第4章 微生物的营养 浙江大学微生物理论课件

促进扩散
• 借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。 载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度 梯度运输。
• 常见于真核微生物，如厌养生活的酵母菌中。
• 特点：
– 需要特异性的载体蛋白 – 不消耗能量 – 可加快运输速度，但不能逆浓度运输
主动运 输
• 有特异性的载体蛋白参与 • 需要消耗能量 • 可以逆浓度梯度运输 • 微生物的主要物质运输方式
• 主动运输（Active transport） • 基团转位（Group translocation)
简单扩散
• 物质扩散的动力: 膜内外的浓度差
• 特点： – 不消耗能量
– 不发生化学变化 – 非特异性。仅依膜上小孔的大小 和形状对被扩
散的物质分子的大小和形状具有选择性
• 被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、甘 油和某些离子
• 有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，脂肪酸，氨基酸 • 醇类：乙醇 • 脂类：脂肪，磷脂 • 烃类：天然气，石油，石蜡油 • CO2及碳酸盐 • 其他：芳香族化合物，氰化物，核酸等
二、 氮源物质
凡可被微生物用来构成菌体组分中或代谢成分中氮素 来源的营养物质统称为N源物质。
主要作用为合成细胞中含氮物质，一般不作能源用 （少数自养细菌例外）
2[CH2O]
–CO2 + 2H2S
[CH2O] + H2O + 2S
• 藻类和蓝细菌
光能异养型微生物
• 碳源——CO2 • 能源——光 • 供氢体——有机物
• 例：红螺菌属Rhodospirillum
CO2 + 2CH3CHOHCH3
(CH2O) + 2CH3COCH3 + H2O
微生物的营养类型1
划分依据
碳源
营养类型
自养型 异养型
特点
以CO2为唯一或主要碳源
以有机物为碳源
能源
光能营养型
以光为能源
化能营养型 电子供体 无机营养型
以有机物氧化释放的 化学能为能源
以无机物为电子供体
有机营养型
以有机物为电子供体
微生物的营养类型 2
营养类型 电子供体
光能无机 （自养）型
光能有机 （异养）型 化能无机 （自养）型
二、设计培养基的四种方法
• 1、生态模拟
根据微生物生长的天然环境来模拟培养基
• 如最初细菌生长的肉汤中，就可用肉汤作为细菌的培养基 • 酵母适宜长在水果如葡萄上，可用葡萄汁或苹果汁等来培
养酵母 • 放线菌适宜长在土壤中，可用土壤浸出液来培养，要调查
某一土壤中有多少微生物最好用土壤浸出液，并模拟其他 土壤中的条件如pH，氧化还原电位等
第五节 微生物的营养运输
• 培养基中的营养物只有被微生物吸收到细胞内才能 逐步利用，产生的代谢产物只有及时地分泌到胞外， 避免在胞内积累产生毒害，微生物才能正常生长。 物质通过细胞膜有四种方式：
• 简单扩散（Simple diffusion) • 促进扩散（Facilitated diffusion）
维持培养基pH的方法
• 使用磷酸缓冲剂： K2HPO4 /Na2HPO4 : KH2PO4/NaH2PO4
• 采用“备用碱” CaCO3 、CaHCO3 • 采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等 • 采用液氨或盐酸
控制氧化还原电位 （redox potential）
• 好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~+0.4V • 厌养微生物：+0.1以下 • 兼性厌养微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以
营养物质浓度及配比合适（C/N）
碳氮比Βιβλιοθήκη BaiduC/N）： 指碳原子的摩尔数/氮原子 的摩尔数，而不是碳源重量/氮源重量，如NH3 中N占82%，培养微生物时C/N比要合适
如谷氨酸发酵生产： C/N=4时菌体大量繁殖，Glu积累少； C/N=3时菌体繁殖受抑，Glu大量积累。
控 制 pH 条 件
细菌: pH 7.0-8.0 放线菌：pH 7-8.5 酵母菌: pH 3.8-6.0 霉菌： pH 4.0-6.0
化能异养型微生物
• 碳源——有机物 • 能源——有机物
• 可分为： –寄生型微生物——寄生于活的生物体 –腐生型微生物——以死亡的生物有机体为营养 原料
• 自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微 生物
化能自养型微生物
• 碳源——CO2 • 能源——来自氧化某种还原态无机物
• 例：
2NH3 + 2O2
三、培养基的类型及其应用
根据组成成分划分 根据物理状态划分 根据使用用途划分
按成分不同划分培养基
• 天然培养基（Complex medium; undefined medium)
• 合成培养基(Synthetic medium; defined medium)
• 半合成培养基(Semi-defined medium)
根据物理状态划分培养基
• 固体培养基：含琼脂1.5~2% • 半固体培养基：含琼脂0.2~0.7% • 液体培养基
按使用用途划分培养基
• 基本培养基(Minimum medium) • 加富培养基(Enrichment medium) • 鉴别培养基(Differential medium) • 选择培养基(Selective medium)
第四节 培 养 基
培养基： 是人工配制的适合于不同微生物生长
繁殖或积累代谢产物的营养基质
培养基的配制原则
• （一）、配制培养基的原则 • 1、根据不同微生物的营养需求配制不同的培
养基 • 2、注意各种营养物质的浓度和配比（如C/N） • 3、调节适宜的物理化学条件（pH，氧化还原
电位redox potential等） • 4、根据培养的目的来配制
无机氮源：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等 有机氮源：蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、黄豆饼、花生饼 气态氮源：大气N2
• 不同微生物对氮源的需求不同： 固氮微生物: 氮气 化能自养菌: 铵盐、亚硝盐 异养菌: 无机氮和有机氮
• 无机氮的利用速度比较快，称为速效氮。而豆 饼粉必须降解成氨基酸或短肽才能被利用称为 迟效氮。
• （2）机体内的一系列生理生化反应都离不开水 • （3）营养物质的吸收和代谢产物的分泌都是通过水来进
行的
• （4）能有效地控制细胞内温度的变化 • （5）是物质代谢的原料
第三节 微生物的营养类型
微生物的营养类型多种多样 一、自养与异养（按碳源分） 自养型生物：能以简单的无机物生长 异养型生物：生长时需要复杂的有机物
四、矿质元素
主要作用：
• （1）构成细胞的结构成分。如P、S。 • （2）某些生理活性物质（如酶）的组成成分。如Cu、
Zn、Mg等 • （3）参与细胞渗透压，氢离子浓度，氧化还原电位的
调节。 • （4）作为某些微生物的能源（如S）
五、水
• （1）是微生物细胞的重要组成成分，使原生质保持溶胶 状态，保证代谢正常进行。水占活细胞总量的90%左右
• 速效氮利于生长，迟效氮利于代谢产物形成。
微生物的生长因子
广义：指微生物在生命活动过程中必须从外界环境 中摄取的，对其正常代谢必不可少的某些微量有机 化合物。如维生素、氨基酸和碱基。
狭义：仅指维生素，其主要的生理功能是作为酶的 组成成分
1).生长因子自养型微生物（auxoautotrophs) 2).生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs) 3).生长因子过量合成微生物 4).营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)
• 2）磷酸~HPr + 葡萄糖 酶II 6-磷酸葡萄糖 +HPr
基团转位运输葡萄糖示意图
复习思考题
光能自养、化能自养 、光能异养、化能异养 配置培养基的基本原则 培养基的种类 物质运输的方式
微生物主动运输示意图
基团转位
• 一种主动运输类型 • 需复杂的运输酶系参与 • 底物在运输过程发生化学变化 • 主要存在于厌养和兼性厌养细菌中 • 主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物
质的运输，如葡萄糖（见图）
葡萄糖通过基团转位 运输过程的化学反应
• 1）PEP+HPr 酶I 磷酸~HPr + 丙酮酸
一、 碳 源物质
• 凡可被微生物用来构成细胞组分或代谢 产物中碳素来源的营养物质统称为碳源 物质。其主要作用有二：
（1）构成细胞组分或代谢产物的碳架 （2）供给微生物生长发育所需的能量
• 不同微生物对C源的需求不同
微生物可利用的碳源
• 糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，乳糖，甘露糖，纤
维素，半纤维素，甲壳素，木质素等
下进行发酵
根据培养目的
• 如分离土壤中纤维素分解菌
纤维素粉 5g，酵母膏 0.5g，水解酪素 0.5g，蒸馏 水 1000ml，NaNO3 1g, Na2HPO4.7H2O 1.18g, KH2PO4 0.9g, MgSO4.7H2O 0.5g, KCl 0.5g, pH 6.8
• 纤维素粉先经1N HCl冷处理12h——> 水洗至中性，以去除其它碳源。
• (1) 参与微生物细胞组分和代谢产物的组成 • (2) 提供各种生命活动所需的能量 • (3) 构成酶的活性成分在新陈代谢中起调节作用
• 由于微生物的种类繁多，对营养的需要也多种多 样，搞清它对生产实践具有重要的意义。
第一节 微生物细胞的化学组成
分析微生物的化学组成是了解微生物营养需要的基础
水（占 90%左右）
二、光能营养与化能营养（按能源分） 光能营养型：利用光能进行生长：光能——>化学能 化能营养型：利用有机或无机物氧化过程中放出的能量
三、无机营养型与有机营养型（按供氢体分） 无机营养型：供氢体为无机物 有机营养型：供氢体为有机物
• 根据所需碳源（供氢体）和能源的不同，微生物可分为：
• 1. 化能异养（化能有机营养型）微生物 • 2. 化能自养（化能无机营养型）微生物 • 3. 光能自养（光能无机营养型）微生物 • 4. 光能异养（光能有机营养型）微生物
蛋白质、核酸、维生素
生物1 细胞
有机化合物 碳水化合物（包括单糖、寡糖、多糖等）
类脂物质（脂肪、磷脂、蜡等）
干物质
大量元素 P、S、K、Mg、Ca、Na
无机化合物
微量元素 Fe、Zn、Mn、Mo
第二节 微生物的营养物质及其生 理功能
• 1.碳源（Carbon source） • 2.氮源（Nitrogen source) • 3.能源（Energy source) • 4.生长因子（Growth factor ) • 5.无机盐 （Inorganic salt) • 6.水 (Water)
• 2、查阅文献 要注重前人的科学经验，当然可改进
• 3、精心设计 对多种因素进行反复比较，反复试验，可用
优选法或正交试验法
• 4、试验比较 无论你设计得多好，最终要接受实践的检
验。有时小试好，大试不一定好。 所以试验的规模一般都遵循由定性到定量，
由小到大逐步扩大的原则。如先用生长谱法 , 然后用摇瓶试验， 最后用大罐发酵试验
化能有机 （异养）型
H2, H2S, S, H2O 有机物
H2, H2S, Fe2+ ， NH3 或NO2有机物
碳源 CO2
能源 光能
有机物 光能
例样
色细菌，蓝细菌， 藻类 红螺细菌
CO2 化学能（无 氢细菌，硫杆菌， 机物氧化） 硝化细菌，产甲 烷菌
有机物 化学能（有 大多数微生物， 机物氧化） 原生动物
第四章
微生物营养
Microbial Nutrition
微生物与其他生物一样， 必须从外界环境中摄取 所需的各种物质才能进 行新陈代谢。
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 称为微生物的营养物质。 微生物获得与利用营养物质的过
程通常称为营养。
营养物质的功能
• 营养物质是微生物进行生命活动的物质基础，它 的主要作用有：
2HNO2 + 4H+ + 能量
CO2 + 4H+
(CH2O) + H2O
光能自养型微生物
• 碳源——CO2为唯一或主要碳源 • 能源——光能
• 供氢体——水、 H2S、Na2S2O3和其他无机物 • 例：
–CO2 + H2O
[CH2O] + O2
–2CO2 + H2S + 2H2O +H2SO4