《微生物的生》PPT课件.ppt

1,第四章 微生物的生理,2,第一节 微生物的酶,3,生物体的基本特征之一是它不断地进行新陈代谢，而新陈代谢是由为数众多的各式各样的化学反应所组成。这些反应通常不需要在实验室中所要求的高温、高压或强烈的酸碱等条件，而是在生物体温和的条件下就可很快地进行。例如，在体外条件下，用纯化学的方法使淀粉水解成葡萄糖或使蛋白质水解成氨基酸时，需加25的H2SO4，温度在100以上，经过20多个小时才能完成。但在生物体内，极其温和的条件下（体温37，接近中性pH）进行物质水解，则是很容易的事。又如绿色植物利用光能、水、二氧化碳和无机盐等简单物质，经过一系列变化合成复杂的糖、蛋白质、脂肪等物质。而动物又利用植物体中的物质，并经过错综复杂的分解和合成反应转化为自身的一部分，得以生长、活动、繁殖等。这些在生物体外是难以进行的，其主要原因就是由于生物体内含有一类特殊的催化剂，这就是“酶”。,4,早在几千年前，人类已开始利用微生物酶来制造食品和饮料。我国在4000多年前，就已经在酿酒、制酱、制饴等的过程中，不自觉地利用了酶的催化作用。1738年，有人提出食物的消化不是磨碎，而是胃液在起作用的概念，对酶有了初步的认识。随后对酶的认识不断加深；1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年Summer第一次分离脲酶并获得其结晶；1949年日本采用深层培养法生产细菌淀粉酶，标志着现代酶的开始。,背景,5,1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。目前已知的酶超过4000种.,6,酶的概念：生物催化剂。细胞中自己制成，基本成分是蛋白质。,酶蛋白+辅助因子,仅由酶蛋白组成。,此时才能发挥催化作用,一、酶的分子组成,7,二、酶的结构与功能的关系(一)酶蛋白的结构,一级结构：组成酶蛋白的氨基酸按一定顺序由肽键连接成多肽链；二级结构：多肽链回折或两条多肽链之间由氢键维持其稳定性；三级结构：多肽链进一步形成更复杂的结构，由氢键及其它化学键维持其稳定性。四级结构：多个具有三级结构的亚基再次通过化学键连接。,8,在一级结构上可能相距遥远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，与酶催化作用直接有关的部位称为酶的活性中心。,(二)酶的活性中心,活性部位包括：结合基团、催化基团,9,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,10,三、酶的分类（一）按照酶所催化的的化学反应，分为六大类：,1水解酶：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等,催化底物加水分解反应,2氧化还原酶：主要包括脱氢酶和氧化酶,催化底物氧化还原反应,3转移酶,催化分子间基团转移或交换,11,六大类酶,4裂解酶,5异构酶,6合成酶,催化一个底物分解为两个化合物及其逆反应。,催化各种同分异构体之间相互转化,与ATP偶联，催化两分子底物合成一分子化合物,12,（二）存在部位,(三)按作用底物不同分,细菌无摄食器官，遇到的是简单的溶解物质，通过胞内酶的作用；若遇到的是复杂的固体物质，利用胞外酶将吸附在细胞周围的大分子物质水解为简单的小分子物质。,13,酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,四、酶的催化特性,14,一种酶作用于一种底物。如淀粉酶只能作用于淀粉，而不作用于纤维素。,对底物的构象有特殊要求，往往只能催化底物的一种立体化学结构。,催化具有相同化学键或基团的底物进行某种类型的反应。如脂酶催化脂键，而对R基团没有严格要求。,酶催化作用的专一性,15,锁-钥学说刚性模式,酶的构型与底物刚好相吻合，底物分子刚好嵌入酶的活性中心，与酶的构象互补，就和锁、钥一样。酶、底物是刚性的，其形状不会改变，它不能解释一种酶催化两个反应的现象。,酶的构型与底物并不吻合，当底物和酶接触时，诱导酶分子的构象变化，使活性部位上的有关基团正确排列和定向，进而使酶和底物契合而结合成中间产物，引起底物发生反应。,诱导契合学说柔性学说,酶活性专一性的假说,16,高效性 催化效率比普通催化剂高出1071013倍，如 1克结晶的淀粉酶，在65时，15分钟可使2吨淀粉水解为糊精。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,17,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应 活化能,一般催化剂催化反应的活化能,能量,反 应 过 程,底物,产物,酶促反应活化能的改变,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。p113,18,对环境敏感反应条件温和催化活性受调节控制,在常温、常压、接近中性的pH条件下发挥作用。,酶的活力在体内受到多方面因素的调控。机体通过调节酶的活性和酶量，控制代谢速度，以满足生命的各种需要和适应环境的变化。,容易发生变性、失活。,19,五、酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,20,1、酶促反应模式-中间产物学说:1913年前后Michaelis和Menten提出酶促反应动力学的基本原理,酶的作用在于降低化学反应所需的活化能，而 中间产物ES的形成，使底物的活化能大大降低，从而使反应加速。,21,V=VmaxS/（S+Km）,并归纳为一个数学式：,这一公式表示了底物浓度与反应速度的关系，称为米氏方程，当底物浓度增加时，酶促反应速度V趋近Vmax。,Km被称为米氏常数,当V=1/2Vmax时，Km=S，因而Km是酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。,2.酶促反应动力学,22,2）Km可表示酶与底物的亲和力。Km越小，酶与底物的亲和力越大。同一种酶有几种底物就有几个Km，其中Km最小的底物一般称为该酶的天然底物或最适底物。如：己糖激酶对葡萄糖的Km 1.5mmol/L 对果糖的Km 28mmol/L 所以葡萄糖为最适底物,1）Km为酶的特征常数。只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。,23,常用双倒数作图法：即取米氏方程式的倒数形式后可作出一直线。,斜率=Km/Vmax,米氏常数的求法,利用直线的截距可得到酶的Vmax与Km,24,3.影响酶促反应（酶活力）的因素有：,1）酶的总浓度E2）基质浓度3）温度4）pH值5）激活剂6）毒物或抑制剂,25,1)酶的总浓度E,在水处理中为了加快反应速度，往往需要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度。从而增加反应器的处理能力和速率。,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3 E,26,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。,2）底物浓度对酶反应速度的影响,27,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,28,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,29,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加,达最大速度;反应为零级反应,酶被底物饱和,30,3）温度,最适反应温度：能形成最大反应速度的温度.,双重影响温度升高，酶促反应速度升高；温度升高10oC,反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,低温的作用:贮存生物制品、菌种等 低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。,31,4）pH对酶反应速度的影响,pH,最适pH随酶的纯度、种类、底物的种类、性质而改变。,pH可影响必需基团和催化基团的解离程度，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。,32,不同酶的最适pH不同,33,5）激活剂对反应速度的影响,非必需激活剂：有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性。,凡是能提高酶活性的物质都称为酶的激活剂。其中大多为金属离子，如Mg2+、K+、Mn2+，少数为阴离子如Cl-，也有的为有机化合物，如维生素。,必需激活剂：对酶促反应不可缺少，与酶、底物结合参加反应。,34,6）抑制剂对酶反应速度的影响,凡能使酶的催化活性下降甚至完全丧失，但不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性,35,抑制作用的类型,不可逆性抑制(irreversible inhibition),可逆性抑制(reversible inhibition)：,竞争性抑制(competitive inhibition)非竞争性抑制(non-competitive inhibition)反竞争性抑制(uncompetitive inhibition),36,(一)不可逆性抑制作用,*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。*举例有机磷化合物 羟基酶解毒-解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒-二巯基丙醇(BAL),37,（二）可逆性抑制作用,*概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,*类型,38,竞争性抑制作用,反应模式,抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶,39,特点：竞争性I往往是酶的底物结构类似物；抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同 酶的活性中心 抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消除；,40,非竞争性抑制,*反应模式,I与酶的活性中心外的位点结合,41,非竞争性抑制的特点：非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；抑制程度取决于抑制剂的浓度,42,竞争性抑制与非竞争性抑制示意图,竞争抑制剂与酶的活性中心结合,非竞争性抑制剂与酶活性中心以外基团结合,底物与酶正常结合,43,反竞争性抑制,*反应模式,抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合,44,反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度,45,六、酶活性测定,酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。,酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。,酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反应在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,46,国际单位(IU)在特定的条件下（25最适pH及底物浓度），每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算：1 kat=6107IU,47,比活力（比活性）：每单位（一般是mg）酶液中的酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）。实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶单位/mL（液体制剂），酶单位/g（固体制剂）。对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少），所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标。,48,目前，酶由于其高效性的特点，已逐渐被应用于三废处理方面。如利用脂肪酶处理生活污水，利用可降解酚的酶来降解含酚的工业废水。而且，为了更好的利用酶，现在通过微生物发酵，批量生产酶制剂用于工农业生产中。如脂肪酶，如单纯依靠微生物的代谢活动去分解脂肪类物质，脂肪酶的作用会因为蛋白酶的存在而被削弱，而如果采用酶制剂，可以有针对性的增加脂肪酶含量来分解生活污水。,49,第二节 微生物的营养,这里的营养不单是通常意义营养物、营养品概念，在这里指微生物吸取生长所需的各种物质以进行新陈代谢的过程。营养是生物的基本功能,微生物是有生命的个体，营养是其生命活动的基础。,50,从元素水平或营养要素水平分析，微生物的营养要求与摄食型的动物（包括人类）和光合自养型的绿色植物十分接近，它们存在着“营养上的统一性”，但可供其利用的食物种类要多得多。元素水平：都需要20种左右，且以C、H、O、N、S、P六种元素为主，约占细胞干重的95以上：蛋白质由:C、H、O、N、S组成；核酸由C、H、O、N、P组成；糖类和脂类由C、H、O组成。营养要素水平：则都在六大范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。,51,一、微生物的化学组成,细胞重量,碳水化合物 蛋白质 脂肪 DNA RNA等,（湿重）,水(7090%),干物质1030%,无机盐310%,有机物90 97%,组成微生物细胞,同一种微生物在不同的生长阶段其化学成分也有差异。但在正常情况下，各类微生物细胞的成分是相对稳定的。,52,二、微生物的六大营养要素,要素：水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源,营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类:,（一）水水对细菌有哪些作用？1)微生物的重要组成，70%90%；2)溶剂作用，运输物质的载体3)参与生化反应(如脱水、加水反应)4）足够的水分是细胞维持正常形态重要因素。5）水的比热高，维持和调节一定的温度,53,（二）碳源,种类？有机物、无机碳化合物（CO2、CO32）随微生物不同，各有偏好最喜好的碳源是？,凡能供给微生物生长过程中碳素营养的物质细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的50左右。碳源作用细胞的碳骨架，对于异养型微生物，其碳源同时又兼作能源，这种碳源又称为双功能营养物。,糖：尤其是葡萄糖、果糖及其多糖（麦芽糖、淀粉）,生产中常见的碳源：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟。各种细菌利用C源的能力有所不同：假单胞菌属；废水处理：诺卡氏菌降解含氰的废水。,54,（三）氮源氮占细菌干重的12%15%,作用：氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素。在极端情况下（e.g.饥饿情况下）也可提供能量。,氮源种类分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源：固氮菌、固氮蓝藻无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物,不同种类微生物利用的氮源物质种类不同。微生物对氮源物质的利用具有选择性。p123,55,氨基酸异养型微生物：不能利用简单的无机氮化合物合成蛋白质，只能从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物称“氨基酸异养型微生物”。乳酸细菌氨基酸自养型微生物：具有分解蛋白质的能力，能把非氨基酸类氮源自行合成为所需要的氨基酸的微生物称为氨基酸自养型微生物：霉菌、酵母菌,56,实验室中有机氮源蛋白胨,工业投加的细菌氮源？,发酵生产 尿素、玉米浆工业废水处理粪便,57,（四）无机盐无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质.,作为细胞组成成分：P、S等,化能自养菌的能源（S、Fe）,有机体内含量108106mol/L,注意：不同的微生物对无机盐的需求浓度也不同。,固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分,维生素B12复合物的成分；肽酶的辅因子,固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分,58,（五）生长因子,某些微生物在生长过程中不能自身合成，同时又是生长必需的有机物质。,最早发现的生长因子,有三类,维生素类氨基酸类 嘌呤、嘧啶类,实验室常用：酵母膏、蛋白胨作为综合生长素 硫辛酸、VC、VK是重要的生长因子。,多数细菌不存在生长因子问题。只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才能生长，如乳酸菌需要多种维生素，因此只能生活在这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。,59,（六）能源,细菌的能源种类化学能、光能,哪些物质可以产生化学能？有机碳源特殊的无机物（如S、Fe)什么样的细菌利用光能？含有光合色素,60,几点注意：,不同的细菌，由于其组分不同，营养要求不同。不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。微生物的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。,第一节 微生物的营养,自然界中所有物质几乎都可以被某种微生物所利用。甚至一些有毒有害的有机物。e.g.H2S、酚、HCN、Cr6+等。,61,微生物往往先利用现成的、易被吸收利用的化合物。如果这些物质量已满足了它们的要求，就不利用其他物质了。,有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用难降解的化合物共代谢。,各种营养元素之间往往有一定的比例关系。,e.g.土壤中许多微生物要求 C：N=25：1废水生物处理中要求 好氧处理 BOD:N:P=100:5:1 厌氧消化污泥 BOD:N:P=100:6:1有机固体废物堆肥要求C:N=30:1,C:P=75100:1,62,营养型细菌分类根据碳源不同分为无机营养有机营养（或自养异养）,三、微生物的营养类型,63,(1)无机营养细菌（自养菌）,无机（自养）CO2、CO和CO32-能否也利用有机物呢？,绝大多数能，“能吃苦也能享福”，但以无机C为主要C源又根据能源不同又分为光能自养型细菌和化能自养型细菌。,64,光能自养细菌：这是一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的的微生物，它们能以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物为供氢体，使CO2固定还原成细胞物质,并且伴随元素氧（硫）的释放。,细菌只有紫硫细菌和绿硫细菌,65,紫硫、绿硫细菌代谢方式 光照 CO2+H2S CH2O（糖）+H2O+2S 菌绿素（与叶绿素大同小异）,在自然界的作用是什么呢？早期无氧地球，清除H2S毒物,较洁净的光照池塘无臭（H2S)区,碳源：以CO2 为惟一碳源 能源：光转变为 ATP,蓝细菌从水中的光解中获得氢，用于还原CO2。,66,紫硫细菌,湖中4m,硫化物,*这个深度紫硫细菌多,67,化能自养细菌,什么是化能自养菌？自养碳源CO2化能以？物质氧化产能S、H2S、H2、NH3、Fe,种类：硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)、（亚）硝化细菌及铁细菌、氢细菌。,68,化能自养细菌能用于污水处理吗？为什么？,能，脱氨、脱硫；条件容易化能自养微生物的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一种特定的无机物。,69,有机营养细菌（异养菌）,有机（异养）以有机物为碳源提问：自养、异养菌哪种繁殖快？“吃砖头和吃粮食的区别”异养菌是有机污水处理的主角,根据能源的不同,70,绝大多数的细菌都属于化能异养菌：绝大多数的细菌、原生动物，全部真菌、以及病毒。,.化能异养菌,碳源有机物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等,能源有机物氧化获得。,如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性，则是腐生型；若是生活在生活细胞内从寄生体内获得营养物质，则是寄生型。,71,肺结核杆菌 痢疾志贺氏菌,寄生细菌，可以通过水源、食物传播，是水处理中需要监控和杀灭的对象。,72,不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）的高效处理,.光能异养细菌（无氧有光）光能+色素 有机物+CO2 菌体 CH2O小分子有机物碳源主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存）,提问：在污水处理中的优势是什么？,嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田,73,红螺菌在湖泊、池塘、淤泥中含有，在缺氧时能利用有机酸、醇等有机物。同时该菌含有蛋白质65%，和大量的氨基酸、抗生素。常用工业废水和农业废弃物生产该菌，既保护了环境消除污染，又生产了单细胞蛋白变废为宝。,红螺菌：,74,提问：人工投加光合细菌（PSB,红螺菌）有利于水产养殖，原因？,迅速转化毒物（水族排泄物被细菌分解后的氨、有机酸）为高蛋白的菌体，作为鱼的饲料，且不消耗氧；优势生长时能抑制水族病原菌的生长,75,微生物的营养类型（小结）,76,以上四种营养类型划分不是绝对的：1.如红螺菌既可利用光能，也可利用化能2.氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）自养与异养的区别不在于能否利用CO2，而在于是否以CO2或碳酸盐为唯一的碳源。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。,微生物的营养类型,77,四、培养基,培养基(culture medium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。,任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。,78,1.培养基的配制原则,根据不同需要配制不同的培养基 细菌：牛肉膏蛋白胨培养基 真菌：马铃薯糖培养基 调节不同pH值各营养物质的浓度及配比。物美价廉,牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏 3g,蛋白胨10g,NaCl 5g，琼脂 18-20g,水,马铃薯糖培养基 马铃薯 200g，葡萄糖或蔗糖 20g，琼脂 18-20g，水1000ml，pH 自然,79,2.培养基的分类,(1)根据物理状态分类,液体培养基：不加凝固剂。液体发酵、水处理中的废水。我们同样应按照培养基配制的原则分析废水营养成分，合理投加缺乏的营养物，使细菌等微生物能在最佳状态下大量生长，从而净化废水。固体培养基：液体培养基中加入2%左右的凝固 剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏。半固体培养基：液体培养基中加入0.5-1%的凝固剂。观察细菌的运动状态。,80,81,细菌在半固体培养基中的生长现象,有鞭毛的细菌，沿穿剌线呈模糊羽毛状生长。无鞭毛的细菌，沿穿剌线呈清晰的线状生长。,82,（2）根据化学组成分类,天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。如酸奶、酒、腐乳、酱类的发酵生产 特点化学组分不知道，营养丰富，配制容易。合成培养基：完全以化学药品配制而成。如KH2PO4、NaCl 特点组分确定 半合成培养基：天然成分和化学药品都有。,分析 牛肉膏蛋白胨培养基 马铃薯糖培养基 属于哪种培养基？,？,83,基础培养基(minimum medium)：是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基，如牛肉膏蛋白胨培养基选择培养基(selective medium)是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。如胆汁酸盐培养基,用于大肠菌群的培养,但抑制肠道中G+的生长，从而检出大肠菌群,（3）根据用途分类,84,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；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，将目的细菌富集筛选下来。,加富培养基：(enrichment medium)加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基，用于微生物数量少或对营养要求苛刻的微生物培养。如加入酵母浸膏等。水处理工程中各类具有特殊降解性能的细菌都是经过这种选择性培养被筛选分离出来的。,85,鉴别培养基(differential medium)：在培养基中加入某种特殊化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。,如水处理中常用：伊红美蓝培养基，远藤氏培养基就是典型的鉴别培养基。被用于化验饮用水中是否含有大肠菌群，以及它们的种类。,86,试样,EMB(Eosin Methylene Blue),87,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14.Left:Escherichia coli cells.Right:E.coli colonies on EMB Agar.,88,加水,3.配制,89,五、营养物质进入微生物细胞的方式,细菌没有专门的摄食器官，只能通过细胞表面进行物质交换。细胞壁只能对大颗粒的物质起阻挡作用，而许多大分子的物质却可自由进出；而细胞膜是一种半透膜，它可以控制大分子物质的进出，所以营养物质的运输主要与细胞膜有关。,实验表明：有些小分子物质如CO2、H2O、乙醇等可很快通过膜上的小孔扩散入细胞；许多菌体需要的物质，其胞内浓度远大于胞外环境,目前，一般认为营养物质进入细胞的方式有以下四种：,90,1.简单扩散（单纯扩散、自由扩散、被动扩散）,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特点,91,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,flows towards high salt concentrations,92,93,简单扩散,94,2促进扩散（协助扩散）,95,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,特点,不消耗能量,参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,不能进行逆浓度运输,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,需要载体参与,96,促进扩散,97,3主动运输,主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。,主动运输模式图,98,这是微生物最主要的运输方式。不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，化能微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。,需要消耗代谢能 可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的专一性 被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化,特点：,99,主动运输,100,4基团移位,基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输,101,膜内侧热稳蛋白（HPr）在酶作用下形成HPr-磷酸（激活）。在膜外基质被渗透酶带到细胞膜内，在酶作用下，被HPr-磷酸磷酸化形成S-磷酸。,102,四种运输营养物质方式的比较,103,代谢概论,分解代谢,合成代谢:,代谢(metabolism)是指微生物将外部环境摄取的能量和物质，经过一系列的生物化学反应，转变为细胞的组分，同时产生废物排泄到体外，这个过程称为代谢，即细胞内生物化学反应的总称,104,分解代谢（catabolism）,分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。,一般可将分解代谢分为三个阶段：蛋白质 多糖 脂类氨基酸 单糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2，H20，能量（三羧酸循环）,105,合成代谢（anabolism）,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。,合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。,106,在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能。,这些能量用于：1 合成代谢 2微生物的运动和运输 3 热和光,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。,107,第四节 微生物的产能代谢-生物氧化,108,一、产能代谢与呼吸作用的关系,1 呼吸作用的本质,生物的氧化和还原的统一过程.即，在生物氧化中，呼吸基质脱下的氢和电子经载体传递，最终交给受体的生物学过程。,2 发生哪些生物学现象呢？（酶的催化）,复杂的有机物变成简单的物质 CO2、H2O等。发生能量的转换（合成物质、生命活动、以热释放）产生中间产物（继续分解、作为原料合成机体物质。),这些生物过程都需要酶的参与。,通常根据基质脱氢后，传递氢的过程尤其是受氢体的不同来划分呼吸类型：,分子外无氧呼吸（无氧呼吸：自养微生物）：最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-,无任何外援电子受体，基质失去氢被氧化，其产物又接受氢被还原，从而形成新的发酵产物,无氧呼吸：,有氧呼吸：最终电子和氢的受体是O2，产物：CO2+H2O+能量,分子内无氧呼吸：异养微生物）,二、呼吸类型,呼吸,发酵：,110,1、发酵（又称分子内无氧呼吸类型）,同一物质（如葡萄糖）分解产物再结合,不存在外在的电子受体，底物进行部分氧化，最终电子受体：小分子有机物 这个过程，能量有少量释放，多数仍保留在产物中。所有发酵过程都以葡萄糖为起始底物，首先进入糖酵解过程，也叫EMP过程。,EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH,112,底物水平磷酸化：在某种化合物氧化过程中，可形成一种含有高能磷酸键的化合物，可通过相应的酶的作用把高能磷酸根转移给ADP而生成ATP，此过程不需要O2,113,这是一个基本的代谢途径，产能效率低，但是可提供多种中间代谢产物作为合成代谢的原料。在有氧呼吸中它与TCA循环连接，而在无氧时，丙酮酸被还原为多种发酵产物，如：乙醇、乳酸。,114,乙醇发酵,整个过程，1mol葡萄糖产生4molATP，用去2mol，净剩2molATP，即产生能量231.4KJ62.8KJ。葡萄糖转化成乙醇应产能238.3KJ，能量利用率为62.8/238.326，其余能量以热量形式散失。,没有外在的受氢体，受氢体是底物本身,115,常识：高等动物有无发酵呢？酵解发酵，但能量太低不足以维持其生存,116,2.有氧呼吸,以葡萄糖的代谢为例：葡萄糖的好氧分解分为两个阶段：糖酵解阶段，三羧酸循环：TCA循环。在TCA循环中，葡萄糖被彻底氧化分解为CO2和H2O.,有外在电子受体，以分子氧为最终受体，底物可全部被氧化为CO2和H2O，并产生大量ATP的生物氧化过程.,NAD FAD Q,细胞色素bca1a3,117,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,118,TCA循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。在物质代谢中的地位：枢纽位置,氧化水平磷酸化,氧化磷酸化：通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量传递给ADP，形成ATP，此过程需O2，最终生产H2O，这是产能的主要方式。,119,1mol葡萄糖可在EMP途径形成2mol丙酮酸，则在TCA循环中可形成:21530molATP;而在EMP途径，净剩2molATP，2mol的NADH2,则可换算成236molATP,因此，1mol葡萄糖可产生：30+2+638molATP.,好氧微生物氧化分解1 mol葡萄糖分子总共可生成有1193kJ的能量转变为ATP。1mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876KJ。这样，好氧呼吸利用能量的效率大约是42，其余的能量以热的形式散发掉。可见，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。,120,3、无氧呼吸(分子外无氧呼吸类型）,最终电子受体：无机物（NO3-、NO2-、SO42-、CO2）,H2O+NO2-(CH4+H2O),该无氧呼吸过程是废水厌氧处理的微生物学基础。,121,硝酸盐呼吸又称反硝化作用，它是NO3-被细菌还原为NO2-，再逐步还原为NO、N2O、N2等气体释放出去过程。供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2、NH3,水中的反硝化细菌对于环境保护有着重大的意义，因为它可以去除水中的硝酸根，减少水体硝酸盐污染和富营养化的发生，从而保护水生生物，因而被用于高浓度硝酸盐废水的处理。,（1）硝酸盐呼吸,122,（2）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）,严格地说是异化硫酸盐还原，在硫酸还原酶的催化作用下，以有机物为氧化基质，使硫酸盐还原成H2S（光能自养菌的食物）。他们广泛分布在土壤、海水、污水、淤泥、温泉、油井、以及动物和人体肠道中。既有兼性厌氧的也有严格厌氧的。以脱硫弧菌最为常见。,利厌氧污水中有机物及重金属污染处理弊H2S恶臭、腐蚀性和生物毒性,有臭鸡蛋气味的硫化氢，或在周围环境有铁离子存在时出现黑色的FeS沉淀出现。,123,、危害,A腐蚀性硫酸盐还原菌释放的硫化氢气体对金属有很强的腐蚀性，会造成油井套管、地下管线、水冷却设备的腐蚀穿孔，尤其是对油田注水井的套管腐蚀，可以使套管的使用寿命缩短一半，而不得不提前更换，同时腐蚀产生的FeS还会堵塞油井，这些都给油田系统造成了十分巨大的经济损失，目前通常采用向注水中投加杀菌剂防治，也有通过阴极保护、紫外杀菌等方法，但总体而言效果都不是很理想，不是费用太高，就是效果不稳定，我国这方面的研究刚刚起步。,124,B生物毒性硫酸盐还原菌释放的硫化氢气体不仅有腐蚀性，同时还有毒性。在厌氧污水处理中他会对甲烷菌产生抑制，尤其是当水中硫酸根浓度较高时，则会严重影响净化效果，降低甲烷转化率。同时会产生很难解决的恶臭扰民问题。由于硫酸盐还原菌与甲烷菌生理条件类似，用各种化学物质单独抑止硫酸盐还原菌生长的方法实践证明行不通，只能设法稀释水中的硫酸盐浓度来加以控制。,125,、环保应用,硫酸盐还原菌的特点在某些环保领域不是缺点而是优点。例如对于含有重金属离子的工厂、矿山废水，可以利用硫酸盐还原菌产生的硫化氢与之形成金属硫化物沉淀将重金属离子去除。在厌氧废水处理中在控制硫化氢的前提下硫酸盐还原菌的生长同样起到降解有机污染物的作用，也是具有利用价值的。,126,碳酸盐呼吸 以CO2、CO为最终电子受体 产甲烷菌能利用C1、C2等简单物质：甲醇、乙醇、乙酸、H2等作为供氢体，通过氧化还原过程，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。该过程释放的能量较低，远低于好氧呼吸。,127,呼吸、无氧呼吸和发酵示意图,128,呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：前者交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。后者电子载体是将电子直接传递给底物降解的中间产物。,129,ATP的生成方式,光合磷酸化：将光能转变为化学能，通过电子传递产生ATP的过程。,氧化磷酸化：通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量传递给ADP，形成ATP，此过程需O2，最终生产H2O，这是产能的主要方式。,三、ATP的生成及ATP循环,微生物能量代谢活动中所涉及的主要是ATP形式的化学能。,底物水平磷酸化：在某种化合物氧化过程中，可形成一种含有高能磷酸键的化合物，可通过相应的酶的作用把高能磷酸根转移给ADP而生成ATP，此过程不需要O2,130,微生物通过呼吸作用氧化营养物质产生的能量，先转化成ATP储存于细胞中，当需要能量时，ATP转化为ADP将能量释放出来，而ADP在获得生物体氧化还原营养物质所释放的能量后，又可形成ATP，这个过程即ATP循环。它大大提高了机体能量的利用率。,131,三、微生物发光现象,细菌、真菌、藻类能够发光。发光微生物有两种特殊成分：虫荧光素酶和长链脂肪醛。发光过程实际上就是电子的传递及能量转移过程：电子由NADH2传给FMN，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。,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，发光菌的光清晰可见。,132,发光水母和虾,133,发光真菌和细菌,134,安全之光：微生物只发光，不发热，又称为冷光，所以没有爆发火花的危险，在油库、炸药库、矿井等易燃易爆场所，用其作照明光源最为理想，因此被称为“安全之光”。如果将富含发光微生物的海水装入玻璃灯泡中，就制成了一种简单的“冷光灯”，或称细菌灯。早在1935年，在巴黎海洋学院召开一次国际会议时，其会议大厅安装的就是这种冷光灯。,135,发光细菌对于测定由空气污染物引起的细胞学损伤也是良好的工具，发光细菌在暗处生长，它们的生物发