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Mu 76
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PCR 172
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