第六章微生物的营养

第六章微生物的营养课程标准本章要点第一节微生物细胞的化学组成第二节微生物的营养要素第三节微生物的营养类型第四节微生物吸收营养物质的方式第五节培养基返回总目录1第六章微生物的营养课程标准了解微生物所需的营养要素，掌握微生物的营养类型、微生物吸收营养物质的方式及培养基的种类，掌握培养基配制的原则。Back2本章要点一微生物细胞的化学组成与所需的营养要素二微生物的营养类型

三微生物吸收营养物质的方式

四培养基的种类及配制原则。3

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，一般可占细胞鲜重的90％以上。第一节微生物细胞的化学组成Back4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P2O5SO3K2ONa2OMgOCaOFe2O3SiO2CuO4.950.292.410.070.820.890.08----3.540.0392.34--0.4280.3830.0350.093--4.850.112.811.120.380.190.160.04--Back5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5049.847.9

氮1512.45.2

氢86.76.7

氧2031.140.2

磷3——

硫1——Back6微生物细胞的化学组成

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2~303.8~76~12Back7

第二节微生物的营养要素营养物（nutrient）：

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（或叫营养作用，nutrition）：

微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。Back8生物类型营养要素

动物（异养）

微生物

绿色植物（自养）

异养

自养

碳源糖类脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳同与碳同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水微生物和动物、植物营养要素的比较Back9

碳源（carbonsource）凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。

碳源物质的功能：构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）。

微生物的碳源谱：无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等—自养型微生物有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、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—异养型微生物微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。

Back10类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等微生物的碳源谱Back11

氮源(nitrogensource)

凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。

氮源物质的主要作用：合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。

Back12微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气固氮微生物氨基酸自养型氨基酸异养型Back13实验室常用的无机氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生产上常用的氮源：有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。

蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟效氮源。

无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。

速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。多数微生物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。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。Back14

3、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。

微生物的能源谱：

有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）化学物质能源谱：无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）

辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源

Back15

化能自养微生物的能源物质都是一些还原态的无机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料常常是双功能的（如：NH4+既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）

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。辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。Back16生长因子（growthfactor）是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成或完全合成的有机物。主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。不能自行合成或完全合成生长因子而需要人为添加某些物质才能生物的微生物称为“营养缺陷型”微生物。

Back17无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。

大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/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。Back18无机盐的生理功能

细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）

一般功能渗透压的维持（Na+等）

生理调节物质酶的激活剂（Ma2+等）大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+

、Zn2+等）

微量元素特殊分子结构成分（Co、Mo等）Back19水分：水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面：1.细胞的构成成分2.一系列生理生化反应的反应介质3.参与许多生理生化反应4.有效地控制细胞内的温度变化Back20第三节微生物的营养类型化能营养型光能营养型异养型自养型碳源能源Back21微生物营养类型22231．光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；例如，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。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。CO2+2H2S光能光合色素[CH2O]+2S+H2O242．光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子；例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O25光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。263．化能无机自养型（化能自养型）生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2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；274．化能有机异养型（化能异养型）生长所需要的能量均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。有机物通常既是碳源也是能源；大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；284．化能有机异养型（化能异养型）腐生型(metatrophy)：可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；寄生型(paratrophy)：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(facultive

metatrophy)；兼性寄生型(facultive

paratrophy)；29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CO2；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(purplenonsulphurbacteria)：没有有机物时，同化CO2，

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；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，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30第四节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转位膜泡运输吞噬作用胞饮作用跨膜运输Back31一、简单扩散(simplediffusion)二、促进扩散(facilitateddiffusion)三、主动运输(activetransport)四、基团转位运输(grouptranslocation)跨膜运输32一、简单扩散(simplediffusion)33一、简单扩散(simplediffusion)物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,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(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。34二、促进扩散(facilitateddiffusion)被动的物质跨膜运输方式物质运输过程中不消耗能量参与运输的物质本身的分子结构不发生变化不能进行逆浓度运输运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体(carrier)的作用才能进入细胞，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。35二、促进扩散(facilitateddiffusion)载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；这种性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶；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。36三、主动运输(activetransport)在物质运输过程中需要消耗能量可以进行逆浓度运输主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式运输物质所需能量来源：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；嗜盐细菌通过紫膜(purplemembrane)利用光能；37四基团转位(grouptranslocation)基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。有一个复杂的运输系统来完成物质的运输；物质在运输过程中发生化学变化；38四基团转位(grouptranslocation)39大肠杆菌吸收糖的基团转位方式大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸--糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下：(1)热稳定蛋白的激活：

PEP+HPr

酶1

丙酮酸+P-HPr(2)糖被磷酸化后运入膜内

P-HPr+糖酶2

糖-P+HPrBack40膜泡运输(memberanevesicletransport)膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)，为这类微生物的一种营养物质的运输方式)。41四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变跨膜运输动画Back42一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。1、目标明确，选择适宜的培养基2、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜4、经济节约第五节培养基人工配制的适合微生物生长、繁殖、保存或产生代谢产物的营养基质43一、选用和设计培养基的原则和方法1、选择适宜的营养物质培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；实验室的常用培养基：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：高氏1号合成培养基培养；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基；实验室一般培养：普通常用培养基；遗传研究：成分清楚的合成培养基；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB培养基；自然转化：基础培养基；观察芽孢：生孢子培养基；产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；44一、选用和设计培养基的原则和方法2、营养物质浓度及配比合适营养物质的浓度适宜；营养物质之间的配比适宜；高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。发酵生产谷氨酸时：碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。45一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜pH；水活度；氧化还原电位；463、物理化学条件适宜1）pH培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：细菌与放线菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6范围内生长为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。472）水活度在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：αw=Pw/Pow,式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。483、物理化学条件适宜2）水活度493、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势（redoxpotential），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）。就向微生物与pH的关系一样，不同类型微生物生长对氧化还原电位(Ф)的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长,以+0.3～+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸,+0.1伏以下时进行发酵。503、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响增加通气量(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Ф值；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定513、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响52一、选用和设计培养基的原则和方法4、经济节约配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,特别是在发酵工业中,以降低生产成本。以粗代精以“野”代“家”以废代好以简代繁以烃代粮以纤代糖以无机氮代蛋白对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。而且在经济上也节约。以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发酵的碳源。以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。例如，糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去30-50%的黄豆饼粉、25%的葡萄糖和20%硫酸铵，结果反而提高了产量。以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。生产石油蛋白将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等化工产品和若干合成物；对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的食品及饮料。以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价原料用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体