微生物的营养与代谢课件

微生物的营养与代谢

（MicrobialNutritionandMetabolism）

第一节营养物质Nutrition:

Nutrients:Substancesintheenvironmentusedbyorganismsforcatabolismandanabolism.Microorganismsrequireabouttenelementsinlargequantities,becausetheyareusedtoconstructcarbohydrates,lipids,proteins,andnucleicacids.Severalotherelementsareneededinverysmallamountsandarepartsofenzymesandcofactors.MicrobialNutritionMacronutrients:requiredinlargeamounts,including:C,N,P,S,O,H,K,Mg,Ca,Na,Fe.Micronutrients:requiredinsmallamounts,including:Co,Zn,Mo,Cu,Mn,Ni,W,Se.

一、碳源（Carbonsourse）

1、定义：2、功能：（1）细胞组分（2）代谢产物的碳素来源（3）大多数微生物的能源3、碳源谱

培养基原料:牛肉膏，蛋白胨，花生饼粉,氨基酸，明胶葡萄糖，蔗糖，淀粉，糖蜜,天然气，石油，石蜡油

有机碳源CO2，NaHCO3，

CaCO3无机碳源二、氮源（NitrogenSource）

1、定义：2、功能：（1）细胞组分（2）代谢产物的氮素来源（3）少数提供能源（自养型微生物）3、氮源谱

培养基原料：牛肉膏，酵母膏，尿素，蛋白胨，明胶

NH3，铵盐NH4+，硝酸盐NO3-，N2（NH4）2SO4

，KNO3，空气

有机氮源

无机氮源速效氮源：很快被微生物利用的氮源物质，有利于菌体生长.如硫铵、玉米浆，牛肉膏等.用于发酵前期.迟效氮源：微生物利用速度较慢的氮源

物质，有利于代谢物质形成.如花生饼粉、黄豆饼粉等.用于发酵后期.常用的有机氮按利用前后顺序分：三、无机盐(InorganicSalt)

1、定义：指微生物生长必需的金属元素：由硫酸盐、磷酸盐、氯化物等供给。

(1)构成细胞结构组分；

(2)作为酶组分或活化剂；

(3)参与能量传递或提供能源；

(4)维持结构稳定性；

(5)调节渗透压。2、功能：3、无机盐谱微量元素：（10-6~10-8mol/L）如Cu.Zn.Mn.Mo.Co.Se.Ni.W.大量元素：（10-3~10-4mol/L）如P.S.K.Mg.Ca.Na.Fe.四、生长因子

（GrowthFactor）

1、定义：微生物生长不可缺少的微量有机物质，一般包括维生素，氨基酸，以及嘌呤，嘧啶等。

2、功能：酶，辅酶及核酸的组成成分。GrowthFactors

Aminoacidsareneededforproteinsynthesis,purinesandpyrimidinesfornucleicacidsynthesis.Vitaminsaresmallorganicmoleculesthatusuallymakeupallorpartenzymecofactors,andonlyverysmallamountsarerequiredforgrowth.

aminoacidspurinesandpyrimidinesvitamins五、水

1、功能：

2、水活度（aW）

aW=P溶液/P纯水六、能源（Energysource）

化学物质：有机物无机物：NH4+NO2-SH2SH2Fe2+

辐射能：光第二节微生物的营养类型

Nutritionaltypesofmicroorganisms1.按能量来源分:1）化能营养型：

X还原型+A氧化型X氧化型+A还原型+ATP微生物的营养类型2）光能营养型：光能光合色素化学能一、分类原则：2．根据碳源的性质分：自养型微生物：以无机物作为营养物质的一类微生物。异养型微生物：以有机物作为营养物质的一类微生物。微生物的营养类型3．根据供氢体的性质分：

微生物的营养类型无机营养型：电子供体为无机物有机营养型：电子供体为有机物二、营养类型：4种1、光能无机营养型（光能自养）：

Photolithotrophicautotrophy(Photoautotrophy)

主要类群：藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌等2、光能有机营养型（光能异养）：

Photolithotrophicheterotrophy(Photoheterotrophy)

主要类群：紫色无硫细菌、红螺菌微生物的营养类型

Chemolithotrophicautotrophy(Chemotoautotrophy)

主要类群：硫氧化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌

微生物的营养类型3、化能无机营养型（化能自养）：4、化能有机营养型（化能异养）Chemoorganotriphicheterotrophy(Chemoheterotrophy)

主要类群；原生生物、真菌、大多数非光合作用的细菌。根据利用有机物的特性分：腐生菌:

寄生菌：兼性菌：微生物的营养类型

营养类型的变化依赖于环境微生物的营养类型营养类型

能源氢供体碳源

实例

光能无机（光能自养）光无机物CO2

CO32-蓝细菌，紫硫细菌绿硫细菌，藻类光能有机（光能异养）光有机物CO2CO32-有机物

红螺菌科的细菌（紫色无硫细菌）化能无机（化能自养）无机物，

NH4十，NO2一S，H2S，H2，Fe2十

无机物CO2CO32-

硝化细菌，硫化细菌，铁细菌，氢细菌，硫磺细菌化能有机（化能异样）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物MajornutritionaltypeSourcesofenergy,hydrogen/electrons,andcarbonRepresentativemicroorganismsPhotoautotroph

(Photolithotroph)Lightenergy,inorganichydrogen/electron(H/e-)donor,CO2carbonsourceAlgae,Purpleandgreenbacteria,CyanobacteriaPhotoheterotroph

(Photoorganotroph)Lightenergy,inorganicH/e-donor,OrganiccarbonsourcePurplenonsulfurbacteria,GreensulfurbacteriaChemoautotroph(Chemolithotroph)Chemicalenergysource(inorganic),InorganicH/e-donor,CO2carbonsourceSulfur-oxdizingbacteria,Hydrogenbacteria,NitrifyingbacteriaChemoheterotroph(Chenoorganotroph)

Chemicalenergysource(organic),OrganicH/e-donor,OrganiccarbonsourceMostbacteria,fungi,protozoaNutritionaltypesofmicroorganisms第三节微生物对营养物质的吸收

Uptakeofnutrients

一、单纯扩散（Simplediffusion）

1、定义：

2、特点：（1）细胞内外浓度梯度为动力，从高到低（2）不需能量和载体（3）小分子，非电离分子能通过IonGradientsinEukaryotes二、促进扩散（FacilitatedDifficision）

1、定义：借助于细胞膜上一些特异性载体蛋白，从浓度高的一侧透过膜向浓度低的一侧扩散。

2、特点：（1）物质浓度梯度为动力（2）无需能量，需膜载体（特异性载体蛋白）Facilitated

diffusionCharacteristics:ConformationalchangeThreeTypesofCarrierProteins Notenergyrequired三、主动运输—微生物吸收营养物质的主要机制

（Activetransport)

Activetransportisthetransportofsolutemoleculestohigherconcentrations,oragainstaconcentrationgradient,withtheuseofmetabolicenergyinput.

特点：（1）逆浓度梯度（2）需能量与膜载体（3）运输有机（无机）离子，糖类（乳糖，葡萄糖等），氨基酸和有机酸等。Active

TransportProtonpumpslinkedtotransportarekeyconstituentsofallpro-karyoticmembranesandarealsopresentintheinnermembranesofmitochondriaandchloroplastsIonophores

（离子载体） Structureofthepeptideionophore(andantibiotic)tyrocidin. Notethepredominanceofnonpolarandaromaticaminoacids.Theioniscarriedinthecenterofthemolecule. 四、基团转位（GroupTranslocation）1、定义：既需特异性载体蛋白，又耗能的运输方式，但溶质在运输前发生分子结构的变化。2、特点：（1）逆浓度梯度（2）需能量与载体（3）被运输物质受化学修饰GrouptranslocationPEP:磷酸烯醇丙酮酸ThephosphotransferasesystemTheactionofmembranetransportproteins1.Simplediffusion(notenergyrequired)2.Facilitateddiffusion(carrier-mediateddiffusion)(notenergyrequired)3.Activetransport(energyrequired)(carrier-mediateddiffusion)4.Grouptranslocation(energyrequired)(carrier-mediateddiffusion)ItemsPassivediffusionFacilitateddiffusionActivetransportGrouptranslocationcarrierproteins

NonYesYesYestransportspeedSlowRapidRapidRapidagainstgradientNonNonYesYestransport

moleculesNospecificity

SpecificitySpecificitySpecificitymetabolicenergyNoneedNoneedNeedNeedSolutesmoleculesNotchangedNotChangedNotChangedChangedSimplecomparisonoftransportsystems第四节培养基（Medium）由人工配制供微生物生长繁殖或积累代谢产所用的营养基质。培养基(media)：一、常用的培养基：

细菌——牛肉膏蛋白胨培养基放线菌——高氏一号培养基酵母菌——麦芽汁培养基霉菌——查氏培养基细菌、放线菌，pH7—8

酵母、霉菌，pH4.5—6培养基二、培养基的类型：

（一）按营养物质来源不同：培养基天然培养基合成培养基半合成培养基1、天然培养基：(Complexmedium)培养基

如：麸皮培养基、肉浸汁、牛奶等。如：高氏一号、查氏培养基2、合成培养基(Definedmedium)3、半合成培养基:(Semi-definedmedium)在合成培养基中加入某种天然成分配制。如：土豆蔗糖培养基、葡萄糖肉汁培养基等。培养基（二）按物理性状分：1．固体培养基（Solidmedium)：液体培养基+凝固剂凝固剂：琼脂（2%）、明胶、硅胶、土豆、麸皮、米糠等。

培养基2．液体培养基（Liquidmedium）

：不加凝固剂可用于大型生产、科研等3．半固体培养基（Semisolidmedium）：一般加0.5-0.8%琼脂用于细菌动力观察、菌种鉴定、噬菌体效价测定等。(三)按用途分:1.加富培养基（Enrichmentmedium）:

普通培养基中加入血、血清、动植物组织液或生长因子的培养基。用于培养营养要求苛刻的微生物2.鉴别培养基（Differentialmedium）

:指含有某种代谢产物指示剂的培养基，可使不同微生物经培养后出现显著差别。如：伊红美兰培养基；糖发酵培养基；明胶液化等用于快速鉴别微生物。培养基3.选择性培养基（Selectivemedium）:

根据某种微生物的特殊营养要求或对某种化学物质敏感性不同而设计的培养基。如：应用：提高所需微生物的分离效率。培养基（四）按生产目的分：1、种子培养基：

2、发酵培养基：

有些微生物的培养需活体，可用组织培养、动物培养、鸡胚培养等。培养基第五节微生物的能量代谢新陈代谢(Metabolism)：

按物质转化方式分：

物质代谢：

能量代谢：

A.物质代谢：

分解代谢

（能量，细胞组分的前体）合成代谢（酶，结构组分等）

B.能量代谢:产能代谢和耗能代谢按代谢产物在机体中作用不同分：

初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。是提供能量、前体和结构物质等的代谢类型，产物对机体有生理活性。

次级代谢：微生物在一定生长时期，以初期代谢为前提，合成一些对微生物生命活动无明确功能的物质的过程。是一定阶段出现的代谢类型，次级代谢产物包括抗生素、色素、激素和生物碱等。一.发酵:发酵:微生物以有机物为最终电子受体的生物氧化过程，一般厌氧，故又指在无氧条件下分解有机物的氧化还原反应。工业发酵：微生物在有氧气或无氧气条件下通过分解与合成代谢，将某种物质或半合成的中间产物转变成其他有用物质。化能异养型微生物获能方式1.产能途径(1)EMP:产能：2个ATP,2个NADH;(2)HMP:产能：2个ATP,6个NADPH，1个NADH;化能异养型微生物获能方式(3)ED:（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸途径）产能：1个ATP,1个NADPH，1个NADH;(4)Sticklandreation概念:

又称氨基酸发酵产能，是存在于某些厌氧梭菌中的一种能在相应两种aa之间发生氧化—还原作用的aa分解反应。其中一种aa为供氢体,另一aa为受氢体,通过反应发生或相应的有机酸、α-酮酸、NH3并释放能量。意义:

产生3个ATP,1个NADH,1个NADPH

丙氨酸+甘氨酸+水丙酮酸+乙酸+2NH3

NH3丙氨酸NAD(P)乙酸丙酮酸NAD(P)H甘氨酸

NH3

化能异养型微生物获能方式

可作供氢体的aa：丙、亮、异亮、缬、苯丙、丝、组、天冬、谷可作受氢体的aa：甘、脯、鸟、羟脯、精、色；如:2.重要的发酵类型:（葡萄糖发酵）类型：乙醇发酵

乳酸发酵

丁酸发酵混合酸发酵特点：多样性意义：1）可发酵得到多种产物；

2）可鉴定菌种3、发酵与废水处理化能异养型微生物获能方式二.呼吸作用：化能异养型微生物获能方式微生物以无机氧化物或氧为最终电子受体的生物氧化过程。电子受体是氧——有氧呼吸电子受体非氧——无氧呼吸1.有氧呼吸:化能异养型微生物获能方式

(1)EMP

TCA

呼吸链生成CO2，H2O，38个ATP，

10个NADH2，2个FADH2(2)HMP

生成CO2，H2O，35个ATP，

12个NADPH

2.无氧呼吸1)硝酸盐还原（呼吸）——反硝化作用2)硫酸盐还原（呼吸）3)碳酸盐还原