四章微生物的生理.ppt

四章微生物的生理 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 微生物的酶微生物的酶2早在几千年前，人类已开始利用微生物酶来制造食早在几千年前，人类已开始利用微生物酶来制造食品和饮料。我国在品和饮料。我国在4000多年前，就已经在酿酒、制酱、制多年前，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。饴等的过程中，不自觉地利用了酶的催化作用。v1738年，有人提出食物的消化不是磨碎，而是胃液年，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；不断加深；v1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。v1897年年，Buchner兄兄弟弟用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液，实现了发酵。实现了发酵。v1926年年Summer第一次分离脲酶并获得其结晶；第一次分离脲酶并获得其结晶；v1949年日本采用深层培养法生产细菌年日本采用深层培养法生产细菌淀粉酶，标淀粉酶，标志着现代酶的开始。志着现代酶的开始。4v1982年年，Cech首首次次发发现现RNA也也具具有有酶酶的的催催化化活性，提出活性，提出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。v1995年年，Jack W.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连接接酶酶活活性性DNA片片段段，称称为为脱脱氧氧核核酶酶(deoxyribozyme)。目前已知的酶超过目前已知的酶超过4000种种.5酶的概念酶的概念：生物催化剂生物催化剂。细胞中自己制成，基。细胞中自己制成，基本成分是蛋白质。本成分是蛋白质。酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子全酶全酶传递电子等、激活剂传递电子等、激活剂 仅由酶蛋白组成仅由酶蛋白组成。决定酶反应的专一性决定酶反应的专一性,加速反应加速反应单纯酶单纯酶结合酶结合酶此时才能发挥催化作用此时才能发挥催化作用一、酶的分子组成一、酶的分子组成金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物6二、二、酶的结构与功能的关系酶的结构与功能的关系(一)酶蛋白的结构酶蛋白的结构一级结构：一级结构：组成酶蛋白的氨基酸按组成酶蛋白的氨基酸按一定顺序由肽键连接成多肽链；一定顺序由肽键连接成多肽链；二级结构：二级结构：多肽链回折或两条多肽多肽链回折或两条多肽链之间由氢键维持其稳定性；链之间由氢键维持其稳定性；三级结构：三级结构：多肽链进一步形成更复多肽链进一步形成更复杂的结构，由氢键及其它化学键维杂的结构，由氢键及其它化学键维持其稳定性。持其稳定性。四级结构：四级结构：多个具有三级结构的亚多个具有三级结构的亚基再次通过化学键连接。基再次通过化学键连接。7 在一级结构上可能相距遥远，但在空间结构在一级结构上可能相距遥远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域特定空间结构的区域，与与酶催化作用直接有关的部位称为酶的活性中心。酶催化作用直接有关的部位称为酶的活性中心。(二二)酶的活性中心酶的活性中心活性部位包括：结合基团、催化基团活性部位包括：结合基团、催化基团8活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。的空间构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团9三、酶的分类三、酶的分类（一）按照酶所催化的的化学反应，分为六大类：（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、核酸酶及脂酶等淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等 催化底物催化底物加水分解反应加水分解反应 2氧化还原酶：主要包括脱氢酶和氧化酶主要包括脱氢酶和氧化酶催化底物氧化还原反应催化底物氧化还原反应+A2H+BAB2H 3转移酶 催化分子间基团转移或交换催化分子间基团转移或交换10六大类酶六大类酶 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催化各种同分异构体之间相互转化与与ATPATP偶联，催化两分子底物合成一分子化合物偶联，催化两分子底物合成一分子化合物11胞内酶胞内酶:在细胞内部起作用，催化细胞的合成在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸和呼吸 胞外酶胞外酶:能透过细胞，作用于细胞外的物质能透过细胞，作用于细胞外的物质（大分子）（大分子）（二二）存存在在部部位位(三三)按作用底物不同分按作用底物不同分 细菌无摄食器官，遇到的是细菌无摄食器官，遇到的是简单简单的溶解物质，的溶解物质，通过通过胞内酶胞内酶的作用；若遇到的是的作用；若遇到的是复杂复杂的固体物质，的固体物质，利用利用胞外酶胞外酶将吸附在细胞周围的大分子物质水解为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。简单的小分子物质。12酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；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，而不改变只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。反应的平衡点。四、酶的催化特性四、酶的催化特性13绝对专一性绝对专一性立体异构专一性立体异构专一性相对专一性相对专一性一种酶作用于一种底物。如淀粉酶只能作用于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。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。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，而对的反应。如脂酶催化脂键，而对R基团没有严格基团没有严格要求。要求。酶酶催催化化作作用用的的专专一一性性14锁锁-钥学说钥学说刚性模式刚性模式 酶的构型与底物刚好相吻合，底物分子刚好嵌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。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，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。物，引起底物发生反应。诱导契合学说诱导契合学说柔性学说柔性学说刚刚性性结结合合 柔柔性性结结合合 酶活性专一性的假说酶活性专一性的假说15高效性高效性 催化效率比普通催化剂高出催化效率比普通催化剂高出1071013倍，如倍，如 1克结晶的克结晶的淀粉酶，在淀粉酶，在65时，时，15分钟可使分钟可使2吨淀粉水解为糊精。吨淀粉水解为糊精。酶酶和和一一般般催催化化剂剂加加速速反反应应的的机机理理都都是是降降低低反反应应的的活活化化能能(activation energy)。酶酶比比一一般般催催化剂更有效地降低反应的活化能。化剂更有效地降低反应的活化能。16反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能：活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的底物分子从初态转变到活化态所需的能量能量。p113p11317对环境敏感对环境敏感反应条件温和反应条件温和催化活性受调节控制催化活性受调节控制 在常温、常压、接近中性的在常温、常压、接近中性的pH条件下发挥作用。条件下发挥作用。酶的活力在体内受到多方面因素的调控。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速度，以满足生命的各种需要和适应环境的变化。的变化。容易发生变性、失活容易发生变性、失活 。18五、酶促反应动力学五、酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 概念概念研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响，并的影响，并加以定量的阐述。加以定量的阐述。影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。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。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。191 1、酶促反应模式酶促反应模式-中间产物学说中间产物学说:19131913年前后年前后MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出酶促反应动力学的基提出酶促反应动力学的基本原理本原理 酶的作用在于降低化学反应所需的活化能，而酶的作用在于降低化学反应所需的活化能，而 中间产物中间产物ESES的形成，使底物的活化能大大降低，从的形成，使底物的活化能大大降低，从而使反应加速。而使反应加速。酶酶底物底物终产物终产物中间产物中间产物 不稳定极易分解不稳定极易分解20V=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，这一公式表示了底物浓度与反应速度的关系，称为称为米氏方程，米氏方程，当底物浓度增加时，酶促反应速度当底物浓度增加时，酶促反应速度V趋近趋近Vmax。Km被称为米氏常数米氏常数,当V=1/2Vmax时，Km=S，因因而而Km是酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度是酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。2.2.酶促反应动力学酶促反应动力学21 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如：己糖激酶对葡萄糖的Km 1.5mmol/L 对果糖的对果糖的Km 28mmol/L 所以葡萄糖为最适底物所以葡萄糖为最适底物 1）Km为酶的特征常数。只与酶的性质有关只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。223.影响酶促反应（酶活力）的因素有：影响酶促反应（酶活力）的因素有：1）酶的总浓度）酶的总浓度E2）基质浓度）基质浓度3）温度温度4）pH值值5）激活剂）激活剂6）毒物或抑制剂）毒物或抑制剂241)1)酶的总浓度酶的总浓度E E=K3ESKm+S 在水处理中为了加快反应速度，往往需要培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。加反应器的处理能力和速率。当当SSEE，酶酶可可被被底底物物饱饱和和的的情情况况下下，反反应应速速度与酶浓度度与酶浓度成正比成正比。关系式为：关系式为：V=KV=K3 3 E E25v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈速度的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。2）底物浓度对酶反应速度的影响）底物浓度对酶反应速度的影响26当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VVmaxVmax27随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SSV VVmaxVmax28当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加反应速度不再增加,达最大速度达最大速度;反应为零级反应反应为零级反应SSV VVmaxVmax酶酶 被被 底底 物物 饱饱 和和293 3）温度温度最适反应温度最适反应温度：能形成能形成最大反应速度最大反应速度的温度的温度.酶酶活活性性温度温度最适温度q双重影响双重影响温温度度升升高高，酶酶促促反反应应速速度度升升高高；温温度度升升高高1010o oC,C,反反应应速度增加一倍速度增加一倍由由于于酶酶的的本本质质是是蛋蛋白白质质，温温度度升升高高，可可引引起起酶酶的的变变性性，从而反应速度从而反应速度降低降低 。低温的作用低温的作用低温的作用低温的作用:贮存生物制品、菌种等贮存生物制品、菌种等 低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，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，但温度升高后，酶活性又可恢复酶活性又可恢复。304 4）pHpH对酶反应速度的影响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。31胃蛋白酶胃蛋白酶淀粉酶淀粉酶胆碱酯酶胆碱酯酶不同酶的最适不同酶的最适pH不同不同pH酶的活性0246810325 5）激活剂对反应速度的影响）激活剂对反应速度的影响 非必需激活剂非必需激活剂：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。必需激活剂必需激活剂：对酶促反应不可缺少，与酶、底物结合参加反应。336 6）抑制剂对酶反应速度的影响）抑制剂对酶反应速度的影响 凡能凡能使酶的催化活性下降甚至完全丧失，使酶的催化活性下降甚至完全丧失，但但不引起酶蛋白变性不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择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引起变性的因素对酶没有选择性34 抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irreversible inhibitionirreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibitionreversible inhibition)：v竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibition)(competitive inhibition)v非竞争性抑制非竞争性抑制(non-competitive (non-competitive inhibition)inhibition)v反竞争性抑制反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)(uncompetitive inhibition)35(一一)不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用*概念概念抑抑制制剂剂通通常常以以共共共共价价价价键键键键与与酶酶活活性性中中心心的的必必需需基团基团相结合，使酶失活。相结合，使酶失活。*举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒-解磷定解磷定(PAM)(PAM)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒-二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)(BAL)36（二）（二）可逆性抑制作用可逆性抑制作用*概念概念抑抑制制剂剂通通常常以以非非共共价价键键与与酶酶或或酶酶-底底物物复复合合物物可可逆逆性性结结合合，使使酶酶的的活活性性降降低低或或丧丧失失；抑抑制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 *类型类型类型类型37l竞争性抑制作用竞争性抑制作用反应模式反应模式 抑抑制制剂剂与与底底物物的的结结构构相相似似，能能与与底底物物竞竞争争酶酶的的活活性性中中心心，从从而而阻阻碍碍酶酶底底物物复复合合物物的的形形成成，使使酶酶的的活活性性降降低低。这这种种抑抑制制作作用用称称为为竞竞争争性性抑抑制作用。制作用。磺胺类药物磺胺类药物的抑菌机制的抑菌机制与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶38特点：特点：竞争性竞争性I往往是酶的往往是酶的底物结构类似物；底物结构类似物；抑制剂与酶的抑制剂与酶的结合部位结合部位与底物与酶的与底物与酶的结合结合部位相同部位相同 酶的活性中心酶的活性中心 抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消除；除；39l 非竞争性抑制非竞争性抑制*反应模式反应模式E+SE+SESESE+PE+P+S S S S+S S S S+ESIESIEIEIE EESESE EP P+I IE EI I+S +S E EI IS S +I II I与酶的活性中心与酶的活性中心外外的位点结合的位点结合40v非竞争性抑制的特点：非竞争性抑制的特点：非非竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底底物物的的分分子结构类似；子结构类似；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑抑制制剂剂对对酶酶与与底底物物的的结结合合无无影影响响，故故底底物物浓浓度度的改变对抑制程度无影响；的改变对抑制程度无影响；抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制程度取决于抑制剂的浓度41竞争性抑制与非竞争性抑制示意图竞争性抑制与非竞争性抑制示意图竞争抑制剂与竞争抑制剂与酶的活性中心酶的活性中心结合结合非竞争性抑制剂与非竞争性抑制剂与酶活性中心以外基酶活性中心以外基团结合团结合底物与酶底物与酶正常结合正常结合42l反竞争性抑制反竞争性抑制*反应模式反应模式E+SE+SE+P E+P ESES+I IESESI I+E ES SESESESIESIE EP Pv 抑抑制制剂剂不不能能与与游游离离酶酶结结合合，但但可可与与ESES复复合物结合合物结合43v 反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制的特点：反反竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底底物物的的分子结构类似；分子结构类似；抑制剂与底物可抑制剂与底物可同时同时与酶的不同部位结合；与酶的不同部位结合；必必须须有有底底物物存存在在，抑抑制制剂剂才才能能对对酶酶产产生生抑抑制制作用；作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；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抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度44六、酶活性测定六、酶活性测定酶的活性酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量是指酶催化化学反应的能力，其衡量是指酶催化化学反应的能力，其衡量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。的标准是酶促反应速度。的标准是酶促反应速度。的标准是酶促反应速度。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时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶的活性单位酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反应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（在规定条件下，酶促反应在单位时间（s s、minmin或或h h）内生成一定量（）内生成一定量（mgmg、gg、molmol等）的产物等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。或消耗一定数量的底物所需的酶量。45国际单位国际单位(IU)(IU)在特定的条件下（在特定的条件下（25最适最适pH及及底物浓底物浓度）度），每分钟催化，每分钟催化1 1molmol底物转化为产物所需底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。的酶量为一个国际单位。催量单位催量单位(katal)(katal)催量催量(kat)(kat)是指在特定条件下，每秒钟是指在特定条件下，每秒钟使使molmol底物转化为产物所需的酶量。底物转化为产物所需的酶量。katkat与与IUIU的换算：的换算：1 kat=6 1 kat=610107 7IUIU46u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。47 目前，酶由于其高效性的特点，已逐渐被目前，酶由于其高效性的特点，已逐渐被目前，酶由于其高效性的特点，已逐渐被目前，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应用于三废处理方面。如利用脂肪酶处理生活应用于三废处理方面。如利用脂肪酶处理生活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污水，利用可降解酚的酶来降解含酚的工业废污水，利用可降解酚的酶来降解含酚的工业废污水，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，现在通过微生水。而且，为了更好的利用酶，现在通过微生水。而且，为了更好的利用酶，现在通过微生水。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。物发酵，批量生产酶制剂用于工农业生产中。物发酵，批量生产酶制剂用于工农业生产中。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如脂肪酶，如单纯依靠微生物的代谢活动去分如脂肪酶，如单纯依靠微生物的代谢活动去分如脂肪酶，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解脂肪类物质，脂肪酶的作用会因为蛋白酶的解脂肪类物质，脂肪酶的作用会因为蛋白酶的解脂肪类物质，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，可以有针存在而被削弱，而如果采用酶制剂，可以有针存在而被削弱，而如果采用酶制剂，可以有针存在而被削弱，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。对性的增加脂肪酶含量来分解生活污水。对性的增加脂肪酶含量来分解生活污水。对性的增加脂肪酶含量来分解生活污水。48第二节第二节 微生物的营养微生物的营养 这这里里的的营营养养不不单单是是通通常常意意义义营营养养物物、营营养养品品概概念念，在在这这里里指指微微生生物物吸吸取取生生长长所所需需的的各各种种物物质质以以进进行行新新陈陈代代谢谢的的过过程程。营营养养是是生生物物的的基基本本功功能能,微微生生物物是是有有生生命命的的个个体体，营营养养是是其其生生命命活活动的基础。动的基础。49从从元素水平元素水平或或营养要素水平营养要素水平分析，微生物的营养要求分析，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，它们存在着物十分接近，它们存在着“营养上的统一性营养上的统一性”，但可，但可供其利用的食物种类要多得多。供其利用的食物种类要多得多。pp元素水平：元素水平：元素水平：元素水平：都需要都需要都需要都需要2020种左右，且以种左右，且以种左右，且以种左右，且以C C、HH、OO、N N、S S、P P六种元素为主，约占细胞干重的六种元素为主，约占细胞干重的六种元素为主，约占细胞干重的六种元素为主，约占细胞干重的9595以上：以上：以上：以上：蛋白质由蛋白质由蛋白质由蛋白质由:C:C、HH、OO、N N、S S组成；核酸由组成；核酸由组成；核酸由组成；核酸由C C、HH、OO、N N、P P组成；糖类和脂类由组成；糖类和脂类由组成；糖类和脂类由组成；糖类和脂类由C C、HH、OO组成。组成。组成。组成。pp营养要素水平：营养要素水平：营养要素水平：营养要素水平：则都在六大范围内，即碳源、氮源、则都在六大范围内，即碳源、氮源、则都在六大范围内，即碳源、氮源、则都在六大范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。能源、生长因子、无机盐和水。能源、生长因子、无机盐和水。能源、生长因子、无机盐和水。50一、一、微生物的化学组成微生物的化学组成细细胞胞重重量量碳水化合物碳水化合物 蛋白质蛋白质 脂肪脂肪 DNA RNA等等（湿重）（湿重）水水(7090%)干物质干物质1030%无机盐无机盐310%有机物有机物90 97%组组成成微微生生物物细细胞胞同一种微生物在不同的生长阶段其化学成分同一种微生物在不同的生长阶段其化学成分也有差异。但也有差异。但在正常情况下，各类微生物细胞在正常情况下，各类微生物细胞的成分是相对稳定的。的成分是相对稳定的。51二、二、微生物的六大营养要素微生物的六大营养要素要素要素：水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源水、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，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可以将它们区分成六大类:（一）水（一）水（一）水（一）水水对细菌有哪些作用？水对细菌有哪些作用？水对细菌有哪些作用？水对细菌有哪些作用？1)1)微生物的重要组成，微生物的重要组成，微生物的重要组成，微生物的重要组成，70%90%70%90%；2)2)溶剂作用，运输物质的载体溶剂作用，运输物质的载体溶剂作用，运输物质的载体溶剂作用，运输物质的载体3)3)参与生化反应参与生化反应参与生化反应参与生化反应(如脱水、加水反应如脱水、加水反应如脱水、加水反应如脱水、加水反应)l l4 4）足够的水分是细胞维持正常形态重要因素。）足够的水分是细胞维持正常形态重要因素。）足够的水分是细胞维持正常形态重要因素。）足够的水分是细胞维持正常形态重要因素。5 5）水的比热高，维持和调节一定的温度水的比热高，维持和调节一定的温度水的比热高，维持和调节一定的温度水的比热高，维持和调节一定的温度52（二）碳源（二）碳源 种类？种类？种类？种类？有机物、无机碳化合有机物、无机碳化合有机物、无机碳化合有机物、无机碳化合物（物（物（物（CO2、CO32）随随随随微微微微生生生生物物物物不不不不同同同同，各各各各有有有有偏好偏好偏好偏好 最喜好的碳源是？最喜好的碳源是？最喜好的碳源是？最喜好的碳源是？凡凡能能供供给给微微生生物物生生长长过过程中程中碳素营养碳素营养的物质的物质细菌细胞中的碳素含量细菌细胞中的碳素含量细菌细胞中的碳素含量细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的占干物质质量的占干物质质量的占干物质质量的5050左左左左右右右右。碳源作用碳源作用碳源作用碳源作用细胞的细胞的细胞的细胞的碳骨架碳骨架碳骨架碳骨架，对对于于异异养养型型微微生生物物，其其碳碳源源同同时时又又兼兼作作能能源源，这这种种碳碳源源又又称称为为双双功功能能营养物。营养物。糖：糖：糖：糖：尤其是尤其是葡萄糖、葡萄糖、果糖果糖及其多糖及其多糖（麦芽（麦芽糖、淀粉糖、淀粉）生产中常见的碳源生产中常见的碳源：玉米粉、：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟。麸皮、米糠、酒糟。各种细菌利用各种细菌利用C源的能力有所不源的能力有所不同：假单胞菌属；同：假单胞菌属；废水处理废水处理：诺卡氏菌诺卡氏菌降解含氰的废水。降解含氰的废水。53（三）氮源（三）氮源（三）氮源（三）氮源氮占细菌干重的氮占细菌干重的12%15%作用：作用：氮是构成重要生命物质氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等蛋白质和核酸等蛋白质和核酸等蛋白质和核酸等的的主要元素。在极端情况下（主要元素。在极端情况下（e.g.e.g.饥饿情况下）饥饿情况下）也可提供能量。也可提供能量。氮源种类氮源种类分子态氮分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源：固氮菌、固氮微生物以分子氮为唯一氮源：固氮菌、固氮蓝藻固氮蓝藻无机态氮无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮有机态氮：蛋白质及其降解产物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。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。微生物对氮源物质的利用具有选择性。p12354实验室中实验室中实验室中实验室中有机氮源有机氮源有机氮源有机氮源蛋白胨蛋白胨蛋白胨蛋白胨工业投加的细菌氮源？工业投加的细菌氮源？工业投加的细菌氮源？工业投加的细菌氮源？发酵生产发酵生产发酵生产发酵生产 尿素、尿素、尿素、尿素、玉米浆玉米浆工业废水处理工业废水处理工业废水处理工业废水处理粪便粪便粪便粪便56（四）无机盐（四）无机盐无机盐无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的是微生物生长必不可少的一类营养物质一类营养物质.无无机机盐盐的的功功能能作为细胞组成成分：作为细胞组成成分：P、S等等生理调生理调节物质节物质维持渗透压维持渗透压:Na、K、Cl酶的激活剂：酶的激活剂：Mg2、KpH的稳定剂：缓冲液的稳定剂：缓冲液化能自养菌的能源（化能自养菌的能源（S、Fe）大量元素大量元素微量元素微量元素酶的激活剂：酶的激活剂：Cu2、Mn2、Zn2特殊分子构成：特殊分子构成：Co、Mo有机体内含量有机体内含量108106mol/L注意：不同的微生物对无机盐的需求浓度也不同。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；固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分叶绿素等的成分维生素维生素B12复合复合物的成分；肽物的成分；肽酶的辅因子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57（五）（五）生长因子生长因子 某些微生物在生长过程中不能自身合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。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有三类维生素类维生素类氨基酸类氨基酸类 嘌呤、嘧啶类嘌呤、嘧啶类 实验室常用：实验室常用：酵母膏、酵母膏、蛋白胨作为综合生长素蛋白胨作为综合生长素 硫辛酸、硫辛酸、VC、VK是重要的生长因子。是重要的生长因子。多数细菌不存在生长因子问题。多数细菌不存在生长因子问题。多数细菌不存在生长因子问题。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。这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。58（六）能源（六）能源（六）能源（六）能源细菌的能源种类细菌的能源种类细菌的能源种类细菌的能源种类化学能、光能化学能、光能化学能、光能化学能、光能哪些物质可以产生化学能？哪些物质可以产生化学能？哪些物质可以产生化学能？哪些物质可以产生化学能？有机碳源有机碳源有机碳源有机碳源特殊的无机物（如特殊的无机物（如特殊的无机物（如特殊的无机物（如S S、Fe)Fe)什么样的细菌利用光能？什么样的细菌利用光能？什么样的细菌利用光能？什么样的细菌利用光能？含有含有含有含有光合色素光合色素光合色素光合色素59微生物往往先利用现成的、易被吸收利用的化合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。其他物质了。有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，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能利用难降解的化合物共代谢。共代谢。各种营养元素之间往往有一定的比例关系。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有机固体废物堆肥要求有机固体废物堆肥要求有机固体废物堆肥要求C:N=30:1,C:P=75100:1C:N=30:1,C:P=75100:161营养型细菌分类营养型细菌分类营养型细菌分类营养型细菌分类根据根据根据根据碳源碳源碳源碳源不同不同不同不同分为分为分为分为无机营养无机营养无机营养无机营养有机营养有机营养有机营养有机营养（或（或（或（或自养自养自养自养异养）异养）异养）异养）三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型62(1)(1)无机营养细菌（无机营养细菌（无机营养细菌（无机营养细菌（自养菌自养菌自养菌自养菌）无机（自养）无机（自养）无机（自养）无机（自养）COCO2 2、COCO和和和和COCO3 32-2-能否也利用有机物呢？能否也利用有机物呢？能否也利用有机物呢？能否也利用有机物呢？绝绝绝绝大大大大多多多多数数数数能能能能，“能能能能吃吃吃吃苦苦苦苦也也也也能能能能享享享享福福福福”，但但但但以以以以无无无无机机机机C C为主要为主要为主要为主要C C源源源源又根据又根据又根据又根据能源能源能源能源不同不同不同不同又分为光能自养型光能自养型光能自养型光能自养型细菌和化能自养型化能自养型化能自养型化能自养型细菌。63光能自养细菌：这是一类能以光能自养细菌：这是一类能以CO2为唯一碳源或为唯一碳源或主要碳源主要碳源并并利用光能利用光能进行生长的的微生物，它们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，为供氢体，使使CO2固定固定还原成细胞物质还原成细胞物质,并且伴随并且伴随元素元素氧（硫）的释放氧（硫）的释放。细菌只有细菌只有细菌只有细菌只有紫紫紫紫硫细菌硫细菌硫细菌硫细菌和和和和绿绿绿绿硫细菌硫细菌硫细菌硫细菌64 紫硫、绿硫细菌紫硫、绿硫细菌紫硫、绿硫细菌紫硫、绿硫细菌代谢方式代谢方式代谢方式代谢方式 光照光照光照光照 CO2 +HH2 2S S CH2O（糖）+H2O +2S2S 菌绿素菌绿素菌绿素菌绿素（与叶绿素大同小异）（与叶绿素大同小异）（与叶绿素大同小异）（与叶绿素大同小异）在自然界的作用是什么呢？在自然界的作用是什么呢？在自然界的作用是什么呢？在自然界的作用是什么呢？早期无氧地球，清除早期无氧地球，清除早期无氧地球，清除早期无氧地球，清除HH2 2S S毒物毒物毒物毒物较洁净的光照池塘无臭（较洁净的光照池塘无臭（H2S)区区v 碳源碳源：以：以CO2 为惟一碳源为惟一碳源v 能源能源：光转变为光转变为 ATP蓝细菌蓝细菌从水中的光解水中的光解中获得氢，用于还原CO2。CO2+H2O光能叶绿素CH2O+O2放出氧65 化能自养细菌化能自养细菌什么是化能自养菌？什么是化能自养菌？什么是化能自养菌？什么是化能自养菌？自养自养自养自养碳源碳源碳源碳源COCO2 2化能化能化能化能以以以以？物质物质物质物质氧化产能氧化产能氧化产能氧化产能S S、HH2 2S S、HH2 2、NHNH3 3、FeFe种种种种类类类类：硫硫细细菌菌(硫硫硫硫化化化化细细细细菌菌菌菌和和和和硫硫硫硫磺磺磺磺细细细细菌菌菌菌)、（亚亚）硝硝化细菌化细菌及及及及铁细菌、氢细菌铁细菌、氢细菌。67例如，亚硝化细菌亚硝化细菌进行有机物合成反应如下 2NH2NH3 3 +2O2 2HNOHNO2 2 +4 H+619千焦耳 ATP CO2 +4 H CH2O +H2 O化能自养化能自养化能自养化能自养细菌能用于污水处理吗？为什么？细菌能用于污水处理吗？为什么？能，脱氨、脱硫；条件容易能，脱氨、脱硫；条件容易化能自养微生物的专一性很强化能自养微生物的专一性很强，一种细菌往一种细菌往往只能氧化某一种特定的无机物。往只能氧化某一种特定的无机物。68 有机营养细菌（有机营养细菌（异养菌异养菌）有机（异养）有机（异养）有机（异养）有机（异养）以有机物为碳源以有机物为碳源以有机物为碳源以有机物为碳源提问：自养、异养菌哪种繁殖快？提问：自养、异养菌哪种繁殖快？提问：自养、异养菌哪种繁殖快？提问：自养、异养菌哪种繁殖快？“吃砖头和吃粮食的区别吃砖头和吃粮食的区别吃砖头和吃粮食的区别吃砖头和吃粮食的区别”异养菌是异养菌是有机有机污水处理的主角污水处理的主角根据根据根据根据能源的不同能源的不同能源的不同能源的不同69绝绝绝绝大大大大多多多多数数数数的的的的细细细