细菌的生理特性.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,第一节,细菌的营养,一,、,细菌细胞的化学组成及,生理功能,细胞重量（湿重）,水,7090%,干物质,1020%,无机盐,10%,有机物,90%,碳水化合物,蛋白质,脂肪,DNA,RNA,等,组成微生物细胞,1、化学组成,2、,各化学组分的生理功能,可被细菌吸收利用的物质：,1,水分,2无机盐,3,碳源,4,氮源,5,生长因子,(1)水分,水分是最重要、不可缺少的组分之一。水在细菌细胞内的存在有两种状态：自由水和结合水。它们的生理作用主要有以下几点：,1)溶剂作用。所有物质都必须先溶解于水，然后才能参与各种生化反应。,2)参与生化反应(如脱水、加水反应)。,3)运输物质的载体。,4)维持和调节一定的温度。,(2),无机盐,无机盐类在细胞中的主要作用是：,1)构成细胞的组成成分，如H,3,PO,4,是 DNA和RNA的重要组成成分。,2)酶的组成成分，如蛋由质和氨基酸的SH。,3)酶的激活剂，如,Mg2+,、K,+,。,4)维持适宜的渗透压。如Na,+,、K,+,、,Cl,。,5)自养型细菌的能源，如S、Fe,2+,。,(3)碳源,有机碳源,糖类,蛋白质,脂肪,有机酸,无机碳源,CO,2,CO,3,=,多数微生物最好的碳源,：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉,生产中常见的碳源,：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟,碳源的作用：提供细胞骨架和代谢物质中碳素的来源以及生命活动所需要的能量。,（提供细胞碳素来源的物质）,(4)氮源,提供细菌细胞氮素来源的物质。,有机氮源,蛋白质,蛋白胨,氨基酸,无机氮源,NH,4,Cl,NH,4,NO,3,实验室常用氮源,：牛肉膏、蛋白胨,生产上常用氮源,：尿素、玉米浆、饼粕,氮源的作用:,A、提供细胞新陈代谢中所需的氮素合成材料;,B、极端情况下(如饥饿状态)，氮源也可为细胞提供生命活动所需的能量。,(5)生长因子,概念：,把某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时又是生长所必需的须由外界供给的营养物质，叫做“生长因子”。,？,有三类,氨基酸类,嘌呤、嘧啶类,维生素类,实验室常用：,酵母膏、蛋白胨,作为,综合生长素；,硫辛酸、V,C、,V,K,是重要的生长因子,。,当我们供给细菌营养时应注意什么?为什么?,1、,质量要求,：不同的细菌，同一细菌不同的生长阶段，营养质和量的要求不同。,2、,营养元素之间有比例要求,：主要是指碳氮的比例关系，通常称碳氮比。根瘤菌要求碳氮比为11.5：1，固氮菌要求碳氮比为27.6：1，土壤中许多微生物在一起生活综合要求的碳氮比约为25：1。废水生物处理中，微生物群体对营养物质也有一定的比例要求,(,好氧生物处理中对BOD,5,：N：P要求一般为100：5：1)。,3、总体来说，细菌的代谢能力很强，可利用的化合物种类很广，,要防止把细菌养“娇”,。,细菌往往,优先利用,易被吸收的有机物质。如果这种物质的量已经满足要求，它就不再利用其它的物质了。,在工业废水的生物处理中，常,加入生活污水补充,工业废水中某些营养物质的不足,。加多少酌情而定，,否,则反而会把细菌养“娇”，,不利于工业废水的处理。因为生活污水中的有机物比工业废水中的有机物易被吸收利用。,微生物利用废水营养的情况,二、,细菌的营养类型,根据细菌所需,碳源,和,能源,的不同，营养类型分四类：,自养型,光能,自养,化能,自养,异养型,光能,异养,化能,异养,1、,光能自养,(Photolithotroph),属于这一类的细菌都含有光合色素，能进行光合作用。,藻类、绿色细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌）,碳源,以,CO,2,为惟一碳源,能源,光转变为,ATP,如：,高等绿色细菌、藻类,CO,2,+H,2,O,CH,2,O,+O,2,光能,叶绿素,如何将无机物还原为有机物的？,2、,化能自养（,chemolithotroph),有些细菌，如硝化细菌、铁细菌、某些硫磺细菌等，能氧化一定的无机化合物，利用其所产生的化学能，还原二氧化碳，合成有机碳化物，这一作用称为化学合成作用。,碳源,以,C O,2,为惟一碳源,。,能源,无机物氧化产生能量,。产能有限，生长迟缓。,如,硝化细菌中的亚硝酸细菌可推进下列反应,：,2NH,3,+2O,2,CO,2,+4H,+,2HNO,2,+4H,+,+,ATP,CH,2,O,+H,2,O,3、,化能异养,(chemoorganotroph),大部分细菌,（,绝大多数细菌、放线菌和全部真菌、病毒,）,都以这种营养类型生活和生长，利用有机物作为生长所需的碳源和能源。,碳源,有机物,能源,有机物氧化,获得,在异养细菌中，有很多从死的有机残体中获得养料而生活，仅少数生活在活的生物体中，前者称为,腐生细菌,，后者称为,寄生细菌,。腐生细菌在自然界的物质转化中起着决定性作用，而很多寄生细菌则是人和动植物的病原细菌。,4、,光能异养（,photorganotroph),属于这一营养类型的细菌很少，如红螺菌中的一些细菌以这种方式生长,。,一般来说，光能营养型细菌生长时大多需要,生长因子,。,碳源,有机物,作供氢体和碳源，要有,CO,2,存在。,能源,光,CO,2,2,CH,3,CH,3,CHOH,CH,2,O+,2CH,3,COCH,3,+H,2,O,光能,光合色素,红螺菌,红螺菌(Rhodospirillum sp)属于光合细菌(Photosynthetic Bacteria，PSB)的一种，广泛分布于江河、湖泊、海洋等水域环境中，尤其在有机物污染的积水处数量较多。,红螺菌的开发应用：（1）在废水处理中有重要的作用：,红螺菌的体内有光合色素，能利用光能，在缺氧的条件下，以有机酸、醇等有机物作为营养物质，使自身快速繁殖。根据它的特点，目前已经开始运用红螺菌来净化高浓度的有机废水，以达到保护环境的目的。,（2）在开发新能源中的应用：生物制氢是开发新能源的一个方向，因此氢作为一种理想而无污染的未来能源日益受到人们的关注。目前研究较多的是深红红螺菌（Rho-dospirillum rubrum），其产氢量高达65mlhL（培养液）。,思考题：,目前在环保中用红螺菌来净化高浓度的有机废水，废水在分槽流动中逐渐得以净化。由此可知红螺菌的代谢方式为(A)自养厌氧型(B)异养需氧型(C)异养厌氧型(D)自养需氧型,三、培养基,在实验中，我们常利用培养基来培养各种细菌进行科学研究。,1、概念,：指人工配制的适合于不同,微生物生长繁殖或积累代谢产物的营,养基质。,2、培养基的配制原则,(1)根据不同细菌的营养需要配制不同的培养基。通常，培养细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用高氏一号培养基，霉菌采用蔡氏培养基，酵母菌采用麦芽汁培养基。,(2)注意各种营养物质的浓度及配比，如水处理中要注意进水中BOD5：N：P的比值，好氧生物处理中对BOD5：N：P要求一般为100：5：1。,(3)调节适宜的pH值。,(4)考虑加生长因子。,(5)培养基应物美价廉。,3、培养基的分类,(1),根据物理状态分类,液体培养基：不加凝固剂。水处理中的废水。,液体发酵。,半固体培养基：液体培养基中加入,0.5-1%,的凝固剂,观察细菌的运动状态。,固体培养基：液体培养基中加入,2%,左右的凝固,剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏,。,凝固剂,：,琼脂,（,）、明胶、硅胶,成分为多缩半乳糖,绝大多数微生物不能利用,融化温度96 ，凝固温度45,对微生物无毒性,琼脂特性,（2）根据化学组成分类,天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。,如酸奶、饮料酒、腐乳、酱类的发酵生产,特点化学组分不知道，营养丰富，配制容易。,合成培养基：完全以化学药品配制而成。,如KH,2,PO,4,、NaCl,特点组分确定,半合成培养基：天然成分和化学药品都有。,分析,牛肉膏蛋白胨培养基,马铃薯糖培养基,属于哪种培养基？,？,（,3）根据用途分类,基础培养基：基础培养基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。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。,鉴别培养基：根据物理化学因素的反应特性设,计的可籍助肉眼直接判断细菌,的培养基。,选择培养基：按照某种细菌特殊营养要求专门,设计。分离的细菌由劣势种变为,优势种。,加富培养基：根据营养要求人为地强化投加多,种营养物质。,分析,伊红美蓝培养基,远藤氏培养基,属于哪种培养基？,？,4、培养基的配制方法,培养基的配制方法及过程大致如下：适量水分 加入各营养组分、无机盐 加入凝固剂 调节pH值 加入生长因子或指示剂等 高压蒸汽灭菌 冷却放置备用。一般最好现配现用。,四、营养物质的吸收和运输：,营养物质的吸收和运输,主要有下述四种途径：,1、被动扩散,2、促进扩散,3、主动运输,4、基团转位,2,酶的命名和分类,1、被动,扩散,(passive diffusion),被输送的物质，靠细胞内外浓度差为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。,被动扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,2,酶的命名和分类,被动扩散,转运通道,被动扩散,特点：,是非特异性的,营养物质吸收方式,：如营养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；,在,被动扩散,过程,中营养物质的结构不发生变化,：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；,物质运输的速率较慢：,速率,与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同；,不需要载体参与,：,被动扩散,是一个不需要代谢能的运输方式：,因此，物质不能进行逆浓度运输。,可运送的养料有限：,限于水、溶于水的气体，及,分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。,三,促进扩散的特点基本与被动扩散相似，但是它须借助细胞膜上的一种蛋白质载体进行，因此对转运的物质有选样性，即立体专性。除了细胞内外的浓度差外，影响物质转运的另一重要因素是与载体亲合力的大小。这种方式存在于真核微生物，如厌氧酵母菌对某些物质的吸收和代谢产物的分泌。,2、促进扩散,(facilitated diffusion/transport),促进扩散,特点：,在促进扩散过程中,A 营养物质本身在分子结构上也不会发生变化;,B 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输;,C 运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定;,D 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输;,E 被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性;,F 养料浓度过高时,与载体蛋白出现饱和效应。,促进扩散模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,结合,构象改变,3、主动运输(Active transport),在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体,蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程,。,不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。,主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。,主动运输,特点：,物质在主动运输的过程中,需要消耗代谢能；,可以进行逆浓度运输的运输方式；,需要载体蛋白参与；,对被运输的物质有高度的立体专一性；,被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化；,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,ADP+Pi,ATP,基团转位(Group translocation),基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。,基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。,在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统。,基团转位模式图,细胞膜外,细胞膜内,S,S,S,S,细胞膜,Enz2,Enz2,Enz2,Enz2,S,S,HPr,P,P,HPr,Enz1+,PEP,丙酮酸,S：糖，P：磷酸，EnzI：酶，EnzII：酶，HPr：热稳定蛋白，PEP：磷酸烯醇式丙酮酸,四种运输营养物质方式的比较,比较项目,被动扩散,促进扩散,主动运输,基团转位,特异载体蛋白,运输速度,物质运输方向,胞内外浓度,运输分子,能量消耗,运输后物质的结构,无,慢,由浓至稀,相等,无特异性,不需要,不变,有,快,由浓至稀,相等,特异性,不需要,不变,有,快,由稀至浓,胞内浓度高,特异性,需要,不变,有,快,由稀至浓,胞内浓度高,特异性,需要,改变,一、,酶及其命名和分类,1、,酶的概念：,酶是生物细胞中自己制成的一种催化剂(生物催化剂)，其基本成分是蛋白质，催化效率比一般的无机催化剂高得多，一般高达千、万倍，乃至千万倍。,2、,酶的命名和分类,胞内酶,胞外酶,存在部位,组成酶,诱导酶,存在,方式,单成分酶,双成分酶,组成,成分,催化的反应类型,水解酶、氧化还原酶、转移酶、合成酶、裂解酶等,第二节 酶及其作用,Enzyme,组成酶,：与基质存在与否,无关,。在体内有相当的数量。,诱导酶,：受到各种持续的物理化学因素影响，在体内,产生的,适应新环境的酶,。,诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意义。可以通过,环境的诱导,产生能处理相应物质的细菌等微生物（,驯化,）。,胞内酶：在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸。,胞外酶：能透过细胞，作用于细胞外的物质（大分子）。,细菌无摄食器官，遇到的是,简单,的溶解物质，通过,胞内酶,的作用；若遇到的是,复杂,的固体物质，利用,胞外酶,将吸附在细胞周围的大分子物质水解为简单的小分子物质。,酶与一般催化剂的共同点,只能催化热力学上允许进行的化学反应。,能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点。,对可逆反应的正反两个方向都具有的催化作用。,但在实际情况下，作用常趋向一个方向。热力学条件是影响反应方向的重要因素。,二、酶的作用特性,1、,酶的作用特点,具有,蛋白质的各种特性：,分子量大、两性化合物、,不耐高温、易被毒物破坏；,具有一般催化剂的共性：用量少而催化效率高；加快,化学反应速度，不改变化学反应的平衡点，可降低反,应活化能,；,高度的催化效率、专一性和可逆性,；,温和常温、常压、接近中性就可以起作用；,催化活性的,的可调性。,2、,酶活性与活性中心,酶活性即是酶,活力,。指催化一定化学反应的能力。反应,速度,越,快,，酶,活性,越,高,。,如何确定酶活性的大小,?,？,酶活性单位,习惯酶活性单位,比酶活性,国际酶学会议,1961,条规定：,1 酶活性单位,是 指在,25,最适,pH,及底物浓度等条件下，在,1min,内转化,1,mol,底物的酶量,比酶活性,是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。水处理中，常用,比酶活性,来判断不同来源污泥的活性大小。,习惯酶活性单位,，,即人为确定的酶活性单位定义，如淀粉酶，可用每小时催化l ml 2可溶性淀粉液化所需要的酶量作为一个酶活性单位。,酶的活性中心,：,酶的活性中心是指酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具有一定空间构象的与催化作用密切相关的区域。,酶的活性中心分二个功能部位,：第一是,结合部位,，底物靠此部位结合到酶分子上；第二是,催化部位,，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化。,酶的作用机制,诱导契合假说（,中间产物学说,）：,酶在发挥催化作用前，必须先与底物结合，生成酶-底物复合物即,中间产物,（ES），然后底物在酶的作用下发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的攻击，只需较少的能量便可进入活化态，底物迅速转变为产物，并释放出酶。,S+E,ES,E+P,诱导契合假说,三,酶促反应的影响因素及动力学,酶促反应与酶活力有关。,影响酶促反应（酶活力）的因素有：,1,温度,2 pH,值,3,基质浓度,酶浓度,激活剂,6,毒物或抑制剂,1、,温度,要求：保证酶最适宜的温度条件。,每种酶都有自己的,最适温度,。,最适反应温度,：,能形成,最大反应速度,的温度.,微生物体内3060,1-半乳糖苷酶,2 酰化氨基酸水解酶,3 葡萄糖异构酶,不同耐温细菌的生长适宜温度,1.,酶的最适温度,不是,酶的,特征性常数,，可随反应时间的缩短而提高。,2.,低温,使酶的活性降低但,并不使酶破坏,。温度回升后，酶又能恢复活性。,3.,高温,时由于,酶,变性失活,，反应速度降低。,注意：,在废水处理的污泥消化中，人们早就认识到,控制温度,的重要性。在生物滤池的设计中，也考虑了对于不同气候条件选择不同的设计数据。但对于活性污泥法曝气池的设计，温度因素还未加以考虑，这是因为它们的影响因素十分复杂，难于用数学方法来处理，其中,与温度有关的主要因素有,：(1)所需曝气的时间；(2)单位时间单位体积所需的氧气；(3)溶解氧的变化。,2、pH,值,pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。,酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH。,pH,对酶促反应速度的影响,木瓜蛋白酶,胃蛋白酶,红血球胆酯酶,胰蛋白酶,大多数酶的最适pH值在67左右。废水生物处理主要利用土壤微生物的混合群，应保持pH在69之间。,为什么,pH,值影响酶活力？,？,酶的基本成分是蛋白质，是具有离解基团的两性电解质。它们的离解与pH有关，电离形式不同，催化性质也就不同，例如，蔗糖酶只有处于等电状态时才具有酶活性，在酸或碱溶液中酶的活性都要减弱或丧失。此外，酶的作用还决定于基质的电离状况。例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白质正离子，而胰蛋白酶则只能分解蛋白质负离子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶作用的最适pH分别在比等电点偏酸或偏碱的一边。,1.,人体内大多数酶的最适,pH,在,6.58.0,之间。,2.酶的最适,pH,不是酶的特征性常数。,3.,pH,对酶促反应速度的影响，是因为,pH,改变了酶分子中必需基团的解离状态，因此影响到活性中心的空间构象，进而影响酶的活性。此外底物和辅酶的解离状态也受环境,pH,的影响，从而影响酶与底物的结合，影响酶发挥催化作用。,注意：,3、,基质浓度,S,Michaelis&Menten,于,1913,年推导出反应速度与底物浓度的数学表达式，即著名的,米-门公式,。,米-门公式,：酶促反应速度,Vmax,:,酶促,最大反应速度,Km,：米氏常数,S,：基质浓度,S,浓度对反应速度的影响是酶促反应动力学的,重要内容。,S,浓度如何影响酶促反应？,？,米门公式图示,在一定范围内反应速度随基质浓度的提高而加快，但当基质浓度很大时，反应速度就与基质浓度无关了。,1.当,=1/2Vmax,时，,Km=S。,因此，,Km,等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。,Km,值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无关。,2.,Km,可以反映酶与底物亲和力的大小。,Km,越小，酶与底物的亲和力越大，反之,Km,越大，酶与底物的亲和力越小。,3.,Km,可以判断酶作用的最适底物。,Km,最小的底物为最适底物。,4,.,Vmax,是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。,Km与Vmax的意义:,4、,酶浓度,当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度,成正比,，即=kS。,酶浓度影响米,-,门公式中,和,V,的大小。,在水处理中，为了加快反应速度，往往需要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度，从而增加反应器的处理能力和速率。,米门公式更直接地把微生物与废水中有机物浓度联系了起来，故目前已较广泛地用于废水生物处理的计算中。,5、激活剂对反应速度的影响,使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称酶的激活剂。,激活剂分为必需激活剂和非必需激活剂。,有些酶在自然状况下它们是被抑制着的，要在一定条件下改变了其分子构造，才能发挥活性。酶的这种无活性的前身，称之为酶原。例如，胰蛋白酶原在肠激酶的作用下可被活化为胰蛋白酶，胃朊酶原在盐酸作用下可转变成胃朊酶。,6、,毒物或抑制剂,（1）可逆的,化学结构与基质相似，争先与酶结合，减少了酶与正式基质结合的机会。,又分为竞争性与非竞争性两类。,（2）不可逆的,与蛋白质化合形成不溶性盐类沉淀，破坏酶的作用。,如重金属盐类Fe,3+,、Hg,2+,、Ag,+,与带负电的酶蛋白结合沉淀。,微生物产生的酶的作用,极端微生物产生的具特殊功能的酶可用于洗衣粉等日用品的生产中；用于生物试剂生产（,Taq,酶-,高温 DNA 聚合酶来自一种特殊的耐高温细菌，俗称 Taq 酶,）;用于三废治理方面，脂肪酶净化生活污水，多酚氧化酶检出酚并可除去酚。,注意,：,将微生物和酶两者相区别。微生物的酶是微生物机体合成的。,衣服上的汗斑、奶渍和血迹等污渍里的蛋白质是大个的高分子，与纤维胶结得非常紧密，很难拆散。有一种叫做,碱性蛋自酶,的生物催化剂，它能“消化”顽固的蛋白质污垢，将大个的蛋白质分子拆开，变成能够溶解在水里的小分子。科学家把它掺在洗涤剂里，做成“加酶洗衣粉”，让洗衣粉增添了“消化”蛋白质污垢的本领，洗起衣服来去污效果特别好。不过，碱性蛋白酶需要适宜的温度才能大显身手。它在摄氏五十度时最活跃，“消化”蛋白质的能力最强，热到摄氏七八十度以上就失效了。因此，在加酶洗衣粉的说明书上特别标明：切忌用沸水冲溶！,有关微生物酶的几个概念：,1、酶制剂：从微生物体中分离出来制成的水溶性酶。,2、固相酶：水溶性酶经过理、化处理与载体结合形成。稳定性增加，可反复使用多次，寿命长。,3、固定化微生物细胞：把微生物细胞直接固定在载体上，免去酶分离提纯的工艺，,而最大限度地提高酶的效率。,第三节,细菌的呼吸,一,呼吸作用的本质,二,细菌的呼吸类型,三,细菌与氧气的关系,四,细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用,问题：,“,呼吸”,和,“呼吸作用”,有什么区别,？,“,呼吸”,是指生物体或细胞吸入氧气和呼出二氧化碳的过程，而,“呼吸作用”,是指细胞内有机物分解释放能量的过程。,细菌呼吸的概念：,细菌借助于体内的酶类，从物质的氧化还原过程中获得它所需要的能量的过程，称细菌的呼吸。,ATP,一、呼吸作用的本质,高等生物的呼吸作用,：需氧气呼吸,细菌的呼吸作用,：,需氧气呼吸,；不需氧气呼吸,？,1,呼吸作用的本质：,生物的,氧化,和,还原,的统一过程，即，在生物氧化中，呼吸基质,脱下,的,氢,和,电子,经载体传递，最终,交给受体,的生物学过程。,2,发生哪些生物学现象呢？（酶的催化）,复杂的有机物变成简单的物质,CO,2,、,H,2,O,等。,发生能量的转换（合成物质、维持生命活动）。,产生中间产物（继续分解、作为原料合成机体物质。,吸收、同化各种营养。,二、细菌的呼吸类型,1、根据与氧气的关系，细菌的呼吸,类型,，分为：,专性需氧,微需氧,兼性厌氧,厌氧,专性厌氧,专性需氧菌：,需充足,O,2,，,生长于表面,.,。,微需氧菌：,需低浓度,O,2,，,生长于表面以下数,mm,处。,兼性厌氧菌：,生长于整个培养基中。,厌氧菌和专性厌氧菌：,生长于培养基底部。,各型细菌呼吸特点,2、以电子受体的不同划分类型,1,、好氧细菌呼吸作用,2,、厌氧细菌呼吸作用：可分成二种类型：,分子内无氧呼吸,和,分子外无氧呼吸,。,（1）好氧呼吸,respiration,反应图式,好氧呼吸作用过程是氧化酶、脱氢酶、细胞色素,(,电子递体,),和氧气参加下进行的。首先是营养物质,(,基质,),中的氢被脱氢酶脱下，从基质中脱下的电子交给辅酶或辅基，再通过电子呼吸链,(,或称传递链,),的传递与氧结合。氧化酶活化分子氧并与电子结台成水。因此好氧呼吸的最终电子受体是游离的氧。在这个过程中放出能量。,举例:,自养微生物硫磺细菌氧化,H,2,S,（无机物,）,：,H,2,S,+2,O,2,H,2,SO,4,+ATP,异养微生物大肠杆菌氧化,葡萄糖（有机物）,：,C,6,H,12,O,6,+6,O,2,6CO,2,+6,H,2,O,+ATP,在好氧呼吸过程中，基质被氧化较彻底，获得的,ATP,多,，最终产物积累少。,活性污泥法,处理有机废水，即采用,好氧呼吸,。,（2）,厌,氧呼吸,anaerobic respiration,反应图式,厌氧细菌只具有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，基质中的氢被脱氢酶活化，从基质中脱下来的氢经辅酶传递给氧以外的有机物或无机物，使其还原。于是一个物质被氧化，一个物质被还原，存这个过程中也释放出能量。,最终电子受体：,除氧气以外的物质,有机物,（小分子）,无机物,（,NO,3,-,、,NO,2,-,、,SO,4,=,、,CO,2,=,）,A 分子内无氧呼吸类型（又称发酵）,在厌氧呼吸过程中，大多数情况是基质失去氢被氧化，其产物接受氢被还原。所以有分子内呼吸之称。这种分子内的无氧呼吸也称为发酵。其代谢反应就是,EMP,途径。在整个过程中基质氧化不彻底，在其最终代谢产物中有的还可以燃烧，还含有相当的能量，故释放出的能量较少,(,有氧氧化的最终产物是含能量最低的二氧化碳和水，故释放的能量多,),。,最终电子受体,：,小分子有机物,常见的发酵有,乳酸发酵,乙醇发酵,厌氧呼吸可分成二种类型：,乳酸菌在无氧情况下，利用糖生成乳酸是典型的分子内无氧呼吸，其作用过程如下：,在上述反应中，产物是乳酸，氧化不彻底，所以释放的能量少。由此可见，厌氧微生物在进行生命活动的过程中，为了满足能量的需要，消耗的基质要比好氢微生物多。但它们在厌氧呼吸过程中能积累大量中间产物。,乙醇发酵（生产酒精）,葡萄糖,3,磷酸甘油醛,1,，,3,二磷酸甘油酸,2NAD,2NADH,2,丙酮酸,脱羧酶,乙醛,乙醇,ATP,CO,2,底物：葡萄糖,最终电子受体：乙醛（代谢的中间产物）,产能量少（2个ATP)，大部分储存在乙醇中。,B 分子外无氧呼吸类型,(,无氧呼吸）,分子外无氧呼吸类型最终电子受体：无机物（,NO,3,-,、,NO,2,-,、,SO,4,=,、,CO,2,=,）,某些特殊营养和代谢类型的细菌在无氧时，由于它们具有特殊的氧化酶，能使某些无机氧化物如硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等中的氧活化而作为电于受体，接受基质中被脱下的电子。例如反硝化细菌可以利用硝酸中的氧作为受氢体。,又如产甲烷细菌：,（3）,兼性细菌呼吸,facultative,respiration,兼性细菌或兼性微生物在有氧和无氧条件下都能生活，在有氧时同好氧微生物一样进行好氧呼吸，在无氧时进行厌氧呼吸。,例如，酵母菌对葡萄糖的作用：,在有氧条件下,在无氧条件下:在无氧环境中释放的能量较少,微生物呼吸过程中的能量问题,微生物进行生命活动需要的能量都是通过菌体的酶类催化分解、氧化各种营养物质取得的。微生物呼吸过程中,分解、氧化,各种营养物都是,放能反应,。微生物体内各种物质的,合成,过程则是,需能反应,。,化能自养微生物通过呼吸作用，氧化各种无机物质获得能量。而异养微生物通过呼吸作用，氧化各种有机物质获得能量。,微生物在呼吸过程中，氧化各种物质时产生的能量能不能全部被微生物利用呢?,？,不能。但它们的利用率是相当高的(一般在4060)，而一般机器的能量利用率只有20左右。,为什么微生物,有这样高的能,量利用率呢?,？,因为微生物体内有一套完善的能量转移系统,三、,代谢产物,微生物从环境中吸收了营养物质，获得了能量，在细胞中借酶的作用起了种种变化，结果使得一部分养料同化为细胞物质或贮存在体内的养料，另外它又将一些无用的或多余的物质排泄到体外环境中去。,代谢产物大致有下列几种：,1,、气体状态,如二氧化碳、氢、甲烷、硫化氢、氨及一些挥发酸等。前面一些多为糖类发酵的产物，后者则多为蛋白质的分解产物。,2,、有机代谢产物,有机代谢产物可分为简单的有机代谢产物和复杂的有机代谢产物两类。,3,、分解产物,复杂的有机物质，如蛋白质、纤维素等需先经胞外酶分解为较简单的物质后才能被吸收利用。但经酶分解出来的物质有时超过被微生物所吸收利用的，因而在基质上可以找到这些所谓分解产物，如蛋白陈、氨基酸、纤维二糖等。,4,、其它,有不少自养微生物可以在它们生长过程中产生氢、亚硝配盐、硝酸盐和硫酸盐等。,四、细菌的呼吸类型在废水生物处理中的应用,1、好氧生物处理（活性污泥法、生物膜法）,优点是氧化速率快，产物无机化程度高，反应容器小；缺点是供氧耗能和运转费用较高。,2、,厌氧生物处理（高浓度有机废水、有机污泥硝化）,优点是不加氧源，不耗能，运转费用低；缺点是氧化不够彻底，有臭气；净化时间较长；反应容器较大。,第四节 其它环境因素对细菌生长的影响,专业术语,灭菌：,消毒,防腐,无菌操作,无菌,应用及研究,彻底杀灭,灭菌,(,杀菌、溶菌,),部分杀灭,消毒,抑制霉腐微生物,防腐,抑制宿主体内的病菌,化疗,杀灭,抑制,1,灭菌(sterilization)：用理化方法杀死物体表面及内部所有微生物（包括芽孢）的过程,灭菌剂,2,消毒（disinfection)：用理化方法杀死病原微生物的措施。消毒剂,3,防腐（antisepsis)：用理化方法抑制霉腐微生物生长的措施(理化因素）。,防腐剂（抑菌剂）,4,无菌操作,：,防止微生物进入物体的技术。,5,无菌,：,指没有活的微生物（包括芽孢）存在。,概 念,本节主要内容,一 温度,二 氢离子浓度,三 氧化还原电位,四 水分,五 渗透压,六 光线,七 化学药剂,1、温度,所有的微生物生长有三种基本温度,最低生长温度,最适生长温度,最高生长温度,下限,上限,最适温,温度,一定时间内的生长量,是否所有的微生物的生活温度都一样呢？,？,不,根据最适生长温度分类细菌（微生物）,1 低温型微生物 psychrophiles（嗜冷微生物）,2 中温型微生物 mesophiles（嗜温微生物）,3 高温型微生物 thermophiles（嗜热微生物）,低温型微生物,psychrophiles,（,-5,+30,）,雪藻,专性,：环境温度不超过,20,。两极地区极端嗜冷微生物。,兼性,：河流、湖泊，适温,10,20,。,中温型微生物 mesophiles（5-50）,最适温范围,25,30,。,分布：土壤、植物、温血动物及人体中的微生物大部分属于该类型。,大肠杆菌、伤寒杆菌、痢疾杆菌等,高温型微生物,thermophiles,（,25 80）,热泉中的细菌,污泥消化,的高温厌氧处理利用该类菌,最适温度,50,60,。极端嗜热微生物最适温度,70,90,（温泉、火山喷口）,分布：堆肥、沼气、发酵池。,高温灭菌,高温为什么会杀死细菌呢?,细菌细胞的基本组成是蛋白质。蛋白质对高温有不耐热性。而细菌营养与呼吸过程中必不可少的生物催化剂酶也是蛋白质，也具有不耐热性。蛋白质一旦受到高温，其结构会受到严重破坏发生凝固，细菌就死去。,？,湿热灭菌特点：温度低、时间短、灭菌效果好。,？,在同样温度下,湿热灭菌的效果比干热好,原因是:,(1)湿热中菌体吸收水份,蛋白质较易凝固。湿热易破坏细胞内蛋白质大分子的稳定性，主要破坏氢键结构。(2)湿热比干热穿透力好,这主要是由于水或饱和水蒸汽传导热能的效率明显高于空气。蒸汽容易穿透到物体的深部,使灭菌的物体内部温度迅速上升。(3)蒸汽有潜热存在。每一克水在100时,由气态变为液态可放出529卡的热量。当蒸汽与被灭菌的物体接触时凝结成水,放出潜热,能迅速提高灭菌物体的温度。,低温抑菌,至于低温，当低到零度、细菌也不致死亡，只有在频繁的反复结冰和解冻，才会使细胞受到破坏而死去。但是低温将降低细菌的代谢活力，通常在5以下，细菌的代谢作用就大大受阻，成休眠状态，只能维持生命而不发育，所以在实验室中常利用冰箱保存菌种。一般以4左右为保存菌种的适宜温度。,酶在低温下仍起作用,微生物质膜中不饱和脂肪酸含量高(低温下仍保持半流体状态),低温下微生物为什么能生存？,？,注：,温度的调整对工业废水生物处理意义重大。,2、氢离子浓度,（,pH,值）,1、细 菌：pH 7.0-7.6,2、酵母、霉菌:pH 5-6,3、放 线 菌:pH 7.6-8,微生物生活的PH在4.010.0之间,微生物在酸性太强或碱性太强的环境里，一般不能生活。,工业废水的pH值过高或过低应该加以,中和,，作适当调整。,1 配制培养基时调节好pH，适于培养的微生物需要。,2 培养基中的蛋白胨、氨基酸有一定的缓冲能力。,3 加入缓冲物质磷酸盐、碳酸盐等,？,注：,pH的调整对工业废水生物处理意义重大。,3、氧化还原电位,（,ORP,),-,E,值,什么是氧化还原电位？,某物质与氢电极构成原电池时的电压高低,反映改物质氧化性强弱。,通常如何测定水样的氧化还原电位？,pH测定仪mv档，其中一个惰性的铂丝电极与一个参比电极（如甘汞电极）,提问：,影响水样氧化还原电位的因素有哪些？,氧化性物质,（主要是氧气浓度）,与还原性物质,（有机物、H,2,S等）,的含量。,氧化还原电位与氧气多少有关，成正比。,氧气含量高，E值高；氧气含量低，E值低。,好氧微生物,大于0.1V 生长。,0.30.4V 最适宜,厌氧微生物,低于0.1V 生长,兼性厌氧微生物,大于0.1V 好氧生活,小于0.1V 厌氧生活,不同细菌适宜的氧化还原条件,：,好氧活性污泥法：,控制在200600mV是正常的,提问：过低过高如何调节？改变曝气力度,厌氧污泥或污水处理系统：,控制在100200mV，过高，将不利于厌氧细菌的生长，应改进工艺降低水中溶解氧量。,E值在废水处理中的,应用,4、,干燥,微生物细胞含有大量水分。生活在水分大的环境中。,过于干燥，细菌不能生长。但细菌的,芽孢,和微生物的,孢子,耐干燥能力强，在干燥环境中可以保存几十年。,用干燥保存食品，防止物品腐败。,烘干、晒干、薰干。,5、渗透压,10%,NaCl NaCl,半透性,水分子自由通过，其余分子扩散速度受限,渗透压,是不同溶液被半透膜隔离开时，由于,膜半透性及两侧水分子浓度差异形成的水压,。,有半透膜,左,水分子净通量0,右,侧液位，直至平衡,没有半透膜,液位不变，,盐扩散,V,水扩散,V,衡量方法：通常以一定浓度溶液与纯水间形成的渗透压作为该溶液的渗透压,提问：水将从,渗透压一方流向,渗透压的一方？低、高,渗透压,可影响细菌生存：,（1）相同渗透压溶液中,细菌细胞内水含量稳定，,细菌生活得最好。,等渗透压溶液,085的食盐(NaCl)溶液,（,生理盐水）,。,常作为进行细菌稀释分离的稀释液。,（2）高渗透压溶液中,提问：哪些是高渗透压溶液？细菌会发生什么现象？,浓溶液：质壁分离,防腐（细菌滋生）,如用,530%的盐水,腌咸菜、咸鱼，用,6080%的糖溶液,做蜜饯等。,海洋对各种病原菌（淡水菌）的杀灭,高含盐废水（如油田采出水）难于生物处理的原因,提问：如何解决？,冲稀,;,防垢剂,;,细菌基因改造；,（3）低渗透压溶液,提问：,细菌于其中会如何？如纯水,外界大量水流入细菌细胞内，细胞膨胀，甚至破裂。,综合以上几点，,在微生物实验室中稀释菌液，应该用0.85%生理盐水(除非稀释后马上就用的可以用无菌的蒸馏水。),6、光线,日光中的,紫外线,杀菌,。,（1）杀菌波长范围：,240300nm。最强作用波长,265266nm。,（2）杀菌原理：,（1）作用于,相邻的,胸腺嘧啶（T）,，,形成,二聚体,引起DNA结构变形，阻碍正常的碱基配对，从而造成菌的变异或死亡.（光复活酶可修复，,避光操作,）,（2）有氧时，使氧变为新生态氧,O杀菌。,（3）应用：,表面消毒或空气灭菌、浅层水的灭菌。,育种的诱变剂,不能穿透玻璃。,7、化学药剂,（1）,强氧化剂,氧化细菌的,细胞物质,，正常,代谢,受阻，死亡,。,0.1%KMnO,4,，公共茶具、水果,0.51%,的漂白粉、液氯，饮水、游泳池