机盐的微量元素
使用注意点:
A.对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑;
B、使用时注意盐的形式(pH的变化)
(4)生长因子、前体和产物促进剂
生长因子:
凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。
前体:
指某些化合物加入到发酵培养基中,能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去,而其自身的结构并没有多大变化,但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
产物促进剂:
是指那些非细胞生长所必须的营养物,又非前体,但加入后却能提高产量的添加剂。
(5)水
水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。
4.发酵培养基的要求
①培养基能够满足产物最经济的合成。
②发酵后所形成的副产物尽可能的少。
③培养基的原料应因地制宜,价格低廉;
且性能稳定,资源丰富,便于采购运输,适合大规模储藏,能保证生产上的供应。
④所选用的培养基应能满足总体工艺的要求,如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。
培养基与发酵设备的灭菌
1杂菌:
除生产菌以外的任何微生物。
2污染:
感染杂菌的培养或发酵体系。
3培养基灭菌:
是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子,或从中将其除去。
工业规模的液体培养基灭菌,杀灭杂菌比除去杂菌更为常用。
4灭菌与消毒的区别
灭菌:
用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物,包括营养细胞、细菌芽孢和孢子,杀灭率99.999999%以上。
消毒:
用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物,达到无害化程度,杀灭率99.9%以上。
5灭菌的方法、原理
(1)化学灭菌:
用化学物质杀灭微生物的灭菌操作。
化学灭菌剂:
氧化剂类等,卤化物类,有机化合物等。
机理:
蛋白质变性,酶失活,破坏细胞膜透性,细胞死亡。
应用:
皮肤表面、器具、实验室和工厂的无菌区域的台面、地面、墙壁及空间的灭菌。
(2)物理灭菌:
各种物理条件如高温、辐射、超声波及过滤等进行灭菌。
种类:
紫外线等射线:
局部空间
干热灭菌:
实验室器皿
蒸汽灭菌:
培养基效果好,操作方便,广泛使用。
(3)蒸汽灭菌的原理:
每一种微生物都有一定的最适生长温度范围。
当微生物处于最低温度以下时,代谢作用几乎停止而处于休眠状态。
当温度超过最高限度时,微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性,使微生物在很短时间内死亡,加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。
致死温度:
杀死微生物的极限温度。
致死时间:
在致死温度下,杀死全部微生物所需的时间;
在致死温度以上,温度愈高,致死时间愈短。
微生物的热阻:
是指微生物在某一特定条件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。
相对热阻:
指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。
微生物浓度与灭菌时间成正比,浓度越高,灭菌时间越长。
培养基灭菌工艺
(1)分批灭菌操作,间歇灭菌,实罐灭菌:
配制好培养基输入发酵罐内,直接蒸汽加热,达到灭菌要求的温度和压力后维持一段时间,再冷却至发酵要求的温度。
特点:
不需其他的附属设备,操作简便,手动。
加热和冷却时间较长。
营养成分损失较多,罐利用率低。
适合小批量生产规模。
(2)连续灭菌操作:
高温短时灭菌操作,培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌,冷却后送入已灭菌的发酵罐内的工艺过程。
加热升温、维持灭菌温度和冷却降温三个阶段由不同的设备执行:
加热器,保温设备,冷却器。
连续灭菌的特点
1)高温快速灭菌工艺,营养成分破坏的少;
2)热能利用合理,易于自动化控制
3)不适合粘度大或固形物含量高的培养基灭菌;
4)增加了连续灭菌设备及操作环节,增加染菌几率。
5)对压力要求高,一般为0.45-0.8MPa。
空气除菌工艺
1、发酵对空气的要求
2、工业制备大量空气的方法
加热灭菌:
利用空气压缩时所产生的热量除菌,无菌化程度不高的发酵过程。
静电除菌:
通过高压电流场,带电粒子被吸附。
介质过滤:
捕集粒子及各种微生物。
发酵工业采用。
3、空气除菌原理
v空气中附着在尘埃上的微生物大小为
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