微生物营养与代谢

,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,微生物营养,微生物摄取和利用营养物质的过程。,微生物代谢,微生物体内发生化学反应的总和。,有了营养微生物才能代谢、生长和繁殖，并为人类提供各种有益代谢产物起点。,了解微生物的营养原理，是研究和利用微生物的必要基础培养基 。,第,三,章 微生物营养与代谢,第一节 微生物营养物质和营养类型,第二节 微生物营养物质的吸收机制,第三节 培养基,第四节 微生物代谢,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,水,微生物营养物质,碳素化合物,氮素化合物,矿质元素,生长因子,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1,、,碳素化合物(碳源)：,碳源：是微生物细胞内碳素物质或代谢产物中的C的来源。,占细胞干重的,50%。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1,、,碳素化合物(碳源)：,微生物细胞中碳素的功能,：,（2）大多数微生物的,能源物质,（1）构成微生物体有机分子的,骨架,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1,、,碳素化合物(碳源)：,甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、,酒糟、造纸厂亚硫酸液,无机物（CO2）,有机物,葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉,有机酸、醇类、脂类,微生物可以利用的碳源种类非常广泛,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1,、,碳素化合物(碳源)：,甲烷氧化菌：,甲烷、甲醇,根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？,不同的微生物利用碳素的情况,洋葱假单胞菌：,九十多种碳素化合物,纤维素分解菌（部分）：,只利用纤维素,148种碳源进行鉴定,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,2、,氮素化合物（氮源）,氮源：是构成微生物细胞含氮物质或代谢产物中的N素的来源。,分子氮 N2（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、,蓝细菌,）,无机氮,NH,4,、NO,3,、NO,2,（多数微生物）,有机氮,蛋白质、牛肉膏、酵母膏,（多数微生物） 、多肽、氨基酸,尿素、玉米浆、饼粕（生产实践）,微生物可利用的氮素化合物,：,氮素化合物的功能,：,构成,细胞物质,，少数微生物的能源物质（硝化细菌氨）。,第一节 微生物营养物质和营养类型,3、矿质元素,(无机盐磷酸盐、硫酸盐、氯化物等),为机体提供了必要的金属元素。,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,3、矿质元素(无机盐),主要功能：,a. 构成微生物细胞的多种结构成分,b. 参与酶的组成，构成酶的最大活性（Mg、Mn、Fe）,c. 维持细胞结构的稳定性（Ca 、Mg）,d. 维持细胞渗透压平衡，有利于物质的运输(K、Na),e. 部分元素可作为少数类型微生物的能源(Fe、S),P、S、Fe、Mg、K、Ca (,大量元素,),Mn、Cu、Zn、Mo （,微量元素,）,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,4,、,生长因子,是指微生物生长必需的但本身不能合成（或合成不足的），需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,4,、,生长因子,生长因子功能：,构成酶的辅基或辅酶,生长因子分类（化学结构、生理作用） ：,氨基酸,核 苷(或碱基),维生素,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,4、生长因子特点：,（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同,克氏杆菌 生物素、对氨基苯甲酸,肠膜明串珠菌 十七种氨基酸,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,4、生长因子,（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化,鲁毛霉：,厌氧条件下：需维生素B与生物素,好氧条件下：无需生长因子,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,4、生长因子,（3）对生长因子未知微生物的培养,酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液,加入天然成分,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,5、,水分,微生物水分含量：,营养细胞90%，孢子40%。,生长、代谢必不可少的物质。,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,5、,水分,水分在微生物生长代谢中的功能：,a. 机体内生理生化反应的基础,b. 溶剂与运输介质,c. 细胞体内温度的缓冲剂作用,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,5、,水分,水的活度（Aw）,（有效性）,一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件(T、P)下纯水蒸汽压力之比。,溶液充分稀释时,Aw=Pw/P,0,w=n1/（n2+n1）,(n1为溶剂的摩尔数，n2为溶质摩尔数),定义公式是： Aw=Pw/P,0,w,Pw:溶液中水的蒸汽压；P,0,w:纯水的蒸汽压,一、微生物营养物质及其功能,第一节 微生物营养物质和营养类型,5、,水分,微生物最适水的活度值,细菌：0.93 0.99,酵母菌：0.880.91,霉菌：0.80左右,正常：0.660.99,特殊营养条件氧,一、微生物营养物质及其功能,适宜aw值范围 微生物类群 实例 最适aw值,0.970.96 革兰氏阴性杆菌 假单胞菌属 0.97,不动杆菌属,大肠埃希氏菌,0.950.91 大多数细菌 枯草芽孢杆菌,梭菌属 0.95,乳杆菌属 0.94,链球菌属,0.940.87 酵母菌 产朊假丝酵母,酿酒酵母 0.94,0.900.86 革兰氏阴性球菌 微球菌属 0.90,金黄色葡萄球菌 0.86,0.930.80 霉菌 黑根霉,黑曲霉 0.93,0.800.75 嗜盐细菌 盐生盐杆菌 0.75,0.650.60 耐(嗜)高渗酵母菌 鲁氏酵母 0.62,各种微生物最低水的活度值,第一节 微生物营养物质和营养类型,5、,水分,一、微生物营养物质及其功能,从营养的角度分 异养型生物 自养型生物,所需要营养物质 有机物 无机物,生物种类 动物 植物,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,微生物属于哪类生物，自养还是异养？,微生物,营养型,自养型,异养型,能 源,碳 源,CO2,有机化合物,光能型,化能型,光 能,化学能,光能自养型,化能自养型,光能异养型,化能异养型,第一节 微生物营养物质和营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型）,能够利用光能并以CO,2,作为唯一或主要碳源进行生长的微生物,念珠蓝细菌,基本特点：,B、供氢体：还原性无机物，还原CO,2,A、光合色素（叶绿素、细菌叶绿素、,类胡萝卜素和藻胆素,）,蓝细菌,二、微生物的营养类型,实例：,光,叶绿素,H,2,OCO,2,(CH,2,O)+O,2,（蓝细菌）,光,菌绿素,2H,2,S+CO,2,(CH,2,O)+H,2,O+2S,（绿硫细菌和紫硫细菌）,第一节 微生物营养物质和营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型）,二、微生物的营养类型,第一节 微生物营养物质和营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型）,利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,紫色非硫细菌,基本特点：,b.供氢体：有机物，还原CO,2,或有机物形成细胞物质,a.光合色素，光合作用,二、微生物的营养类型,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型）,光能异养型微生物在C源利用上的特殊性：,以有机质作为主要C源，,能利用CO,2,，但它不是唯一碳源。,光能,细菌叶绿,（,红螺菌,）,CH3,CO,2,+2CHOH CH,2,O+2CH,3,COCH,3,+H,2,O,CH3,典型实例：,第一节 微生物营养物质和营养类型,3、化能自养型(化能无机营养型）,利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用CO,2,或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,产甲烷细菌,典型实例：,硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌,H,2,S、 NO,2,、 H,2,、 Fe,基本特点：,a. 能源：无机物氧化,b. 供氢体：无机物，还原CO,2,二、微生物的营养类型,问 题,水中的紫硫细菌所需的硫化氢从何而来呢?,湖底淤泥中的SRB,A腐蚀性,点蚀穿孔,铁表面的电化学反应电极极化,提问：,SRB,腐蚀的机理是什么？,FeS消耗Fe,2+,、吞吃铁表面的氢层,尤其是对油田注水井的套管、埋地管线腐蚀，缩短其寿命，同时腐蚀产生的FeS还会堵塞油井，这些都给油田系统造成了十分巨大的经济损失,第一节 微生物营养物质和营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型）,以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物。,苏云金杆菌,基本特点：,a. 能源：有机物氧化,b. 碳源：有机物,多数,二、微生物的营养类型,第一节 微生物营养物质和营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型）,化能异养型微生物的分类（生活场所、获取养料方式） ：,兼性寄生菌：既营寄生又营腐生生活的 (结核杆菌) 。,寄生菌：只能在,活寄主,体吸收营养物生活的。,腐生菌：利用,无生命,的有机物作为营养物质 (大多数) 。,二、微生物的营养类型,第一节 微生物营养物质和营养类型,小 结,1、微生物营养型划分的依据是什么？,碳源,能源,2、微生物营养划分的相对性,同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化,。,微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营养型,假单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量， 自养生活,将CO2还原成细胞物质,提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活,红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养,暗处理 利用有机物氧化产能 异养生活,二、微生物的营养类型,第二节 微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素：细胞膜,细胞膜选择性透膜,（防止外流）,细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素：微生物细胞生活的环境,pH值、温度 (溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),3、第三因素：被吸收物质的特性。,分子量、溶解度、非极性、脂溶性,第二节 微生物营养物质的吸收机制,是否消耗,能量,是否需要,载体,是否发生被吸收物的,化学变化,。,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团转位,根据微生物对物质的吸收过程的特点：,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,第二节 微生物营养物质的吸收机制,1、单纯扩散（称被动扩散）,被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,最简单、纯物理,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,1、单纯扩散（称被动扩散）,单纯扩散的特点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,c. 不需要能量,a. 非特异性的,b. 吸收过程不发生化学变化,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,1、单纯扩散（称被动扩散）,营养物质单纯扩散能力的影响因素：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,a. 吸收营养物质的分子大小,b. 溶解性(脂溶性或水溶性),c. 极性大小（膜内外极性表面）,d. 膜外pH,e. 温度。,水、气体、无机盐、甘油等小分子不是主要的吸收方式,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散,以细胞内外的浓度梯度为动力，在,载体,物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散（,真核微生物糖类物质）,。,T,S,T,S,T,糖、氨基酸、金属离子等,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散,与单纯扩散的相同点：,T,S,T,S,T,c.无需代谢能。,a.被动的扩散。,b.无化学变化。,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散,促进扩散独有的特点：,载体使营养物质的扩散加快，它会影,响该营养物质在膜内外建立浓度的动态平,衡状态吗？,T,S,T,S,T,a. 载体的专一性,b. 运输速率提高,第二节 微生物营养物质的吸收机制,3、主动运输,以代谢能为动力，在载体蛋白的参与下，将物质从胞外向胞内转运。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S,T,S,T,糖、氨基酸、有机酸,、 Na,+,、,K,+,、硫酸根、磷酸根等,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,3、主动运输,主动运输同促进扩散的共同点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S,T,S,T,a. 载体,b. 载体构型的变化。,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,3、主动运输,主动运输与促进扩散的不同点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S,T,S,T,a. 动力代谢能,b. 载体构型变化原理需要能量,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,4、基团转位：,被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化,（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,。,大肠杆菌磷酸转移酶体系对葡萄糖的运输,糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N乙酰葡萄糖胺)、嘌呤、嘧啶、脂肪酸,二、微生物对营养物质的吸收方式,第二节 微生物营养物质的吸收机制,三、几种主要营养物质的吸收,1、糖：,促进扩散（真核）、基团转位（厌氧）、主动运输（多数）。,2、肽与氨基酸：,主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）,3、离子：,主动运输,第三节 培养基,培养基：,是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。,培养基的作用：,为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物,生命活动规律,的研究和微生物,生物制品,的生产。,第三节 培养基,1、适合不同微生物的营养特点。,(1)从营养型的角度看,生理特点不同,细菌,放线菌,霉菌,营养要求不同,牛肉膏蛋白胨培养基,高氏一号培养基,马丁氏培养基,(2)从类群的角度看,自养微生物 合成能力强 简单的无机物,异养微生物 合成能力弱 至少提供一种有机物,一、配制培养基的基本原则,第三节 培养基,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。,(1) 浓度适中原则,大量元素 10,-3,-10,-4,mol/L 微量元素 10,-6,-10,-8,mol/L,一、配制培养基的基本原则,第三节 培养基,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。,(2) 营养比例适宜原则,a. C/N,b. 其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。,短棒杆菌的谷氨酸发酵,培养基C/N=4:1，菌体繁殖；,C/N=3:1，谷氨酸形成,不同的微生物，所需营养物C/N不同。,细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1,一、配制培养基的基本原则,第三节 培养基,3、控制培养条件,pH,O,2,CO,2,渗透压,微生物生长繁殖,培养条件,影响,影响,微生物培养体系,一、配制培养基的基本原则,(1) 培养基的pH值的控制。,第三节 培养基,a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。,霉菌、酵母菌适于酸性，,(pH4.5-6.0左右),细菌、放线菌喜中性或偏碱性,(pH7.0-7.5左右),3、控制培养条件,一、配制培养基的基本原则,(1) 培养基的pH值的控制。,第三节 培养基,磷酸盐、碳酸盐、蛋白胨、氨基酸,(配制培养时加入),磷酸盐缓冲作用的反应式为：,H,+,(强酸)+HPO,4,=,(弱碱) H2PO,4,-,(弱酸),OH,-,(强碱)+H2PO,4,-,(弱酸) HPO,4,=,(弱碱)+H,2,O,碳酸钙,（配制培养基时加入）,酸或碱,（培养过程中加入）,b.使用pH值缓冲剂,3、控制培养条件,一、配制培养基的基本原则,由微生物与氧气的关系形成了三类微生物：,专性好氧性微生物 专性厌氧性微生物,兼性厌氧的微生物,第三节 培养基,实践对策：,专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。,专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入,还原剂,（胱氨酸、巯基乙酸钠、Na,2,S和抗坏血酸）,(2) O,2,浓度的调节,3、控制培养条件,一、配制培养基的基本原则,（3）CO,2,的调节,对自养微生物来说，空气中只占容积的0.03%的CO2量意味着什么？,第三节 培养基,增加CO,2,供应的途径：,紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入NaHCO,3,3、控制培养条件,一、配制培养基的基本原则,3、控制培养条件,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,（4）渗透压的控制,培养基中溶质浓度过高使渗透压太高从而抑制微生物生长,按培养基成分分,按培养基的用途分,按物理性状分,第三节 培养基,培养基类型,合成培养基,天然培养基,半合成培养基,基本培养基,富集培养基,鉴别培养基,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,二、培养基的类型,1、按照培养基成分分：,a. 合成培养基,化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。,第三节 培养基,高氏一号合成培养基,可溶性淀粉 20.0克,KNO,3,1.0克,K,2,HPO,4,0.5克,MgSO,4,7H,2,O 0.5 克,NaCl 0.5克,FeSO,4,7H,2,O 溶液2滴（10%）,蒸馏水 1000毫升,二、培养基的类型,1、按照培养基成分分：,第三节 培养基,b. 天然培养基,以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）,牛肉膏蛋白胨培养基,牛肉膏 3.0 克,蛋白胨 10.0 克,食盐 5.0 克,蒸馏水（自来水） 1000毫升,二、培养基的类型,第三节 培养基,1、按照培养基成分分：,c. 半合成培养基（综合培养基）,在天然有机物的基础上加入已知成分的无机盐或在合成培养基的基础上添加某些天然成分（如马铃薯）,二、培养基的类型,2、按照培养用途：,第三节 培养基,二、培养基的类型,b. 富集培养基(增殖培养基）,为分离某种微生物配制出的适合它生长而不利于其他微生物生长的培养基。,a. 基本培养基,将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。,有两种制备思路：,比谁长得快,比谁死得慢,选择性？,待选的细菌能优势生长,投其所好法,好,营养、环境因子,（1）,待选细菌,专一性营养源培养法,例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养基中的唯一碳源；,比谁长得快,理化因素,特殊的温度、氧气、pH、盐度等环境条件,主要用于筛选极端环境微生物。,如嗜盐、嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等的细菌，同时也被用于选择性培养好氧或厌氧细菌。,嗜冷菌,嗜热菌,（2）理化因素控制法, 投毒法,常用物质,为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生素。,例：,胆汁酸盐抑制G,+,菌,含它的培养基能选择性生长那种细菌？,G,-,*,对化工废水,（难降解废水或有毒废水）,如何设计筛选能对其高效降解的细菌培养基?,毒,选择性的抑制剂,待选细菌有抗性,比谁死得慢,收集,长期被石油污染的土壤,(天然选择性固体培养基）,，,必有,适应石油环境利用石油作为食物的细菌，将土壤样品在实验室用,石油降解菌选择性培养基,，对样品中的石油降解菌进行进一步的选择培养，,筛选分离,，富集，为下一步的驯化工作奠定基础。,例如,筛选能降解石油的细菌？,c. 鉴别培养基,根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物的培养基。（,伊红-甲基蓝培养基,鉴别大肠杆菌和产气肠杆菌）,鉴别明查分别（细菌种类）,提供培养环境外还同时具有类似于“验钞机”的作用,3、按照培养基的物理性状,第三节 培养基,二、培养基的类型,b. 液体培养基,未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。,c. 半固体培养基,在液体培养基中加入少量琼脂,（0.2%-0.5%）,a. 固体培养基,在液体培养基中加入,凝固剂,使呈固体状态，称为固体培养基。,（1.5%-1.8%）,微生物的代谢,微生物代谢,：微生物细胞所进行的化学反应的总和。,微生物合成代谢,：小分子合成复杂大分子的过程；,微生物分解代谢,：细胞物质或营养物质降解形成简单产物并产生能量的的过程。,物质代谢,能量代谢,产能代谢,耗能代谢,分解代谢,合成代谢,第四节 微生物的代谢,微生物代谢,：微生物细胞所进行的化学反应的总和。,微生物合成代谢,：小分子合成复杂大分子的过程；,微生物分解代谢,：细胞物质或营养物质降解形成简单产物,并产生能量的的过程。,第四节 微生物的代谢,复杂分子,（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,分解代谢的三个阶段,第四节 微生物的代谢,第四节 微生物的能量代谢,（一）氧化还原反应与能量产生,生物氧化:,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过程,（在此过程中实现氢和电子的转移脱氢作用）。,还原势（,V,或,mV,）,：物质质给出电子被氧化和接受电子被还原的趋势。,净能量：,决定于最初电子供体和最终电子受体之间的还原势差。,电子传递体：,一类是游离的；另一类是牢固地结合在细胞膜中的辅酶上。,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的能量代谢,生物氧化与燃烧的比较,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的能量代谢,（一）氧化还原反应与能量的产生,生物氧化反应,发酵,呼吸,有氧呼吸,厌氧呼吸,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,（二）高能键化合物,高能键化合物的共性：,高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型,光能,光能营养型微生物,化能营养型微生物,化学能,高能键,化合物,提供给机体使用,三磷酸腺苷(ATP),合成代谢 和 分解代谢,一、微生物的产能代谢,（三）合成ATP的方式,第四节 微生物的代谢,底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化,底物水平磷酸化：,XP+ ADP X + ATP,底物在其氧化过程中形成某些具有高能磷酸键的中间产物，这类中,间产物，可将其高能键通过酶的作用转给ADP而形成ATP的过程。,2 氧化磷酸化：,物质氧化产生的电子经电子传递体从电子供,体传到电子受体的过程，并伴随着大量ATP的形成,3 光合磷酸化：,光能 化学能ATP的过程,电子传递体：泛醌 细胞色素系统,光合生物，光合色素（,叶绿素、细菌叶绿素,）,一、微生物的产能代谢,索球藻属（,Gomphosphaeria,） 这种蓝细菌覆盖在水面上，覆盖几毫米厚 ，把水的表面染成深绿色。每团索球藻有100m大，团里的细胞都裹在粘液里。 细胞团外部的黑色物质是由许多细菌构成的，也许他们要呼吸蓝细菌通过光合作用生成的氧气吧。,（1） 蓝藻（蓝细菌）,叶绿体,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,一种池塘中的蓝藻（蓝细菌）,Aphanizomenon flos-aqua,; 在有营养的水中很常见，能毒害水体，放出臭味,左图的放大的某一纤维。充满气的泡使纤维能浮在水面上，以便更好的获得阳光,（1） 蓝藻（蓝细菌）,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,（2） 光合细菌,厌氧条件下靠细菌叶绿素进行光合作用,第四节 微生物的代谢,（3） 嗜盐细菌,不含叶绿素，不存在电子传递系统，只有色素蛋白（视黄醛）,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,（四）微生物的主要产能方式,共同点：,氧化还原反应,区别点：,电子最终受体,氧化基质,产能方式,发酵,呼吸,光能转化,一、微生物的产能代谢,1、发酵（代谢发酵）,第四节 微生物的代谢,说明基质在发酵过程中氧化不彻底，发酵的结果必然仍积累某些有机物。,有机物,氧化的基质 最终受氢体,有机物,氧化,有机物,(1)发酵的特点：,工业发酵,：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。,微生物或细胞在,不需要氧,的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生ATP的一种方式。,一、微生物的产能代谢,发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。,生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）,糖酵解是发酵的基础,主要有四种途径：,EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。,EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,日本人肠内酵母感染导致醉酒（P99）,微生物学与第一次世界大战,德国：,（Carl Neuberg）,丙酮酸,CO,2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸,二羟基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠（pH7）,Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵,（磺化羟基乙醛）,第一次世界打战期间德国主要用这种方法生产甘油,产量：1000吨/月,目前的甘油生产方法：,使用的微生物：,Dunaliella aslina,（一种嗜盐藻类）,胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡,生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境,不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。,大肠杆菌：,丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可,进一步裂解生成H,2,和CO,2,产酸产气,志贺氏菌：,丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2,产酸不产气,第四节 微生物的代谢,(2) 酵母菌乙醇发酵,（,1）氧化基质：葡萄糖,（2）最终的受氢体：乙醛,（3）丙酮酸脱羧酶,发酵特点,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2Pi 2CH,3,CH,2,OH+2CO,2,+2ATP,葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,乙醇,乙醛,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,2NAD,+,2NADH,2ATP,2ADP,2ADP,2ATP,2ADP,2ATP,O,H,丙酮酸,脱羧酶,一、微生物的产能代谢,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件,厌氧,不含NaHSO,3,PH小于7.6,(3) 乳酸发酵（同型）,C,6,H,12,O,6,+2ADP+2Pi 2CH,3,CHOHCOOH+2ATP,葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,乳酸,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,2NAD,2NADH,2ATP,2ADP,2ADP,2ATP,2ADP,2ATP,O,H,（,1）氧化基质：葡萄糖,（2）最终的受氢体：丙酮酸,发酵特点,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,两个发酵类型的共同点,：,a.,糖酵解途径,(EM)是发酵的主要途径。,b. 糖酵解过程是两发酵类型ATP产生的唯一来源。,基质（底物）水平的磷酸化,一、微生物的产能代谢,巴斯德效应：,一些,兼性厌氧菌,在无氧条件下进行发酵作用，而有氧条件下进行呼吸作用的现象。,第四节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,不同点：,丙酮酸,丁酸丁醇发酵,丙酸发酵,混合酸发酵,丁二醇发酵,正型乳酸发酵,酒精发酵,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,2、呼吸,微生物以O,2,或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,2、呼吸,(1) 特点：,b. 电子载体传递电子伴随ATP大量形成。,（氧化磷酸化电子传递水平磷酸化）,a.,电子载体,传递电子。,电子传递链,一系列电子载体按照氧化还原电位升高的顺序排列而成的链。,一、微生物的产能代谢,第四节 微生物的代谢,2、呼吸,(2) 类型,（据电子最终受体分）,a. 有氧呼吸：(高效产能过程）,最终电子受体,：分子氧；,葡萄糖有氧条件下的分解：,糖酵解 生成乙酰辅酶A TCA 进入呼吸链产能,底物：,有机物 （化能异样微生物）,如 葡萄糖,一、微生物的产能代谢,a.有氧呼吸,葡萄糖,糖酵解作用,丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,最终电子受体,：无机物,NO3,SO4,CO3,硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原,底物,：有机物。,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过,程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。,由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量,不如有氧呼吸产生的多。,b. 厌氧呼吸：,反硝化作用的生态学作用：,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,土壤及水环境,好氧性机体的呼吸作用,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,土壤中植物能利用的氮,（硝酸盐NO,3,-,）还原成,氮气而消失，从而降低,了土壤的肥力。,松土，排除过多的水分，保,证土壤中有良好的通气条件。,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常,通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝,化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水,质变坏与地球上氮素循环的中断。,第四节 微生物的代谢,c、无机物氧化：,（好氧的化能自养型）,H,2,、NH,3,、HNO,2,、H,2,S（,氢细菌、硝化细菌和硫细菌）,H,2,+1/2O,2,H,2,O,底物,：无机物；,最终电子受体,：氧气,电子传递水平磷酸化或底物水平磷酸化,一、微生物的产能代谢,(1)、 氨的氧化,NH,3,、亚硝酸（NO,2,-,）,等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源,亚硝化细菌：,硝化细菌：,将氨氧化为亚硝酸并获得能量,将亚硝氧化为硝酸并获得能量,这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化,成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。,这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。,(2)、 硫的氧化,硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态或部分,还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多,硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。,俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：,化能无机自养型微生物的发现：,氧化无机物获得能量；,没有光和叶绿素的条件下也能同化CO,2,为细胞物质,（能以CO,2,为唯一或主要碳源）,硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），,因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可,以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。,(3)、铁的氧化,以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（,Thiobacillus ferrooxidans,）为例：,从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种,产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。因,此该菌的生长会导致形成大量的Fe,3+,（,Fe(OH),3,）。,三自养微生物的生物氧化,氧化亚铁硫杆菌（,Thiobacillus ferrooxidans,）,在富含FeS,2,的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸,和Fe(OH),3,，从而造成严重的环境污染。,它的生长只需要FeS,2,及空气中的O,2,和CO,2,，因此,要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封,闭矿山，,使环境恢复到原来的无氧状态。,第四节 微生物的代谢,3、光能转换：,（,光合磷酸化）,光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。,特点：光合生物、光合色素,（蓝细菌：,叶绿素,，放氧光合作用；细菌：,菌绿素,，不放氧光合作用）,一、微生物的产能代谢,产能方式 底物 电子受体 ATP产生方式 微生物营养型,发 酵 有机物 中间产物 底物水平磷酸化 化能异养型,呼 吸 有机物 O2或无机物 电子传递或基质水平 化能异养型,无机物氧化 无机物 O2 电子传递或基质水平 化能自养型,光能转换 光合磷酸化 光能自养异养,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,不同产能方式特征的比较,第四节 微生物的代谢,（一）无机养料的同化,1、 CO,2,的同化,自养微生物对CO,2,的同化：卡尔文循环,异养微生物对CO,2,的同化：必要的添补反应,2、 硝酸盐的同化还原,用于细胞物质合成,硝酸盐的异化还原：,厌氧呼吸中的产能方式,二、微生物的合成代谢,第四节 微生物的代谢,（一）无机养料的同化,3、 分子态氮的同化（生物固氮作用）,具备条件：固氮酶 电子供体 电子载体 能量,4、 硫酸盐的同化还原,无机硫酸盐 有机硫,硫酸盐的异化还原：,硫酸盐作为厌氧呼吸中的最终电子受体,二、微生物的合成代谢,第四节 微生物的代谢,（二）合成代谢产物类型,1、细胞结构物质,（ 蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸）,2、次生代谢产物,初级代谢,（,初级代谢产物）,与微生物的产能代谢和耗能代谢的有关的代谢类型（普遍存在）,糖类、核苷酸、脂肪酸、氨基酸及 它们的多聚体,二、微生物的合成代谢,次级代谢,（次生代谢产物）：,避免初级代谢过程中某种中间,产物积累造成的毒害的而产生的一类有利于生存的代谢类型。,第四节 微生物的代谢,二、微生物的合成代谢,（二）合成代谢产物类型,a. 维生素,b. 抗菌素 （青霉素、先锋霉素、链霉素、四环素、利福平等）,c. 激素,d. 毒素,e. 色素,第四节 微生物的代谢,二、微生物的合成代谢,（三）微生物合成代谢的生化过程,异养菌合成代谢分三层次进行：,第一层次：降解反应。（碳的骨架、能量）,多糖,单糖,小分子碳的化合物（C1-C7）（酶促）,第二层次：小分子合成反应（大分子合成的前提）,碳化合物,小分子（氨基酸、氨基已糖、核苷酸）（酶促）,第三层次：小分子合成大分子,（蛋白质、核酸、多糖）。,能量与代谢的关系,第四节 微生物的代谢,三、微生物能量的消耗,