4 农业微生物学 河南农业大学

Goodafternoon第四章微生物的营养和培养基MicrobialNutritionandMedium第一节微生物的6类营养要素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6类营养要素•1概念•2功能•3细胞化学组成•4营养物质一、概念•营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。指能够为微生物的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节的物质和必要的生理环境。•营养（nutrition)：生物体从外部环境中摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一切最基本的生理功能。二、微生物营养的功能•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。三、微生物细胞的化学组成•组成元素–大量元素macroelements：碳、氢、氧、氮、磷、硫–其他元素traceelement：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等•存在方式–有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素，降解产物、代谢中间产物–无机盐灰分：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.–水——细胞干重的70%~90%，以游离水和结合水两种形式存在。其中结合水占水总量的17%—28%四、微生物细胞的营养物质•1.碳源（Carbonsource）•2.氮源（Nitrogensource)•3.能源（Energysource)•4.生长因子（Growthfactor)•5.无机盐•6.水1、微生物的碳源Carbonsource◆定义：一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物。碳占细胞干重的50％。◆功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。◆碳源谱:无机碳：如CO2和碳酸盐等。有机碳：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。异养微生物：必须利用有机碳源的为数众多的微生物。自养微生物：以无机碳源做为主要碳源的种类极少的微生物。微生物可利用的碳源•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•脂类：脂肪，磷脂•烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油•CO2：CO2•碳酸盐：NaHCO3,CaCO3,白垩，等•其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸等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、CO22、微生物的氮源Nitrogensource概念：凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。氮占细菌干重的12％～15％。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。种类：无机氮源：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、大气N2等有机氮源：蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、黄豆饼、花生饼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。生理酸性、碱性、中性盐(NH4)2SO42NH4++SO42-入胞pHK+（Na+）+NO3-入胞pHKNO3NaNO3NH4NO3NH4+(先入胞)+NO3-(后入胞)3、微生物的能源化能异养微生物：有机物（同碳源）化学物质化能自养微生物：还原态无机NH4+,NO2-,S,H2S,H2,Fe2+等物能源谱（不同碳源）—光能：光能自养和光能异养微生物4、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，但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、嘌呤、碱基、生物素等1.purinesandpyrimidines:requiredforsynthesisofnucleicacids(DNAandRNA)2.aminoacids:requiredforthesynthesisofproteins3.vitamins:neededascoenzymesandfunctionalgroupsofcertainenzymescategories:Growthfactorsareorganizedintothreecategories:缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。例如：肠膜明串珠菌（leuconostocmesenteroides）常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长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5、微生物的无机盐定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式共给。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）生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子或酶结构成分（Co、Mo等）维持渗透压生理调节物质酶的激活剂pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)元素人为提供形式生理功能PKH2PO4、K2HPO4核酸、磷酸和辅酶的成分SMgSO4含硫氨基酸、含硫维生素成分KKH2PO4、K2HPO4酶的辅因子、维持电位差和渗透压NaNaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要CaCa(NO3)2、CaCl2胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成MgMgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分FeFeSO4Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需MnMnSO4超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子CuCuSO4氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4VB12复合物的成分、肽酶的辅因子ZnZnSO4碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子Mo(NH4)6Mo7O24固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分无机元素的来源和功能6、水水的功能：•是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，保证代谢正常进行•起到物质溶剂和运输介质的作用•有效控制细胞内的温度变化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%◆水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水.◆不同细胞及不同细胞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。◆定义：所谓w就是水的有效浓度，在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比即：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。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。第二节微生物的营养类型根据生长所需要的碳源性质分：异养型：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质自养型：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质根据生长时能量的来源分：化能营养型：依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型：依靠光能进行生长按供氢体分无机营养型生物有机营养型生物按碳源、能源和供氢体的不同分为：营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型光无机物CO2蓝细菌,紫硫细菌,（光能自养型）绿硫细菌,藻类光能有机营养型光有机物CO2及简红螺菌科的细菌（光能异养型）单有机物（紫色无硫细菌）化能无机营养型无机物*无机物CO2硝化细菌,硫化细（化能自养型）菌,铁细菌,氢细菌,硫磺细菌等化能有机营养型有机物有机物有机物绝大多数细菌和（化能异养型）全部真核微生物营养类型1。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，以无机物如硫化氢作为供氢体将CO2还原成细胞物质。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。2。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CO2。红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。光能2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O光合色素光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子化能自养型微生物以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,，利用无机物做为供氢体，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。化能异养型微生物多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为下列两种类型：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。MajornutritionaltypesofmicroorganismsNutritionalTypeEnergySourceCarbonSourceExamplesPhotoautotrophsLightCO2Cyanobacteria,somePurpleandGreenBacteriaPhotoheterotrophsLightOrganiccompoundsSomePurpleandGreenBacteriaChemoautotrophsorLithotrophs(Lithoautotrophs)Inorganiccompounds,e.g.H2,NH3,NO2,H2SCO2AfewBacteriaandmanyArchaeaChemoheterotrophsorHeterotrophsOrganiccompoundsOrganiccompoundsMostBacteria,someArchaea第三节营养物质进入细胞的方式1单纯扩散(simplediffusionorpassivediffusion)2促进扩散(facilitateddiffusion/transport)3主动运输(Activetransport)4基团转位(Grouptranslocation)1、单纯扩散(simplediffusionorpassivediffusion)被输送的物质，靠细胞内外浓度差为推动力，以扩散的形式从高浓度区向低浓度区特点：1.非特异性；2.不需要载体；3.不需消耗能量；4.顺逆浓度梯度进行；5.速度很慢6.可运送的养料有限(水或溶于水的气体（氧）及小极性分子，如尿素、甘油、乙醇等）特点：可运