微生物的营养和代谢

微生物的营养和代谢3.1微生物的营养3.2微生物的代谢营养物质提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。一些微生物可利用非物质形式的能源——光能。

1微生物的营养（MicrobialNutrition

）营养物质(nutrient)：具有营养功能的物质。营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。1.1微生物细胞的化学组成和营养要素1.2微生物对营养物质的吸收1.3微生物的营养类型1.4培养基（微生物们需要吃什么？）（如何给微生物们做饭？）（微生物们是怎样吃东西的？）1微生物的营养1.1.1微生物细胞的化学组成微生物细胞水(70%-90%)干物质有机物(90%-97%)(蛋白质、核酸、糖、脂、维生素等及其降解产物)

无机物（盐）主要元素：C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Fe等；微量元素：Zn、Mn、Na、Cl、Mo、Se、Co、Cu、Ni等。细胞化学元素组成：1.1微生物细胞的化学组成和营养物质芽孢、孢子含水量较低（一般为40%左右）有机物表3-1微生物细胞中碳、氮、氢、氧的含量(%)

元素细菌酵母菌霉菌

C

5049.847.9

N

1512.45.2

H

86.76.7

O

2031.140.2P

3——S

1——微生物与其他生物的化学组成具有统一性不同的微生物化学组成具有差异性

主要成分细菌酵母菌霉菌

水分75~8570~8085~90（占细胞总重的%）

蛋白质50~80

32~7514~15

占细碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

无机盐2~303.8~76~12微生物细胞的化学组成1.1.2微生物的营养物质及其生理功能

生物类型营养要素

动物（异养）

微生物

绿色植物（自养）

异养

自养

碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳同与碳同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水微生物和动物、植物营养要素的比较营养物质的功能:1.1.2微生物的营养物质及其生理功能参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源水(Water)碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)生长因子（Growthfactor)无机盐(Inorganicsalt)能源（Energysource)六种营养要素

1.水(water)细胞组分；溶剂（营养物质和代谢产物）；介质（生化反应）；维持细胞的彭压；稳定细胞内环境温度；控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离水分为游离水和结合水。微生物所能利用的是游离水。功能

2.碳源(carbonsource)占细胞干重的50％生理功能

微生物的整体碳源谱十分广泛。提供微生物营养所需碳元素的营养源。主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物异养微生物的主要能源物质异养微生物：凡必须利用有机碳的微生物自养微生物：凡以无机碳源作主要碳源的微生物不同微生物，对碳源的利用能力不同如:假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上碳源物质；某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷生长。E.coli在葡萄糖和半乳糖培养基生长，葡萄糖为速效碳源，后者为迟效碳源传统种类：糖类（单糖，饴糖）；淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）；各种麸皮、米糠等。代粮发酵：纤维素、石油、CO2异养微生物而言，其最适碳源是“C.H.O”型在糖类中单糖优于双糖和多糖，己糖优于戊糖，葡萄糖、果糖优于甘露糖、半乳糖；在多糖中，淀粉优于纤维素或几丁质等纯多糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖。其次是有机酸、醇类和脂类。根据不同微生物对碳源利用的情况，可以做什么工作？

3.氮源(nitrogensource)氮源一般不作能源（化能自养型：硝化细菌）占细胞干重的12%～15％生理功能：提供氮素，构生理功能：构成蛋白质和核酸，少数细菌提供能量。异养微生物：含C、H、O、N的化合物既是碳源，又是氮源提供微生物生长所需氮元素的营养源。微生物利用氮源谱特点利用顺序：C-H-O-N、C-H-O-N-X>N-H>N-O

>N常用的氮源实验用：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏工业用：尿素、氨水、花生饼粉、豆饼粉、麸皮、鱼粉、玉米浆等氮谱分类生理酸性盐：由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基pH值下降的盐，如（NH4)2SO4生理碱性盐：由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基pH值升高的盐，如KNO3生理中性盐：如NH4NO3能源、碳源兼氮源NH4NO3 NH4+(先入胞)+NO3-(后入胞)迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。利于代谢产物的形成，如花生饼粉、黄豆饼粉等，用于发酵后期。速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。利于菌体生长，如硫酸铵、玉米浆等，用于发酵前期。

速效氮源和迟效氮源

4.生长因子(growthfactor)一类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有机物。

类型：广义：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱及其衍生物等。

此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等。狭义：维生素功能：提供细胞重要化学物质、辅因子的组分和参与代谢。需用牛肉膏、酵母膏或配制专门的营养液。玉米浆麦芽汁蔬菜汁、麸皮、米糠野生型(wildtype)原养型：不要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株。营养缺陷型(auxotroph)：自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定物质才能生长的菌株。

有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。生长因子过量合成：有些微生物在其代谢活动中，会合成出大量的维生素及其他生长因子。阿舒假囊酵母(Eremotheciumashbya)VB2营养物质概念来源功能碳源氮源生长因子凡能为微生物提供所需碳元素的物质主要是葡萄糖，还有CO2、NaHCO3、脂肪酸、花生、石油构成细胞物质和一些代谢产物；有些碳源是异养微生物的主要能源物质凡能为微生物提供所需氮元素的物质常用：铵盐、硝酸盐；其他如N2、氨、尿素、牛肉膏、蛋白胨合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物某些微生物生长不可缺少的微量有机物，如维生素、氨基酸、碱基等酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织提取液等酶和核酸的组成成分5.无机盐(inorganicsalt)为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。硫酸盐、磷酸盐、氯化物等。无机盐的种类大量元素：生长所需浓度在10－3～10－4mol/L范围内。如：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等微量元素：生长所需浓度在10－6～10－8mol/L范围内。如：Cu、Zn、Mn、Mo和Co、Ni、Se、Sn等无机盐常量元素微量元素一般功能细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）生理调节物质渗透压Na+酶激活剂Mg2+pH稳定特殊功能化能自养菌能源

S、Fe、NO-无氧呼吸时氢受体

NO3-、SO42-酶激活剂Cu2+、Mn2+、Zn2+等生理功能

一般微生物生长所需要的无机盐少，特别是微量无素，常混杂在其它营养养质里，除特别需要外，一般不必另外添加。

6.能源（energysource）能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。能源谱化学物质辐射能有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）光能自养和光能异养微生物的能源一般辐射能是单功能的。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、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。一种营养物质通常具有一种以上的功能1.2微生物对营养物质的吸收营养物质

细胞膜利用生长繁殖影响因素1.营养物质性质：2.微生物所处环境：3.透过屏障：相对分子质量、溶解性、电负性、极性、电荷情况胞外酶分解温度；pH与离子强度；渗透压；氧分压；环境物质(诱导物质、抑制物质和结构类似物)种类、菌龄、生理状态CW、CM、荚膜、粘液层等组成一般而言，分子越小，脂溶性越高，极性越小，越易通过细胞膜。细胞膜外细胞膜细胞膜内

SS

单纯扩散（Simplediffusion

）SCS

促进扩散（Facilitateddiffusion）SCS

主动运输（ActiveTransport

）

消耗代谢能，载体构型改变

SCS-P（底物被磷酸化）

基团转位

（GroupTranslocation

）

图3-14种跨膜运输系统比较控制营养物质进入和排除的主要屏障1简单（单纯）扩散特点:顺浓度梯度;不需要载体蛋白;不耗能量;物质:水、脂肪酸、乙醇、甘油、O2、CO2等

物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。

扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜2促进扩散特点:顺浓度梯度;渗透酶参与;不耗能量;物质:氨基酸、单糖、维生素、无机盐等（真核生物普遍，酵母运输糖类）渡船简单扩散随浓度增加而线性增加，促进扩散在一定浓度后出现平台简单扩散和促进扩散的比较简单扩散促进扩散3主动运输特点:逆浓度梯度;需要渗透酶;耗ATP;物质:各类溶质，如K+、乳糖等为什么E.coli细胞内K+、乳糖比胞外高几百倍？?作用步骤:1.ATP酶(E)在细胞内侧与3个Na+结合,同时消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)构象变化将Na+排除胞外,并与2个K+

结合;3.K+激发E+脱磷酸化恢复为E,同时将K+运入细胞.物质：糖、糖的衍生物，如葡萄糖等、嘌呤、嘧啶、碱基（但不能输送氨基酸）等运送的物质。HPr磷酸化HPr的去磷酸化4基团转位特点:与主动运输同,但物质发生了磷酸化磷酸烯醇式丙酮酸运送机制:磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统。运送步骤:1.热稳载体蛋白(HPr)的激活

PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr为低分子量热稳定性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。2、糖被磷酸化后运入膜内

P-HPr+糖糖-P+HPr酶II对底物有特异性选择作用，可诱导出一系列与底物分子相应的酶II。酶I酶II四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构运输对象无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变气体、甘油、乙醇等有快由浓至稀相等特异性不需要不变糖、无机盐、氨基酸有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变氨基酸、乳糖等、Na+、K+有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变葡萄糖、嘌呤、核苷、1.3微生物的营养类型

光能无机自养型

光能有机异养型

化能无机自养型

化能有机异养型分类原则：

能源碳源供氢体腐生寄生绝对寄生兼性寄生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+H2O念珠蓝细菌2．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]+H2O紫色非硫细菌光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。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；

CO2+4H+[CH2O]+H2O

2NH3+3O2+2H2O2HNO2+4H++4OH-+能量亚硝酸细菌产甲烷细菌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；4．化能有机异养型（化能异养型）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(facultivemetatrophy)；兼性寄生型(facultiveparatrophy)；营养类型电子供体碳源能源代表类群光能无机自养型H2S或H2OCO2光能蓝细菌、绿硫细菌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NO-2CO2化学能(无机物氧化)硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等化能有机异养型有机物有机物化学能(有机物氧化)大多数细菌，全部真菌、放线菌表微生物的营养类型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1.4培养基

什么是培养基(Medium)

配制培养基的原则

培养基的类型以及应用培养基：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。什么是培养基？？任何培养基具备六大营养要素，且营养要素间比例恰当。用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。注意：制作培养基时，应尽快配制并立即灭菌，否则就杂菌丛生，并破坏其固有的成分和性质。目的明确（培养基组分应适合微生物的营养特点）营养协调（营养物的浓度与比例应恰当）条件适宜（物理化学条件适宜）经济节约（根据培养目的选择原料及其来源）一、培养基的配制原则（一）目的明确：培养基组分应适合微生物的营养特点不同微生物,配制不同的培养基。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养微生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。

按微生物主要类群，需要的培养基成分也不同：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基；LB(Luria-Bertani)

放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基；PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌：麦芽汁●浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过低——不能满足微生物生长的需要。●碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累。重要指标。

●速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例

●各种金属离子间的比例

碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数C/N比值=例：谷氨酸生产中C/N＝4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N＝3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。（二）营养协调：营养物的浓度与比例应恰当（三）条件适宜：物理化学条件适宜pH；水活度；氧化还原电位；渗透压；

（1）pH：各类微生物的最适生长pH值各不相同：

细菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5

酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.8

在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液（三）物理化学条件适宜☆磷酸缓冲液：pH值从6.0~7.6之间K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：

CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。2）水活度一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：αw=P/Po式中P代表溶液蒸汽压力,PO代表纯水蒸汽压力。纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。微生物在αw为0.60～0.99下生长，αw过低时,迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。2）水活度3）氧化还原电位称氧化还原电势（redoxpotential），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V或mV。不同类型微生物生长对氧化还原电位(Ф)的要求不同好氧性微生物：+0.1V以上时可正常生长,以+0.3～+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1V条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1V以上时进行好氧呼吸

+0.1V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加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。无氧有氧振荡、通气、氧分压，提高Ф值4）渗透压等渗透压：最适宜生长低渗透压：细胞膨胀高渗透压：质壁分离该培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？是初级代谢产物还是次级代谢产物？☆用于培养菌体种子的培养基应营养丰富，碳/氮低；☆用于大量生产代谢产物的培养基，其氮源较种子培养基稍低；若发酵产物为含氮化合物时，还应提高培养基的氮源含量；若是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定代谢产物；（四）根据培养目的---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”以废代好以简代繁以烃代粮以纤代糖以无机氮代蛋白1.生态模拟：调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料——初级天然培养基。2.查阅文献：查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方。3.精心设计：借助优选法或正交试验设计法等方法。4.实验比较：不同培养基配方的选择比较单种成分来源和数量的比较几种成分浓度比例调配的比较小型试验放大到大型生产条件的比较

pH和温度试验二、设计培养基的方法灭菌处理高压蒸气灭菌一般培养基:1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min

含糖培养基:0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min过滤除菌,分别灭菌,间歇灭菌附：器皿的灭菌：

干热空气：160℃，2小时；高压蒸汽灭菌，烘干备用无菌室的消毒：

紫外线化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）高温对培养基成分的有害影响及其防止（1）有害影响①形成沉淀物。有机物沉淀如多肽类，无机物如磷酸盐、碳酸盐等沉淀。②破坏营养，提高色泽。如产生氨基糖、焦糖或黑色素等引起褐变的物质。③改变培养基的pH。一般降低培养基的pH。④降低培养基的浓度。气温低时会增加冷凝水。防止措施：1）特殊加热灭菌法分别灭菌（糖液；磷酸盐等）；低压灭菌（含糖类等培养基采用115℃灭菌15min）间歇灭菌2）其他方法加入0.01％EDTA等螯合剂到培养基中，防止金属离子发生沉淀；用气体灭菌剂如环氧乙烷等对个别成分进行灭菌；

过滤除菌法（2）消除措施三、培养基的类型及应用1．按成份不同划分天然培养基(compl