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1、微生物营养第一页，讲稿共四十六页哦第二章、微生物营养第二章、微生物营养2.1 微生物的营养和培养基微生物的营养和培养基一、微生物的六大营养要素微生物的六大营养要素及其生理功能 微生物生长所需要的营养物质主要是以有机物有机物和无机物机物形式提供，小部分由气体物质气体物质供给。微生物营养物质按生理作用可区分为：碳源碳源、氮源氮源、无机盐无机盐、生长因子生长因子和水水五大类。1、碳源（cabon source）从简单的无机含碳化合物,如CO2和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。2第二页，讲稿共四十六页哦表表2.1微生物利用的
2、碳源物质微生物利用的碳源物质。种类种类碳源物质碳源物质备注备注糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。3第三页，讲稿共四十六页哦种类种类碳源物质碳源物质备注备注醇乙醇条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利
3、用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。4第四页，讲稿共四十六页哦种类种类碳源物质碳源物质备注备注CO2CO2为自养微生物所利用。碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等为自养微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物、蛋白质、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。5第五页，讲稿共四十六页哦碳源生理碳源生理作用 主要有：1）碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；2）同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量，但有些以CO2为唯一或主要碳
4、源的微生物生长所需的能源则不是来自CO2。6第六页，讲稿共四十六页哦2、氮源（nitrogen source）能被微生物所利用的氮源物质有:蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物。氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。微生物对氮源的利用具有选择性。1)速效氮源饼粉速效氮源饼粉:NH4相对于NO3-,玉米浆-豆饼粉。2）生理酸性盐：生理酸性盐：铵盐为氮源，会使培养基pH值下降。3）生理碱性盐：生理碱性盐：硝酸盐为氮源，培养基pH值会升高。7第七页，讲稿共四十六页哦表表
5、2.2 微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质8种类种类氮源物质氮源物质备注备注蛋 白 质类蛋白质及其降解产物(胨、肽、氨基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，多数细菌只能利用相对分子量较小的降解产物。氨 及 铵盐NH3、(NH4)2SO4等容易被微生物吸收利用硝酸盐KNO3等容易被微生物吸收利用8第八页，讲稿共四十六页哦表表2.2 微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质9 9种类种类氮源物质氮源物质备注备注分子氮N2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力。其他嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物大肠杆菌不能以
6、嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成嘧啶分解酶，然后再分解并利用嘧啶，不同程度地被微生物作为氮源加以利用。9第九页，讲稿共四十六页哦3、能源1）异养微生物能源-碳源，能源谱就十分简单。2）化能自养微生物能源独特，都是一些还原态无机物质，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。能利用这类微生物都是一些原核生物，如亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。3）光能营养型能够利用辐射能（光能）进行光合作用获得能源的微生物。4）某一具体营养物质兼有几种营养要素功能。光辐射能-单功能营养物（能源）；还原态NH4+-双功能营养物（能源和氮源）；
7、氨基酸-三功能营养物（碳源、能源和氮源）。10第十页，讲稿共四十六页哦4、无机盐 无机盐(inorganic salt)：1）在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分；2）维持生物大分子和细胞结构的稳定性;3）调节并维持细胞的渗透压平衡；4）控制细胞的氧化还原电位；5）作为某些微生物生长的能源物质等(表2.3)。11第十一页，讲稿共四十六页哦12表表2.3 微生物利用的无机物质微生物利用的无机物质1212元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2SO4，M
8、gSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分12第十二页，讲稿共四十六页哦元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能钙C a C l 2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成
9、叶绿素、白喉毒素所需。13第十三页，讲稿共四十六页哦表表2-4 微量元素的作用微量元素的作用14元素元素生理功能生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需第十四页，讲稿共四十六页哦5、生长因子 生长因子(growth factor)通常指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或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。根据生长
10、因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类(见表2.5)。15第十五页，讲稿共四十六页哦表表2.5 维生素及其在代谢中的作用维生素及其在代谢中的作用化合物代谢中的作用对氨基苯甲酸 四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体16第十六页，讲稿共四十六页哦硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，是许多脱氢酶的辅酶吡 哆 素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核 黄 素(B2)黄素单磷酸(FMN)和FAD的前体，是黄素蛋白辅
11、基钻 胺 素(B12)辅酶B12包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶)硫 胺 素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)17第十七页，讲稿共四十六页哦6、水水在细胞中的生理功能主要有：1）起到溶剂与运输介质的作用；2）参与细胞内一系列化学反应；3）维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；4）有效地控制细胞内温度的变化；5）保持充足水分是细胞维持自身正常形态重要因素；6）微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。18第十八页，讲稿共四十六页哦 微生物生长的环境中水的有效性常以水
12、活度值(wateractivity，Aw)表示，AwPwP0wPw代表溶液蒸气压力，P0w代表纯水蒸气压力。纯水Aw为1.00，溶液中溶质越多，Aw越小。微生物:Aw为0.60-0.99条件下生长；Aw过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量减少。19第十九页，讲稿共四十六页哦表表2.6 几类微生物生长最适几类微生物生长最适w20微生物微生物Aw一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.6020第二十页，讲稿共四十六页哦二、培养基（二、培养基（culture medium）培养基中应含满足微生物生长发育：培养基中应含满足微生物生长发育：
13、1）水分、碳源、氮源、生长因子 2）基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。3）培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)4）一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。21第二十一页，讲稿共四十六页哦配制培养基原则配制培养基原则微生物微生物培养基培养基1细菌牛肉膏蛋白胨培养基(或简称普通肉汤培养基)2放线菌高氏I号合成培养基培养培养3酵母菌麦芽汁培养基4霉菌查氏合成培养基。1、选择适宜的营养物质、选择适宜的营养物质22第二十二页，讲稿共四十六页哦2、营养物质浓度及配比合适、营养物质浓度及配比合适 表表2.9 几种类型培养基组成几种类型培养基组成成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠
14、大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用牛 肉膏5C源、N源、无机盐、生长因子蛋 白胨10C源、N源、生长因子酵 母浸膏5N源、C源(能源)、生长因子葡 萄糖5碳源(能源)23第二十三页，讲稿共四十六页哦 表表2.9 几种类型培养基组成几种类型培养基组成（续表）（续表）24成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用蔗糖30碳源(能源)可溶性淀粉20碳源(能源)CO2来自空气碳源(NH4)2SO40.4氮源、无机盐24第二十四页，讲稿共四十六页哦25 表表2.9 几种类型培养基组成几种类型培养基
15、组成（续表）（续表）25成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用NH4H2PO4l氮源、无机盐KNO31氮源、无机盐NaNO33氮源、无机盐MgSO47H2O0.50.20.50.5无机盐25第二十五页，讲稿共四十六页哦2626 表表2.9 几种类型培养基组成几种类型培养基组成（续表）（续表）成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用FeSO40.010.010.01无机盐KH2PO44无机盐K2HPO410.51无机盐NaCl550.5无机盐26第二十六页
16、，讲稿共四十六页哦成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用KCl0.5无机盐CaCl20.25无机盐S10无机盐H2O10001 0 0010001000 1000溶剂 表表2.9 几种类型培养基组成几种类型培养基组成（续表）（续表）27第二十七页，讲稿共四十六页哦3、控制、控制pH条件条件28细菌、放线菌细菌、放线菌酵母菌、霉菌酵母菌、霉菌PH值77.54.561）培养基中存在一些天然的缓冲系统，如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质，也可起到缓冲剂的作用。2）为维持培养基pH相对恒定，在培养基中加入pH缓冲剂：一氢和二氢磷
17、酸盐(如KH2PO4 和K2HPO4)组成的混合物。K2HPO4溶液呈碱性，KH2PO4溶液呈酸性，两种物质的等量混合溶液的pH为6.8。28第二十八页，讲稿共四十六页哦4、控制氧化还原电位、控制氧化还原电位(redoxpotential)5、原料来源的选择、原料来源的选择1）尽量利用廉价且易于获得廉价且易于获得的原料作为培养基成分。2）在微生物单细胞蛋白单细胞蛋白的工业生产过程中，利用糖蜜、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。2929好氧微生物好氧微生物兼性微生物兼性微生物厌氧微生物厌氧微生物值+0.1V，
18、+0.3-+0.4V好氧呼吸+0.1V发酵+0.1V+0.1V29第二十九页，讲稿共四十六页哦5、原料来源的选择、原料来源的选择 3）大量农副产品或制品，如鼓皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用发酵工业原料。6、灭菌处理、灭菌处理30成分成分氧化硫氧化硫硫杆菌硫杆菌大肠大肠杆菌杆菌营养营养琼脂琼脂高氏高氏I号号查氏查氏合成合成主要主要作用作用温度/121112121121121时间/min203020202030第三十页，讲稿共四十六页哦三、营养物质进入细胞三、营养物质进入细胞一）一）扩散扩散(diffusion)1、扩散扩散 原生质膜是一种半透膜，营养物质通过原生
19、质膜上的含水小孔进行扩散。扩散是非特异性的，但含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定选择性。2、扩散特点1）在扩散过程中不消耗能量不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，扩散是一种最简单的物质跨膜运输方式，为纯粹的物理学过程；2）营养物质不能逆浓度不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直到膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡。31第三十一页，讲稿共四十六页哦3、通过扩散运输的营养物质1）水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子；2）脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散
20、进出细胞。32第三十二页，讲稿共四十六页哦二）促进扩散二）促进扩散(facilited diffusion)图2.1促进扩散示意图33第三十三页，讲稿共四十六页哦1、促进扩散 与扩散一样，促进扩散(facilited diffusion)也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中不消耗能量，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。2、促进扩散的特点1）促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体借助于载体(carrier)的作用力才能进入细胞(图2.1)；2）具有较高的专一性较高的专一性，每种载体只运输相应的物质。参与促进扩散的载体主要是一
21、些蛋白质，这些蛋白质能促进物质进行跨膜运输，自身在这个过程中不发生化学变化，而且在促进扩散中载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；34第三十四页，讲稿共四十六页哦3）被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白载体蛋白（透过酶(pemlgLR)）饱和饱和时，运输运输速率就速率就不不再增加再增加。透过酶大多是诱导酶，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。4）一些抗菌素一些抗菌素可以通过提高膜的离子通透性提高膜的离子通透性而促进离子进行跨膜运输。短杆菌肽A是由15个L型和D型氨基酸交替连接而成的短肽，两
22、个短杆菌肽A分子可在膜上形成含水通道，离子可以穿过此通道进行跨膜运输；额氨霉素是一种环状分子，K+可结合在环状分子中心，而环状分子外周碳氢链使得该复合物能穿过膜的疏水性中心，从而促进K+的跨膜运输，在这个过程中，额氨霉素实际上起到载体作用。35第三十五页，讲稿共四十六页哦3、载体蛋白特性1）一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，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，例如鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium)利用四种不同载体蛋白运输组氨酸，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三种不同的载体蛋白来完成葡萄糖的运输。2）某些载
23、体蛋白可同时完成几种物质的运输，例如大肠杆菌可通过一种载体蛋白完成亮氨酸、异亮氨酸和额氨酸的运输。3）通过促进扩运输的营养物质：氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。36第三十六页，讲稿共四十六页哦三）主动运输(active ransport)主动运输是广泛存在微生物中的一种主要物质运输方式。1）重要特点：在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输。在主动运输过程中，运输物质所需能量来源因微生物不同而不同，好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧型微生物利用化学能(ATP)，光合微生物利用光能。37第三十七页，讲稿共四十六页哦主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过程中同样需要载体
24、蛋白，载体蛋白通过构象变化而改变与被运输物质之问的亲和力大小，使两者之间发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变化需要消耗能量。主动运输的具体方式有多种，主要有初级主动运输、次级主动运输、基团转位、Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)系统及ATP偶联主动运输等。38第三十八页，讲稿共四十六页哦初级主动运输初级主动运输指由电子传递系统、ATP酶引起的质子运输方式，为主动运输方式。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子(或其他离子)外排，导致原生质膜内外建立质子浓度差(或电势差)，使膜处于充能状态(图2.2)。39第三十九页，讲稿共
25、四十六页哦2、次级主动运输(secondaryactivetransport)通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差(或电势差)消失中，往往偶联其他物质的运输，为次级主动运输，包括以下二种方式：1）同向运输(symport)，是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输(图2.2a)。在大肠杆菌中，通过这种方式运输的物质主要有丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些阴离子(如HPO42-、HSO4-)等；2）逆向运输(antiport)，是指某种物质(如Na+)与质子通过同一载体按相反方向进行运输(图3.2b)；3）单向运输(uniport)，
26、是指质子浓度差在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞(图3.2c)，运输结果通常导致胞内阳离子(如K+)积累或阴离子浓度降低。40第四十页，讲稿共四十六页哦4、基团转位(group translocatlon)基团转位有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收中，糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生
27、了磷酸化作用，磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统(图3.3)。41第四十一页，讲稿共四十六页哦图图2.3 大肠杆菌大肠杆菌PTS运输系统运输系统42第四十二页，讲稿共四十六页哦PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶、酶(包括a、b和c三个亚基)和一种低相对分子质量的热稳定蛋白质(HPr)。酶I和HPr是非特异性的细胞质蛋白，酶 a也是可溶性细胞质蛋白，亲水性酶 b与位于细胞膜上的酶 c相结合。在糖的运输过程中，PEP上的磷酸基团逐步通过酶、HPr的磷酸化与去磷酸化作用，最终在酶H的作用下转移到糖，生
28、成磷酸糖释放于细胞质中。43第四十三页，讲稿共四十六页哦5、Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)系统丹麦学者斯克(J.C.Skou)在1957年发现了存在于原生质膜上的一种重要的离子通道蛋白Na+，K+-ATP酶(Na+，K+-ATPase)，时隔40年后，他与其他两位学者分享了1997年诺贝尔化学奖。Na+，K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”人胞内。由于Na+，K+-ATP酶将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”入胞内，因此常将该酶称为Na+，K+泵。该酶由大小两个亚基.44第四十四页，讲稿共四十六页哦图图2.4 Na+,
29、K+-ATP 酶系统示意图酶系统示意图45第四十五页，讲稿共四十六页哦E为非磷酸化酶，与Na+的结合位点朝向膜内，与Na+有较高的亲和力，而与K+的亲和力低。当E与Na+结合后，在Mg2+存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E，并导致与Na+的结合位点朝向膜外，E与Na+的亲和力降低，而与K+的亲和力高，此时胞外的K+将Na+置换下来，E与K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na+将K+置换下来。Na+，K+-ATP酶作用的结果是使细胞内Na+浓度低而K+浓度高。大肠杆菌K12在培养基中K+浓度非常低(0.1mmo1/L)时，仍然可以从环境中吸收K+，导致胞内K+浓度达到100mmol/L。细胞内维持高浓度K+是保证许多酶的活性和蛋白质的.46第四十六页，讲稿共四十六页哦