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1、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。,第五章 微生物营养与培养基,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9097%），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
2、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%,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（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源（Energy source) 生长因子（Growth factor ) 无机盐(Inorganic salt) 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
3、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(carbon source),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
4、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(nitrogen source),凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 占细胞干重12-15%。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(energy source),异养微生物的碳源同时也是能源,单功能： 辐射能 双功能： 还原态无机养料，如NH4+
5、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(growth factor),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（nutritional deficiency)变株 生长因子过量合成型
6、微生物,按微生物对生长因子的需要与否，分为3种类型：,若干细菌所需要的维生素,维生素的生理功能,（五）无机盐 (inorganic salts),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。,或称矿质元素，为微生物提供除碳源、氮源以外的各种中药元素。,无机盐的生理功能：,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(au
7、totrophs): 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(wild type) 营养缺陷型(auxotroph),微生物的营养类型（按能源、氢供体和基本碳源需要类分）,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
8、，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 (simple diff
9、usion),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 (facilitated diffusion) 是溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异性载体蛋白的协助，但不消耗能量。参与运输的物质本身分子结构不发生变化，不能逆浓度梯度运输。,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(carrier protein)
10、，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,细胞外 细胞膜 细胞内,单纯扩散,促进扩散,浓度梯度,运输速率,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 (active transport) 是一类须提供能量（ATP、质子动力或“离子泵”等）并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。是微生物一种主要的物质运输方式。,特点： 是微生物吸收营养的主要
11、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,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 (group translocation) 是一种既需要特异性载体蛋白参与，又耗能的一种物质运送方式，溶质在运送前后还会发生分子结构的变化。不同于一般的主动运输。,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(P
12、EP)和磷酸转移酶系统(PTS)。,1. 热稳定性载体蛋白(heat stable carrier protein ,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),培养基(medium，culture medium)：是一
13、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。 培养基含有六大营养要素。 多数微生物可以在人工培养基上生长，但少数不能在人工培养基上生长。,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 / 0.52
14、 。,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,表 不同能源培养细胞的得率,表 常见微生物氮源,表 常用的培养基中的无机盐及参考浓度（g/L）,pH 渗透压和水活度 氧化还原电位,3、物理化学条件适宜:,细 菌: pH 7.08.0 放线菌：pH 7.0 8.5 酵母菌: pH 3.86.0 霉 菌： pH 4.06.0 嗜极菌：？,（1）pH：微生物有最佳生长pH,微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变化 ： 在含糖基质上生长，会产酸而使pH下
15、降， 在分解蛋白质和氨基酸时, 会产NH3而使pH上升， 以 (NH4)2SO4 作N 源 , 会过剩 SO4 2-, 而使pH下降， 分解利用阳离子化合物如：NaNO3, 会过剩 Na+ 而使 pH 上升。,维持培养基pH的方法? pH的内源调节,使用磷酸缓冲剂： K2HPO4 /Na2HPO4 , H2PO4/NaH2PO4 采用“备用碱” ：CaCO3 、CaHCO3 采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等 采用液氨或盐酸,（2）渗透压(osmotic pressure) 渗透压(osmotic pressure): 高浓度溶液向低浓度溶液渗透时，其溶质分子所产生的压力。,高渗溶液会导致微生物细
16、胞发生质壁分离; 低渗溶液会导致微生物细胞吸水膨胀甚至破裂 .,(3)水活度(water activity):水的可利用性,用水活度(water activity, aw)表示 aw：在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水含量。,aw =P/Po P: 溶液的蒸汽压 Po:纯水的蒸汽压,水活度需等渗适宜。 微生物适宜生长的aw为0.60.998之间。,在常温常压下，纯水的aw为1.00,在同温同压，某溶液的饱和蒸汽压与纯水的饱和蒸汽压之比。,几种溶液的水活度值,(4)氧化还原电位Eh（redox potential）：氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子的趋势。,好氧微生物：+0.1V。一般+0.3 +0.4V 厌氧微生物：+0.1以下 兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以 下进行发酵,4、原料来源的选择-经济节约,经济节约原则： （1）以粗代精 （5）以氮代朊 （2）以“野”代“家 （6）以纤代糖 （3）以废代好 （7）以
