微生物的生理

第一節(jié)微生物酶1微生物的生理第1頁生物體基本特征之一是它不停地進行新陳代謝，而新陳代謝是由為數眾多各式各樣化學反應所組成。這些反應通常不需要在試驗室中所要求高溫、高壓或強烈酸堿等條件，而是在生物體溫和條件下就可很快地進行。比如，在體外條件下，用純化學方法使淀粉水解成葡萄糖或使蛋白質水解成氨基酸時，需加25℅H2SO4，溫度在100℃以上，經過20多個小時才能完成。但在生物體內，極其溫和條件下（體溫37℃，靠近中性pH）進行物質水解，則是很輕易事。又如綠色植物利用光能、水、二氧化碳和無機鹽等簡單物質，經過一系列改變合成復雜糖、蛋白質、脂肪等物質。而動物又利用植物體中物質，并經過失綜復雜分解和合成反應轉化為本身一部分，得以生長、活動、繁殖等。這些在生物體外是難以進行，其主要原因就是因為生物體內含有一類特殊催化劑，這就是“酶”。2微生物的生理第2頁早在幾千年前，人類已開始利用微生物酶來制造食品和飲料。我國在4000多年前，就已經在釀酒、制醬、制飴等過程中，不自覺地利用了酶催化作用。1738年，有些人提出食物消化不是磨碎，而是胃液在起作用概念，對酶有了初步認識。隨即對酶認識不停加深；1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner弟兄用不含細胞酵母提取液，實現了發(fā)酵。1926年Summer第一次分離脲酶并取得其結晶；1949年日本采取深層培養(yǎng)法生產細菌–淀粉酶，標志著當代酶開始。背景3微生物的生理第3頁1982年，Cech首次發(fā)覺RNA也含有酶催化活性，提出核酶(ribozyme)概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報道了含有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。當前已知酶超出4000種.4微生物的生理第4頁酶概念：生物催化劑。細胞中自己制成，基本成份是蛋白質。酶蛋白+輔助因子全酶傳遞電子等、激活劑

僅由酶蛋白組成。決定酶反應專一性,加速反應單純酶結合酶此時才能發(fā)揮催化作用一、酶分子組成金屬離子小分子有機化合物5微生物的生理第5頁二、酶結構與功效關系(一)酶蛋白結構一級結構：組成酶蛋白氨基酸按一定次序由肽鍵連接成多肽鏈；二級結構：多肽鏈回折或兩條多肽鏈之間由氫鍵維持其穩(wěn)定性；三級結構：多肽鏈深入形成更復雜結構，由氫鍵及其它化學鍵維持其穩(wěn)定性。四級結構：多個含有三級結構亞基再次經過化學鍵連接。6微生物的生理第6頁在一級結構上可能相距遙遠，但在空間結構上彼此靠近，組成含有特定空間結構區(qū)域，與酶催化作用直接相關部位稱為酶活性中心。(二)酶活性中心活性部位包含：結合基團、催化基團7微生物的生理第7頁活性中心內必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有空間構象所必需。活性中心外必需基團8微生物的生理第8頁三、酶分類（一）按照酶所催化化學反應，分為六大類：

1．水解酶：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等

催化底物加水分解反應

2．氧化還原酶：主要包含脫氫酶和氧化酶催化底物氧化還原反應+A·2H+BAB·2H

3．轉移酶

催化分子間基團轉移或交換9微生物的生理第9頁六大類酶

4．裂解酶

5．異構酶

6．合成酶催化一個底物分解為兩個化合物及其逆反應。催化各種同分異構體之間相互轉化與ATP偶聯，催化兩分子底物合成一分子化合物10微生物的生理第10頁胞內酶:在細胞內部起作用，催化細胞合成和呼吸

胞外酶:能透過細胞，作用于細胞外物質（大分子）（二）存在部位(三)按作用底物不一樣分

細菌無攝食器官，碰到是簡單溶解物質，經過胞內酶作用；若碰到是復雜固體物質，利用胞外酶將吸附在細胞周圍大分子物質水解為簡單小分子物質。11微生物的生理第11頁酶與普通催化劑共同點在反應前后沒有質和量改變；只能催化熱力學允許化學反應；只能加速可逆反應進程，而不改變反應平衡點。四、酶催化特征12微生物的生理第12頁絕對專一性立體異構專一性相對專一性一個酶作用于一個底物。如淀粉酶只能作用于淀粉，而不作用于纖維素。對底物構象有特殊要求，往往只能催化底物一個立體化學結構。催化含有相同化學鍵或基團底物進行某種類型反應。如脂酶催化脂鍵，而對R基團沒有嚴格要求。酶催化作用專一性13微生物的生理第13頁鎖-鑰學說——剛性模式酶構型與底物剛好相吻合，底物分子剛好嵌入酶活性中心，與酶構象互補，就和鎖、鑰一樣。酶、底物是剛性，其形狀不會改變，它不能解釋一個酶催化兩個反應現象。酶構型與底物并不吻合，當底物和酶接觸時，誘導酶分子構象改變，使活性部位上相關基團正確排列和定向，進而使酶和底物契合而結合成中間產物，引發(fā)底物發(fā)生反應。誘導契合學說——柔性學說剛性結合

柔性結合

酶活性專一性假說14微生物的生理第14頁高效性催化效率比普通催化劑高出107～1013倍，如1克結晶α—淀粉酶，在65℃時，15分鐘可使2噸淀粉水解為糊精。酶和普通催化劑加速反應機理都是降低反應活化能(activationenergy)。酶比普通催化劑更有效地降低反應活化能。15微生物的生理第15頁反應總能量改變

非催化反應活化能

酶促反應活化能

普通催化劑催化反應活化能

能量

反應過程

底物

產物

酶促反應活化能改變活化能：底物分子從初態(tài)轉變到活化態(tài)所需能量。p11316微生物的生理第16頁對環(huán)境敏感反應條件溫和催化活性受調整控制在常溫、常壓、靠近中性pH條件下發(fā)揮作用。酶活力在體內受到多方面原因調控。機體經過調整酶活性和酶量，控制代謝速度，以滿足生命各種需要和適應環(huán)境改變。

輕易發(fā)生變性、失活。17微生物的生理第17頁五、酶促反應動力學

KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction

概念研究各種原因對酶促反應速度影響，并加以定量闡述。影響原因包含有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。※研究一個原因影響時，其余各原因均恒定。18微生物的生理第18頁1、酶促反應模式--中間產物學說:1913年前后Michaelis和Menten提出酶促反應動力學基本原理酶作用在于降低化學反應所需活化能，而中間產物ES形成，使底物活化能大大降低，從而使反應加速。酶底物終產物中間產物

不穩(wěn)定極易分解19微生物的生理第19頁V=Vmax[S]/（[S]+Km）并歸納為一個數學式：這一公式表示了底物濃度與反應速度關系，稱為米氏方程，當底物濃度增加時，酶促反應速度V趨近Vmax

。Km被稱為米氏常數,當V=1/2Vmax時，Km=[S]，

因而Km是酶促反應速度為最大速度二分之一時底物濃度。

2.酶促反應動力學20微生物的生理第20頁2）Km可表示酶與底物親和力。Km越小，酶與底物親和力越大。同一個酶有幾個底物就有幾個Km，其中Km最小底物普通稱為該酶天然底物或最適底物。如：己糖激酶對葡萄糖Km1.5mmol/L對果糖Km28mmol/L

所以葡萄糖為最適底物1）Km為酶特征常數。只與酶性質相關，而與酶濃度無關。21微生物的生理第21頁慣用雙倒數作圖法：即取米氏方程式倒數形式后可作出一直線。

斜率=Km/Vmax1/V1/[S]米氏常數求法1/Vmax-1/Km

利用直線截距可得到酶Vmax與Km22微生物的生理第22頁3.影響酶促反應（酶活力）原因有：1）酶總濃度E2）基質濃度3）溫度4）pH值5）激活劑6）毒物或抑制劑23微生物的生理第23頁1)酶總濃度Eυ=K3[E][S]Km+[S]在水處理中為了加緊反應速度，往往需要培養(yǎng)盡可能多細菌用以提升酶總濃度。從而增加反應器處理能力和速率。

當[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和情況下，反應速度與酶濃度成正比。關系式為：V=K3[E]24微生物的生理第24頁在其它原因不變情況下，底物濃度對反應速度影響呈矩形雙曲線關系。2）底物濃度對酶反應速度影響25微生物的生理第25頁當底物濃度較低時反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。[S]VVmax26微生物的生理第26頁伴隨底物濃度增高反應速度不再成正百分比加速；反應為混合級反應。[S]VVmax27微生物的生理第27頁當底物濃度高達一定程度反應速度不再增加,達最大速度;反應為零級反應[S]VVmax酶被底物飽和28微生物的生理第28頁3）溫度最適反應溫度：能形成最大反應速度溫度.酶活性溫度最適溫度雙重影響溫度升高，酶促反應速度升高；溫度升高10oC,反應速度增加一倍因為酶本質是蛋白質，溫度升高，可引發(fā)酶變性，從而反應速度降低。

低溫作用:貯存生物制品、菌種等

低溫時因為活化分子數目降低，反應速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復。29微生物的生理第29頁4）pH對酶反應速度影響pH最適pH隨酶純度、種類、底物種類、性質而改變。

pH可影響必需基團和催化基團解離程度，也可影響底物和輔酶解離程度，從而影響酶與底物結合。30微生物的生理第30頁胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶不一樣酶最適pH不一樣pH酶活性024681031微生物的生理第31頁5）激活劑對反應速度影響非必需激活劑：有些激活劑不存在時，酶仍有一定催化活性。

凡是能提升酶活性物質都稱為酶激活劑。其中大多為金屬離子，如Mg2+、K+、Mn2+，少數為陰離子如Cl-，也有為有機化合物，如維生素。必需激活劑：對酶促反應不可缺乏，與酶、底物結合參加反應。32微生物的生理第32頁6）抑制劑對酶反應速度影響

凡能使酶催化活性下降甚至完全喪失，但不引發(fā)酶蛋白變性物質稱為酶抑制劑。

區(qū)分于酶變性抑制劑對酶有一定選擇性引發(fā)變性原因對酶沒有選擇性33微生物的生理第33頁

抑制作用類型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：競爭性抑制(competitiveinhibition)非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)34微生物的生理第34頁(一)不可逆性抑制作用*概念抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心必需基團相結合，使酶失活。

*舉例有機磷化合物

羥基酶解毒------解磷定(PAM)重金屬離子及砷化合物

巰基酶解毒------二巰基丙醇(BAL)

35微生物的生理第35頁（二）可逆性抑制作用*概念抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制

*類型36微生物的生理第36頁競爭性抑制作用反應模式抑制劑與底物結構相同，能與底物競爭酶活性中心，從而妨礙酶底物復合物形成，使酶活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。

磺胺類藥品抑菌機制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶37微生物的生理第37頁特點：⑴競爭性I往往是酶底物結構類似物；⑵抑制劑與酶結合部位與底物與酶結合部位相同——酶活性中心⑶抑制作用能夠被高濃度底物減低以致消除；38微生物的生理第38頁非競爭性抑制*反應模式E+SESE+P+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP+IEI+SEIS+II與酶活性中心外位點結合39微生物的生理第39頁非競爭性抑制特點：⑴非競爭性抑制劑化學結構不一定與底物分子結構類似；⑵抑制劑與酶活性中心外位點結合；⑶抑制劑對酶與底物結合無影響，故底物濃度改變對抑制程度無影響；

抑制程度取決于抑制劑濃度40微生物的生理第40頁競爭性抑制與非競爭性抑制示意圖競爭抑制劑與酶活性中心結合非競爭性抑制劑與酶活性中心以外基團結合底物與酶正常結合41微生物的生理第41頁反競爭性抑制*反應模式E+SE+PES+IESI++ESESESIEP

抑制劑不能與游離酶結合，但可與ES復合物結合42微生物的生理第42頁

反競爭性抑制特點：⑴反競爭性抑制劑化學結構不一定與底物分子結構類似；⑵抑制劑與底物可同時與酶不一樣部位結合；⑶必須有底物存在，抑制劑才能對酶產生抑制作用；抑制程度隨底物濃度增加而增加；

抑制程度取決于抑制劑濃度及底物濃度43微生物的生理第43頁六、酶活性測定酶活性是指酶催化化學反應能力，其衡量標準是酶促反應速度。酶促反應速度可在適宜反應條件下，用單位時間內底物消耗或產物生成量來表示。酶活性單位是衡量酶活力大小尺度，它反應在要求條件下，酶促反應在單位時間（s、min或h）內生成一定量（mg、μg、μmol等）產物或消耗一定數量底物所需酶量。

44微生物的生理第44頁國際單位(IU)在特定條件下（25℃最適pH及底物濃度），每分鐘催化1μmol底物轉化為產物所需酶量為一個國際單位。催量單位(katal)１催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使１mol底物轉化為產物所需酶量。kat與IU換算：1kat=6×107IU45微生物的生理第45頁比活力（比活性）：每單位（普通是mg）酶液中酶活力單位數（酶單位/mg蛋白）。實際應用中也用每單位制劑中含有酶活力數表示（如：酶單位/mL（液體制劑），酶單位/g（固體制劑））。對同一個酶來講，比活力愈高則表示酶純度越高（含雜質越少），所以比活力是評價酶純度高低一個指標。

46微生物的生理第46頁當前，酶因為其高效性特點，已逐步被應用于三廢處理方面。如利用脂肪酶處理生活污水，利用可降解酚酶來降解含酚工業(yè)廢水。而且，為了更加好利用酶，現在經過微生物發(fā)酵，批量生產酶制劑用于工農業(yè)生產中。如脂肪酶，如單純依靠微生物代謝活動去分解脂肪類物質，脂肪酶作用會因為蛋白酶存在而被減弱，而假如采取酶制劑，能夠有針對性增加脂肪酶含量來分解生活污水。47微生物的生理第47頁第二節(jié)微生物營養(yǎng)

這里營養(yǎng)不單是通常意義營養(yǎng)物、營養(yǎng)品概念，在這里指微生物吸收生長所需各種物質以進行新陳代謝過程。營養(yǎng)是生物基本功效,微生物是有生命個體，營養(yǎng)是其生命活動基礎。48微生物的生理第48頁從元素水平或營養(yǎng)要素水平分析，微生物營養(yǎng)要求與攝食型動物（包含人類）和光合自養(yǎng)型綠色植物十分靠近，它們存在著“營養(yǎng)上統(tǒng)一性”，但可供其利用食物種類要多得多。元素水平：都需要20種左右，且以C、H、O、N、S、P六種元素為主，約占細胞干重95％以上：蛋白質由:C、H、O、N、S組成；核酸由C、H、O、N、P組成；糖類和脂類由C、H、O組成。營養(yǎng)要素水平：則都在六大范圍內，即碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水。49微生物的生理第49頁一、微生物化學組成細胞重量碳水化合物蛋白質脂肪DNARNA等（濕重）水(70~90%)干物質10~30%無機鹽3～10%有機物90～97%組成微生物細胞同一個微生物在不一樣生長階段其化學成份也有差異。但在正常情況下，各類微生物細胞成份是相對穩(wěn)定。50微生物的生理第50頁二、微生物六大營養(yǎng)要素要素：水、碳源、氮源、無機鹽、生長因子和能源

營養(yǎng)物質按照它們在機體中生理作用不一樣，能夠將它們區(qū)分成六大類:（一）水水對細菌有哪些作用？1)微生物主要組成，70%~90%；2)溶劑作用，運輸物質載體3)參加生化反應(如脫水、加水反應)4）足夠水分是細胞維持正常形態(tài)主要原因。5）水比熱高，維持和調整一定溫度51微生物的生理第51頁（二）碳源種類？有機物、無機碳化合物（CO2、CO32＋）隨微生物不一樣，各有偏好最喜好碳源是？凡能供給微生物生長過程中碳素營養(yǎng)物質細菌細胞中碳素含量占干物質質量50％左右。碳源作用—細胞碳骨架，對于異養(yǎng)型微生物，其碳源同時又兼作能源，這種碳源又稱為雙功效營養(yǎng)物。糖：尤其是葡萄糖、果糖及其多糖（麥芽糖、淀粉）生產中常見碳源：玉米粉、麩皮、米糠、酒糟。各種細菌利用C源能力有所不一樣：假單胞菌屬；廢水處理：諾卡氏菌降解含氰廢水。52微生物的生理第52頁（三）氮源——氮占細菌干重12%—15%作用：氮是組成主要生命物質蛋白質和核酸等主要元素。在極端情況下（e.g.饑餓情況下）也可提供能量。氮源種類分子態(tài)氮：固氮微生物以分子氮為唯一氮源：固氮菌、固氮藍藻無機態(tài)氮：硝酸鹽、銨鹽幾乎全部微生物能利用有機態(tài)氮：蛋白質及其降解產物

不一樣種類微生物利用氮源物質種類不一樣。微生物對氮源物質利用含有選擇性。p12353微生物的生理第53頁氨基酸異養(yǎng)型微生物：不能利用簡單無機氮化合物合成蛋白質，只能從外界吸收現成氨基酸作氮源微生物稱“氨基酸異養(yǎng)型微生物”。乳酸細菌氨基酸自養(yǎng)型微生物：含有分解蛋白質能力，能把非氨基酸類氮源自行合成為所需要氨基酸微生物稱為氨基酸自養(yǎng)型微生物：霉菌、酵母菌54微生物的生理第54頁試驗室中有機氮源——蛋白胨工業(yè)投加細菌氮源？發(fā)酵生產——尿素、玉米漿工業(yè)廢水處理——糞便55微生物的生理第55頁（四）無機鹽無機鹽(inorganicsalt)是微生物生長必不可少一類營養(yǎng)物質.無機鹽功效作為細胞組成成份：P、S等生理調整物質①維持滲透壓:Na＋、K＋、Cl－②酶激活劑：Mg2＋、K＋③pH穩(wěn)定劑：緩沖液化能自養(yǎng)菌能源（S、Fe…）大量元素微量元素酶激活劑：Cu2＋、Mn2＋、Zn2＋…特殊分子組成：Co、Mo…有機體內含量10－8～10－6mol/L注意：不一樣微生物對無機鹽需求濃度也不一樣。固氮酶等輔因子；葉綠素等成份維生素B12復合物成份；肽酶輔因子固氮酶和同化型及異化型硝酸鹽還原酶成份56微生物的生理第56頁（五）生長因子一些微生物在生長過程中不能本身合成，同時又是生長必需有機物質。最早發(fā)覺生長因子有三類維生素類氨基酸類嘌呤、嘧啶類

試驗室慣用：酵母膏、蛋白胨作為綜合生長素硫辛酸、VC、VK是主要生長因子。多數細菌不存在生長因子問題。只有少數細菌需要外界提供現成生長因子，才能生長，如乳酸菌需要各種維生素，所以只能生活在這些物質供給充分環(huán)境，如牛奶中、腸道。57微生物的生理第57頁（六）能源細菌能源種類化學能、光能哪些物質能夠產生化學能？有機碳源特殊無機物（如S、Fe)什么樣細菌利用光能？含有光合色素58微生物的生理第58頁幾點注意：不一樣細菌，因為其組分不一樣，營養(yǎng)要求不一樣。不一樣生長條件，同一細菌營養(yǎng)要求也會不一樣。微生物代謝能力強，可利用化合物種類很廣。第一節(jié)微生物營養(yǎng)自然界中全部物質幾乎都能夠被某種微生物所利用。甚至一些有毒有害有機物。e.g.H2S、酚、HCN、Cr6+等。59微生物的生理第59頁微生物往往先利用現成、易被吸收利用化合物。假如這些物質量已滿足了它們要求，就不利用其它物質了。有些微生物在利用易被吸收利用物質同時，能利用難降解化合物——共代謝。各種營養(yǎng)元素之間往往有一定百分比關系。e.g.土壤中許多微生物要求C：N=25：1廢水生物處理中要求好氧處理BOD:N:P=100:5:1厭氧消化污泥BOD:N:P=100:6:1有機固體廢物堆肥要求C:N=30:1,C:P=75~100:160微生物的生理第60頁營養(yǎng)型細菌分類依據碳源不一樣分為無機營養(yǎng)——有機營養(yǎng)（或自養(yǎng)——異養(yǎng)）三、微生物營養(yǎng)類型61微生物的生理第61頁(1)無機營養(yǎng)細菌（自養(yǎng)菌）無機（自養(yǎng)）—CO2、CO和CO32-能否也利用有機物呢？絕大多數能，“能吃苦也能享?！保詿o機C為主要C源又依據能源不一樣又分為光能自養(yǎng)型細菌和化能自養(yǎng)型細菌。62微生物的生理第62頁①光能自養(yǎng)細菌：這是一類能以CO2為唯一碳源或主要碳源并利用光能進行生長微生物，它們能以無機物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其它無機化合物為供氫體，使CO2固定還原成細胞物質,而且伴隨元素氧（硫）釋放。細菌只有紫硫細菌和綠硫細菌63微生物的生理第63頁紫硫、綠硫細菌代謝方式

光照

CO2+

H2S

→

[CH2O]（糖）+H2O+2S↓

菌綠素（與葉綠素大同小異）在自然界作用是什么呢？早期無氧地球，去除H2S毒物較潔凈光照池塘無臭（H2S)區(qū)碳源：以CO2

為惟一碳源

能源：光轉變?yōu)锳TP藍細菌從水中光解中取得氫，用于還原CO2。CO2+H2O光能葉綠素[CH2O]+O2放出氧64微生物的生理第64頁紫硫細菌湖中4m硫化物*這個深度紫硫細菌多65微生物的生理第65頁②化能自養(yǎng)細菌什么是化能自養(yǎng)菌？自養(yǎng)——碳源CO2化能——以？物質氧化產能S、H2S、H2、NH3、Fe種類：硫細菌(硫化細菌和硫磺細菌)、（亞）硝化細菌及鐵細菌、氫細菌。66微生物的生理第66頁比如，亞硝化細菌進行有機物合成反應以下

2NH3

+2O22HNO2

+4H+619千焦耳ATPCO2+4H[CH2O]+H2O化能自養(yǎng)細菌能用于污水處理嗎？為何？能，脫氨、脫硫；條件輕易化能自養(yǎng)微生物專一性很強，一個細菌往往只能氧化某一個特定無機物。67微生物的生理第67頁⑵有機營養(yǎng)細菌（異養(yǎng)菌）有機（異養(yǎng)）——以有機物為碳源提問：自養(yǎng)、異養(yǎng)菌哪種繁殖快？“吃磚頭和吃糧食區(qū)分”異養(yǎng)菌是有機污水處理主角依據能源不一樣68微生物的生理第68頁絕大多數細菌都屬于化能異養(yǎng)菌：絕大多數細菌、原生動物，全部真菌、以及病毒。.①化能異養(yǎng)菌碳源—有機物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等能源—有機物氧化取得。假如化能有機營養(yǎng)型微生物利用有機物不含有生命活性，則是腐生型；若是生活在生活細胞內從寄生體內取得營養(yǎng)物質，則是寄生型。69微生物的生理第69頁

肺結核桿菌痢疾志賀氏菌

寄生細菌，能夠經過水源、食物傳輸，是水處理中需要監(jiān)控和殺滅對象。70微生物的生理第70頁不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機廢水（食品行業(yè)）高效處理②.光能異養(yǎng)細菌（無氧有光）

光能+色素

有機物+CO2→菌體[CH2O]小分子有機物碳源主要指紅螺菌（有氧無光時可化能異養(yǎng)生存）

提問：在污水處理中優(yōu)勢是什么？——嗜鹽紅螺菌大量滋生時紅鹽田71微生物的生理第71頁CO2＋2[CH2O]+2CH3COCH3+H2O光能光合色素CH3CH3CHOH

紅螺菌在湖泊、池塘、淤泥中含有，在缺氧時能利用有機酸、醇等有機物。同時該菌含有蛋白質65%，和大量氨基酸、抗生素。慣用工業(yè)廢水和農業(yè)廢棄物生產該菌，既保護了環(huán)境消除污染，又生產了單細胞蛋白變廢為寶。紅螺菌：72微生物的生理第72頁提問：人工投加光合細菌（PSB,紅螺菌）有利于水產養(yǎng)殖，原因？快速轉化毒物（水族排泄物被細菌分解后氨、有機酸）為高蛋白菌體，作為魚飼料，且不消耗氧

；優(yōu)勢生長時能抑制水族病原菌生長73微生物的生理第73頁微生物營養(yǎng)類型（小結）營養(yǎng)類型能源基本碳源實例光能自養(yǎng)型光CO2紫硫細菌、綠硫細菌、藍細菌、藻類光能異養(yǎng)型光CO2及簡單有機物紅螺菌科細菌化能自養(yǎng)型無機物*（NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等）CO2硝化細菌、硫化細菌、鐵細菌、氫細菌、硫磺細菌等化能異養(yǎng)型有機物有機物絕大多數細菌和全部真核微生物74微生物的生理第74頁以上四種營養(yǎng)類型劃分不是絕正確：1.如紅螺菌既可利用光能，也可利用化能2.氫單胞菌是異養(yǎng)和自養(yǎng)過渡型（稱兼性自養(yǎng)型）

自養(yǎng)與異養(yǎng)區(qū)分不在于能否利用CO2，而在于是否以CO2或碳酸鹽為唯一碳源。自養(yǎng)型以無機碳化物為碳源，異養(yǎng)型即使也可利用CO2，但必須在有機碳存在情況下。微生物營養(yǎng)類型CO2＋2[CH2O]+2CH3COCH3+H2O光能光合色素CH3CH3CHOH

75微生物的生理第75頁四、培養(yǎng)基培養(yǎng)基(culturemedium)是人工配制，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物營養(yǎng)基質。任何培養(yǎng)基都應具備微生物所需要六大營養(yǎng)要素，且應百分比適當。所以一旦配成必須馬上滅菌。76微生物的生理第76頁1.培養(yǎng)基配制標準△依據不一樣需要配制不一樣培養(yǎng)基細菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基真菌：馬鈴薯糖培養(yǎng)基△調整不一樣pH值△各營養(yǎng)物質濃度及配比?！魑锩纼r廉牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基牛肉膏3g,蛋白胨10g,NaCl5g，瓊脂18-20g,水1000ml,pH7.0-7.2馬鈴薯糖培養(yǎng)基馬鈴薯200g，葡萄糖或蔗糖20g，瓊脂18-20g，水1000ml，pH自然77微生物的生理第77頁2.培養(yǎng)基分類(1)依據物理狀態(tài)分類液體培養(yǎng)基：不加凝固劑。液體發(fā)酵、水處理中廢水。我們一樣應按照培養(yǎng)基配制標準分析廢水營養(yǎng)成份，合理投加缺乏營養(yǎng)物，使細菌等微生物能在最正確狀態(tài)下大量生長，從而凈化廢水。

固體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入2%左右凝固劑。分離、判定、計數、菌種保藏。半固體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入0.5-1%凝固劑。觀察細菌運動狀態(tài)。78微生物的生理第78頁79微生物的生理第79頁細菌在半固體培養(yǎng)基中生長現象有鞭毛細菌，沿穿剌線呈含糊羽毛狀生長。無鞭毛細菌，沿穿剌線呈清楚線狀生長。80微生物的生理第80頁（2）依據化學組成份類▲天然培養(yǎng)基：動、植物、細菌或它們提取液。如酸奶、酒、腐乳、醬類發(fā)酵生產

特點—化學組分不知道，營養(yǎng)豐富，配制輕易。▲合成培養(yǎng)基：完全以化學藥品配制而成。如KH2PO4、NaCl特點—組分確定▲半合成培養(yǎng)基：天然成份和化學藥品都有。分析

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基馬鈴薯糖培養(yǎng)基屬于哪種培養(yǎng)基？？81微生物的生理第81頁基礎培養(yǎng)基(minimummedium)：是含有普通微生物生長繁殖所需基本營養(yǎng)物質培養(yǎng)基，如牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基(selectivemedium)是用來將某種或某類微生物從混雜微生物群體中分離出來培養(yǎng)基。如膽汁酸鹽培養(yǎng)基,用于大腸菌群培養(yǎng),但抑制腸道中G+生長，從而檢出大腸菌群（3）依據用途分類82微生物的生理第82頁比如篩選纖維素分解菌選取纖維素作為培養(yǎng)基中唯一碳源；各類降解石化廢水特殊有機物細菌篩選通常是以這類有機物為培養(yǎng)基中唯一碳源，將目標細菌富集篩選下來。加富培養(yǎng)基：(enrichmentmedium)加入一些特殊營養(yǎng)物質制成一類營養(yǎng)豐富培養(yǎng)基，用于微生物數量少或對營養(yǎng)要求苛刻微生物培養(yǎng)。如加入酵母浸膏等。水處理工程中各類含有特殊降解性能細菌都是經過這種選擇性培養(yǎng)被篩選分離出來。

83微生物的生理第83頁判別培養(yǎng)基(differentialmedium)：在培養(yǎng)基中加入某種特殊化學物質，某種微生物在培養(yǎng)基中生長后能產生某種代謝產物，而這種代謝產物能夠與培養(yǎng)基中特殊化學物質發(fā)生特定化學反應，產生顯著特征性改變，依據這種特征性改變，可將該種微生物與其它微生物區(qū)分開來。如水處理中慣用：伊紅美藍培養(yǎng)基，遠藤氏培養(yǎng)基就是經典判別培養(yǎng)基。被用于化驗飲用水中是否含有大腸菌群，以及它們種類。84微生物的生理第84頁試樣副大腸桿菌能發(fā)酵乳糖產酸不發(fā)酵乳糖不產酸，菌落無色透明產酸力強，菌落呈紫黑色金屬光澤產酸力弱，菌落紫紅色產氣桿菌E.coli產酸力中等，菌落呈蘭色，外圈透明枸櫞酸鹽桿菌EMB(EosinMethyleneBlue)85微生物的生理第85頁EMB(EosinMethyleneBlue)Figure14.Left:Escherichiacolicells.Right:E.colicoloniesonEMBAgar.

86微生物的生理第86頁加水

①緩沖化合物②有機、無機營養(yǎng)物③微量元素④維生素及其它生長因子10%NaOH、HCl調整pH分裝冷卻備卻高壓蒸氣滅菌鍋3.配制87微生物的生理第87頁五、營養(yǎng)物質進入微生物細胞方式細菌沒有專門攝食器官，只能經過細胞表面進行物質交換。細胞壁只能對大顆粒物質起阻擋作用，而許多大分子物質卻可自由進出；而細胞膜是一個半透膜，它能夠控制大分子物質進出，所以營養(yǎng)物質運輸主要與細胞膜相關。試驗表明：①有些小分子物質如CO2、H2O、乙醇等可很快經過膜上小孔擴散入細胞；②許多菌體需要物質，其胞內濃度遠大于胞外環(huán)境當前，普通認為營養(yǎng)物質進入細胞方式有以下四種：88微生物的生理第88頁1.簡單擴散（單純擴散、自由擴散、被動擴散）原生質膜是一個半透性膜，營養(yǎng)物質經過原生質膜上小孔，由高濃度胞外環(huán)境向低濃度胞內進行擴散。特點②不消耗能量；不能逆濃度運輸；③運輸速率與膜內外物質濃度差成正比①物質在擴散過程中沒有發(fā)生任何反應；④不需要載體參加；89微生物的生理第89頁水是唯一能夠經過擴散自由經過原生質膜分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體（O2、CO2）及一些氨基酸在一定程度上也可經過自由擴散進出細胞。

flowstowardshighsaltconcentrations90微生物的生理第90頁單純擴散模式圖細胞膜外細胞膜內細胞膜91微生物的生理第91頁簡單擴散92微生物的生理第92頁2．促進擴散（幫助擴散）促進擴散模式圖細胞膜細胞膜外細胞膜內恢復原構象移位環(huán)循再構象改變結合93微生物的生理第93頁

經過促進擴散進入細胞營養(yǎng)物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。普通微生物經過專一載體蛋白運輸對應物質，但也有微生物對同一物質運輸由一個以上載體蛋白來完成。特點①不消耗能量②參加運輸物質本身分子結構不發(fā)生改變③不能進行逆濃度運輸④運輸速率與膜內外物質濃度差成正比⑤需要載體參加94微生物的生理第94頁促進擴散95微生物的生理第95頁3．主動運輸主動運輸是廣泛存在于微生物中一個主要物質運輸方式。主動運輸模式圖細胞膜細胞膜外細胞膜內恢復原構象移位再循環(huán)結合構象改變ADP+PiATP96微生物的生理第96頁這是微生物最主要運輸方式。不一樣微生物在主動運輸過程中所需能量起源不一樣，化能微生物主要來自化學能，光合微生物中則主要來自光能。①需要消耗代謝能②能夠進行逆濃度運輸運輸方式③需要載體蛋白參加④對被運輸物質有高度專一性⑤被運輸物質在轉移過程中不發(fā)生任何化學改變特點：97微生物的生理第97頁主動運輸98微生物的生理第98頁4．基團移位基因轉位是一個特殊主動運輸，與普通主動運輸相比，營養(yǎng)物質在運輸過程中發(fā)生了化學改變（糖在運輸過程中發(fā)生了磷酸化）。其余特點與主動運輸相同。主要是用于單（或雙）糖與糖衍生物，以及核苷與脂肪酸運輸99微生物的生理第99頁基團移位模式圖細胞膜外細胞膜內SSSS細胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸膜內側熱穩(wěn)蛋白（HPr）在酶Ⅰ作用下形成[HPr-磷酸]（激活）。在膜外基質被滲透酶帶到細胞膜內，在酶Ⅱ作用下，被[HPr-磷酸]磷酸化形成[S-磷酸]。100微生物的生理第100頁四種運輸營養(yǎng)物質方式比較比較項目單純擴散促進擴散主動運輸基團轉位特異載體蛋白運輸速度物質運輸方向胞內外濃度運輸分子能量消耗運輸后物質結構無慢由濃至稀相等無特異性不需要不變有快由濃至稀相等特異性不需要不變有快由稀至濃胞內濃度高特異性需要不變有快由稀至濃胞內濃度高特異性需要改變101微生物的生理第101頁代謝概論分解代謝合成代謝:代謝(metabolism)是指微生物將外部環(huán)境攝取能量和物質，經過一系列生物化學反應，轉變?yōu)榧毎M分，同時產生廢物排泄到體外，這個過程稱為代謝，即細胞內生物化學反應總稱102微生物的生理第102頁分解代謝（catabolism）分解代謝指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。普通可將分解代謝分為三個階段：蛋白質多糖脂類氨基酸單糖甘油，脂肪酸丙酮酸/乙酰輔酶ACO2，H20，能量（三羧酸循環(huán)）103微生物的生理第103頁合成代謝（anabolism）合成代謝指細胞利用小分子物質合成復雜大分子過程，并在這個過程中消耗能量。合成代謝所利用小分子物質起源于分解代謝過程中產生中間產物或環(huán)境中小分子營養(yǎng)物質。104微生物的生理第104頁在代謝過程中，微生物經過分解作用產生化學能。這些能量用于：1合成代謝2微生物運動和運輸3熱和光不論是分解代謝還是合成代謝，代謝路徑都是由一系列連續(xù)酶反應組成，前一部反應產物是后續(xù)反應底物。細胞能有效調整相關反應，生命活動得以正常進行。一些微生物還會產生一些次級代謝產物。這些物質除有利于微生物生存外，還與人類生產生活密切相關。105微生物的生理第105頁第四節(jié)微生物產能代謝---生物氧化106微生物的生理第106頁一、產能代謝與呼吸作用關系1呼吸作用本質生物氧化和還原統(tǒng)一過程.即，在生物氧化中，呼吸基質脫下氫和電子經載體傳遞，最終交給受體生物學過程。2發(fā)生哪些生物學現象呢？（酶催化）

復雜有機物變成簡單物質CO2、H2O等。發(fā)生能量轉換（合成物質、生命活動、以熱釋放）產生中間產物（繼續(xù)分解、作為原料合成機體物質。)這些生物過程都需要酶參加。107微生物的生理第107頁通常依據基質脫氫后，傳遞氫過程尤其是受氫體不一樣來劃分呼吸類型：分子外無氧呼吸（無氧呼吸：自養(yǎng)微生物）：最終電子受體是O2以外無機氧化物，如NO3-、SO42-無任何外援電子受體，基質失去氫被氧化，其產物又接收氫被還原，從而形成新發(fā)酵產物無氧呼吸：有氧呼吸：最終電子和氫受體是O2，產物：CO2+H2O+能量自養(yǎng)微生物異養(yǎng)微生物分子內無氧呼吸：異養(yǎng)微生物）二、呼吸類型呼吸發(fā)酵：108微生物的生理第108頁1、發(fā)酵（又稱分子內無氧呼吸類型）同一物質（如葡萄糖）分解產物再結合？不存在外在電子受體，底物進行部分氧化，最終電子受體：小分子有機物這個過程，能量有少許釋放，多數仍保留在產物中。全部發(fā)酵過程都以葡萄糖為起始底物，首先進入糖酵解過程，也叫EMP過程。109微生物的生理第109頁

EMP路徑（Embden-Meyerhofpathway）EMP路徑意義：為細胞生命活動提供ATP和NADH丙酮酸ADPATPaa:預備性反應bb:氧化還原反應底物水平磷酸化葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATP2NAD+2NADH+H+底物水平磷酸化失去兩個電子+2+2-1-1？110微生物的生理第110頁底物水平磷酸化：在某種化合物氧化過程中，可形成一個含有高能磷酸鍵化合物，可經過對應酶作用把高能磷酸根轉移給ADP而生成ATP，此過程不需要O2111微生物的生理第111頁這是一個基本代謝路徑，產能效率低，不過可提供各種中間代謝產物作為合成代謝原料。在有氧呼吸中它與TCA循環(huán)連接，而在無氧時，丙酮酸被還原為各種發(fā)酵產物，如：乙醇、乳酸①。EMP路徑：112微生物的生理第112頁乙醇發(fā)酵整個過程，1mol葡萄糖產生4molATP，用去2mol，凈剩2molATP，即產生能量2×31.4KJ＝62.8KJ。葡萄糖轉化成乙醇應產能238.3KJ，能量利用率為62.8/238.3＝26％，其余能量以熱量形式散失。沒有外在受氫體，受氫體是底物本身113微生物的生理第113頁常識：高等動物有沒有發(fā)酵呢？酵解—發(fā)酵，但能量太低不足以維持其生存114微生物的生理第114頁2.有氧呼吸△以葡萄糖代謝為例：

葡萄糖好氧分解分為兩個階段：①糖酵解階段，②三羧酸循環(huán)：TCA循環(huán)。在TCA循環(huán)中，葡萄糖被徹底氧化分解為CO2和H2O.有外在電子受體，以分子氧為最終受體，底物可全部被氧化為CO2和H2O，并產生大量ATP生物氧化過程.遞氫體遞氫體-H2還原態(tài)細胞色素-H2氧化態(tài)細胞色素1/2O2H2O脫氫酶氧化酶2H+NADFADQ細胞色素bca1a3基質-H2基質115微生物的生理第115頁丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進入三羧酸循環(huán)。循環(huán)結果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，草酰乙酸參加反應而本身并不消耗。116微生物的生理第116頁TCA循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。在絕大多數異養(yǎng)微生物呼吸代謝中起關鍵作用。在物質代謝中地位：樞紐位置3CO24NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP(底物水平）ATPC3CH3CO~CoA呼吸鏈呼吸鏈氧化水平磷酸化氧化磷酸化：經過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放能量傳遞給ADP，形成ATP，此過程需O2，最終生產H2O，這是產能主要方式。117微生物的生理第117頁1mol葡萄糖可在EMP路徑形成2mol丙酮酸，則在TCA循環(huán)中可形成:2×15＝30molATP;而在EMP路徑，凈剩2molATP，2molNADH2,則可換算成2×3＝6molATP,所以，1mol葡萄糖可產生：30+2+6＝38molATP.好氧微生物氧化分解1mol葡萄糖分子總共可生成有1193kJ能量轉變?yōu)锳TP。1mol葡萄糖分子完全氧化產生總能量大約為2876KJ。這么，好氧呼吸利用能量效率大約是42％，其余能量以熱形式散發(fā)掉?？梢?，進行發(fā)酵厭氧微生物為了滿足能量需要，消耗營養(yǎng)物要比好氧微生物多。118微生物的生理第118頁3、無氧呼吸(分子外無氧呼吸類型）

最終電子受體：無機物（NO3-、NO2-、SO42-、CO2）基質－H2基質（葡萄糖）－2e-－2H+傳遞體－2H傳遞體－2e—2H+脫氫酶脫氫酶－2H輔酶特殊氧化酶+2e+2H+NO3-(CO2)H2O+NO2-(CH4+H2O)該無氧呼吸過程是廢水厭氧處理微生物學基礎。119微生物的生理第119頁硝酸鹽呼吸又稱反硝化作用，它是NO3-被細菌還原為NO2-，再逐步還原為NO、N2O、N2等氣體釋放出去過程。供氫體能夠是葡萄糖、乙酸、甲醇等有機物，也能夠是H2、NH3,水中反硝化細菌對于環(huán)境保護有著重大意義，因為它能夠去除水中硝酸根，降低水體硝酸鹽污染和富營養(yǎng)化發(fā)生，從而保護水生生物，因而被用于高濃度硝酸鹽廢水處理。（1）硝酸鹽呼吸120微生物的生理第120頁（2）硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）嚴格地說是異化硫酸鹽還原，在硫酸還原酶催化作用下，以有機物為氧化基質，使硫酸鹽還原成H2S（光能自養(yǎng)菌食物）。他們廣泛分布在土壤、海水、污水、淤泥、溫泉、油井、以及動物和人體腸道中。現有兼性厭氧也有嚴格厭氧。以脫硫弧菌最為常見。利——厭氧污水中有機物及重金屬污染處理弊——H2S惡臭、腐蝕性和生物毒性有臭雞蛋氣味硫化氫，或在周圍環(huán)境有鐵離子存在時出現黑色FeS沉淀出現。121微生物的生理第121頁Ⅰ、危害A．腐蝕性硫酸鹽還原菌釋放硫化氫氣體對金屬有很強腐蝕性，會造成油井套管、地下管線、水冷卻設備腐蝕穿孔，尤其是對油田注水井套管腐蝕，能夠使套管使用壽命縮短二分之一，而不得不提前更換，同時腐蝕產生FeS還會堵塞油井，這些都給油田系統(tǒng)造成了十分巨大經濟損失，當前通常采取向注水中投加殺菌劑防治，也有經過陰極保護、紫外殺菌等方法，但總體而言效果都不是很理想，不是費用太高，就是效果不穩(wěn)定，我國這方面研究剛才起步。122微生物的生理第122頁B．生物毒性硫酸鹽還原菌釋放硫化氫氣體不但有腐蝕性，同時還有毒性。在厭氧污水處理中他會對甲烷菌產生抑制，尤其是當水中硫酸根濃度較高時，則會嚴重影響凈化效果，降低甲烷轉化率。同時會產生極難處理惡臭擾民問題。因為硫酸鹽還原菌與甲烷菌生理條件類似，用各種化學物質單獨抑止硫酸鹽還原菌生長方法實踐證實行不通，只能設法稀釋水中硫酸鹽濃度來加以控制。123微生物的生理第123頁Ⅱ、環(huán)境保護應用硫酸鹽還原菌特點在一些環(huán)境保護領域不是缺點而是優(yōu)點。比如對于含有重金屬離子工廠、礦山廢水，能夠利用硫酸鹽還原菌產生硫化氫與之形成金屬硫化物沉淀將重金屬離子去除。在厭氧廢水處理中在控制硫化氫前提下硫酸鹽還原菌生長一樣起到降解有機污染物作用，也是含有利用價值