微生物学课件第六章微生物的营养

1、第六章 微生物的营养与代谢,微生物营养物质和营养类型,微生物营养物质的吸收机制,培养基,微生物代谢,微生物营养物质和营养类型,微生物营养 微生物吸收必要的物质以获得能量并合成细胞物质的过程。 微生物吸取生长所需的各种物质并进行代谢生长的过程。 微生物代谢 微生物体内化学反应的总和。,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,水,微生物营养物质,碳素化合物,氮素化合物,矿质元素,生长因子,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)： 微生物细胞含碳量：细胞干重的50%。,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：

2、微生物细胞中碳的功能：,（2）大多数微生物的能源物质,（1）构成微生物体有机分子的骨架,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：,微生物可以利用的碳源种类,微生物的碳源谱,微生物工业发酵中用做碳源的原料,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） 麸皮 各种米糠等 代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,1、碳素化合物(碳源)：,甲烷氧化菌：甲烷、甲醇,根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？,不同的微生物利用碳素的情况,洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物,纤维素分解菌（部

3、分）：只利用纤维素,可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有: 碳水化合物及其衍生物：19种 脂肪酸：11种 二羧酸：9种 其它有机酸：12种 伯醇：3种 氨基酸：12种 其它氮化合物：13种 无氮环状化合物：9种,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,2、氮素化合物（氮源）,微生物可利用的氮素化合物：,氮素化合物的功能：,构成细胞物质，少数微生物的能源物质。,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,3、矿质元素(无机盐) 为机体提供了必要的金属元素等,P、S、Fe、Mg、K、Ca (大量元素) Mn、Cu、Zn、Mo （微量元素）,微生物营养物质和营养类型,一、微

4、生物营养物质及其功能,3、矿质元素(无机盐),主要功能：,细胞组分； 酶的活性中心； 渗透压、电位等,无机盐的生理功能：,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶,生长因子分类：氨基酸 核 苷 维生素,酶,简单蛋白,结合蛋白=蛋白 + 辅助因子,辅酶(与酶结合松驰) 辅基(与酶结合牢固),生长因子是指微生物生长必需的但本身不能合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。,4、生长因子,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子 有关生长因子的注意点：,（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同,克氏杆菌 生物素

5、、对氨基苯甲酸 肠膜明串珠菌 十七种氨基酸,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子,（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化,鲁毛霉： 厌氧：需维生素B与生物素 好氧：无需生长因子,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,4、生长因子,（3）生长因子未知微生物的培养,酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液,加入天然成分,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,水分在微生物生长代谢中的功能：,a. 机体内生理生化反应的基础,b. 溶剂与运输介质,c. 细胞内温度的缓冲剂作用,微生物水分含量：营养细胞90%，孢子40%。

6、,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,水的活度（Aw） ： 一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件(T、P)下纯水蒸汽压力之比。,定义公式是： aw=Pw/P0w Pw:溶液中水的蒸汽压；P 0 w:纯水的蒸汽压,微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,5、水分,微生物最适水的活度值,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,根据生长所需要的营养物质的性质（碳源），可将生物分成两种基本的营养类型 异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质 自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 动物属于异养型生物，植物属于自养型

7、，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型 化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长 光能营养型生物：依靠光能进行生长 动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物 按供氢体分,无机营养型生物； 有机营养型生物：,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型） 能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。,念珠蓝细菌,基本特点：,B、供氢体：还原性无机物，还原CO2,A、光合色素（

8、叶绿素、细菌叶绿素）,实例：,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,1、光能自养型（光能无机营养型）,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型） 利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,紫色非硫细菌,基本特点：,b.供氢体：有机物，还原CO2或有机物形成细胞物质,a.光合色素，光合作用,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,2、光能异养型(光能有机营养型）,光能异养型微生物在C源利用上的特殊性： 以有机质作为主要C源， 能利用CO2，但它不是唯一碳源。,典型实例：,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,

9、3、化能自养型(化能无机营养型） 利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。,产甲烷细菌,典型实例： 硫化细菌、硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)、产甲烷菌、铁细菌 H2S、 NO2、 H2、 Fe2+,基本特点： a. 能源：无机物氧化 b. 供氢体：无机物，还原CO2,1）. 硝化细菌:通过氧化无机物取得能量，并以CO2为唯一或主要碳源 亚硝化细菌 2NH4+ +3O22NO2- +2H2O + 4H+132Kcal 硝化细菌 NO2- +1/2O2 NO3- +18.1 Kcal,2）. 硫化细菌: 通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S

10、、 S2O32- 、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属） H2S + 1/2 O2 S +H2O + 50.1 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal,3）. 铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2 2Fe2+1/2O2+2H+ 2Fe3+H2O+21.2 Kcal 4）. 氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2 H2+ 1/2 O2 H2O + 56.7 Kcal,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型） 以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生

11、物。,苏云金杆菌,基本特点： a. 能源：有机物氧化 b. 碳源：有机物,微生物营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,4、化能异养型（化能有机营养型）,化能异养型微生物的分类：（生活场所、获取养料方式）,兼性寄主菌：既营寄生又营腐生生活的。(结核杆菌),寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。,腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质。,2、微生物营养划分的相对性 同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化。,微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营养型 氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量， 自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养

12、生活 红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 化能异养,微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素：细胞膜 细胞膜选择性透膜 细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素：微生物细胞生活的环境 pH值、温度,3、第三因素：被吸收物质的特性。 分子量、溶解度,(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,是否消耗能量 是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化 。,单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位,根据微生物对物质的吸收过程：,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营

13、养物质的吸收方式,1、单纯扩散（称被动扩散） 被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、单纯扩散（称被动扩散） 单纯扩散的特点：,c. 运输动力,a. 非特异性的,b. 吸收过程不发生化学变化,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、单纯扩散（称被动扩散） 营养物质单纯扩散能力的影响因素：,a. 吸收营养物质的分子大小,b. 溶解性(脂溶性或水溶性

14、),c. 极性大小,d. 膜外pH,e. 温度。,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）,T,S T,S T,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,2、促进扩散 与单纯扩散的相同点：,c.无需代谢能。,a.被动的扩散。,b.无化学变化。,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,2、促进扩散 促进扩散独有的特点：,载体使营养物质

15、的扩散加快，它会影响该营养物质在膜内外建立浓度的动态平衡状态吗？,a. 载体的专一性,b. 运输速率提高,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 以代谢能为动力，在载体参与下，将物质从胞外向胞内转运。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S T,S T,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 主动运输同促进扩散的共同点：,a. 载体,b. 载体构型的变化。,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 主动运输与促进扩散的不同点：,a. 动力,

16、b. 载体构型变化原理,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,4、基团转位： 被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,4、基团转位： 被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,膜泡运输(memberane vesicle transport),胞吞作用(phagocytosis) 胞饮作用(

17、pinocytosis)。,微生物营养物质的吸收机制,第二节 微生物营养物质的吸收机制,三、几种主要营养物质的吸收,1、糖： 促进扩散、基团转位、主动运输。,2、肽与氨基酸： 主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）,3、离子： 主动运输,培养基,培养基: 是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。,培养基的作用： 为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。,配制培养基的原则 选择适宜的营养物质 营养物质浓度及配比合适 控制pH条件 控制氧化还原电位(redoxpotential) 原料选择 灭菌处理（消泡）,一、配制培养基的基本原则

18、,培养基,培养基,一、配制培养基的基本原则,1、适合不同微生物的营养特点。 (1)从营养型的角度看,(2)从类群的角度看,自养微生物 合成能力强 简单的无机物 异养微生物 合成能力弱 至少提供一种有机物,培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。 (1) 浓度适中原则 大量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L,培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。 (2) 营养比例原则 a. C/N,b. 其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。 短

19、棒杆菌的谷氨酸发酵培养基C/N=4:1，菌体繁殖； C/N=3:1，谷氨酸形成,不同的微生物，所需营养物C/N不同。 细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1（？）,培养基,一、配制培养基的基本原则,3、控制培养条件,pH O2 CO2 渗透压,微生物生长繁殖,培养条件,影响,影响,微生物培养体系,(1) 培养基的pH值的控制。,培养基,一、配制培养基的基本原则,a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。 霉菌、酵母菌适于酸性， (pH4.5-6.0左右) 细菌、放线菌喜中性或偏碱性 (pH7.0-7.5左右),(1) 培养基的pH值的控制。,培养基,一、配制培养基的基本原则,b

20、.使用pH值缓冲剂,由微生物与氧气的关系形成了三类微生物： 专性好氧性微生物 专性厌氧性微生物 兼性厌氧的微生物,培养基,一、配制培养基的基本原则,实践对策： 专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。 专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂 （胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S和抗坏血酸）,(2) O2浓度的调节,（3）CO2的调节 对自养微生物来说，空气中只占容积的0.03%的CO2量意味着什么？,培养基,一、配制培养基的基本原则,增加CO2供应的途径： 紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入NaHCO3,按培养基成分分 按培养基的用途分 按物理性状分,培养基

21、,二、培养基的类型,培养基类型,合成培养基 天然培养基,基本培养基 富集培养基 鉴别培养基,固体培养基 液体培养基 半固体培养基,1、按照培养基成分分： a. 合成培养基 化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。,培养基,二、培养基的类型,1、按照培养基成分分：,培养基,二、培养基的类型,b. 天然培养基 以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）,2、按照培养用途：,培养基,二、培养基的类型,b. 富集培养基(增殖培养基） 为分离某种微生物配制出的适合它生长而不利于其他微生物生长的培养基。,c. 鉴别培养基 根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物

22、的培养基。（伊红-甲基蓝培养基鉴别大肠杆菌(菌落小,绿色光泽)和产气肠杆菌(菌落大,灰棕色)）,a. 基本培养基 将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。,3、按照培养基的物理性状,培养基,二、培养基的类型,b. 液体培养基 未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。,c. 半固体培养基 在液体培养基中加入少量琼脂（0.2-0.5%） 。,a. 固体培养基 在液体培养基中加入凝固剂使呈固体状态，称为固体培养基。(琼脂1.5-2%),营养缺陷型与原养型的概念,某些菌株发生突变后，失去合成某种必需营养物质的能力，必须从外界摄取才能进行生长繁殖，这种突变株称为营养缺陷型（auxotroph） 相应的

23、野生菌株称为原养型（protrophy）,培养基,微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。 微生物合成代谢：小分子合成复杂大分子的过程； 微生物分解代谢：细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程。,微生物的代谢,微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,（一）微生物产能代谢的本质,生物氧化 生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。,生物氧化基本过程,微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,（二）高能键化合物,高能键化合物的共性： 高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型,光能,光能营养型微生物 化能营养型微生物,化学能,耗能代谢,合成代谢 和 分解代谢,ATP,ADP,ATP的合成： 底物水平磷酸化：酶的作用将高能磷酸根转给ADP形成ATP； 氧化磷酸化： 呼吸链 光合磷酸化： 蓝细菌非环式 光合细菌环式 嗜盐细菌色素蛋白,微生物的代谢,一、微生物的产能代谢,（二）高能键化合物,