五微生物营养

五微生物营养第1页/共113页第一节微生物的营养

在微生物生命活动中，须不断与外界环境进行物质交换才能维持正常的生长繁殖。微生物从环境中吸收的，能够满足其生长繁殖和进行各种生理活动所需要的物质，称为营养物质(Nutrient)；微生物吸收和利用营养物质的过程称为营养(Nutrition)。

二、营养物质

三、微生物的营养类型

一、微生物细胞的化学组成

牛牛文库文档分享第2页/共113页一、微生物细胞的化学组成

微生物细胞水：70%-90%干物质无机盐有机物蛋白质、糖、脂、核酸、

维生素等及其降解产物细菌：75~85%，芽孢：55~60%酵母菌：70~85%丝状真菌：85~90%，孢子：39%微生物细胞的元素组成：主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙等；微量元素：铁、锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

牛牛文库文档分享第3页/共113页二、营养物质微生物细胞的化学组成与其它生物相似，由C、H、O、N、和K、Ca、P、S等大量元素及微量元素（Mn、B、Fe、Zn）所组成的有机或无机物构成，这些物质主要由以下六大类营养物质提供：

1.碳源

2.氮源

3.能源4.生长因素5.无机盐6.水

营养物质的类型

牛牛文库文档分享第4页/共113页1、碳源

微生物所能利用的碳源范围是很宽的，从简单的无机物如：CO、CO2到复杂的含碳有机化合物都能作为微生物的碳源。有机碳源可为化能有机营养型微生物细胞提供碳骨架和能源，化能无机营养型微生物一般只能以CO2作为碳源。碳

源糖类单糖寡糖多糖葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖等麦芽糖、蔗糖、乳糖、棉子糖等淀粉、糖原、纤维素、几丁质等有机酸甲酸、乙酸、柠檬酸、乳酸等醇甲醇、乙醇、甘露醇、甘油等醛有机碳源无机碳源甲醛、乙醛等其他脂肪、氨基酸、烃类、CH4等CO32-、CO2、CO化能有机营养型化能无机营养型和少

数化能有机营养型

牛牛文库文档分享第5页/共113页2、氮源

主要提供微生物氮素营养来源，有的氮源也可作为某些微生物的能源。从分子态氮、无机氮化物到复杂的含氮有机物均可被微生物利用，但不同的微生物所能利用的氮源各异。根据微生物对氮源利用的差异，可以将微生物分为三种类型：固氮微生物

氨基酸自养型微生物

氨基酸异养型微生物

牛牛文库文档分享第6页/共113页3、能源指能为微生物的生命活动提供最初的能量来源的营养物质或辐射能。微生物所需的能源谱比较简单：化能异养微生物的能源（同碳源）

能

源

谱

化合物

光能

有机物

无机物

化能自养微生物的能源（不同于碳源）

光合型微生物的能源

自养型微生物（如硝酸盐细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等）的能源物质都是一些还原态的无机物，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。

牛牛文库文档分享第7页/共113页4、生长因素（Growthfactor)是指一类需要量极少，但对微生物正常代谢必不可少，而微生物又不能由简单有机物自行合成的物质。包括维生素、氨基酸、核苷等有机物。

牛牛文库文档分享第8页/共113页5、无机盐微生物需要的无机盐可以分为主要元素（大量元素）和微量元素两大类。（1）主要元素包括P、K、Ca、Mg、S、Na等六种，这些元素分别参与细胞结构物质的组成、能量转移、物质代谢以及调节细胞原生质的胶体状态和细胞透性等。

（2）微量元素

包括Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Co等。这些元素多是辅酶和辅基的元素成分或酶的激活剂。微生物对于微量元素的需要量极少，自来水和其它营养成分中的含量即可满足需要。微量元素过多反而对微生物产生毒害作用。

牛牛文库文档分享第9页/共113页6、水

水是一切生命必需的营养成分，离开了水，微生物和其它生物均不能生长。水作为许多营养物质的溶剂，对于保持细胞正常的胶体状态、吸收养分、排泄废物以及进行各种代谢活动都是必不可少的。

牛牛文库文档分享第10页/共113页三、微生物的营养类型

微生物的营养要求比高等生物复杂，营养类型多样。根据获得碳源、能源、氢或电子供体的方式不同，可将微生物区分为四种营养类型：光能无机营养型光能有机营养型化能无机营养型化能有机营养型

牛牛文库文档分享第11页/共113页1、光能无机营养型（Photolithotroph）

又称为光能自养型。是一类具有光合色素，能够利用光作为能源，以水或还原态无机物作为供氢体，同化CO2的微生物。

根据其所需供氢体的不同，可以将其分为两种类型：

产氧的光合作用不产氧的光合作用

牛牛文库文档分享第12页/共113页（1）产氧的光合作用如藻类和蓝细菌，其细胞内含有叶绿素，可以光作为能源，以水作为供氢体，还原CO2合成细胞物质。其反应通式为：

CO2+H2OCH2O+O2（2）不产氧的光合作用光合细菌细胞中含有与叶绿素类似的菌绿素，但不能进行以水为供氢体的非环式光合磷酸化作用，也不能产生氧气。在光合作用的过程中，以还原态无机硫化物（H2S、S或S2O32-等）作为氢或电子供体来同化CO2，合成细胞物质。其代表性反应是：

CO2+H2SCH2OH2O++S光能

叶绿素

光能

菌绿素

牛牛文库文档分享第13页/共113页2、光能有机营养型（Photoorganotroph）

又称为光能异养型。是一类以光作为能源，以简单有机物（如有机酸、醇等）为作供氢体，同化CO2的特殊微生物类群。CO2+2CH3CH(OH)CH3CH2O+光能+2CH3COCH3H2O

如红螺菌（Rhodospirillum）以异丙醇作供氢体：

牛牛文库文档分享第14页/共113页3、化能无机营养型（Chemolithotroph）

亦称化能自养型，是一类通过氧化无机物获得能量，并以CO2作为唯一或主要碳源的微生物。硝化细菌

硫细菌

铁细菌

氢细菌

根据被氧化的无机物的种类，可将化能无机营养型微生物分为四个类型：

牛牛文库文档分享第15页/共113页4、化能有机营养型（Chemoorganotroph）

化能异养型。是一类能利用有机物作为能源和碳源的微生物。腐生性微生物

寄生性微生物

兼性

在自然界中，这类微生物的种类最多（包括绝大多数细菌、所有的真菌、原生动物以及病毒），作用最强。此类微生物根据营养来源的方式不同又可分为三种类型：

牛牛文库文档分享第16页/共113页腐生性微生物(metatrophy)

指利用已死亡生物的有机物生长发育的微生物。如枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）、青霉（Penicillium）。

寄生性微生物(paratrophy)

指需要生活在活的生物体上的微生物。如噬菌体、蛭弧菌（Bdellovibrio）。

兼性(facultive

paratrophy)

指既能在活的生物体上寄生，也能在死的有机质上生长发育的微生物。如大肠杆菌（Escherichiacoli）。

牛牛文库文档分享第17页/共113页表5-2微生物的营养类型营养类型能源供氢体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2蓝细菌、紫硫

细菌、绿硫细菌光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物紫色无硫细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细

菌、铁细菌、氢细菌化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和

全部真核微生物

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微生物吸收营养物质的方式依据微生物的类群和营养物质的种类，可分为吞噬作用和渗透吸收作用两大类。第二节营养物质的吸收方式一、吞噬作用二、渗透吸收作用

牛牛文库文档分享第19页/共113页一、吞噬作用

大多数原生动物直接以细胞膜包围并吞食营养物质，称为吞噬作用。可进一步分为:吞噬作用胞饮作用

牛牛文库文档分享第20页/共113页二、渗透吸收作用

微生物主要以渗透吸收方式从环境中获取营养物质。细胞壁对营养物质的运输不起多大作用，但可阻挡分子量大于600Dal的物质透过。细胞膜是控制营养物质进入和代谢产物排出的主要屏障，具有选择性的吸收作用，在营养物质运输的过程中起决定性作用。物质运

输方式细胞膜上无载体蛋白细胞膜上有

载体蛋白单纯扩散不消耗能量消耗能量促进扩散运输后物质分子不变运输后物质分子改变主动运输基团转位

牛牛文库文档分享第21页/共113页1、单纯扩散或称被动运输(Passivetransport)，是由于细胞膜内外物质的浓度差而产生的物理扩散作用。

扩散是非特异性的，扩散速度取决于多方面的因素，如营养物质的浓度差、分子大小、PH值、温度等。营养物的扩散使细胞内外的物质浓度差不断减小，直到二者达到动态平衡。以这种方式运输的物质不多，主要是H2O，溶解于水的气体分子，如O2、CO2和小的极性分子，如尿素、乙醇、甘油等。单纯扩散的特点：

（1）不需要渗透酶的参与。

（2）不需消耗能量，运输的动力是胞内外的物质浓度差。（2）不能逆浓度梯度运输，运输的速度缓慢。

牛牛文库文档分享第22页/共113页2、促进扩散或称协助扩散，是在渗透酶的参与下，由于细胞膜内外的物质浓度差而产生的物理扩散作用。

糖、氨基酸、硫酸盐等物质是通过此种方式运输的。促进扩散的特点：

（1）需要渗透酶的参与，具有特异性。

（2）运输过程不需消耗能量，运输的动力是物质浓度差。

（3）不能逆浓度梯度运输，能提高转运速度，提前达到动态平衡，但不改变平衡点。

（4）如被运输物质的浓度高，会出现饱和效应。

牛牛文库文档分享第23页/共113页3、主动运输是在代谢能的推动下，通过细胞膜上的渗透酶参与，逆浓度梯度吸收营养物质的过程。

主动运输的速度快，是微生物吸收营养物质的主要方式，也是微生物在自然界营养物质缺乏的环境中得以正常生存的重要原因之一。如乳糖的运输。主动运输的特点：

（1）需渗透酶的参与，具特异性。（2）需消耗能量。（3）能逆浓度梯度运输。（4）能改变物质运输的平衡点。

牛牛文库文档分享第24页/共113页4、基团转位又叫维克多利亚磷酸化作用，是在主动运输营养物质（如糖）的过程中，同时使其磷酸化的一种特殊运输方式。基团转位目前仅在原核生物中发现，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌研究得较多。这些细菌的细胞膜上存在一种磷酸转移酶系统（PTS），能使糖在进入细胞膜的同时发生磷酸化。磷酸转移酶系统由酶Ⅰ、酶Ⅱ、因子Ⅲ和热稳定性蛋白（HPr）组成，并与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）相偶联。除酶Ⅱ位于细胞膜，其余均存在于细胞质中。酶Ⅱ和因子Ⅲ具有底物的特异性，酶Ⅰ和HPr具可溶性，但无专一性。

牛牛文库文档分享第25页/共113页基团转位分三步进行：（1）在细胞质中，PEP+HPr酶Ⅰ,Mg2+HPr～P+PA

（2）在细胞质中，HPr～P+因子Ⅲ因子Ⅲ～P+HPr（3）在细胞膜上，因子Ⅲ～P+糖酶Ⅱ糖～P+因子Ⅲ

基团转位在营养物质运输的同时使其磷酸化。磷酸化的糖进入细胞后，可立即参与合成或分解代谢，避免了细胞内糖浓度过高。基团转位的特点：

（1）需渗透酶的参与，具特异性。（2）需消耗能量。（3）能逆浓度梯度运输。（4）可改变物质运输的平衡点，被运输物质发生了化学变化。

牛牛文库文档分享第26页/共113页

在微生物的生命活动中，必须提供一定的营养条件才能满足其生长要求。在自然条件下，微生物主要从生长环境中吸收营养物，而在人工培养条件下，微生物所需的营养物是以培养基提供的。

培养基是由人工配制而成的，适于某些微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。第三节培养基一、培养基的分类二、培养基的配制过程

牛牛文库文档分享第27页/共113页一、培养基的分类

培养基种类繁多，分类方法也不同，主要介绍三种分类方法：（1）天然培养基1、根据营养成分的了解程度

是利用一些无法确切了解其化学成分的动物、植物或微生物体或其提取物配制成的培养基。如培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基、培养酵母菌的麦芽汁培养基。

天然培养基的优点是取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便；缺点是成分不稳定，也不十分了解，在进行精密的科学实验时，重复性差。因此，天然培养基只适合于配制实验室用的各种基础培养基和工业生产用的种子培养基及发酵培养基。

牛牛文库文档分享第28页/共113页（2）合成培养基

是利用化学成分完全已知的化学纯的物质（或试剂）配制而成的培养基。如培养细菌的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的高氏1号培养基（淀粉硝酸盐培养基）和培养真菌的查氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）。

合成培养基的优点是成分精确、重演性高；缺点是价格较贵，配制繁琐。一般用于营养代谢、生理生化、遗传育种、菌种鉴定和生物测定等定量要求较高的研究中。

牛牛文库文档分享第29页/共113页（3）半合成培养基

是指既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基。如培养真菌的PDA培养基。

牛牛文库文档分享第30页/共113页2、根据培养基的物理状态（1）固体培养基（Solidmedium）

外观呈固体状态的培养基，称为固体培养基。

根据培养基的物理状态，可把培养基分成三类。

实验室所用的固体培养基一般是加入1.5-2.0%的琼脂（Agar）制成的。琼脂是从一种称为石花菜的海藻中提取出来的、由半乳糖的硫酸酯单体聚合而成的高分子化合物。绝大多数微生物都不能分解利用它，而且琼脂的熔点为96℃，凝固点为40℃，无毒、无味，是一种优良的凝固剂。也可加入5-12%的明胶作为凝固剂。

牛牛文库文档分享第31页/共113页（2）半固体培养基

当凝固剂的用量低于正常值时，容器中的培养基在倒放时不致流下，而在剧烈的振荡下则会破散，这种培养基称为半固体培养基。一般是加入0.2-0.5%的琼脂（Agar）制成的。

半固体培养基在微生物学实验中有许多独特的用途，如细菌的运动性观察（半固体穿刺接种），噬菌体效价测定（双层平板法），微生物趋化性研究，各种厌氧菌的培养以及菌种保藏等。

牛牛文库文档分享第32页/共113页（3）液体培养基

是指呈液体状态的培养基。

在实验室中，液体培养基主要用于研究微生物的生理、代谢和获取大量菌体；在生产上，绝大多数发酵都采用液体培养基。

牛牛文库文档分享第33页/共113页3、根据培养基的功能划分

（1）选择培养基

是根据某种微生物的特殊营养要求或其对某种化学或物理因素的抗性而设计的培养基。其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势从而提高该菌的筛选效率。

常用的选择培养基如分离真菌的马丁氏培养基，分离固氮菌的阿须贝培养基等。

牛牛文库文档分享第34页/共113页（2）鉴别培养基

是在培养基中加入能与微生物的代谢产物发生反应的指示剂，或使某种不溶性的营养物分解而形成透明圈，从而用肉眼就能将所需的微生物区分出来的培养基。

常见的鉴别性培养基如伊红美蓝培养基（EMB），主要用于鉴别水、食品中的肠道菌。

牛牛文库文档分享第35页/共113页二、培养基的配制过程按培养基

配方称量加水加

热熔化调节

pH值过滤分装

包装灭菌检查灭菌

彻底与否

牛牛文库文档分享第36页/共113页第四节微生物的代谢

微生物的代谢作用（Metabolism）也叫新陈代谢，是指在微生物细胞生命活动过程中，全部生物化学反应的总和。新陈代谢由两个相反的过程构成：即分解代谢和合成代谢。一、能量代谢

二、分解代谢

微生物的代谢包括能量代谢和物质代谢。

牛牛文库文档分享第37页/共113页（一）ATP的产生

在微生物细胞中，ATP的产生可以通过三种方式：

1、基质水平磷酸化（底物水平磷酸化）

是指某些化合物在氧化分解时，直接形成ATP的过程。底物水平磷酸化在生物代谢过程中是十分普遍的，催化底物水平磷酸化的酶位于细胞质中。其反应通式为：S~P+ADPS+ATP一、能量代谢

牛牛文库文档分享第38页/共113页2、氧化磷酸化（电子传递水平磷酸化）

是指通过呼吸链（电子传递链），形成ATP的过程。从氧化物质产生的一对电子或H原子向最终电子受体（O2）转移时，中间须经过一系列的电子传递体，电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，每一个电子传递体都是一个氧化还原系统。在不同的生物中这一系列的电子传递体有一定的排列顺序，构成了一条链，称为呼吸链。流动的电子经过呼吸链时逐步释放能量，生成ATP。

牛牛文库文档分享第39页/共113页3、光合磷酸化

是指光合微生物将光能转变成化学能的过程。在这种转化过程中，光合色素起着重要作用。蓝细菌和藻类的光合色素是叶绿素，而光合细菌则为菌绿素。菌绿素和叶绿素的结构和光吸收特性都不相同，光合作用机制也不同。光合细菌、蓝细菌和藻类都能利用CO2作为碳源，但蓝细菌和藻类以H2O作为供氢体，最终产物有氧；而光合细菌则以H2S、H2、S2O32－、乳酸盐和琥珀酸盐等作为供氢体，最终产物没有氧。光合细菌是厌氧菌，在厌氧条件下进行光合磷酸化的方式为环式光合磷酸化。蓝细菌和藻类的光合作用与植物相同，主要属于非环式光合磷酸化，其光合色素系统包括系统Ⅰ和系统Ⅱ两个光化学反应单位。

牛牛文库文档分享第40页/共113页（二）能量代谢的方式

根据最终电子受体的不同，可以将微生物的能量代谢分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵作用三种方式。

1、有氧呼吸（Respiration）

是指微生物细胞以分子氧作为最终电子受体，氧化有机物或无机物获得能量的过程。有氧呼吸的特点:（1）有分子氧的参与；（2）氧化彻底,其最终产物是水和CO2；（3）产生的能量多。

牛牛文库文档分享第41页/共113页

所产生的能量一部分以热的形式散发（388kcal），另一部分则贮存于ATP中。如1分子葡萄糖在有氧呼吸条件下彻底氧化，可产生38摩尔的ATP，每个ATP分子可转化成7.3kcal的能量，总共可以产生300kcal的能量。C6H12O6++O238ADP+Pi38ATP6CO26H2O388kcal+

以有氧呼吸方式获取能量的微生物都是好氧或兼性厌氧菌。有的属于化能异养型，以氧化有机物进行呼吸作用，如大多数细菌、所有真菌、原生动物等；有的是化能自养型，以氧化无机物进行呼吸作用，如硝化细菌、氢细菌和硫细菌。

牛牛文库文档分享第42页/共113页2、无氧呼吸（AnaerobicRespiration）是指微生物细胞以除氧以外的其它无机物作为最终电子受体，氧化有机物获得能量的过程。

无氧呼吸的特点:（1）无分子氧的参与；最终电子受体是无机氧化物；

（2）氧化彻底,其最终产物是水和CO2；（3）产生的能量多。

牛牛文库文档分享第43页/共113页C6H12O6++nADP+PinATP6CO26H2O429kcal+

1分子葡萄糖以KNO3作为电子受体进行厌氧呼吸时，可以释放429kcal的自由能，另一部分能量则转移给生成的NO2-。

12NO3-+12NO2-

以无氧呼吸方式获得能量的微生物主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。

牛牛文库文档分享第44页/共113页3、发酵作用（Fermentation）是指有的微生物以某种不彻底氧化的有机物作为最终电子受体，氧化有机物获得能量的过程。无氧呼吸的特点:（1）无分子氧的参与；最终电子受体是有机物；

（2）氧化不彻底，代谢终产物也是有机物（如乙醇、乳酸）；

（3）产生的能量少。

牛牛文库文档分享第45页/共113页

1分子葡萄糖只能产生2分子的ATP。C6H12O6+2ADP+Pi2ATP2CO254kcal+2C2H5OH

发酵作用是厌氧菌获得能量的主要方式，有的兼性厌氧菌在无氧条件下也通过此方式获取能量。

在有氧条件下氧气会抑制发酵作用，这一现象称为巴斯德效应。所以，在发酵生产时，都需进行密封（如酒精发酵，家庭制泡菜等）。

牛牛文库文档分享第46页/共113页（三）能量的利用

1、生物合成是能量利用的主要方面（约占能耗的1/3）。2、微生物的生命活动需要消耗能量。3、生物发光。4、生物热的产生。如青贮饲料、堆肥。

牛牛文库文档分享第47页/共113页（一）己糖的分解在微生物细胞中，己糖的降解主要通过四条途径：EMP途径

HMP途径

ED途径

三羧酸循环

二、分解代谢

牛牛文库文档分享第48页/共113页1、EMP途径也叫糖酵解途径（Glycolysis）或己糖二磷酸途径，是许多生物共有的己糖分解途径。大多数好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌都利用该途径分解葡萄糖。其总反应式为：

C6H12O6+2ATP2ADP2Pi

++2CH3COCOOH2NAD+++2NADH

在EMP途径中，每1分子葡萄糖降解后净生成2分子ATP，产能效率较低，即使加上2个NADH，总共也只能产生8分子ATP。

但该过程生成的几种磷酸化的中间产物是脂类和其他物质合成的前体。其终产物丙酮酸、氨基酸和其他许多物质的合成有密切关系，是生物代谢的中心产物，起连接其他有关代谢途径的作用，如TCA、乙醇发酵、乳酸发酵等。

牛牛文库文档分享第49页/共113页2.HMP途径也叫己糖单磷酸途径或称戊糖磷酸途径。这是一条不须经过TCA而直接彻底氧化分解己糖的代谢过程。通过该途径不仅可以产生从C3-C7的各种单糖，并且还产生大量的NADPH（12分子）。许多细菌和真菌都有这条途径，且该途径常与EMP途径共存。其总反应式如下：6-P-C6H11O5

+6H2O12NAD++6CO2+12NADH2+6Pi

在整个HMP途径中，每进行一次周转通常需要6分子的6-磷酸葡萄糖同时参与反应，但只有1分子的6-磷酸葡萄糖被彻底氧化成CO2和H2O，其余的重新生成5分子的6-磷酸葡萄糖。

牛牛文库文档分享第50页/共113页3.ED途径也称为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。是少数缺乏完整EMP途径的细菌所具有的一种替代途径。某些革兰氏阴性细菌，如假单胞杆菌（Pseudomonas）、根瘤菌（Rhizobium）等以该途径生成丙酮酸。发酵单胞菌可利用ED途径生成丙酮酸，然后经脱羧形成乙醛，乙醛再还原为乙醇。这种生产乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径产生乙醇不同，称为细菌酒精发酵。

ED途径也是由葡萄糖降解为丙酮酸，但过程与EMP途径不同的是反应过程简单，产能水平低，只能净产生1分子的ATP。

牛牛文库文档分享第51页/共113页4.三羧酸循环又称为柠檬酸环或Krebs环。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的催化下氧化脱羧并与辅酶A结合，形成乙酰辅酶A，同时产生1分子NADH2。然后，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸，进入TCA循环。TCA循环总反应式如下：+ATPADPPi

++CH3COOCoA3NAD+++3NADH2FAD+CoA2CO2++3H2O++FADH2经过EMP和TCA循环，1分子葡萄糖被彻底氧化成水和CO2，并可产生高达38分子的ATP。C6H12O6+38ATP38ADP38Pi

+++6O2+6CO26H2O

牛牛文库文档分享第52页/共113页（二）丙酮酸代谢

在厌氧条件下，一些微生物可以通过发酵作用降解葡萄糖，产生各种不完全降解的有机物，如乙醇、乳酸、丁酸等。这些有机物有的是重要的工业原料，有的是人类重要的食品或调味品。

牛牛文库文档分享第53页/共113页葡萄糖丙酮酸

乙酰CoA

乙酰乙酸CoA

乙酰CoA

丁醇丁酸

异丙酮CO2

乙醇

CoA

乙酸

（5）

甲醛

CO2+H2O

乙酰乙酸

丙酮

2，3-丁二醇乙酰乳酸

乙酰甲基甲醇

（4）

乳酸（2）

CO2

乙醛

2H

乙醇

(1)

CO2

CO2

丙酸琥珀酸

H2O

2H

2H

（3）

乙醇发酵乳酸发酵丁酸己酸发酵

牛牛文库文档分享第54页/共113页1、酒精发酵不同微生物发酵产生乙醇的代谢途径不相同，有三条途径：酵母菌（Saccharomycescerevisiae）可通过EMP途径，将葡萄糖分解成丙酮酸，再脱羧生成乙醛，然后还原形成乙醇。由于该过程的产物主要是乙醇，又称为同型乙醇发酵。其反应通式为：

C6H12O6+2ADP+2H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATP（1）经EMP途径经EMP途径经ED途径经HMP途径

牛牛文库文档分享第55页/共113页（2）经ED途径运动发酵单胞菌（Zymomonasmobilis）可经ED途径将葡萄糖分解为丙酮酸，经脱羧后形成乙醛，再还原为乙醇。形成的主要产物也是乙醇。该过程产能只有EMP途径的一半。

C6H12O6+ADP+H3PO42CH3CH2OH+2CO2+ATP（3）经HMP途径肠膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）通过HMP途径降解葡萄糖生成乙醇，但产物中除乙醇外，还有乳酸，因此称为异型乙醇发酵。

牛牛文库文档分享第56页/共113页2、乳酸发酵微生物在降解葡萄糖的过程中，如果所形成的最终代谢产物大部分都为乳酸，称之为乳酸发酵。

乳酸发酵同型乳酸发酵异型乳酸发酵它们在菌种、发酵途径和产物种类上均不相同。

牛牛文库文档分享第57页/共113页（1）同型乳酸发酵德氏乳酸杆菌（Lactobacillusdelbruckii）、保加利亚乳杆菌（L.bulgaricus）、干酪乳杆菌（L.casei）等在完全厌氧的条件下，通过EMP途径将葡萄糖降解为丙酮酸，再经NADH2还原形成乳酸。由于所形成的代谢终产物几乎全部都是乳酸，称为同型乳酸发酵。其反应式为：

C6H12O6+NAD++2ADP+2Pi2CH3CHOHCOOH+NADH2+2ATP同型乳酸发酵是生产乳酸、乳酸食品和青贮饲料的基础。

牛牛文库文档分享第58页/共113页（2）异型乳酸发酵

肠膜明串珠菌、短乳杆菌（L.brevis）等通过HMP途径降解葡萄糖并产生乳酸，但其最终产物仅有一半是乳酸，而另一半是乙醇、CO2和其他的小分子有机物，称为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵的产能水平也只有同型乳酸发酵的一半，其反应式为：

C6H12O6+ADP+PiCH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP

牛牛文库文档分享第59页/共113页（三）多糖的分解

多糖淀粉糖原几丁质纤维素果胶质

多糖多是大分子化合物，由于分子较大，不能直接进入细胞，而必须被胞外酶水解成小分子物质后，才能加以吸收利用。

牛牛文库文档分享第60页/共113页1、淀粉的分解淀粉是葡萄糖分子以α-1，4糖苷键连接而成的大分子化合物，有的还能通过α-1，6糖苷键相连形成分枝。许多微生物都能分泌淀粉酶水解淀粉，不同微生物形成的淀粉酶是不一样的，有三种类型：（1）α-淀粉酶（液化淀粉酶）：可任意切割直链淀粉，但不能作用于α-1，6糖苷键，产物为麦芽糖和小分子的极限糊精。一些细菌、放线菌和霉菌能产生α-淀粉酶。（3）极限糊精酶（异淀粉酶）：专门水解α-1，6糖苷键。

（2）β-淀粉酶（糖化淀粉酶）：能将淀粉分解为麦芽糖和葡萄糖，也不能水解α-1，6糖苷键，根霉和曲霉能形成该酶。

牛牛文库文档分享第61页/共113页2、纤维素的分解

纤维素是葡萄糖分子以β-1，4糖苷键连接而成的高分子化合物，多数微生物不能分解利用。少数细菌、放线菌和真菌能产生纤维素酶，将纤维素分解成纤维二糖，再由纤维二糖酶分解为葡萄糖。细菌的纤维素酶位于细胞表面，只有接触菌体的纤维素才能被分解，分解纤维素的能力较弱。真菌的纤维素酶是胞外酶，分解纤维素的能力较强。

现在商品化生产的纤维素酶都是由真菌生产的。

牛牛文库文档分享第62页/共113页第五节微生物的生长一、微生物生长的测定方法二、细菌的生长规律三、环境条件对微生物生长的影响

微生物生长是指微生物个体或群体细胞各组成成分按比例、有规律地不可逆增加的过程。微生物的长从外部表现为个体数量的增加和群体生物量的增长。

牛牛文库文档分享第63页/共113页一、微生物生长的测定方法

在实际工作中，测定微生物细胞生长的方法可以分为两类。生长的

测定方法

细胞数量的测定

细胞生物量的测定

细胞总

数测定

活菌数

测定

镜检直接计数法比浊法

染色涂片计数法

稀释平板菌落计数法

液体稀释培养计数法

浓缩法

细胞干重法

总氮量测定法

DNA含量测定法

牛牛文库文档分享第64页/共113页（一）细胞数量的测定

镜检计数法适用于单细胞微生物数量的测定。测定时需借助计数板和显微镜。细胞较小的细菌可采用比得罗夫—霍瑟细菌计数板，细胞较大的酵母菌、真菌孢子和血细胞则采用血球计数板。利用直接计数法测定微生物细胞数量时，菌悬液的浓度不宜太低或太高（常大于106个/ml）。直接计数法的优点是操作简便、快捷；缺点是难于区分死活细胞和杂质。对于细菌

对于酵母菌等

1、细胞总数测定（1）镜检直接计数法N=每小格的细胞平均数×20000×1000×稀释倍数N=每小格的细胞平均数×4000×1000×稀释倍数

牛牛文库文档分享第65页/共113页（2）比浊法这是一种快速测定菌悬液中微生物细胞数量的方法。当光线通过菌悬液时，由于菌体细胞不能透光，会造成透光率下降。在一定的浓度范围内，微生物细胞浓度与菌悬液的光密度值成正比，与透光度成反比。因此，可使用分光光度计来进行测定。由于细胞浓度只在一定范围内与光密度成直线关系，待测菌悬液的细胞浓度不能过低或过高，同时，菌悬液的颜色不能太深，也不能有其它的颗粒性杂质。比浊法常用于监测培养过程中的微生物细胞数量的消长情况。其优缺点与直接计数法相同。

（3）染色涂片计数法

牛牛文库文档分享第66页/共113页2、活菌数测定

（1）稀释平板菌落计数法

在科研和生产上，为了解微生物活菌数的变化情况，通常采用平板菌落计数法，这是目前广泛应用的活菌计数方法。N=每套平板的平均菌落数×稀释倍数÷取样体积数该方法主要是依据在适当的稀释度下，每一个微生物细胞可以繁殖成一个菌落，通过测定菌落的数量即可来推算菌悬液中的活菌数。缺点是操作烦琐，时间长，优点是测定的是活菌数。

牛牛文库文档分享第67页/共113页（2）液体稀释培养计数法（3）浓缩法

该法适用于测定在一个混杂的微生物群中虽不占优势，但具有特殊生理功能的微生物类群。如水和食品中肠道细菌数量的测定。液体稀释培养计数法的缺点是只能进行特殊生理群的测定，结果比较粗糙。

牛牛文库文档分享第68页/共113页1、细胞干重法

适用于含菌量高或丝状体的微生物，如丝状真菌。（单细胞细菌，一般1mg干重相当于4—5mg湿菌鲜重，或相当于4—5×109个细胞。）2、总氮量测定法

3、DNA含量测定法

4、代谢活性法（二）细胞生物量的测定

牛牛文库文档分享第69页/共113页二、微生物的生长规律

在适宜的条件下，如果提供充足的养料，并及时排出代谢废物，细菌能够以较高速度繁殖，例如漂浮假单胞菌在27℃时，每9.8分钟就可繁殖一代。通常可将少量微生物接种到一定体积的液体培养基中来研究微生物的生长规律。

牛牛文库文档分享第70页/共113页（一）世代时间（代时）

大多数细菌通过二分裂的方式进行繁殖，即由一个细胞经过分裂形成两个大小几乎相似的子细胞，每个子细胞再经过分裂，又各自产生两个子细胞，如此，每分裂一次，为一个世代，而每经过一个世代，群体数量就增加一倍。

细菌分裂一次所需的时间称为代时，用G表示。

牛牛文库文档分享第71页/共113页

由于细菌的生长是按指数速率进行的，这种类型的群体生长也称为指数生长，可以用以下的方程式计算：（N1、N2为t1、t2时刻的细胞数，n为分裂的代数）N2=N1*2nn=3.3(lgN2-lgN1)K=n/(t2-t1)=3.3(lgN2-lgN1)/(t2-t1)G=1/KG=(t2-t1)/3.3(lgN2-lgN1)假设K为生长速率，则:因:故:

牛牛文库文档分享第72页/共113页（二）生长曲线

将少量的细菌纯培养物接种到恒定体积的液体培养基后，定时取样测定培养基中的细胞数量，可以发现细菌的群体生长具有一定的规律。若以时间作横坐标，以活菌数的对数值作纵坐标，可以绘制出一条类似于S型的曲线，称为细菌的生长曲线。

迟滞期对数期稳定期衰亡期t0lgN

牛牛文库文档分享第73页/共113页1、滞留适应期（生长停滞期）特

点生长速率常数等于零细胞变长、体积增大胞内贮藏物消耗，RNA含量增加原生质均匀，呈嗜碱性代谢活跃，产生各种诱导酶对不良环境条件敏感停滞期从几分钟至几小时不等，长短取决于菌种、菌龄和培养条件。在工业生产上应尽量缩短停滞期以提高生产效益。常采用对数期的培养物接种到相同的培养环境中，或适当加大接种量（3-5%）可以缩短停滞期。

当细菌接种到新鲜的培养基后，细菌往往不会立即繁殖，需要经过一定时间来调节自身的生理机能，以适应新环境。因此，在曲线开始的一段时间，细胞数量几乎不增加，生长速率趋近于零，曲线平缓。停滞期的后期，由于细胞逐渐适应了新环境，细胞开始进入活跃生长期，少数细胞开始分裂，曲线开始上升。

牛牛文库文档分享第74页/共113页2、对数生长期（指数期）细菌在完全适应新环境后，细胞开始转入旺盛生长，生长速率达到最大值，细胞呈几何级数（2n）增加，代时稳定，生长曲线表现为一条上升的直线。特

点生长速率常数K最大代谢活性强、繁殖速度最快在形态、大小、生理特性和化学组成上基本处于一致一般可在这一时期测定不同细菌的代时，也可用作研究生理生化和遗传变异的材料或作为生产和科研的菌种。

影响对数生长期的因素有：菌种、营养成分、营养物浓度和培养温度等。

牛牛文库文档分享第75页/共113页3、最高生长期（稳定期）在对数期以后，由于营养物质逐渐消耗，有害代谢产物积累，pH值变化等，使细胞生活力下降，细胞的繁殖速率开始下降，而死亡率上升，当二者趋于平衡时，群体的活菌数达到最高并保持一段时间的相对稳定。

特

点细胞较小胞内积累贮藏物产生大量的次生代谢产物芽孢杆菌在此时期开始形成芽孢通常在这一时期收获菌体细胞或代谢产物。稳定期的长短也与菌种特性和环境条件有关，在工业生产上为获得更多的菌体和代谢产物，可以通过补料、调节pH值、温度或增大通气量等措施来延长稳定期。

牛牛文库文档分享第76页/共113页4、衰亡期细菌经过稳定期，培养基中的营养物逐渐耗尽，有毒代谢产物大量积累，环境条件进一步恶化，使细胞死亡率迅速增加，活菌数急剧减少，表现为曲线下降。

特

点细胞大小和形态不一、呈多形态，有时形成畸形细胞革兰氏染色不稳定，G+细菌的衰老细胞可表现为G－芽孢杆菌开始释放芽孢有的微生物开始产生抗生素

牛牛文库文档分享第77页/共113页5、生长曲线的意义

生长曲线反映了在有限的培养基中细菌的群体生长规律，正确认识和掌握细菌的群体生长的特点和规律，对于科学研究和微生物工业发酵具有重要的指导意义。

牛牛文库文档分享第78页/共113页第六节环境条件对微生物生长的影响

微生物生长是微生物自身的遗传特性和外界环境因素共同作用的结果。在一定的限度内，环境因子的变化，可导致微生物的形态、生理或遗传特性的变化，但如果环境因子的改变超过了一定限度，则会造成微生物细胞的死亡。当然，微生物也可在一定程度上通过自身的代谢活动来改变环境条件，使之更适应其生存和发展。

影响微生物生长的环境因素较多，概括起来有三大类，包括物理、化学和生物因素。

牛牛文库文档分享第79页/共113页环境因素温度

水分和渗透压

PH值

氧气和Eh

辐射线

超声波

化学药剂

物理因素化学因素生物因素

牛牛文库文档分享第80页/共113页一、温度温度是微生物生长的重要环境条件之一，不同微生物的生长繁殖都需要一定的温度范围，表现为最低、最适和最高生长温度（即温度三基点）。

1、微生物的生长温度范围

根据微生物对温度的要求和适应能力，可将其分为低温、中温和高温微生物三种类型：微生物类型最低(℃)最适(℃)最高(℃)生活环境低温

微生物

专性

-12

5—15

15—20生活于两极地区

兼性

-5—0

10—20

25—30

海水及冷藏食品

中温

微生物

室温

10—20

20—35

40—45

大多数腐生菌

体温

10—20

35—40

40—45

寄生菌

高温

微生物

专性25—45

50—60

70—95

生活于堆肥、温泉、土壤表层等高温环境中

牛牛文库文档分享第81页/共113页2、温度对微生物的作用

（1）最低生长温度对微生物的影响

最低生长温度是微生物生长的温度下限，低于此温度，微生物的生长就会受到抑制，但一般不会死亡。因此，可以利用低温来保藏微生物或者保藏食物，常用的保藏温度为4-8℃。（2）最适生长温度对微生物的影响从最低生长温度到最适生长温度，随着温度的上升，细胞的代谢活性增强，生长速率加快。最适生长温度是微生物生长速度最快的温度。

牛牛文库文档分享第82页/共113页（3）最高生长温度对微生物的影响

微生物在最高温度下仅有微弱生长，而当环境温度超过微生物生长的最高温度后，将导致微生物细胞结构的不可逆破坏，蛋白质、酶、核酸变性，最终将杀死微生物。

通常将能在10分钟内杀死微生物的温度称为致死温度。

牛牛文库文档分享第83页/共113页

高温可以导致微生物细胞死亡，因此，可以利用高温来灭菌。

多数细菌、真菌和病毒的致死温度为55-60℃；放线菌和真菌的孢子抗热性比其营养细胞强，在75~80℃时，10分钟才会被杀死；细菌的芽孢具有高度的耐热性，可以耐受100℃以上的高温；极少数细菌，如嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillusstearothermophilus）在70℃下可以生长，芽孢在121℃加热12分钟才会死亡。

牛牛文库文档分享第84页/共113页3、高温灭菌的方法

干热灭菌

湿热灭菌

焚烧

高温干燥灭菌

（耐热的金属和玻璃器皿、可燃烧的物品）

（常用，160-170℃，2小时；耐热的物品）

煮沸

巴斯德消毒法间歇灭菌

高压蒸汽灭菌

超高温灭菌（100℃，30分钟以上；不耐热的物品）

（常用，0.1Mpa，121℃，30分钟；一般培养基、水、纤维制品）

（0.05MPa，110℃，20分钟；含糖培养基）

（60-70℃，15-20分钟；食品、饮料等）（100℃，每次2-3小时，2-3次；体积较大的物料）

（130—140℃，0.5—1秒，液体的饮料等）

牛牛文库文档分享第85页/共113页二、水分和渗透压

微生物细胞的含水量一般为70-86%，孢子或芽孢的含水量较低，只有60-70%。水分是微生物细胞代谢活动必不可少的条件，如果环境过于干燥，将影响微生物的正常代谢，甚至造成细胞死亡。当环境中缺水或大气相对湿度低于70%时，微生物细胞的生长会受到抑制。因此，可以借用干燥的方法来保存食品和物品。

除缺水会直接影响微生物的生长外，当环境中水的活度或渗透压发生改变时，也可能造成细胞的生理缺水，使细胞不能进行正常的生长代谢。因此，可用蜜饯或盐渍的方法保存食品。

牛牛文库文档分享第86页/共113页三、pH值

pH值对微生物生长的影响较大。微生物可在pH1~11的范围内生活，但不同微生物对pH值的适应性差异较大。细菌和放线菌适于在中性至微碱性的环境生长，最适pH值为6.5~7.5，适应范围4.0~10.0，真菌的最适pH值多为5.0-6.5。

pH值对微生物的作用主要表现为：（1）影响细胞质膜电荷和养料的吸收；（2）影响酶的活性；（3）改变养料的可给性或有害物质的毒性。

牛牛文库文档分享第87页/共113页

pH值的改变常造成微生物代谢途径的改变，并形成不同的代谢产物。微生物也可以通过自身的代谢活动改变环境的pH值，使之更适合于自己的生长。

强酸、强碱具有很强的杀菌力，但无机酸碱对人和器皿的腐蚀性强，故很少采用。乳酸、醋酸等有机酸对环境的危害小，可用作防腐剂。石灰常用于环境的消毒。

牛牛文库文档分享第88页/共113页四、氧气和氧化还原电位

氧气和Eh对微生物生长的影响也较大。1、氧气

不同的微生物对氧气的需求不同，根据微生物对氧气的要求，可以分为五大类：好氧微生物

厌氧微生物

兼性厌氧微生物

微好氧微生物

耐氧微生物

牛牛文库文档分享第89页/共113页2、氧化还原电位（Eh值）氧化还原电位反映了环境中的氧化还原状况，不同微生物生长要求的Eh值不同。

（1）好氧菌

（2）厌氧菌（3）兼性厌氧菌在大于0.1V时才能生长，最适0.3—0.4V。

生长要求的Eh值小于0.1V。

在小于0.1V或大于0.1V时均可生长，可进一步分为两类：

耐氧的在无氧情况下生长较好

好氧的在大于0.1V时生长较好

牛牛文库文档分享第90页/共113页五、辐射线

在环境中存在着各种能量的辐射线，不同能量的辐射线对微生物生长的影响不相同的。1、可见光

波长397~800nm，是光能自养型和光能异养型微生物唯一的或主要的能量来源。绝大多数非光合微生物对光线没有特殊要求，但少数真菌，如闪光须霉有趋光性。有的真菌在子实体形成时，往往要求一定强度的散射光线才能出菇。

牛牛文库文档分享第91页/共113页2、紫外线

UV是波长为136~397nm的非电离辐射线，具有较强的杀菌和诱变作用。其最强的作用波长是265~266nm，这也是微生物细胞核酸的最大吸收波长。

微生物细胞具有光修复能力，用UV处理后要避光培养。

通常低剂量的UV可用于诱变育种，而高剂量的UV可杀菌，但UV的穿透力较弱，一般仅用作空气、无色的水和器皿表面的灭菌。

紫外线主要作用于细胞DNA，使相邻的胸腺嘧啶形成二聚体、嘧啶水合物以及使DNA断裂或发生交联，最终使微生物细胞变异或死亡。

牛牛文库文档分享第92页/共113页3、电离辐射

电离辐射包括X-射线、α-射线、β-射线和γ-射线。这些射线的特点是波长短，能量大，穿透力强，杀伤力大。可使被照射物质分子发生电离作用，产生游离基，游离基再与生物大分子作用，使之变性失活。常用的高能射线是利用60Co源产生的γ-射线。可用于不耐热食品、塑料制品和草炭吸附剂的灭菌。

牛牛文库文档分享第93页/共113页六、超声波

超声波是指振动频率超过2万Hz的声波。通过剧烈的振动，使细胞破裂，引起细胞内含物外泄死亡。超声波的破碎效果与处理功率、频率、处理时间、微生物类型和生理状态等因素有关。在研究工作中，常用超声波来破碎细胞。但超声波处理时会释放大量的热能，所以，必须在冰浴中进行，并作短时间的多次处理。

牛牛文库文档分享第94页/共113页七、化学药剂

不同的化学药剂对微生物生长的影响是不同的。大多数化学药剂只有在高浓度时才起杀菌作用，低浓度仅为抑菌作用，而极低浓度则没有作用或对微生物的生长有促进作用。化学药剂对微生物的作用取决于药剂浓度、作用时间和微生物对药物的敏感性等。

牛牛文库文档分享第95页/共113页化学药剂对微生物的作用主要表现为三方面：1、破坏细胞结构，如苯酚、乙醇。2、干扰细胞能量代谢，如重金属、CO和氰化物。3、干扰物质合成，磺胺、氨基酸和核酸的结构类似物。

牛牛文库文档分享第96页/共113页

根据化学药剂的性质和使用目的，可分为五种类型：

有机化学药剂无机化学药剂染色剂表面活性剂

化学治疗剂

牛牛文库文档分享第97页/共113页1、有机化学药剂（1）酚及其衍生物

酚类化合物是医学上常用的消毒剂，其作用主要是损伤微生物的细胞膜，钝化酶和使蛋白质变性。苯酚的有效杀菌浓度为2-5%，但因具有难闻的气味和对皮肤的强烈刺激性，很少在临床上使用。甲酚、间苯二酚等苯酚衍生物的刺激性小，杀菌作用较强，常用于医院对痰、粪便及手术前的消毒。煤皂酚（来苏尔）是乳化的甲酚溶液，常用3-5%的煤皂酚来消毒桌面、用具等。

牛牛文库文档分享第98页/共113页（2）醇类

可通过细胞膜中的类脂而破坏膜结构，并使蛋白质变性，但对芽孢和无囊膜病毒的作用效果较差。70%的乙醇，杀菌力最强，常用于皮肤的消毒。加入1%的碘可使其杀菌力大大的加强。异丙醇的杀菌力较乙醇强，挥发性低，常用于皮肤和用具的消毒。

牛牛文库文档分享第99页/共113页（3）醛类

醛可与蛋白质的多种基团发生共价结合而使之变性。37-40%的甲醛溶液俗称福尔马林，常用于保存生物标本。实验室用0.5-10%的甲醛溶液，加热熏蒸进行空气消毒。其缺点是对眼睛和粘膜具有刺激性，穿透力较差，作用慢，气味难闻。戊二醛的刺激性和异味较小，杀菌力强，在3~10小时内可杀死细菌芽孢，常用2%戊二醛消毒医疗器械和用具。

牛牛文库文档分享第100页/共113页（4）酸类

有机酸能抑制微生物酶和代谢活性，对人毒性小，常加入食品、饮料和化妆