细菌的生理与代谢

细菌在地球上是最古老、最成功的生命形式之一，已经在地球上生存了超过三十亿年。它们广泛分布于土壤、水体、空气、极端环境（如火山口、深海热泉、极地冰盖）以及各种生物体内外，不仅种类繁多，而且在生物圈中数量极其庞大。细菌能够通过多样化的生理与代谢机制，适应复杂多变的环境，从而在地球生态系统及人类社会中占据着无可替代的重要地位。

细菌的生理活动主要包括营养物质的摄取与转化、能量的获取与利用、细胞的生长与分裂，以及对逆境的适应和抗性形成。它们可以利用有机或无机物作为能量和碳源，甚至能够在无光、无氧等极端条件下生长繁殖。细菌的能量代谢途径丰富多样，包括有氧呼吸、无氧呼吸以及各种类型的发酵，不同种类的细菌在代谢路径和代谢产物上各具特色，这种代谢多样性不仅保证了细菌在自然界的普适性，也支撑了其在生态系统中的物质循环和能量流动作用。

理解细菌如何获取和利用养分、进行高效能量代谢，并调控自身的生长与繁殖，是基础微生物学的重要内容，也是应用微生物学、分子生物学、生物工程、生物制药、发酵工业以及环境保护等诸多领域的理论和技术基础。例如，乳酸菌和醋酸菌在人类食品发酵中的应用十分广泛，硝化细菌和反硝化细菌对于农田土壤氮素循环具有决定性影响，而某些产毒细菌则与临床感染和疾病防治密切相关。此外，细菌的耐药性、休眠与复苏机制、生物被膜的形成和生态竞争也都是当前研究的前沿与热点问题。

---

细菌的营养需求与营养类型

细菌的生存和繁殖依赖于从环境中摄取各种营养物质。这些营养物质按照需求量可以分为大量元素和微量元素两类。大量元素包括碳、氮、氢、氧、磷、硫等，它们是构成细胞的主要成分。碳元素占细菌干重的50%左右，是构成有机物的骨架；氮元素约占干重的12-15%，是蛋白质和核酸的重要组成部分；磷元素主要参与核酸、磷脂以及ATP等能量物质的构成；硫元素则是某些氨基酸和辅酶的组成成分。微量元素如铁、锰、钴、锌、铜等，虽然需求量很小，但在酶的催化反应中发挥着不可替代的作用。

根据细菌获取碳源和能量的方式不同，可以将细菌划分为不同的营养类型。这种分类方式反映了细菌在长期进化过程中形成的多样化生存策略。下表总结了细菌的主要营养类型及其特征：

化能异养型细菌是自然界中分布最广、数量最多的类型，它们通过分解动植物残体和各种有机废物获取能量，在物质循环中扮演着分解者的角色。以大肠杆菌为例，这种常见的肠道细菌能够利用葡萄糖、乳糖等多种糖类作为碳源和能源，通过呼吸作用或发酵作用获取能量。在有氧条件下，大肠杆菌优先进行有氧呼吸，将葡萄糖彻底氧化为二氧化碳和水，产生大量ATP；而在缺氧环境中，它则转向发酵途径，虽然产能效率较低，但能够在氧气缺乏的肠道环境中存活。

化能自养型细菌展现了生命获取能量的另一种独特方式。硝化细菌是土壤中重要的化能自养菌，它们通过氧化氨或亚硝酸盐获取能量，同时利用这些能量固定二氧化碳合成有机物。例如，亚硝化单胞菌属的细菌能够将氨氧化为亚硝酸盐，而硝化杆菌属的细菌则进一步将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。这一过程不仅为硝化细菌自身提供了能量，还在农业生态系统中具有重要意义。我国农田土壤中的硝化细菌活性直接影响着氮肥的转化效率和作物的氮素吸收。研究表明，当土壤温度在25-30℃、pH值在7.0-8.0之间、水分适中时，硝化作用最为活跃，这也为科学施肥提供了理论依据。

光合细菌则代表了一类古老的光能利用者。蓝细菌（过去称为蓝藻）是地球上最早进行产氧光合作用的生物，它们在距今约27亿年前就开始向大气中释放氧气，为后来复杂生命的出现创造了条件。现代蓝细菌广泛分布于海洋、淡水、土壤甚至温泉等极端环境中。我国云南抚仙湖、滇池等高原湖泊中生长的螺旋藻就是一种蓝细菌，它含有丰富的蛋白质、维生素和矿物质，被开发为营养保健品。紫硫细菌则是另一类光合细菌，它们在缺氧且含硫化氢的水体中生长，利用硫化氢作为电子供体进行不产氧的光合作用，将硫化氢氧化为硫或硫酸盐，同时固定二氧化碳。

---

细菌的能量代谢途径

细菌获取能量的方式主要包括呼吸作用和发酵作用两大类。这两种代谢途径在能量转换效率、最终产物以及对氧气的依赖程度上存在显著差异，但都遵循着生物氧化的基本原理，即通过逐步氧化有机物释放能量，并将能量储存在ATP等高能化合物中。

有氧呼吸是细菌获取能量最有效的方式。这一过程可以分为三个阶段：糖酵解、三羧酸循环（又称克雷布斯循环）和电子传递链。在糖酵解阶段，一分子葡萄糖在细胞质中被分解为两分子丙酮酸，同时产生少量ATP和还原型辅酶NADH。丙酮酸随后进入三羧酸循环，经过一系列氧化脱羧反应，最终被完全氧化为二氧化碳，同时产生大量NADH和FADH₂。这些还原型辅酶携带的电子进入位于细胞膜上的电子传递链，电子沿着一系列电子载体传递，最终交给氧分子，形成水。在电子传递过程中，质子被泵出细胞膜，形成跨膜质子梯度，这一梯度驱动ATP合酶合成ATP。一分子葡萄糖经过完全有氧呼吸可产生约38个ATP分子，能量转换效率高达40%左右。

以大肠杆菌的有氧呼吸为例，当培养基中氧气充足时，大肠杆菌主要通过有氧呼吸获取能量。实验数据显示，在最适生长条件下（37℃，pH 7.0，充足通气），大肠杆菌的细胞得率（单位质量基质产生的菌体量）可达0.5克干菌体/克葡萄糖，这一数值远高于发酵条件下的产量。这是因为有氧呼吸产生的充足能量不仅维持了细胞的基本代谢，还为生物合成提供了丰富的前体物质和能量，使细胞能够快速增殖。

无氧呼吸是某些细菌在缺氧环境中采用的能量获取方式。与有氧呼吸不同，无氧呼吸使用硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐或某些有机物作为最终电子受体。反硝化细菌在缺氧条件下利用硝酸盐进行呼吸，将硝酸盐还原为亚硝酸盐，进而还原为氮气。这一过程在农田土壤中普遍发生，导致氮肥损失。我国长江中下游地区的水稻田由于长期淹水，土壤处于厌氧状态，反硝化作用较为强烈，氮肥利用率通常只有30-35%。为了减少氮肥损失，农业生产中常采用分次施肥、使用硝化抑制剂等措施。硫酸盐还原菌则利用硫酸盐作为电子受体，将其还原为硫化氢。这类细菌在海洋沉积物、石油储层、污水处理系统中大量存在，它们产生的硫化氢不仅造成金属腐蚀、环境污染，也是某些工业过程中需要控制的有害物质。

发酵作用是细菌在无氧条件下获取能量的另一种重要方式。与呼吸作用不同，发酵不需要外源电子受体，有机物的氧化产物同时也是电子受体。发酵过程只包括糖酵解阶段，产能效率远低于呼吸作用，一分子葡萄糖发酵仅产生2个ATP。但发酵的优势在于不依赖氧气，使细菌能够在严格厌氧环境中生存，而且发酵产物具有重要的经济价值。

不同细菌的发酵类型产生不同的终产物，这种差异是鉴定细菌和工业应用的重要依据。乳酸发酵是最简单的发酵类型，乳酸菌将葡萄糖转化为乳酸，这一过程被广泛应用于酸奶、泡菜、酸菜等发酵食品的生产。我国传统的四川泡菜、东北酸菜都是利用乳酸菌发酵制作而成，乳酸的积累降低了pH值，抑制了腐败菌的生长，延长了食品保存期。混合酸发酵是大肠杆菌等肠杆菌科细菌的特征性代谢方式，产物包括乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸等多种有机酸，以及氢气和二氧化碳。丁酸发酵由梭菌属细菌进行，主要产物为丁酸、丙酮、丁醇等，这一发酵类型在历史上曾用于生产丙酮和丁醇。20世纪初，英国化学家魏茨曼发现丙酮丁醇梭菌能够发酵淀粉生产丙酮和丁醇，这一技术在第一次世界大战期间被用于生产制造炸药所需的丙酮，后来随着石油化工的发展而逐渐被化学合成法取代。

下面的图表展示了不同代谢途径下ATP产量的比较：

从图中可以清晰看出，有氧呼吸的能量转换效率远高于其他代谢途径，这解释了为什么大多数生物在有氧环境中生长更快、代谢更旺盛。但发酵和无氧呼吸的存在使细菌能够占据各种缺氧生态位，展现了生命适应环境的灵活性。

---

细菌的生长与繁殖规律

细菌主要通过二分裂的方式进行无性繁殖。在适宜的环境条件下，一个细菌细胞先进行DNA复制，然后细胞伸长，在中央形成横隔，最终分裂为两个大小、形态相同的子细胞。整个过程通常只需要20-30分钟，这种快速繁殖能力使细菌能够在短时间内形成庞大的种群。不同细菌的分裂时间存在差异，与其代谢类型、环境条件密切相关。大肠杆菌在最适条件下每20分钟分裂一次，24小时理论上可以产生2⁷²个子代细胞，若排成一列可绕地球数圈。当然，实际环境中由于营养限制、代谢废物积累等因素，细菌不可能无限增殖。

细菌的分裂速度可用代时（又称倍增时间）来表示，即细菌数量增加一倍所需的时间。代时长短反映了细菌的生长速率，也是评价培养条件是否适宜的重要指标。在实验室纯培养条件下，通过调节培养基成分、温度、pH值、溶氧水平等参数，可以使细菌达到最短代时。然而，自然环境中的细菌往往处于营养匮乏、温度波动、竞争激烈的状态，代时可能延长至数小时甚至数天。土壤中的一些自养细菌，如硝化细菌，其代时可达10-20小时，这也是为什么土壤中硝化作用相对缓慢的原因。

细菌的生长速率还受到环境温度的显著影响。根据最适生长温度，细菌可分为嗜冷菌、嗜温菌和嗜热菌三大类。嗜冷菌最适生长温度在15-20℃，广泛分布于极地、深海、冰川等低温环境，某些嗜冷菌甚至能在-10℃的冰层中缓慢生长。嗜温菌最适温度在25-40℃，包括大多数病原菌和常见的腐生菌，人体病原菌大多是嗜温菌，其最适生长温度接近人体温度37℃。嗜热菌最适温度在45-80℃甚至更高，主要分布于温泉、热矿、堆肥等高温环境。我国西藏、云南等地的高温温泉中生活着多种嗜热菌，科研人员从云南腾冲热海温泉（水温可达96℃）中分离出的嗜热菌，其某些酶在高温下仍保持活性，具有重要的工业应用价值，如PCR技术中使用的Taq DNA聚合酶就来自嗜热栖热菌。

---

生长曲线与影响因素

将细菌接种到新鲜的液体培养基中，在恒定的环境条件下培养，定期测定培养液中的细菌数量，以时间为横坐标、细菌数量的对数为纵坐标作图，得到的曲线称为细菌生长曲线。典型的生长曲线呈“S”形，包括迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期四个阶段，每个阶段的生理特征和实际应用意义各不相同。

迟缓期是细菌接种到新环境后的适应阶段。此时细菌并未立即开始分裂，而是积极合成适应新环境所需的酶和其他生物大分子。迟缓期的长短与接种物的生理状态、新旧培养基的差异程度有关。若用对数期的年轻细胞接种到相同类型的新鲜培养基中，迟缓期可能只有几十分钟；但若用衰老细胞接种，或者培养基类型差异较大（如从葡萄糖培养基转入乳糖培养基），细菌需要诱导合成新的代谢酶系，迟缓期就会延长。在工业发酵中，为了缩短迟缓期，通常采用多级扩大培养的方式，确保接种物处于对数期，且每一级的培养基组成保持一致。

对数期是细菌生长最旺盛的阶段。细胞分裂速率达到最大且保持恒定，细菌数量呈指数增长，代谢活性最强，形态和生理特性最为典型。这一时期细菌对不良环境的抵抗力较弱，容易被抗生素等抑菌物质杀灭，因此临床上使用抗生素治疗细菌感染时，药物在对数期的细菌最为敏感。在工业生产中，对数期的细菌常被用作种子，以获得最佳的接种效果。此外，某些代谢产物如初级代谢产物（氨基酸、核苷酸、维生素等）的合成主要发生在对数期，因为这些物质是细胞生长所必需的。

稳定期是细菌生长达到平衡的阶段。此时新增细菌数与死亡细菌数大致相等，总菌数维持在一个相对稳定的水平。稳定期的出现可能是由于营养物质耗尽、有害代谢产物积累、pH值变化、溶氧不足等多种因素造成的。在这一时期，细菌的生理状态发生显著变化，许多次级代谢产物如抗生素、色素、毒素等开始大量积累。次级代谢产物与细胞生长没有直接关系，但对细菌的生存竞争具有重要意义。例如，青霉菌产生的青霉素能够抑制周围细菌的生长，为自己争取生存空间。工业上生产抗生素时，正是利用了细菌在稳定期大量合成次级代谢产物的特性，通过延长稳定期来提高产量。

衰亡期是细菌开始大量死亡的阶段。此时营养枯竭，有毒物质积累，细菌的死亡速率超过新生速率，活菌数持续下降。衰亡期的细菌形态发生变化，可能出现畸形、变大或变小的现象，细胞壁可能部分溶解，内含物外泄。有些细菌在衰亡期会产生芽孢以度过不良环境。芽孢是细菌在恶劣环境中形成的休眠结构，具有极强的抗热、抗辐射、抗化学药物的能力，可以存活数十年甚至更长时间。炭疽芽孢杆菌形成的芽孢是自然界中最顽强的生命形式之一，这也是炭疽病难以根除的原因。

下面的图表展示了典型的细菌生长曲线：

从生长曲线可以看出，细菌的生长遵循着明确的规律，这为发酵工艺的优化提供了理论依据。通过控制培养条件，可以延长对数期或稳定期，从而提高菌体产量或目标产物的产量。

影响细菌生长的环境因素众多，主要包括营养、温度、pH值、溶氧、渗透压等。营养因素中，碳源是影响生长的关键，不同细菌对碳源的利用能力不同。葡萄糖是最容易被利用的碳源，大多数异养菌都能利用；而纤维素、木质素等复杂碳源只能被少数专性细菌降解。氮源同样重要，铵盐、硝酸盐、蛋白胨等都可作为氮源，固氮细菌甚至能直接利用空气中的氮气。在实际应用中，需要根据菌种特性选择合适的碳氮源，并调节碳氮比例以获得最佳生长效果。

pH值对细菌生长的影响主要体现在对酶活性和细胞膜透性的影响上。大多数细菌适宜在中性或弱碱性环境中生长（pH 6.5-7.5），但也有一些细菌适应了极端pH环境。乳酸菌能在pH 3.5-4.5的酸性环境中生长，这使得它们在发酵过程中逐渐占据优势，抑制其他杂菌。硫杆菌属的某些菌种能够耐受pH 1-2的强酸环境，它们氧化硫产生硫酸，生活在酸性矿山废水中。碱性湖泊中则生活着嗜碱菌，某些种类能在pH 10以上的环境中繁殖。我国内蒙古、青海等地的盐碱湖中就存在多种嗜碱菌。

溶氧对不同类型细菌的影响截然不同。根据对氧气的需求，细菌可分为专性需氧菌、微需氧菌、兼性厌氧菌、专性厌氧菌等类型。专性需氧菌如结核分枝杆菌、假单胞菌等，必须在有氧条件下生长，它们的能量代谢依赖于有氧呼吸。微需氧菌如幽门螺杆菌，只需要低浓度氧气（2-10%），过高或过低的氧浓度都会抑制其生长。兼性厌氧菌如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，既能在有氧条件下进行有氧呼吸，也能在无氧条件下进行发酵或无氧呼吸，具有很强的环境适应能力。专性厌氧菌如破伤风梭菌、产气荚膜梭菌，不能耐受氧气，氧气对其有毒害作用，它们只能在严格无氧环境中生存。这种差异源于细菌对氧气代谢产物的解毒能力不同。有氧呼吸过程中会产生超氧阴离子（O₂⁻）和过氧化氢（H₂O₂）等有害物质，需氧菌和兼性厌氧菌含有超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶，能够将这些有害物质转化为无害的水和氧气；而专性厌氧菌缺乏这些酶，无法解除氧的毒害。

下图展示了不同溶氧水平对大肠杆菌生长速率的影响：

从图中可以看出，随着溶氧浓度的提高，大肠杆菌的生长速率逐渐增大，但在达到一定浓度后增长趋于平缓，说明溶氧不再是限制因素。在发酵工程中，通过控制通气量和搅拌速度来调节溶氧水平，是提高发酵效率的重要手段。

---

细菌代谢产物的应用价值

细菌在代谢过程中产生的各种物质具有广泛的应用价值，可分为初级代谢产物和次级代谢产物两大类。初级代谢产物是细菌生长繁殖所必需的物质，包括氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸等，这些物质的合成与细胞生长密切相关，主要在对数期产生。次级代谢产物是非生长必需的物质，如抗生素、色素、毒素等，通常在稳定期大量积累，对细菌的生存竞争和环境适应有重要意义。

氨基酸是重要的初级代谢产物，广泛应用于食品、医药、饲料等领域。谷氨酸是世界产量最大的氨基酸，主要通过谷氨酸棒杆菌发酵生产。谷氨酸的钠盐即味精，是我国首创的调味品。1909年，日本学者池田菊苗从海带中提取谷氨酸并发现其鲜味，随后开始工业化生产。我国在20世纪60年代突破了谷氨酸发酵技术，采用生物素缺陷型菌株，通过控制生物素含量来调控细胞膜的通透性，促进谷氨酸分泌到胞外。目前我国已成为世界最大的谷氨酸生产国，年产量超过200万吨，占全球产量的60%以上。赖氨酸是人体必需氨基酸，主要用作饲料添加剂，通过短杆菌属或棒杆菌属的发酵生产。苏氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等氨基酸也都实现了工业化生产。

有机酸是另一类重要的初级代谢产物。柠檬酸由黑曲霉发酵生产，广泛用于食品、饮料、医药等行业。我国是柠檬酸生产大国，年产量超过100万吨，出口量占全球贸易量的70%以上。乳酸由乳酸菌发酵生产，可用于食品酸化剂、化妆品添加剂，聚乳酸还是一种可降解的生物塑料。醋酸由醋酸菌有氧发酵产生，是食醋的主要成分，我国的山西老陈醋、镇江香醋等名醋都是利用醋酸菌发酵酿制而成。丁二酸（琥珀酸）是一种重要的化工原料，传统上由石油化工生产，近年来利用产琥珀酸厌氧菌的发酵法生产受到重视，因为生物法更加环保且可利用可再生资源。

维生素也是细菌代谢的重要产物。维生素B₁₂（钴胺素）是结构最复杂的维生素，只能由某些细菌和古菌合成，目前工业上主要通过丙酸杆菌或假单胞菌的发酵生产。维生素B₂（核黄素）可由埃希氏菌属细菌发酵生产，也可通过基因工程菌株高产。维生素C虽然可以化学合成，但二步发酵法（先由葡萄糖转化为山梨醇，再由山梨醇转化为酮基古洛糖酸）中的第二步需要氧化葡萄糖酸杆菌的参与，这一方法是目前维生素C工业生产的主流工艺。

次级代谢产物中最重要的是抗生素。抗生素是微生物在生长过程中产生的能够抑制或杀死其他微生物的化学物质。1928年，英国细菌学家弗莱明偶然发现青霉菌分泌的物质能够杀死葡萄球菌，这就是青霉素，人类从此进入了抗生素时代。青霉素的发现和应用使无数传染病患者得以康复，被誉为20世纪最伟大的医学发现之一。随后，链霉素、四环素、氯霉素、红霉素等大量抗生素相继被发现并应用于临床，大大降低了传染病的死亡率。目前已发现的抗生素超过10000种，其中100多种实现了工业化生产。中国是抗生素生产大国，青霉素、头孢菌素等产品产量居世界前列。

下表总结了主要细菌代谢产物及其应用领域：

近年来，随着基因工程和合成生物学技术的发展，科学家通过改造细菌的代谢途径，创造出了能够生产非天然产物的工程菌株。例如，通过在大肠杆菌中导入植物青蒿素合成途径的关键酶基因，实现了用酵母或细菌发酵生产青蒿酸（青蒿素的前体），为抗疟药物青蒿素的生产开辟了新途径。利用代谢工程改造的大肠杆菌还能生产生物柴油的前体物质脂肪酸乙酯、生物塑料单体1,3-丙二醇等，这些技术展现了用细菌作为“细胞工厂”生产化工产品的巨大潜力。

---

小结

细菌通过多样化的营养类型适应不同的生态环境，包括光能自养、光能异养、化能自养和化能异养四种基本类型。细菌获取能量的主要途径是呼吸作用和发酵作用，有氧呼吸是最高效的能量获取方式，而发酵和无氧呼吸使细菌能够在缺氧环境中生存。细菌以二分裂方式快速繁殖，其生长过程遵循迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期的典型规律，生长受营养、温度、pH值、溶氧等多种环境因素的影响。细菌代谢产生的氨基酸、有机酸、维生素、抗生素等物质具有重要的应用价值，在食品、医药、化工等领域发挥着不可替代的作用。理解细菌的生理代谢规律，不仅是微生物学的核心内容，也是工业发酵、环境治理、疾病防控等实践应用的理论基础。

---

本节练习

1. 关于细菌营养类型的描述，下列哪项是正确的？

A. 光能自养型细菌是自然界中数量最多的

B. 化能自养型细菌分布最广

C. 化能异养型细菌是自然界中数量最多、分布最广的类型

D. 光能异养型细菌在陆地生态系统最常见

2. 大肠杆菌在有氧和无氧条件下都能生长，这种细菌属于：

A. 专性需氧菌

B. 微需氧菌

C. 兼性厌氧菌

D. 专性厌氧菌

3. 在细菌生长曲线中，细菌代谢最旺盛、最适合作为种子接种的时期是：

A. 迟缓期

B. 对数期

C. 稳定期

D. 衰亡期

4. 谷氨酸发酵生产味精时，采用的菌种是：

A. 乳酸菌

B. 谷氨酸棒杆菌

C. 黑曲霉

D. 短杆菌

5. 下列哪种代谢途径产生的ATP数量最多？

A. 有氧呼吸

B. 无氧呼吸

C. 发酵

D. 光合作用

6. 请解释为什么工业发酵生产抗生素时，要在稳定期收获而不是在对数期收获？

7. 根据本内容所学知识，分析为什么低温冷藏能够延长食品保存期，但不能完全防止食品变质？