微生物营养和代谢

第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-1

第五章微生物营养与代谢

本章提要: 微生物营养是微生物将摄自外界环境中的化学物质转化成为其细胞的组分和结构, 并

在此过程中获得生命活动所须能量的过程。这些获自外界环境，可为细胞提供组分结构、能量、

代谢调节物质和良好生理环境的化学物质(在光能营养微生物中，还包括日光能)称为营养物质。

微生物营养中有碳源、能源、氮源、无机盐、生长因子以及水6大要素物质。

根据能源、氢供体与碳源的来源不同，微生物营养类型可分为四大类型：光能自养(光能无机营养)型、光能异养(光能有机营养)型、化学自养(化能无机营养)型以及化学异养(化能有机营养)型。

物质进出微生物细胞的方式主要有4种：单纯扩散、易化扩散、主动转运与基团转位。

为人工培养微生物制备的、提供微生物以适合营养条件的基质称为培养基。培养基的种类虽然繁多，但制备培养基必须遵循“有的放矢、营养协调、条件适宜、经济节约”的16字基本原则。

根据所培养微生物的类群和营养类型，对培养基组分和化学成分的了解程度，制备好的培养基的物理状态以及培养基的功能可以分为许多名称和用途各异的培养基。

微生物研究中要采用纯培养。微生物培养方式根据是否需要供氧分为好氧培养和厌氧培养，根据培养介质的状态分为固体培养和液体培养，根据培养介质供给方式分为分批培养和连续培养，

根据培养细胞的生理生化状态是否处于同一阶段分为同步培养和非同步培养,测定微生物群体生

长的方法主要有细胞计数法、称重法和代谢产物分析法等。

微生物代谢的显著特点是旺盛、多样化及其严格的调节和灵活性。

微生物有着多样化的能量代谢。化能异养微生物在有氧或无氧条件下以有机物为生物氧化基质，以氧或其自身内部的有机物为末端氢(电子)受体，通过有氧呼吸或厌氧发酵产能。就产能效率

来说，呼吸要比发酵高得多；可就途径和产物而言，发酵要比呼吸丰富得多。无氧呼吸是在厌氧

条件下以外源无机氧化物或有机氧化物(较为罕见)为末端氢(电子)受体时发生的一类产能效率低

的呼吸。

光能微生物以光为能源，利用C02(光能自养)或有机碳化合物(光能异养)通过光合磷酸化产能。光合细菌有3类光合作用，它们分别是依靠菌绿素、叶绿素或菌视紫红质的光合作用。

化能自养微生物以C02作为主要或唯一碳源，从还原态无机物的生物氧化过程中取得合成其细胞物质所需的能量与还原力。化能自养细菌的产能效率、生长速率和细胞得率均很低。自养细

菌将生物氧化过程中取得的能量主要用于C02固定，有3条主要的固定C02途径：Calvin循环、

还原性三羧酸循环途径和乙酰—CoA途径。

微生物具有一些独特的合成代谢，如固氮作用、肽聚糖合成等。

微生物有两种主要的代谢调节方式：酶合成的调节和酶活力的调节。

本章重点和难点：微生物营养类型，微生物的产能方式和微生物特有的合成代谢（生物固氮、肽

聚糖合成、次生代谢产物）

5.1 微生物的营养物质和营养类型

微生物细胞由多种类型化学物质组成。其中最主要的是蛋白质、核酸、多糖和脂质这四类生物大分子，它们要占到细胞干重的96％。其余就是组成它们的单体以及无机盐等。水也是微生物细胞的重要组成成分，通常微生物细胞的70％是水。此外，还有有机酸、维生素、激素等有机化合物。这些形形色色的化学物质均由碳、氢、氧、氮、磷、硫以及其他为数不多的化学元素构成。

第五章微生物营养与代谢微生物学教案5-2

这些化学元素都来自于胞外环境。微生物细胞利用含这些化学元素的物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为微生物细胞的结构。

细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用(nutrition)。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料(nutrient)。

5.1.1营养物质及其功能

从元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10种，且C、H、O、N、S、P还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。

1.碳源：

凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。

碳素的主要作用是组成菌体细胞物质和共给微生物生长发育所需的能量。

碳源分无机（CO2及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类）。

实验室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。

(微生物对碳源的需要是极其广泛的，从简单的无机盐化合物到复杂的天然有机含碳化合物都能利用，但不同的微生物对碳源的需要是不同的，有的利用相当广泛（如假单胞杆菌属的某些细菌，能利用90种以上的碳源），而有的范围较窄（如甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇，某些纤维素分解菌只能利用纤维素等）。总之，除培养自养微生物外，一般均用有机碳源。)

(碳源:凡可构成微生物细胞碳水化合物中碳架营养物质称之。碳素作用:①构成微生物细胞物质;②供给微生物生长发育所需能量。大多数微生物是以有机碳化合物作为碳源和能源,例如糖类、有机物、脂肪、烃类等。其中糖类如葡萄糖、蔗糖是最好碳源,也有少数种类利用二氧化碳作为碳源。且大多数微生物的碳源能源为一致的,但是以二氧化碳作为碳源的微生物同时还需要日光或其他无机物的氧化来获取能量,所以利用二氧化碳的微生物碳源和能源为分别不同物质。)

2.氮源:

构成微生物细胞物质代谢产物中氮素来源营养物质称之。

氮素作用: 是蛋白质基本成分, 一般不提供能量。

但硝化细菌能利用铵盐, 硝酸盐作为碳源。梭菌对糖利用不活跃, 需要氨基酸作唯一能源。从分子态氮到复杂的含氮化合物都能为不同的微生物所利用。

微生物利用氮源途径:

N2 固氮酶

(N2)固氮微生物→ NH4—N → 蛋白质

大多数微生物可利用无机氮化合物:铵盐, 硝酸盐, 但利用的较多的是NH4-N, 利用NO3-N则要适当的浓度, 高浓度易产生毒害, NO3-N要转化成NH4-N才转化成蛋白质。

原生营养:凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(营养缺陷型):某些微生物由于合成能力发生障碍, 所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。

3.矿质元素(无机盐类矿质营养)(无机盐类只占3-10%,在无机盐类中P占去50%)

矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质，可分为两大类，即大量元素(P、K、Mg、Ga、S、Na等)和微量元素(Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co)。其主要功能是：①细胞的组成成分; ②酶的组成成分维持酶的活性; ③调节细胞渗透压、pH、Eh; ④某些矿质元素作为自养的能源。

4.生长素（生长辅助物质亦叫生长因子）

是微生物生长代谢所必需的, 但微生物本身又不能合成的微量的特殊营养物。如培养一些微生物虽供给水、碳源、氮源和无机盐但仍不能生长, 必须加一定量的动植物汁液(如马玲薯汁.酵母粉成动物肝脏浸出汁才能生长或生长良好)。生长素根据化学结构及代谢功能分: ①Vitamin(E):是辅酶的