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1、微生物的代谢,微生物的营养与生物固氮 微生物的代谢 微生物的生长 发酵工程,微生物的营养,微生物与其他动物一样，也是由C、H、O、N等元素构成的，而这些元素最终也是来自外界的各种营养物质。这些营养物质可归纳为水、无机盐、碳源、氮源和生长因子五类。,碳源、氮源、生长因子的归纳(选P78)：,凡能为微生物提供所需C的营养物质,凡能为微生物提供所需N的营养物质,微生物生长不可缺少的微量有机物,无机：CO2、NaHCO3；有机：糖类、脂肪 酸、花生粉饼、 石油等,无机：N2、氨、铵盐、硝酸盐等； 有机：尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等。,维生素、氨基酸、碱基、蛋白胨、动植物提取液等,糖类尤其是葡萄糖,铵
2、盐、硝酸盐,维生素,用于构成细胞物质和代谢产物。还可以是异养型微生物的主要能源物质,主要用于合成蛋白质、核酸以及含N的代谢产物,一般是酶和核酸的组成成分,能将大气中的N2还原成NH3的过程,固氮作用,能固氮的微生物固氮微生物 ( 选P34),1、共生固氮微生物：根瘤菌,2、自生固氮微生物：圆褐固氮菌,3、某些蓝藻与放线菌,原核的细菌，与豆科植物共生，有专一性，属异养需氧型。有氧呼吸的酶存在于细胞膜上。,也是原核的细菌，摄取土壤中现存的有机物，也属异养需氧型。还能合成生长素。,固氮作用与氮循环,工业固氮,高能固氮,生物固氮（占90%）,有机氮合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,O2不足,硝化细
3、菌,反硝化细菌,以有机氮(如蛋白质等)形式通过生物的同化作用来传递。,生物群落中的氮素是以什么形式传递的呢？,1）固氮作用 2）有机氮合成作用 3）氨化作用 4）硝化作用 5）反硝化作用,氮循环中有哪几个主要的过程？,主要是固氮微生物,植物,即分解者的分解作用,硝化细菌,反硝化细菌,硝化细菌的化能合成作用：,考点点拨：,自养微生物以CO2或碳酸盐等无机碳为唯一碳源进行代谢生长； 固氮微生物可以利用氮作为氮源进行生长，可在无氮培养基上生长和繁殖； 自养微生物与异养微生物类型的划分主要是依据能否以CO2作为生长的主要或唯一碳源，而不决定于氮源。 无机氮源也能提供能量。例如氮既为硝化细菌提供氮源，又
4、能为硝化细菌提供能量。,培养基的种类 (选P80),1、按物理性质来划分,2、按化学成分来划分,有,有,没有,主要用于微生物的分离、鉴定等,主要用于观察微生物的运动、保藏菌种等,主要用于生产,明确,不明确,主要用于工业生产,主要用于微生物的分类、鉴定,培养基的种类,3、按培养基的用途来划分,培养基中加入某种化学物质,依据某些微生物对某些物质的抗性而设计,从众多微生物中分离所需的微生物,加青霉素或加浓食盐水的培养基,培养基中加入某种试剂或是化学药品,依据微生物产生的某种代谢产物与特定试剂或化学药品反应，产生明显的特征变化而设计,鉴别不同种类的微生物,伊红和美蓝培养基可以鉴别大肠杆菌,微生物的代谢
5、(选P82),是,否,一直产生,生长到一定阶段产生,细胞内,是,否,细胞内或外,氨基酸、核苷酸、多糖、维生素等,抗生素、毒素 色素、激素等,均在微生物细胞的调节下，有步骤地产生,微生物的代谢调节,1、关于组成酶与诱导酶的比较,只受遗传物质控制，与营养物质无关,受遗传物质控制，也受诱导物制约,细胞内一直存在,需要时才合成,分解葡萄的酶,分解乳糖的酶,2、两种调节方式的比较,诱导酶,基因表达的调控,细胞内酶的种类增多,既保证代谢需要，又避免物质能量的浪费，增强适应性,已有的酶（组成酶和诱导酶）,代谢产物与酶可逆性结合，使酶的结构发生可逆性改变,细胞内酶的活性发生改变,避免积累大量的代谢产物,间接而
6、缓慢,直接、快速而准确,酶合成调节,酶活性调节,乳糖代谢基因表达调控 （环境中没有乳糖时的基因状态）,乳糖代谢基因表达调控 （环境中具有乳糖时的基因状态）,微生物的代谢的人工控制,最大限度的积累对人类有用的代谢产物,措施,改变微生物细胞膜的通透性 改变微生物的遗传特性（诱变、重组等） 控制发酵条件（如温度、PH、O2等）,发酵,概念,通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程,种类,1、固体发酵和液体发酵 2、抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等 3、需氧发酵和厌氧发酵,微生物代谢的人工控制 改变膜的透性,改变细胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。,抑制,黄色短杆菌
7、合成赖氨酸的途径,+,利用诱变育种等方法，选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种用于生产.,微生物代谢的人工控制 改变遗传特性,O2： 如：酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无氧条件下才大量产生酒精。 又如：谷氨酸棒状杆菌在溶氧不足时，生成的产物是乳酸或是琥珀酸。 C：N 如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中C： N=4：1时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；当C：N=3：1时，菌体繁殖受抑制而合成谷氨酸多,微生物代谢的人工控制 改变发酵条件,微生物的生长 (选P84),研究方法：以细菌为例,将少量同种细菌接种到容积恒定液体培养基中,定期取样、检测培养基中细菌群体的生长情况,如何测定？,1、测细菌的细胞数目 2
8、、测细菌的细胞总重量（干重或湿重）,微生物的生长,增长不明显,快速增长,活菌数目达到最大（K值）,活菌数目急剧减少,代谢活跃体积增大大量合成初级代谢产物,细胞分裂速率最快个体形态、生理特征较稳定,繁殖速率等于死亡速率细胞内大量积累次级代谢产物，某些细菌可形成芽孢,繁殖速率小于死亡速率菌体出现多种形态（畸形），细胞解体、释放代谢产物,微生物的生长,适应新环境,适应了环境后，条件适宜、营养物质充足等,营养物质消耗、有毒代谢产物积累、PH值的变化，种内斗争加剧,生存条件极度恶化，有毒代谢产物积累过，生存斗争最剧烈,长短与菌种、培养条件有关,可作为菌种也可作科研材料,制取代谢产物特别是次级产物，,生长
9、曲线的实践意义：,生产上常用对数期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。 用连续培养法来有效延长稳定期、提高代谢产物的产量。,这种方法已广泛应用于酒精、丙酮、丁醇等的生产中，优点：可缩短培养周期，提高了设备的利用率，并且便于自动化管理。,影响微生物生长的环境因素,1、温 度 微生物生长最旺盛时的温度叫最适生长温度 在最适生长温度范围内 微生物的生长速率随温度的上升而加快 超过最适生长温度以后 微生物细胞内的蛋白质和核酸等发生了不可逆的破坏，生长速率会急剧下降。,影响微生物生长的环境因素,2、pH 每种微生物的最适pH不同 多数细菌：6.57.5；真菌：5.06.0；放线菌：7.5-8.5。 超过最适
10、pH范围以后 影响酶的活性，细胞膜的稳定性等，从而影响微生物对营养物质的吸收等。,影响微生物生长的环境因素,3、氧 好氧型微生物 厌氧型微生物 严格厌氧 兼性厌氧微生物,多种细菌和大多数真菌,某些链球菌等,某些产甲烷杆菌,酵母菌等,1、菌种的选育,2、,3、,4、,5、发酵过程（中心阶段）,6、产品的分离提纯,发酵工程的基本内容(P94),1、菌种选育的常用方法比较,基因突变,DNA重组,细胞融合,物理、化学、生物因素诱变,能大幅度改变某些性状、操作简便，但也具有很大的盲目性。,将目的基因导入受体细胞中，构建工程菌或工程细胞。,能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂、要求高。,体细胞杂交等
11、方法,能克服远源杂交不亲合的障碍，定向改变遗传性状。,根据不同的菌种，应选择不同的原料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的PH。 培养基的营养要协调，以利于产物的合成。 培养基在满足微生物的营养的需求的基础上，应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。,2、培养基的配制,原则有三：,3、灭菌,4、扩大培养和接种,杀死杂菌防止杂菌与发酵菌形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。,扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。接种时要防止杂菌的污染。,5、发酵过程： （中心阶段，重点是在发酵条件的控制）,6、分离 提纯：,对需氧型生物保证氧的供应，对厌氧型生物控制氧的供应。 措施：控制通气量和搅拌速度等。,加酸、加碱或加缓冲液,注意降温，使温度控制在所培养微生物的最适温度。措施：控制搅拌速度、冷却水的循环速度等。,菌体：过滤、沉淀 代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换,发酵工程的应用,生产人们所需的药品,抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸,生产基因药品,人生长激素、胰岛素、人脑激素、单克隆抗体,生产传统的发酵产品,啤酒、果酒、食醋、酱油等,生产各种各样的食品添加剂,用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果等,为解决人类的粮食短缺问题,单细胞蛋白,
