第四章第四章 微生物营养微生物营养n第一节第一节 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成n第二节第二节 微生物的营养要素微生物的营养要素n第三节第三节 微生物的营养类型微生物的营养类型n第四节第四节 微生物对营养物质的吸收方式微生物对营养物质的吸收方式n第五节第五节 培育基培育基 :第一第一节 微生物微生物细胞的化学胞的化学组成成 微生物微生物细胞化学胞化学组成成分析成成分析阐明，与其他高等明，与其他高等动植物植物细胞一胞一样，细胞也是大量元素碳、胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、氧、氮、磷、硫磷、硫这六种元素占六种元素占细菌菌细胞干胞干重的重的97，表，表4l和微量元素和微量元素铁、锰、锌等构成。微生物等构成。微生物细胞中胞中这些些元素主要以蛋白元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、糖、脂、核酸、维生素及它生素及它们的降解的降解产物、代物、代谢产物等有机物物等有机物质，水和无机，水和无机盐等无机等无机物物质的方式存在表的方式存在表42。水是。水是细胞中的一种主要成分，普通可占胞中的一种主要成分，普通可占细胞干重的胞干重的90以上。以上。:微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比灰分元素固氮菌酵母菌霉菌P2O5SO3K2ONa2OMgOCaOFe2O3SiO2CuO4.950.292.410.070.820.890.08-3.540.0392.34-0.4280.3830.0350.093-4.850.112.811.120.380.190.160.04-: 表41 微生物细胞中几种主要元素的含量干重的百分数 元素 细菌 酵母菌 霉菌 碳 50 49.8 47.9 氮 15 12.4 5.2 氢 8 6.7 6.7 氧 20 31.1 40.2 磷 3 硫 1 :表42 微生物细胞的化学组成 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌 水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的%） 蛋白质 5080 3275 1415 占 细 碳水化合物 1228 2763 740 胞 干 脂肪 520 215 440 重 的 核酸 1020 6 8 1 % 无机盐 230 3.87 612: 第二节第二节 微生物的营养要素微生物的营养要素营养物营养物nutrient： 那些可以满足机体生长、繁衍和完成那些可以满足机体生长、繁衍和完成各种生理活动所需求的物质通常称为微生各种生理活动所需求的物质通常称为微生物的营养物质。物的营养物质。 营养或叫营养作用，营养或叫营养作用，nutrition ： 微生物获得与利用营养物质的过程通常称微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。为营养。: 生物类型营养要素 动物（异养） 微生物 绿色植物 （自养） 异养 自养 碳源糖类脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳同与碳同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水表4-3 微生物和动物、植物营养要素的比较: 碳源carbon source凡是提供微生物营养所需的碳元素碳架的营养源，称为碳源。 碳源物质的功能：构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需求的能量异养微生物。 微生物的碳源谱无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。 微生物不同，利用上述含碳化合物的才干不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进展生长。 :类型元素水平 化合物水平 培养基原料水平有机碳CHONX复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等CH烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等表44微生物的碳源谱: 氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。 氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。 微生物的氮源谱见表45 : 表45 微生物的氮源谱类型 元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮NCHOX复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮NHNH3、铵盐等(NH4)2SO4等NO硝酸盐等KNO3等NN2空气: 实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。消费上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。 蛋白氮必需经过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才干被机体利用，这种氮源叫迟效氮源。 无机氮源或以蛋白质降解产物方式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。 速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的构成。 多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的才干，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需求从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才干生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。: 3、能源 指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。 微生物的能源谱： 有机物：化能异养微生物的能源同碳源 化学物质 能源谱： 无机物：化能自养微生物的能源不同于碳源 辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源 : 化能自养微生物的能源物质都是一些复原态的无机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+ 等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料经常是双功能的如： NH4+ 既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。 有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。 辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。:生长因子growth factor是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱基及其衍生物，此外还有甾醇、 胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱基的生理功能见教材。 缺乏合成生长因子才干的微生物称为“营养缺陷型微生物。 :无机盐 是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能见以以下图，包括大量元素和微量元素。 大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。 微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L 普通微生物生长所需求的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。:无机盐的生理功能 细胞内普通分子成分P、S、Ca、Ma 、Fe等 普通功能 浸透压的维持Na+等 生理调理物质 酶的激活剂M a2+等 大量元素 pH的稳定无 化能自养菌的能源S、Fe2+、NH4+、NO2-等机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体NO3-、SO42-等 酶的激活剂Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等 微量元素 特殊分子构呵斥分Co、Mo等:水分：水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表如今以下几个方面：1. 细胞的构成成分2.一系列生理生化反响的反响介质3.参与许多生理生化反响4. 有效地控制细胞内的温度变化:第三节第三节 微生物的营养类型微生物的营养类型 根据生长所需求的营养物质的性质，可将根据生长所需求的营养物质的性质，可将生物分成两种根本的营养类型生物分成两种根本的营养类型异养型生物：在生长时需求以复杂的有机物质异养型生物：在生长时需求以复杂的有机物质作为营养物质作为营养物质自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质为营养物质 动物属于异养型生物，植物，而微生动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型生物分成两种类型化能营养型生物：依托化合物氧化释放的能量化能营养型生物：依托化合物氧化释放的能量进展生长进展生长光能营养型生物：依托光能进展生长光能营养型生物：依托光能进展生长 动物和大部分微生物属于化能营养型动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物物和少部分微生物属于光能营养型生物:光能自养型微生物以C02作为独一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2复原成细胞物质，同时产生元素硫 光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O 光合色素 光能自养型微生物包括蓝细菌含叶绿素、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物含细菌叶绿素，由于含有光合色素，因此能使先能转变成化学能ATP，供机体直接利用。 :光能异养型微生物以CO2为主要碳源或独一碳源，以有机物如异丙醇作为供氢体，利用光能将CO2复原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子:化能自养型微生物 以CO2或碳酸盐作为独一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2复原成细胞物质。 这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。 :化能异养型微生物 多数微生物属于化能异养型，其生长所需求能量和碳源通常来自同一种有机物。 根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为以下两种类型：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需求的营养物质。存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，称为兼性腐生型或兼性寄生型。:第五节第五节 培育基培育基 培育基是人工配制的适宜于不同微生物生长繁衍或积累代谢产物的营养基质。它是进展科学研讨，发酵消费微生物制品等的根底 。: 配制培育基的原那么 1. 根据不同微生物的营养需求配制不同的培育基， 如自型微生物的培育基完全可以或应该由简单的无机物质组成。异养做生物的培育基至少需求含有一种有机物质。 按微生物的主要类群来说，又有细菌、放线菌、酵母菌和霉菌之分。它们所需求的培育基成分也不同，分别称为牛肉膏蛋白胨培育基，高氏1号合成培育基，麦芽汁培育基，查氏合成培育基。: 2.留意各种营养物质的浓度与配比 营养物的浓度：在普通情况下，浓度适宜的营养物质才对微生物表现出良好作用，浓度大时对微生物生长起抑制造用，浓度小时不能满足微生物生长的需求。 各营养物质之间的浓度比：培育基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁衍和或代谢产物的构成与积累，尤其是碳氮比CN碳氮比普通指培育基中元素碳与元素氮的比值，有时也指培育基中复原糖与粗蛋白两种成分含量之比的影响更为明显。例如在微生物的谷氨酸发酵中，培育基的C N为4：l时，菌体大量繁衍，谷氨酸积累少；当CN为3：1时，菌体繁衍遭到抑制，而谷氨酸大量添加。:3.控制培育基的PH值 各类微生物生长的最适pH各不一样，细菌与放线菌生长的pH在77.5之间，酵母菌与霉菌生长的pH值在4-5之间。 在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的构成与积累，常会改动培育基的pH值，为了维持培育基pH值的相对恒定，通常采用以下两种方式：内源调理：在培育基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调理培育基的碳氮比。外源调理：按实际需求流加酸或碱液:4.经济节约配制培育基时，应尽量思索利用价廉并且易于获得的原料作为培育基的成分，特别是在工业发酵中，培育基用量很大，更应该思索到这一点，以便降低产品本钱。:培育基的种类n按培育基的组成成分分类n按培育基的物理外形分类n按培育基的功能分类:根据培育基中化学成分的了解程度将其分为： 合成培育基：由化学成分完全了解的物质配制而成的培育基，该类培育基的组成成分准确、反复性强，但微生物生长较慢，且价钱昂贵，故普通适于在实验室范围内他有关研生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传分析等方面的研讨义务。 天然培育基：利用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物质如自汉奸、因母没计、土壤没液、豆芽汁、玉米粉、教皮、牛奶、血清等制成的培育基，天然培育基比较经济，除实验室经常运用外，更适宜于在消费上用来大规模地培育微生物和消费微生物产品。: 根据培育基的物理外形可将其分为： 固体培育基：在液体培育基中参与1.5-2.0%的凝固剂制成的呈固体外形的培育基。常用于微生物的分别、纯化、计数等方面的研讨。 半固体培育基：在液体培育基中参与0.2-0.7的琼脂构成的培育基。常用来察看细菌运动的特征，以进展菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验义务。 液体培育基：液体培育基不含任何凝固剂，它常用于大规模的工业消费以及在实验室进展微生物生理代谢等根本实践的研讨义务。 科研与消费中常用的凝固剂有琼脂、明胶和硅胶三种，除在液体培育基中参与凝固剂之外，一些由天然的固体基质制成的培育基也属于固体培育基 :按照培育基的用途，可将其分为 加富培育基：加富培育基是指在普通培育基里加过血、血清、动物或植物组织液或其他营养物质或生长因子的一类营养丰富的培育基，用以培育某种或某类营养要求苛刻的异养微生物 选择培育基：选择培育基是根据某种或某一类群微生物的特殊营养需求或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培育基。利用这种培育基可以将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分别出来。 鉴别培育基：普通培育基中参与能与某种代谢产物发生反响的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物:微生物吸收营养物质的方式n单纯分散n促进分散n自动运输: 分散 分散是非特异性的营养物质吸收方式：如营养物质经过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内分散。 在分散过程中营养物质的构造不发生变化：即既不与膜上的分子发生反响，本身的分子构造也不发生变化。 物质运输的速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度一样。 分散是一个不需求代谢能的运输方式，因此，物质不能进展逆浓度运输。 膜的特性、膜上含水小孔的大小和外形对被分散的营养物质分子的种类、大小有一定的选择性，通常分子量小，脂溶性、极性小的营养物质容易吸收。: 促进分散在促进分散过程中 营养物质本身在分子构造上也不会发生变化 不耗费代谢能量，故不能进展逆浓度运输 运输的速率由胞内外该物质的浓度差决议需求细胞膜上的载体蛋白透过酶参与物质 运输被运输的物质有高度的立体专注性促进分散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是经过这种方式完成的。: 自动运输物质在自动运输的过程中 耗费代谢能 可以进展逆浓度运输的运输方式 需求载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的立体专注性 不同的微生物在自动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中那么主要来自光能 。 自动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。:自动运输的方式1.初级自动运输2. 次级自动运输3.基团转位4.Na+,K+-ATPase系统:初级自动运输是一种由电子传送系统、ATPase或细菌视紫红质引起的质子运输方式。不同营养类型的微生物初级自动运输的方式不同好氧情况、厌氧情况、光合微生物，但最终呵斥细胞膜内外质子浓度差，使膜处于充能外形。 :次级自动运输在细胞膜内外质子浓度差消逝的过程中，偶联其它物质的运输，即次级自动运输。次级自动运输根据在质子浓度差消逝过程中，质子与其它物质运输的方向差别，分为同向运输、逆向运输、单向运输三种方式。:基团转位 基因转位是一种特殊的自动运输与普通的自动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化。其他特点与自动运输一样。 基因转位主要存在于厌氧微生物中，也主要是用于单或双糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输 :大肠杆菌吸收糖的基团转位方式 大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下：(1) 热稳定蛋白的激活： PEP+HPr 酶1 丙酮酸+P-HPr(2) 糖被磷酸化后运入膜内 P-HPr+糖 酶2 糖-P+HPr:Na+,K+-ATPase系统nNa+,K+-ATPase系统位于细胞膜上的一种离子通道蛋白，其作用是经过该蛋白构象的改动，把细胞内的Na运出细胞，同时将K+运回细胞内，即实现了Na+与K+的置换。细胞内高浓度K+是许多酶的活性和蛋白质合成所必需的。:膜泡运输n原生动物吸收营养物质的方式，有胞吞和胞饮两种类型:四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变: