第四章,微生物的营养

啤酒酵母成分检测结果见李俊刚：啤酒酵母的综合 利用－绵阳市科技项目。
微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）
元素 碳 氮 氢 氧 磷 硫 细菌 50 15 8 20 3 1 酵母菌 49.8 7.5 5.7 31.1 1.5 0.3 霉菌 47.0 5.2 6.7 40.2 1.2 0.2
微生物是杂食性的： 一般生物能利用的，微生物能利用； 一般生物不能利用的，微生物也能利用； 对一般生物有害的，微生物还能利用。
通透性与吸收是不同概念
一般大分子先水解为小分子，再吸收 脂溶性物质：易透过 离子化合物：弱快强慢（极性）
一、单纯扩散 (simple diffusion)
依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；
不消耗代谢能，无特异性；
运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；
亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜
入胞
细胞物质
NH4+
分解
入胞
细胞物质
（三）能源(energy source)
能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或 辐射能。
异养微生物的碳源同时也是能源
有机物：化能异养微生物的能源
化学物质 能源谱
无机物：化能自养微生物的能源
辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源
一种营养物具有一种以上营养要素的功能
（二）氮源(nitrogen source)
凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 氮源一般不作能源。
有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆
无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4
气态氮源：大气N2
速效氮源 迟效氮源
实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉 膏、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的
形成微生物代谢产物的来源
营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失 去这个基础，生命也就停止。
（一）碳源(carbon source)
提供微生物营养所需碳元素的营养源。 有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等 无机碳源： CO2 , Na2CO3 , CaCO3等
异养微生物：必须利用有机碳源
第三节 营养物质进入细胞的方式
营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营 养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就 是物质运输过程。 在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大 (>600Da)的溶质进入, 而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子 的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。
单功能： 辐射能 双功能： 还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能 源，又是氮源 三功能： N ·C ·H ·O类营养物质常是异养微生物的能 源，碳源兼氮源
(四) 生长因子(growth factor)
一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源， 氮源自行合成的、所需极微量的有机物。 作用：辅酶或酶活化所需。
自养微生物：能利用无机碳源
微生物可利用的碳源(化合物分类)
糖类： 葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘 露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等 有机酸： 乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸， 氨基酸，等 醇类： 乙醇，等 脂类： 脂肪，磷脂，等 烃类： 天然气，石油，石油馏分，石蜡油 ，等
（六）水
存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）
生理作用：

细胞组成成分 生化反应溶剂 化学、生理反应介质 物质运输媒体 调节细胞温度 维持细胞的渗透压
第二节 微生物营养类型
依能源不同： 光能营养型(phototrophs): 光反应产能 化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能 依碳源不同： 异养型(heterotrophs): 不能以CO2为主要或唯一碳源 自养型(autotrophs): 能以CO2为主要或唯一碳源 依生长因子的不同： 原养型(prototroph)或野生型(wild type) 营养缺陷型(auxotroph)
CO2
碳酸盐： NaHCO3, CaCO3, 白垩，等 其他： 芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸
微生物工业发酵中用做碳源的原料
传统种类：糖类（单糖，饴糖） 淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物 淀粉等） 麸皮 各种米糠等 代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2
发酵生产的原料，一般可分成下列几类： 1，薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。 2，粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷 等。 3，野生植物 ：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符 子等。 4，农产品加工副产物 ：米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。
自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。
异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物， 即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利 用氧化有机物或吸收日光能而获得。
营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。
光能自养型微生物
以C02 作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物 如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将 CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫 光能 CO2＋H2S [CH2O]+2S+H2O 光合色素
若干细菌所需要的维生素
维生素 硫胺素(B1) 核黄素 烟酸 微生物的种 Bacillus anthracis (炭疽芽孢杆菌) Clostridium tetani (破伤风梭菌) Brucella abortus (流产布鲁氏杆菌) Lactobacillus spp. (各种乳酸杆菌) Leuconostoc mesenteroides (肠膜状明串珠菌) Proteus morganii (摩氏变形杆菌) Leuconostoc dextranicum (葡聚糖明串珠菌) Lactobacillus spp.
需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象 亲和力改变→蛋白构象改变→耗能 单纯扩散、促进扩散、主动运输 ：被运输的溶质分子不发 生改变。
吡哆醇(B6)
氨基
叶酸
甲基
即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳 基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、 核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关
钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移， 与甲硫氨酸和胸苷酸有关
维生素B12
羧基，甲基
（五）无机盐 (inorganic salts)
所需浓度在10-3-10-4M 的元素为大量元素 所需浓度在10-6-10-8M 的元素为微量元素
微生物的营养类型
营养类型 能 源 碳源 实 例
光能自养型
光能
CO2 CO2 及 简单有机物
蓝细菌 紫硫细菌 绿硫细菌 藻类 红螺细菌
光能异养型
光能
化能自养型
无机物
CO2
化能异养型
有机物
有机物
硝化细菌 硫化细菌 铁细菌 氢细菌 绝大多数细 菌和全部真 核微生物
化能异养型
寄生型(parasitism) ——寄生于活的生物体 腐生型(saprophytism) ——寄生于死亡的生物有机体
鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。
蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫
迟效氮源。
无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这 种氮源叫做速效氮源。 速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。
铵
盐
氨基酸
蛋白胨 硝酸盐NO3 豆 饼 蚕蛹粉 诱导酶
第五章
微生物的营养 和培养基
营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活
动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一 种最基本的生理功能。
营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。 营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质 和良好的生理环境。 一些微生物可利用非物质形式的能源光能。 第一节 第二节 第三节 第四节 微生物的营养要求 微生物的营养类型 营养物质进入细胞的方式 培养基
二、主要营养物及其功能
六种营养要素 碳源（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源（Energy source) 生长因子（Growth factor )
无机盐(Inorganic salt)
水(Water)
功能:
参与微生物细胞的组成
提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量
培养基中生长因子来源：
酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。
狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等
生长因子自养型微生物（auxoautoLeabharlann Baidurophs)
生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs) 营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)变株 生长因子过量合成型微生物
的通透性，细胞膜是一道屏障。
二、促进扩散 (facilitated diffusion)
利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。 特点：
需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输 不消耗能量

运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）
载体蛋白(carrier protein)，即透性酶（大多为诱导酶）， 有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋 白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。
例：红螺菌属（Rhodospirillum）
化能自养型微生物
以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无 机物氧化释放的化学能为能源,，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。
这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、 氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程 中起着重要的作用。
光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细
菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有 光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），供机体 直接利用。
光能异养型微生物
利用光能，以简单有机物（醇、有机酸） 为供氢体同化CO2
CH3 │ 光能 CO2+2CH2-CHOH----→[CH2O]+2CH3COCH3+H2O 菌绿素
元素
细菌
酵母菌
霉菌
碳 氮 氢 氧 磷 硫
50 15 8 20 3 1
49.8 12.4 6.7 31.1 — —
47.9 5.2 6.7 40.2 — —
表4—1 微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）
存在方式 有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降 解产物、代谢中间产物 无机盐灰分 水 — 细胞湿重的70%~90%
第一节 微生物的营养要求
一、微生物细胞的化学组成
二、营养物质及其生理功能
三、微生物的营养类型
一、 微生物细胞的化学组成
（一）化学元素(chemical element):
大 量 元 素 (macroelement): 碳 、 氢 、 氧 、 氮 、 磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的 97%）。 微量元素(trace element): 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、 铜、钨、镍 、硼。
胞外
细胞膜
胞内
促进扩散示意图
促进扩散
单纯扩散
浓度梯度
单纯扩散和促进扩散的比较
单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台
3、主动运输 (active transport)
特点： 是微生物吸收营养的主要方式 可逆浓度梯度运输，耗能 需载体蛋白，有特异性
运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类
吡哆酸(B6)
生物素 泛酸 叶酸
钴胺酸(B12) 维生素K
Bacteroides melaninogenicus (产黑素拟杆菌)
维生素的生理功能
维生素
硫胺素(B1)
转移的对象
乙醛基
代谢功能
焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、 转酮酶的辅基，与a－酮酸的氧 化脱羧和酮基转移有关 磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转 氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基 酸的消旋、脱羧和转氨
无机盐的生理功能
细胞内一般分子成分 (P、S、Ca、Mg、Fe等) 一般功能 生理调节物质 大量元素 渗透压的维持 (Na+等) 酶的激活剂 (Mg等) pH的稳定 化能自养菌的能源 (S、Fe2+、NH4+、MO2-等) 无机盐 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等) 酶的激活剂 (Cu2+、Mn2+、Zn2+等) 微量元素 特殊分子结构成分 (Co、Mo等) 特殊功能