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1、第四章 微生物的营养（Microbial Nutrition）,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: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:微生物获得和利用营养物质的过程。,第一节微生物的营养要求（Nutrient requirements Of microorganisms）,一、微生物的化学组成1.化学元素,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%,2.化学成分及其分析,有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素、降解产物、代谢产物测定：化学法直接
2、抽提，定性定量分析 裂解细胞，,无机物：无机盐测定：干细胞燃烧，,水：70%90%,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,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,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,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。,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。,微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。,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。,
3、2.氮源,氮源,有机氮,无机氮,NH3铵盐硝酸盐N2,蛋白质核酸氨基酸尿素,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,氨基酸自异养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的不同生物可分为：,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,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,4.生长因子,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
4、有机化合物,微 生 物 生长因子 需要量（ml-1III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6ug金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,5.无机盐,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。,微量元素是指那些在微
5、生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，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,起到溶剂与运输介质的作用；,参与细胞内一系列化学反应；,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构,热的良好导体；,第二节 微生物的营养类型(Nutritional types of microorganisms),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
6、源,光能营养型,化能营养型,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，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、H2O等作为电子供体，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，进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以
7、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,2光能有机异养型（光能异养型）,以有机物为碳源；,以有机物作为电子供体，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电子供体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH+CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3+CH2O+H2O,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+、
8、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
9、,其营养类型也会发生改变；,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：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,第三节培养基(culture medium),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、
10、氮源、能源、生长因子、无机盐、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/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟,一、配制培养基的原则（The rule of preparation for CM）1.选择适宜的营养物质（suitable nutrient）,根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。,培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSO4.7H2O 0.5g（NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培养化能异养
11、的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号）淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10巴林，煮沸后
12、，纱布过滤，调pH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.营养物质浓度及配比合适（suitable concentration and ratio）,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培
13、养基中还原糖与粗蛋白之比。,例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,3.控制 pH条件,培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。,通常培养条件：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长,为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。,4.控制氧化还原电位（redox potential）,氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量某氧化还原系
14、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（伏）或mV（毫伏）。,不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同,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。,5.原料来源的选择（The source of raw material）,以粗代精,以野代家,以废代好,以国代进,以简代繁,以氮代朊,以烃代粮,以纤代糖,6.灭菌处理（sterilization）,1、一般培养基：1.05kg/cm2，121.3条件下维持 1530min。2、含糖培养
15、基：0.56kg/cm2，112.6、1530min 进行灭菌。,原则：高温短时,二、培养基的类型及应用（The types and application of CM）,培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。,按成分不同划分,天然培养基complex medium,合成培养基synthetic medium,含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基,化学成分完全了解的物质配制而成的培养基,高氏1号培养基、查氏培养基,按物理状态不同划分,固体培养基 solid medium,液体培养基liquid medium,在液体培养基中
16、加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%,琼脂含量一般为0.2%-0.7%,不加任何凝固剂,半固体培养基semisolid medium,固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏,观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定,大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究,按用途不同划分,基础培养基minimum medium,鉴别培养基differential medium,含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基,用于鉴别不同类型微生物的培养基,选择培养基sel
17、ective medium,在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基,微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化,牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,加富培养基enrichment medium,特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等,在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长,第四节 营养物质进入细胞的方式(Uptake of nutrients by the cell),营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、
18、电负性等）,微生物所处的环境（温度、pH等）,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（Passive transport）,促进扩散（Facilitated diffusion）,主动运输（Active transport）,基团转位(group translocation),膜泡运输（memberane vesicle transport）,一、自由扩散（Passive transport）,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,物质在扩散过程中没有发生任何反
19、应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,Simple Diffusion,Step 1,Simple Diffusion,Step 2,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。,二、促进扩散（Facilitated diffusion）,特点,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,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
20、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（Facilitated diffusion）,三、主动运输（Active transport）,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。,1.初级主动运输(primary active transport)2.次级主动运输(secondary active transport)3.ATP结合性盒式转运蛋白系统(ATP-binding cassette transporter system)4.Na+,K+-ATP酶(Na+,K+
21、-ATPase)系统,类型（types）,Active Transport,Step 1,Active Transport,Step 2,Active Transport,Step 3,Active Transport,Step 4 hydrolyzing,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）。,5.基团转位(group translocation),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
22、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,基团转位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。,铁的摄取（Iron Uptake）几乎所有微生物都需要铁作为細胞色素和许多酶的组成成分铁(Fe3+)及其衍生物非常难溶于水，以致于微生物对铁的吸收十分困难许多细菌和真菌通过分泌铁载体(siderophore)的方式克服与Fe3+形成复合物並运输进入胞內的小分子物质高铁色素肠杆菌素铁肠杆菌素复合物,.铁载体运输(siderophore transport),四、膜泡运输（memberane
23、 vesicle transport）,通过胞吞作用(或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。,膜泡运输：主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式。,胞吞作用（phagocytosis)：如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为。胞饮作用(pinocytosis)：如果膜泡中包含的是液体，则称之为。,种类,过程,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 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,思考题：,1.什么是营养？什么是营养物质？营养物质包括哪些，各有何功能？2.举例说明根据碳源、能源及电子供体的不同可将微生物划分为几种类型？3.培养基按化学成分、物理状态、用途可划分为几种类型？4.营养物质进入细胞的方式有几种？各有何特点？,
