微生物生理的学习课件

微生物生理的学习课件第1页/共79页三、微生物生理1.微生物的营养2.微生物的生长3.微生物的代谢与遗传变异第2页/共79页第一节微生物的营养一、微生物的化学组成微生物细胞的化学成分以有机物和无机物两种形式存在。有机物包含蛋白质、核酸、类脂和糖类，占细胞干重的99%，无机物包含各种离子，占干重1%。①C、H、O、N、P、S等元素，含量相对较多，占97%②K、Mg、Mn、Ca、Fe等，含量较少，占2%③Co、Cu、Zn、Mo、Ni等，为微量元素，占1%微生物所含十大元素为：C、O、H、N、S、P、K、Fe、Ca、Mg第3页/共79页生物物质的分类：1.多糖类物质2.蛋白质3.核酸4.脂肪5.其它化合物6.水第4页/共79页二、微生物的营养需求1.碳源在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质为碳源。注：大多数细菌，所有放线菌和真菌是以有机碳化合物作为碳源。微生物利用碳源极广，从简单无机碳化合物到复杂有机碳化合物都能被微生物所利用。最好的碳源是葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖和淀粉；其次是有机酸、醇和脂类。注：单糖优于双糖；己糖优于戊糖；淀粉优于纤维素。第5页/共79页自养型微生物只能利用co2或碳酸盐为唯一碳源，所需能源来自光能或无机物氧化过程中释放的化学能。可以根据微生物对碳源的利用情况作为分类的依据。第6页/共79页2.氮源凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质为氮源。氮源一般不提供能量注：微生物对氮源的利用具有选择性。在自然界中，从分子态氮到复杂有机含氮化合物均可作为氮源。如：尿素、蛋白质等及其降解物。第7页/共79页3.无机盐P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe、Ni、Co、Cu、Mn等。浓度在10-4～10-3mol/L的为大量元素，如：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等；浓度在10-8～10-6mol/L的为微量元素，如：Ni、Co、Cu、Mn、Mo、Zn等。第8页/共79页生理功能：1.提供微生物细胞化学组成中的重要元素，如P和S分别为核酸和含硫氨基酸的重要组成元素2.参与并稳定微生物细胞的结构，如P参与磷脂双分子层，Mg有稳定核糖体和细胞膜的作用3.与酶的组成和活力有关，如Fe是细胞色素氧化酶的必要组分，Cu、Zn是许多酶的激活剂4.调节和维持微生物生长过程中诸如渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等生长条件5.可作为某些化能自养细菌的能源物质6.可作为呼吸链末端的氢受体第9页/共79页4.生长因子（在培养基补充的微量有机营养物质）生长因子包括：维生素、嘌呤与嘧啶三大类。主要作用：作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢。第10页/共79页5.水ⅰ.水是微生物细胞的主要化学成分，是营养物质和代谢的良好溶剂，是细胞中各种生化反应的介质。ⅱ.水比热容高，良好导体，维持恒温，且有利于生物大分子结构的稳定。ⅲ.微生物生长的环境中水的有效性常以水活动值表示（αw）指一定压力下，溶液蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即αw=Pw/PwO式中：Pw-溶液蒸气压力PwO-纯水蒸气压力纯水αw=1.00，溶液中溶质越多，αw越小，微生物一般在αw为0.60～0.99条件下生长。第11页/共79页几类微生物生长最适αw：一般细菌αw=0.91；酵母菌αw=0.88；霉菌αw=0.80；嗜盐细菌αw=0.76；嗜盐真菌αw=0.65；嗜高渗酵母αw=0.60第12页/共79页三、微生物的营养类型营养类型能源氢供体基本碳源微生物举例光能无机营养（光能自养型）光无机物二氧化碳蓝细菌、绿色硫细菌、藻类光能有机营养（光能异养型）光有机物二氧化碳及简单有机物紫色非硫细菌化能无机营养（化能自养型）无机物无机物二氧化碳硝化细菌、氢细菌、硫化细菌化能有机营养（化能异养型）有机物有机物有机物多数细菌、全部真菌、全部放线菌、全部原生动物第13页/共79页1.光能自养型利用光作为能源，以二氧化碳作为基本碳源，以某些还原态的无机化合物（水、硫化氢等）作为供氢体还原二氧化碳的微生物。

光合作用还原剂可为H2O、H2S、Na2S2SO3、CH3CH2OH等藻类、蓝细菌：光能

CO2+H2O[CH2O]+O2

叶绿素第14页/共79页光合细菌：光能

CO2+2H2S[CH2O]+H2O+2S

菌绿素（厌氧）绿色硫细菌、紫色硫细菌光能自养型生物生命活动受到环境中供氧水平、CO2、无机氮、S、磷化合物、微量元素浓度、光照强度、渗透压、pH值等条件的控制。第15页/共79页2.化能自养型（细菌）

以二氧化碳为碳源，利用无机化合物如铵、亚硝酸盐、硫化氢、铁离子等氧化过程中释放出的能量进行生长的微生物。

主要类群有：硫细菌、硝化细菌、铁细菌等。它们的生长需要在有氧条件下进行。产甲烷菌大多能自养生活，它们以氢气作为能源，以二氧化碳作为碳源生长，产物是甲烷，我们称之为厌氧化能自养细菌。

化能自养菌的能源物质有还原态的硫和氮化合物、Fe2+、氢及甲烷、甲醇等一碳化合物。以CO2为主要碳源，能氧化NH3、H2S等无机物。此类微生物类群有：硝化细菌、硫化细菌、氢细菌与铁细菌。第16页/共79页3.光能异养型（红螺属）

以光为能源，以有机碳化合物（甲酸、乙酸、甲醇、异丙醇等）作为碳源和氢供体进行光合作用而生长繁殖的微生物。它们需要有机化合物，所以不同于利用无机化合物二氧化碳作为唯一碳源的自养型光合细菌。

注：用此类生物处理高浓度有机废水效果好。第17页/共79页4.化能异养型（多数细菌、全部真菌、全部放线菌、全部原生动物）它们以有机碳化合物作为碳源和能源。如果微生物的食物是来自死亡或腐烂的动植物尸体，就称其为腐生微生物。如果其生长必须从活细胞或组织中获得营养物质的，则称之为寄生微生物，例如病毒、衣原体、立克次氏体等。有些微生物是腐生、寄生兼而有之，例如结核杆菌就是一种以腐生为主，兼营寄生的细菌。

注：是自然环境中有机污染物最重要的净化者第18页/共79页四、微生物的培养基培养基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物质。无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。第19页/共79页1.配制培养的原则①根据各种微生物的营养需要，配置不同的培养基；②各种营养物质的浓度及配比要适当；第20页/共79页③理化条件要适宜；控制pH值：一般细菌和放线菌适于在pH值为7.0～7.5范围生长，而酵母菌和霉菌在pH值为4.5～6.0范围内生长。为了维持培养基中pH值相对稳定，应加入缓冲剂，常用的缓冲剂有K2HPO4和KH2PO4。乳酸菌大量产酸，缓冲系统难以起作用，可加CaCO3加以调节。第21页/共79页控制氧化还原电位（Φ）：好养性微生物Φ>+0.1V，0.3～0.4V为宜。厌氧性微生物Φ<+0.1V兼性厌氧微生物在+0.1V以上时为好养呼吸，在+0.1V以下为厌氧呼吸。在pH值相对稳定条件下：ⅰ.增加通气量（如振荡培养、搅拌）提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加Φ值；ⅱ.在培养基中加入抗坏血酸、H2S等还原性物质降低Φ值；第22页/共79页④应用价格低廉、来源丰富的原料；⑤培养基应无菌。高压蒸气灭菌，1.05㎏/㎝2，121.3℃，15～30min（20分钟左右最佳）注：在配制培养基过程中，泡沫的存在对灭菌不利，因泡沫中的空气形成隔热层，使泡沫中微生物难以被杀死。因而应加入消泡剂减少泡沫的产生，或适当提高灭菌温度。第23页/共79页2.培养基的类型①按培养基组分来源分：天然培养基：细菌培养基（牛肉膏蛋白胨培养基）合成培养基：放线菌培养基（高氏1号培养基）②按物理状态分：液体培养基、固体培养基、半固体培养基。琼脂熔点、凝固点、pH第24页/共79页③按用途分：基础培养基、加富培养基、

鉴别培养基、选择培养基④按生产目的分：种子培养基、发酵培养第25页/共79页Ⅰ.当新陈代谢中同化作用的速度超过异化作用时，细胞原生质总量不断增加，体积不断增大，这种现象为生长。Ⅱ.但单细胞微生物生长到一定程度时，母细胞开始分裂，形成两个基本相同的子细胞，导致微生物个体数目的增加，称为繁殖。注：微生物生长情况可通过测定单位时间里微生物数量的变化来评价。通过测定数量可以评价培养条件、营养物质等对微生物生长的影响，或客观地反映微生物生长的规律。第二节微生物的生长第26页/共79页一、微生物生长的测量1.测定微生物的总数①显微镜直接计数法：（包括活菌和死菌）用特定的细菌计数器或血球计数板在显微镜下直接计数。（常用于酵母菌）具体方法如下：载玻片制成计数板，上有一个1mm×1mm×1mm的计数室。在1mm2面积里刻划25个（或16个）中格，每个中格划分成16个（或25个）小格，计数室都是由400个小格组成。将稀释样品滴在计数板上，盖上盖玻片，计算4～5个小格细菌数，取平均值。每毫升原液所含细菌数=每小格平均细菌数×400×1000×稀释倍数第27页/共79页②比浊法原理：在一定浓度范围内，菌悬液的微生物细胞浓度与浑浊度成正比，即与光密度成正比，与透光度成反比。菌数越多，光密度越大，透光量越低。因而可借助分光光度计，在一定波长下，测定菌悬液的光密度。

由于细胞浓度尽在一定范围内与光密度成直线，因此待测均悬液的细胞浓度不易过高或过低，培养液的色调不易过深，颗粒性杂质尽量减少。

注意：比浊法常用于观察和控制在培养过程中微生物菌数的消长情况，如细菌生长曲线的测定和发酵罐中细菌生长量的控制等第28页/共79页③Coulter计数法：利用细胞通过微孔时引起电流脉冲自动计数。④膜过滤法：适用于细胞总数小于106个／ｍl情况第29页/共79页２．测定活菌总数通常活菌计数是通过活的细胞在有利条件下产生出的菌落数来确定的。一个菌落通常由一个菌体生成。①平板计数法（准确，但所需时间长）第30页/共79页②薄膜过滤计数法（适用于检测含菌量很少的液态样品）以上两种方法具体操作如下：

将待测样品经一系列10倍稀释，然后选择三个平行样0.2mL放入无菌平皿，再倒入已熔化并冷至45℃左右的培养基，与菌液混匀，冷却、待凝固后，放入培养箱培养每毫升原菌液活菌数=统一稀释度三个以上重复平皿菌落平均数×稀释倍数×5③最近似法（常用于食品和水的卫生检测）第31页/共79页3.测定细胞物质量①称量法：离心或过滤后收取菌体于105℃烘干测出干重②含N测定法：蛋白质含氮量占16%，细菌中蛋白质含量占细菌的50%～80%一般取65%

细菌总量=(含氮量÷16%)÷65%=蛋白质总量×1.54③DNA测定法第32页/共79页二、微生物群体生长规律1.细菌的生长个体生长：微生物个体小，不容易研究。个体生长包括：细胞结构的复制与再生；细胞的分裂与控制；DNA的复制和分离。培养方法：连续培养、分批培养第33页/共79页①连续培养：在微生物的整个培养期间，通过一定的方式使微生物能以恒定速率生长并持续下去的一种培养方法。营养物质的消耗和代谢产物的积累是导致微生物生长停止的原因。在微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物是实现微生物连续培养的基本原则。第34页/共79页②分批培养：将少量的微生物接种到一定体积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下，微生物生长、繁殖。营养物质越来越少，而代谢产物不断积累，直到最后养分耗尽导致生长停止和机体的死亡。第35页/共79页2.细菌生长曲线（以细菌纯种培养为例）将少量细菌接种到一定量的新鲜液体培养基中，在适宜的条件下培养，定时取样测定细菌数目，以培养时间为横坐标，以细菌数目对数为纵坐标，绘制成曲线图，即为细菌的生长曲线。第36页/共79页①延迟期产生原因：微生物接种到新环境中，暂时缺乏足够能量和必需生长因子；“种子”老化或未充分活化，接种时造成损伤等。特点：不立即分裂、细菌数目维持恒定，可能减少，但个体较大，RNA和蛋白质含量增加，易产生诱导酶，细胞内合成代谢活跃，对外界不良环境抵抗力有所下降。延迟期长短随菌种特性、接种量、菌龄和培养条件的不同而不同。第37页/共79页采取如下措施缩短延迟期：ⅰ.通过遗传学方法改变种的遗传特性使之缩短；ⅱ.利用对数生长期细胞作为种子；ⅲ.调节培养基的理化性质，接种前后培养基成分不要相差太大；ⅳ.扩大接种量使之缩短。第38页/共79页②对数期（获取菌种和科研材料）特点：以最大速率分裂（分裂最快）、个体整齐、健壮、代谢作用旺盛，酶活性高而稳定，大小一致，生活力强，广泛地在生产上作“种子”和在科研上作为理想试验材料。第39页/共79页③稳定期（发酵产物的最佳收获期）特点：细胞由于营养物质消耗、代谢产物积累和pH等环境变化，繁殖速度逐渐下降，细胞死亡数目逐渐上升，当细胞繁殖增加数目和死亡数目相等时，生物群体达到动态平衡，细菌数目不在增加，这时细菌总数达到最大值并恒定一段时间。

备注：可通过连续培养来延长稳定期在此阶段，细菌存储营养物。稳定期的长短与菌种和环境条件有关第40页/共79页④衰亡期（内源呼吸阶段或内源代谢阶段）特点：由于营养物质缺乏，代谢产物和有毒物质的积累，细胞分裂由缓慢而停止，细胞死亡率增加。第41页/共79页3.理化因子对微生物生长的影响①温度最适温度、最低温度、最高温度、致死温度（10min）嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌、嗜超热菌②pH值（4.0～9.0）不同微生物要求不同微生物代谢活动会改变环境pH值，所以培养基中往往需要加入缓冲剂

③氧好氧、厌氧、兼性好氧等三大群微生物。第42页/共79页4.消毒与灭菌两者概念①物理法a.干热灭菌火焰烧灼灭菌干热灭菌b.湿热灭菌高压蒸汽灭菌应用广泛，缺点常压蒸汽灭菌第43页/共79页c.消毒巴氏消毒法煮沸消毒法d.紫外线灭菌空气消毒表面消毒第44页/共79页②化学法消毒剂具备的条件作用机理典型事例第45页/共79页第三节微生物的代谢与遗传变异一、微生物的代谢（同化作用和异化作用）Ⅰ.新陈代谢：活细胞中进行的所有生化反应的总称。Ⅱ.同化作用（合成代谢）：微生物把从环境中摄取的物质，经一系列的生物化学反应转变为自身物质的过程。储存能量Ⅲ.异化作用（分解代谢）：微生物将自身的各种复杂有机物转变为简单化合物的过程。释放能量第46页/共79页分解代谢分为三个阶段：第一阶段：将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质。第二阶段：将氨基酸、单糖及脂肪酸进一步降解为更简单的丙酮酸及进入三羧酸循环的某些中间产物，产生ATP、NADH、FADH2。第三阶段：通过TCA循环将以上产物完全降解为CO2、并产生ATP、NADH、FADH2。

通过电子传递链被氧化，产生大量ATP第47页/共79页1.酶（活细胞内合成的生物催化剂）各种污水和固体废物的生物处理，实际上就是利用处理系统中的微生物，将污水中的各种污染物代谢、分解、从而净化水体。微生物降解污染物是通过一系列生化反应实现的，这些反应必须在各种酶的催化下才能完成。⑴酶催化特征催化效率高酶催化活性易受环境变化的影响酶催化作用具有高度专一性酶催化活性可被调节控制第48页/共79页⑵酶的分类a.按酶蛋白的分子组成：单酶和全酶单酶只含蛋白质；全酶由酶蛋白和非蛋白质的辅助因子组成。与酶蛋白结合较紧的辅助因子叫辅基；与酶蛋白结合较松的辅助因子叫辅酶。酶蛋白的作用：加速生物化学反应辅基、辅酶的作用：起传递电子、原子、化学基团的作用。第49页/共79页b.按催化反应的类型，酶分为六类①氧化还原酶类：催化底物氧化还原的酶；氧化酶类脱氢酶类②转移酶类：催化底物的基团转移到另一有机物上的酶；③水解酶类：催化大分子有机物水解反应的酶；④裂解酶类：催化有机物裂解为小分子有机物的酶；⑤异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列的酶；⑥合成酶类：催化底物的合成反应。第50页/共79页c.按酶存在于细胞的不同部位可分为胞内酶和胞外酶胞内酶：固定在细胞内部不能向外分泌的酶胞外酶：少数可分泌到细胞外的酶，如纤维素、蛋白、淀粉、脂肪水解酶第51页/共79页d.结构酶和诱导酶结构酶（固有酶）：绝大多数酶存在于细胞中的一定部位，推动细胞的物质变化诱导酶：并非细胞固有，但在一定条件下可诱导产生。驯化作用第52页/共79页⑶影响酶促反应的因素凡在酶参与下发生的化学反应均为酶促反应酶浓度见图底物浓度见图温度：中温（25～60℃），温度增加10℃，反应速度提高1～2倍pH值：一般在6～8酶的抑制剂：凡能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质；酶的激活剂：凡能加强、提高酶活性的物质；（无机阳离子、无机阴离子和有机化合物）第53页/共79页2.微生物的呼吸作用与产能代谢实质：细胞内物质的分解、氧化和释放能量的过程，是新陈代谢的异化作用。在呼吸过程中，释放的能量主要储存扎起ATP中，未被储存的能量则以热量的形式散发掉。备注：ATP是能量库，ADP是能量载体。根据受氢过程中最终氢受体性质的不同，呼吸类型分为发酵、有氧呼吸和无氧呼吸。第54页/共79页⑴发酵（厌氧或兼性厌氧微生物在缺氧条件下获得能量的方式）发酵是指在厌氧条件下，底物脱氢后所产生的H+不经过呼吸链而直接交给中间代谢产物的一类低效产能反应，一般以有机物作为最终电子受体。可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸，葡萄糖最为重要第55页/共79页糖酵解：生物体内葡萄糖被降解成为丙酮酸的过程途径包括：EMP、HMP、ED、磷酸降酮酶等糖酵解途径（EMP）可分为两个阶段：第一阶段：生成两分子中间代谢产物甘油醛-3-磷酸第二阶段：合成ATP并形成两分子丙酮酸C6H12O6+2ATP+2Pi+2NAD+CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+第56页/共79页发酵类型：1.乙醇发酵（酵母菌）根酶、曲霉和某些细菌C6H12O6+2ADP+2H3PO4

2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O2.乳酸发酵（乳酸细菌和某些芽孢杆菌）C6H12O6+2ADP2C3H6O3+2ATP+2H2O3.丁酸发酵（某些专性厌氧菌）第57页/共79页⑵有氧呼吸（以O2作为最终电子受体）产能效率高有氧呼吸：以分子态氧（O2）作为最终电子受体，将底物全部氧化成CO2和H2O，并产生ATP的呼吸作用。以葡萄糖为例：1.在微生物有氧呼吸过程中，葡萄糖先经过EMP途径降解为丙酮酸；2.丙酮酸经氧化脱羧生成乙酰辅酶A(CoA);3.CoA经TCA循环被彻底氧化成CO2和H2O。C6H12O6+6O2+38H3PO46CO2+6H2O+38ATP第58页/共79页有养呼吸可分为：外源性呼吸：利用外界供给的能源进行呼吸；内源性呼吸：利用自身内部贮存的能源物质进行呼吸；有氧呼吸能否进行，取决于氧的浓度能否达到0.2%，当氧浓度低于0.2%，有氧呼吸不能发生。第59页/共79页⑶无氧呼吸（以氧化型化合物作为电子受体）

厌氧或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。以NO3-作为最终电子受体（假单胞菌属和某些芽孢杆菌属）；以SO4-作为最终电子受体（普通脱硫弧菌）；以CO2和CO作为最终电子受体（产甲烷菌）。第60页/共79页二、微生物的遗传变异遗传性：在适宜的环境条件下，通过代谢和发育使其后代转化为与亲代相同的具体形状。遗传型：生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称。遗传：生物产生与自己相似的后代的现象。变异：生物的亲代与子代之间，或子代各个体之间，无论在形态结构或生理机能方面的差异现象。注：①遗传是相对的，变异是绝对的②只有遗传型的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变化，才称为变异。第61页/共79页1.遗传与变异的物质基础微生物的遗传物质主要是DNA，少数病毒为RNA。a.DNA是由大量脱氧核糖核苷酸组成的线状或环状大分子，每个脱氧核糖核苷酸由一个脱氧核糖、磷酸和一种碱基（A、T、C、G）构成。

DNA的可变部分是它的碱基顺序，碱基携带遗传信息DNA的复制是以原来的DNA链为模板，底物脱氧核糖核苷酸上的碱基和模板DNA分子上裸露的碱基之间互补配对（A-T,C-G），以决定哪种核苷酸加入到新合成的DNA链。（半保留复制）第62页/共79页b.基因：在生物体内，一切具有自我复制能力的遗传功能单位，它的物质基础为一个具有特定核苷酸顺序的核酸片断。一个基因分子量约为6.7×105，即含1000对核苷酸，每个细菌一般含有5000～10000个基因。c.遗传密码DNA链上特定核甘酸排列顺序第63页/共79页2.基因突变（生物体内遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的变化）⑴基因突变的特点自发性稀有性：10-6～10-9不对应性：突变性状与引起突变原因之间无直接对应关系。如：①细菌在青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体；

②在紫外线的作用下，出现了抗紫外线的突变体，在较高的培养温度下，出现了耐高温的突变体。第64页/共79页诱变性：诱变剂（提高突变率作用）可提高10～105倍稳定性独立性可逆性：回复突变、正向突变第65页/共79页⑵基因突变的类型自发突变：诱发突变：利用物理或化学因素，处理微生物群体，促使个体细胞的遗传物质分子结构发生改变，基因内部碱基配对发生差错，从而引起微生物的遗传性状发生变异。第66页/共79页诱变：ⅰ.物理诱变：紫外线、Χ射线、γ射线、激光ⅱ.化学诱变：亚硝酸、硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯ⅲ.定向培育（驯化）（污水处理系统中用来培育菌种）原理过程第67页/共79页3.基因重组凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，使基因重组，形成新的遗传个体的方式。包括：转化、转导、