微生物营养与代谢.ppt

第3章 微生物营养与代谢,3.1.1 微生物营养物质和营养类型,3.1.2 微生物营养物质的吸收机制,3.1.3 微生物的营养类型,3.1.4 培养基,3.1微生物的营养,3.1微生物的营养,微生物营养微生物和其他生物一样，为了生活要进行各种代谢活动，就必须从周围环境中吸收适当的物质，这些物质称为营养物。营养物是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础。,它的作用主要有三个方面：1.作为组成微生物细胞的原料；2.供给生命活动中能量的来源；3.形成微生物代谢的来源；,营养：,微生物在其生长过程中获取生命活动所需的能量和结构物质的生理过程。,营养物质：,外界环境可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生长环境的化学物质。,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：,微生物细胞的化学组成和营养要素,微生物细胞的化学组成和营养要素,微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水（70%-90%）,干物质,有机物,无机物（盐）,微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,蛋白质、多糖、脂、核酸、维生素、有机酸等及其降解产物,这些化学元素都来自胞外环境。,微生物细胞利用这些化学元素物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为细胞结构。,细胞化学元素组成：,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,3.1.1.2 微生物的营养要素及其生理功能,碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐，水,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：,微生物与动植物营养要素的比较,1、水,功能：（1）营养物质或代谢废物运输的必备物质；（2）直接作为反应物或产物参与体内多种生化反应；（3）水还是许多有机物中氢和氧的来源，例如烷烃分解过程；（4）许多酶促反应必须在水溶液中才能进行；（5）水分子之间形成的氢键使得水成为一种很好的温度缓冲剂。（6）水是热的良导体，有利于散热，不致于因代谢产热而使细胞局部温度上升；（7）作为活细胞中含量最高的成分，水对于维持细胞自身形状以及生物大分子的天然结构起着重要的作用。,水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。,不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较,人体 平均60%海蛰 约96%霉菌孢子 约39%几种生物的 孢子 皮层 约70%游离水含量 细菌芽孢 微生物 核心 极低 细菌 约80%营养体 酵母 约75%霉菌 约85%,游离水的含量可用水活度aw（Water activity）表示。水活度：在相同温度和压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的水蒸汽压之比。微生物能在aw=0.630.99的条件下生长。特定微生物对aw的要求是一定的。,定义：凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质,功能:,构成细胞成分（需要量最大的元素，50%）；形成代谢产物和储藏物；为异养型微生物提供能源。,2.碳源（carbon source）,碳源谱：,无机碳,有机碳,型,型,糖、有机酸、醇、脂类等（葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等）,氨基酸、简单蛋白质（氨基酸，明胶等）,C.H型,烃类（天然气、石油、石蜡油等）,型,复杂蛋白质、核酸等（牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等）,C.O型,CO2,C.O.X型,NaHCO3 CaCO3,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）碳源谱广（微生物植物动物）；,3）最适碳源：型，糖类（异养微生物）,糖 有机酸，醇 脂单糖 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,4）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）不同微生物，其碳源谱不同（利用碳源物质的能力有差别）洋葱假单胞菌：90种以上 甲烷菌：甲醇和甲烷,6）异养微生物：碳源=能源（双功能营养物）,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,定义：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质。,功能,构成细胞组分（需要量仅次于碳源，12%）；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）,氮源谱,无机氮,N.H，N.O，N,有机氮,尿素、氨基酸、蛋白胨，明胶,复杂蛋白质、核酸（牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕蛹粉、玉米浆等）,硫酸胺、硝酸钾、氨、氮气,3.氮源（nitrogen source）,生理酸性盐:当以（NH4）2SO4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。,所有的动物和大量异养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。,迟效性氮源:不能直接被菌体利用的氮源。反之则被称为“速效性氮源”。,氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不作为能源。只有少量细菌，如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用氨基酸为唯一的能源。,宏量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca等（10-310-4mol/L）；微量元素：Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等（10-610-8mol/L）其中：Fe是介于微量元素和宏量元素之间的元素。,功能,构成细胞的组成成分；作为酶的活性中心；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；作为某些自养菌的能源。,4.无机盐（inorganic salt）,(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)钾：不参加细胞结构物质的组成，但它是许多酶（如果糖激酶）的激活剂，与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓度比胞外高许多倍。各种无机钾盐，尤其是磷酸钾盐（磷酸二氢钾，磷酸氢二钾）可作为钾源。,(5)钙：一般不参与微生物的细胞结构物质（除细菌芽孢外），但它是某些酶（如蛋白酶类）的激活剂，还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性的钙盐，如CaCl2及CaCO3等都是微生物的钙元素来源。,(6)钠：与细胞渗透压调节有关。胞内浓度低，而胞外浓度高。对嗜盐菌来说，钠除了维持细胞的渗透压外，还与营养物的吸收有关，如吸收葡萄糖就需要Na的帮助。,(7)微量元素：与酶活性有关，或参与酶的组成，或是许多酶的调节因子。铁：过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素，也是铁细菌的能源，铁含量太低会影响白喉杆菌形成白喉毒素；铜：多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的成分；锌：醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子；钴：参与维生素B12的组成；钼：参与固氮酶的组成；锰：超氧化物酶的激活剂。,无机盐离子的提供方式,常量元素：K2HPO4，MgSO4（提供4种主要元素）微量元素：自来水，玻璃器皿,定义,微生物生长不可缺少的(自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的)微量有机物质称为生长因子（growth factor），一般包括维生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。,功能,作为辅酶或辅基参与代谢；核酸和蛋白质的成分。,5.生长因子（growth factor）,核黄素：梭菌属，假丝酵母属等维生素B12：链霉菌属，丙酸杆菌属，假单胞菌属辅酶A：短杆菌属维生素C：葡萄糖酸杆菌属，欧文氏菌属，棒杆菌属维生素D：酵母属,有些微生物能够合成大量的维生素，可采用工业发酵法生产,如何提供生长因子？,天然培养基半合成培养基,酵母膏（19种氨基酸，维生素）玉米浆（20种氨基酸，6种维生素）肝浸汁麦芽汁,合成培养基,添加配制的维生素复合液,生长因子的微生物学分析法,图5-1 培养基中维生素B12的浓度和需维生素B12微生物生长间的关系。培养物的光密度和生长量成正比,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 还原态无机物氧化提供能量。(还原态无机物:NH4+，NO-2，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物质或辐射能,6.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)多功能营养物：酵母膏（C源，N源，生长因子等）,3.1.2 微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素：细胞膜 细胞膜选择性透膜 细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素：微生物细胞生活的环境 pH值、温度,3、第三因素：被吸收物质的特性。分子量、溶解度,(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,是否消耗能量 是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化。,简单扩散促进扩散主动运输基团转位,根据微生物对物质的吸收过程：,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、简单扩散（称被动扩散）被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,S,S,S,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、简单扩散（称被动扩散）简单扩散的特点：,c.无需消耗能量,a.非特异性的,b.吸收过程不发生化学变化,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、简单扩散（称被动扩散）营养物质简单扩散能力的影响因素：,a.吸收营养物质的分子大小,b.溶解性(脂溶性或水溶性),c.极性大小,d.膜外pH,e.温度,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,2、促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）渗透酶：在细胞膜上具有运载营养物质功能的特异性蛋白。,T,S T,S T,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,2、促进扩散 与简单扩散的相同点：,c.无需代谢能。,a.被动的扩散。,b.无化学变化。,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,2、促进扩散促进扩散独有的特点：,a.载体的专一性,b.运输速率提高,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输 以代谢能为动力，在载体参与下，将物质从胞外向胞内转运。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,T,S,S,S,S,S,S,胞外 胞膜 胞内,T,S T,S T,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输主动运输同促进扩散的共同点：,a.载体,b.载体构型的变化,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,3、主动运输主动运输与促进扩散的不同点：,a.动力,b.载体构型变化原理,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,4、基团转位：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输,微生物营养物质的吸收机制,三、几种主要营养物质的吸收,1、糖：促进扩散、基团转位、主动运输。,2、肽与氨基酸：主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）,3、离子：主动运输,3.1.3 微生物的营养类型,异养型(heterotrophs):以有机物为碳源,自养型(autotrophs):以CO2为唯一或主要碳源,生长所需要的营养物质(碳源),生物生长过程中能量的来源,光能营养型(phototrophs):以光为能源,化能营养型(chemotrophs):以有机物氧化释放的化学能为能源,提供 供氢体（电子供体）的不同,无机营养型(lithotrophs):以还原性无机物为供氢体,有机营养型(organotrophs):以有机物为供氢体,根据微生物所利用碳源、能源的不同，可分为四种基本营养类型：,1.光能自养型2.光能异养型3.化能自养型4.化能异养型,1光能自养型（光能无机营养型）,能以CO2为唯一或主要碳源；,通过光合作用获取生长所需能量；,以无机物（如H2、H2S、S等）作为供氢体，使CO2还原为细胞物质；,例如，藻类及蓝细菌。同植物一样，以水为供氢体，进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为供氢体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+2H2A,光能,光合色素,CH2O+2A+H2O,(H2A某二元酸),2光能异养型（光能有机营养型）,不能以CO2为主要或唯一的碳源；,以有机物为供氢体，通过光能将CO2还原为细胞物质；,生长时大多数需要外源的生长因子。,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。,CHOH+CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3+CH2O+H2O,异丙醇,丙酮,光能自养型和光能异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。目前在高浓度有机废水的处理中应用意义重大。,表光合菌种类及其特性菌,3.化能自养型（化能无机营养型）,生长所需能量来自无机物氧化产生的化学能；,以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源；以H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作供氢体，使CO2还原成细胞物质。,化能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。,2NH33O22H2O 2HNO24H+4OH能量,亚硝酸细菌,CO24H+CH2OH2O,4.化能异养型（化能有机营养型）,生长所需能量来自有机物氧化过程产生的化学能；,生长所需的碳源主要是有机物（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。（通过糖酵解途径既可产生用于生物合成的碳骨架，也可释放出ATP和NADH(还原型辅酶)。）,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能异养型微生物；,所有致病微生物均为化能异养型微生物。,化能异养型分为：,腐生型(metatrophy)：,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,离开寄主不能生存。,腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(facultive metatrophy)或兼性寄生型(facultive paratrophy)，如：人和动物肠道内普遍存在的大肠杆菌。,四种基本营养类型的比较：,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；,举例：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，利用有机物生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能，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；,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,3.1.4 培养基,培养基:是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物所需要的营养物质。,培养基的作用：为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。,培养基,一、配制培养基的基本原则,1、适合不同微生物的营养特点。(1)从营养型的角度看,(2)从类群的角度看,自养微生物 合成能力强 简单的无机物异养微生物 合成能力弱 至少提供一种有机物,培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。(1)浓度适中原则 常量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L,培养基,一、配制培养基的基本原则,2、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。(2)营养比例原则 a.C/N,b.其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。短棒杆菌的谷氨酸发酵培养基C/N=4:1，菌体繁殖；C/N=3:1，谷氨酸形成,不同的微生物，所需营养物C/N不同。细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1,培养基,一、配制培养基的基本原则,3、控制培养条件,pHO2CO2渗透压,微生物生长繁殖,培养条件,影响,影响,微生物培养体系,(1)培养基的pH值的控制。,培养基,一、配制培养基的基本原则,a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。霉菌、酵母菌适于酸性，左右)细菌、放线菌喜中性或偏碱性 左右),(1)培养基的pH值的控制。,培养基,一、配制培养基的基本原则,b.使用pH值缓冲剂,由微生物与氧气的关系形成了三类微生物：专性好氧性微生物 专性厌氧性微生物 兼性厌氧的微生物,培养基,一、配制培养基的基本原则,实践对策：专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂（胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S和抗坏血酸）,(2)O2浓度的调节,（3）CO2的调节 对自养微生物来说，空气中只占容积的0.03%的CO2量意味着什么？,培养基,一、配制培养基的基本原则,增加CO2供应的途径：紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入NaHCO3(碳酸氢钠),（4）渗透压,培养基,一、配制培养基的基本原则,细胞破裂质壁分离,按培养基成分分按培养基的用途分按物理性状分,培养基,二、培养基的类型,培养基类型,合成培养基半合成培养基天然培养基,选择培养基富集培养基鉴别培养基,固体培养基液体培养基半固体培养基,1、按照培养基成分分：a.合成培养基 化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。,培养基,二、培养基的类型,1、按照培养基成分分：,培养基,二、培养基的类型,b.天然培养基 以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）,1、按照培养基成分分：,培养基,二、培养基的类型,b.半合成培养基 用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适当补充少量无机盐类。（马铃薯蔗糖培养基）,2、按照培养用途：,培养基,二、培养基的类型,b.富集培养基(增殖培养基）为分离某种微生物配制出的适合它生长而不利于其他微生物生长的培养基。,c.鉴别培养基 根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物的培养基。（伊红-甲基蓝培养基鉴别大肠杆菌(菌落小,绿色光泽)和产气肠杆菌(菌落大,灰棕色)）,a.选择培养基 根据某种或某一类微生物特殊的营养要求配制而成的，或在培养基中加入某种微生物有抑制作用而对所需培养菌种无影响的物质培养基。,3、按照培养基的物理性状,培养基,二、培养基的类型,b.液体培养基 未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。,c.半固体培养基 在液体培养基中加入少量琼脂（0.2-0.5%）。,a.固体培养基 在液体培养基中加入凝固剂使呈固体状态，称为固体培养基。(琼脂1.5-2%),