工业微生物第3章微生物的营养与培养基

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1、工业微生物,第三章 微生物的营养与培养基,第一节 微生物的营养,一、微生物的营养物质微生物在生长过程中，需要不断从外界环境吸收物质并加以利用，以获得能量和合成细胞物质，这个过程称为微生物的营养。而被微生物吸收和利用的物质，称为微生物的营养物质。（一） 微生物细胞的化学组成分析微生物细胞的化学组成，是研究微生物营养的基础。微生物细胞的元素构成由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等组成。其中C、H、O、N、P、S六种元素占微生物细胞干重的97%；其他为微量元素。微生物细胞的化学元素组成的比例常因微生物种类的不同而各异。,第一节 微生物的营养,微生物细胞

2、的化学成分主要以有机物、无机物和水的状态存在。有机物包含各种大分子，它们是蛋白质、核酸、类脂和糖类，占细胞干重的99%。无机成分包括小分子无机物和各种离子，它们参与有机物组成或单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分中，占细胞干重的1%。水是微生物细胞中含量最大的成分，不同种类的微生物含水量不同。细菌细胞的游离水含量平均为75%85%，酵母菌约为70%80%，霉菌约为85%90%。同一种微生物的含水量随发育阶段和生活条件不同也有差别。,第一节 微生物的营养,（二）微生物的营养物质微生物的营养物质种类繁多，自然界中也有成千上万种物质可被不同微生物利用，微生物生长所需要的营养物质主要是以有机物和无机物

3、的形式提供的，小部分由气体物质供给。根据营养物质在机体中的性质和作用可分为：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。,第一节 微生物的营养,1.碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素的营养源称为碳源。碳元素是构成机体中有机物分子的骨架。约占细胞干重的50%，同时碳元素也是大多数微生物的能源。微生物能够利用的碳源极其广泛，从简单的无机碳源到复杂的有机碳源，甚至高度不活跃的烃及人工合成的塑料都可被不同的微生物利用（表3-1）。但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力也有差异。对于异养微生物，最适碳源为“C、H、O”型，其中糖类是最广泛的，其次是醇类、有机酸类和脂类。,第一节 微生物的营养,表3-

4、1 微生物利用的碳源物质,第一节 微生物的营养,实验室内常用的碳源主要有葡萄糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、有机酸等；发酵工业生产实践中，常用的碳源是农副产品和工业废弃物，如：甘薯粉、玉米粉、饴糖、米糠、酒糟、造纸厂的废水等。将来，如果能够利用人类和动物不能食用的纤维素、石油和CO2等作为碳源来培养大量微生物，那会是一件很有意义的工作。,第一节 微生物的营养,2.氮源凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源物质。自然界中能被微生物利用的氮源是十分广泛的，从分子态氮到有机态氮。氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可

5、利用某些氨基酸作为能源。氮的来源可分为无机氮和有机氮。从分子态氮到结构复杂的含氮化合物，如硝酸盐、铵盐、氰化物、尿素、蛋白质及蛋白质降解产物等，都可以被各种微生物所利用。能利用无机氮的微生物种类较多，尤其是铵盐，几乎所有微生物都可利用；多数微生物也可利用有机氮（蛋白质、核酸、尿素、氨基酸）（表3-2）。,第一节 微生物的营养,表3-2 微生物利用的氮源物质,第一节 微生物的营养,许多微生物既可以利用无机氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。例如土霉素生产菌在生产过程中既可以利用(NH4)2SO4，也可以利用玉米浆、黄豆饼粉作为氮源，而且对氮源的利用硫酸铵、玉米浆相对于黄豆饼粉的速

6、度快，前者为速效氮源，后者为迟效氮源。速效氮源通常有利于机体的生长，迟效氮源则有利于代谢产物的形成。在工业发酵过程中，往往将速效氮源与迟效氮源按一定的比例制成混合氮源加到培养基里，以控制微生物的生长期与代谢产物形成期的长短，达到提高产量的目的。 在实验室中常使用的有机氮源有蛋白胨、牛肉膏和酵母膏等。工业上常用硫酸铵和尿素、氨水、豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、麸皮等原料作为氮源。,第一节 微生物的营养,3. 能源能源是指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。各种异养微生物的能源就是其碳源，化能自养微生物的能源常是一些还原态无机物，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe22+等，

7、微生物可利用其在化学反应中释放的化学能作为能源；光能营养微生物的能源是辐射能。微生物的能源谱归纳如下：,第一节 微生物的营养,辐射能仅供给能源，是单功能的；还原态无机养料如NH4+、NO2-是双功能的，既能作能源又是氮源，有些是三功能的，同时作能源、碳源、氮源；有机物有的是双功能的，有的是三功能的。,第一节 微生物的营养,4. 生长因子生长因子通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。狭义的生长因子仅指维生素，广泛的生长因子除维生素外，还有碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4-C6的分枝或直链脂肪酸等。根据生长因子的化学结构和它

8、们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素、氨基酸与嘌呤和嘧啶三大类。维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢(表3-3)；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。,表3-3 维生素及其在代谢中的作用,第一节 微生物的营养,在配制培养基时，如果配制天然培养基，可加入富含生长因子的原料，如酵母膏、玉米浆、肝浸汁、麦芽汁、或其他新鲜的动植物组织液。如果配制的是组合培养基，则可加入维生素溶液。

9、,第一节 微生物的营养,5. 无机盐无机盐主要为微生物提供除碳源、氮源以外的各种重要元素，是必需和不可缺少的。根据微生物对化学元素需要量的大小，又可分为大量元素（生长所需浓度在10-310-4M）和微量元素（生长所需浓度在10-610-8M）：大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等无机盐在微生物机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性(表3-4)；调节并维持细胞的渗透压平衡以及控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。,第一节 微生物的营养,第一节 微生物的营养,表3-4 无机盐及其生理功能,

10、在微生物的生长过程中还需要一些微量元素，微量元素一般参与酶的组成或使酶活化，各种微量元素的生理功能见表3-5。如果微生物在生长过程中缺乏微量元素，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。值得注意的是，许多微量元素是重金属，如果它们过量，就会对机体产生毒害作用，而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内，并注意各种微量元素之间保持恰当比例。,第一节 微生物的营养,第一节 微生物的营养,表3-5 各种微量元素的生理功

11、能,在配制细菌培养基时，对于大量元素来说，可以加入有关化学试剂，其中首选K2HPO4及MgSO4，因为它们可提供四种需要量最大的元素，对于微量元素，一般可在化学试剂、天然水、玻璃器皿或是其他天然成分中都可得到，故在配制培养基时不用单独加入。但在研究营养代谢时，要根据需要加入。,第一节 微生物的营养,6 .水水是微生物细胞的主要组成成分，是微生物生存的基本条件。水在细胞中的生理功能主要有： a. 起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；b. 参与细胞内一系列化学反应；c. 维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；d. 由于水的比热高，是热的良好导体，能

12、有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化。,第一节 微生物的营养,二、微生物的营养类型由于微生物种类繁多，其营养类型比较复杂，根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大部分微生物分为光能自养型、光能异养型、化能自养型及化能异养型四种类型(表3-8)。,第一节 微生物的营养,第一节 微生物的营养,表3-8 微生物的营养类型,1. 光能自养型光能自养型也称光能无机营养型，这是一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的微生物，它们能以水、硫化氢、硫代硫酸钠等还原态无机物，使CO2固定还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。藻类、蓝细菌、

13、绿硫细菌等属于这种营养类型。,第一节 微生物的营养,藻类和蓝细菌含叶绿素，其光合作用与高等绿色植物一样，在光的作用下以水为氢供体，同化CO2并释放O2。紫硫细菌和绿硫细菌含细菌叶绿素，以H2S、S等还原态硫化物作为氢供体，进行不放氧的光合作用。产生的元素硫或是积累在细胞中，或是分泌到细胞外 。,第一节 微生物的营养,2. 光能异养型光能异养型又称光能有机营养型，这类微生物利用简单有机物作为主要碳源和供氢体进行光合作用，合成细胞有机物质。与以CO2为唯一碳源的自养型不同的是，它们不能在完全无机的环境中生长。红螺属的一些细菌就是这一营养类型的代表。 在有有机物存在的前提下，它们也能固定CO2。,第

14、一节 微生物的营养,3.化能自养型 化能自养型又称化能无机营养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生长所需的能量，以CO2或碳酸盐作为唯一或主要的碳源进行生长，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。例如氢细菌：,第一节 微生物的营养,4.化能异养型化能异养型又称化能有机营养型，这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，也即化能有机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。目前在已

15、知的微生物中大多数属于化能有机营养型，如绝大多数的细菌、全部真菌、原生动物以及病毒。,第一节 微生物的营养,在许多情况下，同一物质即是碳源又是能源。氮源可以是有机氮化合物，也可以是无机氮，大部分生物都属于这种类型。化能异养型微生物又可根据它们获得养料的方式而分为腐生和寄生两大类。腐生菌能够以无生命的有机物作营养，寄生菌则只能从活体中吸取营养物质，寄生和腐生之间又存在中间类型，称兼性寄生或兼性腐生。,第一节 微生物的营养,三、营养物质的运输方式营养物质能否被微生物利用的一个决定性因素是这些营养物质能否进入微生物细胞。只有营养物质进入细胞后才能被微生物细胞内的新陈代谢系统分解利用，进而使微生物正常

16、生长繁殖。微生物在吸收营养物质的时候，细胞膜具有很大作用。一般认为细胞膜以4种方式控制物质的运输。即单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团移位。,第一节 微生物的营养,1. 单纯扩散单纯扩散又称被动扩散，它是指被运送的物质依靠细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的区域向浓度低的区域扩散直到平衡的过程。这个过程无载体蛋白参与，不消耗能量，运送的物质是气体、水及某些脂溶性物质。这是物质进出细胞最简单的一种方式。,第一节 微生物的营养,单纯扩散是一种最简单的物质跨膜运输方式，是一个纯粹的物理学过程，在扩散过程中不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，营养物质不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直至膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡，此时运输速率为零。,第一节 微生物的营养,由于原生质膜主要由磷脂双分子层和蛋白质组成，膜内外表面为极性表面，中间为疏水层，因而物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关，相对分子质量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。单纯扩散没有特异性和选择性，扩散速度很慢，因此单纯扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式。,