1、第六章 微生物生长代谢与遗传变异第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢第二节第二节 微生物的生长、繁殖微生物的生长、繁殖第三节第三节 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异第四节第四节 菌种的保藏菌种的保藏微生物代谢微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。：微生物细胞所进行的化学反应的总和。微生物合成代谢微生物合成代谢：小分子合成复杂大分子的过程；（教材：小分子合成复杂大分子的过程；（教材70 同化作用）同化作用）营养物质合成细胞物质的过程营养物质合成细胞物质的过程吸收能量吸收能量微生物分解代谢微生物分解代谢：细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程。（教材：细胞物质或营养物质降解形成简单
2、产物的过程。（教材70 异化作用）异化作用）第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢 新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢 分解代谢酶系分解代谢酶系合成代谢酶系合成代谢酶系有机物有机物复杂分子复杂分子 简单分子简单分子+ATP+Hu1857年,巴斯德等提出酒精发酵是细胞活动的结果。1878年，提出“酶”的名称；uLiebig等提出发酵现象是由于溶解于细胞液中的酶引起的；u1897年，Bchner兄弟用不含细胞的酵母汁实现了发酵，证明了发酵与细胞无关；u1913年，Michaelis等提出了酶促动力学原理；u1926年，Sumner第一次从刀豆中提出了脲酶结晶，并证明其具有蛋白质性
3、质；u20世纪30年代，Northrop又分离出结晶的蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，确立了酶的蛋白质本质。u.一、酶一、酶一、酶一、酶u分类分类u特性特性u影响酶活力得因素影响酶活力得因素按所催化的反应类型按所催化的反应类型u氧化还原酶氧化还原酶u转移酶转移酶u水解酶水解酶u裂解酶裂解酶u合成酶合成酶u同分异构酶同分异构酶u催化大分子有机物水解成小分子u反应式可以表示为：uAB+H2O AOH+BH u如：水解细胞壁的？酶（1）水解酶类）水解酶类u催化氧化还原反应的酶u反应式为：AH2+B A+BH2（2）氧化还原酶类这类酶按照供氢体又可分为氧化酶和脱氢酶氧化酶氧化酶：A、催化底物脱氢，氢由
4、辅酶（FAD或FMN）传递给活化氧，两者结合生成H2O2，反应式：B、催化底物脱氢，活化氧和氢结合生成H2O，反应式：脱氢酶脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体NAD接受，反应式：AH2+O2AH2O2+AH2+O2AH2O+如：多酚氧化酶催化含酚基的有机物脱氢，氧化为醌类和水CH3CH2OH+NADCH3CHONADH2+u催化底物的集团转移到另一有机物上的酶u反应式：AR+B A+BRu如：谷丙转氨酶催化谷氨酸的氨基转移到丙酮酸上，生成丙氨酸和-酮戊二酸。u实际上为取代反应（3）转移酶类u催化同分异构分子内的集团重新排列u如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。（4）异构酶（5）裂解酶催化有机物
5、裂解成小分子有机物反应式：ABA+Bu催化底物的合成反应u蛋白质和核酸的生物合成都需要合成酶参加，需要消耗ATP以获得能量。（6）合成酶反应式：A+BATPABADPPi+或A+BATPABAMPPPi+u酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内酶和表面酶。u按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。u一种酶可以有多个名字，如：淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶v其他分类特性u高效性高效性u专一性专一性u温和性温和性u可逆性可逆性u可调节性可调节性不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才能称为酶u米门公式（酶促反应速度方程）米门公式（酶促反应速度方程）影响
6、酶活力的因素影响酶活力的因素=K3ESKm+S(Km=K2+K3K1)米氏常数米氏常数Km表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；Km值越大，表明酶与底物的反应越不完全。值越大，表明酶与底物的反应越不完全。u酶浓度酶浓度、底物浓度、底物浓度、u温度、温度、PH、激活剂、抑制剂、激活剂、抑制剂 当有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，反当有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，反应速度也迅速增加。应速度也迅速增加。当酶全部与底物结合成中间产物，随着底物浓度的增加，当酶
7、全部与底物结合成中间产物，随着底物浓度的增加，反应速度的增加也减缓。反应速度的增加也减缓。u（1）酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响 底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。u（2）底物浓度对酶促反应速度的影响）底物浓度对酶促反应速度的影响（3）温度对酶反应速度的影响）温度对酶反应速度的影响（4）对酶反应速度的影响）对酶反应速度的影响 u凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单有机化合物。u如K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+、Cl-、Br-等。u作用机理是稳定改
8、变中心、提高亲和力。（5）激活剂对酶反应速度的影响）激活剂对酶反应速度的影响u能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。u可分为两种形式：竞争性抑制竞争性抑制：抑制剂与底物竞争，从而阻止底物与酶的结合。非竞争性抑制非竞争性抑制：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者都没有竟争作用（6）抑制剂对酶反应的影响）抑制剂对酶反应的影响二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用（一）微生物（一）微生物呼吸作用呼吸作用的本质的本质生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。AH2A辅酶辅酶辅酶辅酶H2受氢体受氢体受氢体受氢体
9、H2脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢生物体内的物质以生物体内的物质以脱氢方式脱氢方式被氧化分解，并被氧化分解，并释放能量释放能量的过程的过程。微生物以微生物以O2或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。变为热，散失；变为热，散失；供合成反应和生命的其他活动；供合成反应和生命的其他活动；贮存在贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。（三磷酸腺苷）中。高能键化合物高能键化合物高能键化合物的共性：高能键化合物的共性：高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型光能光能光能营
10、养型微生物光能营养型微生物化能营养型微生物化能营养型微生物化学能化学能耗能代谢耗能代谢合成代谢合成代谢 和和 分解代谢分解代谢ATPADP二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢微生物的呼吸作用产生能量微生物的呼吸作用产生能量变为热，散失；变为热，散失；供合成反应和生命的其他活动；供合成反应和生命的其他活动；贮存在贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。（三磷酸腺苷）中。（二）微生物的主要呼吸类型（二）微生物的主要呼吸类型有氧呼有氧呼 吸吸无氧呼吸无氧呼吸发发 酵酵光能转换（光合磷酸化）光能转换（光合磷酸化）产能方式产能方式共同点：共同点：氧化还原反应氧化还原反应区
11、别点：区别点：电子最终受体电子最终受体 氧化基质氧化基质二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢呼吸类型呼吸类型二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢2、无（厌）氧呼吸：、无（厌）氧呼吸：最终电子受体：无机氧化物；最终电子受体：无机氧化物；NO3 SO4 CO3 硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原底物：有机物。底物：有机物。1、有氧呼吸：有氧呼吸：最终电子受体：分子氧；最终电子受体：分子氧；底物：有机物底物：有机物 全部被氧化成全部被氧化成CO2和和H2O，并产生，并产生ATP。类型类型
12、 （据电子最终受体分）（据电子最终受体分）3、发酵：、发酵：产能效率介于好氧呼吸和发酵之间产能效率介于好氧呼吸和发酵之间葡萄糖糖酵解作用糖酵解作用(EMP)丙酮酸发酵发酵有氧有氧无氧无氧各种发酵产物各种发酵产物三羧酸循环三羧酸循环(TCA)被彻底氧化生成被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。和水，释放大量能量。有氧呼吸：有氧呼吸：电子传递链；电子传递链；氧分子；氧分子；(最终电子受体最终电子受体)u好氧呼吸产能的代表途径；好氧呼吸产能的代表途径；u指由丙酮酸经过一系列循环反应而彻底氧化、脱羧，指由丙酮酸经过一系列循环反应而彻底氧化、脱羧，形成形成CO2、H2O和和NADH2的过程。的过程。u
13、是广泛存在于各种生物体中的重要化学反应，在好氧是广泛存在于各种生物体中的重要化学反应，在好氧微生物中普遍存在，也称为三羧酸循环；微生物中普遍存在，也称为三羧酸循环；u由诺贝尔奖获得者（由诺贝尔奖获得者（1953）、德国学者）、德国学者H.A.Kerbs于于1937年提出。年提出。TCATCA循环循环u好氧呼吸过程中，葡萄糖的氧化分解为两阶段好氧呼吸过程中，葡萄糖的氧化分解为两阶段（1）葡萄糖经）葡萄糖经EMP途径酵解，不需要消耗氧，形成中间产物途径酵解，不需要消耗氧，形成中间产物（2）丙酮酸的有氧分解（）丙酮酸的有氧分解（TCA循环循环）。）。三羧酸循环图三羧酸循环图注意：能量、产物的产生注意
14、：能量、产物的产生u从葡萄糖开始，能量统计从葡萄糖开始，能量统计 EMP EMP途径、途径、TCATCA循环循环葡萄糖葡萄糖2个丙酮酸个丙酮酸EMP2ATP+2NADH相当于相当于8个个ATP2丙酮酸丙酮酸2乙酰乙酰SCoA脱羧脱羧2个NADH相当于相当于6个个ATP2乙酰SCoATCA循环2草酸乙酰6NADH+2FADH+2ATP相当于相当于24个个ATP30个个ATP定义：定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。氧化底物一般为有机物，如：葡萄糖、乙酸等，氧化底物一般为有机物，如：葡
15、萄糖、乙酸等，被氧化为被氧化为CO2，生成，生成ATP。根据呼吸链末端氢受体的不同，可有多种呼吸根据呼吸链末端氢受体的不同，可有多种呼吸类型。类型。无氧呼吸无氧呼吸u（1）硝酸盐呼吸）硝酸盐呼吸NO3-作为最终电子受体作为最终电子受体NO3-被还原成被还原成NO2-、N2O和和N2，供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和和NH3该过程叫脱氮作用，也叫该过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用反硝化作用或硝酸盐还原作用。或硝酸盐还原作用。能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物反硝化细菌。能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物反硝化细菌。生物处理中
16、，可除去含氮化合物中的氮。生物处理中，可除去含氮化合物中的氮。无氧呼吸的典型类型无氧呼吸的典型类型u（2）硫酸盐呼吸）硫酸盐呼吸SO42-作为最终电子受体作为最终电子受体是一类称作硫酸盐还原菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取是一类称作硫酸盐还原菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式；能量的方式；特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体受特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸最终还原产物是硫酸盐呼吸最终还原产物是H2S。石油管道中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸产生的石油管道中，厌
17、氧微生物的硫酸盐呼吸产生的H2S使管道使管道环境为酸性，易腐蚀管道；环境为酸性，易腐蚀管道；生物处理中，该呼吸产生的生物处理中，该呼吸产生的H2S可以和某些重金属离子结可以和某些重金属离子结合形成硫化物沉淀，而除去水中重金属污染。合形成硫化物沉淀，而除去水中重金属污染。无氧呼吸的典型类型无氧呼吸的典型类型u（3）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸CO2或或CO作为最终电子受体作为最终电子受体产甲烷菌可利用甲醇、乙醇、乙酸等作为氢供体，将产甲烷菌可利用甲醇、乙醇、乙酸等作为氢供体，将CO2还原为还原为CH4。可以用来获得清洁能源甲烷气。可以用来获得清洁能源甲烷气。有机废物的卫生填埋等需要考虑厌氧产生的甲烷气
18、，可有机废物的卫生填埋等需要考虑厌氧产生的甲烷气，可以收集来作为能源。以收集来作为能源。无氧呼吸的典型类型无氧呼吸的典型类型3、发酵（代谢发酵）、发酵（代谢发酵）有机物有机物氧化的基质氧化的基质 最终受氢体最终受氢体有机物有机物氧化氧化有机物有机物(1)发酵的特点：发酵的特点：工业发酵工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。微生物或细胞在微生物或细胞在不需要氧不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生移产生ATP的一种方式。的一种方式。二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第
19、一节 微生物的代谢微生物的代谢底物氧化不彻底，释放部分能量。产能少底物氧化不彻底，释放部分能量。产能少葡萄糖糖酵解作用糖酵解作用(EMP)丙酮酸发酵发酵有氧有氧无氧无氧各种发酵产物各种发酵产物三羧酸循环三羧酸循环(TCA)被彻底氧化生成被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。和水，释放大量能量。EMP途径产生途径产生2分子丙酮酸，分子丙酮酸，获得获得2个个ATP和和2个个NADH（或（或NADH+H+），），NADH可在有氧条件下经呼吸链的氧化磷酸化产生可在有氧条件下经呼吸链的氧化磷酸化产生6个个ATP，在无氧条件下则可把丙酮酸还原成乳酸或乙醇。在无氧条件下则可把丙酮酸还原成乳酸或乙醇。糖酵解
20、的步骤糖酵解的步骤步骤一步骤二发酵产物u两大步骤两大步骤（1）两大步骤）两大步骤第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生成成2分子中间产物分子中间产物 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛；第二步：发生氧化还原反应，合成第二步：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两并形成两分子的丙酮酸。分子的丙酮酸。EMP途径途径如：如：酿酒酵母进行的酵母菌同型酒精发酵；酿酒酵母进行的酵母菌同型酒精发酵；由德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌进行的同型乳酸发由德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌进行的同型乳酸发酵。酵。.通过这些发酵，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可通过这些发酵
21、，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可获得代谢产物获得代谢产物由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵，在不同微生物中可进入不同的发酵途径。(2)乙醇发酵乙醇发酵（1）氧化基质：葡萄糖）氧化基质：葡萄糖（2）最终的受氢体：乙醛）最终的受氢体：乙醛（3）丙酮酸脱羧酶）丙酮酸脱羧酶发酵特点发酵特点C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP葡萄糖葡萄糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸乙醇乙醇乙醛乙醛丙酮酸丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 2NAD+2NADH2ATP2A
22、DP2ADP2ATP2ADP2ATPOH丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢(3)乳酸发酵乳酸发酵C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+2ATP葡萄糖葡萄糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 2NAD2NADH2ATP2ADP2ADP2ATP2ADP2ATPOH（1）氧化基质：葡萄糖）氧化基质：葡萄糖（2）最终的受氢体：丙酮酸）最终的受氢体：丙酮酸发酵特点发酵
23、特点二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢(4)发酵类型的比较发酵类型的比较b.糖酵解过程是两发酵类型糖酵解过程是两发酵类型ATP产生的唯一来源。产生的唯一来源。基质（底物）水平的磷酸化基质（底物）水平的磷酸化 底物在其氧化过程中形成某些具有高能磷酸键的中间产物，这类中底物在其氧化过程中形成某些具有高能磷酸键的中间产物，这类中间产物，可将其高能键通过酶的作用转给间产物，可将其高能键通过酶的作用转给ADP而形成而形成ATP的过程。的过程。两个发酵类型的共同点：两个发酵类型的共同点：a.糖酵解途径糖酵解途径(EMP)是发酵的主要途径。是发酵的主要途径。二、微
24、生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢巴斯德效应：巴斯德效应：一些一些兼性厌氧菌兼性厌氧菌在无氧条件下进行发酵作用，而有氧条件下进在无氧条件下进行发酵作用，而有氧条件下进行呼吸作用的现象。行呼吸作用的现象。(4)发酵类型的比较发酵类型的比较不同点：不同点：丙酮酸丙酮酸丁酸丁醇发酵丁酸丁醇发酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵丁二醇发酵丁二醇发酵正型乳酸发酵正型乳酸发酵酒精发酵酒精发酵二、微生物的呼吸作用二、微生物的呼吸作用第一节第一节 微生物的代谢微生物的代谢第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖u1.生长、繁殖生长、繁殖生长：生长：微生物细胞的增长
25、。（单细胞、多细胞）微生物细胞的增长。（单细胞、多细胞）繁殖：繁殖：微生物个体数目的增加。微生物个体数目的增加。群体生长：群体生长：个体的进一步生长，就引起了群体的生长；个体的进一步生长，就引起了群体的生长；群体的生长可以用重量、体积、个体浓度或密度指标群体的生长可以用重量、体积、个体浓度或密度指标来测定。来测定。群体生长个体生长群体生长个体生长+个体繁殖个体繁殖一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意义，所以通常讲的义，所以通常讲的“生长生长”是指群体生长。是指群体生长。一、微生物生长繁殖的概念一、微生物生长繁殖的概念（1）概念）概念u两次
26、细胞分裂的时间间隔，称为世代时间。两次细胞分裂的时间间隔，称为世代时间。（2）影响）影响u世代时间受培养环境的影响。世代时间受培养环境的影响。不同的微生物，生长繁殖速度不同，世代时间也有不同不同的微生物，生长繁殖速度不同，世代时间也有不同2.2.世代时间世代时间第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖一、微生物生长繁殖的概念一、微生物生长繁殖的概念二、微生物生长、繁殖的测定二、微生物生长、繁殖的测定1、生长测定、生长测定直接法直接法间接法间接法测体积测体积称干重称干重测含碳量测含碳量其他其他2 2、繁殖测定、繁殖测定直接法：显微镜直接计数法直接法：显微镜直接计数法间接法间接法平板计数法平
27、板计数法薄膜过滤计数法薄膜过滤计数法第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖1、称重法、称重法 用离心或过滤的方法将菌体从培养基中分离、冼净，称湿重或干重。用离心或过滤的方法将菌体从培养基中分离、冼净，称湿重或干重。优优 点：点：简单可靠。简单可靠。在活性污泥法中采用的指标：在活性污泥法中采用的指标：（1）混合液悬浮固体）混合液悬浮固体(MLSS)（粗放测定）（粗放测定）污泥污泥干燥干燥-称重称重(W1)（2）挥发性悬浮固体）挥发性悬浮固体(MLVSS)（相对准确）（相对准确）上述已称重污泥上述已称重污泥-马福炉马福炉(500度度2小时小时)-冷却冷却-称重称重(W2)二、微生物生长、繁
28、殖的测定二、微生物生长、繁殖的测定第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖2、含氮量测定法、含氮量测定法 根据样品中菌体蛋白质含量计算微生物重量的方法。根据样品中菌体蛋白质含量计算微生物重量的方法。原理原理：（：（1）微生物蛋白质含量稳定）微生物蛋白质含量稳定 （2）氮是蛋白质的稳定成分）氮是蛋白质的稳定成分 (蛋白质量蛋白质量=6.25总含总含N量量)优点优点：测定准确。：测定准确。二、微生物生长、繁殖的测定二、微生物生长、繁殖的测定第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖3、显微镜直接计数法、显微镜直接计数法 使用细菌计数板或血球计数板在显微镜下直接计数。使用细菌计数板或血球计
29、数板在显微镜下直接计数。优点优点：操作简便，计数直观。：操作简便，计数直观。二、微生物生长、繁殖的测定二、微生物生长、繁殖的测定第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖4、平板计数法、平板计数法 对样品稀释培养，据形成的菌落数计数。对样品稀释培养，据形成的菌落数计数。优点优点：传统计数方法。对设备要求不高。：传统计数方法。对设备要求不高。10-310-510-410-6二、微生物生长、繁殖的测定二、微生物生长、繁殖的测定第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖u1、培养方法培养方法u分批培养：分批培养：一定的环境下，微生物在一个有液体培养一定的环境下，微生物在一个有液体培养基的容器
30、内生长繁殖。基的容器内生长繁殖。u连续培养：连续培养：流入新鲜培养基的同时不断流出培养物的流入新鲜培养基的同时不断流出培养物的培养方式。培养方式。三、微生物的生长规律三、微生物的生长规律生长曲线生长曲线第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖 将菌种接种在液体培养基中隔一定时间取样，计算菌数，以菌将菌种接种在液体培养基中隔一定时间取样，计算菌数，以菌数的对数为纵坐标，生长时间为横坐标作图。数的对数为纵坐标，生长时间为横坐标作图。2、典型生长曲线：、典型生长曲线：三、微生物的生长规律三、微生物的生长规律生长曲线生长曲线第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖 根据细菌生长繁殖速率将生
31、长曲线分四个时期：根据细菌生长繁殖速率将生长曲线分四个时期：适应期适应期 对数期对数期 稳定期稳定期 衰亡期衰亡期三、微生物的生长规律三、微生物的生长规律生长曲线生长曲线第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖（1 1）适应期）适应期又称停滞期或调整期。指少量微生物接种到新培又称停滞期或调整期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一段时间内细胞养液中后，在开始培养的一段时间内细胞数目不增加数目不增加的时期。的时期。特点：特点：生长生长速率常数等于零。速率常数等于零。细胞形态变大或增长细胞形态变大或增长细胞内细胞内RNA尤其是尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性。含量增高，原生质
32、呈嗜碱性。合成代谢活跃。合成代谢活跃。对外界不良条件反应敏感。对外界不良条件反应敏感。接种龄接种龄 接种龄即接种龄即“种子种子”的群体生长年龄，亦即它处在的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一个阶段。实验证明，如果以对数期接种生长曲线上的哪一个阶段。实验证明，如果以对数期接种龄的龄的“种子种子”接种，则子代培养物的适应期就短。接种，则子代培养物的适应期就短。接种量接种量 接种量的大小明显影响适应期的长短。接种量的大小明显影响适应期的长短。（基数大）（基数大）培养基成分培养基成分 接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种到营养单调的组合培养基中的适
33、应期短。要比接种到营养单调的组合培养基中的适应期短。影响适应期长短的因素：影响适应期长短的因素：（2）对数期）对数期 又称指数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期又称指数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。特点：特点：生长速率常数生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的代最大，因而细胞每分裂一次所需的代时时G或原生质增加一倍所需的倍增时间最短；或原生质增加一倍所需的倍增时间最短；细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；酶系活跃，代谢旺盛。酶系活跃，代谢旺盛。对数期的微生物
34、可作为代谢、生理等研究的良好材料，对数期的微生物可作为代谢、生理等研究的良好材料，是发酵生产中用作是发酵生产中用作“种子种子”的最佳种龄。的最佳种龄。繁殖代数繁殖代数n：x2=x12n以对数表示：以对数表示：lgx2=lgx1+nlg2 生长速率常数生长速率常数R世代时间世代时间G对数生长期的三个参数对数生长期的三个参数（3）稳定期）稳定期 又称静止期或最高生长期。又称静止期或最高生长期。特点：特点：u细胞数目不增加细胞数目不增加(R=0)，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。u
35、菌体产量达到了最高点，而菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系间呈现出一定的比例关系u细胞长、大细胞长、大u代谢旺盛代谢旺盛(RNA含量增加含量增加)u诱导酶迅速合成诱导酶迅速合成u对不良条件敏感，抵抗力降低对不良条件敏感，抵抗力降低营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调，例如营养物的比例失调，例如CN比值不合适等；比值不合适等；有害代谢产物的累积；有害代谢产物的累积；pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。、氧化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。稳定期到来的原因主要是：稳定期到来的原
36、因主要是：（4）衰亡期）衰亡期 特点：特点：u个体死亡的速度超过新生的速度个体死亡的速度超过新生的速度(繁殖数繁殖数死亡数死亡数)，整个，整个群体就呈现出负生长（群体就呈现出负生长（R0）。）。u细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；u有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶；u有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物；代谢产物；u在芽孢杆菌中，芽孢释放往往也发生在这一时期在芽孢杆菌中，芽孢释放往往也发生在这一时期u
37、产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起来越不利，从而引起细胞内的分解代谢细胞内的分解代谢大大超过大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。合成代谢，继而导致菌体死亡。u如：营养物耗尽，细菌利用贮存颗粒进行内源呼如：营养物耗尽，细菌利用贮存颗粒进行内源呼吸造成自身溶解；有毒代谢物积累，抑制细菌生吸造成自身溶解；有毒代谢物积累，抑制细菌生长等。长等。活性污泥法的微生物的生长规律和纯菌种的一活性污泥法的微生物的生长规律和纯菌种的一致，生长曲线也相似；致，生长曲线也相似；一般划为三个阶段：生长上升阶段、生长下降一般划为三个阶段：生长上升阶段、生
38、长下降阶段、内源呼吸阶段阶段、内源呼吸阶段什么时期菌体代谢产物最多什么时期菌体代谢产物最多什么时期细菌细胞代谢活性最强什么时期细菌细胞代谢活性最强什么时候细菌细胞总数最多什么时候细菌细胞总数最多什么时期细菌细胞生长速度最快什么时期细菌细胞生长速度最快什么时期世代时间短而稳定什么时期世代时间短而稳定对数生长期对数生长期稳定期稳定期对数生长期对数生长期对数生长期对数生长期小小 结结三、微生物的生长规律三、微生物的生长规律生长曲线生长曲线第二节第二节 微生物生长、繁殖微生物生长、繁殖稳定期稳定期3.3.连续培养微生物的生长规律连续培养微生物的生长规律两种连续培养方式：u恒浊连续培养：维持培养液中细菌
39、的浓度恒定。u恒化连续培养：维持进水中营养成分恒定。适合污水生物处理。连续培养装置示意图目前目前,污水连续生物处理法均类似于污水连续生物处理法均类似于恒化连续恒化连续培养培养；（流速不完全恒定）；（流速不完全恒定）在连续培养中，微生物的生长状态和规律与在连续培养中，微生物的生长状态和规律与分批培养不同，往往是处在相当于分批培养中生分批培养不同，往往是处在相当于分批培养中生长曲线的某一生长阶段。长曲线的某一生长阶段。如：废水生物处理的连续运行过程中，活性如：废水生物处理的连续运行过程中，活性污泥中的微生物处在相当于分批培养生长曲线的污泥中的微生物处在相当于分批培养生长曲线的生长阶段：加速期或对数
40、期，或静止期或衰亡期。生长阶段：加速期或对数期，或静止期或衰亡期。连续培养微生物的生长规律连续培养微生物的生长规律平推流式活性污泥法平推流式活性污泥法废水生物处理设计时，按废水的水质情况，可利用不同阶废水生物处理设计时，按废水的水质情况，可利用不同阶段的微生物处理废水。段的微生物处理废水。如：如：常规活性污泥法，常规活性污泥法，稳定期稳定期生物吸附法，生物吸附法，稳定期稳定期高负荷活性污泥法，高负荷活性污泥法，对数期对数期延时曝气法处理低浓度有机废水，衰老期延时曝气法处理低浓度有机废水，衰老期4.4.生长曲线在污水生物处理中的应用生长曲线在污水生物处理中的应用第三节第三节 微生物的遗传与变异微
41、生物的遗传与变异 遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因传递指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因传递给下一代的行为或功能。给下一代的行为或功能。遗传遗传遗传具有保守性遗传具有保守性优点：保障优良性状稳定遗传；优点：保障优良性状稳定遗传；缺点：环境变化，无法适应而死亡。缺点：环境变化，无法适应而死亡。几个重要概念：几个重要概念：遗传型遗传型u又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在的因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在的可能性或
42、潜力可能性或潜力。表型表型u 指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的综合，是其遗传性在合适环境条件下通过代谢性的综合，是其遗传性在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体表现。是一种和发育而得到的具体表现。是一种现实性现实性。遗传型遗传型（可能性）（可能性）+环境条件环境条件表型表型（现实性）（现实性）代谢，发育代谢，发育指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，也是遗传型的改变。构或数量的改变，也是遗传型的改变。特点：特点：出现几率低出现几率低性状变化幅度大性状变化幅度大新
43、性状稳定、可遗传新性状稳定、可遗传变异变异饰变饰变u外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。而只发生在转录、转译水平上的表型变化。u 特点：特点：群体中的个体几乎都同样变化群体中的个体几乎都同样变化性状变化的幅度小性状变化的幅度小不遗传不遗传1.种瓜得瓜，种豆得豆；种瓜得瓜，种豆得豆；2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；3.虎父无犬子；虎父无犬子；4.一母生九子，母子十不同。一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或传变异有关的俗语或谚语
44、有哪些？谚语有哪些？微生物遗传变异的应用微生物遗传变异的应用遗传是相对的，变异是绝对的。遗传是相对的，变异是绝对的。u利用物理因素、化学药物处理微生物提高其变利用物理因素、化学药物处理微生物提高其变异频率，可获得具有优异特性的变异菌株。异频率，可获得具有优异特性的变异菌株。u工业废水生物处理中，可以用含有某些污染物工业废水生物处理中，可以用含有某些污染物的废水筛选、培养菌种，使其适应并有高效降的废水筛选、培养菌种，使其适应并有高效降解其中污染物能力。解其中污染物能力。驯化驯化一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础1866年奧地利孟德尔发表论文植物杂交实验，提出分离律、自由配合律等遗传
45、定律。1879年德国生物学家弗来明在细胞核內发现了染色质1903年美国细胞学家萨顿发现，细胞染色体的活动方式，与孟德尔所描述的遗传因子极为类似。1909年丹麦的丹麦的植物遗传学家约翰逊开始以“基因”取代“遗传因子”1910年美国遗传学家摩根通过果蝇的研究，证明了基因存在染色体上真正确立遗传物质：1944年后的年后的3个著名实验。个著名实验。哪些人用什么方法最终证明了哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础？遗传的物质基础？1.1.格里菲斯经典转化实验（格里菲斯经典转化实验（19281928）及埃弗里、麦）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（19411
46、941）。）。2.2.赫西和蔡斯大肠杆菌赫西和蔡斯大肠杆菌T2T2噬菌体感染大肠杆菌实噬菌体感染大肠杆菌实验。验。3.H.Fraenkel-Conrat3.H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验R型菌型菌（粗糙、（粗糙、无毒性）无毒性）S型菌型菌（光滑、（光滑、有毒性）有毒性）多糖类荚膜多糖类荚膜格里菲斯格里菲斯肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验将将R型活菌注入小鼠体内型活菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后将将S型活菌注入小鼠体内型活菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后将灭活的将灭活的S型菌注入小鼠体内型菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后将将R型活菌与灭活的型活
47、菌与灭活的S型菌注入小鼠体内型菌注入小鼠体内一段时间后一段时间后细菌发生转化，性状的转化可以遗传。细菌发生转化，性状的转化可以遗传。埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验 从从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、荚膜、DNA、RNA，分别与，分别与R型肺炎球型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内菌混合后注入到小白鼠体内结果被注入结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。小白鼠存活。DNA蛋白质蛋白质多糖多糖RNA只有只有DNA引起引起R型肺炎球菌转化，型肺炎球菌转化，DNA是其遗传物质是其遗传物质 赫西和蔡斯实验赫西
48、和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验噬菌体侵染细菌的实验（含（含S）（含（含P）用放射性同位素用放射性同位素35S标记外壳蛋白质标记外壳蛋白质细菌内无放射性细菌内无放射性用放射性同位素用放射性同位素32P标记内部标记内部DNA细菌内有放射性细菌内有放射性表明表明DNA是遗传物质是遗传物质植物病毒的重建试验植物病毒的重建试验uH.Fraenkel-Conrat（1956）用含）用含RNA的烟草的烟草花叶病毒（花叶病毒（TMV）进行植物病毒重建实验：）进行植物病毒重建实验：u将将TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳和能将它的蛋白质外壳和RNA核心分离，
49、发现裸核心分离，发现裸露的露的RNA能感染烟草，而蛋白质不感染烟草。能感染烟草，而蛋白质不感染烟草。u选用一株与选用一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒近缘的霍氏车前花叶病毒HRV进行实验。进行实验。TMV重建试验重建试验红蓝箭头表示遗传信息的走向红蓝箭头表示遗传信息的走向正常正常花叶病 核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸（核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸（DNADNA）和）和核糖核酸（核糖核酸（RNARNA），绝大多数生物都是以），绝大多数生物都是以DNADNA作为遗传物质的，因此作为遗传物质的，因此DNADNA是主要的遗传物质。是主要的遗传物质。上述三个实验可以证明
50、核酸是遗传物质基础。上述三个实验可以证明核酸是遗传物质基础。含含DNA的生物：的生物：以以DNA为遗为遗传物质传物质如真核生物、原核生物和只含DNA的病毒等如流感病毒、爱如流感病毒、爱滋病病毒、烟草滋病病毒、烟草花叶病毒等花叶病毒等以以RNA为遗为遗传物质传物质仅含仅含RNA的生物的生物：DANDAN的结构与复制的结构与复制（一）（一）DNA结构结构最经典的结构：最经典的结构：双螺旋结构。双螺旋结构。沃森、克里克沃森、克里克1953年提出。年提出。T胸腺嘧啶胸腺嘧啶 A腺嘌呤腺嘌呤G鸟嘌呤鸟嘌呤 C胞嘧啶胞嘧啶碱基配对原则：碱基配对原则：A=T,CG.碱基之间一一对应，顺序固定，可以保证遗碱基
