細(xì)菌的生理特性.ppt.ppt

第二章細(xì)菌的生理特性,細(xì)菌的生理特性，主要從三方面來(lái)分析：(1)營(yíng)養(yǎng)；(2)(3)其它環(huán)境因素對(duì)它們生活的影響。,第一節(jié)細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)一、細(xì)菌細(xì)胞的化學(xué)組成及生理功能,細(xì)胞重量（濕重）,水7090%,干物質(zhì)1020%,無(wú)機(jī)鹽10%,有機(jī)物90%,碳水化合物蛋白質(zhì)脂肪DNARNA等,組成微生物細(xì)胞,1、化學(xué)組成,2、各化學(xué)組分的生理功能,可被細(xì)菌吸收利用的物質(zhì)：,1水分2無(wú)機(jī)鹽3碳源4氮源5生長(zhǎng)因子,(1)水分,水分是最重要、不可缺少的組分之一。水在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的存在有兩種狀態(tài)：自由水和結(jié)合水。它們的生理作用主要有以下幾點(diǎn)：1)溶劑作用。所有物質(zhì)都必須先溶解于水，然后才能參與各種生化反應(yīng)。2)參與生化反應(yīng)(如脫水、加水反應(yīng))。3)運(yùn)輸物質(zhì)的載體。4)維持和調(diào)節(jié)一定的溫度。,(2)無(wú)機(jī)鹽,無(wú)機(jī)鹽類在細(xì)胞中的主要作用是：1)構(gòu)成細(xì)胞的組成成分，如H3PO4是DNA和RNA的重要組成成分。2)酶的組成成分，如蛋由質(zhì)和氨基酸的SH。3)酶的激活劑，如Mg2+、K+。4)維持適宜的滲透壓。如Na+、K+、Cl。5)自養(yǎng)型細(xì)菌的能源，如S、Fe2+。,(3)碳源,有機(jī)碳源,糖類蛋白質(zhì)脂肪有機(jī)酸,無(wú)機(jī)碳源,CO2CO3=,多數(shù)微生物最好的碳源：葡萄糖、果糖、麥芽糖、淀粉生產(chǎn)中常見(jiàn)的碳源：玉米粉、麩皮、米糠、酒糟碳源的作用：提供細(xì)胞骨架和代謝物質(zhì)中碳素的來(lái)源以及生命活動(dòng)所需要的能量。,（提供細(xì)胞碳素來(lái)源的物質(zhì)）,(4)氮源,提供細(xì)菌細(xì)胞氮素來(lái)源的物質(zhì)。,有機(jī)氮源,蛋白質(zhì)蛋白胨氨基酸,無(wú)機(jī)氮源,NH4ClNH4NO3,實(shí)驗(yàn)室常用氮源：牛肉膏、蛋白胨生產(chǎn)上常用氮源：尿素、玉米漿、餅粕,氮源的作用:A、提供細(xì)胞新陳代謝中所需的氮素合成材料;B、極端情況下(如饑餓狀態(tài))，氮源也可為細(xì)胞提供生命活動(dòng)所需的能量。,(5)生長(zhǎng)因子,概念：把某些細(xì)菌在生長(zhǎng)過(guò)程中不能自身合成的，同時(shí)又是生長(zhǎng)所必需的須由外界供給的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，叫做“生長(zhǎng)因子”。,？,有三類,氨基酸類嘌呤、嘧啶類維生素類,實(shí)驗(yàn)室常用：酵母膏、蛋白胨作為綜合生長(zhǎng)素；硫辛酸、VC、VK是重要的生長(zhǎng)因子。,當(dāng)我們供給細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)時(shí)應(yīng)注意什么?為什么?,1、質(zhì)量要求：不同的細(xì)菌，同一細(xì)菌不同的生長(zhǎng)階段，營(yíng)養(yǎng)質(zhì)和量的要求不同。2、營(yíng)養(yǎng)元素之間有比例要求：主要是指碳氮的比例關(guān)系，通常稱碳氮比。根瘤菌要求碳氮比為11.5：1，固氮菌要求碳氮比為27.6：1，土壤中許多微生物在一起生活綜合要求的碳氮比約為25：1。廢水生物處理中，微生物群體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也有一定的比例要求(好氧生物處理中對(duì)BOD5：N：P要求一般為100：5：1)。3、總體來(lái)說(shuō)，細(xì)菌的代謝能力很強(qiáng)，可利用的化合物種類很廣，要防止把細(xì)菌養(yǎng)“嬌”。,細(xì)菌往往優(yōu)先利用易被吸收的有機(jī)物質(zhì)。如果這種物質(zhì)的量已經(jīng)滿足要求，它就不再利用其它的物質(zhì)了。在工業(yè)廢水的生物處理中，常加入生活污水補(bǔ)充工業(yè)廢水中某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不足。加多少酌情而定，否則反而會(huì)把細(xì)菌養(yǎng)“嬌”，不利于工業(yè)廢水的處理。因?yàn)樯钗鬯械挠袡C(jī)物比工業(yè)廢水中的有機(jī)物易被吸收利用。,微生物利用廢水營(yíng)養(yǎng)的情況,二、細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)類型,根據(jù)細(xì)菌所需碳源和能源的不同，營(yíng)養(yǎng)類型分四類：,自養(yǎng)型,光能自養(yǎng),化能自養(yǎng),異養(yǎng)型,光能異養(yǎng),化能異養(yǎng),1、光能自養(yǎng)(Photolithotroph),屬于這一類的細(xì)菌都含有光合色素，能進(jìn)行光合作用。藻類、綠色細(xì)菌、光合細(xì)菌（紫硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌）碳源以CO2為惟一碳源能源光轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP,如：高等綠色細(xì)菌、藻類,CO2+H2OCH2O+O2,光能,葉綠素,如何將無(wú)機(jī)物還原為有機(jī)物的？,2、化能自養(yǎng)（chemolithotroph),有些細(xì)菌，如硝化細(xì)菌、鐵細(xì)菌、某些硫磺細(xì)菌等，能氧化一定的無(wú)機(jī)化合物，利用其所產(chǎn)生的化學(xué)能，還原二氧化碳，合成有機(jī)碳化物，這一作用稱為化學(xué)合成作用。碳源以CO2為惟一碳源。能源無(wú)機(jī)物氧化產(chǎn)生能量。產(chǎn)能有限，生長(zhǎng)遲緩。,如硝化細(xì)菌中的亞硝酸細(xì)菌可推進(jìn)下列反應(yīng)：,2NH3+2O2,CO2+4H+,2HNO2+4H+ATP,CH2O+H2O,3、化能異養(yǎng)(chemoorganotroph),大部分細(xì)菌（絕大多數(shù)細(xì)菌、放線菌和全部真菌、病毒）都以這種營(yíng)養(yǎng)類型生活和生長(zhǎng)，利用有機(jī)物作為生長(zhǎng)所需的碳源和能源。碳源有機(jī)物能源有機(jī)物氧化獲得在異養(yǎng)細(xì)菌中，有很多從死的有機(jī)殘?bào)w中獲得養(yǎng)料而生活，僅少數(shù)生活在活的生物體中，前者稱為腐生細(xì)菌，后者稱為寄生細(xì)菌。腐生細(xì)菌在自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化中起著決定性作用，而很多寄生細(xì)菌則是人和動(dòng)植物的病原細(xì)菌。,4、光能異養(yǎng)（photorganotroph),屬于這一營(yíng)養(yǎng)類型的細(xì)菌很少，如紅螺菌中的一些細(xì)菌以這種方式生長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，光能營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)大多需要生長(zhǎng)因子。碳源有機(jī)物作供氫體和碳源，要有CO2存在。能源光,紅螺菌,紅螺菌(Rhodospirillumsp)屬于光合細(xì)菌(PhotosyntheticBacteria，PSB)的一種，廣泛分布于江河、湖泊、海洋等水域環(huán)境中，尤其在有機(jī)物污染的積水處數(shù)量較多。紅螺菌的開(kāi)發(fā)應(yīng)用：（1）在廢水處理中有重要的作用：紅螺菌的體內(nèi)有光合色素，能利用光能，在缺氧的條件下，以有機(jī)酸、醇等有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使自身快速繁殖。根據(jù)它的特點(diǎn)，目前已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用紅螺菌來(lái)凈化高濃度的有機(jī)廢水，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。（2）在開(kāi)發(fā)新能源中的應(yīng)用：生物制氫是開(kāi)發(fā)新能源的一個(gè)方向，因此氫作為一種理想而無(wú)污染的未來(lái)能源日益受到人們的關(guān)注。目前研究較多的是深紅紅螺菌（Rho-dospirillumrubrum），其產(chǎn)氫量高達(dá)65mlhL（培養(yǎng)液）。,思考題：目前在環(huán)保中用紅螺菌來(lái)凈化高濃度的有機(jī)廢水，廢水在分槽流動(dòng)中逐漸得以凈化。由此可知紅螺菌的代謝方式為(A)自養(yǎng)厭氧型(B)異養(yǎng)需氧型(C)異養(yǎng)厭氧型(D)自養(yǎng)需氧型,三、培養(yǎng)基,在實(shí)驗(yàn)中，我們常利用培養(yǎng)基來(lái)培養(yǎng)各種細(xì)菌進(jìn)行科學(xué)研究。,1、概念：指人工配制的適合于不同微生物生長(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。,2、培養(yǎng)基的配制原則,(1)根據(jù)不同細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。通常，培養(yǎng)細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基，霉菌采用蔡氏培養(yǎng)基，酵母菌采用麥芽汁培養(yǎng)基。(2)注意各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度及配比，如水處理中要注意進(jìn)水中BOD5：N：P的比值，好氧生物處理中對(duì)BOD5：N：P要求一般為100：5：1。(3)調(diào)節(jié)適宜的pH值。(4)考慮加生長(zhǎng)因子。(5)培養(yǎng)基應(yīng)物美價(jià)廉。,3、培養(yǎng)基的分類,(1)根據(jù)物理狀態(tài)分類,液體培養(yǎng)基：不加凝固劑。水處理中的廢水。液體發(fā)酵。半固體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入0.5-1%的凝固劑觀察細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。固體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入2%左右的凝固劑。分離、鑒定、計(jì)數(shù)、菌種保藏。,凝固劑：瓊脂（）、明膠、硅膠,成分為多縮半乳糖絕大多數(shù)微生物不能利用融化溫度96，凝固溫度45對(duì)微生物無(wú)毒性,瓊脂特性,（2）根據(jù)化學(xué)組成分類,天然培養(yǎng)基：動(dòng)、植物、細(xì)菌或它們的提取液。如酸奶、飲料酒、腐乳、醬類的發(fā)酵生產(chǎn)特點(diǎn)化學(xué)組分不知道，營(yíng)養(yǎng)豐富，配制容易。合成培養(yǎng)基：完全以化學(xué)藥品配制而成。如KH2PO4、NaCl特點(diǎn)組分確定半合成培養(yǎng)基：天然成分和化學(xué)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？,？,（3）根據(jù)用途分類,基礎(chǔ)培養(yǎng)基：基礎(chǔ)培養(yǎng)基是含有一般微生物生長(zhǎng)繁殖所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基。鑒別培養(yǎng)基：根據(jù)物理化學(xué)因素的反應(yīng)特性設(shè)計(jì)的可籍助肉眼直接判斷細(xì)菌的培養(yǎng)基。選擇培養(yǎng)基：按照某種細(xì)菌特殊營(yíng)養(yǎng)要求專門(mén)設(shè)計(jì)。分離的細(xì)菌由劣勢(shì)種變?yōu)閮?yōu)勢(shì)種。加富培養(yǎng)基：根據(jù)營(yíng)養(yǎng)要求人為地強(qiáng)化投加多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。,分析伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基遠(yuǎn)藤氏培養(yǎng)基屬于哪種培養(yǎng)基？,？,4、培養(yǎng)基的配制方法,培養(yǎng)基的配制方法及過(guò)程大致如下：適量水分加入各營(yíng)養(yǎng)組分、無(wú)機(jī)鹽加入凝固劑調(diào)節(jié)pH值加入生長(zhǎng)因子或指示劑等高壓蒸汽滅菌冷卻放置備用。一般最好現(xiàn)配現(xiàn)用。,四、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運(yùn)輸：,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運(yùn)輸主要有下述四種途徑：1、被動(dòng)擴(kuò)散2、促進(jìn)擴(kuò)散3、主動(dòng)運(yùn)輸4、基團(tuán)轉(zhuǎn)位,2酶的命名和分類,1、被動(dòng)擴(kuò)散(passivediffusion)被輸送的物質(zhì)，靠細(xì)胞內(nèi)外濃度差為動(dòng)力，以透析或擴(kuò)散的形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散。,被動(dòng)擴(kuò)散模式圖,細(xì)胞膜外,細(xì)胞膜內(nèi),細(xì)胞膜,2酶的命名和分類,被動(dòng)擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)通道,被動(dòng)擴(kuò)散特點(diǎn)：,是非特異性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜中的含水小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴(kuò)散；在被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化：即既不與膜上的分子發(fā)生反應(yīng)，本身的分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化；物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾瘦^慢：速率與胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細(xì)胞膜內(nèi)外該物質(zhì)濃度差的降低而減小，直到胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同；不需要載體參與：被動(dòng)擴(kuò)散是一個(gè)不需要代謝能的運(yùn)輸方式：因此，物質(zhì)不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸?？蛇\(yùn)送的養(yǎng)料有限：限于水、溶于水的氣體，及分子量小，脂溶性、極性小的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。,三促進(jìn)擴(kuò)散的特點(diǎn)基本與被動(dòng)擴(kuò)散相似，但是它須借助細(xì)胞膜上的一種蛋白質(zhì)載體進(jìn)行，因此對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)有選樣性，即立體專性。除了細(xì)胞內(nèi)外的濃度差外，影響物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的另一重要因素是與載體親合力的大小。這種方式存在于真核微生物，如厭氧酵母菌對(duì)某些物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。,2、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion/transport),促進(jìn)擴(kuò)散特點(diǎn)：,在促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程中A營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上也不會(huì)發(fā)生變化;B不消耗代謝能量，故不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸;C運(yùn)輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定;D需要細(xì)胞膜上的載體蛋白（透過(guò)酶）參與物質(zhì)運(yùn)輸;E被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)與載體蛋白有高度的特異性;F養(yǎng)料濃度過(guò)高時(shí),與載體蛋白出現(xiàn)飽和效應(yīng)。,3、主動(dòng)運(yùn)輸(Activetransport),在代謝能的推動(dòng)下，通過(guò)膜上特殊載體蛋白逆養(yǎng)料濃度梯度吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程。不同的微生物在主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中所需的能量的來(lái)源不同，好氧微生物中直接來(lái)自呼吸能，厭氧微生物主要來(lái)自化學(xué)能，光合微生物中則主要來(lái)自光能。主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。,主動(dòng)運(yùn)輸特點(diǎn)：,物質(zhì)在主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中需要消耗代謝能；可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸方式；需要載體蛋白參與；對(duì)被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性；被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中不發(fā)生任何化學(xué)變化；,主動(dòng)運(yùn)輸模式圖,細(xì)胞膜,細(xì)胞膜外,細(xì)胞膜內(nèi),恢復(fù)原構(gòu)象,移位,再循環(huán),結(jié)合,構(gòu)象改變,基團(tuán)轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation),基因轉(zhuǎn)位是一種特殊的主動(dòng)運(yùn)輸，與普通的主動(dòng)運(yùn)輸相比，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生了化學(xué)變化（糖在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生了磷酸化）。其余特點(diǎn)與主動(dòng)運(yùn)輸相同?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)位主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細(xì)菌中，主要用于糖的運(yùn)輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可通過(guò)這種方式運(yùn)輸。目前尚未在好氧型細(xì)菌及真核生物中發(fā)現(xiàn)這種運(yùn)輸方式，也未發(fā)現(xiàn)氨基酸通過(guò)這種方式進(jìn)行運(yùn)輸。,在研究大腸桿菌對(duì)葡萄糖和金黃色葡萄球菌對(duì)乳糖的吸收過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這些糖進(jìn)入細(xì)胞后以磷酸糖的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，表明這些糖在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了磷酸化作用，其中的磷酸基團(tuán)來(lái)源于胞內(nèi)的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也將基團(tuán)轉(zhuǎn)位稱為磷酸烯醇式丙酮酸磷酸糖轉(zhuǎn)移酶運(yùn)輸系統(tǒng)(PTS)，簡(jiǎn)稱磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)。,S：糖，P：磷酸，EnzI：酶，EnzII：酶，HPr：熱穩(wěn)定蛋白，PEP：磷酸烯醇式丙酮酸,四種運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方式的比較,一、酶及其命名和分類,1、酶的概念：酶是生物細(xì)胞中自己制成的一種催化劑(生物催化劑)，其基本成分是蛋白質(zhì)，催化效率比一般的無(wú)機(jī)催化劑高得多，一般高達(dá)千、萬(wàn)倍，乃至千萬(wàn)倍。,2、酶的命名和分類,第二節(jié)酶及其作用,Enzyme,組成酶：與基質(zhì)存在與否無(wú)關(guān)。在體內(nèi)有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。誘導(dǎo)酶：受到各種持續(xù)的物理化學(xué)因素影響，在體內(nèi)產(chǎn)生的適應(yīng)新環(huán)境的酶。,誘導(dǎo)酶的產(chǎn)生在廢水生物處理中有重要意義。可以通過(guò)環(huán)境的誘導(dǎo)產(chǎn)生能處理相應(yīng)物質(zhì)的細(xì)菌等微生物（馴化）。,胞內(nèi)酶：在細(xì)胞內(nèi)部起作用，催化細(xì)胞的合成和呼吸。胞外酶：能透過(guò)細(xì)胞，作用于細(xì)胞外的物質(zhì)（大分子）。,細(xì)菌無(wú)攝食器官，遇到的是簡(jiǎn)單的溶解物質(zhì)，通過(guò)胞內(nèi)酶的作用；若遇到的是復(fù)雜的固體物質(zhì)，利用胞外酶將吸附在細(xì)胞周圍的大分子物質(zhì)水解為簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)。,酶與一般催化劑的共同點(diǎn),只能催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間，而不能改變平衡點(diǎn)。對(duì)可逆反應(yīng)的正反兩個(gè)方向都具有的催化作用。但在實(shí)際情況下，作用常趨向一個(gè)方向。熱力學(xué)條件是影響反應(yīng)方向的重要因素。,二、酶的作用特性,1、酶的作用特點(diǎn),具有蛋白質(zhì)的各種特性：分子量大、兩性化合物、不耐高溫、易被毒物破壞；具有一般催化劑的共性：用量少而催化效率高；加快化學(xué)反應(yīng)速度，不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，可降低反應(yīng)活化能；高度的催化效率、專一性和可逆性；溫和常溫、常壓、接近中性就可以起作用；催化活性的的可調(diào)性。,2、酶活性與活性中心,酶活性即是酶活力。指催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力。反應(yīng)速度越快，酶活性越高。,如何確定酶活性的大小?,？,酶活性單位習(xí)慣酶活性單位比酶活性,國(guó)際酶學(xué)會(huì)議1961條規(guī)定：1酶活性單位是指在25最適pH及底物濃度等條件下，在1min內(nèi)轉(zhuǎn)化1mol底物的酶量,比酶活性是指單位重量酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。水處理中，常用比酶活性來(lái)判斷不同來(lái)源污泥的活性大小。,習(xí)慣酶活性單位，即人為確定的酶活性單位定義，如淀粉酶，可用每小時(shí)催化lml2可溶性淀粉液化所需要的酶量作為一個(gè)酶活性單位。,酶的活性中心：酶的活性中心是指酶蛋白肽鏈中由少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基組成的、具有一定空間構(gòu)象的與催化作用密切相關(guān)的區(qū)域。酶的活性中心分二個(gè)功能部位：第一是結(jié)合部位，底物靠此部位結(jié)合到酶分子上；第二是催化部位，底物的鍵在此處被打斷或形成新的鍵，從而發(fā)生一定的化學(xué)變化。,酶的作用機(jī)制,誘導(dǎo)契合假說(shuō)（中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)）：酶在發(fā)揮催化作用前，必須先與底物結(jié)合，生成酶-底物復(fù)合物即中間產(chǎn)物（ES），然后底物在酶的作用下發(fā)生變形，處于不穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)，易受酶的攻擊，只需較少的能量便可進(jìn)入活化態(tài)，底物迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，并釋放出酶。S+EESE+P,誘導(dǎo)契合假說(shuō),三酶促反應(yīng)的影響因素及動(dòng)力學(xué),酶促反應(yīng)與酶活力有關(guān)。影響酶促反應(yīng)（酶活力）的因素有：,1溫度2pH值3基質(zhì)濃度酶濃度激活劑6毒物或抑制劑,1、溫度,要求：保證酶最適宜的溫度條件。每種酶都有自己的最適溫度。,最適反應(yīng)溫度：能形成最大反應(yīng)速度的溫度.,微生物體內(nèi)3060,1-半乳糖苷酶2?；被崴饷?葡萄糖異構(gòu)酶,不同耐溫細(xì)菌的生長(zhǎng)適宜溫度,1.酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，可隨反應(yīng)時(shí)間的縮短而提高。2.低溫使酶的活性降低但并不使酶破壞。溫度回升后，酶又能恢復(fù)活性。3.高溫時(shí)由于酶變性失活，反應(yīng)速度降低。,注意：,在廢水處理的污泥消化中，人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到控制溫度的重要性。在生物濾池的設(shè)計(jì)中，也考慮了對(duì)于不同氣候條件選擇不同的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。但對(duì)于活性污泥法曝氣池的設(shè)計(jì)，溫度因素還未加以考慮，這是因?yàn)樗鼈兊挠绊懸蛩厥謴?fù)雜，難于用數(shù)學(xué)方法來(lái)處理，其中與溫度有關(guān)的主要因素有：(1)所需曝氣的時(shí)間；(2)單位時(shí)間單位體積所需的氧氣；(3)溶解氧的變化。,2、pH值,pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響，通常為一“鐘形”曲線，即pH過(guò)高或過(guò)低均可導(dǎo)致酶催化活性的下降。酶催化活性最高時(shí)溶液的pH值就稱為酶的最適pH。,pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,木瓜蛋白酶,胃蛋白酶,紅血球膽酯酶,胰蛋白酶,大多數(shù)酶的最適pH值在67左右。廢水生物處理主要利用土壤微生物的混合群，應(yīng)保持pH在69之間。,為什么pH值影響酶活力？,？,酶的基本成分是蛋白質(zhì)，是具有離解基團(tuán)的兩性電解質(zhì)。它們的離解與pH有關(guān)，電離形式不同，催化性質(zhì)也就不同，例如，蔗糖酶只有處于等電狀態(tài)時(shí)才具有酶活性，在酸或堿溶液中酶的活性都要減弱或喪失。此外，酶的作用還決定于基質(zhì)的電離狀況。例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白質(zhì)正離子，而胰蛋白酶則只能分解蛋白質(zhì)負(fù)離子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶作用的最適pH分別在比等電點(diǎn)偏酸或偏堿的一邊。,1.人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在6.58.0之間。2.酶的最適pH不是酶的特征性常數(shù)。3.pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響，是因?yàn)閜H改變了酶分子中必需基團(tuán)的解離狀態(tài)，因此影響到活性中心的空間構(gòu)象，進(jìn)而影響酶的活性。此外底物和輔酶的解離狀態(tài)也受環(huán)境pH的影響，從而影響酶與底物的結(jié)合，影響酶發(fā)揮催化作用。,注意：,3、基質(zhì)濃度S,Michaelis用于三廢治理方面，脂肪酶凈化生活污水，多酚氧化酶檢出酚并可除去酚。,注意：將微生物和酶兩者相區(qū)別。微生物的酶是微生物機(jī)體合成的。,衣服上的汗斑、奶漬和血跡等污漬里的蛋白質(zhì)是大個(gè)的高分子，與纖維膠結(jié)得非常緊密，很難拆散。有一種叫做堿性蛋自酶的生物催化劑，它能“消化”頑固的蛋白質(zhì)污垢，將大個(gè)的蛋白質(zhì)分子拆開(kāi)，變成能夠溶解在水里的小分子?？茖W(xué)家把它摻在洗滌劑里，做成“加酶洗衣粉”，讓洗衣粉增添了“消化”蛋白質(zhì)污垢的本領(lǐng)，洗起衣服來(lái)去污效果特別好。不過(guò)，堿性蛋白酶需要適宜的溫度才能大顯身手。它在攝氏五十度時(shí)最活躍，“消化”蛋白質(zhì)的能力最強(qiáng)，熱到攝氏七八十度以上就失效了。因此，在加酶洗衣粉的說(shuō)明書(shū)上特別標(biāo)明：切忌用沸水沖溶！,有關(guān)微生物酶的幾個(gè)概念：,1、酶制劑：從微生物體中分離出來(lái)制成的水溶性酶。2、固相酶：水溶性酶經(jīng)過(guò)理、化處理與載體結(jié)合形成。穩(wěn)定性增加，可反復(fù)使用多次，壽命長(zhǎng)。3、固定化微生物細(xì)胞：把微生物細(xì)胞直接固定在載體上，免去酶分離提純的工藝，而最大限度地提高酶的效率。,第三節(jié)細(xì)菌的呼吸,一呼吸作用的本質(zhì)二細(xì)菌的呼吸類型三細(xì)菌與氧氣的關(guān)系四細(xì)菌的呼吸類型在廢水生物處理中的應(yīng)用,問(wèn)題：“呼吸”和“呼吸作用”有什么區(qū)別？,“呼吸”是指生物體或細(xì)胞吸入氧氣和呼出二氧化碳的過(guò)程，而“呼吸作用”是指細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物分解釋放能量的過(guò)程。,細(xì)菌呼吸的概念：細(xì)菌借助于體內(nèi)的酶類，從物質(zhì)的氧化還原過(guò)程中獲得它所需要的能量的過(guò)程，稱細(xì)菌的呼吸。,ATP,一、呼吸作用的本質(zhì),高等生物的呼吸作用：需氧氣呼吸細(xì)菌的呼吸作用：需氧氣呼吸；不需氧氣呼吸,？,1呼吸作用的本質(zhì)：,生物的氧化和還原的統(tǒng)一過(guò)程，即，在生物氧化中，呼吸基質(zhì)脫下的氫和電子經(jīng)載體傳遞，最終交給受體的生物學(xué)過(guò)程。,2發(fā)生哪些生物學(xué)現(xiàn)象呢？（酶的催化）,復(fù)雜的有機(jī)物變成簡(jiǎn)單的物質(zhì)CO2、H2O等。發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換（合成物質(zhì)、維持生命活動(dòng)）。產(chǎn)生中間產(chǎn)物（繼續(xù)分解、作為原料合成機(jī)體物質(zhì)。吸收、同化各種營(yíng)養(yǎng)。,二、細(xì)菌的呼吸類型,1、根據(jù)與氧氣的關(guān)系，細(xì)菌的呼吸類型，分為：,專性需氧微需氧兼性厭氧厭氧專性厭氧,專性需氧菌：需充足O2，生長(zhǎng)于表面.。微需氧菌：需低濃度O2，生長(zhǎng)于表面以下數(shù)mm處。兼性厭氧菌：生長(zhǎng)于整個(gè)培養(yǎng)基中。厭氧菌和專性厭氧菌：生長(zhǎng)于培養(yǎng)基底部。,各型細(xì)菌呼吸特點(diǎn),2、以電子受體的不同劃分類型,1、好氧細(xì)菌呼吸作用2、厭氧細(xì)菌呼吸作用：可分成二種類型：分子內(nèi)無(wú)氧呼吸和分子外無(wú)氧呼吸。,（1）好氧呼吸respiration,反應(yīng)圖式,好氧呼吸作用過(guò)程是氧化酶、脫氫酶、細(xì)胞色素(電子遞體)和氧氣參加下進(jìn)行的。首先是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(基質(zhì))中的氫被脫氫酶脫下，從基質(zhì)中脫下的電子交給輔酶或輔基，再通過(guò)電子呼吸鏈(或稱傳遞鏈)的傳遞與氧結(jié)合。氧化酶活化分子氧并與電子結(jié)臺(tái)成水。因此好氧呼吸的最終電子受體是游離的氧。在這個(gè)過(guò)程中放出能量。,舉例:,自養(yǎng)微生物硫磺細(xì)菌氧化H2S（無(wú)機(jī)物）：,H2S+2O2,H2SO4+ATP,異養(yǎng)微生物大腸桿菌氧化葡萄糖（有機(jī)物）：,C6H12O6+6O2,6CO2+6H2O+ATP,在好氧呼吸過(guò)程中，基質(zhì)被氧化較徹底，獲得的ATP多，最終產(chǎn)物積累少?；钚晕勰喾ㄌ幚碛袡C(jī)廢水，即采用好氧呼吸。,（2）厭氧呼吸anaerobicrespiration,反應(yīng)圖式,厭氧細(xì)菌只具有脫氫酶系統(tǒng)，沒(méi)有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過(guò)程中，基質(zhì)中的氫被脫氫酶活化，從基質(zhì)中脫下來(lái)的氫經(jīng)輔酶?jìng)鬟f給氧以外的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，使其還原。于是一個(gè)物質(zhì)被氧化，一個(gè)物質(zhì)被還原，存這個(gè)過(guò)程中也釋放出能量。最終電子受體：除氧氣以外的物質(zhì),有機(jī)物（小分子）無(wú)機(jī)物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）,A分子內(nèi)無(wú)氧呼吸類型（又稱發(fā)酵）,在厭氧呼吸過(guò)程中，大多數(shù)情況是基質(zhì)失去氫被氧化，其產(chǎn)物接受氫被還原。所以有分子內(nèi)呼吸之稱。這種分子內(nèi)的無(wú)氧呼吸也稱為發(fā)酵。其代謝反應(yīng)就是EMP途徑。在整個(gè)過(guò)程中基質(zhì)氧化不徹底，在其最終代謝產(chǎn)物中有的還可以燃燒，還含有相當(dāng)?shù)哪芰?，故釋放出的能量較少(有氧氧化的最終產(chǎn)物是含能量最低的二氧化碳和水，故釋放的能量多)。最終電子受體：小分子有機(jī)物常見(jiàn)的發(fā)酵有乳酸發(fā)酵乙醇發(fā)酵,厭氧呼吸可分成二種類型：,乳酸菌在無(wú)氧情況下，利用糖生成乳酸是典型的分子內(nèi)無(wú)氧呼吸，其作用過(guò)程如下：,在上述反應(yīng)中，產(chǎn)物是乳酸，氧化不徹底，所以釋放的能量少。由此可見(jiàn)，厭氧微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)的過(guò)程中，為了滿足能量的需要，消耗的基質(zhì)要比好氫微生物多。但它們?cè)趨捬鹾粑^(guò)程中能積累大量中間產(chǎn)物。,乙醇發(fā)酵（生產(chǎn)酒精）,葡萄糖,3磷酸甘油醛,1，3二磷酸甘油酸,2NAD,2NADH2,丙酮酸,脫羧酶,乙醛,乙醇,ATPCO2,底物：葡萄糖最終電子受體：乙醛（代謝的中間產(chǎn)物）,產(chǎn)能量少（2個(gè)ATP)，大部分儲(chǔ)存在乙醇中。,B分子外無(wú)氧呼吸類型(無(wú)氧呼吸）,分子外無(wú)氧呼吸類型最終電子受體：無(wú)機(jī)物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）,某些特殊營(yíng)養(yǎng)和代謝類型的細(xì)菌在無(wú)氧時(shí)，由于它們具有特殊的氧化酶，能使某些無(wú)機(jī)氧化物如硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽等中的氧活化而作為電于受體，接受基質(zhì)中被脫下的電子。例如反硝化細(xì)菌可以利用硝酸中的氧作為受氫體。,又如產(chǎn)甲烷細(xì)菌：,（3）兼性細(xì)菌呼吸facultativerespiration,兼性細(xì)菌或兼性微生物在有氧和無(wú)氧條件下都能生活，在有氧時(shí)同好氧微生物一樣進(jìn)行好氧呼吸，在無(wú)氧時(shí)進(jìn)行厭氧呼吸。例如，酵母菌對(duì)葡萄糖的作用：在有氧條件下,在無(wú)氧條件下:在無(wú)氧環(huán)境中釋放的能量較少,微生物呼吸過(guò)程中的能量問(wèn)題,微生物進(jìn)行生命活動(dòng)需要的能量都是通過(guò)菌體的酶類催化分解、氧化各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)取得的。微生物呼吸過(guò)程中分解、氧化各種營(yíng)養(yǎng)物都是放能反應(yīng)。微生物體內(nèi)各種物質(zhì)的合成過(guò)程則是需能反應(yīng)。化能自養(yǎng)微生物通過(guò)呼吸作用，氧化各種無(wú)機(jī)物質(zhì)獲得能量。而異養(yǎng)微生物通過(guò)呼吸作用，氧化各種有機(jī)物質(zhì)獲得能量。,微生物在呼吸過(guò)程中，氧化各種物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的能量能不能全部被微生物利用呢?,？,不能。但它們的利用率是相當(dāng)高的(一般在4060)，而一般機(jī)器的能量利用率只有20左右。,為什么微生物有這樣高的能量利用率呢?,？,因?yàn)槲⑸矬w內(nèi)有一套完善的能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng),三、代謝產(chǎn)物,微生物從環(huán)境中吸收了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，獲得了能量，在細(xì)胞中借酶的作用起了種種變化，結(jié)果使得一部分養(yǎng)料同化為細(xì)胞物質(zhì)或貯存在體內(nèi)的養(yǎng)料，另外它又將一些無(wú)用的或多余的物質(zhì)排泄到體外環(huán)境中去。,代謝產(chǎn)物大致有下列幾種：,1、氣體狀態(tài)如二氧化碳、氫、甲烷、硫化氫、氨及一些揮發(fā)酸等。前面一些多為糖類發(fā)酵的產(chǎn)物，后者則多為蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。2、有機(jī)代謝產(chǎn)物有機(jī)代謝產(chǎn)物可分為簡(jiǎn)單的有機(jī)代謝產(chǎn)物和復(fù)雜的有機(jī)代謝產(chǎn)物兩類。3、分解產(chǎn)物復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、纖維素等需先經(jīng)胞外酶分解為較簡(jiǎn)單的物質(zhì)后才能被吸收利用。但經(jīng)酶分解出來(lái)的物質(zhì)有時(shí)超過(guò)被微生物所吸收利用的，因而在基質(zhì)上可以找到這些所謂分解產(chǎn)物，如蛋白陳、氨基酸、纖維二糖等。4、其它有不少自養(yǎng)微生物可以在它們生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生氫、亞硝配鹽、硝酸鹽和硫酸鹽等。,四、細(xì)菌的呼吸類型在廢水生物處理中的應(yīng)用,1、好氧生物處理（活性污泥法、生物膜法）優(yōu)點(diǎn)是氧化速率快，產(chǎn)物無(wú)機(jī)化程度高，反應(yīng)容器小；缺點(diǎn)是供氧耗能和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高。,2、厭氧生物處理（高濃度有機(jī)廢水、有機(jī)污泥硝化）優(yōu)點(diǎn)是不加氧源，不耗能，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低；缺點(diǎn)是氧化不夠徹底，有臭氣；凈化時(shí)間較長(zhǎng)；反應(yīng)容器較大。,第四節(jié)其它環(huán)境因素對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響,專業(yè)術(shù)語(yǔ),滅菌：消毒防腐無(wú)菌操作無(wú)菌,應(yīng)用及研究,抑制霉腐微生物防腐抑制宿主體內(nèi)的病菌化療,1滅菌(sterilization)：用理化方法殺死物體表面及內(nèi)部所有微生物（包括芽孢）的過(guò)程滅菌劑2消毒（disinfection)：用理化方法殺死病原微生物的措施。消毒劑3防腐（antisepsis)：用理化方法抑制霉腐微生物生長(zhǎng)的措施(理化因素）。防腐劑（抑菌劑）4無(wú)菌操作：防止微生物進(jìn)入物體的技術(shù)。5無(wú)菌：指沒(méi)有活的微生物（包括芽孢）存在。,概念,本節(jié)主要內(nèi)容一溫度二氫離子濃度三氧化還原電位四水分五滲透壓六光線七化學(xué)藥劑,1、溫度,所有的微生物生長(zhǎng)有三種基本溫度,最低生長(zhǎng)溫度最適生長(zhǎng)溫度最高生長(zhǎng)溫度,是否所有的微生物的生活溫度都一樣呢？,？,不,根據(jù)最適生長(zhǎng)溫度分類細(xì)菌（微生物）,1低溫型微生物psychrophiles（嗜冷微生物）2中溫型微生物mesophiles（嗜溫微生物）3高溫型微生物thermophiles（嗜熱微生物）,低溫型微生物psychrophiles（-5+30）,雪藻,專性：環(huán)境溫度不超過(guò)20。兩極地區(qū)極端嗜冷微生物。兼性：河流、湖泊，適溫1020。,中溫型微生物mesophiles（5-50）,最適溫范圍2530。分布：土壤、植物、溫血?jiǎng)游锛叭梭w中的微生物大部分屬于該類型。大腸桿菌、傷寒桿菌、痢疾桿菌等,高溫型微生物thermophiles（2580）,熱泉中的細(xì)菌,污泥消化的高溫厭氧處理利用該類菌,最適溫度5060。極端嗜熱微生物最適溫度7090（溫泉、火山噴口）分布：堆肥、沼氣、發(fā)酵池。,高溫滅菌,高溫為什么會(huì)殺死細(xì)菌呢?,細(xì)菌細(xì)胞的基本組成是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)對(duì)高溫有不耐熱性。而細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)與呼吸過(guò)程中必不可少的生物催化劑酶也是蛋白質(zhì)，也具有不耐熱性。蛋白質(zhì)一旦受到高溫，其結(jié)構(gòu)會(huì)受到嚴(yán)重破壞發(fā)生凝固，細(xì)菌就死去。,？,濕熱滅菌特點(diǎn)：溫度低、時(shí)間短、滅菌效果好。,？,在同樣溫度下,濕熱滅菌的效果比干熱好,原因是:(1)濕熱中菌體吸收水份,蛋白質(zhì)較易凝固。濕熱易破壞細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)大分子的穩(wěn)定性，主要破壞氫鍵結(jié)構(gòu)。(2)濕熱比干熱穿透力好,這主要是由于水或飽和水蒸汽傳導(dǎo)熱能的效率明顯高于空氣。蒸汽容易穿透到物體的深部,使滅菌的物體內(nèi)部溫度迅速上升。(3)蒸汽有潛熱存在。每一克水在100時(shí),由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)可放出529卡的熱量。當(dāng)蒸汽與被滅菌的物體接觸時(shí)凝結(jié)成水,放出潛熱,能迅速提高滅菌物體的溫度。,低溫抑菌,至于低溫，當(dāng)?shù)偷搅愣?、?xì)菌也不致死亡，只有在頻繁的反復(fù)結(jié)冰和解凍，才會(huì)使細(xì)胞受到破壞而死去。但是低溫將降低細(xì)菌的代謝活力，通常在5以下，細(xì)菌的代謝作用就大大受阻，成休眠狀態(tài)，只能維持生命而不發(fā)育，所以在實(shí)驗(yàn)室中常利用冰箱保存菌種。一般以4左右為保存菌種的適宜溫度。,酶在低溫下仍起作用,微生物質(zhì)膜中不飽和脂肪酸含量高(低溫下仍保持半流體狀態(tài)),低溫下微生物為什么能生存？,？,注：溫度的調(diào)整對(duì)工業(yè)廢水生物處理意義重大。,2、氫離子濃度（pH值）,1、細(xì)菌：pH7.0-7.62、酵母、霉菌:pH5-63、放線菌:pH7.6-8,微生物生活的PH在4.010.0之間,微生物在酸性太強(qiáng)或堿性太強(qiáng)的環(huán)境里，一般不能生活。工業(yè)廢水的pH值過(guò)高或過(guò)低應(yīng)該加以中和，作適當(dāng)調(diào)整。,1配制培養(yǎng)基時(shí)調(diào)節(jié)好pH，適于培養(yǎng)的微生物需要。2培養(yǎng)基中的蛋白胨、氨基酸有一定的緩沖能力。3加入緩沖物質(zhì)磷酸鹽、碳酸鹽等,？,注：pH的調(diào)整對(duì)工業(yè)廢水生物處理意義重大。,3、氧化還原電位（ORP)-E值,什么是氧化還原電位？某物質(zhì)與氫電極構(gòu)成原電池時(shí)的電壓高低,反映改物質(zhì)氧化性強(qiáng)弱。,通常如何測(cè)定水樣的氧化還原電位？pH測(cè)定儀mv檔，其中一個(gè)惰性的鉑絲電極與一個(gè)參比電極（如甘汞電極）,提問(wèn)：影響水樣氧化還原電位的因素有哪些？氧化性物質(zhì)（主要是氧氣濃度）與還原性物質(zhì)（有機(jī)物、H2S等）的含量。,氧化還原電位與氧氣多少有關(guān)，成正比。氧氣含量高，E值高；氧氣含量低，E值低。,好氧微生物大于0.1V生長(zhǎng)。0.30.4V最適宜厭氧微生物低于0.1V生長(zhǎng)兼性厭氧微生物大于0.1V好氧生活小于0.1V厭氧生活,不同細(xì)菌適宜的氧化還原條件：,好氧活性污泥法：控制在200600mV是正常的提問(wèn)：過(guò)低過(guò)高如何調(diào)節(jié)？改變曝氣力度,厭氧污泥或