微生物的营养和生长

《微生物的营养和生长》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物的营养和生长（102页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章,微生物的营养和生长,5. 1 微生物的营养 5. 2 微生物的生长 5. 3 微生物生长的控制,5.1 微生物的营养 营养和营养物质： 微生物在生长过程中不断从外界环境中获得所需要的各种物质，合成自身的细胞物质并提供机体进行各种生理活动所需要的能量。 这些能被微生物吸收并加以利用的物质是 营养物质（nutrient）, 是那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。 而微生物获得与利用营养物质的过程，称为营养 （nutrition）。,营养物质是微生物生存的物质基础，而 营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。 营养物质的作用： 组成微生物细胞所需的物质； 构成细

2、胞代谢过程中酶的活性中心，调节代谢，构成物质运输系统； 提供微生物各种活动的能量； 形成微生物的代谢产物。,5.1.1 微生物的六大营养要素： 5.1.1.1 微生物的化学组成： 碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、钠、铁、锰、锌等等。,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫,占细菌细胞干重的97%,这些元素主要以水、有机物和无机盐的形式存在于细胞中。 组成微生物细胞的这些化学物质分别来源于它们的营养物质。,微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,5.1.1.2 微生物的营养物质及功能： 营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。,六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水

3、,（一）碳源： 凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质，通称碳源。,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、 醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。 微生物不同，利用这些含碳化合物的能力也不同。如：产生胞外淀粉酶的微生物才利用淀粉。 目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。实验室主要利用葡萄糖、蔗糖和可溶性淀粉等等。 组成细胞物质、代谢产物，供给一些微生物能量。,对于为数众多的化能异养微生物来说， 碳源是兼有 能源 功能营养物。,（二）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物质，

4、通称氮源。,氮源谱,有机氮,无机氮,NH3 铵盐 硝酸盐 N2,蛋白质 核酸 氨基酸 尿素,能被微生物用作氮源的物质有蛋白质或它们不同 程度的降解产物（如：胨、肽、氨基酸等）、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐以及分子态氮。 目前，在实验室或工业生产中常用的用的氮源物质有：碳酸铵、硫酸铵、硝酸盐、尿素、氨； 有机氮源包括：蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等。 速效氮源：有利于机体生长 迟效氮源：有利于代谢产物的形成 氮源一般不能作为能源。,（三）能源： 能为微生物生命活动提供能量来源的营养物或辐射能，称为能源。,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能源,有机物,无

5、机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,（四）无机盐： 能为微生物生长提供必须的金属元素。 其作用： 参与微生物中酶的组成； 作为酶的激活剂； 控制细胞的氧化还原电位，维持细胞的渗透压平衡； 作为某些微生物生长的能源物质。,大量元素：Na、 K、 Mg、 Ca、 S、 P 等。 （10-3 10-4 mol/L） 微量元素: 是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素。 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼 等。 （10-6 10-8 mol/L） 单盐毒害：微量元素中有许多是重金属元素，如果它们过量会对机体的正常代谢产生毒害作用，而

6、且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，称作单盐毒害作用。 所以，没有特殊原因，在配制培养基时没有另外加入微量元素的必要。,（五）生长因子： 通常是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的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。 根据生长因子的化学结构与它们在机体内的生理作用，可以分为： 维生素； 氨基酸； 嘌呤或嘧啶碱基。 维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，是酶活性所需要的成分。 嘌呤或嘧啶碱基一般是构成某些酶的辅酶或辅基或构成核酸的组成成分。,在一些情况下，培养基中一种氨基酸的含量过高， 也会导致其他所需氨基酸的吸收不好，因此，氨基酸的含量 要控制在一定浓度范围内

7、，避免氨基酸之间因浓度不协调所产生的不良作用。,微 生 物 生长因子 需要量（ml-1） III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 硫胺素 0.5ng 白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae） B-丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug,（六） 水： 水在机体中的生理作用： 1. 水是微生物细胞的重要组成成分，占生

8、活细胞总量的90左右；是维持细胞正常形态的重要因素。 2. 机体内的一系列生理生化反应都离不开水； 3. 营养物质的吸收与代谢产物的分泌都是通过水来完成的； 4.由于水的比热高，又是热的良好导体，故能有效地控制细胞内温度的变化。,5.1.2 微生物的营养类型：,自养型微生物 异养型微生物,生长所需要的营养物质,生物生长过程中能量的来源,光能营养型 化能营养型,光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长。 光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养物。 化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营 养物。 化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营 养物质。,5

9、.1.2.1 光能自养型（光能无机自养型）： 利用光作为生活所需要的能量来源，以CO2为碳源，以无机物 如硫代硫酸钠、H2S等为供氢体，还原CO2合成细胞有机物的一类微生物。,例如：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。,CO22H2O,光能,叶绿素,CH2OO2,除蓝细菌外，其他光能自养微生物光合作用是在无氧环境下进行，为细菌型光合作用（严格厌氧）。,5.1.2.2 光能异养型（光能有机异养型）： 利用光作为生活所需要的能量来源，以有机化合物作为供氢体，还原CO2合成细胞有机物的一类微生物。,CO22H2S,光能,细菌光合色素,CH2O2SH

10、2O,例如： 绿硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,不能以CO2作为唯一碳源。,例如，红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。,CHOHCO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3CH2OH2O,5.1.2.3 化能自养型（化能无机自养型）： 以CO2或碳酸盐作为碳源，利用无机化合物氧化所产生的化学能为能源，还原CO2合成细胞物质的一类微生物。,化能自养微生物一般为好氧性的。,其过程可用一通式表示：,无机物,O2,氧化物,能量,CO2,4H,CH2O,H2O,注供氢体可来于 H2、 H2S、 Fe2+

11、、 NO2,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；,5.1.2.4 化能异养型（化能有机异养型）： 以有机碳化合物（如淀粉.糖类.纤维素.有机酸等）作为碳源，利用有机化合物氧化所产生的化学能为能源的一类微生物。,有机物通常既是碳源也是能源；,腐生型( metatrophy )： 可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源； 寄生型( paratrophy )： 寄生在活的寄主体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存。,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型： 兼性腐生型(facultive metatrophy)； 兼

12、性寄生型(facultive paratrophy)；,不同营养类型之间的界限并非绝对：,异养型微生物并非绝对不能利用CO2； 自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长； 有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境 条件变化的适应能力,例如：紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物； 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物；,5

13、.1.3 营养物质进入细胞的方式：,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为： 自由扩散 促进扩散 主动运输 基团转移,5.1.3.1 自由扩散： 原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。 物质在扩散过程中没有发生任何反应； 不消耗能量；不能逆浓度运输； 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,可以通过扩散自由通过原生质膜的分子： 水， 一些脂溶性小分子：脂肪酸、乙醇、甘油等， 一些气体（O2、CO2）， 某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,影响自由扩散的因素： 物质的分子大小，极性大小，溶解性，膜PH，温度等。,5.1

14、.3.2 促进扩散： 特点： 在扩散过程中需要载体参与。但参与运输的物质本身的分子结构不发生变化。 被运输的物质具有高度的立体专一性。 不消耗能量；不能逆浓度运输。 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、 单糖、维生素及无机盐等。,5.1.3.3 主动运输： 特点： 在主动运输过程中需要载体参与。载体蛋白构型变化引起载体蛋白与被运输物质的亲和力变化。 被运输的物质具有高度的立体专一性。 需要消耗能量，可以进行逆浓度运输。 运输速率与膜内外物质的浓度无关。,5.1.3.4 基团转位： 基团移位是另一种类型的主动运输，它有一个复杂 的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中要发生化学变化。 基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,大肠杆菌摄入葡萄糖为例： 基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对