1、Chapter 3 Physiological Characteristics of Microorganisms1 Nutrition2 Growth3 Metabolism4 Genetics1 微生物的營養(yǎng)微生物的化學(xué)組成微生物的營養(yǎng)物微生物的營養(yǎng)類型培養(yǎng)基物質(zhì)的運(yùn)送微生物的化學(xué)組成隨著年齡的增長，水占人體體重的比例會逐漸下降。已知水占人體的比重，大體如下：胎兒（三月齡）90%；初生嬰兒80%；男少年75%；成年男子70%；老年男子小于65%。微生物的化學(xué)組成元素細(xì)菌酵母菌霉菌碳50.449.847.9氫6.86.76.7氧30.531.140.2氮12.312.45.2經(jīng)驗(yàn)式C4.8H

2、7.7O2.2NC4.7H7.6O2.2NC11H18O6.8N碳氮比5：15：111：1微生物的營養(yǎng)物水碳源能源氮源無機(jī)鹽生長因子水微生物組分：原生質(zhì)膠體作用：吸收過程的媒介生化反應(yīng)的溶媒參與反應(yīng)調(diào)節(jié)溫度 碳源能供給微生物碳素營養(yǎng)的物質(zhì)簡單無機(jī)含碳化合物：CO2、CO32復(fù)雜有機(jī)含碳化合物糖、脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素氨基酸、脂肪酸、丙酮酸、檸檬酸醇類、醛類、烷烴類、芳香化合物、氰化物、染料能源提供微生物最初能量來源的物質(zhì)輻射能：太陽光化學(xué)能還原態(tài)無機(jī)物NH4、NO2、S、H2S、H2、Fe2有機(jī)物（同碳源物質(zhì)）氮源合成含氮物質(zhì)（蛋白質(zhì)）的原料無機(jī)：NH3、NH4+

3、、NO3-、NO2-、N2 有機(jī)：蛋白質(zhì)、胨、肽、氨基酸、尿素 微生物對氮源的要求固氮微生物固氮菌、根瘤菌、固氮藍(lán)細(xì)菌或藻類利用無機(jī)氮源微生物亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌、銅綠色假單胞菌放線菌、霉菌、酵母菌、藻類氨基酸異養(yǎng)微生物乳酸細(xì)菌、丙酸細(xì)菌分解蛋白質(zhì)微生物霉菌、酵母菌、氨化細(xì)菌、腐敗細(xì)菌無機(jī)鹽碳、氮以外的重要元素大量元素：103104 mol L1細(xì)胞組分、生物分子構(gòu)件、酶的輔因子 調(diào)節(jié)滲透壓、pH值、氧化還原電位自養(yǎng)微生物的能源微量元素：106108 mol L1 多為酶的輔因子 大量元素元素人為提供形式生理功能PKH2PO4、K2HPO4 核酸、磷酸和輔酶SMg

4、SO4 含硫氨基酸、含硫維生素成分KKH2PO4、K2HPO4酶輔因子；維持滲透壓和電位差NaNaCl 維持滲透壓；某些細(xì)菌與藍(lán)細(xì)菌所需CaCa(NO3)2、CaCl 胞外酶穩(wěn)定劑、蛋白酶輔因子；芽孢所需MgMgSO4固氮酶輔因子；葉綠素成分FeFeSO4 細(xì)胞色素成分；合成葉綠素和氯高鐵血紅素所需微量元素元素人為提供形式生理功能MnMnSO4 酶輔因子CuCuSO4 酶輔因子CoCoSO4 維生素B12復(fù)合物成分；酶輔因子ZnZnSO4 酶輔因子Mo(NH4)6Mo7O24 固氮酶、硝酸鹽還原酶成分生長因子（生長素） 微生物代謝不可缺少的微量有機(jī)物包括：維生素、氨基酸、生物素（維生素H）、嘌

5、呤和嘧啶堿基 多數(shù)微生物能自己合成某些微生物必須外加共棲微生物可相互提供常用補(bǔ)加物：酵母膏、玉米漿、肝浸液麥芽汁、土豆汁、牛肉膏、麩皮、米糠 碳氮磷比好氧活性污泥：BOD5:N:P=100:5:1厭氧消化污泥：BOD5:N:P=100:6:1好氧堆肥發(fā)酵：C:N:P=90:3:1微生物的營養(yǎng)類型按碳源分按能源分 自養(yǎng)(無機(jī)營養(yǎng))型碳源: 無機(jī)碳異養(yǎng)(有機(jī)營養(yǎng))型碳源: 有機(jī)物 光能營養(yǎng)型能源:太陽光 藍(lán)細(xì)菌、藻類、多數(shù)光合細(xì)菌 紫色非硫細(xì)菌 化能營養(yǎng)型能源:還原態(tài)無機(jī)物或有機(jī)物的氧化 硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌 多數(shù)細(xì)菌、放線菌、真菌、原生動(dòng)物、病毒 Photoautotroph/Ph

6、otolithotroph藻類/藍(lán)細(xì)菌： h/chlorophyllCO2 H2O CH2O O2 C-source H-donator 綠/紫硫細(xì)菌： h/bacteriochlorophyllCO2 H2S CH2O2SH2OPhotoheterotroph/Photoorganotroph 紫色非硫細(xì)菌： OH h/Bacteriochlorophyll CO2 2CH3CHCH3 CH2O2CH3COCH3H2OChemoautotroph/Chemolithotroph 硝化細(xì)菌：NH3NH4 NO2 NO3硫化細(xì)菌：H2S，S，S2O32，SO32 SO42鐵細(xì)菌：4Fe2 O2

7、4H 4Fe3 2H2O H氫細(xì)菌：2H2 O2 2H2O HChemoheterotroph/Chemoorganotroph 腐生利用無生命的有機(jī)物寄生依賴于寄主營養(yǎng)、生長、繁殖兼性腐生或兼性寄生培養(yǎng)基(medium) 配制原則：組成合理：適應(yīng)微生物特性配比恰當(dāng)：碳氮磷比條件適宜：酸度、滲透壓、電位容易獲得：價(jià)廉、實(shí)用培養(yǎng)基(medium)類型：液體liquid 固體solid 半固體semi-solid 加富enriched 鑒別differential 選擇selected 天然undefined (complex) 合成defined (synthetic) 半合成semi-defi

8、ned 物質(zhì)的運(yùn)送營養(yǎng)物質(zhì)通過細(xì)胞膜的機(jī)制 被動(dòng)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)送基團(tuán)移位 被動(dòng)擴(kuò)散(passive diffusion)不需要載體蛋白的參與不消耗能量主要適合于小分子、非電離分子、親脂性分子的輸送無特異性選擇、競爭性抑制及飽和現(xiàn)象污染物進(jìn)入細(xì)胞體的主要方式水是唯一可以通過擴(kuò)散自由通過原生質(zhì)膜的分子促進(jìn)擴(kuò)散（facilitated diffusion） 也是一種擴(kuò)散，要求具有合適的濃度梯度必須有載體蛋白（carrier protein）透過酶的參與無需提供任何能量物質(zhì)通過細(xì)胞膜的速率高于單純擴(kuò)散速率有類似物質(zhì)競爭性抑制、載體飽和、運(yùn)送物質(zhì)特異性主動(dòng)運(yùn)送(active transport) 需

9、要具有高度特異性的載體蛋白參與可逆濃度梯度運(yùn)送物質(zhì)消耗能量三磷酸腺苷酶ATP ADP H3PO4 與膜上載體蛋白的特異性及數(shù)量有關(guān)有類似物質(zhì)競爭性抑制、載體飽和、運(yùn)送物質(zhì)特異性運(yùn)送無機(jī)離子、有機(jī)離子和糖類等營養(yǎng)物質(zhì)K（膜外） 磷酸蛋白PP KPKP ATP PP ADP K（膜內(nèi)）基團(tuán)移位(group translocation) 需特異性載體蛋白，耗能物質(zhì)在運(yùn)送前后會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化運(yùn)送葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等對底物具有特異性選擇作用有類似物質(zhì)競爭性抑制、載體飽和 酶IPEP HPr 丙酮酸 P-HPr 酶IIP-HPr 糖 糖-P HPr物質(zhì)通過細(xì)胞膜的四種主要機(jī)制的

10、比較 比較項(xiàng)目被動(dòng)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)送基團(tuán)移位物質(zhì)運(yùn)送方向由濃至稀由濃至稀可由稀至濃可由稀至濃平衡時(shí)內(nèi)外濃度相等相等內(nèi)部高得多內(nèi)部高得多能量消耗不需要不需要需要需要載體蛋白的參與無有有有運(yùn)送速度慢快快快運(yùn)送分子特異性無有有有載體飽和效應(yīng)無有有有類似物質(zhì)競爭性無有有有運(yùn)送抑制劑無有有有運(yùn)送前后物質(zhì)分子不變不變不變改變物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對其穿過細(xì)胞膜能力的影響 性質(zhì)影響解離度處于解離狀態(tài)的物質(zhì)不易通過分子大小分子越小越容易通過親脂性脂溶性較強(qiáng)的化合物（KOW102106.5）較易通過濃度 濃度越高越容易通過2 微生物的生長生長與繁殖微生物生長的測定微生物群體生長規(guī)律微生物的培養(yǎng)方式影響微生物生長的

11、因素生長與繁殖 生長微生物在適宜的環(huán)境條件下，吸收營養(yǎng)，進(jìn)行新陳代謝，有機(jī)體的各細(xì)胞組分協(xié)調(diào)而平衡的增長繁殖單細(xì)胞微生物的繁殖是指，當(dāng)細(xì)胞增長到一定程度時(shí)，以二等分裂方式形成子細(xì)胞，引起個(gè)體數(shù)目的增加；多細(xì)胞微生物細(xì)胞數(shù)目的增加若不伴隨個(gè)體數(shù)目的增加，只能叫生長，唯有通過形成無性孢子和有性孢子等使個(gè)體數(shù)目增加的過程才能叫繁殖微生物生長的測定總菌數(shù)（total cell count）涂片染色法 計(jì)數(shù)器法 電子自動(dòng)計(jì)數(shù)器法 測菌懸液濃度比濁法 涂片染色法 x =平均每個(gè)視野中菌數(shù)r =視野半徑（測微尺測得）A=涂布面積V=涂布樣品體積K=稀釋倍數(shù)K x A( r2 V) 單位體積菌液含菌數(shù) =?計(jì)

12、數(shù)器法 50=1mlvolume0.02測菌懸液濃度比濁法一定，細(xì)胞數(shù) OD比濁法測菌體濃度：在菌體濃度小時(shí),菌體量（gL）與光密度OD值成正比用得最多的就是505nm測菌絲菌體、560nm測酵母、600nm測細(xì)菌就是先做一個(gè)菌液濃度與OD值的標(biāo)準(zhǔn)曲線,以后測OD值的話,直接根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線就知道菌液濃度了.波長的確定,可以拿你的菌液掃個(gè)譜,找出吸收峰.一般細(xì)菌600nm,但也不一定. 微生物生長的測定活菌數(shù)（viable count）平皿涂布法平皿傾注法試管稀釋法 薄膜過濾法 平皿涂布法平皿傾注法微生物生長的測定細(xì)胞物質(zhì)量（cell mass） 絲狀真菌霉菌生長的測定 生理指標(biāo)法測定微生物生長

13、細(xì)胞物質(zhì)量（cell mass）測定細(xì)胞總含氮量測定DNA含量測定細(xì)胞干重絲狀真菌霉菌生長的測定 平皿培養(yǎng)法U形管培養(yǎng)法生理指標(biāo)法測定微生物生長 代謝作用消耗物質(zhì)的量 代謝作用產(chǎn)生物質(zhì)的量 微生物群體生長規(guī)律 延滯期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期延滯期 缺乏完善的特定反應(yīng)酶體系酶誘導(dǎo)過程適應(yīng)底物的特種反應(yīng)酶體系的形成過程細(xì)菌：250天影響因素菌種菌齡菌種的初始接種量菌群與底物的預(yù)先接觸較容易被降解的碳源有機(jī)化合物的濃度影響因素： 對數(shù)期 繁殖代數(shù)n:x2=x12n生長速率常數(shù)R：單位時(shí)間的分裂代數(shù)增代時(shí)間（即代時(shí)）tG單個(gè)細(xì)胞完成一次分裂所需的時(shí)間倍增時(shí)間tD細(xì)胞原生質(zhì)增加一倍所需的時(shí)間穩(wěn)定期 營養(yǎng)消耗供

14、應(yīng)不足代謝產(chǎn)物積累y=菌體總生長量消耗營養(yǎng)物質(zhì)總量 衰亡期 營養(yǎng)缺乏代謝產(chǎn)物使自身中毒內(nèi)源代謝發(fā)生 微生物的培養(yǎng)方式 分批培養(yǎng)(batch culture)連續(xù)培養(yǎng)(continuous culture)半連續(xù)培養(yǎng)(semi-continuous culture)補(bǔ)料分批培養(yǎng)(fed-batch culture)同步培養(yǎng)(synchronous culture)純培養(yǎng)(pure culture)同步培養(yǎng)指使細(xì)胞的分裂周期為同步的培養(yǎng)方法。同步化方法的原理是在使所有細(xì)胞都處于大體相同的分裂周期的處理后，才使增殖同時(shí)開始進(jìn)行。最穩(wěn)妥的操作方法是對細(xì)胞的大小等先作出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，將大體同一時(shí)期的細(xì)胞選出

15、并集中起來。另外，是采用從培養(yǎng)基中除去生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)源、溫度處理、或加藥劑等方法，抑制先發(fā)育的細(xì)胞的發(fā)育，待到晚發(fā)育的細(xì)胞發(fā)育以后，解除上述處理，使增殖再一齊開始。連續(xù)培養(yǎng)又叫開放培養(yǎng)，是相對分批培養(yǎng)或密閉培養(yǎng)而言的。連續(xù)培養(yǎng)是采用有效的措施讓微生物在某特定的環(huán)境中保持旺盛生長狀態(tài)的培養(yǎng)方法. 具體地說，當(dāng)微生物以單批培養(yǎng)的方式培養(yǎng)到指數(shù)期的后期時(shí)，一方面以一定速度連續(xù)流入新鮮培養(yǎng)基和通入無菌空氣，并立即攪拌均勻；另一方面，利用溢流的方式，以同樣的流速不斷流出培養(yǎng)物。于是容器內(nèi)的培養(yǎng)物就可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，其中的微生物可長期在指數(shù)期的平衡生長狀態(tài)和衡定的生長速率上，于是形成了連續(xù)生長。純培養(yǎng) 平板劃線法稀釋法單細(xì)胞挑取法選擇性培養(yǎng)基法影響微生物生長的因素 溫度 酸堿度pH 氧 水活度與滲透壓（鹽度） 輻射與超聲波 化學(xué)藥劑溫度 溫度高溫 消毒煮沸消毒法1000C, 15min.巴氏消毒法650C, 1530min.高溫 滅菌干熱 滅菌法火焰焚燒烘箱烘烤1601700C, 12hr.濕熱 滅菌法高壓蒸汽滅菌1.03105Pa, 1210C, 1530min.常壓間歇滅菌1000C, 1530min.;300C,overnight.3酸堿度pH 酵母菌，霉菌pH46檸檬酸鹽、乙酸鹽、二甲基戊酸鹽放線菌pH7.58硼酸鹽、甘氨酸細(xì)菌，藻類，原生動(dòng)物