微生物的生理II.pptx

第四章第四章 微生物的生理微生物的生理本章重点本章重点为微生物的营养和产能代谢为微生物的营养和产能代谢本章难点本章难点为微生物的产能代谢为微生物的产能代谢 理解酶的物质基础与结构特点理解酶的物质基础与结构特点 掌握微生物的营养类型掌握微生物的营养类型和培养基和培养基 理解营养物质进入细胞的方式理解营养物质进入细胞的方式 理解微生物的产能形式理解微生物的产能形式 理解化能自养微生物的合成代谢理解化能自养微生物的合成代谢五、培养基的类别五、培养基的类别1、按照培养基组成物的性质可把培养基分为：、按照培养基组成物的性质可把培养基分为：合合合合成成成成培培培培养养养养基基基基：各各成成分分是是已已知知结结构构的的纯纯化化学学物物质质，成成分分精精确确，重重复复性性强强，但但价价格格相相对对昂昂贵贵，微微生生物物生生长长较较慢慢。一一般般适适合合在实验室使用。在实验室使用。天天天天然然然然培培培培养养养养基基基基：用用天天然然有有机机物物配配制制而而成成，如如肉肉汁汁、酵酵母母浸浸汁汁、玉玉米米粉粉、牛牛奶奶、血血清清等等。比比较较经经济济，适适宜宜在在生生产产上上大大规规模模培养和生产。培养和生产。复合培养基复合培养基复合培养基复合培养基：天然有机物和无机化合物配制：天然有机物和无机化合物配制2、按培养基的物理性状、按培养基的物理性状 根根据据培培养养基基制制成成后后的的物物理理状状态态，分分为为三三类类：固固体体培培养养基基、半半固固体体培培养养基基、液液体体培培养养基基。以以培培养养基基中中凝凝固固剂剂有有无无和和含含量量多多少少来来划划分分，常常用用的的凝凝固固剂剂有有琼琼脂脂、明明胶胶、硅胶。硅胶适宜用于分离与培养自养型微生物。硅胶。硅胶适宜用于分离与培养自养型微生物。（1）液液液液体体体体培培培培养养养养基基基基：不不加加凝凝固固剂剂。用用于于实实验验室室及及微微生生物物大大规模的工业生产。规模的工业生产。（2）半固体培养基半固体培养基半固体培养基半固体培养基：含少量（：含少量（0.30.5）凝固剂。）凝固剂。（3）固固固固体体体体培培培培养养养养基基基基：含含较较多多（1.52.0）凝凝固固剂剂。用用于于菌种分离纯化、鉴定、保种等。菌种分离纯化、鉴定、保种等。3、按培养基对微生物的功能和用途分类按培养基对微生物的功能和用途分类（1）基础培养基）基础培养基牛牛肉肉膏膏+蛋蛋白白胨胨+NaCl，pH偏偏碱碱性性，大大多多数数微微生生物物都都可可生长生长（2）选择培养基）选择培养基是是根根据据某某种种或或某某一一类类群群微微生生物物的的特特殊殊营营养养需需要要或或对对某某种种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。加加入入某某种种化化合合物物，可可以以从从微微生生物物群群体体中中分分离离出出抗抗此此化化合合物的微生物，如：物的微生物，如：加入胆汁酸盐（麦康盖培养基）加入胆汁酸盐（麦康盖培养基）G+被抑制，被抑制，G-生长生长加入几滴加入几滴10%酚酚细菌、霉菌被抑制，放线菌可生长细菌、霉菌被抑制，放线菌可生长加入青霉素、四环素、链霉素加入青霉素、四环素、链霉素细菌、放线菌被抑制，酵母细菌、放线菌被抑制，酵母菌和霉菌可被分离菌和霉菌可被分离（3）鉴别培养基鉴别培养基指指在在普普通通培培养养基基里里加加入入某某种种试试剂剂或或化化学学药药品品的的培培养养基基，某某种种微微生生物物生生长长后后可可以以产产生生某某种种代代谢谢产产物物，与与培培养养基基中中的的特特定定试试剂剂或或化化学学药药品品起起反反应应，产产生生某某种种明明显显的的特特征征性性变变化化，由此可将此种微生物与其他微生物分别开。由此可将此种微生物与其他微生物分别开。明胶培养基明胶培养基是否液化明胶是否液化明胶硝酸盐肉汤培养基硝酸盐肉汤培养基是否有硝酸盐还原作用是否有硝酸盐还原作用醋酸铅培养基醋酸铅培养基是否产生是否产生H2SEMB培培养养基基（伊伊红红美美蓝蓝琼琼脂脂培培养养基基）是是否否有有肠肠道道致病菌致病菌（4）加富培养基）加富培养基指指在在普普通通培培养养基基中中加加入入血血、血血清清、动动物物（或或植植物物）组组织织液液或或其其他他营营养养物物质质（或或生生长长因因子子）的的一一类类营营养养丰丰富富的的培培养养基基。用用来来培培养养数数量量少或营养要求苛刻的某种或某类菌。少或营养要求苛刻的某种或某类菌。六、营养物质进入微生物细胞的方式六、营养物质进入微生物细胞的方式对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说，营养物质通过对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说，营养物质通过细胞膜进入细胞的问题，是一个较复杂又很重要的生理学细胞膜进入细胞的问题，是一个较复杂又很重要的生理学问题。问题。细胞壁在营养物质运送上不起多大作用，仅简单地排阻分细胞壁在营养物质运送上不起多大作用，仅简单地排阻分子量过大的溶质的进入，细胞膜则是控制营养物进入和代子量过大的溶质的进入，细胞膜则是控制营养物进入和代谢产物排出的主要屏障。谢产物排出的主要屏障。细胞膜以四种方式控制物质的运送，即细胞膜以四种方式控制物质的运送，即单纯扩散单纯扩散（被动扩（被动扩散）、散）、促进扩散促进扩散、主动运输主动运输和和基团转位基团转位，其中尤以主动运，其中尤以主动运输为最重要。输为最重要。（一）单纯扩散一）单纯扩散一）单纯扩散一）单纯扩散 simplediffusionsimplediffusion 也也称称被被动动扩扩散散，是是一一个个物物理理扩扩散散作作用用。被被输输送送物物质质靠靠细细胞胞内内外外的的浓浓度度梯梯度度为为动动力力，通通过过细细胞胞质质膜膜中中含含水水的的小小孔孔从从高高浓浓度度区区域域向向低低浓浓度度区区域域扩扩散散，直直到到两两边边浓浓度度相相等等为为止止，这个过程不消耗能量，但扩散速度慢。这个过程不消耗能量，但扩散速度慢。物质在扩散过程中没有发生任何反应；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；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，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、一些气体脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。（二）促进扩散（二）促进扩散facilitateddiffusion与与单单纯纯扩扩散散的的方方式式相相类类似似，也也是是以以物物质质的的浓浓度度梯梯度度为为动动力力，不不需需要要代代谢谢能能量量。不不同同在在于于有有载载体体蛋蛋白白的的参参加加。这这种种载载体体蛋蛋白白与与营营养养物物质质之之间间存存在在一一种种亲亲和和力力，这这种种亲亲和和力力在在细细胞胞膜膜内内外外表表面面不不同同，在在外外表表面面亲亲和和力力大大，内内表表面面亲亲和和力力小小，通通过过这这种种亲亲和和力力大大小小的的变变化化达达到到运运输输的的目目的的。由由于于有载体蛋白的参加，扩散速度比单纯扩散快。有载体蛋白的参加，扩散速度比单纯扩散快。载载体体蛋蛋白白有有类类似似酶酶的的特特异异性性，因因此此也也叫叫渗渗透透酶酶，如如葡葡萄萄糖糖载载体体只只运运送送葡葡萄萄糖糖。这这些些酶酶大大都都是是一一些些诱诱导导酶酶，只只是是在在环境中存在机体生长所需要的物质时，这些酶才合成。环境中存在机体生长所需要的物质时，这些酶才合成。（三）主动运输（三）主动运输activetransport它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输和载体，而且可以进行逆浓度运输。逆逆浓浓度度梯梯度度将将细细胞胞外外营营养养物物质质转转送送到到细细胞胞内内，需需要要渗渗透透酶酶和和消消耗耗能能量量，渗渗透透酶酶在在这这过过程程中中起起到到改改变变平平衡衡的的作作用用。渗渗透透酶酶有有三三种种：单单向向转转运运载载体体、同同向向转转运运载载体体、反反向向转转运运载体。载体。作用机制：作用机制：1、Na+-K+泵主动运输泵主动运输 消耗消耗ATP驱动驱动Na+-K+泵向细胞外排泵向细胞外排Na+，每排出每排出3个个Na+，吸进，吸进2个个K+，从而使膜内外建，从而使膜内外建立电位差，促使立电位差，促使Na+又从膜外向膜内转移。又从膜外向膜内转移。葡萄糖葡萄糖-Na同向转运载体同向转运载体葡萄糖和葡萄糖和Na+分别与同向转运载体的两个位点结合，由同向分别与同向转运载体的两个位点结合，由同向转运载体携带进入细胞，氨基酸也可通过此种方式运送转运载体携带进入细胞，氨基酸也可通过此种方式运送3、H+浓度梯度主动运输浓度梯度主动运输好好氧氧微微生生物物吸吸收收营营养养的的主主要要方方式式。在在呼呼吸吸或或ATP作作用用下下，好好氧氧微微生生物物将将大大量量H+排排到到细细胞胞外外，使使膜膜内内外外形形成成H+浓浓度度差差，此此为为驱驱动动力力，使使K+等等阳阳离离子子单单向向运运送送入入胞胞，阴阴离离子子与与H+同向转运入胞。中性糖和氨基酸也可由此方式入胞。同向转运入胞。中性糖和氨基酸也可由此方式入胞。通通过过主主动动运运输输进进入入细细胞胞的的物物质质有有氨氨基基酸酸、糖糖、无无机机离离子、硫酸盐、磷酸盐及有机酸等。子、硫酸盐、磷酸盐及有机酸等。2、离子浓度梯度主动运输、离子浓度梯度主动运输消耗消耗ATP建立离子浓度梯度，通过反向转运载体完成建立离子浓度梯度，通过反向转运载体完成H+和和Na+、K+的运输。即的运输。即Na+的进入胞内伴随的进入胞内伴随H+的排出的排出（四）基团转位（四）基团转位grouptransport一一般般来来说说，物物质质通通过过膜膜运运送送时时，不不需需要要化化学学修修饰饰，但但有有些些物物质质如如糖糖在在通通过过细细菌菌细细胞胞膜膜时时需需要要进进行行磷磷酸酸化化反反应应加加入入一一个个磷磷酸酸基基团团，以以糖糖-磷磷酸酸的的形形式式才才能能通通过过细细胞胞膜膜，称称为为基团转运。基团转运。最最明明显显的的例例子子是是在在大大肠肠杆杆菌菌中中发发现现的的磷磷酸酸转转移移酶酶系系统统，全全称称磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸转转磷磷酸酸化化酶酶系系统统（PTs系系统统，phosphoenolpyruvate-linkedphosphotransferasesystem），包包括括酶酶I、酶酶II和和热热稳稳定定蛋蛋白白（HPr，heat-stableprotein）。烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸PEP是是磷磷酸酸基基的的供供体体，HPr是是磷磷酸酸基基的的载载体体，这个过程包括两个独立的反应：这个过程包括两个独立的反应：PEP+HPrHPr-p+丙酮酸丙酮酸（酶（酶I催化）催化）HPr-p+糖糖糖糖-p+HPr（酶（酶II催化）催化）通过基团转位进入细胞的物质有糖（葡萄糖、果糖、通过基团转位进入细胞的物质有糖（葡萄糖、果糖、甘露糖及糖的衍生物）、嘌呤与嘧啶（大肠杆菌和鼠伤寒甘露糖及糖的衍生物）、嘌呤与嘧啶（大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌）。沙门氏菌）。酶酶I是非特异性的，使是非特异性的，使HPr磷酸化。酶磷酸化。酶II是一类结合在膜是一类结合在膜上的特异性酶，外界的糖与特定的酶上的特异性酶，外界的糖与特定的酶II结合，引起酶的变构，结合，引起酶的变构，将糖送入膜的内侧进行磷酸化，由于细胞膜对大多数磷酸化将糖送入膜的内侧进行磷酸化，由于细胞膜对大多数磷酸化的化合物有高度的不渗透性，所以磷酸化的糖一旦形成就被的化合物有高度的不渗透性，所以磷酸化的糖一旦形成就被截留在细胞内。截留在细胞内。四种运送营养方式的比较四种运送营养方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白无无有有有有有有运送速度运送速度慢慢快快快快快快溶质运送方向溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度平衡时内外浓度内外相等内外相等内外相等内外相等内部高内部高内部高内部高运送分子运送分子无特异性无特异性特异性特异性特异性特异性特异性特异性能量消耗能量消耗不需要不需要不需要不需要需要需要需要需要运送前后溶质分子运送前后溶质分子不变不变不变不变不变不变改变改变载体饱和效应载体饱和效应无无有有有有有有与溶质类似物与溶质类似物无竞争性无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂运送抑制剂无无有有有有有有运送对象举例运送对象举例水、甘油乙水、甘油乙醇、醇、O2、CO2糖、糖、SO42-、PO43-氨基酸、乳糖氨基酸、乳糖等糖类，少量等糖类，少量无机离子无机离子葡萄糖、果糖、葡萄糖、果糖、嘌呤、嘧啶等嘌呤、嘧啶等第三节第三节 微生物的产能代谢（能量微生物的产能代谢（能量代谢）代谢）一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能微微生生物物的的生生物物氧氧化化本本质质是是氧氧化化还还原原反反应应，这这过过程程中中有有能能量量的的产产生生和和转转移移、还还原原力力H的的产产生生、小小分分子子中中间间代代谢谢物的产生。物的产生。微微生生物物产产生生各各种种能能量量如如电电能能、化化学学能能、机机械械能能、光光能能等等。在在所所产产生生的的能能量量中中，一一部部分分变变为为热热量量丧丧失失，一一部部分分供供给合成反应和生命活动，另一部分贮存在给合成反应和生命活动，另一部分贮存在ATP中。中。微微生生物物的的能能源源主主要要包包括括有有机机物物、无无机机物物和和日日光光，能能量量代代谢谢的的主主要要内内容容就就是是研研究究微微生生物物如如何何利利用用这这三三类类能能源源转转化化为为ATP的。的。ATP的生成方式有：的生成方式有：1、基基质质（底底物物）水水平平磷磷酸酸化化：厌厌氧氧或或兼兼性性厌厌氧氧微微生生物物在在基基质质氧氧化化过过程程中中，产产生生一一个个含含有有高高能能键键的的中中间间物物，将将高高能能键键转转移移到到ADP，成成为为ATP，如如1，3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸和和磷磷酸酸烯烯醇醇式丙酮酸。式丙酮酸。2、氧氧化化磷磷酸酸化化：是是主主要要的的能能量量来来源源。氧氧化化磷磷酸酸化化作作用用是是将将生生物物氧氧化化过过程程中中释释放放出出的的自自由由能能转转移移而而使使ADP形形成成高高能能ATP的的作作用用，能能量量的的转转移移通通过过电电子子传传递递链链实实现现，ATP的的生生成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。氧化磷酸化的全过程可表示为：氧化磷酸化的全过程可表示为：NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+4H2O+3ATP电电子子传传递递体体系系：由由NAD或或NADP、FAD或或FMN、辅辅酶酶Q、细胞色素细胞色素b、c、a、a3组成。组成。电电子子传传递递链链的的位位置置：原原核核生生物物中中电电子子传传递递链链与与细细胞胞质质膜膜相连，真核微生物在线粒体上。相连，真核微生物在线粒体上。基基本本功功能能：a、接接受受电电子子供供体体释释放放出出的的电电子子，电电子子沿沿各各组组分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；b、合成、合成ATP。ADP+PiATP1/2 O2H2O呼呼吸吸链链e-HH+e-O23、光光合合磷磷酸酸化化：光光引引起起叶叶绿绿素素、菌菌绿绿素素或或菌菌紫紫素素逐逐出出电电子子，通过电子传递产生通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。的过程叫光合磷酸化。非循环式光合磷酸化：光照后，激态叶绿素分子从非循环式光合磷酸化：光照后，激态叶绿素分子从H2O得得到电子传递给到电子传递给NADP+，经过电子传递链后产生，经过电子传递链后产生ATP：2H2O+2NADP+2ADP+2Pi2NADPH+2H+2ATP+O2环式光合磷酸化中电子循环流动，整个过程中只有环式光合磷酸化中电子循环流动，整个过程中只有ATP的产生不伴随的产生不伴随NADPH的生成，不产生的生成，不产生O2。二、生物氧化类型与产能代谢二、生物氧化类型与产能代谢微微生生物物的的呼呼吸吸类类型型有有三三类类：发发酵酵、好好氧氧呼呼吸吸和和无无氧氧呼呼吸吸，三三者者不不同同在在于于电电子子最最终终受受体体的的不不同同。发发酵酵是是某某些些有有机机物物，好好氧氧呼呼吸吸是是O2，无无氧氧呼呼吸吸是是氧氧以以外外的的无无机机化化合合物物，如如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及及CO2等。等。（一）发酵（一）发酵在无外在电子受体时，微生物氧化一些有机物。有机物仅在无外在电子受体时，微生物氧化一些有机物。有机物仅发生部分氧化，以中间代谢产物为最终电子受体，释放能发生部分氧化，以中间代谢产物为最终电子受体，释放能量。发酵是不彻底的氧化作用，其结果仍积累某些有机物。量。发酵是不彻底的氧化作用，其结果仍积累某些有机物。糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。在缺氧条件下的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成进入三羧酸循环，生成CO2和和H2O。在发酵过程中，供给微生物发酵的基质通常是多在发酵过程中，供给微生物发酵的基质通常是多糖分解而来的单糖，其中葡萄糖是发酵上常用的基质。糖分解而来的单糖，其中葡萄糖是发酵上常用的基质。葡萄糖的逐步分解称葡萄糖的逐步分解称糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解（即（即EMP途径）。途径）。糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径。代谢途径。（1 1）葡萄糖形成葡糖）葡萄糖形成葡糖-6-6-磷酸。磷酸。（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。（3 3）果糖）果糖-6-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1-1，6-6-二磷酸。磷酸果糖激酶是二磷酸。磷酸果糖激酶是EMPEMP途径中的一途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMPEMP途径。途径。（4）果糖）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成磷酸二羟丙酮和甘油醛化下，分裂成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸两个磷酸两个丙糖磷酸分子。丙糖磷酸分子。（5 5）磷酸二羟丙酮在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘）磷酸二羟丙酮在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛油醛-3-3-磷酸。磷酸。（6 6）甘油醛）甘油醛-3-3-磷酸在甘油醛磷酸在甘油醛-3-3-磷酸脱氢酶的催化下产磷酸脱氢酶的催化下产生生1 1，3-3-二磷酸甘油酸。二磷酸甘油酸。（7）1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成成3-磷酸甘油酸。磷酸甘油酸。（8 8）3-3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-2-磷酸甘油酸。磷酸甘油酸。（9 9）2-2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。（1010）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸。生了丙酮酸。反反应应总总反反应应式式：葡葡萄萄糖糖+2ADP+2NAD+2Pi2丙丙酮酮酸酸+2ATP+2NADPH+2H+丙酮酸是各种微生物糖酵解的产物，丙酮酸在各种微丙酮酸是各种微生物糖酵解的产物，丙酮酸在各种微生物发酵作用下，生成各种终产物。生物发酵作用下，生成各种终产物。不同的发酵类型及其有关微生物不同的发酵类型及其有关微生物不同的发酵类型及其有关微生物不同的发酵类型及其有关微生物发酵类型发酵类型发酵类型发酵类型产物产物产物产物微生物微生物微生物微生物乙醇发酵乙醇发酵乙醇、乙醇、CO2酵母菌属（酵母菌属（Saccharomyces)乳酸同型发酵乳酸同型发酵乳酸乳酸乳酸细菌属（乳酸细菌属（Lactobacillus)乳酸异型发酵乳酸异型发酵乳酸、乙酸、乙醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2明串球菌属（明串球菌属（Leuconostoc)混合酸发酵混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2、H2大肠埃希氏菌（大肠埃希氏菌（Escherichia coli)丁二醇发酵丁二醇发酵丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2 肠道杆菌（肠道杆菌（Aerobacter)丁酸发酵丁酸发酵丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌（丁酸梭菌（Clostridium)丙酮丙酮-丁酸发酵丁酸发酵丁醇、丙醇、乙醇丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌属丙醇丁醇梭菌属（Clostridium)丙酸发酵丙酸发酵丙酸丙酸丙酸杆菌属丙酸杆菌属（Propionibacterium)VPVP试试验验可可区区别别产产气气肠肠道道杆杆菌菌和和大大肠肠埃埃希希氏氏菌菌。大大肠肠杆杆菌菌可可进进行行混混合合酸酸发发酵酵，产产生生琥琥珀珀酸酸、甲甲酸酸、乙乙酸酸、乳乳酸酸等等有有机机酸酸。产产气气肠肠道道杆杆菌菌也也进进行行混混合合酸酸发发酵酵，其其丙丙酮酮酸酸经经缩缩合合脱脱羧羧而而形形成成3-3-羟羟基基丁丁酮酮（乙乙酰酰甲甲基基甲甲醇醇），它它可可还还原原为为丁丁二二醇醇称称丁丁二二醇醇发发酵酵，也也可可在在碱碱性性条条件件下下被被氧氧化化成成乙乙二二酰酰，乙乙二二酰酰与与精精氨氨酸酸所所含含的的胍胍基基起起作作用用生生成成红红色色化化合合物物，即即VPVP试验阳性。试验阳性。VP VP VP VP 试验（试验（试验（试验（Voges-Proskauer testVoges-Proskauer test；福格斯；福格斯-普罗斯考尔普罗斯考尔试验试验）：微生物检验中常用的生化反应之一。某些细菌：微生物检验中常用的生化反应之一。某些细菌在葡萄糖蛋白胨水培养基中能分解葡萄糖产生丙酮酸，在葡萄糖蛋白胨水培养基中能分解葡萄糖产生丙酮酸，丙酮酸缩合，脱羧成乙酰甲基甲醇，后者在强碱环境下，丙酮酸缩合，脱羧成乙酰甲基甲醇，后者在强碱环境下，被空气中氧氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨中的胍基生被空气中氧氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨中的胍基生成红色化合物，称成红色化合物，称V VP P（+）反应。）反应。甲基红试验甲基红试验:甲基红是甲基红是pH指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸较多，较多，pH可低至可低至4.2，用甲基红指示剂可显示出来，而丁，用甲基红指示剂可显示出来，而丁二醇是中性化合物，反应阴性。二醇是中性化合物，反应阴性。阳阳性性阴阴性性对对照照大肠杆菌：大肠杆菌：+产气杆菌：产气杆菌：-（二）好氧呼吸（二）好氧呼吸好好氧氧呼呼吸吸是是一一种种最最普普遍遍和和最最重重要要的的生生物物氧氧化化方方式式，当当存存在在外外在在的的最最终终电电子子受受体体分分子子氧氧时时，底底物物可可全全部部氧氧化化成成二二氧氧化化碳碳和和水水，产产生生ATP，这这一一氧氧化化作作用用称称为为好好氧呼吸（或呼吸作用）。氧呼吸（或呼吸作用）。葡葡萄萄糖糖通通过过糖糖酵酵解解产产生生的的丙丙酮酮酸酸，在在有有氧氧条条件件下下，将将进进入入三三羧羧酸酸循循环环进进行行完完全全氧氧化化，生生成成H2 2O和和CO2 2，并并释放出大量能量。释放出大量能量。底底物物在在氧氧化化过过程程中中释释放放的的电电子子转转移移给给NADNAD，NADNAD还还原原成成NADHNADH，电电子子转转移移到到电电子子传传递递链链最最终终传传递递给给O O2 2，生生成成H H2 2O O。丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段：丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段：第一阶段：丙酮酸的氧化脱羧第一阶段：丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸丙酮酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A A（乙酰（乙酰CoACoA）第二阶段：三羧酸循环第二阶段：三羧酸循环 乙酰乙酰CoA CoA H H2 2O O 和和COCO2 2，释放出能量。，释放出能量。（1 1）丙酮酸的氧化脱羧）丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环的中间环节。羧酸循环的中间环节。（2 2）三羧酸循环（）三羧酸循环（TCATCA）（Krebs Krebs 循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）丙酮酸氧化脱羧产物乙酰丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoACoA与草酰乙酸与草酰乙酸结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程中，乙酰中，乙酰CoACoA被氧化成被氧化成 H H2 2O O 和和COCO2 2，并释，并释放出大量能量。放出大量能量。乙酰乙酰CoACoA及草酰乙酸在柠檬酸合成酶催化下，及草酰乙酸在柠檬酸合成酶催化下，缩合形成柠檬酸。缩合形成柠檬酸。柠檬酸在顺乌头酸酶催化下，脱水生成顺乌柠檬酸在顺乌头酸酶催化下，脱水生成顺乌头酸，再水化生成异柠檬酸。头酸，再水化生成异柠檬酸。异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酸催化下，脱氢形成草酰异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酸催化下，脱氢形成草酰琥珀酸，草酰琥珀酸脱羧基形成琥珀酸，草酰琥珀酸脱羧基形成-酮戊二酸。酮戊二酸。-酮戊二酸在酮戊二酸在-酮戊二酸脱氢酶系统催化下脱氢酮戊二酸脱氢酶系统催化下脱氢形成琥珀酰形成琥珀酰CoACoA。琥珀酰琥珀酰CoACoA在有在有GDP+PGDP+Pi i存在下，由琥珀酰存在下，由琥珀酰CoACoA合成合成酶，催化形成琥珀酸和酶，催化形成琥珀酸和GTPGTP，GTPGTP可转化为可转化为ATPATP。琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下形成延胡索酸。琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下形成延胡索酸。延胡索酸在延胡索酶催化下形成苹果酸。延胡索酸在延胡索酶催化下形成苹果酸。苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下，脱氢形成草酰乙酸。苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下，脱氢形成草酰乙酸。三羧酸循环三羧酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰辅酶辅酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A电子传递和电子传递和ATPATP的合成的合成NADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过呼吸链传递或琥珀酸所携带的高能电子通过呼吸链传递到到O O2 2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与子传递过程的释能反应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需的需能反应相偶联，是能反应相偶联，是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。1mol丙酮酸经丙酮酸经TCA产生产生3molCO2，好氧呼吸中，好氧呼吸中1mol葡萄糖葡萄糖分子氧化分解可得到分子氧化分解可得到38molATP（4NAD3+1FAD2+1GTP2+2ATP+1NADP3），利，利用能量的效率大约是用能量的效率大约是42%，其余的能量以热的形式散发掉。，其余的能量以热的形式散发掉。乙乙乙乙醛醛醛醛酸酸酸酸循循循循环环环环:在在好好氧氧呼呼吸吸中中，有有的的细细菌菌利利用用乙乙酸酸盐盐进进行行乙乙醛醛酸酸循循环环，这这也也是是一一个个重重要要的的呼呼吸吸途途径径。能能够够利利用用乙乙酸酸的的微微生生物物具具有有乙乙酰酰合合成成酶酶，使使乙乙酸酸变变成成乙乙酰酰CoACoA，在在柠柠檬檬酸酸合合成成酶酶或或苹苹果果酸酸合合成成酶酶作作用用下下进进入入乙乙醛醛酸酸循循环环。将将2 2分分子子乙乙酰酰CoACoA合合成成1 1分分子子四四碳碳化合物琥珀酸。化合物琥珀酸。好氧呼吸：好氧呼吸：外源性呼吸外源性呼吸微生物利用外界供给的能源进行呼吸；微生物利用外界供给的能源进行呼吸；内内源源性性呼呼吸吸利利用用自自身身内内部部贮贮存存的的能能源源物物质质（如如多多糖糖、脂脂肪肪、聚聚3-羟羟基基丁丁酸酸酯酯等等）进进行行呼呼吸吸，呼呼吸吸速速度度取取决决于于细细胞胞的的原有营养水平。原有营养水平。好好氧氧呼呼吸吸能能否否进进行行取取决决于于氧氧的的体体积积分分数数是是否否达达到到0.2%，低于此不能进行。低于此不能进行。（三）无氧呼吸（三）无氧呼吸无氧呼吸（厌氧呼吸）是一类呼吸链末端的氢受体为外无氧呼吸（厌氧呼吸）是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产源无机氧化物的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。能效率较低的特殊呼吸。无无氧氧呼呼吸吸中中最最终终电电子子受受体体不不是是氧氧而而是是无无机机化化合合物物如如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及及CO2等等。氧氧化化底底物物是是有有机机物物如如葡葡萄萄糖、乙酸、乳酸，被氧化为糖、乙酸、乳酸，被氧化为CO2，产生，产生ATP。1、以、以NO3-作为最终电子受体作为最终电子受体供供氢氢体体可可以以是是葡葡萄萄糖糖、乙乙酸酸、甲甲醇醇等等有有机机物物，也也可可以以是是H2和和NH3。NO3-接接受受电电子子后后变变成成NO2-、N2的的过过程程叫叫脱脱氮氮作作用用，也也叫叫反反硝硝化化作作用用或或硝硝酸酸盐盐还还原原作作用用，能能进进行行硝硝酸酸盐盐还还原原的的细细菌通常称为硝酸盐还原细菌。菌通常称为硝酸盐还原细菌。脱氮作用分两步：脱氮作用分两步：a、NO3-NO2-（硝酸还原酶）；（硝酸还原酶）；b、NO2-N2有机物生物氧化时产生的有机物生物氧化时产生的NADH2、FADH2中的中的H2通过通过硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给NO3-、NO2-、NO、N2O使相应化学物质还原。由于使相应化学物质还原。由于NO2-/NO3-氧化还原电位氧化还原电位较低，比较低，比H2O/1/2O2低得多，因此电子通过上述的电子传低得多，因此电子通过上述的电子传递链只能产生递链只能产生2个个ATP。2、以以SO42-为最终电子受体为最终电子受体某某些些硫硫酸酸盐盐还还原原菌菌如如脱脱硫硫弧弧菌菌以以有有机机物物作作为为氧氧化化的的基基质质，释释放放的的电电子子可可使使SO42-还还原原为为H2S。硫硫酸酸盐盐还还原原菌菌不不以以葡葡萄萄糖糖而而是是其其他他细细菌菌的的发发酵酵产产物物主主要要是是乳乳酸酸为为生生物物氧氧化基质，氧化不彻底，积累乙酸。化基质，氧化不彻底，积累乙酸。2CH3CHOHCOOH+2H2O2CH3COOH+CO2+8（H）SO42-+8（H）S2-+4H2O当当SO42-还还原原为为H2S时时，通通过过电电子子传传递递链链产产生生ATP，其其呼吸链只有细胞色素呼吸链只有细胞色素C。3、以、以CO2和和CO为最终电子受体为最终电子受体 一类以一类以COCO2 2作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。乙酸的碳酸盐呼吸。细菌类型：产甲烷菌、产乙酸菌。细菌类型：产甲烷菌、产乙酸菌。产甲烷菌产甲烷菌 4H4H2 2 +H +H+HCO+HCO3 3-CH CH4 4 +3H +3H2 2O O产乙酸菌产乙酸菌 4H4H2 2 +2H +2H+2HCO+2HCO3 3-CHCH3 3COOHCOOH +4H +4H2 2O O（氢来源于发酵）（氢来源于发酵）不同的酶系导致相同的反应物出现不同的产物？不同的酶系导致相同的反应物出现不同的产物？是废水厌氧处理中关键性微生物。是废水厌氧处理中关键性微生物。（四）其他代谢途径（四）其他代谢途径1、磷磷酸酸已已糖糖途途径径hexosemonophosphatepathway（HMP途途径）：分两个阶段：氧化阶段和非氧化阶段径）：分两个阶段：氧化阶段和非氧化阶段第第一一阶阶段段由由6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖脱脱氢氢脱脱羧羧形形成成5-磷磷酸酸核核糖糖。6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖脱脱氢氢脱脱羧羧形形成成5-磷磷酸酸核核酮酮糖糖，可可同同分分异异构构化化生生成成5-磷酸核糖和磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。磷酸木酮糖。第第二二阶阶段段磷磷酸酸戊戊糖糖通通过过转转酮酮反反应应及及转转醛醛反反应应生生成成酵酵解解途途径径的的中中间间产产物物6-磷磷酸酸果果糖糖和和3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛。3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛可可进进入入EMP途径，该途径又称途径，该途径又称EMP支路。支路。6葡糖-6-磷酸12NADP+6H2O 5葡糖-6-磷酸12NADPH12H+6CO2Pi2、ED途径（途径（Entner-Doudoroffpathway）ED途途径径又又称称2-酮酮-3-脱脱氧氧-6-磷磷酸酸葡葡糖糖酸酸（KDPG）裂裂解解途途径径，即即脱脱氧氧核核糖糖酸酸途途径径。它它是是少少数数EMP途途径径不不完完整整的的细细菌菌如如一一些些假假单单胞胞菌菌和和一一些些发发酵酵等等特特有有的的利利用用葡葡萄萄糖糖的的替替代代途途径径。与与HMP循循环环相相似似，6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖首首先先脱脱氢氢产产生生6-P-葡葡萄萄糖糖酸酸，接接着着在在脱脱水水酶酶和和醛醛缩缩酶酶的的作作用用下下产产生生1分分子子的的3-磷酸甘油醛和磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。分子丙酮酸。其其特特点点是是葡葡萄萄糖糖只只经经过过4步步反反应应即即可可快快速速获获得得EMP途途径径须须10步才能得到的丙酮酸。产能效率低，仅得步才能得到的丙酮酸。产能效率低，仅得1ATP。3、磷酸酮糖裂解途径、磷酸酮糖裂解途径某某些些细细菌菌如如明明串串珠珠菌菌属属和和乳乳酸酸杆杆菌菌属属的的一一些些种种类具有。类具有。反反应应过过程程：6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖氧氧化化生生成成6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖酸酸，6-磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖酸酸进进一一步步氧氧化化脱脱羧羧生生成成磷磷酸酸戊戊糖糖，经经酮酮解解反反应应生生成成乙乙酰酰磷磷酸酸和和3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛，分分别别转转变变为为乙乙醇醇和和乙乙酸酸。产产生生几几乎乎等等量量的的乳乳酸酸、乙醇和二氧化碳乙醇和二氧化碳异型乳酸发酵。异型乳酸发酵。（五）微生物发光现象（五）微生物发光现象明亮发光杆菌发发光光细细菌菌含含有有虫虫荧荧光光素素酶酶和和长长链链脂脂肪肪族族醛醛（如如月月桂桂醛醛）。发光过程包括电子传递和能量转移。发光过程包括电子传递和能量转移。发光细菌的发光过程是一种光呼吸过程，是电子传递链发光细菌的发光过程是一种光呼吸过程，是电子传递链上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，FMNH2充当反充当反应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光酶构造的酶构造的“修饰修饰”作用。萤光酶通过分子氧催化作用。萤光酶通过分子氧催化FMNH2和脂肪醛和脂肪醛(RCHO)的氧化，产生磷光。的氧化，产生磷光。发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量氧。量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量氧。发光细菌对一些毒物很敏感发光细菌对一些毒物很敏感生物探测器。生物探测器。外界条件和培养基成分，外界条件和培养基成分，pH，温度，氧浓度变化，温度，氧浓度变化会影响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，会影响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，抗生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，抗生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，故采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是故采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是可能的。可能的。第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢合成代谢合成代谢合成代谢合成代谢：微生物利用能量代谢所产生的