微生物生理酶与营养.pptx

1第四章第四章 微生物的生理微生物的生理u4.1 微生物的微生物的酶酶u4.2 微生物的微生物的营养营养u4.3 4.3 微生物的微生物的能量代谢能量代谢2 4.1 4.1 微生物的酶微生物的酶 简而言之，全酶简而言之，全酶=蛋白质蛋白质+辅助因子辅助因子一、酶的组成1 1 酶的组成分两类酶的组成分两类单成分酶：只含蛋白质全酶：蛋白质+不含氮的小分子有机物蛋白质+不含氮的小分子有机物+金属离子 蛋白质+金属离子3激活剂激活剂：其主要作用是使酶蛋白或基质保持一定：其主要作用是使酶蛋白或基质保持一定的构型，有利于化学反应的完成，但并不直接的构型，有利于化学反应的完成，但并不直接参加化学反应参加化学反应根据根据辅助因子辅助因子与与酶蛋白酶蛋白结合的牢固程度结合的牢固程度将其分为三类：将其分为三类：辅酶辅酶：与蛋白质：与蛋白质结合较松弛结合较松弛，易透析除去的，易透析除去的辅基辅基：辅助因子以：辅助因子以共价键与酶蛋白共价键与酶蛋白质牢固的质牢固的结合在一起，不易透析除去的结合在一起，不易透析除去的4 二、酶蛋白的结构与功能二、酶蛋白的结构与功能1 1 结构结构由由2020种氨基酸组成，分一级结构、种氨基酸组成，分一级结构、二级结构、三级结构和四级结构二级结构、三级结构和四级结构5蛋白质由蛋白质由L-L-氨基酸组成氨基酸组成 COOH R CH NH2 6蛋白质由氨基酸组成两种符号两种符号一般所写前一般所写前3个字母个字母例：例：glycine 简写简写Gly 或或 G丙氨酸丙氨酸 Ala A甘氨酸甘氨酸 Gly G亮氨酸亮氨酸 Leu L.7肽键 COOH NH R CH CH Ru HNH HOOC-H2O HN-COCH-RNHCHRCOOH8肽键肽键-一级结构一级结构一级结构：氨基酸排列顺序一级结构：氨基酸排列顺序 （二硫桥（二硫桥)9二级结构 -螺旋螺旋/折叠折叠COCO的氧和的氧和 NHNH的氢都结合成的氢都结合成氢键氢键10三级结构三级结构三级结构一级结构一级结构二级二级结构结构11溶菌酶三级结构12溶菌酶三级结构立体模型溶菌酶三级结构立体模型13四级结构例子四级结构例子大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶a俯俯视视b 侧侧视视C 俯视肽链俯视肽链粉色：催粉色：催化亚基化亚基 c蓝色：调蓝色：调节亚基节亚基 r142 酶蛋白的结构与功能的关系酶蛋白的结构与功能的关系结构决定功能，其催化活性和专一性结构决定功能，其催化活性和专一性 就在于分子结构的特殊性就在于分子结构的特殊性酶活性中心：指酶蛋白分子中能与底物结合，并起催化作用的空间结构部位。有结合部位和催化部位小部分氨基酸微区15酶的作用机制酶的作用机制酶酶与与底底物物结结合合示示意意图图16酵母己糖激酶与底物葡萄糖立体模型葡葡萄萄糖糖17三、酶的命名与分类三、酶的命名与分类1 命 名习惯命名法：按作用的底物；据催化反应的类型系统命名法：国际系统命名原则。以所催化的反应为基础182 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类（1 1）水解酶：催化大分子有机物水解成小分子）水解酶：催化大分子有机物水解成小分子AB+H2O AOH+BH（2 2）氧化还原酶：催化氧化还原反应）氧化还原酶：催化氧化还原反应 又分为氧化酶和脱氢酶又分为氧化酶和脱氢酶脱氢酶脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体接受：催化底物脱氢，氢由中间受体接受CH3CH2OH+NAD CH3CHO+NADH2氧化酶氧化酶：催化底物脱氢：催化底物脱氢,氢由辅助因子传递给活化氢由辅助因子传递给活化的氧的氧,或催化底物脱氢或催化底物脱氢,活化的氧与氢结合生成水活化的氧与氢结合生成水19（3）转移酶：催化底物上的基团转移到）转移酶：催化底物上的基团转移到 另一有机物上，即催化基团在分子间转移另一有机物上，即催化基团在分子间转移AR+B A+BR2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类天冬氨酸天冬氨酸 氨甲酰磷酸转移酶氨甲酰磷酸转移酶天冬氨酸天冬氨酸+氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸+磷酸磷酸20（4）异构酶：催化同分异构分子内的基团重新排列）异构酶：催化同分异构分子内的基团重新排列A A/2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类催化异构化反应如：葡萄糖异构酶催化异构化反应如：葡萄糖异构酶 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖（5 5）裂解酶：催化有机物裂解为小分子有机物）裂解酶：催化有机物裂解为小分子有机物AB A+B212 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类（6 6）合成酶：催化底物的合成反应）合成酶：催化底物的合成反应(ATP提供能量提供能量)A+B+ATP AB+ADP+Pi谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酸谷氨酸+NH3+ATP 谷氨酰胺谷氨酰胺+ADP+Pi22四、酶的催化特性四、酶的催化特性催化剂：加快反应速度，在反应前后数量和性质不变催化剂：加快反应速度，在反应前后数量和性质不变 对底物高度专一性（专一性的几种假说）对底物高度专一性（专一性的几种假说）酶酶催化反应条件温和催化反应条件温和 催化效率极高，比无机催化剂的催化效率催化效率极高，比无机催化剂的催化效率高几千倍至几万倍高几千倍至几万倍 易失活，对环境条件极为敏感易失活，对环境条件极为敏感23不改变反应平衡常数,降低活化能酶反应酶反应n催化能力巨大 CO2 2+H2 2O-H2 2CO3 3 反应速度是为普通催化反应的10107 7 倍24五、影响酶活力的因素五、影响酶活力的因素由中间反应产物学说，提出了著名的米门公式,由米门公式可得出各种因素对酶促反应速度的影响1 1、米、米-门公式（门公式（Michaelis-MentenMichaelis-Menten公式）公式）=VmaxSKm+SKm米门常数米门常数,表示反应速度为表示反应速度为 最大速度一半时的底物浓度最大速度一半时的底物浓度25酶反应速度酶反应速度随随底物浓度底物浓度升高而增大升高而增大2、酶促反应的因素、酶促反应的因素26 pH、温度、温度对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响钟形曲线27酶的酶的抑制抑制（酶的活性被减弱、抑制甚至破坏）（酶的活性被减弱、抑制甚至破坏）u微生物能被许多化学物质毒害，许多最有效的毒物的抑制剂。u例：琥珀酸脱氢酶 丙二酸竞争抑制(见下图)u磺胺药物抑制叶酸合成，达到抑菌目的分为分为:不可逆的抑制作用不可逆的抑制作用与与可逆的抑制作用可逆的抑制作用28琥珀酸脱氢酶竞争性抑制琥珀酸脱氢酶竞争性抑制29酶的酶的激活激活（激活剂）（激活剂）:凡能激活酶的物质凡能激活酶的物质u无机阴离子 u无机阳离子u有机化合物，如维生素、半胱氨酸和肠激酶等按化学组成分按化学组成分:许多酶促反应只有当某一种适当的激活剂存在时,酶才表现出催化活性或强化其催化活性.30 4.2 4.2 微生物的营养微生物的营养营 养：微生物获得和利用营养物质的过程营养物：指能满足微生物机体生长、繁殖以及生理活动所需物质微生物营养的确定主要依据其微生物营养的确定主要依据其细胞的化学成分细胞的化学成分微生物存在微生物存在的物质基础的物质基础31一、微生物的营养需求一、微生物的营养需求1 1 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 微生物细胞的化学成分以微生物细胞的化学成分以有机物和有机物和无机物无机物两种状态存在。两种状态存在。有机物有机物包含各包含各种大分子，它们是种大分子，它们是蛋白质、核酸、类蛋白质、核酸、类脂和糖类脂和糖类，占细胞干重的，占细胞干重的90%90%以上。以上。无机成分无机成分包括包括小分子无机物和各种离小分子无机物和各种离子子，低于细胞干重的，低于细胞干重的10%10%。32主要元素：主要元素：C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg、Fe微量元素：微量元素：Zn、Mn、Na、Cl、Mo、Se、Cu、Ni、B1 1 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 组成微生物细胞的各类化学元素的比例常组成微生物细胞的各类化学元素的比例常 因微生物种类的不同而各异因微生物种类的不同而各异 微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内变化养条件的不同而在一定范围内变化33 微生物细胞的化学元素与其营养物质微生物细胞的化学元素与其营养物质 微生物生长所需的营养物质应该包含有组成微生物生长所需的营养物质应该包含有组成细胞的各种化学元素细胞的各种化学元素，即构成细胞物质的碳，即构成细胞物质的碳素来源的素来源的碳源物质碳源物质，构成细胞物质的氮素来，构成细胞物质的氮素来源的源的氮源物质氮源物质和一些含有和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的元素的无机盐无机盐。34 微生物生长所需要的营养物质主要是微生物生长所需要的营养物质主要是以以有机物有机物和和无机物无机物的形式提供的，小的形式提供的，小部分由气体物质供给。微生物的营养部分由气体物质供给。微生物的营养物质按其在物质按其在机体中的生理作用机体中的生理作用可区分可区分为：为：碳源碳源、氮源氮源、无机盐无机盐、生长因子生长因子和和水水五大类。五大类。2 微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能35 在在微微生生物物生生长长过过程程中中为为微微生生物物提提供供碳碳素来源的物质称为素来源的物质称为碳源。碳源。从简单的从简单的无机含碳化合物无机含碳化合物如如COCO2 2和碳酸和碳酸盐到各种各样的天然盐到各种各样的天然有机化合物有机化合物都可都可以作为微生物的碳源，但不同的微生以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。力有差异。(见见表表3.13.1)碳碳 源源(source of carbon)36u碳源物质通过复杂的化学变化来碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物构成微生物自身的细胞物质和代谢产物自身的细胞物质和代谢产物；u同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的还能为机体提供维持生命活动的能量能量;u但有些又以但有些又以COCO2 2为唯一或主要碳源的微生物为唯一或主要碳源的微生物生长所需的生长所需的能源则不是来自能源则不是来自COCO2 2。碳源的生理作用碳源的生理作用37 微生物对碳源利用的选择性：微生物对碳源利用的选择性：迟效碳源和速效碳源迟效碳源和速效碳源 工业发酵用的碳源工业发酵用的碳源:单糖、饴糖、单糖、饴糖、糖蜜、淀粉、纤维素等糖蜜、淀粉、纤维素等微生物利用的碳源物质主要有：微生物利用的碳源物质主要有：糖类糖类、有机、有机酸、醇、脂类、烃、二氧化碳及碳酸盐等酸、醇、脂类、烃、二氧化碳及碳酸盐等碳源的利用碳源的利用38表表3.1微生物利用的碳源物质微生物利用的碳源物质种类种类碳源物质碳源物质备注备注糖糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致胞，进入细胞后会导致pHpH下降。当环境下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。作为碳源利用。醇醇乙醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。利用。脂脂脂肪、磷脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。分乳化后吸收利用。COCO2 2COCO2 2为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。碳酸盐碳酸盐NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3、白垩等、白垩等为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。其他其他芳香族化合物、氰化物芳香族化合物、氰化物蛋白质、核酸等蛋白质、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。作为碳源而降解利用。39氮氮 源源(source of nitrogen)凡是可以被微生物用来构成细胞物质的凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为为氮源氮源物质。物质。能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物酰胺、氰化物(见见表表3.23.2)。40u氮源物质常被微生物用来氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物合成细胞中含氮物质质，少数情况下可作，少数情况下可作能源物质能源物质，如某些厌氧，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。能源。u微生物对氮源的利用具有选择性微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆，如玉米浆相对于豆饼粉，相对于豆饼粉，NHNH4 4+相对于相对于NONO3 3-为速效氮源。为速效氮源。铵盐作为氮源时会导致培养基铵盐作为氮源时会导致培养基pHpH值下降，称值下降，称为为生理酸性盐生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养，而以硝酸盐作为氮源时培养基基pHpH值会升高，称为值会升高，称为生理碱性盐生理碱性盐u实验室用：胨、牛肉膏、酵母膏实验室用：胨、牛肉膏、酵母膏u工业发酵用：常用无机氮盐，即铵盐、硝酸工业发酵用：常用无机氮盐，即铵盐、硝酸盐和尿素等盐和尿素等41表表3.2 微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质种类种类氮源物质氮源物质备注备注蛋白质蛋白质类类蛋白质及其不蛋白质及其不同程度降解产同程度降解产物物(胨、肽、氨胨、肽、氨基酸等基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物物氨及铵氨及铵盐盐NH3、(NH4)2SO4等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用硝酸盐硝酸盐KNO3等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用分子氮分子氮N2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力固氮微生物就失去固氮能力其他其他嘌呤、嘧啶、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、脲、胺、酰胺、氰化物氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用度地被微生物作为氮源加以利用42 无无机机盐盐是是微微生生物物生生长长必必不不可可少少的的一一类类营营养养物物质质，它它们们在在机机体体中中的的生生理理功功能能主主要要是是作作为为酶酶活活性性中中心心的的组组成成部部分分维维持持生生物物大大分分子子和和细细胞胞结结构构的的稳稳定定性性调调节节并并维维持持细细胞胞的的渗渗透透压压平平衡衡控控制制细细胞胞的的氧氧化化还还原原电电位位和和作作为为某某些些微微生生物物生生长长的的能源物质能源物质等等(表表3.33.3)。无无 机机 盐盐(inorganic salt)43无无 机机 盐盐生长所必需的无机盐一般有：磷生长所必需的无机盐一般有：磷酸盐、硫酸盐、氯化物及含有酸盐、硫酸盐、氯化物及含有NaNa、K K、CaCa、MgMg、FeFe等金属元素的化等金属元素的化合物合物以及微量元素以及微量元素44表表3.3 无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能磷磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基分，作为缓冲系统调节培养基pH硫硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶如蛋白酶)的稳定性，芽的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性的稳定性钾钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子核糖体的稳定因子铁铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需合成叶绿素、白喉毒素所需45 微量元素微量元素是指那些在微生物生长过程中起是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在其微小的元素，通常需要量在1010-6-6-10-10-8 8mol/L(mol/L(培养基中含量培养基中含量)。微量元素。微量元素如如Zn、Mo、Mn、Se、Co、Cu、W、Ni等，等，一般一般参与酶的组成参与酶的组成或或使酶活化使酶活化(表表3.43.4)。微生物可利用无机盐类型微生物可利用无机盐类型46表表3.4 微量元素与生理功能微量元素与生理功能元素元素生理功能生理功能锌锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、醛缩酶、RNARNA与与DNADNA聚合酶中聚合酶中锰锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴钴存在于谷氨酸变位酶中存在于谷氨酸变位酶中铜铜存在于细胞色素氧化酶中存在于细胞色素氧化酶中钨钨存在于甲酸脱氢酶中存在于甲酸脱氢酶中镍镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需47微量元素微量元素 微生物在生长过程中缺乏，会导致细胞微生物在生长过程中缺乏，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。生理活性降低甚至停止生长。由于不同微生物对营养物的需求不同，由于不同微生物对营养物的需求不同，微量元素这个概念是相对的。微量元素这个概念是相对的。微量元素通常混杂在天然有机营养物、微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素养基时没有必要另外加入微量元素。48生生 长长 因因 子子微生物微生物生长所必需生长所必需且且需要量很少需要量很少，但微生物，但微生物自身自身不能合成不能合成或或合成量不足以合成量不足以满足机体生长满足机体生长需要的有机化合物需要的有机化合物 三大类：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶三大类：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶 各种微生物需求的生长因子的种类和数量是不各种微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的同的 生长因子自养型微生物：生长因子自养型微生物：不需要提供生长因子的微生物如：不需要提供生长因子的微生物如：E.coliE.coli49 维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。生生 长长 因因 子子50生长因子的来源：生长因子的来源：某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子酵母膏（酵母膏（yeast extract）玉米浆（玉米浆（corn steep liquor）肝浸液（肝浸液（liver infusion）麦芽汁（麦芽汁（malt extract）微生物的分类微生物的分类（根据生长因（根据生长因子的需求性）子的需求性）生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物生生 长长 因因 子子51维生素维生素转移的对象转移的对象代谢功能代谢功能硫胺素（硫胺素（B1）乙醛基乙醛基焦焦磷磷酸酸硫硫胺胺素素是是脱脱羧羧酶酶、转转醛醛酶酶、转转酮酮酶酶、的的辅辅基基、与与-酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关核黄素（核黄素（B2）氢、电子氢、电子黄黄素素核核苷苷酸酸FMN和和FAD的的前前体体，它它们们构构成成黄黄素素蛋蛋白白的的辅基，转移氢辅基，转移氢烟酸（烟酸（B5）氢、电子氢、电子NAD和和NADP的的前前体体，是是脱脱氢氢酶酶的的辅辅酶酶，参参与与递递氢氢过过程以及氧化还原反应程以及氧化还原反应吡哆醇（吡哆醇（B6）氨基氨基磷磷酸酸吡吡哆哆醛醛是是氨氨基基酸酸消消旋旋酶酶、转转氨氨酶酶与与脱脱羧羧酶酶的的辅辅基基，参与糖和脂肪酸合成参与糖和脂肪酸合成泛酸泛酸酰基酰基辅辅酶酶A的的前前体体，乙乙酰酰载载体体的的辅辅基基，转转移移酰酰基基，参参与与糖糖和脂肪酸合成和脂肪酸合成叶酸叶酸甲基甲基即即辅辅酶酶F(四四氢氢叶叶酸酸)，参参与与一一碳碳基基的的转转移移，与与合合成成嘌嘌呤呤、嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸生物素（生物素（H）羧基羧基各各种种羧羧化化酶酶的的辅辅基基，在在CO2固固定定、氨氨基基酸酸和和脂脂肪肪酸酸合合成及糖代谢中起作用成及糖代谢中起作用维生素维生素B12羧基，甲基羧基，甲基钴钴酰酰胺胺酸酸酶酶，参参与与一一碳碳基基传传递递，与与甲甲硫硫氨氨酸酸和和胸胸苷苷酸酸的合成和异构化有关的合成和异构化有关维生素的生理功能维生素的生理功能 52维生素维生素微生物的种微生物的种硫胺素（硫胺素（B1）核黄素核黄素烟酸烟酸吡哆酸（吡哆酸（B6）生物素生物素泛酸泛酸叶酸叶酸钴胺酸钴胺酸(B12)维生素维生素KBacillus anthracis(炭疽芽孢杆菌炭疽芽孢杆菌)Clostridium tetani(破伤风梭菌破伤风梭菌)Brucella abortus(流产布鲁氏杆菌流产布鲁氏杆菌)Lactobacillus spp.(各种乳酸杆菌各种乳酸杆菌)Leuconostoc mesenteroides(肠膜状明串珠菌肠膜状明串珠菌)Proteus morganii(摩氏变形杆菌摩氏变形杆菌)Leuconostoc dextranicum(葡聚糖明串珠菌葡聚糖明串珠菌)Lactobacilla spp.Bacteroides melaninogenicus(产黑素拟杆菌产黑素拟杆菌)细菌所需要的维生素细菌所需要的维生素53细胞中的水细胞中的水自自 由由 水水结结 合合 水水水的生水的生理功能理功能溶剂作用：所有物质须先溶于水，才能溶剂作用：所有物质须先溶于水，才能 参与各种化学反应参与各种化学反应参与生化反应：脱水、加水反应等。参与生化反应：脱水、加水反应等。运载物质的载体运载物质的载体维持和调节一定的温度维持和调节一定的温度维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象水水54几点注意：几点注意：i.不同的细菌，营养要求不同。不同的细菌，营养要求不同。ii.不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。iii.细菌的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。细菌的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种细菌自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种细菌所利用。甚至一些有毒有害的有机物。所利用。甚至一些有毒有害的有机物。e.g.H2S、酚、酚、HCN、Cr6+等。等。2 微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能55v.有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求，用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求，就不利用其他物质了。就不利用其他物质了。vi.有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用难降解的化合物。难降解的化合物。注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理。注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理。微生物的驯化、共代谢等。微生物的驯化、共代谢等。iv.各种营养元素之间往往有一定的比例关系各种营养元素之间往往有一定的比例关系。e.g.土壤中许多微生物要求土壤中许多微生物要求 C：N=25：1 废水生物处理中要求废水生物处理中要求 好氧处理好氧处理 BOD:N:P=100:5:1 厌氧处理厌氧处理 BOD:N:P=100:6:12 微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能56按按能源能源分分化能营养（化能营养（chemotroph）光能营养（光能营养（phototroph）按按碳碳源源分分自养型（自养型（autotroph）异养型（异养型（heterotroph）：需要有机物才能）：需要有机物才能 生长的微生物生长的微生物C源：源：CO2、HCO3N源：源：NO2、NH4+H源：源：H2S能在只含无机物的环境能在只含无机物的环境中生长繁殖的微生物中生长繁殖的微生物3 微生物的营养类型微生物的营养类型57分类标准分类标准营养类型营养类型1.以能源分以能源分光能营养型（光能营养型（phototroph）化能营养性化能营养性(chemotroph)2.以氢供体分以氢供体分无机营养型无机营养型(lithotroph)有机营养型有机营养型(organotroph)3.以碳源分以碳源分自养型自养型(autotroph)异养型异养型(heterotroph)4.以合成氨基酸能力分以合成氨基酸能力分氨基酸自养型氨基酸自养型(amino acid autotroph)氨基酸异养型氨基酸异养型(amino acid heterotroph)5.以生长因子分以生长因子分原养型原养型(prototroph)或野生型或野生型(wild type)营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)6.以取食方式分以取食方式分渗透营养型渗透营养型(osmotroph)吞噬营养型吞噬营养型(phagocytosis)7.以取得死或活有机物分以取得死或活有机物分腐生腐生(saprophytism)寄生寄生(parasitism)微微 生生 物物 营营 养养 类类 型型 的的 分分 类类58根据能源和碳源的不同，细菌的营养类型可分为四大类根据能源和碳源的不同，细菌的营养类型可分为四大类细菌的营养类型细菌的营养类型化能自养型化能自养型光能自养型光能自养型光能异养型光能异养型化能异养型化能异养型根据营养类型，细菌（微生物）亦可为四大类根据营养类型，细菌（微生物）亦可为四大类3 微生物的营养类型微生物的营养类型591）光能自养菌（微生物）：）光能自养菌（微生物）：含有光合色素、能进行光合作用。含有光合色素、能进行光合作用。利用利用CO2合成细胞所需的有机物。合成细胞所需的有机物。进行光合作用时从进行光合作用时从H2S（或（或H2O）获氢。）获氢。e.g.绿色细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌绿色细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌CO2+2H2S光能光能菌绿素菌绿素CH2O+H2O+S2有机碳化物有机碳化物不放出氧不放出氧注意：蓝细菌从水的光解中获得氢，用于还原注意：蓝细菌从水的光解中获得氢，用于还原COCO2 2。CO2+H2O光能光能叶绿素叶绿素CH2O+O2放出氧放出氧602）光能异养菌（微生物）光能异养菌（微生物）能进行光合作用（不产生氧气）能进行光合作用（不产生氧气）不能以不能以COCO2 2作为唯一或主要碳源作为唯一或主要碳源 （利用简单的有机物作碳源）（利用简单的有机物作碳源）能利用有机物作为氢供体，利用能利用有机物作为氢供体，利用光能光能 把把CO2还原成细胞物质还原成细胞物质。这些菌一般都需要生长因子。这些菌一般都需要生长因子。此类菌很少，如红螺菌中的一些细菌：此类菌很少，如红螺菌中的一些细菌：紫色无硫细菌等紫色无硫细菌等613）化能自养菌（微生物）化能自养菌（微生物）能氧化特定的还原态无机物（如能氧化特定的还原态无机物（如 S、Fe2+、NH4+、H2S、H2），利用其中的化学能还原），利用其中的化学能还原CO2合成有机化合物。合成有机化合物。e.g.硝化菌、硫化菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌硝化菌、硫化菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌2NH3+2O22HNO2+4H+619.6kJCO2+4HCH2O+H2O化能自养菌的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一化能自养菌的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一种特定的无机物（硝酸盐、铁细菌等）种特定的无机物（硝酸盐、铁细菌等）比光能自养菌分布广，在自然界中比光能自养菌分布广，在自然界中N、P、Fe的物质转化的物质转化过程中起重要作用。过程中起重要作用。624）化能异养菌（微生物）化能异养菌（微生物）利用有机物作为碳源和能源。利用有机物作为碳源和能源。大部分细菌都属于这种类型。（真菌均属于此类）大部分细菌都属于这种类型。（真菌均属于此类）腐生细菌：从死的有机残体中获得营养而生活。腐生细菌：从死的有机残体中获得营养而生活。（占大多数）（占大多数）在自然界的物质转化中起着决定性的作用在自然界的物质转化中起着决定性的作用寄生细菌：生活在活的生物体中。寄生细菌：生活在活的生物体中。63微生物营养类型微生物营养类型总之，以总之，以“？”为能源，决定光能或化能；为能源，决定光能或化能；以以“？”为碳源，决定自养或异养；以为碳源，决定自养或异养；以“？”为供氢体，决定是无机营养型还是有为供氢体，决定是无机营养型还是有机营养型。机营养型。无论哪种分类方式，不同营养类型之间的无论哪种分类方式，不同营养类型之间的 界限并非绝对的界限并非绝对的有些微生物在不同生长条件下，其营养类型会发生改变有些微生物在不同生长条件下，其营养类型会发生改变64微生物的营养类型（小结）微生物的营养类型（小结）*NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等。等。营养类型营养类型能源能源氢供氢供体体基本碳源基本碳源实例实例光能自养型光能自养型光光无机物无机物COCO2 2紫硫细菌、绿硫细紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌、藻类菌、蓝细菌、藻类光能异养型光能异养型光光有机物有机物COCO2 2及简单及简单有机物有机物红螺菌科的细菌红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）（即紫色无硫细菌）化能自养型化能自养型无机物无机物*无机物无机物COCO2 2硝化细菌、硫化细硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌等菌、硫磺细菌等化能异养型化能异养型有机物有机物有机物有机物有机物有机物绝大多数细菌和全绝大多数细菌和全部真核微生物部真核微生物65营养缺陷型营养缺陷型：某些菌株发生突变后，失去合成某种（或某些）对该菌生长必不可少的物质（通常是生长因子）的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型，相应的野生型菌株称为原养型66二、培养基（二、培养基（medium,culture medium）人工配制的适合微生物生长繁殖人工配制的适合微生物生长繁殖 或产生代谢产物的营养物质。或产生代谢产物的营养物质。l无论是以微生物为材料的研究，还是利无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是养基的配制，它是微生物学研究和微生微生物学研究和微生物发酵生产的基础。物发酵生产的基础。1、定义：、定义：67l培养基中培养基中应含应含满足微生物生长发育的满足微生物生长发育的营养要素：水分、碳源、氮源、生长营养要素：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、钠、因子以及基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。钙、镁、钾和铁及各种微量元素。l此外，培养基还应具有适宜的此外，培养基还应具有适宜的酸碱度酸碱度(pH(pH值值)和和一定缓冲能力一定缓冲能力及及一定的氧化一定的氧化还原电位还原电位和和合适的渗透压合适的渗透压。二、培养基（二、培养基（medium,culture medium）68二、培养基（二、培养基（medium,culture medium）培养基的配制原则：培养基的配制原则：选择适宜的营养物质选择适宜的营养物质 营养物质浓度及配比合适营养物质浓度及配比合适 控制控制pH条件条件 控制氧化还原电位控制氧化还原电位(redoxpotential)原料选择原料选择 灭菌处理灭菌处理 消泡消泡培养基的配置是培养好微生物的基础和前提培养基的配置是培养好微生物的基础和前提主要是碳氮比主要是碳氮比合适合适69二、培养基（二、培养基（medium,culture medium）配置培养基的注意事项：配置培养基的注意事项：1)含微生物所需要的六大营养要素。含微生物所需要的六大营养要素。2)明确目的，不同细菌、不同目的明确目的，不同细菌、不同目的 需要配制不同的培养基。需要配制不同的培养基。3)营养协调，注意各种营养物的浓度和配比：营养协调，注意各种营养物的浓度和配比：在水处理中一般应注意进水中在水处理中一般应注意进水中BOD5：N：P的比值为的比值为100：5：1，C:N=200：110：1厌氧处理：厌氧处理：BOD5：N：P的比值为的比值为100：6：1。70氧化硫硫杆菌培养基氧化硫硫杆菌培养基 (NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH灭菌条件灭菌条件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20min71 在大多数化能异养菌的培养基中，各要素间在在大多数化能异养菌的培养基中，各要素间在量上的比例大体符合以下量上的比例大体符合以下10倍递减规律：倍递减规律：水水C+能源能源N源源P、SK、Mg生长因子生长因子101102103104105106单位：单位：mol/Lmol/L二、培养基（二、培养基（medium,culture medium）72 一旦配成须全部进行灭菌，否则会引起杂一旦配成须全部进行灭菌，否则会引起杂菌污染，并破坏固有的组成和性质。菌污染，并破坏固有的组成和性质。培养基的配制方法：培养基的配制方法：1)生态模拟：肉汤、米饭、肥土生态模拟：肉汤、米饭、肥土2)查阅文献。查阅文献。3)实验研究（各项因素的比较、反复的实验）。实验研究（各项因素的比较、反复