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1、第五章微生物的营养,营养物质：微生物为了生存就必须从环境中吸取各种物质以合成细胞物质、提供能量以及在新陈代谢中起调节作用。这些物质就称为营养物质。营养的概念：有机体吸取和利用营养物质的过程。,第一节微生物的营养第二节微生物的营养类型第三节物质进出微生物细胞的方式第四节微生物的培养基,第一节 微生物的营养物质及其功能,一、营养物质及其生理功能,碳源（Carbon source）氮源（Nitrogen source)能源（Energy source)生长因子（Growth factor)无机盐(Inorganic salt)水(Water),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
2、的能量 形成微生物代谢产物的来源,按照它们在机体中的生理作用不同，可以分成六大类。,（一）、碳源,定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。,功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：葡萄糖等,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。,（二）能 源,定义:提供微生物生命活动所需能量的物质,功能：1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；2）氮源一般不做能源，只有
3、硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。同时也做能源。,（三）氮源,定义：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的物质,微生物的氮源谱,（四）无机盐,大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）,定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素的物质，多以无机盐的形式供给。,无机盐功能,构成微生物细胞的组成成分 调解微生物细胞的渗透压，PH值和氧化还原电 位 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 构成酶活性基的组成成分，维持E活性。Mg、
4、Ca、K是多种E的激活剂,（五）生长因子,定义:是一类对微生物正常生活所不可缺少微量有机营养物质。,作用：辅酶或酶活化所需种类：微生物、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱。,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
5、0.025ug,（六）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；,水在细胞中有两种存在形式：结合水和自由水.不同细胞及不同细胞结构中自由水的含量有较大差别：,游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,第二节微生物的营养类型,营养类型：是指根据微生物生长所需的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型，这种划分是相对的。,依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能 化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能
6、,依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源 自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源,光能自养型光能异养型化能自养型化能异样型,营养类型 能源 氢供体 基本碳源,光 无机物 二氧化碳光 有机物 二氧化碳及简单有机物无机物 无机物 二氧化碳有机物 有机物 有机物,主要碳源：CO2，能源：光以无机物H2S、Na2S2O3作为供氢体将CO2还原成细胞物质.主要是一些含光合色素的细菌 光能 CO22H2S CH2O+2S+H2O 紫硫细菌 光合色素,1光能自养型,光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素）
7、，由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。,2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+CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3+CH2O+H2O,以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。,3、化能自养型,这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们
8、在自然界物质转换过程中起着重要的作用。,1.硝化细菌: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、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,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,3.铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO22Fe2+1/2O2+2
9、H+2Fe3+H2O+21.2 Kcal,有机碳化合物为基本碳源，有机物氧化过程中释放的化学能为能源，有机物为供氢体,基本碳源、能源物质、能量代谢中的供氢体均为有机物。生长所需要的碳源如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，主要是一些有机含碳化合物。有机物通常既是它们生长的碳原物质又是能源物质和供氢体。,4、化能异养型,微生物的营养类型,第三节物质进出微生物细胞的方式,营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。,自由扩散促进扩散主动运输基团转位,一、自由扩散(simple diffusion),特点：1扩散是非特异性的：由高
10、浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散2物质运输的速率较慢：速率与胞内外营养物质的浓度差有关 3不需要载体和代谢能 4可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。,K为扩散系数，A为膜面积，D为膜厚度。,自由扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,三营养物通过与细胞膜上载体蛋白的可逆性结合来加快其传递速度的方式,二促进扩散(facilitated diffusion/transport),特点：不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性,输送机制：被输送的
11、物质与相应的载体之间存在一种亲和力,三 主动运输(Active transport),在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程,需要消耗代谢能 可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的立体专一性 被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的 结合力。,四、基团转位(Group translocation),定义：被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变（糖在运输的过程中发生了磷酸化）以被修饰的形式进入细胞质的输送
12、机制特点：输送动力：代谢能量,PEP上的高能磷酸键 输送方向：逆浓度梯度 载体蛋白：磷酸转移酶系统 被输送物质在输送前后发生变化：在细胞膜内被磷酸化,在酶的作用下HPr被激活,在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖,酶2是结合于细胞膜上的蛋白,运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,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 细胞内磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1 PEP+HPr 丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，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 膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转
13、运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2 P-HPr+糖 糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用。,Group Translocation,运送方式,不通过膜上载体蛋白,通过膜上载体蛋白,单纯扩散,不耗能：易化扩散耗能,运送前后溶质分子不变：主动运送运送前后溶质分子改变：基团移位,总 结,四种运输营养物质方式的比较,第四节培养基,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。,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,一、培养基的配制原则,（一）培养基组分应适合微生物的营养特点（有的放矢）（二
14、）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,培养的种类培养的目的培养的规模,1.有的放矢,2、营养协调,浓度过高微生物的生长起抑制作用，浓度过小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，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,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=,3 条件适宜,各类微生物的最适生长pH值各不相同：细 菌：7.08.0放线菌：7.58.5酵母菌：3.86.0霉 菌：4.05.8 在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代
15、谢产物的形成与积累，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：外源调节：加酸HCL或碱液NaoH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。,（1）pH:,（2）渗透压和aw,等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂,4.经济节约,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,5无菌状态,称量(高温灭菌时易分解或变色的成分需另行配制)溶解:自来水或蒸溜水(防止无机物之间的沉淀)pH调节:盐酸或氢氧化钠(1N以下)灭菌(高压灭菌),培养基的配制,配制方法因培养基种类不同而
16、变化,高压蒸气灭菌 一般培养基:1.05 Kg/cm2,121.3,15-30 min 含糖培养基:0.56 Kg/cm2,112.6,15-30 min,培养基的灭菌,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；,二、培养基的类型及其应用,细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基酵母菌培养基,（一）根据所培养微生物的微生物类群来分,-1,细菌培养基营养肉汤（nutrient broth)：牛肉膏 3g；水 1000ml；蛋白胨 5g；pH 7.27.4放线菌培养基高氏1号：可溶性淀粉 20g；KNO3 1g;K2HPO4 1g MgSO4 0.5g NaCl 1g;FeSO47H2O 0.5g 水
17、 1000ml;pH 7.27.4霉菌培养基查氏（zapek)培养基：蔗糖 30g;KCl 0.5g;MgSO4.H2O 0.5g;FeSO4 0.5g 水 1000ml;K2HPO4 1g;NaNO3 3g;pH 6.7酵母菌培养基麦芽汁培养基,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
18、5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,（二）、培养基成分,按成分不同划分,天然培养基,合成培养基,含用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,半组合培养基,Complex medium 天然培养基for the growth of bacteria,Table 4b.Defined medium合成培养基 for the growth of Thiobacillus thiooxidans,a lithoautotrophic bacterium
19、.(硫杆菌),半组合培养基(semi-defined medium)：在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要.如马铃薯蔗糖培养基,（三）按物理状态不同划分,固体培养基,液体培养基,在液体培养基中加入一定量凝固剂，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,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,琼脂和明胶的区别,（四）按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,含有一
20、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,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,牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,加富培养基,Selective enrichment medium(加富培养基)forgrowth of extreme halophiles(极端喜盐生物),鉴别性培养基(differential medium)：用于鉴别不同类型微生物的培养基，在普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同
21、的微生物，例：伊红美兰乳糖培养基（Eosin Methylene Blue）,一些鉴别培养基,伊红美兰乳糖培养基(Eosin Methylene blue),G+菌受抑制,G-菌,能发酵乳糖产酸(菌落有色),不发酵乳糖不产酸，菌落无色透明,产酸力强，菌落呈紫绿色金属光泽,产酸力弱，菌落棕色,肠杆菌属克雷伯氏菌属哈夫尼菌属沙雷伯氏菌属,变形菌属沙门氏菌属志贺氏菌属,大肠 杆菌,试样,EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用：,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14.Left:Escherichia coli cells.Right:E.coli colonies on EMB Agar.,
