第四章 微生物的营养

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微生物学,一、影响营养物质进入细胞的因素,营养物质本身的性质,分子质量、溶解性、电负性、极性等,微生物所处的环境,温度、pH、物质环境（诱导剂、抑制剂、结构类似物）,微生物细胞的透过屏障,糖被、G+菌细胞壁、质膜对营养物质的透性,由原生质膜、细胞壁、荚膜及粘液层等组成的具有保护机体及控制物质进出细胞的屏障；,细胞壁及糖被层可以看成是一个透性膜，在营养物质运送上不起多大作用，细胞壁仅简单的排阻分子量过大的溶质（600Da）进入；,原生质膜,是一种选择性的半透膜，是控制物质进出细胞的主要屏障。,透过屏障,物质通过原生质膜，从,高浓度,胞外（内）环境向,低浓度,胞内（外）进行运输的过程。,二、营养物质的运输方式,（一）扩散,1.扩散的概念,2.扩散的特点,高浓度,低浓度,细胞被动运输，不消耗细胞的能量,。,动力来自参与扩,散的物质在膜内外的浓度差。,不需要载体，,是,非特异性,的营养物质吸收方式,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、苯、一些气体分子（ O,2,、CO,2,）,及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞,扩散动画视频,（二）促进扩散,借助原生质膜上特异性的载体蛋白，使物质通过原生质膜，从,高浓度,胞外（内）环境向,低浓度,胞内（外）进行运输的过程。,1.促进扩散的概念,2.促进扩散的特点,高浓度,低浓度,被动运输，不消耗细胞能量,，,动力来自参与促进扩散,的物质在膜内外的浓度差。,需要特异性的载体,蛋白（透过酶）协助扩散，,被运,输的物质与载体蛋白有高度的特异性，是,特异性,的,营养物质吸收方式,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。,载体具有较高的,专一性,，只运输相应的物质。,被运输物质与载体之间亲和力大小变化是通过载体,分子构象变化,实现的。,载体蛋白也称为,透过酶,。载体自身在跨膜运输过程中不发生化学变化，载体只影响物质的运输速率。被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白饱和时，运输速率就不再增加。,透过酶大都是,诱导酶,，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。,促进扩散与载体,促进扩散模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,结合,构象改变,促进扩散动画视频,（三）主动运输,是微生物吸收营养物质的,主要机制,。物质逆浓度梯度运输，需要特异性载体蛋白，运输过程需要消耗细胞能量。,1.主动运输的概念,2.主动运输的特点,低浓度,高浓度,主动运输，消耗细胞能量,，,营养物质能逆浓度运输,需要特异性的,载体蛋白,，,被运输的物质与载体蛋白,有高度的特异性，是,特异性,的营养物质吸收方式,广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式,好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能,厌氧型微生物利用化学能（ATP）,光合微生物利用光能,主动运输的能量来源,3.主动运输的具体方式,初级主动运输,次级主动运输,Na,+,，K,+,- ATP酶系统,ATP结合性盒式转运蛋白系统,基团转位,铁载体运输,初级主动运输是一种质子的主动运输方式，,由电子传递系统、ATP酶或细菌,视,紫红质引起的,胞内质子（或其他离子）的外排,，结果导致原生质膜内外建立质子浓度差（或电势差），使膜处于充能状态，即形成,能化膜,。此过程需要消耗呼吸能、化学能或光能。,（1）初级主动运输,概念,好氧微生物或兼性厌氧微生物、厌氧微生物、光,合微生物和嗜盐菌的,初级主动运输方式不同,好氧型微生物和兼性厌氧微生物在,有氧氧化,过程中，释放的电子在位于原生质膜上的电子传递链上传递的过程中，伴随质子外排（外排动力为,呼吸能,）,厌氧型微生物在发酵过程中产生ATP，在位于原生质膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，伴随质子外排（外排动力为,ATP,）,光合微生物吸收光能后，光能激发产生的电子在电子传递过程中，伴随质子外排（外排动力为,光能,）,嗜盐细菌紫膜上的细菌视紫红质吸收光能后，导致质子外排（外排动力为,光能,）,过程,能,化,膜,细胞通过消耗呼吸能或化学能或光能，引起胞内质子（或其他离子）外排，在原生质膜内外建立质子浓度差（或电势差），使膜处于充能状态。,好,氧,微,生,物,或,兼,性,厌,氧,微,生,物,（2）次级主动运输,通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差（或电势差）消失的过程中，偶联,其它物质的运输,概念,同向运输,逆向运输,单向运输,某种物质与质子通过同一载体以相同方向进行的次级主动运输,同向运输,大肠杆菌中，通过这种方,式运输的物质主要有丙氨,酸、丝氨酸、甘氨酸、谷,氨酸、半乳糖、岩藻糖蜜,二糖、阿拉伯糖、乳酸、,葡萄糖醛酸及某些阴离子,（如HPO4,2-,）等,逆向运输,某种物质与质子通过同一载体以相反方向进行的次级主动运输,如Na+ 与质子通,过同一载体按相,反方向进行运输,在能化膜质子浓度差（或电势差）消失过程中，某种物质单独通过某一载体进行的次级主动运输。,单向运输,运输结果通常导致胞,内阳离子（如K+）积,累或阴离子浓度降低,利用ATP的能量跨膜转运物质而不改变其化学性质的膜蛋白复合体，需要一种质膜外底物结合蛋白来行使功能。,（3）ATP结合性盒式转运蛋白系统,ATP结合性盒式转运蛋白（ABC转运蛋白）,ATP结合性盒,式转运蛋白系统,ABC转运蛋白,2个疏水性跨膜域,2个核苷酸结合结构域,特异性溶质结合蛋白,过程,参见P96图4-3,ATP,溶质,存在于原生质膜上的一种离子通道蛋白，利用ATP的能量将胞内Na+“,泵,”出胞外，而将胞外K+“泵”入胞内，也称Na+，K+ 泵。,（4）Na,+,，K,+,- ATP酶系统,- Na,+,，K,+,泵,概念,过程,ATP酶（E）在细胞内侧与Na+结合同时消耗能量,磷酸化ATP酶（E+）构象变化，转向膜外，将Na+排除胞外，并与K+ 结合,K+激发E+脱磷酸化，转向膜内，恢复为E，同时将K+运入细胞,ATP酶的磷酸化与去磷酸化,物质通过载体帮助，在一个较复杂的运输系统的作用下进行的跨膜主动运输，被运输,物质在该过程中化学性质发生改变,。,（5）基团转位,概念,运输系统,磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（ PTS ）,五种成分（两种酶+热稳定蛋白质）,酶,酶,HPr（热稳定蛋白质）,非特异性蛋白,非特异性蛋白,具有高能磷酸,载体的作用,酶a,酶b,酶c,特异性蛋白,细胞膜上可诱,导出一系列与,底物分子相应,的,酶,PTS,在酶的作用下HPr被激活,在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖,过程,酶、HPr -,非特异性蛋白,酶-,特异性蛋白,1.热稳载体蛋白（,HPr,）的激活,两步反应,PEP + HPr,P-HPr,+ 丙酮酸,酶,2,.,糖被磷酸化后运入膜内,P-HPr +,糖,糖-,P + HPr,酶,主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷、碱基与脂肪酸等的运输,特点,具复杂的运输系统,PTS,运输的过程中,物质发生了化学变化,（糖发生了磷酸化，如膜外为葡萄糖，膜内为6-磷酸葡萄糖）,能量来自PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）,铁载体是许多细菌和真菌,分泌到胞外,的一类能,与Fe3+形成复合物,并将其运输进胞内的,小分子化合物,，如儿茶酚盐、氧肟（wo）酸盐,（6）铁载体运输,概念,p98,细胞膜对于大分子物质是不能通透的，这些物质可以形成泡状物进入细胞。主要存在于真核微生物（如肉足纲原生动物）及动物免疫系统的巨噬细胞等,（四）膜泡运输,概念,物质先与膜上某种蛋白受体,特异,结合，然后这部分质膜内陷形成小囊，将该物质包在里面，随后从质膜上分离下来形成小泡进入胞内,过程,胞,吞作用,胞饮作用,膜泡运输,细胞通过原生质膜吸附、包裹并,吸收,溶质或颗粒物质,的过程,通过原生质膜包裹,液态物质,的胞,吞作用,胞饮作用,胞吐作用,- 外排作用,由人工配制的、适合微生物生长、繁殖或产生代谢产物的营养基质。,一、培养基的配制,（一）培养基的概念,培养基是满足微生物营养需求的营养基质。配制培养基时要选择适宜营养物质并调整其浓度及配比、调节氧化还原电位和pH、利用廉价且容易获得的原料及灭菌处理。,（二）配制培养基的原则,目的明确,营养协调,条件适宜,经济节约,灭菌处理,1.目的明确,培养对象,培养？微生物,属于？营养型,培养目的,用于生产？,代谢研究？,用于科研？,一般培养？,用于制种？,用于发酵？,一般微生物细胞组成元素和成分比例稳定,2.营养协调,选择适宜的营养物质,所需营养物质种类齐全,营养物质的浓度及配比合适,在大多化能异养菌的培养基中，各营养要素间在量上的比例大体符合以下十倍序列的递减规律,碳源与氮源间的相对比例即碳氮比（,C/N,）有着十,分重要的意义。细菌培养基中,C/N,约为,5/1,严格地讲， C/N比是指碳源中,碳原子的摩尔数,与,氮源,中氮原子的摩尔数,之比，而不能简单地理解为某碳源,的重量与某氮源的重量之比。这是因为，不同种类的,碳源或氮源，其中的含碳量或含氮量差别很大,在抗生素发酵生产过程中,可以通过控制培养基中速效氮(或碳)源与迟效氮(或碳)源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成。,3.条件适宜,-理化因子,PH值,微生物的最适PH范围,细菌：7.0 - 8.0,放线菌：7.5 - 8.5,酵母菌：3.8 6.0,霉菌：4.0 5.8,极端微生物,由于在微生物生长繁殖过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物，尤其是不少的微生物有很强的产酸能力，如不适当地加以调节，就会抑制甚至杀死其自身,PH值的调节,天然缓冲系统,氨基酸、肽、蛋白质为两性电解质，对PH一定范围,的波动有天然缓冲作用,内源调节,-缓冲剂,控制PH条件通常加入PH缓冲剂常用的有：,K,2,HPO,4,，KH,2,PO,4,外源调节,-外加酸碱,有时微生物产生过量的酸碱，内源调节无效,可直接外加酸碱调节,渗透压,微生物细胞与培养基共同构成了一个渗透系统,自发调节,绝大多数微生物适合等渗系统中生长，对于环,境中渗透压一定范围的波动，微生物可通过体,内,大分子贮藏物的合成和分解,来调节,主要是指嗜盐微生物（如嗜盐细菌）、嗜渗微生物（如高渗酵母），在其培养基中往往要加NaCl、蔗糖等物质来提高培养基的渗透压。,人工调节,氧化还原电位,概念,氧化还原电位是度量某氧化还原系统中的,还原剂释放电子,或,氧化剂接受电子,趋势的一种指标，其单位是v（伏）或mv（毫伏）。,任何一对由氧化态物质与还原态物质组成的氧化还原偶，在pH等于7的情况下会产生一定的氧化还原势。微生物的培养基常常是一个具有,多对氧化还原偶,的复杂电化学系统。,好氧微生物：+0.1v以上的环境可正常生长，以+0.3+0.4v为宜,厌氧微生物只能在+0.1v以下才能生长,兼性厌氧微生物在+0.1v以上时好氧呼吸，在+0.1v以下时则进行发酵,微生物对氧化还原电位的要求,任何氧化还原系统所产生的氧化还原电位都受PH变化的影响（PH降低，则氧化还原电位降低），因此一般培养基要求PH恒定,氧化还原电位的调节,H,+,PH,不论是好氧微生物还是厌氧微生物，随着生长代谢的进行，培养基的最初氧化还原势常会逐步下降。这主要是因为,溶解氧和氧化型氢受体的消耗和H,2,S、H,2,等还原性代谢产物的形成和累积,（在各对氧化还原偶中，对微生物影响最大的是分子氧与分子氢的浓度）,O,2,H,2,在PH相对稳定的条件下,可通过增加通气量（如振荡培养、搅拌）提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加值；在培养基中加入抗坏血酸、硫化氢等还原性物质可降低值 （厌氧菌培养中常要加还原剂以降低 ）,O,2,H,2,配制培养基时应尽量利用,廉价,、,易得,原料作为培养基成份。在发酵工业中，培养基用量很大，利用低成本的原料更体现出其经济价值。在保证微生物生长和积累代谢产物需要的前提下，要,讲究投入产出比,。,4.经济节约,经济节约的原则,“粗”与“精”的概念是人为划分的。对人来说是一种“,精,”的营养料（如精白糖），对微生物往往却是一种不完全的养料，而对一般人只认为是“,粗,”的营养料（如红糖），对微生物倒反而是一种较完全的养料。从这一点出发，就可以在设计培养基时充分利用各种粗原料。,以粗代精,指,合理的,（不破坏生态和环境）以野生植物原料代替栽培植物原料。如木薯、橡子、薯芋等富含淀粉质的,野生植物,，可以部分,取代粮食,用于发酵工业中的碳源；许多含纤维素、半纤维素和木质素等的植物秸秆，可以作为裁培食用菌的良好养料。,以野代家,以工、农业生产中易污染环境的,废弃物,作为微生物培养基的原料，例如，造纸厂的亚硫酸废液（含有戊糖和短小纤维）、各种发酵废液（酒精及丙酮丁酸发酵废液、味精发酵废液）、各种酿造工业废弃物（啤酒糟、酒糟、酱渣）以及其他工业废弃物（花生麸、淀粉渣）等。在利用这类原料生产酵母菌等单细胞蛋白方面，国内外已有很多成功的例子。,以废代好,生产上在改进培养基成分时，一般都以“加法”居多，即设法使其营养越来越丰富、含量越来越高。这对微生物的生长不一定都有利。,有时,可试用“减法”，即用,稀薄,的培养基或,成分较少,的培养基来代替原有培养基成分，以求达到更好的效果。,以简代繁,某制药厂在改进链霉素发酵培养基原有配方中，曾设法减去30-50的黄豆饼粉、25葡萄糖和20硫酸铵，结果反而提高了产量；又如，某厂在卡那霉素发酵培养基中将原来的12种成分减少为7种，结果仍可维持原有的产量。,以石油或天然气代替糖质原料来培养微生物。能利用石油作为碳源和能源的微生物在自然界中普遍存在，不同的微生物几乎能利用石油中所含的所有成分，除了合成菌体成分石油蛋白外，还能将其氧化成醇、醛、酸等化工产品。,以烃代粮,在当前石油资源逐渐趋向紧缺的情况下，如能拿出一部分石油作发酵原料，让微生物将它转化成一些,附加产值较高的,高级醇、脂肪酸和环烷酸等化工产品和若干合成产物，还是十分值得的。,据估计我国每年有稻草、麦秆、稻壳、棉子壳和玉米芯五项含纤维素丰富的资源4亿吨以上，如能充分加以利用，这将是一个巨大的生物资源库,纤维素,是是自然界中最丰富的有机物。可是人类和动物都无法直接消化这一取之不尽、用之不竭的,可再生资源,。在自然界中，存在着大量分解纤维素的微生物，它们能分泌各种纤维素酶，因此，有可能利用这些微生物将大量的农副产品转化成优质饲料、工业发酵原料、燃料以及人类的食品或饮料。,以纤代糖,以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类,非蛋白质或非氨基酸原料,用作发酵培养基中的氮源，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用,以氮代朊,以国产原料代替进口原料,以国代进,上世纪50年代初我国建立抗生素工业的早期，因为国内缺乏,乳糖,及,玉米浆,这两种青霉素发酵的主要原料而影响到生产的发展。我国学者经过研究，终于找到了以国内资源极其丰富的,玉米,粉,代替进口乳糖，以,棉子饼粉,或,花生饼粉,代替玉米浆的新的培养基配方，后来又进一步以流加葡萄糖代替乳糖的新工艺，使青霉素产量超过当时国外乳糖发酵的水平，从而建立了具有中国特色的青霉素发酵工业。,培养基配制完成后要防止杂菌污染，应立即灭菌处理。,5.灭菌处理,高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm,2,121.315-30,含糖培养基：0.56kg/cm,2,112.615-30,过滤除菌,间歇灭菌,细菌培养基：营养琼脂培养基,放线菌培养基：高氏一号合成培养基,酵母菌培养基：麦芽汁培养基,霉菌培养基：查氏培养基,.,二、培养基的类型及应用,（一）按微生物类群,参见微生物学实验（沈萍）,（二）按成分划分,1.天然培养基（非化学限定培养基）,主要以化学成分还,不清楚,或化学成分,不恒定,的天然有机物组成，牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基属于此类。,天然培养基成本较低,除在实验室经常使用外,也适于用来进行工业上大规模的微生物发酵生产,合成培养基是由化学成份,完全了解,的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基，高氏1号培养基和查氏培养基就属于此种类型。,2.合成培养基（化学限定培养基）,合成培养基重复性强，与天然培养基相比其成本较高，微生物在其中生长速度较慢,一般适于在实验室用来进行有关微生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作。,在液态培养基中加入一定量,凝固剂,而制成的固体状态的培养基。由,天然固体基质,制成的培养基也属于固体培养基,（三）按物理状态划分,1.固体培养基,适合于微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏等，琼脂1.5-2.0%,琼脂-从果冻到培养基P89,液体培养基,土豆片固体培养基,明胶固体培养基,琼脂固体培养基,在液态培养基中加入凝固剂的量比固体培养基中的少而制成的半固体状态的培养基,容器倒放时，培养基不至于流下，剧烈振荡后则能破碎；常用于观察微生物的运动特征、分类、鉴定及噬菌体效价滴定琼脂 0.2-0.7%,2.半固体培养基,不含凝固剂的液态培养基,3.液体培养基,用液体培养基培养微生物时，通过振荡或搅拌可以增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀。液体培养基常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。,含有一般微生物生长繁殖所需的,基本营养物质,的培养基。如牛肉膏蛋白胨培养基,1.基础培养基,（四）按用途划分,基础培养基可以作为一些特殊培养基的基础成份,再根据某种微生物的特殊营养需求，在基础培养基中加入所需营养物质。,在基础培养基的基础上加入某些,特殊营养物质,制成的一类营养丰富的培养基。,2.加富培养基,特殊物质如：血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。用来培养要求比较苛刻的异养型微生物，主要用来,富集,某种微生物，以便于分离。特殊物质并非培养基上唯一的C源或N源,加富培养基因含有某种微生物所需的特殊营养物质，可用来富集某种微生物，该种微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。,在培养基中加入能与目标微生物的代谢产物,发生特征性化学反应,的化学物质，用于鉴别不同类型微生物,3.鉴别培养基,主要用于微生物的快速分类鉴定，以及分离和,筛选产生某种代谢产物的微生物菌种。,一,些,鉴,别,培,养,基,培养基名称,加入化学物质,微生物代谢产物,培养基特征性变化,主要用途,酪素培养基,酪素,胞外蛋白酶,蛋白水解圈,鉴别产蛋白酶菌株,明胶培养基,明胶,胞外蛋白酶,明胶液化,鉴别产蛋白酶菌株,油脂培养基,食用油、土温、中性红指示剂,胞外脂肪酶,由淡红色变成深红色,鉴别产脂肪酶菌株,淀粉培养基,可溶性淀粉,胞外淀粉酶,淀粉水解圈,鉴别产淀粉酶菌株,H2S,试验培养基,醋酸铅,H2S,产生黑色沉淀,鉴别产,H2S,菌株,糖发酵培养基,溴甲酚紫,乳酸、醋酸、丙酸等,由紫色变成黄色,鉴别肠道细菌,远藤氏培养基,碱性复红、亚硫酸钠,酸、乙醛,带金属光泽深红色菌落,鉴别水中大肠菌群,伊红美蓝培养基,伊红、美蓝,酸,带金属光泽深紫色菌落,鉴别水中大肠菌群,P88,是用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中,分离出来,的培养基。根据不同种类微生物的特殊营养需求（,投其所好,）或对某种化学物质的敏感性（,取其所抗,）不同，在培养基中加入相应的特殊营养物或化学物质。抑制不需要的微生物生长，有利于所需微生物的生长,4.选择培养基,依据某些微生物的特殊营养需求设计的一种选择培养基。如利用以纤维素或石蜡油作为,唯一碳源,的选择培养基，可以从混杂的微生物群体中分离出能分解纤维素或石蜡油的微生物；利用以蛋白质作为,唯一氮源,的选择培养基，可以分离产胞外蛋白酶的微生物；缺乏氮源的选择培养基可用来分离固氮微生物等。,投其所好,在培养基中加入某种,化学物质,，该种化学物质没有营养作用，对所需分离的微生物也无害，但可以,抑制或杀死其他微生物,，例如：在培养基中加入数滴10%酚可以抑制细菌和霉菌的生长，从而由混杂的微生物群体中分离出放线菌；在培养基中加入结晶紫，可以抑制革兰氏阳性细菌的生长，从而达到分离革兰氏阴性细菌的目的；在培养基中加入青霉素、四环素或链霉素，可以抑制细菌和放线菌生长，而将酵母菌和霉菌分离出来,取其所抗,马,丁,培,养,基,除化学因素外：温度、O,2,、PH、渗透压等也是有利于选择的因素,加,入,了,链,霉,素,加富培养基是用来增加所要分离的微生物的数量，使其形成生长优势，从而易分离到该种微生物；选择培养基一般是抑制不需要的微生物的生长，使所需要的微生物增殖从而达到分离所需微生物的目的。经过培养，加富培养基上目标菌为,优势菌,；选择培养基上,只有目标菌,生长。,加富培养基与选择培养基,分析培养基：用来分析某些化学物质（抗生素、维生素）的浓度，还可用来分析微生物的营养需求,还原性培养基：专门用来培养厌氧型微生物,组织培养物培养基：含有动、植物细胞，用来培养病毒、衣原体、立克次氏体及某些螺旋体等专性活细胞寄生的微生物,（ 5 ）其他培养基,有些病毒和立克次氏体需要接种在动植物体内、动植物组织中才能增殖。常用的培养病毒与立克次氏体的动物有小白鼠、家鼠和豚鼠，鸡胚也是培养某些病毒与立克次氏体的良好营养基质，鸡瘟病毒、牛痘病毒、天花病毒、狂犬病毒等十几种病毒也可用鸡胚培养。,一、微生物细胞的化学组成,（一）化学元素组成,碳、氢、氧、氮、磷、硫,（占细菌,细胞干重的97%）、钾、镁、钙、,铁等,主要元素,包括锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴,铜、钨、镍、硼等,微量元素,97%,元素 细菌 酵母菌 霉菌,碳 50 49.8 47.9,氮 15 12.4 5.2,氢 8 6.7 6.7,氧 20 31.1 40.2,磷 3 ,硫 1 ,不同微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）,除,菌种,外，随着,菌龄,及,培养条件,的变化，化学元素的组成及含量会发生变化。如幼龄的或在氮源丰富的培养基上生长的细胞与老龄的或在氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞相比，前者含氮量高，后者含氮量低。,（二）元素在细胞内存在形式,化合物,（细胞成分）,有机化合物,无机化合物,无机盐,水,蛋白质,糖类,脂类,核酸,维生素,其他,有机化合物降解产物及代谢产物（多肽、氨基酸、核苷酸、肽聚糖、磷壁酸、色素、抗生素毒素等）,二、营养物质及其生理功能,微生物、动物、植物之间存在的“,营养上的统一性,”体现在它们都需要碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水才能生长,营养,要素,碳源,氮源,能源,无机盐,生长因子,水,微生物、动物、植物存在的“营养上的统一性”,（一）碳源,在微生物生长过程中能为微生物提供,碳素,来源的物质。,1.定义,提供,碳元素,，合成细胞物质及代谢产物,提供,能源,，许多碳源物质往往也是能源物质（异养微生物）。,2.功能,3.种类-,碳源谱,4.微生物对碳源利用的特点,从CO,2,到复杂有机碳化合物都可被不同微生物利用，但不同微生物口味不同：就,整个微生物而言，其碳源谱大大宽于其他生物,；而具体的微生物种类，其碳源谱有的宽泛，有的专一，有的甚至可利用毒物。,（1）宽泛的碳源谱,洋葱假单胞菌可利用90多种碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等含碳化合物进行生长。,对于某种微生物，在它的两种碳源同时存在时，优先利用的碳源叫速效碳源，后利用的叫迟效碳源。与迟效碳源相比速效碳源容易利用，利用的快。,（2）微生物利用碳源具有选择性,速效碳源与迟效碳源,异养微生物最合适的碳源 糖类,纯多糖,胜于,杂多糖,淀粉,胜于,纤维素和几丁质,单糖,胜于,双糖和多糖,己糖,胜于,戊糖,葡萄糖,胜于,甘露糖和半乳糖,速,效,碳,源,迟,效,碳,源,（二）氮源,在微生物生长过程中能为微生物提供,氮素,来源的物质。,1.定义,提供,氮元素,，合成细胞中的含氮物质,一般,不作为能源,，只,是某些自养微生物的能源物质（,少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源,）,2.功能,3.种类-,氮源谱,4.微生物对氮源利用的特点,（1）宽泛的氮源谱,从N,2,到复杂有机氮化合物都可被不同微生物利用，但不同微生物口味不同：就整个微生物而言，其氮源谱大大宽于其他生物；而具体的微生物种类，其氮源谱有的宽泛，有的专一。,许多微生物通常可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。,对于某种微生物，在它的两种氮源同时存在时，优先利用的氮源叫速效氮源，后利用的叫迟效氮源。速效氮源容易利用，利用的快。,（2）微生物利用碳源具有选择性,速效氮源与迟效氮源,速,效,氮,源,迟,效,氮,源,牛肉膏,蛋白胨,酵母膏,玉米浆,有机氮源,蛋白质的降解产物,胜于,蛋白质,鱼粉,蚕蛹粉,黄豆饼粉,花生饼粉,无机氮源,NH,+,4,胜于,NO,-,3,NO,-,3,胜于,N,2,NH+,4,可以被直接利用，而NO-,3,须先还原成NH+,4,再被,利用。固氮微生物只有在培养基里缺乏化合态氮时才,还原大气中的,N,2,不需要氨基酸作为氮源，就能把非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）自行合成所需要的一切氨基酸的生物，称为“氨基酸自养型生物”。包括所有的绿色植物和一些微生物。,（3）氨基酸自养型生物与异养型生物,氨基酸自养型生物,不能自行合成所需要的氨基酸，需要外界吸收现成的氨基酸的生物，称“氨基酸异养型生物”。包括所有的动物和大量的异养微生物,氨基酸异养型生物,为了充实人及动物的氨基酸营养，除了继续向绿色植物索取外，今后要更多地利用氨基酸自养型的微生物，让它们将人或动物原先无法利用的,廉价,的尿素、铵盐、硝酸盐或大气中的氮,转化,成菌体蛋白或含氮的代谢产物（谷氨酸和其他氨基酸等）丰富人类的食物资源。,（三）,无机盐,除碳源、氮源物质以外，微生物生长繁殖还需要无机盐来,提供其他一些元素,。,大量元素,微量元素,需要量为10,3, 10,4,mol/L,（,P、S、K、Mg,、Ca、Na、Fe等）,需要量为10,6, 10,8,mol/L,（Cu、Zn、Mn、Mo、Co等）,对于,大量元素,，首选加入的是K,2,HPO,4,及MgSO,4,，因为它们可提供四种需要量最大的元素,对,微量元素,，在配制,一般培养基,时不必另行加入，因为在一般化学试剂、天然水、玻璃器皿或是其他天然成分中都以杂质等状态存在；但如果要配制研究营养代谢等的,精细培养基,，所用的玻璃器皿是硬质的，试剂是高纯度的，这时就须根据需要一一加入必要的微量元素,配制培养基,大量元素,微量元素,加入有关化学试剂,不必另行加入,无机盐的生理功能,P,（四）,生长因子,-限制生长的因素,微生物生长所,必需,且需要,量很小,，而微生物,自身不能合成,或,合成量不足,以满足机体生长需要的有机化合物。,广义生长因子：维生素、氨基酸、嘌呤及嘧啶等,狭义生长因子仅指维生素,1.概念,维生素：主要构成,酶的辅基或辅酶,氨基酸：蛋白质合成的原料,嘌呤及嘧啶：主要构成酶的辅基或辅酶；核苷酸的组分等,2.功能,多数真菌、放线菌和不少细菌（如大肠杆菌）等能自身合成各种生长因子，不需要外界提供生长因子。,3.微生物与生长因子的关系,生长因子自养型微生物,乳酸细菌、各种动物致病菌、原生动物和支原体等需要外界提供现成的多种生长因子。,生长因子异养型微生物,某些微生物在生长过程中，能大量合成某种生长因子（如维生素等，因此可以作为维生素等的生产菌）,生长因子过量合成微生物,配制微生物培养基时，如果配制的是天然培养基，可加入,富含生长因子的原料,酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁或其他新鲜的动植物组织浸液；如果配制的是组合培养基，则可加入,复合维生素溶液,。,常用提供生长因子的物质,不同微生物需要不同的生长因子,（五）水,起溶剂与运输介质的作用,参与细胞内一系列化学反应,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象,控制细胞内温度的变化,维持细胞自身的形态,控制由多亚基组成的结构的组装与解离，如：酶,微管、鞭毛等,1.水的生理功能,在一定的温度和压力条件下，,溶液的蒸汽压,（溶液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。,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（,w,）表示。,2.微生物对水的需要程度,水活度,w,= / ,o, 表示溶液的蒸汽压,o 表示纯水的蒸汽压,w,水活度值,纯水的水活度为1，有溶质时就低于1，微生物一般在,w,为0.600.99的环境条件下生长，但对某种微生物而言，它对,w,的要求是一定的。微生物不同，其生长的最适,w,亦不同。,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。,（六）能源,1.概念,2.能源谱,能作化能自养微生物能源的物质都是一些还原态的无机物质，例如NH,4,+、NO,2,-、H,2,S、S、H,2,和Fe,2,+等，能氧化利用这些物质的微生物都是细菌，例如硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。由于这类独特的化能自养营养类型在微生物中的存在，说明,生物界的能源,并非像过去普遍认为的只是直接或间接利用太阳能这一种方式,按对营养物质要求的不同，将微生物划分为不同的营养类型。,三、,微生物的营养类型,（一）营养类型的划分,1.按碳源划分,自养型生物：以CO,2,为惟一或主要碳源，,不依赖,任何有机营养物,即可正常生活的微生物,异养型生物：以还原性有机物为主要碳源，,至少需要提供一种大量有机物,可正常生活的微生物,2.按能源划分,光能营养型生物：以光能为能源的生物,化能营养型生物：以有机物或无机物氧化释放的化,学能为能源的生物,3.按电子供体划分,无机营养型生物：以,还原性无机物,为电子供体的生物,有机营养型生物：以,有机物,为电子供体的生物,4.按碳源、能源及电子供体划分,以,CO,2,为唯一或主要,碳源,以,光合作用,方式获取生长所需要的,能量,以,无机物,如H,2,、,H,2,S,、,S等作为,供氢体（电子供体）,使,CO,2,还原,为细胞物质,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。,红硫细菌，以,H,2,S,为电子供体，产生细胞物质，并伴随,硫,元素的产生。,CO,2,+,2H,2,S,光能,光合色素,CH,2,O, + 2S+,H,2,O,（1）光能无机自养型（光能自养型）,利用光能、无机电子供体（H,2,、H,2,O、H,2,S、S等）并以CO,2,为碳源的生物。,光能无机自养型,不能以,CO,2,为主要或唯一的,碳源,利用,光能,将,CO,2,还原为细胞物质,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将,CO,2,还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH +,CO,2,H,3,C,H,3,C,2,光能,光合色素,2 CH,3,C0CH,3,+,CH,2,O, +,H,2,O,（2）光能有机异养型（光能异养型）,以,有机物,为,供氢体,，,利用光能并以有机物作为电子供体及碳源的生物。,光能有机自养型,所需能量来自,无机物,氧化过程中放出的,化学能,利用H,2,、H,2,S、Fe,2+,、NH,3,或NO,2,-,等,无机物,作为,电子供体,使CO,2,还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全没有有机物及无,光的环境中生长。广布于土壤及水环境中,参与地球物质循环,（3）化能无机自养型（化能自养型）,以,CO,2,或碳酸盐,作为唯一或主要,碳源,氧化还原性无机物获得能量和电子，以CO,2,为碳源的生物。,化能无机自养型,所需能量均来自,有机物,氧化过程中放出的,化学能,有机物通常既是碳源也是能源,所需要的,碳源,主要是一些,有机化合物,（4）化能有机异养型（化能异养型）,利用,有机物,作为,电子供体,还原内源或外源电子受体,氧化有机物获得能源、电子及碳源的生物。,化能有机异养型,某些菌株发生突变后，失去合成某种（或某些）对该菌株生长必不可少的物质（通常是生长因子如氨基酸、维生素）的能力，,必须从外界环境获得该物质,才能生长繁殖，这种,突变型,菌株称为营养缺陷型，相应回复突变的野生型菌株称为原养型。,5.营养缺陷型,目前已知的大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物,所有致病微生物都属于化能有机异养型微生物,化能有机异养型微生物又可分为腐生型和寄生型两类,在腐生型和寄生型之间还存在一些中间类型,如兼性腐生型和兼性寄生型。,（二）微生物的营养类型说明,利用无生命的有机物（如动植物尸体和残体）的化能有机异养型生物。,腐生型,寄生在,活,的寄主机体中的化能有机异养型生物，离开寄主不能生存。,寄生型,某些微生物在代谢方面具有极强的灵活性，其营养类型也会随环境条件（营养条件）的改变而发生变化。,第四章,微生物的,营养,微生物,生理学,营养-微生物生命活动的物质,基础,代谢-微生物生命活动的,核心,生长繁殖-各种代谢过程的集中,体现,营养,n.,v.,物质和能量，即营养物质,物质和能量的摄入过程,营养,指生物体从外部环境摄取其生命活动所必需的,物质,和,能量,，以满足生长繁殖需要的一种生理功能。营养是一切生命活动的起点，为生命活动提供物质基础。在此基础上，方可进一步进行代谢、生长和繁殖，并可能为人们提供各种有益的代谢产物。,生物从外界摄取的能够满足其生长繁殖和各种生理代谢活动的,物质和能量,。为正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境等。,营养物质（营养n.,）,第一节,微生物的营养要求,第二节,培养基,第三节,营养物质进入细胞,认识微生物吃什么？,了解微生物怎样吃？,学会给微生物做饭？,微生物,的营养,P99100：思考题1、2,作业,本章小节,微生物的,营养要求,培养基,营养物质,进入细胞,微生物细胞的化学组成、,营养物质,及其生理功能、,微生物的营养类型,培养基的配制、培养基的类型及应,用,影响营养物质进入细胞的因素、营,养物质的运输方式,本,章,结,束,请,及,时,总,结,