4微生物生理

第4章：微生物生理吕杰[e-mail]一微生物的营养要求微生物细胞的化学组成微生物的营养物质及其生理功能二微生物的营养类型三微生物吸收营养物质的方式四培养基选用和设计培养的原则和方法培养基的种类第一节微生物的营养和培养基微生物的营养要求一、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——（二）微生物细胞的化学成分及分析微生物细胞中的各种元素的存在形式：主要以水、有机物、无机物的形式存在于细胞中微生物细胞的化学组成的影响因素：微生物种类、菌龄、培养条件有机物：蛋白质、核酸、维生素及降解产物和中间代谢产物无机物：细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐水（三）元素在细胞内存在形式：上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中：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：约占细胞总重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%。二、营养物质及其生理功能碳源（carbonsource）氮源（nitrogensource）无机盐（mineralsalts）生长因子（growthfactor）水（water）（一）、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）。◆种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：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碳的化合物。表微生物的碳源谱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、等碳源功能•C素构成细胞及代谢产物的骨架•C素是大多数微生物代谢所需的能量来源碳源种类•无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用•有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物（二）氮源（Nitrogensource）：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、尿素、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）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。表微生物的氮源谱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空气氮源种类分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用有机态氮：蛋白质及其降解产物a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。（三）无机盐（inorganicsalt）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）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。无机盐生理功能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E活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂。无机元素的来源和功能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（四）生长因素（growthfactor）定义:它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。缺乏合成生长因子能力的微生物称为营养缺陷型微生物主要包括：维生素氨基酸碱基维生素有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。氨基酸有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。各种菌合成AA的能力有很大差别，一般G－菌强于G＋，大肠杆菌自己能合成全部AA，沙门氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。碱基嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。（五）水（water）微生物细胞含水约占细胞鲜重的70－90％，水作用是多方面的。水的功能水活度的表示方法水的功能水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。水能维持细胞的膨压（控制细胞形态）。水活度的表示方法微生物可利用的水用水活度来表示（Qw），Qw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an=P溶液/P纯水微生物生长所需的水活度通常在0.63－0.99之间，细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。◆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、微生物的营养类型异养型生物自养型生物光能营养型化能营养型生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营物化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质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微生物营养类型(Ⅰ)微生物的营养类型(Ⅱ)营养类型电子供体碳源能源举例光能无机自养型（光能自养型）H2、H2S、S或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型（光能异养型）有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型（化能自养型）H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-CO2化学能(无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、醋杆菌属(Acetobacter)化能有机异养型（化能异养型）有机物有机物化学能（有机物氧化)假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物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。1、光能无机自养型（光能自养型）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；CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O2、光能有机异养型（光能异养型）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。3、化能无机自养型（化能自养型）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。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。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；4、化能有机异养型（化能异养型）有机物通常既是碳源也是能源；o异养型微生物并非绝对不能利用CO2；o自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；o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不同营养类型之间的界限并非绝对：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；o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三节微生物吸收营养物质的方式单纯扩散（simplediffusion）促进扩散（facilitateddiffusion）主动运输(a