微生物的营养.pptx

第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能一、一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成1.1.化学元素化学元素大大量量元元素素:碳碳、氢氢、氧氧、氮氮、磷磷、硫硫、钾钾、镁镁、钙钙、铁铁（其其中中前前6 6种占细菌细胞干重的种占细菌细胞干重的97%97%）。）。微量元素微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。元素元素 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 碳碳 50 49.8 47.9 氮氮 15 12.4 5.2 氢氢 8 6.7 6.7 氧氧 20 31.1 40.2 磷磷 3 硫硫 1 表表41 微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）2.2.元素在细胞内存在形式元素在细胞内存在形式上述元素在细胞中的主要存在形式：上述元素在细胞中的主要存在形式：（1 1）有机物）有机物蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.（2 2）无机物）无机物 参与有机物组成，参与有机物组成，单独存在于细胞质内以单独存在于细胞质内以无机盐无机盐的形式存在的形式存在.（3 3）水）水约占细胞总重约占细胞总重70%70%90%90%，以，以游离水游离水和和结合水结合水两种形式存在。两种形式存在。游离水：干重法可测得；游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的占水总量的17%28%。3.3.微生物细胞化学组成含量的变化微生物细胞化学组成含量的变化 主要成分主要成分 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 水分水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的（占细胞鲜重的%）蛋白质蛋白质 5080 3275 1415 占占 细细 碳水化合物碳水化合物 1228 2763 740 胞胞 干干 脂肪脂肪 520 215 440 重重 的的 核酸核酸 1020 6 8 1%无机盐无机盐 230 3.87 612表表42 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养此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条件、分析方法等而有所不同。细胞组成成分的分析方式细胞组成成分的分析方式有机成分：有机成分：1.化学法直接抽提化学法直接抽提-定性、定量分析定性、定量分析 2.破碎细胞，获得亚细胞结构破碎细胞，获得亚细胞结构-化学分析化学分析无机成分：无机成分：细胞细胞-550-灰分灰分-定性、定量分析定性、定量分析二、营养物质及其生理功能1.1.碳碳 源源2.2.氮氮 源源3.3.无机盐无机盐4.4.生长因子生长因子5.5.水水1.碳源碳源 定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳定义：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。素来源的营养物质。功能：功能：（1 1）提供合成细胞物质及代谢物的原料（）提供合成细胞物质及代谢物的原料（碳源碳源）;（2 2）并为）并为整个生理活动提供所需要整个生理活动提供所需要能源能源（异养微生物）。（异养微生物）。种类种类:无机含碳化合物：如无机含碳化合物：如COCO2 2和碳酸盐等。和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,脂类、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物 以及各种含碳的化合物。以及各种含碳的化合物。类类型型元素水平元素水平 化合物水平化合物水平 培养基原料水平培养基原料水平有有机机碳碳CHONX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白多数氨基酸、简单蛋白质等质等一般氨基酸、明胶等一般氨基酸、明胶等CHO糖类、有机酸、醇、脂糖类、有机酸、醇、脂类等类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等份、石蜡油等无无机机碳碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3等等表表4-3 微生物的碳源谱微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料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、豆饼粉、野生植物淀粉等）麸皮及各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2和和 H2 微微生生物物利利用用碳碳源源物物质质具具有有选选择择性性。不不同同种种类类微微生生物物利利用用碳碳源源物物质质的的能能力力也也有有差差别别。微微生生物物利利用用含含碳碳化化合合物物的的能能力力可可因因微微生生物物的的种种类类、培培养养条条件件等等而而有所不同。有所不同。根据微生物对碳源利用能力差异，把碳源分为根据微生物对碳源利用能力差异，把碳源分为速效碳源速效碳源和和迟效碳源迟效碳源。不同的微生物其。不同的微生物其速效碳源和速效碳源和迟效碳源迟效碳源分类也有差异。分类也有差异。通常速效碳源有利于机体通常速效碳源有利于机体的生长，迟效碳源有利于代谢产物的形成。通常单的生长，迟效碳源有利于代谢产物的形成。通常单糖优于双糖优于多糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤糖优于双糖优于多糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。糖类优于其他物质。维素，纯多糖优于杂多糖。糖类优于其他物质。在在培培养养条条件件固固定定的的情情况况下下，同同种种微微生生物物对对碳碳源源的利用基本相同，可据此对微生物进行的利用基本相同，可据此对微生物进行分类鉴定分类鉴定。凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。种类种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N N2 2等；等；有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等功能：功能：1 1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢）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；（物等的原料；（氮源氮源）2 2）少数细菌可以）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等铵盐、硝酸盐等氮源为氮源为能源能源。2.2.氮源氮源类类型型 元素水平元素水平化合物水平化合物水平培养基原料水平培养基原料水平有有机机氮氮NCHOX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单蛋白尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等质等尿素、蛋白胨、明胶等尿素、蛋白胨、明胶等无无机机氮氮NHNH3、铵盐等铵盐等(NH4)2SO4等等NO硝酸盐等硝酸盐等KNO3等等NN2空气空气表表 44 微生物的氮源谱微生物的氮源谱硝酸盐硝酸盐 NH4+实实验验室室常常用用的的氮氮源源有有碳碳酸酸铵铵、硝硝酸酸盐盐、硫硫酸酸铵铵、尿尿素素、蛋蛋白白胨胨、牛牛肉肉膏膏、酵酵母母膏膏等等。生生产产上上常常用用的的氮氮源源有有硝硝酸酸盐盐、铵铵盐盐、尿尿素素、氨氨以以及及蛋蛋白白含含量量较较高高的的鱼鱼粉粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟迟效氮源效氮源。无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做氮源叫做速效氮源速效氮源。速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。的形成。铵铵 盐盐氨基酸氨基酸入胞入胞 细胞物质细胞物质蛋白胨蛋白胨 豆豆 饼饼蚕蛹粉蚕蛹粉分解分解 入胞入胞 细胞物质细胞物质诱导酶诱导酶诱导酶诱导酶生理酸式盐和生理碱式盐生理酸式盐和生理碱式盐(NH4)2SO42NH4+SO42-入胞入胞pHK+（Na+）+NO3-入胞入胞pHKNO3NaNO3NH4NO3NH4+(先入胞先入胞)+NO3-(后入胞后入胞)3.3.无机盐无机盐定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。大量元素：大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓（微生物生长所需浓度在度在10-310-4mol/L）微量元素：微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）维持渗透压生理调节物质酶的激活剂pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)表表4-5 无机元素的来源和功能无机元素的来源和功能4.4.生长因子生长因子定义定义:是一类对微生物正常是一类对微生物正常生活所不可缺少生活所不可缺少而需要量又不而需要量又不大，但微生物大，但微生物自身不能自身不能用简单的碳源或氮源用简单的碳源或氮源合成合成，或，或合成合成量不足量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。需求的生长因子的种类和数量不同。缺乏合成生长因子能力的微生物称为缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型营养缺陷型”微生物。微生物。最早发现的生长因子是最早发现的生长因子是维生素维生素，目前已经发现许多维生，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酶的辅基或辅酶辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的以不能合成生长所必需的氨基酸氨基酸，这类微生物被称为，这类微生物被称为“氨基氨基酸缺陷型酸缺陷型”。另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些乳酸杆菌生长需要核苷；某些酵母菌和真菌生长需要肌醇；乳酸杆菌生长需要核苷；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。某些肺炎球菌生长需要胆碱等。根据微生物对生长因子的需要存在差异根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：可分为：野生型野生型(wild type)原养型原养型 不需要生长因子而能在基础培养基不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株上生长的菌株营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)由于自发或诱发突变等原因从野生由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株质才能生长的菌株水的生理功能：水的生理功能：(1(1）溶剂）溶剂(2(2）运输）运输(3(3）反应物）反应物(4 4）维持分子构象）维持分子构象(5 5）传热）传热(6 6）维持细胞形态）维持细胞形态(7(7）控制多亚基组成的细胞结构的组装与解离等。）控制多亚基组成的细胞结构的组装与解离等。5.水水几种生物的游离水含量人体：60%海蛰：96%微生物孢子营养体霉菌孢子：39%细菌芽孢：皮层：70%核心：极低细菌：80%酵母：75%霉菌：85%水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：差别：微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的常用环境（或基质）中的水活度值（水活度值（w）表示。所表示。所谓谓 w就是水的有效浓度。就是水的有效浓度。定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，纯水上部蒸气相中水浓度）之比，即：即：w=/o 表示溶液的蒸汽压表示溶液的蒸汽压 o表示纯水的蒸汽压表示纯水的蒸汽压在在 w为为0.600.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对物而言，它对 w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其变化程度。即微生物不同，其生长的最适生长的最适 w亦不同。亦不同。表表4-6 几类微生物生长最适几类微生物生长最适 w 微生物微生物 w一般细菌一般细菌 0.91酵母菌酵母菌 0.88霉菌霉菌 0.80噬盐细菌噬盐细菌 0.70噬盐真菌噬盐真菌 0.65嗜高渗酵母嗜高渗酵母 0.60为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度相对湿度（RH)的概念（的概念（w 100=RH）；通常也用测定蒸气相中相）；通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。第二节 微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质（根据生长所需要的营养物质的性质（碳源碳源），可将生物分），可将生物分成两种基本的营养类型成两种基本的营养类型异养型生物：异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物作为营养物质在生长时需要以复杂的有机物作为营养物质自养型生物：自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生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。物。根据生长时根据生长时能量能量的来源不同，又可将生物分成两种类型的来源不同，又可将生物分成两种类型化能营养型生物：化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物：光能营养型生物：依靠光能进行生长依靠光能进行生长 大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过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。少部分微生物属于光能营养型生物。程中获得能量。少部分微生物属于光能营养型生物。按氢供体分按氢供体分无机营养型生物无机营养型生物:有机营养型生物：有机营养型生物：营养类型光能自养型微生物光能自养型微生物 以以C02作作为为唯唯一一碳碳源源或或主主要要碳碳源源，并并利利用用光光能能，以以无无机机物物如如硫硫化化氢氢、硫硫代代硫硫酸酸钠钠或或其其他他无无机机硫硫化化物物作作为为氢氢供供体体将将CO2还还原成细胞物质，同时产生单质硫原成细胞物质，同时产生单质硫 光能光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O 光合色素光合色素 光能自养型微生物光能自养型微生物包括包括蓝细菌蓝细菌（含叶绿素）、（含叶绿素）、红红硫细菌和绿硫细菌硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能（ATPATP），供机体直接利用。），供机体直接利用。光能异养型微生物光能异养型微生物 以以CO2为为主主要要碳碳源源或或唯唯一一碳碳源源，以以有有机机物物（如如异异丙丙醇醇）作作为为氢氢供供体体，利利用用光光能能将将CO2还还原原成成细细胞胞物物质质，红红螺螺菌菌属属中中的一些细菌属于此种营养类型。的一些细菌属于此种营养类型。光能光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素光合色素光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子化能自养型微生物化能自养型微生物 以以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物无机物氧化释放的化学能为能源氧化释放的化学能为能源,，利用，利用电子供电子供体体如如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等等使使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。这类微生物主要有这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。中起着重要的作用。1.硝化细菌硝化细菌:亚硝化细菌亚硝化细菌 2NH4+3O22NO2-+2H2O+4H+132Kcal硝化细菌硝化细菌 NO2-+1/2O2 NO3-+18.1 Kcal2.2.硫化细菌硫化细菌:通过氧化还原态的无机硫化物（通过氧化还原态的无机硫化物（H H2 2S S、S S、S S2 2O O3 32-2-、SOSO3 32-2-）获得能量（硫杆菌属，硫微）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）螺菌属）H H2 2S+1/2 OS+1/2 O2 2 S+H S+H2 2O+50.1 KcalO+50.1 Kcal S+3/2 O S+3/2 O2 2+H+H2 2O HO H2 2SOSO4 4+149.8 Kcal+149.8 Kcal3.铁细菌：氧化铁细菌：氧化Fe2+为为Fe3+获取能量并同化获取能量并同化CO2 2Fe2+1/2O2+2H+2Fe3+H2O+21.2 Kcal4.氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化氢细菌：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化能异养型微生物化能异养型微生物 多多数数微微生生物物属属于于化化能能异异养养型型，其其生生长长所所需需要要能能量量和和碳源通常来自同一种有机物碳源通常来自同一种有机物。根根据据化化能能异异养养型型微微生生物物利利用用有有机机物物的的特特性性，又又可可以以将其分为下列两种类型：将其分为下列两种类型：腐腐生生型型微微生生物物：利利用用无无生生命命活活性性的的有有机机物物作作为为生生长长的碳源。的碳源。寄寄生生型型微微生生物物：寄寄生生在在生生活活的的细细胞胞内内，从从寄寄主主体体内内获得生长所需要的营养物质。获得生长所需要的营养物质。存存在在于于寄寄生生与与腐腐生生之之间间的的中中间间过过渡渡类类型型微微生生物物，称称为为兼性腐生型兼性腐生型或或兼性寄生型。兼性寄生型。自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生 活的微生物异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能 满足其正常营养要求的微生物（即 其碳源必须是有机物，供氢体是有 机物，能源可以是氧化有机物或利 用日光能）关于营养类型的定义：第三节第三节 微生物吸收营养物质的方式微生物吸收营养物质的方式 被输送的物质，靠细胞内外浓度为动被输送的物质，靠细胞内外浓度为动力，以自由扩散的形式从高浓度区向低浓力，以自由扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。度区的扩散。单纯扩散单纯扩散(simple diffusion or passive diffusion)单纯扩散的特点：单纯扩散的特点：非非特特异异性性：营营养养物物质质通通过过细细胞胞膜膜中中的的含含水水小小孔孔，由由高高浓浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；营营养养物物质质的的结结构构不不发发生生变变化化：即即既既不不与与膜膜上上的的分分子子发发生生反应，本身的分子结构也不发生变化；反应，本身的分子结构也不发生变化；物物质质运运输输的的速速率率较较慢慢：速速率率与与胞胞内内外外营营养养物物质质的的浓浓度度差差有有关关，即即随随细细胞胞膜膜内内外外该该物物质质浓浓度度差差的的降降低低而而减减小小，直直到到胞内外物质浓度相同；胞内外物质浓度相同；不不需需要要载载体体参参与与和和不不需需要要代代谢谢能能，因因此此，物物质质不不能能进进行行逆浓度运输。逆浓度运输。可可运运送送的的养养料料有有限限：限限于于水水、溶溶于于水水的的气气体体，及及分分子子量量小，脂溶性、极性小的营养物质。小，脂溶性、极性小的营养物质。flows towards high salt concentrations 单纯扩散模式图单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜 营养物通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶营养物通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶permease）的可逆性结合来加快其传递速度的可逆性结合来加快其传递速度促进扩散促进扩散(facilitated diffusion/transport)促进扩散特点：促进扩散特点：v营养物质本身在营养物质本身在分子结构不会发生变化分子结构不会发生变化v不消耗代谢能量不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输，故不能进行逆浓度运输v运输的速率运输的速率由由胞内外该物质的胞内外该物质的浓度差决定浓度差决定v需要细胞膜上的需要细胞膜上的载体蛋白载体蛋白（透过酶）参与物质运输（透过酶）参与物质运输v被运输的被运输的物质与载体物质与载体蛋白有高度的蛋白有高度的特异性特异性v养料浓度过高时养料浓度过高时,与载体蛋白出现饱和效应与载体蛋白出现饱和效应 促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。通过这种方式完成的。促进扩散模式图促进扩散模式图细胞膜细胞膜细胞膜外细胞膜外细胞膜内细胞膜内恢复原构象恢复原构象移位移位再再循循环环结结合合构构象象改改变变主动运输主动运输(Active transport)在代谢能的推动下，通过膜上特殊在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质载体蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程。的过程。主动运输特点：主动运输特点：v需要需要消耗代谢能消耗代谢能v可以进行可以进行逆浓度运输逆浓度运输的运输方式的运输方式v需要载体需要载体蛋白参与蛋白参与v对被运输的物质对被运输的物质有高度的立体专一性有高度的立体专一性v被运输的物质在转移的过程中被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化不发生任何化学变化 不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。光合微生物中则主要来自光能。主动运输主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。是微生物吸收营养物质的主要方式。主动运输模式图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ADP+PiATP初级主动运输：质子运输方式，建立质子浓度差（电势差），初级主动运输：质子运输方式，建立质子浓度差（电势差），形成能化膜形成能化膜。能量来源：好氧和兼性厌氧微生物中直接来自。能量来源：好氧和兼性厌氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。来自光能。次级主动运输次级主动运输：与初级主动运输相偶联的其他物质运输过程。：与初级主动运输相偶联的其他物质运输过程。据其运输方向不同分为同向运输，逆向运输和单向运输。被据其运输方向不同分为同向运输，逆向运输和单向运输。被运输的物质主要包括：运输的物质主要包括：无极离子、氨基酸和某些糖类无极离子、氨基酸和某些糖类等。等。ABCABC转运蛋白转运蛋白（ATPATP结合性的盒式转运蛋白系统）结合性的盒式转运蛋白系统）:被运输的物被运输的物质主要包括：质主要包括：糖类和氨基酸等糖类和氨基酸等。由两个跨膜疏水域和两个核。由两个跨膜疏水域和两个核苷酸结合域构成。通过苷酸结合域构成。通过ATPATP水解提供能量。水解提供能量。NaNa+-K-K+-ATP-ATP酶系统酶系统：消耗：消耗ATP,ATP,泵出钠离子，泵入钾离子。该泵出钠离子，泵入钾离子。该酶由大小两个亚基组成。通过大亚基的磷酸化改变构象，而酶由大小两个亚基组成。通过大亚基的磷酸化改变构象，而分别与钠离子和钾离子结合。分别与钠离子和钾离子结合。Na+-K+-ATP酶系统酶系统Na+-K+-ATPase是是存在于原生质膜上的一存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白种重要离子通道蛋白功能功能:利用利用ATP能量将能量将Na+由细胞内由细胞内“泵泵”出胞外出胞外,并将并将K+“泵泵”入胞内。入胞内。该酶由大小两个亚基组成（该酶由大小两个亚基组成（MW:12万万,5.5万）万）作用步骤作用步骤:1.ATP酶酶(E)在细胞内侧与在细胞内侧与3个个Na+结合结合,同时消耗能量同时消耗能量;2.磷酸化磷酸化ATP酶酶(E+)构象变化将构象变化将Na+排出胞外排出胞外,并与并与2个个K+结合结合;3.K+激发激发E+脱磷酸化恢复为脱磷酸化恢复为E,同时将同时将K+运入细胞运入细胞.基团转位是一种特殊的主动运输，与普通基团转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。化）。其余特点与主动运输相同。基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输物，以及核苷与脂肪酸的运输 基团转位基团转位(Group translocation)在酶的作用下HPr被激活在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖运送机制运送机制:是依靠磷酸转移酶系统是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇即磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统己糖磷酸转移酶系统.运送步骤运送步骤:1.1.热稳载体蛋白热稳载体蛋白(HPr)HPr)的激活的激活 细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEPPEP）的磷的磷酸基团把酸基团把HPrHPr激活。激活。酶酶1 1 PEP+HPr PEP+HPr 丙酮酸丙酮酸+P-HPrP-HPrHPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，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。具有高能磷酸载体的作用。2 2、糖被磷酸化后运入膜内、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膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2 2结合，再被结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPrP-HPr上的磷酸激活，上的磷酸激活，并通过酶并通过酶2 2的作用将的作用将糖糖-磷酸磷酸释放到细胞内。释放到细胞内。酶酶2 2 P-HPr+P-HPr+糖糖 糖糖-P+HPrP+HPr酶酶2 2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有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，因此细胞膜上可诱导出一系列特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶与底物分子相应的酶2 2。基团移位基团移位模式图模式图细胞膜外细胞膜外细胞膜内细胞膜内S SS SS SS S细胞膜细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2S SS SHPrHPrP P P PHPrHPr Enz1+Enz1+PEP PEP丙酮酸丙酮酸四种运输营养物质方式的比较四种运输营养物质方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转位基团转位特异载体蛋白特异载体蛋白运输速度运输速度物质运输方向物质运输方向运输分子运输分子能量消耗能量消耗物质的结构物质的结构无无慢慢由浓至稀由浓至稀无特异性无特异性不需要不需要不变不变有有快快由浓至稀由浓至稀特异性特异性不需要不需要不变不变有有快快由稀至浓由稀至浓特异性特异性需要需要不变不变有有快快由稀至浓由稀至浓特异性特异性需要需要改变改变第四节第四节 培养基培养基(medium)(medium)定义：定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。质（混合养料）。特点：特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。菌。用途：用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品保藏；制备微生物制品一、培养基配置的原则一、培养基配置的原则二、设计培养基的方法二、设计培养基的方法三、培养基的类型三、培养基的类型一、培养基的配制原则一、培养基的配制原则1.1.培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）2.2.营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）3.3.物理化学条件适宜（条件适宜）物理化学条件适宜（条件适宜）4.根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）1.1.培养基组分应适合微生物的营养特点培养基组分应适合微生物的营养特点 即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。不同不同营养类型营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。的微生物，其对营养物的需求差异很大。如如自养型自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养型微生物的培养基至少需要含有一种有机物物质组成。异养型微生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。按按微微生生物物的的主主要要类类群群来来说说，它它们们所所需需要要的的培培养养基基成成分分也也不同：不同：细细 菌：菌：牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏蛋白胨培养基 LB (Luria-Bertani)放线菌：放线菌：高氏高氏1号培养基号培养基 真真 菌：菌：查氏合成培养基查氏合成培养基 PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌：酵母菌：麦芽汁麦芽汁当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱生长谱法进行测法进行测定。定。2.2.营养物的浓度与比例应恰当营养物的浓度与比例应恰当浓度过高浓度过高微生物的生长起抑制作用，微生物的生长起抑制作用，浓度过小浓度过小不能满足微生物生长的需要。不能满足微生物生长的需要。碳氮比（碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物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；要指标；速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例各种金属离子间的比例 碳源中的碳原子的碳源中的碳原子的mol数数氮源中所含的氮原子的氮源中所含的氮原子的mol数数C/N比值比值=例：谷氨酸生产中例：谷氨酸生产中 C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。3.3.物理化学条件适宜物理化学条件适宜各类微生物的最适生长各类微生物的最适生长pH值各不相同：值各不相同：细细 菌：菌：7.08.0放线菌：放线菌：7.58.5酵母菌：酵母菌：3.86.0霉霉 菌：菌：4.05.8 在在微微生生物物的的生生长长和和代代谢谢过过程程中中，由由于于营营养养物物质质的的利利用用和和代代谢谢产产物物的的形形成成与与积积累累，培培养养基基的的初初始始pH值值会会发发生生改改变变，为为了了维维持持培培养养基基pH值值的的相相对对恒恒定定，通通常常采采用用下下列列两两种方式：种方式：内内源源调调节节：在在培培养养基基里里加加一一些些缓缓冲冲剂剂或或不不溶溶性性的的碳碳酸酸盐盐；调节培养基的碳氮比。调节培养基的碳氮比。外源调节外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液（1）pH值值磷酸缓冲液：磷酸缓冲液：pH值从值从6.07.6之间之间K2HPO4+HCl KH2PO4+KClKH2PO4+KOH K2HPO4+H2O加入加入CaCO3：CO32 HCO3 H2CO3 CO2+H2O+H+H+H+H培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。（2）渗透压和）渗透压和aw渗透压等渗溶液 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，直至破裂大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在则能在3mol/L NaCl的高渗溶的高渗溶液中生长。能在高盐环境（液中生长。能在高盐环境（2.86.2/L NaCl）生长的）生长的微生物常被称为微生物常被称为嗜盐微生物（嗜盐微生物（Halophiles）。（3）氧化还原电势氧化还原电势各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：好好氧氧微微生生物物：+0.3+0.4V,(在在0.1V以以上上的的环环境境中中均均能能生生长长).厌氧微生物：只能在厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长以下生长兼性厌氧微生物：兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、以上呼吸、+0.1V以下发酵以下发酵培培养养基基是是多多氧氧化化还还原原偶偶的的复复杂杂电电化化学学系系统统，测测出出的的Eh值值仅仅代表其综合结果。代表其综合结果。对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培培养养基基中中常常用用的的还还原原剂剂：巯巯基基乙乙醇醇、抗抗坏坏血血酸酸、硫硫化化氢氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。4.根据培养基的应用目的选择原料及其来源根据培养基的应用目的选择原料及其来源培养基的应用目的，即：培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？是实验室种子培养还是大规模发酵？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；氮比低）；用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元