环境工程微生物学-微生物的生理.ppt

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 第四章微生物的生理 2020 1 22 微生物学 2 1 1微生物细胞的化学组成包括有机物和无机物有机物包含各种大分子 如蛋白质 核酸 类脂和糖类等 占细胞干重99 无机成分包括小分子无机物和各种离子 占细胞干重1 大量元素 C H O N P S中微量元素 K Na Mg Ca Fe Mn Cu Co Zn Mo 1 微生物的营养物质 2020 1 22 微生物学 3 1 2微生物的营养物质 1 微生物的营养物质包含组成细胞的各种化学元素构成细胞物质的碳素来源 碳源物质构成细胞物质的氮素来源 氮源物质无机盐 K Na Mg Ca Fe Mn Cu Co Zn Mo等元素 2020 1 22 微生物学 4 2 微生物的营养物质及其生理功能微生物生长所需要的营养物质主要是以的有机物和无机物的形式提供的 小部分由气体物质供给 微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为 碳源 氮源 能源 无机盐 生长因子和水五大类 2020 1 22 微生物学 5 1 2 1碳源在微生物生长过程提供碳素来源的物质称为碳源 sourceofcarbon 从简单的无机含碳化合物如CO2和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源 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 表3 1 表3 1微生物利用的碳源物质 2020 1 22 微生物学 7 碳源的生理作用碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物 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能量 但有些以CO2为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是来自CO2 2020 1 22 微生物学 8 1 2 2氮源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氮源 sourceofnitrogen 能被微生物所利用的氮源物质 蛋白质及其各类降解产物 铵盐 硝酸盐 亚硝酸盐 分子态氮 嘌呤 嘧啶 脲 酰胺 氰化物 表3 2 表3 2微生物利用的氮源物质 2020 1 22 微生物学 10 氮源的生理作用合成细胞中含氮物质 少数情况下作能源物质 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 微生物对氮源的利用具有选择性 如玉米浆相对于豆饼粉 NH4 相对于NO3 为速效氮源 铵盐作为氮源时会导致培养基pH值下降 称为生理酸性盐 而以硝酸盐作为氮源时培养基pH值会升高 称为生理碱性盐 2020 1 22 微生物学 11 1 2 3能源物质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 能源谱化学物质有机物 化能异养微生物利用无机物 化能自养微生物利用辐射能光能自养和光能异养微生物 2020 1 22 微生物学 12 1 2 4无机盐无机盐 Inorganicsalt 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 2020 1 22 微生物学 14 1 2 5微量元素微量元素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 浓度在10 6 10 8mol L 培养基 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 2020 1 22 微生物学 16 1 3 6生长因子 Growthfactor 微生物生长所必需且需要量很小 但微生物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 根据生长因子的化学结构和在机体中的生理功能的不同 分为三类 1 维生素 vitamin 2 氨基酸 3 嘌呤与嘧啶 表3 5 表3 5维生素及其在代谢中的作用 2020 1 22 微生物学 18 生长因子的作用 1 维生素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 2 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 以及用来合成核苷 核苷酸和核酸 2020 1 22 微生物学 19 1 2 7水水是微生物生长所必不可少的 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 2020 1 22 微生物学 20 4 控制细胞温度 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速散发出体外 5 维持细胞正常形态 6 参与细胞组分合成 通过水合和脱水作用控制由多亚基组成的结构 如酶 微管 鞭毛及病毒颗粒的组装与解离 2020 1 22 微生物学 21 水的有效性常以水活度值 wateractivity w 表示 水活度值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 w Pw P0w式中Pw代表溶液蒸气压力 P0w代表纯水蒸气压力 纯水 w为1 00 溶液中溶质越多 w越小 2020 1 22 微生物学 22 水的有效性微生物一般在 w为0 60 0 99的条件下生长 w过低时 微生物生长的迟缓期延长 比生长速率和总生长量减少 微生物不同 其生长的最适 w也不同 一般而言 细菌生长最适 w较酵母菌和霉菌高 而嗜盐微生物生长最适 w则较低 表3 6几类微生物生长最适 w 2020 1 22 微生物学 24 2 1营养类型划分依据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 光能无机自养型 photolithoautotrophy 光能有机异养型 photoorganoheterophy 化能无机自养型 chemolithoautotrophy 化能有机异养型 chemoorganoheterotrophy 2微生物的营养类型 2020 1 22 微生物学 25 2 1 1光能无机自养型又称光能自养型 一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的微生物的营养类型能以无机物如水 硫化氢 硫代硫酸钠或其他无机化合物为电子供体 使CO2固定还原成细胞物质 并且伴随元素氧 硫 的释放 藻类 蓝细菌和光合细菌属于该类型 2020 1 22 微生物学 26 1 藻类和蓝细菌 与高等植物光合作用一致 2 光合细菌 光合细菌与高等植物不同 2020 1 22 微生物学 27 2 1 2光能有机异养型或称光能异养型 这类微生物不能以CO2作为唯一碳源或主要碳源 需以有机物作为供氢体 利用光能将CO2还原为细胞物质 光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源生长因子 红螺属的一些细菌是这一营养类型的代表 2020 1 22 微生物学 28 2 1 3化能无机自养型或称化能自养型 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 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 2020 1 22 微生物学 29 2 1 4化能有机异养型或称化能异养营养型 这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能 生长所需要的碳源主要是一些有机化合物 如淀粉 糖类 纤维素 有机酸等 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物质 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 腐生型 寄生型 微生物营养类型划分 表3 7微生物营养类型 表3 8微生物的营养类型 2020 1 22 微生物学 32 3 1培养基的定义培养基 culturemedium 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 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 2020 1 22 微生物学 33 3 2培养基组成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 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 2020 1 22 微生物学 34 3 3培养基的配制原则 1 目的明确根据不同微生物的营养要求配制相应的培养基 例 氧化硫硫杆菌培养基 2020 1 22 微生物学 35 常见的培养四大类微生物的培养基牛肉膏蛋白胨培养基 牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml高氏1号 淀粉20gK2HPO40 5gNaCl0 5gMgSO4 7H2O0 5gKNO31gFeSO40 01gH2O1000ml麦芽汁培养基 干麦芽粉加4倍水 在50 60 保温糖化3 4小时 用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pH为6 0 查氏合成培养基 NaNO33gK2HPO41gKCl0 5gMgSO4 7H2O0 5gFeSO40 01g蔗糖30gH2O1000ml 2020 1 22 微生物学 36 2 营养协调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 浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用 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 C N 的影响较大 2020 1 22 微生物学 37 碳氮比 C N 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蛋白之比 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4 1时 菌体量繁殖 谷氨酸积累少 当培养基碳氮比为3 1时 菌体繁殖受到抑制 谷氨酸产量则大量增加 2020 1 22 微生物学 38 3 理化条件适宜pH培养基pH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 通常培养条件 细菌与放线菌 pH7 7 5 酵母菌和霉菌 pH4 5 6范围内生长 为了维持培养基pH的相对恒定 通常在培养基中加入pH缓冲剂 或在进行工业发酵时补加酸 碱 2020 1 22 微生物学 39 水活度微生物一般在 w为0 60 0 99的条件下生长 w过低时 微生物生长的迟缓期延长 比生长速率和总生长量减少 微生物不同 其生长的最适 w不同 氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势 redoxpotential 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的一种指标 其单位是V 伏 或mV 毫伏 不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同 好氧性微生物 0 1伏以上时可正常生长 以 0 3 0 4伏为宜厌氧性微生物 低于 0 1伏条件下生长 兼性厌氧微生物 0 1伏以上时进行好氧呼吸 0 1伏以下时进行发酵 2020 1 22 微生物学 40 配制培养基的原则经济节约以粗代精以野代家以废代好以简代繁以氮代朊以纤代糖以烃代粮以国代进 2020 1 22 微生物学 41 3 4培养基配制方法生态模拟查阅文献科学设计试验比较 2020 1 22 微生物学 42 3 5培养基的类型及应用培养基种类繁多 根据其成分 物理状态和用途可将培养分成多种类型 3 5 1按成分不同划分 1 天然培养基 complexmedium 非化学限定培养基 chemicallyundefinedmedium 2 合成培养基 syntheticmedium 3 半合成培养基 semi syntheticmedium 2020 1 22 微生物学 43 3 5 2根据物理状态划分根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少 可将培养基划分为固体培养基 半固体培养基和液体培养基三种类型 凝固剂常用的凝固剂有琼脂 agar 明胶 gelatain 和硅胶 silicagel 表3 9 琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的胶体多糖 表3 9琼脂与明胶主要特征比较 2020 1 22 微生物学 45 理想凝固剂的特点 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 在培养嗜热细菌时 凝固剂凝固点温度不能太低 否则将不利于微生物的生长 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 透明度好 粘着力强 配制方便且价格低廉 2020 1 22 微生物学 46 3 5 3按用途划分 1 基础培养基 minimummedium 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 enrichmentmedium 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 2020 1 22 微生物学 47 3 鉴别培养基 differentialmedium 是用于鉴别不同类型微生物的培养基 微生物产生某种代谢产物 与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应 产生明显的特征变化 4 选择培养基 selectivemedium 是用来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 2020 1 22 微生物学 48 4 1影响营养物质进入细胞的因素营养物质本身性质微生物所处环境微生物细胞的透过屏障 permeabilitybarrier 4营养物质进入细胞 2020 1 22 微生物学 49 4 2物质运输的机制SimpleDiffusionTransport Carrier Proteins Uniporter Antiporter Symporter PassiveTransportActiveTransportGroupTranslocation膜泡运输 2020 1 22 微生物学 50 4 2 1SimpleDiffusion 自由扩散 Simplediffusionisthenetmovementofsmallmoleculesorionsfromanareaofhigherconcentrationtoanareaoflowerconcentration Diffusionispoweredbythepotentialenergyofaconcentrationgradientanddoesnotrequiretheexpenditureofmetabolicenergy Examplesincludethetransportofoxygenandcarbondioxideintoandoutofcells 水 脂肪酸 乙醇 甘油 O2 CO2及某些氨基酸 2020 1 22 微生物学 51 SimpleDiffusion Step1 2020 1 22 微生物学 52 SimpleDiffusion Step2 2020 1 22 微生物学 53 Transport Carrier Proteins Forthemajorityofsubstancesacellneedsformetabolismtocrossthecytoplasmicmembrane specificcarrierproteinsortransportersarerequired Therearethreebasictypesofthesetransporterproteins uniporters antiporters andsymporters 2020 1 22 微生物学 54 UniportersUniportersaretransportproteinsthattransportsasubstancefromonesideofthemembranetotheother Sincenoenergyisrequiredforthistypeoftransport itisknownaspassivetransport TransportofSubstancesAcrossaMembranebyUniporters 2020 1 22 微生物学 56 AntiportersAntiportersaretransportproteinsthattransportonesubstancesacrossthemembraneinonedirectionwhilesimultaneouslytransportinganothersubstanceacrossthemembraneintheoppositedirection Sinceenergyisrequired thisisknownasactivetransport TheenergycomesfromthebreakdownofATPorfromprotonmotiveforce TransportofSubstancesAcrossaMembranebyAntiporters 2020 1 22 微生物学 58 SymportersSymportersaretransportproteinsthatsimultaneouslytransporttwosubstancesacrossthemembraneinthesamedirection Sinceenergyisrequired thisisknownasactivetransport TheenergycomesfromthebreakdownofATPorfromprotonmotiveforce protonmotiveforce TransportofSubstancesAcrossaMembranebySymporters 2020 1 22 微生物学 60 4 2 2PassiveTransportThetransportofsubstancesacrossamembranebyproteintransporters carrierproteins fromareasofhigherconcentrationtolowerconcentration Noenergyisrequired Passivetransport alsoknownasfacilitateddiffusion isthetransportofsubstancesacrossthemembranebymeansuniporters 膜载体 载体蛋白 特点有很强的特异性在运输过程中 本身不发生变化 能加快物质运输的速度 PassiveTransportofSubstancesAcrossaMembrane 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 2020 1 22 微生物学 62 4 2 3ActiveTransportThecellusestransporterproteins carriermolecules antiportersorsymporters andenergyfromaprotonmotiveforceorthebreakdownofATPtotransportsubstancesacrossamembraneagainsttheconcentrationgradient Activetransportallowscellstoaccumulateneededsubstancesevenwhentheconcentrationisloweroutside 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 ActiveTransportProtonMotiveForce Asymportertransportsprotons H andasubstrateacrossthemembrane Themovementofprotonsacrossthemembrane protonmotiveforce providestheenergy ActiveTransportofSubstancesAcrossaMembrane TheATP BindingCassetteTransportSystem TheactualtransportacrossthemembraneispoweredbytheenergyprovidedbythebreakdownofATPbyanATP hydrolyzingprotein 2020 1 22 微生物学 65 4 2 4GroupTranslocationAspecialformofactivetransportthatcanoccurinprokaryotes Asubstanceischemicallyalteredduringtransportacrossamembranesothatonceinside themembranebecomesimpermeabletothatsubstanceanditremainswithinthecell 2020 1 22 微生物学 66 Anexampleofgrouptranslocationinbacteriaisthephosphotransferasesystem Ahigh energyphosphategroupfromphosphoenolpyruvate PEP istransferredbyaseriesofenzymestoglucose Thefinalenzymebothphosphorylatestheglucoseandtransportsitacrossthemembraneasglucose6 phosphate 许多糖就是靠基团移位进行运输的 ActiveTransportofSubstancesAcrossaMembrane GroupTranslocation Ahigh energyphosphategroupfromphosphoenolpyruvate PEP istransferredbyaseriesofenzymestoglucose Thefinalenzymebothphosphorylatestheglucoseandtransportsitacrossthemembraneasglucose6 phosphate 2020 1 22 微生物学 68 4 2 5膜泡运输 membranevesicletransport 主要存在于原生动物特别是变形虫 amoeba 中 是这类微生物的一种营养物质的运输方式 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胞吞作用 phaaocytosis 如果膜泡中包含的是液体 则称之为胞饮作用 pinocytosis 通过胞吞作用 或胞饮作用 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 膜泡迅速形成期 附着膜泡形成期和膜泡释放期 2020 1 22 微生物学 69 Simplecomparisonoftransportsystems 四种运送营养物质方式的比较 2020 1 22 微生物学 72 5微生物的产能代谢代谢概论生物氧化异养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化能量转换生物合成 2020 1 22 微生物学 73 5 1代谢概论代谢 metabolism 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 2020 1 22 微生物学 74 分解代谢的三个阶段 1 第一阶段是将蛋白质 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 2 第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A 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ATP NADH及FADH2 3 第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2 并产生ATP NADH及FADH2 第二和第三阶段产生的ATP NADH及FADH2通过电子传递链被氧化 可产生大量的ATP 2020 1 22 微生物学 76 5 1 2合成代谢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 合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境 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 这些能量用于合成代谢 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 微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图 2020 1 22 微生物学 78 5 2生物氧化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过程 这个过程也称为生物氧化 是一个产能代谢过程 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的 异养微生物利用有机物 自养微生物则利用无机物 通过生物氧化来进行产能代谢 2020 1 22 微生物学 79 5 2 1异养微生物的生物氧化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发酵和呼吸两种类型 而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式 2020 1 22 微生物学 80 5 2 1 1发酵作用 fermentation 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 同时释放能量并产生各种不同的代谢产物 发酵的种类有很多 可发酵的底物有糖类 有机酸 氨基酸等 其中以微生物发酵葡萄糖最为重要 2020 1 22 微生物学 81 生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解 glycolysis 主要有四种 EMP途径HMP途径ED途径磷酸解酮酶途径 2020 1 22 微生物学 82 1 EMP途径 糖酵解途径 EMP途径 Embden MeyerhofPathway 又称为糖酵解途径 大致分为两个阶段 第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段 只是生成两分子的主要中间代谢产物 甘油醛 3 磷酸 第二阶段发生氧化还原反应 合成ATP并形成两分子的丙酮酸 2020 1 22 微生物学 83 EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH 其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架 并在一定条件下可逆转合成多糖 2020 1 22 微生物学 84 2 HMP途径 磷酸戊糖途径 单磷酸己糖途径 磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段 一个HMP途径循环的结果为 一般认为HMP途径不是产能途径 而是为生物合成提供大量的还原力 NADPH 和中间代谢产物 多数微生物中具有HMP途径 2020 1 22 微生物学 85 3 ED途径一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮酸 一分子ATP 一分子NADPH和NADH ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在 但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言 ED途径不如EMP途径经济 在G 细菌中分布广泛 2020 1 22 微生物学 86 4 磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径 该途径的特征性酶是磷酸解酮酶 根据解酮酶的不同 具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径 具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径 2020 1 22 微生物学 87 5 丙酮酸代谢的多样性在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢 在无氧条件下 不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物 乙醇发酵乳酸发酵丙酸发酵丁酸发酵混合酸发酵 2020 1 22 微生物学 88 乙醇发酵多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇 能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌 根霉 曲霉和某些细菌 不同细菌乙醇发酵途径各不相同 运动发酵单胞菌 Zymomonasmobilis 和厌氧发酵单胞菌 Zymomonasanaerobia 经ED途径分解葡萄糖为丙酮酸 最后得到乙醇 生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌如胃八叠球菌和肠杆菌利用EMP途径进行乙醇发酵 2020 1 22 微生物学 89 在不同条件下 酵母菌发酵葡萄糖的产物分为三种类型 乙醇发酵 酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸 然后丙酮酸脱羧生成乙醛 乙醛作为氢受体使NAD 再生 发酵终产物为乙醇 这种发酵类型称为酵母的一型发酵 2020 1 22 微生物学 90 当环境中存在亚硫酸氢钠时 乙醛不能作为NADH的受氢体 迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体 生成a 磷酸甘油 再生成甘油 称为酵母的二型发酵 在弱碱性 pH7 6 时 两个乙醛分子间会发生歧化反应 分别生成乙醇和乙酸 氢受体则是磷酸二羟丙酮 发酵终产物为甘油 乙醇和乙酸 称为酵母的三型发酵 这种发酵方式不能产生能量 只能在非生长的情况下才进行 2020 1 22 微生物学 91 乳酸发酵许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸 这类细菌称为乳酸细菌 根据产物的不同 乳酸发酵有三种类型 同型乳酸发酵 异型乳酸发酵和双歧发酵 同型乳酸发酵 葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸 丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸 由于终产物只有乳酸一种 故称为同型乳酸发酵 2020 1 22 微生物学 92 异型乳酸发酵 葡萄糖首先经PK途径分解 发酵终产物除乳酸外还有部分乙醇或乙酸 肠膜明串珠菌 Leuconostocmesenteroides 利用HK途径分解葡萄糖 产生甘油醛 3 磷酸和乙酰磷酸 其中甘油醛 3 磷酸进一步转化为乳酸 乙酰磷酸经两次还原变为乙醇 当发酵戊糖时 则是利用PK途径 磷酸解酮糖酶催化木酮糖 5 磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛 3 磷酸 2020 1 22 微生物学 93 双歧发酵 双歧发酵 两歧双歧杆菌 bifidobacteriumbifidum 发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径 此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应 即果糖 6 磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖 5 磷酸磷酸酮糖酶分别催化果糖 6 磷酸和木酮糖 5 磷酸裂解产生乙酰磷酸和丁糖 4 磷酸及甘油醛 3 磷酸和乙酰磷酸 2020 1 22 微生物学 94 丙酸发酵许多厌氧菌可进行丙酸发酵 葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后 再被转化为丙酸 少数丙酸细菌还能将乳酸 或利用葡萄糖分解而产生的乳酸 转变为丙酸 2020 1 22 微生物学 95 丁酸发酵某些专性厌氧菌 如梭菌属 Clostridium 丁酸弧菌属 Butyrivibrio 真杆菌属 Eubacterium和梭杆菌属 Fusobacterium 能进行丁酸与丙酮 丁醇发酵 发酵过程中 葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸 接着在丙酮酸 铁氧还蛋白酶的参与下 将丙酮酸转化为乙酰辅酶A 乙酰辅酶A再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮 2020 1 22 微生物学 96 混合酸发酵某些肠杆菌能利用葡萄糖进行混合酸发酵 葡萄糖先经EMP途径分解为丙酮酸 然后由不同酶系将丙酮酸转化成不同产物 如乳酸 乙酸 甲酸 乙醇 CO2和氢气 还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸 有的则将丙酮酸转变成乙酰乳酸 乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇 发酵终产物还有甲酸 乳酸 乙醇等 2020 1 22 微生物学 97 葡萄糖分子在没有外源电子受体的代谢过程中 底物中所具有的能量只有一小部分被释放出来 并合成少量ATP 原因有两个 一是底物的碳原子只被部分氧化 二是初始电子供体和最终电子受体的还原电势相差不大 如果有氧或其他外源电子受体存在时 底物分子可被完全氧化为CO2 且在此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程 2020 1 22 微生物学 98 呼吸作用 微生物在降解底物的过程中 将释放出的电子交给NAD P FAD或FMN等电子载体 再经电子传递系统传给外源电子受体 从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程 称为呼吸作用 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于 电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物 而是交给电子传递系统 逐步释放出能量后再交给最终电子受体 2020 1 22 微生物学 99 5 2 1 2呼吸作用 respiration 1 有氧呼吸 aerobicrespiration 以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸 2 无氧呼吸 anaerobicrespiration 以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸 能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物 脂肪酸和许多醇类 2020 1 22 微生物学 100 TCA循环在发酵过程中 葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物 而在有氧呼吸过程中 丙酮酸进入三羧酸循环 tricarboxylicacidcycle 简称TCA循环 被彻底氧化生成CO2和水 同时释放大量能量 2020 1 22 微生物学 101 Inprokaryoticcellsthecitricacidcycleoccursinthecytoplasm ineukaryoticcellsthecitricacidcycletakesplaceinthematrixofthemitochondria Theoverallreactionforthecitricacidcycleis 2acetylgroups 6NAD 2FAD 2ADP 2Pi 4CO2 6NADH 6H 2FADH2 2ATP 2020 1 22 微生物学 102 2 无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下 将电子传递给NO3 NO2 SO42 CO2等氧化物类最终电子受体产生能量 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 部分能量随电子转移传给最终电子受体 生成的能量不如有氧呼吸产生的多 2020 1 22 微生物学 104 5 2 2自养微生物的生物氧化一些微生物从氧化无机物获得能量 同化合成细胞物质 这类细菌称为化能自养微生物 它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP 氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化 2020 1 22 微生物学 105 5 2 2 1氨的氧化NH3和NO2 是可以用作能源的最普通的无机氮化合物 能被硝化细菌所氧化 硝化细菌可分为两个亚群 亚硝化细菌和硝化细菌 氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段 先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸 再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸 氨氧化为硝酸通过上述两类细菌依次进行的 2020 1 22 微生物学 106 硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌 以分子氧为最终电子受体 大多数是专性无机营养型 其细胞具有复杂的膜内褶结构 有利于增加细胞的代谢能力 硝化细菌无芽孢 多数为二分裂殖 生长缓慢 平均代时在10h以上 分布非常广泛 2020 1 22 微生物学 107 5 2 2 2硫的氧化硫杆菌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 H2S首先被氧化成元素硫 随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐 放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP 2020 1 22 微生物学 108 亚硫酸盐的氧化可分为两条途径 一是直接氧化成SO42 的途径 由亚硫酸盐 细胞色素c还原酶和末端细胞色素系统催化 产生一个ATP 二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径 每氧化一分子SO32 产生2 5个ATP 2020 1 22 微生物学 109 5 2 2 3铁的氧化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 亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌 Thiobacillusferrooxidans 中进行了较为详细的研究 在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长 2020 1 22 微生物学 110 在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质 rusticyanin 它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链 在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗 从而驱动ATP的合成 2020 1 22 微生物学 111 5 2 2 4氢的氧化氢细菌是革兰氏阴性兼性化能自养菌 氧化分