微生物的营养

第五章微生物的营养微生物的营养物质及其功能微生物的营养类型物质进出微生物细胞的方式培养基2019/8/152分子千重百分含量分子数不同种类全部大分子蛋白质多糖脂类DNARNA全部单体氨基酸及其前体糖类及其前体核苷酸及其前提无机离子全部965559.13.120.53.50.520.511002461000023500004300220000002.1255501350~100~50~20018~2500~1850241~660原核生物细胞的化学物质组成2019/8/153微生物细胞的化学元素组成大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁微量元素(traceelement):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。表：微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）元素细菌酵母菌真菌元素细菌酵母菌霉菌碳－50－50－48钠0.5－1.00.01－0.10.02－0.05氮－15－12－5钙0.01－1.50.1－0.30.1－1.4氢－8－7－7镁0.1－0.50.1－0.50.1－0.5氧－20－31－40氯化物0.5－－磷－3－3.54－4.85铁0.02－0.20.01－0.50.1－0.2硫－1－0.039－0.11化学元素水平注意：组成比例因种而异；组成随菌龄以及培养条件的不同在一定范围内发生变化。占细菌细胞干重的97%2019/8/154营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。营养物质（nutrient）:外界环境中可为细胞提供结构组成、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称之或称为养料。营养（nutrition）:细胞从外界环境中摄取营养物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程。营养物质的作用：形成结构——参与细胞组成；提供能量——机体进行各种生理活动所需的能量；调节作用——构成酶的活性成分和物质运输系统；良好生理环境——水有利于生物大分子结构的稳定2019/8/155第一节微生物的营养物质及其功能微生物和其他生物的营养统一性2019/8/156微生物的六大营养要素——碳源及其功能◆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：提供合成细胞物质及代谢物的原料;为整个生理活动提供所需要能源（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、等微生物的碳源谱2019/8/157注意：1.对整个微生物界来说，微生物的碳源是非常广泛的。2.不同的微生物对碳源的利用能力不同，其碳源谱也有所差异。3.在有机碳中，C·H·O·N和C·H·O·N·X类虽然可以利用，但通常做氮源使用。4.对异养微生物来说，其碳源同时又充作能源——双功能营养物。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、或者工业的副产品如糖蜜微生物的六大营养要素——碳源及其功能2019/8/158◆能源：指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。◆微生物的能源谱能源谱化学物质（化能营养型）辐射能（光能营养型）：光能自养和异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同碳源）◆种类化能自养微生物：还原态的无机物质，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等单功能营养物：辐射能（能源）双功能营养物：还原态的NH4＋（能源、氮源）三功能营养物：氨基酸类（能源、碳源、氮源）微生物的六大营养要素——能源及其功能2019/8/159◆氮源：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。◆种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨、N2等；有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、尿素等◆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）少数细菌可以利用铵盐、硝酸盐等氮源为能源。3）对于异氧微生物，含有N·C·H·O·X的有机化合物具有碳源、能源和氮源3重功能；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空气微生物的氮源谱微生物的六大营养要素——氮源及其功能2019/8/1510◆实验室常用的氮源：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：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。◆迟效氮源：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。◆速效氮源：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。◆速效氮源：通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。◆氨基酸自养型生物：一部分微生物能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源合成所需要的一切氨基酸。◆氨基酸异养型生物：需要从外界吸收氨基酸作为氮源的生物。微生物的六大营养要素——氮源及其功能2019/8/1511构成微生物细胞的组成成分；调解微生物细胞的渗透压，pH值和氧化还原电位；有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源；构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种酶的激活剂。◆无机盐功能◆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）◆种类：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。微生物的六大营养要素——无机盐及其功能2019/8/1512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盐的来源和功能2019/8/1513◆生长因子：: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。◆种类：狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、分支或直链脂肪酸生长因子自养型微生物不需要从外界吸收任何生长因子多数真菌、放线菌和一些细菌生长因子异养型微生物需要从外界吸收多种生长因子乳酸菌、动物致病菌、支原体等生长因子过量合成微生物少数微生物在其代谢活动中，能合成并大量分泌某些维生素等阿舒假囊酵母产B2、谢氏丙酸杆菌和产甲烷菌产B12微生物对生长因子的需要与否分为三种类型◆生长因子的提供方式：维生素混合液或者一些天然物质原料（酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁或者其他动物、植物的汁液等）微生物的六大营养要素——生长因子及其功能2019/8/1514微生物细胞含水约占细胞鲜重70－90％，水作用是多方面的。◆水的功能是细胞中生化反应的良好介质；营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出体（细胞）外；水的比热高，能有效的吸收代谢过程中放出的热量，不致使细胞的温度骤然上升；维持细胞的膨压（控制细胞形态）；有利于生物大分子结构的稳定；◆水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水，结合水没有流动性和溶解力，所以微生物不能利用它。微生物的六大营养要素——水及其功能2019/8/1515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%◆不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别水的可利用性常用水活度aW表示：在相同温度和压力下，体系中溶液或物质上面空气的蒸汽压与纯水蒸汽压之比。aW=P溶液/P纯水微生物生长所需的水活度为0․63~0․992019/8/1516六大营养要素及其生理作用种类碳源氮源无机盐生长因子水能源生理作用提供碳源构成有机分子的骨架，碳源物质通常也提供氢元素和氧元素能源(二氧化碳不提供能源)提供氮元素合成含氮物质一般不作为能源(少数自养菌能用作能源)酶活性中心组分稳定生物大分子及细胞结构调节渗透压控制氧化还原电位某些微生物能源物质维生素、嘌呤和嘧啶作为酶的辅基和辅酶提供某些微生物不能合成的氨基酸嘌呤和嘧啶用于合成核苷、核苷酸及核酸溶剂与运输介质参与生化反应热导体维持细胞形态控制多亚基结构的装配与解离生命活动能量单功能营养物（辐射能）双功能营养物（能源、氮源）三功能营养物（能源、碳源、氮源）2019/8/1517第二节微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养物即能源和碳源、氮源不同而划分的微生物的类型。微生物营养类型的分类分类标准营养类型特点以能源分光能营养型、化能营养型、以光为能源以有机物氧化释放的化学能为能源以氢供体分无机营养型有机营养型还原性无机物为电子供体以有机物为电子供体以碳源分自养型异养型以CO2为唯一或主要碳源以有机物为主要碳源以合成氨基酸的能力分氨基酸自养型氨基酸异养型以生长因子分原养型或野生型营养缺陷型取得死或活的有机物分寄生、腐生2019/8/1518虽然划分微生物营养类型的标准和角度各种各样，但通常都是根据能源、氢供体和碳源来划分。微生物的主要营养类型主要营养类型能源氢/电子供体碳源代表性微生物光能无机营养型光无机物二氧化碳藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌光能有机营养型光有机物有机物紫色非硫细菌、绿色非硫细菌化能无机营养型化学能无机物二氧化碳硫氧化细菌、氢细菌、硝化细菌、铁细菌化能有机营养型化学能有机物有机物原生动物。真菌。大多数非光合细菌2019/8/1519微生物的营养类型——光能无机自养型碳源：以C02作为唯一碳源或主要碳源能源：利用光能电子供体：以无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为氢供体将CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫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。真核藻类和蓝细菌紫硫细菌和绿硫细菌2019/8/1520微生物的营养类型——光能有机异养型碳源：不能以CO2为主要碳源或唯一碳源；能源：利用光能电子供体：以有机物（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子。红螺菌科的细菌以光为能源，二氧化碳为碳源，并需要异丙醇为供氢体，同时积累丙酮2019/8/1521微生物的营养类型——化有无机自养型以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