环境工程微生物学-微生物的生理

1、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9/23/20221微生物学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、Mo1. 微生物的营养物质9/23/20222微生物学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

2、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。9/23/20223微生物学(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。 9/23/20224微生物学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(source of carbon)。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

3、力存在差异。(表3.1) 9/23/20225微生物学表3.1微生物利用的碳源物质种类碳源物质备注糖葡萄糖、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，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸糖酸、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pH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。醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油

4、等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利用。CO2CO2自养微生物可利用碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等其他芳香族化合物、氰化物蛋白质、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。9/23/20226微生物学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。9/23/20227微生物学1.2.2 氮源凡是可以被

5、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 (source of nitrogen)。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)。 9/23/20228微生物学表3.2 微生物利用的氮源物质种类氮源物质备注蛋白质类蛋白质及其不同程度降解产物(胨、肽、氨基酸等)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氨及铵盐NH3,(NH4)2SO4容易被微生物吸收利用硝酸盐KNO3等分子氮N2固氮菌可利用其他嘌呤、嘧啶

6、、脲、胺、酰胺、氰化物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，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氮源加以利用9/23/20229微生物学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。9/23/202210微生物学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

7、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9/23/202211微生物学1.2.4 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。9/23/202212微生物学表3.3 无机盐及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2

8、SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4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钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4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9/23/202213微生物学1.2.5 微量元素微量元素是指那

9、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10-6-10-8 mol/L (培养基)。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化。9/23/202214微生物学表3.4 微量元素与生理功能元素生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需9/23/202215微生物学1.3.6 生长因子(Growth factor)微生物生长所必

10、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)。9/23/202216微生物学表3.5 维生素及其在代谢中的作用 化合物代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核黄素(B2)黄素单磷酸(FMN)和

11、FAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素(B12)辅酶B12包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移9/23/202217微生物学生长因子的作用（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。9/23/202218微生物学1.2.7 水水是微

12、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。9/23/202219微生物学（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。9/23/202220微生物学水的有效性常以水活度值(water activity, 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

13、水蒸气压力之比，即wPwP0w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。9/23/202221微生物学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。9/23/202222微生物学表3.6 几类微生物生长最适w微生物w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.609/23/202223微生物学2.1 营养类型划分依据根据微生物

14、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9/23/202224微生物学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

15、菌属于该类型。9/23/202225微生物学（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。9/23/202226微生物学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： 9/23/202227微生物学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+

16、、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：9/23/202228微生物学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。9/23/202229微生物学微生物营养类型划分表3.7微生物营养类型()划分依据营养类型特点碳源自养型(autotrophs)以CO2为唯

17、一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源能源光能营养型(phototrophs)以光为能源化能营养型(chemotrophs)以有机物氧化释放的化学能为能源电子供体无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体9/23/202230微生物学表3.8 微生物的营养类型()营养类型电子供体碳源能源代表类群光能无机自养型H2、H2S、S、或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型H2、H2S、Fe2+、NH3、或NO-2CO2化学能(无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、

18、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌属、甲烷杆菌属、醋酸杆菌属化能有机异养型有机物有机物化学能(有机物氧化)假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物9/23/202231微生物学3.1 培养基的定义培养基 (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。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9/23/202232微生物学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

19、和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。9/23/202233微生物学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 (NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH灭菌条件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20min9/23/202234微生物学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 10g NaCl 5g H2O 1000ml高氏1号：淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3

20、1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml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：NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml9/23/202235微生物学（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

21、代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。9/23/202236微生物学碳氮比（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。9/23/202237微生物学（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：pH77.5；酵母菌和霉菌：pH4.56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

22、冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。9/23/202238微生物学水活度微生物一般在w为0.600.99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(redox potential)，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

23、时进行发酵。9/23/202239微生物学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消泡原料选择灭菌处理9/23/202240微生物学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9/23/202241微生物学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(complex medium) ； 非化学限定培养基(chemically undefined medium)。 (2)合成培养基(synthetic medium)(3)半合成培养基(semi-sy

24、nthetic medium)9/23/202242微生物学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(silica gel)。(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。9/23/202243微生物学表3.9 琼脂与明胶主要特征比较内容琼脂明胶常用浓度(%)1.52512熔点()9625凝固点()4020pH微酸酸性灰分(%)161415氧化钙(%)1.150氧化镁(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力绝大多

25、数微生物不能利用许多微生物能利用9/23/202244微生物学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。9/23/202245微生物学3.5.3 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

26、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。9/23/202246微生物学（3）鉴别培养基(differential medium) 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(selective medium) 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。9/23/202247微生物学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(permeability barrier) 4 营养物质进入细胞9/23/20224

27、8微生物学4.2 物质运输的机制Simple DiffusionTransport (Carrier) Proteins: Uniporter, Antiporter, Symporter.Passive Transport Active Transport Group Translocation 膜泡运输9/23/202249微生物学4.2.1 Simple Diffusion(自由扩散)Simple diffusion is the net movement of small molecules or ions from an area of higher concentration to

28、 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、脂肪酸、乙醇、甘油、O2、CO2及某些氨基酸。9/23/202250微生物学Simple Diffusi

29、on, Step 19/23/202251微生物学Simple Diffusion, Step 29/23/202252微生物学Transport (Carrier) Proteins: For the majority of substances a cell needs for metabolism to cross the cytoplasmic membrane, specific carrier proteins or transporters are required. There are three basic types of these transporter protein

30、s: uniporters, antiporters, and symporters. 9/23/202253微生物学UniportersUniporters are transport proteins that transports a substance from one side of the membrane to the other. Since no energy is required for this type of transport, it is known as passive transport. 9/23/202254微生物学Transport of Substan

31、ces Across a Membrane by Uniporters 9/23/202255微生物学AntiportersAntiporters 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.Since energy is required, this is know

32、n as active transport. The energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force 9/23/202256微生物学Transport of SubstancesAcross a Membrane by Antiporters 9/23/202257微生物学SymportersSymporters are transport proteins that simultaneously transport two substances across the membrane in the same

33、 direction. Since energy is required, this is known as active transport. The energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force. proton motive force9/23/202258微生物学Transport of Substances Across a Membrane by Symporters 9/23/202259微生物学4.2.2 Passive TransportThe transport of substances

34、 across a membrane by protein transporters (carrier proteins) from areas of higher concentration to lower concentration. No energy is required. Passive transport, also known as facilitated diffusion, is the transport of substances across the membrane by means uniporters.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

35、发生变化。 能加快物质运输的速度。9/23/202260微生物学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。9/23/202261微生物学4.2.3 Active TransportThe cell uses transporter proteins (carrier molecules, antiporters or symporters ) and energy fro

36、m a proton motive force or the breakdown of ATP to transport substances across a membrane against the concentration gradient. Active transport allows cells to accumulate needed substances even when the concentration is lower outside.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。9/23/202262微生物学Active TransportProton Mo

37、tive ForceA symporter transports protons (H+) and a substrate across the membrane. The movement of protons across the membrane (proton motive force) provides the energy.9/23/202263微生物学Active Transport of Substances Across a Membrane:The ATP-Binding Cassette Transport System The actual transport acro

38、ss the membrane is powered by the energy provided by the breakdown of ATP by an ATP-hydrolyzing protein . 9/23/202264微生物学4.2.4 Group TranslocationA special form of active transport that can occur in prokaryotes. A substance is chemically altered during transport across a membrane so that once inside

39、, the membrane becomes impermeable to that substance and it remains within the cell. 9/23/202265微生物学An example of group translocation in bacteria is the phosphotransferase system. A high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate (PEP) is transferred by a series of enzymes to glucose. The final

40、 enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across themembrane as glucose 6-phosphate .许多糖就是靠基团移位进行运输的。9/23/202266微生物学Active Transport of Substances Across a Membrane:Group TranslocationA high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate (PEP) is transferred by a series of enzymes t

41、o glucose.The final enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across the membrane as glucose 6-phosphate. 9/23/202267微生物学4.2.5 膜泡运输 (membrane vesicle transport)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

42、)。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。 9/23/202268微生物学9/23/202269微生物学ItemsPassive diffusionFacilitated diffusionActive transportGroup translocationcarrier proteins NonYesYesYestransport speedSlow Rapid Rapid Rapid against gradientNonNonYesYestransport moleculesNo specific

43、ity Specificity Specificity Specificity metabolic energy No needNo needNeedNeedSolutes moleculesNot changedChangedChangedChangedSimple comparison of transport systems9/23/202270微生物学四种运送营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团移位特异载体蛋白无有有有运送速度慢快快快溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等内外相等内部高内部高运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不

44、需要需要需要运送前后溶质分子不变不变不变改变载体饱和效应无有有有与溶质类似物无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂无有有有运送对象举例水、O2糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖嘌呤9/23/202271微生物学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 9/23/202272微生物学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。9/23/2022

45、73微生物学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。9/23/202274微生物学9/23/202275微生物学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

46、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。 9/23/202276微生物学微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图9/23/202277微生物学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

47、生物氧化来进行产能代谢。9/23/202278微生物学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。9/23/202279微生物学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。9/23/202280微生物学生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，主

48、要有四种：EMP途径HMP途径ED途径磷酸解酮酶途径9/23/202281微生物学（1）EMP途径(糖酵解途径) EMP途径(Embden-Meyerhof Pathway) 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。9/23/202282微生物学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。9/23/202283微生物学（2）HMP途径(磷酸戊糖途径，单磷

49、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.9/23/202284微生物学（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。9/23/202285微生物学（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

50、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。9/23/202286微生物学（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9/23/202287微生物学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(Zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌(Zymomonas anaerobia) 经ED途径分解葡萄糖

51、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。9/23/202288微生物学在不同条件下，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；9/23/202289微生物学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 (pH 7.6)时，两个乙醛分子间会发生歧化反应，分别生成乙醇和乙酸，

52、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。9/23/202290微生物学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。9/23/202291微生物学异型乳酸发酵：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(Leuconostoc mesenteroide

53、s) 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。9/23/202292微生物学双歧发酵：双歧发酵：两歧双歧杆菌(bifidobacterium bifidum)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。9/23/202293微生物学丙酸发酵许

54、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。9/23/202294微生物学 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。9/23/202295微生物学混合酸发酵某些肠杆菌能利用葡萄糖进行混合

55、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。9/23/202296微生物学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。9/2

56、3/202297微生物学呼吸作用：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。9/23/202298微生物学5.2.1.2 呼吸作用(respiration)（1）有氧呼吸(aerobic respiration)以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸。（2）无氧呼吸(anaerobic respiration)以氧化型化

57、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。 9/23/202299微生物学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(tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环)，被彻底氧化生成CO2和水，同时释放大量能量。9/23/2022100微生物学In prokaryotic cells the citric acid cycle occurs in the cytoplasm; in eukaryotic cells the citr

58、ic acid cycle takes place in the matrix of the mitochondria. The overall reaction for the citric acid cycle is: 2 acetyl groups + 6NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2 Pi = 4CO2 + 6NADH + 6 H+ + 2FADH2 + 2ATP9/23/2022101微生物学(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

59、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。9/23/2022102微生物学9/23/2022103微生物学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9/23/2022104微生物学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

60、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。9/23/2022105微生物学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。9/23/2022106微生物学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