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第五章微生物的营养和生长食品微生物学伍国明副教授0757-85505558(O)wuguoming@tom.com佛山科学技术学院生命科学学院食品科学与工程系第五章微生物的营养和生长微生物学本课程曾获：2001:佛山科学技术学院首届十优课程2001:佛山科学技术学院教学成果一等奖2002:广东省教育厅高等学校电课三等奖2002.:广东省教育厅优秀教学软件奖三等奖2002:佛山市直院校计算机软件制作比赛一等奖2003.:佛山科学技术学院教学成果一等奖2003:广东省教育厅计算机教育软件三等奖2003:广东省教育厅高校“151工程”教改项目第五章微生物的营养和生长第五章微生物的营养和生长第一节微生物的营养微生物与其他生物一样，需要不断地从生长的外部环境中吸取所需要的各种营养物质，合成自身的细胞物质和提供机体进行各种生理活动所需要的能量，才能使机体进行正常的生长与繁殖，保证其生命的连续性。同时，产生各种代谢产物。第五章微生物的营养和生长第五章微生物的营养和生长营养物(或营养素，nutrient)是指具有营养功能的物质。在微生物学中，还包括光能这种非物质形式的能源在内。微生物的营养物可为它们正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素从碳源的大类来看，分为有机碳源与无机碳源两大类。凡必需利用有机碳源的微生物，称为异养微生物，大多数微生物属这类。凡能利用无机碳源的微生物，则是自养微生物。微生物的碳源谱虽然很广，但对异养微生物来说，其最适碳源是“C•H•O”型。其中，糖类是最广泛利用的碳源，其次是醇类、醛类、有机酸类和脂类等。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素纯多糖优于琼脂等杂多糖和其他大分子多糖如木质素。对异养微生物来说，它的碳源同时又充作能源。这时，可认为碳源是一种双功能的营养物。异养细菌虽必须利用各种有机碳源，但不少种类尤其是生长在动物的血液、组织和肠道中的致病微生物，还需要少量二氧化碳才能正常生长。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素因此，在培养它们时，常要提供10％(V/V)的二氧化碳；在其他好氧微生物生长时，如果用氢氧化钾除去二氧化碳，也往往对其生长有所抑制。在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的营养需要，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，只是其中各要素的比例不一定适合各种微生物的要求罢了。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素㈡氮源凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源(nitrogensource)。与碳源相似，微生物能利用的氮源种类即氮源谱也是十分广泛的。微生物的氮源谱有许多特点，与碳源相似，微生物的氮源谱也大大广于动物或植物。一般说来，异养微生物对氮源利用的顺序是“N•C•H•O”或“N•C•H•O•X”类优于“N•H”类，更优于“N•O”类，而最不易被利用的则是“N”类。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素从微生物所能利用的氮源种类来看，分为3类：①空气中分子态的氮，只有少数具有固氮能力的微生物(如固氮菌、根瘤菌)能利用。②无机氮化合物如铵态氮(NH4+)、硝态氮(N03-)和简单的有机氮化物(如尿素)，大多数微生物可以利用。它们能把非氨基酸的简单氮源(如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气)自行合成所需要的氨基酸，可称为“氨基酸自养型微生物”。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素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要有机氮化合物(如蛋白质、氨基酸)为必须的氮素营养，这类微生物可称“氨基酸异养型微生物”。所有的动物和大量的异养微生物是氨基酸异养型生物，而所有的绿色植物和很多的微生物都是氨基酸自养生物。㈢能源第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素能源(energysource)即是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。异养微生物的能源就是其碳源，因此，微生物的能源就显得十分简单：化能自养微生物的能源物质都是一些还原态的无机物质，例如，NH4+、N02+、S、H2S、H2和Fe2+等,能氧化利用这些物质的微生物都是细菌。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素有机物常有双功能或三功能，如“N•C.H•O”类营养物常是异养微生物的能源、碳源兼氮源。㈣生长因子生长因子(growthfactor)是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自己合成的有机物。它的需要量一般很少。广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4-C6的分枝或直链脂肪酸，第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素以及需要量较大的氨基酸；狭义的生长因子一般仅指维生素。⑵生长因子异养型微生物(auxoheterotrophs)。它们需要多种生长因子，如乳酸细菌、各种动物致病菌、原生动物和支原体等。⑶生长因子过量合成的微生物。有些微生物在其代谢活动中，第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素会合成出大量的维生素及其他生长因子，因此，它们可以作为维生素等的生产菌。最突出的是生产维生素的阿舒假囊酵母(Eremotheciumashbya)，其B2产量可达2.5g/L发酵液，棉阿舒囊霉(Ashbyagossypii)也生产维生素B2，谢氏丙酸菌(Propionibacteriumshermanii)生产维生素B12。㈤无机盐第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物。它们为机体提供必需的金属元素。这些金属元素在机体中的生理作用：参与酶的组成、调节酶的活性、维持细胞结构的稳定性、调节与维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。一般微生物生长所需要的无机盐浓度在10-3～10-4mol•L-1范围内的，可称为常量元素，例如磷、硫、钾、镁、钙、钠和铁等。第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素凡所需浓度在10-6～10-8mol•L-1范围内的，称为微量元素。㈥水除了少数微生物如蓝细菌能利用水中的氢作为还原二氧化碳时的还原剂外，其他微生物都不能利用水作为营养物，但它在微生物的代谢中起着重要作用。水的生理功能：①水是微生物细胞的重要组成成分，占活细胞总量的90％左右；第五章微生物的营养和生长一.微生物的六大营养素②机体内的一系列生理生化反应都离不开水；③营养物质的吸收与代谢产物的分泌都是通过水来完成的；④水的比热高，又是热的良好导体，因而能有效地吸收代谢过程中放出的热，并迅速地散发出去，避免细胞内温度突然升高，故能有效地控制温度的变化。第五章微生物的营养和生长二.微生物的营养类型通常依据微生物获取能源和碳源的方式，可以区分为光能无机营养、光能有机营养、化能无机营养和化能有机营养4种不同的营养类型。异养微生物：在生长时需要复杂的有机物作营养物质（有机营养型）自养微生物：在生长时能以简单的无机物质作营养物质（无机营养型）,无机营养型：第五章微生物的营养和生长二.微生物的营养类型可直接利用二氧化碳或碳酸盐作为唯一碳源进行生长、繁殖。腐生型：利用无生命的有机物质成分为营养料，完成生长繁殖的，称之。寄生性：寄生于活的有机体内获取营养（营寄生生活）。专性寄生：只能单一的营寄生生活。第五章微生物的营养和生长二.微生物的营养类型兼性寄生性（兼性腐生性）：既能在活的细胞内生长，又能在已死亡的有机体中生长（既营寄生生活，又能营腐生生活）绝大多数微生物所需的碳源、能源（有机营养型）是一致的，也有不一致的，根据微生物所需的能源、碳源不同，可以将微生物营养类型分为四类：第五章微生物的营养和生长二.微生物的营养类型㈠化能无机营养型（化能自养微生物）能源:氧化无机物，碳源:二氧化碳（或无机碳酸盐）可在无机环境中生长发育。㈡光能无机营养型（光能自养微生物）能源:光，碳源:二氧化碳。以无机物为供H体，以还原二氧化碳合成细胞有机物质，藻类和兰细菌及高等植物具有光合作用。第五章微生物的营养和生长二.微生物的营养类型㈢光能异养型（光能有机营养微生物）能源:光能,碳源:CO2，以有机物为供体以还原CO2合成有机物。㈣化能有机营养型（化能异养型微生物）：碳源和能源均是有机物H细菌：无机环境中：营自养（无机营养），利用H氧化获得能量同化CO2第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式大多数的微生物是属于渗透营养型的微生物。营养物质进入微生物细胞是一个复杂的生理过程。据目前所知，细胞壁起的作用不大，仅仅是简单地排阻分子量过大(600u)的溶质进入，而起作用的是磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜，它成为控制营养物进入和代谢产物排出的主要屏障。第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式一般认为，细胞膜以四种方式控制物质的运送，即单纯扩散、促进扩散、主动运送和基团移位。其中以主动运送为最重要。㈠单纯扩散单纯扩散(simplediffusion)又叫被动运送(passivetransport)。一般分子量小、脂溶性、极性小的营养物质容易吸收，第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式例如氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸分子，是由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内环境扩散。单纯扩散不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，因为细胞既不能通过这种方式来选择必需的营养物质，也不能逆浓度运送营养物质。㈡促进扩散第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式与单纯扩散相类似是物质在运输过程中不需要代谢能，物质本身分子结构也不会发生变化，不能进行逆浓度运送，运送的速率随着细胞内外该物质浓度差的缩小而降低，直到膜内外的浓度差消失，从而达到动态平衡。不同之处是物质在运送过程中，需要借助于膜上的一种载体蛋白参与物质的运送，并且每种载体蛋白只运送相应的物质。第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式此类载体蛋白类似于酶的作用特性，而且必须是诱导产生的。促进扩散只对生长在高营养浓度下的微生物发挥作用。㈢主动运送主动运送(activetransport)是微生物吸收营养物质的主要方式。主动运送不仅需要特异性载体蛋白参与运送过程，而且需要提供能量(ATP等)。第五章微生物的营养和生长三.营养物质进入细胞的方式载体蛋白与被运送物质之间亲和力大小的改变是由于载体蛋白构型变化而引起的。㈣基团移位基团移位(grouptranslocation)是另一种类型的主动运送。其特点是营养物质在运送的过程中需要载体蛋白和能量(ATP等)，并且物质分子还发生化学结构变化，这一点不同于主动运送。基团移位主要用于运送葡萄糖、果糖、核苷酸、丁酸、甘露糖和腺嘌呤等物质。第五章微生物的营养和生长四.培养基培养基(medium和culturemedium)是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的混合营养物质。所以，任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养元素，而且比例是合适的。培养基配制好后，必须立即进行灭菌，否则很快引起杂菌生长，并破坏其固有成分和性质。第五章微生物的营养和生长四.培养基㈠培养基配制的原则和方法⑴根据微生物的营养需要配制培养基。配制培养基时，首先要明确要培养什么菌，确定培养对象后，根据其营养需要确定其营养成分，对培养基中碳源和氮源的比例、pH的高低、渗透压的大小、生长因子需否、特殊成分的添加以及灭菌方法等都要考虑到，第五章微生物的营养和生长四.培养基并且还要考虑到培养的目的，综合考虑全面因素，才能配制出较好的培养基。⑵营养协调。微生物生长所需要的营养物往往是在浓度比例合适的条件下才会良好生长，浓度大了反而抑制其生长。从微生物菌体成分分析可知，微生物细胞中的不同成分或元素间是有较稳定的比例。另外，异养微生物中，碳源还兼作能源，而能源的需要量是很大的。第五章微生物的营养和生长四.培养基这两个关键点是确定培养基中营养物的浓度和比例的重要依据。①水分含量最高，因为水在微生物细胞内含量高；②碳源的含量其次；③氮、磷、硫、钾、镁的含量