第四章微生物的营养和培养基

第四章微生物的营养和培养基营养是指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物则指具有营养功能的物质，在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射在内。第一节微生物的六类营养要素在元素水平上都需要20种左右，且以碳、氢、氧、氮、磷、硫6种元素为主，在营养要素水平上则都在6大类的范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。一、碳源碳源：一切能满足微生物生长所需碳元素的营养源。有机碳源：异养微生物无机碳源：自养微生物双功能营养物二、氮源氮源：凡能提供微生物生长和繁殖所需氮元素的营养源三、能源能源：能为微生物生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能化学物质（化能营养型）有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）能源谱无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能（光能营养型）：光能自养和光能异样微生物的能源四、生长因子生长因子：是一类对调节微生物正常代谢所必需、但不能用简单的碳、氮源自行合成的微量有机物狭义的：维生素广义的：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、胺类、C4-C6的分支或直链脂肪酸，有时还包括氨基酸营养缺陷突变株所需要的氨基酸在内分类：生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物曾被用于维生素等生长因子的生物测定生长因子过量合成型微生物五、无机盐无机盐：可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素大量元素：生长所需浓度在10^-3~10^-4范围内的元素微量元素：生长所需浓度在10^-6~10^-8范围内的元素营养功能细胞内一般分子成分（C、S、Ca、Mg、Fe）一般功能渗透压的维持生理调节物质酶的激活剂大量元素维持芽孢耐热性无机盐pH稳定性特殊功能化能自养菌的能源无氧呼吸时的氢受体微量元素酶的激活剂特殊分子结构成分六、水第二节微生物的营养类型营养类型：是根据微生物生长所需要的主要营养要素，即能量和碳源的不同，而划分的微生物类型微生物的营养类型：光能无机营养型、光能有机营养型、化能无机营养型、化能有机营养型第三节营养物质进入细胞的方式一、单纯扩散二、促进扩散三、主动运送四、基因移位第四节培养基培养基是指由人工配制的、含有六大营养要素、适合微生物生长的繁殖或产生代谢产物用的混合营养料制作培养基时应尽快配制并灭菌，否则就会杂菌丛生并破坏其固有成分和性质。一、选用和设计培养基的原则和方法(一)四个原则1.目的明确2.营养协调碳氮比3.理化适宜pH、渗透压、水活度、氧化还原电势4.经济节约(二)四种方法1.生态模拟2.借鉴文献3.精心设计4.试验比较二、培养基的种类(一)按对培养基成分的了解作分类1.天然培养基天然培养基是指一类利用动、植物或微生物体，包括用其提取物制成的培养基，这是一类营养成分既复杂、难以说出其确切化学组成的培养基。2.组合培养基又称合成培养基或综合培养基，是一类按微生物的营养要求精确设计后用多种高纯度化学试剂配制成的培养基。3.半组合培养基是指一类主要以化学试剂配制，同时还加有某种或某些天然成分的培养基。(二)按培养基外观的物理状态作分类1.液体培养基2.固体培养基3.半固体培养基4.脱水培养基(三)按培养基对微生物的功能作分类1.选择性培养基2.鉴别性培养基第五章微生物的新陈代谢新陈代谢简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源和各种生命物质的“加工厂”，是活细胞中一切有序化学反应的总和，通常分为分解代谢和合成代谢第一节微生物的能量代谢最初能源转换成通用能源ATP一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总和。形式：与氧结合、脱氢、失电子过程：脱氢、递氢、受氢功能：产能、产还原力、产小分子中间代谢物类型：呼吸、无氧呼吸、发酵㈠底物脱氢的4条途径1.EMP途径（糖酵解途径）2个阶段，3种产物，10个反应总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O生理功能：①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环，HMP途径和ED途径等③为生物合成提供多种中间代谢物④通过逆向反应可进行多糖合成2.HMP途径特点：葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产生大量NADPH+H+形式的还原力以及多种重要中间代谢产物总反应式：6葡糖-6-磷酸+12NADP++7H2O→5-葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi3个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2②核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸③几种戊糖磷酸在无氧参与的条件下发生碳架重排意义：①供应合成原料②产还原力③作为固定CO2的中介④扩大碳源利用范围⑤连接EMP途径3.ED途径总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+特点：①具有一特征性反应——KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛②存在一特征酶KDPG醛羧酶③其终产物2分子丙酮酸来历不同④产能效率低4.TCA循环总反应式：特点：①氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转②每分子的丙酮酸可产生4个NADH+H，1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高③TCA为微生物的生物合成提供各种碳架原料，与人类的发酵生产紧密相关。㈡递氢和受氢1.呼吸底物按常规方法脱氢后，脱下的氢经完呼吸链又称电子传递链传递，最终被外缘分子氧接受，产生水并释放出ATP形式的能量氧化磷酸化化学渗透学说2.无氧呼吸无氧呼吸又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化特点：底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。硝酸盐呼吸硫酸盐呼吸无机盐呼吸硫呼吸铁呼吸无氧呼吸盐酸盐呼吸延胡索酸呼吸有机物呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸3.发酵二、自养微生物产ATP和还原力化能无机自养型微生物：合成起始点是建立在对氧化程度极高的CO2进行还原的基础上光能自养型微生物：起始点建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上(一)化能无机自养型微生物硝化细菌(二)光能营养微生物1.循环光合磷酸化2.非循环光合磷酸化3.噬盐菌紫膜的光介导ATP合成第二节分解代谢和合成代谢的关系连接分解代谢和合成代谢的中间产物有12种一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP、TCA都是重要的两用途径二、代谢物回补顺序是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应乙醛酸循环第三节微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物CO2的固定(一)Calvin循环这一循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径特有的酶：核酮糖二磷酸羧化酶-加氧酶、磷酸核酮糖激酶3个阶段：a)羧化反应：3个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3分子CO2固定，并形成6个3-磷酸甘油酸分子b)还原反应：3-磷酸甘油酸上的羧基还原成醛基的反应c)CO2受体的再生(二)厌氧乙酰——CoA途径总反应：2CO2+4H2→CH3COOH+2H2O(三)逆向TCA循环总反应：3CO2+12[H]+5ATP→丙糖-P(四)羟基丙酸途径少数绿色非硫细菌在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种CO2固定机制二、生物固氮(一)固氮微生物1.自生固氮菌是指一类不依赖与其他种生物共生而能独立进行固氮的微生物2.共生固氮菌是指必须与他种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物3.联合固氮菌指必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物(二)固氮的生化机制1.生物固氮反应的六要素ATP的供应、还原力[H]及其传递载体、固氮酶、还原底物N2、镁离子、严格的厌氧微环境2.测定固氮酶活力的乙炔还原法3.固氮的生化途径4.固氮的产氢反应(三)好氧菌固氮酶避氧害机制三、微生物结构大分子——肽聚糖的生物合成肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在真核细胞的生命活动中有着重要功能(一)在细胞质中的合成1.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸2.由N-乙酰胞壁酸合成“park”核苷酸(二)在细胞膜中的合成(三)在细胞膜外的合成四、微生物次生代谢物的合成