微生物的营养与代谢

微生物的营养与代谢第1页/共54页第五章

微生物的营养与代谢第2页/共54页细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用。第3页/共54页第一节

微生物的营养一、微生物细胞的化学组成从微生物细胞的组成来看，都是含有碳、氢、氧、氮和各种矿质元素（P、S等），由这些元素组成细胞中有机和无机成分，其中主要是水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸和无机盐。第4页/共54页微生物细胞中水分含量最多，干物质中碳、氮、氢、氧四种元素约占90％－97％，还有矿质元素磷、铁、铜、锰等组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化第5页/共54页微生物细胞中几种主要元素的

相对含量（%干重）第6页/共54页二、营养物质及其生理功能营养物质主要功用：①供给微生物合成细胞物质的原料；②用以产生能量；③有的营养物如维生素主要用于调节新陈代谢碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水、第7页/共54页一、碳源凡是构成微生物细胞和代谢产物中碳架（碳素）来源的营养物称为碳源碳源既是微生物的组成成分，又是微生物的能量来源。微生物可以利用的碳源范围极广，分为有机碳源和无机碳源两大类，糖类是最广泛利用的碳源。第8页/共54页碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质(如碳水化合物、脂、蛋白质等)和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。主要功能1.用来构成细胞物质的骨架。2.提供生理活动所需的能量。第9页/共54页二、氮源：凡是能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分能利用的氮源种类十分广泛。空气中分子态的氮、无机和有机氮第10页/共54页氮源这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。不同种类的微生物对氮源的需要也不尽相同。微生物培养时最常用的有机氮源是牛肉膏、酵母膏等，蛋白胨（部分水解蛋白质）是许多微生物良好的氮源。第11页/共54页从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它们能把尿素、铵盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为氨基酸自养型生物凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物就是氨基酸异养型生物固氮微生物:利用分子氮第12页/共54页三、能源指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱化学物质有机物化能异养型微生物的能源（与C源相同）能源物质无机物化能自养型微生物的能源（与C源不同）辐射能光能自养和光能异养微生物的能源营养功能：单功能、双功能和三功能第13页/共54页四、无机盐主要有P、S、Mg、K、Ca、Na、F微量元素等；无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质,它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。第14页/共54页主要元素包括磷、硫、钾、镁、钙、铁等微量元素包括铜、锌、钠、硼、锰、氯、钼、钴、硅等。在配制培养基时，首选加入磷酸氢二钾和硫酸镁，基本时可以同时提供4种需要量最大的元素。第15页/共54页五、生长因子生长因子通常指那些微生物生长所必需且需要量很小,而且微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液或血清中获得第16页/共54页维生素氨基酸类嘌呤、嘧啶及其衍生物(碱基)第17页/共54页六、水水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70－90%。在微生物各种各样的生理活动中必须有水参加才能进行。第18页/共54页水是一种最优良的溶剂，可保证几乎一切生物化学反应的进行水可维持各种生物大分子结构的稳定性，并参与某些重要的生物化学反应水还有许多优良的物理性质，诸如高比热、高汽化热、高沸点以及固态时密度小于液态等，都是保证生命活动十分重要的特性第19页/共54页QUESTION请找出附录Ⅸ中各种培养基中的碳源、氮源、无机盐等。第20页/共54页三、微生物的营养类型

根据微生物对碳源的要求不同，可将其分为自养菌和异养菌两大营养类型凡能利用无机碳合成菌体内有机碳化物的，叫自养菌；不能利用无机碳而需要有机碳才能合成菌体内有机碳化物的，为异养菌第21页/共54页根据其生命活动所需能量的来源不同，可分为光能营养菌和化能营养菌。前者是从光线中获得能量，后者则从化学物质氧化中取得能量因此，根据微生物所需的碳源和能源不同，可将微生物分为光能自养菌、光能异养菌、化能自养菌、化能异养菌等四类。第22页/共54页光能自养型:以光为能源，以CO2

为唯一或主要碳源,不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型:以光为能源，但生长需要一定的有机营养化能自养型:以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物化能异养型:以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质光能自养型和光能异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用第23页/共54页微生物的营养类型

营养类型主要（或唯一）碳源能源代表菌

光能自养型二氧化碳光能蓝细菌光能异养型有机物光能红螺细菌化能自养型二氧化碳无机物硫杆菌化能异养型有机物有机物大肠杆菌第24页/共54页第二节营养物质进入细胞的方式

外界环境的营养物质只有被微生物吸收到细胞内，才能被微生物分解与利用，微生物生长过程中产生的一些代谢产物也必须分泌到细胞外，在这两个过程中，细胞膜起着重要作用。目前一般认为，营养物质主要以单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式通过微生物细胞膜。第25页/共54页一、单纯扩散指疏水性双分子层细胞膜在无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。扩散驱动力：浓度梯度，不需要外界提供任何形式的能量主要有氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸分子。第26页/共54页第27页/共54页二、促进扩散指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。第28页/共54页第29页/共54页促进扩散与被动扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体(carrier)的作用才能进入细胞.而且每种载体只运输相应的物质,具有较高的专一性。第30页/共54页三、主动运输指一类须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。第31页/共54页ATP

ADP

+Pi

恢复原构像再循环耗能构像改变膜上膜外膜内移位结合12主动运输特点：被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内要消耗能量，必需有能量参加。有膜载体参加，膜载体发生构型变化。被运送物质不发生任何变化。第32页/共54页运送对象举例：氨基酸、乳糖等糖类，Na+、Ca2+等无机离子第33页/共54页四、基团转位指一类既需特异性载体蛋白的参与，又需耗能的一种物质运送方式，其特点使溶质在运送前后还会发生分子结构的变化，因此不同于一般的主动运送。第34页/共54页运送对象举例：葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。运送机制主要靠磷酸转移酶系统。第35页/共54页第36页/共54页运输方式浓度载体耗能运送分子发生变化单纯扩散高→低不需要不耗能不变化促进扩散高→低需要不耗能不变化主动运输低→高需要耗能不变化基团转位低→高需要耗能变化运输方式：第37页/共54页第三节微生物培养基

培养基是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物营养基质。

第38页/共54页第39页/共54页一、培养基配制原则

1.目的明确：根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。2.选择适宜的营养物质3.营养协调：注意营养物质的浓度比和C/N比。（C/N比是指在微生物培养基中所含的碳源中的碳原子摩尔数与氮源中的氮原子的摩尔数之比。）第40页/共54页4.理化适宜：调节适宜的pH值。各种微生物的pH5.经济节约：根据培养微生物的目的决定成分的量。以粗代精，以野代家，以废代好，以简代繁，以纤代糖，以国代进等等。6.灭菌处理第41页/共54页各种微生物的pH微生物种类最低pH值最适pH值最高pH值细菌和放线菌酵母菌霉菌5.02.51.57.0～8.03.8～6.03.0～6.010.08.010.0第42页/共54页二、培养基的种类

1.合成培养基：

由已知化学药品配成,成分和浓度都已完全知道,每一次配制也基本恒定。这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室,费用较高。如：高氏一号培养基（淀粉硝酸盐培养基）－－－放线菌察氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）－－－真菌1、根据培养基的成分不同分为第43页/共54页2.天然培养基:

化学成分不完全了解或化学成分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植物汁液,土壤浸出液,等配制成培养基。配制方便，经济。如：牛肉膏蛋白胨培养基－－细菌麦芽汁培养基－－酵母菌第44页/共54页牛肉膏瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质，富含水溶性碳水化合物，有机氮化合物，维生素，盐等。蛋白胨将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末状物质，富含有机氮化合物，也含有一些维生素和碳水化合物。酵母膏酵母细胞的水溶性提取物浓缩而成的膏状物质，富含类维生素，也含有有机氮化合物和碳水化合物。第45页/共54页

3.半合成培养基:由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培养基,如PDA培养基。如：马铃薯蔗糖培养基－－真菌第46页/共54页2、根据培养基物理状态分

液体培养基:配制后不加任何凝固剂。半固体培养基:在液体培养基上加进一定凝固剂,在液体培养基中如加0.5%琼脂,可以用来观察细胞运动的特征,鉴定菌种,测定抗菌素的效价等。第47页/共54页C.固体培养基:在液体培养基中加入凝固剂(如1.5-2.0%琼脂)。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面,在这个表面生长微生物可形成单个菌落,用于微生物的分离,鉴定,计数。D.脱水培养基：指含有除水分以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，其成分精确且使用方便。第48页/共54页常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatin)和硅胶(silicagel)。第49页/共54页粘液型菌落菌膜菌沉淀均匀浑浊对照固体培养基液体培养基