第四章 微生物的营养定稿

第四章微生物的营养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（nutrient）

: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（或叫营养作用，nutrition）:微生物获得和利用营养物质的过程。第一节微生物的营养六要素一、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%

二、微生物的营养要素

六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水

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（carbonsource）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

微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。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。表4—1微生物的碳源谱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(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩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。碳源物质的功能：构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）。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。1.氮源(nitrogensource)

氮源谱｛有机氮无机氮NH3铵盐硝酸盐N2｛｛蛋白质核酸氨基酸尿素表4—2微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。

氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物.多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。氨基酸自异养型生物：但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。按氮源的不同生物可分为：氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。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谱｛化学物质辐射能｛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化能自养微生物的能源物质都是一些还原态的无机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料常常是双功能的（如：NH4+既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）

有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。4.生长因子（growthfactor）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主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。

5.矿质元素(无机盐)

是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能。作用｛参与微生物中氨基酸和酶的组成；调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡酶的激活剂。微量元素: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。6.水生理功能主要有①起到溶剂与运输介质的作用；②参与细胞内一系列化学反应；③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构④热的良好导体；第二节微生物的营养营养类型异养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源光能营养型化能营养型根据能源、电子供体及碳源性质的不同，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)1．光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，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+H2O2．光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；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]+H2O3．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，可在完全无机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；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；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微生物的营养类型(Ⅱ)第三节营养物质进入细胞的方式营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：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1．自由扩散扩散是非特异性的营养物质吸收方式，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；③不能逆浓度运输④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比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。

2．协助扩散特点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

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。促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。3．主动运输它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。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。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）。4．基团移位

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-P+HPr→HPr-p+丙酮酸P-HPr+糖→糖-P+HPr

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。5、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)。比较项目单纯扩散 促进扩散主动运输基团移位特异载体蛋白无 有 有 有 运送速度 慢 快 快 快 溶质运送方向由浓至稀由浓至稀 由稀至浓 由稀至浓平衡时内外浓度内外相等 内外相等 内部高 内部高 运送分子 无特异性 特异性 特异性 特异性 能量消耗 不需要 不需要 需要 需要 运送前后溶质分子不变 不变 不变 改变 载体饱和效应 无 有 有 有 与溶质类似物无竞争性 有竞争性 有竞争性 有竞争性 运送抑制剂 无 有 有 有 运送对象举例水、O2

糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖\嘌呤四种运送营养方式的比较第四节营养基概念：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/cm2,121.3℃15-30分钟；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟一、选用和设计培养基的原则和方法目的明