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1、 第五章第五章 微生物的营养营养：微生物从外部环境中获得和利用营养物质的过程。营养物质：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。营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持 和延续其生命形式的一种生理过程。概念区分：本章内容第一节，微生物的营养要求第四节，培养基第三节，营养物质进入细胞的方式第二节，微生物的营养类型第一节 微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成二、营养物质及其生理功能1. 细胞化学元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 、钾、镁、钙、铁；（其中前六种占细菌细胞干重的97%） 一、微生物细胞的化学组成微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍
2、、 硼等。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微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）元素 细细菌 酵母菌 霉菌 碳 50 49.8 47.9氮 15 12.4 5.2氢氢 8 6.7 6.7氧 20 31.1 40.2磷 3 硫 1 硫细菌(sulfur bacteria)硫元素；铁细菌(iron bacteria)铁元素；海洋细菌(marine bacteria)钠、氯等元素；硅藻(Diatom)硅酸构建富含(SiO2)n的细胞壁。2.元素在细胞内存在形式上述各种元素主要以有机物、无机物和水的形 式存在于细胞中：1有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、 维生素及其降 解产物。
3、2无机物：1)参与有机物组成； 2)以无机盐的形式单独存在于细胞质内 。3、水：约占细胞总重70%90%。分析细胞有机、无机成分的方式有机成分 ： 1.化学法直接抽提-定性、定量分析 2.破碎细胞，获得亚细胞结构-化学分析无机成分：细胞-550-灰分-定性、定量分析细胞湿重(wet weight)与干重(dry weight)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，一般可占细胞质量的70%90%。 湿重：将细胞外表面所吸附的水分除去后称量所得质量，一般以单位培养液中所含细胞质量表示（g/L或mg/mL）。 干重：采用高温（105）烘
4、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干重。主要成分 细细菌 酵母菌 霉菌水分 7585 7080 8590 （占细细胞鲜鲜重的%）蛋白质质 5080 3275 1415 占 细细 碳水化合物 1228 2763 740胞 干 脂肪 520 215 440 重的 核酸 1020 6 8 1%无机盐盐 230 7 612微生物细胞的化学组成含量细胞的化学组成可因菌种的种类、菌龄、培养基 组成、培养条件、分析方法等而有所不同。二、微生物的营养物质及其生理功能营养要素的功能： 1）构成细胞结构组分和代谢产物的原料； 2）提供能量； 3）调节新陈代谢。微生物的6大 营养要素碳源氮源
5、 能源无机盐 生长因子水定义：凡能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营 养物，称为碳源。1. 碳源（carbon source）大量营养物（macronutrients）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。 构成细胞成分； 形成各种代谢产物和细胞储藏物质； 为异养型微生物提供能源。碳源功能:将微生物可利用的碳源范围称作碳源谱。碳源谱（spectrum of carbon sources）：从这三个水平考察碳源，其数目是逐级扩大的甚至可多到无法计算。元素水平培养基原料水平化合物水平凡以无机碳源作为主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物。凡必须利
6、用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物。碳 源 谱有机碳无机碳碳源种类 碳源谱类类 型元素水平 化合物水平 培养基原料水平有 机 碳CHON X复杂杂蛋白质质、核酸等牛肉膏、蛋白胨胨、花生饼饼 粉等CHON多数氨基酸、简单简单 蛋 白质质等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂 类类等葡萄糖、蔗糖、各种淀 粉、糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏馏 份、石蜡油等无 机 碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3等微生物的碳源谱特点1）根据微生物利用有机碳或无机碳，可将微生物分为：异养微生物：有机碳自养微生物：无机碳2)最适碳源：糖 有机酸，醇 脂 单糖
7、双糖 多糖（淀粉纤维素,木质素,几丁质） 己糖 戊糖 葡萄糖，果糖 甘露糖，半乳糖CO2: （自养微生物）C.H.O型，糖类 （异养微生物 ）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。6）碳源谱广（微生物植物动物）；3) 微生物对碳源利用具有选择性混合存在 葡萄糖：首先利用（速效碳源）乳糖： 后利用（迟效碳源）5)异养微生物：碳源=能源（双功能营养物）4)不同微生物，对碳源的利用能力也不一样洋葱假单胞菌：90种以上甲烷氧化菌：甲醇和甲烷A 酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质，例如，酚、氰化物等某些微生物，例如，诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除“三废 ”B 纤维素纤维素是
8、由葡萄糖以1,4糖苷键组成的, 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。C 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。清除石油污染石油开采选择碳源原则1）根据微生物的生理机能选择；2）考虑经济效益，防止降格使用。宝贵的氮源“CHON”和 “CHONX”型，尽量避免将之作 为廉价的碳源使用。在发酵工业中最常用的碳源葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等定义：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。2. 氮源（nitrogen source）氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要
9、元素，氮占细菌干重的1215，也是微生物的主要营养物。 构成细胞组分（需要量仅次于碳源）； 构成代谢产物； 某些自养菌的能源。（如硝化细菌：氨和亚硝酸盐兼氮源和能源）氮源功能:氮源物质一般不提供能量！类类 型元素水平化合物水平培养基原料水平有 机 氮NCHOX复杂杂蛋白质质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼饼 粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单简单 蛋白 质质等尿素、蛋白胨胨、明胶 等无 机 氮NHNH3、铵盐铵盐 等(NH4)2SO4等NO硝酸盐盐等KNO3等NN2空气微生物的氮源谱微生物能利用的氮源类型也明显比动物和植物的广异养微生物对氮源的利用顺序是： NCHO 或 NCHOX NH
10、NO N微生物利用的氮源：实验室：实验室： 铵盐、硝酸盐、 尿素、蛋白胨、牛肉膏等发酵工业：发酵工业： 鱼粉、黄豆饼粉、蚕蛹粉、玉米浆、酵母粉等铵盐和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用NO3-和蛋白质吸收后还需还原、降解才可利用速效氮源迟效氮源能利用N2作氮源来合成细胞结构的微生物称固氮微生物。（1）研究固氮作用是生物领域中的一个重大课题。通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用N2。固氮微生物（2）固氮酶，可在常温常压下N2 + H+ NH3固氮酶作为一种酶制剂生产出来，进一步生产NH3。这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变化生理酸性盐: 当以（NH4）2
11、SO4为唯一氮源时，NH4被利 用后，培养基的pH下降，称为“生理酸性盐”； 生理碱性盐: 当以KNO3为氮源时，NO3被利用后，培养 基的pH上升，称为“生理碱性盐”。 利用NH4NO3为氮源，可以避免pH急剧升降，但是， NH4的吸收快，NO3-的吸收滞后，所以，培养基pH会先降后升。“氨基酸自养型生物”（Amino acid autotroph）:凡是能将非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐 和氮气）自行合成生长代谢所需要的一切氨基酸 的微生物。 “氨基酸异养型生物”（Amino acid heterotroph）:凡需要从外界吸收现成氨基酸作氮源的微生物。所有的动物和大量的异养
12、微生物是氨基酸异养型的，而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。能源谱：化学物质：化能营养型 有机物：化能异养微生物（能源=碳源 ）无机物：化能自养微生物（能源碳源 ）还原态无机物氧化提供能量。（ 还原态无机物：NH4+，NO2-，H2S，H2，Fe2+ ）辐射能：光能营养型 光能自养微生物 光能异养微生物为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能3. 能源（energy source）单功能营养物：光（能源）双功能营养物：葡萄糖(C 源+能源)NH4+ （氮源能源）多功能营养物：氨基酸（C源，N源，能源等）大量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca、 Fe等（10-310-4mol/
13、L）； 微量元素：Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等（10-610-8mol/L）功能 构成细胞的组成成分； 作为酶活性中心； 维持酶的活性； 调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位； 作为某些微生物的的能源物质。 4. 无机盐（inorganic salt）无机盐或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。(1)磷：合成核酸、磷脂、一些辅酶（NAD，NADP，CoA等 ）及高能磷酸化合物的重要原料。一般都以K2HPO4 和KH2PO4的形式人为地提供。(2)硫: 某些氨基酸（如半胱氨酸和蛋氨酸）、辅酶因子（如 辅酶A，生物素，硫辛酸和硫胺素）和谷胱甘肽的组成成分。也是某些自养菌的能源物质。微生物从含硫 化合物中得到硫。一般人为的提供形式为MgSO4。(3)镁: 一些酶（如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固氮酶）的激活剂，是光合细菌菌绿素的组成成分；具 有稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞 生长就会停止。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。(4
