第四章 微生物的营养一、 微生物的营养要求1、微生物为了生存必须从环境中吸收营养物质，通过新陈代谢将这些营养物质一部分转化成自身的细胞物质，另一部分转化成代谢产物，并从代谢过程中获得生命活动的能量，这种满足微生物生长、繁殖和完成各种生理活性的物质称为营养物质，而微生物获得和利用营养物质的过程称为营养。2、碳源构成微生物细胞碳水化合物中碳架的营养物质，供给微生物生长发育所需能量。大多数微生物的碳源和能源一致，不同种类微生物的碳源差异很大。但是有些以CO2为唯一或主要碳源的微生物生长所需要的能源则并非来自于碳源物质。氮源构成微生物细胞物质代谢产物中氮素来源的营养物质，一般不提供能量。在碳源物质缺乏的情况下，某些厌氧微生物在厌氧条件下可以利用某些氨基酸作为能源物质。无机盐主要用来构成酶的组成成分，维持酶的活性，调节细胞渗透压、pH、Eh，某些矿质元素作为自养菌的能源。生长因子是微生物生长代谢所必需,但微生物本身又不能合成的微量的特殊营养物，通常作为辅酶的组成结构；水为生物细胞生长必不可少，可以作为溶剂、热导体、维持生物大分子的结构及细胞形态，参与生化反应等。二、 微生物的营养类型根据所利用的碳源和能源、电子供体的不同，可将微生物划分为：光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长，如兰细菌。光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养，如红螺菌。化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物，如铁细菌、硝化细菌等。化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质， 如腐生菌等。1光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或主要碳源,进行光合作用获取生长所需要的能量,以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质。例如：藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。2光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源，以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子。例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。3化能无机自养型（化能自养型）生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能，以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质。4化能有机异养型（化能异养型）生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。三、 培养基配制1、培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水。培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；有些成分需要进行分别灭菌，或过滤除菌。培养基配制时应选择适宜的营养物质和适当的浓度和配比，根据微生物的需要调整pH.2、培养基根据物质状态不同可分为液体、固体和半固体，根据其用途可分为基础、加富、鉴别、选择、分析等。实验室用于培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）（pH 7.0-7.5）；培养放线菌的高氏1号合成培养基培养；培养酵母菌的麦芽汁培养基（pH 5.0-6.5）；培养霉菌的查氏合成培养基。四、 影响微生物生长的因素微生物生长受多种因素的影响，除了必须的营养物质外，不同微生物对其培养基中的水要求不同，常用水活度w表示。微生物一般在w为0.600.99的条件下生长, w过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适w不同。氧化还原电位也是营养微生物生长的重要因素，根据对氧气的需求，微生物可分为好氧、厌氧和耐氧。五、 营养物质进入细胞的方式1、扩散：物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞.扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。2、促进扩散：被动的物质跨膜运输方式，其特点是：（1）物质运输过程中不消耗能量；（2）参与运输的物质本身的分子结构不发生变化；（3）不能进行逆浓度运输；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。（4）通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体(carrier)的作用才能进入细胞，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。（5）载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；这种性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶。透过酶大都是诱导酶,只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。3、主动运输：在物质运输过程中需要消耗能量，可以进行逆浓度运输。主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。不同微生物运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能。嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能。（1）初级主动运输:由电子传递系统、ATP酶或细菌的视紫红质引起的质子运输方式(质子外排),是一种质子的运输方式.呼吸能，化学能及光能的消耗，使质子由细胞内到细胞外，造成细胞内外的质子浓度差，使膜处于充能状态。（2）次级主动运输：能化膜在质子浓度差消失的过程中，偶联其他物质的运输。 包括同向运输、逆向运输、单向运输。（3）ATP结合性盒式转运蛋白系统， 又称作ABC-转运蛋白：主要用来转运糖、氨基酸和微生物B12等。ABC转运蛋白通常有两个疏水性跨膜域与位于质膜内的两个核苷酸结合结构域形成复合物，两个疏水性跨膜域在质膜上形成一个孔，两个核苷酸结合结构域课余ATP结合。ABC转运蛋白可以专一性的与溶质结合蛋白结合，溶质结合蛋白位于周质空间和附着在质膜外表面。溶质结合蛋白携带被转运的溶质分子在质膜外表面鱼ABC转运蛋白结合，ATP 结合在核苷酸结构域，ATP水解产生能量，是跨膜结构域构想发生改变，被转运的溶质分子进入胞内。（4）基团转运（group translocation）：有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，物质在运输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。（5）Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统 细胞膜上一种重要的离子通道蛋白。利用ATP的能量将Na+泵到细胞外，并将K+泵到细胞内,该酶有大小两个亚基,大亚基可被磷酸化.4、膜泡运输：膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)，是这类微生物的一种营养物质的运输方式。