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GansuAgriculturalUniversity第三章微生物的营养本章基本理论知识要点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．掌握微生物四大营养类型的划分依据及其微生物种类4．掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点GansuAgriculturalUniversity概述营养（nutrition）：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物（nutrient）：具有营养功能的物质。（包括光辐射能）。可以为正常的生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。意义：营养是生命活动的起点；学习微生物营养知识，是认识、利用和研究微生物的基础，可以为选用、改造和设计微生物的适宜培养基提供理论依据。GansuAgriculturalUniversity第一节微生物细胞的化学组成和营养要素微生物吸收何种营养物质取决于微生物细胞的化学组成。化学组成：微生物细胞与其他生物细胞没有本质上的差异。含水分80％左右，其余20％左右为干物质（蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等）。化学元素组成：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等，其中碳、氢、氧、氮是组成有机物质的四大元素，大约占干物质的90％～97％。其余的3％～10％是矿物质元素。GansuAgriculturalUniversity不同种类微生物细胞的化学组成有机元素(占干物质中的%)微生物种类CNHO细菌/Bacteria酵母/Yeast霉菌/Mold5049.847.91512.45.286.76.72031.140.2GansuAgriculturalUniversity第二节微生物的6类营养要素微生物在元素水平和营养要素水平上，与动物、植物间存在着“营养上的统一性”。元素水平：需要20种元素，以碳、氢、氧、氮、磷、硫6种为主。营养要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。GansuAgriculturalUniversity（一）碳源物质碳源（Carbonsource）：凡是可以被微生物利用，能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物。碳源是微生物需要量最大的营养物。碳源谱：可利用的碳源范围。微生物的碳源谱是极为广泛的，根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机碳源物质和有机碳源物质。异养微生物：凡必须利用有机碳的微生物；（大多数）自养微生物：凡以无机碳为碳源的微生物。（较少种类）GansuAgriculturalUniversity微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉机C·H·O·N多数氨基酸及简单蛋白质等氨基酸、明胶碳C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、淀粉C·H烃类石油及其馏分等无C？————机C·OCO2CO2碳C·O·XNaHCO3、CaCO3等NaHCO3、CaCO3等GansuAgriculturalUniversity应用•糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利用。•在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、果胶、纤维素等，这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架外，还产生能量供合成代谢需要的能量，所以部分碳源物质既是碳源物质，同时又是能源物质。•在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。GansuAgriculturalUniversity（二）氮源物质氮源（Nitrogensource）：凡是可以被微生物利用，能满足微生物生长繁殖所需氮元素的营养物。是微生物需要主要的营养物。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而合成蛋白质、核酸等细胞成分，以及含氮的代谢产物。微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型：1．分子态氮：只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。2．无机氮化合物：如铵态氮（NH4+）、硝态氮（NO3-）和简单的有机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。3．有机氮化合物：大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微生物的氮源。无机的氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌，如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提供氮源的同时，通过氧化产生代谢能。GansuAgriculturalUniversity（三）能源（Energysource）•能源：凡能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能。•微生物的能源谱：1.化学物质：有机物（化能异养型微生物的能源，同碳源）无机物（化能自养型微生物的能源，不同于碳源）2.辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源。GansuAgriculturalUniversity（四）无机盐（Mineralsalts）功能：微生物细胞中的矿物元素约占干重的3％～10％左右，它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。无机矿质元素分为大量元素和微量元素。GansuAgriculturalUniversity1.大量矿质元素：浓度在10-3—10-4mol/L，磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、三磷酸腺苷（ATP）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能。2.微量矿质元素：钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在培养基中含有10-6—10-8mol/L就可以满足需要。酶激活剂或特殊分子结构成分。GansuAgriculturalUniversity(五)生长因子(Growthfactor)生长因子：是微生物维持正常生命活动所不可缺少的、但不能利用简单碳源和氮源自行合成的微量特殊有机物。这些物质在微生物自身不能合成，必须在培养基中加入。缺少这些生长因子就会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行。生长因子包括：维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有机营养物。而狭义的生长因子仅指维生素。这些微量营养物质被微生物吸收后，一般不被分解，并不作为结构性物质和能源，而是直接参与或调节代谢反应。GansuAgriculturalUniversity微生物类型1.生长因子自养型微生物：不需要从外界吸收任何生长因子；(自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌)2.生长因子异养型微生物：需要从外界吸收多种生长因子；动物病原菌、乳酸菌等;3.生长因子过量合成微生物：能合成并大量分泌生长因子；（阿舒假囊酵母）GansuAgriculturalUniversity（六）水分•水分是微生物细胞的主要组成成分，大约占鲜重的70％～90％。不同种类、不同时期发育微生物细胞含水量不同；•微生物所含水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。•结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。•游离水具有一般水的特性，是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。GansuAgriculturalUniversity第三节微生物对营养物质的吸收微生物对营养物质的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点来吸收营养物质的。不同的方式：（1）小分子营养物质，如水、单糖、简单醇、有机酸等，直接吸收；（2）大分子营养物质，如蛋白质、多糖、脂肪等，微生物则分泌出相应的胞外酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞外发挥作用）将大分子降解成小分子后，再吸收利用。各种物质对细胞质膜的透性不一样，营养物质主要以以下几种方式透过细胞膜。GansuAgriculturalUniversity一、单纯扩散（simplediffusion）•这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。其特点是–物质由高浓度区向低浓度区扩散（顺浓度梯度）；–这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；–一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失，细胞内外的物质交换达到动态平衡；–单纯扩散是非特异性的。没有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与膜上的分子发生反应，扩散的物质本身也不发生改变；–单纯扩散的物质主要是一些小分子物质，如一些气体（O2、CO2）、水、某些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。GansuAgriculturalUniversity二、促进扩散（facilitateddiffusion）在细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能的特异性蛋白质，称为渗透酶。它们大多是诱导酶，当外界存在所需的营养物质时，能诱导细胞产生相应的渗透酶，每一种渗透酶能帮助一类营养物质的运输。其特点如下：–依靠渗透酶与底物的亲和力的改变，达到携带营养物质的作用（有载体）；–物质由高浓度区向低浓度区扩散（顺浓度梯度）；–这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；–一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失，细胞内外的物质交换达到动态平衡；葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、Ca2+、Na+、K+等的载体蛋白。促进扩散是真核生物的普遍运输机制，如酵母菌运输糖类就是通过这种方式，在原核生物中却少见，在厌氧微生物中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵产物的排出。GansuAgriculturalUniversity三、主动运输（activetransport）主动运输的特点营养物质的吸收不受浓度梯度的影响，并且多数情况是由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度地被“抽”进细胞内的。–不仅需要渗透酶携带，渗透酶与底物有高度的特异性，其与底物的亲和力随渗透酶的构型而改变；–渗透酶构型的改变，需要能量，能量由ATP提供，由于对其营养物质具有高度亲和力，并且特异性地与之结合，形成渗透酶-运载物质复合体。复合体旋转180°从膜外方转移到细胞膜内表面，消耗代谢能量ATP，使渗透酶构型发生变化，亲和力减弱，于是被结合的物质则被释放到细胞质中去。构型变化的渗透酶，再获得能量恢复原状，亲和力增强，结合位置朝向膜外，又可重复进行这种主动运输。–是微生物物质运输的主要方式。GansuAgriculturalUniversity四、基团转位（grouptranslocation）•除具有主动运输的特点外，主要是被转运的物质在运送前后分子结构的发生变化。•这种运输过程的磷酸转移酶系统包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和热稳定载体蛋白（HPr）。酶Ⅰ是非特异性的，它们对许多糖都一样起作用。酶Ⅱ是膜上的结构酶，并能诱导产生，它对某一种糖具有特异性，只能运载某一种糖类，酶Ⅱ同时起着渗透酶和磷酸转移酶的作用。HPr是热稳定的可溶性蛋白质，它能够象高能磷酸载体一样起作用。GansuAgriculturalUniversity该酶系统催化的反应分两步①HPr被磷酸烯醇丙酮酸(PEP)磷酸化（激活）：酶ⅠPEP+Hpr-------→磷酸～HPr+丙酮酸②糖经磷酸化而运入细胞膜内：磷酸～HPr将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的6-磷酸葡萄糖释放到细胞质内。这