环境微生物学-第四章 微生物的生理

不同营养类型之间的界限并非绝对的。
有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型 也会发生改变。
如：紫硫细菌
无有机物：可同化CO2 ，为自养型微生物； 有有机物：利用有机物生长，为异养型微生物； 光照厌氧：可利用光能生长，为光能营养型微生物； 黑暗好氧：依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型
微生物。
微生物营养类型的可变性有利于提高微生物对环境 条件变化的适应能力。
（三） 氮源
氮源：供给微生物氮元素来源的物质。
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 工业投加的细菌氮源：尿素、粪便
（四） 无机盐
微生物需要的无机盐
碳氮磷比－“营养平衡”
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 厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5:N:P
＝100:6:1 为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理的效
果，要按碳氮磷比配给营养 。
磷酸烯醇式丙酮 酸－磷酸糖转移
酶系统
有一个复杂的运输系统来完成物质的运输；物质在运输 过程中发生化学变化。
基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要 用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方 式运输。
思考题
什么是营养？什么是营养物？营养物有那些生理 功能？
① 无机营养微生物（自养型）
a. 光能自养细菌
光能自养型微生物体内含有光 合色素，可以利用光作为能源， 利用CO2作为碳源，以H2O和 H2S作为供氢体，合成菌体细胞 有机物。
包括：藻类、蓝细菌、红硫菌、 绿硫菌等
绿硫菌
光照
CO2 + 2H2S
[CH2O]（糖） + H2O + 2S↓
菌绿素
注意各营养物质的浓度及配比； 控制理化条件，如酸碱度、氧化还原电位等； 利用价格低廉且容易得到的原料作为培养基的
营养成分，在工业化生产过程中可降低成本。 配培养基时，应避免产生沉淀，配制完毕后
及时灭菌。
培养基的配制
加水
①缓冲化合物
②有机、无机 营养物
③微量元素
④维生素及其他生长因子
四、营养物质进入微生物细胞的方式
影响营养物质进入细胞的因素：
营养物质本身的性质； 微生物所处环境； 微生物细胞的透过屏障。
营养物质进入微生物细胞的方式：
单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位
1. 单纯扩散
物质跨膜扩散的能力和速率 与该物质的性质有关，分子 量小、脂溶性、极性小的物 质易通过扩散进出细胞。
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。
洗涤剂废水：缺N，P过剩
炼油废水：缺N、P
但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！
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。这与细菌驯化正好相反（反驯化）。
a. “投毒法”——选择性的抑制剂
在培养基中加入某种化学物质，这种化学物质没有营养 作用，对所需分离的微生物无害，但可以抑制或杀死其 他微生物。
常用物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生 素。
如：分离古细菌，培养基中通常加入青霉素；培养基中加入数 滴10%酚，可以抑制细菌和霉菌的生长，分离出放线菌；加入 胆汁酸盐，可以抑制革兰氏阳性菌，有利于革兰氏阴性细菌的 生长。
异养细菌，如一种大肠杆菌的培养基：葡萄糖－0.5g； K2HPO4－1g；MgSO4－0.2g；NaCl －5g ；NH4H2PO4－ 0.4g；水－1000mL
培养基：人工配制的适合微生物生长繁殖或 产生代谢产物的营养基质。
1. 培养基的配制
培养基的配制原则：
根据微生物的营养要求供给适合的碳源、氮源、 无机盐或生长因子等；
学以致用——养细菌
三、微生物的培养基（culture medium）
例：
化 能 自 养 菌 氧 化 硫 杆 菌 的 培 养 基 ： 粉 末 状 硫 － 10g ； KH2PO4－4g；MgSO4－0.5g；CaCl2 －0.5g；(NH4)2SO4 －0.4g；FeSO4－0.01g；水－1000mL
pH、盐度等环境条件。
嗜热菌
主要用于筛选极端环境微生物。如
嗜盐、嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱等
的细菌，同时也被用于选择性培养
好氧或厌氧细菌。
③ 鉴别培养基
用于鉴别不同类型微生物的培养基。
在培养基中加入某种特殊化学物质，与 某种微生物在培养基中生长后产生的代 谢产物发生特定化学反应，产生明显特 征变化。
Zn、B、Mo、Co、Ni等微量元素。
二、微生物的营养物及营养类型
微生物的营养物质 水、碳源、氮源、无机盐和生长因子五大类。
（一）水 溶剂及运输介质； 参与生化反应(如脱水、加水反应)； 维持细胞正常形态； 有效地控制细胞内温度的变化等。
（二） 碳源
1. 碳源：供给微生物碳元素来源的物质。 碳源作用：细胞的碳骨架、大多还是能源物质。 细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的50％左右。
CO2 + 4 H
[CH2O] + H2O
② 有机营养细菌（异养菌）
有机（异养）—— 以有机物为碳源
根据能源的不同
光能异养：利用光能作为能源，以有机物为供氢体，还
原CO2合成有机物。
光能+色素
有机物 + CO2
菌体 [CH2O]
化能异养：以有机物作为碳源和能源的的细菌。
绝大多数的细菌都属于化能异养菌，是有机污水处理的主角。
牛 肉 膏
① 液体培养基
培养基按配方配好后不加凝固剂，呈液体状态的培养基。 常用于大规模工业生产及实验室基础研究；废水也可看作
是一种广义的液体培养基。
② 半固体培养基
在液体培养基中加入0.5%或更低浓度的凝固剂（常用琼 脂）。
常用于观察微生物的运动特征。
③ 固体培养基
向液体培养基中加入2％左右的凝固剂（琼脂）。 天然的固体培养基——土豆块、培养真菌的麸皮、大米、
在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物 质的培养基，也称为普通培养基。
② 选择培养基
用于将某种或某类微生物从混杂 的微生物群体中分离出来的培养 基。
根据不同种类微生物的特殊营养 需求或对某种化学物质的敏感性 不同，在培养基中加入相应的特 殊营养物质或化学物质，抑制不 需要的微生物的生长，有利于所 需微生物的生长。
10%Na0H、HCl 调整 pH
分装
冷
高压蒸
却
气灭菌
备
锅
用
2. 培养基的分类
分类依据
组成组分：合成培养基、天然培养基、复合培 养基
物理状态：液体、半固体、固体培养基 用途：基础培养基、选择培养基、鉴别培养基、
加富（富集）培养基
① 合成培养基
化学成分完全了解的物质配制而成的培养基（化学限定 培养基）。
大麦等。 常用于微生物的分离、鉴定、活菌计数、菌种保藏等。
琼脂特性
A.不能被绝大多数微生物利用、分解液化 －不作为额外碳源，干扰试验，保持固体 特性
B.高压灭菌结构不被破坏，且颜色透明不 妨碍观察；
C.多数微生物在琼脂培养基表面生长并形 成独立菌落－易于纯化分离
石花菜(红藻）
① 基础培养基
是物理过程，不需要消耗能 量。
扩散并不是微生物细胞吸收 营养物质的主要方式。
2. 促进扩散
被动的物质跨膜运输方式；物质运输过程中不消耗能量。 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比，不能逆浓度运输。 通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体(carrier)的
作用才能进入细胞，而且每种载体只运输相应的物质，具有较 高的专一性。 载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的 动态平衡状态；这种性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋 白也称为渗透酶。
3. 主动运输
物质从低浓度区域跨膜向高浓度区域转运的方 式，需消耗能量，又称耗能转运。是广泛存在于 微生物中的一种主要的物质运输方式。
Na+，K+—ATP酶 （钠泵）
钠钾泵主动运输
主动转运的特点
载体蛋白 方向性 能量一般由ATP 提供
4.基团转位
磷酸烯醇式 丙酮酸 丙酮酸
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
构成酶的组分和维持酶的活性； 特殊细菌的能源：铁细菌、硫细菌分别以铁和硫为产能
物质。 维持一定的渗透压。
优点：稳定 缺点：成本较高 常用于微生物营养需求、代谢、生物量测定等对定量要
求较高的研究工作。
② 天然培养基
天然有机物配制而成的培养基（非化学限定培养基）。 优点：营养丰富、配制容易、成本低 缺点：质量不稳定、选择性差 除在实验室经常使用外，也适用于进行工业大规模的微
生物发酵生产。
③复合培养基
天然有机物和无机化合物配制而成的培养基（半合成培 养基）。
如，牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏－3g；蛋白胨－10g； NaCl－5g；琼脂－15-25g；水－1000mL；pH 7.4~7.6 牛肉膏——瘦牛肉经过加热浓缩抽提的膏状物（主要 提供碳源、磷酸盐、维生素）； 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（主要提供氮源、维生素）； NaCl——提供无机盐