1、微生物生理第五六章 微生物生理第一节 微生物的营养 微生物细胞的元素组成：C、H、O、N、P、S、矿质元素，等，P93表51 微生物细胞的物质组成：大分子有机物：蛋白质、糖类、脂类、核酸小分子有机物：氨基酸、单糖、双糖、寡糖、核苷酸、脂肪酸、维生素、碱基无机物：无机盐、水（约8090）等 营养（nutrition）：生物生长发育中，不断从外界环境吸收物质（营养物质）并加以利用，用于构建细胞物质或获取能量的过程 营养物质：生物从环境中吸收的有用物质，包括结构物质、能源物质、代谢调节物质 微生物营养多样性:不同微生物利用不同的营养物质；一种微生物利用多种营养物质一、 微生物的五种营养(nutrit
2、ion)要素（营养需求）及其生理功能（一）碳源(carbon source)凡能构成微生物细胞或代谢产物中碳架来源的营养物质都称为碳源 。1 碳源功能 构成细胞及代谢产物的骨架 是大多数微生物代谢所需的能量来源 2 碳源种类 无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用 有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物 实验室常用：葡萄糖、果糖、蔗糖（二）氮源(nitrogen source)凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源。1 氮源功能 N来源；氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐、亚硝酸盐作氮源,同时也作能源2 氮源种类 分子态氮：固氮微生物以分子
3、氮为唯一氮源 无机态氮：铵盐几乎所有微生物能利用，硝酸盐 有机态氮：蛋白质及其降解产物a速性（效）氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源 b迟性（效）氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。 （三）无机盐（mineral salts） 1 无机盐功能 构成微生物细胞的组成成分 调解微生物细胞的渗透压， pH值和氧化还原电 位 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂 2 无机盐种类 Ca、K 、Mg、Fe为大量元素，以无机盐阳离子形式被吸收，配培养基进要加磷酸盐、硫酸盐。 Zn、Ca、Mn、Co、Mo等微量元素，
4、在微生物培养中有0.1PPM就可以了，多数存在于其它原料中，不需另加。（四）水水的作用是多方面的： 是细胞中生化反应的良好介质，营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能参与细胞代谢 维持细胞的膨压（控制细胞形态）（五）生长因子（growth factor）某些微生物不能合成且生长不可缺少的微量小分子有机物质叫生长因子。1 维生素有的微生物自己不能合成某些维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。 2 氨基酸有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养
5、基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。3 碱基 嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。 有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。二、微生物的营养类型（一）自养微生物可以完全在无机环境中生存，以CO2、碳酸盐为碳源，以铵盐和硝酸盐为氮源来合成细胞质的微生物称为自养微生物。1 光能自养微生物（光能无机营养型）可在完全无机的环境中生长，以CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。H2OCO2(CH
6、2O)O22H2SCO2(CH2O)H2O2S Na2S2O3+2 CO2H2O(CH2O) +Na2SO4+H2SO42 化能自养微生物 在完全无机的环境中生长发育，以无机化合物氧化为时释放的能量为能源，以CO2或碳盐为碳源，合成细胞物质的微生物叫化能自养微生物。 这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。（二）异养微生物（有机营养型）以含碳有机物为碳源，含氮有机物或无机物为氮源，合成细胞物质，称为异养微生物。1 光能异养微生物 这类微生物具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞物质的微生物，称光能异养微生物。 光能异养微
7、生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机废水，这对处理污水、净化环境，很有发展前途。2 化能异养微生物（化能有机营养型） 微生物的主要营养类型 这类微生物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为能源。这类微生物称为化能异养微生物。 由于栖息场所和摄取养料方式不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类:腐生型：从无生命的有机物获得营养物质。寄生型：从活的寄生体内获取营养物质中间类型（兼性腐生或兼性寄生）：如结核杆 地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。（三）微生物的营养类型特例以上四种营养类型划分不是
8、绝对的 红螺菌既可利用光能，也可利用化能（黑暗） 氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型） 自养与异养的区别不在于能否利用CO2，而在于是否以CO2式.碳酸盐为唯一的碳源。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。三、营养物质的吸收（一）质膜的选择透性： 某些水溶性小分子如水、某些盐可自由扩散 脂溶性小分子可溶解进入 其它小分子需要细胞的主动作用，许多酶参与并消耗能量才能进入 大分子物质需要先在细胞外经胞外酶分解分解成小分子物质，再按以上方式进入（二）营养物质进入细胞的方式1 单纯扩散(simple diffusion) 一些小分子，如水、某些无机离子
9、物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差（顺浓度梯度） 这种运输方式不消耗能量 没有特异性，被运输物质不与膜上物质发生任何化学反应2 促进扩散(facilitated diffusion) 细胞膜上的载体蛋白参与扩散，其它同单纯扩散 载体蛋白在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。促进扩散特点: 物质运输动力是细胞外的浓度差（顺浓度梯度） 运输过程不消耗能量 速度加快 有载体蛋白参加，载体蛋白（渗透酶） 有特异性3 主动运输 被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内 要消耗能量，必需有能量参加。 有膜载体参
10、加，膜载体发生构型变化 被运送物质不发生化学变化。4 基团移位(group translocation) 运输过程中需要能量，可逆浓度梯度运输 被运输的物质发生化学变化 这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物质的 基团转位运输特点： 需要磷酸酶系统进行催化 被运输的物质发生化学变化，被磷酸化 需要能量四、微生物对环境中大分子物质的分解利用 微生物细胞不能直接吸收大分子有机物质，必须先向环境中分泌水解酶类（胞外酶），把大分子分解成小分子物质，再加以吸收利用不同微生物具有不同优势胞外酶五、培养基 (Medium)由人工配制供微生物生长繁殖或积累代谢产物所用的营养物质混合物叫营养基（一）
11、配制培养基的原则1 要适合微生物的营养特点： 微生物种类、营养类型、腐生或寄生 实验室常用培养基：细菌用牛肉膏蛋白胨培养基；酵母菌用麦芽汁培养基；放线菌用高氏培养基、霉菌用查氏培养基等2 使营养物质浓度适宜、配比得当 浓度：一般不宜高浓度，高渗抑菌 配比：主要考虑C/N，尤其要考虑充分利用N源，实验室一般为2：13 要有适当的pH值 不同微生物尤其最适生长pH值 要考虑培养过程中微生物代谢产物对pH值的改变4 要根据培养目的配制 需要菌体，N源适当提高，利于蛋白质合成 如需要代谢产物，则适当增加前体物质5 经济原则原料价廉、来源广、易制（二）培养基的类型及应用1 根据微生物的种类 细菌培养基
12、放线菌培养基 霉菌培养基 酵母培养基 2 按培养基的成分 合成培养基：由化学成分清楚的化学试剂配制 半合成培养基：利用一些化学成分不清楚或不恒定的物质配置 天然培养基：用天然有机物质配制3 按培养基的物理状态 固体培养基 ：加1.82.0%琼脂等 半固体培养基 ：加0.30.5%琼脂等 液体培养基: 不加凝固剂固体培养基:琼脂固体培养基 明胶培养基硅胶固体培养基天然固体基质琼脂固体培养基（加1.52.0%)： 琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的胶体多糖。 琼脂的化学成分主要为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96，凝固点是4050。 琼脂培养基可反复溶化凝固而不变性质。 绝大多数微生物不水解琼脂。
13、液体培养基不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。另外，病毒与立克氏体，衣原体不活细胞专性寄生微生物，常用鸡胚培养法和动物培养法进行培养。4 按培养的特殊用途分 基本培养基：根据大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称为基本培养基。使用时再根据需要加入其它成分 加富培养基是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取物，用来培养要求较苛刻的某些异养微生物，如支原体。 选择培养基：根据某些微生物的特殊营养需求配制；或在培养基制加入一些抑制非目的菌的试剂，如某些抗生素，达到使目的菌良好生长而其它微生物受抑制的选择效果 鉴别培
14、养基 ：在培养基制加入某种试剂，它能与某些微生物的代谢产物反应而显色、产生沉淀等，从而达到鉴别微生物的作用（三）动物培养和组织培养 细胞内寄生物、病原微生物 动物培养：实验动物、鸡胚 组织培养：组织快、细胞系、寄生细菌第二节 微生物的代谢一、代谢概论代谢(metabolism)是生物体所发生的各种化学反应的总称。（一）分解代谢（catabolism）分解代谢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。（二）合成代谢（anabolism） 合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。 合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境
15、中的小分子营养物质。（三）酶（Enzyme） 酶、酶的组成、简单酶、复合酶（全酶） 专一性、高效性、受调节性 组成酶：细胞随时需要的、不停地产生的酶 诱导酶：在诱导物（前体及其类似物）存在时才产生地酶。二、微生物产能代谢生物氧化：氧化磷酸化光合作用：光合磷酸化（一）能源(energy source )1 能源功能为微生物提供细胞所需能能量。2 能源的种类 光能：光合微生物通过光合作用把太阳光能转化为生物能 化学能：无机或机化合物氧化产能，转化为生物能。如有机碳源、某些无机化合物( 二）异养微生物的生物氧化1 发酵（fermentation） 发酵是指微生物细胞（在厌氧条件下）将较高分子量有机物
16、氧化成较低分子量有机物，释放的高能电子H直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物（有机物），同时释放能量并产生各种不同的代谢产物 结果：积累小分子有机物，产生少量能量。如一分子葡萄糖经糖酵解途径（EMP）可积累2分子丙酮酸，产生2 ATP和2个H. 不同微生物把丙酮酸和H进一步转化为各种产物如乙醇、乳酸等糖酵解途径（EMP）(Embden-Meyerhof pathway）（图示并讲解）各类 发酵与人类生活（发酵小结）：发酵的工业概念: 在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。 微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间
17、代谢产物而被微生物利用。根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的 人发酵类型，以下几种发酵最重要/研究得最清楚：乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丙酮丁醇发酵A 酵母菌乙醇发酵由EMP途径中丙酮酸出发参与微生物：酵母菌 2丙酮酸2乙醛2乙醇C6H12O62C2H5OH2CO22ATP乙醇发酵特点发酵基质氧化不彻底，发酵产物仍为有机物 （积累小分子有机物）产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。B乳酸发酵 两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶,渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳
18、酸发酵进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等 同型乳酸发酵在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。反应式：C6H12O6+2ADP+Pi2C3H6O3+2ATP异型乳酸发酵（通过HMP途径）发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵结果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。 混合酸发酵 某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多种代谢产物。 由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。 大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。2 呼吸作用有机物彻底氧化，产生较
19、多ATP；H经电子传递链（呼吸链）传给电子受体根据反应中H受体不同分为两种类型：有氧呼吸无氧呼吸有氧呼吸（aerobic respiration）C6H12O6+ 38ADP +6O2=6CO2+6H2O38ATP除糖酵解过程外，还包括三羧循还和电子传递链两部分反应发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸三羧酸循环（TCA)有氧呼吸电子传递链：有氧呼吸特点基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如醋酸发酵）产能量多，一分子G净产38个ATP2 无氧呼吸/厌氧呼吸（anaerobic respiration ） 以O2以外的无机物为最终H受体的生物氧化过程 硝酸盐
20、呼吸（反硝化作用） 碳酸盐呼吸 硫酸盐呼吸 硫酸盐呼吸（反硫化作用）有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。SO428H 4H2OS2 碳酸盐呼吸（甲烷生成作用） 甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。CO2+4H2CH4+2H2O+ATP（三）以呼吸类型不同对微生物进行分类 好氧微生物：需O2，行有氧呼吸，液体培养时需通气 厌氧微生物：不需O2, 行无氧呼吸或发酵 专性厌氧：O2有害，如产甲烷杆菌；耐气性厌氧：O2无害
21、无用，如乳酸杆菌 兼性厌氧微生物：有O2时行有氧呼吸，无氧时行发酵，如酵母菌 巴斯德效应：向发酵葡萄糖的酵母菌悬液中通入空气(O2)，发酵过程减慢，乙醇产生停止，葡萄糖消耗减慢（利用率提高）。分子氧对发酵的这种抑制作用叫巴斯德效应巴斯德效应对实践的指导意义：生产乙醇、啤酒时，隔绝空气(O2)，使单位原料产生更多发酵产物，并加快原料转化。一般是前期通气，产生一定量的菌体，中后期不通气，利于乙醇发酵需要菌体时，需通气培养，以利于单位原料产生更多菌体（四）自养微生物的生物氧化 无机物氧化产能1 硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）2 硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）（五）光合作用光合磷酸化产O2光合作用：蓝
22、细菌不产O2光合作用：光合细菌四、耗能代谢（一）细胞物质的合成生物固氮CO2的同化糖类的合成氨基酸的合成生物固氮（biological nitrogen fixation）（二）其他耗能反应运动运输发光五、次级代谢及其产物初级代谢：维持细胞生命活动必须的代谢活动次级代谢：某些微生物在一定生长时期出现的一类代谢，可能是细胞生命活动非必需的次级代谢产物：抗生素、色素、毒素等六、微生物代谢产物的利用菌体物质：菌体蛋白质（单细胞蛋白，SCP）、菌体维生素等胞外酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶代谢副产物：如乙醇、乳酸，分泌出来代谢中间产物：一般不积累，可以人工阻断或诱变产生缺陷型，可以积累并分泌某些中间产物思考题1 酶是什么，有和特点？2 什么是胞外酶？主要胞外酶有哪些？3 微生物需要哪些营养物质？各有什么功能？4 试述培养基及其类型5 营养物质是如何进入细胞的?6 试述巴斯德效应及其原理，对发酵有何指导作用？7 葡萄糖经糖酵解途径在好氧条件下是如何氧化彻底的？产能结果如何？8 试述培养基配制原则9 以能源、碳源不同，可把微生物分为哪几类？10 试述培养基的主要类型及其特点、应用范围11 名词解释：初级代谢、次级代谢、好氧微生物、厌氧微生物、兼性厌氧微生物、生长因子、鉴别培养基、选择培养基
