微生物的营养要求

,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,*,第一节 微生物的营养要求,营养（,nutrition）：,指生物体从外界环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。,营养物质（,nutrient）：,指具有营养功能的物质，那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。,营养为一切生命活动提供必需的物质基础！有了营养，微生物才能进一步代谢生长和繁殖，并可能为人们提供各种有益的代谢产物。,微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。,一,、微生物细胞的化学组成,二,、营养物质及其生理功能,三,、微生物的营养类型,微生物们需要吃什么？,细胞化学元素组成,主要元素,：,碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；,微量元素,：,锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,一、微生物细胞的化学组成,1、化学元素,构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！,占细菌细胞干重的97%,组成微生物细胞的各类化学元素的比例,常因微生物种类的不同而不同,Eg.,细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。,元素,细 菌,酵母菌,真 菌,碳,50,50,48,氮,15,12,5,氢,8,7,7,氧,20,31,40,磷,3,硫,1,微生物细胞中几种主要元素的含量（干重%）,硫细菌(,sulfur bacteria)、,铁细菌(,iron bacteria),和海洋细菌(,marine bacteria),相对于其他细菌则含有较多的,硫、铁和钠、氯,等元素,硅藻(,Diatom,),需要,硅酸,来构建富含(,SiO,2,)n,的细胞壁。,微生物细胞,水：70%-90%,干物质,有机物,蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及,它们的降解产物和一些代谢产物等物质,无机物,细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐等物质,2、化学成分及其分析,各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。,细胞湿重(,wet weight),与干重(,dry weight),之差为,细胞含水量,，,常以百分率表示：（,湿重-干重）/湿重100%,。,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，,一般可占细胞重量的7090%。,湿重,：,将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量，一般以单位培养液中所含细胞重量表示,（克/升或毫克/毫升）。,干重,：,采用高温（105）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为。,二、营养物质及其生理功能,微生物对营养的要求无论是在元素水平上还是在营养要素水平上，都与动物和植物十分接近。它们之间存在着“营养上的统一性”。,在元素水平上都需20种左右，其中以,碳、氢、氧、氮、,磷,、,硫,6种元素为主；,在营养要素水平上则主要为,碳源,、,氮源,、,能源,、,生长因子,、,无机盐,和,水,六大类,。,1,、,碳源,（,carbon source,）,（,1,）定义,:,凡能供给微生物碳素营养的物质，称为,碳源,。,（,2,）,功能：,提供合成细胞物质及代谢物的原料；并能为微生 物,（异养微生物）,提供维持生命活动所需的能源。,微生物细胞含碳量约占干重的50，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为,大量营养物,。,（,2,）种类,如把微生物作为一个整体来看，其可利用的碳源范围即,碳源谱,。从元素水平、化合物水平直至培养基原料水平来考察碳源，可见其数目是逐级扩大的甚至可多到无法计算。,能被微生物用作碳源的物质种类极其广泛。,简单的无机含碳化合物：,CO,2,、,NaHCO,3,、,CaCO,3,等。,比较复杂的有机物,:,烃类、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、杂环化合物、氨基酸、核苷酸等。,复杂的有机大分子：,蛋白质、脂质、核酸等。,复杂的天然含碳物质：,牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉、糖蜜、石油等。,酚、氰化物等有毒物质：,可以被少数微生物用作碳源。,凡以无机碳源作主要碳源的微生物，则是种类较,少,的,自养微生物,。,凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众,多,的,异养微生物,。对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源称为双功能营养物。,碳源,谱,有机碳,无机碳,不同种类微生物利用碳源物质具有选择性，利用能力有差异。,Eg.,假单胞杆菌属,的一些菌能利用,90多种,不同的碳源物质。,甲烷氧化菌,只能利用,甲烷,和,甲醇,作碳源。,单糖,双糖和多糖,己糖,戊糖,葡萄糖、果糖,甘露糖、半乳糖,淀粉,纤维素或几丁质等纯多糖,纯多糖,琼脂等杂多糖,葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！,糖,酚、氰化物等有毒物质,对人类有毒的物质,Eg.,酚、氰化物等,某些微生物,Eg.,诺卡氏菌和一些霉菌等,美味佳肴,微生物清除三废,CO,2,最廉价的、用之不尽的碳源，是自养微生物唯一或主要的碳源。,Eg.,生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌（沙门氏菌 、李斯特菌等）,纤维素,纤维素是由葡萄糖以,1,4,糖苷链组成的，在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品。,烃类,烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。,清除石油污染,在微生物工业,发酵,中最常用的碳源主要是,葡萄糖、淀粉、废糖蜜、,麸皮和米糠等。,2,、,氮源,（,nitrogen source,）,（,1,）定义,凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养物质，称为,氮源,。,氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细胞干重的,1215,，也是微生物的主要营养物。,（,2,）功能,氮源物质一般不提供能量，但也有例外：,化能自养细菌中的,亚硝化细菌,和,硝化细菌,能从,NH,3,和,NO,2,-,的氧化过程中获得能量，所以对于他们来说，,NH,3,和,NO,2,-,是兼有氮源与能源的双功能营养物质。,提供合成细胞中的,含氮物质,（如蛋白质、核酸）及,含氮代谢物,等的原料。,（,3,）种类,如把微生物作为一个整体来看，其可利用的氮源范围即氮源谱。,微生物能利用的氮源,无机氮,分子氮,有机氮,a.,有机氮,主要是蛋白质及其不同程度的降解产物,(,胨、肽、氨基酸、尿素等,),，以及嘌呤和嘧啶、胺、酰胺等。,实验室常用的有机氮源有：,牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、,蚕蛹粉、黄豆饼粉和花生饼粉等。,一部分微生物是不需要利用氨基酸作为氮源的，它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等,简单氮源,自行合成所需要的一切氨基酸，称为,氨基酸自养型微生物,。,反之，凡需要从外界吸收,现成的氨基酸,作为氮源的微生物就是,氨基酸异养型微生物,。,b.,无机氮,主要包括硝酸盐、铵盐、氨等。,铵盐,是绝大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接利用；,硝酸盐,也能被大部分微生物利用，但吸收后需被还原成,NH,4,+,才能进入合成代谢。,铵盐,和,氨基酸,被微生物吸收后能直接被利用,NO,3,和,蛋白质,吸收后还需还原降解才可利用,速效氮源：有利于菌体生长,迟效氮源：有利于代谢产物的形成,c.,分子氮,分子氮即为大气中的,N,2,。,能利用,N,2,作氮源来合成细胞结构的微生物我们称,固氮微生物,。如固氮菌、根瘤菌和固氮蓝藻等。,（1）,研究微生物的,固氮作用,是生物领域中的一个重大课题。通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用,N,2,。,（2）,固氮微生物具有,固氮酶,，可在常温常压下把,N,2,+ H,2,NH,3,研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来，再进一步生产,NH,3,。,这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变化,3,、,能源,（,energy source,）,能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为,能源,。,能源,无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）。,辐射能,：,光能无机营养型和光能有机营养型微生物的能源。,化学物质,有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）。,绝大多数微生物的能源物质,光合细菌的能源,利用的有机碳源在被微生物细胞分解代谢的过程中不仅提供微生物细胞的碳素和碳架，而且还提供微生物生命活动所需的能量。,能源为氨根离子,、,亚硝酸根离子等还原态无机化合物，而碳源是二氧化碳。,化能自养微生物的能源为一些,还原态的无机物质,，,Eg. NH,4,+,、NO,2,-,、S、H,2,S、H,2,和,Fe,2+,等。,能氧化利用这些物质的微生物都是,细菌,。,Eg.,硝化细菌、亚硝化细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。,4,、,生长因子,（,growth factor,）,（,1,）定义,是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的,需要量很小,的一类有机物。,不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。,微生物与生长因子的关系可分以下几类：,生长因子自养型微生物,它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌均有合成生长因子的能力，如,Ecoli（,大肠杆菌）等都属这类。,生长因子异养型微生物,它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。,生长因子过量合成微生物,少数微生物在其代谢活动中，能合成并分泌出大量的维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。,（,2,）种类,广义的生长因子：,维生素、碱基、嘌呤、嘧啶、卟啉及其衍生物、胺类、,C,4,C,6,的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸。,狭义的生长因子：,一般仅指维生素。,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同可将生长因子分为：,维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶,3,大类,。,a,.,维生素,最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。,维生素主要是作为酶的辅酶或辅基参与新陈代谢，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。,Eg.,维生素,B,6,（,吡哆醛），,磷酸吡哆醛是一些转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。,微生物对维生素的需要量一般是15,m,g,ml,b,.,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，如肠膜明串珠菌需从外界补充,17,种,AA,。,在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞对其他氨基酸的摄取，此现象称,氨基酸不平衡,。,微生物对氨基酸的需要量一般是20,m,g,ml,c,.,碱基,嘧啶和嘌呤作为生长因子主要是作为酶的辅酶和辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。,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。,微生物对碱基的需要量一般是1020,m,g,ml,d,.,其他生长因子,有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。,Eg.,流感嗜血杆菌一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需要卟啉环作生长因子。,厌氧条件下生长的啤酒酵母需要甾醇作为生长因子。,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,的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶,吡哆素,(B,6,),参与氨基酸和酮酶的转化,核黄素,(B,2,),黄素单磷酸,(FMN),和,FAD,的前体，它们是黄素蛋白的辅基,钻胺素,(B,12,),辅酶,B,12,包括在重排反应里,(,为谷氨酸变位酶,),硫胺素,(B,1,),硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基,维生素,K,甲基酮类的前体，起电子载体作用,(,如延胡索酸还原酶,),氧肟酸,促进铁的溶解性和向细胞中的转移,生长因子在代谢中的作用,在配制微生物培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以保证微生物对它们的需要。,能提供生长因子的天然物质有：,酵母膏,、,蛋白胨、麦芽汁、玉米浆（一种浸制玉米以制取淀粉后产生的副产品）、动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液。,无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，包括磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。,5,、,无机盐,（,mineral salts,）,大量元素,微量元素,无机盐,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，维持酶活性。,Mg、Ca、K,是多种酶的激活剂。,（1）,大量元素,（,macroelements）,凡是生长所需浓度在,10,-,4,10,-,3,mol,L,（培养基中含量）,范围内的元素，可称为,大量元素，,例如,P、S、K、Mg、Ca、Na,和,Fe,等。,元 素,人为提供形式,生 理 功 能,大 量 元 素,P,KH,2,PO,4,磷酸二氢钾,K,2,HPO,4,磷酸氢二钾,核酸、磷酸和辅酶的成分,S,MgSO,4,硫酸镁,含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫维生素（生物素、硫胺素等）的成分,K,KH,2,PO,4,磷酸二氢钾,K,2,HPO,4,磷酸氢二钾,某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸转磷酸酶等）的辅因子；维持电位差和渗透压,Na,NaCl,氯化钠,维持渗透压；某些细菌和蓝细菌所需,Ca,Ca(NO,3,),2,硝酸钙,CaCl,2,氯化钙,某些胞外酶的稳定剂、蛋白酶等的辅因子；细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需,Mg,MgSO,4,硫酸镁,固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分,Fe,FeSO,4,硫酸铁,细胞色素的成分；合成叶绿素、白喉毒素和氧高铁血红素所需,凡所需浓度在,10,-,8,10,-,6,mol,L,（培养基中含量）,范围内的元素，则称为,微量元素,，,如,Cu、Zn、Mn、Mo、Co,和,Ni、Sn、Se,等。,（2）,微量元素,（,microelements ）,元 素,人为提供形式,生 理 功 能,微量元素,Mn,MnSO,4,硫酸锰,超氧化物歧化酶、氨肽酶和,L-,阿拉伯糖异构酶等的辅因子,Cu,CuSO,4,硫酸铜,氧化酶、酪氨酸酶的辅因子,Co,CoSO,4,硫酸钴,维生素,B12,复合物的成分；肽酶的辅因子,Zn,ZnSO,4,硫酸锌,碱性磷酸酶以及多种脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅因子,Mo,(,NH,4,),6,Mo,7,O,24,钼酸铵,固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分,6,、,水,微生物细胞中水占7090，,水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件！,水在微生物细胞内的生理功能,（1）水是细胞的重要组成成分。,（2）水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。,（3）起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成。,（4）维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象。,（5）水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；,（6）水分是细胞维持自身正常形态的重要因素。,微生物生长环境中水的有效性常以,水活度值,（,water activity,a,w,）表示，,水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，,即：,w,=,w,/,w,o,w,表示溶液蒸汽压力,w,o,表示纯水蒸汽压力,溶液中,溶质越多,，,w,越小,。,微生物生长所需的水活度通常在0.6,0,0.99之间。,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,0.7,6,噬盐真菌,0.6,5,嗜,高渗酵母,0.60,三、微生物的营养类型,由于微生物种类繁多，其营养类型比较复杂，划分微生物营养类型的标准或角度各种各样。但通常根据,碳源,、,能源,及,供氢体,的不同，将微生物划分为,光能自养型,、,光能异养型,、,化能自养型,及,化能异养型,四种营养类型。,某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)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,（,auxotroph,）,；,相应的野生型菌株称为,原养型,（,prototroph,）,。,根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：营养缺陷型,和原养型,营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,1.光能无机营养型（光能自养型,）,利用光作为能源，以,CO,2,为唯一碳源或主要碳源，以还原态无机物（如水、硫化氢、硫代硫酸钠等）作为供氢体或电子供体，使,CO,2,还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。,光合细菌细胞内含菌绿素，光合作用以,H,2,S,、,S,等还原态硫化物为供氢体,，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,藻类和蓝细菌与高等植物一样，以水为供氢体（电子供体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。,这类微生物不以,CO,2,作为唯一碳源或主要碳源，需以简单有机物作为供氢体，利用光能将,CO,2,还原成细胞物质。,光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。,2.光能有机营养型（光能异养型,）,这类微生物能利用有机物迅速繁殖，常用于污水处理,。,例如，红螺菌属中的一些细菌就是这一营养类型的代表：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,这类微生物利用无机物氧化过程中释放出的化学能作为它们生长所需的能量。,以,CO,2,或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用,H,2,、,H,2,S,、,Fe,2+,、,NH,3,或,NO,2,-,等作为电子供体使,CO,2,还原成细胞物质。,3.化能无机营养型（化能自养型,）,可在完全,无机及无光,的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环。,属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。例如氢细菌：,4.化能有机营养型（化能异养型,）,这类微生物生长所需的,能量,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。,化能有机营养型微生物的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。,目前在已知的微生物中大多数属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部真菌、原生动物以及病毒。,腐生型,利用无生命活性的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源。,寄生型,寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存。,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：,兼性腐生型,兼性寄生型,根据化能有机异养型微生物利用的有机物性质的不同，可将它们分为,：,注意,不同营养类型之间的界限并非绝对,：,异养型微生物并非绝对不能利用,CO,2,；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,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；,例如紫色非硫细菌（,purple nonsulphur bacteria）：,没有有机物时，同化,CO,2,，,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,；,光照和无氧条件下，利用光能生长，为,光能营养型微生物；,黑暗与有氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，,为,化能营养型微生物；,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。,