微生物的营养要求

第一节微生物的营养要求营养（nutrition）：指生物体从外界环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物质（nutrient）：指具有营养功能的物质，那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。营养为一切生命活动提供必需的物质基础！有了营养，微生物才能进一步代谢生长和繁殖，并可能为人们提供各种有益的代谢产物。微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。一、微生物细胞的化学组成二、微生物的营养构成三、微生物的营养类型微生物们需要吃什么？细胞化学元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。一、微生物细胞的化学组成1、化学元素构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！占细菌细胞干重的97%组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同Eg.细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。元素细菌酵母菌真菌碳～50～50～48氮～15～12～5氢～8～7～7氧～20～31～40磷～3────硫～1────微生物细胞中几种主要元素的含量（干重%）硫细菌(sulfurbacteria)、铁细菌(ironbacteria)和海洋细菌(marinebacteria)相对于其他细菌则含有较多的硫、铁和钠、氯等元素,硅藻(Diatom)需要硅酸来构建富含(SiO2)n的细胞壁。微生物细胞水：70%-90%干物质有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及它们的降解产物和一些代谢产物等物质无机物细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐等物质2、化学成分及其分析各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。细胞湿重(wetweight)与干重(dryweight)之差为细胞含水量，常以百分率表示：（湿重-干重）/湿重×100%。水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70~90%。湿重：将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量。一般以单位培养液中所含细胞重量表示（克/升或毫克/毫升）。干重：采用高温（105℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为～。二、营养物质及其生理功能微生物对营养的要求无论是在元素水平上还是在营养要素水平上，都与动物和植物十分接近。它们之间存在着“营养上的统一性”。在元素水平上都需20种左右，其中以碳、氢、氧、氮、磷、硫6种元素为主；在营养要素水平上则主要为碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大类。1、碳源（carbonsource）（1）定义:凡能供给微生物碳素营养的物质，称为碳源。（2）功能：是各种代谢产物和细胞内部物质碳价结构的重要来源；并能为微生物（异养微生物）提供维持生命活动所需的能源。微生物细胞含碳量约占干重的50％，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物。能被微生物用作碳源的物质种类极其广泛。简单的无机含碳化合物：CO2、NaHCO3、CaCO3等。比较复杂的有机物:烃类、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、杂环化合物、氨基酸、核苷酸等。复杂的有机大分子：蛋白质、脂质、核酸等。复杂的天然含碳物质：牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉、糖蜜、石油等。酚、氰化物等有毒物质：可以被少数微生物用作碳源。凡以无机碳源作主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物。凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物。对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源称为双功能营养物。碳源谱有机碳无机碳在微生物工业发酵中最常用的碳源主要是葡萄糖、玉米淀粉、废糖蜜、甘薯、麸皮和米糠等。单糖＞双糖和多糖己糖＞戊糖葡萄糖、果糖＞甘露糖、半乳糖淀粉＞纤维素或几丁质等纯多糖纯多糖＞琼脂等杂多糖葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！糖酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质Eg.酚、氰化物等某些微生物Eg.诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除三废CO2最廉价的、用之不尽的碳源，是自养微生物唯一或主要的碳源。Eg.生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌（沙门氏菌、李斯特菌等）纤维素纤维素是由葡萄糖以β－1,4糖苷链组成的，在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品。烃类烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。清除石油污染不同种类微生物利用碳源物质具有选择性，利用能力有差异。Eg.假单胞杆菌属的一些菌能利用90多种不同的碳源物质。甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。2、氮源（nitrogensource）（1）定义凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养物质，称为氮源。氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细胞干重的12％～15％，也是微生物的主要营养物。（2）功能氮源物质一般不提供能量，但也有例外：化能自养细菌中的亚硝化细菌和硝化细菌能从NH3和NO2-的氧化过程中获得能量，所以对于他们来说，NH3和NO2-是兼有氮源与能源的双功能营养物质。提供合成细胞中的含氮物质（如蛋白质、核酸）及含氮代谢物等的原料。微生物能利用的氮源无机氮分子氮有机氮主要是蛋白质及其不同程度的降解产物(氨基酸、尿素等)，以及嘌呤和嘧啶等。a.有机氮实验室常用的有机氮源有：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉和花生饼粉等。牛肉膏是用新鲜牛肉经过剔除脂肪、消化、过滤、浓缩而得到的一种棕黄色至棕褐色的膏状物。由蛋白质经酸,碱或蛋白酶分解后而形成的细菌的培养基，也可治疗消化道疾病酵母膏是以新鲜酵母乳液经酶解、分离、浓缩得到的纯天然制品，富含均衡的各种人体必需氨基酸、B族维生素、核甘酸、多肽及微量元素，是各种微生物所必需的营养物质b.无机氮主要包括硝酸盐、铵盐、氨等。铵盐是绝大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接利用；硝酸盐也能被大部分微生物利用，但吸收后需被还原成NH4+才能进入合成代谢。3、能源（energysource）能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。能源无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）。辐射能：化学物质有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）。绝大多数微生物的能源物质光合细菌的能源不仅提供微生物细胞的碳素和碳架，而且还提供微生物生命活动所需的能量。能源为氨根离子、亚硝酸根离子等还原态无机化合物，而碳源是二氧化碳。4、生长因子（growthfactor）是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能自行合成的需要量很小的一类有机物。根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同可将生长因子分为：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶3大类。主要功能：提供微生物细胞所需的化学物质（蛋白质、核酸、脂质）、作为酶的辅酶或辅基参与新陈代谢。化合物代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核黄素(B2)黄素单磷酸(FMN)和FAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素(B12)辅酶B12包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移生长因子在代谢中的作用不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。能提供生长因子的天然物质有：酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆（一种浸制玉米以制取淀粉后产生的副产品）、动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液。无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，包括磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。5、无机盐（mineralsalts）大量元素微量元素无机盐构成细胞结构物质的组成。调解渗透压，PH值和氧化还原电位。有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源。构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种酶的激活剂。（1）常量元素（macroelements）凡是生长所需浓度在10-4～10-3mol／L（培养基中含量）范围内的元素，可称为常量元素，例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。元素人为提供形式生理功能大量元素PKH2PO4磷酸二氢钾K2HPO4磷酸氢二钾核酸、磷酸和辅酶的成分SMgSO4硫酸镁含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫维生素（生物素、硫胺素等）的成分KKH2PO4磷酸二氢钾K2HPO4磷酸氢二钾某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸转磷酸酶等）的辅因子；维持电位差和渗透压NaNaCl氯化钠维持渗透压；某些细菌和蓝细菌所需CaCa(NO3)2硝酸钙CaCl2氯化钙某些胞外酶的稳定剂、蛋白酶等的辅因子；细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需MgMgSO4硫酸镁固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分FeFeSO4硫酸铁细胞色素的成分；合成叶绿素、白喉毒素和氧高铁血红素所需凡所需浓度在10-8～10-6mol／L（培养基中含量）范围内的元素，则称为微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（2）微量元素（microelements）元素人为提供形式生理功能微量元素MnMnSO4硫酸锰超氧化物歧化酶、氨肽酶和L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子CuCuSO4硫酸铜氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4硫酸钴维生素B12的成分ZnZnSO4硫酸锌碱性磷酸酶以及多种脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅因子Mo(NH4)6Mo7O24钼酸铵固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分6、水微生物细胞中水占70～90％，水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件！水在微生物细胞内的生理功能（1）水是细胞的重要组成成分。（2）水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。（3）维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象。（4）水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；微生物生长环境中水的有效性常以水活度值（aw）表示，水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即：w=w/wow表示溶液蒸汽压力wo表示纯水蒸汽压力溶液中溶质越多，w越小。微生物生长所需的水活度通常在0.63－0.99之间。几类微生物生长最适w微生物w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80噬盐细菌0.76噬盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60三、微生物的营养类型由于微生物种类繁多，其营养类型比较复杂，划分微生物营养类型的标准或角度各种各样。但通常根据碳源、能源及供氢体的不同，将微生物划分为光能自养型、光能异养型、化能自养型及化能异养型四种营养类型。1.光能无机营养型（光能自养型）利用光作为能源，以CO2为唯一碳源或主要碳源，以还原态无机物（如水、硫化氢、硫代硫酸钠等）作为供氢体或电子供体，使CO2还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。光合细菌细胞内含菌绿素，光合作用以H2S、S等还原态硫化物为供氢体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。藻类和蓝细菌与高等植物一样，以水为供氢体（电子供体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。这类微生物不以CO2作为唯一碳源或主要碳源，需以简单有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质。光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。2.光能有机营养型（光能异养型）这类微生物能利用有机物迅速繁殖，常用于污水处理。例如，红螺菌属中的一些细菌就是这一营养类型的代表：能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O这类微生物利用无机物氧化过程中释放出的化学能作为它们生长所需的能量。以CO2或