基础微生物学：第四章 微生物的营养

第四章微生物的营养营养：是指生物体从外部环境中摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理机能。也可指微生物获得和利用营养物质的过程。p36营养物质及其功能营养物质主要功用：供给微生物合成细胞物质的原料；用以产生能量；有的营养物质还在新陈代谢中起调节作用。第一节微生物的营养物质和营养类型三个问题：一、微生物的营养物质。二、微生物的营养类型。三、培养基。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）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。微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”微生物的营养要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水微生物营养的特点：营养类型多，食谱广，胃口大、转化快（一）碳源

1、定义：提供微生物营养所需碳元素的营养源2、种类：

有机碳CHONXCHONCHOCH无机碳

COCOX元素水平CHONXCHONCHOCHCOCOX

化合物水平

核酸、蛋白质

蛋白质、氨基酸糖、有机酸、醇和脂类烃

CO2CaCO3

培养基水平

牛肉膏、蛋白胨、花生饼

明胶、蛋白水解物

葡萄糖、淀粉、糖蜜

石油大气

CaCO3NCHOXNCHONONHN（二）氮源

1、提供微生物营养所需氮元素的营养源。2、种类：

元素水平NCHOXNCHONONHN

化合物水平

核酸、蛋白质

蛋白质

硝酸盐

NH4+N2

培养基水平牛肉膏、蛋白胨、花生饼

明胶、蛋白水解物

KNO3

硫酸铵大气三种类型的供氮无机物：

（NH4）2SO4NH4NO3KNO3

从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它们能把尿素、铵盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为氨基酸自养型生物。凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物就是氨基酸异养型生物。（三）、生长因子

种类：氨基酸、维生素、碱基（核苷）、甾醇、直链脂肪酸、卟啉补加前体、酵母膏、血清、麦芽汁、动植物汁液1、定义：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的（小分子）有机物。必须由外界提供才能进行生长繁殖。某些微生物生长所需要的生长因子微生物生长因子需要量/ml弱氧化醋酸杆菌对氨基苯甲酸0-10ng丙酮丁醇梭菌对氨基苯甲酸0.15ngⅢ型肺炎链球菌胆碱6

g肠膜状明串珠菌吡哆醛0.025

g金黄色葡萄球菌硫胺素0.5ng肠膜状乳杆菌胱氨酸5

g白喉棒杆菌

-丙氨酸1.5

g破伤风梭状芽孢杆菌尿嘧啶0-4

g阿拉伯聚糖乳杆菌烟碱酸泛酸甲硫氨酸0.1

g0.02g10g粪链球菌叶酸精氨酸200

g50g德氏乳杆菌酪氨酸胸腺核苷8

g0-2g干酪乳杆菌生物素麻黄碱1ng0.02

g（四）、无机盐（矿质元素）大量元素：需要量大于10-4mol/L磷、硫、钾、钙、镁、钠、铁铜、锌、硼、钼、钴、锰微量元素：需要量小于10-6mol/L

无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质,它们在机体中的生理功能主要是：作为酶活性中心的组成部分维持生物大分子和细胞结构的稳定性调节并维持细胞的渗透压平衡作为某些微生物生长的能源物质等（五）、水水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70－90%。在微生物各种各样的生理活动中必须有水参加才能进行。（一）定义：指微生物生长所需要的碳源和能源的不同而划分的微生物类型。二、微生物的营养类型（二）种类：碳源：有机碳、无机碳能源：化合能、辐射能有机营养型无机营养型光能营养型化能营养型化能无机营养型、化能有机营养型、光能无机营养型、光能有机营养型微生物的营养类型

营养类型主要（或唯一）碳源能源代表菌

光能自养型二氧化碳光能蓝细菌光能异养型有机物光能红螺细菌化能自养型二氧化碳无机物硫杆菌化能异养型有机物有机物大肠杆菌1、化能无机营养型：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。能够从无机物氧化过程中获得能量，以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源生长。种类：硝化细菌、硫细菌、氢细菌、铁细菌利用的无机物有H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等还原性物质。2、化能有机营养型：

以有机物为能源和碳源。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)；以光为能源，以CO2或碳酸盐作为碳源生长。CO2+H2O光能光合色素[CH2O]+O2种类：蓝细菌、藻类3、光能无机营养型：4、光能有机营养型：种类：红螺菌科的细菌以光为能源，以简单的有机物作为供氢体，以CO2或碳酸盐作为碳源生长CHOH+CO2H3C光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2OH3C2不同营养类型之间的界限并非绝对：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；例如红螺菌：光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能有机营养型；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能有机营养型；（一）培养基定义是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。三、培养基任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；常规高压蒸汽灭菌：

1.05kg/cm2

(

103KPa,15磅/吋2

)

,

121℃15-30分钟；某些成分进行分别灭菌；过滤除菌；任何培养基都应该具备微生物生长所需要的营养要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水（二）原则

2、营养协调：水碳源氮源PSKMg生长因子3、物理和化学条件适宜：pH、渗透压、氧化还原电位4、经济节约：以粗代精、以野代家、以废代好、以烃代粮、以纤代糖1、目的明确：细菌VS真菌、实验室VS发酵生产、代谢产物VS菌体。1)营养要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水碳氮比（C/N）：培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值。营养物质浓度及配比合适（C/N）如谷氨酸发酵生产：

C/N=4时菌体大量繁殖，Glu积累少；

C/N=3时菌体繁殖受抑，Glu大量积累。细菌：C/N=5-10：1真菌：C/N=10-20：12)pH大多数细菌、放线菌所要求的pH值为中性至微碱性（7-7.5），而酵母和霉菌则要求偏酸性（4.5-6）。微生物在生长和代谢过程中，由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成和积累，可以引起培养基pH值的变化例如含葡萄糖的培养基培养基pH值下降。含蛋白质或氨基酸的培养基pH值上升。为了维持培养基较为恒定的pH值，一般在配制培养基时加入一些缓冲剂(K2HPO4/KH2PO4)。3)渗透压生理盐水：0.75%NaCl对于一般性细菌：0.5-1.0%的NaCl3）氧化还原电位好氧性微生物：+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。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；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化物(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低氧分压。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,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。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；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蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用。三、培养基（三）培养基种类

1、根据化学组成：天然培养基和合成培养基

天然培养基(complexmedium)以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成如：牛肉膏蛋白胨培养基－－细菌麦芽汁培养基－－酵母菌三、培养基是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基(chemicallydefinedmedium)，这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室。合成培养基(syntheticmedium)K2HPO41.4gKH2PO40.6g（NH4）2SO41.0gMgSO40.1gCaCl20.1g葡萄糖5g水1000mlpH7.5

高氏一号培养基（淀粉硝酸盐培养基）－－－放线菌察氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）－－－真菌

3.半合成培养基:由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培养基。如：马铃薯蔗糖培养基（PDA培养基）－－真菌三、培养基2、根据物理状态：固体培养基、半固体培养基和液体培养基

凝固剂：土豆块、明胶、琼脂、硅胶等化学成分营养价值分解性融化温度凝固温度常用浓度透明度黏着力耐加压灭菌琼脂聚半乳糖的硫酸酯无罕见约96℃约45℃1.5%～2%高强强明胶蛋白质作氮源极易约25℃约20℃5%～12%高强弱固体培养基琼脂浓度；1.5％～2.0％半固体培养基琼脂浓度；0.2％～0.7％半固体培养基:在液体培养基上加进一定凝固剂,在液体培养基中如加0.5%左右琼脂,可以用来观察细胞运动的特征,鉴定菌种,测定抗菌素的效价等。

固体培养基:在液体培养基中加入1.5-2.0%琼脂。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面,在这个表面生长微生物可形成单个菌落,用于微生物的分离,鉴定,计数,保管。按物理状态分类液体培养基固体培养基半固体培养基

液体培养基固体斜面培养基半固体培养基三、培养基3、根据培养基功能：基本培养基和完全培养基、选择性培养基和鉴别培养基K2HPO41.4gKH2PO40.6g（NH4）2SO41.0gMgSO40.1gCaCl20.1g葡萄糖5g水1000mlpH7.5

基本培养基：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，称为基本培养基。

三、培养基3、根据培养基功能：牛肉膏：3.0g蛋白胨：10gNaCl：5gpH:7.2蒸馏水1000ml完全培养基：在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的所有营养物质的培养基。三、培养基3、根据培养基功能：

选择性培养基：根据待分离微生物的特点，加入某种选择压力的培养基，用于从环境中富集和分离某种特定功能的微生物。投其所好，取其所抗选择性培养基三、培养基3、根据培养基功能：

鉴别性培养基：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。蛋白胨：10g磷酸氢二钾2g乳糖：10g2%伊红Y溶液10ml0.65%美蓝溶液：20ml蒸馏水:1000ml琼脂：20gpH:7.2伊红美蓝培养基：三、培养基

在低酸度时，这二种染料结合形成沉淀呈紫色，起着产酸指示剂的作用。

选择性培养基和鉴别性培养基区别的例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB培养基；观察芽孢：生孢培养基；发酵培养基：蔗糖等产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；北京棒杆菌（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。三、培养基对于同一个菌株，根据不同的目的选择不同的培养基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（100ppm重铬酸钾）；酵母菌：豆芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基；PDA培养基影响营养进入细胞的因素营养物质本身的性质微生物所处环境微生物的透过屏障第二节营养物质的吸收p.40

营养物质进入细胞的方式简单扩散（Simplediffusion)促进扩散（Facilitateddiffusion）主动吸收（Activetransport）基团转运（Grouptranslocation)膜泡运输(Memberanevesicletransport)一、被动扩散(Simplediffusion)指疏水性双分子层细胞膜在无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。主要有氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸分子。动力：物质在膜两侧的浓度差;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。一、扩散(diffusion)扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,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可通过扩散进出细胞。二、促进扩散(facilitateddiffusion)促进扩散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动力：物质在膜两侧的浓度差；物质运输过程中不消耗能量；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比；有载体(carrier)的参与，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。

通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体蛋白

(通透酶)或通道蛋白的作用才能进入细胞。载体蛋白通过构象的改变运输相应的物质，具有较高的专一性；载体蛋白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；载体蛋白大都是诱导酶，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的载体才合成。微生物的细胞膜上已分离出了多种载体蛋白，可以运输不同种类的糖（如葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖）、多种氨基酸（如亮氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等）和维生素。二、促进扩散(facilitateddiffusion)通道蛋白通常并不与底物分子结合，通道蛋白主要横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子顺离子梯度通过。绝大多数通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道。通道蛋白普遍存在于细胞生物中，如大肠杆菌中的甘油运输体（glyceroltransporter）(GlpF)，水特异的亲水性通道（aquaporin-Z）、动力敏感离子通道（mechanosensitive）(MscL)和电位敏感离子通道（voltage-sensitiveionchannel）等。离子选择性:不同通道对不同离子的通透性不同。这是由通道的结构所决定的，只允许具有特定离子半径和电荷的离子通过。根据离子选择性的不同，通道可分为钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但通道的离子选择性只是相对的而不是绝对的，比如，钠通道除主要对Na+通透外，对NH4+也通透，甚至于对K+也稍有通透。水通道1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28KD的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28(Channel-Formingintegralmembraneprotein)

2003年，Agre与离子通道的研究者RoderickMacKinnon共享诺贝尔化学奖。三、主动运输(activetransport)在物质运输过程中需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可以进行逆浓度运输需要特定的载体蛋白通过这种方式运输方式吸收的营养物质：有糖类（乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等）、氨基酸、核苷、钠离子等。

ABC转运器（ABCtransporter）最早发现于细菌，是细菌质膜上的一种运输ATP酶（transportATPase），属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATPbindingcassette），故名ABC转运器,他们通过结合ATP发生二聚化，ATP水解后解聚，通过构象的改变将与之结合的底物转移至膜的另一侧。ABC转运器大肠杆菌中78个基因（占全部基因的5%）编码ABC转运器蛋白，在动物中可能更多。虽然每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，这在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。四、基团转位(grouptranslocation)主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，如葡萄糖一种主动运输类型需复杂的运输酶系参与底物在运输过程发生化学变化主要存在于