第四章 微生物的營養(yǎng)

第四章微生物的營養(yǎng)概述

同其它生物一樣，微生物要合成細胞物質，獲得生活能量和形成代謝產物，就必須從外界環(huán)境中吸取適當?shù)臓I養(yǎng)物質。環(huán)境中存在的能滿足微生物生長、繁殖和進行各種生理活動需要的物質稱為營養(yǎng)物質。微生物攝取和利用營養(yǎng)物質的過程稱為營養(yǎng)。

營養(yǎng)為一切生命活動的起點。有了營養(yǎng)，微生物才能進行代謝、生長和繁殖，并為人類提供各種有益代謝產物。了解微生物的營養(yǎng)原理，是研究和利用微生物的必要基礎，對合理選擇和設計符合微生物生理要求并有利于生產應用的培養(yǎng)基有重要意義。

營養(yǎng)物質的確定，主要依據(jù)組成細胞的化學成分以及我們所需要的代謝產物的化學組成。分析微生物細胞的化學組成，是了解微生物營養(yǎng)的基礎。一、微生物細胞的元素組成微生物細胞的化學元素組成與高等生物相同，包括碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈉、鎂、鈣、鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等化學元素。以水、有機物和無機鹽的形式存在。

1.水分

水是微生物及一切生物細胞中含量最多的成分。微生物細胞的含水量隨種類和生長期而異。通常情況下，細菌含水量為細胞鮮重的75%～85%，酵母菌為70%～85%，絲狀真菌為85%～90%，細菌芽孢和霉菌孢子的含水量約為40%。作用

2.干物質的元素組成

微生物細胞主要組成元素為碳、氫、氧、氮，約占細胞干重的90%～97%，其余3%～10%為磷、鉀等礦質元素。礦質元素約占細胞干重的3%～10%，其中磷含量最高，約占灰分元素的50%，其次為鉀，約占灰分總量的20%，其余元素含量較少。

微生物細胞的化學組成隨微生物種類、培養(yǎng)條件和生長階段不同而有明顯差異。在特殊生態(tài)環(huán)境中生活的一些微生物，常在細胞內富集某些特殊元素。如海洋微生物含有較多鈉元素，某些硫化細菌能在細胞內積累硫元素，某些鞘細菌在鞘中沉積鐵和錳的氧生物，硅藻在外殼中積累硅和鈣等元素。元素細菌酵母菌霉菌C50.449.847.9

H

6.76.76.7

O30.5

31.140.2

N12.312.4

5.2C:N

4～5:14～5:19～10:1微生物細胞中主要元素含量(占干重%)

二、微生物的營養(yǎng)物質

微生物的營養(yǎng)要素包括水、碳源、氮源、能源、生長因子和無機鹽。微生物的六大營養(yǎng)。1.水

水是一切生物生存的基本條件。水是許多營養(yǎng)物質的溶劑，營養(yǎng)物質進入細胞和代謝廢物排出細胞均以水為媒介。水能維持生物大分子結構穩(wěn)定和酶活性。細胞內的一切生化反應均在水介質系統(tǒng)中進行。水的比熱高，又是熱的良導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱量，使細胞溫度不致于驟然升高，能有效調節(jié)細胞內的溫度。

微生物細胞內的水分有游離態(tài)和結合態(tài)兩種形式，兩者的生理功能不同。

2.碳源

凡能提供微生物營養(yǎng)所需碳元素(碳架)的營養(yǎng)物質稱為碳源。碳素是構成菌體成分的主要元素，又是產生各種代謝產物和細胞內貯藏物質的重要原料。碳源分為無機碳源和有機碳源。常用的碳源物質有糖類(單糖、寡糖和多糖)、有機酸、醇、脂類、烴類及芳香族化合物等。其中糖類是利用最廣泛的碳源，其次為醇類、有機酸和脂類。異養(yǎng)微生物的碳源同時充作能源，即碳源物質同時提供碳素和能量。異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物類型構成元素化合物培養(yǎng)基原料有

機

碳C.H.O.N.X

C.H.O.N

C.H.O

C.H復雜蛋白質,核酸等

多數(shù)氨基酸,簡單蛋白質

糖,醇,有機酸,脂類

烴類牛肉膏,蛋白胨,花生餅粉等

氨基酸,明膠

葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜等

天然氣,石油,石蠟等無

機

碳C.O

C.O.XCO2

NaHCO3,CaCO3等CO2

NaHCO3,CaCO3等微生物的碳源

3.氮源

凡能提供微生物生長繁殖所需氮素的營養(yǎng)物質，稱為氮源。微生物能利用的氮源種類十分廣泛，從N2、無機氮化物到復雜的有機氮化合物均能在不同程度上為微生物利用。固氮微生物，能以空氣中的分子態(tài)氮(N2)為唯一氮源。氨基酸自養(yǎng)型，能以無機氮(銨鹽、硝酸鹽和尿素等)為唯一氮源，合成氨基酸，進而轉化為蛋白質及其它含氮有機物。這是數(shù)量最大，種類最多的一個類群。氨基酸異養(yǎng)型，不能合成某些必需的氨基酸，必須從外源提供這些氨基酸才能生長。速效氮源和遲效氮源類型元素化合物培養(yǎng)基原料有

機

氮N.CHO.X

N.CHO復雜蛋白質,核酸等

尿素,氨基酸,簡單蛋白質等牛肉膏,酵母膏,餅粉及蠶蛹粉等

尿素,蛋白胨,明膠等無

機

氮N.H

N.O

NNH3,NH4+等

NO3-1

N2(NH4)2SO4,NH4NO3等

KNO3等

空氣

微生物的氮源4.能源

為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物質和輻射能稱為能源?；茏责B(yǎng)微生物的能源都是一些還原態(tài)無機物質。如NH3、NH4+、NO3-、S、H2S、H2和Fe2+等。能利用這些物質的微生物均為細菌，如硝酸細菌、亞硝酸細菌、硫細菌、氫細菌和鐵細菌等。有些要素或物質僅有一種功能，有些則具有多種功能。5.礦質養(yǎng)分

礦質元素是微生物生命活動不可缺少的物質,微生物細胞中的礦質元素約占細胞干重的3%～10%。其主要功能：構成微生物的細胞結構；酶活性基的組成分和酶的激活劑；調節(jié)細胞滲透壓、pH值和氧化還原電位；化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+等)。

根據(jù)微生物對礦質元素需要量的大小將其分為兩類，需要濃度在10-3～10-4mo1/L范圍內的元素稱為大量元素，包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe；需要濃度為10-6～10-8mo1/L范圍內的元素，稱為微量元素，包括Cu、Zn、Mn、Mo、Co、B等10種。微生物雖然需要多種微量元素，自來水和其它營養(yǎng)物質中以雜質形態(tài)存在的數(shù)量已能滿足微生物生長需要，過量加入會造成毒害。磷微生物細胞中磷含量較高，一部分磷構成核酸和磷脂，其它磷是ATP系統(tǒng)和各種輔酶的重要組分。微生物對磷的需要量較高，適宜濃度一般為0.005～0.01mol/L。培養(yǎng)基中的磷是通過加入無機磷酸鹽K2HPO4、KH2PO4和NaH2PO4等提供的。硫硫存在于細胞內的蛋白質中，是含硫氨基酸(半胱氨酸、胱氨酸及甲硫氨酸)的組成分。一些酶的活性基(輔酶A、谷胱甘肽、生物素及硫辛酸)都含有巰基(—SH)。微生物主要從含硫的無機鹽或含硫的有機物中得到硫。大多數(shù)微生物利用無機硫化物作硫源，常用MgSO4等向培養(yǎng)基中添加硫。

鎂是細菌葉綠素的組成元素和多種酶的激活劑。同時在細胞結構如核糖體、細胞膜的穩(wěn)定性上起作用。鎂常用MgSO4或其他鎂鹽提供，其濃度約為0.001mol/L。鉀和鈉鉀不參與細胞結構成分。鉀是多種酶的激活劑，還對細胞內原生質的膠體狀態(tài)和細胞膜透性起調控作用。鈉主要參與細胞滲透壓的調節(jié)。海洋和嗜鹽微生物細胞內含有較高濃度的鈉離子。鉀是細胞中的主要無機陽離子。培養(yǎng)基中常用K2HPO4、KNO3等鉀鹽提供鉀素，適宜濃度為0.001～0.004mol/L。鈣不參與微生物細胞結構物質的組成，以離子狀態(tài)控制著細胞的生理狀態(tài)，如降低細胞質膜透性，調節(jié)酸度等。對淀粉酶及蛋白酶等胞外酶活性的穩(wěn)定有重要影響。是芽孢內含量較高的元素。各種水溶性鈣鹽通常是微生物的鈣素來源。鐵鐵是細胞色素、細胞色素氧化酶和過氧化氫酶的活性基及鐵卟啉的組成部分。

微量元素

微生物需要量很少但又不可缺少的礦質元素稱為微量元素。主要包括銅、鉬、鈷、鋅、錳、釩等元素。微量元素是許多酶和維生素的組成部分。6.生長因子生長因子定義

(growthfactor)生長因子主要包括維生素、氨基酸和堿基(嘧啶和嘌呤)。生長因子不提供能量，也不參與細胞結構組成，它們大多為酶的組成分，與微生物代謝有著密切關系。

生長因子雖是一種重要的營養(yǎng)要素，但它與碳源、氮源和能源物質不同，并非所有微生物都需從外界吸收，有些微生物可以自身合成。按微生物與生長因子間的關系將微生物分為3種類型：一是生長因子自養(yǎng)型微生物，能自身合成各種生長素，不需外界供給。通常把這種不需生長素而能在基礎培養(yǎng)基上生長的菌株稱為野生型或原養(yǎng)型菌株。多數(shù)真菌、放線菌和部分細菌屬于這種類型。二是生長因子異養(yǎng)型微生物，它們自身缺乏合成一種或多種生長素的能力，需外源提供所需生長素才能生長。通常將由于自發(fā)或誘發(fā)突變等原因從野生型菌株產生的需要特定生長素才能生長的菌株稱為營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)菌。乳酸菌、各種動物病原菌和支原體等屬于生長因子異養(yǎng)型微生物。三是生長因子過量合成微生物，它們在代謝活動中向細胞外分泌大量的維生素等生長因子，可用于維生素的生產。如阿舒假囊酵母(Eremotheciumashbya)的維生素B2產量可達2.5g/L發(fā)酵液。

三、微生物的營養(yǎng)類型以能源分1.光能營養(yǎng)型2.化能營養(yǎng)型以供氫體分1.無機營養(yǎng)型2.有機營養(yǎng)型以碳源分1.自養(yǎng)型2.異樣型以合成氨基酸能力分1.氨基酸自養(yǎng)2.氨基酸異樣以生長因子分1.原養(yǎng)型2.營養(yǎng)缺陷型以攝食方式分1.滲透營養(yǎng)型2.吞噬營養(yǎng)型以攝取死活有機物分1.寄生2.腐生微生物營養(yǎng)類型分類

營養(yǎng)類型能源氫供體主要碳源實例光能無機營養(yǎng)型(光能自養(yǎng)型)

光能有機營養(yǎng)型(光能異養(yǎng)型)

化能無機營養(yǎng)型(化能自養(yǎng)型)

化能有機營養(yǎng)型(化能異養(yǎng)型)光

光

無機物*

有機物無機物

有機物

無機物

有機物CO2

CO2及簡單有機物

CO2

有機物藍細菌,藻類

紅螺菌科細菌

硝化細菌,硫化細菌,鐵細菌,氫細菌,硫黃細菌

絕大多數(shù)細菌,全部真核微生物*NH4+,NO21-,S,H2S,H2及Fe2+等微生物的營養(yǎng)類型光能自養(yǎng)型，是一類具有光合色素、能利用光能并以水或還原態(tài)無機物為供氫體同化CO2的微生物。藻類、藍細菌和光合細菌屬于這種類型。光能異養(yǎng)型能利用光能、以簡單有機物(有機酸、醇等)為供氫體同化CO2的微生物類群稱為光能有機營養(yǎng)型?；茏责B(yǎng)型微生物能通過氧化無機物獲得能量并能以CO2為主要或唯一碳源的微生物。化能異養(yǎng)型，凡以有機物為碳源、能源和供氫體的微生物。該類型包括的微生物種類最多，作用也最強。已知的絕大多數(shù)細菌、放線菌、全部真菌和原生動物均屬于此類型。

第二節(jié)營養(yǎng)物質進入細胞的方式

細胞壁是環(huán)境中營養(yǎng)物質進入細胞的屏障之一。普通細胞壁的網(wǎng)狀結構允許分子量低于800道爾頓的小分子物質自由出入，但能阻擋高分子物質進入。所以復雜的高分子化合物如多糖、蛋白質、纖維素和果膠等在進入微生物細胞之前必須先經過胞外酶的初步分解后才能進入。胞外酶多為適應性(誘導)酶。常見的胞外酶主要有：淀粉酶、纖維素酶、果膠酶、幾丁質酶、蛋白酶、核酸酶與脂酶等。細胞質膜為半透膜，由磷脂雙分子層和嵌合蛋白分子組成，是控制營養(yǎng)物質進入和代謝產物排泄出細胞的主要屏障，具有選擇性吸收功能，是細胞內外物質交換的主要界面。通常認為，營養(yǎng)物質通過質膜的方式有4種：單純擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉移，其中主動運輸最為重要。

一、單純擴散也稱被動擴散，它是由于細胞質膜內外營養(yǎng)物質的濃度差而產生的物理擴散作用。擴散是非特異性的。擴散速度取決于營養(yǎng)物的濃度差、分子大小、溶解性、極性、pH、離子強度和溫度等因素。營養(yǎng)物的擴散將使細胞內外的濃度差不斷減小，直至兩者相等并達到動態(tài)平衡。單純擴散不需膜上載體蛋白參與，也不消耗能量，因此它不能逆濃度梯度運輸養(yǎng)料，運輸速度，運輸?shù)酿B(yǎng)料種類也十分有限。能以單純擴散方式進入細胞的物質主要有水、溶于水的氣和小的極性分子(如尿素、甘油、乙醇等)。是營養(yǎng)物質由高濃度的細胞外環(huán)境向的濃度的細胞內擴散。單純擴散不是細胞吸收營養(yǎng)物質的主要方式，因為細胞不能通過這種方式選擇必須的營養(yǎng)物質。二、促進擴散(FacilitatedDiffusion)

養(yǎng)料通過與細胞質膜上透過酶(Permease,或稱載體蛋白)的可逆性結合從高濃度環(huán)境進入低濃度環(huán)境的傳遞過程稱為促進擴散。透過酶的參與加快了養(yǎng)料的運輸速度。透過