微生物的代谢1课件

微生物的营养微生物的营养微生物与其他动物一样，也是由微生物与其他动物一样，也是由C、H、O、N等元素构成的，而这些元素最终也是等元素构成的，而这些元素最终也是来自外界的各种营养物质。这些营养物来自外界的各种营养物质。这些营养物质可归纳为水、无机盐、碳源、氮源和质可归纳为水、无机盐、碳源、氮源和生长因子五类。生长因子五类。碳源、氮源、生长因子的归纳(选P78)：碳源碳源氮源氮源生长因子生长因子概念概念来源来源常用常用作用作用凡能为微生物提供所需C的营养物质凡能为微生物提供所需N的营养物质微生物生长不可缺少的微量有机物无机：CO2、NaHCO3；有机：糖类、脂肪 酸、花生粉饼、石油等无机：N2、氨、铵盐、硝酸盐等；有机：尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等。维生素、氨基酸、碱基、蛋白胨、动植物提取液等糖类尤其是葡萄糖铵盐、硝酸盐维生素用于构成细胞物质和代谢产物。还可以是异养型微生物的主要能源物质主要用于合成蛋白质、核酸以及含N的代谢产物一般是酶和核酸的组成成分能将大气中的N2还原成NH3的过程固氮作用能固氮的微生物固氮微生物(选P34)1、共生固氮微生物：根瘤菌2、自生固氮微生物：圆褐固氮菌3、某些蓝藻与放线菌 原核的细菌，与豆科植物共生，有专一性，属异养需氧型。有氧呼吸的酶存在于细胞膜上。也是原核的细菌，摄取土壤中现存的有机物，也属异养需氧型。还能合成生长素。固氮作用与氮循环工业工业固氮固氮高能高能固氮固氮生物固氮生物固氮（占（占90%90%）有机氮有机氮合成合成氨化氨化作用作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用O O2 2不不足足硝化细菌硝化细菌反硝化反硝化细菌细菌以有机氮(如蛋白质等)形式通过生物的同化作用来传递。生物群落中的氮素是以什么形式传递的呢？1）固氮作用 2）有机氮合成作用3）氨化作用 4）硝化作用5）反硝化作用氮循环中有哪几个主要的过程？主要是固氮微生物植物即分解者的分解作用硝化细菌反硝化细菌2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量2HNO2+O22HNO3+能量（CH2O）+O2CO2+H2O化学能 硝化细菌的化能合成作用：硝化作用考点点拨：考点点拨：自养微生物以自养微生物以CO2或碳酸盐等无机碳为或碳酸盐等无机碳为唯一碳源进行代谢生长；唯一碳源进行代谢生长；固氮微生物可以利用氮作为氮源进行生固氮微生物可以利用氮作为氮源进行生长，可在无氮培养基上生长和繁殖；长，可在无氮培养基上生长和繁殖；自养微生物与异养微生物类型的划分主自养微生物与异养微生物类型的划分主要是依据能否以要是依据能否以CO2作为生长的主要或作为生长的主要或唯一碳源，而不决定于氮源。唯一碳源，而不决定于氮源。无机氮源也能提供能量。例如氮既为硝无机氮源也能提供能量。例如氮既为硝化细菌提供氮源，又能为硝化细菌提供化细菌提供氮源，又能为硝化细菌提供能量。能量。培养基的种类培养基的种类 (选选P80)种类种类凝固剂凝固剂用用 途途固体培养基固体培养基半固体培养半固体培养基基液体培养基液体培养基1、按物理性质来划分2、按化学成分来划分种类种类化学成分化学成分用用 途途天然培养基天然培养基合成培养基合成培养基有有没有主要用于微生物的分离、鉴定等主要用于观察微生物的运动、保藏菌种等主要用于生产明确不明确主要用于工业生产主要用于微生物的分类、鉴定培养基的种类3、按培养基的用途来划分种类种类 制备方法制备方法原原 理理用用 途途实实 例例选择选择培养培养基基 鉴别鉴别培养培养基基培养基中加入某种化学物质依据某些微生物对某些物质的抗性而设计从众多微生物中分离所需的微生物加青霉素或加浓食盐水的培养基培养基中加入某种试剂或是化学药品依据微生物产生的某种代谢产物与特定试剂或化学药品反应，产生明显的特征变化而设计鉴别不同种类的微生物伊红和美蓝培养基可以鉴别大肠杆菌微生物的代谢微生物的代谢(选选P82)内容内容初级代谢产物初级代谢产物次级代谢产物次级代谢产物不不同同点点生长繁殖生长繁殖是否必需是否必需产生阶段产生阶段是否有种是否有种的特异性的特异性分布分布举例举例相相同同点点是否一直产生生长到一定阶段产生细胞内是否细胞内或外氨基酸、核苷酸、多糖、维生素等抗生素、毒素色素、激素等均在微生物细胞的调节下，有步骤地产生微生物的代谢调节微生物的代谢调节1、关于组成酶与诱导酶的比较项项目目合合 成成存存 在在举例（大举例（大肠杆菌）肠杆菌）组组成成酶酶诱诱导导酶酶只受遗传物质控制，与营养物质无关受遗传物质控制，也受诱导物制约细胞内一直存在需要时才合成分解葡萄的酶分解乳糖的酶2、两种调节方式的比较项目项目对象对象机制机制结果结果意义意义特点特点诱导酶基因表达的调控细胞内酶的种类增多既保证代谢需要，又避免物质能量的浪费，增强适应性已有的酶（组成酶和诱导酶）代谢产物与酶可逆性结合，使酶的结构发生可逆性改变细胞内酶的活性发生改变避免积累大量的代谢产物间接而缓慢直接、快速而准确酶合成调节酶活性调节乳糖代谢基因表达调控（环境中没有乳糖时的基因状态）乳糖代谢基因表达调控（环境中具有乳糖时的基因状态）抑制天冬氨酸中间产物中间产物高丝氨酸苏氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶+甲硫氨酸黄色短杆菌合成赖氨酸的途径NH4+抑制葡萄糖中间产物-酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径微生物的代谢的人工控制微生物的代谢的人工控制目的目的 最大限度的积累对人类有用的代谢产物措施改变微生物细胞膜的通透性改变微生物的遗传特性（诱变、重组等）控制发酵条件（如温度、PH、O2等）发酵概念通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程种类1、固体发酵和液体发酵2、抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等3、需氧发酵和厌氧发酵微生物代谢的人工控制 改变膜的透性 改变细胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。抑制葡萄糖中间产物-酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶NH4+谷氨酸棒状杆菌 合成谷氨酸的途径抑制黄色短杆菌合成赖氨酸的途径天冬氨酸中间产物中间产物高丝氨酸甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶高丝氨酸脱氢酶+v利用诱变育种等方法，选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种用于生产.微生物代谢的人工控制 改变遗传特性vO2：如：酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无如：酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无氧条件下才大量产生酒精。氧条件下才大量产生酒精。又如：谷氨酸棒状杆菌在溶氧不足时，生又如：谷氨酸棒状杆菌在溶氧不足时，生成的产物是乳酸或是琥珀酸。成的产物是乳酸或是琥珀酸。vC：N 如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中C：N=4：1时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；当当C：N=3：1时，菌体繁殖受抑制而合成时，菌体繁殖受抑制而合成谷氨酸多谷氨酸多微生物代谢的人工控制 改变发酵条件 微生物的生长微生物的生长 (选选P84)v研究方法：以细菌为例研究方法：以细菌为例将少量同种细菌接种到容积恒定液体培养基中定期取样、检测培养基中细菌群体的生长情况置于适宜的条件下培养如何测定？1、测细菌的细胞数目2、测细菌的细胞总重量（干重或湿重）微生物的生长微生物的生长生长生长曲线曲线时间时间调整期调整期对数期对数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期菌体菌体数目数目代谢代谢特点特点时间细菌数目的对数增长不明显快速增长活菌数目达到最大（K值）活菌数目急剧减少代谢活跃体积增大大量合成初级代谢产物细胞分裂速率最快个体形态、生理特征较稳定繁殖速率等于死亡速率细胞内大量积累次级代谢产物，某些细菌可形成芽孢繁殖速率小于死亡速率菌体出现多种形态（畸形），细胞解体、释放代谢产物微生物的生长微生物的生长生长生长曲线曲线时间时间调整期调整期对数期对数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期成因成因应用应用及其及其他他时间细菌数目的对数适应新环境适应了环境后，条件适宜、营养物质充足等营养物质消耗、有毒代谢产物积累、PH值的变化，种内斗争加剧生存条件极度恶化，有毒代谢产物积累过，生存斗争最剧烈长短与菌种、培养条件有关可作为菌种也可作科研材料制取代谢产物特别是次级产物，生长曲线的实践意义：生长曲线的实践意义：v生产上常用对数期的细菌作为菌种，以生产上常用对数期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。缩短生产周期。v用连续培养法来有效延长稳定期、提高用连续培养法来有效延长稳定期、提高代谢产物的产量。代谢产物的产量。u这种方法已广泛应用于酒精、丙酮、丁醇等的生产中，优点：可缩短培养周期，提高了设备的利用率，并且便于自动化管理。影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素 v1、温、温 度度 微生物生长微生物生长最旺盛最旺盛时的温度叫时的温度叫最适生最适生长温度长温度在最适生长温度范围内在最适生长温度范围内微生物的生长速率随温度的上升而加快微生物的生长速率随温度的上升而加快超过最适生长温度以后超过最适生长温度以后微生物细胞内的蛋白质和核酸等发生了微生物细胞内的蛋白质和核酸等发生了不可逆的破坏，生长速率会急剧下降。不可逆的破坏，生长速率会急剧下降。影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素v2、pH每种微生物的最适每种微生物的最适pH不同不同 多数细菌：多数细菌：6.57.5；真菌：；真菌：5.06.0；放线菌：；放线菌：7.5-8.5。超过最适超过最适pH范围以后范围以后 影响酶的活性，细胞膜的稳定性等，影响酶的活性，细胞膜的稳定性等，从而影响微生物对营养物质的吸收等。从而影响微生物对营养物质的吸收等。影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素v3、氧氧好氧型微生物好氧型微生物厌氧型微生物厌氧型微生物严格厌氧严格厌氧兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物多种细菌和大多数真菌某些链球菌等某些产甲烷杆菌酵母菌等1、菌种的选育2、3、4、5、发酵过程（中心阶段）6、产品的分离提纯发酵工程的基本内容(P94)1、菌种选育的常用方法比较类型类型 原理原理方方 法法优点优点 （缺点）（缺点）诱变诱变育种育种基因基因工程工程细胞细胞工程工程基因突变DNA重组细胞融合物理、化学、生物因素诱变能大幅度改变某些性状、操作简便，但也具有很大的盲目性。将目的基因导入受体细胞中，构建工程菌或工程细胞。能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂、要求高。体细胞杂交等方法能克服远源杂交不亲合的障碍，定向改变遗传性状。v根据不同的菌种，应选择不同的原料配制根据不同的菌种，应选择不同的原料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的的营养要求，并为微生物提供适宜的PHPH。v培养基的营养要协调，以利于产物的合成。培养基的营养要协调，以利于产物的合成。v培养基在满足微生物的营养的需求的基础培养基在满足微生物的营养的需求的基础上，应尽量降低生产成本，以得到更高的上，应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。经济效益。2、培养基的配制 原则有三：3、灭菌4、扩大培养和接种 杀死杂菌防止杂菌与发酵菌形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。接种时要防止杂菌的污染。5、发酵过程：（中心阶段，重点是在发酵条件的控制）6、分离 提纯：控制对象控制对象控制方式控制方式溶氧溶氧PHPH温度温度对需氧型生物保证氧的供应，对厌氧型生物控制氧的供应。措施：控制通气量和搅拌速度等。加酸、加碱或加缓冲液注意降温，使温度控制在所培养微生物的最适温度。措施：控制搅拌速度、冷却水的循环速度等。菌体：过滤、沉淀代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换发酵工程的应用应用领域应用领域实实 例例在医学在医学工业上工业上的应用的应用在食品在食品工业上工业上的应用的应用生产人们所需的药品抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸生产基因药品人生长激素、胰岛素、人脑激素、单克隆抗体生产传统的发酵产品啤酒、果酒、食醋、酱油等生产各种各样的食品添加剂用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果等为解决人类的粮食短缺问题单细胞蛋白