微生物第六章微生物的生理特性

第6章微生物的生理特性微生物的营养酶及其作用微生物的代谢6.16.26.4环境因素对微生物生长的影响6.36.1微生物的营养微生物要吃什么？微生物的营养要素碳源氮源能源生长因子无机盐水概念来源碳源凡是能为微生物提供所需碳元素的营养物质有机碳源糖类（葡萄糖）脂肪酸花生粉饼、石油等1、微生物的碳源哪些微生物可以利用无机碳源？思考哪些微生物可以利用有机碳源？无机碳源CO2Na2CO3、NaHCO3等碳源有机碳（糖类等有机物）无机碳（CO2、碳酸盐及碳酸氢盐）异养型微生物自养型微生物不同生物的碳源同化类型自养型异养型CO2+H2O能量酶（CH2O）只能利用现成的有机物（如蓝藻，硝化细菌）（大部分微生物）氮源氮源：能为微生物提供所需氮元素的营养物质种类：无机氮源—N2、NH3、铵盐、硝酸盐、尿素有机氮源—蛋白质、蛋白胨、氨基酸等（1）常用的氮源：铵盐、硝酸盐氮源（2）含“C、H、O、N”的化合物是异养微生物的碳源兼氮源(如蛋白胨)。蛋白胨是将肉、大豆蛋白等用酸、碱或蛋白酶水解后干燥而成的外观呈淡黄色的粉剂。一般来说，用于蛋白胨生产的蛋白包括动物蛋白（酪蛋白、肉类）和植物蛋白（豆类）等两种。蛋白胨富含有机氮化合物，也含有一些维生素和糖类。它可以作为微生物培养基的主要原料能源定义：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能。能源种类化学物质（化能营养型）{辐射能（光能营养型）：光能自养和光能异养型微生物的能源{有机物：化能异养型微生物的能源无机物：化能自养型微生物的能源生长因子生长因子：微生物正常代谢所必需的，微量，有机物主要包括：维生素、氨基酸、碱基等来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液无机盐•无机盐是微生物生长不可缺少的营养物质•作用：构成细胞的组成成分构成酶的组成成分，维持酶的活性调节渗透压调节pH值及氧化还原电位作为自养型细菌的能源水水是良好的溶剂，能将多种物质溶解，以利于微生物对营养的吸收和利用。参与生化反应（如脱水、加水反应）运输物质的载体光合作用中的还原剂6.1.2微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养要素即碳源和能源的不同而划分的微生物类型。微生物的营养类型参阅教材87页表6-1光能无机营养型光能有机营养型化能无机营养型化能有机营养型自养异养新月藻空球藻团藻间生藻鼓藻光能无机营养型微生物化能自养型硝化细菌铁细菌6.1.3培养基概念：由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养物质。任何培养基都应该具有微生物生长所需的六大营养元素，且它们之间的比例是适当的。给微生物做饭吃①、目的要明确–根据所培养的微生物的种类、培养的目的配制②、营养要协调–注意各种营养物质的浓度和比例,最重要为碳源和氮源的比，水处理中BOD5：N：P=100:5：1③、理化条件适宜（pH、渗透压、水活度和氧化还原电位等）细菌pH7.0~7.5放线菌pH7.5~8.5真菌pH4.0~6.0④、经济节约培养基的配制原则调节方法？培养基的种类按物理性质分固体培养基（2%琼脂或天然固体状基质如马铃薯片、大米、纤维）（普通的微生物研究，酿造或食用菌培养等。）半固体培养基（0.5%~1.0%琼脂）（观察运动、厌氧菌的培养、分离和计数、菌种的保藏）液体培养基（污水处理厂的污水）按化学成分分合成培养基（化学成分明确，精细，常用于分类、鉴定、实验等）天然培养基（天然物质配制，成分不明确，常用于工业生产）按用途分选择培养基（用于从多种微生物中选出需要的种类）鉴别培养基（用于判定某一微生物的存在）培养基的分类加富培养基（用于微生物分离前的富集）1.液体培养基（liquidmedium）未加任何凝固剂、呈液态的培养基用途：大规模工业生产和实验室微生物生理代谢等研究优点：组分均匀，发酵率高，操作方便一些由天然固体基质制成的培养基也属于固体培养基，如由马铃薯块、胡萝卜条、小米、米糠等常用凝固剂：琼脂（agar）、硅胶（silicagel）、明胶（gelatin）菌落2.固体培养基液体培养基中加入少量（0.5％～1.0％）的琼脂制成的培养基⒊半固体培养基（semisolidmedium）用途：观察细菌的运动特征、菌种保藏、厌氧菌培养、菌种鉴定和噬菌体效价的测定等（2）根据培养基的成分划分1.天然培养基（complexmedium）利用动物、植物或微生物体或其提取液制成的培养基优点：配制方便、营养丰富、价格便宜，适宜工业化生产缺点：成分不清楚、难控制，精细科学实验结果重复性差牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基在天然培养基的基础上适当加入已知成分的无机盐类，或在合成培养基的基础上添加某些天然成分，如马铃薯蔗糖培养基等2.合成培养基（syntheticmedium）优点：重复性好缺点：成本较高，生长速度较慢按微生物的营养要求精确设计后，由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。适于实验室进行微生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作3.半合成培养基（semi-syntheticmedium）1.选择培养基（selectivemedium）在培养基中加入特殊的营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物生长的培养基（3）根据培养基的用途划分2.加富培养基（enrichmentmedium）在基础培养基中加入某些特殊营养物质（如血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等）制成的一类营养丰富的培养基。用途：培养营养要求比较苛刻的异养型微生物；富集和分离某种微生物加富培养基与选择培养基的区别•加富培养基是增加所要分离的微生物的数量，使其形成生长优势，从而分离到该种微生物；•选择培养基是抑制不需要的微生物的生长，使所需要的微生物增殖，从而达到分离所需微生物的目的3.鉴别培养基（differentialmedium）加入某种能与微生物产生的某种代谢产物发生特定化学反应的特殊化学物质，产生明显的特征性变化，由此将不同微生物加以区别的培养基用途：快速分类鉴定，分离和筛选某种代谢物的产生菌常用的鉴别培养基•伊红-美蓝（EMB）培养基——区别大肠杆菌和产气杆菌•明胶培养基——检查微生物能否液化明胶；•硝酸盐肉汤培养基——检查是否具有硝酸盐还原作用；•醋酸铅培养基——检查微生物是否产生H2S气体等培养基的配制1.计算称量2.加水溶解3.调节pH4.过滤分装5.加塞包扎6.加压灭菌6.2酶及其作用一酶及其命名和分类二酶的作用特性三酶促反应的影响因素及动力学一酶及其命名和分类1酶的概念：生物催化剂。在生物细胞中自己合成，基本成分是蛋白质。2酶的命名和分类胞内酶胞外酶存在部位组成酶诱导酶存在方式单成分酶双成分酶组成成分催化的反应类型水解酶、氧化还原酶、转移酶、合成酶、裂解酶等组成酶：与基质存在与否无关。在体内有相当的数量。诱导酶：受到各种持续的物理化学因素影响，在体内产生的适应新环境的酶。诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意义。可以通过环境的诱导产生能处理相应物质的细菌等微生物（驯化）。胞内酶：在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸。胞外酶：能透过细胞，消化非溶解性营养物质（如纤维素、蛋白质、淀粉等）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。二酶的作用特性1酶的作用特点具有蛋白质的各种特性分子量大、两性化合物、不耐高温、易被毒物破坏用量少而催化效率高专一性强温和。常温、常压、接近中性就可以起作用2酶的活性酶活性即是酶活力。指催化一定化学反应的能力。反应速度越快，酶活性越高。如何确定酶活性的大小？酶活性单位比酶活性国际酶学会议1961条规定：1酶活性单位是指在25℃最适pH及底物浓度等条件下，在1min内转化1μmol底物的酶量比酶活性是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。在水处理中，常采用比酶活性★来判断不同来源污泥的活性大小三酶促反应的影响因素及动力学酶促反应与酶活力有关。影响酶促反应（酶活力）的因素有：1温度2pH值3基质浓度4酶的总浓度E05毒物或抑制剂1温度★要求：保证酶最适宜的温度条件。每种酶都有自己的最适温度。最适反应温度：能形成最大反应速度的温度.微生物体内30～60℃1β-半乳糖苷酶2酰化氨基酸水解酶3葡萄糖异构酶废水生物处理中的污泥消化法和生物滤池法在设计时都考虑了温度的因素。活性污泥曝气池运行时影响因素复杂，要综观考虑。2pH值★大多数酶pH6~7废水生物处理保持pH6~9（利用的是土壤微生物混合群）为什么pH值影响酶活力？？酶蛋白是两性电解质。解离与pH有关，解离形式不同，催化性质也就不同。酸性系统，越倾向于酸，正电荷越多。碱性系统，越倾向于碱，负电荷越多。酸碱都会降低酶活甚至失活最适PH值：能保持最大酶活性的PH值约在6～9中性居多。3基质浓度[S]★υ：反应速度V最大:最大反应速度Km:米氏常数S：基质浓度米－门公式：υ=V最大SKm+S[S]浓度对反应速度的影响是酶促反应动力学的重要内容。[S]浓度如何影响酶促反应？？米－门公式：υ=V最大SKm+S（1）当Km=S时，υ=，当基质浓度等于米氏常数时，酶促反应速度为最大反应速度的一半。（2）当S《Km时，υ=，υ与S成正比，反应速度随S增大而增大。一级反应。（3）当S》Km时，υ=V最大，随基质浓度的增大，反应速度不变，为最大反应速度。零级反应V最大2V最大SKm米门公式图示在一定范围内反应速度随基质浓度的提高而加快，但当基质浓度很大时，反应速度就与基质浓度无关了。4酶的总浓度E0υ=K3[E0][S]Km+[S]V=K3[E0]酶的总浓度[E0]影响米-门方程中υ和V的大小。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。5毒物或抑制剂（1）可逆的（竞争性抑制剂）化学结构与基质相似，争先与酶结合，减少了酶与正式基质结合的机会。（2）不可逆的与蛋白质化合形成不溶性盐类沉淀，破坏酶的作用。如重金属盐类Fe3+、Hg2+、Ag+与带负电的酶蛋白结合沉淀。6.3微生物的代谢一微生物的新陈代谢二呼吸作用的本质三微生物的呼吸类型四微生物与氧气的关系五微生物的呼吸类型在废水生物处理中的应用一微生物的新陈代谢二呼吸作用的本质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，基质释放电子，生成水或其他代谢产物，并释放能量的过程。2发生哪些生物学现象呢？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、维持生命活动、热能释放）产生中间产物（继续分解、作为原料合成机体物质。吸收、同化各种营养。三微生物的呼吸类型1好氧呼吸respiration（1）最终电子受体：游离的氧气（O2）脱下氢和电子——氧化接受氢和电子——还原最终接受电子的物质是谁？？根据是否是氧气来分类（2）举例自养微生物硫磺细菌氧化H2S（无机物）：H2S+2O2H2SO4+ATP异养微生物大肠杆菌氧化葡萄糖（有机物）：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+ATP在好氧呼吸过程中，基质被氧化较彻底，获得的ATP多，最终产物积累少。活性污泥法处理有机废水，即采用好氧呼吸。2厌氧呼吸（anaerobicrespiration)最终电子受体：除氧气以外的物质？无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）有机物（小分子）（1）分子内无氧呼吸类型（又称发酵）最终电子受体：小分子有机物常见的发酵有乙醇发酵乳酸发酵乙醇发酵（生产酒精）葡萄糖3－磷酸甘油醛1，3－二磷酸甘油酸2NAD2NADH2丙酮酸脱羧酶乙醛乙醇ATPCO2底物：葡萄糖最终电子受体：乙醛（代谢的中间产物）产能量少（2个ATP)，大部分储存在乙醇中。（2）分子外无氧呼吸类型(无氧呼吸）最终电子受体：无机物（NO3-、NO2-、SO4=、CO2=）四微生物与氧气的关系1需氧菌2厌氧菌3兼性厌氧菌1好氧菌呼吸类型－有氧呼吸，生活时需要氧气培养方式－固体表面，液体浅层，通气，振荡。如－多数细菌（枯草杆菌等）、真菌、藻类