微生物考研微生物的营养

微生物考研微生物的营养第一页，共六十页，2022年，8月28日第一节，微生物的营养要求（微生物需要什么食物？）第三节，（微生物们是怎样进食的）第四节，培养基（如何给微生物准备食物）微生物的营养类型结合实验掌握如何根据需要正确地选择和使用培养基微生物吸收营养物质的主要方式及其基本特点√第二节，微生物对营养物质的吸收第二页，共六十页，2022年，8月28日目的要求：通过本章的学习，掌握微生物所需要的营养物质、营养类型及微生物吸收营养的方式。要求掌握：1、微生物所需要的营养物质。2、微生物的四种营养类型。3、微生物吸收营养物质的方式。4、培养基的配制及类型重点：

微生物的营养类型，微生物吸收营养物质的方式。难点：微生物吸收营养物质的各种方式。

第五章微生物的营养（2学时）第三页，共六十页，2022年，8月28日

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:

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:

微生物获得和利用营养物质的过程。第四页，共六十页，2022年，8月28日第一节微生物的营养要求一、微生物的化学组成主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等占细菌细胞干重的97%第五页，共六十页，2022年，8月28日

二、微生物的营养物质

碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水

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。1、碳源在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质碳源谱｛有机碳无机碳异养微生物自养微生物第六页，共六十页，2022年，8月28日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、氨基酸等与糖类相比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后绘导致pH下将。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Co2Co2为自养微生物所利用碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等为异养微生物所利用其他芳香族化合物、氰化物、蛋白质、肽、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第七页，共六十页，2022年，8月28日目前在微生物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。碳素的功能：

1）组成有机分子的C架；2）为细胞提供能量。第八页，共六十页，2022年，8月28日

凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。2、氮源氮源｛有机氮无机氮NH3铵盐硝酸盐N2｛｛蛋白质核酸氨基酸尿素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、酵母浸膏等第九页，共六十页，2022年，8月28日3、能源能源：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能源｛化学物质光能｛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第十页，共六十页，2022年，8月28日4、无机盐作用酶活性中心的组成部分调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透平衡维持生物大分子和细胞结构的稳定性微量元素：是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6--10-8mol/L：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成：大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。控制细胞的氧化还原电位作为某些微生物的能源物质第十一页，共六十页，2022年，8月28日元素化合物形式（常用）生理功能磷KH2PO4、K2HPO4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(NH4)2SO4、MgSO4含硫氨基酸、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中性组分，叶绿素成分钙CaCl2、Ca(NO3)某些酶的辅因子，维持酶的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细胞感受肽所需钠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KH2PO4、K2HPO4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FeSO4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、白喉毒素所需无机盐及生理功能第十二页，共六十页，2022年，8月28日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微量元素与生理功能第十三页，共六十页，2022年，8月28日5、生长因子生长因子：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微生物生长因子需要量／ml-1III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae） 胆碱 6ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus） 硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae） B-丙氨酸1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani） 尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostocmesenteroides） 吡哆醛 0.025ug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、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类第十四页，共六十页，2022年，8月28日6、水生理功能:a、生化反应的介质，细胞中的生理生化反应均在水中进行c、细胞的重要组成成分，维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；f、维持细胞的膨压。d、热的良好导体；水的比热高，能有效地吸收代谢过程中放出的热，并将吸收的热散发出去，避免细胞内温度陡然升高e、营养物质和代谢产物的良好溶剂与运输介质b、参与细胞内一系列化学反应；第十五页，共六十页，2022年，8月28日水的活度是指在一定的温度和压力下，溶液的蒸汽压力和纯水的蒸汽压力之比，即：

w=（P溶液）／（P纯水）微生物生长需要的水的活度在0.63～0.99。当环境中的w值低于微生物生长需要时，微生物的生长受阻，甚至停止生长。一般来说，细菌生长需要的w值>霉菌>盐细菌>耐旱真菌第十六页，共六十页，2022年，8月28日第十七页，共六十页，2022年，8月28日第二节微生物的营养类型自然界生物的营养类型包括：异养型：以复杂的有机物作为营养物质，动物属此。自养型：以简单的无机物作为营养物质，植物属此。微生物兼有上面两种类型。

第十八页，共六十页，2022年，8月28日微生物的营养类型划分依据营养类型特点碳源自养型（autotrophs）以CO2为唯一或主要碳源异养型（heterotrophs）以有机物为碳源能源光能营养型（phototrophs）以光为能源化能营养型（chemotrophs）以有机物氧化释放的化学能为能源电子供体无机营养型（lithotrophs）以还原性无机物为电子供体有机营养型（organotrophs）以有机物为电子供体第十九页，共六十页，2022年，8月28日根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：光能无机自养型(photolithoautotrphy)光能有机异养型(photoorganoheterotrphy)化能无机自养型(chemolithoautotrphy)化能有机自养型(chemoorganoheterotrophy)第二十页，共六十页，2022年，8月28日据微生物获取能源、碳源以及供氢体或电子供体的不同，分为四种营养类型：

营养类型能源碳源氢或电子供体光能无机自养型光能CO2水或还原态无机物光能有机异养型光能CO2+有机物化能无机自养型化学能CO2还原态无机物化能有机异养型化学能有机物有机物第二十一页，共六十页，2022年，8月28日1．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或H2O等作为电子供体，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+H2O第二十二页，共六十页，2022年，8月28日Algae,CyanobacteriaCO2+H2O

Light

+Chlorophyll

（CH2O）+O2PurpleandgreenbacteriaCO2+2H2S

Light

+bacteriochlorophyll

（CH2O）+H2O+2S光合细菌属此营养类型，能源：光能碳源：CO2

①产氧光合作用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。②不产氧光合作用红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。第二十三页，共六十页，2022年，8月28日2．光能有机异养型（光能异养型）以有机物为碳源；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]+H2O不能以CO2为主要或唯一的碳源；第二十四页，共六十页，2022年，8月28日这种营养类型的微生物在污水净化中有重要意义，污水中的有机物可以被作为供H体被降解，同时又可还原CO2为菌体有机物，获得菌体蛋白。第二十五页，共六十页，2022年，8月28日3．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-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质。化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全没有有机物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；第二十六页，共六十页，2022年，8月28日硝化细菌 属硝化菌种，两大群 ①亚硝化细菌群：将铵盐氧化为亚硝酸。 ②硝化细菌群：将亚硝酸进一步氧化为硝酸； 获取能量后，硝化细菌将CO2合成为有机碳硫化细菌 种类：硫化杆菌 氧化H2S，获取能量，固定CO2合成有机物H2S+O2→H2O+S+能量铁细菌 种类：铁杆菌 将Fe2+氧化为Fe3+获得能量来同化CO2。第二十七页，共六十页，2022年，8月28日4．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；腐生型: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: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.第二十八页，共六十页，2022年，8月28日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第二十九页，共六十页，2022年，8月28日营养类型电子供体碳源能源举例光能无机自养型H2、H2S、S或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-CO2化学能（无机物氧化）氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌属、甲烷杆菌属、醋酸杆菌属化能有机异养型有机物有机物化学能（有机物氧化）假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物微生物的营养类型第三十页，共六十页，2022年，8月28日5．营养缺陷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(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)。经常用来进行微生物遗传学方面的研究。

第三十一页，共六十页，2022年，8月28日利用营养缺陷型定量分析各种微生物生长因素的方法称为微生物分析法。缺少合成生长因素能力的微生物称为营养缺陷型微生物。营养缺陷型缺少合成氨基酸能力的微生物称为氨基酸缺陷型；缺少合成维生素能力的微生物称为维生素缺陷型；缺少合成碱基能力的微生物称为嘧啶或者嘌呤缺陷型。自然界中的微生物如不缺少合成生长因素的能力通常称为野生型或原养型。野生型的菌株可以人工诱变使之突变而成为缺陷型菌株。

第三十二页，共六十页，2022年，8月28日第三节微生物对营养物质的吸收胞膜是隔离细胞内外的主要屏障，养料通过膜进入细胞的过程称膜运输：一、被动扩散二、促进扩散三、主动运输四、基团运输膜泡运输除膜运输外，还存在：第三十三页，共六十页，2022年，8月28日一、被动扩散

原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。特点①物质在扩散过程中没有发生任何反应；②不消耗能量；不能逆浓度运输；③运输速率与膜内外物质的浓度差成正比第三十四页，共六十页，2022年，8月28日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、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过被动扩散进出细胞。

第三十五页，共六十页，2022年，8月28日二、促进扩散特点①不消耗能量②参与运输的物质本身的分子结构不发生变化③不能进行逆浓度运输④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比⑤需要载体参与第三十六页，共六十页，2022年，8月28日

通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。第三十七页，共六十页，2022年，8月28日三、主动运输膜上载体蛋白与养料结合后，可以逆浓度梯度运输养料的方式。特点①运输方向可以逆浓度梯度进行；②运输过程要消耗能量。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。第三十八页，共六十页，2022年，8月28日1、初级主动运输初级主动运输指由电子转递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角度考虑是一种质子的主动运输方式。

第三十九页，共六十页，2022年，8月28日2、次级主动运输（1）同向运输：是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输。

（2）逆向运输：是指某种物质与质子通过同一载体按相反方向运输。

（3）单向运输：是指质子浓度在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞，运输结果通常导致胞内阳离子（如K+）积累或阴离子浓度降低。

第四十页，共六十页，2022年，8月28日3、Na+、K+-ATP酶（Na+、K+-ATPase）系统Na+、K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”入胞内。

E为非磷酸化酶，与Na+的结合位点朝向膜内，与Na+有较高的亲和力，而与K+的亲和力低。当E与Na+结合后，在Mg2+存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E’，并导致与Na+的结合位点朝向膜外，E’与Na+的亲和力降低，而与K+的亲和力高，此时胞外的K+将Na+置换下来，E’与K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E’去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na+将K+置换下来。

第四十一页，共六十页，2022年，8月28日基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸--磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。3、基团转位

基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。PEP+糖(膜外）→糖-P（膜内）+pyruvate第四十二页，共六十页，2022年，8月28日

基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸酶IHPr酶IIa酶IIb酶IIc磷酸糖膜内膜外细胞膜糖第四十三页，共六十页，2022年，8月28日5．膜泡运输膜泡运输主要存在于原生动物特别是变形虫中。胞吞作用：膜泡中包含的是固体营养物质胞饮作用：膜泡中包含的是液体营养物质第四十四页，共六十页，2022年，8月28日第四十五页，共六十页，2022年，8月28日第四节培养基培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水第四十六页，共六十页，2022年，8月28日一、配制培养基的原则目的明确营养协调理化条件适宜经济节约灭菌处理第四十七页，共六十页，2022年，8月28日1.目的明确根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S10gMgSO4.7H2O0.5g（NH4)2SO40.4gFeSO40.01gH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2gK2HPO41gH2O1000ml第四十八页，共六十页，2022年，8月28日常见的培养四大类微生物的培养基细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放线菌（高氏1号）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50℃--60℃保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。霉菌（查氏合成培养基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml第四十九页，共六十页，2022年，8月28日2.营养协调培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。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代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。第五十页，共六十页，2022年，8月28日3.理化条件适宜pH水活度氧化还原电位第五十一页，共六十页，2022年，8月28日a.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。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。第五十二页，共六十页，2022年，8月28日b.水活度微生物一般在αw为0.60～0.99