第五章+微生物营养与代谢.ppt

1、第五章 微生物营养与代谢,第一节 微生物营养物质和营养类型,第二节 微生物营养物质的吸收机制,第三节 培养基,第四节 微生物代谢,第一节 微生物营养物质和营养类型,营养物质： 能满足微生物生长、繁殖和进行各种生理活动需要的物质。 微生物营养: 微生物摄取和利用营养物质的过程。,微生物的特点：,食谱广、胃口大,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,水,微生物营养物质,碳素化合物,氮素化合物,矿质元素,生长因子,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源

2、)： 碳源：是微生物细胞内碳素物质或代谢产物中的C的来源。 占细胞干重的50%。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)： 微生物细胞中碳素的功能：,（2）大多数微生物的能源物质,（1）构成微生物体有机分子的骨架,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：,微生物可以利用的碳源种类非常广泛,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：,甲烷氧化菌：甲烷、甲醇,根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？,不同的微生物利用碳素的情况,洋葱假单胞菌：九十多种碳素化

3、合物,纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素,148种碳源进行鉴定,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,2、氮素化合物（氮源） 氮源：是构成微生物细胞含氮物质或代谢产物中的N素的来源。,微生物可利用的氮素化合物：,氮素化合物的功能：,构成细胞物质，少数微生物的能源物质（如硝化细菌氨）。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,3、矿质元素 为机体提供了必要的金属元素。 无机盐磷酸盐、硫酸盐、氯化物等.,大量元素： P、S、Fe、Mg、K、Ca 微量元素： Mn、C

4、u、Zn、Mo ,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,3、矿质元素,主要功能：,a. 构成微生物细胞成分,b. 参与酶的组成（Mg、Mn等）,c. 维持细胞结构的稳定性（Ca 、Mg等）,d. 维持细胞渗透压平衡，有利于物质的运输(K+、Na+等),e. 部分元素可作为少数类型微生物的能源(Fe、S等),第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子 是指微生物生长必需的但本身不能合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子 生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶,生

5、长因子分类（化学结构、生理作用）: 氨基酸 碱 基（嘌呤、嘧啶） 维生素,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子特点：,（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同,克氏杆菌 维生素、对氨基苯甲酸 肠膜明串珠菌 十七种氨基酸,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子,（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化,鲁毛霉： 厌氧条件下：需维生素B与生物素 好氧条件下：无需生长因子,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子,（3）对生长因子未知微生物的培养,酵母膏、牛肉膏或动

6、物、植物的组织液,加入天然成分,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,微生物水分含量：营养细胞90%，孢子40%。,生长、代谢必不可少的物质。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,水分在微生物生长代谢中的功能：,a. 机体内生理生化反应的基础,b. 溶剂与运输介质,c. 细胞内温度的缓冲剂作用,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,水的活度（Aw） （有效性） 一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件(T、P)下纯水蒸汽压力之比。,定义公式是： Aw=Pw/P0w Pw:溶液中水的

7、蒸汽压；P 0 w:纯水的蒸汽压,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,微生物最适水的活度值,细菌：0.93 0.99 酵母菌：0.880.91 霉菌：0.80左右,特殊营养条件氧,各种微生物最低水的活度值,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型） 能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物（蓝细菌）。,念珠蓝细菌,基本特点：,B、供氢体（或电子供体） 还原性无机物（如水） C、还原CO2,A、光合色素 叶绿素、细菌叶绿素、类胡

8、萝卜素和藻胆素等,实例：,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型）,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型） 利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,紫色非硫细菌,基本特点：,B. 供氢体 有机物 C、还原有机物或CO2形成细胞物质,A. 光合色素,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型）,光能异养型微生物在C源利用上的特殊性： 能利用CO2，但不是唯一碳源。,典型实例：,利用这类细菌能利用低分子量有机物迅速增殖特点，可净化高浓

9、度有机废水 。,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,3、化能自养型(化能无机营养型） 利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,产甲烷细菌,典型实例： 硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌 H2S、 NO3-、 H2、 Fe,基本特点： a. 能源：无机物氧化 b. 供氢体：无机物，还原CO2,在自然界物质转换过程中起重要作用。,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型） 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作为能源而生长的一类微生物。,苏云金杆菌,基本特

10、点： a. 能源：有机物氧化 b. 碳源：有机物,多数,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型）,化能异养型微生物的分类（生活场所、获取养料方式） ：,兼性寄主菌：既营寄生又营腐生生活的 (结核杆菌) 。,寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。,腐生菌腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质 (大多数) 。,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,第一节 微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、微生物营养划分的相对性 同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化。,微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营

11、养型 氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量， 自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活 红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 异养生活,第二节 微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素：细胞膜等细胞结构 细胞膜选择性半透膜 细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素：微生物细胞生活的环境 pH值、温度 (溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),3、第三因素：被吸收物质的特性。 分子量、溶解度、脂溶性等,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,是否消耗能量

12、是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化,单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位,根据微生物对物质的吸收过程中：,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、单纯扩散（称被动扩散） 被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,最简单、纯物理,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、单纯扩散（称被动扩散） 单纯扩散的特点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,

13、S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,c. 不需要能量 浓度梯渡,a. 非特异性的 不需要载体,b. 吸收过程不发生化学变化,如水、气体、甘油等 不是主要的吸收方式,分子量小、脂溶性、极性小的物质易吸收。,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。,T,S T,S T,真核微生物糖类物质,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸

14、收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散 与单纯扩散的相同点：,T,S T,S T,c. 无需代谢能。,a. 被动的扩散。,b. 无化学变化。,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散 促进扩散独有的特点：,T,S T,S T,a. 载体的专一性,b. 运输速率提高,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 以代谢能为动力，在载体蛋白的参

15、与下，将物质从胞外向胞内转运。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S T,S T,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 主动运输同促进扩散的共同点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S T,S T,a. 载体,b. 载体构型的变化,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 主动运输与促进扩散的不同点：,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜

16、 胞内,T,S T,S T,主动运输动力代谢能，促进扩散动力浓度梯度,大肠杆菌对K离子的吸收，可以使细胞内离子的浓度比细胞外高2000余倍。,第二节 微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,4、基团转位： 被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,厌氧细菌和兼性厌氧细菌,第二节 微生物营养物质的吸收机制,三、几种主要营养物质的吸收,1、糖： 主动运输（多数） 、促进扩散（真核）、基团转位（厌氧或兼性厌氧）,2、肽与氨基酸： 主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）,3、离子： 主动运输,

17、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积累代谢产物的营养物质。,培养基的作用： 为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。,第三节 培养基,任何培养基都应该具备微生物生长所需要的五大营养要素：,碳源、氮源、无机盐、生长因子、水,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；,常规高压蒸汽灭菌： 121 下15-30分钟； 某些成分进行分别灭菌；过滤除菌；,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,1、适合不同微生物的营养特点。 (1)从营养型的角度看,(2)从类群的角度看,自养微生物 合成能力强 简单的无机物 异养微生物 合成能力弱

18、至少提供一种有机物,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。 (1) 浓度适中原则 大量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。 (2) 营养比例原则 a. C/N,b. 其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。 短棒杆菌的谷氨酸发酵 培养基C/N=4:1，菌体繁殖 C/N=3:1，谷氨酸形成,不同的微生物，所需营养物C/N不同。 细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1

19、,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,3、控制培养条件,pH O2 CO2 渗透压,微生物生长繁殖,培养条件,影响,影响,微生物培养体系,(1) 培养基的pH值的控制。,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。 霉菌、酵母菌适于酸性， (pH为6.0左右) 细菌、放线菌喜中性或偏碱性 (pH为7.0-7.5左右),(1) 培养基的pH值的控制。,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,b.使用pH值缓冲剂,微生物与氧气的关系，微生物可分为： 专性好氧性微生物 专性厌氧性微生物 兼性厌氧的微生物,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,实

20、践对策： 专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。 专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂。 （如胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S、抗坏血酸等）,(2) O2浓度的调节,（3）CO2的调节,第三节 培养基,一、配制培养基的基本原则,增加CO2供应的途径： 紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入NaHCO3,按培养基成分 按培养基的用途 按物理性状,第三节 培养基,二、培养基的类型,培养基类型,合成培养基 天然培养基（或半合成培养基）,基本培养基 富集培养基 鉴别培养基,固体培养基 液体培养基 半固体培养基,1、按照培养基成分分： a. 合成培养基 化学成分和浓

21、度完全清楚的物质配制的培养基。,第三节 培养基,二、培养基的类型,1、按照培养基成分分：,第三节 培养基,二、培养基的类型,b. 天然培养基（半合成培养基） 以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。,牛肉膏蛋白胨培养基,牛肉膏 3.0 克 蛋白胨 10.0 克 食盐 5.0 克 蒸馏水（自来水） 1000毫升,优点：配制方便、营养丰富； 缺点：化学成分不稳定，也无法确定。,2、按照培养用途：,第三节 培养基,二、培养基的类型,b. 富集培养基(增殖培养基） 适合某种微生物的生长而不利于其他微生物生长的培养基。,c. 鉴别培养基 根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生

22、物的培养基。 如伊红-甲基蓝培养基：大肠杆菌绿色光泽；产气肠杆菌灰棕色,a. 基本培养基 将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。,3、按照培养基的物理性状,第三节 培养基,二、培养基的类型,b. 液体培养基 未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。,c. 半固体培养基 在液体培养基中加入少量琼脂（0.2-0.5%） 。,a. 固体培养基 在液体培养基中加入凝固剂使呈固体状态，称为固体培养基。,柯赫（Robert Koch） 的助手W Heese和 他的夫人Fran Heese,第四节 微生物的代谢,代谢（metabolism）：,细胞内发生的各种化学反应的总称。,物质,分解代谢产能代谢,合

23、成代谢-耗能代谢,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,相互对立统一，决定着生命的存在和发展。,能量,第四节 微生物的能量代谢,一、微生物的产能代谢,生物氧化 是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应逐步分解并释放能量的过程。 *：在此过程中实现氢离子和电子的转移,最初 能源,有机物,还原态无机物,光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,高能键化合物 （如ATP）,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力H+和产小分子中间代谢物。,第四节 微生物的代谢,微生物的主要产能方式,共同点：氧化还

24、原反应 区别点： 最终电子受体 氧化基质,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,1、发酵（代谢发酵）,第四节 微生物的代谢,一分子葡萄糖释放225.7kJ的能量，其中有62.7kJ的能量贮存于2各ATP中 。,(1)发酵的特点：,工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。,微生物或细胞在不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生ATP的一种方式。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,(2) 酵母菌乙醇发酵,发酵： 微生物或细胞在不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生ATP的一种方式。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,(3) 正型

25、乳酸发酵,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,b. 糖酵解过程是两发酵类型ATP产生的唯一来源。 基质（底物）水平的磷酸化,在EM途径中，哪些是具有高能磷酸键的中间产物？,两个发酵类型的共同点：,a. 糖酵解途径(EM等)是发酵的主要途径。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,HMP途径,ED途径,磷酸解酮酶途径,自学,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,不同点：,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,2、呼吸 微生物以O

26、2或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。 葡萄糖在有氧条件下完全氧化时共释放2875.7kJ的能量，其中有1254kJ的能量贮存于36个ATP中 。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,2、呼吸 (1) 特点：,b. 电子载体传递电子伴随ATP大量形成 氧化磷酸化：通过电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。,a. 电子载体传递电子,电子传递链（呼吸链） 一系列电子载体按照氧化还原电位升高的顺序排列而成的链。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,一、微生物的产能代谢（或

27、分解代谢）,第四节 微生物的代谢,2、呼吸 (2) 类型 （据电子最终受体分）,b. 厌氧呼吸： 最终电子受体：无机物；底物：有机物。 NO3- SO4- CO3- 硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原,a. 有氧呼吸： 最终电子受体：分子氧；底物：有机物。,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,3、无机物氧化：,H2、NH3、HNO2、H2S（氢细菌、硝化细菌和硫细菌）,底物：无机物； 最终受氢体：氧气,好氧的化能自养型,ATP产生方式：氧化磷酸化或底物水平磷酸化,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,第四节 微生物的代谢,4、光能转换（光合磷酸化）,光能转变为化学能的过程：,当一个光合色素分子吸收光量子时被激活，导致其释放电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。,光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生ATP,一、微生物的产能代谢（或分解代谢）,环式光合磷酸化,非环式光合磷酸化,嗜盐菌紫膜的光合作用,光合磷酸化( photophosphorylation),第四节 微