微生物的生长与代谢(11)

能，脱氨、脱硫；条件容易
（四）化能异养型

有机（异养）——以有机物为碳源

异养菌是有机污水处理的主角
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。
微生物的营养类型
营养类型 能 源 碳源 实 例
光能自养型
光能
CO2 CO2 及 简单有机物
蓝细菌 紫硫细菌 绿硫细菌 藻类 红螺细菌
C
物理化学条件适宜
D 原料来源的选择 经济节约原则 以粗代精、以废代好、以简代繁 原料来源要广泛 原料要易处理，处理成本要低 要少 原料处理后，废物、废液、废气
碳氮磷比－“营养平衡”

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
1. 培养基类型
（1）依培养基来源：
天然培养基(complex medium, undefined medium)， 指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培 养基，成分未知。如培养细菌所用的肉汤蛋白胨培养 基，培养酵母菌的麦芽汁培养基等。 优点： 取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便
合成培养基 (synthetic medium) 是一类用多种高纯化学试剂配制的、各成分（包含微量元素）


2）加富培养基
待选细菌专门需要的某种碳源或氮源 例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养基中 的唯一碳源； 各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通常是 以这类有机物为培养基中的唯一碳源，将目的细 菌富集筛选下来。

• 3）选择培养基
根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的 培养基。其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势菌，从而提高该菌的筛选 效率。
一、微生物的化学组成与营养物质
（一）微生物的化学组成（教材P70)
（二）微生物的营养物质 1.碳源 提供微生物营养所需碳元素的营养源。 有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等 无机碳源： CO2 , Na2CO3 , CaCO3等 异养微生物：必须利用有机碳源 自养微生物：能利用无机碳源
2. 氮源(nitrogen source)
凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 异养和大部分自养微生物不能利用氮源作能源。
有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆
无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4
ห้องสมุดไป่ตู้
气态氮源：大气N2
3.无机盐 (inorganic salts)
细胞内一般分子成分 (P、S、Ca、Mg、Fe等) 一般功能 生理调节物质 大量元素 10-3-10-4M 特殊功能 无机盐 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)
的量都确切知道的培养基。如培养细菌所用的葡萄糖铵盐 培养基，
培养放线菌的淀粉硝酸盐培养基（高氏一号）。
较昂贵，一般用于研究工作（代谢、遗传分析） 。 优点：组份精确、重复性好。 半合成培养基(Semi-defined medium) 一部分天然有机物作碳源、氮源和生长因子，然后加入 适量的化学药品配制而成的半合成培养基
培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。
狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等 生长因子自养型微生物（auxoautotrophs) 生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs)
营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)
生长因子过量合成型微生物
渗透压的维持 (Na+等)
酶的激活剂 (Mg等) pH的稳定 化能自养菌的能源 (S、Fe2+、NH4+、MO2-等)
酶的激活剂 (Cu2+、Mn2+、Zn2+等)
微量元素 10-6-10-8M
特殊分子结构成分 (Co、Mo等)
4. 生长因子(growth factor)
一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源， 氮源自行合成的、所需极微量的有机物。 作用：辅酶或酶活化所需。
能源

细菌的能源种类 化学能、光能
有机碳源，特殊的无机物（如S、Fe)，含有光合色素

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(自养)，有机营养（异养）
（一） 光能自养细菌
1.有氧有光 绿色植物或藻类, 放氧光合作用 光 2. 无氧有光
只有紫硫细菌和绿硫细菌
液体培养基(liquid medium)，培养基中没有凝固剂。 用途：大量培养微生物，研究生理代谢等。
(3)根据培养基用途
普通型、选择型、鉴别型 1）基础培养基

•一般微生物生长繁殖需要的基本营养 可根据微生物的特殊需要添加营养物质
肉汤培养基
• 牛肉膏 3g • 水 1000mL 蛋白胨 5g pH 7.2~7.4
光能异养型
光能
化能自养型
无机物
CO2
化能异养型
有机物
有机物
硝化细菌 硫化细菌 铁细菌 氢细菌 绝大多数微 生物， 原生动物
三、营养物质的摄取
（一）影响营养物质透过细胞膜的因素 1.细胞壁与细胞膜结构 2.营养物质本身的性质 3.微生物生活环境
（二））营养物质的运输机制
1. 单纯扩散 (simple diffusion) 依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；
CO2 + H2S →
光
[CH2O]（糖） + H2O + 2S
（二）光能异养细菌

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）
•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
（三） 化能自养细菌（有氧）

自养——碳源CO3－ 化能——以 还原态物质氧 化产能

S、H2S、H2、NH3、Fe
硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)、（亚）硝化细菌及
铁细菌、氢细菌。
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 [CH2O] + H2 O

CO2 + 4 H



不消耗代谢能，无特异性；
运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子； 亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜 的通透性，细胞膜是一道屏障。
2. 促进扩散 (facilitated diffusion)

利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。 特点：

第三章 微生物的生长与代谢
第一节 微生物的营养与营养类型 第二节 微生物的代谢 第三节 微生物的生长繁殖 第四节环境因素对微生物生长的影响
第一节 微生物的营养与营养类型
营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活 动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一 种最基本的生理功能。
5.水
存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成） 生理作用：

细胞组成成分 生化反应溶剂 化学、生理反应介质 物质运输媒体 调节细胞温度 维持细胞的渗透压
（三）培养基
培养基(medium，culture medium)：是一种人工配制的、适合微生
物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。
• 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 。
物理化学条件适宜: pH、渗透压和水活度、氧化还原电位
pH：微生物有最佳生长pH

细 菌: 放线菌： 酵母菌: 霉 菌：
pH7.0~8.0 pH7.0 ~8.5 pH3.8~6.0 pH4.0~6.0
微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变化 ：
在含糖基质上生长,会产酸而使pH下降， 在分解蛋白质和氨基酸时, 会产NH3而使pH上升， 以 (NH4)2SO4 作N 源 , 会过剩 SO4 2-, 而使pH下降， 分解利用阳离子化合物如：NaNO3, 会过剩 Na+ 而使 pH 上升。
一种主动运输方式，有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而 物质在运输过程中发生化学变化。 集团转位主要存在于厌氧型和 兼性厌氧型细菌中。
特点： 属主动运输类型 溶质分子发生化学修饰 定向磷酸化 需复杂的运输酶系参与 运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等
第二节 微生物的代谢
需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输 不消耗能量

运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）
载体蛋白(carrier protein)，即透性酶（大多为诱导酶）， 有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋 白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。
胞外
细胞膜
胞内
促进扩散示意图
3.主动运输 (active transport)
营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。 营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质 和良好的生理环境。
一些微生物可利用非物质形式的能源光能。
功能:

参与微生物细胞的组成 提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量 形成微生物代谢产物的来源
营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失 去这个基础，生命也就停止。

常用物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生 素。

例如欲分离古细菌，培养基中通常加入青霉素（由于古细菌 的细胞壁不同于普通细菌，因而不会被对破坏普通细菌细胞 壁结构的青霉素杀死），古细菌就唯一分离并存活下来。 胆汁酸盐——抑制革兰氏阳性菌

4）鉴别培养基
根据微生物代谢特点，在培养基中加入某种试剂或化学药品， 通过培养后发生的变化和指示剂的显色反应，以鉴别不同类型的微
生物的一类培养基。
如在不含糖的肉汤中，加入各种糖类及指示剂，利用微生物发 酵糖类所产生的不同反应来鉴别菌种.将大肠杆菌接种到葡萄糖肉 汤、乳糖肉汤、麦芽糖肉汤中，均可分解各种糖，产生酸和产生气
体；而接种伤寒杆菌则只发酵葡萄糖和麦芽糖，只产酸不产气，不
发酵乳糖.
2、选择和配制培养基的原则和方法
四个原则： A 目的明确（根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基） 培养什么微生物、获得什么产物、用途 B 营养协调 营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比)


厌氧微生物：+0.1以下
兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以 下进行发酵
二 微生物营养类型
依能源不同： 光能营养型(phototrophs): 光反应产能 化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能 依碳源不同： 异养型(heterotrophs): 不能以CO2为主要或唯一碳源 自养型(autotrophs): 能以CO2为主要或唯一碳源 依生长因子的不同： 原养型(prototroph)或野生型(wild type) 营养缺陷型(auxotroph)
渗透压(osmotic pressure): 高浓度溶液向低浓度溶液渗透时， 其溶质分子所产生的压力。 高渗溶液会导致微生物细胞发生质壁分离 低渗溶液会导致微生物细胞吸水膨胀甚至破裂 氧化还原电位Eh（redox potential）：氧化还原系统中的还原剂 释放电子或氧化剂接受电子的趋势。 好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~ +0.4V
一、酶（生物化学有关章节，本教材P78) 二、微生物的能量生成与转换（生物化学有 关章节，本教材P79)） 三、微生物呼吸作用类型 四、微生物同化作用
（2）按培养基外观的物理状态：固体、半固体、液体。
固体培养基(solid medium)，一般加有凝固剂， 凝固剂含量一般为1～2％。
作为凝固剂的条件：不被微生物分解利用，生长温度范围内保持固体状态，凝固
点温度对微生物无害，不因灭菌而破坏，透明度好、配制方便、价格低。常用的 为琼脂与明胶。 由于固体培养基能提供表面，形成单菌落，因此可用于：菌种分离、鉴定、保藏 等。 半固体培养基(semi-solid medium)，凝固剂含量一般约为0.5% , 用途：观察细菌的运动，测定噬菌体效价等。
特点： 是微生物吸收营养的主要方式 可逆浓度梯度运输，耗能 需载体蛋白，有特异性
运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类
需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象 亲和力改变→蛋白构象改变→耗能 单纯扩散、促进扩散、主动运输 ：被运输的溶质分子不发 生改变。
4. 基团转位（Group translocation ）