微生物代谢(微生物小知识)

1.微生物小知识

20

世纪以来，生物化学和生物物理学向微生物学渗透，再加上电子显微镜的发明和同

位素示踪原子的应用，推动了微生物学向生物化学阶段的发展。

1897

年德国学者毕希纳发

现酵母菌的无细胞提取液能与酵母一样具有发酵糖液产生乙醇的作用，

从而认识了酵母菌酒

精发酵的酶促过程，将微生物生命活动与酶化学结合起来。

诺伊贝格等人对酵母菌生理的研究和对酒精发酵中间产物的分析，

克勒伊沃对微生物代

谢的研究以及他所开拓的比较生物化学的研究方向，

其他许多人以大肠杆菌为材料所进行的

一系列基本生理和代谢途径的研究，都阐明了生物体的代谢规律和控制其代谢的基本原理，

并且在控制微生物代谢的基础上扩大利用微生物，发展酶学，推动了生物化学的发展。从

20

世纪

30

年代起，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、丁醇、甘油、各种有机酸、氨基酸、

蛋白质、油脂等的工业化生产。

1929

年，弗莱明发现青霉菌能抑制葡萄球菌的生长，揭示了微生物间的拮抗关系，并

发现了青霉素。

1949

年，瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所积累资料的基础上，发现了

链霉素。

此后陆续发现的新抗生素越来越多。

这些抗生素除医用外，

也应用于防治动植物的

病害和食品保藏。

1941

年，比德尔和塔特姆用

X

射线和紫外线照射链孢霉，使其产生变异，获得营养缺

陷型。

他们对营养缺陷型的研究不仅可以进一步了解基因的作用和本质，

而且为分子遗传学

打下了基础。

1944

年，埃弗里第一次证实了引起肺炎球菌形成荚膜遗传性状转化的物质是

脱氧核糖核酸

(DNA)

1953

年，沃森和克里克提出了

DNA

分子的双螺旋结构模型和核酸半

保留复制学说。

富兰克尔

-

康拉特等通过烟草花叶病毒重组试验，证明核糖核酸

(RNA)

是遗传信息的载

体，为奠定分子生物学基础起了重要作用。其后，又相继发现转运核糖核酸

(tRNA)

的作用机

制、

基因三联密码的论说、

病毒的细微结构和感染增殖过程、

生物固氮机制等微生物学中的

重要理论，展示了微生物学广阔的应用前景。

1957

年，科恩伯格等成功地进行了

DNA

的体外组合和操纵。近年来，原核微生物基因

重组的研究不断获得进展，

胰岛素已用基因转移的大肠杆菌发酵生产，

干扰素也已开始用细

菌生产。现代微生物学的研究将继续向分子水平深入，向生产的深度和广度发展。

在微生物学的发展过程中，

按照研究内容和目的的不同，

相继建立了许多分支学科：

研

究微生物基本性状的有关基础理论的有微生物形态学、

微生物分类学、

微生物生理学、

微生

物遗传学和微生物生态学；

研究微生物各个类群的有细菌学、

真菌学、

藻类学、

原生动物学、

病毒学等；

研究在实践中应用微生物的有医学微生物学、

工业微生物学、

农业微生物学、

食

品微生物学、乳品微生物学、石油微生物学、土壤微生物学、水的微生物学饲料微生物学、

环境微生物学、免疫学等。

由于微生物学各分支学科的相互配合、

互相促进，

以及与生物化学、

生物物理学、

分子

生物学等学科的相互渗透，使其在基础理论研究和实际应用两方面都有了迅速的发展

2.微生物知识

微生物是指一切肉眼看不到或看不清楚，因而需要借助显微镜观察的微小生物。

微生物包括原核微生物（如细菌）、真核微生物（如真菌、藻类和原虫）和无细胞生物（如病毒）三类。主要特性 微生物最大的特点，不但在於体积微小，而且在结构上亦相当简单。

由於微生物体积极之微小，故相对面积较大，物质吸收快，转化快。微生物在生长与繁殖上亦是很迅速的，而且适应性强。

从寒冷的冰川到极酷热的温泉，从极高的山顶到极深的海底，微生物都能够生存。由於微生物适应性强，又容易在较短时间内积聚非常多的个体（例如10^10个/毫升的数量级），因此容易筛选并分离到突变株。

容易得到微生物突变株的性质，给人类利用与开发微生物带来广阔契机，但也是导致抗药性的内在原因。微生物的代谢 微生物的代谢指微生物（细胞）内发生的全部化学反应。

微生物的代谢异常旺盛，这是由於微生物的表面积与体积比很大（约是同等重量的成年人的30万倍），使它们能够迅速与外界环境进行物质交换。代谢产物 微生物在代谢过程中，会产生多种代谢产物。

根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系，可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类。 初级代谢产物是指微生物通过代谢活动产生的、自身生长和繁殖所必须的物质，如胺基酸、核苷酸、多糖、脂质、维生素等。

在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同。 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂，对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必须的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等。

不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，它们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。代谢的调节 微生物在长期的进化过程中，形成了一整套完善的代谢调节系统，以保证证代谢活动经济而高效地进行。

微生物的代谢调节主要有两种方式：酶合成的调节和酶活性的调节。 另外人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特徵，控制生产过程中的各种条件等。

主要分类 微生物主要分为以下几类：（参见生物分类总表） 原核微生物 细菌（Bacteria） 古菌（Archaea） 真核微生物 真菌（Fungi） 原生生物（protozoan） 藻类（algae） 无细胞生物 病毒（virus） 类病毒（virusoid） 拟病毒（viroid） 朊毒体（亦称普里昂蛋白、蛋白质质感染性颗粒）（prion） [编辑] 微生物在自然界的存在 微生物在自然界中广泛存在，数目巨大。下表为一些生态环境中微生物细胞数目的估计： 密度 全球总数 海水 108~109 L-1 约1029 海洋沉积物 109 g-1 约3*1029 动物消化道 1011 g-1 约1025 地表或海底下深处 102~108 约1030 原核生物共构成全球生物量的25~50%。

[编辑] 微生物的作用 微生物与人类的生产、生活和生存息息相关。有很多食品（如酱油、醋、味精、酒、酸奶、乳酪、蘑菇）、工业品（如皮革、纺织、石化）、药品（如抗生素、疫苗、维生素、生态农药）是依赖於微生物制造的；微生物在矿产探测与开采、废物处理（如水净化、沼气发酵）等各种领域中也发挥重要作用。

微生物是自然界唯一认知的固氮者（如大豆根瘤菌）与动植物残体降解者（如纤维素的降解），同时位於常见生物链的首末两端，从而完成碳、氮、硫、磷等生物质在大循环中的衔接。若没有微生物，众多生物就失去必需的营养来源、植物的纤维质残体就无法分解而无限堆积，就没有自然界当前的繁荣与秩序或人类的产生与维续。

此外，微生物对地球上气候的变化也起著重要作用。许多微生物直接参与了温室气体的排放或者吸收，而也有很多微生物可以成为未来的生物燃料[1]。

[编辑] 微生物与人类健康 微生物与人类健康密切相关。多数微生物对人体是无害的。

实际上，人体的外表面（如皮肤）和内表面（如肠道）生活著很多正常、有益的菌群。它们占据这些表面并产生天然的抗生素，抑制有害菌的著落与生长；它们也协助吸收或亲自制造一些人体必需的营养物质，如维生素和胺基酸。

这些菌群的失调（如抗生素滥用）可以导致感染发生或营养缺失。然而另一方面，人类与动植物的疾病也有很多是由微生物引起，这些微生物叫做病原微生物（pathogenic microorganism）或病原（pathogen）。

重要的人类致病微生物列于下表中。主要的人类致病微生物 疾病名称 致病原 全球感染（携带者）人数 每年新发病例数 每年死亡人数 结核 结核分枝杆菌 ~20亿人（全球三分之一人口） 881万例 （2003 [1]） 175万人 （2003 [2]） 爱滋病 人类免疫缺陷病毒 4200万人 550万例 310万人 痢疾 志贺氏菌、痢疾杆菌、大肠埃希氏杆菌等 27亿例 190万人 疟疾 疟原虫 3-5亿例 100万人 B型肝炎 B型肝炎病毒 1000-3000万例 100万人 麻疹 麻疹病毒 3000万例 90万人 登革热 登革病毒 2000万例 2万4千人 流感 流感病毒 几乎全部人口 300-500万例 25万人 黄热病 黄热病毒 20万例 3万人 其他经常听说的致病微生物还有：流行已经完全得到控制或消灭的天花病毒（引起天花）和脊髓灰质炎病毒（导致小儿麻痹症）；引起炭疽病的炭疽杆菌；以及近年来显现的萨斯冠状病毒（引起严重急性呼吸道症候群，又名萨斯、也俗称非典型肺炎。

3.食品微生物——代谢

是相对于初级代谢而提出的一个概念。一般是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体物质？

化能自养型细菌：氢的氧化；硫的氧化、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸。

光能自养型细菌。

次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，逐出电子被氧化；氨的氧化；铁的氧化。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型，释放出的电子在由电子载体组成的传递链中传递，故将其称为混合酸发酵

(5)氧化磷酸化：电子传递和ATP形成相偶联的机制

(6)P/.简答题，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。

次级代谢不像初级代谢那样有明确的生理功能。一般在对数生长后期或稳定期进行，会受到环境条件的影响，并伴随着ATP的产生

(10)底物水平磷酸化；O比：一对电子通过呼吸链传递至氧所产生的ATP分子数。

(7)次级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，使其生成ATP（或GTP）

(11)有氧呼吸 以分子氧作为最终电子受体

(12)无氧呼吸 以氧以外的外源氧化型化合物作为最终电子受体

三，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终的电子受体一. 名词解释：

(1)分解代谢：指细胞将复杂的大分子物质（营养物质或细胞物质）降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。

(2)合成代谢：指细胞利用简单的小分子物质（分解代谢的中间产物或环境中的小分子营养物质）合成复杂大分子过程，在这个过程中要消耗能量。

(3)生物氧化：是发生在活细胞内的一系列产能性的氧化反应的总和。

(4)混合酸发酵 ： 埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。这一过程的产物

(8)初级代谢，通过分解代谢和合成代谢：

(1)自然界中的微生物在不同的生活环境中可通过哪些方式产生自身生长 所需要的能量 。

(3)试 述 初 级 代 谢 和 次 级 代 谢 与 微 生 物 生 长 的 关 系。

次级代谢以初级代谢产物为前体物质进行的，

初级代谢系统、甲酸、乙醇；还原力。催化次级代谢的酶专一性不高。

根本区别：电子载体不是将电子直接传递给葡萄糖分子降解的中间产物，叶绿素分子吸收光量子被激活：物质在生物氧化过程中常能生成一些含高能磷酸键的化合物，这些化合物可以通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP（或GDP）。

(2)比较呼吸作用与发酵作用的主要区别。次级代谢产物的合成因菌株不同而异，与分类地位无关。

(5)合成代谢需要哪些要素？

能量；小分子前体物质，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。这一过程的产物

(9)光合磷酸化： 在光能转变为化学能的过程中

4.各种微生物的代谢方式

一、依据新陈代谢同化作用方式来分，少数是自养型，多数是异养型 1.自养型细菌可分为光能合成细菌和化能合成细菌。

光能合成细菌是指能利用光能合成有机物的细菌，已知有绿硫细菌、红硫细菌等。这些细菌的菌体内含有类似于绿色植物体内叶绿素那样的光合色素，这种光合色素叫做细菌叶绿素。

有的光合细菌还含有大量的类胡萝卜素，从而使菌体呈现出红色。细菌光合作用是在无氧条件下，以硫化氢等无机物作为二氧化碳的还原剂，同时析出硫，但不产生氧气的反应. 化能合成细菌能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量，以环境中的二氧化碳为碳的来源，来合成有机物，并且储存能量。

例如硝化细菌能将土壤中的氨（NH3）氧化成亚硝酸（HNO2）或硝酸（HNO3），硫细菌能把硫化物（如H2S）氧化成硫酸盐，铁细菌能够将硫酸亚铁氧化成硫酸铁。其中硝化细菌合成有机物的过程可表示为： 2.异养型细菌中分布最广的是腐生细菌，它们从动植物遗体或动物排泄物中获取有机物，使之分解成简单的小分子物质，对自然界中碳等元素的循环有重要的作用。

异养型细菌中还有营寄生生活的细菌。许多寄生细菌能破坏寄主的细胞和组织，或它们的代谢产物对寄主有毒害作用，如白喉杆菌、肺结核杆菌、破伤风杆菌、霍乱弧菌等。

寄生细菌中能引起寄主发病的又叫病原菌。 二、依据新陈代谢异化作用方式来分，可分为需氧型（好氧细菌）和厌氧型（厌氧细菌） 需氧型细菌是在有氧条件下生活的一类细菌，包括硝化细菌、枯草杆菌、黄色短杆菌、谷氨酸棒状杆菌等。

一般在空气中正常生活的绝大多数细菌都是需氧型细菌。而某些腐生细菌、深层土壤细菌、破伤风杆菌、乳酸菌等少数细菌只有在无氧条件下才能生活，是厌氧型细菌。

5.微生物复习

第五章 微生物的生长繁殖及其控制重点：细菌生长曲线的定义、各时期的特点、应用及生产指导意义。

控制微生物生长繁殖及控制微生物生长的条件及原理。微生物在适宜的环境条件下，不断地吸收营养物质，并按照自己的代谢方式进行代谢活动，如果同化作用大于异化作用，则细胞质的量不断增加，体积得以加大，于是表现为生长。

简单地说，生长就是有机体的细胞组分（constituent）与结构在量方面的增加。单细胞微生物如细菌，生长往往伴随着细胞数目的增加。

当细胞增长到一定程度时，就以二分裂方式，形式两个基本相的子细胞，子细胞又重复以上过程。在单细胞微生物中，由于细胞分裂而引起的个体数目的增加，称为繁殖。

在多细胞微生物中，如某些霉菌，细胞数目的增加如不伴随着个体数目的增加，只能叫生长，不能叫繁殖。例如菌丝细胞的不断延长或分裂产生同类细胞均属生长，只有通过形成无性孢子或有性孢子使得个体数目增加的过程才叫做繁殖。

在一般情况下，当环境条件适合，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，这个过程就是发育。

微生物处于一定的物理、化学条件下，生长、发育正常，繁殖速率也高；如果某一或某些环境条件发生改变，并超出了生物可以适应的范围时，就会对机体产生抑制乃至杀灭作用。第一节细菌纯培养的群体生长规律大多数细菌的繁殖速度都很快。

大肠杆菌的适宜条件下，每20分钟左右便可分裂一次，如果始终保持这样的繁殖速度，一个细菌48个小时内，其子代总重量可达2.2*10 31克，这是一个巨大的数字。然而，实际情况是不可能的。

那么，细菌的群体生长规律到底怎样呢？ 一、细菌纯培养的群体生长规律（详细讲解，让学生理解并掌握）将少量单细胞纯培养接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜的条件下培养，定时取样测定细菌含量，可以看到以下现象：开始有一短暂时间，细菌数量并不增加，随之细菌数目增加很快，继而细菌数又趋稳定，最后逐渐下降。如果以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图，可以得到如图6-6的曲线，称为繁殖曲线，对单细胞微生物而言，虽然生长和繁殖是两个不同的概念，但由于在测定方法上，多以细菌数增加（即繁殖）作为生长指标，它们的繁殖也可视为群体的生长，所以，繁新的适宜的环境中生长繁殖直至衰老死亡全过程的动态变化。

根据细菌生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、调整期或滞留适应期。 （一）延迟期 处于延迟期细菌细胞的特点可概括为8个字：分裂迟缓、代谢活跃。

细胞体积增长较快，尤其是长轴，例如巨大芽孢杆菌，在延迟期末，细胞平均长度比刚接种时大6倍以上；细胞中RNA含量增高，原生质嗜碱性加强；对不良环境条件较敏感，对氧的吸收、二氧化碳的释放以及脱氨作用也很强，同时容易产生各种诱导酶等。这些都说明细胞处于活跃生长中，只是细胞分裂延迟。

在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。 延迟期出现的原因，可能是为了调整代谢。

当细胞接种到新的环境（如从固体培养接种至液体培养基）后，需要重新合成必需量的酶、辅酶或某些中间代谢产物，以适应新的环境。 延迟期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关，短的只需几分钟，长的可达几小时。

因此，深入了解延迟期产生的原因，采取缩短延迟期的措施，在发酵工业上具有十分重要的意义。在生产实践中，通常采取的措施有增加接种量，在种子培养中加入发酵培养基的某些营养成分，采用最适种龄（即处于对数期的菌种）的健壮菌种接种以及选用繁殖快的菌种等措施，以缩短延迟期，加速发酵周期，提高设备利用率。

在延迟期末，每个细胞已开始分裂，但并非所有的机体都同时结束这一时期，所以细菌数逐渐增加，曲线稍有上升，直至这一阶段结束，进入下一阶段。（二） 对数期（log phase） 对数期又称指数期（exponential phase）。

在此期中，细胞代谢活性最强，组成新细胞物质最快，所有分裂形成的新细胞都生活旺盛。这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加，代时稳定，细菌数目的增加与原生质总量的增加，与菌液混浊度的增加均呈正相关性。

这时，细菌纯培养的生长速率也就是群体生长的速率，可用代时（generation time）表示。所谓代时，即单个细胞完成一次分裂所需的时间，亦即增加一代所需的时间（也叫增代时间或世代时间）。

在此阶段，由于代时稳定，因此，只要知道了对数期中任何两个时间的菌数，就可求出细菌的代时。 不同的细菌，其对数期的代时不同，同一种细菌，由于培养基组成和物理条件的影响，如培养温度、培养基pH、营养物的性质等，代时也不相同。

但是，在一定条件下，各种菌的代时又是相对稳定的，多数种为20-30分钟，有的长达33小时，而有的繁殖极快，增代时间只9.8分左右。表6-4示不同细菌的代时。

处于对数期的微生物，其个体形态、化学组成和生理特性等均较一致，代谢旺盛，生长迅速，代时稳定，所以是研究基本代谢的良好材料，也是发酵生产的良好种子，如果用作菌种，往。

6.高中课本涉及到的微生物的代谢类型

一、常现生物：

1.细菌：原核类：具细胞结构，但细胞内无核膜和核仁的分化，也无复杂的细胞器，包括：细菌（杆状、球状、螺旋状）、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体、螺旋体。

①细菌：三册书中所涉及的所有细菌的种类：

乳酸菌、硝化细菌（代谢类型）；

肺炎双球菌S型、R型（遗传的物质基础）；

结核杆菌和麻风杆菌（胞内寄生菌）；

根瘤菌、圆褐固氮菌（固氮菌）；

大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌（为基因工程提供运载体，也可作为基因工程的受体细胞）；

苏云金芽孢杆菌（为抗虫棉提供抗虫基因）；

假单孢杆菌（分解石油的超级细菌）；

甲基营养细菌、谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌（微生物的代谢）；

链球菌（一般厌氧型）；

产甲烷杆菌（严格厌氧型）等

②放线菌：是主要的抗生素产生菌。它们产生链霉素、庆大霉素、红霉素、四环素、环丝氨酸、多氧霉素、环已酰胺、氯霉素和磷霉素等种类繁多的抗生素（85%）。繁殖方式为分生孢子繁殖。

③衣原体：砂眼衣原体。

2.病毒：病毒类：无细胞结构，主要由蛋白质和核酸组成，包括病毒和亚病毒（类病毒、拟病毒、朊病毒）① 动物病毒：RNA类（脊髓灰质炎病毒、狂犬病毒、麻疹病毒、腮腺炎病毒、流感病毒、艾滋病病毒、口蹄疫病毒、脑膜炎病毒、SARS病毒）

DNA类（痘病毒、腺病毒、疱疹病毒、虹彩病毒、乙肝病毒）

②植物病毒：RNA类（烟草花叶病毒、马铃薯X病毒、黄瓜花叶病毒、大麦黄化病毒等）

③微生物病毒：噬菌体。

3.真核类：具有复杂的细胞器和成形的细胞核，包括：酵母菌、霉菌（丝状真菌）、蕈菌（大型真菌）等真菌及单细胞藻类、原生动物（大草履虫、小草履虫、变形虫、间日疟原虫等）等真核微生物。

① 霉菌：可用于发酵上工业，广泛的用于生产酒精、柠檬酸、甘油、酶制剂（如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等）、固醇、维生素等。在农业上可用于饲料发酵、生产植物生长素（如赤酶霉素）、杀虫农药（如白僵菌剂）、除草剂等。危害如可使食物霉变、产生毒素（如黄曲霉毒素具致癌作用、镰孢菌毒素可能与克山病有关）。常见霉菌主要有毛霉、根霉、曲霉、青霉、赤霉菌、白僵菌、脉胞菌、木霉等。

4.微生物代谢类型：

① 光能自养：光合细菌、蓝细菌（水作为氢供体）紫硫细菌、绿硫细菌（H2S作为氢供体，严格厌氧）2H2S+CO2 [CH2O]+H2O+2S

② 光能异养：以光为能源，以有机物（甲酸、乙酸、丁酸、甲醇、异丙醇、丙酮酸、和乳酸）为碳源与氢供体营光合生长。阳光细菌利用丙酮酸与乳酸用为唯一碳源光合生长。

③ 化能自养：硫细菌、铁细菌、氢细菌、硝化细菌、产甲烷菌（厌氧化能自养细菌）CO2+4H2 CH4+2H2O

④ 化能异养：寄生、腐生细菌。

⑤ 好氧细菌：硝化细菌、谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等

⑥ 厌氧细菌：乳酸菌、破伤风杆菌等

⑦ 中间类型：红螺菌（光能自养、化能异养、厌氧[兼性光能营养型]）、氢单胞菌（化能自养、化能异养[兼性自养]）、酵母菌（需氧、厌氧[兼性厌氧型]）

⑧ 固氮细菌：共生固氮微生物（根瘤菌等）、自生固氮微生物（圆褐固氮菌）