第04章培养基

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1、第四章 微生物的生理五、微生物的培养基五、微生物的培养基培养基是人工根据微生物得营养要求，将培养基是人工根据微生物得营养要求，将水、碳源、水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等物质按照一定得比例氮源、无机盐、生长因子等物质按照一定得比例配制配制的，用以培养微生物（生长繁殖或产生代谢产物）的的，用以培养微生物（生长繁殖或产生代谢产物）的营养基质。营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该为微生物生长提供五大营养要素。养基都应该为微生物生长提供五大营养要素。(一一)、配置培养基的顺序和原则、配置培养基的顺序和原则

2、目的明确目的明确营养协调营养协调理化条件适宜理化条件适宜经济节约经济节约2.配置培养基的原则配置培养基的原则1.配置培养基的顺序配置培养基的顺序烧杯加水烧杯加水 依次加入营养物质依次加入营养物质各成分的顺序：各成分的顺序：1).缓冲化合物；缓冲化合物；2).无机元素；无机元素；3).微量元素；微量元素；4).生长因子。最后调节生长因子。最后调节pH。无菌无菌3).3).营养协调营养协调培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能度过低时不能满足满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物正常生长所需，浓度过高时

3、则可能对微生物生长起抑制作用。微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/NC/N）的影响较大。）的影响较大。2).2).目的明确目的明确根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。1).1).无菌无菌例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比

4、为少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。谷氨酸产量则大量增加。培养基的培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：通常培养条件：细菌与放线菌：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长范围内生长为了维持培养基为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，如缓冲剂，如K2HPO4、(NH4)2SO4、碳酸盐或在进行工碳酸盐或在进行工业发酵时补加酸

5、、碱。业发酵时补加酸、碱。有些缓冲剂既可调节有些缓冲剂既可调节pH也是营养物质。也是营养物质。4).理化条件适宜理化条件适宜 pH(二二) 、培养基的类型及应用、培养基的类型及应用培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型。养基分成多种类型。按成分不同划按成分不同划分分牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏蛋白胨培养基麦芽汁培养基麦芽汁培养基动植物蛋白（大豆或动物骨动植物蛋白（大豆或动物骨粉等）经初步酶解形成的短肽（粉等）经初步酶解形成的短肽（主要作氮源主要作氮源）化学成分完全了解的物质配制而成的培化学成分完全了解的物质配制而成的培养基养

6、基优点优点很多细菌营养需求较为复杂，天然培养基天然培养基合成培养基合成培养基复合培养基复合培养基无机物无机物+ +有机物有机物按物理状态不同划按物理状态不同划分分在液体培养基中加入一定量凝固在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为量一般为1.5%1.5%3.0%3.0%琼脂含量一般为琼脂含量一般为0.3%0.5%不加任何不加任何凝固剂凝固剂液体培养基液体培养基固体培养基固体培养基半固体培养基半固体培养基固体培养基常用来进行微生物的分固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏离、鉴定、活菌计数及菌种保藏 观察微生物的运动特征、分

7、类鉴观察微生物的运动特征、分类鉴定定大规模工业生产及在实验室进行大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的微生物的基础理论和应用方面的研究研究 ； 不作为额外碳源，干不作为额外碳源，干扰试验，扰试验，且；易于纯化分离易于纯化分离用来将某种或某类微生物从混杂的用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基微生物群体中分离出来的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基在基础培养基中加入某些特殊营养在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基物质制成的一类营养丰富的培养基基础培养基基础培养基鉴别培养基鉴别培养基选择培养基选择培养基加

8、富培养基加富培养基按用途不同划按用途不同划分分牛肉膏蛋白胨培养基是最常牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基用的基础培养基选择培养基选择培养基：利用微生物对某些物质的敏感程度不同，在培养基中加入利用微生物对某些物质的敏感程度不同，在培养基中加入一些敏感物质，这样就可以利用这些物质来抑制非目的性一些敏感物质，这样就可以利用这些物质来抑制非目的性微生物的生长，从而使得所需的微生物大量繁殖。微生物的生长，从而使得所需的微生物大量繁殖。n常用物质为染料、胆汁常用物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生素。碱和抗生素。n例如欲分离古细菌，培例如欲分离古细菌，培养基中通常加入青霉素

9、，养基中通常加入青霉素，古细菌就唯一分离并存古细菌就唯一分离并存活下来。活下来。n胆汁酸盐胆汁酸盐抑制革抑制革兰氏阳性菌兰氏阳性菌n能选择性生长革兰氏能选择性生长革兰氏阴性细菌阴性细菌n好好营养、环境因子营养、环境因子n（1）专一性营养源培养法）专一性营养源培养法n待选细菌专门需要的某种碳源或氮源待选细菌专门需要的某种碳源或氮源n例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养基中的唯一碳源基中的唯一碳源.n各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通常是以这类有机物为培养基中的唯一碳源，常是以这类有机物为培养基中的唯一碳源，将目的细

10、菌富集筛选下来。将目的细菌富集筛选下来。n（2）理化因素控制法）理化因素控制法n理化因素理化因素特殊的温度、氧气、特殊的温度、氧气、pH、盐度等环境条件盐度等环境条件n主要用于筛选极端环境微生物。主要用于筛选极端环境微生物。如嗜盐、如嗜盐、嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等的细菌，同嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等的细菌，同时也被用于选择性培养好氧或厌氧细菌。时也被用于选择性培养好氧或厌氧细菌。鉴别培养基：鉴别培养基：利用几种细菌对某一物质的分解能力不同，借助指示剂利用几种细菌对某一物质的分解能力不同，借助指示剂的显色不同进行菌种鉴别和区分的培养基。的显色不同进行菌种鉴别和区分的培养基。水处理中常用的水处理中常

11、用的就是典型大肠菌就是典型大肠菌群内不同种属细菌的鉴别培养基：群内不同种属细菌的鉴别培养基：大肠杆菌中的大肠埃希大肠杆菌中的大肠埃希氏菌、柠檬酸盐杆菌、克雷伯氏菌、产气杆菌四个，对乳糖的分解能氏菌、柠檬酸盐杆菌、克雷伯氏菌、产气杆菌四个，对乳糖的分解能力不同。力不同。其中大肠埃希氏菌最强，菌落呈紫红色且带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，其中大肠埃希氏菌最强，菌落呈紫红色且带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，菌落呈紫红色或深红色；产气杆菌最低，菌落呈淡红色。菌落呈紫红色或深红色；产气杆菌最低，菌落呈淡红色。EMB培养基n化能自养菌化能自养菌氧化硫杆菌氧化硫杆菌的培养基n粉末状硫 10g KH2PO4 4g

12、 MgSO4 0.5gn CaCl2 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01gn 水 1000mL（自来水即可）（自来水即可） 提问：提问：空气中的空气中的CO2n异养细菌的培养基异养细菌的培养基中至少有一种有机物，中至少有一种有机物，实验室中通常是葡萄糖实验室中通常是葡萄糖 n如一种大肠杆菌培养基如一种大肠杆菌培养基n葡萄糖葡萄糖 0.5g K2HPO4 1g MgSO4 0.2g NaCl 5g NH4H2PO4 0.4g 水水 1000mLn 有机、无机营养物维生素及其他生长因子微量元素缓冲化合物10%Na0H、 HCl调整pH分装高压蒸气灭菌锅冷却备用n天然天然培

13、养基、合成合成培养基和半合成半合成培养基。n1）合成）合成n合成合成纯化学试剂纯化学试剂n2）天然）天然n天然天然？n纯生物制品(细胞提取物)n如，常用的细菌肉汤培养基细菌肉汤培养基n牛肉膏 3g 蛋白胨 5gn水 1000mL pH 7.27.4n牛肉膏牛肉膏瘦牛肉经过加热瘦牛肉经过加热浓缩抽提的膏状物浓缩抽提的膏状物（主要作碳源） 优点优点很多细菌营养需求较为复杂，六、营养物质进入细胞的方式六、营养物质进入细胞的方式n对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说，营养对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说，营养物质通过细胞膜进入细胞的问题，是一个较复杂物质通过细胞膜进入细胞的问题，是一个较复杂又很重

14、要的生理学问题。又很重要的生理学问题。n细胞壁在营养物质运送上不起多大作用，仅简单细胞壁在营养物质运送上不起多大作用，仅简单地排阻分子量过大（地排阻分子量过大（600Da600Da）的溶质的进入，细）的溶质的进入，细胞膜则是控制营养物进入和代谢产物排出的主要胞膜则是控制营养物进入和代谢产物排出的主要屏障。屏障。n细胞膜以四种方式控制物质的运送，即单纯扩散细胞膜以四种方式控制物质的运送，即单纯扩散（被动扩散）、促进扩散、主动运送和基团移位（被动扩散）、促进扩散、主动运送和基团移位（基团转位），其中尤以主动运送为最重要。（基团转位），其中尤以主动运送为最重要。1 1单纯扩散单纯扩散 蛋蛋 白白 质

15、质 小小 孔孔 细细 胞胞 外外 细细 胞胞 膜膜 细细 胞胞 内内被动扩散被动扩散?YorN?2 2促进扩散促进扩散 促进扩散n促进促进载体蛋白协助载体蛋白协助 载体蛋白 细胞外细胞外 | 细胞膜细胞膜 | 细胞内细胞内?YorN?3 3主动运输主动运输主动运输n运输运输载体蛋白n主动主动逆浓度梯度方向逆浓度梯度方向 载载体蛋白体蛋白 细胞外细胞外 | 细胞膜细胞膜 | 细胞内细胞内 ?YorN?4 4基团转位基团转位n提问：磷酸化的益处？提问：磷酸化的益处？n（一）直接完成代谢前活化（一）直接完成代谢前活化n（二）防止营养物从细胞内流失；（二）防止营养物从细胞内流失；n（三）保持营养物在细

16、胞内的低浓度（三）保持营养物在细胞内的低浓度 ?YorN?视情况，以能量最省选择方式视情况，以能量最省选择方式比较项目比较项目 单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输 基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白 无无有有有有有有运送速度运送速度 慢慢快快快快快快溶质运送方向溶质运送方向 由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓能量消耗能量消耗 不需要不需要不需要不需要需要需要需要需要运送前后溶质运送前后溶质分子状态分子状态 不变不变 不变不变不变不变改变改变运送对象举例运送对象举例 水、水、O2 糖、糖、SO42-氨基酸、氨基酸、乳糖乳糖糖、嘌呤糖、嘌呤四种运输

17、方式比较四种运输方式比较第三节第三节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢同化同化作用作用新陈代谢新陈代谢异化异化作用作用吸收能量，进行合成代谢，将吸收的营养物吸收能量，进行合成代谢，将吸收的营养物质转变为细胞物质。又称合成代谢。质转变为细胞物质。又称合成代谢。产生能量产生能量需要能量需要能量分解反应，放出能量，将自身细胞物质分解反应，放出能量，将自身细胞物质和细胞内的营养物质分解的过程。又称和细胞内的营养物质分解的过程。又称分解代谢。分解代谢。微生物的产能代谢主要讨论的是微生物的分解代谢。微生物的产能代谢主要讨论的是微生物的分解代谢。一、产能代谢与呼吸的关系一、产能代谢与呼吸的关系呼吸本质：氧化

18、还原的统一过程。其中有能量呼吸本质：氧化还原的统一过程。其中有能量的产生与转移。的产生与转移。呼吸类型：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸呼吸类型：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸在呼吸过程中，都会发生电子转移。提供电子在呼吸过程中，都会发生电子转移。提供电子的物质被氧化，接受电子的物质被还原。的物质被氧化，接受电子的物质被还原。所谓的产能代谢就是通过三种呼吸来实现的。所谓的产能代谢就是通过三种呼吸来实现的。一、产能代谢与呼吸的关系一、产能代谢与呼吸的关系微生物产能种类：微生物产能种类：1.1.电能：电子转移产生的能量；电能：电子转移产生的能量；2.2.化学能：物质反应（氧化）过程中释放的能量；化学能：物质反应

19、（氧化）过程中释放的能量；3.3.机械能：鞭毛运动、细胞质流动等产生的能量；机械能：鞭毛运动、细胞质流动等产生的能量；4.4.光能：发光菌产生的能量。光能：发光菌产生的能量。这些能量有的被用于生化反应，有的以热量的形式散这些能量有的被用于生化反应，有的以热量的形式散发，有的被贮存在发，有的被贮存在ATPATP中。中。一、产能代谢与呼吸的关系一、产能代谢与呼吸的关系ATPATP生物能量转移中心生物能量转移中心物质氧化放出能量物质氧化放出能量 细胞合成需要能量细胞合成需要能量ATP是在发酵、好氧呼吸、无氧呼吸中形成。具体方式：是在发酵、好氧呼吸、无氧呼吸中形成。具体方式：1.1.底物水平磷酸化底物

20、水平磷酸化厌氧微生物或兼性微生物的底物被氧化，会产生厌氧微生物或兼性微生物的底物被氧化，会产生高能中间体，并把高能键（）交给高能中间体，并把高能键（）交给ADPADP，从而形，从而形成成ATPATP。2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化好氧微生物呼吸，通过电子传递体系形成好氧微生物呼吸，通过电子传递体系形成ATPATP。3.3.光合磷酸化光合磷酸化光可引发叶绿素、菌绿素等放出电子，电子在被光可引发叶绿素、菌绿素等放出电子，电子在被传递过程中形成传递过程中形成ATPATP。ATPATP含有高能磷酸键（含有高能磷酸键（31.4KJ31.4KJ），但仅是能量的），但仅是能量的暂时贮存物质，如果能量确实过剩，

21、不能用暂时贮存物质，如果能量确实过剩，不能用ATPATP，而用其他内含颗粒来长期贮存。而用其他内含颗粒来长期贮存。二、呼吸类型二、呼吸类型根据最终电子受体可将微生物呼吸分为：发酵、根据最终电子受体可将微生物呼吸分为：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸三种。好氧呼吸、无氧呼吸三种。1.1.发酵发酵这个过程，能量有少量释放，多数仍保留在产物中。这个过程，能量有少量释放，多数仍保留在产物中。以葡萄糖为例，酵解发酵。以葡萄糖为例，酵解发酵。葡萄糖被分解的过程称为糖酵解过程葡萄糖被分解的过程称为糖酵解过程，也称EMP途径或E-M途径。糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径。糖酵解几乎是所有具有细胞

22、结构的生物所共有的主要代谢途径。糖酵解分为两大步骤：糖酵解分为两大步骤：（1 1）预备反应，不发生氧化还原反应。产物是）预备反应，不发生氧化还原反应。产物是3 3磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。（2 2）氧化还原反应，产生）氧化还原反应，产生ATPATP，产物为丙酮酸，进一步发酵可产，产物为丙酮酸，进一步发酵可产生乙醇和生乙醇和COCO2 2。整个过程，整个过程，1mol1mol葡萄糖转变成葡萄糖转变成2molATP2molATP，2mol2mol乙醇，乙醇， 2mol2mol水，水， 2molCO2molCO2 ，即产生能量即产生能量2 231.4KJ31.4KJ62.8KJ62.8KJ。产能率为。

23、产能率为62.8/238.362.8/238.32626丙酮酸是微生物糖酵解的必然产物，如果进一步发丙酮酸是微生物糖酵解的必然产物，如果进一步发酵，可形成多种产物。因此，有可将发酵分为很多酵，可形成多种产物。因此，有可将发酵分为很多类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸发酵是多数大肠杆菌的特征。发酵是多数大肠杆菌的特征。人们利用人们利用V.PV.P试验进行大肠埃希氏杆菌和产气杆菌试验进行大肠埃希氏杆菌和产气杆菌的区分。的区分。大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、COCO2 2等。产气杆菌也能进

24、行混合酸发酵，丙酮酸经等。产气杆菌也能进行混合酸发酵，丙酮酸经过缩合、脱羧后形成乙酰甲基醇，可在碱性条件下过缩合、脱羧后形成乙酰甲基醇，可在碱性条件下被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反应形成红色化合物。称为阳性反精氨酸所含胍基反应形成红色化合物。称为阳性反应。应。另外，还可以用甲基红试验进行区别。另外，还可以用甲基红试验进行区别。产气杆菌在混合酸发酵时会产生中性的乙酰甲基醇，产气杆菌在混合酸发酵时会产生中性的乙酰甲基醇，但大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵产生多种有机酸，使但大肠埃希氏杆菌的混合酸发酵产生多种有机酸，使培养液呈酸性，

25、培养液呈酸性，p H在在4.2左右甚至更低。左右甚至更低。当用甲基红滴入时当用甲基红滴入时 ，大肠埃希氏杆菌培养液为红色，大肠埃希氏杆菌培养液为红色，称之为阳性反应；产气杆菌培养液为橙黄色，为甲基称之为阳性反应；产气杆菌培养液为橙黄色，为甲基红反应阴性。红反应阴性。不同的发酵类型及其有关微生物不同的发酵类型及其有关微生物发酵类型发酵类型产物产物微生物微生物乙醇发酵乙醇发酵乙醇、乙醇、CO2酵母菌属（酵母菌属（Saccharomyces)乳酸同型发酵乳酸同型发酵乳酸乳酸乳酸细菌属（乳酸细菌属（Lactobacillus)乳酸异型发酵乳酸异型发酵乳酸、乙酸、乙醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2明串球菌属

26、（明串球菌属（Leuconostoc)混合酸发酵混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2、H2大肠埃希氏菌（大肠埃希氏菌（Escherichia coli)丁二醇发酵丁二醇发酵丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2 肠道杆菌（肠道杆菌（Aerobacter)丁酸发酵丁酸发酵丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌（丁酸梭菌（Clostridium)丙酮丙酮-丁酸发酵丁酸发酵丁醇、丙醇、乙醇丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌属（丙醇丁醇梭菌属（Clostridium)丙酸发酵丙酸发酵丙酸丙酸丙酸杆菌属丙酸杆菌属（Propionibacterium)

27、2.2.好氧呼吸好氧呼吸好氧呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特好氧呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是在有氧条件下点是在有氧条件下,底物按常规方式脱氢后，经完整的呼底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量。吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量。n葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，将葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，将进入三羧酸循环进行完全氧化，生成进入三羧酸循环进行完全氧化，生成H2O 和和CO2，并，并释放出大量能量。释放出大量能量。n丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段：丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段：n第一第

28、一 阶段：丙酮酸的氧化脱羧阶段：丙酮酸的氧化脱羧n丙酮酸丙酮酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A（乙酰（乙酰CoA）n第二阶段：三羧酸循环第二阶段：三羧酸循环n乙酰乙酰CoA H2O 和和CO2，释放出能量。，释放出能量。三羧酸循环（三羧酸循环（TCATCA）（Krebs Krebs 循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）n丙酮酸氧化脱羧产物乙酰丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoACoA与草酰乙酸（三与草酰乙酸（三羧酸循环中与乙酰羧酸循环中与乙酰CoACoA结合点）结合生成柠檬结合点）结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程中，乙酰酸进入循环。在循环过程中，乙酰CoACoA被氧化被氧化成成 H

29、H2 2O O 和和COCO2 2，并释放出大量能量。，并释放出大量能量。三羧酸循环三羧酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰辅酶辅酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A电子传递和电子传递和ATP的合成的合成n NADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到粒体呼吸链传递到O O2 2的过程中，释放出的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与释能反应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需能反的需能反应相偶联

30、，是应相偶联，是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。1mol1mol葡萄糖可在葡萄糖可在EMPEMP途径形成途径形成2mol2mol丙酮酸，则在丙酮酸，则在TCATCA循环中可形成循环中可形成: :2 2151530molATP;30molATP;由于葡萄糖的好氧呼吸包括两部分，由于葡萄糖的好氧呼吸包括两部分，TCATCA已知产生已知产生30mol30mol。那。那EMPEMP途径呢，在发酵时净剩途径呢，在发酵时净剩2mol2mol，在发酵，在发酵过程中，可产生过程中，可产生2mol2mol的的NADHNADH2 2, ,则可换算成则可换算成2 23 36molATP ,6molATP

31、 ,因此，因此， 1mol1mol葡萄糖可产生：葡萄糖可产生：30+2+630+2+638molATP.38molATP.好氧微生物氧化分解好氧微生物氧化分解1 mol1 mol葡萄糖分子总共可生成葡萄糖分子总共可生成38molATP38molATP，共有，共有1193kJ1193kJ的能量转变为的能量转变为ATPATP。这样，。这样，好氧呼吸利用能量的效率大约是好氧呼吸利用能量的效率大约是4242，其余的能量，其余的能量以热的形式散发掉。以热的形式散发掉。发酵发酵l moll mol葡萄糖分子的能量利用率只有葡萄糖分子的能量利用率只有2626。可见，进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要，可

32、见，进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要，消耗的营养物要比好氧微生物多。消耗的营养物要比好氧微生物多。电子传递体系电子传递体系: :有氧呼吸中传递电子的一系列有氧呼吸中传递电子的一系列 偶联反应偶联反应 组成：组成：NADNAD或或NADPNADP、FADFAD或或FMNFMN、辅酶、辅酶Q Q、细胞色素细胞色素a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1等。等。作用：作用：a.接受电子供体放出的电子，最终传递给接受电子供体放出的电子，最终传递给O2。b.合成合成ATP，把电子传递过程中释放的能量收，把电子传递过程中释放的能量收集贮存。集贮存。其在细胞中的位置：真核细胞是线粒体，原核其

33、在细胞中的位置：真核细胞是线粒体，原核细胞是细胞质膜。细胞是细胞质膜。 在好氧呼吸中，由前面在好氧呼吸中，由前面EMP和和TCA产生的产生的H（NADH2和和FADH2），通过电子传递体），通过电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧，形成水。系（呼吸链），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中，产生在这一传递过程中，产生ATP。（称为氧。（称为氧化磷酸化）化磷酸化）好氧呼吸分为两种：外源呼吸和内源呼吸。好氧呼吸分为两种：外源呼吸和内源呼吸。1.1.外源呼吸：正常条件下的呼吸，利用外界营养、外源呼吸：正常条件下的呼吸，利用外界营养、能源进行呼吸。能源进行呼吸。2.2.内源呼吸：外界不能供给能源

34、，利用自身贮存的内源呼吸：外界不能供给能源，利用自身贮存的能源物质进行呼吸。能源物质进行呼吸。好氧呼吸的条件：好氧呼吸的条件：取决于取决于O O2 2的体积分数，微生物环境中的体积分数，微生物环境中O O2 2达到达到0.20.2 相当于大气中氧的体积分数（相当于大气中氧的体积分数（21%21%）的）的1 1 或或0.20.2以上，可以进行好氧呼吸，达不到，则无法进行以上，可以进行好氧呼吸，达不到，则无法进行好氧呼吸。好氧呼吸。( (三三) )无氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸的最终电子受体不是未无氧呼吸的最终电子受体不是未彻底氧化的有机物，也不是彻底氧化的有机物，也不是O O2 2，而是除了，而是除了

35、O O2 2以外的含氧无机物，以外的含氧无机物，如如NONO3 3- -、SOSO4 42-2-、COCO3 32-2-及及COCO2 2、COCO等。等。 AH2 辅酶（氧化态） NO 2-(NO、N2O、N2) S2- Fe2+ 有机物 NAD(P)+ 、FAD SO32-(S2O32-、H2S) CH4、 脱氢酶 还还原原酶酶 A TP CO2 辅酶（还原态） NO3- 、 SO42-、 S0、 CO2、 Fe3+n（1）硝酸盐呼吸又称反硝化作用硝酸盐呼吸又称反硝化作用。在无氧条件下，微生物。在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，这是一种异化性的硝利用硝酸盐作为呼吸链的最

36、终氢受体，这是一种异化性的硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。NONO3 3- - 被还原被还原成成NONO2 2- -、N N2 2O O和和N N2 2。其氢供体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有。其氢供体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是机物，也可以是H H2 2和和NHNH3 3。它们的反应式如下：。它们的反应式如下：nC6H12O6 + 4NO3- = 2N2 + 6CO2 + 6H2O+1756KJn5CH3COOH + 10 NO3- = 10CO2 + 6H2O + 4N2 + OH-nCH3OH + NO3- = 0.5N2

37、 + 2H2O +CO2n6H2 + 4NO3- = N2 + 6H2O n2NH3 + 4NO3- = 1.5N2 + 3H2On能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，而专性厌氧微生物是无法进行硝酸盐呼吸的。化细菌，而专性厌氧微生物是无法进行硝酸盐呼吸的。反硝化细菌都有其完整的呼吸系统。只有在无氧条件反硝化细菌都有其完整的呼吸系统。只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的酶。下，才能诱导出反硝化作用所需要的酶。n能进行硝酸盐呼吸的细菌种类很多，如能进行硝酸盐呼吸的细菌种类很多，如Bacillus licheniformis（

38、地衣芽孢杆菌），（地衣芽孢杆菌），Paracoccus denitrificans (脱氮副球菌脱氮副球菌)，Pseudomonas aeruginosa ，Psstutzeri（斯氏假单胞菌）以及（斯氏假单胞菌）以及Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）等。（脱氮硫杆菌）等。（2）硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸（sulfaterespiration） 是一种由硫酸是一种由硫酸盐还原细菌把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢盐还原细菌把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸。这是一种异化性的硫酸盐还原作受体的一种厌氧呼吸。这是一种异化性的硫酸盐还原作用。通过这

39、一过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链用。通过这一过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链的电子传递磷酸化而获得能量。硫酸盐还原的最终产物的电子传递磷酸化而获得能量。硫酸盐还原的最终产物是是H2S，自然界中的大多数，自然界中的大多数H2S是由这一反应产生的。是由这一反应产生的。n硫酸盐还原细菌都是一些严格依赖于无氧环境的专性厌硫酸盐还原细菌都是一些严格依赖于无氧环境的专性厌氧细菌，例如氧细菌，例如Desulfovibrio desulfuricans（脱硫脱（脱硫脱硫弧菌），硫弧菌），Dgigas（巨大脱硫弧菌），（巨大脱硫弧菌），Desulfotoma culumnigrificans（致黑脱硫

40、肠状菌）（致黑脱硫肠状菌）以及以及Druminis（瘤胃脱硫肠状菌）等。（瘤胃脱硫肠状菌）等。nn（3）硫呼吸硫呼吸（sulphurrespiration） 这是近这是近年来才发现的一种无氧呼吸类型。目前只知道年来才发现的一种无氧呼吸类型。目前只知道Desulfuromonas acetoxidans（氧化乙酸（氧化乙酸脱硫单胞菌）能进行硫呼吸。其过程为，无机脱硫单胞菌）能进行硫呼吸。其过程为，无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成原成H2S。n（4）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸（carbonaterespiration） 是一类以是一类以CO2作为

41、无氧呼吸链的末端氢受体的作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。吸。n细菌类型：产甲烷菌、产乙酸菌产甲烷菌、产乙酸菌。n产甲烷菌产甲烷菌n 4H2 + H+ + HCO3- CH4 + 3H2On产乙酸菌产乙酸菌n 4H2 + 2H+ + 2HCO3- CH3COOH + 4H2On（氢来源于发酵）（氢来源于发酵）n为什么相同的反应物而出现不同的产物？为什么相同的反

42、应物而出现不同的产物？n不同的酶系不同的酶系n是废水是废水厌氧处理中关键性厌氧处理中关键性微生物。微生物。三种呼吸类型的比较三种呼吸类型的比较呼吸类呼吸类型型最终电子最终电子受体受体参与反应的酶与电子传递体参与反应的酶与电子传递体系系最终产物最终产物释放能量释放能量乙醇发乙醇发酵酵中间代谢中间代谢产物产物脱氢酶、脱羧酶脱氢酶、脱羧酶辅酶辅酶NAD低分子有机物、低分子有机物、CO2、ATP(2)238.3KJ好氧呼好氧呼吸吸氧气氧气脱氢酶、脱羧酶脱氢酶、脱羧酶辅酶辅酶NAD、FAD辅酶辅酶Q细胞色素细胞色素a、a3、b、c、c1CO2、H2O、ATP(38)、SO42-2876KJ无氧呼无氧呼吸

43、吸NO3-CO32-SO42-脱氢酶、脱羧酶、脱氢酶、脱羧酶、硝酸还原酶、硝酸还原酶、硫酸还原酶硫酸还原酶辅酶辅酶NAD、细胞色素细胞色素b、cCO2、H2O、N2、ATP反硝化反硝化1756KJ反硫化反硫化1125KJn也称磷酸戊糖途径或磷酸葡萄糖酸途径。也称磷酸戊糖途径或磷酸葡萄糖酸途径。nHMP途径的主要特点是：糖直接脱氢和脱羧，不必经途径的主要特点是：糖直接脱氢和脱羧，不必经过酵解途径，也不必经过过酵解途径，也不必经过TCA循环。循环。n总反应式为：总反应式为：n66磷酸葡萄糖+12NADP+6H2O56磷酸葡萄糖+12NADPH26CO2pi其它代谢途径其它代谢途径1.单磷酸已糖裂解

44、途径（单磷酸已糖裂解途径（HMP途径途径）n此途径最早由此途径最早由Entner和和Doudoroff两人发现，故又称两人发现，故又称ED途径。途径。n总反应式是：总反应式是：nC6H12O6+NADP+NAD+ADP+Pi2CH3COCOOH+ATP+NADPH2+NADH2n 存在于某些缺乏完整存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。微生物所特有。n能利用这条途径的微生物一般存在于好氧革兰氏阴性细菌中。此能利用这条途径的微生物一般存在于好氧革兰氏阴性细菌中。此途径可独立存在，也可与途径可独立存在，也可与HMP途径同时存在。途径同

45、时存在。n细菌酒精发酵。细菌酒精发酵。2.2.脱氧酮糖酸途径（脱氧酮糖酸途径（EDED途径）途径）n少数细菌进行异型乳酸发酵时所采用的途径。少数细菌进行异型乳酸发酵时所采用的途径。n双叉乳杆菌、胶醋酸菌利用葡萄糖进行醋酸发酵时，采用磷酸解酮双叉乳杆菌、胶醋酸菌利用葡萄糖进行醋酸发酵时，采用磷酸解酮酶途径，这种途径较复杂，除两种磷酸解酮酶系外，还有转醛酶途径，这种途径较复杂，除两种磷酸解酮酶系外，还有转醛-转转酮酶系。酮酶系。4-磷酸赤藓糖经一系列酶催化，也生成乙酚磷酸和磷酸赤藓糖经一系列酶催化，也生成乙酚磷酸和3-磷酸磷酸甘油醛。甘油醛。3-磷酸甘油醛转化成丙酮酸后，被还原成乳酸。乙酰磷酸磷酸

46、甘油醛转化成丙酮酸后，被还原成乳酸。乙酰磷酸则经乙酸激酶催化，生成乙酸和则经乙酸激酶催化，生成乙酸和ATP。乙酰磷酸也可被还原成乙醇。乙酰磷酸也可被还原成乙醇。n采用双重的磷酸解酮酶途径的总反应式：采用双重的磷酸解酮酶途径的总反应式：n2C6H12O6+5ADP+5Pi2CH3CHOHCOOH3CH3COOH5ATPn可见此途径所产生的能量水平是最高的，从每分子葡萄糖可产生可见此途径所产生的能量水平是最高的，从每分子葡萄糖可产生2.5分子分子ATP。3.磷酸酮糖裂解途径（磷酸酮糖裂解途径（PK途径）途径）乙醛酸循环n好氧微生物以乙酸作为唯一碳源而生长时，将乙酸转变成乙酰好氧微生物以乙酸作为唯一

47、碳源而生长时，将乙酸转变成乙酰CoACoA后，后，或通过或通过TCATCA循环，彻底氧化成循环，彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，从而获得能量；或通过乙醛酸，从而获得能量；或通过乙醛酸循环，补充循环，补充TCATCA环上的四碳和六碳化合物。乙醛酸环可看作是环上的四碳和六碳化合物。乙醛酸环可看作是TCATCA环的环的支路。乙醛酸环中的草酰乙酸经脱羧，成为磷酸烯醇丙酮酸，后者逆支路。乙醛酸环中的草酰乙酸经脱羧，成为磷酸烯醇丙酮酸，后者逆EMPEMP途径而途径而生成葡萄糖生成葡萄糖。当脂肪酸降解为乙酰。当脂肪酸降解为乙酰CoACoA后，也可通过乙醛酸后，也可通过乙醛酸环合成四碳二羧酸，

48、再进一步环合成四碳二羧酸，再进一步转变为糖类转变为糖类。此外，草酰乙酸和乙醛酸。此外，草酰乙酸和乙醛酸经氨化，分别生成天门冬氨酸和甘氨酸，经氨化，分别生成天门冬氨酸和甘氨酸，成为蛋白质成为蛋白质的组成成分。因的组成成分。因此，乙醛酸循环在微生物代谢中也是很重要的。此，乙醛酸循环在微生物代谢中也是很重要的。三、微生物发光现象三、微生物发光现象 细菌、真菌、藻类能够发光。细菌、真菌、藻类能够发光。发光微生物有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链发光微生物有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链脂肪醛。脂肪醛。发光过程实际上就是电子的传递及能量转移过程：发光过程实际上就是电子的传递及能量转移过程：电子由电子由NA

49、DHNADH2 2传给传给FMNFMN，和虫荧光素酶，从而虫荧，和虫荧光素酶，从而虫荧光素酶得到激活，在长链脂肪醛的催化下，有氧光素酶得到激活，在长链脂肪醛的催化下，有氧气存在时就会发光。发光后，虫荧光素酶由激活气存在时就会发光。发光后，虫荧光素酶由激活态恢复到基态。态恢复到基态。微生物发光作用：微生物发光作用：1.1.测定环境中的微量氧。测定环境中的微量氧。2.2.测定环境中的微量有毒有害抑制剂。测定环境中的微量有毒有害抑制剂。 发光的微生物多为兼性厌氧菌，但有氧时才会发发光的微生物多为兼性厌氧菌，但有氧时才会发光。对氧气很敏感，黑暗中，在微量氧气存在下，光。对氧气很敏感，黑暗中，在微量氧气

50、存在下，发光菌的光清晰可见。发光菌的光清晰可见。第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢一、化能自养型微生物的合成代谢一、化能自养型微生物的合成代谢 各种化能自养型微生物的合成代各种化能自养型微生物的合成代谢的合成途径不同谢的合成途径不同n1.亚硝化细菌亚硝化细菌进行有机物合成反应如下n NH4+ +1.5O2 NO2- + 2 H+ +H2O+ 271KJ n n ATPn CO2 + 4 H CH2O + H2On2.硝化细菌硝化细菌进行有机物合成反应如下n HNO2 + 0.5O2 NO3- + H+ + 77KJ n n ATPn CO2 + 4 H CH2O + H2On3.硫

51、氧化细菌硫氧化细菌进行有机物合成反应如下n H2S + 2O2 SO42- + 2 H+ + 795KJ n n ATPn CO2 + 4 H CH2O + H2On4.铁氧化细菌铁氧化细菌进行有机物合成反应如下n Fe2+ +1/4O2 Fe3+1/2H2O + 44.1KJ n n ATPn CO2 + 4 H CH2O + H2 O氧化亚铁硫杆菌及锈铁嘉翁菌通过卡尔文循环固定CO2。n4.氢氧化细菌氢氧化细菌进行有机物合成反应如下n H2 + 0.5O2 H2O + 237KJ n n ATPn CO2 + 2 H2 CH2O + H2 O二二 、光合作用、光合作用1藻类的光合作用（同绿

52、色植物）白天，在有光藻类的光合作用（同绿色植物）白天，在有光的条件下，利用体内的素（叶绿素、类胡萝卜素、的条件下，利用体内的素（叶绿素、类胡萝卜素、藻蓝素、藻红素等），从藻蓝素、藻红素等），从H2O的光解中获得的光解中获得H2，还原还原CO2成成CH2O。 总反应式为：总反应式为：CO2+H2O CH2O+ O2 l能量来源：能量来源： 光能光能 ATP 细菌叶绿素细菌叶绿素 (光合细菌光合细菌) l光合色素：光合色素： 叶绿素叶绿素 (蓝细菌蓝细菌) 细菌紫素细菌紫素 (盐细菌盐细菌)细菌光合作用的供氢体为细菌光合作用的供氢体为H2S和和H2。因光合细菌种类不同，其光合反因光合细菌种类不同，

53、其光合反应也有所不同。应也有所不同。 光合色素光合色素（1）绿硫细菌属）绿硫细菌属 CO2+2H2S CH2O+ 2S+ H2O （2）红硫细菌科）红硫细菌科 2CO2+H2S+2 H2O2CH2O+ H2SO4 （3）氢单胞菌属）氢单胞菌属 CO2+2H2 CH2O+H2O 光合细菌通过光周期把光合细菌通过光周期把CO2固定，并转变为固定，并转变为高能贮存物高能贮存物聚聚羟基丁酸（羟基丁酸（PHB）。）。 CO2固定的途径为卡尔文循环。固定的途径为卡尔文循环。3 有机光合细菌的光合作用有机光合细菌的光合作用 以光为能源，以有机物为供氢体还原以光为能源，以有机物为供氢体还原CO2，合，合成有机物。有机酸和醇是它们的供氢体和碳源。成有机物。有机酸和醇是它们的供氢体和碳源。 例如，红螺菌科的细菌能利用异丙醇作供氢例如，红螺菌科的细菌能利用异丙醇作供氢体进行光合作用，并积累丙酮。体进行光合作用，并积累丙酮。 (CH3)2CHOH+ CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O三、异养微生物的合成代谢三、异养微生物的合成代谢 异养微生物利用现成的有机物作碳源和能源，异养微生物利用现成的有机物作碳源和能源，用分解过程中的中间代谢产物和分解代谢中用分解过程中的中间代谢产物和分解代谢中得到的得到的ATP合成自身细胞的组成成分。合成自身细胞的组成成分。