03 第三章 微生物的营养.ppt

第1页：第三章 微生物的营养

第三章 微生物的营养：本章基本理论知识。

• 了解微生物的细胞化学组成
• 掌握微生物的营养要素及其功能
• 掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点
• 掌握微生物四大营养类型的划分依据及其微生物种类

微生物同其他生物一样具有生命，细胞直接同生活环境接触并不断从外界吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质并储存能量。微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程称为微生物的营养（nutrition）。

第2页：微生物细胞的化学组成和营养要素

第一节 微生物细胞的化学组成和营养要素：营养物质是微生物构成菌体细胞的基本原料，也是获得能量以及维持其他代谢机能必需的物质基础。微生物吸收何种营养物质取决于微生物细胞的化学组成。

第3页：微生物细胞的化学组成

一、微生物细胞的化学组成：分析表明微生物细胞与其他生物细胞的化学组成没有本质差异。

• 细胞平均含水分80%左右，其余约20%为干物质，包括蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质
• 干物质由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等元素组成，其中碳、氢、氧、氮约占干物质的90%～97%
• 其余3%～10%为矿物质元素，对微生物生长起重要作用

第4页：微生物的营养物质及其生理功能

二、微生物的营养物质及其生理功能：微生物必须吸收充足的水分、碳源、氮源以及多种矿质元素和生长辅助因子才能正常生长发育。

• （一）水分：约占鲜重70%～90%，幼龄菌含水量多，衰老与休眠体含水量少；以游离水和结合水两种状态存在，二者比例约为4∶1；游离水是溶剂与反应介质，结合水约束于原生质胶体系统中
• （二）碳源物质：构成细胞代谢产物碳素来源的物质，分为无机碳源和有机碳源；糖类尤其是葡萄糖、果糖等单糖和蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖最易被利用；发酵工业常用玉米粉、米糠、麦麸等廉价碳源
• （三）氮源物质：细胞含氮约5%～13%，是蛋白质和核酸的主要成分；分为空气中分子态氮、无机氮化合物（铵态氮、硝态氮、尿素）、有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）三类；常用铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、豆饼粉等作氮源
• （四）无机元素：约占干重3%～10%，构成酶的活性基团或激活剂，调节渗透压、酸碱度与氧化还原电位；常量元素有磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁，微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等
• （五）生长因子：微生物自身不能合成、必须由外界供给的微量特殊有机物，包括维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等；狭义仅指维生素

第5页：微生物对营养物质的吸收

第二节 微生物对营养物质的吸收：微生物不像动物那样具有专门的摄食器官，也不像植物那样具有根系，它们借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种不同方式吸收营养物质和水分。若营养物质是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微生物则分泌胞外酶将其降解为小分子后再吸收利用。营养物质主要以单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式透过细胞膜。

第6页：单纯扩散

一、单纯扩散（simple diffusion）：通过细胞膜进行物质交换最简单的方式，营养物质通过分子随机运动透过膜上小孔进出细胞。

• 物质由高浓度区向低浓度区扩散，是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量
• 浓度梯度消失后细胞内外物质交换达到动态平衡
• 非特异性，无运载蛋白（渗透酶）参与，扩散物质本身不发生改变
• 主要限于小分子物质：O₂、CO₂等气体、水、某些无机离子及甘油、乙醇等水溶性小分子

第7页：促进扩散

二、促进扩散（facilitated diffusion）：细胞膜上存在多种具运载功能的特异性蛋白质，称为渗透酶；它们大多是诱导酶，每一种渗透酶帮助一类营养物质的运输。

• 物质由高浓度区向低浓度区扩散，不需要能量；浓度梯度消失后达到动态平衡
• 依靠渗透酶与底物亲和力的改变携带营养物质
• 已分离出葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、Ca²⁺、Na⁺、K⁺等的载体蛋白，分子量介于9000～40000Da之间，且都是单体
• 促进扩散是真核生物的普遍运输机制（如酵母菌运输糖类），原核生物中少见

第8页：主动运输

三、主动运输（active transport）：微生物细胞中有些营养物质以高于细胞外的浓度积累，如大肠杆菌以乳糖作碳源时细胞内乳糖浓度可比周围环境高出500倍。

• 吸收不受浓度梯度影响，多数情况是由低浓度向高浓度逆梯度「抽」进细胞内
• 需要渗透酶携带，渗透酶与底物有高度特异性，亲和力随构型改变
• 构型改变需消耗ATP：形成渗透酶—运载物质复合体，旋转180°转移到膜内表面后释放物质，渗透酶再获能恢复原状重复运输
• 这种吸收方式是微生物物质运输的主要方式

第9页：基团转位

四、基团转位（group translocation）：除具有主动运输的特点外，被转运物质本身的性质发生改变，有化学基团转移到被转运的营养物质上，降低底物与载体的亲和力。

• 磷酸转移酶系统包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和热稳定蛋白（HPr）：酶Ⅰ非特异性，酶Ⅱ是膜上结构酶并具特异性，兼起渗透酶和磷酸转移酶作用，HPr起高能磷酸载体作用
• 反应分两步：①PEP＋HPr → 磷酸～HPr＋丙酮酸（酶Ⅰ催化）；②磷酸～HPr＋葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖＋HPr（酶Ⅱ催化）
• 可转运葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺、β-半乳糖苷以及嘌呤、嘧啶、碱基、乙酸等，但不能输送氨基酸
• 该运输系统主要存在于兼性厌氧菌和厌氧菌中，枯草杆菌、巨大芽孢杆菌等好氧菌也利用此系统转运葡萄糖

第10页：微生物的营养类型

第三节 微生物的营养类型：根据微生物所需碳源的性质和能量来源不同，分为光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型四类。

• 光能自养型：以光能为能源，以CO₂或可溶性碳酸盐为唯一或主要碳源，以水、硫化氢等无机物为氢供体还原CO₂；如蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌。通式：CO₂＋2H₂A →（光合色素，光）[CH₂O]＋H₂O＋2A
• 化能自养型：能源来自无机物氧化产生的化学能，用以还原CO₂合成有机物；如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌，可完全生活在无机环境中
• 光能异养型：以光能为能源，利用有机物作供氢体还原CO₂，如深红螺菌利用异丙醇作供氢体并积累丙酮，生长时多需外源生长因子
• 化能异养型：能源和碳源都来自有机物，包括绝大多数细菌、全部放线菌、真菌和原生动物；按生态习性分为腐生型（从无生命有机物获得营养，如腐败菌梭状芽孢杆菌、毛霉、根霉、曲霉）和寄生型（必须寄生在活有机体内）

第11页：培养基的概念

第四节 培养基（medium）

培养基

指经人工配制而成的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物所需要的营养基质。

配制要点

需根据不同微生物的营养要求加入适当种类和数量的营养物，注意一定的碳氮比例（C/N），调节适宜的酸碱度（pH），保持适当的氧化还原电位和渗透压。

第12页：配制培养基的基本原则

一、配制培养基的基本原则

• （一）符合微生物菌种的营养特点：自养型主要考虑无机碳源，异养型主要提供有机碳源；还要加入适量无机矿物质元素，有些菌种需加入生长因子；营养成分比例中碳氮比（C/N）尤为重要
• （二）适宜的理化条件：主要是pH与渗透压

下表列出各类微生物的最适生长pH范围。

由于微生物代谢过程中不断向培养基分泌代谢产物而影响pH变化，配制时常加入磷酸盐类和碳酸钙等缓冲物质。此外细胞膜为半通透膜，培养基需具一定渗透压，营养成分浓度并非越高越好。

第13页：培养基的类型

二、培养基的类型

• （一）按成分划分：天然培养基（牛肉膏、蛋白胨、麸皮、马铃薯、玉米浆等，取材广、营养全、价廉，但成分不稳定，如牛肉膏蛋白胨培养基）；合成培养基（成分精确、重复性强，用于营养代谢与分类鉴定，如高氏1号、察氏培养基）；半合成培养基（兼用天然物质与无机盐，应用最广，如马铃薯蔗糖培养基）
• （二）按物理状态划分：液体培养基（利于生长与积累代谢产物，用于大规模生产）；固体培养基（加琼脂1.5%～2.0%或明胶凝固，用于观察、鉴定和分离纯化）；半固体培养基（加0.5%～0.8%琼脂，用于观察细菌运动、鉴定菌种、噬菌体效价滴定和保藏菌种）
• （三）按用途划分：加富培养基（加入血、血清等，用于保存或分离筛选菌种）；选择培养基（按特殊营养要求配制或加入抑制剂，如分离霉菌时加抗生素）；鉴别培养基（通过指示剂显色反应鉴定不同微生物）