1、第六章节微生物的营养1第1页，共56页。一、微生物细胞的化学组分及生理功能二、微生物的营养类型三、培养基四、营养物质的吸收和运输 第一节 微生物的营养2第2页，共56页。营养/营养作用（nutrition）营养物（nutrient）第一节 微生物的营养 从外部环境摄取其生命活动所需要的各种物质和能量，并进行代谢生长的生理过程。营养为一切生命活动提供了必需的物质基础。它是代谢的基础。有了营养才有代谢、生长、繁殖，并产生有益的代谢物。具有营养功能的物质。在微生物学中营养物还常包括光能这种非物质形式的能源在内。3第3页，共56页。一、微生物细胞的化学组分及生理功能1、化学组成：湿细胞水 7090%海
2、蜇：水分高达95%人体含水量:5060%左右干物质：1030%有机物：90%碳水化合物蛋白质脂类核酸维生素等无机盐（灰分）10%第一节 微生物的营养4第4页，共56页。几点注意：不同的微生物其细胞化学成分组成也不同。同一种微生物在不同的生长阶段其化学成分也有差异。但在正常情况下，各类微生物细胞的成分是相对稳定的。活性污泥微生物的一般组成：C5H7NO2真菌：C10H17NO6藻类：C5H8NO2原生动物：C7H14NO3 从微生物细胞的组成可以理解细菌的6种营养要素：水、无机盐、碳源、氮源、生长因子、能源第一节 微生物的营养5第5页，共56页。元素及其百分比（）小计大量元素O 65.0C 18
3、.0H 10.0N 3.096%主要无机元素Ca 1.5P 1.0K 0.35S 0.25Na 0.15Cl 0.15Mg 0.053.45%微量元素Fe,Mn,I,F,Co,Zn,Mo,Se0.55%痕量元素Li,Si,Al,Pb,As,B,V,BrN第一节 微生物的营养12第12页，共56页。氨基酸自养型微生物：能把非氨基酸类氮源自行合成为所需要的氨基酸的微生物称为“氨基酸自养型微生物”。氨基酸异养型微生物：只能从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物称“氨基酸异养型微生物”。磷源：能提供微生物所需磷元素的营养物质：磷酸盐。核酸的合成原料硫源：S2、So、SO42第一节 微生物的营养13第13
4、页，共56页。5)生长因子（growth factor）定义：在生长过程中不能自身合成，同时又是正常代谢所必需的须由外界供给的微量营养物质。常见的生长因子氨基酸类嘌呤、嘧啶类维生素类生长因子的需要量一般很少。生长因子自养型微生物：不需要提供生长因子的微生物称“生长因子自养型微生物”（如：E.coli）。第一节 微生物的营养14第14页，共56页。生长因子的来源：某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子。酵母膏（yeast extract）玉米浆（corn steep liquor）肝浸液（liver infusion）麦芽汁（malt extract）蛋白胨（peptone）微生物的分类（
5、根据生长因子的需求性）生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物生长因子过量合成微生物第一节 微生物的营养15第15页，共56页。维生素转移的对象代谢功能硫胺素（B1）乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶、的辅基、与-酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关核黄素（B2）氢、电子黄素核苷酸FMN和FAD的前体，它们构成黄素蛋白的辅基，转移氢烟酸（B5）氢、电子NAD和NADP的前体，是脱氢酶的辅酶，参与递氢过程以及氧化还原反应吡哆醇（B6）氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与糖和脂肪酸合成泛酸酰基辅酶A的前体，乙酰载体的辅基，转移酰基，参与糖和脂肪酸合成叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)
6、，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸生物素（H）羧基各种羧化酶的辅基，在CO2固定、氨基酸和脂肪酸合成及糖代谢中起作用维生素B12羧基，甲基钴酰胺酸酶，参与一碳基传递，与甲硫氨酸和胸苷酸的合成和异构化有关维生素的生理功能 16第16页，共56页。维生素细菌种类硫胺素（B1）核黄素烟酸吡哆酸（B6）生物素泛酸叶酸钴胺酸(B12)维生素KBacillus 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 mesen
7、teroides(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.(各种乳酸杆菌)Bacteroides melaninogenicus(产黑素拟杆菌)几种细菌所需要的维生素第一节 微生物的营养17第17页，共56页。6)能源（energy source）定义：能为微生物的生命活动提供能量来源的营养物或辐射能。能源化学物质有机物（同碳源）无机物（还原态无机物如：NH4+、NO2、S、H2S、H2、Fe2+等）光能量一些微生物（都是细菌）能氧化还原态无机物而从中获得能量。如：硝酸细
8、菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌、铁细菌第一节 微生物的营养18第18页，共56页。几点注意：不同的微生物，营养要求不同。不同的生长条件，同一微生物的营养要求也会不同。微生物的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种微生物所利用。甚至一些有毒有害的有机物。e.g.H2S、酚、HCN、Cr6+等。第一节 微生物的营养19第19页，共56页。有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求，就不利用其他物质了。有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用难降解的化合物。注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理
9、。微生物的共代谢(co-metabolism)等。各种营养元素之间往往有一定的比例关系。e.g.土壤中许多微生物要求 C：N=25：1 废水生物处理中要求 好氧处理 BOD:N:P=100:5:1 厌氧处理 BOD:N:P=200:5:1第一节 微生物的营养20第20页，共56页。微量营养物质参考需求量范围（mg/L）微量营养物质参考需求量范围（mg/L）维生素B10-1.2Ca0.4-1.4维生素B20-2.0Mg0.5-5.0维生素B30.01-2.0 Fe0.1-0.4维生素B50-1.0;0-10Zn0.1-1.00维生素B60-10Cu0.01-0.05维生素B120-0.005Co
10、0.1-5.0 维生素H0-0.05Mn0.01-0.05K0.8-3.0Mo0.1-0.7Na0.5-2.0Al0.01-0.05活性污泥微生物对营养物质的需求第一节 微生物的营养21第21页，共56页。微量金属废水中的含量(mg/L)需求量参考范围（mg/L）Ca4.34-17.200.4-1.4K2.39-3.680.8-3.0Na120.59-227.80.5-2.0Mg2.07-5.480.5-5.0Fe0.054-0.160.1-0.4Mn0.008-0.0110.01-0.05Cu0.002-0.0150.01-0.05Al0.027-0.0750.01-0.05Zn0.0042
11、-0.0160.1-1.00Mo0.003-0.0170.1-0.7Co0.001-0.0120.1-5.0某毛纺废水中的微量金属含量第一节 微生物的营养22第22页，共56页。Zn对某毛纺废水生物处理速率的影响（对单位污泥COD去除速率的影响（12h-24h）第一节 微生物的营养23第23页，共56页。微量营养物质组合对某毛纺废水生物处理中COD降解速率的影响 第一节 微生物的营养24第24页，共56页。微生物和动物、植物营养要素的比较 生物类型营养要素 动物（异养）微生物绿色植物（自养）异养自养碳源糖类脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳、碳酸盐等氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降
12、解物、有机氮化物、无机氮化物、氮无机氮化物、氮和有机氮无机氮化物能源与碳源同与碳源同氧化无机物或利用光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水25第25页，共56页。二、微生物的营养类型按能源分化能营养（chemotroph）光能营养（phototroph）按碳源分自养型（autotroph）异养型（heterotroph）：需要有机物才能生长的微生物C源：CO2、HCO3N源：NO2、NH4+H源：H2S、H2O能在只含无机物的环境中生长繁殖的微生物第一节 微生物的营养26第26页，共56页。分类标准营养类型1.以能源分光能
13、营养型（phototroph）化能营养性(chemotroph)2.以氢供体分无机营养型(lithotroph)有机营养型(organotroph)3.以碳源分自养型(autotroph)异养型(heterotroph)4.以合成氨基酸能力分氨基酸自养型(amino acid autotroph)氨基酸异养型(amino acid heterotroph)5.以生长因子分原养型(prototroph)或野生型(wild type)营养缺陷型(auxotroph)6.以取食方式分渗透营养型(osmotroph)吞噬营养型(phagocytosis)7.以取得死或活有机物分腐生(saprophyt
14、ism)寄生(parasitism)微生物营养类型的分类27第27页，共56页。根据能源和碳源的不同，微生物的营养类型可分为四大类：营养类型化能自养型光能自养型光能异养型化能异养型根据营养类型，微生物亦可为四大类第一节 微生物的营养28第28页，共56页。1、光能自养微生物：含有光合色素、能进行光合作用。利用CO2合成细胞所需的有机物。进行光合作用时从H2S或H2O获氢。e.g.绿色细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌CO2+2H2S光能菌绿素CH2O+H2O+S2有机碳化物不放出氧注意：蓝细菌从水中的光解中获得氢，用于还原CO2。CO2+H2O光能叶绿素CH2O+O2放出氧第一节 微生物的营养2
15、9第29页，共56页。2、光能异养微生物 能进行光合作用（不产生氧气）不能以CO2作为唯一或主要碳源（利用简单的有机物作碳源）。能利用有机物作为氢供体，利用光能把CO2合成成细胞物质。这些菌一般都需要生长因子。此类菌很少，如红螺菌中的一些细菌：紫色无硫细菌等第一节 微生物的营养2(CH3)2CHOH+CO2 CH2O+2CH3COCH3+H2O光能光和色素30第30页，共56页。3、化能自养微生物 能氧化特定的还原态无机物（如 S、Fe2+、NH4+、H2S、H2），利用其中的化学能还原CO2合成有机化合物。e.g.硝化菌、硫化菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌2NH3+2O22HNO2+4H+61
16、9.6kJCO2+4H+CH2O+H2O 化能自养菌的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一种特定的无机物（如：硝化菌、铁细菌等）比光能自养菌分布广，在自然界中的N、S、Fe转化过程中起重要作用。第一节 微生物的营养31第31页，共56页。4、化能异养微生物 利用有机物作为碳源和能源。大部分细菌都属于这种类型。（真菌均属于此类）腐生细菌：从死的有机残体中获得营养而生活。（占大多数）在自然界的物质循环中起着决定性的作用。寄生细菌：生活在活的生物体中。（共生的一种）第一节 微生物的营养32第32页，共56页。微生物的营养类型（小结）*NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等。营养类型能源供氢
17、体基本碳源实例光能自养型光无机物CO2紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌、藻类光能异养型光有机物CO2及简单有机物红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）化能自养型无机物*无机物CO2硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌等化能异养型有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物33第33页，共56页。三、培养基（medium,culture medium）1、定义：人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。培养基的配制原则和注意事项：含微生物所需要的六大营养要素。明确目的，不同细菌、不同目的需要配制不同的培养基。营养协调，注意各种营养物的浓度和配比：在水处理中一般应注意进水中BOD5:N:
18、P的比值为100:5:1，C:N=200:1 10:1厌氧处理：BOD5:N:P的比值为200:5:1。第一节 微生物的营养34第34页，共56页。根据微生物细胞收率及活性污泥微生物平均元素组成估算BOD去除所需的氮源 有机物（污泥微生物）平均分子组成为C5H7NO2 分子量：125+7+14+162=113碳组成比：0.53（重量比）N组成比：0.121g BOD0.5g 菌体0.5g 菌体中的氮含量：0.50.12=0.06gBOD:N=1:0.06 100:6 (与100:5接近)第一节 微生物的营养35第35页，共56页。在大多数化能异养微生物的培养基中，各要素间在量上的比例大体符合以
19、下10倍递减规律：水 C+能源N源P、SK、Mg生长因子101102103104105106单位：mol物理化学条件适宜（pH、渗透压、氧化还原电位）考虑生长因子。经济节约，物美价廉。第一节 微生物的营养36第36页，共56页。一旦配成须全部进行灭菌，否则会引起杂菌污染，并破坏固有的组成和性质。培养基的配制方法：生态模拟：肉汤、米饭、肥土查阅文献。实验研究（各项因素的比较、反复的实验）。第一节 微生物的营养37第37页，共56页。2、培养基的分类按物理状态分固体培养基（solid medium）：用于微生物的分离、鉴别、选种、计数等（如2%琼脂、滤膜、米糠、木屑）。半固体培养基（semi-so
20、lid medium）：低浓度琼脂液体培养基（liquid medium）：主要用于生理及代谢研究、获得大量菌体等，在生产实践上绝大多数都采用此类培养基。水处理中的废水也可看作是一种广义的液体培养基第一节 微生物的营养38第38页，共56页。按培养基组成分天然培养基（complex medium;undefined medium）取材方便、营养丰富、种类多、配制容易，但是化学成分不明确且不稳定合成培养基/组合培养基（synthetic medium/defined medium）成分精确，重复性好，但价格较贵，制作繁琐半合成培养基第一节 微生物的营养39第39页，共56页。原材料制造特点营养价
21、值牛肉膏(beef extract)瘦牛肉加热抽提并浓缩而成的膏状物富含水溶性动物组织的营养物，如糖类、有机含氮物、水溶性维生素和无机盐等蛋白胨(peptone)由酪素或明胶等蛋白质经酸或酶（胰蛋白酶、胃蛋白酶或木瓜蛋白酶等）水解而成。因蛋白质来源和水解方式不同，可以获得不同特性的产品是营养丰富的基本有机氮源，其中可能还含有若干维生素和糖类。如胰酶水解的酪蛋白约含总氮12.9%，氨基氮6.6%酵母膏(yeast extract)由酵母细胞水提取物浓缩而成的膏状物，还可制成粉末型商品富含B族维生素，也含丰富的有机氮和碳化物琼脂(agar)从某些海藻（有十几种红藻）中加热提取出来的复杂糖类配置固体
22、培养基最常用的凝固剂，无营养价值蔗糖蜜(cane-sugar molasses)制糖厂除去糖结晶后的下脚废液，棕黑色约含蔗糖32%，其他糖30%，含氮物3%，有机物7%，灰分15%，水分13%甜菜糖蜜(beet-sugar molasses)同上约含蔗糖50%，其他有机物20%，灰分9.5，水分20%配置天然培养基用的几种原材料的特性 40第40页，共56页。酵母膏中的维生素和氨基酸含量维生素氨基酸种类含量（g/g）种类含量(%)种类含量(%)B1B2烟酸泛酸吡哆醛叶酸肌醇胆碱生物素对氨基苯甲酸B1218-1418-150300-125020-10025-355-101000-17001000
23、-20000.5-1.060.01丙氨酸精氨酸天冬氨酸胱氨酸谷氨酸甘氨酸组氨酸异亮氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸3.42.04.50.456.72.31.22.31.63.03.5甲硫氨酸苯丙氨酸脯氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸缬氨酸0.71.71.72.32.30.52.541第41页，共56页。4NH Cl24K HPO427MgSOH O427FeSOH O222CaClH O成分含量葡萄糖10.0g1.0g0.5g0.2g0.01g0.01g蒸馏水1000ml微量元素混合液*1ml*包括痕量元素。其成分为：Mn、Mo、Zn、Cu、Co、Ni、V、B、Cl、Na、Sr、Si和Wo等。组合培养基中葡萄糖和
24、一些无机盐的含量 42第42页，共56页。按培养基用途分选择性培养基（selected medium）按某微生物的特殊营养要求设计的培养基，可使该微生物得到选择性的生长和分离，抑制其他微生物的生长，从而提高微生物的分离效果。制备方法加入所需营养物（常用于微生物的筛选）加入其他菌的抑制物质（常用于微生物的计数）鉴别培养基（differential medium）：报告系统加富培养基（enriched medium）人为加入所需的营养物质，从而促进微生物的大量繁殖。主要用于菌的富集培养。e.g.苯、甲苯降解菌的培养等。第一节 微生物的营养43第43页，共56页。用于选择性培养基的若干抑制剂选择对象
25、抑制剂及其用量（g/ml）抑制对象一般细菌四环素（200）四环素（100）放线菌酮（20）放线菌酮（50）放线菌酮（100）放线菌酮（200）真菌素（Cabicidin)(100)黑曲霉、酵母酱油曲霉、根霉酵母酱油曲霉根霉黑根霉酱油曲霉、酵母G+细菌多粘菌素B(5)G-细菌G-细菌青霉素（1）G+细菌乳酸菌山梨酸（0.2%,pH6)叠氮化钠（Na3N)(0.005%,pH7)真菌素（20）芽孢杆菌曲霉酵母肠道杆菌胆汁酸（1.155mg/l)G+细菌微球菌山梨酸（0.2%)芽孢杆菌44第44页，共56页。选择对象抑制剂及其用量（g/ml）抑制对象放线菌放线菌酮（50）制霉菌素（50）丙酸钠（4m
26、g/ml)霉菌霉菌霉菌酵母丙酸钠（0.2%)丙酸钠（0.10.15%）CuSO45H2O(0.05%,pH8.3)四环素（50）氯霉素（20）链霉素（20100）青霉素 (50)金霉素（100）真霉素（200）曲霉，根霉，杆菌青霉，微球菌，醋酸菌乳酸菌，乳链球菌细菌细菌细菌细菌细菌细菌霉菌氯霉素（100）青霉素（20）链霉素（40）青霉素（100）氯霉素（50）+放线菌（10）细菌细菌细菌细菌细菌，酵母续上表45第45页，共56页。四、营养物质的吸收与运输1、营养物质需进入细胞内才能被利用，代谢物也需要及时地排除，营养物质是怎样通过细胞壁和细胞膜进入细胞的呢？2、据目前所知，细胞壁在营养物质运
27、输上不起主要作用，仅简单的排阻分子量过大的溶质进入。一般是分子量大于600道尔顿。3、细胞膜是控制营养物进入和代谢物排出的主要屏障。一般认为细胞膜以四种方式控制物质运输：单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位第一节 微生物的营养46第46页，共56页。1、单纯扩散（single diffusion）/被动扩散（passive diffusion）高浓度向低浓度方向扩散、不耗能量主要是一些小分子（O2、CO2、CH3OH、甘油、某些氨基酸）和脂溶性分子不能将稀薄溶液中的溶质进行逆浓度梯度的运输。没有特异性。膜外膜内细胞质溶质第一节 微生物的营养物理扩散47第47页，共56页。促进扩散模式图第一节
28、 微生物的营养2、促进扩散（facilitated diffusion）48第48页，共56页。2、促进扩散（facilitated diffusion）由高浓度向低浓度方向扩散，不耗能量，与单纯扩散相似。借助细胞膜上的一种蛋白为载体进行（特异载体蛋白或蛋白通道）须有能与之结合的蛋白，因此有选择性。e.g.SO42、PO43、糖等非脂溶性物质。按照浓度梯度方向运输。运送速度比单纯扩散快（多见于真核微生物）。此蛋白称载体蛋白，又因为与酶极相似，又称为渗透酶。第一节 微生物的营养水通道（aquaporin）49第49页，共56页。主动运送模式图第一节 微生物的营养3、主动运输（active tra
29、nsport）50第50页，共56页。3、主动运输（active transport）借助特异性载体蛋白运输、需要能量。与促进扩散类似，但它需要能量是吸收营养物质的主要机制，Na、K、糖类等。可逆浓度梯度进行运送。溶质的分子结构不发生变化。第一节 微生物的营养51第51页，共56页。膜内膜外细胞质SSCPSCPSCPCPSP步骤：膜内侧HPr(热稳定蛋白)在酶作用下形成HPr-磷酸(激活)在膜外基质扩散到细胞膜表面，在载体蛋白(CP/EIIC)和酶IIA，B的作用下，被HPr-磷酸磷酸化形成S-磷酸。HPrPHPr丙酮酸PEP（磷酸稀醇式丙酮酸）EI第一节 微生物的营养4、基团移位（group
30、 translocation）EIIA,B52第52页，共56页。参与基团移位的化合物：酶：将磷酸基团从PEP传递到HPr。酶A：对底物有特异性选择作用，且能传递磷酸基团给酶IIB酶IIB：磷酸化底物酶IIC：载体蛋白，穿膜蛋白，对底物有特异性选择作用高能磷酸的载体热稳定蛋白（Heat-stable carrier protein 或者Histidine Protein，HPr）。一种低分子量的可溶性蛋白质。第一节 微生物的营养4、基团移位（group translocation）53第53页，共56页。4、基团移位（group translocation）与主动运输相似，需特异性载体蛋白，耗
31、能。但运输前后溶质分子发生变化（蛋白与溶质发生反应）。主要运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、脂肪酸等。主要依靠磷酸转移酶系统。厌氧菌、兼性厌氧菌、光合菌一般用基团移位方式吸收糖、糖醇等 严格的好氧菌不存在这种方式。第一节 微生物的营养54第54页，共56页。四种运送营养物质方式的比较四种运送营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团移位特异载体蛋白运送速度溶质运送方向平衡时内外浓度运送分子能量消耗运送前后溶质分子载体饱和效应与溶质类似物运送抑制剂运送对象举例无慢由浓至稀内外相等无特异性不需要不变无无竞争性无H2O、CO2、O2、甘油、乙醇、少数氨基酸、盐类、代谢抑制剂有快由浓至稀内外相等特异性不需要不变有有竞争性有SO42-、PO43-;糖（真核生物）有快由稀至浓内部浓度高得多特异性需要不变有有竞争性有氨基酸、乳糖等糖类，Na+、K+、Ca2+等无机离子有快由稀至浓内部浓度高得多特异性需要改变有有竞争性有葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等55第55页，共56页。一、酶的作用特性二、酶的活性中心第二节 酶及其作用56第56页，共56页。
