微生物的生理1課件

第四章微生物的生理第一節(jié)微生物的酶第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)第三節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝第四節(jié)微生物的合成代謝第一節(jié)微生物的酶微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝需在酶的參與下才能正常進(jìn)行。酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的，催化生物化學(xué)反應(yīng)的，并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。一、酶的組成酶

酶蛋白（單一蛋白質(zhì)）

全酶

單成分酶簡(jiǎn)單酶(單一蛋白質(zhì)）結(jié)合酶金屬離子輔酶（有機(jī)物）、輔基（小分子化合物）加速生物化學(xué)反應(yīng)的作用傳遞電子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用除傳遞電子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用；還起激活劑的作用8、磷酸吡哆，和轉(zhuǎn)氨有關(guān)。9、生物素，羧化酶的輔基，微生物的生長(zhǎng)因子。10、輔酶F，傳遞甲?；土u甲基。11、金屬離子，激活劑。12、輔酶M，是專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌特有的輔酶，甲基轉(zhuǎn)移酶。13、F420，產(chǎn)甲烷菌的輔酶。14、F430，參與甲烷形成的末端反應(yīng)。15、MPT，參與C1還原反應(yīng)。16、MFR在甲烷和乙酸形成過(guò)程中起甲基載體作用三、酶的活性中心酶的活性中心是指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并起催化作用的小部分氨基酸微區(qū)。絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)；化學(xué)組成：簡(jiǎn)單酶、結(jié)合酶；結(jié)構(gòu)的不同：?jiǎn)误w酶、聚合酶；存在位置的不同：胞內(nèi)酶、胞外酶；催化反應(yīng)性質(zhì)的不同：水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、聚合酶、異構(gòu)化酶、合成酶、裂解酶、激酶等。四、酶的分類氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。（2）氧化-還原酶Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。（3）轉(zhuǎn)移酶Transferase裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。（4）裂合酶Lyase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2

草酰乙酸（6）合成酶LigaseorSynthetase酶促反應(yīng)的基本概念底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)的特點(diǎn)

與一般催化劑的共同點(diǎn)：自身質(zhì)量不變，少量即可發(fā)揮作用只催化熱力學(xué)允許的反應(yīng)不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，只加快反應(yīng)速度催化反應(yīng)的機(jī)理相同，都是降低反應(yīng)活化能

高效性 比非催化高108－1020倍 比非酶催化高107－1013倍高度專一性反應(yīng)條件溫和對(duì)環(huán)境條件的高度敏感性酶催化是可調(diào)控的酶的高效性是底物與酶之間的極性引力、電子云張力、酸堿催化、共價(jià)催化等的共同合力的結(jié)果。酶催化特性米-門方程Km即為米氏常數(shù)，Vmax為最大反應(yīng)速度當(dāng)反應(yīng)速度等于最大速度一半時(shí)底物的濃度，即V=1/2Vmax，Km=[S]上式表示，米氏常數(shù)是反應(yīng)速度為最大值的一半時(shí)的底物濃度。因此，米氏常數(shù)的單位為mol/L。影響酶活力的因素酶的活力大小用酶所催化反應(yīng)的反應(yīng)速度來(lái)表示米氏常數(shù)Km的意義不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個(gè)重要的特征物理常數(shù)。Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測(cè)定的，不同條件下具有不同的Km值。Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低；

Km值小表示親和程度大，酶的催化活性高。米氏常數(shù)的求法求倒數(shù)斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax雙倒數(shù)作圖法在底物濃度足夠時(shí),酶濃度越高，酶促反應(yīng)越快。當(dāng)酶濃度很高時(shí)，酶促反應(yīng)速度趨于平緩，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)。2酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響ConcentrationofEnzyme(mol/L)3.pH的影響在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常稱此pH為最適pH。4.溫度的影響一方面是溫度升高,酶促反應(yīng)速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。因此大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。在最適溫度條件下,反應(yīng)速度最大。Q10=1.4-2.0Q10=2-3（化學(xué)催化）6.抑制劑對(duì)酶活性的影響使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。能夠引起酶的抑制作用的化合物則稱為抑制劑。酶的抑制劑一般具備兩個(gè)方面的特點(diǎn)：1.能夠與酶的活性中心以非共價(jià)或共價(jià)的方式形成比較穩(wěn)定的復(fù)合體或結(jié)合物。2.在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與被抑制的底物分子或底物的過(guò)渡狀態(tài)相似。（1）抑制劑-形成復(fù)合體或結(jié)合物a.不可逆抑制抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，引起酶的永久性失活。如有機(jī)磷毒劑二異丙基氟磷酸酯。b.可逆抑制抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過(guò)透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。底物影響酶反應(yīng)速度的方程表達(dá)式——米氏方程

v——反應(yīng)速度；

V——最大反應(yīng)速度；

S——底物濃度；

Km——米氏常數(shù)

Km大小反映了酶與底物親合力的大小。底物影響微生物生長(zhǎng)速度的方程——莫氏方程

v——微生物比增長(zhǎng)速度；

V——最大比增長(zhǎng)速度；

S——底物濃度；

Ks——莫氏常數(shù)

Ks反映微生物與底物親和的大小。底物影響污染物生物降解速度方程——?jiǎng)趥愃狗匠?/p>

v——總污染物微生物降解速度；

V——最大反應(yīng)速度；

X——微生物濃度第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物從外界環(huán)境中不斷地?cái)z取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成細(xì)胞的組分，同時(shí)產(chǎn)生廢物并排泄到體外，這個(gè)過(guò)程稱新陳代謝。新陳代謝異化作用：物質(zhì)分解反應(yīng)——將一樣物質(zhì)和細(xì)胞物質(zhì)分解的過(guò)程，放出能量。同化作用：物質(zhì)合成反應(yīng)——將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體組分的成果吸收能量。一、微生物的化學(xué)組成微生物機(jī)體質(zhì)量的70%~90%為水分，其余10%~30%為干物質(zhì)。二、微生物的營(yíng)養(yǎng)物及營(yíng)養(yǎng)類型（一）水水對(duì)細(xì)菌有哪些作用？溶劑作用運(yùn)輸物質(zhì)的載體參與生化反應(yīng)（如脫水、加水反應(yīng)）（二）無(wú)機(jī)鹽陰離子鹽：磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽。陽(yáng)離子鹽：氨、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的鹽P和S、Fe、Mg的需求量較大同時(shí)還需要鋅、錳、鈷、鋁、銅、硼、釩、鎳等微量元素。許多微量元素是酶的組分，或是酶的激活劑。一般培養(yǎng)基中微量元素的質(zhì)量濃度為0.1mg/L左右。過(guò)量的微量元素會(huì)引起微生物中毒。單獨(dú)一種微量元素過(guò)量其毒性更大。（1）構(gòu)成細(xì)胞組成；（2）酶的輔基和激活劑；（3）特殊細(xì)菌的能源，鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌分別以鐵和硫?yàn)楫a(chǎn)能物質(zhì)；（4）維持一定的滲透壓、氫離子濃度、氧化還原電位等。

高濃度鹽抑制微生物生長(zhǎng)。無(wú)機(jī)鹽的功能（三）碳源和能源1）碳源

供碳元素來(lái)源的物質(zhì)細(xì)菌細(xì)胞中的碳素含量占干物質(zhì)質(zhì)量的50％左右。細(xì)菌對(duì)碳素的需求量最大。碳源作用—細(xì)胞的碳骨架、大多還是能源物質(zhì)。凡是能供給微生物碳素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)，稱為碳源。碳源的主要作用是構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)（碳架）和供給微生物生長(zhǎng)、繁殖及運(yùn)動(dòng)所需要的能量。微生物最好的碳源是糖。2）能源細(xì)菌的能源種類分為化學(xué)能、光能哪些物質(zhì)可以產(chǎn)生化學(xué)能？1、有機(jī)碳源2、特殊的無(wú)機(jī)物（如S、Fe）什么樣的細(xì)菌利用光能？含有光合色素所有細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)能量傳遞體都是ATP營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌分類根據(jù)碳源不同分為無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)（自養(yǎng)和異養(yǎng)）①無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌（自養(yǎng)菌）無(wú)機(jī)（自養(yǎng)）—、CO和提問(wèn)：能否也利用有機(jī)物呢？絕大多數(shù)能，“能吃苦也能享?！?，優(yōu)先利用；又根據(jù)能源不同又分為光能自養(yǎng)型細(xì)菌和化能自養(yǎng)型細(xì)菌。（1）光能自養(yǎng)細(xì)菌（無(wú)氧有光）只有紫硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌在自然界的作用是什么呢？早期無(wú)氧地球，清除H2S毒物（H2S類似植物光合作用中的H2O）較潔凈的光照池塘無(wú)氧臭（H2S)區(qū)

紫硫、綠硫細(xì)菌代謝方式菌綠素（與葉綠素大同小異）紫硫細(xì)菌湖中4m硫化物*這個(gè)深度紫硫細(xì)菌多?（2）化能自養(yǎng)細(xì)菌（有氧）種類：硫細(xì)菌(硫化細(xì)菌和硫磺細(xì)菌)、（亞）硝化細(xì)菌及鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌?；茏责B(yǎng)微生物不具有光合色素，不能進(jìn)行光合作用。自養(yǎng)——碳源化能——以S、H2S、H2、NH3、Fe物質(zhì)氧化產(chǎn)能eg.亞硝化細(xì)菌進(jìn)行有機(jī)物合成反應(yīng)如下：化能自養(yǎng)細(xì)菌能用于污水處理嗎？為什么？能，脫氨、脫硫；條件容易ATP②有機(jī)營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌（異養(yǎng)菌）有機(jī)（異養(yǎng)）——以有機(jī)物為碳源自養(yǎng)、異養(yǎng)菌哪種繁殖快？“吃磚頭和吃糧食的區(qū)別”異養(yǎng)菌是有機(jī)污水處理的主角根據(jù)能源的不同（1）光能異養(yǎng)與化能異養(yǎng)以有機(jī)物作為碳源和能源的的細(xì)菌。絕大多數(shù)的細(xì)菌都屬于化能異養(yǎng)菌。.Ⅰ化能異養(yǎng)菌不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機(jī)廢水（食品行業(yè)）的高效處理(*紅螺菌用于污水處理現(xiàn)狀如何?)Ⅱ.光能異養(yǎng)細(xì)菌（無(wú)氧有光）小分子有機(jī)物碳源在污水處理中的優(yōu)勢(shì)是什么？問(wèn)題：與水分離困難，光照問(wèn)題主要指紅螺菌（有氧無(wú)光時(shí)可化能異養(yǎng)生存）人工投加光合細(xì)菌（PSB,紅螺菌）有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖，原因？迅速轉(zhuǎn)化毒物（水族排泄物被細(xì)菌分解后的氨、有機(jī)酸）為高蛋白的菌體，作為魚的飼料，且不消耗氧；優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)時(shí)能抑制水族病原菌的生長(zhǎng)

肺結(jié)核桿菌痢疾志賀氏菌

以腐生為主兼營(yíng)寄生的兼性寄生細(xì)菌，因而可以通過(guò)水源、食物傳播，是水處理中需要監(jiān)控和殺滅的對(duì)象。各種營(yíng)養(yǎng)型的比較營(yíng)養(yǎng)類型能源氫供體基本碳源微生物舉例光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)(光能自養(yǎng)型)光無(wú)機(jī)物二氧化碳藍(lán)細(xì)菌

綠色硫細(xì)菌

藻類光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)(光能異養(yǎng)型)光有機(jī)物二氧化碳及簡(jiǎn)單有機(jī)物紫色非硫細(xì)菌化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)(化能自養(yǎng)型)無(wú)機(jī)物無(wú)機(jī)物二氧化碳硝化細(xì)菌

氫細(xì)菌化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)(化能異養(yǎng)型)有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物大多數(shù)已知細(xì)菌和全部真核微生物（四）氮源工業(yè)投加的細(xì)菌氮源？——尿素、糞便氮源的作用：提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料哪些物質(zhì)可作為細(xì)菌的氮源？有機(jī)氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）、無(wú)機(jī)氮（N2、NH3、銨鹽、硝酸鹽）等。實(shí)驗(yàn)室中有機(jī)氮源——蛋白胨（五）磷源和硫源磷源比較單一，主要是無(wú)機(jī)磷酸鹽或偏磷酸鹽。硫源—從還原性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化態(tài)的S042-化合物，都可以作為硫源。通常不缺工業(yè)污水常補(bǔ)加磷酸三鈉等。（六）生長(zhǎng)因子——必需，但不能自身合成的有機(jī)物種類：嘌呤、嘧啶類、維生素類作用：？嘌呤和嘧啶參與合成核酸和輔酶；維生素，重要輔酶多數(shù)細(xì)菌不存在生長(zhǎng)因子問(wèn)題。只有少數(shù)細(xì)菌需要外界提供現(xiàn)成的生長(zhǎng)因子，才能生長(zhǎng)，如乳酸菌需要多種維生素，因此只能生活在這些物質(zhì)供應(yīng)充足的環(huán)境，如牛奶中、腸道。1.營(yíng)養(yǎng)要求小范圍可改變指細(xì)菌對(duì)碳源等的種類、數(shù)量一定程度上可馴化適應(yīng)（酶的誘導(dǎo)、易變異）2.“營(yíng)養(yǎng)要平衡”，存在一定比例搭配的現(xiàn)象主要是指碳氮磷的比例關(guān)系，通常稱碳氮磷比。在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)注意（七）碳氮磷比－“營(yíng)養(yǎng)平衡”根瘤菌要求碳氮比為11.5：1土壤中微生物混合群體要求碳氮比為25：1污(廢)水生物處理中好氧微生物群體(活性污泥)要求為BOD5：N：P＝100：5：1厭氧生物處理中的厭氧微生物群體要求BOD5：N：P＝350～500：5：1為了保證污(廢)水(有機(jī)固體廢物）生物處理要按碳氮磷比配給營(yíng)養(yǎng)。洗滌劑廢水缺N，

P過(guò)剩如何知道所處理的廢水中營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)是否比例平衡呢？先測(cè)、對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證煉油廢水N、Peg.酒精廢水缺N、P城市生活污水不存在營(yíng)養(yǎng)不足的問(wèn)題。但