目录第1章发酵过程与微生物 (3)1.1细胞——生物体的基本单位 (3)1.2微生物的类型 (3)1.3病毒(viruses) (4)1.4原核生物(prokaryotes) (5)1.5 真核生物(eukaryotes) (7)第2章微生物的营养与培养基的设计 (10)2.1细菌和真菌对营养的需求 (10)2.2藻类的营养需求 (17)2.3原生动物的营养需求 (19)2.4培养基设计基础 (19)第3章 微生物生长动力学 (25)3.1 营养物质的吸收和输送(nutrient uptake and transportation ) (25)3.2微生物生长动力学（microbial growth dynamics） (32)3.3工业发酵的动力学类型 (43)第4章 环境因子对微生物活性的影响 (44)4.1微生物对环境作出响应的机理 (44)4.2 溶解氧对微生物活性的影响 (45)4.3氧化还原电位 (50)4.4对CO2的响应 (50)4.5水活度对微生物活性的影响 (51)4.6pH对微生物活性的影响 (52)4.7温度对微生物活性的影响 (58)4.8总体控制策略 (63)第5章 混合菌种和混合基质系统 (64)5.1混合培养物系统 (64)5.2微生物对混合基质的利用 (66)第6章 微生物代谢产物的过量生成 (70)6.1营养限制的影响 (71)6.2pH值及氧化磷酸化解耦联剂的影响 (73)6.3温度的影响 (76)6.4结论 (76)第7章微生物代谢及其产物合成的调节 (77)7.1微生物酶的自动调节 (77)7.2 微生物膜对代谢的自动调节 (80)缩写与名称对照表 (83)第1章发酵过程与微生物微生物是工业发酵的灵魂，没有微生物的生命活动就谈不上发酵。

微生物活细胞．．．是个远离平衡状态的开放体系．．．．。

在发酵法工业生产中可以．．．．，又是个转换和支配有限的能量和物质资源的经济实体把微生物细胞看作为生物机器．．．．．．．．，它们进行能量代谢和物质代谢。

同样又可以把它们看作是信息处理器．，它们复制和传递自己的生物信息．．．．．．．．．．．．．．．，并在对这些信息．．．．．．．．．，接收细胞内外的物理．．．．．．．．．、化学甚至生物信息流进行综合处理的基础上．．．．．．．．．．．，发出代谢调控的指令．．．．．．．．．．．．．动．。

．．．．．．．．．，控制微生物细胞自身的生命活微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物细胞不同，微生物细胞能独立存在，自主生活．．．．．．．．．．．．．．．。

因此每个．．．．提供生物能。

在生物能的支撑下，活细胞才能．．微生物细胞都具有能量转换机构，为其自身维持其高度有序的状态。

发酵工业生产上普遍使用的化能异养型微生物．．．．把化学能转化为可被其自身直接利用．．．．．．．．靠生物氧化的生物能。

微生物细胞的生物氧化在化学本质上是氧化还原反应．．．．．．．．．．．．．．。

．．．．．．．．．．．．．．．．．，即电子从还原剂向氧化剂的流动但微生物细胞的生物氧化必须借助于辅酶或辅基．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．, 并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子（或质子）的流动，形成微生物细胞代谢中的电子流和质子回路．．．．．．．．。

在微生物活细胞中，参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶．．．．．．在有关的细胞空间内数量有限，必须被再生和回用．．．．．．．．。

还原型辅酶把已获得的电子释放给电子受体，从而得到再生。

根据最终电子受体的类型，可把生物氧化分成有氧呼．．．吸．、无氧呼吸．．三种类型。

工业发酵在有氧或无氧条件下进行生物氧化。

生物氧化为微生物提．．．．和发酵供直接支持生命活动的生物能，是微生物生命活动的基础。

有了活细胞才谈得上物质代谢和发酵产物的生产。

1.1细胞——生物体的基本单位生物工程（技术）是以整个细胞或细胞的提取物的催化活性为基础的，这一节将介绍细胞催化剂的概况。

所有的细胞都有一定的共性：它们有一个半渗透屏障（细胞质膜），它们的遗传信息一般包含在双链DNA的密码中，它们还包含与DNA的遗传信息的转录和翻译有关的RNA。

遗传信息转录和翻译的结果是每一种类型的细胞具有特定性质的蛋白质。

病毒虽然不是细胞，但仍将在本节1.3加以讨论。

所有的细胞虽有共性，但它们在自然界中存在的形态及其它一些特性是多种多样的。

1.2微生物的类型微生物单个细胞的直径很少有超过1mm的，大多数细胞直径仅在1μ左右。

单细胞有机体（原生生物）常被认为是微生物，虽然人们通常使用这种说法，但它不是分类学上的名称。

微生物不仅包括最小的生物——病毒（它只能在电子显微镜下才能观察到），也包括那些用肉眼和普通光学显微镜可观察到的生物。

原生生物包括单细胞的细菌、原生动物、藻类、真菌和一些多细胞的藻类（如海藻）以及大而惹人注目的真菌（如蘑菇）。

尽管微生物体积小，且有的外表也相似；然而在细胞水平上原生生物包含有根本不同的种类。

从原生生物的核的形态研究及细胞内细胞器的复杂性来看，原生生物可分为两大类，即原核生物和真核生物。

细菌（包括蓝细菌和蓝绿藻类），它们的细胞具有较简单的内部构造，被划归原核生物。

原生动物、藻类和真菌（它们的细胞具有较复杂的内部构造）与多细胞的高度分化的动、植物一起被划归真核生物。

这些细胞的一些主要不同点概括于表1-1。

表1-1：原核生物与真核生物的区别特征原核生物真核生物1．基因组：DNA分子数1a（一般为1个）>1细胞器中的DNA 无有染色体形式的DNA 无有核膜无有核的有丝分裂与减数分裂无有不完全二倍体的形成有无2．细胞器：线粒体无有内质网无有高尔基体无有绿色小体（Chlorosomes）叶绿体光合体（Photosyntheticapparatus）鞭毛单一的蛋白、简单的结构带有微管的复杂结构3．孢子内生孢子b内生孢子和外生孢子抗热性高低备注：a. 细菌中除了基因组外，还可能含有额外的小的DNA分子（质粒）。

b. 只有几种原核生物的细胞通过出芽或厚垣孢子的方式产孢子，这些孢子对热的抵抗力较低。

病毒与以上的微生物不同，它们既没有细胞质，也没有细胞质膜，是专性的寄生物。

病毒在其自身核酸的指导下，利用寄主的生物合成系统在特定的寄主细胞内实现自我复制。

具有感染性的病毒粒子（virion）的基因组可能是DNA也可能是RNA（不会两种都是）；核酸可以是单链的或是双链的结构。

基因组被包围在由同一种亚单位（衣壳粒）组成的蛋白质外壳（衣壳）内。

某些病毒的衣壳，被由寄主细胞膜衍生的脂蛋白组成的外层包膜所包裹。

无衣壳和无包膜病毒（类病毒）也是存在的，一些大的病毒粒子含有数百种蛋白质，其中许多是与病毒的合成有关的，而小的病毒粒子所含蛋白质的种类很少，并且这些病毒的核酸仅为两、三种蛋白质编码。

这种小病毒粒子的直径约在20nm左右，而最大的病毒粒子的直径约在300nm左右。

许多病毒粒子是呈几何对称的立体结构，另一些呈细丝状或螺旋线状。

感染细菌的病毒（细菌噬菌体或噬菌体）还有一些更复杂的形态学上的特征。

例如部分病毒粒子的某些立体结构与识别寄主表面有关，部分病毒粒子的某些立体结构又与把DNA注入寄主细胞有关。

1.3病毒(viruses)主要依据形态学性质对病毒进行分类。

所依据的性质常常包括：核酸的类型、衣壳中蛋白质亚单位（衣壳粒）的数目、病毒粒子呈几何对称的类型或衣壳粒的排列形式、衣壳周围是否有包膜、所感染的寄主细胞及致病特性等。

除了病毒在组织培养物中生长可以生产疫苗（参阅本节1.5.4.1）外，人和动物的病毒病原体对于生物工程几乎没有什么重要性。

然而用病毒对有害昆虫的生物学控制却具有诱人的前景，因为这种生物学控制既有高度的专一性又无污染。

一般而言，这类病毒必须在完整的昆虫体内生长，（病毒的）生产量因此而受到限制。

若是开发一些昆虫组织培养方法，使（培养）过程放大，就可能扩大用病毒病原体控制虫害的范围。

几乎在每一个检测过的细菌的种中都曾检测到噬菌体，而且一个种的细菌可能会受到数个类型的细菌噬菌体的侵袭。

例如大肠杆菌最普遍地受到含有双链DNA噬菌体的侵袭，含有单链DNA或单链RNA的噬菌体也会袭侵大肠杆菌。

在电镜下观察研究某些噬菌体，发现有些噬菌体呈蝌蚪状，即有一个包围核酸的多面体的“头部”及螺旋形蛋白的“尾部”，另一些噬菌体只有一个多面体的头部而无尾部，还有一类含单链DNA的噬菌体则是丝状的。

噬菌体的尾部可专一地附着到细菌细胞的受体部位上。

受体可以在细胞壁脂蛋白的外层上，也可在细胞壁的脂多糖层上，或者在（细菌细胞的）鞭毛和纤毛上，某些噬菌体的尾部有一个带有许多细丝（尾丝）的基片，尾丝能认出寄主细胞上的受体部位。

大肠杆菌的T－偶数系列噬菌体的尾部具有收缩性，吸附发生后，尾部的芯部穿透细胞膜，尾部的外层蛋白收缩，使DNA注入细胞内，而把头部及尾部留在细胞外。

其它噬菌体的核酸的侵入机理还不清楚。

在裂解循环中，噬菌体的核酸可直接被转录成为子代噬菌体编码的mRNA，后者再借助于寄主细胞的核糖体合成子代噬菌体。

寄主的DNA可被由噬菌体编码的脱氧核糖核酸酶水解或保持完整以供病毒蛋白质合成之需，这取决于噬菌体。

衣壳粒亚单位的合成始于病毒核酸合成完成之后。

核酸紧缩入由亚单位（衣壳粒）包围组合成的多面体中，在带有尾部的噬菌体中，尾部成分被合成并装配，形成尾部，再与头部相结合形成有感染能力的病毒粒子。

由病毒编码的溶菌酶随后产生，后者破坏寄主细胞壁，进而导致成熟的噬菌体的释放（每个细菌细胞释放10至100多个）。

为测定病毒颗粒的数量，可将适当稀释的噬菌体和敏感的寄主细胞的稀释液涂布在固体培养基培养后，对空斑进行计数，可根据计数结果推算病毒颗粒的数量。

一般说来，每一个噬菌体可引起一个溶菌中心，细菌生长的菌苔上出现的空斑是可以观察到的。

在噬菌体的复制阶段，某些细菌DNA 可能被包裹进噬菌体的头部，这些噬菌体（称作转导噬菌体）不能复制，但有感染能力。

因而，转导噬菌体可将DNA从一个寄主细胞转移到另一个寄主细胞，并可用于工业微生物育种。

噬菌体和寄主细胞之间还可能发生另一种联系，这就是溶原现象所描述的。

病毒的DNA被结合到细菌的基因组上并可随寄主基因组DNA进行稳定的复制。

病毒DNA为一种阻遏蛋白编码，这种阻遏蛋白能阻止与病毒复制有关的基因的表达的。

然而，结合的病毒DNA也会以低的频度从寄主细胞基因组上脱下来，从而激活裂解循环。

因此，噬菌体对生物工程有两方面的重要性。

噬菌体对生产（奶酪种母培养及其它细菌发酵）中的细菌的溶菌作用会引起严重的经济损失，而在遗传研究中，噬菌体又是极其有用的，可用转导或重组的方法构建新菌株和确定基因在基因图谱上的位置。

在重组中，噬菌体常被用作载体而将外源DNA导入细胞。