微生物学-4营养

第四章微生物的营养营养物质：环境中存在的能满足微生物生长、繁殖和进行各种生理活动需要的物质。——生命活动的物质基础营养的概念：有机体吸取和利用营养物质的过程。——生命活动的起点第一节微生物的营养要求第二节营养物质进入细胞第三节培养基MicrobialNutrition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NutritionalRequirementsofMicrobialCells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％）（二）元素在细胞内存在形式：1．有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.2．无机物：1)参与有机物组成，2)单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.3、水：占细胞总重70%～90%，以游离水和结合水两种形式存在游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的17%—28%。（三）微生物细胞化学组成含量的变化主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15占细碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40重的核酸10~206~81%无机盐2~303.8~76~12表4—2微生物细胞的化学组成此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。二、营养物质及其生理功能水碳源氮源能源无机盐生长因子营养物质的功能：提供能量；提供合成原料；调节代谢活动进行；提供适宜代谢环境；1.水功能：①起到溶剂与运输介质的作用；②参与细胞内一系列化学反应；③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构④热的良好导体；几种生物的游离水含量人体：~60%海蛰：~96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%◆存在形式：结合水和游离水.◆不同细胞及结构中游离水的含量有较大差别：◆微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的水活度值（wateractivity,w）表示。所谓w就是水的有效浓度。◆定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，即：w=/o表示溶液的蒸汽压o表示纯水的蒸汽压◆在w为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其生长的最适w亦不同。表4-7几类微生物生长最适w微生物w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80噬盐细菌0.70噬盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60◆为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度（RH)的概念（w×100=RH）；通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。2.碳源（Carbonsource）◆定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。◆功能：提供合成细胞物质的原料;为生理活动提供能源（异养微生物）。类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等表4-4微生物的碳源谱类型｛有机碳无机碳异养微生物自养微生物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定义：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。功能：1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；2）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。3.氮源（Nitrogensource）：类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气表4—5微生物的氮源谱类型固氮微生物氨基酸异养微生物氨基酸自养微生物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。4.能源能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能能源谱｛化学物质辐射能｛化能异养微生物的能源有机物无机物化能自养微生物的能源光能自养和光能异养微生物的能源5.无机盐（inorganicsalt）大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能：｛参与微生物中氨基酸和酶的组成；调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡酶的激活剂。作用6.生长因子（growthfactor）：定义:是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能合成,需要额外加入的有机物质。包括：维生素氨基酸其它：核苷；肌醇；胆碱等根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：1.野生型(wildtype)原养型不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株。2.营养缺陷型(auxotroph)由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株。3.生长因子过量合成型三、微生物的营养类型异养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源光能营养型化能营养型划分依据营养类型特点碳源自养型(autotrophs)以CO2为唯一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源能源光能营养型(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电子供体无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体分类原则：按能量来源分根据微生物生长所需碳源物质的性质分根据生物合成中供氢体的性质分根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：光能无机自养型(photolithoautotrphy)光能有机异养型(photoorganoheterotrphy)化能无机自养型(chemolithoautotrphy)化能有机自养型(chemoorganoheterotrophy)主要类群：藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌等主要类群：紫色非硫细菌、红螺菌主要类群：硫氧化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌真菌、大多数非光合作用的细菌1．光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（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为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。CO2+2H2S光能光合色素[CH2O]+2S+H2O2．光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在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]+H2O3．化能无机自养型（化能自养型）生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。化能无机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；4．化能有机异养型（化能异养型）生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，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；大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；根据利用有机物的特性分：腐生菌；利用无生命的有机物为生长碳源。寄生菌：从寄主体内获得生长所需的营养物质。兼性菌：既可腐生又可营寄生生活的微生物。不同营养类型之间的界限并非绝对异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；例如紫色非硫细菌(purplenonsulphurbacteria)：没有有机物时，同化CO2，为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力第二节营养物质进入细胞的方式营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等②微生物所处的环境（温度、PH等）；③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为单纯扩散促进扩散主动运输穿膜运输膜泡运输基团转位一．单纯扩散被输送的物质，靠细胞内外浓度为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。特点①没有发生反应；②不耗能；顺浓度差；③不需载体；④运输速率较慢水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。二．促进扩散特点①不消耗能量；顺浓度梯度；②不发生变化③需要载体参与④运输速率提高，饱和效应定义：营养物通过与细胞膜上载体蛋白的可逆性结合从高浓度环境进入低浓度环境的传递过程。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。oractiveansport三．主动运输它的重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。定义：在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白消耗代谢能量逆浓度梯度吸收营养物质的过程。Na+-K+-ATP酶系统Na+-K+-ATPase是存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白功能:利用ATP能量将Na+由细胞内“泵”出胞外,并将K+“泵”入胞内。维持“高钾低钠”作用步骤:1.ATP酶(E)在细胞内侧与3个Na+结合,同时消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)构象变化将Na+排除胞外,并与2个K+结合;3.K+激发E+脱磷酸化恢复为E,同时将K+运入细胞.该酶由大小两个亚基组成e.g.：磷酸烯醇式丙酮酸--磷酸糖转移酶运输系统（PTS）PTS通常由五种蛋白质组成，包括:酶I、酶II（a、b、c三亚基）和热稳定蛋白质（HPr）反应式：四．