微生物的营养课件

第五章

微生物的营养教学重点和难点重点：熟悉微生物营养类型的特点和多样性；根据不同微生物的营养要求，配制相应培养基的理论知识。掌握物质运输方式。难点：营养物质进入细胞的方式；培养基的类型及应用。第一节微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水:70%-90%干物质有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物

无机物（盐）微生物动物植物之间存在“营养上的统一性”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称为碳源。碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质（如糖类、脂类、蛋白质等）和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。同时绝大部分碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动所需的能源，因此碳源物质通常也是能源物质。但有些CO2作为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则并非来自碳源物质。微生物利用碳源物质具有选择性，糖类是一般微生物较容易利用的良好碳源和能源物质，但不同微生物对不同糖类物质的利用也有差别，例如在以葡萄糖和半乳糖为碳源的培养基中，大肠杆菌首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者称为大肠杆菌的速效碳源，后者称为迟效碳源。目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、糖蜜、淀粉、麸皮、米糠等。为了节约粮食，人们已经开展了代粮发酵的科学研究，以自然界中广泛存在的纤维素作为碳源和能源物质来培养微生物。不同种类微生物利用碳源物质的能力也有差别。有的微生物能广泛利用各种类型的碳源物质，而有些微生物可利用的碳源物质则比较少，例如假单胞菌属中的某些种可以利用多达90种以上的碳源物质，而一些甲基营养型微生物只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作为碳源物质。微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。

3.无机盐：无机盐或矿物元素在微生物的生命活动中起着十分重要的作用。主要功能是：①构成细胞的组成成分；②作为酶的组成成分；③维持酶的活性；④调节细胞渗透压；⑤作为某些自养菌的能源。

（1）磷：细胞中矿质元素中磷含量最高，是合成核酸、磷脂及高能磷酸化合物的重要原料。（2）硫：是蛋白质中某些氨基酸的组成成分。微生物从含硫有机物或无机物中得到硫。一般认为提供形式为MgSO4。（3）镁:是一些酶的激活剂，还是光和细菌菌绿素的组成成分。镁在细胞内还起着稳定核糖体、细胞膜、核酸的作用。

（4）钾:不参与细胞结构物质的组成，是细胞中重要的阳离子之一。许多酶（参与蛋白质合成的酶）都需要钾离子的激活。（5）钙：是某些酶的激活剂，参与细胞膜通透性的调节。4.生长因子：通常指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(/m1)

III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自养微生物和某些异养微生物如大肠杆菌不需要外源生长因子也能生长。不仅如此，同种微生物对生长因子的需求也会随着环境条件的变化而改变，如鲁氏毛霉（Mucorrouxii）在厌氧条件下生长时需要维生素B1和生物素（维生素H），而在好氧条件时自身能合成这两种物质，不需外加这两种生长因子。有时对某些微生物生长所需生长因子的本质还不了解，通常在培养时培养基中要加入酵母浸膏、牛肉浸膏及动物组织液等天然物质以满足需要。根据生长因子的化学结构与它们在机体内的生理功能不同，可以将生长因子分为维生素、氨基酸、嘌呤及嘧啶碱基三大类。维生素是首先发现的生长因子，它的主要作用是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；如B1是脱氧酶的辅酶。氨基酸也是许多微生物所需要的生长因子，这与它们缺乏合成氨基酸的能力有关，因此，必须在它们的生长培养基里补充这些氨基酸或者含有这些氨基酸的小肽物质，如Leuconostocmesenteroides

（肠膜明串珠菌）需要17种氨基酸才能生长。嘌呤（或）嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核酸和辅酶。

微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值aw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。纯水aw为1，溶液中溶质越多，aw越小。微生物一般在aw为0.69-0.99的条件下生长，aw过低时，微生物生长的迟缓期延长。第二节微生物的营养类型

由于微生物种类繁多，其营养类型（nutritional）比较复杂，人们常在不同层次上和侧重点上对微生物营养类型进行划分。根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大多数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)、化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy)四种类型。营养类型电子供体碳源能源举例光能自养型H2、H2S、S、H2OCO2光能蓝细菌、藻类光能异养型有机物有机物光能红螺细菌化能自养型H2、H2S、NH3、NO2-、Fe2+CO2化学能（无机物氧化）氢细菌、硫杆菌、硝化杆菌等化能异养型有机物有机物化学能（有机物氧化）全部真核微生物、绝大多数细菌第三节营养物质进入细胞

微生物没有专门摄取营养物质的器官，它们摄取营养是依靠整个细胞表面进行的。目前认为：各种营养物质的吸收是依靠细胞质膜的作用，细胞质膜上面有许多小孔，各种营养物质是通过不同的吸收方式透过细胞膜的。营养物质能否进入细胞取决于三方面的因素：①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等）；②微生物所处的环境（温度、pH等）；③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为自由扩散、促进扩散、主动运输、基团转移。细胞膜外细胞膜内细胞膜一、自由扩散(diffusion)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。自由扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定的选择性。它有以下特点：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。自由扩散不是微生物细胞吸收营养物的主要方式，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、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。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.自由扩散的特点1、初级主动运输(primaryactivetransport)初级主动运输指由电子传递系统、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。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子外排，导致原生质膜内外建立质子浓度差，使膜处于充能状态，即形成能化膜。2、次级主动运输(secondaryactivetransport)通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差消失的过程中，往往偶联其他物质的运输，包括以下三种方式：同向运输、逆向运输、单向运输3.ATP结合性盒式转运蛋白系统又称作ABC-转运蛋白：主要用来转运糖、氨基酸和维生素B12等。ABC转运蛋白通常由两个疏水性跨膜域与位于质膜内的两个核苷酸结合结构域形成复合物，两个疏水性跨膜域在质膜上形成一个孔，两个核苷酸结合结构域可与ATP结合。ABC转运蛋白可以专一性的与溶质结合蛋白结合，溶质结合蛋白位于周质空间和附着在质膜外表面。溶质结合蛋白携带被转运的溶质分子在质膜外表面与ABC转运蛋白结合，ATP结合在核苷酸结构域，ATP水解产生能量，是跨膜结构域构象发生改变，被转运的溶质分子进入胞内。4、Na+,K+-

ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统Na+,K+-ATPase系统是位于细胞膜上的一种离子通道蛋白，其作用是通过该蛋白构象的改变，把细胞内的Na运出细胞，同时将K+运回细胞内，即实现了Na+与K+的置换。细胞内高浓度K+是许多酶的活性和蛋白质合成所必须的。5、基团转位(grouptranslocation)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;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.糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)。PTS——磷酸转移酶系统。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+HPr6.铁载体运输铁是大多数生物生长所必需的元素，在生命活动中占有极其重要的地位。微生物铁载体运输系统是大多数好氧细菌和真菌在铁元素缺乏的环境条件下，通过体内合成和分泌小分子的铁螯合物即铁载体，与Fe3+

特异紧密结合，来实现铁元素的吸收和运输的代谢系统。该系统具有高度特异性，有利于微生物在铁元素匮乏的环境中，与其他微生物竞争，获得充足的铁元素。四、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。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到膜表面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，最后形成一个含有该营养物质的膜泡，之后膜泡离开细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种运输方式由胞外进入胞内。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。吞噬作用胞饮作用通过胞吞作用(或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。第四节培养基培养基（medium）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。一、配制培养基的原则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;实验室的常用培养基：细菌:牛肉膏蛋白胨培养基(简称肉汤培养基);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.培养目的不同,原料的选择和配比不同.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.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.2、营养物质浓度及配比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)的影响大。发酵生产谷氨酸: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。3、控制pH条件培养基的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。好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~+0.4V厌养微生物：+0.1以下兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以下进行发酵

4、控制氧化还原电位控制氧化还原电位的方法：提高氧化还原电位：通气、搅拌；降低氧化还原电位：去除氧气；加入还原剂（硫化物）经济节约原则原料来源要广泛原料要易处理，处理成本要低原料处理后，废物、废液、废气要少5、原料来源的选择

高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，121.3℃，15~30min。注意：高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化6、灭菌处理二、培养基的类型及应用

1.按成分不同划分培养基天然培养基（Complexmedium):指用化学成分还不清楚或化学成分不恒定天然有机物配制而成的培养基，如各种农副产品及其下脚料──小麦、大豆、玉米粉、麸皮、米糠、作物秸秆、木屑、棉籽壳、甘蔗渣等，以及动植物组织的浸出液──牛肉膏、肉汤、马铃薯汁、麦芽汁、豆芽汁等都可以用来配制天然培养基，这种培养基来源广，成本低，营养丰富，适合于在生产上大规模培养菌类使用，但这些天然有机物质因产地、品种、生长期的不同，化学成分不稳定。每批成分也不稳定，不宜用来做精细的科学实验。合成培养基(Syntheticmedium):是指采用化学成分已知的有机物（碳水化合物、含氮化合物、有机酸类）或无机物配制而成的培养基。这类培养基组成和含量明确，价格较贵，一般用于在实验室范围内做有关营养、代谢、菌种鉴定等研究。2．根据物理状态划分固体培养基:含琼脂1.5~2%

，用于微生物的分离、鉴定、活菌计数、菌种保藏。半固体培养基:含琼脂0.2~0.7%

，用于观察微生物的运动特征、分类鉴定、噬菌体效价滴定。液体培养基:通过振荡或搅拌增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀。（1）理想的凝固剂需具备的条件：A、不被所培养的微生物分解利用；B、在微生物生长的温度范围内保持固体状态；C、凝固点温度不能太低，否则不利于微生物的生长。D、对所培养的微生物无毒害作用。E、在灭菌过程中不会被破坏。F、透明度好，粘着力强；G、配制方便且价格低廉。（2）常用的凝固剂

A、琼脂：由藻类（石花菜）中提取的一种高度分支的复杂多糖。B、明胶：是由胶原蛋白制备得到的产物。但凝固点太低，且某些细菌和许多真菌能分离液化明胶，目前较少用之。C、硅胶：是由无机的硅酸钠（Na2SiO3)被盐酸及硫酸中和时凝聚而成的胶体，它不含有有机物，适合配制分离与培养自养型微生物的培养基。3．按用途划分1）基础培养基(minimummedium):在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,也称为基本培养基.牛肉膏蛋白胨是最常用的基础培养基。2)富集培养基(enrichmentmedium)在普通培养基(如肉汤蛋白胨培养基)中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基.这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物,如培养百日咳博德氏菌(Bordetellapertussis)需要含有血液的加富培养基。根据待分离微生物的特点设计的培养基,用于从环境中富集和分离某种微生物.(目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快,并逐渐富集而占优势,从而容易达到分离该种微生物的目的.)3）鉴别培养基(differentialmedium)用于鉴别不同类型微生物的培养基。特定的化学反应,产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。伊红和美蓝二种苯胺染料可抑制G+细菌和一些难培养的G-细菌.在低酸度时,这二种染料结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用.大肠杆菌在EMB培养基上强烈分解乳糖而产生大量的混合酸,菌体呈酸性,菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可看到绿色金属闪光。4）选择培养基(selectivemedium)用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基.根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同,在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质,抑制不需要的微生物的生长,有利于所需微生物的生长。而加富培养基是