第五章 微生物营养.ppt

1、第五章 微生物的营养,微 生 物 学 第 四 章,微生物的营养和培养基,营养物(nutrient)：提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境的各种物质。,微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量.微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（nutrition）。,微生物的六种营养要素 微生物的营养类型 营养物质进入细胞的方式 培养基,Cncnc-micro,第五章 微生物的营养和培养基,微生物的化学组成,化学（物质）组成： 微生物体内，70-90%为水

2、分，10-30%为干物质。 水：各类微生物细胞内均含有大量的水分。水是生命活动不可缺少的重要物质，它是多种物质的良好溶剂，各种生理活动都离不开水。 干物质：其中有机物占干重的90-97%，无机物占3-10%；有机物主要是蛋白质、糖类（碳水化合物）、核酸、脂类等，无机物则是各类元素。,元素 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、 钴、锌、钼等,存在方式 有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降解产物、代谢中间产物 无机盐灰分 水 细胞湿重的70%90%,微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）,微生物的六种营养(nutrition)要素,碳源 （carbo

3、n source）,氮源（nitrogen source）,生长因子（growth factor）,无机盐（mineral salts）,水（wahtor）,能源（energy source）,凡能构成微生物细胞或代谢产物中碳架来源的营养物质都称为碳 源 。,碳源(carbon source),碳源功能,碳源种类,C素构成细胞及代谢产物的骨架 C素是大多数微生物代谢所需的能量来源,碳源功能,无机C源：CO2、碳酸盐，能被自养微生物利用 有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、 脂类和烃类化合物 ，主要被异养微生物利用,碳源种类,凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源。,

4、氮源(nitrogin source),氮源功能,氮源种类,为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。同时也做能源。,氮源功能,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物 a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白 质、酵母膏做氮源 b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆 饼、葵花饼、花生饼等。,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源,氮源种类,能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。,能源(energy source),异养微生物的碳源同时也是能源,单功能

5、： 辐射能 双功能： 还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能 源，又是氮源 三功能： N C H O类营养物质常是异养微生物的能 源，碳源兼氮源,一种营养物具有一种以上营养要素的功能,光能自养和光能异养微生物 的能源,光能营养型,化能营养型,最初能源,构成微生物细胞的组成成分 调解微生物细胞的渗透压， PH值和氧化还原电 位 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 构成酶活性基的组成成分，维持E活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂,无机盐（mineral salts）,无机盐功能,表5.3 无机盐及其生理功能,无机盐的生理功能,构成微生物细胞以C、H、O、N、P、S六种元素为主，约

6、占细胞干重的95以上； Ca、K 、Mg、Fe为大量元素，以无机盐阳离子形式被吸收，配培养基进要加磷酸盐、硫酸盐。 Zn、Ca、Mn、Co、Mo等微量元素，自来水原料中以够用，不需另加。,无机盐种类,一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。 。 主要包括： 维生素 氨基酸 碱 基,生长因素（growth factor）,有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。,维生素,维生素的生理功能,有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短

7、杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。,氨基酸,各种菌合成AA的能力有很大差别，一般G菌强于G，大肠杆菌自己能合成全部AA，沙门氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。,嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。 有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。,嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。,碱基,水,微生物细胞含水约占细胞鲜

8、重的7090， d ddd水作用是多方面的。,水的功能,水活度的表示方法,细胞组成成分 生化反应溶剂 化学、生理反应介质 物质运输媒体 调节细胞温度 维持细胞的渗透压,水的功能,水的可利用性 常以水活度值(water activity, w)表示。 水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即wPwP0w式中Pw代表溶液蒸气压力，P0w代表纯水蒸气压力。 纯水w为1.00，溶液中溶质越多，w越小。 微生物一般在w为0.60-0.99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(表5.6)。一般

9、而言，细菌生长最适w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适w则较低。,水活度的表示方法,自养微生物 光能自养微生物（光无机营养型） 化能自养微生物（化能无机营养型) 异养微生物 光能异养微生物（光能有机营养型） 化能异养微生物（化能有机营养型）,微生物的营养类型,完全在无机环中生存，以CO2、碳酸盐为碳源，以铵盐和硝酸盐为氮源来合成细胞质的微生物称为自养微生物。,自养微生物,可在完全无机的环境中生长，以CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。 H2OCO2(CH2O)O2 2H2SCO2(CH2O) H2O2S Na2S2O3+2 CO2H2O

10、 (CH2O) +Na2SO4+H2SO4,光能自养微生物（光能无机营养型）,Cncnc-micro,藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型。藻类和蓝细菌：,这与高等植物光合作用是一致的。,这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。,光合细菌,在完全无机的环境中生长发育，以无机化合物氧化为时释放的能量为能源，以CO2或碳盐为碳源，合成细胞物质的微生物叫化能自养微生物。 这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。,化能自养微生物,如FeO硫杆菌可把FeO氧化成Fe，Fe氧化率达95100并放出能量 Fe2Fe3eQ 用氧化亚铁硫杆菌氧化黄铁矿时，可以生成硫酸和硫

11、酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以和硫酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以溶解矿物，如溶解铜矿析出铜元素，用这类微生物来开矿冶金称为细菌冶金，是开采贫矿和尾矿的有效办法，用细菌浸出Fe的速度比完全氧化快5660倍。,在完全无机环境中生长繁殖，以含碳有机物为碳源，含氮有机物或无机物为氮源，合成细胞物质，称为异养微生物。,异养微生物（有机营养型）,这类微生物具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞物质的微生物，称光能异养微生物。 光能异养微生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机

12、废水，这对处理污水、净化环境，很有发展前途。,光能异养微生物,这类微生物以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。 由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类。 腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。 寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如 d 病毒.。 中间类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆 地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。,化能异养微生物（化能有机营养型）,微生物的营养类型,兼養型(Mixotrophic):可依賴無機能源和有機(有時為CO2)碳源，兼有化學能無機自和異養的

13、代謝過程。,以上四种营养类型划分不是绝对的 红螺菌既可利用光能，也可利用（黑暗） 氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型） 自养与异养的区别不再能否利用CO2，而在于是否以CO2式.碳酸盐为唯一的碳源。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。,微生物的营养类型,单纯扩散（simple diffusion） 促进扩散（facilitated diffusion） 主动运输(active transport) 基团移位(group translocation),营养物质进入细胞的方式,自由扩散,物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差。 这种运输方式不消耗能量

14、 没有特异性，被运输物质不与膜上物质发生任何反应，物质不发生化学变化。 。,单纯扩散(simple diffusion)特点,促进扩散(facilitated diffusion),膜载体（载体蛋白）特点 有很强的特异性 在运输过程中，本身不发生变化。 能加快物质运输的速度。,促进扩散(facilitated diffusion)过程： 膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。 膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关。,促进扩散特点 物质运输动力是细胞外的浓度差。 运输过程不消耗能量。 有

15、膜载体参加，膜载体（渗透酶）有特异性。运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖。这种运输方式多发生在真核微生物，原核生物少见。,主动运输(active transport),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,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。,主动运输特点,基团转位：是在研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。 运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输叫基团移位。 许多糖就是靠基团移位进行运输的。 这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物

16、质的。,基团移位(group translocation),Group Translocation,糖,基团移位,磷酸转移E系统（PTS） 酶（非特异性） 酶: 酶c,酶a,酶b 热稳定蛋白HPr（特异性）,PEPHPrMg+2 ,酶磷酸HPr + 丙酮酸 (在细胞质中进行) 磷酸HPr糖 Mg+2,酶糖磷酸脂HPr （在细胞膜上进行） F3磷酸HPrF3磷酸3 HPr F3磷酸3乳糖 Mg+酶 3乳糖3磷酸,F,基团转移运输特点： 需要磷酸酶系统进行催化 被运输的物质发生化学变化，被磷酸化 需要能量,四种运输营养物质方式的比较,由人工配制供微生物生长繁殖或积累代谢产物所用的营养物质叫营养基，

17、科研生产中培养微生物都需要配制培养基。,1 培养基,2 配制培养基的原则,3 培养基的类型及应用,适合微生物的营养特点（有的放失） 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。 按微生物需要量调好营养配比 （营养协调） 营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比) C/N比: 微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。,配制培养基的原则,条件适宜: 1 pH各放线菌生长的pH在77.5之间，酵母菌与霉菌生长的pH值在4-6之间。微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变

18、化 内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。 外源调节：按实际需要流加酸或碱液 2 渗透压和水活度 渗透压(osmotic pressure): 高浓度溶液向低浓度溶液渗透时，其溶质分子所产生的压力。,4.经济节约 经济节约原则:以粗代精、以废代 好、以简代繁 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,灭菌处理,高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，1210C，1530min,高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化,培养基的类型及应用,根据微生物的种类,按培养基的成分,按培养的用途,按培养基的物理状态,根据微生物的种类 分 类 细菌培养

19、基 放线菌培养基 霉菌培养基 酵母培养基,按培养基的成分 合成培养基 天然培养基 半合成培养基,按培养的用途 基本培养基 加富培养基 选择培养基 鉴别不同微生物的培养基 保藏菌种培养基,基本培养基： 按大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称为基本培养基。再根据各种微生物的不同需要加入一、二种应用较广。如培养某种营养缺陷型菌株，先配制基本培养基，之后再加入缺陷型菌珠，需要的那种营养成分即可。,加富培养基 是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取。用来培养要求较苛刻的某些异养微生物。,选择培养基 纤维分解菌 含石蜡的培养基 用蛋白质做唯一的氮源的培养基 缺氮培养基可分离到固氮微生物,选择培养基,鉴别不同微生物的培养基 如大肠杆菌，接种到葡萄糖 肉汤，麦芽糖肉汤和乳糖肉汤中，它们可