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文檔簡介
1、腸道微生物研究進(jìn)展,研究方向:動物營養(yǎng)與飼料科學(xué) 消化道微生物石河子大學(xué)wxf@shzu.edu.cn,The discovery of microorganisms,The first person to Antony van Leeuwenhock (1632-1723)呂文·虎克Accurately observe and describe microorganisms,The history o
2、f Microbiology,Louis Pasteur working in his laboratory,Louis Pasteur (1822 – 1895),Pasteur (1857) demonstrated that lactic acid fermentation is due to the activity of micro-organisms Pasteur (1861) conflict over sp
3、ontaneous generation – birth of microbiology as a science Pasteur (1881) developed anthrax(炭疽) vaccine Pasteurization,Pasteur’s contributions(巴斯德貢獻(xiàn)),發(fā)現(xiàn)并證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的徹底否定了“自然發(fā)生”學(xué)說: 曲頸瓶試驗(yàn)免疫學(xué)——預(yù)防接種: 狂犬疫苗巴斯德消毒法:
4、60-65℃作短時(shí)間加熱處理,殺死有害微生物,Robert Koch in his laboratory,,The recognition of microbial role in disease,Robert Koch (1843 – 1910),The discovery of microbial effects on organic and inorganic matter,The Russian microbiologist W
5、inograsky discovered that soil bacteria could oxidize iron, sulfur and ammonia to obtain energy, and also isolated nitrogen–fixing bacteria. Beijerinck made fundamental contributions to microbial ecology. He isolated A
6、zotobacter(固氮菌) and Rhizobium(根瘤菌).,,Alexander Fleming (1881-1955),Alexander Fleming discovered the antibiotic penicillin. He had the insight to recognize the significance of the inhibition of bacterial growth in the vic
7、inity of a fungal contaminant.,抑菌試驗(yàn),,,Our world is populated by invisible creatures too small to be seen with the unaided eye. These life forms, the microbes or microorganisms, may be seen only by magnifying their ima
8、ge with a microscope.,,Branches of Microbiology,Bacteriology,Protozoology,Parasitology,Microbial Morphology,Mycology,Virology,Phycology or Algology,Microbial physiology,Microbial taxonomy,Microbial genetics,,Molecular bi
9、ology,Microbial ecology,,,,,,,,,,,,,一、概念,微生物參與一些有機(jī)物和無機(jī)物的變化(如自然界中發(fā)生的發(fā)酵,碳、氮和硫的循環(huán));微生物的研究:顯微鏡,分離和純培養(yǎng);分子生物學(xué);微生物對其他生物和人類健康產(chǎn)生影響。,微生物是一類繁殖快、分布廣、體形微小、結(jié)構(gòu)簡單、肉眼看不見,必須借助于光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡放大數(shù)百倍、幾千倍甚至幾萬倍才能看清的微小生物。,第一節(jié) 微生物概述,二、根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為三種類型
10、,1.非細(xì)胞型微生物:病毒屬此類,最小,無細(xì)胞結(jié)構(gòu),須在活細(xì)胞內(nèi)增殖。2.原核細(xì)胞型微生物:細(xì)菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體和衣原體屬。此類僅有核質(zhì),無核膜和核仁,缺乏完整的細(xì)胞器。3.真核細(xì)胞型微生物:真菌和原蟲屬此類。細(xì)胞核有核膜、核仁和染色體,胞漿內(nèi)有完整的細(xì)胞器。,微生物的分類系統(tǒng),原核生物界(Procaryotae)(1)光能營養(yǎng)原核生物門(2)化能營養(yǎng)原核生物門真核微生物(Eucaryotic microb
11、es) 真菌 (Fungus) 原蟲 (Protozoa)病毒(Virus),艾滋病毒 SARS 病毒 傳染性軟疣病 水痘病毒,蘑菇 孢子囊 灰指甲 瘤胃原蟲Ophryoscolex,細(xì)菌 人體細(xì)菌 劃線分離 細(xì)菌感染,三、微生物的分布,廣泛分布于自然界中,無論是高山平原
12、、江河湖海、動植物體內(nèi)外,乃至一般生物無法生存的臭氧層、海洋底和巖芯中,都有微生物存在。,第二節(jié) 腸道微生物概述,一、概述:腸道微生物:超過99%是細(xì)菌,數(shù)量約為1011個(gè),500~1000個(gè)種類。包括97%嚴(yán)格厭氧菌和3%需氧菌。,腸道微生物數(shù)量,腸道微生物數(shù)量(1012-1014)>>體表面積微生物數(shù)量=10*人體細(xì)胞數(shù)目(1011個(gè))微生物基因數(shù)量=100*人體基因數(shù)量(3.5萬個(gè)),瘤胃微生物,主要包括細(xì)菌,真菌
13、和原生動物,此外還有少數(shù)的噬菌體瘤胃中的細(xì)菌:占瘤胃生物量的50%~80%,1011-1012個(gè)/ml真菌:103~105個(gè)游動孢子/mL。生活周期約24~32小時(shí)原蟲:105~106個(gè)/mL,大小40~200μm,腸道菌群的數(shù)量分布,螺桿菌,消化鏈球菌屬,腸細(xì)菌,放線菌,牛棒桿菌,The tip of the diversity iceberg,可培養(yǎng)微生物,不可培養(yǎng)微生物(16S rRNA gene diversity),二、
14、腸道微生物的功能,1.維持腸道微生態(tài)平衡平衡失調(diào):生產(chǎn)性能下降和發(fā)病。正常情況下:厭氧菌為優(yōu)勢種群,占99%以上。主要包括擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌、優(yōu)桿菌等;需氧菌及兼性厭氧菌只占1%。2.生物奪氧需氧微生物,特別是芽胞桿菌消耗腸道內(nèi)的氧氣,形成厭氧環(huán)境,有利于乳酸桿菌等有益微生物生長,抑制有害需氧菌和兼性厭氧菌的增殖,防止發(fā)病。,3.生物頡頏作用有益微生物與病原微生物產(chǎn)生頡頏作用。抑制病原微生物粘附到腸粘膜上皮細(xì)胞上,隨糞
15、便排出體外。4.增強(qiáng)機(jī)體免疫功能提高抗體水平和巨嗜細(xì)胞的活性,刺激免疫、激發(fā)機(jī)體體液免疫和細(xì)胞免疫,增強(qiáng)機(jī)體的免疫力和抗病力。5.產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)有益微生物可產(chǎn)生淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶等,降解飼料中蛋白質(zhì)、脂肪和復(fù)雜的碳水化合物。有益微生物能產(chǎn)生各種營養(yǎng)物質(zhì),如維生素、氨基酸、未知促生長因子等,參與機(jī)體新陳代謝,可促進(jìn)動物生長和提高生長性能。,根據(jù)功能分為三類,三大類:有益菌、有害菌和中性菌。 機(jī)體健康與腸道內(nèi)益生
16、菌群結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。腸道菌群中不同種類之間,菌群與宿主之間,菌群、宿主與環(huán)境之間始終處于動態(tài)平衡狀態(tài),宿主表現(xiàn)為不致病。 研究指出,體魄強(qiáng)健的人腸道內(nèi)有益菌的比例達(dá)到70%,普通人則是25%,便秘人群減少到15%,而癌癥病人腸道內(nèi)的益生菌的比例只有10%。,腸道微生物多樣性,三、影響腸道菌群的主要因素,四個(gè)方面:1)機(jī)體因素(腸道的酸堿性,膽汁及消化酶的分泌,腸道的蠕動,腸道黏液的分泌,腸道表皮的脫離等)及環(huán)境因素(壓力,出差等)。
17、2)食物(可消化的食物與不可消化的纖維,藥物等)。3)細(xì)菌自身因素(細(xì)菌的黏附能力,繁殖能力,營養(yǎng)需求量,抗消化酶能力等)。4)細(xì)菌之間的相互作用(營養(yǎng)競爭,相互抑制作用,協(xié)同作用等)。,顯微鏡下的微觀世界,瘤胃原蟲,Fungus,Yeasts,放線菌,第三節(jié) 現(xiàn)代微生物學(xué)研究,微生物學(xué)的認(rèn)知,,,Herbivores – 70% of dietary energy can be from microbial fermentatio
18、n,cf. Humans – 10%,,,,Hungate roll tube,The tip of the diversity iceberg,可培養(yǎng)微生物,不可培養(yǎng)微生物(16S rRNA gene diversity),分子生物學(xué)技術(shù),核酸探針檢測技術(shù)熒光原位雜交( FI SH )技術(shù)限制性片段長度多態(tài)性標(biāo)記RFLP隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性標(biāo)記RAPD聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及相關(guān)技術(shù)反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)(RT -PCR)競爭PCR (c-P
19、CR)AFLP標(biāo)記RAP- PCR電泳分離及其顯示方法溴乙錠(EB)染色方法聚丙烯酰氨凝膠電泳(PAGE分離)銀染方法變性梯度凝膠電泳(DGGE)基因重組技術(shù)基因芯片技術(shù),16S rDNA PCR,,,,,1 ·kb,,16S rRNA,5S rRNA,23S rRNA,tRNA-Glu,,,,,,,,,,,,1 2 3 4 5 6 7
20、 8 9,,,DNA,,Extraction of nucleic acid and amplification of 16S rRNA genes,DNA/RNA-targeted molecular analysis of bacterial communities,,DGGE, TGGE, RFLP, t-RFLP, SSCP,Cloning,,Sequencing,,Identification,,Phylogenet
21、ic analysis,Fingerprinting:,,,,DNA-targeted DGGE analysis,M 1 7 16 28 67 118,Rangel-Castro et al. 2005 Env Micro 7, 544-552.,DGGE profiles of the major ciliate bands retrieved (1, 2, 3, 4, 5 and 6) and di
22、fferent bands done (A, B, C and D) present in the rumen of four goats at the different time (0, 2, 4 and 8 h) which were treated by saponin and the same diet.,Denaturing gradient gel electrophoresis profiles of methanoge
23、ns (30% to 70% gradient).*a-g in gel represented the different species after receiving the gypenoside.,Unidentified clones,McCaig et al., 1999 AEM 65, 1721-1730,Cotton-degrading/ non-degrading R. flavefaciens strains,St
24、rain able to degrade dewaxed cotton (007C)*,Strain defective in cotton-degradation (007S)*,* [Stewart CS et al (1990) J. Appl Bacteriol; FEMS ML],第四節(jié) 微生物與健康的關(guān)系,一、腸道微生物與寄主的共生關(guān)系類型互利共生(Symbiosis),同食共生(Commensal)和致?。≒athoge
25、nic)宏基因組表明:腸道微生物整體丟失或過度繁殖會導(dǎo)致炎性腸病,二、腸道微生物對腸道免疫及疾病治療的影響,腸道微生物對腸道免疫反應(yīng)的影響 動物腸道黏膜免疫系統(tǒng)與高密度的腸道微生物長期對抗、合作的結(jié)果。腸道微生物對免疫系統(tǒng)發(fā)育的影響 無腸道微生物時(shí),CD4T淋巴細(xì)胞(CD4+T細(xì)胞)少。腸道微生物對寄主治療腸炎的影響 如雙歧菌、乳酸菌和鏈球菌都有治療腸炎的作用腸道微生物對寄主治療代謝紊亂的影響,三、腸道微
26、生物對腸道發(fā)育和能量平衡的影響,腸道微生物對寄主腸道發(fā)育的影響 無菌飼養(yǎng)的動物腸組織的發(fā)育不健全;易受病原菌侵襲。腸道微生物對寄主能量平衡的影響 腸道微生物與肥胖之間的關(guān)系。微生物區(qū)系可以直接導(dǎo)致宿主肝臟甘油三酯產(chǎn)量增加抑制腸道表達(dá)的脂蛋白脂酶(LPL)抑制劑的表達(dá)促進(jìn)脂肪細(xì)胞中甘油三酯儲存微生物區(qū)系與瘦素(Leptin)的關(guān)系某些腸道微生物代謝產(chǎn)物可被宿主直接吸收利用,四、益生素和益生菌(Probiotics):
27、防癌,益生素添加劑:為腸道微生物提供底物。益生菌有很強(qiáng)的抗結(jié)腸癌作用;也可延長結(jié)腸癌潛伏期??赡艿臋C(jī)理:改變腸道微生物的代謝活動;改變腸道的物理化學(xué)環(huán)境;降解潛在致癌物;改變腸道菌群;產(chǎn)生抗癌-抗誘變的物質(zhì);提高宿主的免疫應(yīng)答;影響宿主的生理活動;發(fā)酵不能被消化的食物形成有益代謝產(chǎn)物。,,,第五節(jié) 腸道微生物在生產(chǎn)中的應(yīng)用,,食物(面食),鮮酵母、干酵母等微生物發(fā)酵產(chǎn)生CO2和水,酸奶(Yogurt)和奶酪(Cheese),乳酸菌
28、,保加利亞乳桿菌,嗜熱鏈球菌,Streptococcus thermophilus,Lactobacillus bulgaricus,釀酒業(yè),施用微生物肥的木瓜,微生物肥,手術(shù)消毒,,預(yù)處理池,儲氣罐,發(fā)酵池,發(fā)酵袋,微生物電池,生物能源,發(fā)酵飼料,發(fā)酵工業(yè)的微生物主要包括細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌。飼料工業(yè)常用的細(xì)菌包括有枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌、醋酸桿菌、地衣芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌等,常見的發(fā)酵原料,主要包括薯類、籽
29、實(shí)類、糠麩類、渣粕類(各種薯渣、玉米渣、腳粉、柑橘渣、甜菜渣、某些草粉等)、餅粕類(如棉籽餅、菜籽餅、油茶資餅、蓖麻餅等), 還有秸桿類、糞便、及動物下腳料等。,發(fā)酵飼料的優(yōu)點(diǎn),發(fā)酵脫毒:黃曲霉和棉酚毒素等。改變蛋白質(zhì)的品質(zhì):植物或低質(zhì)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑸锏鞍?。產(chǎn)生促生長因子:有機(jī)酸、B 族維生素和未知生長因子。降低粗纖維,發(fā)酵飼料視頻,發(fā)酵飼料廠茶渣發(fā)酵TMR配合飼料發(fā)酵飼料生產(chǎn)過程豆腐渣發(fā)酵發(fā)酵飼料裝袋密封過程,意大利
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