第5章 微生物营养

1、第五章 微生物的营养,1有机物： 2无机物： 3、水： 以游离水和结合水两种形式存在 游离水：干重法可测得； 结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透, 占水总量的17%28% 。,微生物细胞的化学组成,以上这些物质均由C、H、O、N、S、P等元素组成。 来自于胞外环境。,营养物质是微生物生存的物质基础 营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程,第一节 微生物的6类营养要素 第二节 微生物的营养类型 第三节 营养物质进入细胞的方式 第四节 培养基,1. 组成微生物细胞的化学物质有哪些？ 2. 微生物生长所需的营养要素。 六大营养要素的功能、种类、微生物最适的碳源、氮源有哪些？ 何谓双功能营养

2、物、三功能营养物，试举例说明 微生物的营养类型有哪几种？它们的碳源、氮源、氢供体分别是什么？典型菌有哪些？营养类型的可变性的意义是什么？,碳源 氮源 能源 生长因子 无机盐 水,第一节微生物的6类营养要素,六要素,一、碳源,1、功能：构成细胞物质和代谢产物，提供能量,2、种类：极其广泛 简单的无机含碳化合物： CO2和碳酸盐等 比较复杂的有机物：如糖类及其衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物等 复杂的有机大分子：蛋白质、脂质、核酸等 复杂的天然含碳物质：牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等 有毒的碳素化合物：酚、氰化物、农药等（常被用于处理“三废”，消除污染，并生产单细胞蛋白等）,4、不同营养

3、类型的微生物利用不同的碳源 异养型微生物: 有机物，糖类是最好的碳源，尤其是葡萄糖。其次是醇类、有机酸类和脂类等。 自养型微生物: CO2作为唯一碳源或主要碳源。,5、实验室用： 葡萄糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、有机酸等。 工业发酵用：如饴糖、玉米粉、甘薯粉、野生植物淀粉，及麸 皮、米糠、酒糟、废糖蜜、造纸厂的亚硫酸废液,3、碳源利用范围： 如假单胞菌属中的某些种可利用90种以上不同类型的碳源； 产甲烷细菌能利用的只有CO2和少数几种一碳和二碳化合物。 某些纤维素分解菌只能利用纤维素。,二、氮源,1、功能：构成细胞物质和代谢产物、提供能量,2、种类：非常广泛 无机含氮化合物：分子态氮、氨、铵盐和硝

4、酸盐等 有机含氮化合物：尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等,3、实验室用：碳酸铵、硫酸铵、硝酸盐、尿素及牛肉膏、蛋白 胨、酵母膏、多肽、氨基酸等。 工业发酵用：鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、玉米浆、酵母粉等,4、不同的微生物利用不同的氮源。 固氮微生物能以分子态氮作为唯一氮源，也能利用化合态的有机氮和无机氮。大多数微生物都利用较简单的化合态氮，如铵盐、硝酸盐、氨基酸等，其中铵盐是微生物最常用的氮源。,三、能源,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养M的能源=碳源,有机物,无机物,化能自养M的能源碳源,光能自养和异养M的能源（碳源= CO 2 ）,单功能营养物：光辐射能（能源） 双功能营养物：还原态的无机物NH4

5、+，NO2 （能源、氮源） 三功能营养物：含C、H、O、N 的有机化合物如氨基酸类（碳源、氮源和能源）,四、生长因子,1. 功能：提供微生物细胞重要化学物质（蛋白质、核酸和脂质）、辅因子（酶和辅基）的组分和参与代谢。,2.种类：维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇、胺类等。 能提供生长因子的天然物质有酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液等。,生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌和不少细菌。例如，E.coli,生长因子异养型微生物：乳酸细菌、各种动物致病菌、原生动物和支原体,按对生长因子的需求不同，微生物可分为：,生长因子过量合成型微生

6、物：可做维生素生产菌。例，产VB2 阿舒假囊酵母,五、无机盐,大量元素：微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L， 如：K、Mg、Ca、Na、Fe等 微量元素：微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L 如： Co 、Zn 、Mo、 Cu、 Mn等。,功能 ： 1. 提供除C和N外的重要元素（P、S）。 2.酶活性中心的组成成分。（Fe、Mg、Mo ）。 3.维持稳定性。（P、Ca ）。 4.调节渗透压平衡、控制氧化还原电位等。（Na、K、P）。 5. 某些化能自养细菌的能源物质。（Fe、S）。 6. 呼吸链末端的氢受体。（SO42-、 S）。 首选的是K2HPO4和MgSO4，因可

7、同时提供四种需要量最大的元素,六、水,生理功能 1. 微生物细胞的主要化学组成。 2. 水是良好溶剂 3. 各种生物化学反应得以进行的介质，并参与生化反应。 4.水的比热高，汽化热高，又是热的良好导体，保证了细胞内的温度不会因代谢过程中释放的能量骤然上升。 5. 生物大分子结构的稳定。 6.通过水合与脱水作用控制由亚基组成的细胞结构如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。,水的两种存在形式： 结合水和自由水.,水活度（w） ：水的可利用性，水的有效浓度。 w=/ o 表示溶液的蒸汽压 o表示纯水的蒸汽压,根据能源、碳源及电子供体性质的不同，可将微生物分为,第二节微生物的营养类型,1光能无机营养

8、型（光能自养型）,例如：藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。 而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,碳源 CO2 能源 光能 氢供体无机物,碳源 CO2及简单有机物 能源 光能 氢供体 有机物,2光能有机营养型（光能异养型）,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,3化能无机营养型（化能自养型）,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环；举例：氢细菌、硫细菌、硝化细菌,碳源 CO2 或碳酸盐

9、 能源 还原态无机物氧化过程中放出的化学能 氢供体无机物（H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-）,2NH3 + 2O2 2HNO2 + 4H+ + 能量 CO2 + 4H+ +能量 (CH2O) + H2O,4化能有机营养型（化能异养型）,有机物通常既是碳源也是能源；,大多数细菌、真菌、原生动物以及所有致病微生物都是化能有机异养型微生物；,碳源 有机物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸 能源 有机物氧化过程中放出的化学能 氢供体 有机物,不同营养类型之间的界限并非绝对,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物； 有机

10、物存在时，利用有机物进行生长，异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，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，化能营养型微生物,第三节 营养物质进入细胞的方式,单纯扩散 (simple diffusion),促进扩散 (facilitated diffusion),主动运输 (active transport),基团移位 (group translocation),膜外,膜上,膜内,一、单纯扩散,特点,物质没有发生任何反应；,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,驱动力,运输的物质,膜外,膜上,膜内,二、协助（促进）扩散,特点,物

11、质不发生变化,不消耗能量；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,驱动力,运输的物质：氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。 例如：酿酒酵母对上述物质的吸收； E.coli对甘油的吸收等。,膜外,膜上,膜内,ATP,ADP+Pi,耗能构象 改变,三、主动运输,驱动力：质子动势（pmf）,运输的物质：氨基酸、一些糖类（乳糖、葡萄糖）、有机酸 及许多无机离子（K+、SO42-、PO43-）等。,特点,参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,消耗能量；能进行逆浓度运输,对被运输的物质有高度的立体专一性,需要载体参与,膜外,膜上,膜内,酶c,酶b,HPr,P,酶a,P,P,P,P,

12、EP,Pyr,酶,四、基团移位,磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统 （PTS）,PTS,酶I 酶 热稳定蛋白质（HPr）,酶a：细胞质蛋白 酶b：细胞膜蛋白 酶c：细胞膜蛋白,底物特异性,无底物特异性,驱动力,运输的物质：葡萄糖等糖类及其衍生物 碱基和脂肪酸等。,运输的路径,四种运输营养物质方式的比较,物质运 送类型,膜上无载体蛋白,膜上有载体蛋白,不耗能,耗能,运送前后溶质分子不变,运送前后溶质分子改变,第四节培养基（media）,任何培养基都应该具备微生物生长六大营养要素,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,一、制备培养基的基本原则,1.目的明确 2.营养协调 3.条件适宜 4.经

13、济节约,培养何种菌？想获何种代谢产物？ 用于实验室研究 or 发酵生产？ 是种子培养基 or 发酵培养基？,目的明确,营养协调,培养基的各种营养成分的浓度及配比合适 碳氮比（C/N） 还原糖与粗蛋白之比。 不同微生物要求不同的C/N：细菌和酵母菌约为5/1， 霉菌约为10/1。 谷氨酸的发酵生产： 当C/N=4时，菌体大量繁殖，Glu积累少； 当C/N=3时，菌体繁殖受抑，Glu大量积累。,要素： H2O C+能源 N源 P、S K、Mg 生长因子 含量: (10-1） （10-2） （10-3） （10-4）（10-5） （10-6）,条件适宜,pH 细 菌：7.08.0放线菌：7.58.5

14、 酵母菌：3.86.0霉 菌：4.05.8 调节方法：内源调节（pH缓冲剂）：磷酸缓冲液 ，NaHCO3 外源调节（加酸、碱）； 渗透压和水活度（aw） 等渗溶液最适宜微生物的生长；高渗or低渗？ 通过体内的糖原、PHB的合成或分解来调节胞内渗透压 aw：微生物可实际利用的自由水或游离水的含量； aw大或小的含义？ 设计培养基，防止食物霉腐,条件适宜,渗透压和水活度（aw） 等渗溶液最适宜微生物的生长；高渗or低渗？ 通过体内的糖原、PHB的合成或分解来调节胞内渗透压 aw：微生物可实际利用的自由水或游离水的含量； aw大或小的含义？ 设计培养基，防止食物霉腐,氧化还原电势（Eh） 各种微生物

15、对培养基的Eh有不同的要求。 好氧菌Eh： +0.3-0.4V； 兼性厌氧菌Eh ：+0.1V以上：好氧呼吸 +0.1V以下：发酵产能 厌氧菌Eh ： +0.1V以下才能生长,培养严格厌氧菌的措施： 1。驱走空气中的氧 2。加入适量还原剂：如巯基乙醇，抗坏血酸，硫化钠，半胱氨酸，铁屑，谷胱甘肽或庖肉,测定氧还电势的方法： 1。电位计 2。化学指示剂：如刃天青（7-羟基吩恶嗪酮，深红色细小结晶）， 无氧时是无色的，有氧是颜色与pH相关，中性溶液，紫色； 碱性溶液，蓝色； 微含氧溶液，粉红色。,经济节约,原料来源要广泛； 原料要易处理，处理成本要低； 原料处理后，废物、废液、废气要少； 实施原则,

16、以粗代精,以野代家,以废代好,以国代进,以简代繁,以氮代朊,以烃代粮,以纤代糖,细菌培养基营养肉汤（nutrient broth)： 放线菌培养基高氏1号： 霉菌培养基查氏（zapek)培养基： 酵母菌培养基麦芽汁培养基 自养微生物培养基 异养微生物培养基,1. 按培养的微生物类群划分,二、培养基的种类,2. 按成分不同划分,含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,3、按物理状态不同划分,在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%,不加任何凝固剂,大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究,观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌

17、体效价滴定,琼脂含量一般为0.2%-0.7%,4. 按功能划分,1）选择培养基(selective medium),根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，通过加入目的微生物特别需要的或抑制非目的微生物生长的物质配制而成的培养基。,2）鉴别培养基(differential medium),在培养基中添加某种化学物质而将目的微生物的菌落与同一平板上的其他微生物菌落区别开来的培养基。,伊红美蓝培养基（EMB培养基）,伊红和美蓝是苯胺染料，可抑制G+细菌和一些难培养G细菌。 伊红和美蓝两种染料，在低pH时，结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用。试样中的多种肠道菌会在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌落，因而易于辨别。 如大肠杆菌：能分解乳糖产酸，菌体表面带有H+ ，可染上酸性染料伊红，因伊红与美蓝结合，所以菌落呈现深紫色，从反射光中可看到绿色金属闪光,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14. Left: E