微生物学的前景
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微生物学的前景范文第1篇
【关键词】环境工程微生物学 教学 体会
微生物技术是现代高技术之一,对经济建设与社会进步有着深远的影响,它以低耗高效、副产物和副作用小、安全性好,而在解决生态和环境问题等方面发挥着越来越重要的作用。在现代技术的交叉渗透过程中,将微生物技术的基本原理应用到环境工程中,为微生物技术从实验室走向解决环境问题提供了理论基础。在解决目前人类所遇到的人口、能源、废物处理等环境问题中发挥了重要的作用,并显示了可观的经济效益和社会效益。因此,国内许多院校的环境工程专业开设了《环境工程微生物学》课程,并将课程的重点放在了介绍微生物的生态与微生物在解决环境问题的应用上。但同时《环境工程微生物学》在内容与研究方法上和环境工程的其它课程又有较大的差别,所以该课程的教学有它的独特性。
我校水资源与环境学院自开始招环境工程本科生以来,一直把《环境工程微生物学》作为环境工程专业的主要专业基础课之一。目前,我有幸成为这门课程的主讲老师。如何对待该课程的教学? 如何使环境工程专业微生物学教学紧跟学科发展步伐,使学生在系统学习和掌握微生物学基础理论知识的同时,进一步理解防治环境污染、改善与提高环境质量的微生物学原理、技术和方法? 经过近两年的教学工作,感受颇多,特将我对讲授这门课的一些体会总结如下,请批评指正。
1 加强绪论部分的教学
有些人认为绪论没有什么具体内容,在教学上可有可无,有些老师往往是让学生们自学绪论部分。但实际上绪论是一门课程的序曲,又是一门课程的缩影和向导。在绪论的讲授中,授课教师应该介绍微生物的发现及其与人类和环境之间的关系,让学生认识到微生物对于我们人类和环境的重要性;介绍微生物学的奠基、发展历史、现状及发展方向,让学生了解微生物学是在解决实际问题,是在认识自然和改造自然的过程中得到发展的;介绍显微镜的发明者列文虎克、青霉素的发现者弗莱明等为微生物学做出杰出贡献的科学家,启迪学生为科学献身的精神[1];介绍环境工程微生物学当前的研究热点和难点,激发学生的求知欲望。同时,在课程的讲授过程中要多联系生活和实践,努力使抽象深奥的内容变得具体简单。例如,在讲授微生物发酵时,联系酸奶的制作,告诉学生各厂家生产的酸奶呈现不同的风味就是因为不同厂家选用的菌种不同,因而发酵产物不同所致,使学生深刻了解了发酵的不同类型。
2 更新教学内容,加大新知识和新技术的传授
环境微生物学作为一门新兴的边缘学科,随着生物学、微生物学及环境科学的发展而不断呈现出新的内容。特别是日新月异的分子生物学技术已渗透到生物科学和技术的各个领域,尤其是与微生物学关系密切,这更加促进了微生物在环境工程中的应用。为了紧跟时代和学科发展的步伐,培养高质量人才,教师需及时更新自己的知识结构,跟踪学科前沿发展变化的动态,将新的知识和新技术及时增加到教学中来,让学生熟悉和掌握学科前沿性的理论知识和操作技术,为他们将来深入开展研究打下良好的基础。例如,可以讲解有关dna重组技术、基因扩增技术、dna测序技术等高新技术在环境工程中的应用现状和发展前景[2,3],为学生将来开展创新性研究工作奠定理论基础。同时还可以把一些和日常生活关系密切的知识,例如adis的传播及预防,sars、禽流感的爆发与环境污染的关系等等,以科普形式介绍给学生,既活跃了课堂气氛,又拓宽了学生的知识面,调动了学生的学习兴趣,激发学生对科学研究的责任感和奉献精神。另外,把一些有争议的问题引入教学中,也可以开拓学生的专业视野,激发学生智力活动的积极性,培养学生的科研动机,帮助学生认识发现真理的过程,培养其攀登科学高峰的信心和勇气。
3 改革教学模式,激发学生学习兴趣
学习动机是一种内驱力,学习兴趣是学习的最佳动力。只有在充分激发学生的兴趣,调动他们的想象力和参与能力的情况下才能最大限度地发挥效力。环境微生物学研究的对象是人们在通常情况下看不见的微小生物,其教学内容是一些微观的、抽象的、阐述性的内容,并且涉及到遗传学、生理学、生物化学、分子生物学等诸多前沿学科,具有较强的广度与深度。如果不能及时调动学生的学习积极性,那么这些繁杂的内容就会使学生感到味如嚼蜡,毫无兴趣,直接影响学生的理解,最终导致学习效率低下,学习效果不佳。如果激发了学生对课程的学习兴趣,就会增加学生课后查找、阅读参考资料的主动性,这对学生后续内容的学习也是一种鞭策和鼓励。
学生在学习该课程之前,主要学习了数学、物理和基础化学等课程,专业课程学习尚未展开,所以学生对环境工程专业学习微生物目的缺乏认识,在他们思想上有一种根深蒂固的想法,即解决环境问题必须用物理化学的方法。针对这种情况,就需要将工程实践中一些有影响的或与学生生活比较贴近的实例,如:一般的城市二级污水处理厂、城市垃圾资源化系统等内容引入课堂,让学生明白微生物在处理环境问题中有着广泛的应用,从而激发他们的学习热情。
还有,《环境工程微生物学》的前几个章节主要讲述微生物的形态、结构及生化过程,具有概念多、微生物种类多且形态多变的特点,而且由于微生物形体小,无法从日常生活中得到直观的印象,学生普遍感到“看不见,摸不着”。针对这种情况,应当采用多媒体教学的手段,利用一些典型微生物的图片或三维动画形式,描述其形态与生长发育过程,这样既方便讲解又生动活泼,利于学生理解,增加学生学习兴趣,提高教学效果。同时,还要鼓励学生自己动手采集微生物,利用实验室开放时间,自己去观察体会,并通过查资料,关注学科进展,采取互动形式,增加学生从课外获得相关知识的能力。
4 加强实验教学
微生物学是来源于实验的科学,所以我们应着重加强实验教学。环境工程微生物学实验是一门原理性、概念性、实践性、操作性难度较大的课程。比如显微镜技术、制片和染色技术、培养基的制备技术、无菌操作技术、纯种分离培养技术、菌种保藏技术、大气及水中微生物监测技术等。这些都需要特殊的设备和独立的训练,如果没有足够的课时及仪器支持,掌握其中的操作技术是很困难的。环境工程微生物学实验课前期准备工作是一项比较复杂、精细和繁琐的工作,工作量大,连续性强,即使是微小的疏忽也可能造成实验的失败。在做实验准备的过程中必须认真、细致才能保证实验课的顺利进行,这就对实验室老师的素质和教学态度提出严峻的考验。
还有,实验操作过程是培养学生独立工作能力最好的过程。实验中,我们应该采取学生独立思考、自己动手、大胆探索,教师积极引导、注重启发的实验教学模式,充分发挥学生在实验中的积极性和主动性。如在做“细菌革兰氏染色”实验时,我们要求每个学生至少完成3个不同类别典型细菌的正确鉴别染色片,从挑取菌种、涂片、固定、染色、调试显微镜,直到观察到染色的微生物形态,鉴别出正确的菌种为止,整个过程完全由学生自己操作,而且实验的每一步都要非常认真仔细,稍不注意就得不到正确结果[4]。实验中,学生对涂片后固定细菌时的温度高低、洗片环节、酒精脱色的时间等精心分析,反复实验摸索,并在教师的启发下,找出问题症结,直到得出满意的结果为止。实验过程中,我们还应对学生操作时的习惯性问题和错误作重点提示和讲解,并在学生操作过程中及时指导纠正动作,严格要求学生独立完成。
实验课的讲授过程中,我们还应尽可能地开一些综合性地实验。综合实验是一个以学生为主体、学生与教师互动的教学过程,其特点是学生独立自主进行实验的设计、组织、实施和管理。演示性、验证性实验多,而综合性、设计性实验少是过去实验教学中存在的问题,学生对实验过程印象不深,理论掌握不牢,动手能力不强,不利于培养学生的创新能力。为此,我们针对学生比较感兴趣的实验课题,如水、室内空气、土壤和食品中的微生物种类、数量、分布等应用于实验教学,学生通过查阅资料,设计实验方案,由指导老师指导和小组讨论,确定实验方案,提高了学生的分析问题和解决问题的能力,这样激发了学习兴趣,巩固了理论知识和实验技术,也培养了学生的综合运用能力。
微生物学博大精深,微生物在处理环境问题时的优势越来越明显。作为环境工程专业的重要基础课之一,《环境工程微生物学》在学科体系中的地位也越来越重要。如何使环境工程专业的微生物教学进行得更合理,如何使环境工程专业的学生具备较高的微生物学综合素质,相信通过对教学经验的不断总结和改革,通过主讲老师地不断学习提高,最终能够使《环境工程微生物学》的教学工作适应时展要求,为培养具有综合素质的环境科学人才做出贡献。
参考文献
[1] 周德庆.微生物学教程(第二版).北京:高等教育出版社,2002.
[2] 张洪勋,王晓谊,齐鸿雁.微生物生态学研究方法进展[j].生态学报,2003,23(5): 988-993.
微生物学的前景范文第2篇
论文摘要：资源微生物学是一门实验性很强的学科，为了提高该课程实验教学质量，培养学生的创新和综合素质，从实验教学内容、实验教学方法和实验教学手段3个方面入手，对资源微生物学实验教学改革进行了探讨。
自20世纪以来，自然资源的保护及有效利用引起了人们空前的重视。植物资源、动物资源和微生物资源是自然资源的核心部分。其中，微生物资源拥有其他生物资源所不具备的、特有的生态学和经济学意义。其具有生产速率高、生物转化活性强、易实现工业化生产等特点，因而具有极为广阔的应用前景。微生物资源的开发利用已成为现代应用生物学领域的研究热点之一，在工业、农业、医学等各个领域已得到了广泛的应用，并有效地服务于人类。资源微生物学实验课程通过具体的实验技术操作使学生了解课程相关理论内容，掌握基础知识并将各类信息进行新的组合，创造出新的方法、新的思路，从而提高学生的科学与实际动手操作能力[1，2]。但是在传统的实验教学过程中，学生只是严格按照事先设定好的实验步骤逐项进行，整个实验过程缺少操作者自己的主观能动性。这种机械化实验教学模式容易导致学生的思维定势，不利于学生创新能力的培养，学生的实验技能也得不到系统的训练和提高。为了提高资源微生物学实验教学和课堂教学的质量，提高学生各方面的综合素质，笔者对资源微生物学实验教学改革进行了探讨。
1慎重选取实验教学内容
资源微生物学是以微生物学为核心，涉及生物化学、有机化学与无机化学等的交叉学科，其实验内容的总体要求是熟练掌握资源微生物学的基本实验操作技能。实验教学面向生物工程专业的学生，开设资源微生物形态特征的识别、能够促进农业生产的微生物检测、以农作物下脚料为培养基的食用菌栽培以及与生物前沿技术相接轨的前瞻性实验等教学内容。
资源微生物学的一项重要教学内容就是要根据微生物的形态特征识别相关资源微生物，利用有益微生物的代谢活动制造更多的生物农药、生物肥料、植物保健剂以及相关食品与药品。因此，在实验教学中开设了微生物形态观察实验，对农业生产及医药、食品行业中常见的微生物，如根瘤菌、菌根菌、放线菌、酵母菌等进行培养、观察。通过具体的实验操作，培养学生识别和绘制农业生产等相关领域常见菌类个体形态图的能力，掌握不同微生物类群的菌落特征，使学生对资源微生物的特性有感性的认识，加深对理论内容的理解，以提高课堂教学质量。
目前，国内能源短缺和环境污染问题形势依然严峻。对于培养生物技术专业人才的院校来说，将开发利用微生物资源的实验作为重点内容是理所当然的。为了加强学生对资源微生物的开发应用能力，实验中应当开设像微生物菌种培养与保存、食用菌栽培、微生物代谢调控及微生物代谢物生物活性分析等实用性较强的实验课程。另外，在微生物培养实验进行过程中，要适时向学生介绍培养条件对微生物生长和代谢的影响以及相关微生物检验检测方法，以拓宽学生的知识面，为将来从事微生物资源开发和利用工作打下坚定的基础。
近年来，分子生物学实验技术发展迅速，作为该学科基础的微生物学只有与分子生物学相结合才能具有更大的发展潜力。为了使学生全面了解生物学技术发展的现状，在设置实验内容时应该考虑将一些简单的分子生物学方面的实验内容，如核酸的分离与纯化等，作为提高实验并加入到资源微生物学实验中。
2改革实验教学方法
对实验教学方法进行改革是对传统教学方法弊端的修正，改革后的教学方法应该有利于充分调动学生的积极性、主动性和创造性，有利于培养学生观察、思考、分析和解决问题的能力，有利于学生在科学实验中培养严肃的实验态度、严谨的科学作风[3，4]。为了改善实验效果，激发学生的实验积极性，可从以下几个方面对实验教学进行改进。
2.1鼓励学生参与实验准备工作
实验准备工作繁多是资源微生物学实验的特点之一。以往每次实验前大量的洗刷、包扎、灭菌培养基的制备、溶剂配制等工作需要花费教师大量的时间来完成，而学生在实验中坐享其成，虽然在较短的时间内就可以完成实验，但对实验内容的理解并不深刻，效果不佳。鼓励学生在教师的指导下开展实验准备工作，使他们有更多的机会参与到实验中，有利于他们系统地掌握实验方法和技能，也利于他们产生长时间自觉学习的动力；同时也减轻了教师的实验负担。
2.2严格实验基本技能的训练
实验基本技能是实验完成质量好坏的决定因素，也是培养学生动手能力和实验能力的重要环节。因此，在实验进行过程中教师要经常巡回检查，随时指出学生在操作中存在的问题。对于存在的问题教师要认真分析，亲自示范、及时纠正，不放过任何一个不规范的细节操作，严格要求实验纪律，培养学生养成严谨求实、踏实规范的科学实验作风。
2.3规范实验报告的书写
实验报告是教师对学生实验完成情况的一种书面评价方式。规范的实验报告应包括预习报告、过程报告和结果分析报告几个部分。实验开始之前教师先对学生的预习报告进行检查；实验进行中教师应该要求学生如实、客观地记录实验过程及实验结果；不管实验成败与否，实验后都要认真分析实验过程并总结实验中要注意的事项以加深记忆。学生的实验报告，教师要仔细批阅写出评语。不规范的报告要指出问题所在，对于普遍存在的问题要在课堂上集中讲解。
3充分运用多媒体教学手段
传统的实验教学过程中，教师为了加强教学效果均利用挂图使学生客观、感性地认识微生物。但是资源微生物的形态结构非常微小，非肉眼所能见，教师即使花费大量的时间进行描述、解释也不能取得到好的效果，学生对教学内容难以掌握，甚至在观察微生物形态时找不准正确的观察对象。
在科学技术迅猛发展的今天，随着教学体制改革的不断深入，多媒体现代化教学手段得到越来越广泛的应用。教师可以将这种教学手段充分运用到实验教学中，将文本、图形、图像、动画、声音、视频等融为一体，实验中教师可以边播放多媒体资料边讲解，以解决传统教学中解释不清的教学难题，减轻教师的教学负担。另外，多媒体手段的应用可以对学生的感官形成刺激，能够使学生直接地明晰抽象的微生物世界，激发学生的学习积极性，帮助学生准确地掌握重、难点，提高学习效率。
4结语
上述实验教学改革措施的实施会很大程度上调动学生的实验积极性，激发他们上好实验课的热情，削弱其实验依赖性，使他们在实验过程中真正发挥主观能动性，确立其实验主体地位。通过改革后的实验课教学，学生独立分析、解决问题的能力得到提高，严格的实验作风和严谨的科学态度得到培养，为学生将来从事微生物资源开发和利用及相关科研工作打下坚实的基础。
5参考文献
[1] 陶思源.本科微生物学实验教学改革初探[j].辽宁行政学院学报，2005，7（4）：211-212.
[2] 陈宏伟.微生物学实验教学方法的改进[j].微生物学通报，1997，24（6)：381-382.
微生物学的前景范文第3篇
关键词：微生物学实验课 实验教学 教学改革
abstract: this article discussed the characteristics and importance of microoganism experiment education. it analyzed the defects of the current teaching model and emphasized the pressure to reform the experiment teaching model. the auther advanced some proposals on the micro- experiment course reform from bisic operation, atde, teaching equipment, teaching content and examine system also prospected the future reform on the micro-experiment course.
keywords: micro-experiment course; experiment teaching; teaching reform
微生物学是高等学校生物学相关专业的重要基础课程之一。该学科主要内容涉及微生物的形态结构、营养特点、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布、分类鉴定和进化等方面，内容极为丰富。微生物学与植物学、动物学相比，其渗透性更强，涉及领域更广，具有很强的实践性和应用性[1]。微生物应用可涉及到工业、农业、医疗卫生和环境保护等多个领域，可以说是无处不在。而微生物实验教学是整个微生物教学过程的一个重要组成部分，是使学生将理论知识提高到具体实践应用的必经步骤，是使学生对理论知识实现“认知-实践-再认知-再实践”的必要环节，是锻炼学生观察能力、操作能力、思维能力和运用能力的重要途径，是培养学生实践能力和创新能力等综合素质的重要手段。可见，微生物实验教学担负着培养高素质微生物专业人才的重大使命，微生物实验教学能否很好的展开，直接影响着人才培养的质量。当今时代，教育观念不断发展创新，教育体制改革盛行，传统的实验教学手段已远远不能满足人才培养的需要，而微生物实验教学也正面临着同样的问题，实验课程教学改革已成为高校教育改革的最迫切的任务之一。实验课程教学改革的核心思想是改变以教师为主角学生旁观的落后模式，一方面加强教师的实验理论指导作用，另一方面使学生解放出自己的双手，在实验课中鼓励他们积极大胆地动手，激发其学习的主动性，培养他们实践和创新能力。
1 当前微生物实验教学存在的问题、弊端
当前微生物实验教学大多还是采用传统的教学模式，即以教师为主体思维模式比较固定且具有很强预见性的实验教学模式，实验原理、实验思路、实验设计以及实验药品和实验器材的准备都是由教师一人包办。整个实验内容和流程比较固定，缺乏创新和新鲜感，以至于导致学生对实验课内容感到乏味，积极性不足。在实验课具体教学过程中，教师往往按部就班地将实验目的、实验原理、操作步骤和注意事项等内容以灌输方式将给学生，然后学生机械地按照教师预先设计好的实验流程和操作步骤一成不变的完成。在当前提倡教育创新的形势下，显然这种旧教学模式很难满足当前社会所急需的创新型人才培养的要求，其弊端也明显暴露出来，传统实验教学模式的弊端有：1 实验内容单一性强、几乎没有研究性实验，缺少新颖性，体现不出知识的连贯性、系统性和综合性；2 实验演示性和验证性居多，深度不够、思维空间小，不利于培养学生实验探究能力和思维创新能力；3 实验课前准备基本都是由教师单独完成，学生极少参与课前准备，因此不利于学生对整个实验过程进行系统全面的掌握，学生只能生硬的按照预设的操作步骤去做，这样就难以发挥学生们学习的主动性，不利于培养学生积极发掘问题、分析和解决问题的能力。4 对实验教学在整个微生物教学中的重要地位认识不够，实验课时量较少，实验教学时间比较固定，误导学生形成重理论轻实践的错误心理。例如，很多实验很难在规定课时内完成，常常会把一个完整的实验分割成多个部分、多个时间去做，这样就造成实验时间跨度太长，增加了实验结果的误差和不确定性，实验最终往往是草草了事，难以达到应有的教学效果。这对学生系统掌握完整的实验过程和操作步骤极为不利。5 考核方式简单，不能合理有效的反应学生的真实水平。目前，微生物实验课教学效果评定办法多采用试卷评分，即使有实验操作评定，但往往也比较简单不够全面。国家的发展和创新，归根揭底在于教育事业的发展和创新，而教育的发展和创新在于其实质就是能够培养出勇于创新和敢于打破陈规的创造型人才。
2 关于微生物学实验教学改革的几点建议
关于微生物实验教学改革的理论探讨和实践经验有很多[2,3,4,5],这些理论和实践经验在具体的教学实施中也有了较为显著的效果，根据我们当前的微生物实验教学状况，提出了一下几个方面的改革建议。
2.1 重视学生基本实验操作技能训练
能否正确熟练的实施实验操作往往是实验能否成功的关键。微生物学实验研究对象主要是形态微小的细菌、真菌和病毒，它们分布广、繁殖快、生长周期短，在自然界中往往是多种微生物混合生长，彼此之间生长代谢关系极为密切复杂，在对一种微生物做纯培养时容易受到污染，这一特点就决定了无菌操作的重要性。在具体操作中仅仅一个小小的细节问题就能造成实验结果的极大误差，甚至导致错误的结果，因此培养学生正确熟练的基本操作技能极为重要。在实验课上，一方面老师要把实验操作步骤给学生做个完整的演示，并且把每一个动作、操作技巧做详细的分解说明，另一方面，要加大学生的实验操作训练强度，加强对学生实验操作的规范性要求。可以将学生分成小组，让每个学生在小组成员之间轮流进行练习，同学之间相互讨论，不规范或错误的地方大家都能得到及时纠正。
2.2 将创造型思维理论应用于实验教学
我国台湾学者陈龙安先生首先提出了atde教学模式，就是将创造性思维应用于教学的一种模式，它强调以学生原有的知识和经验为基础，通过“问、想、做、评”四步训练方法，达到培养学生创造性思维能力的目的[6]。该模式中四步训练法，其中第一步是核心，爱因斯坦曾说过：“提出问题比解决问题更重要。”在学生已有的知识和经验背景下，精心设计问题，引导启发学生，提高他们对问题的兴趣，最终激发学生的思维活动，使学生在积极的思维活动中能够产生创建性问题。问题提出以后，然后就会引发对解决问题的思考，这时不妨鼓励学生大胆的自由想像，联想任何与问题直接或间接相关的事物，联想其本身就是对已有知识和经验进行重新整理、再思考和再认知的积极思维过程，通过再认知，不仅能够更加深刻的认识事物，而且往往能够发现新的问题和解决问题的新思路。一旦对所设计的问题有了可行的解决方案，学生的兴趣和积极性也完全调动起来，其内心对克服困难的思想意志和挑战自我的心理意识逐渐形成，这种心理素质也是创造性人才所必须具备的。这样以来，学生就会积极主动的动手去解决问题。最后，通过师生共同评价，对上述的“问、想、做”做个总体的评议，总结成果和经验，找出问题和漏洞。
2.3 充分利用先进的教学技术和设备
基于微生物学实验研究对象的微观性和抽象性特点，传统的实验教学多采用语言描述，其弊端就是缺乏直观性，学生不能进行直观的接受和理解。现代计算机技术，以及相关的多媒体、应用软件、网络和数码影像技术等已应用到各个领域，这些技术在教学中的应用也越来越广泛。如果将更多的计算机相关技术应用到微生物实验教学当中，例如，用多媒体动画将细胞周期生动逼真的展示给学生，数码影像可以把微生物实验中发现的感兴趣的现象拍摄下来，现代网络可以给学生提供丰富的文献资料等等，这些技术的应用，不仅能够使微生物相关知识和内容变得直观，更容易接受，印象更深，而且能够提高学生的学习兴趣，为他们学习提供更多更广泛的学习资源。
2.4 增加综合性、设计性实验
目前，微生物实验课综合性实验不够，学生自主设计性实验内容较少。现代人才的培养，创新是关键，而学生能否对一门课做到系统完整的掌握，能否把各知识点形成一个有机的整体，这是他们能否进行创新学习的基础。如果对知识理论体系的掌握缺乏系统性，没有把各知识点组织成一个完整的有机体，就像一个机器的单个零件一样，离开整体，发挥不了任何作用。实验课，就是对本门课有关理论的实践检验，就是对知识进行整理、组织和完善的教学过程，就是使学生将知识理论内化为完整体系、形成技能和实现创新的高级学习阶段。为了使学生的实验动手能力和理论知识体系得到平衡发展，培养他们创新积极性和创新能力，必须加大对实验课的重视和投入力度。为此，我们从以下几个方面进行强化，首先，适当增加实验课时量，为学生进实验室提供更多机会；其次，增加相关的实验内容，提高实验设计的连续性、综合性和趣闻性，同时鼓励学生查阅相关实验资料，让他们自己设计实验；第三，让学生把自己所做的实验做个全面的总结报告，便于同学之间、师生之间进行交流和讨论。
2.5 让学生接触科学研究前沿，提高学生自我挑战意识
科技的发展在于创新，而创新来源于对科技前沿和未知领域的探索与发现。在自然界中，微生物种类极其繁多，其涉及领域极为广阔，而与微生物有关的现象更是浩如烟海，如果教学模式墨守陈规，教学内容一成不变，那么学生的想象力就会逐渐被抹杀殆尽，而想象力正是创造力的灵魂，如果没有了灵魂哪有创新可言。为了最大程度的激发我系学生的学习兴趣和好奇心，最发限度的发挥他们的想象力，我们把要教学内容做了适度调整，把微生物研究的发展前沿问题，当前研究的热点问题介绍给他们，让他们适量的接触科学前沿，引导他们树立更高、更远的学习目标，增强他们的自我挑战意识，他们后来的考研成绩比往年都有明显提高。
2.6 制定完善的考核机制，优化成绩评定方法
加强对实验课成绩考评的重视力度，不断完善和创新实验课的考试机制，制定高效科学的考试方法，实验课考试要尽可能准确的反应出学生对实验技能和有关知识掌握的情况。首先，注重对学生平时的实验准备、操作、实验结果和实验报告的创新性的抽查，并计入平时成绩，适当提高平时成绩占总成绩的比例。其次，建立实验考试制度，本学期结束前，按照一定比例对学生的实验进行抽查，现场考察学生的实验操作能力并准确地给出成绩。第三，以卷面考试方式，全面考察学生对有关实验知识理论的掌握情况。
3 展望
微生物实验课改革是一项既紧迫又繁重的系列工程，涉及到方方面面，不可能一蹴而就。为了加快实验课改革步伐，使微生物实验课最大限度的发挥其教学功能，不仅需要有关领导和管理层的大力支持，更需要广大教师和相关实验技术人员的通力协作，也需要广大学生的积极参与。我认为对我院微生物实验课的改革应从下面几个方面进行加强：一，扩大实验室对学生的开放力度，为学生早日进实验室提供更多的动手机会。二 加强实验室管理力度，完善实验室管理制度，为实验室高效、有序的运行提供有力保障。三 加大实验内容的更新力度，适当增加创新型实验，努力提高学生综合能力和创新能力。四、重视实验室团队建设，提高实验室管理水平，加大实验教师的培训力度，建立一支高素质的实验人才队伍。
参考文献：
[1] 沈萍主编．微生物学[m]．北京：高等教育出版社，2000.
[2] 徐克科 侯佳佳．高校实验教学模式改革研究[j].陕西教育,2009,(7).
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[4] 郑毅，李慧珍，何文锦等. 微生物学教学中加强素质教育的几个方面[j].微生物学通报,1999,26(5):377-379.
微生物学的前景范文第4篇
关键词：医学检验；创新模式；自主开放；实验教学
1开展创新型自主开放式实验教学的必要性
实验教学是培养创新人才的重要环节，是理论教学与临床实践的桥梁［4－5］。为进一步提高学生创新能力和个性发展，实验教学必须为学生提供能够充分发挥自主性、创造性的学习环境和实验内容，因此构建一个全方位、立体化、多样性的创新型开放式实验教学体系，有着至关重要的意义［3－6］。通过学习、交流、调研，以及查阅大量的有关教学改革文献，发现当前实验教学中存在如下问题：（1）实验教学从属于理论教学的地位未得到根本性改变。实验课大多仍为理论课的附属课程，在一定程度上造成了学生轻视实验学习和实验能力的培养。（2）科研小组形式的课外实验教学对专业能力强的学生很有帮助，但对专业基础一般、学习积极性差的学生帮助很少。（3）传统的实验教学，是以教师为“中心”的填鸭式教学，有悖于因材施教的教学理念。限制了学生自我展示、自主创新的空间，阻碍了学生探索科学的积极性和能动性［7］。
2创新型自主开放式实验教学的开展
2．1针对不同层次的学生设立实验项目
首先进行实验项目建设。实验项目建设要体现学生的自主性，同时又要满足不同层次学生的需要，因此既要设立可供学生选择的指定性实验项目，又要允许学生自行提出和设计实验题目的创新型实验项目。
2．2实行多级化的实验管理模式
为了充分发挥开放实验室在培养学生自主、创新、探究、合作学习上的作用，实行创新型开放式实验管理模式，从以往“保姆式”管理转变为“院系统筹、教师指导、学生主体”的管理新模式。实验前院系统筹实验室开放场地、时间、可利用设备资源等，引导教师督促、协助、指导，学生作为实验室开放管理的主体，是实验室管理的具体实施者。
2．3建立高素质的师资队伍
自主开放式实验项目多是创新性、综合性项目，较常规验证性实验，更容易出现复杂的问题。且学生管理经验不足，仪器设备的使用易出现损坏或者浪费的现象，故要求指导教师应具有丰富的综合知识和全心全意为学生的服务意识。随时解决学生实验中出现的一切问题。
2．4建立完善的激励机制
相应的激励机制对学生、指导教师和实验室管理人员都很有必要，更是决定开放实验的效果和水平的前提和保障。拟规定凡参与开放实验项目的学生经考核合格，可以在奖学金的评审中加分，以作为外部动力激发学生参加开放实验的积极性。开放实验项目中取得的成果，与其他成果同样的认可，激励教师和实验技术人员在实验室开放工作的热情。
2．5实施立体化的开放实验评价体系，巩固实践探索成果
自主开放式实验从设计性、创新性、综合性都优于传统实验，因此对开放实验项目的评价不能只重视结果，更要注重培养学生勇于创新不怕失败的创新探索精神和良好的学术素养。（1）只要学生有完整的实验记录，并按计划完成了实验项目，即使结果不正确或有差异，都应该给予肯定。（2）实验过程中是否按照制定的规章执行，制定惩罚措施并严格执行。（3）有详细的实验总结报告，杜绝懒惰不动手操作而抄袭他人的实验结果。（4）在项目完成后有无、作品获奖或者成功举办活动等成果。
3创新型自主开放式教学模式实施过程
3．1实验项目的选定
创新型自主开放式实验教学模式的探索，将为以后的教学改革提供参考和借鉴。因微生物检验的实验教学自2005年以来，就一直在不断的改革探索进行中，且微生物学检验是医学检验中唯一对操作者的操作技能和操作手法及检验技术要求相对较高的学科，故微生物学及微生物学检验的实验教学具有一定的改革经验和实践教学基础［8］。因此将微生物学及微生物学检验的实验教学作为探索试点课程，具有实验探索成功把握大，实践操作性强，实验成果推广的可行性高等特点。
3．2实验教师的培训
由于微生物学及微生物学检验实验教学一直在实践改革探索的路上，故参与微生物学及微生物学检验实验教学的相关教师，都具有一定的改革探索经验和能力。为了更好地完成本次探索，对所有参与人分批分次进行培训。（1）思想观念的转变：即教师的角色由“主动地教”变为“协助指导”；而学生则由原来的“被动的填鸭式学”转变为“主动的思考探索”。教师应充分认识到自己在“创新探索”中所扮演的角色。（2）所有参与“创新探索”的教师必须努力提高自己的专业理论知识和实际操作技能。（3）要求参与“创新探索”的带教老师，熟练掌握微生物实验所涉猎到的操作技术，遵守分工，各司其责，相互配合，共同努力完成探索目标。（4）心理准备，由于各组学生的实验内容不同，难易程度不同，实验进度不同，教师要有甘当学生勤务兵的精神。总之，该教学模式探索是一种全方位的挑战，对教师的教学能力、科研能力、因材施教能力和全心全意为学生服务的精神都提出了更高的要求。
3．3实验项目的建设
自2005年实施实验教学改革以来，该校不段探索改革，将实验内容分为验证性实验和综合性实验，事实证明改革取得了很有成效的成果。在完成教学大纲要求的基础上，结合不同层次学生的需求设立实验项目。指定性实验项目由教师给出实验项目或实验研究方向，学生查阅文献，小组讨论，设计方案开展实验并做出实验报告。以微生物学检验实验为例：如浓汁标本、血标本、尿标本、粪便标本的检验等由教师给出检验程序，学生自己查阅资料，完成实验步骤，给出目的菌的结论。自主创新型实验指由学生自行查阅相关资料后自行拟定的实验项目，设计实验方案，独立完成实验并做出实验报告。如以糖尿病病例为切入点，查阅相关资料，确立糖尿病的相关检验指标，学生自己设计方案、实施检验、做出检验报告。
3．4实验项目的实施安排
（1）动员讲解，展望医学检验发展的前景，使学生充分认识到“创新探索”的意义，激发学生积极参与。（2）实验带教老师对实验所涉及的基本技能及公共使用的仪器进行集中培训指导。（3）组织学生选题及提交实验申请。（4）确立实验方案。（5）学生按计划实施方案。（6）学生自行总结实验结果，并认真完成实验报告。（7）组织学生汇报实验并鼓励学生形成实验论文，最好能公开发表。3．5成绩评定在“创新探索”实践过程中，建立更加合理、客观、全面、多元化实验评价方案。教师要兼顾实验前（文献查询、实验设计是否合理等）、实验中（操作规范、独立操作能力、数据完整性、实验场地的管理）、实验后（实验仪器的归位保养、实验废弃物的妥善处理、实验报告是否完整、准确等）的综合表现来评价学生。
微生物学的前景范文第5篇
关键词微生物;生物能源;研究现状;应用
中图分类号 Q939.9 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)11-0282-03
随着可再生能源的迅速发展,人们对能源微生物的重视程度日益增加[1]。能源微生物主要包括甲烷产生菌、乙醇产生菌、氢气产生菌、生物柴油产生菌和生物电池微生物5大类,这些微生物分别与沼气、生物乙醇、生物氢气、生物柴油和生物燃料电池等能源的转化有直接的关系[2-4]。能源微生物以农业、林业废弃物和城市垃圾为原料产生绿色、可再生能源,对社会和环境的和谐发展具有重要意义。进一步了解和应用能源微生物是绿色农业和生态环境可持续发展中的1个重要而深远的研究课题,有待于进一步的研究、开拓和探索。
1能源微生物种类及转化机理
根据安斯沃思(Ainsworth)的分类系统,伯杰(Bergey’s)细菌鉴定法和洛德(Lodder)酵母菌鉴定法,能源性微生物主要分为5大类[5-8]:
甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷八叠菌属(Methanosarcina)、甲烷球菌属(Methanoccus)等[5]。其作用是在生物质原料的厌氧发酵过程中,产生以甲烷为主的沼气[6]。
乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属(Saccharomyces)、假丝酵母属(Candida)、裂殖酵母菌属(Schizosaccharomyces)、球拟酵母属(Torulopsis)、酒香酵母属(Brettanomyces)、毕赤氏酵母属(Pichia)、汉逊氏酵母属(Hansenula)、克鲁弗氏酵母属(Kluveromyces)、曲霉属(Aspengillus)、隐球酵母属(Cryptococcus)、德巴利氏酵母属(Debaryomyces)、卵孢酵母属(Oosporium)等[7]。其作用是将复杂有机物酵解生成乙醇[8]。
氢气产生菌的主要种类有红螺菌属(Rhodospirillum)、荚硫菌属(Thiocapsa)、红微菌属(Rhodomicrobium)、外硫红螺菌属(Ectothiorhodospira)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、蓝细菌类硫螺菌属(Thiospirillum)、板硫菌属(Thiopedia)、梭杆菌属(Fusobacterium)、闪囊菌属(Lamprocystis)、网硫菌属(Thiodictyon)、埃希氏菌属(Escherichia)等[9]。生物制氢是利用产氢微生物的生理代谢过程发酵产生氢气[10]。
产油微生物包括酵母、霉菌、细菌和藻类,常见的有:浅白色隐球酵母(Cryptococcus albidus)、弯隐球酵母(Cryptococcus albidun)、茁芽丝孢酵母(Trichospiron pullulans)、斯达氏油脂酵母(Lipomyces)、产油油脂酵母(Lipomy slipofer)、类酵母红冬孢(Rhodosporidium toru loides)、胶粘红酵母(Rhodotorula),土霉菌(Asoergullus terreus)、紫瘫麦角菌(Clavicepspurpurea)、高粱褶孢黑粉菌(Tolyposporium)、深黄被孢霉(Mortierella isabellina)、高山被孢霉(Mortierella alpina)、卷枝毛霉(Mucor-circinelloides)、拉曼被孢霉(Mortierella ramanniana)等霉菌,硅藻(diatom)和螺旋藻(Spirulina)等藻类[11]。微生物油脂是指某些微生物在一定条件下将碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为菌体内大量储存的油脂[12,13]。
生物电池的微生物包括脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、腐败希瓦菌(Shewanella purefaciens)[14]、大肠杆菌(Escherichiacoli)[15]、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)[16]、地杆菌(Geobacteraceae sulferreducens)[17]、丁酸梭菌(Clostridium byt-yricum)[18]、嗜甜微生物(Rhodoferax ferrireducens)[19]、粪产碱菌(Alcaligenesfaecallis)、鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinanm)等。它们在新能源开发[20]、微生物传感器[21]和水处理工艺[22]方面有良好的应用前景。
2能源微生物研究与应用概况
2.1甲烷产生菌
近20年来,我国科研工作者对厌氧消化处理中的产甲烷菌进行了非常深入的研究。1980年周孟津和杨秀山分离出巴氏八叠球菌;1983年钱泽澎分离出嗜树木甲烷短杆菌和甲酸甲烷杆菌[23];1984年赵一章等分离出马氏甲烷短杆菌菌株C-44[24]和菌株HX;1985年,张辉等分离出嗜热甲酸甲烷杆菌[25,26];1987年刘光烨等在酒窖窖泥中分离到布氏甲烷杆菌CS[27],钱泽澎等分离出亨氏甲烷螺菌[28],1988年陈美慈等分离出嗜热甲烷杆菌TH-6[29]。而在最近的十几年里,又陆续发现一些新的产甲烷菌种,2000年孙征发现的弯曲甲烷杆菌Px1[30],极大地促进了产甲烷菌的研究进程。我国现在采用人畜粪便、农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的废液等生产甲烷,用于照明、燃烧等,其使用价值是相当可观的。例如日产酒糟500~600m3的酒厂,可日产含甲烷55%~65%的沼气9 000~11 000m3,相当于日发电量12 857~15 714KW,日产标准煤17.1~20.9t,可以代替橡胶生产中烘干用油的30%~40%。我国年产木材采伐废物1 000万吨,油茶壳75万吨,胶渣13万吨,纤维板生产废液350万吨和亚硫酸纸浆废液180万吨为原料,通过微生物作用可获得沼气1 780亿立方米。同时,使上述废液的净化率达30%~60%,并可获得单细胞蛋白饲料约9万吨(按1.7%得率计)[31]。
2.2乙醇产生菌
燃料乙醇具有燃烧完全、效率高、无污染等特点,用其稀释汽油所制成的“乙醇汽油”,功效可提高15%左右。制作乙醇的原料丰富,成本低廉。1988年,巴西就有88%的新轿车的发动机使用乙醇作燃料。美国计划2006~2012年间,燃料乙醇年用量从1 200万吨增加到2 300万吨。英国、德国、荷兰等农业资源丰富的国家,也在进行燃料酒精的生产[32]。我国纤维素资源充足,年产植物秸秆约6亿吨,如果其中的10%经微生物发酵转化,就可生产出乙醇燃料近800万吨,其残渣还可用作饲料和肥料,因此发展纤维素乙醇前景广阔[33]。1993年,Ho等[34]将木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的基因转入酿酒酵母,首次成功构建出利用葡萄糖和木糖生产乙醇的工程酵母。Sonderegger等[35]将多个异源基因导入代谢木糖的酵母工程菌,重组酵母不仅降低副产物木糖醇的量,所得乙醇产量比亲株提高25%。现有乙醇菌种大多耐受力差、副产物多、对发酵条件要求苛刻,今后研究应致力于筛选优良性状的菌株,或利用基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种以及能克服上述问题的菌种,对其酶学特性、功能基因进行研究,优化发酵条件,辅以工艺措施的改进,提高燃料乙醇生产效率并降低成本。
2.3氢气产生菌
微生物制氢是一项利用微生物代谢过程生产氢气的生物工程技术,所用原料有阳光、水,或是有机废水、秸秆等,能克服工业制氢能耗大、污染重等缺点;同时,由于氢气的可再生、零排放优点,是一种真正的清洁能源,受到世界各国的高度重视。杨素萍等[36]利用琼脂固定化Clostridium butyricum 菌株以糖蜜酒精废液为原料进行产氢。丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)和麦芽糖假丝酵母(Candida maltose)在36℃混合发酵废弃物48h,产氢速率可达15.42mL/h・L,明显高于单个菌种。此外,利用豆渣、堆肥、活性污泥产氢的报道相继问世。目前的研究应努力改进生产工艺,逐渐明确微生物产氢机理,保证其在产氢过程中的高效性、稳定性和对不同生态条件的适应性,相信不久的将来微生物制氢将成为世界能源的一个重要支柱[37]。
2.4产油微生物
目前,国内绕着如何提高油脂含量,在菌种和发酵工艺方面开展了大量的研究,成功研制国际水平的产脂微生物菌种与生产工艺[38]。使用生物柴油对人类健康和全球危害都相对较轻,排放物中多环芳香化合物和亚硝酸多环芳香化合物含量水平低,二氧化碳和一氧化碳排放量仅为石油的10%,具有较好的生物降解性能。开发微生物油脂生产生物柴油,在降低污染、增加产量方面较前二者有更大的优越性。开发微生物油脂,不仅微生物发酵周期短,受场地、季节、气候变化影响不大,还可以利用木质纤维素、工业废水、废气等资源丰富、价格低廉的原料进行生产,既能够解决人类资源短缺的问题,又可以保护环境,一举多得,具有巨大发展空间。美国国家可再生能源实验室(NREL)认为,微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向[11]。
2.5生物燃料电池微生物
生物燃料电池是一类特殊的电池,它以自然界的微生物或酶为催化剂,直接将燃料中的化学能转化为电能,不仅无污染、效率高、反应条件温和,而且燃料来源广泛,具有较大的发展空间。Hagerman[39]研究以含酸废水为原料的燃料电池,Kim等[40]利用微生物电池培养并富集了具有电化学活性的微生物,电池运行3年多,并从中分离出梭状芽孢杆菌。最近美国科学家找到一种嗜盐杆菌,其所含的一种紫色素可直接将太阳能转化为电能,电池里的单细胞藻类首先利用太阳能,将二氧化碳和水转化为糖,再让细菌自给自足地利用这些糖来发电。Pizzariello等[41]设计的两极室葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶酶燃料电池,在不断补充燃料的情况下可以连续工作30d以上,具有一定的实用价值。
3应用前景
微生物作为生物能的主要参与者,其最大特点就是清洁、高效、可再生,与石油、煤炭等传统能源相比,有利于环境保护,与太阳能、核能、风能、水能、海洋能等新能源相比,其来源广、成本低、受地理因素影响小。虽然目前存在一些技术问题,但开发潜力是巨大的,利用前景是广阔的。不仅如此,微生物在现有的非可再生能源利用上也功不可没,可提高石油开采率和褐煤利用率,降低二者的污染效应,当之无愧地成为实现能源可持续发展目标的关键因素。利用微生物生产能源和对其进行利用,不仅没有环境污染问题出现,而且还可使目前污染严重的环境状况得以缓解。更有发展前景的是,生产和使用微生物能源可以治理污染,变废为宝获得综合效益。
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微生物学的前景范文第6篇
关键词：病原生物学；教学法；创新性学习
中图分类号：G642 文献标识码：B 收稿日期：2016-07-11
21世纪是创新的世纪，而创新在于拥有高素质的人才，国际社会对创新型人才的争夺日益激烈，最终各国都把关注焦点聚集在教育上，促使教育不断变革。
现阶段，我国进入了中等收入国家发展阶段，也遇到了中等收入陷阱问题，要突破中等收入陷阱，要优先变革教育，要培养创新性人才。
我国传统教育多采用授课教学法，即把已有的知识灌输到学生头脑中，然后应付考试。这种学习方法不利于培养学生的创新能力，影响我国对创新型人才的培养。因此，以创新为核心要义的素质教育就显得特别重要，创新教育是素质教育发展的高级形式。在创新教育中，最重要的就是培养学生掌握创新性学习方法。
对大学生创新性学习能力培养的影响因素一般分显性和隐性两种。课堂教学是最主要的显性因素，包括课程内容改革、教学环境塑造、教学方法改革等。隐性因素是指课外科技活动、校园文化等。本文就显性因素中的教学法改革进行探索。
一、传统教学法对大学生创新性学习能力培养的局限性
传统教学法即以授课为基础的教学法（Lecture based learning，LBL），是指老师根据教学大纲，选定合适的教材，按教学计划分章节备好课，然后把课程内容重点突出、详略得当地讲授给学生。学生通过课堂听讲，理解记忆课堂知识。
这种方法有利于老师系统地传授课本知识，一次性传授知识量大，教学速度快，学生可以在短时间内掌握基础知识。
例如，在“病原生物学”课程教学中，我们安排章节中最基础的理论知识部分进行LBL教学，特别是细菌学和病毒学部分的基础理论知识部分、真菌和人体寄生虫学的总论部分。这种安排可以让学生快速掌握这门课程的基础知识，节约学习时间，加快教学进度，提高教学效率。
但LBL教学法主要是老师主动地讲授，学生在台下被动地听讲，学生的主观能动性不能有效发挥，不利于对学生的创新性学习能力培养。
二、与大学生创新性学习能力培养相关的教学法
1.以问题为导向的教学法对大学生创新性学习能力的培养
以问题为导向的教学法（problem-based learning，PBL），是1969年美国神经病学教授Barrows创造的一种教学法，目前在国际上被广泛采用。这种方法以问题为中心，以病例为先导，以学生为主体，以教师为导向，是一种启发式教育，在医学教育中以培养学生解决问题的能力为核心目标。
PBL教学法的精髓在于发挥教师对学生学习过程的指导作用，充分调动学生学习的主动权。
有研究表明，PBL教学法能提高医学类课程的教学效果，有利于培养学生的学习兴趣、自学能力，并能提高学生的学习成绩。还有研究表明，在“医学微生物学”教学中采用PBL教学法，能培养和提高学生各种能力，提升他们综合素质。
例如，我们在细菌学各论的肠道杆菌部分的教学中尝试采用了PBL教学法。全班学生分为五组，每组十个学生左右，每组选择一至两个问题。
其中一问题如下：某男，35岁，因腹痛、脓血便3天来医院就诊。病前患者有几次室外小摊饮食，3天后突然发热，体温38.2℃，畏冷，伴腹泻，下腹部阵发性疼痛，大便每天多次，有时每小时几次，少量脓血便并且以脓为主，伴里急后重，无恶心和呕吐，小便正常。既往体健，无慢性腹痛、腹泻史。问此男性可能感染了什么肠道杆菌？此肠道杆菌的致病机制怎样？谈谈它与其他几种常见肠道致病菌的区别。
留给学生两周时间熟悉教材和查阅资料，制作PPT，再安排一定时间进行专题交流讨论。课堂上学生之间的交流讨论更能激发学生的兴趣，最后老师解答问题并对知识要点进行总结。
这有利于培养学生利用基础知识解决实际问题的能力，有利于培养学生的创新性学习能力。因此PBL教学法是一种培养学生创新性学习和探索性学习能力的教学方法。
2.案例教学法对大学生创新性学习能力培养的影响
案例教学法（Case-based learning， CBL），是起源于哈佛大学的案例教学法，授课老师根据教学内容，设计典型案例，引导学生分析解决案例，从案例中学习相关的基础知识，从而提高学生运用基础知识解决实际问题的学习意识。
案例来自真实事例，是对发生事件的综合描述，是学生通过真实案例能得到启示的例证。李岩等在中医药院校“病原生物学与免疫学”课程教学中，采用大量案例进行教学，取得了良好的教学效果。
运用案例教学的过程就是研究性学习的过程，也是创新性、探索性地运用理论知识解决实际问题的过程。
我们在厌氧性细菌部分的教学中引入以下案例：某建筑工人几天前在工地劳动不小心被一锈铁钉刺入左脚底，当时简单包扎止血，几日后伤口愈合。近日出现右腿麻木、疼痛，同时出现咀嚼不便，吞咽困难，最后出现牙关紧咬、角弓曲张、全身抽搐等症状。请分析：该患者可能感染了什么病原菌？该病原菌结构有什么特殊之处？其致病性和免疫性有何特点？日常生活中如何避免感染？
这样引入日常案例，学生学习积极性空前高涨，培养了学生理论联系实际，认真扎实学习基础知识，并用其创新性地解决问题的能力。
3.以团队为基础的教学法对大学生创新性学习能力的培养
以团队为基础的教学法（Team Based Learning，TBL）是Larry K.Michaelsen于2002年提出的一种新型教学模式，这种教学方法有助于培养学习者的团队协作精神 。
发生医疗事件后，往往需要不同专业医师团结协作来共同挽救患者的生命。因此，TBL教学自创立以来就在医学教学中得到快速应用与发展。
川北医学院在2008级、2009级、2010级的270名学生的医学微生物学课程教学中采用了TBL教学法，经考核后发现TBL组考试成绩得分明显高于传统组，证明TBL教学是进行医学微生物学课程教学的有效模式，有利于培养学生团队协作和综合能力，值得推广。
吴莹等利用TBL教学法进行医学微生物学教学，证明该教学模式有利于提高学生分析问题、解决问题的能力，培养学生团队意识，培养学生的创新性学习能力。
我们在疱疹病毒的教学中尝试运用TBL教学法，把学生分为4个不同的团队，依次分配学习单纯疱疹病毒、水痘带状疱疹病毒、巨细胞病毒、EB病毒，先小组讨论，再小组间讨论，最后老师作归纳指导。
运用这种教学法，学生肯钻研、肯动脑、讨论热烈，对一些问题的认识也逐渐清晰。
最后与传统教学法的平行班比较，TBL教学班成绩明显突出，特别是解决创新性问题的能力得到明显提高。可见此方法有利于培养学生团队合作能力和创新性学习能力。
三、结语
《回答未来的挑战――罗马俱乐部的研究报告》一书中指出：“为了要长期地生存下去，尤其是为了要在动乱、变化或不连续的时代中长期生存下去，另一种形式的学习是更为必要的学习。这是一种可以带来变化、更新、重建和重新系统地阐述问题的学习――我们将称它为“创新性学习”。
这是就整个人类而言的创新性学习方式。大学生的创新性学习是整个人类创新性学习的最重要组成部分，而大学生的创新性学多是指基于课程的学习。
我们就“病原生物学”课程教学改革探索采用不同的教学法，发现这些方法的采用有利于激发学生学习的主动性和创造性，有利于培养学生的学习兴趣，有利于巩固课程基础理论知识的学习，有利于运用课程基础知识创造性地解决实际问题。总之，它有利于培养医学生的创造性学习能力。
下一步我们计划尝试对几种教学法进行多样化的组合式教学，探索最有利于提升学生创造性学习能力的教学法。
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微生物学的前景范文第7篇
关键词：土壤微生物；多样性；DNA；提取技术
中图分类号：S154.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5253-06
Advances of Total DNA Extraction Technology for Soil Microbial Diversity Research
XIAO Bin，JIANG Dai-hua，LIU Li-long，LIU Quan-dong
（College of Agronomy，Guangxi University，Nanning 530005，China）
Abstract： The influencing factors and application aspects， as well as the potentials and limitations of DNA extraction techniques for microbial diversity analysis were reviewed. Applying appropriate methods to extract microorganism DNA fragment that have right purity and appropriate size from soil were the precondition in soil microbial study on the molecular level， and the subsequent molecular biotechnology operations were all rely on these methods.
Key words： soil microorganism； diversity； DNA； extraction method
土壤微生物多样性是生物多样性研究的一个重要领域，是指其在遗传、种类、结构与生态功能方面的变化，对指示土壤微生物群落的稳定性，在保持土壤质量和生态系统稳定性等方面具有重要意义[1]，是当今国内外关注和研究的热点问题之一。
长期以来，由于研究方法的限制，传统的分离纯化培养技术仅能获得土壤中微生物总种群数的1%左右，而绝大部分微生物目前还不能获得纯培养[2]，未能获得纯培养的微生物才是土壤微生物的主体，因此，有关微生物多样性研究进展不大。
近年来，随着分子生物学技术的发展和研究手段的更新，基于土壤微生物群落总DNA的现代微生物分子生态学研究方法避免了传统分离培养方法的缺点，被广泛应用于土壤微生物群落结构、功能以及动态监测研究[3]。因此作为微生物群落分子分析方法的基础，最重要的一步就是从土壤样品中尽量毫无偏差地提取出高质量的、具有代表性的微生物总基因组DNA。关于土壤微生物DNA提取方法的报道很多[4，5]，然而这些方法主要侧重于土壤中的细菌群落，很少关注土壤中真菌群落总基因组DNA的提取方法及其提取效果。另外，细胞裂解不完全、DNA分子吸附在样品基质颗粒的表面、从样品中同时提取了某些重要酶的活性抑制剂、DNA分子的损耗、降解和破坏等因素也影响着土壤微生物DNA提取的质量，因而提取土壤微生物总DNA在研究中尤为重要[6]。本文主要对DNA提取过程中的主要影响因素、现行各方法的优缺点以及存在的问题作一综述。
1 基于DNA方法的土壤微生物多样性研究现状
传统微生物学研究方法主要依赖于纯培养技术和显微镜技术，对土壤微生物多样性的描述与研究存在一定的局限性。20世纪中后期，随着土壤微生物多样性研究向多方面发展，人们尝试着利用分析微生物细胞中某种指示成分，如磷脂脂肪酸（PLFA）来研究土壤微生物的种群组成，但是这些方法的缺陷是无法保证细胞中某种指示成分在土壤中的稳定性，并且如果某种微生物的PLFA是未知的，则该不可培养微生物仍难以鉴别[7，8]。
1980年，Torsvik等[9]首次建立了从土壤样品中直接提取细菌DNA的方法，并于1990年将其成功应用于DNA杂交技术，研究发现1 g土壤中有4 000个以上不同的细菌种类，说明土壤中微生物多样性是极其丰富的。后来研究者发现16S rDNA在原核微生物中普遍存在，并且含有相对保守和可变区域，在不同的个体间16S rDNA基因序列也不会进行基因交换，因此，每一种生物都有自己的独特序列。1986年，Pace[3]第一次以16S rDNA为基础确定环境样品中的微生物，使人们对大量不可培养微生物群体有了全新的认识。此后，基于16S rDNA基因的指纹图谱分析的现代分子生物学技术得到迅速发展，包括限制性片段长度多态性分析（RFLP）、随机扩增DNA多态性分析（RAPD）、单链构象多态性分析（SSCP）、基因芯片（Microarray）、PCR-DGGE/TGGE 等，为全面揭示土壤微生物种群结构和遗传多样性提供了重要手段。其总的技术路线：分离微生物基因组DNA，用特异性引物扩增16S rRNA基因片段，再将该PCR扩增产物进行更深一步分析，从而可在种、属的水平上研究不同生境中的微生物种群结构及其动态变化[10]。
2 土壤微生物总DNA的提取
从土壤样品中提取DNA的方法大致可分为2类，即间接提取法和直接提取法。间接提取法首先是对土壤样品进行反复悬浮和离心，去除土壤等杂质，提取土壤微生物细胞，再采用酶裂解细胞提取微生物总DNA。直接裂解法是不去除土壤等杂质，而是通过物理的、化学的、酶解等手段相结合，直接裂解土壤中的微生物细胞，使其释放DNA，再进行提取和纯化。但不论采用何种方法，都存在一定的缺陷，要想提取较完整的DNA需要具备以下几个条件： ①土壤微生物能从土壤中充分释放，尤其是那些紧紧吸附在土壤颗粒，甚至深藏于土壤微穴中的细菌等相对比较难分离的微生物。②对一些比较顽固的微生物，如革兰氏阳性菌、孢子和小细菌的裂解，需要更剧烈的处理，而这又会造成对裂解敏感的细菌DNA折断。③采集土壤样品后应尽快提取DNA，因为土壤在4 ℃储藏几周就会造成大分子DNA的降解。
2.1 间接提取土壤微生物总DNA
Torsvik等[11]最先报道了从土壤中提取微生物DNA的间接法，包括以下4个步骤：①分散土壤；②土壤微生物的提取（分离细胞与土壤）；③土壤微生物的纯化；④细胞裂解及DNA纯化。
2.1.1 土壤分散 土壤微生物一般与土壤颗粒结合，包藏在土壤团聚体内，因此，最大限度地分散土壤是从土壤中分离提取微生物的关键。通常采用物理或化学法，或是二者相结合以达到微生物与土粒分离的目的。常用的物理分散技术是使用玻璃珠与土壤悬液一起振荡，或是使用韦林氏搅拌器（匀浆器、转子混合器）搅拌分散，或是使用超声波分散土壤团聚体等。而化学分散法是通过加入化学分散剂以达到促进微生物与土粒分离的目的。最常用的分散剂为0.2%焦磷酸钠，其他还有Winogradsky盐溶液、Tris缓冲液、生理盐水、六偏磷酸钠、胆酸钠、脱氧胆酸钠、纯水等[26]。值得注意的是，为有效地分散土壤，分散剂的种类、浓度、加入量、机械作用（振荡、搅拌和超声波等）的方式、时间以及容器的大小等均应加以考虑。还可以将化学试剂与机械方法结合来悬浮土壤颗粒。研究发现Chelex100就是一种有效的土壤颗粒悬浮剂。各种分散方法分散效果不同，采用何种分散方法效果最佳目前尚无一致结论，而且防止细胞因物理、化学作用导致破裂提前释放DNA很重要，处理不当会使DNA降解。常用分离提取土壤微生物的土壤分散方法列入表1。
2.1.2 土壤微生物的提取 土壤微生物的提取通常采用离心分离法，既要使微生物与土壤颗粒分离，又要保证基本不破坏微生物细胞。由于土壤中细菌的平均密度（1.1 μg/cm3）远小于土壤矿物质的平均密度（2.6 μg/cm3），因此采用离心或淘选法可使细菌与土壤颗粒得到较好的分离。Hopkins等[17]采用密度逐级离心法分离出60%以上的土壤细菌。此外，也有学者提出用过滤法，即将土壤样品分散处理后，经20 μm或30 μm微孔筛真空抽滤，其滤液中即可能含有绝大多数土壤细菌，此过程操作简便，提取液中土壤残留物少，易于纯化。
由于土壤中的真菌、放线菌主要以菌丝的形态与土壤颗粒缠绕在一起以及细胞壁结构的特殊性，从土壤样品中分离提取真菌放线菌要比提取单细胞的细菌相对困难。迄今为止，国内外有关分离提取真菌的研究文献极少，且这些报道方法所提取的真菌菌丝只占真菌总生物量的极少部分。Vilarino等[21]在前人研究的基础上提出了分离土壤真菌的原理：新鲜土壤经分散后，土壤悬浮液中的菌丝可附着在慢速转动的铜丝（直径150 μm）框上，洗脱后即得提取的土壤真菌。潘力等[22]以曲霉菌为例，采用微波处理菌丝并置于10× TE Buffer中即可得到DNA，建立了一种快速提取丝状真菌DNA的实验方法，为高通量快速筛选丝状真菌转化子奠定了基础。吴敏娜等[23]以传统土壤总DNA提取方法及纯菌DNA提取方法为基础，分别与蜗牛酶、纤维素酶进行组合、优化，得到7种不同的土壤真菌基因组DNA提取方法。分离提取土壤细菌和真菌的流程如图1所示。
2.1.3 土壤微生物的纯化 目前常用两相分离技术对上述土壤微生物提取液进行纯化。两相分离技术最早为德国化学家Albertsson于20世纪50年代所建立，当时主要用于生物大分子的分离。近些年该技术广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物工程等领域，是一种分离、纯化生物大分子、细胞、病毒的方法，该技术也逐步发展成为一种温和的生物分离方法，相对于原始的纯化手段具有过程简单、纯化时间较短等特点，应用领域广泛[24]。关于其分离机制目前尚不完全清楚，有人认为其分离的原理主要取决于不同组分的亲水性差异，也有人认为还与不同组分的电荷性质差异有关。当两种互不相溶的聚合物以一定浓度溶于水中时，便可形成体积不同的两相，被分离组分由于其与两相的亲和力不同，分别进入不同相从而达到分离的目的。目前应用最为广泛的是PEG（聚乙二醇）/Dextran（葡聚糖）系统和PEG/无机盐（磷酸盐或硫酸盐）系统。对于不同的两相组分，分离时间不尽相同[25]。Smith等[19]研究了应用两相分离技术从土壤中分离纯化非菌丝体微生物的效果，发现经充分混合静置一定时间后，即可形成上下两层体积比约为4∶1的两相分离系统，其中细菌主要富集在上层PEG相，土壤残存颗粒将进入下层Dextran相，经4次提取纯化，富集在上层PEG相的细菌总量约达加入两相分离系统细菌总量的60%，而上层PEG相中的土壤矿质颗粒总量仅占总加入量的4%以下。李妍等[26]用2%PEG+6%Dextran两相分离技术（A2PP）纯化细菌，测定细菌生物量，研究两相分离技术在土壤微生物研究领域的可应用性，结果表明采用0.1%胆酸钠、钠型离子交换树脂、玻璃珠与土壤一起在4 ℃下振荡2 h，能较好地分散、纯化土壤细菌。研究表明，两相分离技术同样有可能用于分离纯化土壤真菌。
2.2 直接提取土壤微生物总DNA
现今的土壤细菌DNA直接提取法是在Ogram等[27]建立的方法基础上发展起来的，主要包括两个步骤：①原位细胞裂解；②DNA提取和纯化。
2.2.1 原位细胞裂解 直接裂解土壤微生物细胞的方法包括：机械破碎法、化学法、酶解法及3种手段相结合。机械破碎法常用的有冻融法、微波、超声波法和玻璃微珠震荡法；化学法常用表面活性剂SDS和SarkosyI、热酚、高盐、异硫氰酸胍等；酶解法：裂解酶、溶菌酶、蛋白酶K、链霉蛋白酶等。其中溶菌酶不仅可处理革兰氏阳性菌细胞壁，还可水解糖苷键和腐殖酸。2种或多种方法相结合对DNA的提取效果较好。王啸波等[28]采用PBS缓冲液洗涤土壤样品，结合SDS裂解微生物细胞的方法，同时提取2种土壤样品的微生物DNA和RNA，结果表明该法提取的核酸不需要进一步处理，其纯度就可以满足后续的分子生物学试验，从而避免了由于纯化导致的核酸量的降低。熊开容等[29]采用冻融+玻璃珠+溶菌酶+SDS方法提取了活性污泥中微生物DNA，结果表明获得的DNA适合于酶解和PCR扩增要求。
值得关注的是，土壤中微生物种类繁多，生理状态不同，革兰氏阳性和阴性细菌以及细菌与真菌的细胞壁结构和组成亦不相同。为了使提取的DNA具有代表性，就必须保证土壤样品中所有微生物细胞裂解释放出核酸，因此必须根据试验的性质、要求选择适当裂解方法。研究表明，基于SDS的高盐提取法会对一些革兰氏阳性细菌效果不好。张瑞福等[30]采用冻融+溶菌酶+SDS方法提取3种芽孢杆菌（G+）DNA，结果表明经冻融处理的霉状芽孢杆菌均提取到了DNA，未经冻融处理的霉状芽孢杆菌未提取到DNA，且冻融处理未对DNA造成大的剪切，提取的DN段还大于23.1 kb。张颖慧等[31]使用优化的CTAB法提取真菌基因组DNA。使用液氮冻融以及玻璃珠振荡的方法代替了传统的液氮研磨，实验结果表明该方法所需菌体量少，且得到的基因组DNA比用传统的CTAB法得到的基因组DNA产率高、纯度好且步骤简单，适用于一次微量提取多个样品的基因组DNA，可用于大部分分子生物学基本实验如PCR和DNA的酶切等。
2.2.2 DNA提取和纯化 在已报道的DNA提取和纯化方法中，通常采用饱和酚或氯仿和蛋白酶处理，去除DNA样品中的蛋白质和部分RNA，然后对DNA进行抽提，再用乙醇、异丙醇或聚乙二醇（PEG）沉淀后，经羟基磷灰石柱或氯化铯密度梯度超速离心等进一步纯化。其他纯化方法有聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）法、色谱法、电泳法、透析和过滤法、试剂盒法等。
Lamontagne等[32]研究结果表明PVP能够与腐殖酸结合，起到有效去除提取的DNA中腐殖酸杂质、提高DNA纯度的作用。李靖宇等[33]采用氯化钙-SDS-酶法对湿地土壤微生物DNA进行提取，结果表明该方法能高效去除湿地土壤腐殖酸，纯度较高，能直接满足PCR扩增。李钧敏等[34]用含PVPP的缓冲液预洗DNA样品，然后添加CaCl2和牛血清白蛋白可去除其中的腐殖酸，用PEG8000沉淀DNA，可提高DNA质量，并证实这是一种简便有效可直接应用于PCR分析的土壤微生物总DNA的提取方法。蔡刘体等[35]采用 SDS-CTAB法提取烟草病圃土壤微生物总DNA，该方法既可达到裂解效果，还有助于去除腐殖酸，有利于提高所提取DNA 的质量。吴红萍等[36]采用酚氯仿和柱式腐殖酸去除剂对粗提取的土壤微生物DNA进行纯化后，可用于PCR扩增，并以细菌16S rDNA基因引物可扩增到相应的片段。朱立成等[37]采用直接法提取土壤微生物总DNA，然后用Sephadex G-200凝胶离心层析法纯化，可得到纯度较高的DNA。段学军等[38]采用稀释模板及巢式PCR法很好地解决了在DNA提取纯化过程中不能完全去除腐殖质的问题。滕应等[39]将BIO101 Systems公司研制的FastPrep多试管核酸提取系统与相应的Fast DNA SPINKit for Soil试剂盒联用，有效地提取了重金属复合污染的农田土壤微生物总DNA。
没有哪种单一的纯化步骤可以除去所有污染物，故许多研究者已经将几种纯化步骤结合起来以期获得最好的纯化效果。Smalla等[40]将粗提的DNA进行3步纯化：①氯化铯密度梯度超速离心纯化；②醋酸钾沉淀；③Geneclean纯化。发现经前2步纯化的DNA通过稀释即可部分被限制性酶切和扩增，但如不经稀释而进行限制酶切和扩增，则必需进行最后一步纯化。
2.2.3 直接法和间接法的比较 研究表明，直接法获得的DNA较多，但不易去除抑制剂，间接法提取的DNA只占直接法的1/10，但分离的DNA纯度较高，而且间接法得到的细菌量只占总菌群的25%～50%，直接法提得的DNA却可以超过细菌总DNA的60%。因此，要想获得大量DNA，选择直接法较好，当所需DNA量不大，而且要排除真核或胞外DNA污染时，可用间接提取法。
直接提取对某些特定样品用特定的操作方法能获得较高的提取效率，但是对有些生物量不高的样品则很难得到足够的环境总DNA用于后续操作，适合在样品生物量较大但采样量不大的情况下采用。间接提取在提取效率上远小于直接提取，但用间接提取法所得到的环境总DNA纯度较高，所有样品能直接用于PCR扩增，并且能更好地体现样品中微生物的多样性，适用于有大量样品的情况。
2.3 DNA的纯度和浓度测定
DNA在260 nm处有吸收峰，腐殖酸在230 nm处有吸收峰，计算OD230/OD260（腐殖酸/DNA）的比值可以确定所提DNA中腐殖酸的污染程度。一般情况下OD230/OD260比值应在0.4～0.5之间为好， OD230/OD260比值越高，腐殖酸污染越严重。蛋白质在280 nm处有吸收峰，因此OD260/OD280比值经常被用来指示DNA中蛋白质的污染程度，当OD260/OD280比值为1.8～2.2时，DNA较纯，当受蛋白质或其他杂质污染时，OD260/OD280值则较低[41]。此外，还可采用PCR扩增检测DNA的纯化质量，所用扩增引物见文献[42]。
提取的DNA浓度也可根据测定的OD260值计算，根据公式[dsDNA]=50×OD260×稀释倍数，计算DNA的浓度（μg/mL），换算出每克干土提取DNA的量[43]；还可采用DyNA Quant 200荧光仪对纯化后DNA的浓度进行测定[28]。
3 影响土壤微生物总DNA提取的因子
土壤成分复杂，含有大量的有机及无机等多种生物活性抑制物，如腐殖酸、多酚类化合物、重金属等，它们的存在可能影响土壤DNA的提取质量，抑制DNA聚合酶的活性从而影响土壤微生物多样性的分析。研究发现，腐殖酸是土壤DNA提取过程中极难去除的污染物，由于它的分子大小和理化性质与DNA相似，过分注重腐殖酸的去除，势必会造成DNA的大量损失，因此腐殖酸的有效去除是土壤DNA提取的难点所在。
各种土壤类型、质地和成分的差异，都会影响土壤微生物DNA的提取效果。Zhou等[44]用SDS-CTAB法从8种土壤（包括沃土、沙沃土和沙黏土，其中黏土含量为5%～31%不等）中提取DNA，平均获得DNA的量为0.5～26.9 μg/g，并发现获得的DNA量与土壤的有机磷含量有明显的正相关关系。另外，研究也发现，土壤中细菌的裂解效率与其中黏粒的含量呈明显的负相关。土壤中各粒级颗粒对细菌的吸附量从大到小的顺序为：黏粒、粉粒、细沙粒、粗沙粒，其中黏粒是粉粒的3.7～4.9倍、细沙粒的44.3～89.2倍、粗沙粒的262.0～799.0倍，细菌在粒径不同的土壤颗粒表面的最大与最小吸附量分别相差389.0和857.0倍，去有机质土壤颗粒对细菌吸附亲和力较含有机质土壤颗粒的大[45]。因此，不同的土壤适合于不同的DNA提取方法，在土壤DNA提取过程中，应针对土壤类别选取合适的提取方法，以便进行后续研究。
4 小结
从土壤微生物群体基因组的角度研究其多样性及功能是可行的方法，并受到广泛的关注[46]。因而越过分离培养的步骤，直接从土壤中获得总DNA以分析土壤微生态群落结构，关键是如何尽可能全面地提取土壤中微生物的总DNA。土壤本身成分复杂，有许多物质难以预料，对提取较好质量的DNA提出了很高的要求。因此建立一种简单有效的提取方法显得非常重要。
间接法提取的微生物DNA纯度较高，提取的种类和数量较少；直接提取法直接在土壤中裂解细胞，使其中内含物尽可能地释放，能够代表大部分的土壤微生物，但土壤中所含物质种类较复杂，所以提取的DNA质量受到很大的影响，需要进一步纯化，而这些处理往往造成部分DNA的丧失，可能使在土壤中本身存在量较少的种类丧失或检测不到，影响到土壤微生物多样性的分析。最近，Milko等[47]发现一种Taq DNA聚合酶基因突变型可增加对腐殖酸等PCR抑制物的抗性，不需要对基因组DNA进行纯化就可以进行后续的分子生物学分析，因此具有广泛的应用前景。
绝大多数直接提取法提取的DN段长度不会超过23 kb，而DNA的某些用途如宏基因组文库构建，需要大片段的DNA，直接提取法对此几乎无能为力。
在DNA提取产率高即表示其所代表的微生物多样性高的前提下，DNA直接提取法被认为是较好的方法并被广泛应用[48]。但近年来有研究表明DNA提取的产率高不等同于微生物的多样性高，间接提取法又再次被提出并用于相关研究[49]。这就要求在选择提取方法时不仅要试用直接提取和间接提取这两类方法，而且在每类方法中也要试用不同的处理组合方式，以使后续操作能顺利进行，并得到准确可信的研究结果。
评价一种土壤微生物DNA提取方法是否有效，除了通常要求的提取片段无降解且比较完整外，还需要能够有效去除土壤中大量存在的影响后续实验的物质，如腐殖酸、腐殖酸似物、酚类化合物、重金属离子等；能在单位样本量中比较彻底地提取出微生物DNA；提取方法应具有普适性，对土壤中大多数微生物能够有效等[50]，且提取的DNA能更好地代表土壤微生物的真实性和异质性。
5 展望
目前，国内外对土壤微生物总DNA提取方法的报道很多，但每一种方法都存在一定的缺陷。因此，从土壤样品中提取DNA还没有通用的最佳方案，需要根据具体的土壤特点、实验室条件和实验目的而定。在提取过程中还要兼顾实验操作是否简便，方法是否经济以及样品量是否充足。另外，将现代分子生物学技术与传统微生物研究方法结合起来，才能更全面地认识和理解土壤微生物群落多样性及其相应的生态功能。
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微生物学的前景范文第8篇
关键词：微生物；弹性蛋白酶；发酵
中图分类号：Q556+.9文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)01-0050-04
Progress in Microbial Production of Elastase
FANG Shang-ling, HU Jia-jun
（College of Biochemical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China）
弹性蛋白酶（elastase）是一种以分解不溶性弹性蛋白质为特征的广谱蛋白水解酶，主要存在于动物胰脏中，以及皮肤、主动脉、血小板和白血球中。在微生物类群中也广有分布，细菌、放线菌、真菌中都有分泌胞外弹性蛋白酶的报道[1]。弹性蛋白酶可由动物胰脏提取或由微生物发酵制得[2]。由动物提取纯化的弹性蛋白酶是一种肽链内切酶，由240个氨基酸残基组成，相对分子质量为25 900，等电点为pI 9.5[3]。来源不同的微生物弹性蛋白酶都能降解其天然底物――弹性硬蛋白质。同功不同源蛋白酶的特点、性质、相对分子质量和等电点等有所差异，但都是一种广谱的肽链内切酶，具有较广泛的水解特性[4]。
目前，弹性蛋白酶主要作为治疗高脂血症、防治动脉粥样硬化症的生化药物，治疗确切，安全可靠。我国生产弹性蛋白酶主要由猪胰脏提取，原料来源有限制，且酶含量不高，每1 kg鲜胰脏含弹性蛋白酶仅210 000 U，限制了生产的发展。微生物弹性蛋白酶与胰弹性蛋白酶一样，具有较广的水解特性，不但能降解弹性蛋白，而且能分解酪蛋白、明胶、血纤维蛋白、血红蛋白、白蛋白等多种蛋白质，是一种广谱的肽链内切酶。国外，药用弹性蛋白酶有通过动物胰脏提取，也有发酵生产，其效果相似[1]。利用微生物发酵大规模工业化生产弹性蛋白酶不仅能提供足够的治疗用药物酶，也能为开拓该酶其他方面的应用提供充足的酶源。
1微生物来源弹性蛋白酶的国内外研究情况
弹性蛋白酶最初是1949年由Balo等从胰脏中分离纯化出来，并指出其含量水平与动脉粥样硬化症有关。从此对该酶的研究一直很活跃。
1960年Mandl等从牙周病患者的送检样品中首次分离出产胞外弹性蛋白酶的微生物Flavobaterium clastdyticum，并从它的培养液中分离纯化出专一降解弹性蛋白的菌源性弹性蛋白酶。此后从细菌、霉菌、放线菌中相继分离出产酶菌株及其菌源弹性蛋白酶，但初期主要集中于医学微生物病原学的研究。70年代中期以来，日本和前苏联学者对微生物发酵生产弹性蛋白酶进行了大量的研究，并申报了许多专利菌种。其中研究比较详尽的是铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa IFO3455）。另外，1974年，Shiio等从自然界取样分离的Flavobacterium immotum 9-35具有很强的弹性蛋白酶分泌能力。后来分离出1株利福平抗性的高产突变株Flavobacterium R-102-87，在以葡萄糖、干酪素为营养源的发酵培养基中，30 ℃振荡培养24 h，酶产量达145U/mL（40 ℃，20 min，使1.0 mg地衣红-弹性蛋白质完全溶解的酶量为1U）。
前苏联学者对放线菌属和曲霉属菌株产弹性蛋白酶研究较多。放线菌属产弹性蛋白酶的代表菌株是Actinomyces rimosus和Actinomyces fradiae119。将Actinomyces rimosus所产的酶纯化并与胰弹性酶比较，发现除相对分子质量较大外，其它性质及水解专一性都与胰源酶十分相似。
真菌中产弹性蛋白酶的高产菌株是曲霉属，前苏联Parksrskyte等选出的弹性蛋白酶高产菌Aspergillus versicolor 837，在以硫酸铵为氮源的马铃薯汁培养基深层液体培养48 h，然后强烈通风培养4 d，培养液积聚大量胞外弹性蛋白酶。
我国对微生物产弹性蛋白酶的研究则少见文献报道，直到上世纪90年代才有颜子颖等[5]关于芳香黄杆菌产弹性蛋白酶菌种筛选、发酵条件研究及酶分离纯化等方面的报道。他们分离的黄杆菌Flavobacterium sp.17-87在30℃，摇瓶培养24 h，弹性蛋白酶产量达120 U/mL，并从中成功地分离出了黄杆菌弹性蛋白酶结晶。
随后，曹军等[6]从不同省区采集的500多个土样中分离得到多株产弹性蛋白酶菌株，主要集中在黄杆菌属和色杆菌属中。经细胞工程技术处理后，黄杆菌属中F-122菌摇瓶发酵产酶能力达到240 U/mL，活力比原始菌株提高了58%。
陈启和等[7]从土壤中也筛选到一株高产弹性蛋白酶的芽孢杆菌（EL3），其酶活达100 U/mL。经过诱变选育、培养基优化等系列研究，获得了大幅度提高酶活性的培养条件。陈丽娟等[8]对枯草芽孢杆菌产弹性酶及提纯工艺进行了较为深入的研究。王娟丽等[9]从土壤中筛选了一株弹性蛋白酶高产菌株Bacillus pseudofirmus EL112，酶活性也达100 U/mL。据hiio等报道，产酶活性达155 U/mL，具备了工业化生产价值。
2微生物产弹性蛋白酶的特征
微生物产生的弹性蛋白酶在结构特征上，具有2个标志性特征：（1）与弹性蛋白质有高亲和力；（2）酶切位点在脂肪族氨基酸羧基参与形成的肽键上。虽然不同来源的弹性蛋白酶的特点、性质、相对分子质量不尽相同，但迄今为止所有分离的弹性蛋白酶最适作用pH均在7.0以上，属于碱性弹性蛋白酶，酸性弹性蛋白酶尚未见报道。与其它的碱性蛋白酶不同，碱性弹性蛋白酶对甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）残基有很高的水解特异性。弹性蛋白中Ala、Gly含量高达55%。这也解释了弹性蛋白酶能高效降解弹性蛋白质的原因。
弹性蛋白酶的水解机制，是首先使弹性蛋白质的结构变疏松并溶解，然后将已溶解的弹性蛋白质降解成可溶的多肽及氨基酸。弹性蛋白质在碱性环境下易变性，结构疏松，有利于弹性蛋白酶对其水解。从嗜碱菌中筛选得到的菌株所产弹性蛋白酶有较高的最适反应pH，其降解弹性蛋白质的酶活性也高。
现已发现的微生物产弹性蛋白酶根据等电点可分为2类：（1）等电点在碱性的弹性蛋白酶，其与底物之间的结合力主要为静电作用力，如芽孢杆菌属（Bacillus）、放线菌属（Actinomyces）、黄杆菌属（Flavobacterium）产的弹性蛋白酶。嗜碱芽孢杆菌Ya-B产的弹性蛋白酶几乎所有正电荷残基都集中在分子表面，这有利于该酶与弹性蛋白质结合。当pH高于弹性蛋白酶的等电点时，弹性蛋白酶失去边面正电荷，与弹性蛋白质的结合率显著下降；（2）等电点在酸性的弹性蛋白酶，其与底物弹性蛋白质之间的结合力主要为疏水作用力，NaCl不能抑制该酶的活性。如：铜绿假单胞菌产的弹性蛋白酶、人胰腺中的弹性蛋白酶、Myxococcus xanthus产的MAP1。Ca2+对保持酶活力，防止酶自身降解必不可少。Micrococcus luteus[8]产生的碱性弹性蛋白酶在Ca2+存在下，在pH6.0～10.5之间、57 ℃以下稳定；EDTA可通过与Ca2+ 结合完全抑制酶活性并导致酶的自溶。
3微生物弹性蛋白酶的基因工程和蛋白质工程进展
3.1弹性蛋白酶的基因克隆和表达
采用分子生物学技术克隆目的基因构建工程菌株，是各国微生物学家的研究热点。弹性蛋白酶基因的克隆和表达，可从理论上解释弹性蛋白酶的转录表达及酶学反应机制，并为该酶实现工业化生产打下基础。1987年，胰弹性蛋白酶的基因首次被克隆，并在E.coli LE392中表达成功[10]。Yoda等在E.coli-B.subtilis的穿梭载体pHY300pLK的基础上，构建含弹性蛋白酶基因的质粒，将Bacillus的碱性弹性蛋白酶的基因克隆到B.subltils中得以表达。表达菌产酶为73 U/mL。
Ryuta 等于1989年克隆了嗜碱芽孢杆菌Ya-B的碱性弹性蛋白酶基因（ale）并测得其核苷酸序列，推出其氨基酸序列，从分子机制解释弹性蛋白酶具有高的最适反应pH及高酶活性的原因。该基因共编码378个氨基酸，其中包含27个氨基酸的信号肽及83个氨基酸的前导序列，成熟酶蛋白由268个氨基酸组成。他们将该基因克隆到表达载体，分别转化到E.coli K-12和B.subtilis DB104中，在后者中检测到了目的基因的表达。
Chang等[11]深入研究了该酶的信号肽及前导序列的功能，将ale基因的信号肽及前导序列分别克隆表达。结果表明，弹性蛋白酶Ya-B的正确折叠形成有活性的蛋白酶的过程发生在细胞外，此过程需要分泌于胞外的前导序列的协助。Yeh等[12]将ale基因的起始密码子UUG突变为GUG，AUG，提高了ale在B.subtilis DB104及ale基因缺陷型突变株YaB-DEC中的表达。
黄春基等[13]用PCR扩增及克隆铜绿假单胞菌的弹性蛋白酶基因。方法是从铜绿假单胞菌培养物中提取染色体DNA，PCR扩增弹性蛋白酶基因成熟蛋白编码区，A-T克隆于pMD18-T载体中，对重组质粒进行酶切和测序鉴定。结果从高GC含量的铜绿假单胞菌染色体DNA中扩增到弹性蛋白酶基因并进行了克隆与鉴定，该研究实现了活性弹性蛋白酶的高效表达。
3.2蛋白质工程改造弹性蛋白酶
Mei等[14]以枯草杆菌弹性蛋白酶BPN、枯草杆菌弹性蛋白酶Carlsberg为模板，用计算机构建了elastase YaB的三维结构模型。对位于S1底物结合口袋两侧的甘氨酸-124（Gly124）、甘氨酸-151（Gly151）定点突变，用带有较大侧链的碱基的结合切割。突变蛋白基因在Bacillus subtilis DB104中表达，突变蛋白G124A，G124V，G151A对相应作用底物表现出比野生型高3～10倍的催化能力。同时，突变蛋白G124A、G124V的作用底物仅限于丙氨酸、甘氨酸，G151A仅限于丙氨酸、甘氨酸、亮氨酸。
4微生物弹性蛋白酶的分离制备
微生物弹性蛋白酶是胞外酶，且等电点较高，分离纯化较为容易，可用离子交换法提纯。近来，也开始应用亲和吸附层析法[15]。
4.1离子交换法
森原和之等采用弱酸性阳离子交换树脂直接吸附绿脓杆菌IFO 3455发酵液中的弹性蛋白酶，分离该酶并取得成功。Shiio等应用类型法分别从产黄菌R-102-87和Actinomyces rimosus的发酵液中直接分离出弹性蛋白酶成分，从大体积发酵液中浓缩弹性蛋白酶组分十分理想，可达到分离和纯化的目的。
4.2亲和层析法
吴梧桐等以水不溶性弹性硬蛋白酶的天然底物作为亲和吸附剂装柱，应用酶和底物的亲和吸附力进行分离提纯，仅进一步柱层析即获得聚丙烯酰胺凝胶电泳均一的胰弹性蛋白酶制品。颜子颖等[15]在对产黄菌sp17-87的研究中，应用该法分离出电泳均一纯的弹性蛋白酶。以160目牛颈韧带弹性蛋白质作为亲和吸附剂，纤维素粉为载体按1∶20混合装柱，控制层析条件可使酶与底物结合而不分解底物，从而达到分离该酶的目的。
5微生物弹性蛋白酶的应用
弹性蛋白酶的用途很广，目前由于主要从脏器中提取，产量小，价格高，限制了其应用。
弹性蛋白酶在医药方面主要作为治疗药物：（1）治疗高脂血症；（2）防治动脉粥样硬化；（3）抑制脂肪肝发展；（4）治疗慢性气管炎及其它结缔组织纤维增生性疾病；（5）外用于消除皮肤焦痂、碎屑，用于烧伤患者的治疗以及皮肤溃疡、口腔溃疡等症。由于胰弹性蛋白酶和菌源弹性蛋白酶性质有差别，虽然国外有报道菌源酶可替代胰源酶用作药品，但具体涉及到某一属菌株所产的酶，必须在药理、毒理及药效方面与胰源酶作充分的比较以确保疗效及安全性。
弹性蛋白酶可用于食品工业。许多动、植物蛋白质，特别是一些难以处理和食用的韧带、大动脉血管、筋腱等蛋白质废料都可被其降解，因此在农副产品深加工、高蛋白质食品的制作、罐头加工等方面将会得到广泛应用。
日用化学工业方面，弹性蛋白酶主要用于疗效化妆品的生产。国外近年有报道将弹性蛋白酶加入化妆品，可增进、改善皮肤血液循环，并改善皮肤脂质代谢，增强皮肤、毛发的弹性、柔性，延缓皮肤老化，减少皱纹及色素沉着，还能促进头发生长，防止脱发。研究表明，对呈老化现象的皮肤施以含弹性蛋白酶的化妆品，可明显的赋活皮肤细胞，皮肤角化程度减少，润湿程度增加。同时，应用廉价的微生物弹性蛋白酶将难以处理的动物颈、背韧带等废料制成高级化妆品原料，将大大简化工艺，减低成本，并变废为宝，
综上所述，应用生物工程技术，将有可能提供充足的新酶源。在国外，已经应用基因工程技术构建工程菌生产弹性蛋白酶，胰弹性蛋白酶基因已被克隆并在大肠杆菌392中表达成功。选育合适的菌种应用发酵技术实现大规模工业化生产，具有很好的经济效益和社会效益。
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