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1、肠道微生物研究进展,研究方向：动物营养与饲料科学 消化道微生物石河子大学,The discovery of microorganisms,The first person to Antony van Leeuwenhock(1632-1723)吕文虎克Accurately observe and describe microorganisms,The history of Microbiology,Louis Pasteur working in his laboratory,Louis Pasteur(1822 1895),Pasteur(1857)demonstrated that lac
2、tic acid fermentation is due to the activity of micro-organisms Pasteur(1861)conflict over spontaneous generation birth of microbiology as a science Pasteur(1881)developed anthrax（炭疽）vaccine Pasteurization,Pasteurs contributions（巴斯德贡献）,发现并证实发酵是由微生物引起的彻底否定了“自然发生”学说：曲颈瓶试验免疫学预防接种：狂犬疫苗巴斯德消毒法：60-65作短时间加热
3、处理，杀死有害微生物,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 Winograsky discovered that soil bacteria could oxidize iron,sulfur and ammonia to obtain energy,a
4、nd also isolated nitrogenfixing bacteria.Beijerinck made fundamental contributions to microbial ecology.He isolated Azotobacter（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 inhibiti
5、on of bacterial growth in the vicinity of a fungal contaminant.,抑菌试验,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 image with a microscope.,Branches of Microbiology,Bacterio
6、logy,Protozoology,Parasitology,Microbial Morphology,Mycology,Virology,Phycology or Algology,Microbial physiology,Microbial taxonomy,Microbial genetics,Molecular biology,Microbial ecology,一、概念,微生物参与一些有机物和无机物的变化（如自然界中发生的发酵，碳、氮和硫的循环）；微生物的研究：显微镜，分离和纯培养；分子生物学；微生物对其他生物和人类健康产生影响。,微生物是一类繁殖快、分布广、体形微小、结构简单、肉眼
7、看不见，必须借助于光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、几千倍甚至几万倍才能看清的微小生物。,第一节 微生物概述,二、根据结构特点分为三种类型,1非细胞型微生物：病毒属此类，最小，无细胞结构，须在活细胞内增殖。2原核细胞型微生物：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体和衣原体属。此类仅有核质，无核膜和核仁，缺乏完整的细胞器。3真核细胞型微生物：真菌和原虫属此类。细胞核有核膜、核仁和染色体，胞浆内有完整的细胞器。,微生物的分类系统,原核生物界（Procaryotae）（1）光能营养原核生物门（2）化能营养原核生物门真核微生物（Eucaryotic microbes）真菌(Fungus)原虫(Pro
8、tozoa)病毒（Virus）,艾滋病毒 SARS 病毒 传染性软疣病 水痘病毒,蘑菇 孢子囊 灰指甲 瘤胃原虫Ophryoscolex,细菌 人体细菌 划线分离 细菌感染,三、微生物的分布,广泛分布于自然界中，无论是高山平原、江河湖海、动植物体内外，乃至一般生物无法生存的臭氧层、海洋底和岩芯中，都有微生物存在。,第二节 肠道微生物概述,一、概述：肠道微生物：超过99%是细菌，数量约为1011个，5001000个种类。包括97%严格厌氧菌和3%需氧菌。,肠道微生物数量,肠道微生物数量（1012-1014）体表面积微生物数量=10*人体细胞数目（1011个）微生物基因数量=100*人体基因数量（
9、3.5万个）,瘤胃微生物,主要包括细菌，真菌和原生动物，此外还有少数的噬菌体瘤胃中的细菌：占瘤胃生物量的50%80%，1011-1012个/ml真菌：103105个游动孢子/mL。生活周期约2432小时原虫：105106个/mL，大小40200m,肠道菌群的数量分布,螺杆菌,消化链球菌属,肠细菌,放线菌,牛棒杆菌,The tip of the diversity iceberg,可培养微生物,不可培养微生物(16S rRNA gene diversity),二、肠道微生物的功能,1.维持肠道微生态平衡平衡失调：生产性能下降和发病。正常情况下：厌氧菌为优势种群，占99%以上。主要包括拟杆菌、双歧
10、杆菌、乳酸杆菌、优杆菌等；需氧菌及兼性厌氧菌只占1%。2.生物夺氧需氧微生物，特别是芽胞杆菌消耗肠道内的氧气，形成厌氧环境，有利于乳酸杆菌等有益微生物生长，抑制有害需氧菌和兼性厌氧菌的增殖，防止发病。,3.生物颉颃作用有益微生物与病原微生物产生颉颃作用。抑制病原微生物粘附到肠粘膜上皮细胞上，随粪便排出体外。4.增强机体免疫功能提高抗体水平和巨嗜细胞的活性，刺激免疫、激发机体体液免疫和细胞免疫，增强机体的免疫力和抗病力。5.产生营养物质有益微生物可产生淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶等，降解饲料中蛋白质、脂肪和复杂的碳水化合物。有益微生物能产生各种营养物质，如维生素、氨基酸、未知促生长因子等，参
11、与机体新陈代谢，可促进动物生长和提高生长性能。,根据功能分为三类,三大类：有益菌、有害菌和中性菌。机体健康与肠道内益生菌群结构息息相关。肠道菌群中不同种类之间，菌群与宿主之间，菌群、宿主与环境之间始终处于动态平衡状态，宿主表现为不致病。研究指出，体魄强健的人肠道内有益菌的比例达到70%，普通人则是25%，便秘人群减少到15%，而癌症病人肠道内的益生菌的比例只有10%。,肠道微生物多样性,三、影响肠道菌群的主要因素,四个方面：1）机体因素（肠道的酸碱性，胆汁及消化酶的分泌，肠道的蠕动，肠道黏液的分泌，肠道表皮的脱离等）及环境因素（压力，出差等）。2）食物（可消化的食物与不可消化的纤维，药物等）。
12、3）细菌自身因素（细菌的黏附能力，繁殖能力，营养需求量，抗消化酶能力等）。4）细菌之间的相互作用（营养竞争，相互抑制作用，协同作用等）。,显微镜下的微观世界,瘤胃原虫,Fungus,Yeasts,放线菌,第三节 现代微生物学研究,微生物学的认知,Herbivores 70%of dietary energy can be from microbial fermentation,cf.Humans 10%,Hungate roll tube,The tip of the diversity iceberg,可培养微生物,不可培养微生物(16S rRNA gene diversity),分子生物学
13、技术,核酸探针检测技术荧光原位杂交(FI SH)技术限制性片段长度多态性标记RFLP随机扩增多态性标记RAPD聚合酶链式反应及相关技术反转录PCR技术(RT-PCR)竞争PCR(c-PCR)AFLP标记RAP-PCR电泳分离及其显示方法溴乙锭(EB)染色方法聚丙烯酰氨凝胶电泳(PAGE分离)银染方法变性梯度凝胶电泳(DGGE)基因重组技术基因芯片技术,16S rDNA PCR,1 kb,16S rRNA,5S rRNA,23S rRNA,tRNA-Glu,1 2 3 4 5 6 7 8 9,DNA,Extraction of nucleic acid and amplification of
14、16S rRNA genes,DNA/RNA-targeted molecular analysis of bacterial communities,DGGE,TGGE,RFLP,t-RFLP,SSCP,Cloning,Sequencing,Identification,Phylogenetic 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 ciliat
15、e bands retrieved(1,2,3,4,5 and 6)and different 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 methanogens(30%to 70%gradient).*a-g in gel represented th
16、e different species after receiving the gypenoside.,Unidentified clones,McCaig et al.,1999 AEM 65,1721-1730,Cotton-degrading/non-degrading R.flavefaciens strains,Strain able to degrade dewaxed cotton(007C)*,Strain defective in cotton-degradation(007S)*,*Stewart CS et al(1990)J.Appl Bacteriol;FEMS ML
17、,第四节 微生物与健康的关系,一、肠道微生物与寄主的共生关系类型互利共生（Symbiosis），同食共生（Commensal）和致病（Pathogenic）宏基因组表明：肠道微生物整体丢失或过度繁殖会导致炎性肠病,二、肠道微生物对肠道免疫及疾病治疗的影响,肠道微生物对肠道免疫反应的影响 动物肠道黏膜免疫系统与高密度的肠道微生物长期对抗、合作的结果。肠道微生物对免疫系统发育的影响 无肠道微生物时，CD4T淋巴细胞（CD4+T细胞）少。肠道微生物对寄主治疗肠炎的影响 如双歧菌、乳酸菌和链球菌都有治疗肠炎的作用肠道微生物对寄主治疗代谢紊乱的影响,三、肠道微生物对肠道发育和能量平衡的影响,肠道微生物对
18、寄主肠道发育的影响 无菌饲养的动物肠组织的发育不健全；易受病原菌侵袭。肠道微生物对寄主能量平衡的影响 肠道微生物与肥胖之间的关系。微生物区系可以直接导致宿主肝脏甘油三酯产量增加抑制肠道表达的脂蛋白脂酶(LPL)抑制剂的表达促进脂肪细胞中甘油三酯储存微生物区系与瘦素(Leptin)的关系某些肠道微生物代谢产物可被宿主直接吸收利用,四、益生素和益生菌（Probiotics）：防癌,益生素添加剂：为肠道微生物提供底物。益生菌有很强的抗结肠癌作用；也可延长结肠癌潜伏期。可能的机理：改变肠道微生物的代谢活动；改变肠道的物理化学环境；降解潜在致癌物；改变肠道菌群；产生抗癌-抗诱变的物质；提高宿主的免疫应答
19、；影响宿主的生理活动；发酵不能被消化的食物形成有益代谢产物。,第五节 肠道微生物在生产中的应用,食物（面食）,鲜酵母、干酵母等微生物发酵产生CO2和水,酸奶（Yogurt）和奶酪（Cheese）,乳酸菌，保加利亚乳杆菌，嗜热链球菌,Streptococcus thermophilus,Lactobacillus bulgaricus,酿酒业,施用微生物肥的木瓜,微生物肥,手术消毒,预处理池,储气罐,发酵池,发酵袋,微生物电池,生物能源,发酵饲料,发酵工业的微生物主要包括细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。饲料工业常用的细菌包括有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、地衣芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌等,常见的发酵原料,主要包括薯类、籽实类、糠麸类、渣粕类（各种薯渣、玉米渣、脚粉、柑橘渣、甜菜渣、某些草粉等）、饼粕类（如棉籽饼、菜籽饼、油茶资饼、蓖麻饼等），还有秸杆类、粪便、及动物下脚料等。,发酵饲料的优点,发酵脱毒：黄曲霉和棉酚毒素等。改变蛋白质的品质：植物或低质蛋白质转变为微生物蛋白。产生促生长因子：有机酸、B 族维生素和未知生长因子。降低粗纤维,发酵饲料视频,发酵饲料厂茶渣发酵TMR配合饲料发酵饲料生产过程豆腐渣发酵发酵饲料装袋密封过程,意大利罗马百万椋鸟集体迁徙,谢谢！,
