第四章 微生物生理.ppt

1、第四章 微生物生理,第一节 微生物的酶,一、酶的种类 1、按成分分： (1)单成分酶： (2)全酶： 与蛋白质结合紧密，不能用透析的方法除去的称辅基； 而与酶蛋白结合松散的、可用透析的发除去的称辅酶。,2、组成酶和诱导酶 组成酶： 或固有酶。 诱导酶： 并非微生物所固有的，但在一 定条件与物质存在的前提下可诱导产生的酶称诱导酶。,3、胞内酶和胞外酶 胞内酶： 绝大多数酶都是固定在细胞内部 胞外酶： 微生物细胞分泌到胞外而起作用的酶。一般为水解酶类。 表面酶：在细胞表面,4、按催化反应的类型分： 可分为六大类：水解酶、氧化还原酶类、转移酶类、异构酶、裂解酶、合成酶。,二、酶的催化特性,1、酶的专

2、一性： 绝对专一性： 相对专一性： 能作用于一类物质，能催化某一类化学键的断裂。 立体专一性： 能催化某一种异构体，而 不能催化另一种异构体。,2、反应条件温和： 3、对环境条件敏感： 高温、强酸、强碱及重金属等都能使酶失活。 4、催化效率极高：,第二节 微生物的营养,营养或营养作用（ nutrition ）是指生物体从外部环境 吸收生命活动所必需的物质和能量，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。,一 、微生物的化学组成 分析微生物细胞的化学组成与各成分含量，是了解微生物营养需求的基础，也是培养微生物时，设计与配制培养基乃至对生长繁殖过程进行调控的重要理论依据之一。,水分约占菌体湿重的 70

3、% 90% ，含量最高。 有机物主要是由糖、蛋白质、核酸、脂、维生素以及它们的降解产物与代谢产物组成。其中碳、氢、氧、氮、磷、硫等 6 种元素占了细胞干重的 97%,二、微生物的营养要素及其功能 微生物的营养要素（也称营养因子）按照在机体中的生理作用不同，区分成碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水等 6 类。,1、 水 水是微生物细胞的重要组成成分 水使原生质保持溶胶状态，保证了代谢活动的正常进行；当含水量减少时，原生质由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如同细菌芽孢。 水作为一种溶剂，能起到胞内物质运输介质的作用。,2、碳源 （ carbon source ） （1）定义：供碳元素来源的物质

4、 （2）对于利用有机碳源的 异养型微生物 来说，其碳源往往同时又是能源。此时，可认为碳源是一种具有双功能的营养物 。 另一类种类较少的自养型微生物 ，则以 CO2 为主要碳源。,1）碳源,种类？ 有机物、无机碳化合物 随细菌不同，各有偏好 细菌最喜好的碳源是？,细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的50左右。细菌对碳素的需求量最大。 碳源作用 细胞的碳骨架、大多还是能源物质。,糖 尤其是葡萄糖及其多糖,3 、能源 （ energy source ） （1）定义： （2） 微生物能利用的能源种类因种不同而异，主要是一些无机物、有机物或光。,化能自养型的细菌包括硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌,它们

5、的能源物质都是一些还原态的无机物质。,总结：微生物的营养类型 （1）碳源：分成 自养型 与 异养型 两大类。 （2）能源：可分成 化能营养型 与 光能营养型 。 （3）供氢体：分成 有机营养型与 无机营养型 。,综合起来，可将微生物营养类型划分为四种基本类型，即 化能有机营养型 、 化能无机营养型 、 光能无机营养型 与 光能有机营养型 等。,微生物的营养类型,1 化能有机营养型（化能异养型） 以有机碳化合物为碳源，以有机物氧化过程中释放的化学能为能源，以有机物为供氢体进行生长的微生物通称为 化能有机营养型 。 绝大多数细菌与全部真核微生物都属于化能有机营养型。,2 化能无机营养型 （化能自养

6、型） 能氧化某种还原态的无机物质，利用所释放的化学能还原 CO2 ，合成有机物质，进行生长、繁殖的微生物。,3 光能无机营养型 （光能自养型） 是一类含有光合色素、能以 CO2 作为唯一或主要碳源并利用光能进行生长的微生物。 藻类、蓝细菌、绿硫细菌和紫硫细菌就属于这类微生物。,4 光能有机营养型 （光能异养型） 少数含有光合色素的微生物种类，能利用光能为能源，还原 CO2 合成细胞物质，同时又必须以某种有机物质作为光合作用中的供氢体，因而被称为光能有机营养型。 例如红螺菌属：,特殊类型：混合营养微生物： 即可以利用无机碳又可以利用有机碳化合物做为碳源的微生物。 如：氢细菌、发硫菌属、亮发菌属等

7、。,4、氮源 （ nitrogen source ） 。 大多数微生物能利用无机含氮化合物，如铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐等，但仅有 固氮微生物 可利用分子态氮作氮源。,提问：哪些物质可作为细菌的氮源？ 有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（ N2、 NH3、铵盐、硝酸盐）等。 实验室中有机氮源蛋白胨,工业投加的细菌氮源？,尿素、粪便,蛋白胨和肉汤中含有的肽、多种氨基酸和少量的铵盐及硝酸盐，一般能满足各类细菌生长的需要。因此，铵盐、硝酸盐、蛋白胨和肉汤等是实验室培养微生物常用的氮源。,5. 无机盐 （ mineral salts ） 根据微生物生长繁殖对 无机盐 需要量的大小，可分为大量元素和微量元素两

8、大类。 大量元素如： S 、 P 、 K 、 Na 、 Ca 、 Mg 、 Fe 等。 微量元素如： Cu 、 Zn 、 Mn 、 Mo 、 Co 、 Ni 、 Sn 、 Se 等。,在配制微生物培养基时，对于大量元素，可以加入有关化学试剂，常用 K 2 HPO4 及 MgSO4 。因为它们可提供 4 种需要量最大的元素。对于微量元素，在配制普通培养基时一般不再另行添加。,6、 生长因子 （ growth factor ） （1）定义： 为某些微生物生长所必需、其自身又不能合成、需要外源提供但需要量又很小的有机物质通称为 生长因子 。,生长因子,种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类 作用：？ 嘌呤和嘧

9、啶参与合成核酸和辅酶； 维生素，重要辅酶 多数细菌不存在生长因子问题。 只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才能生长，如乳酸菌需要多种维生素，因此只能生活在这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。,必需，但不能自身合成的有机物,三、C、N、P比 不同微生物细胞的元素组成比例不同，对营养元素要求的比例也不同。废水好氧生物处理的微生物群体要求 C：N：P=100：5：1 而厌氧生物处理的微生物群体要求 C：N：P=100：6：1,城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补足。 如酒精废水缺 ？ ；,洗涤剂废水 ？,N、P,缺N,P过剩,提问：如何知道

10、所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？ 先测、对比、试验验证,炼油废水 ？,N、P,但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！ 提问：为什么？ 过犹不及“娇惯” 细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导致细菌分解特殊有机物的能力下降 这与细菌驯化正好相反（反驯化）。,留意！,四、 微生物培养基,培养基（ medium, 复数为 media, 或 culture media ）是人工配制的用于微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。,（一）培养基配制应遵循的原则 是注意各种营养物质的浓度，保持合适的渗透压 添加缓冲剂或不溶性的碳酸盐，

11、维持培养基 pH 的相对稳定； 培养基应无菌。 经济节约、用之不竭的原则。,（二）培养基的类型 培养基种类很多，可根据构成培养基的成分、物理状态、用途将培养基分成若干类型。,1、培养基的成分 （ 1 ）合成培养基 （ synthetic media ） 又称组合培养基。它是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。例如用于分离培养放线菌的高氏 1 号培养基。 优点稳定、选择性 缺点很多细菌营养需求较为复杂，配方获取较难,（ 2 ）复合培养基 （ semi-synthetic media ） 又称为半合成培养基，是指一类主要用已知化学成分的试剂配制，同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养

12、基。 如一般用于培养霉菌的马铃薯蔗糖培养基。,（ 3 ） 天然培养基 (complex media, undefined media) 指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成培养基。 常用的有机物有牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、豆芽汁、玉米粉、麸皮、牛奶、血清等。 纯生物制品(细胞提取物) 如，常用的细菌肉汤培养基 牛肉膏 3g 蛋白胨 5g 水 1000mL pH7.27.4 牛肉膏瘦牛肉经过加热浓缩抽提的膏状物（主要作碳源）,类似物如酵母膏、麦芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉,优点营养丰富、配制容易 缺点？ 质量不稳定、选择性差；,蛋白胨动植物蛋白（大豆或动物骨粉等

13、）经初步酶解形成的短肽（主要作氮源）,酵母膏,2培养基的物理性状,固体培养基、半固体培养基和液体培养基 1）液体培养基（“汤”） 废水也可看作是一种广义的液体培养基,2）固体培养基（“团”）,人工做法(与果冻方法一样) 向液体培养基中加入2左右的琼脂，加热至100溶解，40下冷却并凝固。,石花菜(红藻）琼脂,琼脂主要成份半乳聚糖，分子量大，呈网状粘着力强，溶解分散（温度为96以上）,条状琼脂,琼脂特性,A.不能被绝大多数微生物利用、分解液化； 提问：有什么好处？ 不作为额外碳源，干扰试验，保持固体特性 B.高压灭菌结构不被破坏，且颜色透明不妨碍观察；,多数微生物在琼脂培养基表面生长并形成独立菌

14、落；,提问：有何好处？ 易于纯化分离,3）半固体培养基（“膏”）,半流动性介于固体与液体之间 提问：如何制作？ 在液体培养基中加入0.5%或更低浓度的琼脂 作用：？ 半固体培养基中可以融入少量的溶解氧，因此这种培养基常被用于培养在较低氧浓度环境下才能最佳生长的细菌。,天然的固体培养基土豆块、培养真菌的麸皮、大米、大麦等。,3 、按培养基的功能分： （ 1 ）基础培养基 （ minimum media ） 含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基称为基础培养基。,（ 2）选择性培养基 （ selective media ） 用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基

15、称为选择性培养基。 在实践中有两种方式，一种是正选择，另一种是反选择。,所谓正选择是添加某种特定成分为培养基主要或唯一的营养物，以分离能利用该种营养物的微生物。如从混杂的微生物群落中选择性地分离能利用纤维素的微生物时。,反选择是在培养基中加入某种或某些微生物生长抑制剂，以抑制所不希望出现的微生物，从而从混杂的微生物群体中分离不被抑制和所需要的目标微生物。, 投毒法,常用物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生素。 例如欲分离古细菌，培养基中通常加入青霉素（由于古细菌的细胞壁不同于普通细菌，因而不会被对破坏普通细菌细胞壁结构的青霉素杀死），古细菌就唯一分离并存活下来。,胆汁酸盐抑制革兰氏阳性

16、菌 提问：它能选择性生长那种细菌？ 革兰氏阴性细菌,毒选择性的抑制剂 待选细菌有抗性,投其所好法（“邪挖墙角”）,好营养、环境因子 （1）专一性营养源培养法 待选细菌专门需要的某种碳源或氮源 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； 各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通常是以这类有机物为培养基中的唯一碳源，将目的细菌富集筛选下来。,（ 3）鉴别培养基 （ differential media ） 用于鉴别不同微生物类型的培养基称为鉴别培养基。 主要用于微生物的快速分类鉴定，以及分离和筛选产生某种代谢产物的微生物菌种。,一些鉴别培养基,（4 ）加富培养基 （ enrichment

17、 media ） 指在基础培养基中加入某些特殊需要的营养成分配制而成的营养更为丰富的培养基。,六、微生物营养物质的吸收方式 营养物质从微生物所处的周围环境通过细胞膜进人细胞的方式，可分为四种类型，即 简单扩散、促进扩散、主动运输和基团转位 。,简单扩散 （ simple diffusion ） 物质通过细胞膜中的含水小孔由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散，这种扩散是非特异性的。,2 促进扩散 （ facilitated diffusion ） 需要借助位于膜上的一种载体蛋白的参与，并且每种载体蛋白只运输相应的物质。载体蛋白能促进物质运输加快进行，但营养物质仍不能逆浓度梯度吸收。,3 主动运输

18、 （ active transport ） 在主动运输中，载体分子构型变化以消耗能量为前提，因此主动运输是一个耗能过程。 主动运输是一种广泛存在于微生物中的主要物质运输方式。,4 基团转位 （ group transport ） 是一种既需要载体蛋白又需要消耗能量的运输方式。 主要存在于厌氧细菌和兼性厌氧细菌中，主要用于糖的运输以及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输。,第三节 微生物的产能代谢,微生物的产能代谢即是细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程。,异养微生物将有机物氧化，根据氧化还原反应中电子受体的不同，可将微生物细胞内发生的生物氧化反应分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和厌氧呼吸两种方式。,一、有氧呼吸 以分子氧作为氢及电子的最终受体，底物可全部被氧化分解成CO2和水，并产生ATP。,二、无氧呼吸 某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等这类外源受体。 由于部分能量在没有充分释放之前就随电子传递给了最终电子受体，故产生的能量比有氧呼吸少。,有机物，如葡萄糖、乙酸等，通过无氧呼吸也可被彻底氧化成 C