環(huán)境工程微生物學(xué)-PPT課件第04章

1、第四章 微生物的生理本章主要內(nèi)容 1、微生物的酶 2、微生物的營(yíng)養(yǎng) 3、微生物的產(chǎn)能代謝 4、微生物的合成代謝 代謝：是生命細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱； 產(chǎn)能代謝：也稱異化作用，物質(zhì)分解反應(yīng)，放出能量； 合成代謝：也稱同化作用，物質(zhì)合成反應(yīng)，消耗能量。第一節(jié) 微生物的酶酶的概念酶是動(dòng)植物、微生物等生物合成的，催化生物化學(xué)反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學(xué)集團(tuán)的生物催化劑。 微生物的所有營(yíng)養(yǎng)和代謝活動(dòng)必須在酶的參與下才能正常進(jìn)行。產(chǎn)地功用 1. 酶的組成有兩類：?jiǎn)纬煞置福缓鞍踪|(zhì)；全酶，除了蛋白質(zhì)，還含有輔助因子，如：小分子有機(jī)物（不含氮）、金屬離子等。全酶的所有組分必須齊全，缺一不可，否則就

2、會(huì)失去本有活性。一、酶的組成微生物的酶單成分酶全酶酶蛋白+有機(jī)物 脫氫酶酶蛋白+金屬離子 細(xì)胞色素氧化酶 酶蛋白+有機(jī)物+金屬離子 丙酮酸脫氫酶水解酶2.酶的各組分的功能：酶蛋白起加速反應(yīng)作用；其他輔酶、輔基傳遞電子、原子和化學(xué)集團(tuán)；金屬離子除傳遞電子，還起激活劑作用。輔酶輔基：Fe2+、NAD、NADP、FAD、FMN等。 輔酶與輔基的區(qū)別只在于它們與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，并無嚴(yán)格的界限。前者與蛋白質(zhì)結(jié)合的較松弛，后者則結(jié)合較緊。 二、酶蛋白的結(jié)構(gòu) 酶蛋白也是蛋白質(zhì)，由20種氨基酸組成。排列順序不同，蛋白質(zhì)不同。 氨基酸由肽鍵（-CO-NH-）連接形成多肽鏈，兩條連或單鏈在卷曲時(shí)相鄰的基

3、團(tuán)可以由氫鍵、鹽鍵、脂鍵、范德華力及金屬鍵相連接。 這樣，便使酶蛋白呈現(xiàn)以下四種結(jié)構(gòu)。1.一級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈本身結(jié)構(gòu)；2.二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈形成的初級(jí)結(jié)構(gòu)，由氫鍵連接；3.三級(jí)結(jié)構(gòu)：在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲形成的更 復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有氫鍵、鹽鍵、脂鍵等；4.四級(jí)結(jié)構(gòu)：由多個(gè)亞基形成。亞基：由一個(gè)或多個(gè)多肽鏈在三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的小單位。二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)三、酶的活性中心 酶的活性中心指的是酶蛋白分子能與底物結(jié)合，并發(fā)揮催化作用的小部分氨基酸區(qū)。分有結(jié)合部位和催化部位。四、酶的分類和命名 1.按照催化反應(yīng)的類型：水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、異構(gòu)酶、裂解酶、合成酶。a.水解酶：催化大分子有機(jī)物水

4、解成小分子。AB+H2O AOH+BHb.氧化還原酶：催化物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)。AH2+B A+BH2乳酸 1.按照催化反應(yīng)的類型： c.轉(zhuǎn)移酶：催化底物基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)有機(jī)物上。AR+B A+BRR:氨基、醛基、酮基、磷酸基 d.異構(gòu)酶：催化同分異構(gòu)體的基團(tuán)重新排列。A A如：葡萄糖形成為果糖。 1.按照催化反應(yīng)的類型：e.裂解酶：催化底物裂解為小分子有機(jī)物。A C+Bf.合成酶：催化底物的合成反應(yīng)。A+B+ATP AB+ADP+Pi2.按照酶在細(xì)胞的位置：胞內(nèi)酶（大部分）、胞外酶、表面酶3.按照催化的底物：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶五、酶的催化特性 1.酶和一般催化劑的比較共性：(1)

5、.用量少而催化效率高。(2).僅能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，并不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)。(3).可降低反應(yīng)的活化能 2.酶作為生物催化劑的特性2.酶作為生物催化劑的特性 (1).催化效率高：反應(yīng)速度是無酶催化或普通人造催化劑催化反應(yīng)速度的103次方至1010次方倍。如：在同樣條件下，只是催化劑不同，催化H2O2分解,用H2O2酶1秒可催化105mol，用FeCl3，1秒只催化10-5 mol。 (2).酶的作用具有高度的專一性 一種酶只能催化一種或一類反應(yīng)。 絕對(duì)專一性 酶的專一性 相對(duì)專一性 立體異構(gòu)專一性 2.酶作為生物催化劑的特性(3).反應(yīng)條件溫和：常溫、常壓、中性。(4).敏感性：對(duì)環(huán)境條

6、件極為敏感，酶容易失活 。六.影響酶活力的因素通過下列反應(yīng)： k1 k3E + S ES E + P k2酶 底物 中間產(chǎn)物 酶 最終產(chǎn)物 得出米門公式（酶促反應(yīng)方程式）其中Km米氏常數(shù)，表示反應(yīng)速度為最大速度一半時(shí)的底物濃度。 從米門公式可知，酶促反應(yīng)速度與E和S有關(guān)。實(shí)際上，也要受到溫度、pH、激活劑、抑制劑的影響。 1.E對(duì)酶促反應(yīng)的影響理論：當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r(shí)，酶促反應(yīng)速度與E成正比，即當(dāng)S足夠大時(shí)，E越大，酶促反應(yīng)速度越快。實(shí)際：當(dāng)E達(dá)到一定濃度時(shí)，酶促反應(yīng)速度就趨于平緩。Ev酶濃度與v的關(guān)系Sv2.S對(duì)酶促反應(yīng)的影響當(dāng)E為定值，且S從零逐漸增大時(shí)，酶促反應(yīng)與S成正比。但當(dāng)所有的E

7、變成了ES后，即使再增加S，酶促反應(yīng)速度也不會(huì)增加。當(dāng)S為定值時(shí)，酶促反應(yīng)速度與初始E0成正比。底物濃度與v的關(guān)系酶0.004酶0.003酶0.002酶0.0013.溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響酶在最佳適應(yīng)范圍內(nèi)，它的活性最高，酶促反應(yīng)速度最大。溫度每升高10，酶促反應(yīng)速度提高12倍。用Q10表示，通常在1.42.0之間。過高過低的溫度都會(huì)影響酶促反應(yīng)。但也有很大不同：高溫時(shí)，酶會(huì)受到破壞，發(fā)生不可逆變性，甚至完全失去活性。低溫時(shí)，可降低酶的活性，但不會(huì)失去活性，當(dāng)溫度恢復(fù)時(shí)，活性即恢復(fù)。Tv溫度與v的關(guān)系4.pH對(duì)酶促反應(yīng)的影響酶在最適pH值范圍內(nèi)才表現(xiàn)出正常活性，過高過低的pH值都會(huì)降低酶的活性。

8、pH對(duì)酶活性的影響：a.改變底物與酶的帶電狀態(tài)，影響二者結(jié)合；b.過高、過低pH值都會(huì)影響酶的穩(wěn)定性，使酶受到不可逆破壞。5.激活劑對(duì)酶促反應(yīng)的影響能夠?qū)γ钙鸺せ钭饔玫奈镔|(zhì)稱為激活劑。如：Fe2+、Cu2+、Br、SO42-、維生素等。某些酶必須在加入激活劑后才會(huì)真正表現(xiàn)出催化性能或增強(qiáng)催化性能。微生物體內(nèi)有的酶雖然形成了，但并不起催化作用，稱為酶原。當(dāng)加入了催化劑后才會(huì)表現(xiàn)為催化作用。6.抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)的影響有些物質(zhì)可減弱、抑制、破壞酶活性，稱為抑制劑。如：重金屬離子（Ag+、Hg2+）、CO、H2S等。抑制劑作用機(jī)理：a.競(jìng)爭(zhēng)性抑制b.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 補(bǔ)充：酶的應(yīng)用1.皮革脫毛傳統(tǒng)方式：灰

9、堿法（生石灰和硫化鈉）缺點(diǎn)：污染、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。蛋白酶法：蛋白酶分解優(yōu)點(diǎn)：效率高、勞動(dòng)條件好；無污染。2.生物制漿利用微生物的酶分解原料中的木質(zhì)素，形成纖維素用于造紙。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營(yíng)養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì):能夠滿足機(jī)體生長(zhǎng)、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì)。第二節(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物不斷獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其變成細(xì)胞組分，并將廢棄物排出體外的過程稱為新陳代謝。營(yíng)養(yǎng):微生物獲得和利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過程。一、微生物的化學(xué)組成主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵、氯等微量元素：銅、鋅、錳、鉬、硒、鈷等微生物體內(nèi)的7090為水，剩下的為

10、干物質(zhì)。干物質(zhì)，則主要為有機(jī)物和無機(jī)物組成。其中，有機(jī)物約占干重的90%97,主要為蛋白質(zhì)、核酸、糖和脂肪。其中，C、H、O、N是所有生物的有機(jī)元素。 二、微生物的營(yíng)養(yǎng)物及營(yíng)養(yǎng)類型五大要素：水、碳源、氮源、生長(zhǎng)因子、無機(jī)鹽。 1.水水是微生物本身組分；溶劑；有利于對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收；生化反應(yīng)在溶液中進(jìn)行。2.碳源在微生物生長(zhǎng)過程中能為微生物提供碳素來源的物質(zhì)。碳源有機(jī)碳無機(jī)碳異養(yǎng)微生物自養(yǎng)微生物光能異養(yǎng)化能異養(yǎng)光能自養(yǎng)化能自養(yǎng)微生物利用的碳源物質(zhì)主要有糖類、有機(jī)酸、醇、脂類、烴、CO2及碳酸鹽等。微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。對(duì)于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來說，碳源是兼有能源功能營(yíng)養(yǎng)物。 凡

11、是能夠供給微生物氮素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)稱為氮源。氮源的作用是為蛋白質(zhì)的合成提供原料。3.氮源氮源氨基酸蛋白質(zhì)核 酸尿 素有機(jī)氮無機(jī)氮硝酸鹽銨 鹽NH3N2按對(duì)氮源的要求不同，微生物可分為：1.固氮微生物利用空氣中的N2合成自身所需的氨基酸及蛋白質(zhì)。代表：根瘤菌、固氮藍(lán)菌、固氮菌。2.以無機(jī)氮化物為氮源的微生物利用NH3、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽為氮源。代表：亞硝化菌、硝化菌、放線菌、霉菌等。按對(duì)氮源的要求不同，微生物可分為：3.以某種氨基酸為氮源的微生物也為異養(yǎng)微生物，不能利用無機(jī)氮合成蛋白質(zhì)，只會(huì)利用現(xiàn)成的氨基酸合成。代表：乳酸菌、丙酸細(xì)菌等。4.以分解蛋白質(zhì)而獲得氮源的微生物把蛋白質(zhì)分解后，形成NH

12、3、氨基酸和肽，然后根據(jù)自己所需再次形成蛋白質(zhì)。代表：氨化細(xì)菌、霉菌、酵母菌等。4.無機(jī)鹽作用1.細(xì)胞組成部分；2.構(gòu)成酶的組分和維持酶的活性；3.調(diào)節(jié)滲透壓、pH、氧化還原電位；4.能源；5.酶的激活劑；微量元素:是指那些在微生物生長(zhǎng)過程中起重要作用，而機(jī)體對(duì)這些元素的需要量極其微小的元素。通常需要量在106108mol/L。如：鋅、錳、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。 根據(jù)微生物對(duì)礦質(zhì)元素需要量大小可以把它分成:大量元素： P 、S、 K、 Na、Mg、Ca、Fe等。1）PP對(duì)于微生物的作用很重要，所有的微生物都需要磷源。a.合成核酸、核蛋白、磷脂及其他含磷物質(zhì)的重要元素。b.是一些輔酶的組

13、成部分。如：NAD、ATP、ADP等。c.在磷酸化中起作用。d.高能磷酸鍵。e.緩沖劑。2）SS是一些氨基酸的組分，一般為硫氫基（SH）的形式。S及硫化物是好氧微生物的能源。5.生長(zhǎng)因子生長(zhǎng)因子：那些微生物生長(zhǎng)所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機(jī)體生長(zhǎng)需要的有機(jī)化合物。生長(zhǎng)因子主要有：維生素C、B維生素、氨基酸、堿基對(duì)等。 三 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物生長(zhǎng)過程中能量的來源光能營(yíng)養(yǎng)型化能營(yíng)養(yǎng)型1.光能無機(jī)自養(yǎng)型2.光能有機(jī)異養(yǎng)型3.化能無機(jī)自養(yǎng)型4.化能有機(jī)自養(yǎng)型根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同，可將微生物分為：營(yíng)養(yǎng)類型劃分依據(jù)營(yíng)

14、養(yǎng)類型特點(diǎn)碳源自養(yǎng)型以CO2 為唯一或主要碳源異養(yǎng)型以有機(jī)物為碳源能源光能營(yíng)養(yǎng)型以光為能源化能營(yíng)養(yǎng)型以有機(jī)物氧化釋放的化學(xué)能為能源電子供體無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型以還原性無機(jī)物為電子供體有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型以有機(jī)物為電子供體1光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為主要唯一或主要碳源；進(jìn)行光合作用獲取生長(zhǎng)所需要的能量；以無機(jī)物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；例如，藻類及藍(lán)細(xì)菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體），進(jìn)行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)。而紅硫細(xì)菌，以H2S為電子供體，產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。CO2+ 2H2S光能光合色素 CH2O + 2S+ H2O2光能有機(jī)

15、異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；在生長(zhǎng)時(shí)大多數(shù)需要外源的生長(zhǎng)因子；3化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長(zhǎng)所需要的能量來自無機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，利用H2、H2S、Fe2+ 、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)?；軣o機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機(jī)及無光的環(huán)境中生長(zhǎng)。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；4化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）生長(zhǎng)所需要的能量均來自有機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；生長(zhǎng)所需要的碳源主要是一些有機(jī)化合物，如淀粉、糖類、纖維素

16、、有機(jī)酸等。大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；四、C/N/P比微生物要想正常生長(zhǎng)、繁殖，需要穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)，栽培養(yǎng)時(shí)，應(yīng)該注意五大營(yíng)養(yǎng)都有供給。但是，不同的微生物對(duì)于營(yíng)養(yǎng)元素的比例需求不同，一般用C/N/P比來表示。污水好氧處理：C：N：P100：5：1（化學(xué)污泥法）；厭氧法： C：N：P200：5：1對(duì)于一些行業(yè)的工業(yè)廢水，常常會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)不足，就需要進(jìn)行供給或補(bǔ)充。五、微生物的培養(yǎng)基培養(yǎng)基是人工根據(jù)微生物得營(yíng)養(yǎng)要求，將水、碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子等物質(zhì)按照一定得比例配制的，用以培養(yǎng)微生物（生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物）的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基幾乎

17、是一切對(duì)微生物進(jìn)行研究和利用工作的基礎(chǔ)。任何培養(yǎng)基都應(yīng)該為微生物生長(zhǎng)提供五大營(yíng)養(yǎng)要素。(一)、配置培養(yǎng)基的順序和原則目的明確營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)理化條件適宜經(jīng)濟(jì)節(jié)約2.配置培養(yǎng)基的原則1.配置培養(yǎng)基的順序燒杯加水 依次加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)各成分的順序：1).緩沖化合物；2).無機(jī)元素；3).微量元素；4).生長(zhǎng)因子。最后調(diào)節(jié)pH。無菌3).營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時(shí)微生物才能生長(zhǎng)良好，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過低時(shí)不能滿足微生物正常生長(zhǎng)所需，濃度過高時(shí)則可能對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用。培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。2).目的明確根據(jù)不同的

18、微生物的營(yíng)養(yǎng)要求配制針對(duì)強(qiáng)的培養(yǎng)基。1).無菌例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時(shí)，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時(shí)，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型微生物的生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。通常培養(yǎng)條件：細(xì)菌與放線菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范圍內(nèi)生長(zhǎng)為了維持培養(yǎng)基pH的相對(duì)恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，如K2HPO4、(NH4)2SO4或在進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時(shí)補(bǔ)加酸、堿。有些緩沖劑既可調(diào)節(jié)pH也是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。4).理化條件適宜 pH(二) 、培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分

19、、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類型。按成分不同劃分含用化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基化學(xué)成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基天然培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基復(fù)合培養(yǎng)基無機(jī)物+有機(jī)物按物理狀態(tài)不同劃分在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%3.0%瓊脂含量一般為0.3%0.5%不加任何凝固劑液體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基常用來進(jìn)行微生物的分離、鑒定、活菌計(jì)數(shù)及菌種保藏 觀察微生物的運(yùn)動(dòng)特征、分類鑒定大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究 用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基

20、用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制成的一類營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基基礎(chǔ)培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基按用途不同劃分牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基：利用微生物對(duì)某些物質(zhì)的敏感程度不同，在培養(yǎng)基中加入一些敏感物質(zhì)，這樣就可以利用這些物質(zhì)來抑制非目的性微生物的生長(zhǎng)，從而使得所需的微生物大量繁殖。如：在培養(yǎng)基中有革蘭氏陰性菌也有革蘭氏陽性菌，但想培養(yǎng)的是革蘭氏陰性菌，就可以加入膽汁酸鹽，抑制陽性菌的繁殖。鑒別培養(yǎng)基：利用幾種細(xì)菌對(duì)某一物質(zhì)的分解能力不同，借助指示劑的顯色不同進(jìn)行菌種鑒別和區(qū)分的培養(yǎng)基。如：大腸桿菌中的大腸埃希氏菌、枸櫞酸鹽桿菌、產(chǎn)氣桿菌、

21、副大腸桿菌四個(gè)，對(duì)乳糖的分解能力不同。其中副大腸桿菌不能分解，大腸埃希氏菌最強(qiáng)，菌落呈紫紅色且?guī)Ы饘俟鉂?；枸櫞酸鹽桿菌次之，菌落呈紫紅色或深紅色；產(chǎn)氣桿菌最低，菌落呈淡紅色。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸過程的特點(diǎn)，可將物質(zhì)的運(yùn)輸方式分為：1.單純擴(kuò)散2.促進(jìn)擴(kuò)散3.主動(dòng)運(yùn)輸4.基團(tuán)轉(zhuǎn)位六、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式四種運(yùn)輸方式也稱為四種跨膜方式1單純擴(kuò)散原生質(zhì)膜是一種半透性膜，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過原生質(zhì)膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。特點(diǎn)物質(zhì)在擴(kuò)散過程中沒有發(fā)生任何反應(yīng)；不消耗能量；不能逆濃度運(yùn)輸；運(yùn)輸速率較慢，與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比水、O2、CO2是可以通過擴(kuò)散自由通過原生質(zhì)膜的分子，脂溶性物

22、質(zhì)被磷脂溶解也可通過單純擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞，并比水溶性物質(zhì)速度快。 單純擴(kuò)散速度慢，不能滿足微生物要求，有些物質(zhì)也無法靠單純擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無機(jī)鹽等。為了能夠獲得這些營(yíng)養(yǎng)，微生物通過特殊的生理結(jié)構(gòu)來幫助上述物質(zhì)進(jìn)入。這些特殊結(jié)構(gòu)實(shí)際就是特異性蛋白質(zhì)，可與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行可逆性結(jié)合，在細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外循環(huán)往來運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，稱其為載體蛋白。因其具有類似酶的一些性質(zhì)，如專一性，又被稱為滲透酶。一種酶只對(duì)同一物質(zhì)或同類進(jìn)行運(yùn)輸，因此，為了能夠獲得多重營(yíng)養(yǎng)，細(xì)胞質(zhì)膜上有多種載體蛋白來完成一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的促進(jìn)擴(kuò)散。 不耗能量，動(dòng)力仍為濃度梯度。2促進(jìn)擴(kuò)散2促進(jìn)擴(kuò)散特點(diǎn)不消耗能量參與運(yùn)

23、輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比需要載體參與3主動(dòng)運(yùn)輸它的一個(gè)重要特點(diǎn)是物質(zhì)運(yùn)輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。運(yùn)輸過程需要三種滲透酶的作用即：?jiǎn)蜗蜣D(zhuǎn)運(yùn)載體、同向轉(zhuǎn)運(yùn)載體、反向轉(zhuǎn)運(yùn)載體。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)淖饔脵C(jī)理有3種：分別為鈉鉀泵主動(dòng)運(yùn)輸、離子濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸、H+濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸。主動(dòng)運(yùn)輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運(yùn)輸方式。以H+濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制為例講解主動(dòng)運(yùn)輸：細(xì)菌將ATP水解后形成的H+（好氧呼吸氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生H+）排出膜外，產(chǎn)生的電子與O2結(jié)合形成OH-。如此就形成了細(xì)胞膜兩側(cè)的H+離子濃度梯度。H+可與營(yíng)

24、養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合。滲透酶上有特異性的位點(diǎn)，可以與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和H+結(jié)合。三者在電位差的作用下，將低濃度區(qū)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)送到細(xì)胞內(nèi)部。3主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位又稱為磷酸烯醇丙酮酸磷酸糖轉(zhuǎn)移酶運(yùn)輸系統(tǒng)（PTS），PTS 包括酶I、酶II和一種熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)（HPr）。4基團(tuán)轉(zhuǎn)位基團(tuán)轉(zhuǎn)位是另一種類型的主動(dòng)運(yùn)輸，它與主動(dòng)運(yùn)輸方式的不同之處在于它有一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運(yùn)輸，而物質(zhì)在運(yùn)輸過程中發(fā)生化學(xué)變化。PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸鹽 P - HPr +糖 糖-P +HPr酶I酶I I基團(tuán)轉(zhuǎn)移主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細(xì)胞中，主要用于糖的運(yùn)輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可以通過這種方式運(yùn)輸。比較項(xiàng)目

25、 單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)輸 基團(tuán)移位特異載體蛋白 無有有有運(yùn)送速度 慢快快快溶質(zhì)運(yùn)送方向 由濃至稀由濃至稀由稀至濃由稀至濃能量消耗 不需要不需要需要需要運(yùn)送前后溶質(zhì)分子狀態(tài) 不變 不變不變改變運(yùn)送對(duì)象舉例 水、O2 糖、SO42-氨基酸、乳糖糖、嘌呤四種運(yùn)輸方式比較第三節(jié) 微生物的產(chǎn)能代謝同化作用新陳代謝異化作用細(xì)胞物質(zhì)合成（營(yíng)養(yǎng)被轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體組分）產(chǎn)生能量需要能量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解微生物生長(zhǎng)繁殖需要營(yíng)養(yǎng)，合成細(xì)胞需要能量，最終靠產(chǎn)能代謝提供。一、產(chǎn)能代謝與呼吸的關(guān)系呼吸本質(zhì)：氧化還原的統(tǒng)一過程。其中有能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移。呼吸類型：發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸在呼吸過程中，都會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。提供電子的物質(zhì)被

26、氧化，接受電子的物質(zhì)被還原。所謂的產(chǎn)能代謝就是通過三種呼吸來實(shí)現(xiàn)的。一、產(chǎn)能代謝與呼吸的關(guān)系微生物產(chǎn)能種類：1.電能：電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的能量；2.化學(xué)能：物質(zhì)反應(yīng)（氧化）過程中釋放的能量；3.機(jī)械能：鞭毛運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)等產(chǎn)生的能量；4.光能：發(fā)光菌產(chǎn)生的能量。這些能量有的被用于生化反應(yīng)，有的以熱量的形式散發(fā)，有的被貯存在ATP中。一、產(chǎn)能代謝與呼吸的關(guān)系A(chǔ)TP生物能量轉(zhuǎn)移中心物質(zhì)氧化放出能量 細(xì)胞合成需要能量ATPATP是在發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸中形成。具體方式：1.底物水平磷酸化厭氧微生物或兼性微生物的底物被氧化，會(huì)產(chǎn)生高能中間體，并把高能鍵（）交給ADP，從而形成ATP。2.氧化磷酸化好氧

27、微生物呼吸，通過電子傳遞體系形成ATP。3.光合磷酸化光可引發(fā)葉綠素、菌綠素等放出電子，電子在被傳遞過程中形成ATP。ATP含有高能磷酸鍵（31.4KJ），但僅是能量的暫時(shí)貯存物質(zhì)，如果能量確實(shí)過剩，不能用ATP，而用其他內(nèi)含顆粒來長(zhǎng)期貯存。二、呼吸類型根據(jù)最終電子受體可將微生物呼吸分為：發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸三種。(一).發(fā)酵不存在外在的電子受體，底物進(jìn)行部分氧化，用氧化產(chǎn)物作為最終電子受體。這個(gè)過程，能量有少量釋放，多數(shù)仍保留在產(chǎn)物中。以葡萄糖為例，講解發(fā)酵。葡萄糖被分解的過程稱為糖酵解過程，也叫EMP過程。糖酵解是微生物所共有的代謝途徑。糖酵解分為兩大步驟：1.預(yù)備反應(yīng)，不發(fā)生氧化還原

28、反應(yīng)。產(chǎn)物是3磷酸甘油醛。2.氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生ATP，產(chǎn)物為丙酮酸，進(jìn)一步發(fā)酵可產(chǎn)生乙醇和CO2。整個(gè)過程，1mol葡萄糖轉(zhuǎn)變成2molATP，2mol乙醇， 2mol水， 2molCO2 ，即產(chǎn)生能量231.4KJ62.8KJ。產(chǎn)能率為62.8/238.326丙酮酸是微生物糖酵解的必然產(chǎn)物，如果進(jìn)一步發(fā)酵，可形成多種產(chǎn)物。因此，有可將發(fā)酵分為很多類型：如乙醇發(fā)酵；混合酸發(fā)酵等。其中，混合酸發(fā)酵是多數(shù)大腸桿菌的特征。人們利用V.P試驗(yàn)進(jìn)行大腸埃希氏桿菌和產(chǎn)氣桿菌的區(qū)分。大腸埃希氏桿菌的發(fā)酵產(chǎn)物為甲酸、乙酸、乳酸、CO2等。產(chǎn)氣桿菌也能進(jìn)行混合酸發(fā)酵，丙酮酸經(jīng)過縮合、脫羧后形成乙酰甲基甲醇，可

29、在堿性條件下被迅速氧化為二乙酰，二乙?？膳c蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反應(yīng)形成紅色化合物。稱為陽性反應(yīng)。另外，還可以用甲基紅試驗(yàn)進(jìn)行區(qū)別。產(chǎn)氣桿菌在混合酸發(fā)酵時(shí)會(huì)產(chǎn)生中性的乙酰甲基醇，但大腸埃希氏桿菌的混合酸發(fā)酵產(chǎn)生多種有機(jī)酸，使培養(yǎng)液呈酸性，p H在4.2左右甚至更低。當(dāng)用甲基紅滴入時(shí) ，大腸埃希氏桿菌培養(yǎng)液為紅色，稱之為陽性反應(yīng)；產(chǎn)氣桿菌培養(yǎng)液為橙黃色，為甲基紅反應(yīng)陰性。2.好氧呼吸電子受體為O2，底物被徹底的完全氧化成CO2和H2O，并有大量ATP產(chǎn)生。在好氧呼吸過程中，電子并不是直接傳遞給O2，而是先轉(zhuǎn)移給NAD，成為NADH2，然后NADH2被氧化后，電子傳遞給電子傳遞體系，最后由電

30、子傳遞體系轉(zhuǎn)給O2。得到電子的O2與H結(jié)合形成H2O。仍然以葡萄糖為例子，講解好氧呼吸過程。葡萄糖的好氧呼吸分為兩個(gè)階段：1.糖酵解階段，形成丙酮酸，即EMP途徑酵解階段；2.丙酮酸有氧分解階段，即三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）階段。好氧呼吸第一階段：EMP途徑形成丙酮酸TCA循環(huán)1.TCA循環(huán)也稱為檸檬酸（CAC）循環(huán)。從丙酮酸開始，先形成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進(jìn)入TCA循環(huán)，最終被徹底氧化成為CO2和H2O。1mol丙酮酸經(jīng)過TCA循環(huán)后形成了3mol的CO2：a.丙酮酸形成乙酰輔酶A時(shí)，產(chǎn)生1mol；b.草酰琥珀酸脫羧時(shí)產(chǎn)生1mol；c. 脫羧時(shí)形成1mol。2.TCA循環(huán)的能量問題1mol丙

31、酮酸在TCA循環(huán)中，可產(chǎn)生4mol的NADH2,1 molNADH2通過電子傳遞體系重新氧化成為NAD，同時(shí)可生成3 mol ATP，則4molNADH2被氧化生成12molATP。可生成1 molGTP，1 mol的GTP轉(zhuǎn)變成1 molATP；可生成1molFADH2, 1 mol的FADH2轉(zhuǎn)變成2 molATP;則， 1mol丙酮酸在TCA循環(huán)中共生產(chǎn)12+1+215molATP。 問題：為什么是產(chǎn)生38molATP?1mol葡萄糖可在EMP途徑形成2mol丙酮酸，則在TCA循環(huán)中可形成:21530molATP;由于葡萄糖的好氧呼吸包括兩部分，TCA已知產(chǎn)生30mol。那EMP途徑呢，

32、在發(fā)酵時(shí)凈剩2mol，在發(fā)酵過程中，可產(chǎn)生2mol的NADH2,則可換算成236molATP ,因此， 1mol葡萄糖可產(chǎn)生：30+2+638molATP.好氧微生物氧化分解1 mol葡萄糖分子總共可生成38molATP，共有1193kJ的能量轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。1 mol葡萄糖分子完全氧化產(chǎn)生的總能量大約為2876 U。這樣，好氧呼吸利用能量的效率大約是42，其余的能量以熱的形式散發(fā)掉。發(fā)酵l mol葡萄糖分子的能量利用率只有26?？梢姡M(jìn)行發(fā)酵的厭氧微生物為了滿足能量的需要，消耗的營(yíng)養(yǎng)物要比好氧微生物多。3.乙醛酸循環(huán)TCA循環(huán)的一個(gè)支路4.電子傳遞體系:有氧呼吸中傳遞電子的一系列 偶聯(lián)反應(yīng) 組

33、成：NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1等。作用：a.接受電子供體放出的電子，最終傳遞給O2。b.合成ATP，把電子傳遞過程中釋放的能量收集貯存。其在細(xì)胞中的位置：真核細(xì)胞是線粒體，原核細(xì)胞是細(xì)胞質(zhì)膜。 在好氧呼吸中，由前面EMP和TCA產(chǎn)生的H（NADH2和FADH2），通過電子傳遞體系（呼吸鏈），最終到達(dá)分子氧，形成水。在這一傳遞過程中，產(chǎn)生ATP。（稱為氧化磷酸化）好氧呼吸分為兩種：外源呼吸和內(nèi)源呼吸。1.外源呼吸：正常條件下的呼吸，利用外界營(yíng)養(yǎng)、能源進(jìn)行呼吸。2.內(nèi)源呼吸：外界不能供給能源，利用自身貯存的能源物質(zhì)進(jìn)行呼吸。好氧呼吸的條件：取決于O2的

34、體積分?jǐn)?shù)，微生物環(huán)境中O2達(dá)到0.2（大氣中氧的體積分?jǐn)?shù)的1）或0.2以上，可以進(jìn)行好氧呼吸，達(dá)不到，則無法進(jìn)行好氧呼吸。(三)無氧呼吸無氧呼吸的最終電子受體不是未徹底氧化的有機(jī)物，也不是O2，而是除了O2以外的含氧無機(jī)物，如NO3-、SO42-、CO32-及CO2、CO等。以NO3-為最終電子受體為例講解無氧呼吸。NO3-接受電子，形成NO2-、N2O、N2。NO3-NO3-N2這個(gè)過程稱為脫氮作用。亦稱為反硝化作用或硝酸鹽還原作用。以其他無機(jī)氧化物為最終電子受體的情況： 以SO42-為最終電子受體 如：2CH3CHOHCOOH+ H2SO4 - 2CH3COOH+2CO2+H2S+2H2O

35、+1125kJ 以CO2和CO為最終電子受體 如：2CH3CH2OH+CO2-CH4+2CH3COOH 4H2+CO2-CH4+2H2O 3H2+CO-CH4+H2O三種呼吸類型的比較呼吸類型最終電子受體參與反應(yīng)的酶與電子傳遞體系最終產(chǎn)物釋放能量乙醇發(fā)酵中間代謝產(chǎn)物脫氫酶、脫羧酶輔酶NAD低分子有機(jī)物、CO2、ATP(2)238.3KJ好氧呼吸氧氣脫氫酶、脫羧酶輔酶NAD、FAD輔酶Q細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1CO2、H2O、ATP(38)、SO42-2876KJ無氧呼吸NO3-CO32-SO42-脫氫酶、脫羧酶、硝酸還原酶、硫酸還原酶輔酶NAD、細(xì)胞色素b、cCO2、H2O、N2、ATP反硝化1756KJ反硫