材料微生物技术

1主讲人：钱春香教授[e-mail]材料微生物技术王瑞兴讲师[e-mail]2012年9月12日材料楼2022主要内容二、神奇的微生物2四、本课程学习计划与要求4一、认识微生物31三、微生物在国民经济和社会发展中的作用333主要内容一、认识微生物31微生物的概念微生物(Microorganism,microbe)是指一大类形体微小、结构简单的低等生物的总称。微生物的三个特点小测量单位为微米或纳米简简单多细胞；单细胞；无细胞结构低进化程度低，为原始的生命形式微生物小的直观感觉真核细胞型原核细胞型电镜微生物的相对大小肉眼光学显微镜可见范围病毒微生物的种类原核生物细菌、放线菌、衣原体、支原体、立克次氏体、蓝细菌真核生物真菌（霉菌、酵母菌等）、原生动物、单细胞藻类非细胞生物病毒、类病毒、拟病毒、朊病毒等细菌各种“视野”下的细菌光镜暗视野荧光透射电镜超薄切片冷冻切片扫描电镜DNA蛋白质复合物电镜下的微生物曲霉阿米巴草履虫酵母菌病毒微生物的特点个体最小，比面值最大比面值:假设人=1；大肠杆菌(E.coli)=300,000有利于物质交换和能量、信息的交换；微生物一系列属性均与此特点密切相关。比面值=面积/体积微生物的生物学之最•形态最简•代谢最强•食谱最杂•繁殖最快•数量最多•分布最广•种类最多•变异最易个体最小形态最简代谢最强生物界的普遍规律：生物个体越小，其单位体重消耗的食物越多地鼠每天消耗与体重等重的粮食；闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖代谢最强生物界的普遍规律：生物个体越小，其单位体重消耗的食物越多地鼠每天消耗与体重等重的粮食；闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食大肠杆菌每小时消耗2000倍于体重的糖食谱最杂从无机物到有机物；从无毒物到有毒物；从结构简单到结构复杂的物质，微生物都能利用和降解。繁殖最快大肠杆菌37℃培养在牛奶中，12.5min即可分裂一次；一般培养液的菌浓度为108-109个/ml。数量最多人体的肠道中始终寄居着100～400种微生物，为肠道正常菌群，总数可达100万亿分布最广万米深海的硫细菌85公里高空的微生物地层下128米和427米的沉积岩中的细菌类型低限倾向种数高限病毒与立克次氏体1,2171,2171,217支原体424242细菌与放线菌1,0001,5001,500蓝细菌1,2271,5001,500藻类15,05123,10023,100真菌37,17547,30068,939原生动物24,06824,06830,000总数79,78098,727127,298种类最多变异最易突变频率一般为10-5～10-10，但因繁殖快，数量多，与外界环境直接接触，因而在短时间内可出现大量变异的后代。如：流感病毒抗性最强休眠最长起源最早发现最晚19主要内容二、神奇的微生物2神奇微生物可以带给人类……具有智慧“思考能力”的黏菌——建立生物计算机变形黄色黏菌看上去不太像是构造未来“生物计算机”的基础元素，但目前日本科学家最新研究显示，黏菌能够思考，在迷宫路径中最直接有效地寻找到食物，它将颠覆我们所理解的传统智慧生命体。其工作能力远超出一些先进计算机和软件包，它的“信息处理”水平使我们无法相信是由单细胞微生物能够完成的。神奇微生物可以带给人类……美宇航局拟用细菌为行星探索机器人供能为了给美国的火星车供电，科学家安装了一个放射性同位素发电系统，利用钚的放射性衰变产生的热量发电，至少可满足“好奇”号一个火星年(687个地球日)的用电需求。实验室航天器工程学部门进行用于行星探索的微型机器人细菌供电技术的初步研究，利用细菌的代谢过程供电，若取得成功，未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池。神奇微生物可以带给人类……吃废气的神奇微生物新西兰兰扎公司与宝钢集团、中国科学院签署三方合作协议，共建“生物能源研发中心”。目前三方启动实施的300吨乙醇示范工厂项目将为全球首次钢厂尾气制乙醇的产业化和商业化提供科学数据。如示范项目成功，兰扎公司将在宝钢集团的厂房内建立一个处理炼钢废气能力在10万加仑左右的尾气制乙醇示范工程，附加值则发电高3倍以上。神奇微生物可以带给人类……“吃”砒霜的微生物砒霜(As2O3)以其剧毒而闻名神奇微生物可以带给人类……电子牧羊犬“牧放”微生物人类放牧的历史已有数千年，但是人类最初放牧并不是件很容易的事。后来，人们开始利用牧羊犬把牧场里的牲畜集中在一起。那么能否找到一种很简单的方法集中微生物？其实找到微生物世界的“牧羊犬”神奇微生物可以带给人类……在沸腾中旺盛的微生物科学家日前发现了一种深海微生物，这种微生物比其它生物都更能耐热，它在130摄氏度的高压下仍能继续生长和繁殖它更新了科学家们对生命所能承受的温度上限的认识，有助于更深入地研究地球生命的起源和演化，也为在其他星球上寻找生命存在的迹象提供了新线索。用铁来进行能量转换，这是以前不为人知的一种崭新的生物“呼吸”方式神奇微生物可以带给人类……专吃氯乙烯的微生物，利于地下水清洁氯乙烯是一种最常见的有毒工业化学制品，能在土壤中存在好几百年。现在，人们主要通过把受污染的水从地下泵吸出来，撒到空气中形成细密水雾，让阳光暴晒，使化合物自然分解来清除氯乙烯和其他有机化合物。美国微生物学家弗兰克·洛佛勒花了4年时间，从密执安州的地下土壤样本中找到了这种微生物。过去，科学家已经在利用其他一些吞食有毒废弃物的微生物来治理环境污染，但靠吞食氯乙烯为生的微生物还是首次发现。神奇微生物可以带给人类……具有成矿作用的新型微生物美国科学家最近在威斯康星州西南部一处废弃铁矿床的深处，发现一种能够“制造”极为细长的纳米级晶体的新型微生物。这种微生物和细长微晶体的发现，为人们探索生物成矿作用的机制开启了一扇更广阔的窗口。这种晶体的独特性主要表现在它的直径／长度比非常大：直径仅有几个纳米而长度达到10微米，相差千倍以上，与人的发丝比例接近。有助于人类模拟大自然创制的材料杰作，从而开辟仿生合成的新途径28主要内容三、微生物在国民经济和社会发展中的作用3微生物与人类关系：福兮?祸兮？微生物是人类的朋友微生物是自然界物质循环的关键环节体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证：帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障。微生物可以为我们提供很多有用的物质：有机酸、酶、药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒微生物与人类可持续发展当前人类正面临着多种危机，如粮食危机、能源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。人类进入21世纪后，遇到从利用有限的矿物资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列的新问题。由于微生物独具特点，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用。微生物与人类可持续发展环境限制性意义：由于世界人口的急剧增长,社会经济发展对资源的需求与日俱增。微生物细胞不仅是一个比面值大、生化转化能力强、能进行快速自我复制的生命系统，而且它们还具有物种、遗传、代谢和生态类型的多样性，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用。粮食健康环境资源能源人类面临五大危机微生物与粮食微生物肥料提供的是能固氮、解磷、解钾等有益微生物，这些活的微生物能在植物根际生长、繁殖。微生物肥料通过有益微生物在根际大量繁殖，与植物分泌的粘液及矿物胶体、有机胶体相结合，形成土壤团粒结构，增进土壤蓄肥、保水能力。降低农药残留：微生物肥料不仅本身无毒无害，还能起到净化、修复土壤的作用微生物与能源把自然界蕴藏量丰富的纤维素转化成乙醇利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷利用光合细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源”--氢气通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率微生物电池微生物与资源微生物能将可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。这些产品除了传统的乙醇、丙醇、丁醇，还包括各种高价值的有机原料由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，可期待其逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。微生物与环境保护利用微生物技术来监察环境的污染度利用微生物生产的PHB（聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染利用微生物来净化生活污水、有毒工业污水和修复污染土壤；微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药微生物与人类健康各种微生物传染病构成了人类的主要疾病，而防治手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。SARS禽流感病毒疯牛病天花鼠疫AIDS微生物技术产业当前，无论是发达国家还是发展中国家，都纷纷把生物技术产业作为优先发展的战略性产业抢占国际竞争制高点和战略重点。正因为生物技术具有非同一般的战略意义，所以世界各国都在生物技术领域展开了竞争。微生物技术产业生物技术的发展是我国国民经济与社会发展的需要。未来生物技术将在医学、农业、工业、能源、环境等领域引发新的产业革命：推动医学史上一次新的革命掀起农业的又一次“绿色革命”能源革命缓解目前能源紧张局面推进“绿色制造业”发展有望从根本上解决生态环境恶化国家“十二五”科学和技术发展规划专栏：节能环保产业技术半导体照明。重点发展白光发光二极管（LED）制备、光源系统集成、器件等自主关键技术，实现大型金属有机化学气相沉积（MOCVD）等设备及关键配套材料的国产化，加强半导体照明应用技术创新，建设标准和检验检测体系。加快“十城万盏”半导体照明试点示范，实现更大规模应用。2015年白光发光二极管的发光效率达到国际同期先进水平，半导体照明占据国内通用照明市场30％以上份额，产值预期达到5000亿元，推动我国半导体照明产业进入世界前三强。煤炭清洁高效利用。重点突破地下煤气化、煤低温催化气化甲烷化、中温催化气化、高温高压甲烷化、煤制烯烃等化工品、第三代煤催化制天然气、重型燃气轮机整机等核心技术。以煤气化为基础进行多联产工程示范，进一步推进煤气化技术综合集成应用；积极发展更高参数的超超临界洁净煤发电技术，开发燃煤电站二氧化碳的收集、利用、封存技术及污染物控制技术，有序建设煤制燃料升级示范工程。“蓝天”工程。大力推进工业废气、燃煤烟气、机动车污染物、室内空气等净化技术与装备的研发及产业化，加快大气监测先进技术与仪器研发，积极发展温室气体减排与资源化技术及装备。引导产业发展，改善环境质量。废物资源化。重点突破无害化、稳定化与资源化技术与装备，研发高附加值再生资源产品、大型垃圾焚烧控制技术与成套设备、垃圾综合处理及有机物厌氧产沼关键技术与设备，有效利用废旧金属、废旧机电与电子产品、大宗包装与纺织产品、大宗工业废物、生活垃圾与污泥等量大面广、附加值高的废弃物。开展工程示范，建设废物资源化技术创新服务平台与产业化基地，提升产业化水平。战略性核心技术国家“十二五”科学和技术发展规划专栏：生物产业技术生物医药。重点突破药物创制、新型疫苗、抗体药物及规模化制备、疾病早期诊断等关键技术和生产工艺，获得40项拥有自主知识产权的新型药物产品，获得关键专利700~800项，形成关键生产工艺及相关标准100项，建设抗体、疫苗、诊断试剂等新型生物医药开发及产业化基地30~40个，培育10个龙头企业。生物医用材料。重点突破生物活性特殊涂层、生物因子表面改性及生物功能化修饰、生物材料降解及生物因子缓控释、生物材料微纳米制备、生物医用材料及器械的优化设计和评测等关键技术。研发新型骨及口腔植入体、可降解血管支架、适宜国人的人工关节、介入人工心瓣及防钙化生物瓣膜、新型人工血管、神经修复材料、可承力骨修复材料、创面快速无痕修复材料等重大产品20项以上，获得关键专利50项以上。推动多学科交叉创新及产业化，扶持培育若干龙头企业。先进医疗设备。开展医学影像、医用电子、临床检验、微创介入、放射治疗、激光治疗等高端医疗设备研究，研制生产15项左