第四章微生物的生理

第四章微生物营养与代谢第二节微生物的营养第三节微生物营养物质的吸收机制第四节微生物代谢第一节酶第二节微生物的营养一、概念：微生物营养：微生物吸收必要的物质以获得能量并合成细胞物质的过程。营养物质：那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。微生物代谢：微生物体内化学反应的总和。分为异化作用和同化作用。异化作用：物质分解反应——将营养物质和细胞物质分解放出能量的过程。同化作用：将营养物质转变为机体组分的过程，吸收能量。二、微生物的化学组成水：70%～90%干物质：10%～30%。有机物：90%～97%包括蛋白质、核酸、糖类、脂类。无机物：3%～10%包括P、S、K、Na等基本元素和Cu、Co、Mn、Zn等微量元素。微生物的化学组成通常随菌龄、培养条件、环境及生理特性改变而改变。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不同微生物细胞的化学组成水微生物营养物质碳素化合物氮素化合物矿质元素生长因子三、营养物质营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水1、碳源(碳素化合物)：凡可构成微生物细胞和代谢中碳元素来源的营养物质称为碳源。微生物细胞含碳量：细胞干重的50%。微生物细胞中碳的功能：（1）构成微生物体有机分子的骨架；（2）大多数微生物的能源物质。甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、酒糟、造纸厂亚硫酸液CO2有机物葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉有机酸、醇类、脂类微生物可以利用的碳源种类：｛有机碳无机碳异养微生物自养微生物碳源谱其中糖是应用最广泛的碳源。甲烷氧化菌（甲基营养型）：甲烷、甲醇根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？不同的微生物利用碳素的情况：洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素2、氮源（氮素化合物）：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。分子氮N2（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌）无机氮NH4＋、NO3－、NO2－（多数微生物）有机氮蛋白质、多肽、氨基酸（多数微生物）牛肉膏、蛋白胨、尿素、酵母膏、玉米浆、饼粕微生物可利用的氮素化合物：氮素化合物的功能：构成细胞物质，少数微生物的能源物质。3、矿质元素(无机盐)为机体提供了必要的金属元素等P、S、Fe、Mg、K、Ca(大量元素)Mn、Cu、Zn、Mo、Co（微量元素）矿质元素主要功能：1）、构成细胞组分。如P、S、Mg（核酸、蛋白、酶、辅酶）2）、构成酶的组分和维持酶的活性。如（Mg、K、Ca）是组分和激活剂，Fe、P、Co、Zn是组分。3）、调节渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。如P、Fe、Ca、K4）、供给自养微生物能源。如Fe、P、S。5）、影响细胞分裂。Fe大肠杆菌在分裂时缺铁，只核物质增长、延长而不分裂，细胞呈丝状生长。微量元素之间有协同作用，也有拮抗作用。如Fe、Zn、Mn可促进铜的作用，Mn却抵消Zn的促进作用。再如Co和Ni与镁的拮抗作用。（当镁的浓度低而Ni的浓度0.2Mg/L时，完全抑制产气杆菌的生长。当镁的浓度为20Mg/L时，Ni的抑制作用极小）生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶生长因子分类：氨基酸核苷维生素酶简单蛋白结合蛋白=蛋白+辅助因子辅酶(与酶结合松驰)辅基(与酶结合牢固)生长因子是指微生物生长必需的但不能利用普通的碳源和氮源合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。4、生长因子有关生长因子的注意点：（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同克氏杆菌生物素、对氨基苯甲酸肠膜明串珠菌十七种氨基酸（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化鲁毛霉：厌氧：需维生素B与生物素好氧：无需生长因子（3）生长因子未知微生物的培养加入天然成分：酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液5、水分微生物水分含量：营养细胞90%，孢子40%。水分在微生物生长代谢中的功能：a.机体内生理生化反应的基础，维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；b.溶剂与运输介质；c.细胞内温度的缓冲剂作用，热的良好导体。微生物最适水的活度值水的活度（Aw）：一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件(T、P)下纯水蒸汽压力之比。一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60四、微生物的营养类型微生物营养型自养型异养型能源碳源CO2有机化合物光能型化能型光能化学能光能自养型化能自养型光能异养型化能异养型生长所需要的营养物质自养型生物异养型生物生物生长过程中能量的来源化能营养型光能营养型营养类型电子供体碳源能源代表类群光能无机营养型H2、H2S、S、或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机营养型有机物有机物光能红螺细菌化能无机营养型H2、H2S、Fe2+、NH3、或NO-2CO2化学能(无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、硝化杆菌属(Nitrobacter)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、醋酸杆菌属(Acetobacter)化能有机营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、原生动物微生物的营养类型1、光能自养型（光能无机营养型）能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。念珠蓝细菌基本特点：B、供氢体：还原性无机物，还原CO2A、光合色素（叶绿素、细菌叶绿素）光叶绿素H2O＋CO2(CH2O)+O2↑（蓝细菌）实例：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光合色素光能[CH2O]+2S+H2O2、光能异养型(光能有机营养型）利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类厌氧微生物，又称有机光合细菌。在生长时大多数需要外源的生长因子。紫色非硫细菌基本特点：b.供氢体：有机物，还原CO2或有机物形成细胞物质a.光合色素，光合作用光能异养型微生物在C源利用上的特殊性：以有机质作为主要C源，能利用CO2，但它不是唯一碳源。光能细菌叶绿（红螺菌）CH3CO2+2CHOHCH2O+2CH3COCH3+H2OCH3典型实例：3、化能自养型(化能无机营养型）利用无机化合物氧化时（S、H2S、H2、NH3、Fe)释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。产甲烷细菌典型实例：硫化细菌、硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)、产甲烷菌、铁细菌H2S、NO2－H2、Fe2+基本特点：a.能源：无机物氧化；b.供氢体：无机物，还原CO2；c.CO2为唯一碳源。硝化细菌:亚硝化细菌2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化细菌NO2-+1/2O2→NO3-+18.1Kcal硫化细菌:通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、S2O32-、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）H2S+1/2O2→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO22Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal硝化细菌铁细菌4、化能异养型（化能有机营养型）以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物。它包括绝大多数的细菌、放线菌及全部的真菌。苏云金杆菌基本特点：a.能源：有机物氧化b.碳源：有机物所有致病微生物均为化能有机异养型微生物。化能异养型微生物的分类：（生活场所、获取养料方式）③兼性寄生/兼性腐生菌：既营寄生又营腐生生活的。②寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。①腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质。结核杆菌大肠杆菌小结1、微生物营养型划分的依据是什么？碳源能源2、微生物营养划分的相对性同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化。微生物提供的环境条件能源利用情况营养型氢单胞菌单纯的无机物环境利用氢的氧化获得能量，自养生活将CO2还原成细胞物质提供有机物利用有机物获得能量异养生活红螺菌：光照利用光能作能源光能异养暗处理利用有机物氧化产能化能异养五、培养基:是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。培养基的作用：为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。（一）、配制培养基的基本原则1、适合不同微生物的营养特点(1)从营养型的角度看生理特点不同细菌放线菌霉菌营养要求不同牛肉膏蛋白胨培养基高氏一号培养基马丁氏培养基或蔡氏培养基(2)从类群的角度看自养微生物合成能力强简单的无机物异养微生物合成能力弱至少提供一种有机物2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过小——不能满足微生物生长的需要。a、碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；不同的微生物，所需营养物C/N不同。细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1,土壤中微生物群体要求碳氮比25:1（？）同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。短棒杆菌的谷氨酸发酵C/N=4:1，菌体繁殖；C/N=3:1，谷氨酸形成碳氮磷比：水、碳源、氮源、无机盐及生长因子为微生物共同需要的物质。由于不同微生物细胞的组成不同，对各营养元素的比例要求也不同。这里主要是指碳氮比培养基中所含的C源中C原子的摩尔数/N源中N原子的摩尔数。C/N比值=碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数b、其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）大量元素10-3-10-4mol/L微量元素10-6-10-8mol/L废水处理中的碳氮磷比：满足活性污泥的营养要求！工业废水:如酒精废水缺氮；洗涤废水磷过剩、缺氮。缺氮用粪便污水或尿素补充。缺磷用磷酸二氢钾补充。污水好氧处理：C：N：P＝100：5：1；厌氧法：C：N：P＝200：5：1。3、控制物理化学条件pHO2CO2渗透压微生物生长繁殖培养条件影响影响微生物培养体系(1)培养基的pH值的控制。a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。霉菌、酵母菌适于酸性，(pH4.5-6.0左右)细菌、放线菌喜中性或偏碱性(pH7.0-7.5左右)b.使用pH值缓冲剂磷酸盐、碳酸盐、蛋白胨、氨基酸(配制培养时加入)磷酸盐缓冲作用的反应式为：H+(强酸)+HPO4=(弱碱)H2PO4-(弱酸)OH-(强碱)+H2PO4-(弱酸)HPO4=(弱碱)+H2O碳酸钙（配制培养基时加入）酸或碱（培养过程中加入）由微生物与氧气的关系形成了三类微生物：专性好氧性微生物专性厌氧性微生物兼性厌氧的微生物实践对策：专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂（胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S和抗坏血酸）(2)O2浓度的调节（3）CO2的调节对自养微生物来说，空气中只占容积的0.03%的CO2量意味着什么？增加CO2供应的途径：培养基中加入NaHCO3（4）渗透压和aw等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcusaureus则能在3mol/LNaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.8~6.2/LNaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物。水的活度aw有时也常用相对湿度（RH)的概念（w×100=RH）（5）氧化还原电势是度量某氧化还原系统中还原剂释放