微生物的营养本科

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,第四章,chapter 4,微生物的营养,Microbial nutrition,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,nutriment substance:,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.,营养,nutrition:,微生物获得和利用营养物质的过程。,本 章 目 录,第一节微生物的营养组成,第二节微生物的营养类型,第三节营养物质的吸收,第四节培养基,本章基本理论知识,1,了解微生物的细胞化学组成,.,2,掌握微生物的营养要素及其功能。,3,掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点。,4,掌握微生物四大营养类型的划分依据及其微生物种类。,第一节微生物的营养组成,the composition of microbial nutrition,一、微生物的化学组成,二、微生物的营养物质,主要元素,Macroelement,：,碳,C,、氢,H,、氧,O,、氮,N,、磷,P,、硫,S,、钾,K,、镁,Mg,、钙,Ca,等,微量元素,Microelement,：,锌,Zn,、锰,Mn,、氯,Cl,、钼,Mo,、硒,Se,、钴,Co,、铜,Cu,等,碳,C,、氢,H,、氧,O,、氮,N,、磷,P,、硫,S,约占细胞干重的97%,这些元素主要以水、有机物、无机盐等形式存在。,一、微生物的化学组成,chemical component,几种微生物细胞的化学组成,元素,细菌,酵母菌,霉菌,C,50,49.8,47.9,H,8,6.7,6.7,O,20,31.1,40.2,N,15,12.4,5.2,P,3,0.1,0.1,S,1,1 微生物细胞的水分,水是微生物细胞中含量最大的成分，不同种类的微生物含水量不同，一般占细胞重量的70%90%。,细菌 75%85%,酵母菌 70%85%,霉菌 85%90%,2 微生物细胞的有机物质,微生物细胞的干物质中,90%,以上是有机物，主要是蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类、维生素及其降解产物。,一是结构物质,：为细胞壁、细胞核、细胞质和细胞器的主要结构成分。,二是贮藏物质,：为多糖和脂类。,三是代谢底物和产物,：包括存在于细胞内的糖、氨基酸、核苷酸、有机酸和维生素等。,3 微生物细胞的矿质元素,微生物细胞的干物质中,3%10%,是矿质元素。,大量元素,：,P,、,S,、,Ca,、,Mg,、,K,、,Fe,。,微量元素,：,Cu,、,Zn,、,Mn,、,B,、,Co,、,Mo,、,Ni,、,Se,等。,碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,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。,二、,微生物的营养物质,Microbial nutrient substance,微生物与动植物营养要素的比较,1,、碳源（,Carbon source）,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,CO,2,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氮的化合物。,目前在工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀 粉、麸皮、米糠等。,对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。,实验室常用的碳源主要有：葡萄糖、蔗糖、淀粉、有机酸等,种类,碳源物质,备注,糖,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,单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。,有机酸,糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等,与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致,pH,下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。,表,4.1,微生物利用的碳源物质,醇,乙醇,在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。,脂,脂肪、磷脂,主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。,烃,天然气、石油、石油馏分、石蜡油等,利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。,CO,2,CO,2,为自养微生物所利用。,碳酸盐,NaHCO,3,、,CaCO,3,、白垩等,为自养微生物所利用。,其他,芳香族化合物、氰化物,蛋白质、蛋白胨、核酸等,利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。,当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。,2,氮源,（,Nitrogen source,）,定义：,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、,N,2,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,2,氮源,（,Nitrogen source）,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。,速效性氮源：可被菌体直接吸收利用的氮源，如尿素、铵盐、硝酸盐等氮化物是水溶性的，玉米浆、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏等有机氮化物中的氮是蛋白质降解的产物。作用：有利于菌体的生长。,迟效性氮源：不可被菌体直接吸收利用的氮源,，如饼粕中的氮主要以蛋白质的形式存在。作用：有利于代谢产物的形成,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的能否被菌体直接利用可分为：,种类,氮源物质,备注,蛋白质类,蛋白质及其不同程度降解产物,(,胨、肽、氨基酸等,),大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物,氨及铵盐,NH,3,、,(NH,4,),2,SO,4,等,容易被微生物吸收利用,硝酸盐,KNO,3,等,容易被微生物吸收利用,表,4.2,微生物利用的氮源物质,分子氮,N,2,固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力,其他,嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物,大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用,续表,4.2,微生物利用的氮源物质,能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能辐射,radiation energy,能源,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,无机物,inorganic substance,有机物,organic substance,化学物质,chemical substance,辐射能,radiation energy,3,能源,energy,（,1,）单功能营养物,辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。,（,2,）双功能营养物,对一切异养微生物来说，其碳源又兼作能源，这种碳源（营养物）称双功能营养物。化能自养微生物的能源物质无机养料常常是双功能的（如：,NH,4+,既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）,（,3,）多功能营养物,有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。,微生物营养物功能的多重性,4,无机盐（,inorganic salt）,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,-4,mol/L）,微量元素：,Cu、Zn、Mn、Mo、Co,（,微生物生长所需浓度在,10,-6,10,-8,mol/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,调节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,E,的激活剂。,表,4.3,无机盐及其生理功能,元素,化合物形式,(,常用,),生理功能,磷,KH,2,PO,4,，,K,2,HPO,4,核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及,ATP,等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基,pH,硫,(NH,4,),2,SO,4,，,MgSO,4,含硫氨基酸,(,半胱氨酸、甲硫氨酸等,),、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位,镁,MgSO,4,己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分,元素,化合物形式,(,常用,),生理功能,钙,CaCl,2,，,Ca(NO,3,),2,某些酶的辅因子，维持酶,(,如蛋白酶,),的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需,钠,NaCl,细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性,钾,KH,2,PO,4,，,K,2,HPO,4,某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子,铁,FeSO,4,细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需,表,4.4,微量元素与生理功能,元素,生理功能,锌,存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、,RNA,与,DNA,聚合酶中,锰,存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中,钼,存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中,硒,存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中,钴,存在于谷氨酸变位酶中,铜,存在于细胞色素氧化酶中,钨,存在于甲酸脱氢酶中,镍,存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需,有些微生物，如乳酸杆菌，在得到充足的碳源、氮源、水、无机盐供应时，并不能正常生长，,需要在培养基中补充部分维生素、氨基酸等，但补充的量往往很少，,为何乳酸杆菌缺乏这些物质时不能正常生长,?,这些物质的作用机理是什么,?,这些物质属于微生物所需的哪一类营养物质,?,想一想?,生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物,根据生长因子的化学结构及在机体内的生理功能不同，可分为：维生素,vitamin,、氨基酸,amino acid,、嘌呤,purine,或嘧啶等三类。,5,生长因子,growth factor,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。,表,4.5,维生素及其在代谢中的作用,化合物,代谢中的作用,对氨基苯甲酸,四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶,生物素,催化羧化反应的酶的辅酶,辅酶,M,甲烷形成中的辅酶,叶酸,四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中,泛酸,辅酶,A,的前体,硫辛酸,丙酮酸脱氢酶复合物的辅基,尼克酸,NAD,、,NADP,的