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时间:2020-06-07 18:08  编辑:wendj

微生物的应用

一、微生物在生物医药中的应用

很早以前,人们就发现某些微生物对另外一些微生物的生长繁殖有抑制作用,把这种现象称为抗生。随着科学的发展,人们终于揭示出抗生现象的本质,从某些微生物体内找到了具有抗生作用的物质,并把这种物质称为抗生素,如青霉菌产生的青霉素,灰色链丝菌产生的链霉素都有明显的抗菌作用。

微生物种类多、数量大、个体小、面积大、新陈代谢能力强、吸收多、转化快、生长旺、繁殖速度快,广泛应用于制药工业中。如抗生素、维生素、氨基酸、酶及酶抑制剂以及微生态制剂都有是利用微生物发酵制成的。利用“工程菌”作为制药工业的发酵产生菌可生产出更多低成本、高质量的药物,使得微生物在制药工业中的应用前景更加广阔。

对于微生物对生物医药的主要应用为抗生素的制备,主要途径为:从自然界分离并筛选新抗生素产生菌;改造现有的抗生素的产生菌,再经筛选获得新抗生素产生菌;对已知的抗生素进行结构改造,经筛选后获得新的半合成抗生素;新的筛选方法,应用定向生物合成和突变生物合成的原理等;现代分子生物学技术设计产生新抗生素。

目前应用微生物工业把发酵由微生物扩大到植物、动物,因此工业微生物学家将所有通过微生物或其他生物细胞(动、植物细胞)或经过生物工程改造了的“工程菌”的培养来制备工业产品或转化某些物质的过程,统称为发酵。微生物发酵的一般工艺也就是利用深层培养,进行微生物发酵生产所需要产品的过程。微生物发酵一般分发酵与提取2个阶段。其生产的一般工艺流程如下:

2、微生物在食品工业中的应用

微生物用于食品制造是人类利用微生物的最早、最重要的一个方面,在我国已有数千年的历史。在食品工业中,可利用细菌制造出许多食品,如乳酸饮料、味精及种类繁多的调味品等。

(1)食醋

食醋按加工方法可分为合成醋、酿造醋、再制醋三大类。其中产量最大且与我们关系最为密切的是酿造醋,它是利用粮食等淀粉质为原料,经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。

(2)发酵乳制品

发酵乳制品是指良好的原料乳经过杀菌作用接种特定的微生物进行发酵作用,产生具有特殊风味的食品,称为发酵乳制品。常用发酵乳制品有酸奶、奶酪、酸奶油、马奶酒等。发酵乳制品主要包括酸奶和奶酪两大类,生产菌种主要是乳酸菌,分为球菌和杆菌两种。

(3)氨基酸发酵

氨基酸是组成蛋白质的基本成分,其中有八种氨基酸是人体不能合成但又必需的氨基酸,称为必需氨基酸,人体只有通过食物来获得。在食品工业中,氨基酸可作为调味料;在食品中添加某些氨基酸可提高其营养价值等等。

(4)黄原胶

黄原胶别名汗生胶,又称黄单胞多糖,是国际上20世纪70年代发展起来的新型发酵产品。它是由甘蓝黑腐病黄单胞细菌以碳水化合物为主要原料,经通风发酵、分离提纯后得到的一种微生物高分子酸性胞外杂多糖。其作为新型优良的天然食品添加剂用途越来越广泛,可代替多种胶体。

(5)酵母在食品工业中的应用

酵母细胞中含有蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机盐等,其中蛋白质的含量非常丰富,因此它具有较高的营养价值,是良好的蛋白质资源,可作为食用和饲用。

微生物生长繁殖迅速,其生长条件完全受人工控制,而且由于微生物对营养物质适应性强,可以利用农副产废弃物、糖蜜、谷氨酸发酵废液,稻草、稻壳、玉米秸、酿造、食品厂的废渣、废液、木屑、纸浆废液等进行生产都可以作为培养酵母的材料,以达到综合利用的目的。当然作为食用还需要解决一些适口性问题。

(6)霉菌在食品工业中的应用

绝大多数霉菌能把加工所用原料中的淀粉、糖类等碳水化合物、蛋白质等含氮化合物及其他种类的化合物进行转化,制造出多种多样的食品、调味品及食品添加剂。不过,在许多食品制造中,除了利用霉菌以外,还要由细菌、酵母的共同作用下来完成。在食品酿造业中,常常以淀粉质为主要原料,只有将淀粉转化为糖才能被酵母菌及细菌利用。

(7)食品制造中的主要微生物酶制剂及其应用

酶制剂可以由细菌、酵母菌、霉菌、放线菌等微生物生产。酶的发酵生产是以获得大量所需的酶为目的。为此,除了选择性能优良的产酶细胞以外,还必须满足细胞生长、繁殖和发酵产酶的各种工艺条件,并根据发酵过程的变化进行优化控制。酶制剂在食品保鲜、淀粉类食品生产、蛋白质食品生产、果蔬食品生产

、果酒生产及食品添加剂生产中的应用广泛。

3、微生物在农业上的应用

1.微生物肥料

我国微生物肥料的研究应用和国际上一样,是从豆科植物应用根瘤菌接种剂开始的。起初只称为大豆或花生根瘤菌剂。联合国粮农组织(FAO)和一些生物固氮组织近二十年来发展并推广这项技术,取得了十分好的效果。从土壤肥力而言,根瘤菌肥料还有增加土壤氮素提高土壤肥力的作用,这是其它非豆科植物所没有的,因此豆科植物与根瘤菌共生固氮在农业和牧草生产上有重要意义。

(1)根瘤菌菌剂

用于豆科作物结瘤、固氮的接种剂。是用人工选育出来的高效根瘤菌株经大量繁殖用载体吸附制成的,是迄今为此世界上研究最早、应用时间最长、生产量最多、应用最广泛和效果最稳定的微生物肥料之一。

(2)固氮菌菌剂

自生固氮微生物的固氮能力比共生固氮的根瘤菌要少得多,而且在使用过程中更易受到环境条件中氮素含量的影响。但在实践中发现,它们对作物的作用除了固氮外,更重要的是它们能够产生多种植物激素类物质。

(3)解磷微生物菌剂

能分解土壤中难溶态磷的细菌制成的解磷细菌肥料,使解磷细菌在作物根际形成一个磷素供应较为充分的微区,因磷细菌在生长代谢过程中能够产生一些有机酸和如植酸酶的酶类,使土壤中的难溶性磷形成作物能够吸收利用的可溶性磷,供作物吸收利用。目前生产上应用较多的菌种为巨大芽孢扦菌。

(4)硅酸盐微生物菌剂

分解土壤中难溶的磷、钾等营养元素,并在生长、代谢过程中分泌可以刺激作物生长的激素类物质,在植物根际形成优势种群,可抑制其它病原菌的生长,因而达到增产效果。

(5)光合细菌菌剂

光合细菌是地球上最早的光合生物,广泛分布于海洋、江河、湖泊、沼泽、池塘、活性污泥及水稻、水葫芦、小麦等根际土壤中。它能促进土壤中放线菌、固氮菌等微生物的生长,增强农产品的耐贮性和提高品质,降解土壤中残留的农药及其它有毒物质。与生产应用关系密切的光合细菌主要是红螺菌科中的一些种、属。

(6)菌根菌剂

使用的菌种包括由多数内囊霉科属或种形成丛枝状菌根,简称AM真菌。目前的土法生产已能够解决小批量生产问题,用于名贵花卉、苗木、药材,有较好的应用前景。

(7)促生菌剂

指通过接种在植物根际增殖且具有促进生长作用的土壤细菌称为植物促生根际细菌(PGPR)。

(8)抗生菌肥料

指用分泌抗生物质和刺激素的微生物制成的肥料产品,使用菌种通常是放线菌,如细黄链霉菌(Streptomycesjingyangesis)。我国应用多年的“5406”即属此类,应用后不仅有肥效作用而且能抑制一些作物病害,刺激和调节作物生长。

2.微生物农药

利用微生物或其产物来防治植物病虫害和杂草危害的一类微生物制剂。当这些病原体和拮抗微生物或其代谢产物为昆虫吞食、接触或病菌感染后,通过微生物的活动、毒素的作用而使害虫和病原菌的新陈代谢受影响,破坏其机体器官,影响其发育繁殖或变态,从而达到灭菌防病的目的。

3.食用菌

食用菌资源十分丰富,全世界可供食用的真菌有2000多种。常见栽培品种有双孢蘑菇、草菇、金针菇、平菇、香菇、猴头菌、木耳、银耳、灵芝、和茯苓等。

4.微生物饲料

微生物饲料是利用微生物的新陈代谢和个体的繁殖来生产和调制的饲料。大体上分为两大类:一类主要是利用微生物的发酵作用改变饲料原料的理化性状,如增加适口性,提高消化率及营养价值,或解毒、脱毒和积累有益的中间代谢产物。包括乳酸饲料、粗饲料发酵、担子菌发酵饲料、禽畜粪便发酵饲料等;与微生物饲料生产与调制有关,能提供菌体蛋白和有益代谢物,或具备解毒、脱毒功能的有益微生物,称为饲料微生物。菌种的研究是微生物制剂应用的基础,优良的菌种是企业的保证。国内外都在开展这方面的研究.主要包括新菌株的分离、筛选、鉴定、生物学特性、代谢产物、对宿主的适应性和作用机理以及菌株的组合配比和应用效果等。1989年美国FDA批准41种认为是安全有效的微生物,我国农业部1999年6月公布,干酪乳杆菌、植物乳枰菌、嗜酸乳杆菌、乳链球菌、粪链球菌、屎链球菌、乳酸片球菌、枯草杆菌、纳豆芽孢杆菌、啤酒酵母、产阮假丝酵母、沼泽红假单胞菌等l2种菌可作为饲用微生物添加剂。此外不断有研究和应用新菌种的报道,知腊样芽孢杆菌、地农芽孢杆菌、固氮菌等。

饲用微生物在提高动物抗病能力、提高饲料转化率、提高生产性能、改善生态环境等方面有明显的作用,并且具有安全、无污染、无残留等特点,有利于绿色食品的生产,有利于保障人类健康。因此发展前景十分广阔。

5.沼气发酵

沼气(marshgas或swampgas):又称生物气(biogas),是一种混合可燃气体,其中主要成分为甲烷、还含有少量H2、N2、CO2等。沼气发酵:其生化本质是一种由产甲烷细菌进行的甲烷形成(methanogenesis)过程。

四、微生物在固体废弃物上的应用

随着我国经济持续高速增长,城市化进程不断加快,生产、销售、消费过程中产生的固体废弃物随着经济的增长而增加,大量未经处理的废弃物直接排放大自然,成为日趋严重的环境污染源,已经成为中国最严重的公害之一。

农业植物纤维性废弃物中的成分一般都能被微生物分解作用,加到动物饲料中可大大提高饲料效果。微生物处理技术就是指应用微生物工业技术,采用生物工程手段,将秸秆、木屑等农业植物纤维性废弃物加工变为微生物蛋白产品,其应用的微生物包括细菌、酵母菌及微型藻类,发酵主要有液体发酵和固体发酵两种方式。

好氧堆肥是在有氧的条件下,借好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来使有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物吸收:固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外,由生物所分泌的胞外酶分解为可溶性物质,再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化还原和生物合成过程,把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并放出生物生长活动所需要的能量,把另一部分有机物转化合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖,生产更多的生物体。由于好氧堆肥温度高,一般在50~60℃,甚至可达80~90℃,故亦称为高温堆肥。

厌氧堆肥是在无氧条件下,借厌氧微生物(主要是厌氧细菌)的作用来进行的。当有机物进行厌氧分解时,主要经历了两个阶段:酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。分解初期,微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等:在这一阶段中,有机酸大量积累,PH值随着下降,所以叫做酸性发酵阶段,参与的细菌统称为产酸细菌。在分解后期,由于所产生的氨的中和作用,PH值逐渐上升,同时,另一群统称为甲烷细菌的微生物开始分解有机酸和醇,产物主要是甲烷和二氧化碳。随着甲烷细菌的繁殖,有机酸迅速分解,PH值迅速上升,这一阶段的分解叫碱性发酵阶段。厌氧堆肥运转费用低,如果对所产生的甲烷气处理得当,还有利用的可能。

五、微生物在污水处理中的应用

目前我国的污水处理方法有很多,有物化法(包括吹脱法、膜分离技术等),化学方法(包括化学氧化法、电化学法等),这些处理污水的方法.存在许多弊端。投资大、不彻底,易造成二次污染等,不满足世界环境与发展委员会提出的“可持续发展的要求。这就要求我们在处理问题的时候,多考虑环境保护的因素,多从技术的先进性和是否代表了可持续发展的方向两个方面来考虑。所以近年来利用微生物技术处理控制污水的方法逐渐受到重视,并在污水处理等领域得到了广泛应用。与物理、化学等处理方法不同,微生物能利用自身的新陈代谢作用,分解污水中的有机物,也就是说能够“吃掉污染”。

微生物净化污水的过程主要是指在污水处理装置中采用不同性能的微生物,并且让它们相互配合,从而实现物质循环的过程。当城市污水进入污水处理装置中的时候,微生物会发挥其作用。微生物在一定条件下,能够对水体进行分辨,判断出水体的成分,从而有选择性的进行处理,并且不断地进行有规律的改变。微生物区系对污水中的有机物或者是有毒物质进行分解和氧化等处理,从而对污水起到净化的作用。污水经过处理后,可流人河道或者被二次使用。污水经过微生物处理后,会生成大量的废渣和生物膜的残余物,这些物质可以通过厌氧处理,从而生成可被利用的沼气以及有机肥料。

利用微生物技术处理污水能有效的减少甚至避免环境的二次污染,但是它

对环境有一定的要求,比较容易受环境的影响,下面介绍几种方法:

活性污泥法,它利用含有好氧微生物的活性污泥,能有效的去除有机物的氨氮,是一种应用最广,工艺比较成熟的废水生物处理技术。活性污泥在污水处理中有很强的吸附、分解能力,缺点是能产生大量的剩余污泥,而两端活性污泥法解决了这一问题,它在增强去污的同时,可以不排泥或少排泥从而降低污泥处理费用。根据曝气方式的不同,活性污泥法分为普通曝气法、完全混合曝气法.逐步曝气法、旋流式曝气法和纯氧曝气法。生物硝化反硝化.是应用最广泛的脱氮方式,是去除水中氨氮的一种较为经济的方法,其优点是降低能耗、实现反硝化脱氮、缩短反应历程、降低污泥产量。但是这种去污方法控制因素多且复杂,各种因素之间又相互关联,比较难把握。A/O工艺比较简单,但脱氮除磷效果稍差,脱氮效率70~80%,除磷只有20~30%。尽管如此,目前仍是比较普遍采用的工艺。Bardenpho工艺是对AO工艺的一个改进,它增设了一个缺氧段和一个好氧段,从而有利于提高脱氮效率。膜一生物反应器,是采用物化方法和生物方法相联合的方法.这种方法把污水处理分成两个阶段,第一阶段采用物化方法将高浓度污水进行分离氨氮处理,第二阶段采用生物技术进一步对氨氮进行处理。这种方法将物化方法和生物方法进行了互补,能把氨氮浓度降到足够低(如100mg/L以下)。光能自养生物膜系统,是由一个微生物种群构成的一个相对稳定的微生物生态系统。它表层附着大量产氧光能自养型微生物。白天,可以制造大量氧气,晚上则处于缺氧和厌氧状态。这样通过昼夜交替,形成有氧、缺氧和厌氧的环境,有助于不同阶段的脱氧,使脱氧效果更佳。

微生物絮凝技术在污水处理上也占有很大比重。微生物絮凝剂主要是一类微生物产生的代谢产物(具有絮凝功能且能被自然降解的高分子有机物)像糖蛋白、粘多糖、纤维素、DNA等,分子量多在105以上;有些则直接利用微生物细胞,比如某些大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中的细菌、霉菌、放线菌和酵母菌等,本身即可用作絮凝剂;还有些是从细胞壁提取的,像葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N乙酰葡萄糖胺等均可作为絮凝剂使用.能够分泌絮凝剂的微生物称为絮凝剂产生菌,至今发现的具有絮凝性的微生物至少有19种引,其中霉菌8种,细菌5种,放线菌1种,最具代表性的有酱油曲霉用其生产的絮凝剂为AJ7002;有拟青霉属微生物,生产的絮凝剂为PF101;另外还有目前最好的絮凝剂红平红球菌,生产的絮凝剂为NOC1已问世。絮凝剂应用主要体现在以下几个方面:

(1)畜产废水的处理。畜产废水的BOD高,处理困难,用高分子絮凝剂处理,虽有较好的处理效果,但存在二次污染。用微生物絮凝剂可以有效地去除畜产废水中的TOC和TN,去除率分别在70%和40%左右,并且处理后的废水是无色澄清的。

(2)废水的脱色。目前废水处理技术虽能将BOD降低,但对可溶性色素溶液的脱色还缺乏有效的方法。采用R.erythroplis生产的微生物絮凝剂不仅具有絮凝沉淀效果,而且对高分子絮凝剂不能去除的着色物质也有优异的脱色效果。

(3)污水沉降生能的改善。微生物絮凝剂能有效改善污泥沉降性能,防止污泥解絮,提高整个处理系统的效率。由红平红球菌制得的微生物絮凝剂加入已发生膨胀的活性污泥中,可以使得污泥的SVI-1从290降到50,可以应用到给水处理,饮料以及食品医疗的发酵的处理工艺,其它更广泛的领域有待开发。

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