微生物學講稿-微生物生理課件

第四章微生物生理主要內(nèi)容：生物的酶

微生物的營養(yǎng)

微生物的能量代謝

微生物的合成代謝第一節(jié)

酶一、酶的概念催化劑

在化學中，能改變化學反應的速度而其本身在反應前后沒有發(fā)生變化的物質(zhì)稱為催化劑。

例如：蔗糖→葡萄糖+果糖，少量鹽酸（HCL）可以大大促進該反應的速度，即為催化劑。由催化劑加速反應速度的現(xiàn)象稱為催化作用。第一節(jié)

酶（續(xù)）一般的化學催化劑作用往往要求一定的條件，如高溫、高壓等。如在合成氨工業(yè)中，使用以鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），反應條件要求：500℃、2×107~5×107Pa(約200~500atm)，這就對反應的容器等提出較高的要求。1atm=101325Pa第一節(jié)

酶（續(xù)）在生物體內(nèi)不斷地進行著大量而復雜的化學反應（生物化學反應），這些反應要求以極快的速度進行，而且要求十分精確，才能適應生物體生理活動的要求。另外，生物體內(nèi)的條件是溫和的。為了滿足生物體內(nèi)生物化學反應的要求，必須由特別的催化劑——酶來催化。定義：酶是生物體內(nèi)合成的一種具有催化性能的蛋白質(zhì)，它是生物催化劑。

第一節(jié)

酶（續(xù)）二、酶的催化特性

1．酶積極參與生物化學反應，加速反應速度，但不能改變反應平衡點，在反應前后無變化；2．酶的催化作用具有專一性；一種酶只能作用于一種物質(zhì)或一類物質(zhì)，或者說只能催化一種或一類化學反應；3．酶的催化作用條件溫和；在常溫、常壓和近中性的水溶液中進行（生物體內(nèi)環(huán)境）；4．酶對環(huán)境條件極為敏感；高溫、強酸、強堿、重金屬離子等會能使酶喪失活性；由于酶是蛋白質(zhì)，容易失活；5．酶具有極高的催化效率；如過氧化氫酶的催化效率比鐵離子Fe3+（一般催化劑）要高1010倍。第一節(jié)

酶（續(xù)）三、酶的組成酶的組成有兩類：（1）單成分酶：只有蛋白質(zhì)；

（2）全酶：由蛋白質(zhì)和非蛋

白成分組成。非蛋白成分可以是：有機物、金屬離子、有機物和金屬離子。通常把它分為輔酶和輔基，與酶蛋白結(jié)合得牢的，稱為輔基，與酶蛋白結(jié)合得不牢的，稱為輔酶。第一節(jié)

酶（續(xù)）常見的輔酶和輔基有：輔酶A（CoA或CoASH）、NAD（輔酶I）和NADP（輔酶II）、FMN（黃素單核苷酸）和

FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）、輔酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸類（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。專性厭氧菌特有的輔酶：輔酶M、F420（輔酶420）、F430（輔酶430）等。第一節(jié)

酶（續(xù)）四、酶蛋白的結(jié)構(gòu)在生物體中的酶蛋白，由20種氨基酸組成:Ala（丙氨酸）

Arg（精氨酸）

Asn（天門冬酰胺）

Asp（天門冬氨酸）

Cys（半胱氨酸）Gln（谷氨酰胺)Glu（谷氨酸）

Gly（甘氨酸）

His（組氨酸）

Ile（異亮氨酸）Leu（亮氨酸）

Lys（賴氨酸）

Met（蛋氨酸）

Phe（苯丙氨酸）

Pro（脯氨酸）Ser（絲氨酸）

Thr（蘇氨酸）

Trp（色氨酸）

Tyr（酪氨酸）

Val（纈氨酸）

第一節(jié)

酶（續(xù)）氨基酸之間通過肽鍵（-NH-CO-）連接成多肽鏈。多肽鏈之間或一條多肽鏈卷曲后相鄰的基團之間通過氫鍵、鹽鍵、酯鍵、疏水鍵、范德華引力及金屬鍵等相連接，形成蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。第一節(jié)

酶（續(xù)）一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈本身的結(jié)構(gòu)；二級結(jié)構(gòu)是由多肽鏈形成的初級空間結(jié)構(gòu)，由氫鍵維持；三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進一步彎曲盤繞形成更復雜的構(gòu)型；四級結(jié)構(gòu)是由幾個或幾十個亞基形成，亞基是由一條或幾條多肽鏈在三級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的小單位。少數(shù)酶具有四級結(jié)構(gòu)（圖）。酶蛋白結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)

酶（續(xù)）五、酶的活性中心酶的活性中心：酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并起催化作用的小部分氨基酸微區(qū)。組成酶的活性中心，可以是蛋白質(zhì)多肽鏈上不同位置的氨基酸區(qū)域?；钚灾行目煞譃榻Y(jié)合部位和催化部位。只有酶蛋白保持一定的空間構(gòu)型，酶的活性中心才能存在。如果酶蛋白發(fā)生變性，構(gòu)成酶活性中心的基團互相分開，酶與底物將無法形成結(jié)合，酶促反應也就無法進行。牛胰核糖核酸酶的活性中心第一節(jié)

酶（續(xù)）在酶（雙成分酶）的非蛋白成分上，具有催化功能的那一部分，稱為活性基，它決定著催化反應的性質(zhì)，擔負著傳遞電子、原子或化學基團的功能。單獨的酶蛋白沒有酶活性或活性很低，只有與活性基結(jié)合，才顯示出酶的高度專一性和強大催化效率。酶與底物結(jié)合的機理第一節(jié)

酶（續(xù)）六、酶的分類與命名根據(jù)不同的標準，有不同的分法：1．按照酶所催化的化學反應類型，可分為6大類，這也是國際上的標準分法，由此進行編號：（因此其順序也是很重要的）（1）氧化還原酶類（氧化還原反應）

AH2+B→A+BH2還可進一步分為氧化酶和脫氫酶。（2）轉(zhuǎn)移酶類（底物的基團轉(zhuǎn)移到另一有機物上）

A-R+B→A+B-RR可以是氨基、醛基、酮基、磷酸基等。第一節(jié)

酶（續(xù)）（3）水解酶類(大分子有機物水解)A-B+HOH→AOH+BH（4）裂解酶類（有機物裂解成小分子物質(zhì)）

AB→A+B（5）異構(gòu)酶類（同分異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化）

A→A’（6）合成酶類（底物的合成反應，需要能量）

A+B+nATP→AB+nADP+nPi第一節(jié)

酶（續(xù)）根據(jù)催化反應的性質(zhì)將酶分為六大類，在每一大類中又可分為若干亞類和亞亞類，并采取四位編號的系統(tǒng)。每種酶都有一個四位數(shù)字的號碼，每個酶用4個用圓點隔開的數(shù)字編號，編號前冠以EC（EnzymeCommission），其中第一位數(shù)代表大類；第二、三位數(shù)分別代表亞類和亞亞類，由前三位數(shù)就可確定反應的性質(zhì)；第四位數(shù)則是酶在該亞亞類中的順序。例如，L-乳酸:NAD氧化還原酶（乳酸脫氫酶）的四位編號是EC1.1.1.27。其中第一的1是指氧化還原酶大類；第二位的1是指該酶作用于底物的CHOH基，使之脫氫；第三位的1表明受氫體是NAD+，第四位的27是這個酶的序號。第一節(jié)

酶（續(xù)）2．按酶作用的部位，可分為：胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。3．按酶作用的底物的不同，可把酶分為淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核苷酶等。（屬于習慣性的分類法）4．按照酶在生物體內(nèi)存在的狀況,可分成固有酶和誘導酶：固有酶，也稱為組成酶（constitutiveenzyme），無論培養(yǎng)基中有無它們的底物，這種酶都能形成。誘導酶，也稱為適應酶（adaptiveemzyme），只有在培養(yǎng)基中存在其底物時才能形成。如在E.coli中的利用乳糖的酶就是適應酶。第一節(jié)

酶（續(xù)）誘導酶的意義：誘導酶的產(chǎn)生，是一個十分復雜的過程，與外界物質(zhì)（底物）的存在有關(guān)，也與生物體內(nèi)基因的調(diào)控有關(guān)。這種適應現(xiàn)象對生物來說是一種節(jié)約，在環(huán)境工程領(lǐng)域具有其意義。因為在環(huán)境保護領(lǐng)域，經(jīng)常會遇到一些在自然界不常見的物質(zhì)，微生物的適應能力，使對這些物質(zhì)的降解成為可能。第一節(jié)

酶（續(xù)）七、酶的活性和影響酶活力的因素一般都是根據(jù)酶的催化效果來測定酶的含量，也就是測定酶所催化的反應速度

反應速度----單位時間內(nèi)底物的消失量或產(chǎn)物的生成量。衡量酶的數(shù)量指標：

酶活力----在溫度25℃、最適pH、最適的緩沖溶液和最佳底物濃度等諸條件下，每分鐘能使1微摩爾的底物轉(zhuǎn)化的酶量為一個酶活力單位（IU或U）。

比活力----在固定條件下，每毫克酶蛋白或每毫升酶液所具有的酶活力。第一節(jié)

酶（續(xù)）酶反應機理(反應動力學)——中間產(chǎn)物學說Michaelis&Menten提出的中間反應學說：

k1k3E+SESE+Pk2米氏公式：由上述中間反應，根據(jù)質(zhì)量作用定律，導出酶促反應速度方程式：（米-門公式）：

V=VmaxS/(Km+S)[Km=(k2+k3)/k1]第一節(jié)

酶（續(xù)）米氏常數(shù)Km的含義：（1）當V=Vmax/2時，Km=S，故它是反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度；

（2）Km=(k2+k3)/k1，表示酶與底物的反應完全程度，Km越小，表明酶與底物的反應越趨于完全，Km越大，表明酶與底物的反應越不完全。對米氏公式作圖，可以看到下述關(guān)系：第一節(jié)

酶（續(xù)）米氏常數(shù)的求法：Lineweaver-Burk圖解法

1/V=1/Vmax+(Km/Vmax)(1/S)

第一節(jié)

酶（續(xù)）1．酶濃度對酶促反應的影響

酶促反應速度與酶分子濃度成正比。當?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。

第一節(jié)

酶（續(xù)）2．底物濃度對酶促反應的影響在生化反應中，若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時，酶促反應速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當所有的酶與底物結(jié)合生成ES后，即使再增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度[ES]也不會增加，酶促反應速度也不增加在底物濃度相同的條件下，酶促反應速度與酶的初始濃度成正比。酶的初始濃度大，其酶促反應速度就大。

第一節(jié)

酶（續(xù)）3．溫度對酶促反應的影響各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強，酶促反應速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，酶促反應速度可相應提高1-2倍。用溫度系數(shù)Q10來表示溫度對酶促反應的影響。Q10表示溫度每升高10℃，酶促反應速度隨之相應提高的因數(shù)。酶促反應的Q10通常在1.4-2.0之間，小于無機催化反應和一般化學反應的Q10。Q10=在（

T+10）時的反應速度/在T時的反應速度第一節(jié)

酶（續(xù)）但并不是溫度越高越好，有一個適應的范圍，一般微生物的溫度最適范圍在25~60℃。溫度的影響存在三基點：最高、最適、最低。溫度過高會破壞酶蛋白，造成變性；（約60℃）溫度過低會使酶作用降低或停止，但可以恢復。（約4℃）不同微生物的溫度適應范圍不同。第一節(jié)

酶（續(xù)）4．pH對酶促反應的影響同樣存在三基點：最高、最適、最低。酶在最適pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出活性，大于或小于最適pH，都會降低酶活性。pH對酶活力的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：（1）改變底物分子和酶分子的帶電狀態(tài)，從而影響酶和底物的結(jié)合；（2）過高、過低的pH都會影響酶的穩(wěn)定性，進而使酶遭到不可逆的破壞。

第一節(jié)

酶（續(xù)）5．激活劑對酶促反應的影響能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑種類很多，有無機陽離子、無機陰離子、有機化合物等。許多酶只有當某一種適當?shù)募せ顒┐嬖跁r，才表現(xiàn)出催化活性或強化其催化活性，這稱為對酶的激活作用。例如，金屬離子的激活作用起了某種搭橋作用，它先與酶結(jié)合，再與底物結(jié)合，形成酶-金屬-底物的復合物。而有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶稱為酶原。它必須經(jīng)過適當?shù)募せ顒┘せ詈蟛啪哂谢钚浴Ｈ缫鹊鞍酌竸偤铣蓵r，沒有活性，為胰蛋白酶原，需經(jīng)腸激酶激活后才具有活性。又如酵母磷酸葡萄糖變位酶，需1~3×10-3M的

Mg2+

進行激活，其活性可以增加6.6倍。

第一節(jié)

酶（續(xù)）6．抑制劑對酶促反應的影響能減弱、抑制甚至破壞酶活性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。抑制劑可降低酶促反應速度。酶的抑制劑有重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、氰氫酸、氟化物、碘化乙酸、生物堿、染料、對-氯汞苯甲酸、二異丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性劑等。第一節(jié)

酶（續(xù)）對酶促反應的抑制可分競爭性抑制和非競爭性抑制。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)爭先與酶的活性中心結(jié)合，從而降低酶促反應速度，這種作用稱為競爭性抑制。競爭性抑制是可逆性抑制，通過增加底物濃度最終可解除抑制，恢復酶的活性。與底物的結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)稱為競爭性抑制劑。抑制劑與酶活性中心以外的位點結(jié)合后，底物仍可與酶活性中心結(jié)合，但酶不顯示活性，這種作用稱為非競爭性抑制。非競爭性抑制是不可逆的，增加底物濃度并不能解除對酶活性的抑制。與酶活性中心以外的位點結(jié)合的抑制劑，稱為非競爭性抑制劑。有的物質(zhì)既可作一種酶的抑制劑，又可作另一種酶的激活劑。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)

新陳代謝過程：微生物從外界不斷地攝取營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過一系列的生物化學反應，轉(zhuǎn)變成細胞的組分，同時產(chǎn)生廢物并排泄到體外，這個過程稱為新陳代謝（代謝）。

新陳代謝包括同化作用（物質(zhì)合成，吸收能量）和異化作用（物質(zhì)分解，釋放能量）。兩者是相輔相成的：異化作用為同化作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量。同化作用為異化作用提供基質(zhì)。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）了解微生物的營養(yǎng)及其所需營養(yǎng)物的種類和數(shù)量，首先要了解微生物的化學組成、元素組成和生理特性。一、微生物的化學組成化學（物質(zhì)）組成：微生物體內(nèi)，70-90%為水分，10-30%為干物質(zhì)。水：各類微生物細胞內(nèi)均含有大量的水分，如細菌為75-85%、酵母菌為70-85%、霉菌為85-90%，芽孢的水分最少，僅40%，這與它的生理功能有關(guān)（抵抗不良環(huán)境）。水是生命活動不可缺少的重要物質(zhì)，它是多種物質(zhì)的良好溶劑，各種生理活動都離不開水。干物質(zhì)：其中有機物占干重的90-97%，無機物占3-10%；有機物主要是蛋白質(zhì)、糖類（碳水化合物）、核酸、脂類等，無機物則是各類元素。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）元素組成：（1）C、H、O、N：為所有生物體的有機元素。在生物體內(nèi)大量存在，占90-97%，是組成有機體的主要元素。

除此之外的元素為礦質(zhì)元素，又可分為：（2）大量元素：包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Cl等。它們與細胞結(jié)構(gòu)，物質(zhì)組成，能量轉(zhuǎn)移，原生質(zhì)膠體狀的維持等有關(guān)。（3）微量元素：包括Fe、Cu、Mn、B、Mo、Co、Si等，含量極微，但卻是不可缺少的，具有一些特殊的功能，如酶的激活等。當然，微生物的化學組成并不是絕對不變的，它往往會由于菌齡的不同和培養(yǎng)條件的改變而發(fā)生變化。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）根據(jù)微生物有機元素組成分析數(shù)據(jù)，可得到化學組成實驗式。如霉菌是C12H18O7N，它不是分子式，只是用來說明組成有機體的各種元素之間的比例關(guān)系，可供在培養(yǎng)微生物時作為提供營養(yǎng)的參考。

從實驗所得數(shù)據(jù)可以求出化學組成實驗式：重量百分比→摩爾百分比→以氮為1，求出相對比值→四舍五入，最后得到化學組成實驗式第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）二、微生物的營養(yǎng)物及營養(yǎng)類型從微生物的化學組成中，我們可以看到：微生物首先需要大量的水分；需要較多地供給構(gòu)成有機物碳架和含氮物質(zhì)的碳元素和氮元素；另外，還需要一些含P、Mg、K、Ca、Na、S等的鹽類，及微量的Fe、Cu、Zn、Mn等元素。因此，除了某些特殊要求的微生物外，培養(yǎng)一般微生物必須提供上述這些營養(yǎng)物質(zhì)，微生物才能正常地生長繁殖。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）（一）微生物需要的營養(yǎng)物質(zhì)．

1.水水是微生物機體的組成部分，同時又是微生物代謝過程中必不可少的。它的作用體現(xiàn)在兩方面，一是有助于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用（先溶解于水）；二是保證各種生化反應的進行（須在水溶液中進行）。

2.碳源和能源

凡能供給微生物碳素營養(yǎng)的物質(zhì)，稱為碳源。碳源的主要作用:是構(gòu)成微生物細胞的含碳物質(zhì)(碳架)和供給微生物生長、繁殖及運動所需要的能量。充當碳源的物質(zhì)，往往同時又是能量的提供者（自然界中含碳的有機物，一般都含有較高的能量，在被分解時能釋放出來，為微生物所利用）。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）從簡單的無機碳化合物到復雜的有機含碳化合物，都可作為碳源。例如，糖類、脂肪、氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪酸、丙酮酸、檸檬酸、淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素，醇類、醛類、烷烴類、芳香族化合物(如酚、萘、菲及蒽等)、氰化物(如氰化鉀、氰氫酸和丙烯腈)，各種低濃度的染料等。少數(shù)微生物還能以CO2或CO32-中的碳素為唯一的或主要/的碳源?？梢?，自然界蘊藏著豐富的碳源。不同微生物對碳源的需求不盡相同，微生物最好的碳源是糖類，尤其是葡萄糖、蔗糖，它們最易被微生物吸收和利用。許多碳源可同時作能源。

微生物細胞中的碳素含量相當高，占干物質(zhì)質(zhì)量的50%左右?？梢?，微生物對碳素的需求量最大。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）3.氮源凡是能夠供給微生物氮素營養(yǎng)的物質(zhì)稱為氮源。氮源有N2、NH3、尿素、硫酸銨、硝酸銨、硝酸鉀、硝酸鈉、氨基酸和蛋白質(zhì)等。氮源的作用是提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料（一般不充當能源）。根據(jù)對氮源要求的不同，將微生物分為4類：

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）

（1）固氮微生物這類微生物能利用空氣中的氮分子(N2)合成自身的氨基酸和蛋白質(zhì)。如固氮菌、根瘤菌和固氮藍藻。

（2）利用無機氮作為氮源的微生物

能利用氨(NH3)、銨鹽(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2-)、硝酸鹽(NO3-)的微生物有亞硝化細菌、硝化細菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌、銅綠色假單胞菌、放線菌、霉菌、酵母菌及藻類等。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）（3）需要某種氨基酸作為氮源的微生物這類微生物叫氨基酸異養(yǎng)微生物。如乳酸細菌、丙酸細菌等。它們不能利用簡單的無機氮化物合成蛋白質(zhì)，而必須供給某些現(xiàn)成的氨基酸才能生長繁殖。（4）從分解蛋白質(zhì)中取得銨鹽或氨基酸的微生物

這類微生物如氨化細菌、霉菌、酵母菌及一些腐敗細菌，它們都有分解蛋白質(zhì)的能力，產(chǎn)生NH3、氨基酸和肽，進而合成細胞蛋白質(zhì)。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）4.無機鹽

無機鹽的生理功能包括（1）構(gòu)成細胞組分；（2）構(gòu)成酶的組分和維持酶的活性；（3）調(diào)節(jié)滲透壓、氫離子濃度、氧化還原電位等；（4）供給自養(yǎng)微生物能源。

微生物需要的無機鹽有磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽。這無機鹽中含有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等元素，其中，微生物對磷和硫的需求量最大。此外，微生物還需要鋅、錳、鈷、鉑、銅、硼、釩、鎳等微量元素。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）5.生長因子（因素）

指一些微生物維持正常生活所必需而需要量又不大的特殊營養(yǎng)物。包括：維生素，氨基酸，嘌呤、嘧啶等類物質(zhì)。各種微生物對生長因素的要求不同。很多異養(yǎng)微生物及自養(yǎng)微生物具有合成生長因子的能力，所以，它們可以不必從外界環(huán)境中獲取現(xiàn)成的生長因子，因為它們可以自己合成本身所需要的生長因子。但對有些微生物，自己不能合成時，則必需供給生長因子，方能生長繁殖。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）每種生物由于其合成能力不同，對生長因子的需求也不同。在20種氨基酸中，有8種是人體不能合成的，必須從外界來獲得，稱為必需氨基酸：Ile（異亮氨酸）Leu（亮氨酸）

Lys（賴氨酸）

Met（蛋氨酸）

Phe（苯丙氨酸）Thr（蘇氨酸)Trp（色氨酸）

Val（纈氨酸）

另外His（組氨酸）被稱為半必需氨基酸。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）(二)微生物的營養(yǎng)類型1.光能微生物和化能微生物

光能型微生物：體內(nèi)含有光合色素，能進行光合作用，得到能源；

化能型微生物：不具色素，不能進行光合作用。能氧化化合物，從中獲得能量。

2.無機營養(yǎng)微生物和有機營養(yǎng)微生物

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）根據(jù)微生物對各種碳素營養(yǎng)物的同化能力的不同，可把微生物分為無機營養(yǎng)微生物和有機營養(yǎng)微生物兩種。無機營養(yǎng)也稱為無機自養(yǎng)。這一類型的微生物具有完備的酶系統(tǒng)，合成有機物的能力強，CO2、CO和CO32-中的碳素為其唯一的碳源，能利用光能或化學能在細胞內(nèi)合成復雜的有機物，以構(gòu)成自身的細胞成分。而不需要外界供給現(xiàn)成的有機碳化合物。因此，這類微生物又稱自養(yǎng)型微生物。凡是有光合色素的微生物，例如藻類、光合細菌及原生動物中的植物性鞭毛蟲，均屬于無機營養(yǎng)微生物。第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）自養(yǎng)型微生物又分為光能自養(yǎng)型微生物和化能自養(yǎng)型微生物。光能自養(yǎng)微生物：它們利用陽光(或燈光)作為能源，依靠體內(nèi)的光合色素，進行光合作用；化能自養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物不具有光合色素，不能進行光合作用。合成有機物所需的能量來自于它們氧化S、H2S、H2、NH3、Fe等時，通過氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP。CO2是化能自養(yǎng)微生物的唯一碳源。化能自養(yǎng)微生物有亞硝化細菌、硝化細菌、好氧的硫細菌(硫化細菌和硫磺細菌)及鐵細菌。

自養(yǎng)微生物有嚴格自養(yǎng)微生物和兼性自養(yǎng)微生物兩種。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）有機營養(yǎng)微生物也稱為異養(yǎng)微生物。這類微生物具有的酶系統(tǒng)不如自養(yǎng)微生物完備，它們只能利用有機碳化合物作為碳素營養(yǎng)和能量來源。糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、有機酸、醇、醛、酮及碳氫化合物、芳香族化合物等都可作為異養(yǎng)微生物的碳素營養(yǎng)。異養(yǎng)微生物有腐生性和寄生性兩種，前者占大多數(shù)。大部分細菌、放線菌、酵母菌、霉菌、病毒等屬于有機營養(yǎng)微生物。

異養(yǎng)微生物又分為光能異養(yǎng)微生物和化能異養(yǎng)微生物。光能異養(yǎng)微生物是以光為能源，以有機物為供氫體，還原CO2，合成有機物的一類厭氧微生物，也稱為有機光合細菌?；墚愷B(yǎng)微生物是一群依靠氧化有機物產(chǎn)生化學能而獲得能量的微生物。它們包括絕大多數(shù)的細菌、放線菌及全部的真菌。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）3.混合營養(yǎng)微生物混合營養(yǎng)微生物是既可以利用無機碳(CO2、CO32-等)作為碳素營養(yǎng)，又可以利用有機碳化合物作為碳素營養(yǎng)，即為兼性自養(yǎng)微生物。例如，氫細菌屬、貝日阿托氏菌屬、發(fā)硫菌屬、亮發(fā)菌屬、新型硫桿菌、反硝化硫桿菌，上述細菌既可以S、H2S為能源，也能以低濃度的乙酸鈉、琥珀酸及葡萄糖為能源和碳源。據(jù)報導，硝化細菌的某些株能以乙酸為碳源。微生物往往首先利用現(xiàn)成的容易被吸收利用的有機物質(zhì)。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）微生物營養(yǎng)類型總結(jié)（根據(jù)碳源和能源的不同）：能源碳源例光能自養(yǎng)型光CO2

藻類化能自養(yǎng)型無機物

CO2硝化細菌

光能異養(yǎng)型光

有機物光合細菌化能異養(yǎng)型有機物有機物大多數(shù)細菌等第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）三、碳氮磷比水、碳源、氮源、無機鹽及生長因子為微生物共同需要的物質(zhì)。由于不同微生物細胞的元素組成比例不同，對各營養(yǎng)元素的比例要求也不同。在實際中，主要是指碳氮比（或碳氮磷比）。如根瘤菌要求碳氮比為11.5:1，霉菌為9:1。在廢水處理中，活性污泥中好氧微生物要求碳氮磷比為BOD5:N:P=100:5:1。為了保證生物處理效果，要按碳氮磷比配給營養(yǎng)。有時某種營養(yǎng)缺乏，應供給或補足。但也不可盲目添加，否則會導致反馴化。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）四、微生物的培養(yǎng)基培養(yǎng)基：根據(jù)微生物的營養(yǎng)要求，將各種營養(yǎng)物質(zhì)按一定比例配制而成，用以培養(yǎng)微生物的基質(zhì)。

在培養(yǎng)基中，應該含有微生物生長繁殖必需的營養(yǎng)條件，并且濃度比例等合適。不同微生物的要求不同。不同的培養(yǎng)目的，所要求的營養(yǎng)物質(zhì)也不同。配制原則：（1）要根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制；（2）要注意各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度、比例；（3）要調(diào)節(jié)適宜的pH值；（4）要根據(jù)培養(yǎng)目的選擇培養(yǎng)基。此外還要注意經(jīng)濟實用的原則。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）培養(yǎng)基組成物的性質(zhì)：合成培養(yǎng)基（無機化合物，各成分均已知）；天然培養(yǎng)基（用天然物質(zhì)配制）；復合培養(yǎng)基（天然有機物和無機物配制而成）。培養(yǎng)基的狀態(tài)：液體培養(yǎng)基（不加凝固劑）；固體培養(yǎng)基（加1.5-3.0%的瓊脂）；半固體培養(yǎng)基（0.3-0.5%的瓊脂）。在實驗室里，固體培養(yǎng)基常常被做成平板和斜面的形式。適合于不同的培養(yǎng)方式。第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）培養(yǎng)基實例：肉湯培養(yǎng)基（用于培養(yǎng)細菌的基礎(chǔ)培養(yǎng)基)牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCL5g，水1000ml，Ph7.0-7.2。若是固體培養(yǎng)基，則加入瓊脂

15g-30g水生4號培養(yǎng)基（用于藻類的培養(yǎng)）Ca(H2PO4)2

·H2O+2(CuSO4·7H2O)0.03g(NH4)2SO40.2gMgSO4·7H2O0.08gNaHCO30.1gKCl0.025gFeCl3(1%)0.15ml水

1000ml土壤浸出液

0.5ml斜面第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）五、培養(yǎng)基的類別根據(jù)實驗目的和用途的不同，培養(yǎng)基可分為：

1．基礎(chǔ)培養(yǎng)基

適用于大多數(shù)微生物。2．選擇培養(yǎng)基

抑制某些微生物生長并使需要的微生物生長繁殖。3．鑒別培養(yǎng)基

不同的微生物出現(xiàn)不同的特征。4．加富（富集）培養(yǎng)基

促使某些微生物快速生長。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）六、營養(yǎng)物質(zhì)進入微生物細胞的方式（跨膜運輸）微生物沒有專門的攝食器官或細胞器（原生動物、微型后生動物除外）。各種營養(yǎng)物質(zhì)需要通過細胞質(zhì)膜而進入細胞。營養(yǎng)物質(zhì)各種各樣，進入細胞的方式也不盡相同。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）1．單純擴散物理過程，從高濃度到低濃度，非特異性的，擴散速度慢，不消耗能量。如：水溶性的溶質(zhì)分子，水、無機鹽、O2、CO2等。2．促進（成）擴散在細胞質(zhì)膜上有特異性的蛋白質(zhì)（載體蛋白或滲透酶），通過滲透酶的作用攜帶某種特定的營養(yǎng)物通過細胞質(zhì)膜而進入細胞內(nèi)。特異性的，依靠擴散梯度驅(qū)動，也不消耗能量。如：紅細胞和酵母菌中糖的運輸；大腸桿菌中乳糖的運輸。前二種方式是被動運輸方式。

第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)（續(xù)）3．主動運輸逆濃度梯度的運輸，需要滲透酶（改變平衡點）和消耗能量。能量由ATP提供。如：氨基酸、糖、Na+、K+等。4．基團轉(zhuǎn)位也是一種主動運輸方式，存在于某些原核生物中，在細菌中廣泛存在的一個例子是磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，營養(yǎng)物質(zhì)通過在運輸過程中被磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)磷酸化而進入細胞內(nèi)，也需要能量和特異性的酶。如：糖、嘌呤、嘧啶、乙酸等物質(zhì)。

被動運輸和主動運輸?shù)谌?jié)

微生物的產(chǎn)能代謝一、產(chǎn)能代謝與生物氧化（呼吸作用）的關(guān)系生物氧化的概念:發(fā)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應的總稱。生物氧化（呼吸作用）的本質(zhì)——氧化還原作用的統(tǒng)一過程。這過程中有能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移。微生物的生物氧化有三類：發(fā)酵、好氧呼吸和無氧呼吸。無論是哪一種類型，其本質(zhì)都是氧化還原反應，即在化學反應中一種物質(zhì)失去電子而被氧化，另一種物質(zhì)得到電子而被還原，微生物從中獲得生命活動需要的能量。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）生物氧化還原過程不同于一般的化學氧化還原過程，有以下幾個差別：在酶的作用下，常溫常壓的溫和條件；復雜有機物被氧化成二氧化碳、水和其他簡單的物質(zhì)；產(chǎn)生能量供給生物（合成、生命活動、熱能）；多步反應，產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物；同時吸收和同化各種營養(yǎng)物質(zhì)。

生物能量的轉(zhuǎn)移中心——ATP在微生物的生物氧化過程中，底物的氧化分解產(chǎn)生能量；同時，微生物將能量用于細胞組分的合成。在這兩者之間存在能量轉(zhuǎn)移的中心，即ATP。ATP是在發(fā)酵、好氧呼吸及無氧呼吸中生成的。微生物（包括各種生物）的能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移都是通過ATP進行的。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）ATP生成的有三種方式：1．基質(zhì)(底物)水平磷酸化

微生物在基質(zhì)氧化過程中，產(chǎn)生一種含高自由能的中間體，如發(fā)酵中產(chǎn)生含高能健的1，3-二磷酸甘油酸。這一中間體將高能鍵(~)交給ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。2．氧化磷酸化

微生物在在氧化底物后產(chǎn)生的電子，通過電子傳遞體系傳遞并產(chǎn)生ATP的過程叫氧化磷酸化。3．光合磷酸化

光引起葉綠素、菌綠素或菌紫素逐出電子，通過電子傳遞產(chǎn)生ATP的過程叫光合磷酸化。產(chǎn)氧光合生物包括藻類和藍細菌，它們依靠葉綠素通過非環(huán)式的光合磷酸化合成ATP。不產(chǎn)氧的光合細菌則通過環(huán)式光合磷酸化合成ATP。第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）ATP中的能量，通過與ADP的轉(zhuǎn)換吸收或釋放：ADP+Pi→ATP

和AMP+2Pi→ATP由反應式可知：ADP是能量的載體，ATP是能量庫。ATP含高能磷酸鍵，它水解釋放出高能鍵，每一個高能鍵含31.4KJ的能量。

ATP只是一種短期的貯能物質(zhì)。若要長期貯能，還需轉(zhuǎn)換形式。如果有過剩的ATP，大多數(shù)微生物會將其能量轉(zhuǎn)化到儲能物中去，如PHB(聚β-烴基丁酸)、異染粒、淀粉、肝糖、糖原及硫粒等，以備缺乏營養(yǎng)和能源時用。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）二、生物氧化的類型在微生物體系中，能量的釋放、ATP的生成都是通過生物氧化實現(xiàn)的。根據(jù)最終電子受體（或最終受氫體），可劃分為3種類型：發(fā)酵--以分解過程中的中間代謝產(chǎn)物(低分子有機物)為最終電子受體好氧呼吸--以O(shè)2為最終電子受體無氧呼吸--以除O2外的無機化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作為最終電子受體第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）1．發(fā)酵在無外在電子受體時，微生物氧化一些有機物。有機物僅發(fā)生部分氧化，以它的中間代謝產(chǎn)物(即分子內(nèi)的低分子有機物)為最終電子受體，釋放少量能量，其余的能量保留在最終產(chǎn)物中。以葡萄糖的酵解為例，葡萄糖的逐步分解稱糖酵解(即EMP途徑或E-M途徑)。糖酵解幾乎是所有具有細胞結(jié)構(gòu)的生物所共有的主要代謝途徑。

以葡萄糖的乙醇發(fā)酵為例，可分為兩大步：（1）不涉及氧化還原反應的預備性反應：葡萄糖（C6H12O6）→→→3-磷酸甘油醛；（2）有氧化還原的反應：→→丙酮酸（CH3COCOOH）→乙醛（CH3CHO）（二氧化碳）→乙醇（CH3CH2OH）。通過底物磷酸化，得到ATP。1mol的葡萄糖，可以得到2mol的ATP、2mol的乙醇和2mol的二氧化碳。

（圖）第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）乙醇發(fā)酵的能量利用效率為：2×31.4/238.3=26%。從丙酮酸開始，通過各種微生物不同的發(fā)酵作用，產(chǎn)生各種不同的產(chǎn)物。如：混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、丙酸發(fā)酵等等。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）表不同的發(fā)酵類型及其有關(guān)微生物發(fā)酵類型

產(chǎn)物

微生物乙醇發(fā)酵

乙醇、CO2

酵母菌屬（Saccharomyces）乳酸同型發(fā)酵

乳酸

乳酸細菌屬（Lactobacillus）乳酸異型發(fā)酵

乳酸、乙醇、乙酸、CO2

明串球菌屬（Leuconostoc）混合酸發(fā)酵

乳酸、乙酸、乙醇、甲酸

大腸埃希氏桿菌

、CO2、H2

（Escherichiacoli）丁二醇發(fā)酵

丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、

氣桿菌屬

CO2、H2

（Aerobacter）丁酸發(fā)酵

丁酸、乙酸、CO2、H2

丁酸梭菌(Clostridiumbutylicum)丙酮-丁醇發(fā)酵

丁醇、丙酮、乙醇

丙酮丁醇梭菌屬（Clostridium）

丙酸發(fā)酵

丙酸

丙酸桿菌屬（Propionibacterium）第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）2．好氧呼吸在分子氧存在的條件下，以O(shè)2為最終電子受體，底物被全部氧化成CO2和H2O，并產(chǎn)生ATP。底物氧化釋放的電子首先轉(zhuǎn)移給NAD，使之成為NADH2，然后再轉(zhuǎn)移給電子傳遞體系，最終到達分子氧O2。好氧呼吸能否進行，取決于O2的體積分數(shù)能否達到0.2%（為大氣中O2的體積分數(shù)21%的1%）。O2的體積分數(shù)低于0.2%，好氧呼吸不能發(fā)生。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）以葡萄糖為例，葡萄糖的氧化分解分兩階段：（1）經(jīng)EMP途徑，形成中間產(chǎn)物——丙酮酸。

C6H12O6→→→2CH3COCOOH。產(chǎn)生2NADH2和4ATP，并消耗2ATP。

此步同在發(fā)酵中的過程。（2）丙酮酸的有氧分解，經(jīng)過三羧酸（TCA）循環(huán)得到分解。丙酮酸→乙酰輔酶A和1mol的NADH2，然后進入TCA循環(huán)，被徹底氧化分解，產(chǎn)生NADH2和CO2等。

第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）呼吸鏈：有氧呼吸中傳遞電子的一系列偶聯(lián)反應，由NAD或NADP、FAD或FMN、輔酶Q、細胞色素等組成。其功能是傳遞電子和產(chǎn)生ATP。其在細胞中的位置：真核細胞是線粒體，原核細胞是細胞質(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）電子傳遞體系（呼吸鏈）電子傳遞體系的電位和ATP的產(chǎn)生第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）能量的平衡：1份葡萄糖，轉(zhuǎn)化成2丙酮酸時，產(chǎn)生2NADH2和4ATP（底物磷酸化），并消耗2ATP；1mol的丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)，生成4molNADH2、1molFADH2(黃素腺嘌呤二核苷酸)

、1molGTP(鳥嘌呤三核苷酸，，隨后轉(zhuǎn)化成1mol的ATP)。通過呼吸鏈，1molNADH2產(chǎn)生3mol的ATP，1molFADH2產(chǎn)生2mol的ATP。最后得到的能量：（4×3+1×2+1）×2+2×3+4-2=38（mol）ATP。

釋放的總能量約2876KJ，能量利用效率為31.4×38/2876=42%。其余的能量變成熱能耗散。這個效率是高的，所以好氧呼吸氧化徹底，能量利用效率高?？偡磻^程：C6H12O6+6O2

→6CO2+6H2O+38ATP第三節(jié)

微生物的產(chǎn)能代謝（續(xù)）3．無氧呼吸(分子外的無氧呼吸)

在電子傳遞體系中，氧化NADH2時的最終電子受體不是氧氣，而是除O2外的無機化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。無氧呼吸的氧化底物一般為有機物