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第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-1第五章微生物营养与代谢本章提要:微生物营养是微生物将摄自外界环境中的化学物质转化成为其细胞的组分和结构,并在此过程中获得生命活动所须能量的过程。这些获自外界环境，可为细胞提供组分结构、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质(在光能营养微生物中，还包括日光能)称为营养物质。微生物营养中有碳源、能源、氮源、无机盐、生长因子以及水6大要素物质。根据能源、氢供体与碳源的来源不同，微生物营养类型可分为四大类型：光能自养(光能无机营养)型、光能异养(光能有机营养)型、化学自养(化能无机营养)型以及化学异养(化能有机营养)型。物质进出微生物细胞的方式主要有4种：单纯扩散、易化扩散、主动转运与基团转位。为人工培养微生物制备的、提供微生物以适合营养条件的基质称为培养基。培养基的种类虽然繁多，但制备培养基必须遵循“有的放矢、营养协调、条件适宜、经济节约”的16字基本原则。根据所培养微生物的类群和营养类型，对培养基组分和化学成分的了解程度，制备好的培养基的物理状态以及培养基的功能可以分为许多名称和用途各异的培养基。微生物研究中要采用纯培养。微生物培养方式根据是否需要供氧分为好氧培养和厌氧培养，根据培养介质的状态分为固体培养和液体培养，根据培养介质供给方式分为分批培养和连续培养，根据培养细胞的生理生化状态是否处于同一阶段分为同步培养和非同步培养,测定微生物群体生长的方法主要有细胞计数法、称重法和代谢产物分析法等。微生物代谢的显著特点是旺盛、多样化及其严格的调节和灵活性。微生物有着多样化的能量代谢。化能异养微生物在有氧或无氧条件下以有机物为生物氧化基质，以氧或其自身内部的有机物为末端氢(电子)受体，通过有氧呼吸或厌氧发酵产能。就产能效率来说，呼吸要比发酵高得多；可就途径和产物而言，发酵要比呼吸丰富得多。无氧呼吸是在厌氧条件下以外源无机氧化物或有机氧化物(较为罕见)为末端氢(电子)受体时发生的一类产能效率低的呼吸。光能微生物以光为能源，利用C02(光能自养)或有机碳化合物(光能异养)通过光合磷酸化产能。光合细菌有3类光合作用，它们分别是依靠菌绿素、叶绿素或菌视紫红质的光合作用。化能自养微生物以C02作为主要或唯一碳源，从还原态无机物的生物氧化过程中取得合成其细胞物质所需的能量与还原力。化能自养细菌的产能效率、生长速率和细胞得率均很低。自养细菌将生物氧化过程中取得的能量主要用于C02固定，有3条主要的固定C02途径：Calvin循环、还原性三羧酸循环途径和乙酰—CoA途径。微生物具有一些独特的合成代谢，如固氮作用、肽聚糖合成等。微生物有两种主要的代谢调节方式：酶合成的调节和酶活力的调节。本章重点和难点：微生物营养类型，微生物的产能方式和微生物特有的合成代谢（生物固氮、肽聚糖合成、次生代谢产物）5.1微生物的营养物质和营养类型微生物细胞由多种类型化学物质组成。其中最主要的是蛋白质、核酸、多糖和脂质这四类生物大分子，它们要占到细胞干重的96％。其余就是组成它们的单体以及无机盐等。水也是微生物细胞的重要组成成分，通常微生物细胞的70％是水。此外，还有有机酸、维生素、激素等有机化合物。这些形形色色的化学物质均由碳、氢、氧、氮、磷、硫以及其他为数不多的化学元素构成。第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-2这些化学元素都来自于胞外环境。微生物细胞利用含这些化学元素的物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为微生物细胞的结构。细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用(nutrition)。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料(nutrient)。5.1.1营养物质及其功能从元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10种，且C、H、O、N、S、P还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。1.碳源：凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。碳素的主要作用是组成菌体细胞物质和共给微生物生长发育所需的能量。碳源分无机（CO2及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类）。实验室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。(微生物对碳源的需要是极其广泛的，从简单的无机盐化合物到复杂的天然有机含碳化合物都能利用，但不同的微生物对碳源的需要是不同的，有的利用相当广泛（如假单胞杆菌属的某些细菌，能利用90种以上的碳源），而有的范围较窄（如甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇，某些纤维素分解菌只能利用纤维素等）。总之，除培养自养微生物外，一般均用有机碳源。)(碳源:凡可构成微生物细胞碳水化合物中碳架营养物质称之。碳素作用:①构成微生物细胞物质;②供给微生物生长发育所需能量。大多数微生物是以有机碳化合物作为碳源和能源,例如糖类、有机物、脂肪、烃类等。其中糖类如葡萄糖、蔗糖是最好碳源,也有少数种类利用二氧化碳作为碳源。且大多数微生物的碳源能源为一致的,但是以二氧化碳作为碳源的微生物同时还需要日光或其他无机物的氧化来获取能量,所以利用二氧化碳的微生物碳源和能源为分别不同物质。)(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。见表)表微生物利用的碳源物质种类碳源物质备注糖葡萄糖、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、氨基酸等与糖类比效果较差，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。醇乙醇在低浓度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。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、肋、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。2.氮源:构成微生物细胞物质代谢产物中氮素来源营养物质称之。氮素作用:是蛋白质基本成分,一般不提供能量。但硝化细菌能利用铵盐,硝酸盐作为碳源。梭菌对糖利用不活跃,需要氨基酸作唯一能源。从分子态氮到复杂的含氮化合物都能为不同的微生物所利用。微生物利用氮源途径:N2固氮酶(N2)固氮微生物→NH4—N→蛋白质大多数微生物可利用无机氮化合物:铵盐,硝酸盐,但利用的较多的是NH4-N,利用NO3-N则要适当的浓度,高浓度易产生毒害,NO3-N要转化成NH4-N才转化成蛋白质。原生营养:凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(营养缺陷型):某些微生物由于合成能力发生障碍,所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。3.矿质元素(无机盐类矿质营养)(无机盐类只占3-10%,在无机盐类中P占去50%)矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质，可分为两大类，即大量元素(P、K、Mg、Ga、S、Na等)和微量元素(Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co)。其主要功能是：①细胞的组成成分;②酶的组成成分维持酶的活性;③调节细胞渗透压、pH、Eh;④某些矿质元素作为自养的能源。4.生长素（生长辅助物质亦叫生长因子）是微生物生长代谢所必需的,但微生物本身又不能合成的微量的特殊营养物。如培养一些微生物虽供给水、碳源、氮源和无机盐但仍不能生长,必须加一定量的动植物汁液(如马玲薯汁.酵母粉成动物肝脏浸出汁才能生长或生长良好)。生长素根据化学结构及代谢功能分:①Vitamin(E):是辅酶的组成结构;②Aminoacid:供给微生物必需的本身又不能合成的某些氨氨基酸,如缺陷型微生物③碱基(嘧啶、嘌呤):构成核酸和辅酶④末知成分第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-3微生物对生长素需要情况分三类情况:①自养微生物不需外源供应;②需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长;③要供给多种生长因素才能生长(常需要供给植物汁液、动物煮汁才能生长)。5.H2O:各类微生物都含有大量水分,占90%左右。其中细菌含水量为鲜重75—85%,酵母菌70—85%,霉菌85—90%,芽孢45%,霉菌孢子38%。一般说低等微生物含水量大于高等微生物,幼令菌含水量大于老令菌。作用：①微生物机体重要组成;②直接参加各种代谢反应;③是微生物代谢反应的中间介质;④调节微生物细胞温度(水比热大有利吸热,散热);⑤水维持细胞膨压。5.1.2微生物的营养类型根据微生物所需要的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为四大类：1.光能无机营养型(或称光能自养型)这类微生物是利用光作为生活所需要的能源，以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物作为供氢体来还原CO2合成细胞的有机物质。如藻类和少数细菌(红硫细菌、绿硫细菌)，它们都含光和色素(叶绿素或细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)，可以在完全无机的环境中生长，所以称光能无机营养型。但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻胆素因不能单独进行光合作用而称为辅助色素，其主要功能是捕获光能转移到光反应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。光能CO2+H2O[CH2O]+O2叶绿素光能CO2+2H2S[CH2O]+2S+H2O细胞叶绿素光能CO2+2H2A[CH2O]+H2O+2A光合色素第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-42.光能有机营养型(光能异养型)这类微生物利用光作为能源，利用简单有机物作为供氢体以还原CO2合成细胞有机物质。如红螺细菌：CH3光能CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2OCH3光合色素(异丙醇)(丙酮)3.化能无机营养型(化能自养型)能从无机物氧化过程中获得能量，并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。如铁细菌、亚消化细菌、消化细菌和硫细菌。Fe+2Fe+3+e+能量2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量2HNO2+O22HNO3+能量2S+3O2+H2O2H2SO4+能量能量CO2+[4H][CH2O]+H2O4.化能有机营养型(化能异养型)这是一类以有机物为能源和碳源的微生物，包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。5.1.3培养基1.培养基的配制原则①根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。培养自养型微生物,培养基所有成分,应完全是简单的无机物;培养异养型微生物,培养基应有≥1种有机物;对营养缺陷型微生物,要加所需的生长素或氨基酸或碱基等有机化合物;若要分离培养某种特异的微生物要根据特殊要求配制培养基。②注意营养物质的浓度比和C/N比。如:糖分含量要适合,微生物生长才能良好,糖分过多则抑制微生物生长。一般微生物适应C/N是25:1(C/N:一般指元素C/N的比值,也指培养基中还原糖的含量与粗蛋白质含量的比值)。③调节适宜的pH值大多数细菌.放线菌的pH值为中性至微碱性pH7—7.5;酵母,霉菌则偏酸性pH4.5—6.0。微生物在培养过程中会引起pH变化,为了保持培养基中有恒定的pH值,要加入一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐。④根据培养微生物的目的决定成分的量。如培养目的的量为了得到大量的菌体,氮源要高,有利于菌体蛋白质合成。培养基配制以后要灭菌以后才能应用。2.培养基的类型及其应用⑴化学组成根据培养基组成物质的化学成分是否完全了解，可将培养基分为合成培养基和天然培养基合成培养基：用化学成分已知的营养物质配制而成的培养基。天然培养基：用化