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本节主要讨论物质交换问题。微 生物细胞内外的物质交换对工业发酵 至关重要。没有这种交换微生物就不 能生长和繁殖，就不能形成用于发酵 生产的微生物细胞群体；没有这种交 换工业微生物细胞（工业发酵的细胞 机器）就不能将目的产物送出细胞， 我们就不能从发酵液获得产品。
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这里说的营养既可指营养物质 （nutrients），也可指提供营养的 过程（nutrition）。作为营养物质 必须能直接地或者经过降解后可以 跨膜进入微生物细胞，并至少能为 正常生命活动提供以下三者之一： ①能量；②细胞结构的原材料；③ 代谢调节物质。
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有机（碳）化合物经分解代
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可把微生物细胞这个开放系统与 其所处环境加在一起，看作一个隔离 系统，这个重新划定的系统必须服从 熵值增加原理。细胞的新陈代谢及生 长造成细胞熵值下降和其环境熵值增 加的总效果是：此隔离系统的总的熵 值是增加的。
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微生物细胞是个远离平衡状态 的不平衡的开放系统，其运转过程 是在代谢能支持下进行的高度有序 的过程，运转的结果是微生物细胞 生命的持续和环境混乱程度的增加。
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2.2.1 微生物细胞与其 所处环境的关系
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2.2.1.1 微生物的营养
2.2.1.2 微生物的营养类型 2.2.1.3 微生物的生理状态
与环境的关系
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存在于环境中的微生物 ( 包括工 业发酵环境中的微生物 ) 活细胞必须 不断地从环境摄取元素营养和能源营 养。并将这些来自环境的营养有效地 转换为可被其自身直接利用的代谢能， 在代谢能的直接支撑下进行持续的生 命活动。
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微生物细胞及其代谢产物中包含 了无数有机化合物，所有机化合物都 有碳架。本课程现阶段主要研究有机 化合物的代谢。有的有机化合物既属 元素营养又属能源营养，比如对化能 异养型微生物来说，葡萄糖既可作为 的碳元素营养，又作为化学能源营养。 凡可构成微生物细胞及其代谢产物的 碳架来源的营养物质，均称为碳源。
2018/3境，人也可以主动地改变 环境条件，在可能范围内调节 微生物的生理状态和生命活动， 以促进微生物生长或工业发酵 目的产物的生产。
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2.2.1.1 微生物的营养
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元素营养以O、C、H、N 含量 最多，这 4 种元素具有共同的化学 性质是，可通过共享电子（共有电子 对）而迅速形成共价键，由于共价键 强度与成键原子的原子量成反比，它 们形成的共价键都很稳定。单纯由C 和 H 组成的生物分子呈非极性，与 水亲和力低，使生物体与水环境之间 形成一定的界面，这是生命诞生和存 在的必要条件。
第二节
微生物细胞内外的 物质交换
2.2.1 微生物细胞与其所处的环境的关系
2.2.2 化学物质的跨膜过程
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微生物细胞要活下去就必须进行 能量代谢，能量代谢必须依赖于微生 物细胞内外的交流，包括微生物细胞 与环境之间和微生物细胞之间的物质、 能量和信息的交流，也包括微生物细 胞内被生物膜分隔的细胞空间之间的 物质、能量和信息的交流。
可把营养物质大致分为元素营养和能源 营养。元素营养中研究得最透彻的是碳源， 能源营养可以是化学物质，也可以是非化学 物质如光能。为模块分子（building block） 生物合成提供碳骨架（carbon skeletons）的 基质，通常被称为碳源；而为生命活动提供 吉布斯自由能（其中只有一部分能被微生物 细胞转化成代谢能）和还原力的基质称为能 源。关于微生物的营养，微生物学已有介绍， 这里仅根据本课程教学需要，简单地谈谈O、 C、H、N、S、P，特别是含 C 和含 P 的营 养物质。
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O、N、S 等的参与引起有机分 子电荷分布不均匀，同时，因这些元 素而形成的官能团发生酸式或碱式解 离，或使分子出现极性，能与水分子 形成氢键而表现亲水性，使生物分子 与水环境间增强相互作用。N 参加主 链结构可改善大分子的机械性能。 O、 S、P等可在有机分子间或分子内形成 桥式连接，影响分子的形状及性能。
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研究微生物的生命活动不能离开 环境，也不能离开微生物的生理状态。 环境影响微生物细胞的生理状态和生 命活动，而微生物细胞生命活动又不 断改变环境。人可以通过改变环境条 件来改变或调节微生物的生理状态和 生命活动，其改变或调节的有效性与 人对环境影响微生物生命活动的规律 的了解程度密切相关。
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微生物对碳源的需要极其广泛，从 简单的无机碳化合物，如CO2、CO32（自养型微生物的主要碳源），到复杂 的天然有机含碳化合物，如糖、醇、有 机酸、脂肪、烃类等（异养型微生物的 主要碳源）都可被不同种类的微生物利 用。对化能异养型微生物来说，碳源的 生理功能可总括为两点：一是构成细胞 物质和各种代谢产物的碳架；二是提供 细胞活动所需的能量。
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碳是有机物的必有元素，是 生物分子的结构中心。碳原子可 彼此反应并形成稳定的“C-C” 共价结合的化合物，可形成链式 或环式的结构，其长度和大小几 乎是无限度的，成为各种有机分 子的骨架。
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碳原子可与许多元素如H、 O、N、S、P 等形成稳定的共价 键。碳原子的四面体构型产生了 大量的同分异构体。碳原子如此 多样而稳定的结合方式，是导致 生物分子种类繁多的原因之一。