第四章 微生物的營養(yǎng)

第四章微生物的營養(yǎng)營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。營養(yǎng)物質(zhì)（nutrient）

:能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質(zhì).營養(yǎng)（或叫營養(yǎng)作用，nutrition）:微生物獲得和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程。第一節(jié)微生物的營養(yǎng)六要素一、微生物的化學組成主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣等微量元素：鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅等占細菌細胞干重的97%

二、微生物的營養(yǎng)要素

六要素：碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水

營養(yǎng)物質(zhì)按照它們在機體中的生理作用不同，可以將它們區(qū)分成六大類。1.碳源（carbonsource）在微生物生長過程中能為微生物提供碳素來源的物質(zhì)碳源譜｛有機碳無機碳異養(yǎng)微生物自養(yǎng)微生物

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。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、脂類、醇類。有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的化合物。目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖、淀粉、麩皮、米糠等。表4—1微生物的碳源譜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、白堊等對于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來說，碳源是兼有能源功能營養(yǎng)物。碳源物質(zhì)的功能：構(gòu)成細胞物質(zhì)；為機體提供整個生理活動所需要的能量（異養(yǎng)微生物）。凡是能被用來構(gòu)成菌體物質(zhì)中或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)稱為氮源。1.氮源(nitrogensource)

氮源譜｛有機氮無機氮NH3銨鹽硝酸鹽N2｛｛蛋白質(zhì)核酸氨基酸尿素表4—2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空氣實驗室常用的無機氮源有碳酸銨、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。

氨基酸自養(yǎng)型生物：能利用尿素、銨鹽、硝酸鹽甚至氮氣的生物.多數(shù)微生物可以利用無機含氮化合物作為氮源，也可以利用有機含氮化合物作為氮源。氨基酸自異養(yǎng)型生物：但有些微生物沒有將無機氮合成有機氮的能力，它們不能把尿素、銨鹽等這些無機氮源自行合成他們生長所需的氨基酸，而需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源才能生長，這類微生物叫做氨基酸異養(yǎng)型微生物，也叫營養(yǎng)缺陷型。按氮源的不同生物可分為：氮源物質(zhì)的主要作用是合成細胞物質(zhì)中含氮物質(zhì)，少數(shù)自養(yǎng)細菌能利用銨鹽、硝酸鹽作為機體生長的氮源與能源，某些厭氧細菌在厭氧與糖類物質(zhì)缺乏的條件下，也可以利用氨基酸作為能源物質(zhì)。3.能源能源：能為微生物的生命活動提供最初能量來源營養(yǎng)物或輻射能能源譜｛化學物質(zhì)輻射能｛化能異養(yǎng)微生物的能源有機物無機物化能自養(yǎng)微生物的能源光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源化能自養(yǎng)微生物的能源物質(zhì)都是一些還原態(tài)的無機物質(zhì)，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用這些物質(zhì)作為能源的全部是細菌，如：硝酸細菌、亞硝酸菌、硫化細菌、硫細菌、鐵細菌、硫細菌、氫細菌和鐵細菌等。這些無機養(yǎng)料常常是雙功能的（如：NH4+既是硝酸細菌的能源，又是它的氮源。）

有機營養(yǎng)物常有雙功能或三功能作用，既是異養(yǎng)微生物的能源，又是它們的碳源或氮源。輻射能是單功能的，只為光能微生物提供能源。4.生長因子（growthfactor）生長因子：那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物主要包括維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（堿基）及其衍生物，此外還有甾醇、胺類、脂肪酸等等。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。

5.礦質(zhì)元素(無機鹽)

是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質(zhì)，它們?yōu)闄C體生長提供多種重要的生理功能。作用｛參與微生物中氨基酸和酶的組成；調(diào)節(jié)微生物的原生質(zhì)膠體狀態(tài)，維持細胞的滲透與平衡酶的激活劑。微量元素:通常需要量在10-6--10-8mol/L：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。根據(jù)微生物對礦質(zhì)元素需要量大小可以把它分成大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。6.水生理功能主要有①起到溶劑與運輸介質(zhì)的作用；②參與細胞內(nèi)一系列化學反應；③維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象；⑤通過水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)④熱的良好導體；第二節(jié)微生物的營養(yǎng)營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)生物生長過程中能量的來源光能營養(yǎng)型化能營養(yǎng)型根據(jù)能源、電子供體及碳源性質(zhì)的不同，可將微生物分為：光能無機自養(yǎng)型(photolithoautotrphy)光能有機異養(yǎng)型(photoorganoheterotrphy)化能無機自養(yǎng)型(chemolithoautotrphy)化能有機自養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy)1．光能無機自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為唯一或主要碳源；進行光合作用獲取生長所需要的能量；以無機物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細胞物質(zhì)；例如，藻類及藍細菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體），進行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細胞物質(zhì)。而紅硫細菌，以H2S為電子供體，產(chǎn)生細胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。CO2+2H2S光能光合色素[

CH2O]+2S+H2O2．光能有機異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細胞物質(zhì)；在生長時大多數(shù)需要外源的生長因子；例如，紅螺菌屬中的一些細菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細胞物質(zhì)，同時積累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O3．化能無機自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長所需要的能量來自無機物氧化過程中放出的化學能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細胞物質(zhì)?；軣o機自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；4．化能有機異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）生長所需要的能量均來自有機物氧化過程中放出的化學能；生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等。有機物通常既是碳源也是能源；大多數(shù)細菌、真菌、原生動物都是化能有機異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機異養(yǎng)型微生物；不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機物進行生長；有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；例如紫色非硫細菌(purplenonsulphurbacteria)：沒有有機物時，同化CO2，

為自養(yǎng)型微生物；有機物存在時，利用有機物進行生長，為異養(yǎng)型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物；黑暗與好氧條件下，依靠有機物氧化產(chǎn)生的化學能生長，為化能營養(yǎng)型微生物微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應能力微生物的營養(yǎng)類型(Ⅱ)第三節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方式營養(yǎng)物質(zhì)能否進入細胞取決于三個方面的因素：①營養(yǎng)物質(zhì)本身的性質(zhì)（相對分子量、質(zhì)量、溶解性、電負性等②微生物所處的環(huán)境（溫度、PH等）；③微生物細胞的透過屏障（原生質(zhì)膜、細胞壁、莢膜等）。根據(jù)物質(zhì)運輸過程的特點，可將物質(zhì)的運輸方式分為自由擴散促進擴散主動運輸基團轉(zhuǎn)移1．自由擴散擴散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式，原生質(zhì)膜是一種半透性膜，營養(yǎng)物質(zhì)通過原生質(zhì)膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)進行擴散。特點①物質(zhì)在擴散過程中沒有發(fā)生任何反應；②不消耗能量；③不能逆濃度運輸④運輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比水是唯一可以通過擴散自由通過原生質(zhì)膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通過自由擴散進出細胞。

2．協(xié)助擴散特點①不消耗能量②參與運輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化③不能進行逆濃度運輸④運輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比⑤需要載體參與

通過促進擴散進入細胞的營養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質(zhì)，但也有微生物對同一物質(zhì)的運輸由一種以上的載體蛋白來完成。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．主動運輸它的一個重要特點是物質(zhì)運輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進行逆濃度運輸。主動運輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運輸方式?；鶊F轉(zhuǎn)位又稱為磷酸烯醇式丙酮酸--磷酸糖轉(zhuǎn)移酶運輸系統(tǒng)（PTS），PTS通常由五種蛋白質(zhì)組成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三種亞基）和一種低相對分子量的熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)（HPr）。4．基團移位

基團移位是另一種類型的主動運輸，它與主動運輸方式的不同之處在于它有一個復雜的運輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運輸，而物質(zhì)在運輸過程中發(fā)生化學變化。PEP-P+HPr→HPr-p+丙酮酸P-HPr+糖→糖-P+HPr

基團轉(zhuǎn)移主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細胞中，主要用于糖的運輸，脂肪酸、核苷、堿基等也可以通過這種方式運輸。5、膜泡運輸(memberanevesicletransport)膜泡運輸主要存在于原生動物中,特別是變形蟲(amoeba),為這類微生物的一種營養(yǎng)物質(zhì)的運輸方式)。比較項目單純擴散 促進擴散主動運輸基團移位特異載體蛋白無 有 有 有 運送速度 慢 快 快 快 溶質(zhì)運送方向由濃至稀由濃至稀 由稀至濃 由稀至濃平衡時內(nèi)外濃度內(nèi)外相等 內(nèi)外相等 內(nèi)部高 內(nèi)部高 運送分子 無特異性 特異性 特異性 特異性 能量消耗 不需要 需要 需要 需要 運送前后溶質(zhì)分子不變 不變 不變 改變 載體飽和效應 無 有 有 有 與溶質(zhì)類似物無競爭性 有競爭性 有競爭性 有競爭性 運送抑制劑 無 有 有 有 運送對象舉例水、O2

糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖\嘌呤四種運送營養(yǎng)方式的比較第四節(jié)營養(yǎng)基概念：培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進行研究和利用工作的基礎(chǔ)任何培養(yǎng)基都應該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進行滅菌處理；常規(guī)高壓蒸汽滅菌：

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分鐘；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分鐘一、選用和設(shè)計培養(yǎng)基的原則和方法目的明確營養(yǎng)協(xié)調(diào)理化條件適宜經(jīng)濟節(jié)約1.目的明確根據(jù)不同的微生物的營養(yǎng)要求配制針對強的培養(yǎng)基。常見的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基細菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放線菌（高氏1號）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基)干麥芽粉加四倍水，在50℃--60℃保溫糖化3-4小時，用碘液試驗檢查至糖化完全為止，調(diào)整糖液濃度為10。巴林，煮沸后，沙布過濾，調(diào)PH為6.0。霉菌（查氏合成培養(yǎng)基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml2.營養(yǎng)協(xié)調(diào)碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。3.理化條件適宜pH水活度氧化還原電位a.pH培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。通常培養(yǎng)條件：細菌與放線菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6范圍內(nèi)生長為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿。b.水活度在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量，一般用在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條件下純水蒸汽壓力之比表示，即：αw=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽壓力,POw代表純水蒸汽壓力。純水αw為1.00,溶液中溶質(zhì)越多,αw越小。微生物一般在αw為0.60～0.99的條件下生長,αw過低時,微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適αw不同。c.氧化還原電位氧化還原電位又稱氧化還原電勢（redoxpotential），是度量某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢的一種指標，其單位是V（伏）或mV（毫伏）。不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長,以+0.3～+0.4伏為宜；厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長；兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進行好氧呼吸,+0.1伏以下時進行發(fā)酵。4.經(jīng)濟節(jié)約以粗代精以野代家以廢代好以國代進以簡代繁以氮代朊以烴代糧以纖代糖對微生物來說,各種粗原料營養(yǎng)更加完全,效果更好.而且在經(jīng)濟上也節(jié)約。以大氣氮、銨鹽、硝酸鹽或尿素等一類非蛋白質(zhì)或非氨基酸廉價原料用作發(fā)酵培養(yǎng)基的原料讓微生物轉(zhuǎn)化成菌體蛋白質(zhì)或含氮的發(fā)酵產(chǎn)物供人們利用。以粗代精以氮代朊以野生植物原料代替栽培植物原料,如木薯橡子、薯芋等都是富含淀粉質(zhì)的野生植物,可以部分取代糧食用于工業(yè)發(fā)酵的碳源。以野代家以纖代糖開發(fā)利用纖維素這種世界上含量最豐富的可再生資源.將大量的纖維素農(nóng)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)飼料,工業(yè)發(fā)酵原料,燃料,人類的食品及飲料以廢代好

以工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易污染環(huán)境的廢棄物作為培養(yǎng)微生物的原料.例如,糖蜜(制糖工業(yè)中含有蔗糖的廢液)乳清(乳制品工業(yè)中含有乳糖的廢液)、豆制品工業(yè)廢液及黑廢液(造紙工業(yè)中含有戊糖和己糖的亞硫酸紙漿)等都可作為培養(yǎng)基的原料.工業(yè)上的甲烷發(fā)酵主要利用廢水、廢渣作原料,在我國農(nóng)村,已推廣利用糞便及禾草為原料發(fā)酵生產(chǎn)甲烷作為燃料.另外,大量的農(nóng)副產(chǎn)品或制品，如麩皮、米糠、玉米漿酵母浸膏、酒糟、豆餅、花生餅、蛋白胨等都是常用的發(fā)酵工業(yè)原料。以烴代糧以石油或天然氣副產(chǎn)品代替糖質(zhì)原料來培養(yǎng)微生物。生產(chǎn)石油蛋白將石油產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成一些產(chǎn)值更高的高級醇、脂肪酸、環(huán)烷酸等化工產(chǎn)品和若干合成物；對石油產(chǎn)品的品質(zhì)進行改良，如脫硫、脫蠟等。二、培養(yǎng)基的類型及應用培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)分成多種類型。按成分不同劃分天然培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基含用化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基化學成分完全了解的物質(zhì)配制而成的