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1 绪论1

1.1 生物技术与人类未来1

1.2 生物技术对生命科学基础研究的促进1

1.3 生物技术新产业的发展2

1.4 生物技术的定义3

1.5 生物技术与微生物应用4

1.5.1 微生物研究基础及其对现代生命科学的影响4

1.5.2 微生物资源8

2 微生物分子遗传学基础10

2.1 微生物基因组10

2.1.1 微生物基因组研究的意义10

2.1.2 基因组测序研究概况11

2.1.3 细菌基因组11

2.1.4 古菌基因组16

2.1.5 酵母基因组18

2.1.6 微生物基因组测序与剖析23

2.1.7 基因组和后基因组研究技术44

2.2 基因及功能序列54

2.2.1 基因54

2.2.2 功能序列57

2.3 染色体60

2.4 质粒61

2.4.1 质粒的基本特征61

2.4.2 质粒的命名62

2.4.3 质粒的功能与类型62

2.4.4 质粒的复制66

2.4.5 质粒的稳定性及其消除的防止机制68

2.4.6 质粒的不相容性68

2.5 噬菌体69

2.5.1 噬菌体的特征69

2.5.2 原噬菌体与溶原70

2.5.3 λ噬菌体71

2.5.4 溶源噬菌体与寄主菌的致病性72

2.6 转座单元与转座作用73

2.6.1 插入序列73

2.6.2 复合转座子75

2.6.3 温和噬菌体Mu76

2.6.4 真核基因组的转座单元76

2.7 DNA的横向传递77

2.7.1 转化77

2.7.2 转导80

2.7.3 接合81

2.8 基因表达与调控83

2.8.1 阻遏物与负调控83

2.8.2 激活蛋白与正调控85

2.8.3 生物合成途径操纵子的表达与调控87

2.8.4 病原微生物毒力基因表达调控89

2.8.5 细菌通讯系统及其调控90

2.9 DNA突变、损伤与修复91

2.9.1 突变的定义和术语91

2.9.2 突变的机制92

2.9.3 突变率93

2.9.4 突变体的类型93

2.9.5 DNA损伤与修复95

2.10 体内遗传重组101

2.10.1 同源重组101

2.10.2 位点专一重组103

2.10.3 转座重组103

3 基因克隆与表达的载体与宿主系统107

3.1 基因克隆的载体系统107

3.1.1 以质粒为基础的克隆载体107

3.1.2 以λ噬菌体为基础的克隆载体115

3.1.3 柯斯质粒、噬菌粒及其他先进载体121

3.1.4 噬粒载体123

3.2 大肠埃希菌表达系统124

3.2.1 大肠埃希菌表达载体124

3.2.2 各种大肠埃希菌表达系统的特点125

3.2.3 高效表达外源基因的策略131

3.3 枯草杆菌表达系统133

3.3.1 枯草杆菌基因表达的特点134

3.3.2 枯草杆菌表达载体134

3.3.3 枯草杆菌宿主菌134

3.3.4 DNA转化枯草杆菌的方法134

3.3.5 高效表达外源基因的策略135

3.4 酵母表达系统136

3.4.1 酿酒酵母表达系统137

3.4.2 毕赤酵母表达系统138

3.4.3 其他酵母表达系统141

3.5 丝状真菌表达系统141

3.5.1 丝状真菌表达载体143

3.5.2 丝状真菌的转化143

3.5.3 丝状真菌高效表达外源基因的策略145

3.6 大肠埃希菌表面展示147

3.6.1 微生物细胞表面展示的概念和应用范围147

3.6.2 革兰阴性菌的表面展示148

3.6.3 革兰阳性菌表面展示系统149

3.6.4 酵母表面展示149

4 微生物育种技术155

4.1 传统诱变育种155

4.1.1 诱变剂及其使用155

4.1.2 诱变程序159

4.2 同源重组与基因取代技术170

4.2.1 基于抗药性标记和自杀质粒的取代方法170

4.2.2 基于温度敏感复制子介导的取代171

4.3 定向诱变（人工进化）172

4.3.1 易错PCR172

4.3.2 DNA改组173

4.3.3 交错延伸法176

4.3.4 定向选择176

4.4 定点诱变178

4.4.1 借助噬菌体M13的定点诱变178

4.4.2 借助质粒的诱变180

4.5 PCR诱变180

4.5.1 PCR定点诱变180

4.5.2 几种碱基变化的PCR引入181

4.5.3 PCR随机诱变182

4.6 转座子诱变182

4.6.1 染色体基因诱变183

4.6.2 革兰阴性细菌的转座子诱变184

4.6.3 克隆基因的功能分析185

4.6.4 转座子用于报告基因融合诱变186

4.7 蛋白质和酶基因诱变的策略187

4.7.1 引入二硫键提高蛋白稳定性的技术187

4.7.2 改变天冬酰胺提高稳定性技术188

4.7.3 提高酶活性189

4.7.4 改变酶的专一性189

4.7.5 其他基因改造技术189

4.8 基因敲除技术190

4.8.1 利用同源重组进行基因敲除190

4.8.2 利用转座子进行基因敲除192

4.8.3 基于PCR方法的基因敲除194

4.8.4 噬菌体退火蛋白介导的寡核苷酸重组系统196

4.8.5 RNAi引起的基因敲除196

5 微生物发酵技术198

5.1 发酵技术198

5.1.1 分批发酵198

5.1.2 补料分批发酵200

5.1.3 半连续发酵200

5.1.4 连续发酵201

5.2 发酵工艺控制202

5.2.1 培养基对发酵的影响203

5.2.2 种子对发酵的影响208

5.2.3 温度对发酵的影响208

5.2.4 pH对发酵的影响209

5.2.5 搅拌与通风210

5.2.6 泡沫的控制217

5.3 固态发酵219

5.3.1 固体发酵的特点219

5.3.2 固体发酵的基本知识220

5.3.3 固体发酵罐220

5.4 基因工程菌发酵220

5.4.1 工程菌的稳定性221

5.4.2 高密度培养222

5.5 微生物混合培养技术225

5.5.1 混合培养技术226

5.5.2 混合培养的应用228

5.6 生物反应器231

5.6.1 通风发酵罐231

5.6.2 厌氧发酵罐239

5.7 发酵动力学241

5.7.1 得率系数241

5.7.2 反应速率242

5.7.3 细胞生长动力学243

5.7.4 产物生成动力学245

5.7.5 基质消耗动力学247

5.7.6 发酵过程动力学模拟与参数的估计248

5.8 发酵过程优化技术255

5.8.1 单次单因子法255

5.8.2 Plackett-Burman法255

5.8.3 响应面法257

5.8.4 改进单纯形法261

6 医药微生物生物技术265

6.1 人体正常菌群与致病菌265

6.1.1 内源性感染265

6.1.2 外源性感染266

6.2 微生物药物的主要类型267

6.2.1 微生物菌体医药268

6.2.2 微生物产生的多糖270

6.2.3 微生物次级代谢产物272

6.2.4 微生物转化药物282

6.3 现代微生物药物筛选方法284

6.3.1 高通量筛选系统及其特点284

6.3.2 高通量生物过程技术286

6.3.3 微生物提取物中快速检测次级代谢物技术286

6.4 现代筛选模型和方法287

6.4.1 抗细菌抗生素筛选模型与方法287

6.4.2 抗真菌抗生素筛选模型和方法290

6.4.3 影响病原微生物毒力的抗生素筛选方法291

6.4.4 抗病毒抗生素筛选模型和方法293

6.4.5 抗肿瘤抗生素的筛选模型和方法295

6.4.6 其他生理活性物质筛选295

6.5 微生物基因组学对微生物药物筛选的影响296

6.5.1 抗生素产生菌基因组学对新微生物代谢物发现的影响297

6.5.2 利用微生物基因组学确定新的药物作用靶位或建立新的筛选模型298

6.5.3 酿酒酵母基因组学在药物筛选中的应用298

6.6 病毒介导的基因转移体系299

6.6.1 反转录病毒介导的基因转移299

6.6.2 腺病毒介导的基因转移300

6.6.3 腺联病毒介导的基因转移300

6.6.4 单纯疱疹病毒介导的基因转移301

6.6.5 其他病毒介导的基因转移301

6.7 基因工程疫菌与菌苗301

6.7.1 基因工程疫苗的种类302

6.7.2 基因工程菌苗303

6.7.3 目前疫苗使用中面临的问题303

7 环境微生物技术306

7.1 废水处理的微生物技术307

7.1.1 水体有机污染物的好氧微生物处理307

7.1.2 水体有机污染物的厌氧微生物处理技术313

7.1.3 水体中氮磷的微生物脱除技术317

7.2 生物修复技术的微生物应用321

7.2.1 原位微生物修复基本原理及影响因素322

7.2.2 地表水污染微生物修复323

7.2.3 地下水污染微生物修复324

7.2.4 土壤污染微生物修复325

7.2.5 微生物修复技术的不足与发展前景326

7.3 固体废弃物处理技术326

7.3.1 固体废弃物的堆肥处理技术327

7.3.2 固体有机废物的卫生填埋技术329

7.4 大气污染物的微生物净化331

7.4.1 气体有机污染物的微生物处理331

7.4.2 气体无机污染物的微生物处理333

7.5 有毒有害污染物治理的现代方法336

7.5.1 卤代有机化合物的微生物降解337

7.5.2 化学农药的微生物降解338

7.5.3 洗涤剂的微生物降解340

7.6 重金属污染的生物处理方法341

7.6.1 重金属的微生物吸附341

7.6.2 重金属的微生物转化343

7.7 煤炭的微生物脱硫344

7.7.1 煤炭的脱硫方法比较345

7.7.2 煤炭的微生物脱硫概述345

7.7.3 微生物脱硫的原理346

7.7.4 微生物脱硫工艺347

7.7.5 煤炭微生物脱硫的现状和前景347

7.8 微生物制浆与漂白技术348

7.8.1 生物制浆349

7.8.2 生物漂白350

7.9 废弃资源的微生物综合利用原理351

7.9.1 废物生产单细胞蛋白351

7.9.2 有机废弃物生产乙醇354

7.9.3 固体有机废弃物生产甲烷354

7.9.4 有机废物产氢354

8 农业微生物生物技术356

8.1 附生微生物357

8.1.1 根际微生物357

8.1.2 叶际微生物357

8.2 植物内生菌361

8.2.1 植物内生菌在生物技术研究中的应用362

8.2.2 根癌土壤杆菌在植物生物技术中的应用362

8.3 菌根364

8.3.1 外生菌根364

8.3.2 内生菌根364

8.3.3 兰科植物菌根365

8.3.4 杜鹃石楠型菌根365

8.4 微生物农药365

8.4.1 微生物杀虫剂366

8.4.2 微生物杀菌剂374

8.4.3 微生物除草剂376

8.4.4 农用抗生素376

8.4.5 真菌病毒379

8.5 微生物肥料380

8.5.1 固氮微生物肥料381

8.5.2 磷细菌肥料383

8.5.3 钾细菌肥料384

8.5.4 抗生菌肥料384

8.6 微生物饲料384

8.6.1 单细胞蛋白与菌体蛋白384

8.6.2 微生物秸秆发酵饲料385

8.6.3 微生物饲料添加剂385

8.7 水产微生物制剂388

8.8 微生物技术在农业废弃物再利用中的作用388

8.8.1 堆肥389

8.8.2 种植药用、食用大型真菌389

8.8.3 制备沼气389

8.8.4 处理乳清390

9 微生物与能源392

9.1 微生物采油392

9.1.1 基本原理393

9.1.2 微生物采油技术394

9.1.3 采油微生物菌种的筛选395

9.1.4 微生物采油技术研究进展395

9.2 微生物生产乙醇396

9.2.1 乙醇糖发酵原理397

9.2.2 木质纤维素的预处理397

9.2.3 木质纤维素的糖化398

9.2.4 发酵生产乙醇399

9.2.5 展望400

9.3 微生物产甲烷401

9.3.1 产甲烷微生物402

9.3.2 厌氧消化系统的作用机制402

9.3.3 影响沼气发酵的主要因素405

9.3.4 实际应用405

9.4 微生物产氢406

9.4.1 发酵细菌产氢407

9.4.2 蓝细菌和绿藻产氢408

9.4.3 古细菌产氢409

9.4.4 酶法产氢409

9.4.5 光合细菌产氢409

9.4.6 生物质气化制氢410

9.5 其他微生物能源的开发与利用411

9.5.1 微生物电池411

9.5.2 产石油微生物411

10 微生物与生物催化414

10.1 生物催化415

10.1.1 生物催化的定义415

10.1.2 生物催化的研究内容416

10.1.3 生物催化的发展趋势416

10.2 固定化生物催化419

10.2.1 固定化方法419

10.2.2 固定化生物催化剂的性质424

10.3 非水相生物催化425

10.3.1 非水相生物催化的介质系统426

10.3.2 非水相中酶学的性质429

10.3.3 非水相中生物催化的反应类型436

10.4 化学品的生物催化合成440

10.4.1 酰胺和羧酸440

10.4.2 醇441

10.4.3 氰醇441

10.4.4 氨基酸442

10.5 药物的生物催化合成443

10.5.1 手性药物的生物催化合成443

10.5.2 药物中间体的生物催化合成447

10.6 分子酶工程449

10.6.1 化学修饰449

10.6.2 定向进化454

11 微生物检测新技术456

11.1 特异性酶反应技术原理及其应用456

11.1.1 微生物特异性酶反应检测技术的原理456

11.1.2 微生物特异性酶的类型及其底物种类457

11.1.3 特异性酶反应的底物459

11.1.4 特异性酶反应的操作和优缺点459

11.1.5 特异性酶检测培养基在常见临床和卫生食品微生物检测中的应用460

11.1.6 微生物特异性酶反应检测技术展望463

11.2 基于核酸的微生物检测新技术464

11.2.1 微生物核酸分子检测的理论基础464

11.2.2 核酸杂交技术465

11.2.3 荧光原位杂交技术466

11.2.4 以PCR为基础的检测技术467

11.2.5 基因芯片技术474

11.2.6 基因芯片技术在微生物检测中的应用474

11.3 免疫传感器技术476

11.3.1 免疫传感器476

11.3.2 免疫传感器技术在微生物检测中的应用476

12 微生物宏基因组技术478

12.1 微生物物种与基因多样性478

12.2 宏基因组文库的构建480

12.2.1 宏基因组文库的概念480

12.2.2 样品的来源481

12.2.3 样品中DNA的提取和纯化482

12.2.4 DNA的部分酶切和与载体连接、转化483

12.3 宏基因组文库的筛选485

12.3.1 基于功能的筛选485

12.3.2 基于序列的筛选486

12.3.3 提高筛选效率的方法486

12.4 宏基因组技术在生物技术上的应用488

12.4.1 海洋微生物宏基因组文库的构建和几丁质降解酶的筛选488

12.4.2 土壤微生物宏基因组表达文库筛选新型抗生素和新型代谢产物489