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1、微生物的生理,生理,生理生命活动机理生命活动营养、呼吸营养物及其获取方式营养营养物质的代谢 呼吸,营养物的种类、用途及营养物的吸收方式水、盐、“粮食”异养自养；吸收方式四种 （酶起主要作用）如何代谢？不同代谢类型的细菌分类光能化能；好氧厌氧； （酶起主要作用）！学会养细菌,酶及其作用,各种生物包括细菌细胞内几乎所有生化反应都需要酶的催化。作为生物催化剂酶具有高效性、专一性、温和的催化条件等优点，同时由于酶的化学本质是蛋白质，因而也有容易失活的缺点。,酶是生物催化剂，酶制剂已经开始应用于三废治理,绝大多数酶是蛋白质，根据化学组成可以把酶分为简单酶（单成分酶）、结合酶（全酶）；根据结构的不同酶可以
2、分为单体酶、聚合酶；根据存在位置的不同酶又有胞内酶和胞外酶之分，根据催化反应性质的不同，酶分为水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构化酶、裂解酶、合成酶等。酶的活力大小用酶所催化反应的反应速度来表示，影响酶促反应速度的因素有 、 、 、 、 、 等。酶浓度、底物浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂等。,酶活力的测定,酶活力是指酶催化某一化学反应的能力。,酶（活力）单位：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。（U/g，U/ml）,在标准反应条件（25）下，每分钟内催化一微摩尔底物的酶量定为一个酶活力单位，即 1IU=1mol/min,催量：在最适条件下，每秒钟内使一摩尔底物转化的酶量
3、定为1kat单位，即 1kat=1mol/s,1kat = 6107IU,比活力 = 活力单位数/ 毫克蛋白（氮）,酶促反应动力学,1. 底物浓度对酶反应速度的影响,一级反应 v = k S,零级反应 v = k E,用中间产物学说解释底物浓度与反应速度关系曲线的二相现象：,当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，中间络合物的浓度不断增高。,当底物浓度较高时，溶液中的酶全部与底物结合成中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生成。,2. 米氏方程式（Michaelis-Menten equation）,k1,k2,k3,（kmS，v = kS； km S，v = V
4、max）,3. 米氏常数的意义,km= S 则： v = Vmax/2,意义：,（1） km是酶的一个基本的特征常数。其大小与酶的浓度无关，而与具体的底物有关，且随着温度、pH和离子强度而改变。,（2）从km可判断酶的专一性和天然底物。 Km最小的底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。,底物影响酶反应速度的方程表达式米氏方程 v反应速度； V最大反应速度； S底物浓度； Km米氏常数 Km大小反映了酶与底物亲合力的大小。,若v总污染物微生物降解速度；V（KX)最大速度；X微生物浓度,Ks,Ks微生物与底物亲和的大小,第二节 微生物的营养,提问：如何知道细菌所需的营养物种类呢？单因子或复
5、合因子培养试验、由细胞化学组成进行推断。,一、细菌营养物及营养类型,传统上根据功能不同对营养物归类水、无机盐和碳源、氮源、能源、生长因子等。,（一）水提问：水对细菌有哪些作用？1)溶剂作用2)运输物质的载体3)参与生化反应(如脱水、加水反应),（二）碳源和能源,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？,供碳元素来源的物质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,2）能源,细菌的能源种类化学能、光能,所有细菌细胞内能量传递体都是ATP营养型细菌分类根据碳源不同分为无
6、机营养有机营养（或自养异养）,提问：哪些物质可以产生化学能？有机碳源特殊的无机物（如S、Fe)提问：什么样的细菌利用光能？含有光合色素, 无机营养细菌（自养菌）,无机（自养）CO2、CO和CO32-提问：能否也利用有机物呢？,绝大多数能，“能吃苦也能享福”，优先利用；又根据能源不同又分为光能自养型细菌和化能自养型细菌。,（1）光能自养细菌（无氧有光）,只有紫硫细菌和绿硫细菌,紫硫、绿硫细菌代谢方式 光照 CO2 + H2S CH2O（糖） + H2O + 2S 菌绿素（与叶绿素大同小异）,提问：在自然界的作用是什么呢？,早期无氧地球，清除H2S毒物,（H2S类似植物光合作用中的H2O）,较洁净
7、的光照池塘无氧臭（H2S) 区,紫硫细菌,湖中4m,硫化物,*这个深度紫硫细菌多?,（2） 化能自养细菌（有氧）,提问：什么是化能自养菌？自养碳源CO3化能以 ？物质氧化产能S、H2S、H2、NH3、Fe,种类：硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)、（亚）硝化细菌及铁细菌、氢细菌。,提问：化能自养细菌能用于污水处理吗？为什么？,能，脱氨、脱硫；条件容易, 有机营养细菌（异养菌）,有机（异养）以有机物为碳源提问：自养、异养菌哪种繁殖快？“吃砖头和吃粮食的区别”异养菌是有机污水处理的主角,根据能源的不同,（1）光能异养与化能异养,以有机物作为碳源和能源的细菌。绝大多数的细菌都属于化能异养菌。,. 化能异养
8、菌,不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）的高效处理(*红螺菌用于污水处理现状如何?),. 光能异养细菌（无氧有光） 光能+色素 有机物 + CO2 菌体 CH2O小分子有机物碳源主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存）,提问：在污水处理中的优势是什么？,问题：与水分离困难，光照问题,嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田,提问：人工投加光合细菌（PSB,红螺菌）有利于水产养殖，原因？,迅速转化毒物（水族排泄物被细菌分解后的氨、有机酸）为高蛋白的菌体，作为鱼的饲料，且不消耗氧 ；优势生长时能抑制水族病原菌的生长,（三）氮源,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、
9、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,（四）无机盐,阴离子盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐。阳离子盐：氨、钾、钠、钙、镁、铁的盐P和S、Fe、Mg的需求量较大同时还需要锌、锰、钴、铝、铜、硼、钒、镍等微量元素。,1)辅基；2)酶的激活剂；3)特殊细菌的能源；铁细菌、硫细菌分别以铁和硫为产能物质。4）维持一定的渗透压。,无机盐的功能是什么？,（五）生长因子,种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类作用：？嘌呤和嘧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
10、，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,在实际应用中还应注意 1. 营养要求小范围可改变指细菌对碳源等的种类、数量一定程度上可驯化适应（酶的诱导、易变异）2. “营养要平衡”，存在一定比例搭配的现象主要是指碳氮磷的比例关系，通常称碳氮磷比。,根瘤菌要求碳氮比为11.5：1土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥)要求为BOD5：N：P100：5：1,厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5：N：P350500：5：1,为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理要按碳氮磷比配给营养 。,城市生活污水不存
11、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,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,留意！,二培养基,学以致用养细菌,水、碳源、氮源、无机盐及生长因子等细菌及其它微生物营养物质的合理配制物,1.认识,化能自养菌氧化硫杆菌的培养基粉末状硫 10g KH2PO4 4g MgSO4 0.5g CaCl2 0.5g (NH4)2S
12、O4 0.4g FeSO4 0.01g 水 1000mL（自来水即可）,提问：其中各组分作用是什么？,空气中的CO2,能源,磷源、缓冲物,碳源是什么？,氮源,盐,也可补加一部分碳酸钠。,异养细菌的培养基中至少有一种有机物，实验室中通常是葡萄糖 如一种大肠杆菌培养基葡萄糖 0.5g K2HPO4 1g MgSO4 0.2g NaCl 5g NH4H2PO4 0.4g 水 1000mL,2.配制,通常,加水,3种类,(一)根据物理状态 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,物理状态、用途、组分组成,2）固体培养基（“团”）,人工做法(与果冻
13、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,粉末琼脂,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；,C.多数微生物在琼脂培养基表面生长并形成独立菌落；,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
14、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。,（二）根据培养基组分,天然培养基、合成培养基和半合成培养基。1）合成合成纯化学试剂,2）天然天然？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 pH 7.27.4牛肉膏瘦牛肉经过加热浓缩抽提的膏状物（主要作碳源）,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,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；3）半合成半不纯优缺点介于前两者之间，因而使用最广。,蛋白胨动植物蛋
15、白（大豆或动物骨粉等）经初步酶解形成的短肽（主要作氮源）,酵母膏,(三)根据培养基用途,普通型、选择型、鉴别型普通普适,有两种制备思路：,？,肉汤培养基牛肉膏 3g 蛋白胨 5g水 1000mL pH 7.27.4,1）选择性培养基选择性？待选的细菌能优势生长, 投毒法（“正考试”）,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
16、所好法（“邪挖墙角”）,好营养、环境因子专一性营养源培养法（加富培养基）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。,2）鉴别培养基,鉴别明查分别（细菌种类）提供培养环境外还同时具有类似于“验钞机”的作用,方法？鉴加入指示剂（“紫光灯”）别不同菌落制造不同的代谢物（“有无荧光粉”），显色不一水处理中常用的远藤氏培养基就是典型大肠菌群内不同种属细菌的鉴别培养基。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,自由扩散,促进扩散,主动运输,基团转移,三、营
17、养物进入微生物细胞的方式,1自由扩散,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特点,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,2促进扩散,特点,不消耗能量,参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,不能进行逆浓度运输,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,需要载体参与,营养物质: 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
18、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。,3主动运输,重要特点：物质运输过程中需消耗能量和载体，可逆浓度运输。,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。,磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,4基团转位,基团移位是另一种类型的主动运输，与主动运输方式的不同之处：有一复杂的运输系统完成物质的运输，物质在运输过程中发生化学变化。,PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸 P - HPr +糖糖-P +HPr,主要存在于厌氧
19、型和兼性厌氧型细胞中，用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,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 内部高内部高能量消耗 不需要 不需要 需要需要运送前后溶质分子不变 不变 不变改变运送对象举例 水、O2 糖、SO42- 氨基酸、乳糖 葡萄糖碱基,四种运送营养方式的比较,微生物的代谢,将有机物分解,新陈代谢,同化作用,（合成代谢）,吸收能量,合成反应（将营养物质转化为细胞物质）,异化作用,（分解代谢）,将细胞内有机物分解,放出能量
20、,分解代谢,微生物的产能代谢,能量代谢是新陈代谢的核心问题,最初能源,有机物,化能异养微生物,光 能,光能营养微生物,还原态无机物,化能自养微生物,通用能源（ATP）,ATP的生成方式,底物水平磷酸化底物氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP的方式氧化磷酸化通过电子传递体系产生ATP的过程光合磷酸化由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称光合磷酸化。产氧光合生物（藻类、蓝细菌）：非环式光合磷酸化不产氧光合菌：环式光合磷酸化,微生物的生物氧化类型与产能代谢,最终受氢体,好氧呼吸,无氧呼吸,发酵,产能代谢大体可分为三个过程：脱氢、递氢、受氢,基质脱氢的途径,EMP途径,HMP途径,E
21、D途径,TCA循环,EMP途径,C6H12O6 + 2Pi + 2ADP +2NAD + 2CH3COCOOH + 2ATP +2NADH +2H + +2H2O,葡萄糖开始：,丙酮酸的去向：,有氧：进入三羧酸循环无氧：还原为乳酸，或脱羧生成乙醛最终还原为乙醇,丙酮酸脱羧酶系,TCA的总反应式,CH3COSCoA + 2H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi,2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + CoASH + GTP,C6H12O6 + 6H2O + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4Pi,6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2F
22、ADH2 + 4ATP,G CO2 + H2O 产生ATP,38 个,G CO2 + H2O 产生ATP,39个,（肌肉、神经组织中36个）,1、发酵（fermentation）,发酵：在外源电子受体的条件下，底物脱下的氢不经呼吸链传递而是传递给中间代谢产物，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应,呼吸类型,发酵类型即以其终产物命名,属？菌 细菌的各种发酵具有类似的机理。,提问：该无氧呼吸为什么称分子内 ？,同一物质（如葡萄糖）分解产物再结合,发酵产物不同可作为鉴定不同菌的依据VP实验大肠埃希氏杆菌（-），产气肠杆菌（+）甲基红实验大肠埃希氏杆菌（+），产气肠杆菌（-）,这类细菌普遍生长缓
23、慢：底物分解不彻底，产能效率很低（能量利用率只有20%）,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,2、好氧呼吸（respiration）,其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的呼吸链（又称电子传递链）传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。,好氧有机物呼吸,AH 有机物,这一过程的能量转化效率达到可40%以上，远高于厌氧呼吸，有机物被彻底氧化为水和二氧化碳。,三羧酸循环、乙醛酸循环、磷酸戊糖途径,辅酶（氧化态） FAD、NAD（P）H+,CO2,辅酶（还原态） FADH2、NAD（P）H+H+,O2,H2O,呼吸链,呼吸链（电子传递链）：位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体
24、膜上的一系列氢（电子）传递体。,C6H12O6 +6O2,6CO2 + + 6H2O,好氧自养微生物：,H2S +2O2,H2SO4,Fe2+,Fe3+,NH3,NO3-,好氧无机盐呼吸（了解）,（属于？营养型细菌）,氢氧化,H2,H2O,（亚）硝化,NH3,NO2- NO3-,硫氧化,S或S2-,SO42-,铁氧化,Fe2+,Fe3+,CO2同化,经呼吸链,像一部机器,氢汽车,同样以呼吸链产能！,好氧呼吸的外源性呼吸和内源性呼吸,外源性呼吸：正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸。内源性呼吸：利用自身内部贮存的能源物质（如：多糖、脂肪、聚-羟基丁酸等）进行呼吸。P145图,3、无氧呼吸
25、（anaerobic respiration）,指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。,最终电子受体物质：NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等外源含氧无机化合物。,其特点是基质按常规途径脱氢后，经部分呼吸链传递，最终由氧化态无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。,有机物脱氢,硫还原,铁还原,硝酸盐还原反硝化,硫酸盐还原,碳酸盐还原,什么营养型的细菌？,化能异养,无机离子代替氧,与有机物,（1）硝酸盐呼吸（反硝化）,反硝化菌：地衣芽孢菌属、铜绿假单胞菌、脱氮球菌、脱氮硫杆菌等。若硝酸盐是作为氮源，产物为自身的蛋白质等含氮化合物，这是否属于反硝化？ 否，反硝
26、化产物为N2释放，称为异化硝酸盐还原，上述为同化硝酸盐还原。自然界氮循环的关键环节！,有何环保用途？现状如何？,氮循环,（2）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）,严格地说是异化硫酸盐还原，产物H2S（光能自养菌的食物）。只有一种，称硫酸盐还原菌（SRBsulfur-reducing bacteria)有弧形、球形、杆状、叶状、线条状等不同的外形，其中以脱硫弧菌最为常见。既有兼性厌氧的也有严格厌氧的。他们广泛分布在土壤、海水、污水、淤泥、温泉、油井、以及动物和人体肠道中。,提问：如何判断硫酸盐还原菌的行踪？有臭鸡蛋气味的硫化氢，或在周围环境有铁离子存在时出现黑色的FeS沉淀出现。,提问：从硫酸盐还原菌的生
27、存特点，判断一下其利弊？,利厌氧污水中有机物及重金属污染处理弊H2S恶臭、腐蚀性和生物毒性,没有进化的，到现在也不能生存在氧环境中提问：？氧自由基的毒害生化反应中，O2得到脱氢酶传递的氢反应不仅生成水，还部分生成强氧化性的氧自由基，而厌氧菌没有进化出抗氧化防御酶体系更进化的细菌乃至高等生物具有该酶体系,地球上最原始的细菌为专性厌氧菌,严格厌氧的大多数产甲烷细菌可以CO2作为最终电子受体进行无氧呼吸，即：,4H2 CO2 = CH4 2H2O 能量,同型产乙酸,2CO2 + 4H2 = CH3COOH + 2H2O + 能量,（3）以CO2和CO为最终电子受体,三种呼吸类型的比较：P149,Thank You !,请尊重作者劳动成果转载请注明出处：,
