第五章 微生物与发酵工程

什么是微生物 小（个体微小） 单细胞 简（结构简单） 简单多细胞 非细胞（即“分子生物”） 低（进化地位低） um（微米）级：光学显微镜下可见 nm（纳米）级：电子显微镜下可见 原核类：细菌，放线菌，支原体， 立克次氏体，衣原体，蓝细菌： 真核类：真菌（酵母菌，霉菌）， 原生生物 非细胞类：病毒，类病毒，朊病毒

微生物概念: 微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。个体微小（一般＜0.1mm）、构造简单、通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清的低等生物。 微生物与人类的关系极为密切。有些微生物能使人和动植物患病，但多数微生物对人类是有益的。

第一节 微生物的类群 非细胞类：病毒、类病毒、朊病毒 原核生物界：细菌，放线菌，支原体， 立克次氏体，衣原体，蓝藻 真菌界：酵母菌、霉菌、大型真菌 原生生物界：原生动物、显微藻类

一、细菌 （一）细菌的结构 细菌是单细胞的原核生物。 基本结构：细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核等。 特殊结构：有的具荚膜、鞭毛、芽孢。 （在一定条件或生长发育某一阶段形成的结构）

1、细胞壁：保护和维持细胞形状。 2、细胞膜： 3、拟核：大型环状的双链DNA分子，反复折叠缠绕而成。控制着细菌的主要遗传性状。 4、细胞质； 含有核糖体，质粒、储藏性颗粒（淀粉粒、硫粒）。质粒上的基因与细菌的抗药性、固氮、抗生素生成有关。     

5、荚膜： 不少细菌在细胞壁外具有荚膜，对细菌具一定的保护作用。 6、鞭毛：鞭毛与运动有关。 7、芽孢：芽孢不起繁殖作用，只起度过不良环境的作用，芽孢对热、紫外线和许多有毒化学物质有很强的抗性。（休眠体）

细菌的形态 A．球菌，　　B．杆菌，　　 C．带鞭毛的杆菌， D．弧菌及螺旋菌，　　　E．芽孢的形成

（二）细菌的繁殖和菌落 1、繁殖：二分裂方式 2、营养：自养（光能自养、化能自养） 异养（寄生、腐生）

3、菌落： 1）单个或少数细菌大量繁殖形成的子细胞群体 2）在固体培养基上繁殖形成的 3）肉眼可见 4）不同种类的细菌形成的菌落特征不同 菌落具有大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等特征。如教材图5-3所示。 5）可作为菌种鉴定的重要依据。       

二、放线菌 1、单细胞原核生物 2、菌体一般由分枝状的菌丝构成 基内菌丝：吸收营养物质 气生菌丝：一部分分化成孢子丝 （ 上生有孢子） 营养方式：异养腐生 3、孢子繁殖（无性繁殖） 4、多数抗生素都是由放线菌产生的。

三、病毒 1、病毒的结构 包括核酸、蛋白质构成的衣壳（合称核衣壳），衣壳的基本单位是衣壳粒，通常由1～6个多肽组成。某些病毒还包括囊膜，由蛋白质、多糖和脂类构成。有的病毒囊膜表面具有突起物，称刺突。     

囊膜（非基本结构）由蛋白质、多糖和脂类构成，其上生有刺突。 核衣壳 核酸：由DNA或RNA构成，贮存 全部遗传物质，控制一切性状。 衣壳：由许多衣壳粒蛋白构成，具有 保护核酸，决定抗原特异性等功能。 囊膜（非基本结构）由蛋白质、多糖和脂类构成，其上生有刺突。 （基本结构）

3、病毒的增殖： 1）只能在宿主的活细胞中进行。（寄生） 2）过程： 吸附、注入、复制合成、装配、释放。 （核酸）（核酸和蛋白质）

微生物是一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。 思考： 问题1： 微生物是无处不在的，你如何 通过实验证明这一点？ 问题2： 微生物个体很小，你如何观察到微生物？ 问题3： 微生物与环境、人类有何关系？    

问题1 采集不同环境（如土壤、空气、水体）中的样本进行检测，确定微生物存在的广泛性。 问题1 采集不同环境（如土壤、空气、水体）中的样本进行检测，确定微生物存在的广泛性。    

、以图表和学生的实验结果引入本课，启发学生思维    

通过以上资料和实验结果，发现微生物在土壤、水体和空气中均有存在，实际上微生物是无处不在的。     由表2可以发现细菌总数和细菌形态在不同地区有所不同，这与河水的清洁程度有关 由表3可以发现，空气中细菌的含量和空气污染程度有关。

问题 2：利用所学的生物知识，取样、制片、染色，观察微生物的形态。     问题3：根据社会热点问题，利用电视、广播、报刊、网络信息，查阅艾滋病、炭疽热、疯牛病、流感等的相关资料。     有些微生物能使人和动植物患病，但多数微生物对人类是有益的。

1、细胞壁：保护和维持细胞形状。 材料一：将杆菌接入浓度为0.2 mol／L的蔗糖等渗溶液和盛有玻璃珠的三角烧瓶中，加以摇动，可使细胞壁破裂，细胞内容物流出。 材料二：将细菌用溶菌酶处理，除去细胞壁，并接入低渗溶液，无细胞壁的细胞膜就会破裂。这是因吸水过多而胀破的。          

2、细胞膜： 特有的功能：是产生能量的重要基地。 （细菌的有氧呼吸在膜上进行） 特点：有氧呼吸、某些细菌的光合作用，固氮作用等所需的酶分布在细胞膜上。 3、细菌核区：大型环状的双链DNA分子，反复折叠缠绕而成。控制着细菌的主要遗传性状。。     

第五章 微生物与发酵工程 第二节 微生物的营养、代谢和生长 第五章 微生物与发酵工程 第二节 微生物的营养、代谢和生长     

一、微生物的营养 （一）微生物需要的营养物质及功能 1．化学组成：C、H、O、N、P、S及其 他元素组成 2．营养要素物质：碳源、 一、微生物的营养      （一）微生物需要的营养物质及功能      1．化学组成：C、H、O、N、P、S及其 他元素组成  2．营养要素物质：碳源、 (五大类) 氮源、 生长因子、 水、 无机盐     

（1）、碳源和氮源。 概念 来源 作用 凡能为微生物提供所需碳元素的营养物质 凡能为微生物提供所需氮元素的营养物质 碳源 氮源 糖类 （1）、碳源和氮源。     概念 来源 常用来源 作用 说明 无机碳源： 有机碳源： 无机氮源： 有机氮源： 不同种类的微生物，对碳源需要差别大。例：甲烷氧化菌：只利用甲醇、甲烷 假单胞菌：利用90多种含碳化合物 异养微生物：含 C、H、O、N的 化合物既是碳源，又是氮源 ①主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物 ②异养微生物的主要能源物质 凡能为微生物提供所需碳元素的营养物质 凡能为微生物提供所需氮元素的营养物质 CO2、NaHCO3等 碳源 氮源 糖类 尤其是葡萄糖 糖类、脂肪酸、花生粉饼、石油等 主要用于合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物 铵盐、 硝酸盐 N2、氨、铵盐、硝酸盐等 尿素、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸等

关于自养微生物和异养微生物碳源的利用和能量的来源 归纳：     ①自养微生物以二氧化碳或碳酸盐为唯一碳源进行代谢生长；异养微生物必须以有机物作为碳源进行代谢生长。     ②自养微生物生命活动所需的能源：一种类型是利用光能，如蓝细菌等着色细菌；一种类型是依靠物质氧化过程释放能量，如硝化细菌。    

关于氮源物质的来源和作用。     归纳：     ①对许多微生物来说，既可利用无机含氮化合物作为氮源，也可利用有机含氮化合物作为氮源。      ②固氮微生物可以利用氮气作为氮源进行生长。     ③铵盐、硝酸盐等既可作为微生物最常用的氮源，也可作为某些化能自养微生物的能源物质。     ④自养微生物与异养微生物类型的划分主要是依靠能否以二氧化碳作为生长的主要或惟一碳源，而不决定于氮源，例如，异养微生物最常用的氮源是无机氮源中的铵盐和硝酸盐

（2）、生长因子。     许多微生物在含有碳源、氮源、水、无机盐的培养基中还不能生长或生长极差，但当补充某些物质后，微生物就能生长良好。这些物质称为生长因子。 1）本质：维生素、氨基酸和碱基等。 2）含量：微量。 3）作用 ：是酶和核酸的组成成分。   4）补充原因：往往是缺乏合成某些物质所需的酶或合成能力有限  5）概念：微生物生长不可缺少的微量有机物     

讨论：如何证明某种物质是某种微生物的生长因子？     思路：在含碳源、氮源、水、无机盐但缺乏某种物质的培养基中培养微生物，微生物不能生长或生长极差，向培养基加入该种物质，微生物正常生长。    

判断题： （1）同一种物质不可能既作碳源又作氮源 （2）凡是碳源都能提供能量。 判断题：     （1）同一种物质不可能既作碳源又作氮源     （2）凡是碳源都能提供能量。    （3）除水以外的无机物仅提供无机盐。     （4）无机氮源也能提供能量。 （错） （错） （错） （对）

（二）培养基的配制原则 阅读教材79页内容，思考培养基配制的原则及设置这些原则的原理。 1、目的要明确（培养的种类和目的） （生产或实验） 阅读教材79页内容，思考培养基配制的原则及设置这些原则的原理。     1、目的要明确（培养的种类和目的） （生产或实验） 2、营养要协调 （注意各种营养物质的浓度和比例） 3、PH要适宜 （细菌的最适PH为6.5~7.5 放线菌的最适PH为7.5~8.5)

目的包含两层含义，一指培养的微生物种类，因为不同的微生物营养需要不同，培养基中要求的营养成分不同。二指培养的目的，是用于生产还是科学研究，因为二者对培养基的化学成分、物理状态等方面要求不同。 营养要协调：它表现在两个方面，一是营养物质的浓度要适宜，二是营养物质间的浓度比例要适宜。     

pH要适宜：由于微生物在生长代谢过程中营养物质利用和代谢产物的形成往往会改变环境中的pH，为了维持培养基中出的相对恒定，可在培养基中加入缓冲剂，最常用的缓冲剂是磷酸氢二钾或磷酸二氢钾。     

(三）培养基的种类。 ①按照物理性质划分培养基 (三）培养基的种类。     ①按照物理性质划分培养基 （液体、半固体、固体培养基）     ②按照化学成分划分培养基 （合成培养基、天然培养基）     ③按照培养基的用途 （选择培养基、鉴别培养基）     问题：     ①分离固氮微生物，需用何种类型的培养基？     ②如何检查自来水中大肠秆菌是否超标？    

种类 是否含凝固剂 用途 固体 培养剂 是 主要用于微生物的分离、鉴定等 半固体 主要用于观察微生物的运动、保存菌种等 液体 否 主要用于工业生产

种类 化学成分是否明确 用途 天然培养剂 否 主要用于工业生产 合成培养剂 是 主要用于微生物的分类、鉴定

类种 制备 方法 原理 用途 例 选择培养剂 培养剂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 加入青霉素分离得到酵母菌和霉菌 鉴别培养剂 培养剂中加入某种试剂或化学药品 依据微生物产生的某些代谢产物与培养剂中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

1、实验目的：检查自来水中的细菌数。 2、原理：大肠杆菌在伊红-美蓝培养剂上培养形成深紫色的菌落。

利用某些微生物碳源的特殊性解决环境污染、粮食危机等问题。     归纳：     ①利用某些细菌、放线菌、酵母菌以石油作为碳源的原理，消除石油污染；     ②运用某些细菌可以分解、利用氰化物、酚等有毒物质的原理处理有害物质；     ③研究开发以纤维素、石油、二氧化碳等作为碳源和能源的工业微生物，解决工业发酵用粮与人们日常用粮的矛盾。     

二、微生物的代谢 1.概述 1）概念：微生物的代谢是微生物细胞内所发生的全部化学反应。 2）特点及原因：微生物代谢旺盛 （微生物的表面积/体积的比值很大） ①能够迅速与外界环境进行物质交换 ②对物质转化利用速度快

2.微生物的代谢产物 1)初级代谢产物: ① 是微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。若合成发生障碍会影响微生物正常的生命活动。 ②其合成在微生物细胞内不停地进行。 ③不同种类的微生物产生的初级代谢产物种类基本相同。（即无特异性）

2）次级代谢产物 ①是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、无明显生理功能，并非生长繁殖所必需的物质。 ②不同种类微生物所产生的次级代谢产物不相同，即具有种的特异性。 ③可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。

2.微生物的代谢产物 初级代谢产物 次级代谢产物 内容 初级代谢产物 次级代谢产物 是 否 产生阶段 种的特异性 分布 例 不同点 一直产生 内容 初级代谢产物 次级代谢产物 是 否 生产繁殖是否必需 产生阶段 种的特异性 分布 例 不同点 一直产生 生产到一定阶段产生 否 是 细胞 细胞内或外 氨基酸、核苷酸、多糖、 脂类、维生素等 抗生素、毒素、激素、色素等 相同点 均在微生物细胞的调节下，有步骤产生

下列关于微生物代谢产物的说法中，错误的是（ ） A.可以分为初级代谢产物和次级代谢产物 B.是微生物生长和繁殖所必需的物质 下列关于微生物代谢产物的说法中，错误的是（ ） A.可以分为初级代谢产物和次级代谢产物 B.是微生物生长和繁殖所必需的物质 C.可能在细胞内，也可能排出外环境中 D.抗生素、毒素、激素、色素都属于代谢产物 B

下面关于初级代谢产物的叙述中，正确的是（ ） A.微生物通过代谢所产生的自身生长和繁殖所必需的物质 B.不是微生物生长和繁殖所必需的物质 下面关于初级代谢产物的叙述中，正确的是（ ） A.微生物通过代谢所产生的自身生长和繁殖所必需的物质 B.不是微生物生长和繁殖所必需的物质 C.因微生物的种类不同而不同 D.对微生物的正常生命活动无明显影响 A

3.微生物代谢的调节     人和高等动物，植物生命活动调节的基本形式： 人和高等动物生命活动调节方式是神经调节和体液调节。 植物生命活动调节的基本方式是激素调节。 微生物代谢调节的方式：微生物完成代谢调控主要是通过调节酶实现的。  酶合成的调节和酶活性的调节。        

1）酶合成的调节      a.组成酶在细胞内一直存在，它的合成只受基因调控；诱导酶只有环境中存在诱导物才能合成、存在，它的合成受基因与诱导物共同控制；    特点：间接而缓慢。  d.酶合成调节的意义：既保证代谢需要，又避免细胞内物质和能量浪费，增强适应性。 组成酶 诱导酶 组成酶 例：大肠杆菌分解葡萄糖的酶是 分解乳糖的酶是 诱导酶

2)酶活性的调节 a. 通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率。 b 2)酶活性的调节     a. 通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率。     b.酶活性改变的主要原因——通过酶与代谢过程产生物质的可逆性结合进行调节；    c.酶活性调节的特点：快速、精确； d.酶活性调节的意义：避免代谢产物积累过多。

谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径 葡萄糖 中间产物 a-酮戊二酸 抑制 谷氨酸脱氢酶 NH4 + 谷氨酸

。     实例：     1.大肠杆菌合成异亮氨酸的调节。 苏氨酸脱氢酶 苏氨酸 a-酮丁酸 异亮氨酸 实例1： 通过调节酶的活性，控制代谢过程；        

2.亮白曲霉原来不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培养基内加入蔗糖，一段时间后，可合成蔗糖酶，并利用蔗糖。 实例2： 通过调节酶的合成，控制代谢过程。

4.微生物代谢的人工控制 1）人工控制微生物代谢的目的——最大限度积累对人类有用的代谢产物。 4.微生物代谢的人工控制     1）人工控制微生物代谢的目的——最大限度积累对人类有用的代谢产物。 2）人工控制微生物代谢的措施 ①改变微生物的遗传特性 （诱变处理、改变细胞膜的透性） ②控制生产过程中的各种条件 （发酵条件）   

5.发酵 1）概念：在生产实际中，人们将通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程叫做发酵。 5.发酵 1）概念：在生产实际中，人们将通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程叫做发酵。 2）种类： ①根据培养基的物理状态（固体发酵、液体发酵） ②根据所生成的产物（抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵） ③根据发酵过程对氧的需求情况（厌氧发酵、需氧发酵）

阅读思考： ①酶合成的调节     a.组成酶和诱导酶的区别     b.酶合成调节的对象、结果     c.酶合成调节的机制（本质）     d.酶合成调节的意义 ②酶活性的调节     a.酶活性调节的对象、结果。     b.酶活性调节的机制     c.酶活性调节的特点     d.酶活性调节的意义   ③两种调节方式的区别与联系      

①酶合成的调节     a.组成酶在细胞内一直存在，它的合成只受基因调控；诱导酶只有环境中存在诱导物才能合成、存在，它的合成受基因与诱导物共同控制；     b.酶合成调节的对象是诱导酶；调节的结果是使细胞内酶的种类增多；     c.酶合成调节的机制（本质）——原核生物基因表达的调控，如大肠杆菌乳糖操纵子学说；     d.酶合成调节的意义：既保证代谢需要，又避免细胞内物质和能量浪费，增强适应性。     

②酶活性的调节 a. 酶活性调节的对象是酶（组成酶和诱导酶）的催化能力，调节的结果是酶的结构发生变化； b ②酶活性的调节     a.酶活性调节的对象是酶（组成酶和诱导酶）的催化能力，调节的结果是酶的结构发生变化；     b.酶活性调节的机制——通过酶与代谢过程产生物质的可逆性结合进行调节；     c.酶活性调节的特点：快速、精确；     d.酶活性调节的意义：避免代谢产物积累过多。     

区别： a. 从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化； b 区别：     a.从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化；     b.从调节效果看：酶活性调节直接而迅速，酶合成调节间接而缓慢；     c.从调节机制看：酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；酶活性调节是调节代谢速率，它调节酶活性。     联系：     细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。    

三、微生物的生长 常以微生物的群体为单位来研究微生物的生长。 （一）微生物群体生长的规律 （以细菌为例） 1、研究步骤： 人工培养 定期取样 测定生长

2、测定群体生长的方法： 1）测细菌细胞数目 主要有血球计数板法和涂片计数法。 2）测重量 有湿重法和干重法。

3、微生物群体生长规律的曲线——生长曲线 1）绘制方法 将少量的某种细菌接种到恒定容积的液体培养基中 适宜条件培养 定期取样测定培养基里的细菌群体的生长情况 以时间作横坐标，以细菌数目的对数作纵坐标得到生长曲线

2）细菌的生长曲线：描述了细菌群体从开始生长到死亡的动态变化过程。 (细菌数目对数) 1.调整期 2.对数期 3.稳定期 4.衰亡期 3 2 4 1 (时间)

主要时期 成因 特点 应用 说明 对数期 条件适宜 稳定期 衰亡期 菌体特征 调整期 适应新环境 不立即繁殖 代谢活跃，体积增长较快 调整期长短与菌期和培养条件有关 几乎不存在种内斗争的阶段 对数期 条件适宜 繁殖速度最快，呈指数式增长 代谢旺盛，个体形态和生理特征稳定 生产用菌种，科研材料 稳定期 营养物质消耗，有害代谢产物积累，PH变化 活菌数量最大，大量积累代谢产物 有些种类出现芽孢 获取代谢产物（特别是次级代谢产物）最佳时期改善和控制条件，延长稳定期 种内斗争最激烈的阶段 衰亡期 生存条件极度恶化 死亡率超过繁殖率 细胞出现多种形态，甚至畸形，有些解体 裂解释放产物 与无机环境斗争最激烈的阶段

①调整期 概念、特点、原因 ②对数期 概念、数目增长的特点、菌体特点、应用 ③稳定期 概念、原因、菌体特点 ④衰亡期 概念、菌体特点

1、产生酶最多的时期是 2、开始合成诱导酶的时期是 3、形成芽孢的时期是 4、能作为菌种扩大培养的时期是 5、大量积累次级代谢产物的时期是 A.调整期 B.对数期 C.稳定期 D.衰亡期 （C） (A) ( C ) ( B ) ( C )

（二）影响微生物生长的环境因素 1、温度 （1）微生物生长最旺盛时的温度叫最适生长温度。 （2）绝大多数微生物最适生长温度为 25~37℃； （3）依据最适生长温度，可以将微生物分为低温型、低温型、中温型。

2、PH 3、氧 依据对氧的需求，微生物分为 好氧型微生物 例：多数细菌，大多 数真菌。 厌氧型微生物 例：某些链球菌，某 些产甲烷杆菌 兼性厌氧型微生物 例：酵母菌