第四章-微生物的营养

微生物学集宁师范学院生物系生化与分子生物学教研室贺番

第四章微生物的营养

（MicrobialNutrition）本章主要内容第一节

微生物的6类营养要素（微生物吃什么？）第二节

微生物的营养类型第三节 营养物质的跨膜运输（微生物怎么吃？）第四节

培养基（怎么给微生物做饭？）第一节微生物的6类营养要素一、微生物细胞的化学组成二、六大营养要素及其生理功能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——

微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）

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

2~303.8~76~12微生物细胞的化学组成（三）分析细胞有机、无机成分的方式有机成分：1.化学法直接抽提--定性、定量分析2.破碎细胞，获得亚细胞结构--化学分析无机成分：

细胞--550℃--灰分--定性、定量分析二、营养物质及其生理功能碳源 氮源 无机盐生长因子 水能源（一）、碳源（Carbonsource）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·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：糖类（单糖，饴糖） 淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等） 麸皮、各种米糠等。代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2。现有700多万中有机物，微生物都能够分解、利用（二）氮源（Nitrogensource）硝酸盐NO3 NH4+迟效氮源：蛋白氮通过水解，降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，有利于机体生长。速效氮源：无机氮源或蛋白质降解产物以直接被菌体吸收利用，有利于代谢物形成。

铵盐氨基酸 入胞 细胞物质蛋白胨豆饼蚕蛹粉分解 入胞 细胞物质诱导酶诱导酶生理酸式盐和生理碱式盐（三）无机盐（inorganicsalt）无机盐的生理功能：无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）

维持渗透压生理调节物质 酶的激活剂

pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)无机元素的来源和功能（四）生长因子（growthfactor）

根据微生物对生长因子的需要分为1.

野生型

(wildtype)

原养型

不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株2.营养缺陷型(auxotroph)

由自发或诱发突变需要提供特定生长物质才能生长的菌株分类:1、嘌呤和嘧啶(合成核苷酸）

2、氨基酸（合成蛋白质）

3、维生素（合成酶及辅酶的功能团）（五）水（water）总结水的生理功能：1.细胞组分（70-90%）2.良好的溶剂和化学反应的介质3.调节温度4.维持压强5.有利于生物大分子结构稳定水在细胞中的两种存在形式：

结合水和游离水，结合水难以利用

为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度（RH)

的概念(w

×100=RH

)通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。（六）能源

（energysource）概念：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质。能源谱化学物质(化能营养型）辐射能（光能营养型）有机物：化能异氧微生物的能源无机物：化能自氧微生物的能源：光能自氧和光能异氧微生物的能源1、根据生长所需要的营养物质的性质（碳源）异养型生物：生长时以复杂有机物质为营养物质（如：动物以及大多数微生物）自养型生物：生长时以简单无机物质为营养物质（如：植物及少数微生物）特点:(1)不需要有机养料,可生活在完全无机环境中。

(2)将无机碳源转化为细胞的有机物。

动物异养型生物植物、微生物异养型和自养型

多数微生物异养型，少数微生物自养型。自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生活的微生物。异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能满足其正常营养要求的微生物。（碳源必为有机物，氢供体为有机物，能源可为氧化有机物也可以是利用光能。）关于营养类型的另一种定义：多数微生物动物少数微生物与植物氢供体不同有机型生物：还原CO2时氢供体为有机物质无机型生物：还原CO2时氢供体为无机物质

微生物的四大营养类型4、化能异养型微生物多数微生物,能量和碳源来自同一种有机物。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：寄生在活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。兼性腐生型或兼性寄生型：存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物。光能化学能碳源能源自养异样氢供体腐生寄生摄取方式野生型缺陷型生长因子有机无机总结微生物的分类方法要点第三节营养物质的跨膜运输

主要内容营养物质进入细胞的方式每种方式的特点四种方式的区别SpecialCases1.入胞Endocytosis

2.出胞Exocytosis

原生动物胞吞、胞饮式营养物质的运输物质运输类型无载体蛋白有载体蛋白单纯扩散不耗能耗能促进扩散构象不变构象改变主动运输基团移位营养物质的跨膜运输类型传递方向载体蛋白能量被传递物单纯扩散高浓度向低浓度不需要不需要不变化促进扩散高浓度向低浓度需要不需要不变化主动运输低浓度向高浓度需要需要不变化基团转位低浓度向高浓度需要需要被磷酸化营养物质的跨膜运输被动运输：一种简单的物质跨膜运输方式。特点：1、整个运输过程不需要能量

2、动力是细胞膜内外的物质浓度差

3、营养物质顺浓度梯度由高向低扩散

4、运输的营养物质分子结构不发生变化分类：单纯扩散促进扩散1、单纯扩散(simpleorpassivediffusion)概念：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。动力：浓度差物质：小分子，溶于水方向：单向，由高到低特点：1、扩散是非特异性的营养物质吸收方式。2、在扩散过程中营养物质的结构不变。3、物质运输的速率慢：速率与浓度差有关，至胞内外物质浓度相同。4、无载体参与；不需要代谢能量。5、可运送的养料有限。影响因素：温度、pH值、离子强度等。流动方向：向高盐浓度流动

单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜概念：营养物通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶permease）的可逆性结合来完成物质的运输和加快传递速度。多见于真核微生物的营养吸收与代谢。动力：浓度差方向：单向，由高到低载体蛋白：诱导产生,与运输对象具有专一性物质：K+、Na+、CI-2、促进扩散

(facilitateddiffusion/transport)特点：

1、营养物质分子结构不变2、不耗能，不能逆浓度运输3、运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定4、需要细胞膜上的载体蛋白参与5、被运输物质与载体蛋白高度特异6、载体蛋白有限，会出现饱和效应细胞质膜上的跨膜蛋白单纯扩散促进扩散载体蛋白是跨膜蛋白。在整个过程中其构象发生两次改变。促进扩散模式图恢复原构象移位再循环结合构象改变细胞膜外细胞膜内细胞膜3、主动运输(Activetransport)概念：在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白，逆浓度差吸收营养物质的过程。是营养物质吸收的主要形式。物质：有机、无机离子，糖类方向：双向，可逆浓度进行动力：代谢能好氧呼吸能

厌氧MO

化学能光能光能特点：1、耗能2、可逆浓度差进行3、需要载体蛋白参与4、对被运输物有高度的立体专一性要求5、被运输物质在转移的过程中不发生变化

Comparisonofpassiveandactivetransport.

主动运输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构象改变ADP+PiATPNa+-K+-ATP酶系统Na+-K+-ATPase：

是存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白功能:利用ATP能量将Na+“泵”出胞外,将K+“泵”入胞内。作用步骤:1.ATP酶(E)在细胞内与3个Na+结合,消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)构象变化将Na+排出胞外,并与2个K+结合;3.K+激发E+脱磷酸化恢复为E,同时将K+运入细胞.概念：是特殊的主动运输，被运输物质在运输过程中发生了化学变化，其余特点与主动运输相同。

物质：单、双糖与其衍生物，核苷、脂肪酸

位置：厌氧和兼性厌氧型细菌4、基团转位(Grouptranslocation)1、在酶Ⅰ的作用下HPr被激活2、在酶Ⅱ的作用下P-HPr将磷酸转移给糖基团转位

磷酸转移酶系统包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和热稳定蛋白(HPr)。第一步少量HPr被磷酸烯醇丙酮酸（PEP）磷酸化PEP+HPr

磷酸～HPr+丙酮酸酶Ⅰ第二步磷酸～HPr将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的6-磷酸葡萄糖释放到细胞内。第二步磷酸～HPr+葡萄糖6-磷酸葡萄糖+HPr酶Ⅱ基团移位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸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概念：由人工配制、适合不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质。特点：1、应具备六大营养要素2、比例适当（灭菌）用途：促使微生物生长；积累代谢产物第四节培养基(medium)一、培养基的配制原则（一）组分应适合MO的营养特点（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及来源（经济节约）（一）目的明确根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。按微生物类群不同，配置不同成分的培养基:细菌:

牛肉膏蛋白胨培养基

LB放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基PDA酵母菌：麦芽汁细菌培养基——营养肉汤（nutrientbroth)：

牛肉膏3g；水1000ml；

蛋白胨5g；pH7.2~7.4放线菌培养基——高氏1号：可溶性淀粉20g；KNO31g;K2HPO41g

MgSO40.5gNaCl1g;FeSO4•7H2O0.5g

水1000ml;pH7.2~7.4霉菌培养基——查氏（zapek)培养基：蔗糖30g;KCl0.5g;MgSO4.H2O0.5g;FeSO40.5g水1000ml;K2HPO41g;NaNO33g;pH6.7酵母菌培养基——麦芽汁培养基

（二）营养协调2、速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例3、各种金属离子间的比例

碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数1、C/N比值=（三）条件适宜

（1）pH:

细菌：7.0-8.0霉菌：4.0-5.8放线菌：7.5-8.5酵母菌：3.8-6.0内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液。☆磷酸缓冲液：pH值从6.0-7.6之间K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：

CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。（2）渗透压和aw

等渗：适宜微生物生长 高渗：细胞发生质壁分离 低渗：细胞吸水膨胀，至破裂嗜盐微生物（Halophiles）：能在高盐环境（2.8-6.2MNaCl）生长的微生物常。（3）氧化还原电势(redox

poyential)好氧微生物：+0.3-+0.4V厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵（四）经济节约应用目的：是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？1.生态模拟2.查阅文献3.精心设计4.实验比较

二、设计培养基的方法高压蒸气灭菌

一般培养基:

1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min

含糖培养基:

0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min

过滤灭菌分别灭菌间歇灭菌培养基的灭菌附图：过滤灭菌器皿的灭菌及无菌室的消毒器皿的灭菌：

干热空气：160℃，2小时无菌室的消毒：

紫外光化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）三、培养基的类型及其应用1、根据所培养微生物类群分①细菌培养基②放线菌培养基③霉菌培养基

2、根据培养目的来分①种子培养基(seedculturemedium）营养较丰富②发酵培养基(fermentationmedium）原料应价廉易得还应有利于下游的分离提取。味精生产菌北京棒状杆菌AS1299的一级种子（用摇床培养）培养基配方：葡萄糖3%玉米浆2.5~3.5%尿素0.3~0.5%K2HPO40.1~0.2%MgSO40.05%二级种子（1200