第四章微生物的营养和培养基

1、第四章微生物营养与培养基，天津农业大学生物技术研究室，微生物营养与生长。从生物学角度来看，微生物的活细胞是一个动态的新陈代谢系统，它不断从环境中吸收营养，通过新陈代谢实现生长和繁殖，同时排出“废物”。第一节是关于微生物的六种营养元素，一种是微生物细胞的化学成分，另一种是关于微生物的营养物质及其生理功能，碳源和氮源，更好的能量生长因子，无机盐水，微生物的营养，营养：微生物在生活活动中从环境中吸收的物质，提供能量，调节新陈代谢和合成细胞物质。在发酵工业中，它也包括用于合成的产品。营养(过程)营养：生物体最基本的生理功能，从外部环境中吸收生命活动所需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖的需要。元素组成

2、：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌和钼。其中，碳、氢、氧、氮和磷占细胞干重的97%。2.材料成分(1)水约占细胞湿重的90%。(2)有机物：主要包括蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素及其合成中间体和降解物。(3)无机盐：灰分元素是指灰分物质中的元素，如无机盐，它们参与有机物的组成并单独存在于细胞原生质中。1.微生物细胞的化学组成；3.影响微生物细胞化学组成的因素(1)微生物类型：硫细菌、铁细菌和海洋细菌含有较多的硫、铁、氯和钠。(2)菌龄：年轻细菌含氮量较高。(3)培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。微生物细胞的化学成分来自周围环境中的营养物质。2

3、.微生物的营养物质可以穿过细胞屏障(壁和膜)，并通过酶的作用成为细胞物质、能量和细胞内的调节剂。从营养元素的水平来看，微生物的营养物质包括六类水或水活性(Aw)碳源、氮源、无机盐生长因子和能量，它们通常可用于生物用途。如果微生物不能被普通生物利用，它们也可以被利用。如果微生物对普通生物有害，仍然可以使用。微生物是杂食性的：1。水微生物可以利用游离水的生理功能，游离水是细胞的重要组成部分。微生物代谢活动的介质参与一些生化反应来调节和控制细胞温度。水在环境中的存在状态是与水结合在一起的：它在空气或真空中干燥后不能从细胞中除去，而只能通过加热而失去，并且当与细胞材料结合时不能用作溶剂。水不挥发，在零

4、度结冰，具有流动性和渗透性，当它与溶质或其他分子结合时不能被微生物使用；游离水：可在空气或真空中干燥后从细胞中去除，并可被微生物用作溶剂参与体内生理活动。孢子和孢子的自由水和结合水的比例高于其他细胞，因此孢子具有很强的抗逆性。2.碳源，这是一种可以被微生物用来在细胞物质或代谢物中形成碳源的营养物。生理功能元素C构成细胞和代谢物的骨架。元素C是大多数微生物代谢所需的能量来源。碳源物质有机碳化物和各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物无机碳化物CO2和碳酸盐，它们只能由自养微生物使用。异养微生物：必须利用有机碳源的微生物：使用无机碳源作为主要碳源的微生物可以利用几乎所有的碳化合物。异养微生

5、物最合适的碳源是碳-氢-氧，其中糖是最普遍的。单糖比二糖和多糖好。葡萄糖和果糖优于半乳糖。淀粉优于纯多糖，如纤维素或甲壳素，纯多糖优于杂多糖，如琼脂。其次是有机酸碳源培养基原料的选择，原料层面的物质和营养成分相当复杂。天然培养基糖蜜原料复杂，富含糖类、氨基酸、有机酸、维生素、无机盐和色素。3.氮源。任何能被微生物用来在细胞物质或代谢物中形成氮源的营养物质都被称为氮源功能。1)它为在细胞中合成含氮物质如蛋白质、核酸和含氮代谢物提供了原料。2)少数细菌可以利用铵盐、硝酸盐和其他氮源作为能源。光谱氮源，4无机氮，有机氮，气体氮，微生物氮源光谱，4。无机盐，参与能量转移的生理功能；组成微生物细胞的成分

6、调节微生物细胞的渗透压、酸碱度和氧化还原电位。一些无机盐如硫和铁也可以用作自养微生物的能量。构成酶活性基团的成分，维持e活性。镁、钙、钾是大肠杆菌的各种激活剂，无机盐的作用、对常量元素的要求。10-310-4M(摩尔/升)对微量元素、锰、铜、钴、锌、钼等的要求。10-610-8m有机物质，是调节微生物正常代谢所必需的，但不能由简单的碳源和氮源合成。对维生素、氨基酸和碱基的要求：150微克/升氨基酸：2050微克/升碱基：1020微克/升核苷或核苷酸：2002000微克/升，生长因子来源：酵母抽提物、牛肉膏、肝浸液、小牛血清、麦芽汁、玉米浆、蔬菜汁、麸皮、米糠等。向培养基中添加生长因子的措施包括

7、直接添加富含生长因子的酵母提取物、玉米浆、肝提取物、麦芽汁，而不是任何一种微生物必须从外部吸收生长因子。根据微生物与生长因子之间的关系，可以分为：生长因子生长素不需要从外界吸收任何生长因子。真菌、放线菌和细菌大肠杆菌生长因子异养菌株需要从外界吸收各种生长因子。乳酸菌生长因子过度合成微生物核黄素生产菌维生素B12生产菌，6。能量源，Def可以为微生物的生命活动提供营养或辐射能谱。化学物质：有机能源、异养微生物能源、无机能源、自养微生物能源、单一功能：辐射能、双重功能：还原无机营养物，如NH4，它不仅是硝酸盐细菌的能源，也是氮源。三大功能：NCHO营养素通常是异养微生物的能量，以及碳和氮源。一种营

8、养素具有不止一种营养元素的功能。第二部分是关于微生物的营养类型。1.根据微生物生长所需的主要营养元素，即碳源和能源之间的差异，对微生物的营养类型进行分类。微生物营养类型分类标准能量氢供体碳源合成氨基酸生长因子投喂方式，有机物生死，微生物营养类型分类，能量分裂光合生物利用光能通过光化学反应产生能量，化学生物利用化合物通过氧化还原反应产生能量，碳源分离自养生物以CO2或CO32-为主要或唯一碳源，正常生活无任何有机营养的异养异养生物以有机物为主要碳源。至少需要提供大量的有机物来满足微生物的正常营养需求。被生长因子分开的原营养物，可以在只有无机氮源或除碳源以外的其他矿物质的环境中生长。营养缺陷型缺乏

9、营养，失去合成某些营养的能力。如果不从外部补充这些营养物质，培养基就不能正常生长以获得寄生腐生菌，两种死的和活的有机物。2.微生物的营养类型，光能和无机营养的光营养，能源：光主要碳源：CO2供氢体：H2S，Na2S2O3，例如：绿色硫细菌，紫色硫细菌。以H2S为电子供体，产生细胞物质，伴随着Co2h2sch22sh2o细菌叶绿素，光能有机营养型光有机养，能量：光；主要碳源：有机物，但二氧化碳可以还原成细胞物质。氢供体：有机物。例如，钉螺细菌利用异丙醇作为氢供体，将CO2还原为细胞物质，同时积累丙酮。2ch 3chohch 3co 22ch 3coch 3co H2O光合色素、光合生物、化学能无

10、机营养化能、能量：无机物、NH3、NO2、H2、H2S、s等主要碳源：co2电子供体：无机物，如氧化亚铁硫杆菌Fe e 11.3 kcal，氧化亚铁硫杆菌可将FeO氧化成铁，铁的氧化率达到95，100。当黄铁矿被氧化亚铁硫杆菌氧化时，会产生硫酸和硫酸铁。硫酸铁是一种强氧化剂和溶剂，能够溶解矿物质，例如溶解铜矿石以分离出铜元素。用这种微生物进行采矿冶金称为细菌冶金，这是开采贫矿和尾矿的有效方法。细菌浸出铁的速度比完全氧化快5660倍。这些细菌包括硫细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌等。硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。化学能有机营养化学有机营养，能量：有机物主要碳源：有机物例子：大多数种类的微生物，其

11、中大多数是工业菌株。根据不同的生境和营养摄入，异养微生物可分为腐生型和寄生型。腐生型：利用无生命的有机物获取营养。寄生型：从活的寄生虫如病毒中获取营养。中间型(兼性腐生或兼性寄生)如结核分枝杆菌和痢疾志贺氏菌是兼性寄生虫。上述四种营养类型并不是绝对的。红酵母可以利用光能和(暗)氢单胞菌，这是一种异养和自养的过渡类型(称为兼性自养)。自养和异养的区别在于是否可以使用CO2，但CO2碳酸盐是否是唯一的碳源。自养型使用无机碳化物作为碳源，而异养型也可以利用CO2，但它必须存在有机碳。微生物的营养类型和不同营养类型之间的界限不是绝对的，异养微生物也不是绝对不能利用CO2；自养微生物不能利用有机物生长；

12、当一些微生物在不同的生长条件下生长时，它们的营养类型也会发生变化；例如，紫色硫酸盐细菌：当没有有机物时，它吸收CO2，是一种自养微生物；在有机物存在的情况下，有机物被用来生长，这是一种异养微生物；在光照和厌氧条件下，利用光能生长，是一种光能营养微生物；在黑暗和有氧条件下，它通过有机物氧化产生的化学能生长，是一种生化营养微生物。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性。第三节：营养物质进入细胞的方式，微生物通过细胞膜的渗透和选择性吸收从外部吸收营养物质。被动吸收、简单扩散、促进扩散主动吸收、主动运输和群体置换原生动物膜泡运输，各种细胞微生物通过细胞膜的渗透和选择性吸收从外界吸

13、收营养物质(原生动物除外)。微生物没有吸收营养物质的特殊结构，但依靠营养物质的扩散和渗透(由质膜的物理化学性质决定)或细菌的吸收(由质膜的生物特性决定)进入细胞，以及影响营养物质进入和退出细胞的因素。相对分子质量、溶解度、电负性、极性和营养电荷：微生物环境：细胞膜表面环境的酸碱度和离子强度温度、渗透压和氧分压环境物质：诱导物质、抑制物质和结构类似物、微生物细胞结构或通透性屏障的类型、细菌年龄、生理状态、微生物细胞膜结构，1。简单扩散，疏水性双层细胞膜(包括孔蛋白)的被动转运。物质运输模式，其中许多小分子，非电离分子，特别是亲水分子被动通过，没有载体蛋白参与，简单扩散，其中营养物质仅通过物理扩散

14、运输，没有载体蛋白参与。特点：输送功率：浓度梯度，无能耗，无化学变化，无特异性。仅根据膜上的孔的大小和形状，它对扩散物质分子的大小和形状具有选择性。传输方向：沿浓度梯度传输物质：水、气体、脂溶性物质，小极性分子的传输机制：通过亲水性孔隙或脂质双层。J=Ddc/dxJ:扩散速度D:扩散系数dc/dx:物质浓度梯度的影响因素：分子大小、溶解度、极性、环境温度等。自由扩散，2。易化扩散易化扩散是一种借助特定载体蛋白不消耗能量的扩散运输方式。特征：转运能力：浓度梯度转运方向：沿浓度梯度载体蛋白：需要，特定转运物质：极性分子，真核生物糖吸收。运输机制：被运输的物质和相应的载体之间有亲和力。需要特定的载体

15、蛋白。它可以在不消耗能量的情况下加速运输，但是它不能在不集中的情况下运输。它常见于真核微生物，如厌氧酵母。物质运输促进扩散示意图，3。主动运输，它消耗能量并浓缩细胞中的溶质，没有任何化学变化的运输机制。特点：运输能力：代谢能量运输方向：反向浓度梯度载体蛋白：需要，具有特定的运输物质：氨基酸，一些糖，钠，钾等。转运机制：代谢能改变底物和载体之间的结合力。主动传送，主动传送1。电子转移可用于将质子泵出膜2。质子梯度通过反转运机制3将钠离子逐出膜外。钠离子与载体蛋白复合物4结合。溶质结合位点的形状发生变化，并与溶质(如糖和氨基酸)结合。载体蛋白的构象发生变化，钠离子在膜中释放，然后溶质从载体蛋白中解

16、离。主动转运的机制是质子、钠、钾-三磷酸腺苷酶系统，钠、钾-三磷酸腺苷酶系统是位于细胞膜上的离子通道蛋白。其功能是通过改变蛋白质的构象将钠转运出细胞，将钾转运回细胞，从而实现钠和钾的置换。细胞中高浓度的钾对许多酶的活性和蛋白质合成是必要的。，NaK泵，4，基团易位，由def转运的基质分子在膜中经历共价变化，并以修饰形式进入细胞质。转运机制特征：转运能力：代谢能，高能磷酸键在PEP上的转运方向：反向浓度梯度载体蛋白：转运前后磷酸转移酶系统转运物质的存在状态：细胞膜磷酸化，转运机制：例如：磷酸转移酶系统(PTS)酶：非特异性，细胞质中存在的酶：特异性(诱导型)，膜因子：特异性，细胞质中存在的HPr(组氨酸蛋白/热稳定蛋白):