第四章 微生物的營(yíng)養(yǎng)

第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)

1.微生物的營(yíng)養(yǎng)需要，營(yíng)養(yǎng)物及其功能。2.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞的主要方式。3.微生物的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)需要，營(yíng)養(yǎng)物及其功能營(yíng)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(xì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)：有機(jī)體吸取和利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過程。1.微生物細(xì)胞的化學(xué)組成（1）化學(xué)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(xì)菌細(xì)胞干重的97%）。微量元素(traceelement):鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼。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％）（2）元素在細(xì)胞內(nèi)存在形式上述元素主要以水、有機(jī)物、無機(jī)鹽的形式存在于細(xì)胞中：1．有機(jī)物：蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素及其降解產(chǎn)物.2．無機(jī)物：1)參與有機(jī)物組成，2)單獨(dú)存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)以無機(jī)鹽的形式存在.3、水：約占細(xì)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(cè)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(xì)胞化學(xué)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(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(jī)鹽2~303.8~76~122.營(yíng)養(yǎng)要素及其生理功能微生物的營(yíng)養(yǎng)要求與攝食型的動(dòng)物和光合自養(yǎng)型的植物十分接近。微生物的六類營(yíng)養(yǎng)要素為：碳源（carbonsource） 氮源（nitrogensource）能源（energysource） 生長(zhǎng)因子（growthfactor） 無機(jī)鹽（mineralsalts）水（water）（1）碳源（Carbonsource）◆定義：凡可被用來構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?！艄δ埽禾峁┖铣杉?xì)胞物質(zhì)及代謝物的原料;并為整個(gè)生理活動(dòng)提供所需要能源（異養(yǎng)微生物）?！舴N類:無機(jī)含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。有機(jī)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(jī)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(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進(jìn)行生長(zhǎng)。

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(jī)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(jiǎn)單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機(jī)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(jī)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(yíng)養(yǎng)源。

功能：

1）提供合成細(xì)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(xì)菌可以銨鹽、硝酸鹽等氮源為能源。

種類：無機(jī)氮：銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、尿素、氨、N2等；有機(jī)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(jī)氮N·C·H·O·X復(fù)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(jiǎn)單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)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(jī)體的生長(zhǎng)。蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機(jī)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(dòng)提供最初能量來源的營(yíng)養(yǎng)物或輻射能，稱為能源。能源譜化學(xué)物質(zhì)（化能營(yíng)養(yǎng)型）有機(jī)物作為化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）無機(jī)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(yíng)養(yǎng)型）光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源（4）生長(zhǎng)因子（growthfactor）定義:是一類對(duì)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(jiǎn)單的碳源或氮源合成，或合成量不足以滿足機(jī)體生長(zhǎng)需要的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。不同微生物需求的生長(zhǎng)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(zhǎng)因子能力的微生物稱為營(yíng)養(yǎng)缺陷型微生物。許多維生素都能起生長(zhǎng)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)缺陷型野生型(wildtype)也稱原養(yǎng)型

不需要生長(zhǎng)因子，能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌株。營(yíng)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(zhǎng)素物質(zhì)才能生長(zhǎng)的菌株。（5）無機(jī)鹽（mineralsalts）定義：為微生物細(xì)胞生長(zhǎng)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(jī)鹽的形式共給。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生長(zhǎng)所需濃度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生長(zhǎng)所需濃度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生長(zhǎng)所需要的無機(jī)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(jī)鹽的生理功能無機(jī)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(shí)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(jī)元素的來源和功能（6）水微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)。幾類微生物生長(zhǎng)最適

w。

————————————————微生物

w

————————————————一般細(xì)菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜鹽細(xì)菌0.76嗜鹽真菌0.65嗜高滲酵母0.60————————————————水在細(xì)胞中的生理功能水起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用。水參與細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)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(xì)胞內(nèi)溫度變化。水是維持細(xì)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(yíng)養(yǎng)類型

劃分依據(jù)營(yíng)養(yǎng)類型特點(diǎn)

碳源自養(yǎng)型以CO2為唯一或主要碳源異養(yǎng)型以有機(jī)物為碳源能源光能營(yíng)養(yǎng)型以光為能源化能營(yíng)養(yǎng)型以有機(jī)物氧化的化學(xué)能為能源電子供體無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型以還原性無機(jī)物為電子供體有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型以有機(jī)物為電子供體三、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的主要方式單純擴(kuò)散(simplediffusionorpassivediffusion)促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion/transport)主動(dòng)運(yùn)輸(Activetransport)基團(tuán)轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)1.單純擴(kuò)散(simplediffusionorpassivediffusion)被輸送的物質(zhì)，靠細(xì)胞內(nèi)外濃度為動(dòng)力，以透析或擴(kuò)散的形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散。細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)單純擴(kuò)散模式圖單純擴(kuò)散特點(diǎn)①擴(kuò)散是非特異性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過細(xì)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(kuò)散②在擴(kuò)散過程中營(yíng)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(yùn)輸?shù)乃俾瘦^慢：速率與胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細(xì)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(kuò)散是一個(gè)不需要代謝能的運(yùn)輸方式：因此，物質(zhì)不能進(jìn)行逆濃度梯度運(yùn)輸。⑤可運(yùn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。2.促進(jìn)擴(kuò)散

(facilitateddiffusion/transport)

營(yíng)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)合來加快其傳遞速度促進(jìn)擴(kuò)散模式圖細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)恢復(fù)原構(gòu)象再循環(huán)結(jié)合移位構(gòu)象改變促進(jìn)擴(kuò)散特點(diǎn)在促進(jìn)擴(kuò)散過程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上不會(huì)發(fā)生變化；不消耗代謝能量，故不能進(jìn)行逆濃度梯度運(yùn)輸；運(yùn)輸速率由胞內(nèi)外該物質(zhì)的濃度差所決定；需要細(xì)胞膜上的載體蛋白（透過酶）參與物質(zhì)運(yùn)輸；被運(yùn)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(shí),與載體蛋白出現(xiàn)飽和效應(yīng)。促進(jìn)擴(kuò)散的運(yùn)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(dòng)運(yùn)輸(Activetransport)

在代謝能的推動(dòng)下，通過膜上特殊載體蛋白逆物質(zhì)濃度梯度吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過程細(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+PiATP主動(dòng)運(yùn)輸模式圖比較擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸特點(diǎn)物質(zhì)在主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗代謝能可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸方式需要載體蛋白參與對(duì)被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)在轉(zhuǎn)移的過程中不發(fā)生任何化學(xué)變化不同的微生物在主動(dòng)運(yùn)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(xué)能，光合微生物中則主要來自光能。主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。4.基團(tuán)轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)基因轉(zhuǎn)位是一種特殊的主動(dòng)運(yùn)輸，與普通的主動(dòng)運(yùn)輸相比，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在運(yùn)輸?shù)倪^程中發(fā)生了化學(xué)變化（糖在運(yùn)輸?shù)倪^程中發(fā)生了磷酸化）。其余特點(diǎn)與主動(dòng)運(yùn)輸相同?；鶊F(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丙酮酸在酶Ⅰ的作用下HPr被激活在酶Ⅱ的作用下P