環(huán)境工程微生物學-微生物的生理

1、本章內容第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)物質第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)類型 第三節(jié) 培養(yǎng)基 第四節(jié) 營養(yǎng)物質進入細胞 第五節(jié) 微生物的產能代謝第四章 微生物的生理9/23/20221微生物學1.1 微生物細胞的化學組成包括有機物和無機物有機物包含各種大分子，如蛋白質、核酸、類脂和糖類等，占細胞干重99%。無機成分包括小分子無機物和各種離子，占細胞干重1%。大量元素：C、H、O、N、P、S中微量元素：K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo1. 微生物的營養(yǎng)物質9/23/20222微生物學1.2 微生物的營養(yǎng)物質(1) 微生物的營養(yǎng)物質包含組成細胞的各種化學元素構成細胞物質的碳素來源：碳源物質構成

2、細胞物質的氮素來源：氮源物質無機鹽：K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等元素。9/23/20223微生物學(2)微生物的營養(yǎng)物質及其生理功能微生物生長所需要的營養(yǎng)物質主要是以的有機物和無機物的形式提供的，小部分由氣體物質供給。微生物的營養(yǎng)物質按其在機體中的生理作用可區(qū)分為：碳源、氮源、能源、無機鹽、生長因子和水五大類。 9/23/20224微生物學1.2.1 碳源在微生物生長過程提供碳素來源的物質稱為碳源(source of carbon)。從簡單的無機含碳化合物如CO2和碳酸鹽到各種各樣的天然有機化合物都可以作為微生物的碳源，不同微生物對碳源物質的利用具有選擇性，利用能

3、力存在差異。(表3.1) 9/23/20225微生物學表3.1微生物利用的碳源物質種類碳源物質備注糖葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纖維二糖、纖維素、半纖維素、甲殼素、木質素等單糖優(yōu)于雙糖，己糖優(yōu)于戊糖，淀粉優(yōu)于纖維素，純多糖優(yōu)于雜多糖。有機酸糖酸、乳酸、檸檬酸、延胡索酸、低級脂肪酸、高級脂肪酸、氨基酸等與糖類比效果較差，有機酸較難進入細胞，進入細胞后會導致pH下降。當環(huán)境中缺乏碳源物質時，氨基酸可被微生物作為碳源利用。醇乙醇在低濃度條件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定條件下將磷脂分解為甘油和脂肪酸而加以利用。烴天然氣、石油、石油餾分、石蠟油

4、等利用烴的微生物細胞表面有一種由糖脂組成的特殊吸收系統(tǒng)，可將難溶的烴充分乳化后吸收利用。CO2CO2自養(yǎng)微生物可利用碳酸鹽NaHCO3、CaCO3、白堊等其他芳香族化合物、氰化物蛋白質、肽、核酸等能利用這些物質的微生物在環(huán)境保護方面有重要作用。當環(huán)境中缺乏碳源物質時，可被微生物作為碳源而降解利用。9/23/20226微生物學碳源的生理作用碳源物質通過復雜的化學變化來構成微生物自身的細胞物質和代謝產物；同時多數(shù)碳源物質在細胞內生化反應過程中還能為機體提供維持生命活動的能量;但有些以CO2為唯一或主要碳源的微生物生長所需的能源則不是來自CO2。9/23/20227微生物學1.2.2 氮源凡是可以被

5、微生物用來構成細胞物質的或代謝產物中氮素來源的營養(yǎng)物質通稱為氮源 (source of nitrogen)。能被微生物所利用的氮源物質：蛋白質及其各類降解產物、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、分子態(tài)氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(表3.2)。 9/23/20228微生物學表3.2 微生物利用的氮源物質種類氮源物質備注蛋白質類蛋白質及其不同程度降解產物(胨、肽、氨基酸等)大分子蛋白質難進入細胞，一些真菌和少數(shù)細菌能分泌胞外蛋白酶，將大分子蛋白質降解利用，而多數(shù)細菌只能利用相對分子質量較小其降解產物氨及銨鹽NH3,(NH4)2SO4容易被微生物吸收利用硝酸鹽KNO3等分子氮N2固氮菌可利用其他嘌呤、嘧啶

6、、脲、胺、酰胺、氰化物大腸桿菌不能以嘧啶作為唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培養(yǎng)基上生長時，先誘導合成分解嘧啶的酶，再分解利用。嘧啶可不同程度地被微生物作為氮源加以利用9/23/20229微生物學氮源的生理作用合成細胞中含氮物質，少數(shù)情況下作能源物質，如某些厭氧微生物在厭氧條件下可利用某些氨基酸作為能源。微生物對氮源的利用具有選擇性，如玉米漿相對于豆餅粉，NH4+相對于NO3-為速效氮源。銨鹽作為氮源時會導致培養(yǎng)基pH值下降，稱為生理酸性鹽，而以硝酸鹽作為氮源時培養(yǎng)基pH值會升高，稱為生理堿性鹽。9/23/202210微生物學1.2.3 能源物質能為微生物的生命活動提供最初能量來源營養(yǎng)物或輻射能。能

7、源譜化學物質有機物化能異養(yǎng)微生物利用無機物化能自養(yǎng)微生物利用輻射能光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物9/23/202211微生物學1.2.4 無機鹽 無機鹽(Inorganic salt)是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質，其生理功能(表3.3) ：（1）酶活性中心的組成部分（2）維持生物大分子和細胞結構的穩(wěn)定性、調節(jié)并維持細胞的滲透壓平衡（3）控制細胞的氧化還原電位（4）某些微生物生長的能源物質等。9/23/202212微生物學表3.3 無機鹽及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、輔酶及ATP等高能分子的成分，作為緩沖系統(tǒng)調節(jié)培養(yǎng)基pH硫(NH4)2

8、SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、維生素的成分，谷胱甘肽可調節(jié)胞內氧化還原電位鎂MgSO4己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、核酸聚合酶等活性中心組分，葉綠素和細菌葉綠素成分鈣CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的輔因子，維持酶(如蛋白酶)的穩(wěn)定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立細菌感受態(tài)所需鈉NaCl細胞運輸系統(tǒng)組分，維持細胞滲透壓，維持某些酶的穩(wěn)定性鉀KH2PO4，K2HPO4某些酶的輔因子，維持細胞滲透壓，某些嗜鹽細菌核糖體的穩(wěn)定因子鐵FeSO4細胞色素及某些酶的組分，某些鐵細菌的能源物質，合成葉綠素、白喉毒素所需9/23/202213微生物學1.2.5 微量元素微量元素是指那

9、些在微生物生長過程中起重要作用，但機體的需要量極其微小的元素，濃度在10-6-10-8 mol/L (培養(yǎng)基)。微量元素一般參與酶的組成或使酶活化。9/23/202214微生物學表3.4 微量元素與生理功能元素生理功能鋅存在于乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、堿性磷酸酶、醛縮酶、RNA與DNA聚合酶中錳存在于過氧化物歧化酶、檸檬酸合成酶中鉬存在于硝酸鹽還原酶、固氮酶、甲酸脫氫酶中硒存在于甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中鈷存在于谷氨酸變位酶中銅存在于細胞色素氧化酶中鎢存在于甲酸脫氫酶中鎳存在于脲酶中，為氫細菌生長所必需9/23/202215微生物學1.3.6 生長因子(Growth factor)微生物生長所必

10、需且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物。根據生長因子的化學結構和在機體中的生理功能的不同，分為三類：（1）維生素(vitamin)（2）氨基酸（3）嘌呤與嘧啶 (表3.5)。9/23/202216微生物學表3.5 維生素及其在代謝中的作用 化合物代謝中的作用對氨基苯甲酸四氫葉酸的前體，一碳單位轉移的輔酶生物素催化羧化反應的酶的輔酶輔酶M甲烷形成中的輔酶葉酸四氫葉酸包括在一碳單位轉移輔酶中泛酸輔酶A的前體硫辛酸丙酮酸脫氫酶復合物的輔基尼克酸NAD、NADP的前體，它們是許多脫氫酶的輔酶吡哆素(B6)參與氨基酸和酮酶的轉化核黃素(B2)黃素單磷酸(FMN)和

11、FAD的前體，它們是黃素蛋白的輔基鉆胺素(B12)輔酶B12包括在重排反應里(為谷氨酸變位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉醛醇酶和轉酮醇酶的輔基維生素K甲基酮類的前體，起電子載體作用(如延胡索酸還原酶)氧肟酸促進鐵的溶解性和向細胞中的轉移9/23/202217微生物學生長因子的作用（1）維生素在機體中所起的作用主要是作為輔基或輔酶參與新陳代謝；（2）有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，必須在培養(yǎng)基中補充這些氨基酸或含有這些氨基酸的小肽類物質，微生物才能正常生長；（3）嘌呤與嘧啶主要作為酶的輔酶或輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和核酸。9/23/202218微生物學1.2.7 水水是微

12、生物生長所必不可少的。生理功能：（1）作為溶劑與運輸介質，營養(yǎng)物質的吸收與代謝產物的分泌須以水為介質;（2）參與細胞內一系列化學反應；（3）維持蛋白質、核酸等生物大分子穩(wěn)定的構象。9/23/202219微生物學（4）控制細胞溫度：比熱高，熱的良導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱并及時地將熱迅速散發(fā)出體外；（5）維持細胞正常形態(tài)；（6）參與細胞組分合成：通過水合和脫水作用控制由多亞基組成的結構，如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒的組裝與解離。9/23/202220微生物學水的有效性常以水活度值(water activity, w)表示。水活度值是指在一定的溫度和壓力條件下，溶液的蒸氣壓力與同樣條件下純

13、水蒸氣壓力之比，即wPwP0w式中Pw代表溶液蒸氣壓力，P0w代表純水蒸氣壓力。純水w為1.00，溶液中溶質越多，w越小。9/23/202221微生物學水的有效性微生物一般在w為0.60-0.99的條件下生長，w過低時，微生物生長的遲緩期延長，比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適w也不同。一般而言，細菌生長最適w較酵母菌和霉菌高，而嗜鹽微生物生長最適w則較低。9/23/202222微生物學表3.6 幾類微生物生長最適w微生物w一般細菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜鹽細菌0.76嗜鹽真菌0.65嗜高滲酵母0.609/23/202223微生物學2.1 營養(yǎng)類型劃分依據根據微生物

14、生長所需要的主要營養(yǎng)元素即能源和碳源的不同而劃分的微生物類型。光能無機自養(yǎng)型(photolithoautotrophy)光能有機異養(yǎng)型(photoorganoheterophy)化能無機自養(yǎng)型(chemolithoautotrophy)化能有機異養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy)2 微生物的營養(yǎng)類型9/23/202224微生物學2.1.1 光能無機自養(yǎng)型又稱光能自養(yǎng)型，一類能以CO2為唯一碳源或主要碳源并利用光能進行生長的微生物的營養(yǎng)類型能以無機物如水、硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機化合物為電子供體，使CO2固定還原成細胞物質，并且伴隨元素氧(硫)的釋放。藻類、藍細菌和光合細

15、菌屬于該類型。9/23/202225微生物學（1）藻類和藍細菌：與高等植物光合作用一致。（2）光合細菌：光合細菌與高等植物不同。9/23/202226微生物學2.1.2 光能有機異養(yǎng)型或稱光能異養(yǎng)型，這類微生物不能以CO2作為唯一碳源或主要碳源，需以有機物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細胞物質。光能有機營養(yǎng)型細菌在生長時通常需要外源生長因子。紅螺屬的一些細菌是這一營養(yǎng)類型的代表： 9/23/202227微生物學2.1.3 化能無機自養(yǎng)型或稱化能自養(yǎng)型，這類微生物利用無機物氧化過程中放出的化學能作為其生長所需的能量，以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源生長，利用電子供體如H2、H2S、Fe2+

16、、NO2-使CO2還原成細胞物質。微生物類群有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌等。如氫細菌：9/23/202228微生物學2.1.4 化能有機異養(yǎng)型或稱化能異養(yǎng)營養(yǎng)型，這類微生物生長所需的能量來自有機物氧化過程放出的化學能，生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等，即化能有機營養(yǎng)型微生物里的有機物通常既是它們生長的碳源物質又是能源物質。大多數(shù)微生物屬于化能有機營養(yǎng)型：絕大多數(shù)的細菌、全部真菌、原生動物以及病毒。腐生型；寄生型。9/23/202229微生物學微生物營養(yǎng)類型劃分表3.7微生物營養(yǎng)類型()劃分依據營養(yǎng)類型特點碳源自養(yǎng)型(autotrophs)以CO2為唯

17、一或主要碳源異養(yǎng)型(heterotrophs)以有機物為碳源能源光能營養(yǎng)型(phototrophs)以光為能源化能營養(yǎng)型(chemotrophs)以有機物氧化釋放的化學能為能源電子供體無機營養(yǎng)型(lithotrophs)以還原性無機物為電子供體有機營養(yǎng)型(organotrophs)以有機物為電子供體9/23/202230微生物學表3.8 微生物的營養(yǎng)類型()營養(yǎng)類型電子供體碳源能源代表類群光能無機自養(yǎng)型H2、H2S、S、或H2OCO2光能著色細菌、藍細菌、藻類光能有機異養(yǎng)型有機物有機物光能紅螺細菌化能無機自養(yǎng)型H2、H2S、Fe2+、NH3、或NO-2CO2化學能(無機物氧化)氫細菌、硫桿菌、

18、亞硝化單胞菌屬、硝化桿菌屬、甲烷桿菌屬、醋酸桿菌屬化能有機異養(yǎng)型有機物有機物化學能(有機物氧化)假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、真菌、原生動物9/23/202231微生物學3.1 培養(yǎng)基的定義培養(yǎng)基 (culture medium)是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物的營養(yǎng)基質。無論是以微生物學研究，還是利用微生物生產生物制品，都必須進行培養(yǎng)基的配制，它是微生物學研究和微生物發(fā)酵生產的基礎。 3 培養(yǎng)基9/23/202232微生物學3.2 培養(yǎng)基組成含有微生物生長所需水分、碳源、能源、氮源、生長因子以及基本的離子，磷、硫、鈉、鈣、鎂、鉀和鐵及各種微量元素。培養(yǎng)基還應具有適宜的pH值

19、和一定緩沖能力及一定的氧化還原電位和合適的滲透壓。9/23/202233微生物學3.3 培養(yǎng)基的配制原則(1)目的明確根據不同微生物的營養(yǎng)要求配制相應的培養(yǎng)基。例：氧化硫硫桿菌培養(yǎng)基 (NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH滅菌條件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20min9/23/202234微生物學常見的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml高氏1號：淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3

20、1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml麥芽汁培養(yǎng)基：干麥芽粉加4倍水，在50-60保溫糖化3-4小時，用碘液試驗檢查至糖化完全為止，調整糖液濃度為10。巴林，煮沸后，沙布過濾，調pH為6.0。查氏合成培養(yǎng)基：NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml9/23/202235微生物學（2）營養(yǎng)協(xié)調培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質濃度合適時微生物才能生長良好，營養(yǎng)物質濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對微生物生長起抑制作用。培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和

21、代謝產物的形成和積累，其中碳氮比(C/N)的影響較大。9/23/202236微生物學碳氮比（C/N）指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質的量比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產量則大量增加。9/23/202237微生物學（3）理化條件適宜pH 培養(yǎng)基pH必須控制在一定范圍內，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產生代謝產物。通常培養(yǎng)條件：細菌與放線菌：pH77.5；酵母菌和霉菌：pH4.56范圍內生長。為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩

22、沖劑，或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿。9/23/202238微生物學水活度微生物一般在w為0.600.99的條件下生長, w過低時,微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適w不同。氧化還原電位氧化還原電位又稱氧化還原電勢(redox potential)，是度量某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢的一種指標，其單位是V(伏)或mV(毫伏)。不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同。好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長,以+0.3+0.4伏為宜厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長。兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進行好氧呼吸，+0.1伏以下

23、時進行發(fā)酵。9/23/202239微生物學配制培養(yǎng)基的原則經濟節(jié)約以粗代精以野代家以廢代好以簡代繁以氮代朊以纖代糖以烴代糧以國代進消泡原料選擇滅菌處理9/23/202240微生物學3.4 培養(yǎng)基配制方法 生態(tài)模擬查閱文獻科學設計試驗比較9/23/202241微生物學3.5 培養(yǎng)基的類型及應用培養(yǎng)基種類繁多，根據其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)分成多種類型。3.5.1 按成分不同劃分(1)天然培養(yǎng)基(complex medium) ； 非化學限定培養(yǎng)基(chemically undefined medium)。 (2)合成培養(yǎng)基(synthetic medium)(3)半合成培養(yǎng)基(semi-sy

24、nthetic medium)9/23/202242微生物學3.5.2 根據物理狀態(tài)劃分根據培養(yǎng)基中凝固劑的有無及含量的多少，可將培養(yǎng)基劃分為固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基三種類型。凝固劑常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠(gelatain)和硅膠(silica gel)。(表3.9) 瓊脂是由紅藻門石花菜江蘺等藻類中提取的膠體多糖。9/23/202243微生物學表3.9 瓊脂與明膠主要特征比較內容瓊脂明膠常用濃度(%)1.52512熔點()9625凝固點()4020pH微酸酸性灰分(%)161415氧化鈣(%)1.150氧化鎂(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力絕大多

25、數(shù)微生物不能利用許多微生物能利用9/23/202244微生物學理想凝固劑的特點不被所培養(yǎng)的微生物分解利用；在微生物生長的溫度范圍內保持固體狀態(tài)(在培養(yǎng)嗜熱細菌時?)凝固劑凝固點溫度不能太低，否則將不利于微生物的生長；凝固劑對所培養(yǎng)的微生物無毒害作用；凝固劑在滅菌過程中不會被破壞；透明度好，粘著力強；配制方便且價格低廉。9/23/202245微生物學3.5.3 按用途劃分（1）基礎培養(yǎng)基(minimum medium)是含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質的培養(yǎng)基。 （2）加富培養(yǎng)基(enrichment medium) 也稱營養(yǎng)培養(yǎng)基，即在基礎培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質制成的一類營養(yǎng)豐富

26、的培養(yǎng)基，這些特殊營養(yǎng)物質包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等。9/23/202246微生物學（3）鑒別培養(yǎng)基(differential medium) 是用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基，微生物產生某種代謝產物，與培養(yǎng)基中的特殊化學物質發(fā)生特定的化學反應，產生明顯的特征變化。（4）選擇培養(yǎng)基(selective medium) 是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。9/23/202247微生物學4.1 影響營養(yǎng)物質進入細胞的因素營養(yǎng)物質本身性質 微生物所處環(huán)境 微生物細胞的透過屏障(permeability barrier) 4 營養(yǎng)物質進入細胞9/23/20224

27、8微生物學4.2 物質運輸?shù)臋C制Simple DiffusionTransport (Carrier) Proteins: Uniporter, Antiporter, Symporter.Passive Transport Active Transport Group Translocation 膜泡運輸9/23/202249微生物學4.2.1 Simple Diffusion(自由擴散)Simple diffusion is the net movement of small molecules or ions from an area of higher concentration to

28、 an area of lower concentration.Diffusion is powered by the potential energy of a concentration gradient and does not require the expenditure of metabolic energy. Examples include the transport of oxygen and carbon dioxide into and out of cells. 水、脂肪酸、乙醇、甘油、O2、CO2及某些氨基酸。9/23/202250微生物學Simple Diffusi

29、on, Step 19/23/202251微生物學Simple Diffusion, Step 29/23/202252微生物學Transport (Carrier) Proteins: For the majority of substances a cell needs for metabolism to cross the cytoplasmic membrane, specific carrier proteins or transporters are required. There are three basic types of these transporter protein

30、s: uniporters, antiporters, and symporters. 9/23/202253微生物學UniportersUniporters are transport proteins that transports a substance from one side of the membrane to the other. Since no energy is required for this type of transport, it is known as passive transport. 9/23/202254微生物學Transport of Substan

31、ces Across a Membrane by Uniporters 9/23/202255微生物學AntiportersAntiporters are transport proteins that transport one substances across the membrane in one direction while simultaneously transporting another substance across the membrane in the opposite direction.Since energy is required, this is know

32、n as active transport. The energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force 9/23/202256微生物學Transport of SubstancesAcross a Membrane by Antiporters 9/23/202257微生物學SymportersSymporters are transport proteins that simultaneously transport two substances across the membrane in the same

33、 direction. Since energy is required, this is known as active transport. The energy comes from the breakdown of ATP or from proton motive force. proton motive force9/23/202258微生物學Transport of Substances Across a Membrane by Symporters 9/23/202259微生物學4.2.2 Passive TransportThe transport of substances

34、 across a membrane by protein transporters (carrier proteins) from areas of higher concentration to lower concentration. No energy is required. Passive transport, also known as facilitated diffusion, is the transport of substances across the membrane by means uniporters.膜載體(載體蛋白)特點 有很強的特異性在運輸過程中，本身不

35、發(fā)生變化。 能加快物質運輸?shù)乃俣取?/23/202260微生物學Passive Transport of Substances Across a Membrane 通過促進擴散進入細胞的營養(yǎng)物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質，但也有微生物對同一物質的運輸由一種以上的載體蛋白來完成。9/23/202261微生物學4.2.3 Active TransportThe cell uses transporter proteins (carrier molecules, antiporters or symporters ) and energy fro

36、m a proton motive force or the breakdown of ATP to transport substances across a membrane against the concentration gradient. Active transport allows cells to accumulate needed substances even when the concentration is lower outside.主動運輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質運輸方式。9/23/202262微生物學Active TransportProton Mo

37、tive ForceA symporter transports protons (H+) and a substrate across the membrane. The movement of protons across the membrane (proton motive force) provides the energy.9/23/202263微生物學Active Transport of Substances Across a Membrane:The ATP-Binding Cassette Transport System The actual transport acro

38、ss the membrane is powered by the energy provided by the breakdown of ATP by an ATP-hydrolyzing protein . 9/23/202264微生物學4.2.4 Group TranslocationA special form of active transport that can occur in prokaryotes. A substance is chemically altered during transport across a membrane so that once inside

39、, the membrane becomes impermeable to that substance and it remains within the cell. 9/23/202265微生物學An example of group translocation in bacteria is the phosphotransferase system. A high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate (PEP) is transferred by a series of enzymes to glucose. The final

40、 enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across themembrane as glucose 6-phosphate .許多糖就是靠基團移位進行運輸?shù)摹?/23/202266微生物學Active Transport of Substances Across a Membrane:Group TranslocationA high-energy phosphate group from phosphoenolpyruvate (PEP) is transferred by a series of enzymes t

41、o glucose.The final enzyme both phosphorylates the glucose and transports it across the membrane as glucose 6-phosphate. 9/23/202267微生物學4.2.5 膜泡運輸 (membrane vesicle transport)主要存在于原生動物特別是變形蟲(amoeba)中，是這類微生物的一種營養(yǎng)物質的運輸方式。如果膜泡中包含的是固體營養(yǎng)物質，則將這種營養(yǎng)物質運輸方式稱為胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液體，則稱之為胞飲作用(pinocytosis

42、)。通過胞吞作用(或胞飲作用)進行的營養(yǎng)物質膜泡運輸一般分為五個時期即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附著膜泡形成期和膜泡釋放期。 9/23/202268微生物學9/23/202269微生物學ItemsPassive diffusionFacilitated diffusionActive transportGroup translocationcarrier proteins NonYesYesYestransport speedSlow Rapid Rapid Rapid against gradientNonNonYesYestransport moleculesNo specific

43、ity Specificity Specificity Specificity metabolic energy No needNo needNeedNeedSolutes moleculesNot changedChangedChangedChangedSimple comparison of transport systems9/23/202270微生物學四種運送營養(yǎng)物質方式的比較比較項目單純擴散促進擴散主動運輸基團移位特異載體蛋白無有有有運送速度慢快快快溶質運送方向由濃至稀由濃至稀由稀至濃由稀至濃平衡時內外濃度內外相等內外相等內部高內部高運送分子無特異性特異性特異性特異性能量消耗不需要不

44、需要需要需要運送前后溶質分子不變不變不變改變載體飽和效應無有有有與溶質類似物無競爭性有競爭性有競爭性有競爭性運送抑制劑無有有有運送對象舉例水、O2糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖嘌呤9/23/202271微生物學5 微生物的產能代謝代謝概論生物氧化異養(yǎng)微生物的生物氧化自養(yǎng)微生物的生物氧化能量轉換生物合成 9/23/202272微生物學5.1 代謝概論代謝(metabolism)是細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個過程組成。5.1.1 分解代謝是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。9/23/2022

45、73微生物學分解代謝的三個階段：（1）第一階段是將蛋白質、多糖及脂類等大分子營養(yǎng)物質降解成為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質；（2）第二階段是將第一階段產物進一步降解成更為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進入三羧酸循環(huán)的某些中間產物，在這個階段會產生一些ATP、NADH及FADH2；（3）第三階段是通過三羧酸循環(huán)將第二階段產物完全降解生成CO2，并產生ATP、NADH及FADH2。 第二和第三階段產生的ATP、NADH及FADH2通過電子傳遞鏈被氧化，可產生大量的ATP。9/23/202274微生物學9/23/202275微生物學5.1.2 合成代謝是指細胞利用簡單的小分子物質合成復雜大分子的過

46、程，在這個過程中要消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質源于分解代謝過程中產生的中間產物或環(huán)境。在代謝過程中，微生物通過分解代謝產生化學能，光合微生物還可將光能轉換成化學能，這些能量用于合成代謝、微生物的運動和運輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去。 9/23/202276微生物學微生物產生和利用能量及其與代謝的關系圖9/23/202277微生物學5.2 生物氧化分解代謝實際上是物質在生物體內經過一系列連續(xù)的氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產能代謝過程。不同類型微生物進行生物氧化所利用的物質是不同的，異養(yǎng)微生物利用有機物，自養(yǎng)微生物則利用無機物，通過

47、生物氧化來進行產能代謝。9/23/202278微生物學5.2.1 異養(yǎng)微生物的生物氧化異養(yǎng)微生物氧化有機物的方式，根據氧化還原反應中電子受體的不同可分成發(fā)酵和呼吸兩種類型，而呼吸又可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。9/23/202279微生物學5.2.1.1 發(fā)酵作用(fermentation)指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。9/23/202280微生物學生物體內葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解(glycolysis)，主

48、要有四種：EMP途徑HMP途徑ED途徑磷酸解酮酶途徑9/23/202281微生物學（1）EMP途徑(糖酵解途徑) EMP途徑(Embden-Meyerhof Pathway) 又稱為糖酵解途徑，大致分為兩個階段。第一階段可認為是不涉及氧化還原反應及能量釋放的準備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產物：甘油醛-3-磷酸。第二階段發(fā)生氧化還原反應，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。9/23/202282微生物學EMP途徑可為微生物的生理活動提供ATP和NADH，其中間產物又可為微生物的合成代謝提供碳骨架，并在一定條件下可逆轉合成多糖。9/23/202283微生物學（2）HMP途徑(磷酸戊糖途徑，單磷

49、酸己糖途徑):磷酸戊糖途徑可分為氧化階段和非氧化階段。一個HMP途徑循環(huán)的結果為： 一般認為HMP途徑不是產能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力(NADPH)和中間代謝產物。多數(shù)微生物中具有HMP途徑.9/23/202284微生物學（3）ED途徑一分子葡萄糖經ED途徑最后生成兩分子丙酮酸、一分子ATP、一分子NADPH和NADH。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，但對于靠底物水平磷酸化獲得ATP的厭氧菌而言，ED途徑不如EMP途徑經濟。在G-細菌中分布廣泛。9/23/202285微生物學（4）磷酸解酮酶途徑磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。該

50、途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據解酮酶的不同，具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途徑。9/23/202286微生物學（5）丙酮酸代謝的多樣性在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會積累不同的代謝產物。乙醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵9/23/202287微生物學乙醇發(fā)酵多種微生物可以發(fā)酵葡萄糖產生乙醇，能進行乙醇發(fā)酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細菌。不同細菌乙醇發(fā)酵途徑各不相同。運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)和厭氧發(fā)酵單胞菌(Zymomonas anaerobia) 經ED途徑分解葡萄糖

51、為丙酮酸，最后得到乙醇。生長在極端酸性條件下的嚴格厭氧菌如胃八疊球菌和腸桿菌利用EMP途徑進行乙醇發(fā)酵。9/23/202288微生物學在不同條件下，酵母菌發(fā)酵葡萄糖的產物分為三種類型：乙醇發(fā)酵，酵母菌可將葡萄糖經EMP途徑降解為兩分子丙酮酸，然后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD+再生，發(fā)酵終產物為乙醇，這種發(fā)酵類型稱為酵母的一型發(fā)酵；9/23/202289微生物學當環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時，乙醛不能作為NADH的受氫體，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油，再生成甘油，稱為酵母的二型發(fā)酵 ；在弱堿性 (pH 7.6)時，兩個乙醛分子間會發(fā)生歧化反應，分別生成乙醇和乙酸，

52、氫受體則是磷酸二羥丙酮，發(fā)酵終產物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發(fā)酵。這種發(fā)酵方式不能產生能量，只能在非生長的情況下才進行。9/23/202290微生物學乳酸發(fā)酵許多細菌能利用葡萄糖產生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。根據產物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。9/23/202291微生物學異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖首先經PK途徑分解，發(fā)酵終產物除乳酸外還有部分乙醇或乙酸。腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroide

53、s) 利用HK途徑分解葡萄糖，產生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進一步轉化為乳酸，乙酰磷酸經兩次還原變?yōu)橐掖?；當發(fā)酵戊糖時，則是利用PK途徑，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。9/23/202292微生物學雙歧發(fā)酵：雙歧發(fā)酵：兩歧雙歧桿菌(bifidobacterium bifidum)發(fā)酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑。此反應中有兩種磷酸酮糖酶參加反應，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分別催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解產生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。9/23/202293微生物學丙酸發(fā)酵許

54、多厭氧菌可進行丙酸發(fā)酵。葡萄糖經EMP途徑分解為兩個丙酮酸后，再被轉化為丙酸。少數(shù)丙酸細菌還能將乳酸(或利用葡萄糖分解而產生的乳酸)轉變?yōu)楸帷?/23/202294微生物學 丁酸發(fā)酵某些專性厭氧菌，如梭菌屬(Clostridium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真桿菌屬(Eubacterium和梭桿菌屬(Fusobacterium)，能進行丁酸與丙酮-丁醇發(fā)酵。發(fā)酵過程中，葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，接著在丙酮酸-鐵氧還蛋白酶的參與下，將丙酮酸轉化為乙酰輔酶A。乙酰輔酶A再經一系列反應生成丁酸或丁醇和丙酮。9/23/202295微生物學混合酸發(fā)酵某些腸桿菌能利用葡萄糖進行混合

55、酸發(fā)酵。葡萄糖先經EMP途徑分解為丙酮酸，然后由不同酶系將丙酮酸轉化成不同產物。如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氫氣，還有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；有的則將丙酮酸轉變成乙酰乳酸，乙酰乳酸經一系列反應生成丁二醇。發(fā)酵終產物還有甲酸、乳酸、乙醇等。9/23/202296微生物學葡萄糖分子在沒有外源電子受體的代謝過程中，底物中所具有的能量只有一小部分被釋放出來，并合成少量ATP，原因有兩個：一是底物的碳原子只被部分氧化，二是初始電子供體和最終電子受體的還原電勢相差不大。如果有氧或其他外源電子受體存在時，底物分子可被完全氧化為CO2，且在此過程中可合成的ATP的量大大多于發(fā)酵過程。9/2

56、3/202297微生物學呼吸作用：微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。9/23/202298微生物學5.2.1.2 呼吸作用(respiration)（1）有氧呼吸(aerobic respiration)以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸。（2）無氧呼吸(anaerobic respiration)以氧化型化

57、合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸。能通過呼吸作用分解的有機物包括某些碳氫化合物、脂肪酸和許多醇類。 9/23/202299微生物學TCA循環(huán)在發(fā)酵過程中，葡萄糖經過糖酵解作用形成的丙酮酸在厭氧條件下轉變成不同的發(fā)酵產物，而在有氧呼吸過程中，丙酮酸進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA循環(huán))，被徹底氧化生成CO2和水，同時釋放大量能量。9/23/2022100微生物學In prokaryotic cells the citric acid cycle occurs in the cytoplasm; in eukaryotic cells the citr

58、ic acid cycle takes place in the matrix of the mitochondria. The overall reaction for the citric acid cycle is: 2 acetyl groups + 6NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2 Pi = 4CO2 + 6NADH + 6 H+ + 2FADH2 + 2ATP9/23/2022101微生物學(2)無氧呼吸某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下,將電子傳遞給NO3-、NO2-、SO42-、CO2等氧化物類最終電子受體產生能量。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分

59、級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產生較多的能量用于生命活動。部分能量隨電子轉移傳給最終電子受體，生成的能量不如有氧呼吸產生的多。9/23/2022102微生物學9/23/2022103微生物學5.2.2 自養(yǎng)微生物的生物氧化 一些微生物從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產生ATP。氨的氧化硫的氧化鐵的氧化氫的氧化9/23/2022104微生物學5.2.2.1 氨的氧化NH3和NO2-是可以用作能源的最普通的無機氮化合物，能被硝化細菌所氧化，硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，先

60、由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。氨氧化為硝酸通過上述兩類細菌依次進行的。9/23/2022105微生物學硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為最終電子受體，大多數(shù)是專性無機營養(yǎng)型。其細胞具有復雜的膜內褶結構，有利于增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽孢，多數(shù)為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在10h以上，分布非常廣泛。9/23/2022106微生物學5.2.2.2 硫的氧化硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出