第二章细菌的生理特性细菌的生理特性，主要从三方面来分析：（1）营养：（2）呼吸；（3）其它环境因素对它们生活的影响。第一节细茵的营养细菌的营养是指吸取生长所需的各种物质并进行代谢生长的过程。营养是代谢的基础，代谢是生命活动的表现。细菌所需的营养物质与细菌细胞的化学组成、营养类型和代谢遗传特性等有关。一、细菌细胞的化学组分及生理功能1.化学组成细菌细胞中最重要的组分是水，约占细胞总重量的80%，一般为70%~～90%，其它10%~20%为干物质。干物质中有机物占90%左右，其主要化学元素是C、H、0、N、P、S；另外约10%为无机盐分（或称灰分）。其化学组成示意图如下（图2-1）。70%-90%水碳水化合物蛋白质细胞重量脂肪90%有机物（湿重）DNARNA等等10%-20%干物质（千重）10%无机盐（灰分）图21细菌细咆的化学红成有关细菌细胞的化学组分还应注意以下几个特点：不同的细菌细胞化学组分不向；同一种细菌在不同的生长阶段其化学组分也有差异。2.各化学组分的生理功能（1）水分水分是最重要的组分之“，也是不可缺少的化学组分。水在细菌细胞内的存在有两种状态：自由水和结合水。它们的生理作用主要有以下几点：1）溶剂作用。所有物质都必须先溶解于水，然后才能参与各种生化反应2）参与生化反应（如脱水、加水反应）。3）运输物质的载体13
4）维持和调节一定的温度（2）无机盐无机盐主要指细胞内存在的一些金属离了盐类。根据含有量的多少可以分成微量金属元素和（大量）金属元素.前如Zn、Ni、Co、Mo、Mn等后者如P、S、K、Mg、Na、Fe等。无机盐类在细胞中的主要作用是：1）构成细胞的组成成分，如H,PO,是DNA和RVA的重要组成成分。2）酶的组成成分，如蛋凹质和氨基酸的-SH。3）酶的激活剂，如Mg-、K-。4）维持适宜的渗透压、如Na、K、Cl5）自养型细菌的能源，如S、Fe"。（3）碳源凡是提供细胞组分或代谢产物中碳素来源的各种营养物质称之为碳源。它分有机碳源和无机碳源两种，前者包括各种糖类，蛋白质，脂肪，有机酸等等，后者主要指CO（CO？或HC（）。碳源的作用是提供细胞骨架和代谢物质中碳素的来源以及生命活动所需要的能量。碳源的不同是划分细菌营养类型的依据，详见后述。（4）氮源凡是提供细胞组分中氮素来源的各种物质称为氮源。氮源也可分为两类：有机氮源（如蛋白质，蛋白，氨基酸等）和无机氮源（如VHCI，NHNVO，等）。氮源的作用是提供细胞新陈代谢中所需的氮素合成材料。极端情况下（如饥饿状态），氮源也可为细胞提供生命活动所需的能量。这是氮源与碳源的很大不同。前已所述，细胞干物质中有机物的六大元素是C、H、O、N、P、S。除了C、H、O、N4种外，剩下的还有P和S。与碳源和氮源类似，凡是提供磷素或硫素的各种化合物分别称为磷源和硫源。磷源比较单一，主要是无机磷酸盐或偏磷酸盐。硫源则比较厂泛·从还原性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化态的SO化合物，都可以作为硫源。磷源和硫源的作用是分别提供细胞中核酸和蛋白质的合成原料。（5）生长因子某些细菌在含有上述介绍的碳源、氮源、磷源、硫源和无机盐类等组分的一般培养基中培养时，生长极差或不能进行生长。但当加入某种细胞或组织的提取液时生长较好。也就是说这些提取液中含有生长所必需的某种物质，因此，我们把某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时义是生长所必需的须由外界供给的营养物质，叫做“生长因子”。根据化学组分的不同，生长因子可分为3类：氨基酸类、嘌呤、嘧啶类、维生素类。上面介绍了细菌的一般细胞组分和营养要求。在实际应用中还应注意以下几方面问题：第一，不同的细菌，营养要求不同。第二，不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。第三，总体来说，细菌的代谢能力很强，可利用的化合物种类很广。以上所讲的水分、碳素养料、氮素养料、无机盐类和维生素等都是细菌等微生物所需要的，但不同的微生物对每一种营养元素需要的数量不是相同的，并且要求各种营养元素之间有一定的比例关系，主要是指碳氮的比例关系，通常称碳氮比。有人做过试验：根瘤14
菌要求碳氮比为11.5：1，固氮菌要求碳氮比为27.6：1，土壤中许多微生物在一起生活，综合要求的碳氮比约为25：1.废水生物处理中，微生物群体对营养物质也有一定的比例要求，详见第六章第五节。应该指出，细菌往往先利用现成的容易被吸收、利用的有机物质，如果这种现成的有机物质的量已满足它的要求，它就不利用其它的物质了。在工业废水生物处理中，常加生活污水以补充工业废水中某些营养物质的不足。但如工业废水中的各种成分已基本满足细菌的营养要求，则反而会把细菌养“娇”，因在一般情况下生活污水中的有机物比工业废水中的容易被细菌吸收利用，因而影响工业废水的净化程度。二、细菌的营养类型细菌种类繁多，各种细菌要求的营养物质不尽相同，自然界中的所有物质几乎都可以被这种或那种细菌所利用，甚至对一般机体有毒害的某些物质，如硫化氢、酚等，也是某些细菌的必需营养物。因此，细菌的营养类型是多种多样的。但就某一种细菌来说，它们对其必需的营养物有特定的要求。由于细菌种类不同，它们所需要的营养料也不一样。根据碳源的不同，细菌可分成白养型和异养型两大类。有的细菌营养要求简单，能在完全含无机物的环境中生长繁殖，这类细菌叫做自养菌（也称无机营养型细菌）。它们以二氧化碳或碳酸盐为碳索养料的来源（碳源），铵盐或硝酸盐作为氮素养料的来源（氮源），来合成菌体成分。它们生命活动所需的能量则来自无机物或来自阳光。有的细菌需要有机物质方能生长，这类细菌称为异养菌（或有机营养型细菌）。它们主要以有机碳化物，如碳水化合物、有机酸等，作为碳素养料的来源，并利用这类物质分解过程中所产生的能量作为进行生命活动所必需的能源。细菌的氮素养料则是无机的或有机的氮化物。在自然界中，绝大部分细菌都是异养菌。其它各种微生物，根据它们对于营养要求的不同，也可分属于自养和异养这两大类。根据生活所需能量来源的不同，细菌又分为光能营养和化能营养两类。结合碳源的不同，则一共有光能自养、化能自养、化能异养和光能异养四种营养类型。1.光能自养属于这一类的细菌都含有光合色素，能进行光合作用。例如：绿色细菌（Chlorodium）含有菌绿素（近似有色植物的叶绿素）能利用光能，从二氧化碳合成细胞所需的有机物质。但这种细菌进行光合作用时，除了需要光能以外，还要有硫化氢存在，它们在硫化氢中获得氢，而高等植物则是在水的光解中获得氢以还原二氧化碳。绿色细菌：光能CO,+2H,S+[CH,O] +H,O+S?(2-1)荫绿素高等绿色植物：光能CO2+H,O[CH,O] +O,(2-2)叶绿素式中[CH,O表示最初合成的有机碳化物。2.化能自养有些细菌，如硝化细菌、铁细菌、某些硫磺细菌等，能氧化一定的尤机化合物，利用其所产生的化学能，还原二氰化碳，合成有机碳化物，这-作用称为化学合成作用。例如：硝化细菌中的亚硝酸细菌可推进下列反应：15
2NH,+2O2→2HNO,+ 4 H+619.6kJ0(2-3)71.CO,+4HCH,OI +H,O(2-4)化能营养细菌的专性强，一-种细菌只能氨化某一种无机物质，如上述的亚硝酸细菌就只能氧化铵盐。自然界中化能营养细菌的分布较光能营养细菌普遍，对于自然界中氮、硫、铁等物质的转化具有重大的作用。3.化能异养大部分细菌都以这种营养类型生活和生长，利用有机物作为生长所需的碳源和能源。在异养细菌中，有很多从死的有机残体中获得养料而生活：仅少数生活在活的生物体中，前者称为腐生细菌，后者称为寄生细菌。腐生细菌在自然界的物质转化中起着决定性作用，而很多寄生细菌则是人和动植物的病原细菌。4.光能异养属于这一营养类型的细菌很少，如红螺菌中的一些细菌以这种方式生长。这种营养类型很特殊，它不能以（O)作为主要碳源或唯一碳源，但又利用有机物（如异内醇）作为供氢体，利用光能将CO，还原成细胞物质。一般来说，光能异养型细菌生长时大多需要生长因子。上面介绍的是细菌的四种基本营养类型。一种细菌通常以一种营养类型的方式生长。但有些细菌随着生长条件的改变，其营养类型也会由一种向另外一种改变。细菌的营养和营养类型的划分是研究细菌生长的一个重要方面。在应用细菌进行水和废水处理的过程中，应充分注意细菌的营养类型和营养需求，通过控制运行条件，尽可能地提供和满足细菌所需的各种营养物质，最大限度地培养细菌种类和数量，以期实现最佳的工艺处理效能福三、培养基1.培养基的概念和配制原则培养基是指人工配制的适合不同细菌生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。配制培养基过程中，应遵循以下儿个原则：（1）根据不同细菌的营养需要配制不同的培养基。通常，培养细菌采用牛肉肾蛋白膝培养基，放线菌采用高氏一号培养基，霉菌采用蔡氏培养基：酵母菌采用麦芽汁培养基。其配方可参见实验指导书的有关内容。（2）注意各种营养物质的浓度及配比.姐水处理中要注意进水中BD.：N：P的比值，好氧生物处理中对BOD)：：N：P要求般为100：5：1。（3）调节适宜的pH值。（4）考虑加生长因子。（5）培养基应物美价廉。2.培养基的分类培养基种类很多，组分和形态各异，应用很广。一般根据不同的考察角度可以作如下的具体分类：（1）物理状态依据物理状态的不同，培养基可分为固体、半固体和液体培养基兰人类。外观呈固体状的培养基叫固体培养基，一般是在液体培养基中加入2%左右的琼脂作01kcal（T）=4.1868kj（f做）16
对凝固剂。由大然固体状基质直接刷成的培基，如马铃薯片、大来、来糠、不俏、纤维等也属于这一类，固体培养基主要用于普通的细菌学研究，酿造或食用菌培养等。液体培养基指呈液体状态的培养基。这类培养基在细菌学研究及发酵工业中用途广泛。水处理中被处理的对象一废水也可有作是一种」义的液体培养基。介于固体和液体之间的是半固体培养基，它是液体培养基中加入0.5%1.0%的琼脂作凝固剂。其用途要是用作细菌运动特性的观察。（2）培养基组分根据化学组分的不同，培养基可以分成以下3类：大然培养基，合成培养基和半合成培养基。天然培养基是指利用动物、植物或细菌体或其提取液制成的培养基，其最大特点是培养基的确切化学组分不知道。这种培养基的优点是取材方便，营养丰富，种类多样，配制容易。缺点是组分不清楚，故配制的不同批次的培养基容易造成成分不稳定，对试验结果带来不利影响。合成培养基正好与此相反。它的特点是成分精确，重复性好、利于保持培差基组分的一致。其缺点是价格较，配制紧杂。往往多用于细菌的驾养、代谢、生理生化、遗传育种等等方面的研究。既含有天然组分又含有纯化学试剂的培养基叫做半合成培养基。如培养真菌的马铃薯加蔗糖培养基。半合成培养基的特性及价格介天然培养基和合成培养基两者之简。（3）培养基用途根据培养基用途的不同，培养基可分成以下3类：选择性培养基，鉴别培养基和加富培养基。选择性培养基是按照某种或某些细菌的特殊营养要求葡专门设计的培养基。其特点是可使分离样品中的细菌得到选择性的生长和分离，同时可使待分离的自的细菌由劣势菌变为优势菌，从而提高细菌的分离效果。例如欲分离降解纤维素的细菌可以设计只投加纤维素作为基质的选择性培养基培养，这样只有分解纤维素的细菌才能生长，藉此就很容易分离得到分解纤维素的细菌。鉴别培养基是根据对化学和物理因素的反应特性而设计的可藉助肉眼直接判断细菌的培养基。水处理中常用的伊红美蓝培养基（EosinMethyleneBlue，EMB培养基）就是典型的鉴别培养基。加富培养基是根据细菌的营养要求人为地强化投加多种营养物质，从而可大量促进细菌生长的培养基。这种培养基往往用于细菌等细菌分离前的富集。3.培养基的配制方法培养基的配制方法及过程大致如下：适量水分一→加入各营养组分、无机盐一加入凝固剂一→调节pH值-一→加入生长因子或指示剂等一-高压蒸汽灭菌一→冷却放置备用。一般最好现配现用。四、营养物质的吸收和运输由于细胞膜及其半渗透性的存在，各种营养物质并不能自由地透过和进出细菌细胞，它们必需通过特殊的吸收和运输途径才能进入到细胞内部参与生化代谢反应，因此，营养物质的吸收和运输是很重要的-个环节。概括地说，营养物质的吸收和运输主要有下述四种途径。1.被动扩散扩散是最简单的方式，也是细菌吸收水分及一些小分子有机物的运输方式。它的特点是物质的转运顺着浓度差进行，运输过程不需消耗能量，物质的分子结构不发生变化。水，气体和甘油等依靠这种方式进行吸收。但这种方式不是主要的吸收途径2.促进扩散、促进扩散的特点基本与被动扩散相似，但是它须藉助细胞膜上的--种17