环境工程微生物学-微生物的生理--课件

本章内容第一节 微生物的营养物质第二节 微生物的营养类型 第三节 培养基 第四节 营养物质进入细胞 第五节 微生物的产能代谢第四章第四章 微生物的生理微生物的生理2024/7/9微生物学21.1 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成qq包括包括有机物和无机物有机物和无机物qq有机物包含各种大分子，如有机物包含各种大分子，如蛋白质、核蛋白质、核酸、类脂和糖类等酸、类脂和糖类等，占细胞干重，占细胞干重99%。qq无机成分无机成分包括小包括小分子无机物和各种离子分子无机物和各种离子，占细胞干重占细胞干重1%。q大量元素：大量元素：C、H、O、N、P、Sq中微量元素：中微量元素：K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo1.微生物的营养物质2024/7/9微生物学31.2 微生物的营养物质微生物的营养物质(1)微生物的微生物的营养物质营养物质包含组成细胞的各种化包含组成细胞的各种化学元素学元素q构成细胞物质的碳素来源：构成细胞物质的碳素来源：碳源物质碳源物质q构成细胞物质的氮素来源：构成细胞物质的氮素来源：氮源物质氮源物质q无机盐无机盐：K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等元素。等元素。2024/7/9微生物学4(2)微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能q微生物生长所需要的营养物质主要是微生物生长所需要的营养物质主要是以的以的有机物有机物和和无机物无机物的形式提供的，小的形式提供的，小部分由部分由气体物质气体物质供给。供给。q微生物的营养物质按其在机体中的生微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：理作用可区分为：碳源、氮源、能源、碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子无机盐、生长因子和和水水五大类。五大类。2024/7/9微生物学51.2.1 碳源碳源q在微生物生长过程提供碳素来源的物质在微生物生长过程提供碳素来源的物质称为称为碳源碳源(source of carbon)。q从简单的从简单的无机含碳化合物无机含碳化合物如如CO2和碳酸和碳酸盐到各种各样的盐到各种各样的天然有机化合物天然有机化合物都可以都可以作为微生物的碳源，作为微生物的碳源，q不同微生物对碳源物质的利用具有选择不同微生物对碳源物质的利用具有选择性，利用能力存在差异。性，利用能力存在差异。(表表3.1)表表3.1微生物利用的碳源物质微生物利用的碳源物质种类种类碳源物质碳源物质备注备注糖糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。素，纯多糖优于杂多糖。有机酸有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致入细胞后会导致pHpH下降。当环境中缺乏碳源物下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。醇醇乙醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂脂肪、磷脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。油和脂肪酸而加以利用。烃烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。利用。COCO2 2COCO2 2自养微生物可利用自养微生物可利用碳酸盐碳酸盐NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3、白垩等、白垩等其他其他芳香族化合物、氰化物芳香族化合物、氰化物蛋白质、肽、核酸等蛋白质、肽、核酸等能利用这些物质的微生物在环境保护方面有重能利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。物作为碳源而降解利用。2024/7/9微生物学7n碳源的生理作用碳源的生理作用q碳源物质通过复杂的化学变化来碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身构成微生物自身的细胞物质和代谢产物的细胞物质和代谢产物；q同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的为机体提供维持生命活动的能量能量;q但有些以但有些以CO2为唯一或主要碳源的微生物生长所为唯一或主要碳源的微生物生长所需的需的能源则不是来自能源则不是来自CO2。2024/7/9微生物学81.2.2 氮源氮源n n凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮氮源源(source of nitrogen)。n n能被微生物所利用的能被微生物所利用的氮源氮源物质：蛋白质及物质：蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物氰化物(表表3.2)。表3.2 微生物利用的氮源物质种类种类氮源物质氮源物质备注备注蛋白质类蛋白质类蛋白质及其不同程蛋白质及其不同程度降解产物度降解产物(胨、肽、胨、肽、氨基酸等氨基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物能利用相对分子质量较小其降解产物氨及铵盐氨及铵盐NH3,(NH4)2SO4容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用硝酸盐硝酸盐KNO3等等分子氮分子氮N2固氮菌可利用固氮菌可利用其他其他嘌呤、嘧啶、脲、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物胺、酰胺、氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，先诱导合成分解嘧啶的酶，再分解利先诱导合成分解嘧啶的酶，再分解利用。嘧啶可不同程度地被微生物作为用。嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用氮源加以利用2024/7/9微生物学10n氮源的生理作用氮源的生理作用q合成细胞中含氮物质合成细胞中含氮物质，少数情况下作，少数情况下作能源物质能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。基酸作为能源。q微生物对氮源的利用具有选择性微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相，如玉米浆相对于豆饼粉，对于豆饼粉，NHNH4 4+相对于相对于NONO3 3-为速效氮源。为速效氮源。q铵盐作为氮源时会导致培养基铵盐作为氮源时会导致培养基pHpH值下降，称为值下降，称为生理酸性盐生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基，而以硝酸盐作为氮源时培养基pHpH值会升高，称为值会升高，称为生理碱性盐生理碱性盐。2024/7/9微生物学111.2.3 能源物质能源物质q能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能。或辐射能。q能源谱能源谱n化学物质化学物质有机物有机物化能异养微生物化能异养微生物利用利用无机物无机物化能自养微生物利用化能自养微生物利用n辐射能辐射能光能自养和光能异养微生物光能自养和光能异养微生物2024/7/9微生物学121.2.4 无机盐无机盐 无机盐(Inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质，其生理功能(表3.3)：（1）酶活性中心的组成部分（2）维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡（3）控制细胞的氧化还原电位（4）某些微生物生长的能源物质等。表3.3 无机盐及其生理功能元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能磷磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基分，作为缓冲系统调节培养基pH硫硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性定性钾钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子体的稳定因子铁铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需成叶绿素、白喉毒素所需2024/7/9微生物学141.2.5 微量元素微量元素q微量元素微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要是指那些在微生物生长过程中起重要作用，但机体的需要量极其微小的元素，浓度作用，但机体的需要量极其微小的元素，浓度在在10-6-10-8 mol/L(培养基培养基)。q微量元素一般参与酶的组成或使酶活化微量元素一般参与酶的组成或使酶活化。表3.4 微量元素与生理功能元素元素生理功能生理功能锌锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与与DNA聚合酶中聚合酶中锰锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴钴存在于谷氨酸变位酶中存在于谷氨酸变位酶中铜铜存在于细胞色素氧化酶中存在于细胞色素氧化酶中钨钨存在于甲酸脱氢酶中存在于甲酸脱氢酶中镍镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需2024/7/9微生物学161.3.6 生长因子生长因子(Growth factor)n微生物生长所微生物生长所必需且需要量很小必需且需要量很小，但微生物，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。需要的有机化合物。n根据根据生长因子生长因子的的化学结构化学结构和在机体中的和在机体中的生理生理功能功能的不同，分为三类：的不同，分为三类：（1）维生素）维生素(vitamin)（2）氨基酸）氨基酸（3）嘌呤与嘧啶）嘌呤与嘧啶(表表3.5)。表表3.5 维生素及其在代谢中的作用维生素及其在代谢中的作用 化合物化合物代谢中的作用代谢中的作用对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素生物素催化羧化反应的酶的辅酶催化羧化反应的酶的辅酶辅酶辅酶M M甲烷形成中的辅酶甲烷形成中的辅酶叶酸叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸泛酸辅酶辅酶A A的前体的前体硫辛酸硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸尼克酸NADNAD、NADPNADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素吡哆素(B(B6 6)参与氨基酸和酮酶的转化参与氨基酸和酮酶的转化核黄素核黄素(B(B2 2)黄素单磷酸黄素单磷酸(FMN)(FMN)和和FADFAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素钻胺素(B(B1212)辅酶辅酶B B1212包括在重排反应里包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶为谷氨酸变位酶)硫胺素硫胺素(B(B1 1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素维生素K K甲基酮类的前体，起电子载体作用甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶如延胡索酸还原酶)氧肟酸氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移促进铁的溶解性和向细胞中的转移2024/7/9微生物学18n生长因子的作用生长因子的作用（1）维生素）维生素在机体中所起的作用主要是作为辅基或辅在机体中所起的作用主要是作为辅基或辅酶参与新陈代谢；酶参与新陈代谢；（2）有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，必）有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；小肽类物质，微生物才能正常生长；（3）嘌呤与嘧啶主要作为酶的辅酶或辅基，以及用来）嘌呤与嘧啶主要作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。合成核苷、核苷酸和核酸。2024/7/9微生物学191.2.7 水水n水是微生物生长所必不可少的。n生理功能：（1）作为溶剂与运输介质，营养物质的吸收与代谢产物的分泌须以水为介质;（2）参与细胞内一系列化学反应；（3）维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的构象。2024/7/9微生物学20（4）控制细胞温度）控制细胞温度：比热高，热的良导体，能有：比热高，热的良导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外；速散发出体外；（5）维持细胞正常形态）维持细胞正常形态；（6）参与细胞组分合成）参与细胞组分合成：通过水合和脱水作用控：通过水合和脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。病毒颗粒的组装与解离。2024/7/9微生物学21n水的有效性水的有效性q常以水活度值常以水活度值(water activity,w)表示。表示。q水活度值水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即wPwP0w式中式中Pw代表溶液蒸气压力，代表溶液蒸气压力，P0w代表代表纯水蒸气压力。纯水蒸气压力。q纯水纯水 w为为1.00，溶液中，溶液中溶质溶质越多，越多，w越小。越小。2024/7/9微生物学22n水的有效性水的有效性q微生物一般在微生物一般在 w为为0.60-0.99的条件下生长，的条件下生长，w过低时，微生物生长的过低时，微生物生长的迟缓期迟缓期延长，比生长速率延长，比生长速率和总生长量减少。和总生长量减少。q微生物不同，其生长的最适微生物不同，其生长的最适 w也不同。一般而言，也不同。一般而言，细菌生长最适细菌生长最适 w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适物生长最适 w则较低。则较低。表表3.6 几类微生物生长最适几类微生物生长最适 w微生物 w w一般细菌0.910.91酵母菌0.880.88霉菌0.800.80嗜盐细菌0.760.76嗜盐真菌0.650.65嗜高渗酵母0.600.602024/7/9微生物学242.1 营养类型划分依据营养类型划分依据n根据微生物生长所需要的主要营养元素即能源根据微生物生长所需要的主要营养元素即能源和碳源的不同而划分的微生物类型。和碳源的不同而划分的微生物类型。q光能无机自养型光能无机自养型(photolithoautotrophy)q光能有机异养型光能有机异养型(photoorganoheterophy)q化能无机自养型化能无机自养型(chemolithoautotrophy)q化能有机异养型化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy)2 微生物的营养类型微生物的营养类型2024/7/9微生物学252.1.1 光能无机自养型光能无机自养型n又称光能自养型，一类能以又称光能自养型，一类能以CO2为唯一碳源为唯一碳源或主要碳源或主要碳源并并利用光能利用光能进行生长的微生物的进行生长的微生物的营养类型营养类型n能能以无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其以无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物为电子供体，他无机化合物为电子供体，使使CO2固定固定还原还原成细胞物质，并且伴随元素成细胞物质，并且伴随元素氧氧(硫硫)的释放的释放。n藻类、蓝细菌和光合细菌属于该类型。2024/7/9微生物学26（1）藻类和蓝细菌：n与高等植物光合作用一致。（2）光合细菌：n光合细菌与高等植物不同。2024/7/9微生物学272.1.2 光能有机异养型光能有机异养型qq或称光能异养型，这类微生物不能以或称光能异养型，这类微生物不能以或称光能异养型，这类微生物不能以或称光能异养型，这类微生物不能以COCO2 2作为唯作为唯作为唯作为唯一碳源或主要碳源，需一碳源或主要碳源，需一碳源或主要碳源，需一碳源或主要碳源，需以有机物作为供氢体，利以有机物作为供氢体，利以有机物作为供氢体，利以有机物作为供氢体，利用光能将用光能将用光能将用光能将COCO2 2还原为细胞物质还原为细胞物质还原为细胞物质还原为细胞物质。qq光能有机营养型细菌在生长时通常需要光能有机营养型细菌在生长时通常需要光能有机营养型细菌在生长时通常需要光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源生长外源生长外源生长外源生长因子因子因子因子。qq红螺属的一些细菌是这一营养类型的代表：红螺属的一些细菌是这一营养类型的代表：红螺属的一些细菌是这一营养类型的代表：红螺属的一些细菌是这一营养类型的代表：2024/7/9微生物学282.1.3 化能无机自养型化能无机自养型n或称化能自养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为其生长所需的能量，以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源生长，利用电子供体如H2、H2S、Fe2+、NO2-使CO2还原成细胞物质。n微生物类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。如氢细菌：2024/7/9微生物学292.1.4 2.1.4 化能有机异养型化能有机异养型n n或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的能能量量来自来自有机物氧化有机物氧化过程放出的化学能，生长所需过程放出的化学能，生长所需要的要的碳源碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，纤维素、有机酸等，即化能有机营养型微生物里即化能有机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质物质。n n大多数微生物属于化能有机营养型：绝大多数的大多数微生物属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部真菌、原生动物以及病毒。细菌、全部真菌、原生动物以及病毒。n n腐生型；寄生型。腐生型；寄生型。微生物营养类型划分微生物营养类型划分表表3.7微生物营养类型微生物营养类型()划分划分依据依据营养类型营养类型特点特点碳源碳源自养型自养型(autotrophs)以以CO2为唯一或主要碳源为唯一或主要碳源异养型异养型(heterotrophs)以有机物为碳源以有机物为碳源能源能源光能营养型光能营养型(phototrophs)以光为能源以光为能源化能营养型化能营养型(chemotrophs)以有机物氧化释放的化学能为以有机物氧化释放的化学能为能源能源电子电子供体供体无机营养型无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体以还原性无机物为电子供体有机营养型有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体以有机物为电子供体表3.8 微生物的营养类型()营养类型营养类型电子供体电子供体碳源碳源能源能源代表类群代表类群光能无机自养型光能无机自养型H2、H2S、S、或、或H2OCO2光能光能着色细菌、蓝细菌、着色细菌、蓝细菌、藻类藻类光能有机异养型光能有机异养型有机物有机物有机物有机物光能光能红螺细菌红螺细菌化能无机自养型化能无机自养型H2、H2S、Fe2+、NH3、或或NO-2CO2化学能化学能(无机物氧化无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌属、硝化杆菌属、甲烷杆菌属、甲烷杆菌属、醋酸杆菌属醋酸杆菌属化能有机异养型化能有机异养型有机物有机物有机物有机物化学能化学能(有机物氧化有机物氧化)假单胞菌属、假单胞菌属、芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物真菌、原生动物2024/7/9微生物学323.1 培养基的定义培养基的定义n培养基 (culture medium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。n无论是以微生物学研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。3 培养基2024/7/9微生物学333.2 培养基组成培养基组成n含有微生物生长所需水分、碳源、能源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。n培养基还应具有适宜的pH值和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。2024/7/9微生物学343.3 培养基的配制原则(1)目的明确目的明确根据不同微生物的营养要求配制根据不同微生物的营养要求配制相应的培养基。相应的培养基。q例：氧化硫硫杆菌培养基例：氧化硫硫杆菌培养基(NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH灭菌条件灭菌条件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20min2024/7/9微生物学35常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基q牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏蛋白胨培养基：n牛肉膏牛肉膏 3g 蛋白胨蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000mlq高氏高氏1号：号：n淀粉淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000mlq麦芽汁培养基：麦芽汁培养基：n干麦芽粉加干麦芽粉加4倍水，在倍水，在50-60保温糖化保温糖化3-4小时，用小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调巴林，煮沸后，沙布过滤，调pH为为6.0。q查氏合成培养基：查氏合成培养基：nNaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖蔗糖 30g H2O 1000ml2024/7/9微生物学36（2）营养协调q培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。q培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。的影响较大。2024/7/9微生物学37n碳氮比（碳氮比（C/N）指培养基中碳元素与氮元素的指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。蛋白之比。n例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。2024/7/9微生物学38（3）理化条件适宜npH q培养基培养基pH必须控制在一定范围内，以满足不同类型必须控制在一定范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。微生物的生长繁殖或产生代谢产物。q通常培养条件：细菌与放线菌：通常培养条件：细菌与放线菌：pH77.5；酵母菌和霉菌：酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长。范围内生长。q为了维持培养基为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加的相对恒定，通常在培养基中加入入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。2024/7/9微生物学39n水活度水活度q微生物一般在微生物一般在w为为0.600.99的条件下生长的条件下生长,w过低时过低时,微生微生物生长的迟缓期延长物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。比生长速率和总生长量减少。q微生物不同，其生长的最适微生物不同，其生长的最适w不同。不同。n氧化还原电位氧化还原电位q氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势又称氧化还原电势(redox potential)，是度量，是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是的一种指标，其单位是V(伏伏)或或mV(毫伏毫伏)。q不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同。不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同。n好氧性微生物好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长伏以上时可正常生长,以以+0.3+0.4伏为宜伏为宜n厌氧性微生物厌氧性微生物：低于：低于+0.1伏条件下生长。伏条件下生长。n兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸，伏以上时进行好氧呼吸，+0.1伏以下时伏以下时进行发酵。进行发酵。2024/7/9微生物学40n配制培养基的原则q经济节约n以粗代精n以野代家n以废代好n以简代繁n以氮代朊n以纤代糖n以烃代粮n以国代进消消泡泡原原料料选选择择灭灭菌菌处处理理2024/7/9微生物学413.4 培养基配制方法培养基配制方法 q生态模拟生态模拟q查阅文献查阅文献q科学设计科学设计q试验比较试验比较2024/7/9微生物学423.5 培养基的类型及应用培养基的类型及应用n培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。用途可将培养分成多种类型。3.5.1 按成分不同划分按成分不同划分(1)天然培养基天然培养基(complex medium)；非化学限定培养基非化学限定培养基(chemically undefined medium)。(2)合成培养基合成培养基(synthetic medium)(3)半合成培养基半合成培养基(semi-synthetic medium)2024/7/9微生物学433.5.2 根据物理状态划分根据物理状态划分n根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少，根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少，可将培养基划分为可将培养基划分为固体培养基、半固体培养固体培养基、半固体培养基和液体培养基基和液体培养基三种类型。三种类型。n凝固剂常用的凝固剂有琼脂凝固剂常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶、明胶(gelatain)和硅胶和硅胶(silica gel)。(表表3.9)n琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的胶体多糖。胶体多糖。表表3.9 琼脂与明胶主要特征比较琼脂与明胶主要特征比较内容内容琼脂琼脂明胶明胶常用浓度常用浓度(%)1.52512熔点熔点()9625凝固点凝固点()4020pH微酸微酸酸性酸性灰分灰分(%)161415氧化钙氧化钙(%)1.150氧化镁氧化镁(%)0.770氮氮(%)0.418.3微生物利用能力微生物利用能力绝大多数微生物不能利用绝大多数微生物不能利用许多微生物能利用许多微生物能利用2024/7/9微生物学45理想凝固剂的特点理想凝固剂的特点不被所培养的微生物分解利用；不被所培养的微生物分解利用；在微生物生长的温度范围内保持固体状态在微生物生长的温度范围内保持固体状态(在培养在培养嗜热细菌时嗜热细菌时?)凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物的生长；的生长；凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；凝固剂在灭菌过程中不会被破坏；凝固剂在灭菌过程中不会被破坏；透明度好，粘着力强；透明度好，粘着力强；配制方便且价格低廉。配制方便且价格低廉。2024/7/9微生物学463.5.3 按用途划分（1）基础培养基(minimum medium)是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。（2）加富培养基(enrichment medium)也称营养培养基，即在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基，这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。2024/7/9微生物学47（3）鉴别培养基）鉴别培养基(differential medium)是用是用于鉴别不同类型微生物的培养基，于鉴别不同类型微生物的培养基，微生物产微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化化。（4）选择培养基）选择培养基(selective medium)是用来是用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。分离出来的培养基。2024/7/9微生物学484.1 影响营养物质进入细胞的因素影响营养物质进入细胞的因素q营养物质本身性质营养物质本身性质 q微生物所处环境微生物所处环境 q微生物细胞的透过屏障微生物细胞的透过屏障(permeability barrier)4 营养物质进入细胞营养物质进入细胞2024/7/9微生物学494.2 物质运输的机制物质运输的机制nSimple DiffusionnTransport(Carrier)Proteins:Uniporter,Antiporter,Symporter.nPassive Transport nActive Transport nGroup Translocation n膜泡运输膜泡运输2024/7/9微生物学504.2.1 Simple Diffusion(自由扩散自由扩散)Simple diffusion is the net movement of small molecules or ions from an area of higher concentration to an area of lower concentration.Diffusion is powered by the potential energy of a concentration gradient and does not require the expenditure of metabolic energy.Examples include the transport of oxygen and carbon dioxide into and out of cells.水、水、脂肪酸、乙醇、甘油、脂肪酸、乙醇、甘油、O2、CO2及某些氨基酸。及某些氨基酸。2024/7/9微生物学51Simple Diffusion,Step 12024/7/9微生物学52Simple Diffusion,Step 22024/7/9微生物学53nTransport(Carrier)Proteins:qFor the majority of substances a cell needs for metabolism to cross the cytoplasmic membrane,specific carrier proteins or transporters are required.qThere are three basic types of these transporter proteins:uniporters,antiporters,and symporters.2024/7/9微生物学54nUniportersqUniporters are transport proteins that transports a substance from one side of the membrane to the other.qSince no energy is required for this type of transport,it is known as passive transport.Transport of Substances Across a Membrane by Uniporters 2024/7/9微生物学56nAntiportersqAntiporters are transport proteins that transport one substances across the membrane in one direction while simultaneously transporting another substance across the membrane in the opposite direction.qSince energy is required,this is known as active transport.qThe energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force Transport of SubstancesAcross a Membrane by Antiporters 2024/7/9微生物学58nSymportersqSymporters are transport proteins that simultaneously transport two substances across the membrane in the same direction.qSince energy is required,this is known as active transport.qThe energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force.proton motive forceTransport of Substances Across a Membrane by Symporters 2024/7/9微生物学604.2.2 Passive TransportqThe transport of substances across a membrane by protein transporters(carrier proteins)from areas of higher concentration to lower concentration.qNo energy is required.qPassive transport,also known as facilitated diffusion,is the transport of substances across the membrane by means uniporters.q膜载体膜载体(载体蛋白载体蛋白)特点特点 q有很强的特异性有很强的特异性q在运输过程中，本身不发生变化。在运输过程中，本身不发生变化。q能加快物质运输的速度。能加快物质运输的速度。Passive Transport of Substances Across a Membrane 通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。2024/7/9微生物学624.2.3 Active TransportnThe cell uses transporter proteins(carrier molecules,antiporters or symporters)and energy from a proton motive force or the breakdown of ATP to transport substances across a membrane against the concentration gradient.nActive transport allows cells to accumulate needed substances even when the concentration is lower outside.n主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式质运输方式。Active TransportProton Motive ForceA symporter transports protons(H+)and a substrate across the membrane.The movement of protons across the membrane(proton motive force)provides the energy.Active Transport of Substances Across a Membrane:The ATP-Binding Cassette Transport System The actual transport across the membrane is powered by the energy provided by the breakdown of ATP by an ATP-hydrolyzing protein .2024/7/9微生物学654.2.4 Group TranslocationnA special form of active transport that can occur in prokaryotes.nA substance is chemically altered during transport across a membrane so that once inside,the membrane becomes impermeable to that substance and it remains within the cell.2024/7/9微生物学66nAn example of group translocation in bacteria is the phosphotransferase system.nA high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate(PEP)is transferred by a series of enzymes to glucose.nThe final enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across themembrane as glucose 6-phosphate.n许多糖就是靠基团移位进行运输的。Active Transport of Substances Across a Membrane:Group TranslocationA high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate(PEP)is transferred by a series of enzymes to glucose.The final enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across the membrane as glucose 6-phosphate.2024/7/9微生物学684.2.5 膜泡运输膜泡运输(membrane vesicle transport)n主要存在于原生动物特别是变形虫主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式。是这类微生物的一种营养物质的运输方式。n如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为养物质运输方式称为胞吞作用胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用胞饮作用(pinocytosis)。n通过胞吞作用通过胞吞作用(或胞饮作用或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期即吸附期、膜伸展期、膜泡输一般分为五个时期即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。2024/7/9微生物学69ItemsPassive diffusionFacilitated diffusionActive transportGroup translocationcarrier proteins NonYesYesYestransport speedSlow Rapid Rapid Rapid against gradientNonNonYesYestransport moleculesNo specificity Specificity Specificity Specificity metabolic energy No needNo needNeedNeedSolutes moleculesNot changedChangedChangedChangedSimple comparison of transport systems四种运送营养物质方式的比较四种运送营养物质方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白无无有有有有有有运送速度运送速度慢慢快快快快快快溶质运送方向溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度平衡时内外浓度内外相等内外相等内外相等内外相等内部高内部高内部高内部高运送分子运送分子无特异性无特异性特异性特异性特异性特异性特异性特异性能量消耗能量消耗不需要不需要不需要不需要需要需要需要需要运送前后溶质分子运送前后溶质分子不变不变不变不变不变不变改变改变载体饱和效应载体饱和效应无无有有有有有有与溶质类似物与溶质类似物无竞争性无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂运送抑制剂无无有有有有有有运送对象举例运送对象举例水、水、O O2 2糖、糖、SOSO4 42-2-氨基酸、乳糖氨基酸、乳糖葡萄糖葡萄糖 嘌呤嘌呤2024/7/9微生物学725 微生物的产能代谢微生物的产能代谢q代谢概论代谢概论q生物氧化生物氧化n异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化n自养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化n能量转换能量转换q生物合成生物合成 2024/7/9微生物学735.1 代谢概论代谢概论n代谢(metabolism)n是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。5.1.1 分解代谢分解代谢q是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。2024/7/9微生物学74n分解代谢的三个阶段：分解代谢的三个阶段：（1）第一阶段第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；（2）第二阶段第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及及FADH2；（3）第三阶段第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成解生成CO2，并产生，并产生ATP、NADH及及FADH2。第二和第三阶段产生的第二和第三阶段产生的ATP、NADH及及FADH2通过电通过电子传递链被氧化，可产生大量子传递链被氧化，可产生大量的的ATP。2024/7/9微生物学765.1.2 合成代谢合成代谢n是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。子的过程，在这个过程中要消耗能量。n合成代谢所利用的小分子物质合成代谢所利用的小分子物质源于源于分解代谢过分解代谢过程中产生的中间产物或环境。程中产生的中间产物或环境。n在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些些能量用于能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。微生物产生和利用能量微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图及其与代谢的关系图2024/7/9微生物学785.2 生物氧化生物氧化n分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为过程，这个过程也称为生物氧化生物氧化，是一个产能，是一个产能代谢过程。代谢过程。n不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，不同的，异养异养微生物利用微生物利用有机物有机物，自养自养微生物微生物则利用则利用无机物无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。，通过生物氧化来进行产能代谢。2024/7/9微生物学795.2.1 异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化n异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成反应中电子受体的不同可分成发酵发酵和和呼吸呼吸两种两种类型，而呼吸又可分为类型，而呼吸又可分为有氧呼吸有氧呼吸和和无氧呼吸无氧呼吸两两种方式。种方式。2024/7/9微生物学805.2.1.1 发酵作用发酵作用(fermentation)n指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。释放能量并产生各种不同的代谢产物。n发酵的种类有很多，可发酵的种类有很多，可发酵的底物发酵的底物有有糖类、有糖类、有机酸、氨基酸机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵等，其中以微生物发酵葡萄糖葡萄糖最最为重要。为重要。2024/7/9微生物学81n生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为称为糖酵解糖酵解(glycolysis)，主要有四种：，主要有四