第三章 微生物的营养与代谢

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2020年06月18日 21:31
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第三章微生物的营养与代谢
第一节微生物的营养与培养基
一、细胞化学组成
整个生物界大体相同,主要是C、H、O、N(这四种
元素占干重90-97%),C(约占干重的50%),此外为
各种无机元素,由这些元素再组成化合物。其中C/N一般
是5:1。
1、水分和无机元素
含水70-90%(鲜重),无机元素(3-10%干重)依次
为P、S、K、Mg、Ca、Fe、Zn、Mn等。
2、有机物
蛋白质

核酸

碳水化合物

类脂

维生素等
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二、主要营养物及其功能
主要功能:
1提供合成原生质和代谢产物原料;
2产生合成反应及生命活动所需能量;
3调节新陈代谢。
(一)碳源物质(carbon source)
定义:凡能提供微生物营养所需碳元素的营养源。
功能:构成微生物细胞物质和代谢产物,并为微生物生命
活动提供能量。(碳源、能源)但一些以CO2作为唯一或
主要碳源的微生物生长所需要的能源并非来自碳源物质。
微生物碳源谱:分有机碳源(糖类及其衍生物、脂类、醇
类、有机酸、烃类、芳香族化合物等)和无机碳源(CO2
和碳酸盐)
不同微生物对碳源要求不同:
利用无机碳源的微生物为自养型微生物;必须利用有机碳
源的微生物为异养微生物
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元素水平化合物水平培养基原料水平
复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等
一般氨基酸、明胶等
葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖
蜜等
天然气、石油及其不同馏份、
石蜡油等

CO2
NaHCO3、CaCO3、白垩等
多数氨基酸、简单蛋白质等
糖、有机酸、醇、脂类等
烃类

CO2
NaHCO3
C·H·O·N·X
C·H·O·N
C·H·O
C·H
C(?)
C·O
C·O·X






微生物的碳源谱
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(二)氮源物质
定义:凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。
功能:用于合成细胞物质和代谢产物中的含氮化合物,一
般不作能源。
微生物氮源谱:有机氮源(牛肉膏、蛋白胨)、无机氮源
((NH4)2SO4、硝酸盐)
从微生物所能利用的氮源种类来看,事实上存在着一个明
显的界限:一部分微生物是不需要氨基酸作为氮源的,它
们能把非氨基酸类的简单氮源(例如尿素、铵盐、硝酸盐
和氮气)自行合成所需要的一切氨基酸,可称为“氨基酸
自养型生物”,反之,凡需要从外界吸收现成的氨基酸作
氮源的微生物,则可称“氨基酸异养型生物”。所有的动物
和大量的异养微生物是氨基酸异养型生物,而所有的绿色
植物和很多的微生物都是氨基酸自养型生物。
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微生物的氮源谱



元素水平
化合物水平培养基原料水平
N·C·H·O·X
复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕
粉、蚕蛹粉等
N·C·H·O
尿素、一般氨基酸、简单蛋白
质等
尿素、蛋白胨、明胶等
N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等
N·O
硝酸盐等
KNO3等
NN2
空气






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3、能源
指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物
或辐射能。
微生物的能源谱:
有机物:化能异养微生物的能源(同碳源)
化学物质
能源谱:无机物:化能自养微生物的能源(不同于碳源)
辐射能:光能自养和光能异养微生物的能源
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(四)生长因子
定义:一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的
碳、氮源自行合成的所需极微量的有机物。
种类:维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等。
作用:辅酶或酶活化
来源:酵母膏、玉米浆、麦芽汁等,复合维生素。
并非任何一种微生物都必须从外界吸收生长因子,并根据
微生物与生长因子的关系分为:
生长因子自养型:不需要从外界吸收任何生长因子。
真菌、放线菌、E. coli;
生长因子异养型:需从外界吸收多种生长因子。
乳酸菌;
生长因子过量合成型:
核黄素产生菌、维生素B12产生菌。
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(五)无机盐
是微生物生长必不可少的一类营养物质,它们为机体生
长提供多种重要的生理功能(见下图),包括大量元素
和微量元素。
大量元素:P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。
(微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L)
微量元素:Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。
(微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L)
一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸
盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合
物。
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无机盐的生理功能
细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg 、Fe等)
一般功能渗透压的维持(Na+等)
生理调节物质酶的激活剂(Mg2+等)
大量元素pH的稳定
无化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-等)
机特殊功能
盐无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)
酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)
微量元素
特殊分子结构成分(Co、Mo等)
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(六)水
水分是生物细胞的主要化学成分,其重要的生理
功能表现在下列几个方面:
1. 细胞的构成成分
2.一系列生理生化反应的反应介质
3.参与许多生理生化反应
4. 有效地控制细胞内的温度变化
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三、微生物营养类型
(一)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

(二)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)
这样可将微生物分成四种营养类型
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其中,化能异养型又据利用有机物特性,分成腐生型和寄
生型。
腐生型微生物:
利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。
寄生型微生物:
寄生在生活的细胞内,从寄生体内获得生长所需要的
营养物质。
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四、营养物吸收方式
1、单纯扩散(simple diffusion)
依靠胞内外溶液浓度差,顺浓度梯度运输,不消耗代谢
能,无特异性。水、二氧化碳、氧气、甘油、乙醇等。单
纯扩散不是细胞获取营养物质的主要方式,因为细胞既不
能通过它来选择必需的营养成分,也不能将稀溶液中的溶
质分子进行逆浓度梯度运送,以满足细胞的需要。
2、促进扩散(facilitated diffusion)
借助载体蛋白顺浓度梯度运输,不耗能,有特异性。载体
蛋白(渗透酶)有底物特异性,是诱导产生的。硫酸根、
磷酸根、糖(真核)
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3、主动运输(active transport)
逆浓度梯度运输,耗能,需载体蛋白,有特异性。氨基
酸、乳糖等糖类、钠、钙等无机离子。吸收营养物的主要
机制。
亲和力改变←蛋白构象改变→耗能
上述3种方式中,被运输的溶质分子都不发生改变。
4、基团转位(group translocation)
属主动运输,但溶质分子发生化学修饰-定向磷酸化。主
要依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统
(PTS)。
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第五节培养基
应科研或生产的需要,由人工配制的、适合于不同微生物
生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质(混合养料)。
特点:任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素
,且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。
用途:促使微生物生长;积累代谢产物;分离微生物
菌种;鉴定微生物种类;微生物细胞计数;菌种保
藏;制备微生物制品
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培养基的种类
培养基的种类
藰藰
根据微生物的种类
根据微生物的种类
藰藰根据培养基的组成成分
根据培养基的组成成分
藰藰
根据培养基的物理状态
根据培养基的物理状态
藰藰
根据培养基的用途
根据培养基的用途
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1、根据微生物的种类
培养细菌:
牛肉膏蛋白胨培养基(异养型)
无机合成培养基(自养型)
培养放线菌:
高氏1号合成培养基
培养酵母菌:
麦芽汁培养基
培养霉菌:
查氏合成培养基
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2、根据培养基的组成成分
合成培养基(syntheti
c medium):
是一类用多种高纯化学试剂配制成的、各成分(包括微量元
素)的量都确切知道的培养基。
优点:成分精确、重演性高;
缺点:价格较贵、配制较烦。
一般仅用于作营养、代谢、生理、生化、遗传、育种、菌种
鉴定和生物测定等定量要求较高的研究工作上。
天然培养基(complex medium;undefined medium):
这是指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培
养基,人们无法确切知道其中的成分。
优点:取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便;
缺点:成分不稳定也不甚清楚,做精细的科学实验时,会引起数据
不稳定。
半合成培养基(semi-defined medium):
既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基即称半组合培养基。
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3、根据培养基的物理状态:
固体培养基:在液体培养基中加入1.5-2.0%的凝固剂
制成的呈固体状态的培养基。常用于微生物的分离、纯
化、计数等方面的研究。
半固体培养基:在液体培养基中加入0.2-0.7%的
琼脂构成的培养基。常用来观察细菌运动的特征,噬菌体
效价测定以及厌氧菌的培养等方面的实验工作。
液体培养基:液体培养基不含任何凝固剂,呈液体
状态。它常用于大规模的工业生产以及在实验室进行微生
物生理代谢等基本理论的研究工作。在生产实践上,绝大
多数发酵培养基都采用液体培养基。
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4、根据培养基的用途
(1)基础培养基:
能满足一般微生物生长繁殖所需要的培养基称基础培养
基。
牛肉膏蛋白胨培养基(细菌)
马铃薯葡萄糖琼脂(霉菌)
(2)加富培养基(enriched medium):
根据培养菌种的生理特性加入有利于该种微生物生长
繁殖所需要的营养物质,该种微生物则会旺盛地大量生
长。
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(3)选择培养基(selected medium):
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。
与加富培养基的区别:
①加富培养基原理——投其所好
②选择培养基原理——取其所抗
(4)鉴别培养基(differential medium):
培养基中加有能与某一菌的无色代谢产物发生显色反
应的指示剂,从而用肉眼就能使该菌菌落与外形相似的它
种菌落相区分的培养基,就称鉴别性培养基。
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选择培养基的若干抑制剂(2)
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最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基,即EMB
(Eosin MethyleneBlue)培养基。它在饮用水、牛乳的
大肠杆菌等细菌学检验以及遗传学研究上有着重要的

途。经改良后的伊红美蓝乳糖培养基的成分是:
蛋白胨10g乳糖5g
蔗糖5gK2HPO42g
伊红Y 0.4g美蓝0.065g
蒸馏水1000ml 最终pH=7.2
其中的伊红和美蓝两种苯胺染料可抑制革兰氏阳性细
菌和一些难培养的革兰氏阴性细菌。在低酸度时,这两种
染料结合形成沉淀,起着产酸指示剂的作用。
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试样中的多种肠道菌会在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌
落,因而易于辨认。尤其是Escherichia coli(大肠杆菌),因其
强烈分解乳糖而产生大量的混合酸,菌体带H+,故可染上酸性染料
伊红,又因伊红与美蓝结合,所以菌落被染上深紫色,从菌落表面
的反射光中还可看到绿色金属闪光。

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现将EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用概括如下:

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(二)选择和配制培养基的原则和方法
1四个原则
①培养基组分应适合微生物的营养特点(目的明确)
培养的对象及产物:
研究的类型:实验室研究、生产、一般研究、生理生化研究、遗传
学研究
种子培养基、发酵培养基:
②营养物的浓度与比例应恰当(营养协调)
●浓度过高——微生物的生长起抑制作用,
浓度过小——不能满足微生物生长的需要。
●碳氮比(C/N)直接影响微生物生长与繁殖及代谢物
的形成与积累,故常作为考察培养基组成时的一个重
要指标;
碳源中的碳原子的mol数
氮源中所含的氮原子的mol数
C/N比值=
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真菌:C/N比高
细菌:C/N比低
一般培养基的C/N比为100/0.5~2;谷氨酸发酵培养基为
100/11~21,放线菌蛋白酶培养基为100/10~20。
例:谷氨酸生产中
C/N =4/1时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累少;
C/N=3/1 时,菌体生长受抑制,而谷氨酸大量增加。
●速效性氮(或碳)源与迟效性氮(或碳)源的比例
●各种金属离子间的比例
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③物理化学条件适宜(条件适宜)
培养基的理化条件
pH
水分活度
氧化还原电位(Eh)
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(1)pH:各类微生物的最适生长pH值各不相同:
细菌:7.0~8.0放线菌:7.5~8.5
酵母菌:3.8~6.0霉菌:4.0~5.8
在微生物的生长和代谢过程中,由于营养物质的利用
和代谢产物的形成与积累,培养基的初始pH值会发生改
变,为了维持培养基pH值的相对恒定,通常采用下列两
种方式:
内源调节:在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐;
调节培养基的碳氮比。
外源调节:按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液
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☆磷酸缓冲液:pH值从6.0-7.6之间
K2HPO4+HCl→KH2PO4+KCl
KH2PO4+KOH→K2HPO4+H2O
☆采用加入CaCO3
作“备用碱”的方式:
☆因为CaCO3是不溶性且是沉淀性的,故在配成的培养基
中分布很不均匀,如因实验需要,也可用NaHCO3来调节:


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((22)渗透压和
)渗透压和
aaww
渗透压
等渗溶液适宜微生物生长
高渗溶液细胞发生质壁分离
低渗溶液细胞吸水膨胀,直至破裂
大多数微生物适合在等渗的环境下生长,而
有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L
NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境
(2.8~6.2/L NaCl)生长的微生物常被称为嗜
盐微生物(Halophiles)。
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水分活度(Aw)
在同温同压下,某溶液的蒸汽压(P)与纯水蒸汽压
(P0)之比。因此,aw也等于该溶液的百分相对湿度
(ERH,equilibrium relative humidity)值。即:
各种微生物生长繁殖范围的aw值在0.998~0.6之间。
若干有代表性微生物的最低aw值是:
普通细菌:0.91(嗜盐细菌0.75,葡萄球菌0.85)
普通酵母:0.85(耐高渗酵母0.60)
普通霉菌:0.80(干性霉菌0.60)

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知道了各类微生物生长的aw值,不仅有利于设计它
们的培养基,而且对防止食物的霉腐也有重要的意义。现
将若干食物的aw值列举如下:
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(3)氧化还原电位(Eh)
各种微生物对其培养基的氧化还原势也有不同的要求。
好氧微生物生长的Eh值为+0.3~+0.4V,它们在Eh值为
0.1V以上的环境中均能生长;
兼性厌氧微生物在+0.1V以上时进行好氧呼吸,在+0.1V
以下时则进行发酵;
厌氧微生物只能在+0.1V以下才能生长。
影响氧化还原电位的因素
与氧分压、pH值有关:pH↓或[O2]↑Eh ↑


还原剂(巯基乙酸、抗坏血酸、半胱氨酸等)使Eh↓
Eh影响微生物的生理:细胞内酶的活性、呼吸作用
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④根据培养目的选择原料及其来源(经济节约)
该培养基的应用目的,即:
是培养菌体还是积累代谢产物?
是实验室种子培养还是大规模发酵?
代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物?
☆用于培养菌体种子的培养基营养应丰富,氮源含量宜高(碳
氮比低);
☆用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基
稍低,(但若发酵产物是含氮化合物时,有时还应提高培养基
的氮源含量);若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入
特殊元素或特定的代谢产物;
☆当所设计的是大规模发酵用的培养基时,应重视培养基中各
成份的来源和价格,应选择来源广泛、价格低廉的原料,提倡
以粗代精,以废代好。
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2四种方法
①生态模拟
调查所培养菌的生态条件,查看“嗜好”,对“症”下料——
—初级
天然培养基。
用肉汤、鱼汁来培养多种细菌;
用水果汁来培养各种酵母菌;
用润湿的麸皮、米糠来培养多种霉菌;
用米饭或面包来培养根霉;
用肥土来培养放线菌;
用玉米芯来培养脉孢菌。
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②查阅文献
查阅、分析文献,调查前人的工作资料,借鉴人家的经
验,以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方。
③精心设计
借助优选法或正交试验设计法等方法。
④实验比较
不同培养基配方的选择比较
单种成分来源和数量的比较
几种成分浓度比例调配的比较
小型试验放大到大型生产条件的比较
pH和温度试验
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◆附◆附11::配置培养基时应注意的几个问题及解决方法:
1、沉淀
2、胶体强度的破坏
3、褐色物质的形成
4、pH发生变化
附附22:培养基的灭菌
:培养基的灭菌
高压蒸气灭菌
一般培养基:
1.05 Kg/cm2121.3

℃15-30 min


含糖培养基:
0.56 Kg/cm2112.6

℃15-30 min


过滤灭菌

分别灭菌

间歇灭菌的应用
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附图:过滤灭菌
附图:过滤灭菌
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附附33:器皿的灭菌及无菌室的消毒
:器皿的灭菌及无菌室的消毒
器皿的灭菌:
干热空气:160℃,2 小时
无菌室的消毒:
紫外光
化学药物熏蒸(苯酚;高锰酸钾+甲醛)
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第二节微生物的能量代谢
新陈代谢(Metabolism)
一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。
生物小分子合成生物大分子
合成代谢
(同化)耗能
新陈代谢能量代谢物质
代谢
产能
分解代谢
(异化)生物大分子分解为生物小分子
新陈代谢的共同特点:(1)在温和条件下进行(由酶催化);
(2)反应步骤繁多,但相互配合、有条不紊、彼此协调,且逐
步进行,表征了新陈代谢具有严格的顺序性;(3)对内外环境
具有高度的调节功能和适应功能。
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能量代谢是新陈代谢中的核心问题。
中心任务:把外界环境中的各种初级能源转换成
对一切生命活动都能使用的能源——ATP。

微生物氧化的形式
①和氧的直接化合:C6H12O6 + 6O2 →6CO2 + 6H2O
②失去电子:Fe2+ →Fe3++ e -
③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OH CH3-CHO
NADH2
NAD
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生物氧化的功能:
产能(ATP)
产还原力【H】
小分子中间代谢物

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生物氧化的过程
生物氧化的过程
一般包括三个环节:
①底物脱氢(或脱电子)作用
(该底物称作电子供体或供氢体)
②氢(或电子)的传递
(需中间传递体,如NAD、FAD等)
③最后氢受体接受氢(或电子)
(最终电子受体或最终氢受体)
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一、呼吸作用的实质
呼吸(respiration):在酶的作用下,细胞内物质的氧
化工程,在此过程中产生能量,供合成作用或其他生命活
动的需要。
二、微生物的呼吸类型
(一)耗氧微生物的呼吸
有氧呼吸(呼吸作用):底物脱氢后,经完整的呼吸链
(电子传递链)递氢,以分子氧作为最终氢受体,产生水
和放出能量。
特点:
①必须有分子态的氧参加;
②基质被彻底氧化为CO2和H2O;
③产生的能量较多。
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基本过程
基质在脱氢酶的作用下被脱氢,脱下的氢由NAD(H2)等
携带;
在NAD、FAD、辅酶Q等作用下,H被解离成H+和e-;
e-在细胞色素酶系统传递下释放出能量合成ATP;
末端氧化酶使O2被激活形成O2-,成为H+的受体;
O2-与H+结合成H2O
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(二)厌氧微生物的呼吸
发酵(fermentation):以基质分解的中间产物为受氢体
的产能代谢过程。
以乳酸菌为例
C6H12O6→2CH3COCOOH+4H →2CH3CHOHCOOH+2ATP
C6H12O6→2CH3CHOHCOOH+22.5千卡
特点:
①无氧存在的条件下,基质分解的中间代谢产物为受氢体;
②基质氧化不彻底;
③产能较少。
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(三)兼性厌氧微生物的呼吸
无氧呼吸(厌氧呼吸):以无机氧化物代替分子氧作为最
终氢受体的生物氧化。
以酵母菌为例
有氧时C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+688千卡
无氧时C6H12O6→2CH3COCOOH+4H
2CH3COCOOH→2CH3CHO+2CO2
2CH3CHO+4H→2CH3CH2OH
总反应式为:C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+54千卡
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呼吸、无氧呼吸和发酵示意图
C6H12O6
?[H]
A
?[H][H]
B
?[H]
CA、B或CAH2,BH2或CH2
?[H](发酵产物:乙醇、
CO2乳酸等)
脱氢递氢受氢
经呼吸链①呼吸
②无氧
呼吸
③发酵
1/2O2
H2O
NO3-,SO42-,CO2
NO2-,SO32-,CH4
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三、底物(基质)脱氢的主要途径
(一)EMP途径(Embdem-Meyerhof-ParnasPathway)

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反应步骤:10步
反应简式:耗能阶段产能阶段2NADH+H+
C62C32丙酮酸
2ATP4ATP2ATP
总反应式:
C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特点:基本代谢途径,产能效率低,提供多种中间代谢物
作为合成代谢原料,有氧时与TCA环连接,无氧时丙酮
酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物,与
发酵工业有密切关系。
途径
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EMPEMP途径关键步骤
途径关键步骤
1. 葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)
2. 1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛
3. 3-磷酸甘油醛→丙酮酸
总反应式:
葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP →2丙酮酸+2NADH2+2ATP
CoA↓丙酮酸脱氢酶
乙酰CoA,进入TCA
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葡萄糖激活的方式
葡萄糖激活的方式
?好氧微生物:通过需要Mg++和ATP的己

糖激酶
?厌氧微生物:通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸
转移酶系统,在葡萄糖进入细胞时即完成
了磷酸化
磷酸果糖激酶
?EMP途径的关键酶,在生物中有此酶就意味着
存在EMP途径
?需要ATP和Mg++
?在活细胞内催化的反应是不可逆的反应
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(二)HMP途径(戊糖磷酸途径)
(HexoseMonophophatePathway)
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HMP途径:
葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后,在6-磷酸葡萄糖酸
脱氢酶的催化下,裂解成5-磷酸戊糖和CO2。
磷酸戊糖进一步代谢有两种结局,
①磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化,又生成磷酸己糖和
磷酸丙糖(3-磷酸甘油醛),磷酸丙糖借EMP途径的一
些酶,进一步转化为丙酮酸。
称为不完全HMP途径。
②由六个葡萄糖分子参加反应,经一系列反应,最后回
收五个葡萄糖分子,消耗了1分子葡萄糖(彻底氧化成
CO2和水),称完全HMP途径。
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HMPHMP途径降解葡萄糖的三个阶段
途径降解葡萄糖的三个阶段
?HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环
途径而得到彻底氧化,并能产生大量
NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产
物的代谢途径
?1.葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷
酸和CO2
?2.核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化
而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸
?3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生
碳架重排,产生己糖磷酸和丙糖磷酸
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HMPHMP途径关键步骤:
途径关键步骤:
1.葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸
2.6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮糖

5-磷酸核糖→参与核酸生成
3.5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(进入
EMP
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6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O
5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi
HMPHMP途径的总反应
途径的总反应
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HMPHMP途径的重要意义
途径的重要意义
?为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
?产生大量NADPH2,一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还
原力,另方面可通过呼吸链产生大量的能量。
?与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接,可以调
剂戊糖供需关系。
?途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合
成、及多糖合成。
?途径中存在3~7碳的糖,使具有该途径微生物的所能利用利用的碳
源谱更为更为广泛。
?通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基
酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等。
?HMP途径在总的能量代谢中占一定比例,且与细胞代谢活动对其
中间产物的需要量相关。
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又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)裂解
途径。
1952年在Pseudomonas saccharophila中发现,后来证
明存在于多种细菌中(革兰氏阴性菌中分布较广)。
ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在,是少
数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径,未发
现存在于其它生物中。
((三)三)EDED途径途径
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ATP ADPNADP+NADPH2
葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸
~~激酶(与EMP途径连接)~~氧化酶(与HMP途径连接)
EMP途径3-磷酸-甘油醛~~脱水酶
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
EMP途径丙酮酸~~醛缩酶
有氧时与TCA环连接
无氧时进行细菌发酵
EDED途径途径
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EDED途径的特点
途径的特点
葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后,经脱氧
酮糖酸醛缩酶催化,裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛,3-
磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子
葡萄糖产生2分子丙酮酸,1分子ATP。
?ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸
葡萄糖酸(KDPG)裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途
径的特征酶是KDPG醛缩酶.
?反应步骤简单,产能效率低.
?此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接,
可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢
物的需要。好氧时与TCA循环相连,厌氧时进行乙醇发酵.
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?ATPC6H12O6
?ADP
?KDPG
ATP 2ATP NADH2NADPH22丙酮酸
?
?6ATP 2乙醇
?(有氧时经过呼吸链) (无氧时进行细菌乙醇发酵)
EDED途径的总反应
途径的总反应
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关键反应:2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解
催化的酶:6-磷酸脱水酶,KDPG醛缩酶
相关的发酵生产:细菌酒精发酵
优点:代谢速率高,产物转化率高,菌体生成
少,代谢副产物少,发酵温度较高,不必定期
供氧。
缺点:pH5,较易染菌;细菌对乙醇耐受力低
ATP
有氧时经呼吸链
6ATP
无氧时
进行发酵
2乙醇
2ATP
NADH+H+
NADPH+H+
2丙酮酸
ATP
C6H12O6KDPG
EDED途径的总反应(续)
途径的总反应(续)
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葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布
菌名EMP(%)HMP(%)ED(%)
酿酒酵母8812—
产朊假丝酵母66~8119~34—
灰色链霉菌973—
产黄青霉7723—
大肠杆菌7228—
铜绿假单胞菌—2971
嗜糖假单胞菌——100
枯草杆菌7426—
氧化葡萄糖杆菌—100—
真养产碱菌——100
运动发酵单胞菌——100
藤黄八叠球菌7030—
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(四)三羧酸循环
(四)三羧酸循环
又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养
微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生
物中存在于线粒体基质中,在细菌中存在于细胞质中;只
有琥
珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。
主要产物:
4NADH+4H+12ATP
FADH22ATP
GTP(底物水平)ATP
3CO2
在物质代谢中的地位:枢纽位置
工业发酵产物:柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨

C3CH3CO~CoA
呼吸链
呼吸链
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丙酮酸在进入三羧酸循
环之先要脱羧生成乙酰
CoA,乙酰CoA和草酰乙
酸缩合成柠檬酸再进入
三羧酸循环。
循环的结果是乙酰CoA
被彻底氧化成CO2和
H2O,每氧化1分子的乙
酰CoA可产生12分子的
ATP,草酰乙酸参与反
应而本身并不消耗。
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TCATCA循环的重要特点
循环的重要特点
1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2


重新生成1分子草酰乙酸;
2、整个循环有四步氧化还原反应,其中三步反应中将NAD+
还原为NADH+H+
,另一步为
FAD还原;
3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。
4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体;
5、生物体提供能量的主要形式;
6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。
如柠檬酸发酵;Glu发酵等。
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第三节微生物的分解代谢
一、碳水化合物的分解
多糖:淀粉、纤维素、木质素、果胶
寡糖:蔗糖、麦芽糖、乳糖
单糖:葡萄糖、果糖、半乳糖
(一)单糖的分解
脱氢形成丙酮酸
(二)丙酮酸的进一步转化
有氧:丙酮酸进入TCA循环并借助呼吸链,被彻底氧化
成CO2和H2O;
无氧:不同的微生物进行各种特有的发酵作用
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①酵母型酒精发酵
②同型乳酸发酵
③丙酸发酵
④混合酸发酵
⑤23

—丁二醇发酵
⑥丁酸发酵
丙酮酸的发酵产物

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C6H12O6
2CH3COCOOH
2CH3CHO
2CH3CH2OH
NAD
NADH2
-2CO2
EMP
2ATP
乙醇脱氢酶
11、酵母菌的乙醇发酵:
、酵母菌的乙醇发酵:
概念
菌种
途径
特点
发生条件
※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。
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★当发酵液处在碱性条件下,酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。
原因:该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体,结果2分子乙醛
间发生歧化反应,生成1分子乙醇和1分子乙酸;
CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+
CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+
此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下
的氢而生成α-磷酸甘油,后者经α-磷酸甘油酯酶催化,生
成甘油。
2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2
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概念:有氧条件下,发酵作用受抑制的现象(或
氧对发酵的抑制现象)。
意义:合理利用能源
通风对酵母代谢的影响
通风(有氧呼吸)
通风(有氧呼吸)
缺氧(发酵)
缺氧(发酵)
酒精生成量
酒精生成量
耗糖量
耗糖量
//单位时间
单位时间
细胞的繁殖
细胞的繁殖
低(接近零)
低(接近零)
少少
旺盛旺盛
高高
多多
很弱至消失
很弱至消失
巴斯德效应
巴斯德效应
((The Pasteur effect )
The Pasteur effect )
现象:
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22、、乳酸发酵
乳酸发酵
乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳
酸,称为乳酸发酵。
由于菌种不同,代谢途径不同,生成的产物有所不同,
将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵和异型乳酸发酵。
同型乳酸发酵:(经EMP途径)
异型乳酸发酵:(经HMP途径)
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葡萄糖
3-磷酸
甘油醛
2( 13-

二-磷酸甘油
酸)
2乳酸2丙酮酸
磷酸二羟丙酮
①同型乳酸发酵
①同型乳酸发酵
2NAD+2NADH
4ATP
4ADP
2ATP 2ADP
乳杆菌属(Lactobacillus)
保加利亚乳杆菌(L. bulgaricus)
概念
菌种
途径
特点
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②异型乳酸发酵:
②异型乳酸发酵:
葡萄糖
6-磷酸
葡萄糖
6-磷酸葡
萄糖酸
5-磷酸
木酮糖
3-磷酸
甘油醛
乳酸
乙酰磷酸
NAD+NADH
NAD+NADH
ATP ADP
乙醇乙醛乙酰CoA
2ADP 2ATP
-2H
概念
菌种
途径
特点
-CO2
肠膜明串球菌(Leuconostosmesentewides)
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33、混合酸发酵
、混合酸发酵
藰概念:埃希
氏菌、沙门氏
菌、志贺氏菌
属的一些菌通
过EMP途径将
葡萄糖转变成
琥珀酸、乳
酸、甲酸、乙
醇、乙酸、H2
和CO2等多种
代谢产物,由
于代谢产物中
含有多种有机
酸,故将其称
为混合酸发
酵。
藰发酵途径:
葡萄糖
琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸
乳酸丙酮酸
乙醛乙酰CoA甲酸
乙醇乙酰磷酸CO2H2
乙酸
丙酮酸甲酸裂解酶
乳酸脱氢酶
甲酸-氢裂解酶
磷酸转乙酰酶
乙酸激酶
PEP羧化酶
乙醛脱氢酶
+2H
pH﹤6.2
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各种微生物对不同种类糖发酵能力不同,常用于微生
物的鉴定。
沙门氏菌大肠杆菌志贺氏菌产气杆菌
葡萄糖+ + + +
乳糖-+ -+
注:+为产酸产气;+为产酸不产气;-为不产酸不产气
其中两个重要的鉴定反应:
1.V.P.实验(Vagex-Proskauer)
产气杆菌产2,3-丁二醇比较多,碱性条件下可氧化为二
乙酰,再与胍基缩合成红色物质,此称VP反应。
大肠杆菌不产生或少产生2,3-丁二醇,VP反应阴性。
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鉴别肠道细菌的
鉴别肠道细菌的
V.P.V.P.试验试验
鉴别原理
缩合脱羧
2CH3COCOOHCH3COCHOHCH3CH3COCHOHCH3
(乙酰乳酸)(乙酰甲基甲醇)
(与培养基中精氨酸的胍基结合)
-CO2
CH3COCOCH3
碱性条件
(二乙酰)
NH=C
NH2
NH2
+
NH=C
N=CHCH3
N=CHCH3
红色化合物
(丙酮
酸)
-CO2
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鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基
鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基
红(红(.R))试验试验
藰产酸产气试验:Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进
行发酵时,前者具有甲酸氢解酶,可在产酸的同时产
气,后者则因无此酶,不具有产气的能力。
藰甲基红试验:大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进
行发酵时,前者可产生大量的混合酸,后者则产生大量
的中性化合物丁二醇,因此在发酵液中加入甲基红试剂
时,前者呈红色,后者呈黄色。
大肠杆菌:产酸较多,使pH﹤4.5
产气杆菌:pH﹥4.5
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IMViC
IMViC
试验试验::
= 吲哚(I)、甲基红(M)、V.P.试验(Vi)柠檬酸
盐利用(C)共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状
十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。
吲哚试验
吲哚试验
甲基红试验
甲基红试验
V.P.V.P.试验试验
柠檬酸盐
柠檬酸盐
利用利用
大肠杆菌
大肠杆菌
++++----
产气杆菌
产气杆菌
----++++
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二、蛋白质的分解
氨基酸的分解
(一)脱氨作用
+2H RCH2COOH+NH3↑(还原脱氨)
+O21/2 RCOCOOH+NH3↑(氧化脱氨)
RCHNH2COOH
+H2O RCHOHCOOH+NH3↑(水解脱氨)
R=CHCOOH+NH3↑(直接脱氨)
(二)脱羧作用
RCHNH2COOH→RCH2NH2+ CO2↑
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(三)其他分解作用
1、吲哚的形成

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2、硫化氢的形成
变形杆菌和大多数沙门氏菌能水解半胱氨酸、甲硫氨酸等
含硫氨基酸生成硫化氢,如在培养基中预先加入硫酸亚铁
或醋酸铅指示剂,则生成黑色的硫化物。
COOH
CHNH2+2H2O CH3COOH+HCOOH+NH2+H2S
CH2SH
H2S+FeSO4 H2SO4+FeS
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三、脂肪的分解
脂肪→脂肪酸→CH3CO~SCOA
甘油
3-磷酸甘油醛→丙酮酸
TCA循环
第四节微生物的次生代谢产物
一、毒素
成分产生菌存在部位性质毒性抗原性
毒素类型
外毒素蛋白质G+细胞外不稳定强强
内毒素脂多糖G-细胞内稳定弱弱
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二、色素、微生物、抗生素
习题:
1、微生物需要哪些营养物质,各类营养物质的基本作用是什么?
2、如何划分微生物的营养类型?
3、划分培养基的原则,制备培养基需要注意哪些问题?
4、名词解释:自养微生物、异养微生物,腐生型、寄生型微生
物,鉴别培养基,选择培养基,加富培养基,巴斯德效应,同型
乳酸发酵,异型乳酸发酵
5.说明有氧呼吸的过程和特点?
6.说明发酵的过程与特点?
7.碳水化合物分解过程中哪些生化过程可用于细菌鉴定?
8.蛋白质和氨基酸的分解过程及其可用于细菌鉴定的生化过程?
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绿豆蛙表情-薏米红豆粥


十月初五-牙鲆


如何做粽子-松桂坊煲仔饭


什么食物补锌-情人节菜单


广东特色菜-吉事果


洋妞火锅-misha


海斑-茶叶蛋的味道


肌肤护理-南瓜娃娃