农业微生物学-微生物的营养和代谢

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1、第一节 微生物的营养物质和营养类型一、营养物质及其功能二、微生物的营养类型三、培养基 第二节 微生物的能量代谢（自学） 第三节 微生物的分解代谢（自学） 第四节 微生物的合成代谢一、无机养料的同化二、大分子前体物质的合成三、细胞结构成分大分子物质的合成四、微生物合成的次生代谢产物,第二章 微生物的营养和代谢,第一节 微生物的营养物质和营养类型一、营养物质及其功能（一）碳素养料（二）氮素养料（三）矿质元素养料（四）生长因子（五）水二、微生物的营养类型三、培养基四、营养物质进入细胞的方式,本章内容：,微生物的营养要求（微生物需要吃什么？） 培养基（如何给微生物做饭？ ） 营养物质进入细胞（微生物是

2、怎样吃东西的？ ）,第一节 微生物营养物质和营养类型,营养物质（nutrient）: 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（nutrition）: 生物体从外界环境摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。即微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。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。,第一节 微生物营养物质和营养类型,一、微生物营养物质及其功能,水,微生物营养物质,碳素营养物质,氮素营养物质,矿物质营养物质,生长因子,根据营养物质在菌体中的生理作用的不同分为：,1、概念 凡能提

3、供微生物营养所需碳元素的营养物质称为碳源，C量约占干重的50%。 2、 分类 碳源其中糖类是最广泛的碳源，其次为醇类、有机酸、脂等；单糖优于双糖和多糖；己糖优于戊糖；葡萄糖、果糖优于甘露糖和半乳糖；淀粉优于纤维素和几丁质等纯多糖，又优于琼脂、木质素等杂多糖。,（一）、碳素营养物质及其功能,CO2、CO32-,糖类、有机酸、醇、脂类、 烃类及芳香族化合物,微生物的碳源谱,3、常用的碳源,常以糖类提供C源,淀粉类（玉米粉、小麦粉、野生植物）,组成有机分子的骨架 为整个生理活动提供所需要的能量,4、碳素的功能,5、根据对碳源的利用情况,自 养 微 生 物：如红螺菌 (以无机碳为主),异 养 微 生

4、物：大多数微生物 (必须利用有机碳源),凡是能提供微生物生长繁殖所需氮素的营养物质称为氮源。（微生物细胞中含氮513%）,1、概念,2、分类,（二）、氮素营养物质及其功能,（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌）,（多数微生物）,（多数微生物）,微生物的氮源谱,牛肉膏、蛋白胨、酵母膏,鱼粉、花生、豆饼粉、麸皮、蛹粉,3、常用的氮源,4、N素营养的功能 构成细胞物质 能源物质（如硝化细菌等可以利用铵盐、硝酸盐等氮源为能源）,固氮微生物 (固定N2为氨)氨基酸自养型 (能以简单氮源合成一切所需的氨基酸)氨基酸异养型 (从外界吸收现成的氨基酸),5、按微生物对氮源利用的差异,是微生物生长必不

5、可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能，包括大量元素和微量元素。,（三）、矿物质营养物质,1、概念,大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）,微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）,一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、 氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,2、主要功能,微生物所需营养元素及功能,是一类对微生物正常生活所不可缺少、微量、微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。,1、定义,2、生长因子

6、 维生素、氨基酸、碱基,4、按微生物与生长因子的关系将微生物分类,生长因子自养型微生物,（野生型或原养型菌株）,（四）、生长因子,生长因子异养型微生物,有些微生物失去或没有合成生长素类物质能力的微生物叫营养缺陷型。乳酸菌、各种动物病原菌、支原体,生长因子过量合成微生物,3、功能：构成细胞成分调节代谢,维生素的功能 B1( 硫胺素)：脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基。 B2(核黄素)：黄素蛋白的辅基，FMN、FAD的前体。 烟酸：NAD和NADP的前体，脱氢酶的辅酶。 对氨基苯甲酸：叶酸的前体。 B6(吡哆醇)：转氨酶与脱羧酶的辅基。 泛酸： CoA的前体。 叶酸：四氢叶酸与核酸合成有关。 B12：

7、钴酰胺辅酶 硫辛酸：催化丙酮酸和酮戊二酸氧化脱睃。,（五）、水份,水是微生物细胞的主要成分，含量一般为70%-90%，以游离或结合态存在，结合水没有流动性和溶解力，不能被利用。生理作用 细胞的构成成分； 参与细胞内一系列生理生化反应； 起到溶剂与运输介质的作用； 有效地控制细胞内温度的变化。,不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：,第二节 微生物的营养类型,自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质。,异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质。,生长所需要 的营养物质,营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养物即能源、碳源和氮源不同而划分的微生物的类型。,微生物既

8、有异养型也有自养型,生长过程中 能量的来源,化能营养型：依靠化合物氧化释放的能量进行生长。,光能营养型：依靠光能进行生长。,大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物。,微生物的主要营养类型,根据碳源、能源及电子供体性质的不同， 可将微生物分为：,1光能无机自养型（光能自养型）,能以CO2为唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量。,藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为 电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+ H2O,光能,光合色素, CH

9、2O + 2S+ H2O,CO2+ 2H2S,光能,蓝细菌或藻类, CH2O + O2,2光能有机异养型（光能异养型）,不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质。,螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,3化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用 H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原 成

10、细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环。,4化能有机异养型（化能异养型）,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能,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。,有机物通常既是碳源也是能源,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,三、 培养基 (medium),定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。 特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素，

11、且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。 用途：促进微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。,培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）物理化学条件适宜（条件适宜）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,（一）、培养基的配制原则,目的明确、营养协调、条件适宜、经济节约,一）培养基组分应适合微生物的营养特点,即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基；不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养微生物的培养基至少需要含有一种有机

12、物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。,按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基；LB (Luria-Bertani)放线菌： 高氏一号培养基真菌： 查氏合成培养基；PDA (Potato-Dextrose-Agar)酵母菌； 麦芽汁,常见的培养四大类微生物的培养基:,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基） 牛肉膏 3g 蛋白胨 10gNaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20gK2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,PDA培养基 称取20

13、0g马铃薯，洗净去皮切碎，加水1000ml煮沸半个小时，纱布过滤，再加10-20g葡萄糖和12-15g琼脂，充分溶解后趁热纱布过滤，调pH值，加水补足1000ml，分装。,酵母菌 （麦芽汁培养基） 干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10-15 。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基） NaNO3 3gK2HPO4 1gKCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g FeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,浓度过高微生物的生长起抑制作用浓度过低不能满足微生物生长的需要 碳氮比（C/N）直接

14、影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,C/N比值：细菌(6/1)，真菌(10:1),碳源中的碳原子的mol数 氮源中所含的氮原子的mol数,C/N比值=,例：谷氨酸生产中 C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少； C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。,二）营养物的浓度与比例应恰当,（1）pH：各类微生物的最适生长pH值各不相同：细 菌：7.08.0 放线菌：7.58.5酵母菌：3.86.0 霉 菌：4.05.8在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值

15、的相对恒定，通常采用下列两种方式： 内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐（CaCO3）；调节培养基的碳氮比。 外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液,三）物理化学条件适宜,（2）渗透压 P124等渗溶液 适宜微生物生长高渗溶液 细胞发生质壁分离低渗溶液 细胞吸水膨胀,大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.86.2/L NaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。,对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度。 培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,（3）氧化还原电势(redox poyential),各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求： 好氧微生物：+0.3+0.4V(在0.1V以上的环境中均能生长)。 厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长。 兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵。,