微生物的生理

微 生 物 的 生 理
生理
• 生理——生命活动机理
• 生命活动——营养、呼吸
• 营养物及其获取方式——营养
• 营养物质的代谢 ——呼吸
• 营养物的种类、用途及营养物的吸收方式
• 水、盐、“粮食” • 异养－自养；吸收方式—四种 （酶起主要作用）
• 如何代谢？不同代谢类型的细菌分类
• 光能—化能；好氧—厌氧； （酶起主要作用）
•工业投加的细菌氮源？
•——尿素、粪便
（四）无机盐
• 阴离子盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐。 • 阳离子盐：氨、钾、钠、钙、镁、铁的盐
• P和S、Fe、Mg的需求量较大
• 同时还需要锌、锰、钴、铝、铜、硼、钒、镍等微量元素。
•无机盐的功能是什么？
• • • • 1)辅基； 2)酶的激活剂； 3)特殊细菌的能源； 铁细菌、硫细菌分别以铁和硫为产能物 质。 • 4）维持一定的渗透压。
能源
？ 也可补加一部分碳酸钠。
• 异养细菌的培养基中至少有一种有机物，实验室中
通常是葡萄糖 • 如一种大肠杆菌培养基
• 葡萄糖 0.5g 0.2g • NaCl 5g 1000mL
K2HPO4
1g
MgSO4
NH4H2PO4 0.4g
水
2.配制
•
加水
①缓冲化合物
②有机、无机 营养物
③微量元素
通常
④维生素及其他生长因子 10%Na0H、 调整 pH HCl
（五）生长因子
• ——必需，但不能自身合成的有机物
• 种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类 • 作用：？ • 嘌呤和嘧啶参与合成核酸和辅酶； 维生素， 重要辅酶 • 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。
菌绿素（与叶绿素大同小异） （H2S类似植物光合作用中的H2O）
•
提问：在自然界的作用是什么呢？ 早期无氧地球，清除H2S毒物
湖中4m
硫化物
紫硫细菌
*这个深度紫硫 细菌多?
（2） 化能自养细菌（有氧）
• 提问：什么是化能自养菌？
• 自养——碳源CO3－ • 化能——以
？物质氧化产能
• S、H2S、H2、NH3、Fe
？
高压蒸 气灭菌 锅 冷 却 备 用
分装
3．种类
•物理状态、用途、组分组成 • (一)根据物理状态
• 固体培养基、半固体培养基和液体培养基
• 1）液体培养基（“汤”）
• ——废水也可看作是一种广义的液体培养基
2）固体培养基（“团”）
• 人工做法——(与果冻方法
一样)
粉末琼脂 条Fra Baidu bibliotek琼脂
• 向液体培养基中加入2％左 右的琼脂，加热至100℃溶 解，40℃下冷却并凝固。
70％～90％水
90%有机物
细菌化学成分示意图
一、细菌营养物及营养类型
• 传统上根据功能不同对营养物归类
• 水、无机盐和碳源、氮源、能源、生 长因子等。
• （一）水
• 提问：水对细菌有哪些作用？
• 1)溶剂作用
• 2)运输物质的载体
• 3)参与生化反应(如脱水、加水反应)
（二）碳源和能源
• 1）碳源
• 提问：哪些物质可以产生化 学能？
• 有机碳源
• 所有细菌细胞内能 量传递体都是ATP • 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）
• 特殊的无机物（如S、Fe)
• 提问：什么样的细菌利用光 能？ • 含有光合色素
① 无机营养细菌（自养菌）
• 无机（自养）—CO2、CO和CO32• 提问：能否也利用有机物呢？
性
• B.高压灭菌结构不被破坏， 且颜色透明不妨碍观察；
天然的固体培养基——土豆块、培养真菌的麸皮、大米、 大麦等。
3）半固体培养基（“膏”）
• 半——流动性介于固体与液体之间
• 提问：如何制作？
• 在液体培养基中加入0.5%或更低浓度的琼脂 • 作用：？ • 半固体培养基中可以融入少量的溶解氧，因此这种培 养基常被用于培养在较低氧浓度环境下才能最佳生长
• 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
（三）氮源
• 哪些物质可作为细菌的氮源？ • 有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（ N2、 NH3、 铵盐、硝酸盐）等。 • 实验室中有机氮源——蛋白胨
• 在实际应用中还应注意 • 1. 营养要求小范围可改变 • 指细菌对碳源等的种类、数量一定程度上可驯化适 应（酶的诱导、易变异）
• 2. “营养要平衡”，存在一定比例搭配的现象
• 主要是指碳氮磷的比例关系，通常称碳氮磷比。
• 根瘤菌要求碳氮比为11.5：1
• 土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1 • 污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥) 要求为BOD5：N：P＝100：5：1
设 km=
———
k1
k2 + k3
v =——————
km + [S]
Vmax · [S]
（km＞＞[S]，v = k[S]； km ＜＜[S]，v = Vmax）
3. 米氏常数的意义
km= [S]
则： v = Vmax/2
意义：
（1） km是酶的一个基本的特征常数。其大小与酶的浓度无关， 而与具体的底物有关，且随着温度、pH和离子强度而改变。
•琼脂主要成份—半乳聚糖，
分子量大，呈网状粘着力强，溶 解分散（温度为96℃以上） • 石花菜(红藻）→琼脂
琼脂特性
C.多数微生物在琼脂培养基
表面生长并形成独立菌落； • A.不能被绝大多数微生 物利用、分解液化； • 提问：有什么好处？
提问：有何好处？
易于纯化分离
• 不作为额外碳源，干
扰试验，保持固体特
1kat = 6×107IU
比活力 = 活力单位数/ 毫克蛋白（氮）
酶促反应动力学
1. 底物浓度对酶反应速度的影响
Vmax
零级反应 v = k [E]
v
一级反应 v = k [S]
[S]
用中间产物学说解释底物浓度与反应速度关系曲线的二相现象：
k1 k3 S + E ES E+P k2 当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底 物浓度的增加，中间络合物的浓度不断增高。 当底物浓度较高时，溶液中的酶全部与底物结合成中间产 物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生成。 2. 米氏方程式（Michaelis-Menten equation）
蛋白胨 pH
7.2~7.4
• 牛肉膏——瘦牛肉经过 加热浓缩抽提的膏状物
（主要作碳源）
• 蛋白胨——动植物蛋白（大豆或动物骨粉等）经初步酶 解形成的短肽（主要作氮源）
• 类似物如酵母膏、麦芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉 • 优点——营养丰富、配制容易 • 缺点？
• 质量不稳定、选择性差；
• • 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？
•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(*红螺菌用于污水处理现状如 何?)
问题：与水分离困难，光照问题
——嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田
VS S Ks m K
Km大小反映了酶与底物亲合力的大小。 •若 •v——总污染物微生物降解速度；
•V—（KX)—最大速度；
•X—微生物浓度
第二节 微生物的营养 • 提问：如何知道细菌所需的营养物种类呢？ • 单因子或复合因子培养试验、由细胞化学组成进行推 断。
10％～20％干物质 10%无机盐
的细菌。
（二）根据培养基组分
• 2）天然
• 天然培养基、合成培 养基和半合成培养基。
• 1）合成
• 合成——纯化学试剂 • 优点——稳定、选择性 • 缺点——很多细菌营养需 求较为复杂，配方获取 较难
• 天然——？ • 纯生物制品(细胞提取物)
• 如，常用的细菌肉汤培养基
• 牛肉膏 3g 5g • 水 1000mL
• 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。
• 例如，亚硝化细菌进行有机物合成反应如下 • 2NH3 + 2O2 HNO2 + 4 H + 619千焦耳 • ATP • CO2 + 4 H [CH2O] + H2 O
提问：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
• 绝大多数能， “能吃苦也能享福”，优先利
用； • 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。
（1）光能自养细菌（无氧有光）
• 只有紫硫细菌和绿硫细菌
较洁净的光照池塘无氧臭（H2S) 区
•
紫硫、绿硫细菌代谢方式
• 光照 [CH2O]（糖） + H2O + 2S↓ • CO2 + H2S →
• 供碳元素来源的物质 • 细菌细胞中的碳素含量占
• 种类？
• 有机物、无机碳化合物 • 随细菌不同，各有偏好 • 细菌最喜好的碳源是？
干物质质量的50％左右。 细菌对碳素的需求量最大。
• 碳源作用— • 细胞的碳骨架、大多还是 能源物质。
•糖
• 尤其是葡萄糖及其多糖
2）能源
• 细菌的能源种类
• 化学能、光能
② 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
（1）光能异养与化能异养
. Ⅰ化能异养菌
• 以有机物作为碳源和能源的细菌。
• 绝大多数的细菌都属于化能异养菌。
• Ⅱ. 光能异养细菌（无氧有光）
缺N P过剩
N、P
留意！
• 但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！ • 提问：为什么？ • 过犹不及——“娇惯”
• 细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质， 而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导 致细菌分解特殊有机物的能力下降
• 学以致用——养细菌
二．培养基 ———水、碳源、氮源、无机盐及生长
• 酶的活力大小用酶所催化反应的反应速度来表示，影响酶 促反应速度的因素有 、 、 、 、 、 等。 • 酶浓度、底物浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂等。
酶活力的测定
——酶活力是指酶催化某一化学反应的能力。 酶（活力）单位：在一定条件下，一定时间内将一定量 的底物转化为产物所需的酶量。（U/g，U/ml） 在标准反应条件（25℃）下，每分钟内催化一微摩尔底 物的酶量定为一个酶活力单位，即 1IU=1μmol/min 催量：在最适条件下，每秒钟内使一摩尔底物转化的酶 量定为1kat单位，即 1kat=1mol/s
（2）从km可判断酶的专一性和天然底物。 Km最小的底物，通 常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。
•
底物影响酶反应速度的方程表达式—— 污染物生物降解速度方程 劳伦斯方程 微生物生长速度的方程 莫氏方程
米氏方
程
• • • • • 微生物比增长速度 v——反应速度； V——最大反应速度； 最大比增长速度 S——底物浓度； Km——米氏常数 Ks－微生物与底物亲和的大小
• 厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5：N： P＝350～500：5：1
• 为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理 要按碳氮磷比配给营养 。
• 城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工 业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或 补足。 • 如酒精废水缺 ？ ； N、P
• 洗涤剂废水 • 炼油废水 ？ ？
因子等细菌及其它微生物营养物质的合理
配制物
1.认识 磷源、缓冲物
• 化能自养菌氧化硫杆菌的培养基
• 粉末状硫 10g KH2PO4 4g MgSO4 0.5g 氮源 • CaCl2 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g 盐 • 水 1000mL（自来水即可） 碳源是什么 空气中的CO • 提问：其中各组分作用是什么？ 2
• ！学会养细菌
酶 及 其 作 用
• 酶是生物催化剂，酶制剂已经开始应用于三废治 理
• 各种生物包括细菌细胞内几乎所有生化反应都需要酶的 催化。作为生物催化剂酶具有高效性、专一性、温和的 催化条件等优点，同时由于酶的化学本质是蛋白质，因 而也有容易失活的缺点。
• 绝大多数酶是蛋白质，根据化学组成可以把酶分为简单酶 （单成分酶）、结合酶（全酶）；根据结构的不同酶可以 分为单体酶、聚合酶；根据存在位臵的不同酶又有胞内酶 和胞外酶之分，根据催化反应性质的不同，酶分为水解酶、 氧化还原酶、转移酶、异构化酶、裂解酶、合成酶等。