第4章 微生物的营养

第四章微生物的营养,学时安排：2学时要求：1、掌握微生物所需要的营养物质及其功能2、掌握微生物的营养类型3、了解物质进出微生物细胞的方式及机理4、掌握制备培养基的基本原则、培养基的种类及其应用,营养(Nutrition)概念,始点:是生命体活动的始点过程:从外界摄取能量和物质的过程基础:为生命活动提供物质基础功能:满足生物体生长和繁殖需要的一种最基本生理功能,微生物的营养及特点,营养：微生物获得和利用营养物质的过程营养物：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质微生物营养的特点：食谱广、胃口大广谱：微生物的营养物很广，包括非常规物质形式的光辐射能等,营养物的功能,供物：提供置换与增生细胞的结构物质供量：供应生命活动的能量调节：提供各种代谢调节物确保良好的生理环境等,研究微生物营养的重要性,研究的基础：是开发和研究微生物的基础，设计的依据：筛选微生物培养基的理论依据，实践的必须：为生产实践提供经济、节约和高效益的应用培养基。,第一节微生物的营养要求,一、微生物细胞的化学组成,水：70%-90%,干物质,有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物,无机物（盐）,微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,微生物细胞,细胞化学元素水平,二、微生物的六种营养要素,碳源营养物carbonsource氮源营养物Nitrogensource能源营养物energysource,生长因子growthsource无机盐mineralsource水water,碳源与碳源谱,化合物水平培养基原料水平CHONX有CHON机千种以上700余万种CHO碳CHC无无无CO机少少COX碳少少,碳源：碳源是为微生物营养提供所需的碳元素（碳架）的营养源。碳源谱：(碳源的范围),微生物碳源谱特点,类型：有机（异养）和无机（自养）两大类谱广：碳源谱很广动、植物界的总和最佳碳源：为CHO型有机物。合理使用：CHONX型碳源物不应降格使用利用差异：微生物间利用碳源谱能力差异大双功能C：异养菌的碳源等于能源，碳源常是双功能营养物(difuctionalnutrient,致病菌的碳源特点,要求高：必须利用各种有机营养物为碳源需血清：不少种类致病菌需动物血清、组织或宿主自身作为培养基供CO2：有些种类常需要提供10%（V/V）CO2才能长好,选用碳源的原则,忌纯粹：切忌营养上的“纯粹”、莫以纯粹才能称“营养要素”求效益：讲究科研和生产的经济效益与综合利用，求生态效应。莫降格：切莫降格使用碳原,尤如将牛肉干当柴烧等。,氮源与氮源谱,氮源：为微生物生长繁殖等提供所需氮元素的营养物,是构成蛋白质与核酸的主要元素。氮源谱：化合物水平原料水平NCHOXNCHONONH无机数十种几十种N,有机上千种数万种,氮源谱,有机氮,无机氮,NH3铵盐硝酸盐N2,蛋白质核酸氨基酸尿素,微生物氮源谱特点,类型：微生物氮源类型可分为无机氮、有机氮两类。谱广：微生物利用氮的氮源很广，大于动、植物之和。最适氮源：微生物最适氮源序列为：NCHONHNON切莫降格：不要降格、级使用氮源物。以aa分型：即有氨基酸自养型与异养型微生物之分。,微生物的营养类型,两大类型：在氮源上自养型微生物即为氨基酸自养类(Aminoacidautotrophs)和异养型微生物即为氨基酸异养类(Aminoacidheterotriphs)固氮型利用空气氮合成氨为菌体吸收；自养类无机合成型利用NH4+和NO3合成自身菌体蛋白；有机型则利用尿素为自身的氮源。异养型：可利用其他生物的氨基酸分解、组装成自身蛋白质等有用物质,氨基酸自养型微生物的重要性,定义：即具有利用外界简单无机氮源物合成自身所需氨基酸能力的生物类型：所有的植物和很多微生物为氨基酸自养型生物应用：利用氨基酸自养型微生物生产有用氨基酸及单细胞蛋白质（SCP）,能源与能源谱,能源：为微生物的生命活动提供能量的最初来源物,能源谱,化学物质(化能营养型)辐射能(光能营养型),有机物：化能异养微生物的能源(同碳源)无机物：化能自养微生物的能源(异碳源)：光能异养与自养微生物的能源,微生物能源特点,能源谱广：微生物能源谱大于植物，更大于动物。独特类型：化能自养菌是生物界最独特生物类型，能利用一些还原态的无机物，例如,NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。单功能营养物：光辐射、CO2、N2等分类双功能营养物：NH4+、纯葡萄糖等多功能营养物：氨基酸、牛肉膏、蛋白胨等,生长因子(growthfactor),定义要点：为某些微生物维持正常代谢必不可少生物体不能以简单碳源和氮源自身合成由外界供给的需要较少的一类有机物质狭义与广义生长因子：狭义：仅指维生素类为人、动物与微生物所必需物广义：还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4C6的分枝或直链脂肪酸,有时还将氨基酸营养缺陷突变株所需的氨基酸也算在内。,微生物生长因子类型,自养型：不需要外界提供生长因子的称生长因子自养型微生物(auxoautotrophs)异养型：必需由外界提供生长因子才能正常生长的称生长因子异养型微生物(auxoheterotrophs)，如乳酸菌、动物致病菌等分泌型：自养型中一类能大量合成，且分泌与累积生长因子的称生长因子过量合成型微生物故生长因子与碳源、氮源和能源有异,并非为一切微生物的生命活动所必需提供之营养物。,维生素及其生理功能,维生素类转移的对象代谢功能B1硫胺素乙醛基脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基B2核黄素氢、电子FMN和FAD的前体等B5烟酸氢、电子NAD和NADP的前体等B6吡哆醇氨基转氨、脱羧酶辅基等B12维生素羧基、甲基钴酰胺辅酶,参与一碳基传递等泛酸酰基辅酶A的前体等叶酸甲基参与一碳基转递等生物素(H)羧基羧化酶的辅基,CO2固定中作用,生长因子提供及测定法,提供：若要测知微生物对生长因子需求的情况,可由添加富含生长因子的天然原料试验，如酵母膏、玉米浆、肝浸汁、麦芽汁或新鲜动、植物组织液等则成本低。鉴定：若须知某一生长因子异养型微生物需何类何种生长因子,则需作生长因子谱测定。测定：生长因子自养型微生物可用作维生素等生长因子生物测定时的供试菌。,酵母膏、玉米浆富含生长因子,酵维生素类11种母yeastextract膏氨基酸类18种玉氨基酸类15种米cornsteepliquor浆维生素类5种,复合维生素(用于分离培养土壤和水生菌),维生素种类含量生物素0.2mg烟碱酸2.0mgB11.0mgPABA1.0mg泛酸0.5mgB65.0mgB122.0mgH2O100ml,生长因子的生理机能,维构成酶的辅基、辅酶，参与氧化还原反应等生构成酶辅基的前体物，参与转移氨等反应素构成酶辅酶的前体物，参与糖及脂肪的合成等甾醇：枝原体等膜的结构成分脂肪酸：氨基酸：营养缺陷型细菌的必需营养与生长因子,无机盐,定义：为微生物提供除碳、氮以外的各种重要生物必需元素营养物的统称凡生长所需浓度在10-310-4mol/L的元素称为类大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等型而生长所需浓度在10-610-8mol/L的元素称为微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo和Co等,无机盐功能,大细胞结构成分(S、P、Ca、Mg、Fe等)量生理活性调节物(Na+-维持渗透压；Mg2+-酶激等)元化能自养菌的能源(S、fe2+、NH4+、NO2-等)素无氧呼吸的受体(NO2-、SO42-等)微量酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+)特殊分子结构成分(Co、Mo)元素,无机盐的提供方式,大量元素：加入有关化学试剂，如K2HPO4及MgSO4等微量元素：为一般化学试剂中含之及天然成分中杂质等,配置精细合成培养基要点,清净：所用玻璃器皿是硬质的、试剂是高纯度的。防污：配置中特别小心，防止其他有机物、无机物污染。按序：依据需求一一加入无机元素，以作精细分析,水-生命体的源泉,起到溶剂与运输介质的作用；参与细胞内一系列化学反应;维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定水功能然构象;热的良好导体；通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构。,水是生命体最基本的要素最大营养物需求量最大的营养物含量可达细胞的7090%,微生物的含水量,细菌约80%营养体酵母约75%霉菌约85%霉菌孢子：约39%细菌芽孢：芽孢核心极低,三、微生物的营养类型,化能异养型(化能有机营养型)：需有机物为营养，它既作碳源物作能源物，有腐生和寄生之分化能自养型(化能无机营养型)：以无机物作能源物来同化CO2合成自身所需细胞物质光能异养型(光能有机营养型)：能源来自光，需有机物作氢供来还原CO2生成细胞物质光能自养型(光能无机营养型)：以CO2为唯一碳源及利用光能进行生长的微生物,营养类型名称为按能源和氢供体的顺序来表达,微生物的营养类型的分类,营养类型划分标准不一，则营养类型称谓各异。划分标准营养类型以能源为主光能/化能(phototroph/chemotroph)供氢体为主无机/有机(lithotroph/organotroph)以碳源为主自养/异养(autotroph/heterotroph)合成氨基酸氨自/氨异(aminoacidauto-/hetero-)以取食方式渗透/吞噬(osmotroph/phageocytosis)猎取死、活腐生/寄生(saprophytism/parasitism)以生长因子营缺/野生(auxotroph/wildtype)营缺/原养(auxotroph/prototroph),营养类型能源氢供体碳源实例光能无机营养型光无机物CO2蓝细菌、(光能自养型)紫硫细光能有机营养光有机物CO2或简红螺菌科(光能异养型)单有机物化能无机营养型无机物无机物CO2硝化.硫化.(化能自养型)铁.氢细菌化能有机营养型有机物有机物有机物大多原核.(化能异养型)全部真核,微生物营养类型简介,自养微生物营养及代谢特点,营养要素营养物类型能源：辐射能(如日光能)无机物，如：NH4+,NO22-,S,H2S,H2,Fe2+等碳源：CO2氮源：无机氮生长因子：不需要，即自养型或合成分泌型代谢特点：含卡尔文循环,异养微生物营养要点,至少需提供一种量大的有机物才能满足其正常营养需求其碳源、氢供体为有机物，能源则可利用氧化有机物或吸收日光能获得,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变。微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力如紫色非硫细菌(purplenonsulphurbacteria)：没有有机物时，同化CO2，为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物,不同营养类型之间的界限并非绝对,第二节营养物质进入细胞,营养物质进入细胞的方式,物不需膜上载体蛋白-单纯扩散质运要耗能-促进扩散送需载体溶质分子不变-主动运送类(蛋白)不耗能型溶质分子改变基团移位,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等微生物所处的环境（温度、PH等）；微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特点,自由扩散（单纯扩散）,物质在扩散过程中没有发生任何反应；不消耗能量；不能逆浓度运输；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,单纯扩散,单纯扩散非电离的小分子胞外膜上质内物，如：O2、CO2、乙醇和(某些)氨基酸经物理扩散由膜外至膜内，不耗能，不能逆浓度运行，不是细胞获取营养的主要方式溶质分子无载体溶质浓度低,特点,协助扩散（促进扩散）,不消耗能量；参与运输的物质本身的分子结构不发生变化；不能进行逆浓度运输；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比；需要载体参与。,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,促进扩散,胞外膜上质内借助于膜上底物特异性载体蛋白(Carrierprotein），载体蛋白位于膜上、经构象改变接送溶质分子通常需经诱导产生、不能逆浓度运送物质不耗能，只能在高浓度下对微生物的营养产生作用溶质分子载体蛋白质内溶质,促进扩散,胞外膜上质内是微生物吸收营养物的主要方式由特异性载体蛋白改变构象运送溶质为耗能逆浓度下运送物质,具有浓缩和富集营养物之功能运送物为无机离子、有机离子和一些糖类,ATPADP+Pi,主动运输,基团移位,基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。PEP-P+HPrHPr-p+丙酮酸P-HPr+糖糖-P+HPr,基团移位步骤,HPr的激活：HPr为PEP的磷酸基因所激活P-HPrHPr+PEPE1丙酮酸+P-HPr糖被磷酸化：膜外糖先与外膜表面的酶2结合，转送至内膜表面；糖被P-HPr上的磷酸所激活P-HPr+糖E2糖-P+HPr激活糖释放：被激活的糖被运送至细胞质中，糖可逆梯度运送,S,基团移位图解胞外膜上质内,S,Enz2,Enz2,Enz2,HPr,P,Enz1,SPSEnz2HPrS+PEPS丙酮酸,四种运送营养物质方式差异的比较,比较项目单纯扩散促进扩散主动运送基团移位特异载体蛋白无有有有运送速度慢快快快溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等内外相等内浓度高得多内浓度高得多运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要前后溶质分子不改变不改变不改变改变载体饱和效应无有有有与溶质类似物无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂无有有有运送对象举例H2O.CO2.O2.SO42-.PO43-.氨基酸.乳糖筝葡萄糖.果糖等乙醇.盐类等糖(真核生物)Na+.Ca+等离子嘌呤.核苷.脂肪,第三节培养基,培养基：是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基都应该具备六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水常规高压蒸汽灭菌：121.315-30分钟；,一、选用和设计培养基的原则和方法,目的明确,营养协调,理化条件适宜,经济节约,目的明确,根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S10g，MgSO4.7H2O0.5g，（NH4)2SO40.4g，FeSO40.01g，H2PO44g，CaCl20.25g，H2O1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖5g，NH4H2PO41g，NaCl5g，MgSO4.7H2O0.2g，K2HPO41g，H2O1000ml,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl5g，H2O1000ml放线菌（高氏1号）：淀粉20g，K2HPO40.5g，NaCl0.5g，MgSO4.7H2O0.5g，KNO31g，FeSO40.01g，H2O1000ml酵母菌(麦芽汁培养基)：土豆培养基也行干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。霉菌（查氏合成培养基）：NaNO33g，K2HPO41g，KCl0.5g，MgSO4.7H2O0.5g，FeSO40.01g，蔗糖30g，H2O1000ml,营养协调,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,理化条件适宜,pH,水活度,氧化还原电位,pH,通常培养条件：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长,培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。,为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。,水活度,水活度：在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：w=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。纯水w为1.00,溶液中溶质越多,w越小。微生物一般在w为0.600.99的条件下生长,w过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适w不同。,氧化还原电位,氧化还原电位：又称氧化还原电势（redoxpotential