第五章微生物的营养.

第五章微生物的营养微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（nutrition）。微生物细胞的化学组成微生物的营养物质及生理功能微生物对营养物质的吸收方式微生物的营养类型培养基培养基微生物对营养物质的吸收方式微生物的营养物质及生理功能本章目标1．了解微生物的细胞化学组成。2．掌握微生物的营养要素及其功能。3．掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点。4．掌握微生物四大营养类型的划分依据及其微生物种类。一、微生物细胞的化学组成1.从元素上讲微生物细胞化学组成与其他高等动植物细胞一样。大量元素：碳、氢、氧、氮、P和S。细胞组成需求量10-4mol/L微量元素：K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等。这些元素组成细胞的有机和无机成分。不同微生物各元素的含量和种类也不同，并随培养条件、菌龄等发生变化。见下表。微生物细胞中几种主要元素的含量（%）元素细菌酵母菌霉菌碳50.449.847.9氮1512.45.24氢6.786.716.70氧30.5231.1840.2磷3------硫1------2.从化合物水平上讲构成微生物细胞的元素存在形式：水分和无机盐、有机化合物（蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸）。微生物细胞组成水干物质无机物（盐）有机物：蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸、维生素、抗生素70%微生物细胞中几种主要化合物的含量（%）组成细菌酵母菌霉菌水分75～8570～8085～90固形物(占总固形物)蛋白质50～8032～7514～15糖类12～2827～637～40脂类5～202～154～40核酸10～206～86～12无机元素2～303.8～7---1.水占细胞质量的70%-90%形式结合水：直接参与细胞的结构组成；自由水：为新陈代谢提供液态环境；生理功能：（1）细胞的组成成分；（2）细胞生理反应的介质；（3）参与新陈代谢；（4）调节细胞内温度；（5）维持细胞内生物大分子构象的稳定。水2.碳水化合物占固形物的30%以上单糖：双糖多糖：脂多糖、肽聚糖、纤维素、淀粉等功能：（1）细胞的结构组成；（2）作为碳源和能源；（3）作为细胞内储藏物质；2.蛋白质细胞干物质的主要成分，占固形物的40%-80%。简单蛋白质：水解后只产生氨基酸；结合蛋白质：氨基酸、有机或无机化合物（碳水化合物、脂质、核酸等）功能：（1）参与细胞的结构组成；（2）催化各种生理生化反应（酶）；（3）参与营养物质的跨膜运输。微生物的各种生理现象和生命活动都离不开蛋白质。3.核酸占固形物的10%-15%。DNA：原核裸露，真核与Pro结合；RNA:参与蛋白质的生物合成，与结合形成核蛋白体，决定病毒的侵染力和遗传信息的传递。4.脂类脂肪酸、磷脂、糖脂、蜡脂和固醇等。以游离态或与蛋白质结合态存在于细胞壁、细胞膜和细胞质中。5.维生素、抗生素和无机盐类二、微生物的营养物质及生理功能水营养物质碳源氮源能源生长因子无机盐微生物在生长过程中需要不断从环境中摄取的营养物质和获得能量，决定了微生物营养的六大要素：二、微生物的营养物质及生理功能1.微生物必须吸收充足水分。（水分）2.需要碳源构成细胞有机物碳架，并提供能量（碳源）3.需要合成蛋白质、氨基酸。（氮源）4.需要多种矿物质元素和一些生长因子才能行正常生长发育。（无机盐和生长因子）存在形式:结合水和游离水，占细胞干重的70～90％。作用：1.参与细胞呼吸和光合作用。2.细胞的重要组成。3.细胞内生化反应的良好介质。4.良好的溶剂和介质。5.调节细胞的温度，保持细胞内环境的稳定。特点：（1）微生物种类不同，含水量也不同。（2）同种微生物在不同发育时期和不同的环境中，水分含量也不同。幼龄菌＞衰老型＞休眠体1.水２.碳源概念微生物生长提供碳素来源的物质种类无机碳化合物CO2和碳酸盐有机碳化合物淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、脂肪、氨基酸、蛋白质、有机酸作用为机体完成整个生理活动和机体生长提供能量常用实验室葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸。发酵工业饴糖和淀粉3.氮源概念能供给微生物氮素来源。种类简单的无机氮：NH3。复杂的有机氮：蛋白质及其水解产物，胨、肽、氨基酸等。常用培养基:铵盐、硝酸盐、尿素、牛肉膏、蛋白胨、多肽、氨基酸和蛋白质工业发酵:黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆和酵母粉。作用构成微生物细胞物质或代谢产物中氮素成分的营养物质。4.无机盐概念微生物生长、代谢必不可少的一类营养物质。作用①作为酶活性中心的组成部分。如铁→过氧化酶钙→蛋白酶。②构成微生物细胞的各种组分。磷→核酸③调节并维持细胞的渗透压平衡、pH和控制细胞的氧化还原位。如氯化钠。④作为某些微生物生长的能源物质。如铁→铁细菌能源物质。种类磷酸盐、硫酸盐、氯化物，以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。5.生长因子指微生物生命活动不可缺少的，本身又不能自行合成，必须从外界供给的微量有机物。概念特点微生物自身不能合成，必须由外源供给。作用①提供微生物细胞重要物质构成细胞成分。(如嘌呤、嘧啶构成核酸)。②参与代谢，维持生命的正常活动，如维生素构成酶的辅基。种类维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶及其衍生物、卟啉及其衍生物、固醇、胺类以及脂肪酸等。6.能源凡能提供微生物生命活动过程中所需要来源的物质，概念种类因微生物种类不同而不同例如①异养型微生物：碳源就是能源，少数氮源充当或利用日光作为能源。②自养型微生物：光能自养菌利用太阳能，化能自养菌利用氧化无机物获得能量。三、培养基（一）配制原则1.适合微生物的营养需求2.合适的碳氮比3.PH4.渗透压5.氧化还原电位1.碳源碳源同时又是能源，以糖类物质为主。获得微生物菌体，以单糖，双糖为主；获得生物代谢产物，以农副产品为主，如玉米粉、淀粉、麦麸等。加入不同的糖类，对灭菌方法有要求。2.氮源除培养固氮菌不加外，其他均需加入有机或无机氮源。有机氮源：pro、明胶、牛肉膏和酪蛋白水解物无机氮源：铵盐（细菌）、硝酸盐等注意速效、长效氮源相搭配3.碳氮比除碳、氮的浓度要适宜外，还要注意C/N。C/N=C含量/N含量=还原糖含量/粗蛋白含量若微生物代谢产物中含碳量较高，则C/N比要高；若微生物代谢产物中含氮量较高，则C/N比要低。注意：不同微生物所需C/N比不同；同种微生物，不同生长阶段所需C/N比不同。如：发酵法生产谷氨酸4.矿质元素以无机盐形式添加到培养基中；添加时需统筹考虑；除特别需要外，不需额外加入微量元素，过量微量元素会毒害微生物细胞。5.生长因子针对异养型微生物（营养缺陷）；维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等（酵母膏、牛肉膏、酪蛋白水解物、动植物组织浸液等）；6.PH值除调节培养基的初始PH外，还应考虑培养基灭菌后及发酵过程中PH值的变化。常在培养基中加入缓冲剂或不溶性的碳酸盐。如：KH2PO4、K2HPO4、CaCO3等。因发酵过程中，营养物质的消耗和代谢产物的积累会引起发酵液PH值的变化。细菌7.0--8.0放线菌7.5--8.5酵母菌3.8--6.0霉菌4.0--5.87.渗透压培养基中营养物质浓度要合适，浓度太低不能满足微生物生长需求，浓度太高造成渗透压高，抑制微生物的生长繁殖。8.氧化还原电位氧化还原电位是度量某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。环境的氧化还原电位与氧分压及环境pH值相关。不同种类微生物的临界Eh值各不相等。一般来说，好氧菌以+0.3～+0.4V时为宜，厌氧菌只能在+0.1V以下的环境中生长，兼性需氧菌的生长范围介于二者之间。高压蒸汽灭菌法121℃15--30min过滤除菌法激素、氨基酸等培养基灭菌前避免有泡沫产生。有时使用螯合剂，避免产生沉淀。（二）培养基的灭菌培养基按其组成物质的化学成分、物理状态、营养成分和用途可分为四大类型。1.按化学成分合成培养基:原料其化学成分明确、稳定适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业生产天然培养基:采用天然原料原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适于工业化生产原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性（三）培养基的类型及功能2.按物理状态固体培养基:适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香菇、白木耳等的生产半固体培养基:即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为0.5%～0.8%,主要用于微生物的鉴定。液体培养基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。3.按营养成分基本培养基：最低限度培养基，缺生长因子[-]完全培养基：加入生长因子[+]补充培养基:[A][B]4.按用途增殖培养基：在培养基中加入某种微生物特别喜欢的营养物质使其生长繁殖，最终使该微生物分离出来的培养基。如：石蜡油培养基分离酵母菌选择培养基：在培养基中加入某种物质以杀死或抑制不需要的微生物生长的培养基。鉴别培养基：在培养基中加入某试剂或化学药品，使难以区分的微生物经培养后呈现出明显差别，有助于快速鉴定某种微生物的培养基。如：伊红美蓝培养基5.按生产目的种子培养基：保证发酵工业获得大量优质菌种的培养基，氮源比例高，营养丰富。发酵培养基：为满足生产菌种大量生长繁殖并能够积累大量代谢产物而设计的培养基。碳源比例高。因用量大，要求原料来源广泛，成本低廉。四、微生物对营养物质的吸收方式微生物从外界环境中吸收各种营养物质，同时将体内代谢的废物排泄到细胞外。微生物的物质交换发生在细胞表面，细胞表面积越大，物质交换的数量就越多，速度也越快，越有利于微生物吸收营养物质。细胞膜对营养物质高度选择，控制着微生物细胞内外的物质交换。新陈代谢被动扩散促进扩散主动运输基团转位四、微生物对营养物质的吸收方式1.被动扩散（单纯扩散，passivediffusion）（1）定义被动扩散（simplediffusion）又称单纯扩散（passivetransport），指疏水性双分子层细胞膜（包括孔蛋白在内）在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。（2）特点不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差；扩散是非特异性的，不需载体蛋白协助；扩散过程中，物质不与膜上各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化；一些小分子、极性小非电离的尤其是亲脂性的分子由这种方式扩散。如：水、某些气体（如N2，CO2，O2）、脂溶性物质（甘油，乙醇，苯）及少数氨基酸和盐可能采取被动扩散的方式通过细胞膜。被动扩散对营养物的运送缺乏选择能力和逆浓度梯度的“浓缩”能力，不是细胞获取营养物质的主要方式。2.促进扩散（facilitateddiffusion）（1）定义促进扩散（facilitateddiffusion）指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白（carrierprotein）的协助，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。载体蛋白有时称作透性酶（permease）、移位酶（translocase）或移位蛋白（translocatorprotein），存在于细胞膜上，一般通过诱导产生，它借助自身构象的变化，在不耗能的条件下可加速把膜外高浓度的溶质扩散到膜内，直至膜内外该溶质浓度相等为止。每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。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（2）特点不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差；物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；载体蛋白对被运送的物质具有高度专一性；例如：酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）对各种糖、氨基酸和维生素的吸收；E.coli对甘油的吸收等。载体蛋白一般由几个亚基构成，