微生物的营养

微生物细胞的化学组成微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养类型微生物对营养物质的吸收方式微生物的人工培养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——微生物细胞的组成元素微生物细胞化学组成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碳源氮源水无机盐生长因子微生物的五大营养要素及其生理功能凡能构成微生物细胞或代谢产物中碳架来源的营养物质都称为碳源。碳源(carbonsource)碳源功能碳源种类C素构成细胞及代谢产物的骨架C素是大多数微生物代谢所需的能量来源碳源功能无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物碳源种类类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：糖类（单糖，饴糖）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）麸皮各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有:碳水化合物及其衍生物：19种脂肪酸：11种二羧酸：9种其它有机酸：12种伯醇：3种氨基酸：12种其它氮化合物：13种无氮环状化合物：9种微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源。氮源(nitroginsource)氮源功能氮源种类为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。同时也做能源。氮源功能分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用有机态氮：蛋白质及其降解产物a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。氮源种类类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气微生物的氮源谱定义：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有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）维持渗透压生理调节物质酶的激活剂pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)元素人为提供形式生理功能PKH2PO4、K2HPO4核酸、磷酸和辅酶的成分SMgSO4含硫氨基酸、含硫维生素成分KKH2PO4、K2HPO4酶的辅因子、维持电位差和渗透压NaNaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要CaCa(NO3)2、CaCl2胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成MgMgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分FeFeSO4Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需MnMnSO4超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子CuCuSO4氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4VB12复合物的成分、肽酶的辅因子ZnZnSO4碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子Mo(NH4)6Mo7O24固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分构成微生物细胞以C、H、O、N、P、S六种元素为主，约占细胞干重的95％以上；Ca、K、Mg、Fe为大量元素，以无机盐阳离子形式被吸收，配培养基进要加磷酸盐、硫酸盐。Zn、Mn、Co、Mo等微量元素，在微生物培养中有0.1PPM就可以了，自来水原料中以够用，不需另加。无机盐种类定义:是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但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。生长因素（growthfactor）缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。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。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”。例如：肠膜明串珠菌（leuconostocmesenteroides）常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长。另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些乳酸杆菌生长需要核苷；某些酵母菌和真菌生长需要肌醇；某些肺炎球菌生长需要胆碱等。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微生物细胞含水约占细胞鲜重的70－90％，水作用是多方面的。水的功能水活度的表示方法是细胞中生化反应的良好介质；营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出体（细胞）外。水的比热高，能有效的吸收代谢过程中放出的热量，不致使细胞的温度骤然上升。维持细胞的膨压（控制细胞形态）。水的功能几种生物的游离水含量人体：~60%海蛰：~96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%◆水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水.◆不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：微生物可利用的水用水活度来表示（Qw），Qw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an=P溶液/P纯水在w为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其生长的最适w亦不同。水活度的表示方法几类微生物生长最适waw：水分活度（wateractivity）各种微生物生长的水分活度：0.6~0.99之间aw=PP0细菌酵母菌霉菌微生物生长的最低aw一般：0.90~0.98嗜盐菌：0.75（约5.5mol/LNaCl）一般：0.87~0.91高渗酵母：0.61~0.65（饱和蔗糖液）Saccharomycesrouxii(鲁氏酵母)：0.60一般：0.80~0.87耐旱菌：0.65~0.75Xeromycesbisporus（双孢旱霉）：0.60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2红螺菌科的细菌（光能异养型）CO及简单有机物（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（化能异养型）绝大多数细菌和全部真核微生物以上四种营养类型划分不是绝对的红螺菌既可利用光能，也可利用（黑暗）氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）自养与异养的区别不再能否利用CO2，而在于是否以CO2式.碳酸盐为唯一的碳源。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。单纯扩散(simplediffusion)物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差。这种运输方式不消耗能量没有特异性，被运输物质不与膜上物质发生任何反应，物质不发生化学变化。物质运输动力是细胞外的浓度差。运输过程不消耗能量有膜载体参加，膜载体（渗透酶）有特异性。运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖。这种运输方式多发生在真核微生物，原核生物少见。•促进扩散(facilitateddiffusion)主动运输(activetransport)被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内要消耗能量，必需有能量参加。有膜载体参加，膜载体发生构型变化被运送物质不发生任何变化。基团移位(grouptranslocation))需要磷酸酶系统进行催化被运输的物质发生化学变化，被磷酸化需要能量运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统.运送步骤:1.热稳载体蛋白(HPr)的激活细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。2、糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2P-HPr+糖糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变四种运输营养物质方式的比较根据微生物对营养物质的需要，经过人工配置的适合微生物生长、繁殖或积累代谢产物的营养基质就称为培养基。培养基的主要用途为：促使微生物的生长与繁殖，用于微生物纯种的分离、鉴定和制造微生物制品等。培养基的类型根据营养物质来源不同划分根据培养基的物理状态划分根据培养培养基的用途划分合成培养基－－－由已知化学成分及数量的化学药品配置而成。天然培养基－－－采用化学成分还不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物。半合成培养基－－－以天然有机物为主要碳源、氮源及生长素的培养基中加入一些化学药品，以补充无机盐成分，使其更能充分微生物对生长的需要。Anexampleofachemically-definedmediumforgrowthofaheterotrophicbacterium.ComponentAmountFunctionofcomponentsucrose10.0gCandenergysourceK2HPO42.5gpHbuffer;PandKsourceKH2PO42.5gpHbuffer;PandKsource(NH4)2HPO41.0gpHbuffer;NandPsourceMgSO47H2O0.20gSandMg++sourceFeSO47H2O0.01gFe++sourceMnSO47H2O0.007gMn++Sourcewater985mlpH7.0DefinedmediumforthegrowthofThiobacillusthiooxidans,alithoautotrophicbacterium.ComponentAmountFunct