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1、 第五章 微生物营养与代谢 微生物学教案 5-1 第五章微生物营养与代谢本章提要: 微生物营养是微生物将摄自外界环境中的化学物质转化成为其细胞的组分和结构, 并在此过程中获得生命活动所须能量的过程。这些获自外界环境，可为细胞提供组分结构、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质(在光能营养微生物中，还包括日光能) 称为营养物质。微生物营养中有碳源、能源、氮源、无机盐、生长因子以及水 6 大要素物质。根据能源、氢供体与碳源的来源不同，微生物营养类型可分为四大类型：光能自养(光能无机营养)型、光能异养(光能有机营养) 型、化学自养( 化能无机营养) 型以及化学异养(化能有机营养)型。物质进出微生
2、物细胞的方式主要有 4 种：单纯扩散、易化扩散、主动转运与基团转位。为人工培养微生物制备的、提供微生物以适合营养条件的基质称为培养基。培养基的种类虽然繁多，但制备培养基必须遵循“ 有的放矢、营养协调、条件适宜、经济节约” 的 16 字基本原则。根据所培养微生物的类群和营养类型，对培养基组分和化学成分的了解程度，制备好的培养基的物理状态以及培养基的功能可以分为许多名称和用途各异的培养基。微生物研究中要采用纯培养。微生物培养方式根据是否需要供氧分为好氧培养和厌氧培养，根据培养介质的状态分为固体培养和液体培养，根据培养介质供给方式分为分批培养和连续培养，根据培养细胞的生理生化状态是否处于同一阶段分为
3、同步培养和非同步培养,测定微生物群体生长的方法主要有细胞计数法、称重法和代谢产物分析法等。微生物代谢的显著特点是旺盛、多样化及其严格的调节和灵活性。微生物有着多样化的能量代谢。化能异养微生物在有氧或无氧条件下以有机物为生物氧化基质，以氧或其自身内部的有机物为末端氢(电子) 受体，通过有氧呼吸或厌氧发酵产能。就产能效率来说，呼吸要比发酵高得多；可就途径和产物而言，发酵要比呼吸丰富得多。无氧呼吸是在厌氧条件下以外源无机氧化物或有机氧化物(较为罕见) 为末端氢(电子)受体时发生的一类产能效率低的呼吸。光能微生物以光为能源，利用 C02(光能自养)或有机碳化合物( 光能异养) 通过光合磷酸化产能。光合
4、细菌有 3 类光合作用，它们分别是依靠菌绿素、叶绿素或菌视紫红质的光合作用。化能自养微生物以 C02 作为主要或唯一碳源，从还原态无机物的生物氧化过程中取得合成其细胞物质所需的能量与还原力。化能自养细菌的产能效率、生长速率和细胞得率均很低。自养细菌将生物氧化过程中取得的能量主要用于 C02 固定，有 3 条主要的固定 C02 途径：Calvin 循环、还原性三羧酸循环途径和乙酰CoA 途径。微生物具有一些独特的合成代谢，如固氮作用、肽聚糖合成等。微生物有两种主要的代谢调节方式：酶合成的调节和酶活力的调节。 本章重点和难点： 微生物营养类型，微生物的产能方式和微生物特有的合成代谢（生物固氮、肽聚
5、糖合成、次生代谢产物）5.1 微生物的营养物质和营养类型微生物细胞由多种类型化学物质组成。其中最主要的是蛋白质、核酸、多糖和脂质这四类生物大分子，它们要占到细胞干重的 96。其余就是组成它们的单体以及无机盐等。水也是微生物细胞的重要组成成分，通常微生物细胞的 70是水。此外，还有有机酸、维生素、激素等有机化合物。这些形形色色的化学物质均由碳、氢、氧、氮、磷、硫以及其他为数不多的化学元素构成。第五章 微生物营养与代谢 微生物学教案 5-2 这些化学元素都来自于胞外环境。微生物细胞利用含这些化学元素的物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为微生物细胞的结构。细胞从外界环境中摄取化学物质，使
6、其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用(nutrition) 。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料(nutrient)。5.1.1 营养物质及其功能从元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N 、P、K 、Ga、Mg、S、Fe 等 10 种，且C、H、 O、N、S 、P 还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。1.碳源：凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。碳素的主要作用是组成菌体细胞物质和共给微生物生长发育所需的能量。碳源分无机（CO 2 及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类） 。实验
7、室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。(微生物对碳源的需要是极其广泛的，从简单的无机盐化合物到复杂的天然有机含碳化合物都能利用，但不同的微生物对碳源的需要是不同的，有的利用相当广泛（如假单胞杆菌属的某些细菌，能利用 90 种以上的碳源） ，而有的范围较窄（如甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇，某些纤维素分解菌只能利用纤维素等） 。总之，除培养自养微生物外，一般均用有机碳源。)(碳源:凡可构成微生物细胞碳水化合物中碳架营养物质称之。 碳素作用:构成微生物细胞物质;供给微生物生长发育所需能量。 大多数微生物是以有机碳化合物作为碳源和能源,例如糖类、有机物、脂肪、烃类
8、等。其中糖类如葡萄糖、蔗糖是最好碳源,也有少数种类利用二氧化碳作为碳源。且大多数微生物的碳源能源为一致的,但是以二氧化碳作为碳源的微生物同时还需要日光或其他无机物的氧化来获取能量,所以利用二氧化碳的微生物碳源和能源为分别不同物质。) 2.氮源:构成微生物细胞物质代谢产物中氮素来源营养物质称之。 氮素作用: 是蛋白质基本成分 , 一般不提供能量。 但硝化细菌能利用铵盐, 硝酸盐作为碳源。梭菌对糖利用不活跃, 需要氨基酸作唯一能源。从分子态氮到复杂的含氮化合物都能为不同的微生物所利用。 微生物利用氮源途径:N2 固氮酶(N2)固氮微生物 NH4N 蛋白质 大多数微生物可利用无机氮化合物: 铵盐,
9、硝酸盐, 但利用的较多的是 NH4-N, 利用 NO3-N 则要适当的浓度, 高浓度易产生毒害, NO 3-N 要转化成 NH4-N 才转化成蛋白质。 原生营养: 凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(营养缺陷型): 某些微生物由于合成能力发生障碍, 所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。 3.矿质元素(无机盐类矿质营养)(无机盐类只占 3-10%,在无机盐类中 P 占去 50%)矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质
10、，可分为两大类，即大量元素(P、K、 Mg、Ga、S、Na 等)和微量元素(Fe、B、Cu 、Zn、Mo、Co)。其主要功能是：细胞的组成成分; 酶的组成成分维持酶的活性; 调节细胞渗透压、pH、Eh; 某些矿质元素作为自养的能源。 4.生长素（生长辅助物质亦叫生长因子）是微生物生长代谢所必需的, 但微生物本身又不能合成的微量的特殊营养物。如培养一些微生物虽供给水、碳源、氮源和无机盐但仍不能生长, 必须加一定量的动植物汁液 (如马玲薯汁.酵母粉成动物肝脏浸出汁才能生长或生长良好)。生长素根据化学结构及代谢功能分: Vitamin(E):是辅酶的组成结构; Amino acid:供给微生物必需的
11、本身又不能合成的某些氨氨基酸,如缺陷型微生物 碱基( 嘧啶、嘌呤):构成核酸和辅酶 末知成分 第五章 微生物营养与代谢 微生物学教案 5-3 微生物对生长素需要情况分三类情况:自养微生物不需外源供应; 需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长; 要供给多种生长因素才能生长 (常需要供给植物汁液、动物煮汁才能生长)。5.H2O:各类微生物都含有大量水分, 占 90%左右。其中细菌含水量为鲜重 7585%, 酵母菌 7085%,霉菌 8590%, 芽孢 45%, 霉菌孢子 38%。一般说低等微生物含水量大于高等微生物,幼令菌含水量大于老令菌。 作用：微生物机体重要组成; 直接参加各种代谢反应; 是
12、微生物代谢反应的中间介质;调节微生物细胞温度( 水比热大有利吸热 ,散热);水维持细胞膨压。 5.1.2 微生物的营养类型根据微生物所需要的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为四大类：1. 光能无机营养型(或称光能自养型 )这类微生物是利用光作为生活所需要的能源，以 CO2 作为唯一或主要碳源，以无机物作为供氢体来还原 CO2 合成细胞的有机物质。如藻类和少数细菌( 红硫细菌、绿硫细菌) ，它们都含光和色素(叶绿素或细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素) ，可以在完全无机的环境中生长，所以称光能无机营养型。但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻胆素因不能单独
13、进行光合作用而称为辅助色素，其主要功能是捕获光能转移到光反应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。光 能 CO2 + H2O CH2O + O2 叶绿素 光 能 CO2 + 2 H2S CH2O + 2S + H2O 细胞叶绿素光 能CO2 + 2 H2A CH2O + H2O + 2A 光合色素第五章 微生物营养与代谢 微生物学教案 5-4 2.光能有机营养型(光能异养型 )这类微生物利用光作为能源，利用简单有机物作为供氢体以还原 CO2 合成细胞有机物质。如红螺细菌：CH3 光 能 CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O CH3 光合色素(异丙醇) (丙酮)2. 化能无机营养
14、型(化能自养型 )能从无机物氧化过程中获得能量，并以 CO2 作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。如铁细菌、亚消化细菌、消化细菌和硫细菌。Fe+2 Fe+3 + e +能量2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O+能量2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量2S + 3O2 + H2O 2H2SO4 + 能量能 量CO2 + 4H CH2O + H2O3. 化能有机营养型(化能异养型 )这是一类以有机物为能源和碳源的微生物，包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。5.1.3 培养基1. 培养基的配制原则根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。培养自养型微生物, 培养基所有成分, 应完全是简单的无机物; 培养异养型微生物, 培养基应有1 种有机物; 对营养缺陷型微生物, 要加所需的生长素或氨基酸或碱基等有机化合物; 若要分离培养某种特异的微生物要根据特殊要求配制培养基。 注意营养物质的浓度比和 C/N 比。如: 糖分含量要适合, 微生物生长才能良好, 糖分过多则抑制微生物生长。一般微生物适应 C/N 是 25:1( C/N:一般指元素 C/N 的比值, 也指培养基中还原糖的含量与粗蛋白质含量的比值) 。调节适宜的
