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1、第五章 微生物营养与环境工程,一、微生物的化学组成Chemical element,第一节 微生物的营养概述,微生物细胞含水量较高，为70%-90%,其余20%左右 为固形物。固形物包括蛋白质、核酸、糖类、脂类和无机矿物质。,主要元素macroelement：碳、氢、氧、氮、磷、硫、 钾、镁、钙等,占细菌细胞干重的97%,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质.,微量元素trace element：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,第一节 微生物的营养概述,二、微生物的营养物质及生理功能,碳
2、源 （carbon source）,氮源（nitrogen source）,生长因子（growth factor）,无机盐（mineral salts）,水（water）,能源（energy source）,营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。,一 微生物的六种营养(nutrition)要素,碳源,在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质,1、无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用 2、有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、 脂类和烃类化合物,能源,能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能
3、源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。,氮源功能,氮源（nitrogen source）,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物 a 速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白 质、酵母膏、NH4+做氮源 b 迟速性氮源：生产用玉米浆、豆 饼、葵花饼、花生饼、NO3-等。,氮源种类,氮源（nitrogen source）,微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需
4、要量极其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8 mol/L：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成,大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。,无机盐（mineral salts）,生长因子,生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物,生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇、胺类等。,水,生理功能：,起到溶剂与运输介质的作用；,参与细胞内一系列化学反 应；,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构,热的
5、良好导体；,微生物可利用的水用水活度来表示（aw） aw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比 即 aw=P溶液/P纯水 微生物生长所需的水活度通常在0.630.99之间，细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。,水活度的表示方法,（二）污染控制中的微生物对营养的要求,微生物所需要的营养要有一定的浓度和比例，过多过少都会影响微生物的生长。 1.营养物质比例均衡 例如：好氧生物处理中，一般保持废水中BOD5：N：P=100:5:1，其中碳源以BOD5值表示，N以NH3-N计，P以PO43-中的P计；对厌氧消化处理来说，C/N一
6、般在（1-20）：1的范围内时，消化效率最佳。 2.营养物质浓度适宜 小，影响生长； 高，微生物可能被驯化而适应；或抑制生长。,三 微生物的营养类型与环境工程,可在完全无机的环境中生长，以CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2，合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。 H2OCO2 (CH2O) O2 2H2SCO2 (CH2O) H2O2S Na2S2O3+2 CO2H2O (CH2O) +Na2SO4+H2SO4,（一）光能无机自养型微生物与环境工程,富营养化的湖泊或水库中常见的“水华”常常是蓝细菌大量繁殖引起的， 因此常被作为检测水体湖泊富营养化的指示生物。 菌藻互生废水处理
7、系统。,这类微生物具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞物质的微生物，称光能异养微生物。 光能异养微生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。,（二）光能有机异养型微生物与环境工程,目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机废水，这对处理污水、净化环境，很有发展前途。,化能无机自养型微生物是一类能够从无机氧化过程中获得能量，并以CO2作为唯一碳源或主要碳源进行生长的微生物。 这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。,（三）化能无机自养型微生物与环境工程,曝气生物滤池 脱硫示意图,
8、这类微生物以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。 由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类。 腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。 寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如 病毒。 中间类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。,（四）化能有机异养型微生物与环境工程,不同营养类型之间的界限并非绝对,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,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；,自养与异养的
9、区别不在于能否利用CO2，而在于是否以CO2为唯一或主要碳源进行生长。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物； 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物。 氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应 能力,不同营养类型之间的界限并非绝对,第二节
10、 营养物质的吸收,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等）,微生物所处的环境（温度、pH 等）；,微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,自由扩散 simple diffusion,促进扩散 facilitated diffusion,主动运输 active transport,基团转位 group translocation,第二节 营养物质的吸收,1自由扩散,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。不是微生物吸收营养
11、的主要方式。,特 点,没有特异性，物质在扩散过程中没有发生 任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,2促进扩散,特点,不消耗能量,参与运输的物质分子结构不发生变化,不能进行逆浓度运输,运输速率与膜内外物质浓度差成正比 能加快物质运输的速度。,需要载体参与,有很强的特异性,1.被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内 2.要消耗能量，必需有能量参加。 3.有膜载体参加，膜载体发生构型变化 4.被运送物质不发生任何变化。,3、主动运输,主动运输有三种不同的运输机制：单向运输、同向运输和反向运输。,3、主动运输,历史：J.C.Skou 1957年发现离子通道蛋白，Na
12、+,K+-ATP酶，1997年获得诺贝尔化学奖 组成：两个a亚基 92000，两个亚基55000 工作机理： 1.胞内和Na+结合， 2.结合后发生磷酸化，使构型发生变化，结合部位转向胞外 3.不利和Na+结合，有利和K+结合，释放Na+ ，结合K+ 4.发生脱磷酸化，构想发生变化，结合部位转向胞内 5.利和Na+结合，不利和K+结合，释放K+，结合Na+ ， 最后结果：三个Na+排除细胞，两个K+输入细胞,基团转位(group translocation) 是在研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。 运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输叫基团转位。 许多糖就是靠基团转位进行运输的,脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。 这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物质的。 基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中.,4基团转位,PEPHPr HPr + 丙酮酸 (在细胞质中进行) 磷酸HPr糖 糖磷酸脂HPr （在细胞膜上进行）,Mg2+ ,酶磷酸,Mg2+,酶,4基团转位,基团转位， 大肠杆菌PTS運輸系統 图中显示两种PTS，两种酶(EI和EII)和一个低分子量热温度蛋白(HPr)組成,Group Translocation,
