微生物学第四章 营养与代谢

1、第第 四四 章章 微生物营养和代谢多样性微生物营养和代谢多样性 microbial nutrition microbial nutrition and metabolism diversity and metabolism diversity第一节第一节 微生物的营养、营养类型和培养基微生物的营养、营养类型和培养基第二节第二节 微微 生生 物物 的的 代代 谢谢 第三节第三节 微生物合成细胞物质微生物合成细胞物质第四节第四节 微生物的次级代谢微生物的次级代谢第五节第五节 微生物代谢的调控微生物代谢的调控第一节第一节微生物的营养、营微生物的营养、营养类型和培养基养类型和培养基微生物营养的功能微生

2、物营养的功能营养或营养作用（营养或营养作用（ nutrition ）是指生物体从外部环境）是指生物体从外部环境 吸收吸收 生生命活动所必需的物质和能量，以满足其生长和繁殖需要的一种生命活动所必需的物质和能量，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。理功能。 营养是一个过程。营养是一个过程。参与营养过程并参与营养过程并 具有营养功能的物质具有营养功能的物质 称为营养物称为营养物(nutrient)。 功能功能:参与微生物细胞的组成参与微生物细胞的组成 提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量 形成微生物代谢产物的来源形成微生物代谢产物的来源 营养物质是微生物

3、新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止这个基础，生命也就停止微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 元素 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等 存在方式 有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素，降解产物、代谢中间产物 无机盐灰分 水细胞干重的70%90%微生物细胞的营养物质微生物细胞的营养物质 1.碳源（碳源（carbon source） 2.氮源（氮源（nitrogen source) 3.能源（能源（energy source) 4.生长因子（生长因子（growth

4、factor ) 5.无机盐无机盐(inorganic salt) 6.水水(water)微微 生生 物物 的的 碳碳 源源 被微生物利用来构成细胞物质或代谢产物中被微生物利用来构成细胞物质或代谢产物中碳架来源的营养物质碳架来源的营养物质 工业生产常用的碳源工业生产常用的碳源 微生物培养基配制常用碳源微生物培养基配制常用碳源微生物可利用的碳源微生物可利用的碳源1 糖类：糖类： 葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等素，木质素，等 有机酸：有机酸

5、： 乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等肪酸，氨基酸，等 醇类：醇类： 乙醇乙醇 脂类：脂类： 脂肪，磷脂脂肪，磷脂 微生物可利用的碳源微生物可利用的碳源2 烃类烃类 天然气，石油，石油馏分，石蜡油天然气，石油，石油馏分，石蜡油 co2 co2 碳酸盐碳酸盐 nahco3, caco3, 白垩，等白垩，等 其他其他 芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸，芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸，等等微微 生生 物物 的的 能能 源源 化能异养微生物：有机物（同碳源）化能异养微生物：有机物（同碳源） 化学物质化学物质 化能自养微生物

6、：还原态无机物化能自养微生物：还原态无机物 能源谱能源谱 （不同碳源）（不同碳源） nhnh4 4+ +,no,no2 2- -, s, h, s, h2 2s, hs, h2 2,fe,fe2+2+ 等等 光能：光能自养和光能异养微生物光能：光能自养和光能异养微生物能为微生物的生命活动提供最初能量来源的物质称为 能源（能源（ energy source ） 微微 生生 物物 的的 氮氮 源源 构成微生物细胞组成或代谢中氮素来源的营构成微生物细胞组成或代谢中氮素来源的营养物质养物质。 。 无机氮源：无机氮源：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等 气态氮源：气态氮源：大气大气n n2

7、 2 有机氮源：有机氮源：蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、 黄豆饼、花生饼等黄豆饼、花生饼等微生物的生长因子微生物的生长因子为某些微生物生长所必需、其自身又不能合成、需要为某些微生物生长所必需、其自身又不能合成、需要外源提供但需要量又很小的有机物质通称为外源提供但需要量又很小的有机物质通称为 生长因生长因子子 （ growth factor ） 狭义：维生素狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等 1).1).生长因子自养型微生物（生长因子自养型微生物（auxoautotrophsauxoautotrophs) ) 2)

8、.2).生长因子异养型微生物（生长因子异养型微生物（auxoheterotrophsauxoheterotrophs) )3).3).生长因子过量合成型微生物生长因子过量合成型微生物 4).4).营养缺陷型微生物（营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)nutritional deficiency)（ 1 ）生长因子自养型微生物）生长因子自养型微生物（ auxoautotrophs ） 多数真菌、放线菌和不少细菌，多数真菌、放线菌和不少细菌，如大肠杆菌（如大肠杆菌（ e. coli ）等，都是不）等，都是不需要外界提供的生长因子自养型微需要外界提供的生长因子自养型微生物

9、生物 。（ 2 ）生长因子异养型微生物）生长因子异养型微生物（ auxoheterotrophs ） 它们需要多种生长因子，例如一般的乳酸菌它们需要多种生长因子，例如一般的乳酸菌都需要多种维生素。根瘤菌生长需要生物素，都需要多种维生素。根瘤菌生长需要生物素，每每 ml 培养液中只需要培养液中只需要 0.006 m g ，就有显著，就有显著的促进生长作用。的促进生长作用。（ 3 ）生长因子过量合成型微生物）生长因子过量合成型微生物 有些微生物在其代谢活动中，会分泌出大量的有些微生物在其代谢活动中，会分泌出大量的维生素等生长因子，因而可以作为维生素等的生维生素等生长因子，因而可以作为维生素等的生产

10、菌。产菌。 例如生产维生素例如生产维生素 b 2 的阿舒假囊酵母的阿舒假囊酵母（ eremothecium ashbya ）或棉阿舒囊霉）或棉阿舒囊霉（ ashbya gossypii ），产维生素），产维生素 b 12 的谢氏的谢氏丙酸杆菌（丙酸杆菌（ propionibacterium shermanii ）及）及某些链霉菌某些链霉菌 ( streptomyces spp.) 等。等。（ 4 ） 营养缺陷型微生物营养缺陷型微生物（ nutritional deficiency ） 某些微生物的正常生长需要适量的一种某些微生物的正常生长需要适量的一种或几种氨基酸、维生素、碱基（或几种氨基酸、

11、维生素、碱基（ 嘌呤嘌呤 或或 嘧啶嘧啶 ）。）。 凡是不能合成上述各类物质中任何一种，凡是不能合成上述各类物质中任何一种，而需外源供给才能正常生长的，称为而需外源供给才能正常生长的，称为 营养营养缺陷型微生物缺陷型微生物 。某些微生物生长所需的生长因子微微 生生 物物 的的 无无 机机 盐盐微量元素与微生物生理功能微量元素与微生物生理功能无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能水水水在微生物机体中具有重要的功能，是维持微生物生命活动不可缺少的水在微生物机体中具有重要的功能，是维持微生物生命活动不可缺少的物质：物质： 水是微生物细胞的重要组成成分水是微生物细胞的重要组成成分: :它占微生物体湿重的

12、它占微生物体湿重的 70 90 ，水还供给微生物氧和氢两种元素。，水还供给微生物氧和氢两种元素。 水使原生质保持溶胶状态，保证了代谢活动的正常进行水使原生质保持溶胶状态，保证了代谢活动的正常进行: :当含水量当含水量减少时，原生质由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如同细菌芽减少时，原生质由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如同细菌芽孢。如原生质失水过多，引起原生质胶体破坏，可导致菌体死亡。孢。如原生质失水过多，引起原生质胶体破坏，可导致菌体死亡。 水是物质代谢的原料水是物质代谢的原料: :如一些加水反应过程，没有水将不能进行。如一些加水反应过程，没有水将不能进行。 水作为一种溶剂，能起到胞内物质

13、运输介质的作用水作为一种溶剂，能起到胞内物质运输介质的作用: :营养物质只有营养物质只有呈溶解状态才能被微生物吸收、利用，代谢产物的分泌也需要水的呈溶解状态才能被微生物吸收、利用，代谢产物的分泌也需要水的参与。参与。 水又是热的良好导体水又是热的良好导体: :因为水的比热高，故能有效地吸收代谢过程因为水的比热高，故能有效地吸收代谢过程中放出的热并将其迅速散发，以免胞内温度骤然升高，故而水能有中放出的热并将其迅速散发，以免胞内温度骤然升高，故而水能有效地控制胞内温度的变化。效地控制胞内温度的变化。 水的可利用性水的可利用性用水活度表示用水活度表示 水活度水活度w(water activity)=

14、p/po p: 溶液的蒸汽压溶液的蒸汽压 po:纯水的蒸汽压纯水的蒸汽压 在常温常压下，纯水的在常温常压下，纯水的aw为为1.00微生物生长所要求的微生物生长所要求的 a w 值，一般在值，一般在 0.660.99 之间，每一种微生物的生长都有一适应范围及最之间，每一种微生物的生长都有一适应范围及最适的适的 a w 值，并且这个值，并且这个 a w 值是相对恒定的。值是相对恒定的。 几种微生物生长的最适几种微生物生长的最适a aw w值值 微 生 物 a w 一般细菌 酵 母 菌霉 菌嗜盐细菌嗜盐真菌嗜高渗酵母 0.91 0.880.800.760.650.60 如果微生物生长环境的如果微生物

15、生长环境的 a w 值大于菌体值大于菌体生长的最适生长的最适 a w 值，细胞就会吸水膨值，细胞就会吸水膨胀，甚至引起细胞破裂。胀，甚至引起细胞破裂。反之，如果环境反之，如果环境 a w 值小于菌体生长的值小于菌体生长的最适最适 a w 值，则细胞内的水分就会外值，则细胞内的水分就会外渗，造成质壁分离，使细胞代谢活动受渗，造成质壁分离，使细胞代谢活动受到抑制甚至引起死亡。到抑制甚至引起死亡。人们为了抑制有害微生物生长，往往加人们为了抑制有害微生物生长，往往加人高浓度食盐或蔗糖，降低环境中的人高浓度食盐或蔗糖，降低环境中的 a w 值，使菌体不能正常生长，而达到长值，使菌体不能正常生长，而达到长

16、久保存食品的目的。久保存食品的目的。二、微生物吸收营养物质的机制二、微生物吸收营养物质的机制 简单扩散（简单扩散（simple diffusion) simple diffusion) 促进扩散（促进扩散（facilitated diffusionfacilitated diffusion） 主动吸收（主动吸收（active transportactive transport） 基团转位（基团转位（group translocation)group translocation)简简 单单 扩扩 散散 简单扩散（简单扩散（ simple diffusion ） 是一种最为是一种最为简单的营养物质

17、吸收进入细胞的方式。在简单简单的营养物质吸收进入细胞的方式。在简单扩散中，营养物质在扩散通过细胞膜的过程中扩散中，营养物质在扩散通过细胞膜的过程中不消耗能量，也不发生化学变化。不消耗能量，也不发生化学变化。 物质扩散的动力物质扩散的动力: : 膜内外的浓度差膜内外的浓度差 特点：特点： 不消耗能量不消耗能量 不发生化学变化不发生化学变化 非特异性。仅依膜上小孔的大小非特异性。仅依膜上小孔的大小 和形状对被扩和形状对被扩散的物质分子的大小和形状具有选择性散的物质分子的大小和形状具有选择性 被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、甘油和某些离子甘油和

18、某些离子促促 进进 扩扩 散散 促进扩散（促进扩散（ facilitated diffusion ）中，营养物质进入细胞）中，营养物质进入细胞的运输过程中，需要借助位于膜上的一种载体蛋白的参与，的运输过程中，需要借助位于膜上的一种载体蛋白的参与，并且每种载体蛋白只运输相应的物质。并且每种载体蛋白只运输相应的物质。 借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。 常见于真核微生物，如厌氧生活的酵母菌中。常见于真核微生物，如厌氧生活的酵母菌中。 特点：特点： 需

19、要特异性的载体蛋白需要特异性的载体蛋白 不消耗能量不消耗能量 可加快运输速度，但不能逆浓度运输可加快运输速度，但不能逆浓度运输物质运输促进扩散示意图物质运输促进扩散示意图主主 动动 吸吸 收收 主动运输（主动运输（ active transport ）：营养物质的运输）：营养物质的运输 过程需要消耗能量，并且可以逆浓度梯度运输。过程需要消耗能量，并且可以逆浓度梯度运输。 与促进扩散的重要区别是在促进扩散中载体蛋白与促进扩散的重要区别是在促进扩散中载体蛋白分子构型改变不需要能量，它在被运输物质与载体分子构型改变不需要能量，它在被运输物质与载体分子之间通过相互作用使其构型变化，从而完成营分子之间通

20、过相互作用使其构型变化，从而完成营养物质转运；但在主动运输中，载体分子构型变化养物质转运；但在主动运输中，载体分子构型变化以消耗能量为前提，因此主动运输是一个耗能过程。以消耗能量为前提，因此主动运输是一个耗能过程。 特点：特点： 有特异性的载体蛋白参与有特异性的载体蛋白参与 需要消耗能量需要消耗能量 可以逆浓度梯度运输可以逆浓度梯度运输 微生物的主要物质运输微生物的主要物质运输方式方式 微生物主动运输示意图微生物主动运输示意图基基 团团 转转 位位 基团转位（基团转位（ group transport ） 是一种既需要载体是一种既需要载体蛋白又需要消耗能量的物质运输方式。其与主动运蛋白又需要消

21、耗能量的物质运输方式。其与主动运输方式不同的是它有一个复杂的运输酶系统来完成输方式不同的是它有一个复杂的运输酶系统来完成物质的运输，同时底物在运输过程中发生化学结构物质的运输，同时底物在运输过程中发生化学结构变化。变化。 一种主动运输类型一种主动运输类型 需复杂的运输酶系参与需复杂的运输酶系参与 底物在运输过程发生化学变化底物在运输过程发生化学变化 主要存在于厌氧和兼性厌氧细菌中主要存在于厌氧和兼性厌氧细菌中 主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，如葡萄糖（见图）如葡萄糖（见图）葡萄糖通过基团转位葡萄糖通过基团转位 运输过程的化学反应运输过程的

22、化学反应 1）pep+hpr 酶酶i 磷酸磷酸hpr + 丙酮酸丙酮酸 2）磷酸磷酸hpr + 葡萄糖葡萄糖 酶酶ii 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 +hpr 基团转位运输葡萄糖示意图基团转位运输葡萄糖示意图微生物4种吸收营养机制的比较项目简单扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白 无有有有运输速度慢快快快物质运送方向 由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度相等相等内部浓度高内部浓度高运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要运送前后物质分子不变不变不变不变载体饱和效应 无有有有与物质类似物 无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送物资举例水、二氧化碳、硫酸根、磷酸根 氨

23、基酸、糖类、葡萄糖、果糖、氧、乙醇、盐类糖（真核生物）钠钙等离子嘌呤、核苷、少数氨基酸脂肪酸等三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型碳源：自养型碳源：自养型 （ autotroph ） 二氧化碳二氧化碳 异养型异养型 （ heterotroph ） 有机物有机物能量：化能营养型能量：化能营养型 (chemotroph) 光能营养型光能营养型 (phototroph) 供氢体：有机营养型供氢体：有机营养型 （ organotroph ） 无机营养型无机营养型 (lithotroph) 综合而言，微生物的营养类型可分为：综合而言，微生物的营养类型可分为：1.1.化能有机营养型微生物（化能异养型）

24、化能有机营养型微生物（化能异养型） 2.2.化能无机营养型微生物化能无机营养型微生物 （化能自养型）（化能自养型）3.3.光能无机营养型微生物光能无机营养型微生物 （光能自养型）（光能自养型）4.4.光能有机营养型微生物（光能异养型）光能有机营养型微生物（光能异养型）化能有机营养型微生物化能有机营养型微生物 以适宜的有机碳化合物为基本碳源，以有机物氧化过程中释放的化学能为能源，以有机物为供氢体进行生长的微生物通称为 化能有机营养型化能有机营养型 。又称为 化能异养型化能异养型 。 可分为：可分为： 寄生型微生物寄生型微生物寄生于活的生物体寄生于活的生物体 腐生型微生物腐生型微生物以死亡的生物有

25、机体为以死亡的生物有机体为营养原料营养原料 自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物生物化能无机营养型微生物化能无机营养型微生物 化能无机营养型化能无机营养型 又称又称 化能自养型化能自养型 。 这是一类这是一类能氧化某种还原态的无机物质，利用所释放的化学能氧化某种还原态的无机物质，利用所释放的化学能还原能还原 co 2 ，合成有机物质，进行生长、繁殖的，合成有机物质，进行生长、繁殖的微生物。微生物。 该类微生物的特点是能以该类微生物的特点是能以 co 2 作为生长的主要作为生长的主要碳源或唯一碳源，不需要有机养料；其所能利用的碳源或唯一碳源，不

26、需要有机养料；其所能利用的能源物质与供氢体均是无机性质的。例如硝酸细菌、能源物质与供氢体均是无机性质的。例如硝酸细菌、氢细菌、硫化细菌、硫化细菌、铁细菌等均属于化氢细菌、硫化细菌、硫化细菌、铁细菌等均属于化能无机营养型微生物。能无机营养型微生物。 例：例： 2 2nhnh3 3 + 2o + 2o2 2 2hno 2hno2 2 + 4h + 4h+ + + + 能量能量 coco2 2 + 4h + 4h+ + (ch (ch2 2o) + ho) + h2 2o o 光能无机营养型微生物光能无机营养型微生物 光能无机营养型光能无机营养型 又称为又称为 光能自养型光能自养型 。 这是一这是一

27、类含有光合色素、能以类含有光合色素、能以 co 2 作为唯一或主要作为唯一或主要碳源并利用光能进行生长的微生物。它们能以碳源并利用光能进行生长的微生物。它们能以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物，以及水作为供氢体，使物，以及水作为供氢体，使 co 2 还原成细胞还原成细胞物质。藻类、蓝细菌、绿硫细菌和紫硫细菌就物质。藻类、蓝细菌、绿硫细菌和紫硫细菌就属于这类微生物。属于这类微生物。 碳源碳源coco2 2为唯一或主要碳源为唯一或主要碳源 能源能源光能光能 供氢体供氢体hh2 2s s、nana2 2s s2 2soso3 3和其他无机硫化和其他无

28、机硫化物、水物、水 光能有机营养型微生物光能有机营养型微生物 光能有机营养型光能有机营养型 又可称为又可称为 光能异养型光能异养型 。 有少数含有光合色有少数含有光合色素的微生物种类，能利用光能为能源，还原素的微生物种类，能利用光能为能源，还原 co 2 合成细胞物合成细胞物质，同时又必须以某种有机物质作为光合作用中的供氢体，质，同时又必须以某种有机物质作为光合作用中的供氢体，因而被称为光能有机营养型。例如红螺菌属因而被称为光能有机营养型。例如红螺菌属（ rhodospirillum ）中的一些细菌，它们能利用异丙醇作为）中的一些细菌，它们能利用异丙醇作为供氢体，使供氢体，使 co 2 还原成

29、细胞物质，同时积累丙酮。光能异养还原成细胞物质，同时积累丙酮。光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因。型细菌在生长时大多数需要外源的生长因。 碳源碳源coco2 2 能源能源光光 供氢体供氢体必须以某种有机物作光合作用的供氢体必须以某种有机物作光合作用的供氢体 例：例：rhodospirillum rhodospirillum coco2 2 + 2ch + 2ch3 3chohchchohch3 3 (ch (ch2 2o) + o) + 2ch 2ch3 3cochcoch3 3 + h + h2 2o o 微生物的营养类型微生物的营养类型1划分依据划分依据 营养类型营养类型 特特

30、点点碳源碳源自养型（自养型（autotrophs）以以co2为唯一或主要碳源为唯一或主要碳源异养型（异养型（heterotrophs）以有机物为碳源以有机物为碳源能源能源光能营养型（光能营养型（phototrophs）以光为能源以光为能源化能营养型（化能营养型（chemotrophs）以有机物氧化释放的化学以有机物氧化释放的化学能为能源能为能源电子供体电子供体 无机营养型（无机营养型（lithotrophs）以还原性无机物为电子供以还原性无机物为电子供体体有机营养型（有机营养型（organotrophs） 以有机物为电子供体以有机物为电子供体微生物的营养类型微生物的营养类型 2营养类型营养类型

31、电子供体电子供体 碳源碳源能能 源源 例例 样样光能无机营光能无机营养型养型h2, h2s, s, h2o co2光能光能绿硫、紫硫绿硫、紫硫细菌，蓝细细菌，蓝细菌，藻类菌，藻类光能有机营光能有机营养型养型有机物有机物c o2 、有机物有机物光能光能红螺细菌红螺细菌化能无机自化能无机自养型养型s, h2, h2s, fe2+ ， nh3 ，或或no2- co2化学能（无化学能（无机物氧化）机物氧化）氢细菌，硫氢细菌，硫杆菌，铁细杆菌，铁细菌菌 ，硝化细硝化细菌，大多数菌，大多数产甲烷菌产甲烷菌化能有机异化能有机异养型养型有机物有机物 有机物有机物 化学能（有化学能（有机物氧化）机物氧化）大多数

32、微生大多数微生物，原生动物，原生动物物四、培四、培 养养 基基培养基培养基mediummedium： 是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质积累代谢产物的营养基质 培养基约有数千种，依据：培养基约有数千种，依据： 微生物种类不同，所需营养不同微生物种类不同，所需营养不同 使用目的不同使用目的不同 营养物质的来源不同营养物质的来源不同 培养基的物理状态不同培养基的物理状态不同培养基的培制原则培养基的培制原则 （一）、配制培养基的原则（一）、配制培养基的原则 1.1.选择适宜的营养物质选择适宜的营养物质 2.2.营养物质浓度及配比合适（营

33、养物质浓度及配比合适（c/nc/n） 3.3.控制控制phph条件条件 4.4.控制氧化还原电位（控制氧化还原电位（redoxredox potential potential） 5.5.原料来源的选择原料来源的选择 6.6.灭菌处理灭菌处理适宜营养物质的选择适宜营养物质的选择营养物质浓度及配比合适（营养物质浓度及配比合适（c/nc/n）碳氮比（碳氮比（c/nc/n）：培养基中碳元素与氮元素的）：培养基中碳元素与氮元素的 物质的量比值，有时也指培物质的量比值，有时也指培 养基中还原糖与粗蛋白之比。养基中还原糖与粗蛋白之比。 如谷氨酸发酵生产：如谷氨酸发酵生产： c/n=4c/n=4时菌体大量繁

34、殖，时菌体大量繁殖，gluglu积累少；积累少； c/n=3c/n=3时菌体繁殖受抑，时菌体繁殖受抑，gluglu大量积累。大量积累。控控 制制 ph ph 条条 件件 细菌细菌: : ph7.08.0 ph7.08.0 放线菌：放线菌：ph78.5 ph78.5 酵母菌酵母菌: : ph3.86.0 ph3.86.0 霉菌：霉菌： ph4.06.0ph4.06.0维持培养基维持培养基phph的方法的方法 使用磷酸缓冲剂：使用磷酸缓冲剂： k k2 2hpohpo4 4 /na/na2 2hpohpo4 4 : : khkh2 2popo4 4/nah/nah2 2popo4 4 采用采用“备

35、用碱备用碱” cacocaco3 3 、cahcocahco3 3 采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等 采用液氨或盐酸采用液氨或盐酸 控制氧化还原电位控制氧化还原电位（redox potential） 好氧微生物：好氧微生物：+0.1+0.1v v。一般。一般+0.3+0.4+0.3+0.4v v 厌氧微生物：厌氧微生物：+0.1+0.1以下以下 兼性微生物：兼性微生物：+0.1+0.1以上好氧呼吸；以上好氧呼吸；+0.1+0.1以以 下进行发酵下进行发酵 原料来源的选择原料来源的选择 经济节约原则经济节约原则 原料来源要广泛原料来源要广泛 原料要易处理，处理成本要低

36、原料要易处理，处理成本要低 原料处理后，废物、废液、废气要少原料处理后，废物、废液、废气要少 灭灭 菌菌 处处 理理高压蒸汽灭菌：高压蒸汽灭菌：1.051.05kg/cm2kg/cm2，121.5121.5，1530min1530min。 注意：高温灭菌对营养物质的破坏及注意：高温灭菌对营养物质的破坏及phph变化。变化。 不耐热物质的灭菌：不耐热物质的灭菌：115 115 ， 1530min1530min。 间歇灭菌间歇灭菌 （二）、培养基的类型及应用（二）、培养基的类型及应用根据组成分划分根据组成分划分 根据物理状态划分根据物理状态划分 根据使用用途划分根据使用用途划分按成分不同划分培养基

37、按成分不同划分培养基 天然培养基（天然培养基（complex medium;undefined complex medium;undefined medium) medium) ：指用化学成分并不十分清楚或化学成指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成培养基。分不恒定的天然有机物质配制而成培养基。 半合成培养基半合成培养基( (semi-defined medium)semi-defined medium)：指一类指一类主要用已知化学成分的试剂配制，同时又添加某些主要用已知化学成分的试剂配制，同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养基。未知成分的天然物质制备而成的培

38、养基。 合成培养基合成培养基( (synthetic medium; defined synthetic medium; defined medium)medium)：由化学成分完全了解的物质配制而成由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。的培养基。 根据物理状态划分培养基根据物理状态划分培养基 固体培养基：含琼脂固体培养基：含琼脂1.52% 半固体培养基：含琼脂半固体培养基：含琼脂0.20.7% 。这种培养这种培养基常分装于试管中灭菌后用于穿刺接种观察基常分装于试管中灭菌后用于穿刺接种观察被培养微生物的运动性、趋化性研究、厌氧被培养微生物的运动性、趋化性研究、厌氧菌培养、菌种保藏等。菌培养

39、、菌种保藏等。 液体培养基液体培养基：呈液体状态的培养基。无论在呈液体状态的培养基。无论在实验室还是生产实践中，液体培养基被广泛实验室还是生产实践中，液体培养基被广泛应用。应用。 培养基固化物琼脂与明胶的比较培养基固化物琼脂与明胶的比较按使用用途划分培养基按使用用途划分培养基 基础培养基基础培养基(minimum medium)(minimum medium)：含有一般微生物生长繁殖所需含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基称为基础培养基。基本营养成分的培养基称为基础培养基。 加富培养基加富培养基(enrichment medium)(enrichment medium)：指在基础培养

40、基中加入某些指在基础培养基中加入某些特殊需要的营养成分配制而成的营养更为丰富的培养基。加富培养特殊需要的营养成分配制而成的营养更为丰富的培养基。加富培养基一般用于培养对营养要求比较苛刻的微生物。基一般用于培养对营养要求比较苛刻的微生物。 鉴别培养基鉴别培养基(differential medium) (differential medium) ：用于鉴别不同微生物类型微用于鉴别不同微生物类型微生物的培养基称为鉴别培养基。鉴别培养基主要用于微生物的分类生物的培养基称为鉴别培养基。鉴别培养基主要用于微生物的分类鉴定和分离或筛选产生某种或某些代谢产物的微生物菌株。鉴定和分离或筛选产生某种或某些代谢产

41、物的微生物菌株。 选择培养基选择培养基(selective medium) (selective medium) ：用于从混杂的微生物群落中选用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基称为选择性培养基。择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基称为选择性培养基。 一一 些些 鉴鉴 别别 培培 养养 基基第第 二二 节节微微 生生 物物 的的 代代 谢谢 microbial metabolism微生物的代谢微生物的代谢 一、一、能量代谢中的贮能与递能分子能量代谢中的贮能与递能分子 二、微生物的主要产能方式二、微生物的主要产能方式 三、化能异养代谢中糖的降解三、化能异养代谢中

42、糖的降解 四、微生物合成细胞物质四、微生物合成细胞物质 五、次级代谢产物五、次级代谢产物产能代谢与分解代谢产能代谢与分解代谢 产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。 化学上，物质加氧、脱氢、失去电子被定义为化学上，物质加氧、脱氢、失去电子被定义为氧化，而反之则称为还原。氧化，而反之则称为还原。 发生在生物细胞内的氧化

43、还原反应通常被称为发生在生物细胞内的氧化还原反应通常被称为生物氧化。生物氧化。 微生物的产能代谢微生物的产能代谢微生物的产能代谢即是细胞内化学物质经过一系列微生物的产能代谢即是细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程。氧化过程。 营养物质分解代谢释放的能量，一部分通过合成营养物质分解代谢释放的能量，一部分通过合成atpatp等高能化合物而被捕获，另一部分能量以电子与等高能化合物而被捕获，另一部分能量以电子与质子的形式转移给一些递能分子如质子的形式转移给一些递能分子如nadnad、nadpnadp、fmnfmn、fa

44、dfad等形成还原力等形成还原力nadhnadh、nadphnadph、fmnhfmnh和和fadhfadh，参与，参与生物合成中需要还原力的反应，还有一部分以热的生物合成中需要还原力的反应，还有一部分以热的方式释放。另有一部分微生物能捕获光能并将其转方式释放。另有一部分微生物能捕获光能并将其转化为化学能以提供生命活动所需的能量。化为化学能以提供生命活动所需的能量。 种类繁多的微生物所能利用的能量有两类：一是种类繁多的微生物所能利用的能量有两类：一是蕴含在化学物质（营养物）中的化学能，二是光能。蕴含在化学物质（营养物）中的化学能，二是光能。微生物产能途径与方式微生物产能途径与方式微生物产能代谢

45、具有丰富的多样性，但可归纳为两微生物产能代谢具有丰富的多样性，但可归纳为两类途径和三种方式，即发酵、呼吸（含有氧呼吸和类途径和三种方式，即发酵、呼吸（含有氧呼吸和无氧呼吸）两类通过营养物分解代谢产生和获得能无氧呼吸）两类通过营养物分解代谢产生和获得能量的途径。量的途径。 通过底物水平磷酸化（通过底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）、氧化磷酸化）、氧化磷酸化(oxidation phosphorylation)也称电子转移磷酸化也称电子转移磷酸化(electron transfer phosphorylation)和光合磷酸化和光合磷酸化(photo-

46、phosphorylation)三种化能与光能转换为生物通用能三种化能与光能转换为生物通用能源物质（源物质（atp）的转换方式。）的转换方式。 一、一、能量代谢中的贮能与递能分子能量代谢中的贮能与递能分子在与分解代谢相伴随的产能代谢中，起捕获、贮在与分解代谢相伴随的产能代谢中，起捕获、贮存和运载能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三存和运载能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三磷酸，简称腺苷三磷酸（磷酸，简称腺苷三磷酸（adenosine triphosphate, 即即atp）。）。atp是由是由adp（腺苷（腺苷二磷酸）和无机磷酸合成的。二磷酸）和无机磷酸合成的。atp、adp和无机磷酸广泛存在于细胞

47、内，起着和无机磷酸广泛存在于细胞内，起着储存和传递能量的作用。因此储存和传递能量的作用。因此,也称为能量传递也称为能量传递系统（系统（energy-transmitting system）。）。atp atp atp结构结构atp在细胞中的功能在细胞中的功能 提供生物合成所需的能量。在生物合成过程中，提供生物合成所需的能量。在生物合成过程中，atp将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，例如氨将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，例如氨基酸，使这些元件活化，处于较高能态，为进一步装配成基酸，使这些元件活化，处于较高能态，为进一步装配成生物大分子蛋白质等作好准备。生物大分子蛋白质等作好准备。

48、是为细胞各种运动（如鞭毛运动等）提供能量来源。是为细胞各种运动（如鞭毛运动等）提供能量来源。 为细胞提供逆浓度梯度跨膜运输营养物所需的自由为细胞提供逆浓度梯度跨膜运输营养物所需的自由能。能。 在在dna、rna、蛋白质等生物合成中，保证基因信、蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，息的正确传递，atp也以特殊方式起着递能作用等等。也以特殊方式起着递能作用等等。 在细胞进行某些特异性生物过程如固定氮素时提供在细胞进行某些特异性生物过程如固定氮素时提供能量。能量。 烟酰胺辅酶烟酰胺辅酶nadnad与与nadpnadp烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideaden

49、ine dinucleotide, nad，辅酶，辅酶i）和烟酰胺腺嘌呤二核苷）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotidephosphate, nadp，辅酶，辅酶）为物质与能量代谢中起重要作用）为物质与能量代谢中起重要作用的脱氢酶的辅酶的脱氢酶的辅酶 作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化-还原还原反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。 其氧化形式分别为其氧化形式分别为nad和和nadp，在能量代谢，在能量代谢氧化途径中作电子受体。还原形式为

50、氧化途径中作电子受体。还原形式为nadh和和nadph，在能量代谢还原途径中作电子供体，在能量代谢还原途径中作电子供体 烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态黄素辅酶黄素辅酶fmnfmn与与fadfad黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, fmn）和黄）和黄素腺嘌呤二核苷酸（素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，fad）是核黄素）是核黄素(riboflavin，即维生素，即维生素b2 )在生物体在生物体内的存在形式，是细胞内一类称为黄素蛋白的氧化内的存在形式，是细胞内一类称为黄素蛋白的氧化还原酶的辅基

51、，因此也称为黄素辅酶。还原酶的辅基，因此也称为黄素辅酶。 核黄素是核醇与核黄素是核醇与7, 8-二甲基异咯嗪缩合物。二甲基异咯嗪缩合物。 由于在异咯嗪的由于在异咯嗪的1位和位和5位位n原子上具有两个活泼的原子上具有两个活泼的双键，故易发生氧化还原反应。因此，它有氧化型双键，故易发生氧化还原反应。因此，它有氧化型和还原型两种形式和还原型两种形式， fmn和fad的分子结构fad和和fmn的氧化还原构型的氧化还原构型黄素辅酶的生理功能黄素辅酶的生理功能 黄素辅酶与许多不同的电子受体和供体黄素辅酶与许多不同的电子受体和供体一起，通过一起，通过3 3种不同的氧化还原状态参与种不同的氧化还原状态参与电子

52、转移反应，在细胞的物质与能量代电子转移反应，在细胞的物质与能量代谢的氧化还原过程中发挥传递电子与氢谢的氧化还原过程中发挥传递电子与氢的功能，促进糖、脂肪和蛋白质的代谢。的功能，促进糖、脂肪和蛋白质的代谢。分解代谢和合成代谢的关系分解代谢和合成代谢的关系 酶的组成与分类酶的组成与分类 单聚体蛋白单聚体蛋白 酶蛋白酶蛋白 寡聚体蛋白寡聚体蛋白:谷酰胺合成酶谷酰胺合成酶 多聚体蛋白多聚体蛋白:丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 酶酶 辅基辅基: 血红素血红素 辅因子辅因子 辅酶辅酶: nad, fad, 生物素等生物素等 激活剂激活剂: 金属离子金属离子 胞内酶胞内酶 酶酶 胞外酶胞外酶 二、微生物主要产能途

53、径与方式二、微生物主要产能途径与方式( (一一) )发酵发酵( (fermentation) fermentation) ( (二二) )呼吸呼吸( (respiration) respiration) ( (三三) ) 光能转换光能转换( (photophotoconversion)conversion)（一）（一） 发发 酵酵广义的发酵:指微生物在有氧或无氧条件下利用营养物生长繁殖并生产人类有用产品的过程。 狭义的发酵:仅仅是指微生物生理学意义上的，它一般是指微生物在无氧条件下利用底物代谢时，将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给底物本身未彻底氧化的中间产物，生成代谢产物并释放能量的过

54、程。化能异养代谢中糖的降解化能异养代谢中糖的降解（一）葡萄糖降解，形成丙酮酸的途径（一）葡萄糖降解，形成丙酮酸的途径 1.emp1.emp途径途径（embden-meyerhof-parnasembden-meyerhof-parnas pathway) pathway) 2.hmp2.hmp途径途径（hexose monophospatehexose monophospate pathway) pathway) 3.ed3.ed途径途径( (entner-doudoroffentner-doudoroff) ) 4.wd4.wd途径途径 emp途径（二磷酸己糖途径） emp途径是绝大多数生物

55、所共有的基本代谢途途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，谢途径。在有氧条件下， emp途径与途径与tca途径连途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成02和和h2o。在。在无氧条件下，丙酮酸进一步代谢后产生乳酸或乙醇无氧条件下，丙酮酸进一步代谢后产生乳酸或乙醇等发酵产物。等发酵产物。 emp 途径以途径以 1 分子葡萄糖为起始底物，历经分子葡萄糖为起始底物，历经 10 步反应，产生步反应，产生 4 分子分子 atp ，由于在反应的第一阶，由于在反应的第一阶段

56、消耗段消耗 2 分子分子 atp ，故净得，故净得 2 分子分子 atp ；同时；同时生成生成 2 分子分子 nadh 2 和为分子丙酮酸。和为分子丙酮酸。 emp途径即可为微生物提供能量，也可为微生途径即可为微生物提供能量，也可为微生物合成代谢提供碳架，并在一定条件下可逆合成多物合成代谢提供碳架，并在一定条件下可逆合成多糖。糖。hmphmp途径途径 （单磷酸己糖途径，磷酸（单磷酸己糖途径，磷酸戊糖途径戊糖途径-ppp-ppp途径途径） 是从 6- 磷酸葡萄糖为起始底物，即在单磷酸己糖基础上开始降解，故称为单磷酸己糖途径，简称为 hmp 途径。 hmp 途径与 emp 途径密切相关，因为 hm

57、p 途径中的 3- 磷酸甘油醛可以进入 emp ，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。 hmphmp途径的一个循环的最终结果是一分子葡糖途径的一个循环的最终结果是一分子葡糖6磷酸转变成一分子甘油醛磷酸转变成一分子甘油醛3磷酸，三分子磷酸，三分子co2和六分子和六分子nadph。 大多数好氧和兼性厌氧微生物都有大多数好氧和兼性厌氧微生物都有hmp途径，途径，而且，在同一种微生物中往往同时存在而且，在同一种微生物中往往同时存在emp和和hmp途径，单独具有途径，单独具有emp或或hmp途径的微生物较途径的微生物较少。少。hmp 途径的生理功能主要有： 为生物合成提供多种碳骨架。 5- 磷酸核糖可以合成

58、嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步合成核酸， 5- 磷酸核糖也是合成辅酶 nad （ p ）， fad （ fmn ）和 coa 的原料， 4- 磷酸赤癣糖是合成芳香族氨基酸的前体。 hmp 途径中的 5- 磷酸核酮糖可以转化为 1 ， 5- 二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌和化能自养菌具有重要意义。 为生物合成提供还原力（ nadph 2 ）。 ed途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖裂解途径 ） 在这一途径中， 6- 磷酸葡萄糖先脱氢产生 6- 磷酸葡萄糖酸，后在脱水酶和醛缩酶的作用下，生成 1 分子 3- 磷酸甘油醛和 1 分子丙酮酸。 3- 磷酸甘油醛随后进人 emp

59、 途径转变成丙酮酸。 1 分子葡萄糖经 ed 途径最后产生 2 分子丙酮酸，以及净得各 1 分子的 atp 、 nadph 2 和 nadh 2 。 由于ed途径可与emp途径、hmp途径和tca循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。 ed途径可不依赖于emp途径、hmp途径而独立存在。在g-菌中分布广泛，特别是假单胞菌和固氮菌中的一些ed 途径的特点是：途径的特点是： 2- 酮酮 -3- 脱氧脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（ kdpg ）裂）裂解为丙酮酸和解为丙酮酸和 3- 磷酸甘油醛是有别于其它途径的磷酸甘油醛是有别于其它途

60、径的特征性反应。特征性反应。 2- 酮酮 -3- 脱氧脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶是磷酸葡萄糖酸醛缩酶是 ed 途径特有的酶。途径特有的酶。 ed 途径中最终产物，即途径中最终产物，即 2 分子丙酮酸，其来分子丙酮酸，其来历不同。历不同。 1 分子是由分子是由 2- 酮酮 -3- 脱氧脱氧 -6- 磷酸葡萄磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另糖酸直接裂解产生，另 1 分子是由磷酸甘油醛经分子是由磷酸甘油醛经 emp 途径获得。这途径获得。这 2 个丙酮酸的羧基分别来自葡个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一与第四位碳原子。萄糖分子的第一与第四位碳原子。 1mol 葡萄糖经葡萄糖经 ed 途径只产生