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1、微生物的生理,生理,生理生命活动机理（食、住）生命活动营养、呼吸、环境卫生营养物及其获取方式营养营养物质的代谢 呼吸那些环境因素使细菌病、死？环境卫生,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 如何代谢？不同代谢类型的细菌分类光能化能；好氧厌氧；寄生腐生！学会养细菌,食（营养、呼吸）,住（环境卫生环境因素对细菌的影响）,温度、电位、pH、渗透压、光线、毒物学会养好细菌（其他微生物与之类似）,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
2、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、结合酶；根据结构的不同酶可以分为单体酶、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，
3、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=Vmax）,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
4、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？单因子或复合因子培养试验、由细胞化学组成进行推断。,一、细菌营养物组成及生理功能,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）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
5、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。,提问：无机盐的功能是什么？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。,（三）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机营养有机营养（或自养异养）
6、,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）,较洁净的光照池塘无氧臭（H2S)区,紫硫细菌,湖
7、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。,.化能异养菌,不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）
8、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,异养菌中有腐生菌与寄生菌之分腐生分解腐烂的有机物生活寄生寄居在其他生物体内生活提问：致病细菌是属于什么类型？兼有，属于兼性寄生菌,肺结核杆菌 痢
9、疾志贺氏菌,以腐生为主兼营寄生的兼性寄生细菌，因而可以通过水源、食物传播，是水处理中需要监控和杀灭的对象。,（四）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、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,（六）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，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
10、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。,（七）碳氮磷比“营养平衡”,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、
11、P,缺N,P过剩,提问：如何知道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,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)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g 水
12、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分类,提问：根据哪些特性可以给培养基分类？物理状态、用途、组分组成(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,2）固体培养基（“团”）,人工做法(与果冻方法一样)
13、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，因此这种培养基常被用
14、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。,蛋白胨动植物蛋白（大豆或
15、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
16、”）,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。,（2）理化因素控制法理化因素特殊的温度、氧气、pH、盐度等环境条件主要用于筛选极端环境微生物。如嗜盐、嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等的细菌，同时也被用于选择性培养好氧或厌氧细菌。,嗜冷菌,嗜热菌,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
17、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（第五章）。,营养物质的吸收和运输,细胞膜的选择吸收,分四种情况,水、无机盐、气体、甘油等小分子,1被动扩散,?,推动力浓度梯度,无载体蛋白,不,内部能量消耗YorN?,2促进扩散,促进载体蛋白协助,载体蛋白,细胞外,|,细胞膜,|,细胞内,糖、氨基酸、金属离子等,推动力浓度梯度,有载体蛋白,内部不消耗能量,白领,3主动运输,运输载体蛋白主动逆浓度梯度方向,糖、氨基酸、有机酸 Na+、K+、硫酸根、磷酸根等,推动力ATP放能,有载体蛋白,内部消耗能量,蓝领,磷酸化自由能升高，能量级别、位置的升高。,转位,磷酸葡萄糖,4.基团转位
18、,基团被转运的营养物转位,？,商业包装,糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N乙酰葡萄糖胺)、嘌呤、嘧啶、脂肪酸,磷酸烯醇式丙酮酸放能,有载体蛋白,消耗能量,推动力?,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,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？?,微生物的生物氧化类型,最终受氢体,好氧呼吸,无氧呼吸,发酵,基质脱氢的途径,EM
19、P途径,HMP途径,ED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+2FADH2+4ATP,G CO2+H2O 产生ATP,38 个,G CO2+H2O 产生
20、ATP,39个,（肌肉、神经组织中36个）,1、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。,生物氧化类型,好氧有机物呼吸,（属于？营养型细菌）,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：位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的一系列氢（电子）传递体
21、。,C6H12O6+6O2,6CO2+6H2O,好氧自养微生物：,H2S+2O2,H2SO4,Fe2+,Fe3+,NH3,NO3-,外源性呼吸内源性呼吸,好氧无机盐呼吸,（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！,2、无氧呼吸（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。,在无氧呼吸中，作为最终电子受体的物质不是分子氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等这类外
22、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！,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
23、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
24、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。,3、发酵（fermentation）,发酵：在无氧等外源电子受体的条件下，有机物仅发生部分氧化，以其中间代谢产物为最终电子受体，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应,属？菌 又称（酵解）发酵，生物化学中曾接触过葡萄糖的乙醇发酵和乳酸发酵，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,提问：为什么这类细菌普遍生长缓慢？分解不彻底（能量转化率只有2%）产能效率很低,同样以葡萄糖为原料，乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、丁二酸发酵与乙醇发酵产物不同，原因何在？,乳酸发酵,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,Thank You!,请尊重作者劳动成果转载请注明出处：,呼吸作用的本质,1、将有机物转化为CO2、H2O及其它简单物质；或使还原态无机物转化为氧化态无机物,4、呼吸作用中，吸收和同化各种营养,2、呼吸中产生的能量可分三部分,供给合成作用,供维持生命,变成热能释放,3、呼吸作用产生的中间产物，一部分继续分解，另一部分做合成机体物质的原料。,
