第四章 微生物的營養(yǎng)

第四章微生物的營養(yǎng)

1.微生物的營養(yǎng)需要，營養(yǎng)物及其功能。2.營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞的主要方式。3.微生物的營養(yǎng)類型。4.培養(yǎng)基的種類、配制原則與應(yīng)用。

一、微生物的營養(yǎng)需要，營養(yǎng)物及其功能營養(yǎng)物質(zhì)：微生物為了生存就必須從環(huán)境中吸取各種物質(zhì)以合成細胞物質(zhì)、提供能量以及在新陳代謝中起調(diào)節(jié)作用。這些物質(zhì)就稱為營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)：有機體吸取和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程。1.微生物細胞的化學組成（1）化學元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵（其中前六種占細菌細胞干重的97%）。微量元素(traceelement):鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼。元素細菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氫86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——微生物細胞中幾種主要元素的含量（干重％）（2）元素在細胞內(nèi)存在形式上述元素主要以水、有機物、無機鹽的形式存在于細胞中：1．有機物：蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素及其降解產(chǎn)物.2．無機物：1)參與有機物組成，2)單獨存在于細胞質(zhì)內(nèi)以無機鹽的形式存在.3、水：約占細胞總重70%～90%，以游離水和結(jié)合水兩種形式存在游離水：干重法可測得；結(jié)合水：不易蒸發(fā)、不凍結(jié)、也不能滲透,占水總量的17%—28%。（3）微生物細胞化學組成含量的變化此組成可因菌種的種類、菌齡、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件、分析方法等而有所不同。主要成分細菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占細胞鮮重的%）蛋白質(zhì)50~8032~7514~15占細碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%無機鹽2~303.8~76~122.營養(yǎng)要素及其生理功能微生物的營養(yǎng)要求與攝食型的動物和光合自養(yǎng)型的植物十分接近。微生物的六類營養(yǎng)要素為：碳源（carbonsource） 氮源（nitrogensource）能源（energysource） 生長因子（growthfactor） 無機鹽（mineralsalts）水（water）（1）碳源（Carbonsource）◆定義：凡可被用來構(gòu)成細胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的營養(yǎng)物質(zhì)。◆功能：提供合成細胞物質(zhì)及代謝物的原料;并為整個生理活動提供所需要能源（異養(yǎng)微生物）?！舴N類:無機含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。有機含碳化合物：糖與糖的衍生物（多糖：如淀粉、麩皮、米糠等；飴糖；單糖）,脂類、醇類。有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含碳的化合物。微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假單胞菌屬中的某些種可以利用90種以上的不同類型的碳源物質(zhì)；而某些甲基營養(yǎng)型細菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進行生長。

微生物的碳源譜類別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(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物工業(yè)發(fā)酵中用做碳源的原料傳統(tǒng)種類：糖類（單糖、飴糖、糖蜜） 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（2）氮源（Nitrogensource）定義：凡用來構(gòu)成菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)源。

功能：

1）提供合成細胞中含氮物，如蛋白質(zhì)、核酸，以及含氮代謝物等的原料；2）少數(shù)細菌可以銨鹽、硝酸鹽等氮源為能源。

種類：無機氮：銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、尿素、氨、N2等；有機氮：蛋白質(zhì)及其降解產(chǎn)物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、魚粉、花生餅粉、黃豆餅粉、玉米漿等微生物的氮源譜類型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機氮N·C·H·O·X復雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏、餅粕粉、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣氮源的使用實驗室常用的氮源有：碳酸銨、硝酸鹽、硫酸銨、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生產(chǎn)上常用的氮源有：硝酸鹽、銨鹽、尿素、氨以及蛋白含量較高的魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅份、玉米漿等。速效氮源與遲效氮源無機氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。速效氮源通常有利于機體的生長。蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機體利用，這種氮源叫遲效氮源。遲效氮源有利于代謝產(chǎn)物的形成。

（3）能源（energysource）定義：能為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能，稱為能源。能源譜化學物質(zhì)（化能營養(yǎng)型）有機物作為化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）無機物作為化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源）輻射能（光能營養(yǎng)型）光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源（4）生長因子（growthfactor）定義:是一類對微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能用簡單的碳源或氮源合成，或合成量不足以滿足機體生長需要的有機營養(yǎng)物質(zhì)。不同微生物需求的生長因子的種類和數(shù)量不同。種類：主要有維生素、氨基酸和堿基。缺乏合成生長因子能力的微生物稱為營養(yǎng)缺陷型微生物。許多維生素都能起生長因子的作用。維生素大部分是構(gòu)成酶的輔基或輔酶，需要量很少，但是缺少維生素微生物不能正常生長。有些微生物缺乏或喪失合成某種或某些氨基酸的酶，所以不能合成生長所必需的氨基酸，這類微生物被稱為“氨基酸缺陷型”。野生型和營養(yǎng)缺陷型野生型(wildtype)也稱原養(yǎng)型

不需要生長因子，能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上生長的菌株。營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)

由于自發(fā)或誘發(fā)突變等原因從野生型菌株產(chǎn)生的需要提供特定生長素物質(zhì)才能生長的菌株。（5）無機鹽（mineralsalts）定義：為微生物細胞生長提供碳、氮源以外的多種重要元素（包括大量元素和微量元素）的物質(zhì)，多以無機鹽的形式共給。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生長所需濃度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生長所需濃度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生長所需要的無機鹽有：硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鎂、鐵等金屬元素的化合物。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（6）水微生物生長環(huán)境中水的有效性常以水活度值（wateractivity,

w

）表示。微生物一般在αw

為0.60~0.99的條件下生長。幾類微生物生長最適

w。

————————————————微生物

w

————————————————一般細菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜鹽細菌0.76嗜鹽真菌0.65嗜高滲酵母0.60————————————————水在細胞中的生理功能水起到溶劑與運輸介質(zhì)的作用。水參與細胞內(nèi)一系列化學反應(yīng)。水維持蛋白質(zhì)、核酸等大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象。水的比熱高，有效地控制細胞內(nèi)溫度變化。水是維持細胞正常形態(tài)的重要因素。微生物通過水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)。二、微生物的營養(yǎng)類型

劃分依據(jù)營養(yǎng)類型特點

碳源自養(yǎng)型以CO2為唯一或主要碳源異養(yǎng)型以有機物為碳源能源光能營養(yǎng)型以光為能源化能營養(yǎng)型以有機物氧化的化學能為能源電子供體無機營養(yǎng)型以還原性無機物為電子供體有機營養(yǎng)型以有機物為電子供體三、營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的主要方式單純擴散(simplediffusionorpassivediffusion)促進擴散(facilitateddiffusion/transport)主動運輸(Activetransport)基團轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)1.單純擴散(simplediffusionorpassivediffusion)被輸送的物質(zhì)，靠細胞內(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。細胞膜細胞膜外細胞膜內(nèi)單純擴散模式圖單純擴散特點①擴散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營養(yǎng)物質(zhì)通過細胞膜中的含水小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴散②在擴散過程中營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化：即既不與膜上的分子發(fā)生反應(yīng)，本身的分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化；③物質(zhì)運輸?shù)乃俾瘦^慢：速率與胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細胞膜內(nèi)外該物質(zhì)濃度差的降低而減小，直到胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同；④不需要載體參與；擴散是一個不需要代謝能的運輸方式：因此，物質(zhì)不能進行逆濃度梯度運輸。⑤可運送的養(yǎng)料有限：限于水、溶于水的氣體，及分子量小，脂溶性、極性小的營養(yǎng)物質(zhì)。2.促進擴散

(facilitateddiffusion/transport)

營養(yǎng)物通過與細胞膜上載體蛋白（也稱作透過酶permease）的可逆性結(jié)合來加快其傳遞速度促進擴散模式圖細胞膜細胞膜外細胞膜內(nèi)恢復原構(gòu)象再循環(huán)結(jié)合移位構(gòu)象改變促進擴散特點在促進擴散過程中營養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上不會發(fā)生變化；不消耗代謝能量，故不能進行逆濃度梯度運輸；運輸速率由胞內(nèi)外該物質(zhì)的濃度差所決定；需要細胞膜上的載體蛋白（透過酶）參與物質(zhì)運輸；被運輸?shù)奈镔|(zhì)與載體蛋白有高度的特異性；養(yǎng)料濃度過高時,與載體蛋白出現(xiàn)飽和效應(yīng)。促進擴散的運輸方式多見于真核微生物中，例如通常在厭氧生活的酵母菌中，某些物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌是通過這種方式完成的。3.主動運輸(Activetransport)

在代謝能的推動下，通過膜上特殊載體蛋白逆物質(zhì)濃度梯度吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程細胞膜細胞膜外細胞膜內(nèi)恢復原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變ADP+PiATP主動運輸模式圖比較擴散和主動運輸主動運輸特點物質(zhì)在主動運輸?shù)倪^程中需要消耗代謝能可以進行逆濃度運輸?shù)倪\輸方式需要載體蛋白參與對被運輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性被運輸?shù)奈镔|(zhì)在轉(zhuǎn)移的過程中不發(fā)生任何化學變化不同的微生物在主動運輸過程中所需的能量的來源不同，好氧微生物中直接來自呼吸能，厭氧微生物主要來自化學能，光合微生物中則主要來自光能。主動運輸是微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。4.基團轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)基因轉(zhuǎn)位是一種特殊的主動運輸，與普通的主動運輸相比，營養(yǎng)物質(zhì)在運輸?shù)倪^程中發(fā)生了化學變化（糖在運輸?shù)倪^程中發(fā)生了磷酸化）。其余特點與主動運輸相同?；鶊F移位模式圖細胞膜外細胞膜內(nèi)SSSS細胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸在酶Ⅰ的作用下HPr被激活在酶Ⅱ的作用下P