微生物生理学
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第938页（9340字）
微生物学重要分支学科，它研究各种类型微生物的形态、结构与功能，营养、生长与分化，以及新陈代谢的各种活动。
在自然环境中，微生物相互之间、与动植物细胞之间以及与自然环境的相互作用，也应归属于微生物生理学的范畴。
微生物生理学主要内容
1．形态、结构与功能(morphology，structure，function)：应用光学显微镜和电子显微镜研究各种类型微生物营养细胞、孢子和子实体的形态，细胞器的结构与功能等。
2．营养要求、营养料吸收(nutritional requiirements，uptake of nutrients)：不同类群微生物的营养要求是极不相同的。
营养物质包括生命活动必需的10种主要元素和微量元素，具体则是碳源、氮源、能源和辅助营养物质，如维生素、金属离子等。
营养物料如何进入细胞是重要的生理问题。已知的吸收机制约有四种形式，即简单扩散、促进扩散、主动运输和基团移位。
按氧对微生物的关系而言，微生物可分为三种类型：专性好氧菌，有氧才能生长；专性厌氧菌，只有在无氧条件下才能生长；兼性厌氧菌，在有氧或无氧时均能生长。兼性厌氧菌又可分为两种类型，如乳酸杆菌，在有氧时能生长，但不能利用氧，而是耐氧的；另一种兼性厌氧菌如大肠杆菌和酵母菌，有氧时进行有氧呼吸，无氧时进行发酵，均可生活。氢离子浓度、二氧化碳等也都影响微生物的生长。营养料必须吸收，而代谢产物如二氧化碳、有机酸等，则须排出。与吸收机制相比，对代谢产物分泌了解却很少。
3．生长与分化(growth，differentiation)：生长生理学包括分批培养的不同生长时期(延滞期、指数期、稳定期与衰亡期)，指数生长时期的世代时间、倍增时间，最大浓度和生物量得率，连续培养(如恒化器)中不同稀释度与细胞浓度、基质浓度、倍增时间和细胞产量的关系等。
这些生长生理学知识既是微生物的特征，也是应用微生物学的基础。除营养料之外物理因素也影响微生物生长。各种微生物对生长所需温度各不相同，常温菌如酵母菌，在20～42℃生长最快。耐热菌在50℃以上生长最好。另外还有如海洋细菌，在20℃以下生长最适。微生物细胞的分化，是指从营养菌体产生不同的形态类型的营养菌体，如一种营养菌体分化为另一种形态类型的营养菌体或特殊的细胞类型(内生孢子、外生孢子)。微生物的分化给细胞的结构与功能带来了变化。较常见的营养菌体的分化实例，如节杆菌的球－杆形态转变，酵母菌和毛霉菌分化两型性，芽孢杆菌的孢子形成，酵母菌子囊孢子的形成，柄杆菌游动细胞与柄细胞的变化，放线菌的基质菌丝、气生菌丝和孢子，蓝细菌以及粘细菌的复杂菌体分化等。
真菌营养菌体形态变化方式繁多，分类学研究都根据营养菌体和子实体形态结构等进行分类。
4．碳的新陈代谢与能量代谢基本机制(mechanisms of carbon and energy metabolism)：营养物质在细胞中的转化作用即新陈代谢，可简单分为3个阶段。营养物质如葡萄糖、长链脂肪或长链烷烃首先被降解为小分子(分解代谢)，然后经中间代谢反应转化为氨基酸、长链脂肪酸、单糖、嘧啶和嘌呤碱、磷脂等，这些低分子化合物即成为细胞的结构单元。作为细胞组分的大分子如核酸、蛋白质、细胞壁、细胞膜，就是由这些结构单元聚合而成，大分子物质装配成为细胞器，最后成为细胞。
营养物质的第一功能就是合成细胞，另一功能是提供细胞活动所需要的能量。(1)碳的代谢。地球上最丰富的有机物质是纤维素、淀粉等糖类物质，所以自然界生存的微生物所赖以生存的也主要是糖类。有关糖类酵解途径知之较详，计有已糖二磷酸途径EMP、已糖单磷酸途径HMP和磷酸酮糖途径ED。
磷酸酮糖途径又分为磷酸戊酮糖途径与磷酸已酮糖途径，仅为少数细菌所有，如异型乳酸发酵乳酸杆菌、双叉乳杆菌和双歧杆菌。以上5个途径均有各自的关键酶，可作为鉴定一个途径存在的特征反应。
EMP、HMP和ED途径广泛分布于各种微生物中，是糖的主要利用途径。在肠道菌(兼性厌氧菌)中糖代谢主要通过前两个途径，而在假单孢菌中则利用ED途径。
两个途径共存时各自所占有的比例因培养条件影响而改变。
(2)三羧酸循环是比较普遍存在于微生物的代谢途径。
三羧酸循环的作用是通过脱氢将二碳化合物氧化为二氧化碳，参与反应的三种脱氢酶将氢传递到呼吸链，最后传递给氧，在这过程中有ATP形成，这是微生物取得可供利用的能量的主要途径。三羧酸循环不仅起到营养物末端氧化反应获得能量的作用，而且还有产生生物合成前体α－酮戊二酸，草酰乙酸，琥珀酸的功能，用于合成氨基酸等。
(3)呼吸链和电子传递过程中的磷酸化。细胞活动所需要的能量主要为ATP。大多数厌氧微生物仅能通过底物水平磷酸化产生ATP，而呼吸型微生物则通过呼吸链上的ATP合成酶产生ATP。
呼吸链(电子传递链)和ATP合成酶都位于原核生物的细胞膜和真核细胞线粒体内膜上。
有关呼吸链组成与结构，氧化酶催化机制，质子传递都已基本了解。(4)微生物的特殊发酵。
细胞的一切生理活动需要的ATP，可由3种方式产生，即呼吸作用、光合作用和发酵作用。其中发酵作用合成ATP最为简单。发酵作用的特点是有机物的降解产物既作为氢供体，又作为氢受体，被氧化的有机物最终以二氧化碳形式从细胞中释放，同时有ATP产生。常见的发酵产物有乙醇、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸、丁醇、丙酮等，其中多种是重要工业产物。(5)无氧条件下的电子传递。在有氧条件下，微生物以氧为底物，逐步脱氢反应的氢(电子)，最后传给氧，同时获得较多ATP。
在厌氧条件下则进行发酵，如上所述，形成二氧化碳和有机酸或中性有机产物以及少量的ATP。但一些微生物在厌氧条件下以硝酸、硫酸、硫、二氧化碳为氢受体，这类物质的作用如同氧一样，所以叫作“硝酸呼吸”、“硫酸呼吸”、“碳酸呼吸”等等。
5．生物固氮、氮代谢(biological nitrogen fixation，nitrogen metabolism)：微生物对自然界氮循环是十分重要的，缺少微生物的参与，自然界氮循环就不可能运转，高等生物也就不可能存在。氮循环包括大气中的氮的固定。据最近的估计，全球固氮量为175×106t，其中生物固氮为90×106t。生物中，原核生物是唯一能固定大气中氮分子的生物，其中有自生固氮与共生固氮之分。
(1)共生固氮作用。在很久以前就受到人们的注意。
根瘤菌属细菌能在豆科植物根部形成根瘤，是共生固氮的场所。
这些细菌按宿主专一性及其他特征可划分为不同的种，如豌豆根瘤菌、苜宿根瘤菌、三叶草根瘤菌、大豆根瘤菌等。不属于豆科植物的多种高等植物也具有能固氮的根瘤，这种固氮也是由于与原核生物放线菌费兰克氏菌属(Frankia spp)菌类共生所致，其中最有效的固氮植物有木麻黄、桤木、胡颓子、沙棘等。蓝细菌也能与高等植物共生固氮。
(2)自生细菌和兰细菌的固氮作用。较早为人所知的自生固氮细菌有梭菌属的和固氮菌属的菌类。后来用同位素(15N)证明，多种细菌具有固氮能力，如厌氧光合细菌、蓝细菌、肺炎克氏菌和硫酸还原细菌等。(3)固氮酶(nif基因)的生化学和基因转移。
通过对固氮酶的研究，人们认识到来源不同，所有的固氮酶对氧都是十分敏感的。显然，在好氧生活的固氮菌和固氮螺菌必须具备维持胞内低浓度氧的机制。
肺炎克氏杆菌的nif基因已证明是染色体的一个基因簇，共有19个基因，编码两个蛋白：MoFe蛋白和Fe蛋白。MoFe蛋白由两种亚基组成(a2β2)，另外还有一个MoFe辅因子，由6个基因编码共合成。Fe蛋白由两个相同基因编码的多肽组成，但须经过另一个基因编码的产物加以修饰，才成为有活力的Fe蛋白。将氮分子还原为两个分子的氨需要6H+。
在肺炎克氏杆菌活体中，H+来自丙酮酸，经黄酶，Fe蛋白，Mo Fe蛋白，H+才传递给分子氮，从而产生氨。应指出的是固氮酶反应所需要的量是巨大的。
固氮菌的两个固氮酶与克氏杆菌相似。另外，固氮菌尚有一种不含钼(Mo)而含钒(v)的固氮酶。有关固氮酶的调节，已积累大量资料。许多细菌只有在缺少可利用的氮源时才合成固氮酶。
铵离子阻遏固氮酶的合成。有些细菌中，即使存在固氮酶，但它的活力也受到铵离子的抑制。但是，固氮作用除固氮酶复合物外，尚需要铁硫蛋白和保护固氮酶不受氧钝化作用的系统。
氨和硝酸等无机氮化合物在土壤中经历着多种化学变化，主要是氨的亚硝化和硝化作用，统称硝化作用，其次是反硝化作用，产生氧化氮和氮气。(1)氨的同化。据研究得知氨只能同化到少数几种氨基酸中，然后再由这种氨基酸作为氨基供体，将氨基转移给酮酸前体，以形成相应的氨基酸。
具体地说，氨同化作用的途径是先合成谷氨酸(或谷氨酰胺)、丙氨酸和天门冬氨酸，然后由这几种氨基酸作为氨基供体，合成其它氨基酸。(2)氨基酸的合成。
氨同产生的谷氨酸和天门冬氨酸分别是合成谷氨酸族氨基酸与天门冬氨酸族氨基酸的前体。丝氨酸－甘氨酸族来自糖代谢的丙糖中间物，而芳香族氨基酸则来自戊糖中间物。这些合成的生化学和调节机制已十分明了。
自20世纪60年代末期谷氨酸(味精)发酵开始，到目前为止已有10多种氨基酸是应用微生物发酵生产的。
多种微生物，如产氨短杆菌等。经过诱变育种，近年采用基因工程，其氨基酸产量已有较大幅度提高，形成巨大的工业。
(3)嘌呤、嘧碇的代谢。嘌呤和嘧啶是生物体核酸的主要组成成分。
最常见的嘌呤是腺嘌呤和鸟嘌呤，存在于DNA和RNA中。最常见的嘧碇是尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶，胸腺嘧啶主要存在于DNA中，尿嘧啶主要存在于RNA中。
嘌呤生物合成途径已比较清楚。它是从5－磷酸核糖焦磷酸开始，经一系列酶促反应生成次黄嘌呤核苷酸，再由次黄嘌呤核苷酸转化为其它嘌呤核苷酸。
嘧啶核苷酸是从氨甲酸与天门冬氨酸开始，经过一系列酶反应而合成为尿苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。
脱氧核糖核苷酸是组成DNA的单体，由腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸和胞嘧啶核苷酸经过4种蛋白的作用，还原成为相应脱氧核苷酸。
6．自养微生物、甲基营养菌(autotrophs，methylotrophs)：(1)按照获得能量和合成细胞组的碳源，微生物可分为两大类群——自养微生物和异养微生物。
自养微生物是一类能够在完全无机环境中生长的微生物，从利用光能或从氧化简单无机物获得能量，利用二氧化碳作为碳源进行生长，显然这一类群是具有特殊合成能力的微生物。
相反的，异养微生物(heterotrophs)则须有有机化合物作为生长的能源和碳源。微生物界中异养微生物是占绝大多数的。
自养微生物为数虽较少，但由于它们的特殊生物合成能力，在进化过程中占有特殊地位。自养微生物可根据所利用的能源划分为化能无机营养菌和光能无机营养菌。化能无机营养菌又称化能自养菌，能够在黑暗条件下以二氧化碳为碳源，从无机物的氧化作用中获得能量(ATP)和还原力(NADH、NADPH)。
它们所能氧化的无机物有氨和亚硝酸，硫化氢及其它还原态硫化物，分子氢及亚铁离子(Fe)。根据所氧化的无机物，它们分别称为硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌。光能无机营养菌(光合细菌)具有光合色素即叶绿素、类胡萝卜素和藻胆蛋白，可以像绿色植物那样进行光合作用而生活。
根据它们所含有的光合色素，大致可分为绿色细菌、紫色细菌和蓝细菌。(2)甲基营养菌。它是能利用－碳甲基化合物作为能源和碳源生长的细菌。甲基化合物指甲烷、甲醇、甲酸和甲胺〔CH3NH2，(CH3)2NH，(CH3)3N〕等。
各国对甲基营养菌感到兴趣的主要原因是这类细菌能够将自然界丰富的一碳化合物变为单细胞蛋白(SCP)。它的代谢也有特别之处，从一碳构建碳链是它们共同的基本反应。一碳甲基化合物是有机物，所以甲基营养菌属于化能异养菌，可是这群细菌的许多生理特征与自养菌有相似之处，特别是它们都属于原核生物，细胞具有复杂的内膜系统等，所以也列入自养菌。自然界有许多甲基营养菌，其中甲烷利用菌是甲基营养的主要类群。甲基营养菌的甲烷氧化是经过甲醇、甲醛、甲酸到二氧化碳。碳的同化途径知之颇详，计有丝氨酸一异柠檬酸裂解途径和单磷酸核酮糖途径。
7．细菌的运动、趋化性(movement，chemotaxis)：微生物运动和趋化性也是重要生理性状，已引起人们的注意，有关研究已很细致。
细菌的运动有两种主要形式，即游动和滑动。
多种细菌，如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌等能够游动，运动的细胞器为鞭毛，对鞭毛的结构、组分等都已有详尽研究。滑动细菌在基质上进行移动，但不能在液体中游泳。趋化性是普遍的行为，近年来有关肠道细菌、新月杆菌等的趋化性现象已在分子水平加以研究，这些细菌对一个化学物质的反应决定于鞭毛平滑游动或翻腾，从而导致细菌向吸引物游动或者对驱逐物避开。
新月杆菌的趋化反应在于极鞭毛的转动方向，鞭毛顺时针方向转动时菌体向前泳动，反时针方向转动则向后泳动。
今后的研究热点 从分子水平研究和认识微生物生理学诸多规律将起到主导作用。其次，在生物技术领域，特殊类型的微生物的酶及其产物的生理学问题会受到重视。
因此，在今后10～20年微生物生理学研究的主流可以预见如下：
1．生理性状的调控－整体性调控：当代代谢途径研究已在酶水平上进行了大量工作，调控机制已都明确，计有诱导、反馈抑制、分解物阻遏等，深一步的研究则集中在关键酶的基因表达的调控，以及不同途径之间形成的整体性调控。例如，细菌对环境营养料限量做出的反应，都属于这一种类型，明显的例子是无机磷和氮的限量。又如兼性厌氧菌如大肠杆菌对氧限量的适应性反应，关键的是两个转录调节子ArcA和FNR，它们控制了对氧限量做出反应的基因网络的表达。
上述对环境刺激所做出的响答信号的传导已证明是由一对蛋白起到居间作用，两者之间的相互沟通是由蛋白的磷酸化作用。
DNA顺序分析发现在一大类传感器调节物对子中，传感蛋白的C－端相似，而调节蛋白的N－端有同源性，传感蛋白C－端磷酸化调节蛋白的N－端，N－端的磷酸化改变了调节蛋白C－端的活性，最后传递了响答。上面信号／调节物的作用机制，即成为今后不同类型细菌调控研究模式，无疑的它将促进这一领域的发展。
2．新型类群微生物生理学研究；古细菌(archaebacteria)是生物界3个界之一，包括嗜盐细菌、极端嗜热细菌、极端嗜酸热细菌和绝对厌氧细菌。嗜盐细菌须在含2．5～4．25mol的食盐条件下生长。极端嗜热细菌等在80～105℃条件下生长分离出来。绝对厌氧的古细菌有甲烷细菌，已有多种分离出来。这些古细菌具有不同于寻常真细菌的细胞壁和膜组分，其转录和转译机制以及对抗生素抗性更接近于真核生物。多种生理特性也显示其不录常性。嗜盐细菌的紫膜－细菌嗜紫红质在接受一个光量子后能转移一个H+到膜外，H+梯度推动ATP合成。这一光能向化学能转换可利用于生物传感器和芯片材料的开发。
嗜高温菌的蛋白酶、淀粉酶、硫氧化酶具有高度热稳定性，既可为生物技术提供热稳定的酶，其顺序研究可为蛋白质工程提供改造蛋白质的依据。
嗜酸热细菌，如硫球菌属的细菌，能氧化硫化铁为硫酸，可用于煤的脱硫。耐酸热的机制如何，有重要理论意义。煤的脱硫技术，国外已进行中试，为减少大气中酸雨提供了可能的途径。
古细菌研究国外进展很快，特别是分子生物学方面。中国对古细菌基础研究甚少报道，在甲烷发酵、高温嗜酸热细菌方面进行了应用研究。
3．植物微生物学(plant microbiology)的发展：(1)有一群相近的细菌能在高等植物组织产生寄生或共生，重要的有农杆菌和根瘤菌，它们能转化植物组织成为冠瘿或根发病或者形成根瘤，同时固氮。冠瘿是由土壤根癌农杆菌(Agrobacteriμm tumofaciens)的致癌质粒(Ti质粒)引起的。
根癌农杆菌侵染植物组织时，Ti质粒的一段DNA转移到植物细胞并整合于染色体上，称作转移DNA(T－DNA)。近几年来国外研究重点是对T—DNA进行结构功能分析，构建可作为外源基因的载体，以使外源基因在植物细胞得到表达。
利用这些载体可以向各种植物细胞引入外源基因，研究外源基因在植物细胞中的表达，这既是细胞分化基础问题的研究，也可推动植物基因工程为农业生产实际作出贡献。(2)微生物与植物细胞另一种相互作用是共生，如豆科植物与根瘤菌的关系，近几年已找出10个结瘤基因，成簇存在于巨大的Sym质粒上。
结瘤基因的表达受到植物组织中黄酮的诱导；另外，异黄酮和黄酮醇则为抗诱导物。对结瘤固氮的深入认识，将对农业提供有益的指导。
4．次生代谢产物(secondary metabolites)抗生素、生物药物素)生物合成的调控：据1984年的统计，微生物所产生的9000余种抗生素，来源于放线菌占60%以上，其中约有90种应用于人体、兽和农业、渔业。近年对放线菌次生代产物的研究趋向于认为它无抑菌活力，但有其它生理活性物质的筛选与开发，Monaghan和Tkacz(1990)提出生物药物素(biopharmaceutin)这一名词，表示不具有抑菌活力，但有医疗作用的次生代谢产物。
这是对放线菌代谢产物研究工作的又一次推动。现已有近30种生物药物素应用于医疗。
这些次生代谢产物的结构远不相同于初级代谢产物，它们通过怎样的途径合成的，怎样调节控制其合成等一系列问题，既是生理学的重要理论课题，其研究成果也是可以指导实践的，在国外甚受重视，已有大量资料。中国在代谢调节方面也有创新，如焦瑞身及其合作者对硝酸盐促进力复霉素合成进行了多方面的研究，观测到硝酸盐不仅大幅度促进抗生素的合成，而且影响菌体的碳和氮的代谢途径，他们对硝酸盐的作用提出了反应模式，并对这种多效性作用提出“硝酸盐利用调节子”假说。抗生素研究在合成的调控之外，另一方面的进展是合成基因的克隆。D．A．Hopwood及其合作者于1984年首先报道了次甲基霉素合成基因的克隆，到现在已有20多种抗生素合成基因克隆出来，毫无疑问，合成基因的克隆将大大推动这一生物产业的发展。
5．致病微生物致病性(pathogenicity)研究：微生物的类型繁多，尽管其中仅有少数对人畜有致病性，但人们却深受其害。近年由于医药的进步，卫生条件的改善，严重的流行病基本上得到控制，但致病菌远未消灭，条件合适，还会有流行病出现。病源菌所以致病，可以从几个方面分析，如对宿主细胞的吸附，对宿主细胞正常生理的干扰、破坏，以及对宿主细胞防御的抵抗等。
6．假单胞菌降解芳香烃及烷烃的研究：假单胞菌属细菌具有降解多种类型有机化合物的能力，所以是防止环境污染比较理想的微生物，而且降解途径的基因主要定位于各种降解质粒上，并可有细菌之间的接合传递，构建新的途径。除接合之外，近年基因工程更推动了新的降解途径的建立。为了防止环境的污染，假单胞菌生理学和遗传学研究应该受到重视。
涉及到假单胞菌降解石油污染成功之例是A．M．Chakrabarty构建的“超级微生物”可降解多种石油组分，已获得美国专利，成为基因工程第一个专利(1981)。
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(中国科学院上海植物生理研究所焦瑞身教授撰)