第四章-微生物的營養(yǎng)

微生物學(xué)集寧師范學(xué)院生物系生化與分子生物學(xué)教研室賀番

第四章微生物的營養(yǎng)

（MicrobialNutrition）本章主要內(nèi)容第一節(jié)

微生物的6類營養(yǎng)要素（微生物吃什么？）第二節(jié)

微生物的營養(yǎng)類型第三節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運輸（微生物怎么吃？）第四節(jié)

培養(yǎng)基（怎么給微生物做飯？）第一節(jié)微生物的6類營養(yǎng)要素一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成二、六大營養(yǎng)要素及其生理功能元素細(xì)菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氫86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——

微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重％）

主要成分細(xì)菌

酵母菌

霉菌

水分75~8570~8085~90（占細(xì)胞鮮重的%）

蛋白質(zhì)50~8032~7514~15占細(xì)碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40重的核酸

10~206~81%

無機鹽

2~303.8~76~12微生物細(xì)胞的化學(xué)組成（三）分析細(xì)胞有機、無機成分的方式有機成分：1.化學(xué)法直接抽提--定性、定量分析2.破碎細(xì)胞，獲得亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)--化學(xué)分析無機成分：

細(xì)胞--550℃--灰分--定性、定量分析二、營養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能碳源 氮源 無機鹽生長因子 水能源（一）、碳源（Carbonsource）類型元素水平

化合物水平

培養(yǎng)基原料水平有機碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無機碳C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源譜微生物工業(yè)發(fā)酵中用做碳源的原料傳統(tǒng)種類：糖類（單糖，飴糖） 淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等） 麩皮、各種米糠等。代糧發(fā)酵：纖維素、石油、CO2、H2?，F(xiàn)有700多萬中有機物，微生物都能夠分解、利用（二）氮源（Nitrogensource）硝酸鹽NO3 NH4+遲效氮源：蛋白氮通過水解，降解成胨、肽、氨基酸等才能被機體利用，有利于機體生長。速效氮源：無機氮源或蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物以直接被菌體吸收利用，有利于代謝物形成。

銨鹽氨基酸 入胞 細(xì)胞物質(zhì)蛋白胨豆餅蠶蛹粉分解 入胞 細(xì)胞物質(zhì)誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)酶生理酸式鹽和生理堿式鹽（三）無機鹽（inorganicsalt）無機鹽的生理功能：無機鹽大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活劑（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）

維持滲透壓生理調(diào)節(jié)物質(zhì) 酶的激活劑

pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)無氧呼吸時的氫受體(NO3-、SO42-)細(xì)胞內(nèi)一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，F(xiàn)e等)無機元素的來源和功能（四）生長因子（growthfactor）

根據(jù)微生物對生長因子的需要分為1.

野生型

(wildtype)

原養(yǎng)型

不需要生長因子而能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上生長的菌株2.營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)

由自發(fā)或誘發(fā)突變需要提供特定生長物質(zhì)才能生長的菌株分類:1、嘌呤和嘧啶(合成核苷酸）

2、氨基酸（合成蛋白質(zhì)）

3、維生素（合成酶及輔酶的功能團(tuán)）（五）水（water）總結(jié)水的生理功能：1.細(xì)胞組分（70-90%）2.良好的溶劑和化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)3.調(diào)節(jié)溫度4.維持壓強5.有利于生物大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定水在細(xì)胞中的兩種存在形式：

結(jié)合水和游離水，結(jié)合水難以利用

為了表示微生物生長與水的關(guān)系，有時也常用相對濕度（RH)

的概念(w

×100=RH

)通常也用測定蒸氣相中相對濕度的方法得知溶液或物質(zhì)的水活度。（六）能源

（energysource）概念：能為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物質(zhì)。能源譜化學(xué)物質(zhì)(化能營養(yǎng)型）輻射能（光能營養(yǎng)型）有機物：化能異氧微生物的能源無機物：化能自氧微生物的能源：光能自氧和光能異氧微生物的能源1、根據(jù)生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)（碳源）異養(yǎng)型生物：生長時以復(fù)雜有機物質(zhì)為營養(yǎng)物質(zhì)（如：動物以及大多數(shù)微生物）自養(yǎng)型生物：生長時以簡單無機物質(zhì)為營養(yǎng)物質(zhì)（如：植物及少數(shù)微生物）特點:(1)不需要有機養(yǎng)料,可生活在完全無機環(huán)境中。

(2)將無機碳源轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的有機物。

動物異養(yǎng)型生物植物、微生物異養(yǎng)型和自養(yǎng)型

多數(shù)微生物異養(yǎng)型，少數(shù)微生物自養(yǎng)型。自養(yǎng)微生物：不依賴任何有機營養(yǎng)物即可正常生活的微生物。異養(yǎng)微生物：至少需要提供一種大量有機物才能滿足其正常營養(yǎng)要求的微生物。（碳源必為有機物，氫供體為有機物，能源可為氧化有機物也可以是利用光能。）關(guān)于營養(yǎng)類型的另一種定義：多數(shù)微生物動物少數(shù)微生物與植物氫供體不同有機型生物：還原CO2時氫供體為有機物質(zhì)無機型生物：還原CO2時氫供體為無機物質(zhì)

微生物的四大營養(yǎng)類型4、化能異養(yǎng)型微生物多數(shù)微生物,能量和碳源來自同一種有機物。腐生型微生物：利用無生命活性的有機物作為生長的碳源。寄生型微生物：寄生在活的細(xì)胞內(nèi)，從寄生體內(nèi)獲得生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。兼性腐生型或兼性寄生型：存在于寄生與腐生之間的中間過渡類型微生物。光能化學(xué)能碳源能源自養(yǎng)異樣氫供體腐生寄生攝取方式野生型缺陷型生長因子有機無機總結(jié)微生物的分類方法要點第三節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運輸

主要內(nèi)容營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式每種方式的特點四種方式的區(qū)別SpecialCases1.入胞Endocytosis

2.出胞Exocytosis

原生動物胞吞、胞飲式營養(yǎng)物質(zhì)的運輸物質(zhì)運輸類型無載體蛋白有載體蛋白單純擴散不耗能耗能促進(jìn)擴散構(gòu)象不變構(gòu)象改變主動運輸基團(tuán)移位營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運輸類型傳遞方向載體蛋白能量被傳遞物單純擴散高濃度向低濃度不需要不需要不變化促進(jìn)擴散高濃度向低濃度需要不需要不變化主動運輸?shù)蜐舛认蚋邼舛刃枰枰蛔兓鶊F(tuán)轉(zhuǎn)位低濃度向高濃度需要需要被磷酸化營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運輸被動運輸：一種簡單的物質(zhì)跨膜運輸方式。特點：1、整個運輸過程不需要能量

2、動力是細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)濃度差

3、營養(yǎng)物質(zhì)順濃度梯度由高向低擴散

4、運輸?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化分類：單純擴散促進(jìn)擴散1、單純擴散(simpleorpassivediffusion)概念：被輸送的物質(zhì)，靠細(xì)胞內(nèi)外濃度為動力，以透析或擴散的形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散。動力：濃度差物質(zhì)：小分子，溶于水方向：單向，由高到低特點：1、擴散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式。2、在擴散過程中營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不變。3、物質(zhì)運輸?shù)乃俾事核俾逝c濃度差有關(guān)，至胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同。4、無載體參與；不需要代謝能量。5、可運送的養(yǎng)料有限。影響因素：溫度、pH值、離子強度等。流動方向：向高鹽濃度流動

單純擴散模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)胞膜概念：營養(yǎng)物通過與細(xì)胞膜上載體蛋白（也稱作透過酶permease）的可逆性結(jié)合來完成物質(zhì)的運輸和加快傳遞速度。多見于真核微生物的營養(yǎng)吸收與代謝。動力：濃度差方向：單向，由高到低載體蛋白：誘導(dǎo)產(chǎn)生,與運輸對象具有專一性物質(zhì)：K+、Na+、CI-2、促進(jìn)擴散

(facilitateddiffusion/transport)特點：

1、營養(yǎng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不變2、不耗能，不能逆濃度運輸3、運輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定4、需要細(xì)胞膜上的載體蛋白參與5、被運輸物質(zhì)與載體蛋白高度特異6、載體蛋白有限，會出現(xiàn)飽和效應(yīng)細(xì)胞質(zhì)膜上的跨膜蛋白單純擴散促進(jìn)擴散載體蛋白是跨膜蛋白。在整個過程中其構(gòu)象發(fā)生兩次改變。促進(jìn)擴散模式圖恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)胞膜3、主動運輸(Activetransport)概念：在代謝能的推動下，通過膜上特殊載體蛋白，逆濃度差吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程。是營養(yǎng)物質(zhì)吸收的主要形式。物質(zhì)：有機、無機離子，糖類方向：雙向，可逆濃度進(jìn)行動力：代謝能好氧呼吸能

厭氧MO

化學(xué)能光能光能特點：1、耗能2、可逆濃度差進(jìn)行3、需要載體蛋白參與4、對被運輸物有高度的立體專一性要求5、被運輸物質(zhì)在轉(zhuǎn)移的過程中不發(fā)生變化

Comparisonofpassiveandactivetransport.

主動運輸模式圖細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變ADP+PiATPNa+-K+-ATP酶系統(tǒng)Na+-K+-ATPase：

是存在于原生質(zhì)膜上的一種重要離子通道蛋白功能:利用ATP能量將Na+“泵”出胞外,將K+“泵”入胞內(nèi)。作用步驟:1.ATP酶(E)在細(xì)胞內(nèi)與3個Na+結(jié)合,消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)構(gòu)象變化將Na+排出胞外,并與2個K+結(jié)合;3.K+激發(fā)E+脫磷酸化恢復(fù)為E,同時將K+運入細(xì)胞.概念：是特殊的主動運輸，被運輸物質(zhì)在運輸過程中發(fā)生了化學(xué)變化，其余特點與主動運輸相同。

物質(zhì)：單、雙糖與其衍生物，核苷、脂肪酸

位置：厭氧和兼性厭氧型細(xì)菌4、基團(tuán)轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)1、在酶Ⅰ的作用下HPr被激活2、在酶Ⅱ的作用下P-HPr將磷酸轉(zhuǎn)移給糖基團(tuán)轉(zhuǎn)位

磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和熱穩(wěn)定蛋白(HPr)。第一步少量HPr被磷酸烯醇丙酮酸（PEP）磷酸化PEP+HPr

磷酸～HPr+丙酮酸酶Ⅰ第二步磷酸～HPr將它的磷?；鶄鬟f給葡萄糖，同時將生成的6-磷酸葡萄糖釋放到細(xì)胞內(nèi)。第二步磷酸～HPr+葡萄糖6-磷酸葡萄糖+HPr酶Ⅱ基團(tuán)移位模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)SSSS細(xì)胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸四種運輸營養(yǎng)物質(zhì)方式的比較比較項目單純擴散促進(jìn)擴散主動運輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位特異載體蛋白運輸速度物質(zhì)運輸方向胞內(nèi)外濃度運輸分子能量消耗運輸后物質(zhì)的結(jié)構(gòu)無慢由濃至稀相等無特異性不需要不變有快由濃至稀相等特異性不需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要改變概念：由人工配制、適合不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物用的營養(yǎng)基質(zhì)。特點：1、應(yīng)具備六大營養(yǎng)要素2、比例適當(dāng)（滅菌）用途：促使微生物生長；積累代謝產(chǎn)物第四節(jié)培養(yǎng)基(medium)一、培養(yǎng)基的配制原則（一）組分應(yīng)適合MO的營養(yǎng)特點（目的明確）（二）營養(yǎng)物的濃度與比例應(yīng)恰當(dāng)（營養(yǎng)協(xié)調(diào)）（三）物理化學(xué)條件適宜（條件適宜）（四）根據(jù)培養(yǎng)目的選擇原料及來源（經(jīng)濟(jì)節(jié)約）（一）目的明確根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。按微生物類群不同，配置不同成分的培養(yǎng)基:細(xì)菌:

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

LB放線菌：高氏一號培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基PDA酵母菌：麥芽汁細(xì)菌培養(yǎng)基——營養(yǎng)肉湯（nutrientbroth)：

牛肉膏3g；水1000ml；

蛋白胨5g；pH7.2~7.4放線菌培養(yǎng)基——高氏1號：可溶性淀粉20g；KNO31g;K2HPO41g

MgSO40.5gNaCl1g;FeSO4?7H2O0.5g

水1000ml;pH7.2~7.4霉菌培養(yǎng)基——查氏（zapek)培養(yǎng)基：蔗糖30g;KCl0.5g;MgSO4.H2O0.5g;FeSO40.5g水1000ml;K2HPO41g;NaNO33g;pH6.7酵母菌培養(yǎng)基——麥芽汁培養(yǎng)基

（二）營養(yǎng)協(xié)調(diào)2、速效性氮（或碳）源與遲效性氮（或碳）源的比例3、各種金屬離子間的比例

碳源中的碳原子的mol數(shù)氮源中所含的氮原子的mol數(shù)1、C/N比值=（三）條件適宜

（1）pH:

細(xì)菌：7.0-8.0霉菌：4.0-5.8放線菌：7.5-8.5酵母菌：3.8-6.0內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液?！盍姿峋彌_液：pH值從6.0-7.6之間K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：

CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培養(yǎng)基中所含氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì)也可起到緩沖作用。（2）滲透壓和aw

等滲：適宜微生物生長 高滲：細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離 低滲：細(xì)胞吸水膨脹，至破裂嗜鹽微生物（Halophiles）：能在高鹽環(huán)境（2.8-6.2MNaCl）生長的微生物常。（3）氧化還原電勢(redox

poyential)好氧微生物：+0.3-+0.4V厭氧微生物：只能在+0.1V以下生長兼性厭氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下發(fā)酵（四）經(jīng)濟(jì)節(jié)約應(yīng)用目的：是培養(yǎng)菌體還是積累代謝產(chǎn)物？是實驗室種子培養(yǎng)還是大規(guī)模發(fā)酵？代謝產(chǎn)物是初級代謝產(chǎn)物還是次級代謝產(chǎn)物？1.生態(tài)模擬2.查閱文獻(xiàn)3.精心設(shè)計4.實驗比較

二、設(shè)計培養(yǎng)基的方法高壓蒸氣滅菌

一般培養(yǎng)基:

1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min

含糖培養(yǎng)基:

0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min

過濾滅菌分別滅菌間歇滅菌培養(yǎng)基的滅菌附圖：過濾滅菌器皿的滅菌及無菌室的消毒器皿的滅菌：

干熱空氣：160℃，2小時無菌室的消毒：

紫外光化學(xué)藥物熏蒸（苯酚；高錳酸鉀+甲醛）三、培養(yǎng)基的類型及其應(yīng)用1、根據(jù)所培養(yǎng)微生物類群分①細(xì)菌培養(yǎng)基②放線菌培養(yǎng)基③霉菌培養(yǎng)基

2、根據(jù)培養(yǎng)目的來分①種子培養(yǎng)基(seedculturemedium）營養(yǎng)較豐富②發(fā)酵培養(yǎng)基(fermentationmedium）原料應(yīng)價廉易得還應(yīng)有利于下游的分離提取。味精生產(chǎn)菌北京棒狀桿菌AS1299的一級種子（用搖床培養(yǎng)）培養(yǎng)基配方：葡萄糖3%玉米漿2.5~3.5%尿素0.3~0.5%K2HPO40.1~0.2%MgSO40.05%二級種子（1200