第五章 微生物的营养a.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,微生物的营养,营养：,微生物从外部环境中获得和利用营养物质的过程,。,营养物质,：,那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,概念区分,：,本章内容,第一节，微生物的营养要求,第四节，培养基,第三节，营养物质进入细胞的方式,第二节，微生物的营养类型,第一节 微生物的营养要求,一、微生物细胞的化学组成,二、营养物质及其生理功能,1.,细胞化学元素组成,主要元素,：,碳、氢、氧、氮、磷、硫,、钾、镁、钙、铁；,（其中前六种占细菌细胞干重的,97%,）,一、微生物细胞的化学组成,微量元素,：,锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,组成微生物细胞的各类化学元素的比例,常因微生物种类的不同而不同,微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）,元素 细菌 酵母菌 霉菌,碳,50 49.8 47.9,氮,15 12.4 5.2,氢,8 6.7 6.7,氧,20 31.1 40.2,磷,3 ,硫,1 ,硫细菌,(,sulfur bacteria),硫,元素；,铁细菌,(,iron bacteria),铁,元素；,海洋细菌,(,marine bacteria),钠、氯等,元素；,硅藻,(,Diatom,),硅酸,构建富含,(,SiO,2,),n,的细胞壁。,2.,元素在细胞内存在形式,上述各种元素主要以,有机物,、,无机物和水,的形式存在于细胞中：,1,有机物：,蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及其降,解产物。,2,无机物：,1),参与有机物组成；,2),以无机盐的形式,单独存在于细胞质内。,3,、水：,约占细胞总重,70%,90%,。,分析细胞有机、无机成分的方式,有机成分：,1.,化学法直接抽提,-,定性、定量分析,2.,破碎细胞，获得亚细胞结构,-,化学分析,无机成分：,细胞,-550-,灰分,-,定性、定量分析,细胞湿重,(,wet weight),与干重,(,dry weight)之差为,细胞含水量,，常以百分率表示：（湿重,-,干重）,/,湿重,100%,。,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞质量的,70,%,90%,。,湿重,：,将细胞外表面所吸附的水分除去后称量所得质量，一般以单位培养液中所含细胞质量表示（,g/L,或,mg/,mL,）。,干重,：,采用高温（,105,）烘干、,低温真空干燥和红外线快速烘干,等方法将细胞干燥至恒重即为干重。,主要成分 细菌 酵母菌 霉菌,水分,7585 7080 8590,（占细胞鲜重的,%,）,蛋白质,5080 3275 1415,占,细,碳水化合物,1228 2763 740,胞,干,脂肪,520 215 440,重,的,核酸,1020 6 8 1,%,无机盐,230,7 612,微生物细胞的化学组成含量,细胞的化学组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同,。,二、微生物的,营养物质及其生理功能,营养要素的功能：,1,）构成细胞结构组分和代谢产物的原料；,2,）提供能量；,3,）调节新陈代谢。,微生物的,6,大营养要素,碳源,氮源,能源,无机盐,生长因子,水,定义：,凡能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为,碳源,。,1.,碳源（,carbon source,）,大量营养物,（,macronutrients,）,微生物细胞含碳量约占干重的,50,，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为,大量营养物,。,构成细胞成分；,形成各种代谢产物和细胞储藏物质；,为异养型微生物提供能源。,碳源功能,:,将微生物可利用的碳源范围称作碳源谱。,碳源谱,（,spectrum of carbon sources,）：,从这三个水平考察碳源，,其数目是逐级扩大的,甚至可多到无法计算。,元素水平,培养基原料水平,化合物水平,凡以无机碳源作为主要碳源的微生物，则是种类较,少,的,自养微生物,。,凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众,多,的,异养微生物,。,碳源谱,有机碳,无机碳,碳源种类,碳源谱,类,型,元素水平,化合物水平,培养基原料水平,有机碳,CHONX,复杂蛋白质、核酸等,牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等,CHON,多数氨基酸、简单蛋白质等,一般氨基酸、明胶等,CHO,糖、有机酸、醇、脂类等,葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等,CH,烃类,天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等,无机碳,C(?),CO,CO,2,CO,2,COX,NaHCO,3,NaHCO,3,、,CaCO,3,等,微生物的碳源谱,特点,1,）根据微生物利用有机碳或无机碳，可将微生物分为：,异养微生物：有机碳,自养微生物：无机碳,2,),最适碳源：,糖,有机酸，醇,脂,单糖,双糖,多糖（淀粉,纤维素,木质素,几丁质）,己糖,戊糖,葡萄糖，果糖,甘露糖，半乳糖,CO,2,:,（自养微生物）,C.H.O,型，糖类,（异养微生物）,最廉价的、用之不尽的碳源，是,自养微生物唯一或主要的碳源,。,6,）碳源谱广（微生物,植物,动物）；,3),微生物对碳源利用具有选择性,混合存在 葡萄糖：首先利用（速效碳源）,乳糖：后利用（迟效碳源）,5),异养微生物：碳源,=,能源（双功能营养物）,4),不同微生物，对碳源的利用能力也不一样,洋葱假单胞菌：,90,种以上,甲烷氧化菌：甲醇和甲烷,A,酚、氰化物等有毒物质,对人类有毒的物质，,例如，酚、氰化物等,某些微生物，,例如，诺卡氏菌和一些霉菌等,美味佳肴,微生物清除,“,三废,”,B,纤维素,纤维素是由葡萄糖以,1,4,糖苷键组成的,在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而,某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品,。,C,烃类,烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。,清除石油污染,石油开采,选择碳源原则,1,）根据微生物的生理机能选择；,2,）考虑经济效益，防止降格使用。,宝贵的氮源“,C,H,O,N”,和“,C,H,O,N,X”,型，尽量避免将之作为廉价的碳源使用。,在发酵工业中最常用的碳源,葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等,定义：,凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养物质，称为,氮源,。,2.,氮源（,nitrogen source,）,氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细菌干重的,12,15,，也是微生物的主要营养物。,构成细胞组分（需要量仅次于碳源）；,构成代谢产物；,某些自养菌的能源。,（如硝化细菌：氨和亚硝酸盐兼氮源和能源）,氮源功能,:,氮源物质一般不提供能量！,类型,元素水平,化合物水平,培养基原料水平,有机氮,NCHOX,复杂蛋白质、核酸等,牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等,NCHO,尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等,尿素、蛋白胨、明胶等,无机氮,NH,NH,3,、,铵盐等,(NH4),2,SO,4,等,NO,硝酸盐等,KNO,3,等,N,N,2,空气,微生物的氮源谱,微生物能利用的氮源类型也明显比动物和植物的广,异养微生物对氮源的利用顺序是：,N,C,H,O,或,N,C,H,O,X,N,H,N,O,N,微生物利用的氮源：,实验室：,铵盐,、,硝酸盐,、,尿素,、,蛋白胨,、,牛肉膏等,发酵工业：,鱼粉,、,黄豆饼粉,、,蚕蛹粉,、,玉米浆,、,酵母粉等,铵盐,和,氨基酸,被微生物吸收后能直接被利用,NO,3,-,和,蛋白质,吸收后还需还原,、,降解才可利用,速效氮源,迟效氮源,能利用,N,2,作氮源来合成细胞结构的微生物称,固氮微生物,。,（,1,）研究,固氮作用,是生物领域中的一个重大课题。,通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用,N,2,。,固氮微生物,（,2,）,固氮酶,，可在常温常压下,N,2,+,H,+,NH,3,固氮酶作为一种酶制剂生产出来，进一步生产,NH,3,。,这两个课题的研究成功将会,为农业带来一次革命性的变化,生理酸性盐,:,当以（,NH4,）,2,SO,4,为唯一氮源时，,NH,4,被利用后，培养基的,pH,下降，称为“生理酸性盐”；,生理碱性盐,:,当以,KNO,3,为氮源时，,NO,3,被利用后，培养基的,pH,上升，称为“生理碱性盐”。,利用,NH,4,NO,3,为氮源，可以避免,pH,急剧升降，但是，,NH,4,的吸收快，,NO,3,-,的吸收滞后，所以，培养基,pH,会先降后升。,“氨基酸自养型生物”,（,Amino acid autotroph凡是能将非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐和,氮气,）自行合成生长代谢所需要的一切氨基酸的微生物。,“氨基酸异养型生物”,（,Amino acid heterotroph,）,:,凡需要从外界吸收现成氨基酸作氮源的微生物。,所有的动物和大量的异养微生物是氨基酸异养型的，而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。,能源谱：,化学物质,：化能营养型,有机物：化能异养微生物（能源,=,碳源）,无机物：化能自养微生物,（能源,碳源）,还原态无机物氧化提供能量。,（还原态无机物：,NH,4,+,，,NO,2,-,，,H,2,S,，,H,2,，,Fe,2+,）,辐射能,：光能营养型,光能自养微生物,光能异养微生物,为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能,3.,能源（,energy source,）,单功能营养物：光（能源）,双功能营养物：葡萄糖,(,C,源,+,能源,),NH,4,+,（氮源能源）,多功能营养物：氨基酸（,C,源，,N,源，能源等）,大量元素：,P,、,S,、,K,、,Mg,、,Na,、,Ca,、,Fe,等（,10,-3,10,-4,mol/L,）；,微量元素：,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,、,Cu,、,Ni,等（,10,-6,10,-8,mol/L,）,功能,构成细胞的组成成分；,作为酶活性中心；,维持酶的活性；,调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位；,作为某些微生物的的能源物质。,4.,无机盐（,inorganic salt,）,无机盐或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。,(1),磷,：合成,核酸,、,磷脂,、,一些辅酶,（,NAD,，,NADP,，,CoA,等）及,高能磷酸化合物,的重要原料。一般都以,K,2,HPO,4,和,KH,2,PO,4,的形式人为地提供。,(2),硫,:,某些,氨基酸,（如半胱氨酸和蛋氨酸）、,辅酶因子,（如辅酶,A,，生物素，硫辛酸和硫胺素）和,谷胱甘肽,的组成成分。也是某些自养菌的能源物质。微生物从含硫化合物中得到硫。一般人为的提供形式为,MgSO4,。,(3),镁,:,一些,酶,（如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固氮酶）的激活剂，是,光合细菌菌绿素,的组成成分；具有稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞生长就会停止。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。,(4),钾,：不参加细胞结构物质的组成，但它是许多,酶,（如果糖激酶）的,激活剂,，与原生质的胶体特性和,细胞膜的透性,有关。钾在胞内的浓度比胞外高许多倍。各种无机钾盐，尤其是磷酸钾盐（磷酸二氢钾，磷酸氢二钾）可作为钾源。,(5),钙：一般不参与微生物的细胞结构物质（除细菌,芽孢,外），但它是某些,酶,（如蛋白酶类）的,激活剂,，还参与,细胞膜通透性的调节,。各种水溶性的钙盐，如,CaCl,2,及,CaCO,3,等都是微生物的钙元素来源。,(6),钠：与,细胞渗透压调节,有关。胞内浓度低，而胞外浓度高。对,嗜盐菌,来说，钠除了维持细胞的渗透压外，还与,营养物的吸收有关,，如,吸收葡萄糖就需要,Na,的帮助,。,提供形式为,NaCl,。,(8),微量元素：与酶活性有关，或参与酶的组成，或是许多酶,的调节因子,。,铜：多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的成分；,锌：醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子；,钴：参与维生素,B12,的组成；,钼：参与固氮酶的组成；,锰：超氧化物酶的激活剂。,(7),铁：过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化,酶的组成元素，也是铁细菌的能源，铁含量太低会影,响白喉杆菌形成白喉毒素；以,FeSO,4,提供。,微量元素,的提供方式,：,自来水,，,玻璃器皿,定义,是一类调节微生物,正常代谢所必需,，,需要量又不大,，但,不能,用简单的碳源或氮源,自行合成,，需要,额外添加,的,有机物,。,5.,生长因子（,growth factor,）,狭义的生长因子：,一般仅指维生素。,广义的生长因子：,除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、,C4-C6,的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸。,作为辅酶或辅基参与代谢；,核酸和蛋白质的成分。,功能,（,1,）,维生素,（,2,）,氨基酸,（,3,）,碱基,（,4,）,其他生长因子,生长因子的种类：,（,1,）,维生素,例如，维生素,B,6,（,吡哆醛），,磷酸吡哆醛是一些转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。,微生物对维生素的需要量一般是,1,5,g/mL,最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。,（,2,）,氨基酸,大多数情况下氨基酸可被微生物,吸收利用,；少数情况下虽需要氨基酸作为生长因子，但因其不能透过细胞膜，故,吸收利用小肽,。,微生物对氨基酸的需要量一般是,20,g/mL,有些微生物缺乏合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，,常常需要由外源供给这些氨基酸才能生长。,（,3,）,碱基,碱基是构成核酸及一些辅酶的组分，是许多微生物所需要的生长因子。,微生物对碱基的需要量一般是,10,20,g/mL,（,4,）,其他生长因子,有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。,例如：,流感嗜血杆菌一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需,卟啉环,作生长因子；,某些酵母菌和真菌生长需要,肌醇,；,某些肺炎球菌生长需要,胆碱,等。,生长因子虽是重要的营养素，但它与碳源、氮源和能源不同，并非任何一种微生物都需从外界吸收。各种微生物与生长因子的关系可分为以下几类：,(1),生长因子自养型微生物,(auxoautotroths),多数真菌、放线菌、和不少细菌，如大肠杆菌等都不 需要外界提供生长因子。,(2),生长因子异养型微生物,(auxoheterotrophs),它们,需要,从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长。,(3),生长因子过量合成型微生物,有些微生物在其代谢活动中，会合成出大量的维生素及其他生长因子，因此，它们可以作为维生素等的生产菌。,某些菌株发生突变,(,自然突变或人工诱变,),后，失去合成某种,(,或某些,),对该菌株生长必不可少的物质,(,通常是生长因子如氨基酸、维生素,),的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为,营养缺陷型,(,auxotroph,),，,相应的野生型菌株称为,原养型,(prototroph,),。,营养缺陷型,营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究,有些微生物能够合成大量的维生素，可采用工业发酵法生产,核黄素：,棉阿舒囊霉,，,假丝酵母属,等,维生素,B12,：,链霉菌属，丙酸杆菌属，假单胞菌属,辅酶,A,：,短杆菌属,维生素,C,：,葡萄糖酸杆菌属，欧文氏菌属，棒杆菌属,维生素,D,：,酵母属,如何提供生长因子？,天然培养基,酵母膏（,19,种氨基酸，维生素）；,玉米浆（,20,种氨基酸，,6,种维生素）；,肝浸汁；,麦芽汁；,其他新鲜的动、植物的汁液。,合成培养基,添加配制的维生素复合液,在配制微生物培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以保证微生物对它们的需要。,生长因子的微生物学分析法,图,5-1,培养基中维生素的浓度和需维生素微生物生长间的关系。培养物的光密度和生长量成正比,6,、水,功能：,（,1,）营养物质或代谢废物,运输的必备物质,；,（,2,）直接作为反应物或产物,参与,体内多种,生化反应,；,（,3,）许多酶促反应必须在水溶液中才能进行；,（,4,）水是热的良好导体，有利于散热，不致于因代谢产热而使细胞局部温度上升；,（,5,）作为活细胞中含量最高的成分，水对于,维持细胞自身形状,以及,生物大分子的天然结构,起着重要的作用。,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞质量的,70,%,90%,。水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。,不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较,人体 平均,60%,海蛰 约,96%,霉菌孢子 约,39%,几种生物的 孢子 皮层 约,70%,游离水含量,细菌芽孢,微生物 核心 极低,细菌 约,80%,营养体 酵母 约,75%,霉菌 约,85%,（,1,）氧气,需氧微生物的能量代谢需要氧气的存在，微生物发酵中给氧的方法有,搅拌,、,振荡,、,通气,等,。,7,、气体,（,2,）氮气,（,3,）,CO,2,微生物与动植物营养要素的比较,营养类型是根据微生物生长所需要的主要营养要素不同而划分的。,第二节 微生物的营养类型,异养型,(,heterotrophs,):,以有机物为碳源,自养型,(,autotrophs,):,以,CO,2,为唯一或主要碳源,生长所需要的营养物质,(,碳源,),生物生长过程中能量的来源,(,能源,),光能营养型,(,phototrophs,):,以光为能源,化能营养型,(,chemotrophs,):,以有机物或无机物氧化释放的化学能为能源,氢,供,体（,电子供体,）的不同,无机营养型,(,lithotrophs,):,以还原性无机物为,电子供体,有机营养型,(,organotrophs,):,以有机物为,电子供体,根据微生物所利用,碳源、能源和电子供体,的不同，可分为,四种基本营养类型,：,光能,无机自养,型（光能,自养,型）,光能,有机异养,型（光能,异养,型）,化能,无机自养,型（化能,自养,型）,化能,有机异养,型（化能,异养,型）,1,光能自养型（光能无机,自养,型）,能以,CO,2,为唯一或主要碳源；,通过光合作用获取生长所需能量；,以无机物（如,H,2,、,H,2,S,、,S,、,H,2,O,等）作为供氢体，使,CO,2,还原为细胞物质；,藻类及蓝细菌，同植物一样，以水为供氢体，进行,产氧型的光合作用,，合成细胞物质。,而,紫硫细菌和绿硫细菌,，以,H,2,S,为供氢体，,进行,不产氧型的光合作用,，,合成细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO,2,+,2H,2,A,光能,光合色素,CH,2,O2A+,H,2,O,2,光能异养型（光能有机异养型）,以,CO,2,及简单有机物为碳源,；,以有机物为供氢体，通过光能将,CO,2,还原为细胞物质；,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,CO,2,还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH,+,CO,2,H,3,C,H,3,C,2,光能,光合色素,2,CH,3,C0CH,3,+,CH,2,O,+,H,2,O,通过光合作用获取生长所需能量；,光能自养型和光能异养型微生物可利用光能生长，,在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。,3.,化能自养型（化能无机,自,养型）,生长所需能量来自无机物氧化产生的化学能；,以,CO,2,或碳酸盐,为唯一或主要碳源,；,以,H,2,、,H,2,S,、,Fe,2+,、,NH,3,或,NO,2,-,等作供氢体，使,CO,2,还原成细胞物质。,化能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。,2NH,3,3O,2,2H,2,O 2HNO,2,4H,+,4OH,能量,亚硝酸细菌,CO,2,4H,+,CH,2,O,H,2,O,4.,化能异养型（化能有机异养型）,生长所需,能量,来自,有机物氧化,过程产生的化学能；,生长所需的,碳源,主要是,有机物,（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,。,（通过糖酵解途径既可产生用于生物合成的碳骨架，也可释放出,ATP,和,NADH,）,大多数细菌、真菌、原生动物,都是化能异养型微生物；,所有致病微生物,均为化能异养型微生物。,化能异养型分为：,腐生型,(,metatrophy,),：,利用无生命的有机物,(,如动植物尸体和残体,),作为碳源。,寄生型,(,paratrophy,),：,寄生在活的寄主体内吸取营养物，离开寄主不能生存。,腐生型和寄生型之间还存在中间类型,：,兼性腐生型,(,facultive,metatrophy,),或兼性寄生型,(,facultive,paratrophy,),，如：,人和动物肠道内普遍存在的大肠杆菌。,四种基本营养类型的比较,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,CO,2,；,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，其营养类型也会发生改变；,举例：紫色非硫细菌,(,purple,nonsulphur,bacteria),没有有机物时，同化,CO,2,，,为,自养型微生物,；,有机物存在时，利用有机物生长，为,异养型微生物,；,光照和厌氧条件下，利用光能，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。,