微生物营养与培养基

第五章微生物营养与培养基营养(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。营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。一些微生物可利用非物质形式的能源光能。一、细胞化学组成整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（占干重90－97%），C占约50%，此外为各种无机元素，由这些元素再组成化合物。其中C/N一般是5:1。第一节微生物的六种营养要素元素大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等存在方式有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降解产物、代谢中间产物无机盐灰分水—细胞湿重的70%~90%元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氢85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.2微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。微生物是杂食性的：二、主要营养物及其功能碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)能源（Energysource)生长因子（Growthfactor)无机盐(Inorganicsalt)水(Water)六种营养要素参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源功能:营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源（一）碳源(carbonsource)提供微生物营养所需碳元素的营养源。有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等无机碳源：CO2,Na2CO3,CaCO3等糖类：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，等有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等醇类：乙醇，等脂类：脂肪，磷脂，等烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油，等CO2碳酸盐：NaHCO3,CaCO3,白垩，等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸微生物可利用的碳源(化合物分类)有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4气态氮源：大气N2（二）氮源(nitrogensource)凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。氮源一般不作能源。速效氮源迟效氮源能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。（三）能源(energysource)异养微生物的碳源同时也是能源无机物：化能自养微生物的能源能源谱化学物质辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源单功能：辐射能双功能：还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能源，又是氮源三功能：N·C·H·O类营养物质常是异养微生物的能源，碳源兼氮源一种营养物具有一种以上营养要素的功能一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。(四)生长因子(growthfactor)作用：辅酶或酶活化所需。狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等生长因子自养型微生物（auxoautotrophs)生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs)营养缺陷型微生物（nutritionaldeficiency)变株生长因子过量合成型微生物维生素微生物的种硫胺素(B1)Bacillusanthracis(炭疽芽孢杆菌)核黄素Clostridiumtetani(破伤风梭菌)烟酸Brucellaabortus(流产布鲁氏杆菌)吡哆酸(B6)Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌)生物素Leuconostocmesenteroides(肠膜状明串珠菌)泛酸Proteusmorganii(摩氏变形杆菌)叶酸Leuconostocdextranicum(葡聚糖明串珠菌)钴胺酸(B12)Lactobacillusspp.维生素KBacteroidesmelaninogenicus(产黑素拟杆菌)若干细菌所需要的维生素维生素转移的对象代谢功能硫胺素(B1)乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a－酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6)氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素B12羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关维生素的生理功能（五）无机盐(inorganicsalts)所需浓度在10-3-10-4M的元素为大量元素所需浓度在10-6-10-8M的元素为微量元素无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持(Na+等)酶的激活剂(Mg等)pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)生理作用：细胞组成成分生化反应溶剂化学、生理反应介质物质运输媒体调节细胞温度维持细胞的渗透压（六）水存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源第二节微生物营养类型依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能依生长因子的不同：原养型(prototroph)或野生型(wildtype)营养缺陷型(auxotroph)微生物的营养类型营养类型能源碳源实例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2及简单有机物红螺细菌化能自养型无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌化能异养型有机物有机物绝大多数微生物，原生动物寄生型(parasitism)——寄生于活的生物体腐生型(saprophytism)——寄生于死亡的生物有机体化能异养型营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物，即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利用氧化有机物或吸收日光能而获得。自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。第三节细胞对营养物质的吸收离子化合物：弱快强慢（极性）营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(600Da)的溶质进入,而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。通透性与吸收是不同概念一般大分子先水解为小分子，再吸收脂溶性物质：易透过一、单纯扩散(simplediffusion)依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；不消耗代谢能，无特异性；运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。二、促进扩散(facilitateddiffusion)利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。特点：需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输不消耗能量运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）载体蛋白(carrierprotein)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。促进扩散示意图胞外细胞膜胞内单纯扩散促进扩散浓度梯度单纯扩散和促进扩散的比较单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台单纯扩散、促进扩散、主动运输：被运输的溶质分子不发生改变。3、主动运输(activetransport)特点：是微生物吸收营养的主要方式可逆浓度梯度运输，耗能需载体蛋白，有特异性运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象亲和力改变→蛋白构象改变→耗能细胞内细胞外(或细菌周质空间)电子转运1.电子转移能被用来将质子泵出膜外2.质子梯度通过反运输机制将钠离子逐出膜外3.钠离子与载体蛋白复合物相结合4.溶质结合位点的形状发生改变，而与溶质(如糖和氨基酸)结合5.载体蛋白的构象发生改变，钠离子在膜内释放，随后溶质从载体蛋白解离主动运输的机制：使用质子(H+)和钠离子(Na+)梯度。特点：属主动运输类型溶质分子发生化学修饰定向磷酸化需复杂的运输酶系参与运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等4、基团转位(grouptranslocation)膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。PEP+HPrEI丙酮酸+P-HPrP-HPr+糖EII糖-P+HPr1.热稳定性载体蛋白(heatstablecarrierprotein,HPr)的激活2.糖磷酸化后运入膜内基团转位运输葡萄糖示意图两类磷酸烯醇式丙酮酸：糖基磷酸转移酶(PTS)系统高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIA,EIIA与EIIB在甘露糖转运系统中相连，在葡萄糖转运系统中分开。无论那种形式，磷酸都从EIIA转移至EIIB，再经过穿膜的转运过程而转移至糖基。磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),第一个酶I(EI),低分子量热稳定性载体蛋白(HPr),第二个酶I(EII)胞质细胞质基质培养基(medium，culturemedium)：是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。第四节培养基（一）四个原则1、目的明确（根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基）培养什么微生物、获得什么产物、用途二、选择和配制培养基的原则和方法2、营养协调营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比)C/N比:微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。一般培养基的C/N比为100/0.5～2。以含氮量来看：NH3(82%)CO(NH2)2(46%)NH4NO3(35%)(NH4)2CO3(29.2%)(NH4)2SO4(21%)适宜营养物质的选择表3微生物常见的有机碳源种类举例说明单糖葡萄糖，麦芽糖，果糖，麦芽糖，半乳糖，木糖用作速效碳源，但会加速菌体呼吸，溶氧下降中间代谢物积累二糖蔗糖，乳糖用作速效碳源，但会加速菌体呼吸，溶氧下降中间代谢物积累多糖淀粉，玉米粉，纤维素迟效碳源。纤维素只有少数微生物能够作为碳源。糖蜜甜菜糖蜜，甘蔗糖蜜是非常好的碳源，成分复杂，在发酵工业中常用酵母发酵、抗生素和丙酮丁醇生产常用它为碳源。一般包括蔗糖35%，葡萄糖9%，果糖7%，8种其它糖类4%，其它还原物质3%，24种氨基酸占4.5%，有机酸5%，蜡质、甾醇和磷脂占0.4%，灰分12%，水20%。麦芽发芽的大麦主要培养酵母用，工业上用麦芽汁发酵，制作啤酒。油脂棉籽油，玉米油，豆油，葵花籽油等。热值高，液体培养时消耗氧气多。在工业上常常少量添加作为消泡剂使用。醇类甲醇，甘油甲醇被用来培养酵母。烃类CH4，C2H6，C4H10，C12~C20烷烃热值高，液体培养时消耗氧气多。溶解性不好，液体培养对搅拌要求高。有机酸乙酸，乳酸，柠檬酸等利用会导致pH上升表不同能源培养细胞的得率碳源基质葡萄糖（糖蜜）甲烷正烷烃甲醇乙醇醋酸盐顺丁烯