1、Chapter5 微生物的營養(yǎng),營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎，而營養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。,外界環(huán)境中可為細胞提供結構組分、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和良好生理環(huán)境的化學物質(zhì)。,細胞從外界環(huán)境中攝取化學物質(zhì)，使其在生長過程中獲取生命活動所需的能量及其結構物質(zhì)的生理過程。,營養(yǎng)或營養(yǎng)作用,營養(yǎng)物質(zhì),5.1微生物的營養(yǎng)六要素,5.1.1 微生物的化學組成,主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、鉀、硫、鎂、鈣等,微量元素：鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅等,占細菌細胞干重的97%,5.1.2 微生物的營養(yǎng)要素,營養(yǎng)物質(zhì)按照它們在機體中的生理作用不同，可將它們區(qū)分成六大類：,1.碳源,碳源譜,有機碳

2、,無機碳,異養(yǎng)微生物,自養(yǎng)微生物,碳源,氮源,能源,生長因子,無機鹽,水,在微生物生長過程中能為微 生物提供碳素來源的物質(zhì),微生物利用的碳源物質(zhì)主要有：,糖類、有機酸、醇、脂類、烴、CO2及碳酸鹽等,對于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來說，碳源是兼有能源功能營養(yǎng)物。,目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖、淀粉、麩皮、米糠等。,2.氮源,氮源譜,有機氮,無機氮,NH3 銨鹽 硝酸鹽 N2,蛋白質(zhì) 核酸 氨基酸 尿素,能被微生物利用的含氮物質(zhì)為氮源。,氮素是構成微生物細胞基本物質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化細菌能利用氨作為氮源和能源）。,實驗室培養(yǎng)微生物常用的氮源主要有：銨鹽

3、、硝酸鹽、尿素、魚粉、蠶蛹、黃豆餅粉、蛋白胨、酵母浸膏和牛肉膏等。發(fā)酵工業(yè)上常以豆餅粉、花生餅粉和玉米漿等作為微生物的氮源。,原生營養(yǎng): 凡是以葡萄糖或其他有機化合物為唯一碳源和能源,以無機化合物為唯一氮源,能夠滿足碳、氮營養(yǎng)需要的化能有機營養(yǎng)微生物,統(tǒng)稱為原生營養(yǎng)型。如果這種條件不能滿足營養(yǎng)需要,則為缺陷營養(yǎng)(營養(yǎng)缺陷型): 某些微生物由于合成能力發(fā)生障礙, 所以在微生物培養(yǎng)時要添加某種或某幾種氨基酸或堿基等有機化合物才能生長,3.能源,能源：能為微生物的生命活動提供 最初能量來源營養(yǎng)物或輻射能,能源譜,化學物質(zhì),輻射能,化能異養(yǎng)微生物的能源,有機物,無機物,化能自養(yǎng)微生物的能源,光能自養(yǎng)和

4、光能異養(yǎng)微生物的能源,4.生長因子,生長因子：那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物 。,微 生 物 生長因子 需要量（ml-1 III型肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）膽堿 6ug 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ug 白喉棒桿菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug 破傷風梭狀芽孢桿菌（Clostridium tetani）尿嘧啶 0-4ug 腸膜狀串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛

5、0.025ug,在實驗室通常用作生長因子的物質(zhì)有：酵母膏、玉米漿、肝浸液、麥芽汁、牛肉膏、米糠等。,5.礦質(zhì)元素,作用,微量元素：是指那些在微生物生長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。,根據(jù)微生物對礦質(zhì)元素需要量大小可以把它分為：,大量元素：N、K、P、Ca 、Mg、S、Fe等。,構成微生物細胞的組成成分；,作為酶的組成部分或維持酶的活性以及激活劑；,調(diào)節(jié)細胞的原生質(zhì)膠體狀態(tài)、氫離子濃度、Eh以及維持細胞的滲透壓與平衡等；,作為自養(yǎng)微生物的能源。,6.水,生理功能,細胞的主要組成成分

6、；,直接參加各種代謝反應;,可調(diào)節(jié)菌體內(nèi)的溫度(水比熱大有利吸熱,散熱) ；,維持細胞膨壓(控制細胞形態(tài)) ；,可供給菌體營養(yǎng)。,是細胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)和排泄廢物的介質(zhì)；,水活度的表示方法,aw 是指在相同的溫度和壓力下，溶液中水的蒸氣壓和純水的蒸氣壓之比，即：,aw = P溶液/P純水,微生物生長所需的水活度通常在0.630.99之間，細菌水活度較高為0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度為0.6，水中溶質(zhì)越高水活度越低。,一些微生物生長所需的最低aw值,0.97-0.96革蘭氏陰性桿菌 假單胞菌屬（Pseudomonas） 不動桿菌屬（Acinetoacter） 大腸埃希氏菌（E.coli）0

7、.97,0.90-0.86革蘭氏陰性球菌 微球菌屬（Micrococcus） 0.90 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）0.86 0.94-0.87酵母菌產(chǎn)朊假絲酵母（Candida utilis） 釀酒酵母（Candida utilis）0.94 德巴利酵母屬（Debaryomyces）0.94,0.93-0.80霉菌 黑根霉（Rhizopus nigricans）0.93 擴展青霉（Penicillium expansum）0.77 展青霉（Penicillium patullum）0.80 黃曲霉（Aspergillus flavus） 0.90 黑曲霉（As

8、pergillus niger）0.84,0.95-0.91大多數(shù)細菌 枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis） 梭菌屬（Clostridium） 微細菌屬（Microbacterium）0.95 乳桿菌屬（Lactobacillus） 鏈球菌屬（Streptococcus）0.94,5.2微生物營養(yǎng)類型,異養(yǎng)型生物,自養(yǎng)型生物,生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì),生物生長過程中能量的來源,光能營養(yǎng)型,化能營養(yǎng)型,根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同，可將微生物分為：,5.2.1 光能無機自養(yǎng)型(photolithoautotrphy),5.2.2 光能有機異養(yǎng)型(photoorganohetero

9、trphy),5.2.3 化能無機自養(yǎng)型(chemolithoautotrphy),5.2.4 化能有機異養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy),5.2.1 光能無機自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）,能以CO2作為唯一或主要碳源；,進行光合作用獲取生長所需要的能量；,以無機物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細胞物質(zhì)；,例如:藻類及藍細菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體）， 進行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細胞物質(zhì)。而紅硫細菌，以H2S為 電子供體，產(chǎn)生細胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。,5.2.2 光能有機異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）,不能以CO2為主要或唯一的碳源；,以有機物作

10、為供氫體，利用光能將CO2還原為細胞物質(zhì)；,在生長時大多數(shù)需要外源的生長因子；,例如:紅螺菌屬中的一些細菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細胞物質(zhì)，同時積累丙酮。,5.2.3 化能無機自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）,生長所需要的能量來自無機物氧化過程中放出的化學能；,以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細胞物質(zhì)。,化能無機自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機及無 光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參 與地球物質(zhì)循環(huán)。,5.2.4 化能有機異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）,生長所需要的能量均來自有機物氧化過程中放出的化

11、學能；,生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等。,有機物通常既是碳源也是能源；,大多數(shù)細菌、真菌、原生動物都是化能有機異養(yǎng)型微生物；,所有致病微生物均為化能有機異養(yǎng)型微生物；,不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對,異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；,自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機物進行生長；,有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；,例如 紫色非硫細菌(purple nonsulphur bacteria)： 沒有有機物時，同化CO2， 為自養(yǎng)型微生物； 有機物存在時，利用有機物進行生長，為異養(yǎng)型微生物； 光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型

12、微生物； 黑暗與好氧條件下，依靠有機物氧化產(chǎn)生的化學能生長，為化能營養(yǎng)型微生物,微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應能力,5.3營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方式,營養(yǎng)物質(zhì)能否進入細胞取決于三個方面的因素：,營養(yǎng)物質(zhì)本身的性質(zhì)（相對分子量、質(zhì)量、溶解性、電負性等,微生物所處的環(huán)境（溫度、PH等）；,微生物細胞的透過屏障（原生質(zhì)膜、細胞壁、莢膜等）。,根據(jù)物質(zhì)運輸過程的特點，可將物質(zhì)的運輸方式分為:,5.3.1 自由擴散,5.3.2 促進擴散,5.3.3 主動運輸,5.3.4 基團轉移,5.3.1 自由擴散,原生質(zhì)膜是一種半透性膜，營養(yǎng)物質(zhì)通過原生質(zhì)膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃

13、度的胞內(nèi)進行擴散。,特 點,物質(zhì)在擴散過程中沒有發(fā)生任何反應；,不消耗能量；不能逆濃度運輸；,運輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比,水是唯一可以通過擴散自由通過原生質(zhì)膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通過自由擴散進出細胞。,5.3.2 協(xié)助擴散,特 點,不消耗能量,參與運輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結構不發(fā)生變化,不能進行逆濃度運輸,運輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比,需要載體參與,通過促進擴散進入細胞的營養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質(zhì)，但也有微生物對同一物質(zhì)的運輸由一種以上的載體蛋白來完成。,5.3.

14、3 主動運輸,物質(zhì)運輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進行逆濃度運輸。,基團轉位又稱為磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖轉移酶運輸系統(tǒng)（PTS），PTS 通常由五種蛋白質(zhì)組成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三種亞基）和一種低相對分子量的熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)（HPr）。,5.3.4 基團移位(group translocation):,基團移位是另一種類型的主動運輸，它與主動運輸方式的不同之處在于它有一個復雜的運輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運輸，而物質(zhì)在運輸過程中發(fā)生化學變化。,PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸 P - HPr +糖糖-P +HP,基團轉移主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細胞中，主要用于糖(葡

15、萄糖,果糖,甘露糖和N-乙酰葡糖胺等)的運輸，脂肪酸、核苷酸、堿基等也可以通過這種方式運輸。,比較項目 單純擴散 促進擴散 主動運輸 基團移位 特異載體蛋白 無 有 有 有 運送速度 慢 快 快 快 溶質(zhì)運送方向 由濃至稀 由濃至稀 由稀至濃由稀至濃 平衡時內(nèi)外濃度內(nèi)外相等 內(nèi)外相等 內(nèi)部高內(nèi)部高 運送分子 無特異性 特異性 特異性特異性 能量消耗 不需要 不需要 需要需要 運送前后溶質(zhì)分子不變 不變 不變改變 載體飽和效應無 有 有 有 與溶質(zhì)類似物 無競爭性有競爭性有競爭性有競爭性 運送抑制劑 無 有 有 有 運送對象舉例 水、O2 糖、SO42-氨基酸、乳糖 葡萄糖嘌呤,四種運送營養(yǎng)方式

16、的比較,5.4 營養(yǎng)基,培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。,培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進行研究和利用工作的基礎,任何培養(yǎng)基都應該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：,碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水,任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進行滅菌處理；,常規(guī)高壓蒸汽滅菌： 1.05kg/cm2,121.315-30分鐘；1.5kg/cm2,1281.5-2.0小 時,5.4.1 選用和設計培養(yǎng)基的原則和方法,1.目的明確,2.營養(yǎng)協(xié)調(diào),3.理化條件適宜,4.經(jīng)濟節(jié)約,1.目的明確,根據(jù)不同的微生物的營養(yǎng)要求配制針對性強的培養(yǎng)基。,培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫桿菌的培養(yǎng)基組成為：

17、 S 10g MgSO4.7H2O 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g kH2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培養(yǎng)化能異養(yǎng)的大腸桿菌一種培養(yǎng)基是由下列化學成分組成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常見的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基：,細菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放線菌（高氏1號） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3

18、 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基) 干麥芽粉加四倍水，在50-60保溫糖化3-4小時，用碘液試驗檢查至糖化完全為止，調(diào)整糖液濃度為10。巴林，煮沸后，沙布過濾，調(diào)PH為6.0。,霉菌（查氏合成培養(yǎng)基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.營養(yǎng)協(xié)調(diào),培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時微生物才能生長良好，營養(yǎng)物質(zhì)濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對微生物生長起抑制作用。,培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和代

19、謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。,碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。,例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。,3.理化條件適宜,a. pH,b. 水活度,c.氧化還原電位,a. pH,培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型 微生物的生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。,通常培養(yǎng)條件： 細菌與放線菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：pH4.56范圍內(nèi)生長,為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入 pH緩沖劑

20、，或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿。,b. 水活度,在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量， 一般用在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條 件下純水蒸汽壓力之比表示，即： w=Pw/Pow 式中Pw代表溶液蒸汽壓力, POw代表純水蒸汽壓力。 純水w為1.00,溶液中溶質(zhì)越多, w越小。,微生物一般在w為0.600.99的條件下生長, w過低時, 微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。 微生物不同，其生長的最適w不同。,c.氧化還原電位,氧化還原電位又稱氧化還原電勢（redox potential），是度量 某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢

21、的一種指標，其單位是V（伏）或mV（毫伏）。,不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同,好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長,以+0.3 +0.4伏為宜； 厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長； 兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進行好氧呼吸, +0.1伏以下時進行發(fā)酵。,4. 經(jīng)濟節(jié)約,6.4.2 培養(yǎng)基的類型及應用,培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類型：,按成分(營養(yǎng) 來源)不同,天然培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基,天然培養(yǎng)基,用天然的且化學成分還不清楚或化學成分不恒定的有機物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。如農(nóng)產(chǎn)品麥麩、米糠等，也有動植物浸出液，如牛肉膏、麥芽汁、豆芽汁及馬鈴薯汁等。,優(yōu)點：營養(yǎng)豐富、經(jīng)濟方便，但它的化學成分不能定量，每批成分也不穩(wěn)定，不宜用作精確的實驗。,常用的天然培養(yǎng)基有牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基等。,合成培養(yǎng)基,優(yōu)點:各種成分簡單而清楚，容易控制，適于進行某些定性、定量測定。,常用的合成培養(yǎng)基有高氏一號培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基等 。,用化學成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。,按物理狀 態(tài)不同劃分,固體培養(yǎng)基,液體培養(yǎng)基,半固體培養(yǎng)基,液體培養(yǎng)基,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究,培養(yǎng)基呈液體狀態(tài)，不加任何凝固劑。它含有微生物生長發(fā)育所需要的各種營養(yǎng)物質(zhì)。,菌體在這種培養(yǎng)基中能夠更好地接觸和吸收養(yǎng)料，