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第三章微生物营养MicrobialNutrition营养物质：微生物为了生存就必须从环境中吸取各种物质以合成细胞物质、提供能量和调节新陈代谢。这些物质就称为营养物质。营养的概念：有机体吸取和利用营养物质的过程。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三、微生物的营养类型NutritionalRequirementsofMicrobialCells一、微生物细胞的化学组成（一）化学元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。微量元素(traceelement):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）（二）元素在细胞内存在形式：上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中：1、水（1）营养细胞含水量高，占细胞总重的70%~90%酵母70%~80%细菌70%~85%霉菌85%~90%（2）细菌芽孢、霉菌孢子含水量较低（一般为40%左右且大部分含的是结合水，小部分是游离水。游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的17%—28%。2、有机物质（1）在细胞的全部干物质中，90%以上是有机物质。（2）构成的有机元素有：C、H、O、N。通常C与N在细胞成分中的比例约为C：N≈4:1。（3）有机物质包括：①蛋白质大部分与其它物质形成结合蛋白。核蛋白（核酸+pr）合成Pr的场所；脂蛋白（脂类+pr）构成各种膜系统②核酸两种：DNA、RNA；含量：细菌真菌酵母霉菌③糖类有单糖、双糖和多糖。A．大部分以多糖的形式存在（肽聚糖、葡聚糖、甘露聚糖）。B．作为细胞的结构物质，参与细胞的组成。C．作为细胞的贮藏物质④脂类或游离，或与蛋白质、糖类结合成，缺碳、能源时，可被细胞利用。磷脂：主要是卵磷脂，与Pr结合成脂蛋白，是膜的组成成分。蜡：某些微生物的细胞壁外含有，对细胞具保护作用。固醇：真菌含有，主要是麦角固醇（VD前体），故作VD生产菌。⑤维生素主为B族V，尤以VB2、VB12为多，是许多酶活性基组成成分，酵母细胞中富有，故作B族V的生产菌。⑥其它色素、毒素、抗生素等。2、有机物质3、无机元素（1）占细胞干重的3%--10%。（2）大量元素(macroelement):P、S、K、Na、Ca、Mg，以P含量最高，可达全部灰分的50%。（3）微量元素(traceelement):Fe、Zn、Mn、B、Mo、Si（三）微生物细胞化学组成含量的变化主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15占细碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40重的核酸10~206~81%无机盐2~303.8~76~12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、培养条件、分析方法等而有所不同。二、营养物质及其生理功能碳源氮源无机盐生长因子水（一）、碳源（Carbonsource）◆定义：凡能为微生物提供碳素营养的物质。◆功能：构成细胞物质和代谢产物中的碳素;提供微生物生长发育所需要的能源。◆种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。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）、脂类、烃类、醇类、有机酸。假单胞：能利用90多种碳源。甲烷氧化菌：只能利用甲烷、甲醇某些纤维素分解菌，只能利用纤维素。不同微生物，对碳源的利用能力不同。微生物工业发酵中用做碳源的原料代粮节粮？纤维素、石油、CO2、H2生产SCP传统种类：糖类（单糖、饴糖、糖蜜、水解糖）淀粉（薯类、谷类、玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）农副产品(麸皮、米糠）工业废料（酒糟、废糖蜜、亚硫酸废液）凡能构成微生物细胞中氮素来源的营养物质。种类：分子态：（N2）主要是一些固氮微生物无机氮：无机氮化物NO3-NO2-NH4+等；有机氮：脲、胺、氨基酸、蛋白质、嘌呤或嘧啶实验用氮源：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏工业用氮源：尿素、氨水、花生饼粉、豆饼粉、麸皮、鱼粉、玉米浆等功能：1）提供合成细胞原生质（蛋白质、核酸）及其他结构的原料；2）为少数细菌提供能源（铵盐、硝酸盐）。（二）氮源（Nitrogensource）：硝酸盐NO3NH4+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，这种氮源叫做速效氮源。铵盐氨基酸入胞细胞物质蛋白胨豆饼蚕蛹粉分解入胞细胞物质诱导酶诱导酶生理酸性盐和生理碱性盐(NH4)2SO42NH4++SO42-入胞pHK+（Na+）+NO3-入胞pHKNO3NaNO3NH4NO3NH4+(先入胞)+NO3-(后入胞)（三）无机盐（inorganicsalt）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，多以无机盐的形式共给。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐少，特别是微量无素，常混杂在其它营养养质里，除特别需要外，一般不必另外添加。1、构成细胞的组成成分磷构成细胞膜2、作为酶活性基组成成分，参与酶的组成PCOACOICOⅡSVB1生物素硫辛酸，谷胱甘肽Fe过氧化氢酶，细胞色素氧化酶3、作为酶的激活剂CaK4、调节细胞的渗透性、酸碱度5、作化能自养菌的能源无机盐的生理功能：（四）生长因子（growthfactor）：定义:是微生物维持生命活动所不可缺少而需要量又不多特殊营养物质。通常微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足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。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。categories:Growthfactorsareorganizedintothreecategories:1.purinesandpyrimidines:requiredforsynthesisofnucleicacids(DNAandRNA)2.aminoacids:requiredforthesynthesisofproteins3.vitamins:neededascoenzymesandfunctionalgroupsofcertainenzymes生长素通常由酵母膏、动物肝浸出液或某些果实浸出液（马铃薯、麦芽汁、玉米浆）提供。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氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。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。根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：1.野生型(wildtype)原养型不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株。2.营养缺陷型(auxotroph)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质才能生长的菌株。水的生理功能：1、水是微生物细胞的重要组成成分，占营养细胞70%~90%。2、水是良好的溶剂。营物吸收，代谢产物的排泄，代谢反应物的代谢反应。3、水直接参与某些代谢反应如水解反应，光合作用。4、可有效调节细胞内的温度。（五）水（water）三、微生物的营养类型根据生长所需要的营养物质的性质（碳源），可将生物分成：异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质动物属于异养型生物，植物属于自养型，而微生物既有异养型的也有自养型的，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。根据生长时能量的来源不同分成：化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物：依靠光能进行生长动物和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。植物和少部分微生物属于光能营养型生物按供氢体分：无机营养型生物：以还原性无机物为电子供体。有机营养型生物：以有机物为电子工体。营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型光无机物CO2蓝细菌,紫硫细菌,（光能自养型）绿硫细菌,藻类光能有机营养型光有机物CO2及简红螺菌科的细菌（光能异养型）单有机物（紫色无硫细菌）化能无机营养型无机物*无机物CO2硝化细菌,硫化细（化能自养型）菌,铁细菌,氢细菌,硫磺细菌等化能有机营养型有机物有机物有机物绝大多数细菌和（化能异养型）全部真核微生物营养类型化能异养型微生物多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为下列两种类型：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，称为兼性腐生型或兼性寄生型。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活利用日光能）关于营养类型的定义：第二节培养基(medium)定义：由人工配制的、用来培养微生物的营养基质。特点：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菌。用途：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；菌种保藏；制备微生物制品一、培养基的配制原则（一）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）（一）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。就微生物的营养类型而言：自养型和异养型微生物。就微生物主要类群而言：它们所需要的培养基成分也不同：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌：麦芽汁（二）营养物的浓度与比例应恰当●浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过小——不能满足微生物生长的需要。●碳氮比（C/N）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要指标；●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碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数C/N比值=例：谷氨酸生产中C/N＝4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N＝3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。（三）物理化学条件适宜（1）pH:各类微生物的最适生长pH值各不相同：细菌：7.0~8.0放线菌：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8调节方式：A．配制培养基时，用1摩尔浓度的NaoH或HCl调B．生长过程中酸碱度的改变用缓冲剂（K2HPO4—KH2PO4）C．微生物大量产酸时，用CaCO3(不溶性)中和D、生产中按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液（三）物理化学条件适宜（续）☆磷酸缓冲液：pH值从6.0~7.6之间K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：CO32–HCO3–H2CO3CO2+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。（2）渗透压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