微生物M营养

第五章微生物的营养和培养基营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，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(nutrient)：具有营养功能的物质。营养物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。一些微生物可利用非物质形式的能源光能。第一节微生物的营养要求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第一节微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成二、营养物质及其生理功能三、微生物的营养类型一、微生物细胞的化学组成（一）化学元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。微量元素(traceelement):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——表4—1微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）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%啤酒酵母成分检测结果见李俊刚：啤酒酵母的综合利用－绵阳市科技项目。元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氢85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.2微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。微生物是杂食性的：二、主要营养物及其功能碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)能源（Energysource)生长因子（Growthfactor)无机盐(Inorganicsalt)水(Water)六种营养要素参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源功能:营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源（一）碳源(carbonsource)提供微生物营养所需碳元素的营养源。有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等无机碳源：CO2,Na2CO3,CaCO3等糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等醇类：乙醇，等脂类：脂肪，磷脂，等烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油，等CO2碳酸盐：NaHCO3,CaCO3,白垩，等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸微生物可利用的碳源(化合物分类)微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：糖类（单糖，饴糖）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）麸皮各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2发酵生产的原料，一般可分成下列几类：1，薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。2，粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等。3，野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等。4，农产品加工副产物：米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4气态氮源：大气N2（二）氮源(nitrogensource)凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。氮源一般不作能源。速效氮源迟效氮源实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟效氮源。无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。铵盐氨基酸入胞细胞物质蛋白胨硝酸盐NO3NH4+豆饼蚕蛹粉诱导酶分解入胞细胞物质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。（三）能源(energysource)异养微生物的碳源同时也是能源无机物：化能自养微生物的能源能源谱化学物质辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源单功能：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。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。(四)生长因子(growthfactor)作用：辅酶或酶活化所需。狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等生长因子自养型微生物（auxoautotrophs)生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs)营养缺陷型微生物（nutritionaldeficiency)变株生长因子过量合成型微生物维生素微生物的种硫胺素(B1)Bacillusanthracis(炭疽芽孢杆菌)核黄素Clostridiumtetani(破伤风梭菌)烟酸Brucellaabortus(流产布鲁氏杆菌)吡哆酸(B6)Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌)生物素Leuconostocmesenteroides(肠膜状明串珠菌)泛酸Proteusmorganii(摩氏变形杆菌)叶酸Leuconostocdextranicum(葡聚糖明串珠菌)钴胺酸(B12)Lactobacillusspp.维生素KBacteroidesmelaninogenicus(产黑素拟杆菌)若干细菌所需要的维生素维生素转移的对象代谢功能硫胺素(B1)乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a－酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6)氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素B12羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关维生素的生理功能（五）无机盐(inorganicsalts)所需浓度在10-3-10-4M的元素为大量元素所需浓度在10-6-10-8M的元素为微量元素无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持(Na+等)酶的激活剂(Mg等)pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)生理作用：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（六）水存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源第二节微生物营养类型依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能依生长因子的不同：原养型(prototroph)或野生型(wildtype)营养缺陷型(auxotroph)微生物的营养类型营养类型能源碳源实例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2及简单有机物红螺细菌化能自养型无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌化能异养型有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物寄生型(parasitism)——寄生于活的生物体腐生型(saprophytism)——寄生于死亡的生物有机体化能异养型营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物，即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利用氧化有机物或吸收日光能而获得。自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。光能自养型微生物以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫光能CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O光合色素光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。光能异养型微生物利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）为供氢体同化CO2CH3│光能CO2+2CH2-CHOH----→[CH2O]+2CH3COCH3+H2O菌绿素例：红螺菌属（Rhodospirillum）化能自养型微生物以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。第三节营养物质进入细胞的方式离子化合物：弱快强慢（极性）营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(600Da)的溶质进入,而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。通透性与吸收是不同概念一般大分子先水解为小分子，再吸收脂溶性物质：易透过一、单纯扩散(simplediffusion)依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；不消耗代谢能，无特异性；运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。二、促进扩散(facilitateddiffusion)利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。特点：需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输不消耗能量运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）载体蛋白(carrierprotein)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。促进扩散示意图胞外细胞膜胞内单纯扩散促进扩散浓度梯度单纯扩散和促进扩散的比较单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台单纯扩散、促进扩散、主动运输：被运输的溶质分子不发生改变。3、主动运输(activetransport)特点：是微生物吸收营养的主要方式可逆浓度梯度运输，耗能需载体蛋白，有特异性运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象亲和力改变→蛋白构象改变→耗能细胞内细胞外(或细菌周质空间)电子转运1.电子转移能被用来将质子泵出膜外2.质子梯度通过反运输机制将钠离子逐出膜外3.钠离子与载体蛋白复合物相结合4.溶质结合位点的形状发生改变，而与溶质(如糖和氨基酸)结合5.载体蛋白的构象发生改变，钠离子在膜内释放，随后溶质从载体蛋白解离主动运输的机制：使用质子(H+)和钠离子(Na+)梯度。特点：属主动运输类型溶质分子发生化学修饰定向磷酸化需复杂的运输酶系参与运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等4、基团转位(grouptranslocation)膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。PEP+HPrEI丙酮酸+P-HPrP-HPr+糖EII糖-P+HPr1.热稳定性载体蛋白(heatstab