微生物营养与培养

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,*,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,*,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,*,第五章 微生物营养与培养,第一节 微生物的营养需求,第三章 微生物的营养,微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（,nutrition,）。,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是,大量元素,碳,、,氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的,97,）和,微量元素,铁、锰、锌等构成。微生物细胞中这些元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等有机物质，水和无机盐等无机物质的形式存在。,水,是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞干重的,90,以上。,微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比,灰分元素,固氮菌,酵母菌,霉菌,P,2,O,5,SO,3,K,2,O,Na,2,O,MgO,CaO,Fe,2,O,3,SiO,2,CuO,4.95,0.29,2.41,0.07,0.82,0.89,0.08,-,-,3.54,0.039,2.34,-,0.428,0.383,0.035,0.093,-,4.85,0.11,2.81,1.12,0.38,0.19,0.16,0.04,-,微生物细胞中几种主要元素的含量,（干重的百分数,）,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,微生物细胞的化学组成,主要成分 细菌 酵母菌 霉菌,水分,7585 7080 8590,（占细胞鲜重的,%,）,蛋白质,5080 3275 1415,占,细 碳水化合物,1228 2763 740,胞,干 脂肪,520 215 440,重,的 核酸,1020 6 8 1,%,无机盐,230 3.87 612,二、微生物的营养物质及其生理功能,通过了解微生物的化学组成，可见微生物在新陈代谢活动中，必须吸收充足的水分以及构成细胞物质的碳源和氮以及钙、镁、钾、铁等多种多样的矿质无素和一些必须的生长辅助因子，才能正常地生长发育。,（一）,水分,水分是微生物细胞的主要组成成分，大约占鲜重的,70,90,。不同种类微生物细胞含水量不同。同种微生物处于发育的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少。微生物所含水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。微生物细胞游离态的水同结合态的比例为,4,1,。,微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。,（二）,碳源物质,凡是可以被微生物利用，构成细胞代谢产物碳素来源的物质，统称为碳源物质。碳源物质通过细胞内的一系列化学变化，被微生物用于合成各代谢产物。,微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的，根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机,碳源物质,和有机,碳源物质,。糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利用。所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、果胶、纤维素等，这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架外，还产生能量供合成代谢需要的能量，所以部分碳源物质既是碳源物质，同时又是能源物质。,在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。,（三）,氮源物质,微生物细胞中大约含氮,5,13,，它是微生物细胞蛋白蛋和核酸的主要成分。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而合成蛋白质、核酸等细胞成分，以及含氮的代谢产物。无机的氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提供氮源的同时，通过氧化产生代谢能。,微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型：,1,空气中分子态氮 只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。,2,无机氮化合物 如铵态氮（,NH,4,+,）、硝态氮（,NO,3,-,）和简单的有机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。,3,有机氮化合物 大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。,在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微生物的氮源。,（四）,无机元素,微生物细胞中的矿物元素约占干重的,3,10,左右，它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。微生物需要的无机矿质元素分为常量元素和微量元素。,常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、三磷酸腺苷（,ATP,）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能。,微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在培养基中含有,0.1mg/L,或更少就可以满足需要。,(,五,),生长因子,生长因子是微生物维持正常生命活动所不可缺少的、微量的特殊有机营养物，这些物质在微生物自身不能合成，必须在培养基中加入。缺少这些生长因子就会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行。,生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有机营养物。而狭义的生长因子仅指维生素。这些微量营养物质被微生物吸收后，一般不被分解，而是直接参与或调节代谢反应。,在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌都能自己合成许多生长辅助物质，不需要另外供给就能正常生长发育。,第二节 微生物对营养物质的吸收,微生物不象动物那样具有专门的摄食器官，也不象植物那样具有根系吸收营养和水分，它们对营养物质的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种不同的方式来吸收营养物质和水分的。如果营养物质是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微生物则分泌出相应的酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞发挥作用的酶称为胞外酶）将大分子降解成小分子后，再吸收利用。,各种物质对细胞质膜的透性不一样，就目前对细胞膜结构及其传递系统的研究，认为营养物质主要以以下几种方式透过细胞膜。,三 微生物的营养类型,根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型,异养型生物：,在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质,自养型生物：,在生长时能以简单的无机物质作为营养物质,动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。,根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型,化能营养型生物：,依靠化合物氧化释放的能量进行生长,光能营养型生物：,依靠光能进行生长,动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物,光能自养型微生物,以,C0,2,作为唯一碳源或主要碳源，并利用,光能,，以,无机物,如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将,CO,2,还原成细胞物质，同时产生元素硫,光能,CO,2,H,2,S CH,2,O+2S+H,2,O,光合色素,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。,光能异养型微生物,以,CO,2,为主要碳源或唯一碳源，以,有机物,（如异丙醇）作为供氢体，利用,光能,将,CO,2,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,2(H,3,C),2,CHOH+CO,2,2CH,3,COCH,3,+CH,2,O+H,2,O,光合色素,光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子,化能自养型微生物,以,CO,2,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,CO,2,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。,化能异养型微生物,多数微生物属于化能异养型，其生长所需要,能量和碳源通常来自同一种有机物,。,根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为下列两种类型：,腐生型微生物,：利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。,寄生型微生物,：寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。,存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，称为,兼性腐生型,或,兼性寄生型。,四、微生物吸收营养物质的方式,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团移位,1,、单纯扩散,(simple diffusion or passive diffusion),被输送的物质，靠细胞内外浓度为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。,特点：,扩散是非特异性的营养物质吸收方式,：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；,在扩散过程中营养物质的结构不发生变化,：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；,物质运输的速率较慢：,速率,与胞内外营养物质的浓度差,有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到,胞内外物质浓度相同；,不需要载体参与,；,扩散是一个不需要代谢能的运输方式，,因此，物质不能进行逆浓度运输；,可运送的养料有限：,限于水、溶于水的气体，及,分子量,小，脂溶性、极性小的营养物质。,osmosis,flows towards high salt concentrations,单纯扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,营养物通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶,permease,）的可逆性结合来加快其传递速度。,2,、促进扩散,(facilitated diffusion/transport),营养物质本身在分子结构上不会发生变化；,不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输。运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定；,需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质运输；,被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性；,养料浓度过高时,与载体蛋白出现饱和效应；,促进扩散的运输方式多见于真核微生物中。,Embeded protein:,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,3,、主动运输,(Active transport),在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程,需要消耗代谢能；,可以进行逆浓度运输的运输方式；,需要载体蛋白参与；,对被运输的物质有高度的立体专一性；,被运输的物质在转移的过程中不发生任