5节：自养菌代谢（微生物的自养代谢）
一、光能自养菌
蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。
叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心
光合色素
类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素
（一）主要类群
P150表解
属于原核微生物，归于红螺菌目，利用硫化氢、氢气或有机物作为供氢体。常存在于水较清，可透光的厌氧环境中。
1、红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。
2、着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。
3、绿菌亚目：绿菌科—绿硫细菌，绿弯菌科—绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。
（二）光合作用
光反应：光合色素吸收光能并转化为化
学能的能量转换反应。
暗反应：利用能量进行CO2同化。
光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。
1、环式光合磷酸化
逐出电子经电子传递又回到菌绿素，使其恢复到原状态，其间产生ATP，但不产生还原力，不放出氧气。光合细菌属此类。P151，图6-33
光合菌还原力来自硫化氢，方式可能是逆向电子传递，消耗光反应产生的ATP。
H2S + NAD S + NADH2 积累硫
NADH2+NADP NAD+NADPH2
2、非环式光合磷酸化
两个光反应系统，除产生ATP，还有还原力，放出氧气。植物、蓝细菌属此类。
还原力来自水的光解。P151,图6-34
3、噬盐菌紫膜的光合作用
无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。（自学）
二、化能自养菌
无机物氧化获能,通过卡尔文环同化CO2
产能主要方式是氧化磷酸化，还原力产生是逆向电子传递。P148,图6-30
无机物氧化时，以不同位置进入呼吸链，这与异养菌不同，产能效率低。图6-31
1、硝化细菌
将氨氧化成亚硝酸—亚硝酸细菌
亚硝酸氧化成硝酸—硝酸细菌
NH4++1½O2→NO2-+2H++H2O+66千卡
NO2-+½O2 →NO3-+18千卡 图6-32
2、硫细菌
引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。
S2-→S→SO32-→SO42-
由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。
2S+3O2+2H2O →2H2SO4（T. thiooxidans)
4FeSO4+O2+2H2SO4 →2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans)
硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。
CU2S+ 2Fe2(SO4)3 →2CUSO4 + 4FeSO4 +S
FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O →15FeSO4 + 8H2SO4
3、氢细菌
兼性自养菌。H2 +½O2 →H2O+56.5千卡
4、铁细菌
将亚铁氧化成高铁，尚未纯培养。
自养菌总结
光合细菌类群 主要供氢体、 碳源、 生长因子、 O2释放
绿硫细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
着色细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
红螺细菌 有机物 有机物 + —
蓝细菌 水 CO2 — +
化能自养型菌生理类群
类群 氧化基质及电子供体 氧化产物
亚硝酸细菌 NH4+ NO2- H2O
硝酸细菌 NO2- NO3- H2O
硫化细菌 H2S、S、S2O32-、Fe2+ SO42- H2O Fe3+
氢细菌 H2 H2O
铁细菌 Fe2+ Fe3+
最终电子受体均为O2
第四章：微生物生长
生长：有机体的细胞组分与结构在量方面的增加。
繁殖：单细胞-由于细胞分裂引起个体数目的增加。
多细胞-通过无性或有性孢子使个体数目增加的过程。
发育：适合条件下，生长与繁殖始终是交替进行的，从生长到繁殖是一个由量变到质变的过程，这个过程称为发育。
1节：微生物的发育周期
一、概念
发育周期、单细胞微生物、丝状真菌
二、发育周期中细胞学上变化
1、细胞壁与质膜的延伸
质膜合成位点在赤道带，细胞壁生长也定位在赤道区，并具有种的特异性。
2、DNA的复制
1）单向复制 John Cairns：E. Coli作材料，放射自显影技术。染色体从起始点开始，反时针旋转一周完成。
2）双向复制 Hiroshi Yoshikawa：不只按一个方向复制，起点与终点不重合。
3）滚环模型：不对称复制。一股线状，一股环状复制。
真核微生物复制有多个位点，都是双向。
3、发育循环中基因的表达
DNA的复制与细胞分裂是协调的。细胞分裂总是发生在DNA复制后的一定时间内。抑制DNA合成的各种化学处理或突变也抑制细胞分裂。细菌DNA复制需DNA起始蛋白作用。
E. coli 细胞分裂总是发生在DNA复制完成后大约20分钟，而DNA复制需40分钟，这样世代时间应是60分钟，但…...
三、细胞分化现象
在某些微生物的发育循环中，一个或一群细胞会从一种形态与功能转变为另一种形态与功能，此称细胞分化或形态发生。
2节：微生物纯培养的生长
一、纯培养的分离方法 表
二、生长测定（适用、注意事项）
直接计数法（全数）
间接计数法（活菌数）
测细胞物质量
三、细菌纯培养群体生长规律
将少量纯培养接种到一恒定体积的新鲜液体培养基中，适宜条件下培养，定时取样测定细菌含量，以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速率为纵坐标，得繁殖曲线，对单细胞而言，又称生长曲线。
根据生长速率不同，分为几个时期。
（一）延迟期 lag phase(停滞期、调整期）
表现：不立即繁殖，生长速率近于0，菌数几乎不变，细胞形态变大。
特点：分裂迟缓，合成代谢活跃，体积增长快，对外界不良环境敏感。
原因：调整代谢，合成新的酶系和中间代谢产物以适应新环境。
消除：增加接种量；采用最适菌龄接种；培养基成分（种子、发酵）
（二）对数期 log phase
表现：代谢活性最强，几何级数增加，代时最短，生长速率最大。
特点：细菌数目增加与原生质总量增加，与菌液浊度增加呈正相关性。
代时（generation time）：单个细胞完成一次分裂所需时间，亦即增加一代所需时间。
G=t1-t0/n y=x•2n n=lgy - lgx/lg2
导出 G = t1 - t0 /3.3(lgy - lgx)
影响G因素：菌种、营养成分、营养物浓度（很低时影响）、培养温度。
（三）稳定期 stationary phase(最高生长期、静止期）
表现：新增殖细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，活菌数动态平衡。
特点：生长速率又趋于0，细胞总数最高。
原因：养分减少；有毒代谢物产生。
稳定期细胞内开始积累贮存物，此阶段收获菌体，也是发酵过程积累代谢产物的重要阶段。
延长：补料，调pH、温度等。
此时，菌体总数量与所消耗的营养物之间存在一定关系，称为产量常数（生长效率）。Y = X - X0 /C 其中X-稳定期细胞干重/ml， X0 -接种时干重/ml，C-限制性营养物浓度。
根据这一原理，可进行生物测定。
将未知混合物加到只缺乏特定限制性营养物的完全培养基中，测定培养基所能达到的生长量，就可以计算出原混合物中特定限制性营养物的浓度。
（四）衰亡期 decline phase
表现：出现 “负生长 ”，有些细胞开始自溶。
对于丝状真菌，细胞数目不呈几何级数增加，无对数生长期，一般有调整期，最高生长期，衰退期。
四、连续培养 continuous cultivation
分批培养 batch culture ：将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获。
若不断补充新鲜营养，并及时不断以同样速度排出培养物，则可延长对数期。
只要培养液的流动量能使增殖的新菌数相当于流出的老菌数，就可保证总菌量不变，此即连续培养原理。
主要参数：D（稀释率）=F（流动速率）/V（容积）
连续培养方法
1、恒浊连续培养 turbidostat
不断调节流速使培养液浊度保持恒定。
装置
适用：收获菌体及与菌体相平行的产物。
2、恒化连续培养 chemostat
恒定流速，及时补充营养，营养物浓度基本恒定，从而保持恒定生长速率。又称恒组成连续培养。培养基成分中，必须将某种必需的营养物控制在较低的浓度，以作为限制性因子，而其它营养物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、生长因子、无机盐等。
适用；科研
两种方法比较：
五、同步生长 synchronous growth
概念：使所有的细胞都能处于同一生长阶段，同时分裂的生长方式。
同步培养法获得：
（一）机械法（选择法）
1、离心沉降分离法
2、过滤分离法
3、硝酸纤维素薄膜法
（二）调整生理条件法（诱导法）
1、温度调整法：亚适生长温度-->最适生长温度培养。
2、营养条件调整法：控制浓度或组成，使细胞只能进行一次分裂。
3、用稳定期的培养物接种：稳定期细胞处于衰老状态，移入新鲜培养基，可得同步生长。
（三）抑制DNA合成法
DNA合成是细胞分裂前提。抑制一段时间再解除抑制。
3节：环境条件对生长影响
一、温度
影响两方面。
最低、最适、最高生长温度，致死温度。
微生物生长温度类型：
低温型（嗜冷微生物）
中温型（嗜温微生物）
高温型（嗜热微生物）
二、pH
主要影响：引起膜电荷变化，从而影响营养吸收；影响酶活性；改变营养物状态和有害物毒性。
有最适pH，此时酶活性最高，其他条件适合，生长速率最高，但不是生产的最适pH。
微生物细胞内的pH多接近于中性。
pH调节措施：
三、氧化还原电位 Eh
Eh与氧分压有关，也与pH有关。
不同种类微生物所要求的Eh不同。
Eh影响酶活性，也影响呼吸作用。
四、辐射
指通过空气或外层空间以波动方式从一个地方传播或传递到另一个地方的能量。
（一）紫外线（非电离辐射）10-380nm
致死主要是细胞中很多物质对紫外线吸收。杀菌作用随剂量增加而增加。紫外线穿透力弱，应用于空气消毒、表面消毒、菌种诱变。
（二）电离辐射（X、α、β、γ）
效应无专一性， α、β穿透力较弱，X、 γ较强。
KI对电离辐射具保护作用。
五、干燥
水分对正常生长必不可少，各种微生物抵抗干燥能力不同。
六、渗透压
微生物对渗透压有一定适应能力。高渗溶液—质壁分离，低渗溶液—细胞膨胀破裂。
七、超声波（20，000Hz以上）
使细胞破裂，科研中破碎细胞。
八、表面张力
4.5--6.5x10-4 N/cm，降低影响。
4节：灭菌与消毒
灭菌 sterilization ：杀死所有微生物。
消毒 disinfection ：杀死一切病原微生物。
防腐 antisepsis：利用理化因素抑制微生物生长繁殖。
化疗 chemotherapy：利用具有选择毒性化学药物或抗生素来抑制宿主体内病原微生物的生长繁殖，借以达到治疗的一种措施。
一、光能自养菌
蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。
叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心
光合色素
类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素
（一）主要类群
P150表解
属于原核微生物，归于红螺菌目，利用硫化氢、氢气或有机物作为供氢体。常存在于水较清，可透光的厌氧环境中。
1、红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。
2、着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。
3、绿菌亚目：绿菌科—绿硫细菌，绿弯菌科—绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。
（二）光合作用
光反应：光合色素吸收光能并转化为化
学能的能量转换反应。
暗反应：利用能量进行CO2同化。
光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。
1、环式光合磷酸化
逐出电子经电子传递又回到菌绿素，使其恢复到原状态，其间产生ATP，但不产生还原力，不放出氧气。光合细菌属此类。P151，图6-33
光合菌还原力来自硫化氢，方式可能是逆向电子传递，消耗光反应产生的ATP。
H2S + NAD S + NADH2 积累硫
NADH2+NADP NAD+NADPH2
2、非环式光合磷酸化
两个光反应系统，除产生ATP，还有还原力，放出氧气。植物、蓝细菌属此类。
还原力来自水的光解。P151,图6-34
3、噬盐菌紫膜的光合作用
无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。（自学）
二、化能自养菌
无机物氧化获能,通过卡尔文环同化CO2
产能主要方式是氧化磷酸化，还原力产生是逆向电子传递。P148,图6-30
无机物氧化时，以不同位置进入呼吸链，这与异养菌不同，产能效率低。图6-31
1、硝化细菌
将氨氧化成亚硝酸—亚硝酸细菌
亚硝酸氧化成硝酸—硝酸细菌
NH4++1½O2→NO2-+2H++H2O+66千卡
NO2-+½O2 →NO3-+18千卡 图6-32
2、硫细菌
引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。
S2-→S→SO32-→SO42-
由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。
2S+3O2+2H2O →2H2SO4（T. thiooxidans)
4FeSO4+O2+2H2SO4 →2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans)
硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。
CU2S+ 2Fe2(SO4)3 →2CUSO4 + 4FeSO4 +S
FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O →15FeSO4 + 8H2SO4
3、氢细菌
兼性自养菌。H2 +½O2 →H2O+56.5千卡
4、铁细菌
将亚铁氧化成高铁，尚未纯培养。
自养菌总结
光合细菌类群 主要供氢体、 碳源、 生长因子、 O2释放
绿硫细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
着色细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
红螺细菌 有机物 有机物 + —
蓝细菌 水 CO2 — +
化能自养型菌生理类群
类群 氧化基质及电子供体 氧化产物
亚硝酸细菌 NH4+ NO2- H2O
硝酸细菌 NO2- NO3- H2O
硫化细菌 H2S、S、S2O32-、Fe2+ SO42- H2O Fe3+
氢细菌 H2 H2O
铁细菌 Fe2+ Fe3+
最终电子受体均为O2
第四章：微生物生长
生长：有机体的细胞组分与结构在量方面的增加。
繁殖：单细胞-由于细胞分裂引起个体数目的增加。
多细胞-通过无性或有性孢子使个体数目增加的过程。
发育：适合条件下，生长与繁殖始终是交替进行的，从生长到繁殖是一个由量变到质变的过程，这个过程称为发育。
1节：微生物的发育周期
一、概念
发育周期、单细胞微生物、丝状真菌
二、发育周期中细胞学上变化
1、细胞壁与质膜的延伸
质膜合成位点在赤道带，细胞壁生长也定位在赤道区，并具有种的特异性。
2、DNA的复制
1）单向复制 John Cairns：E. Coli作材料，放射自显影技术。染色体从起始点开始，反时针旋转一周完成。
2）双向复制 Hiroshi Yoshikawa：不只按一个方向复制，起点与终点不重合。
3）滚环模型：不对称复制。一股线状，一股环状复制。
真核微生物复制有多个位点，都是双向。
3、发育循环中基因的表达
DNA的复制与细胞分裂是协调的。细胞分裂总是发生在DNA复制后的一定时间内。抑制DNA合成的各种化学处理或突变也抑制细胞分裂。细菌DNA复制需DNA起始蛋白作用。
E. coli 细胞分裂总是发生在DNA复制完成后大约20分钟，而DNA复制需40分钟，这样世代时间应是60分钟，但…...
三、细胞分化现象
在某些微生物的发育循环中，一个或一群细胞会从一种形态与功能转变为另一种形态与功能，此称细胞分化或形态发生。
2节：微生物纯培养的生长
一、纯培养的分离方法 表
二、生长测定（适用、注意事项）
直接计数法（全数）
间接计数法（活菌数）
测细胞物质量
三、细菌纯培养群体生长规律
将少量纯培养接种到一恒定体积的新鲜液体培养基中，适宜条件下培养，定时取样测定细菌含量，以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速率为纵坐标，得繁殖曲线，对单细胞而言，又称生长曲线。
根据生长速率不同，分为几个时期。
（一）延迟期 lag phase(停滞期、调整期）
表现：不立即繁殖，生长速率近于0，菌数几乎不变，细胞形态变大。
特点：分裂迟缓，合成代谢活跃，体积增长快，对外界不良环境敏感。
原因：调整代谢，合成新的酶系和中间代谢产物以适应新环境。
消除：增加接种量；采用最适菌龄接种；培养基成分（种子、发酵）
（二）对数期 log phase
表现：代谢活性最强，几何级数增加，代时最短，生长速率最大。
特点：细菌数目增加与原生质总量增加，与菌液浊度增加呈正相关性。
代时（generation time）：单个细胞完成一次分裂所需时间，亦即增加一代所需时间。
G=t1-t0/n y=x•2n n=lgy - lgx/lg2
导出 G = t1 - t0 /3.3(lgy - lgx)
影响G因素：菌种、营养成分、营养物浓度（很低时影响）、培养温度。
（三）稳定期 stationary phase(最高生长期、静止期）
表现：新增殖细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，活菌数动态平衡。
特点：生长速率又趋于0，细胞总数最高。
原因：养分减少；有毒代谢物产生。
稳定期细胞内开始积累贮存物，此阶段收获菌体，也是发酵过程积累代谢产物的重要阶段。
延长：补料，调pH、温度等。
此时，菌体总数量与所消耗的营养物之间存在一定关系，称为产量常数（生长效率）。Y = X - X0 /C 其中X-稳定期细胞干重/ml， X0 -接种时干重/ml，C-限制性营养物浓度。
根据这一原理，可进行生物测定。
将未知混合物加到只缺乏特定限制性营养物的完全培养基中，测定培养基所能达到的生长量，就可以计算出原混合物中特定限制性营养物的浓度。
（四）衰亡期 decline phase
表现：出现 “负生长 ”，有些细胞开始自溶。
对于丝状真菌，细胞数目不呈几何级数增加，无对数生长期，一般有调整期，最高生长期，衰退期。
四、连续培养 continuous cultivation
分批培养 batch culture ：将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获。
若不断补充新鲜营养，并及时不断以同样速度排出培养物，则可延长对数期。
只要培养液的流动量能使增殖的新菌数相当于流出的老菌数，就可保证总菌量不变，此即连续培养原理。
主要参数：D（稀释率）=F（流动速率）/V（容积）
连续培养方法
1、恒浊连续培养 turbidostat
不断调节流速使培养液浊度保持恒定。
装置
适用：收获菌体及与菌体相平行的产物。
2、恒化连续培养 chemostat
恒定流速，及时补充营养，营养物浓度基本恒定，从而保持恒定生长速率。又称恒组成连续培养。培养基成分中，必须将某种必需的营养物控制在较低的浓度，以作为限制性因子，而其它营养物过量。常用的有氨、氨基酸、葡萄糖、生长因子、无机盐等。
适用；科研
两种方法比较：
五、同步生长 synchronous growth
概念：使所有的细胞都能处于同一生长阶段，同时分裂的生长方式。
同步培养法获得：
（一）机械法（选择法）
1、离心沉降分离法
2、过滤分离法
3、硝酸纤维素薄膜法
（二）调整生理条件法（诱导法）
1、温度调整法：亚适生长温度-->最适生长温度培养。
2、营养条件调整法：控制浓度或组成，使细胞只能进行一次分裂。
3、用稳定期的培养物接种：稳定期细胞处于衰老状态，移入新鲜培养基，可得同步生长。
（三）抑制DNA合成法
DNA合成是细胞分裂前提。抑制一段时间再解除抑制。
3节：环境条件对生长影响
一、温度
影响两方面。
最低、最适、最高生长温度，致死温度。
微生物生长温度类型：
低温型（嗜冷微生物）
中温型（嗜温微生物）
高温型（嗜热微生物）
二、pH
主要影响：引起膜电荷变化，从而影响营养吸收；影响酶活性；改变营养物状态和有害物毒性。
有最适pH，此时酶活性最高，其他条件适合，生长速率最高，但不是生产的最适pH。
微生物细胞内的pH多接近于中性。
pH调节措施：
三、氧化还原电位 Eh
Eh与氧分压有关，也与pH有关。
不同种类微生物所要求的Eh不同。
Eh影响酶活性，也影响呼吸作用。
四、辐射
指通过空气或外层空间以波动方式从一个地方传播或传递到另一个地方的能量。
（一）紫外线（非电离辐射）10-380nm
致死主要是细胞中很多物质对紫外线吸收。杀菌作用随剂量增加而增加。紫外线穿透力弱，应用于空气消毒、表面消毒、菌种诱变。
（二）电离辐射（X、α、β、γ）
效应无专一性， α、β穿透力较弱，X、 γ较强。
KI对电离辐射具保护作用。
五、干燥
水分对正常生长必不可少，各种微生物抵抗干燥能力不同。
六、渗透压
微生物对渗透压有一定适应能力。高渗溶液—质壁分离，低渗溶液—细胞膨胀破裂。
七、超声波（20，000Hz以上）
使细胞破裂，科研中破碎细胞。
八、表面张力
4.5--6.5x10-4 N/cm，降低影响。
4节：灭菌与消毒
灭菌 sterilization ：杀死所有微生物。
消毒 disinfection ：杀死一切病原微生物。
防腐 antisepsis：利用理化因素抑制微生物生长繁殖。
化疗 chemotherapy：利用具有选择毒性化学药物或抗生素来抑制宿主体内病原微生物的生长繁殖，借以达到治疗的一种措施。
