微生物的营养

微生物的营养第1页，共66页，2023年，2月20日，星期四

主要内容1.微生物的营养要求1.1微生物细胞的化学组成1.2营养物质及其生理功能1.3微生物的营养类型(nutritionaltypes)2.

培养基2.1选用和设计培养基的原则和方法2.2培养基的类型及应用第2页，共66页，2023年，2月20日，星期四

主要内容3.营养物质如何进入细胞3.1扩散(diffusion)3.2促进扩散(facilitateddiffusion)3.3主动运输(activetransport)3.4膜泡运输(memberanevesicletransport）第3页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求营养物质：满足机体生长、繁殖和生理活动的物质营养：获取和利用营养物质的过程。微生物营养是微生物生理学重要部分，主要阐明营养物质在其生命活动中的生理功能及微生物细胞从外界环境摄取营养物的具体机制。第4页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求1.微生物细胞的化学组成2.营养物质及其生理功能3.微生物的营养类型(nutritionaltypes)第5页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求

主要元素：C、H、O、N、S、P(97％)1.化学元素

微量元素:Zn、Mn、Na、Cl、Co、Cu化学元素比例因菌种、培养条件等有所不同，如：幼龄菌含N高，硫细菌较多S，铁细菌较多Fe，等。（一）微生物细胞的化学组成第6页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求2.化学成分及其分析化学元素组成有机物、无机物和水（70％－90％）有机物分析:1）化学法直接抽提，定性定量分析2）破碎细胞得亚显微结构，再分析（一）微生物细胞的化学组成第7页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求无机物指与有机物或单独存在的无机盐等物质，分析：干细胞高温炉（550℃）焚烧得到的灰分（ashcostituent）无机方法分析其中各种无机元素含量。水分：细胞表面水分吸干后的重量为湿重；采用低温真空干燥、红外快速烘干方法烘干至恒重为干重。（一）微生物细胞的化学组成第8页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求1.碳源（sourceofcarbon）提供碳素的物质，一般还是能源物质。微生物对碳源选择性：糖类一般是良好碳源和能源，对不同糖利用不同。E.Coli在葡萄糖和半乳糖培养基生长，前者为速效碳源，后者为迟效碳源。（二）营养物质及其生理功能第9页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求工业发酵一般用糖蜜、淀粉、饴糖等，为节约采用纤维素这种广泛存在的物质培养微生物。不同菌种利用碳源能力不同，如：假单孢菌属中的一些能利用90多种碳源；甲基营养型只利用甲醇、甲烷等一碳化合物为能源物质。（二）营养物质及其生理功能第10页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求2.氮源（Sourceofnitrogen）合成含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养型利用铵盐、硝酸盐作为氮源和能源。可利用的氮源：Pr及其降解物、铵盐、硝酸盐、N2、嘌呤等。常用的Pr类氮源有：蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼粉、牛肉膏、酵母膏等。对pr氮源利用选择性：玉米浆是速效氮源，利于菌体生长；花生饼粉和黄豆饼粉是迟效氮源，利于代谢产物积累。（二）营养物质及其生理功能第11页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求2.氮源（Sourceofnitrogen）速效氮源：对铵盐和硝酸盐类氮源利用能力强，可直接吸收利用，称为～。以(NH4)2SO4为氮源，NH4＋被吸收，pH下降，为生理酸性盐；KNO3为氮源，NO3-被吸收，使pH升为生理碱性盐，所以加缓冲剂避免pH变化。（二）营养物质及其生理功能第12页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求3.无机盐（inorganicsalt）功能：酶活性中心的组成部分，维持生物大分子和细胞结构稳定性、调节渗透压、控制氧化还原电位、某些生物的能源物质等。微量元素：相对概念10-8~10-6mol/L（二）营养物质及其生理功能第13页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求4.生长因子（growthfactor）量少、自身不能合成或合成量不能满足机体生长需要的有机化合物。分：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶维生素－－辅酶缺乏合成某种aa能力－－补充aa。如：肠膜明串珠菌需17种aa嘌呤和嘧啶－－辅酶及合成核苷等（二）营养物质及其生理功能第14页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求5.水1）溶剂和运输介质，营养物质吸收及代谢物分泌2）参与细胞内的生化反应3）维持Pr、核酸稳定天然构象4）热的良好导体，控制细胞内温度变化5）维持细胞自身正常形态6）控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离（二）营养物质及其生理功能第15页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求水活度值（αw）：一定温度、压力下溶液蒸汽压力与同样条件下纯水压力比。微生物一般在0.60～0.99生长，αw过低微生物生长的延缓期延长，比生长速率和总生长量减少。一般细菌的比酵母和霉菌高，嗜盐菌较低0.76。（二）营养物质及其生理功能第16页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求根据碳源、能源及电子供体等分为：光能无机自养：光为能源，利用无机物为碳源光能有机异养：光为能源，生长需要有机物质化能无机自养：无机物氧化供能，生长不依赖有机物化能有机异养：有机物氧化供能，生长依赖有机物（三）微生物的营养类型(nutritionaltypes)第17页，共66页，2023年，2月20日，星期四划分依据营养类型特点碳源自养型以CO2为唯一或主要碳源异养型有机物能源光能营养型光为能源化能营养型有机物氧化的化学能电子供体无机营养型还原无机物为e供体有机营养型有机物为e供体微生物营养类型第18页，共66页，2023年，2月20日，星期四第19页，共66页，2023年，2月20日，星期四一、微生物的营养要求微生物营养类型不是一成不变的，在一定条件下会转化的。如：紫色非硫细菌没有有机物时可以同化CO2，有机物存在又是异养型。营养缺陷型：突变后失去合成某种对该菌株必不可少的物质的能力，为～原养型：相应的野生型菌株为～（三）微生物的营养类型(nutritionaltypes)第20页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）培养基（culturemedium）是人工配制，适合微生物生长繁殖或代谢产物积累的营养基质。第21页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）1、选择适宜的营养物质首先考虑不同微生物营养需要，如：自养、异养细菌一般肉汤培养基；放线菌高氏1号合成培养基；酵母菌麦芽汁培养基；等（一）选用和设计培养基的原则和方法第22页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）2、营养物质浓度及配比合适C：N影响大，如：谷氨酸Glu发酵时C:N为4:1时菌体大量生长；3:1时Glu大量积累。C：N也指还原糖和粗蛋白之比（一）选用和设计培养基的原则和方法第23页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）3、pH细菌、放线菌7～7.5；霉菌和酵母4.5～6。在微生物生长过程中会有变化，所以需要加缓冲剂，最常见的是磷酸盐缓冲剂(6.4~7.2)若是大量产酸可加入难溶的碳酸盐中和。氨基酸、肽、蛋白两性电解质也有缓冲作用。（一）选用和设计培养基的原则和方法第24页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）4、氧还电位（Φ）好氧生物Φ＋0.1V以上可以生长，一般0.3～0.4V适宜厌氧在低于0.1V生长兼性在0.1V以上好氧呼吸，低于0.1V发酵通过控制通气量或加氧化剂增加Φ，加还原剂降低Φ。（一）选用和设计培养基的原则和方法第25页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）5、原料来源廉价、易得、降低成本（一）选用和设计培养基的原则和方法第26页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）6、灭菌处理培养基高压蒸汽1.05kg/cm2，121.3℃15～30min不耐热的如：含葡萄糖的0.56kg/cm2，112.6℃15～30min对糖要求较高的可用过虑除菌或间歇灭菌；避免沉淀加EDTA培养基灭菌前后对pH调整泡沫中的空气层形成隔热层使菌难杀死，加消泡剂或延长灭菌时间（一）选用和设计培养基的原则和方法第27页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）1.按成分分：天然培养基（complexmedium）

LB和麦芽汁培养基等，成本低，实验室和工业使用广合成培养基（syntheticmedium）化学成分了解，如：高氏Ⅰ号和查氏培养基，重复性好、成本高、微生物在上面生长较慢，适于实验室进行营养需要、代谢、分类、菌种选育、遗传分析等（二）培养基的类型及应用第28页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）2.根据物理状态分：固体、半固体、液体固体培养基（solidmedium)好的凝固剂：不被利用分解；生长温度范围为固体；凝固点温度不能太低；无毒；灭菌不会破坏；透明及粘着力强；配制方便；便宜；等常用的：琼脂、明胶、硅胶（二）培养基的类型及应用第29页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）琼脂是石花菜提取的复杂多糖；明胶是胶原蛋白制备的，但凝固点较低，某些菌产蛋白酶或胶原酶水解明胶，较少用；硅胶硅酸盐被酸中和时凝聚成的胶体，适合自养型。天然固体基质如：马铃薯块、麸皮。（二）培养基的类型及应用固体培养基用途：分离、鉴定、活菌计数、菌种保藏等第30页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）半固体培养基（semisolidmedium)0.2～0.7％琼脂含量用于：运动特征、分类鉴定、噬菌体效价滴定液体培养基（liquidmedium)用于：大规模工业发酵、实验室基础理论和应用方面研究（二）培养基的类型及应用第31页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）3.按用途分：基础、加富、鉴别、选择、分析培养基等基础培养基（minimummedium)大多数微生物基本营养要求差不多。基础培养基含一般微生物生长时所需的基本营养物质。LB是最常用的。（二）培养基的类型及应用第32页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）加富培养基（enrichmentmedium)在基础培养基添加特殊营养物质，如：血清、动植物组织液、酵母浸膏等。用于培养苛刻的异养微生物及富集分离某种微生物。与选择培养基区别：加富培养基增加所要分离的微生物量，成为优势菌；选择培养基是抑制不需要的微生物，所需要的为优势菌（二）培养基的类型及应用第33页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）鉴别培养基（differentialmedium)加某种化学物质，发生特殊化学反应，产生特征变化，如：明胶培养基鉴别是否产蛋白酶；远藤氏培养基加碱性复红和亚硫酸钠，鉴别水中大肠菌群；H2S用于产H2S菌的鉴别；等（二）培养基的类型及应用第34页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）（二）培养基的类型及应用鉴别培养基（differentialmedium）第35页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）（二）培养基的类型及应用第36页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）选择培养基（selectivemedium)将某种微生物从混合物中分离出，有利于需要菌生长，抑制不需要的微生物。两类：根据某种微生物特殊营养需要设计的类型如：以纤维素唯一碳源分离分解纤维素的菌加某种化学物质，抑制其他微生物生长的类型如：加10％酚抑制细菌、霉菌，分离放线菌；加结晶紫抑制G+，分离G－菌；基因工程菌利用此特点，抗生素抗性筛选重组菌（二）培养基的类型及应用第37页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）（二）培养基的类型及应用选择培养基（selectivemedium)第38页，共66页，2023年，2月20日，星期四二、培养基（culturemedium）（5）其他如：分析培养基（assaymedium)分析某些化学物质的浓度及微生物营养要求；还原培养基（reducedmedium培养厌氧菌；组织培养物培养基（tissue-culturemedium)培养寄生微生物；未可培养微生物

1%尚未找到适合的培养方法策略模拟天然条件，原位培养（二）培养基的类型及应用第39页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞1.扩散(diffusion)2.促进扩散(facilitateddiffusion)3.主动运输(activetransport)4.膜泡运输(memberanevesicletransport）

第40页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞影响营养物质进入细胞因素：营养物质本身性质微生物所处环境：温度、pH、离子强度、被运输物质结构类似物都会影响菌的透过屏障：CW、CM、荚膜、粘液层等组成，影响物质运输。如：荚膜与粘液层结构松，影响小；G+CW结构紧密，影响物质进入；CM对物质运输尤为重要，选择性。第41页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞高浓到低浓，纯物理过程，不耗能，无载体。影响运输因素：分子小、极性小、温度高、速度快，如：水、乙醇、甘油、一些气体分子、某些aa等。

1.扩散(diffusion)第42页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

1.扩散(diffusion)亲水分子和憎水分子进出CM情况亲水难以进入，憎水易进入第43页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞被动不耗能被运输物质结构不变化不能逆浓需载体（carrier)，且载体专一性高

2.促进扩散（facilitateddiffusion)第44页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞物质与载体亲和力在细胞内外不同，使该物质与载体可逆结合分离达到物质运输目的。影响因素：物质细胞内外浓度梯度及载体数量载体蛋白跟酶性质类似，又称透过酶（permease）物质主要是：氨基酸、单糖、维生素、无机盐

2.促进扩散（facilitateddiffusion)有时对同一物质运输由一种以上载体完成，如：鼠伤寒沙门氏菌四种载体运输His；酿酒酵母三种载体运输G；第45页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞而有些载体可以运输几种物质，如：E.Coli一种载体运输Leu，Ile和Val，但是亲和力有所不同。有些抗菌素能提高膜的透性促进离子跨膜运输，如：短杆菌肽A15个L,D-aa组成，两个短杆菌肽A在膜形成含水通道，促进离子运输。缬氨霉素环状分子，k+可结合在其中心，外周为碳氢链可以穿过疏水膜，促进k+运输。

2.促进扩散（facilitateddiffusion)第46页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

2.促进扩散（facilitateddiffusion)缬氨霉素第47页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

2.促进扩散（facilitateddiffusion)短杆菌肽构成的离子通道第48页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞主要物质运输方式。特点：耗能，可逆浓运输能量来源：好氧和兼性直接利用呼吸能；厌氧化学能；光合菌利用光能；嗜盐菌通过紫膜利用光能种类：初级主动运输、次级主动运输、基团转位、Na＋,K＋-ATPase系统、ATP偶联主动运输

3.主动运输（activetransport）第49页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞初级主动运输（primaryactivetransport）由电子传递系统、ATP酶或菌嗜紫红质引起的质子运输方式。利用能量，在膜内外建立质子浓度梯度，使膜为能化膜（energizedmembrane）。好氧和兼性菌电子在传递链传递中伴随质子外排；厌氧利用发酵产的ATP，在膜ATP酶作用下水解伴随质子外排；光合菌吸收光能激发的电子传递时伴随质子外排；等

3.主动运输（activetransport）第50页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

3.主动运输（activetransport）第51页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

3.主动运输（activetransport）第52页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞次级主动运输（secondaryactivetransport）在初级主动运输产生的质子梯度消失时往往伴随其他物质的运输。形式：同向运输（symport

）：物质与质子同一载体同向运输逆向运输（antiport

）：物质与质子同一载体逆向运输单向运输（uniport

）：质子梯度消失，促使某些物质通过载体进出细胞

3.主动运输（activetransport）第53页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞

3.主动运输（activetransport）同向运输(symport)逆向运输(antiport)单向运输(uniport)第54页，共66页，2023年，2月20日，星期四

几类转运蛋白第55页，共66页，2023年，2月20日，星期四葡萄糖的运输被动运输钠－葡糖同向运输第56页，共66页，2023年，2月20日，星期四三、营养物质如何进入细胞基团转位（grouptranslocation)有复杂的运输系统完成物质运输，物质结构变化。主要存在厌氧和兼性菌，主要用于糖、脂肪酸、核苷、碱基运输。如：E.Coli对G吸收，通过磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）－磷酸糖转移酶运输系统（PTS）将磷酸基团转移到G上，生成磷酸糖释放到CP中。PTS系统由五种蛋白组成，EⅠ、EⅡ（abc三亚基）和HPr

3.主动运输（active