微生物的营养-工业微生物学课件-05

第五章微生物的营养本章内容第一节，微生物的化学组成和营养要求第四节，培养基第三节，营养物质进入细胞的方式第二节，微生物的营养类型第一节微生物细胞的化学组成和营养要求一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水（70%-90%）干物质有机物无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”蛋白质、多糖、脂、核酸、维生素、有机酸等及其降解产物这些化学元素都来自胞外环境。微生物细胞利用这些化学元素物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为细胞结构。细胞化学元素组成：主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。营养：微生物在其生长过程中获取生命活动所需的能量和结构物质的生理过程。营养物质：外界环境可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生长环境的化学物质。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。概念区分：二、微生物的营养要素及其生理功能碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐，水营养要素的功能：1）构成细胞结构组分和代谢产物的原料；2）提供能量；3）调节新陈代谢。微生物的6大营养要素：微生物与动植物营养要素的比较微生物动物（异养）异养自养绿色植物（自养）碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳氮源蛋白质及其降解物蛋白质及其降解物、有机氮化物、无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳源同与碳源同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素有些需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水1、水功能：（1）营养物质或代谢废物运输的必备物质；（2）直接作为反应物或产物参与体内多种生化反应；（3）水还是许多有机物中氢和氧的来源，例如烷烃分解过程；（4）许多酶促反应必须在水溶液中才能进行；（5）水分子之间形成的氢键使得水成为一种很好的温度缓冲剂。（6）水是热的良导体，有利于散热，不致于因代谢产热而使细胞局部温度上升；（7）作为活细胞中含量最高的成分，水对于维持细胞自身形状以及生物大分子的天然结构起着重要的作用。水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较游离水的含量可用水活度aw（Wateractivity）表示。水活度：在相同温度和压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的水蒸汽压之比。微生物能在aw=0.63～0.99的条件下生长。特定微生物对aw的要求是一定的。人体平均60%海蛰约96%霉菌孢子约39%几种生物的孢子皮层约70%游离水含量细菌芽孢微生物核心极低细菌约80%营养体酵母约75%霉菌约85%定义：凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质功能:构成细胞成分（需要量最大的元素，50%）；形成代谢产物和储藏物；为异养型微生物提供能源。2.碳源（carbonsource）碳源谱：无机碳有机碳C.H.O型C.H.O.N型糖、有机酸、醇、脂类等（葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等）氨基酸、简单蛋白质（氨基酸，明胶等）C.H型烃类（天然气、石油、石蜡油等）C.H.O.N.X型复杂蛋白质、核酸等（牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等）C.O型CO2C.O.X型NaHCO3CaCO3特点1）根据微生物利用有机碳或无机碳，可将微生物分为：异养微生物：有机碳自养微生物：无机碳2）碳源谱广（微生物植物动物）；3）最适碳源：C.H.O型，糖类（异养微生物）糖有机酸，醇脂单糖双糖多糖（淀粉纤维素,木质素,几丁质）己糖戊糖葡萄糖，果糖甘露糖，半乳糖4）微生物对碳源利用具有选择性混合存在葡萄糖：首先利用（速效碳源）乳糖：后利用（迟效碳源）5）不同微生物，其碳源谱不同（利用碳源物质的能力有差别）洋葱假单胞菌：90种以上甲烷菌：甲醇和甲烷6）异养微生物：碳源=能源（双功能营养物）选择碳源原则1）根据微生物的生理机能选择；2）考虑经济效益，防止降格使用定义：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质。功能构成细胞组分（需要量仅次于碳源，~12%）；构成代谢产物；某些自养菌的能源（如硝化细菌：氨和亚硝酸盐兼氮源和能源）氮源谱无机氮N.H，N.O，N有机氮N.C.H.ON.C.H.O.X尿素、氨基酸、蛋白胨，明胶复杂蛋白质、核酸（牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕蛹粉、玉米浆等）硫酸胺、硝酸钾、氨、氮气3.氮源（nitrogensource）生理酸性盐:当以（NH4）2SO4为唯一氮源时，NH4＋被利用后，培养基的pH下降，称为“生理酸性盐”；生理碱性盐:当以KNO3为氮源时，NO3－被利用后，培养基的pH上升，称为“生理碱性盐”。利用NH4NO3为氮源，可以避免pH急剧升降，但是，NH4＋的吸收快，NO3—的吸收滞后，所以，培养基pH会先降后升。“氨基酸自养型生物”（Aminoacidautotroph）:凡是能将非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）自行合成生长代谢所需要的一切氨基酸的微生物。“氨基酸异养型生物”（Aminoacidheterotroph）:凡需要从外界吸收现成氨基酸作氮源的微生物。所有的动物和大量异养微生物是氨基酸异养型的，而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。迟效性氮源:不能直接被菌体利用的氮源。反之则被称为“速效性氮源”。氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不作为能源。只有少量细菌，如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用氨基酸为唯一的能源。宏量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca等（10-3~10-4mol/L）；微量元素：Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等（10-6~10-8mol/L）其中：Fe是介于微量元素和宏量元素之间的元素。功能①构成细胞的组成成分；②作为酶的活性中心；③维持酶的活性；④调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位；⑤作为某些自养菌的能源。4.无机盐（inorganicsalt）(1)磷：合成核酸、磷脂、一些辅酶（NAD，NADP，CoA等）及高能磷酸化合物的重要原料。一般都以K2HPO4和KH2PO4的形式人为地提供。(2)硫:某些氨基酸（如半胱氨酸和蛋氨酸）、辅酶因子（如辅酶A，生物素，硫辛酸和硫胺素）和谷胱甘肽的组成成分。也是某些自养菌的能源物质。微生物从含硫化合物中得到硫。一般人为的提供形式为MgSO4。(3)镁:一些酶（如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固氮酶）的激活剂，是光合细菌菌绿素的组成成分；具有稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞生长就会停止。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。(4)钾：不参加细胞结构物质的组成，但它是许多酶（如果糖激酶）的激活剂，与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓度比胞外高许多倍。各种无机钾盐，尤其是磷酸钾盐（磷酸二氢钾，磷酸氢二钾）可作为钾源。(5)钙：一般不参与微生物的细胞结构物质（除细菌芽孢外），但它是某些酶（如蛋白酶类）的激活剂，还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性的钙盐，如CaCl2及CaCO3等都是微生物的钙元素来源。(6)钠：与细胞渗透压调节有关。胞内浓度低，而胞外浓度高。对嗜盐菌来说，钠除了维持细胞的渗透压外，还与营养物的吸收有关，如吸收葡萄糖就需要Na＋的帮助。(7)微量元素：与酶活性有关，或参与酶的组成，或是许多酶的调节因子。铁：过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素，也是铁细菌的能源，铁含量太低会影响白喉杆菌形成白喉毒素；铜：多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的成分；锌：醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子；钴：参与维生素B12的组成；钼：参与固氮酶的组成；锰：超氧化物酶的激活剂。无机盐离子的提供方式常量元素：K2HPO4，MgSO4（提供4种主要元素）微量元素：自来水，玻璃器皿定义微生物生长不可缺少的(自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的)微量有机物质称为生长因子（growthfactor），一般包括维生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。功能作为辅酶或辅基参与代谢；核酸和蛋白质的成分。5.生长因子（growthfactor）核黄素：梭菌属，假丝酵母属等维生素B12：链霉菌属，丙酸杆菌属，假单胞菌属辅酶A：短杆菌属维生素C：葡萄糖酸杆菌属，欧文氏菌属，棒杆菌属维生素D：酵母属有些微生物能够合成大量的维生素，可采用工业发酵法生产如何提供生长因子？天然培养基半合成培养基酵母膏（19种氨基酸，维生素）玉米浆（20种氨基酸，6种维生素）肝浸汁麦芽汁合成培养基添加配制的维生素复合液生长因子的微生物学分析法图5-1培养基中维生素B12的浓度和需维生素B12微生物生长间的关系。培养物的光密度和生长量成正比能源谱：化学物质：化能营养型有机物：化能异养微生物（能源=碳源）无机物：化能自养微生物还原态无机物氧化提供能量。（还原态无机物：NH4+，NO-2，H2S，H2，Fe2+）辐射能：光能营养型光能自养微生物光能异养微生物为微生物生命活动提供最初能量来源的物质或辐射能6.能源（energysource）单功能营养物：光（能源）双功能营养物：葡萄糖(C源，能源)多功能营养物：酵母膏（C源，N源，生长因子等）第二节微生物的营养类型异养型(heterotrophs):以有机物为碳源自养型(autotrophs):以CO2为唯一或主要碳源生长所需要的营养物质(碳源)生物生长过程中能量的来源光能营养型(phototrophs):以光为能源化能营养型(chemotrophs):以有机物氧化释放的化学能为能源提供供氢体（电子供体）的不同无机营养型(lithotrophs):以还原性无机物为供氢体有机营养型(organotrophs):以有机物为供氢体根据微生物所利用碳源、能源的不同，可分为四种基本营养类型：1.光能自养型2.光能异养型3.化能自养型4.化能异养型1．光能自养型（光能无机营养型）能以CO2为唯一或主要碳源；通过光合作用获取生长所需能量；以无机物（如H2、H2S、S等）作为供氢体，使CO2还原为细胞物质；例如，藻类及蓝细菌。同植物一样，以水为供氢体，进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为供氢体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。CO2+2H2A光能光合色素[CH2O]+2A+H2O2．光能异养型（光能有机营养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物为供氢体，通过光能将CO2还原为细胞物质；生长时大多数需要外源的生长因子。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。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O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。目前在高浓度有机废水的处理中应用意义重大。代表菌种主要的氢供体主要碳源生长条件绿硫细菌H2S,H2SO3,H2CO2厌气,明红硫细菌H2S,H2SO3,H2,也利用有机物CO2,有机物厌气,明红螺菌H2,主要利用有机物CO2,主要是有机物厌气,明好气,明好气,暗表光合菌种类及其特性菌3.化能自养型（化能无机营养型）生长所需能量来自无机物氧化产生的化学能；以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源；以H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作供氢体，使CO2还原成细胞物质。化能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。2NH3＋3O2＋2H2O2HNO2＋4H+＋4OH－＋能量亚硝酸细菌CO2＋4H+[CH2O]＋H2O4.化能异养型（化能有机营养型）生长所需能量来自有机物氧化过程产生的化学能；生长所需的碳源主要是有机物（如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等）有机物通常既是碳源也是能源。（通过糖酵解途径既可产生用于生物合成的碳骨架，也可释放出ATP和NADH）大多数细菌、真菌、原生动物都是化能异养型微生物；所有致病微生物均为化能异养型微生物。化能异养型分为：腐生型(metatroph