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微生物资源的开发与利用(图文并茂)

(2007-04-13 12:32:03)
标签:

微生物资源

可降解塑料

phb

分类: 生命科学的知识
严重声明:此文章仅用于学术交流,本博客对该篇文章(包括文字、图片)保留一切权利,不得转载!!!
微生物资源
    现代工业、农业大规模开发利用动植物资源为人类造福,但是由于过度开发或不合理开发,使环境恶化、沙漠化加剧,动植物资源急剧减少,造成了长期的、甚至是难以弥补的损失。    环境问题已引起各国政府的高度重视,因此提出了只有一个地球的口号。1992年联合国环发大会通过了《生物多样性公约》,这是全世界近200个签字国保护生物多样性最高意志的集中体现,是人类对保护生物多样性及其永续利用的共同纲领。我国是该纲领的缔约国之一。
   《生物多样性公约》明确指出:“生物资源是指对人类具有实际或潜在用途或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态中任何其他生物组成部分。最好在遗传资源原产国建立和维持移地保护及研究植物、动物和微生物的设施”。这是对微生物资源及其保护最具权威性的表述。
       微生物的五大共性
1体积小,面积大
2吸收多,转化快
3生长旺,繁殖快
4适应强,易变异
5分布广,种类多
(一)体积小,面积大
       测量单位:
      微米(m,10-6 m)
      纳米(nm, 10-9 m)例:
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
杆菌,平均长度约2 m,宽度0.5 m,
  1500个杆菌头尾衔接起来仅有一粒芝麻长;
  60-80个杆菌“肩并肩”排列的总宽度,只相当于一根头发的直径。例:
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
相当于一粒苋菜籽重(不到1毫克)的一团细菌,其中包含的细菌数竟相当于全地球的总人口数(以1985年为48.5亿计)例:
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
面积/体积比:人 = 1;
       大肠杆菌 = 30万;
  这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。
(二)吸收多,转化快
合成速度
 500Kg的牛  24小时    合成蛋白质0.5Kg
 500Kg    24小时  合成蛋白质50 000Kg
 酵母菌
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
分解速度
黑曲霉斜面菌种——四天扩大培养——3吨液体曲——500吨薯干淀粉转化成糖——酵母菌——200吨酒精
(三)生长旺,繁殖快
 大肠杆菌(Escherichia   coli)
在适宜的条件下,每分裂一次的时间是17.3分钟。如按20分钟分裂一次计,
    每小时——分裂3次
    每昼夜——分裂72次
后代数可达4 722 366 500万亿,(47×1022)重约4 722吨,48小时为2.2×1043 个,约等于4 000个地球之重!
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
微生物资源的开发与利用(图文并茂)
(四)适应强,易变异
 1.适应性
海洋深处的硫细菌可在250℃-300℃的高温条件下生长;大多数细菌能耐0 — -196℃(液氮)的低温;一些嗜盐菌能在32%的饱和盐水中正常生活;产芽孢细菌可在干燥条件下保藏几十年、几百年甚至几千年;氧化硫硫杆菌能生长在5-10%的硫酸中;脱氮硫杆菌的生长最高pH值为10.7;在抗辐射方面,E.coli为10 000R,酵母菌为30 000R,原生动物为100 000R,耐辐射微球菌为750 000R;在抗静水压方面,酵母菌为500个大气压,细菌、霉菌为3 000个大气压,植物病毒可抗5 000个大气压。
2.变异性
青霉素产生菌产黄青霉的产量变异:1943年,每毫升青霉素发酵液中该菌只分泌约20单位的青霉素;目前国际上先进的国家,其发酵水平每毫升已超过5万单位,甚至接近10万单位。
致病菌对抗生素产生抗药性的变异:1943年青霉素对金黄色葡萄球菌的最低制菌浓度为0.02μg/ml;1946年就有14%的菌株产生了抗药性;1948年抗药性菌株率提高到59%;1957年继续增高到80%,有些菌株对青霉素的抗药性竟比原始菌株提高了一万倍,即达到200μg/ml。
(五)分布广,种类多
1.分布广
人体肠道中的正常菌群:种类 100-400种;总数 100万亿;数量最多的是脆弱拟杆菌,1010-1011/g
万米深海底部的耐热硫细菌:100万-100亿个/ml海水
万米深海底部的耐热硫细菌:100万-100亿个/ml海水
几万米高空的微生物:70年代末从74km的高空采集到处在同温层和大气层中的微生物,后来又在85km处找到了微生物
地层下的微生物:在南极洲的罗斯岛和泰罗尔盆地128m和427m的沉积岩心中找到了活细菌
2.种类多
(1)微生物的生理代谢类型多
分解地球上贮藏量最为丰富的初级有机物,如天然气、石油、纤维素、木质素等
多种产能方式,如细菌光合作用,嗜盐菌紫膜的光合作用,自养细菌的化能合成作用,各种厌氧产能途径
生物固氮作用;合成各种复杂有机物的能力;对复杂有机物分子的生物转化能力;分解氰、酚、多氯联苯等有毒物质的能力;抵抗极端环境的能力;独特的繁殖方式。

(2)代谢产物种类多
大肠杆菌可产生2 000-3 000种不同的蛋白质
1978年已发现抗生素5128种,来自微生物的有4973种,占97%
在微生物中已发现了1 443种Ⅱ型限制性内切酶 
(3)微生物的种数多
目前比较肯定的微生物种数大约为10万种,随着分离培养方法的改进和研究工作的深入,微生物的新种不断增加。前苏联微生物学家伊姆舍涅茨基说:“目前我们所了解的微生物种类,至多也不超过生活在自然界中的微生物总数的10%。”   
微生物在解决人类面临各种危机中的作用
  过去的世纪,对人类来说是一个极不平凡的世纪。若站在世纪高度并以生态为本的角度加以深刻反思,则人类在20世纪中无意地做了两件后果十分严重的事情:上半世纪是破坏地球(主要是帝国主义发动的侵略战争);下半世纪则是掠夺地球。

人类在21世纪中,应本着善待地球、恢复被破坏的生态环境的宗旨,让全人类在唯一的家园。地球母亲的怀抱中,重新学习与大自然和谐相处,以全面实现可持续发展的全球性宏大战略目标。

人类面临的各种危机
 粮食危机
 能源匮乏      
 资源紧缺
 生态恶化
 人口爆炸
微生物与粮食
  微生物在提高土壤肥力、改进作物特性、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质、单细胞蛋白生产等方面,都可大显身手。
微生物与能源
①把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇。据估计,我国年产植物秸杆达5~6亿吨,如将其中的10%进行水解和发酵,就可生产燃料酒精700~800万吨,余下的糟粕仍可作饲料和肥料,以保证土壤中钾、磷元素的正常供应。
②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。这是一项利国、利民、利生态、利子孙的具有重大战略意义的措施。

③利用光合细菌、蓝细菌等产生氢气。
④通过微生物发酵产气或其代谢产物来 提高石油采收率。
微生物与资源
①微生物能将纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。如乙醇、丙酮、丁醇、甘油、乳酸、柠檬酸、水杨酸等。由于发酵工程具有代谢产物多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等特点,故必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。
②在金属矿藏资源的开发和利用上有独特的作用。利用细菌沥滤技术,就可把长期以来废弃的低品位矿石、尾矿、矿渣中所含的铜、镍、铀等十余种金属不断溶解和提取出来,变成新的重要资源。
微生物与环境保护
①利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代各种化学肥料或化学农药;
②利用微生物生产的PHB制造易降解塑料以减少环境污染;
③利用微生物净化生活污水和有毒工业污水;
④利用微生物技术监察环境的污染度,例如用艾姆斯法检测环境中的“三致”物质,利用EMB培养基来检查饮水中的肠道病原菌。
微生物与人类健康
①各种传染病构成了人类的主要疾病,而防治这类疾病的主要手段是各种微生物产生的药物,尤其是抗生素。
②与人类健康有关的生物制品如疫苗、菌苗和类毒素等均是微生物的产品。

微生物资源的开发与利用
微生物与可降解塑料;微生物杀虫剂;单细胞蛋白;生物修复技术

微生物与可降解塑料
普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材料。对环境污染具有以下特点:

①污染范围广。江河湖泊、田野山川无处不有。

②污染物增长量快。全世界每年对塑料的需求量为1亿吨。(每年倾入海洋的塑料垃圾达数十万吨,陆地上的垃圾更是难以计数。1985年我国农用薄膜为30万吨,1990年为50万吨,地膜覆盖面积2.7×1010m2。1995年我国的塑料需求量为600万吨,其中对环境有威胁的地膜为88万吨,包装用品为150-200万吨。)

③处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性。埋地处理百年不烂;燃烧时产生大量有毒气体。
④回收利用难。塑料制品种类多,填料、颜料多样,难以分拣回收再利用。
⑤生态环境危害大。地膜降低耕地质量,农作物植株矮小,抗病力差;残膜随风飘动,对周围环境、畜牧业、养殖业都有很大的影响。
美国试验与材料协会(ASTM)把生物降解塑料定义为:能够被自然界存在的微生物如细菌、真菌和藻类的作用而引起降解的一类塑料。
不完全生物可降解塑料:⑴ 淀粉填充通用塑料(PE,PVC);⑵ 天然矿物(碳酸钙)填充通用塑料;⑶ 可生物降解塑料(PCL,PLA)与通用塑料共混
完全生物可降解塑料:⑴ 化学合成的生物降解塑料:PCL, PLA, PVA;⑵ 天然高分子:淀粉,纤维素,甲壳素;⑶ 生物合成的生物降解塑料:聚β-羟基丁、酸酯(PHB)。
PHB的性质
①  PHB是细菌细胞内的一种内源性贮藏物质,当环境中营养物质缺乏时,PHB可象淀粉和糖原一样作为营养和能量的来源;

微生物资源的开发与利用(图文并茂)

 ②  PHB分子量大,数量级为103 -106;
 ③在细胞质中聚集成球形颗粒,易被脂溶性染料苏丹黑着色,光镜下可见。
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『未完待续。。。』

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