微生物的生理

微生物的生理第三章微生物的生理3.1微生物的营养3.2微生物的生长3.3微生物生长的控制3.4微生物的代谢微生物的生理3.1微生物的营养微生物同其他生物一样都是具有生命的，需要从它的生活环境中吸收所需的各种的营养物质来合成细胞物质和提供机体进行各种生理代谢所需的能量，使机体能进行生长与繁殖。微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（nutrition）。营养物质是微生物进行各种生理活动的物质基础。微生物的生理3.1.1微生物的营养要素根据对各类微生物细胞物质成分的分析，发现微生物细胞的化学组成和其他生物相比较，没有本质上的差别。微生物细胞平均含水分80％左右。其余20％左右为干物质，在干物质中有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。这些干物质是由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等主要化学元素组成，其中碳、氢、氧、氮是组成有机物质的四大元素，大约占干物质的90％～97％。其余的3％～10％是矿物质元素（表3-1）。除上述磷、硫、钾、钙、镁、铁外，还有一些含量极微的钼、锌、锰、硼、钴、碘、镍、钒等微量元素。这些矿质元素对微生物的生长也起着重要的作用。但微生物细胞的化学组成随种类、培养条件及菌龄的不同在一定的范围内发生改变。微生物的生理组成微生物细胞的化学元素分别来自微生物生存所需要的营养物质，即微生物生长所需的营养物质应该包含组成细胞的各种化学元素。营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可分成碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、和水六大类。微生物种类元素CNHO细菌5015820酵母菌5012731霉菌485740表3-1微生物细胞中主要化学元素的含量（干物质重%）微生物的生理3.1.1.1碳源凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质通称碳源。碳源通过机体内一系列复杂的化学变化被用来构成细胞物质或提供机体完成整个生理活动所需要的能量。因此，碳源通常也是机体生长的能源。能作为微生物生长的碳源的种类极其广泛，既有简单的无机含碳化合物CO2和碳酸盐等，也有复杂的天然的有机含碳化合物，它们是糖和糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含碳的化合物。微生物的生理3.1.1.2氮源微生物细胞中大约含氮5%—15%，它是微生物细胞蛋白质和核酸的主要成分。微生物利用它在细胞内合成氨基酸，并进一步合成蛋白质、核酸等细胞成分。因此，氮素对微生物的生长发育有着重要的意义。无机氮源一般不用作能源，只有少数化能自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源。微生物的生理3.1.1.3无机盐无机盐（mineralsalts）是微生物生长必不可少的一类营养物质，也是构成微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分。许多无机矿物质元素在机体中的生理作用是参与酶的合成或酶的激活剂，并具有调节细胞的渗透压，控制细胞的氧化还原电位和作为有些自养型微生物生长的能源物质等。根据微生物对矿物质元素需要量的不同，将其分为大量元素和微量元素。微生物的生理大量矿物质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷和硫需要量最大，磷在微生物生长与繁殖过程中起着重要的作用。它既是合成核酸、核蛋白、磷脂与其他含磷化合物的重要元素，也是许多酶与辅酶的重要元素。硫是胱氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸的组成元素之一，因而它也是构成蛋白质的主要元素之一。钠、钙、镁等是细胞中某些酶的激活剂。微生物的生理微量元素是锌、钼、锰、钴、硼、碘、镍、铜、钒等，这些元素一般是参与酶蛋白的组成，或者能使许多酶活化，它们的存在会大大提高机体的代谢能力，如果微生物在生长过程中，缺乏这些元素，会导致机体生理活性降低，或导致生长过程停止。微量元素通常混杂存在其他营养物质中，如果没有特殊原因，在配制培养基的过程中没有必要另外加入，因为过量的微量元素反而对微生物起到毒害作用。微生物的生理3.1.1.4生长因子生长因子（growthfactor）通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小的，但微生物自身不能合成的，必须在培养基中加入的有机营养物。生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧淀等。而狭义的生长因子仅指维生素。缺少这些生长因子会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行。微生物的生理3.1.1.5水水是微生物细胞主要的组成成分，它大约占鲜重的70%～90%。不同种类微生物细胞含水量不同。同种微生物处于生长的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少。微生物所含的水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。微生物的生理3.1.2微生物的营养类型由于各种微生物的生活环境和对不同营养物质的利用能力不同，它们的营养需要和代谢方式也不尽相同。根据微生物所要求的碳源不同（无机碳化合物或有机碳合化物），可以将它们分为自养微生物和异养微生物两大类。自养微生物以CO2为唯一的碳源，能够在完全无机的环境中生长。而异养微生物的生长则至少需要有一种有机物存在，它们不能以CO2作为唯一的碳源。微生物的生理根据微生物所利用的能源的不同，又可将微生物分为两种能量代谢类型，一种是吸收光能来维持其生命活动的，称为光能微生物，另一类是利用吸收的营养物质降解产生化学能，称为化能微生物。将以上两种分类方法结合起来，我们可以把微生物的营养类型归纳为光能自养型、化能自养型、光能异养型和化能异养型四种类型。微生物的生理3.2.1.1光能自养型微生物这类微生物利用光作为生长所需要的能源，以CO2作为碳源。光能自养微生物都含有光合色素，能够进行光合作用。但是必须注意，光合细菌的光合作用与高等绿色植物的光合作用有所区别。在高等绿色植物的光合作用中，水是同化CO2时的还原剂，同时释放出氧。而在光合细菌中，则是以H2S、Na2S2O3等无机化合物作为供氢体来还原CO2，从而合成细胞有机物的。例如绿硫细菌以H2S为供氧体，它们的光合作用可以概括为：2222CO+2HSCHO+2S+HO光能细胞叶绿素微生物的生理3.1.2.2化能自养型微生物这类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能。碳源是CO2或碳酸盐。常见的化能自养微生物有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌、一氧化碳细菌和甲烷氧化细菌等。它们分别以硫、还原态硫化物、氨，亚硝酸、氢、二价铁、一氧化碳和甲烷作为能源。硝化细菌在自然界的氮素循环中起着重要作用，它们使自然界中的氨转化为亚硝酸、硝酸，提高了土壤的肥力。硫化细菌可用来处理矿石，浸出一些金属矿物。这样的处理方法被叫做湿法冶金。在农业上，硫化细菌则被用来改造碱性土壤。微生物的生理化能自养微生物一般需消耗ATP，促使电子沿电子传递链逆向传递，以取得固定CO2时所必需的NADH＋H+。因此这类菌的生长较为缓慢。3.1.2.3光能异养型微生物这类微生物利用光作为能源。不能在完全无机化合物的坏境中生长，需利用有机化合物作为供氢体来还原CO2，合成细胞有机物质。例如，红螺细菌利用异丙醇作为供氢体，进行光合作用，并积累丙酮酸。微生物的生理3.1.2.4化能异养型微生物这类微生物所需要的能源来自有机物氧化所产生的化学能，它们只能利用有机化合物。如；淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。因此有机碳化物对这类微生物来说既是碳源也是能源。它们的氮素营养可以是有机物，如蛋白质，也可以是无机物，如硝酸铵等。化能异养微生物又可分为腐生的和寄生的两类。前者是利用无生命的有机物，而后者则是寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物质，在腐生和寄生之间存在着不同程度的既可腐生又可寄生的中间类型，称为兼性腐生或兼性寄生。微生物的生理3.1.3微生物对营养的吸收方式外界环境或培养基中的营养物质只有被微生物吸收到细胞内，才能被微生物逐步分解与利用。微生物对营养物质的吸收是借助于细胞膜的半渗透特性及其结构特点，以不同的方式来吸收营养物质和水分的。但不同的物质对细胞膜的渗透性不一样，根据对细胞膜结构以及物质传递的研究，目前一般认为营养物质主要以单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式透过微生物细胞膜。微生物的生理3.1.3.1单纯扩散在微生物营养物质的吸收方式中，单纯扩散是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养微生物通过分子不规则运动通过细胞膜中的小孔进入细胞，其特点是物质由高浓度的细胞外向低浓度的细胞内扩散（浓度梯度），这是一种单纯的物理扩散作用。一旦细胞膜内外的物质浓度达到平衡（即浓度梯度消失），简单扩散也就达到动态平衡。微生物的生理但实际上，进入微生物细胞的物质不断地被生长代谢所利用，浓度不断降低，细胞外的物质不断地进入细胞。这种扩散是非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）的参与，也不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化。但膜上的小孔的大小和形状对被扩散的营养物质分子大小有一定的选择性。由于单纯扩散不需要能量的作用，因此，物质不能进行逆浓度交换。单纯扩散的物质的主要是一些小分子的物质，如水、一些气体（O2、CO2）、有些无机离子及水溶性的小分子物质（甘油、乙醇等）。微生物的生理3.1.3.2促进扩散促进扩散也是一种物质运输方式，它与单纯扩散的方式相类似，营养物质在运输过程中不需要能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，运输的速率随着细胞内外该物质浓度差的缩小而降低，直至膜内外的浓度差消失，从而达到动态平衡。所不同的是这种物质运输方式需要借助于细胞膜上的一种称为渗透酶的特异性蛋白（运载营养物质）参与物质的运输，这样加速了营养物质的透过程度，以满足微生物细胞代谢的需要。而且每种渗透酶只运输相应的物质，即对被运输的物质有高度的专一性。微生物的生理3.1.3.3主动运输如果微生物仅依靠单纯扩散和促进扩散这两种方式对营养物质的吸收只能从高浓度到低浓度的扩散，这样微生物就不能吸收低于细胞内浓度的外界营养物质，生长代谢就会受到限制。实际上微生物细胞中的有些物质以高于细胞外的浓度在细胞内积累。如大肠杆菌在生长期中，细胞中的钾离子浓度比细胞外环境高许多倍。以乳糖为碳源的微生物，细胞内的乳糖浓度比细胞外高于500倍。可见主动运输的特点是营养物质由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度的。微生物的生理因此这种物质的运输过程不仅需要渗透酶，还需要代谢能量（ATP）的参与。目前研究的比较深入的是大肠杆菌对乳糖的吸收，其细胞膜的渗透酶为β-半乳糖苷酶，它可以在细胞内外特异性地与乳糖结合（在膜内结合程度比膜外小），在代谢能（ATP）的作用下，酶蛋白构型发生变化而使乳糖达到膜内，并在膜内降低其对乳糖的亲和力而在膜内释放出来，从而实现乳糖由细胞外的低浓度向细胞内的高浓度运输。微生物的生理3.1.3.4基团转位在微生物对营养物质的吸收过程中，还有一种特殊的运输方式叫基团转位，这种方式除了具有主动运输的特点外，主要是被运输的物质改变的其本身的性质，有些化学基团被转移到被运输的营养物质上。如许多的糖及糖的衍生物在运输中由细菌的磷酸酶系统催化，使其磷酸化，这样磷酸基团被转移到糖分子上，以磷酸糖的形式进入细胞。基团转位可转运葡萄糖、甘露糖、果糖、和β-半乳糖苷以及嘌呤、嘧淀、乙酸等，但不能运输氨基酸。这个运输系统主要存在于兼厌氧菌和厌氧菌中，也有研究表明，某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖运输到细胞内。微生物的生理3.1.4培养基培养基是经人工配制而成的并适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。是研究微生物的形态构造、生理功能以及生产微生物制品等方面的物质基础。由于各种微生物所需要的营养物质不同，所以培养基的种类很多，但无论何种培养基，都应当具备满足所要培养的微生物生长代谢所必需的营养物质。我们配制培养基不但需要根据不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量的营养物质，并要注意一定的碳氮比（C/N），还要调节适宜的酸碱度(pH)，保持适当的氧化还原电位和渗透压。微生物的生理3.1.4.1配制培