微生物学4微生物的营养.ppt

第四章 微生物的营养,吸收多、转化快：,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食,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：微生物获得和利用营养物质的过程。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。（参见P78）,本章内容：,第一节、微生物的营养要求（微生物们需要吃什么？）第二节、培养基（如何给微生物们做饭）第三节、营养物质进入细胞（微生物们是怎样吃东西的）,第一节 微生物的营养要求,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水：70%-90%,干物质,有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物,无机物（盐）,第一节 微生物的营养要求,一、微生物细胞的化学组成、细胞化学元素组成：主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,2、化学成分及分析,对有机成分的分析：化学抽提，定性定量细胞破碎，分析结构的成分,对细胞无机成分的分析：灰分分析,湿重和干重高温烘干、低温真空干燥、红外线快速烘干,二、营养物质及其生理功能,微生物有五种营养要素，即碳源、氮源、生长因子、无机盐和水 1、碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。碳源物质通常也是能源物质，但CO2例外。,1、碳源,速效碳源迟效碳源不同种类的微生物利用碳源物质的能力不同：如甲基营养型微生物，只能利用一碳化合物；而假单胞菌属的某些种可以利用90种以上的碳源物质。,主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源（某些自养微生物利用铵盐、硝酸盐；某些厌氧菌能量缺乏时利用氨基酸）生理酸性盐：(NH4)2SO4生理碱性盐：KNO3解决办法：加入无害的缓冲物质,2、氮 源,2、氮 源,3、无机盐,主要生理功能：,（1）酶活中心的组成部分（2）维持生物大分子和细胞结构的稳定性（3）调节并维持细胞的渗透压平衡（4）控制细胞的氧化还原电位（5）作为某些微生物生长的能源物质,3、无机盐,微量元素需要量mol；一般参与酶的组成或使酶活化；大多为重金属，过量则有毒害作用。,4、生长因子,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需要的有机物。,维生素酶的辅基或辅酶氨基酸嘌呤或嘧啶酶的辅基或辅酶，或合成核苷,5、水,生理功能：溶剂和运输介质参与生化反应维持大分子的天然构象作为热的良好导体，控制细胞内的温度变化维持细胞的正常形态水合作用和脱水作用控制亚基结构的组成和解离,、水,水活度一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：w=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。纯水w为1.00。溶液中溶质越多,w越小。微生物一般在w为0.600.99的条件下生长,w过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适w不同。,三、微生物的营养类型,异养型生物,自养型生物,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,三、微生物的营养类型,微生物营养类型(),（参见P84）,三、微生物的营养类型,微生物的营养类型(),（参见P82）,三、微生物的营养类型,1光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；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。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。,三、微生物的营养类型,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；在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。,三、微生物的营养类型,光能无机自养型和光能有机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。,三、微生物的营养类型,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；,三、微生物的营养类型,4化能有机异养型（化能异养型）腐生型：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：寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,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；兼性寄生型；,三、微生物的营养类型,不同营养类型之间的界限并非绝对（P85）：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；,三、微生物的营养类型,例如紫色非硫细菌：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；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,三、微生物的营养类型,5营养缺陷型（参见P85）某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,第二节 培养基,培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水,第二节 培养基,一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生产实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。1、选择适宜的营养物质2、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜4、经济节约5、精心设计、试验比较、灭菌处理,第二节 培养基,1、选择适宜的营养物质（参见P82）实验室的常用培养基：细菌牛肉膏蛋白胨培养基（普通牛肉汤培养基）放线菌高氏号培养基酵母菌麦芽汁培养基霉菌查氏培养基,第二节 培养基,实验室一般培养：普通常用培养基；遗传研究：成分清楚的合成培养基；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB培养基；自然转化：基础培养基；观察芽孢：生孢子培养基；产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,2、营养物质浓度及配比合适营养物质的浓度适宜；营养物质之间的配比适宜；高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,3、物理化学条件适宜pH；水活度；氧化还原电位；,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,3、物理化学条件适宜1）pH培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,3、物理化学条件适宜2）水活度,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势，是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,不同类型微生物生长对氧化还原电位()的要求不同:好氧性微生物：+0.1V以上时可正常生长,以+0.3+0.4V为宜；厌氧性微生物：低于+0.1V条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1V以上时进行好氧呼吸,+0.1V以下时进行发酵。,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响 增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加值；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低值。,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,4、经济节约 配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,特别是在发酵工业中,以降低生产成本。以粗代精、以“野”代“家”、以废代好、以简代繁、以烃代粮、以纤代糖、以无机氮代蛋白,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,5、精心设计、试验比较进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件；文献查阅，设计特定微生物的培养基配方；试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件；,第二节 培养基一、选用和设计培养基的原则和方法,、灭菌处理任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟某些成分进行分别灭菌；过滤除菌；,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,1按成份不同划分天然培养基(complex medium)以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成合成培养基(synthetic medium)是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基(chemically defined medium),第二节 培养基二、培养基的类型及应用,2根据物理状态划分固体培养基；半固体培养基；液体培养基；,固体培养基 琼脂固体培养基 明胶培养基 硅胶固体培养基 天然固体基质,琼脂固体培养基：琼脂是由红藻门石花菜等藻类中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸酯，熔点96，凝固点是4050。琼脂培养基可反复溶化凝固而不改变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。,液体培养基 不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触。适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。病毒与立克次氏体、衣原体等活细胞专性寄生微生物，常用鸡胚培养法和动物培养法进行培养。,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,3按用途划分1）基础培养基(minimum medium)在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基，也称为基本培养基。2）完全培养基(complete medium)在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的所有营养物质的培养基牛肉膏蛋白胨培养基就是枯草芽孢杆菌等的完全培养基。,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,3）加富培养基（富集培养基）参见P87、17在普通培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基。这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。作用用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物。如培养百日咳博德氏菌需要含有血液的加富培养基。,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,、根据待分离微生物的特点进行设计，用于从环境中富集和分离某种微生物。（目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。）,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,4）鉴别培养基(differential medium)用于鉴别不同类型微生物的培养基，含特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。,4）鉴别培养基(differential medium),如大肠杆菌与伤寒杆菌，分别接种到葡萄糖肉汤，麦芽糖肉汤和乳糖肉汤培养基中，前者可以分解这几种糖，并产酸产气。后者只能发酵葡萄糖和麦芽糖，不发酵乳糖，只产酸不产气。这样就把大肠杆菌和伤寒杆菌区别开。（产气由产生的气泡观察到，产酸可由指示剂的颜色变化观察到）,4）鉴别培养基(differential medium),伊红美兰培养基，是一种鉴别培养基。将大肠杆菌接种在伊红美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，是紫黑色并带金属光泽的小菌落。（用于检测检查乳品和饮用水中是否含有肠道致病菌）,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,5）选择培养基(selective medium)参见P91、18用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基原理：根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。,5）选择培养基(selective medium),依据某些微生物特殊的营养需求设计 如：纤维分解菌 缺氮培养基可分离到固氮微生物加入某种化学物质，抑制或杀死其他微生物,第二节 培养基二、培养基的类型及应用,6)其他分析培养基还原性培养基（厌氧型微生物）组织培养物培养基（专性活细胞寄生微生物）未培养微生物（uncultivable microorganism）,第三节 营养物质进入细胞,影响营养物质进入细胞的因素1、营养物质本身的性质（分子量、溶解性、极性）2、微生物所处的环境（温度、pH等）3、微生物细胞的透过屏障（细胞膜、细胞壁、荚膜、黏液层）,第三节 营养物质进入细胞,一、扩散(diffusion)二、促进扩散(facilitated diffusion)三、主动运输(active transport)四、膜泡运输(memberane vesicle transport),第三节 营养物质进入细胞,一、扩散原生质膜是半透膜，有含水小孔。特点：具非特异性，但小孔的大小和形状对通过的 分子有选择性。动力是细胞内外的浓度差，不消耗能量。物质跨膜扩散能力和速率与该物质的性质有关，分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。,第三节 营养物质进入细胞,一、扩散扩散不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，水是唯一可以扩散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。,自由扩散,第三节 营养物质进入细胞,二、促进扩散(facilitated diffusion)被动的物质跨膜运输方式物质运输过程中不消耗能量参与运输的物质本身的分子结构不发生变化不能进行逆浓度运输运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,第三节 营养物质进入细胞,二、促进扩散(facilitated diffusion),第三节 营养物质进入细胞,二、促进扩散(facilitated diffusion)物质需要借助与载体(carrier)的作用才能进入细胞，且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；载体蛋白也称为透过酶；透过酶大都是诱导酶,只有在环境中存在机体所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。,促进扩散(facilitated diffusion),膜载体（载体蛋白）特点 有很强的特异性在运输过程中，本身不发生变化。能加快物质运输的速度。,第三节 营养物质进入细胞,三、主动运输(active transport)在物质运输过程中需要消耗能量可以进行逆浓度运输 主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式,第三节 营养物质进入细胞三、主动运输(active transport),运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能；,具体方式：,1、初级主动运输,2、次级主动运输,3、基团转位,4、Na+,K+-ATP酶系统5.ATP结合行盒式转运蛋白系统6.铁载体运输,三、主动运输(active transport),1、初级主动运输(primary active transport)由电子传递系统、ATP酶或细菌噬紫红质引起的质子运输方式，使原生质膜内外建立质子浓度差（电势差），使膜处于充能状态，即能化膜。,三、主动运输(active transport),2、次级主动运输(secondary active transport)通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差消失的过程中，往往偶联其他物质的运输,同向运输：与质子通过同一载体，同一方向运输,逆向运输：与质子通过同一载体按相反方向运输,单向运输：在质子浓度差消失的过程中，可促使某些物质通过载体进入细胞,为什么被称为：次级主动运输？,三、主动运输(active transport),3、基团转位(group translocation)运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输。（1）由一个复杂的运输系统(磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统(PTS)完成，物质在运输过程中发生化学变化。（2）主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中（3）具体过程：大肠杆菌对葡萄糖的吸收过程。,基团转位(group translocation),基团转移运输特点：需要磷酸酶系统进行催化 被运输的物质发生化学变化，被磷酸化 需要能量,三、主动运输(active transport),4、Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统 使细胞内维持高浓度K+，保证许多酶的活性和蛋白质的合成,丹麦学者斯克1957年发现在原生质膜上有一种重要的离子通道蛋白NaKATP酶,三、主动运输(active transport),5.ATP结合行盒式转运蛋白系统 一大类以ATP供能的运输蛋白，已发现了100多种，存在范围很广，包括细菌和人。,三、主动运输(active transport),6.铁载体运输Fe3+及其衍生物难溶于水。故微生物利用铁载体加强吸收。如：真菌产生的氧肟酸盐 大肠杆菌产生的儿茶酚盐3个铁载体与一个Fe3+形成复合物，于细胞表面在铁载体受体蛋白或ABC转运系统作用下进入细胞。,第三节 营养物质进入细胞,四、膜泡运输(memberane vesicle transport)膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)，为这类微生物的一种营养物质的运输方式)。胞饮作用、胞吞作用。,本章小结,营养、速效碳源、迟效碳源、生长因子、水活度、营养缺陷型、原养型、培养基、基础培养基、完全培养基、加富培养基、鉴别培养基、选择培养基、ABC转运蛋白系统、基团转位；微生物的四类营养类型及其划分依据；扩散、促进扩散、主动运输、膜泡运输的特点及其之间的区别；几种主要的主动运输方式,