華北理工《水處理生物學(xué)》章節(jié)習(xí)題及答案06微生物的生理特性

第六章微生物的生理特性1細(xì)菌細(xì)胞中主要含有哪些成分？細(xì)菌需要哪些營(yíng)養(yǎng)？各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能是什么？細(xì)菌細(xì)胞中最重要的組分是水，約占細(xì)胞總質(zhì)量的80％，一般為70％～90％，其他10％～30％為干物質(zhì)。干物質(zhì)中有機(jī)物占90％～97％左右，其主要化學(xué)元素是C、H、O、N、P、S；另外約3％～10％為無機(jī)鹽分（或稱灰分）。應(yīng)注意，不同微生物細(xì)胞化學(xué)組分不同；一種微生物在不同的生長(zhǎng)階段，其化學(xué)組分也不同。微生物的營(yíng)養(yǎng)要求在元素水平上都需要20種左右，且以碳、氫、氧、氮、硫、磷為主；在營(yíng)養(yǎng)水平上則都在六大類的范圍內(nèi)，即碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無機(jī)鹽和水。提供細(xì)胞組分或代謝產(chǎn)物種碳素來源的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)稱為碳源。它的作用是提供細(xì)胞骨架和代謝物質(zhì)中碳素的來源以及生命活動(dòng)所需要的能量。異養(yǎng)微生物在元素水平上最適碳源適"C·H·O"型。提供細(xì)胞組分中氮素來源的各種物質(zhì)稱為氮源。它的作用適提供細(xì)胞新陳代謝中所需的氮素合成材料。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。能為微生物生命活動(dòng)提供最初能量來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和輻射能，稱為能源。各種異養(yǎng)生物的能源就是碳源?；茏责B(yǎng)微生物的能源十分獨(dú)特，它們都是一些還原態(tài)的無機(jī)物。生長(zhǎng)因子是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能利用簡(jiǎn)單的碳、氮源自行合成的有機(jī)物。按微生物對(duì)生長(zhǎng)因子的需要與否，可把它們分成生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型微生物、生長(zhǎng)因子異養(yǎng)型微生物和生長(zhǎng)因子過量合成型微生物三種。無機(jī)鹽或礦質(zhì)元素主要為微生物提供碳源、氮源以外的各種重要元素。無機(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。2)酶的組成成分。3)酶的激活劑。4)維持適宜的滲透壓。5)自養(yǎng)型細(xì)菌的能源。6)無氧呼吸時(shí)的氫受體。水在微生物細(xì)胞內(nèi)有兩種存在狀態(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)機(jī)體的溫度。2什么是碳源、氮源、碳氮比？微生物常用的碳源和氮源物質(zhì)各有哪些？碳源提供細(xì)胞組分或代謝產(chǎn)物種碳素來源的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)稱為碳源。提供細(xì)胞組分中氮素來源的各種物質(zhì)稱為氮源。營(yíng)養(yǎng)元素碳氮的比例關(guān)系稱為碳氮比。微生物常用的碳源物質(zhì)分為有機(jī)碳源和無機(jī)碳源兩種。有機(jī)碳源包括各種糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、有機(jī)酸等。無機(jī)碳源主要是CO2（CO32－或HCO-3）。氮源也可分為兩類：有機(jī)氮源（如蛋白質(zhì)、蛋白胨、氨基酸等）和無機(jī)氮源（如NH4Cl、NH4NO3等）。3什么叫生長(zhǎng)因子？它包括哪些物質(zhì)？微量元素和生長(zhǎng)因子有何區(qū)別？生長(zhǎng)因子是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能利用簡(jiǎn)單的碳、氮源自行合成的有機(jī)物。并非所有的微生物都需要外界為它提供生長(zhǎng)因子。廣義的生長(zhǎng)因子包括維生素、堿基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類、C4～C6的分枝或直鏈脂肪酸，有時(shí)還包括氨基酸；狹義的生長(zhǎng)因子一般指維生素。而微量元素屬于無機(jī)鹽，是指微生物的生長(zhǎng)繁殖所需濃度在10－6～10－8mol/L范圍內(nèi)的元素。4什么叫單純擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)輸、基因轉(zhuǎn)位？比較微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收四種方式的異同。單純擴(kuò)散又稱被動(dòng)運(yùn)輸，是最簡(jiǎn)單的方式，也是微生物吸收水分及一些小分子有機(jī)物的運(yùn)輸方式。它的特點(diǎn)是物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)順著濃度差進(jìn)行，運(yùn)輸過程不需消耗能量，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。促進(jìn)擴(kuò)散的特點(diǎn)基本與單純擴(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)有選擇性，即立體專一性。除了細(xì)胞內(nèi)外的濃度差外，影響物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)的另一重要因素是與載體親合力的大小。主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的最主要方式。它的最大特點(diǎn)是吸收運(yùn)輸過程中需要消耗能量（ATP，原子動(dòng)勢(shì)或"離子泵"等），因此可以逆濃度差進(jìn)行。基因轉(zhuǎn)位與主動(dòng)運(yùn)輸非常相似，但有一個(gè)不同，即基因轉(zhuǎn)位過程中被吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與載體蛋白之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此物質(zhì)結(jié)構(gòu)有所改變。5劃分微生物營(yíng)養(yǎng)類型的依據(jù)是什么？簡(jiǎn)述微生物的四大營(yíng)養(yǎng)類型。營(yíng)養(yǎng)類型指根據(jù)微生物需要的主要營(yíng)養(yǎng)元素即能源和碳源的不同而劃分的微生物類型。根據(jù)碳源的不同，微生物可分成自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物。根據(jù)生活所需能量來源的不同，微生物又分為光能營(yíng)養(yǎng)和化能營(yíng)養(yǎng)兩類。將兩者結(jié)合則一共有光能自養(yǎng)、化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和光能異養(yǎng)四種營(yíng)養(yǎng)類型?，F(xiàn)將四大營(yíng)養(yǎng)類型簡(jiǎn)單介紹如下：a光能自養(yǎng)：屬于這一類的微生物都含有光合色素，能以光作為能源，CO2作為碳源。這類微生物有藍(lán)細(xì)菌、紫硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌以及藻類等。b化能自養(yǎng)：這一類微生物的生長(zhǎng)需要無機(jī)物，在氧化無機(jī)物的過程中獲取能源，同時(shí)無機(jī)物又作為電子供體，使CO2還原為有機(jī)物。這類菌有氨氧化菌、硝化細(xì)菌、鐵細(xì)菌、某些硫磺細(xì)菌等。c化能異養(yǎng)：大部分細(xì)菌都以這種營(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?；墚愷B(yǎng)微生物又可分為腐生和寄生兩類，前者利用無生命有機(jī)物，后者則依靠活的生物體而生活。在腐生和寄生之間，存在著不同程度的即可腐生又可寄生的中間類型，稱為兼性腐生或兼性寄生。腐生微生物在自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化中起著決定性作用，很多寄生微生物則是人和動(dòng)植物的病原微生物。d光能異養(yǎng)：這類微生物利用光能作為能源，以有機(jī)物作為電子供體，其碳源來自有機(jī)物，也可利用CO2。屬于這一營(yíng)養(yǎng)類型的微生物很少，主要包括紫色非硫細(xì)菌與綠色非硫細(xì)菌等微生物。6何謂培養(yǎng)基？培養(yǎng)基的分類方法有哪些？培養(yǎng)基指由人工配制的、適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的混合營(yíng)養(yǎng)物。根據(jù)物理狀態(tài)的不同，培養(yǎng)基可分為液體、固體和半固體三大類；根據(jù)化學(xué)組分的不同，培養(yǎng)基可以分為天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基；根據(jù)用途的不同，培養(yǎng)基可分為選擇性培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基和加富培養(yǎng)基。7什么是酶？酶是怎樣命名和分類的？酶是生物細(xì)胞中自己合成的一種催化劑（生物催化劑），其基本成分是蛋白質(zhì)。酶的命名有習(xí)慣命名法和系統(tǒng)命名法兩種。習(xí)慣命名法是根據(jù)酶的作用性質(zhì)或他的作用物（即基質(zhì)）而命名。系統(tǒng)命名法的原則是：每種酶有一個(gè)系統(tǒng)名稱。系統(tǒng)名稱應(yīng)明確標(biāo)明酶的基質(zhì)和催化反應(yīng)的性質(zhì)。若有兩個(gè)基質(zhì)，則應(yīng)將兩個(gè)基質(zhì)同時(shí)列出，中間用冒號(hào)將它們隔開。如果基質(zhì)是水時(shí)，可將水略去不寫。根據(jù)酶促反應(yīng)性質(zhì)可分為六大類酶，分別室：水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、同分異構(gòu)酶、裂解酶和合成酶。8酶的作用有什么特性？影響酶活性的主要因素有哪些？試討論之。酶作用的特性有：1)高催化效率

2)高度專一性3)調(diào)節(jié)性此外，酶反應(yīng)條件溫和，如常溫、常壓/接近中性的酸堿度等即可發(fā)揮酶的催化能力，高溫、高壓、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件反而易使酶活性破壞甚至喪失。溫度和pH值是影響酶活力比較重要的兩個(gè)因素。要發(fā)揮酶最大的催化效率，必須保證酶有它最適宜的溫度條件。高溫會(huì)破壞酶蛋白，而低溫又會(huì)使酶作用降低或停止。不同的酶具有不同的最適反應(yīng)pH值。大多數(shù)酶的最適pH值在6～7左右。pH影響酶的活力的原因是，酶的基本成分是蛋白質(zhì)，是具有解離基團(tuán)的兩性電解質(zhì)。它們的解離與pH有關(guān)，解離形式不同，催化性質(zhì)也就不同。9細(xì)菌是怎樣吸收和消化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的？細(xì)菌通過細(xì)胞膜的滲透和選擇性吸收作用從外界吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。由于細(xì)胞膜及其半滲透性的存在，各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并不能自由地透過和進(jìn)出微生物細(xì)胞，它們必須通過特殊地吸收和運(yùn)輸途徑才能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部參與生化代謝反應(yīng)。概括地說，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)地吸收和運(yùn)設(shè)主要有下述四種途徑。10何謂新陳代謝？試用圖示說明合成代謝與分解代謝的相互關(guān)系。新陳代謝簡(jiǎn)稱代謝，是推動(dòng)一切生命活動(dòng)的動(dòng)力源，通常指在活細(xì)胞中的各種合成代謝和分解代謝的總和。合成代謝又稱同化作用或合成作用，是微生物不斷從外界吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成細(xì)胞物質(zhì)的過程，在此過程中需要吸收能量；分解代謝又稱異化作用或分解作用，是微生物將自身或外來的各種復(fù)雜有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單化合物的過程，在此過程中有能量釋放。（圖示）11簡(jiǎn)述生物氧化過程中，基質(zhì)脫氫的主要途徑。基質(zhì)脫氫主要有四種途徑。1)EMP途徑又稱糖酵解途徑，是絕大多數(shù)生物所共有的一條代謝途徑。它以1分子葡萄糖為基質(zhì)，約經(jīng)過10步反應(yīng)而產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP的過程。2)HMP途徑

又稱戊糖磷酸途徑，己糖--磷酸途徑等。其特點(diǎn)是葡萄糖不經(jīng)過EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力及多種中間代謝產(chǎn)物。3)ED途徑

這是存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑。特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得經(jīng)由EMP途徑需10步反應(yīng)才能形成的丙酮酸。4)TCA循環(huán)

指由丙酮酸經(jīng)過一系列循環(huán)式反應(yīng)而徹底氧化、脫羧，形成CO2、H2O和NADH2的過程。12細(xì)菌呼吸作用有哪幾種類型？各有什么特點(diǎn)？微生物的呼吸作用可分為好氧呼吸、厭氧呼吸和發(fā)酵三種。好氧呼吸是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，基質(zhì)的氧化以分子氧作為最終電子受體。其特點(diǎn)是基質(zhì)脫氫后，脫下的氫（常以還原力[H]形式存在）經(jīng)完整的呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）傳遞，最終被外源氧分子接受，產(chǎn)生水并釋放ATP形式的能量。這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的氧化作用，是一種高效產(chǎn)能方式。厭氧呼吸又稱無氧呼吸，指以某些無機(jī)氧化物（如SO42-、NO3－、CO2等）作為受氫體（電子受體）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進(jìn)行的、產(chǎn)能效率低的呼吸。其特點(diǎn)是基質(zhì)按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)無機(jī)物或有機(jī)物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。發(fā)酵有兩個(gè)含義。廣義發(fā)酵泛指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料等產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。狹義發(fā)酵指在無氧條件下，基質(zhì)脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交給某內(nèi)源中間代謝產(chǎn)物，以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)?；|(zhì)水平磷酸化的特點(diǎn)是基質(zhì)在氧化過程中脫下的電子不經(jīng)電子傳遞鏈的傳遞，而是通過酶促反應(yīng)直接交給基質(zhì)本身氧化的產(chǎn)物，同時(shí)將反應(yīng)過程中釋放的能量交給ADP，合成ATP。此種作用的最終產(chǎn)物是中間體的還原物，不再進(jìn)行分解，因此，發(fā)酵不是徹底的氧化作用，產(chǎn)能效率低。13根據(jù)微生物生活是否需要氧氣，微生物可分為哪幾類？這樣的分類在污水處理中有何重要意義？根據(jù)微生物與氧氣的關(guān)系，微生物可分為好氧微生物、厭氧微生物和兼性微生物。好氧微生物生活時(shí)需要氧氣，沒有氧氣就無法生存。厭氧微生物只有在沒有氧氣的環(huán)境中才能生長(zhǎng)，甚至有了氧氣對(duì)它還有毒害作用。兼性微生物既可在有氧環(huán)境中生活，也可在無氧環(huán)境中生長(zhǎng)，既能營(yíng)好氧呼吸也能營(yíng)厭氧呼吸。好氧呼吸、厭氧呼吸和發(fā)酵在污水生物處理中都有應(yīng)用，如活性污泥法就是應(yīng)用好氧呼吸的原理處理有機(jī)污水，而厭氧消化則是應(yīng)用發(fā)酵和厭氧呼吸的原理來處理高濃度有機(jī)污水和剩余污泥。14試比較有氧呼吸、厭氧呼吸及發(fā)酵的異同。有氧呼吸、厭氧呼吸以及發(fā)酵的比較呼吸類型

電子受體

參加酶類

主要產(chǎn)物

產(chǎn)生的能量比較好氧呼吸

O2

細(xì)胞色素氧化酶脫氫酶脫羧酶過氧化氫酶等

H2O,CO2,NO3-,SO42-,PO3-4

最多厭氧呼吸

無機(jī)氧化物（如SO42-、NO3－、CO2等）

脫氫酶脫羧酶特殊氧化酶還原酶

CO2,CH4,N,H2S等中等發(fā)酵

基質(zhì)氧化后的中間產(chǎn)物

脫氫酶脫羧酶還原酶等

CO2,CO,CH4,RCOOH,ROH,NH3,胺化物，H2S,PO43-等

最少

15微生物活動(dòng)所需的能量是怎樣獲得的？微生物的能量來源有呼吸作用和光合作用兩個(gè)途徑?；軤I(yíng)養(yǎng)型微生物主要從營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的氧化分解中獲得化學(xué)能，其中化能異養(yǎng)型微生物通過呼吸作用氧化各種有機(jī)物獲得能量，化能自養(yǎng)型微生物通過呼吸作用氧化各種無機(jī)物獲得能量；光能營(yíng)養(yǎng)型微生物則通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變維化學(xué)能。16試扼要討論細(xì)菌生長(zhǎng)與溫度和氫離子濃度的關(guān)系。為什么常以4℃左右的溫度作為保存菌種的適宜溫度？高溫可以殺死微生物，只要加熱超過微生物致死的最高溫度，微生物很快就會(huì)死亡。溫度愈高，死亡愈快。此外，細(xì)胞內(nèi)所含水分愈少，微生物的致死溫度愈高。高溫之所以能殺死微生物，主要是因?yàn)槲⑸?/p>