1、微生物营养主题医学知识 营养物质营养物质是微生物构成菌体细胞的基本原料，也是获得能量以及维持其它代谢机能必须的物质基础。微生物吸收何种营养物质取决于微生物细胞的化学组成。2微生物营养主题医学知识微生物细胞的化学组成 分析微生物细胞的化学成分，发现微生物细胞与其他生物细胞的化学组成并没有本质上的差异。微生物细胞平均含水分80左右。其余20左右为干物质，在干物质中有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。这些干物质是由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等主要化学元素组成，其中碳、氢、氧、氮是组成有机物质的四大元素，大约占干物质的9097。其余的310是矿物质元素，这些矿质元素对微生物的生长也
2、起着重要的作用。3微生物营养主题医学知识 微生物菌体的化学组成微生物菌体的化学组成元素水平元素水平主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等、钾、镁、钙等微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等 占细胞干重的占细胞干重的97%97%4微生物营养主题医学知识细菌酵母霉菌C元素50%49.8%47.9%N元素15%12.4%5.2%H元素8%6.7%6.7%O元素20%31%40%P元素3%S元素1%合计97%5微生物营养主题医学知识第一节第一节 微生物的微生物的6类营养要素类营养要素营养六要素营养六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水碳
3、源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水按照营养物质在菌体中的生理作用的不同，可以将按照营养物质在菌体中的生理作用的不同，可以将它们分成六大类。它们分成六大类。无论从元素水平还是营养要素水平，微生物的营养要求无论从元素水平还是营养要素水平，微生物的营养要求与摄食型的动物（含人类）和光合自养型的植物都十分与摄食型的动物（含人类）和光合自养型的植物都十分接近。接近。生物之间存在生物之间存在“营养上的统一性营养上的统一性”6微生物营养主题医学知识一一、碳源、碳源是一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物微生物细胞含碳量占干重50%最大营养物 碳源分为有机碳和无机碳7微生物营养主题医学知识在微生物生长繁
4、殖过程中，能为其提供在微生物生长繁殖过程中，能为其提供碳素营养来碳素营养来源源的物质称碳源。即，是的物质称碳源。即，是用来构建菌体物质中或代用来构建菌体物质中或代谢产物中的碳素骨架的营养物质。谢产物中的碳素骨架的营养物质。碳源谱碳源谱有机碳C.H.O无机碳C.O,C.O.X异养微生物自养微生物微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇类、微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇类、脂类、烃类、和蛋白质、氨基酸、核酸以及脂类、烃类、和蛋白质、氨基酸、核酸以及CO2、碳酸盐等等。碳酸盐等等。从微生物的整体来看，从微生物的整体来看，可利用的碳源物质的范围称可利用的碳源物质的范围称碳源谱碳源谱。8微
5、生物营养主题医学知识可以无机碳源提供主要碳素营养的可以无机碳源提供主要碳素营养的自养微生物自养微生物（较少）（较少）自然界中，利用有机碳源的微生物种类占绝大多数。自然界中，利用有机碳源的微生物种类占绝大多数。其中必须以有机碳源提供碳素营养的其中必须以有机碳源提供碳素营养的异养微生物异养微生物（绝大多数）；（绝大多数）；从整体上看，微生物是自然界中碳源谱最广的生命从整体上看，微生物是自然界中碳源谱最广的生命形式。形式。从某种角度来说，世界上存在的所有有机物，几乎从某种角度来说，世界上存在的所有有机物，几乎没有微生物不能利用的！没有微生物不能利用的！微生物的生物多样性微生物的生物多样性9微生物营养
6、主题医学知识 凡是可以被微生物利用，构成细胞代谢产物碳素来源的物质，统凡是可以被微生物利用，构成细胞代谢产物碳素来源的物质，统称为称为碳源物质碳源物质。碳源物质通过细胞内的一系列化学变化，被微生物。碳源物质通过细胞内的一系列化学变化，被微生物用于合成各代谢产物。用于合成各代谢产物。微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的，微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的，根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机碳源物质碳源物质和有机和有机碳源碳源物质物质。糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖。糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖
7、、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单（蔗糖、麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利用。所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、用。所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、果胶、纤维素等，这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架果胶、纤维素等，这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架外，还产生能量供合成代谢需要的能量，所以部分碳源物质既是碳外，还产生能量供合成代谢需要的能量，所以部分碳源物质既是碳源物质，同时又是能源物质。源物
8、质，同时又是能源物质。在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。素。10微生物营养主题医学知识无机碳：C？C+O：CO2 C+O+X：NaHCO3、CaCO3 有机碳：C+H：烃类 C+H+O：糖、有机酸、醇、脂（最广泛（最广泛）C+H+O+N：多数氨基酸 C+H+O+N+X：核酸、蛋白质 一
9、般碳源还兼做能源一般碳源还兼做能源11微生物营养主题医学知识 对大多数异养菌来说，其最适碳源是“C.H.O”型碳源，其中：糖类最广泛、最经济 酸醇脂类次要糖类中：单糖双糖、多糖己糖戊糖葡萄糖、果糖半乳糖、甘露糖等淀粉纤维素、几丁质等一般不把含蛋白质、氨基酸的牛肉膏、蛋白胨等原料一般不把含蛋白质、氨基酸的牛肉膏、蛋白胨等原料降格做碳源使用。降格做碳源使用。目前在微生物发酵工业中所利用的碳源物质主要有单糖、蔗糖、淀粉、糖蜜、麸皮、米糠.12微生物营养主题医学知识不同微生物利用碳源的能力不同不同微生物利用碳源的能力不同。有的能广泛地利用，如假单孢菌属有些种可利用90种以上的碳源，有的碳源范围极其狭窄
10、，如甲烷氧化菌仅能利用甲烷和甲醇。13微生物营养主题医学知识二、氮源二、氮源凡是提供微生物生长繁殖所需要氮元素营养源，称为氮源(nitrogen source)。细胞的干物质中氮含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的重要元素，氮对微生物的生长发育有着重要的作用。14微生物营养主题医学知识 微生物细胞中大约含氮微生物细胞中大约含氮513，它是微生物细胞蛋白蛋和核，它是微生物细胞蛋白蛋和核酸的主要成分。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物酸的主要成分。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而合成蛋白质、核酸等细胞利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而
11、合成蛋白质、核酸等细胞成分，以及含氮的代谢产物。无机的氮源物质一般不提供能量，只成分，以及含氮的代谢产物。无机的氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提供氮源的同时，通过氧化产生代谢能。供氮源的同时，通过氧化产生代谢能。微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型：微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型：1 1空气中分子态氮空气中分子态氮 只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。菌、根瘤菌）能利用。2 2无机氮化合物无机氮化合物 如
12、铵态氮（如铵态氮（NHNH4 4+）、硝态氮（）、硝态氮（NONO3 3-）和简单的有）和简单的有机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。3 3有机氮化合物有机氮化合物 大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、
13、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微生物的氮源。生物的氮源。15微生物营养主题医学知识无机氮源：N2 N+O：硝酸盐 N+H：胺类 有机氮源：N+C+H+O：尿素、氨基酸 N+C+H+O+X：蛋白质、核酸 氨基酸自养型生物：自身合成 氨基酸异养型生物：外界吸收16微生物营养主题医学知识三、能源三、能源化学能：有机物：同碳源 无机物：不同于碳源，如 S、H2S 光能：可见光能为微生物的生命活动提供最初能量来源的能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物营养物或或辐射能辐射能，称能源。，称能源。17微生物营养主题医学知识18微生物营养主题医学知识能源谱能源谱化学物质辐射能化能异养微生物的能源有机物无机
14、物化能自养微生物的能源化能自养微生物的能源光能自养和光能异养微生物的能源单功能营养物：如光能多功能营养物：如铵盐、氨基酸等19微生物营养主题医学知识四、生长因子四、生长因子微生物生长所必须、需要量很小、一般不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。维生素、氨基酸 碱基 甾醇等20微生物营养主题医学知识 生长因子是微生物维持正常生命活动所不可缺少的、微生长因子是微生物维持正常生命活动所不可缺少的、微量的特殊有机营养物，这些物质在微生物自身不能合成，量的特殊有机营养物，这些物质在微生物自身不能合成，必须在培养基中加入。缺少这些生长因子就会影响各种酶必须在培养基中加入。缺少这些生长因子就会影响各种酶的活
15、性，新陈代谢就不能正常进行。的活性，新陈代谢就不能正常进行。生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有机生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有机营养物。而狭义的生长因子仅指维生素。这些微量营养物营养物。而狭义的生长因子仅指维生素。这些微量营养物质被微生物吸收后，一般不被分解，而是直接参与或调节质被微生物吸收后，一般不被分解，而是直接参与或调节代谢反应。代谢反应。在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌都能自在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌都能自己合成许多生长辅助物质，不需要另外供给就能正常生长己合成许多生长辅助物质，不需要另外供给就能正常生长发育。发育。21微生物营养主
16、题医学知识微微 生生 物物 生长因子生长因子 需要量（需要量（/ml）III型肺炎链球菌（型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱胆碱 6 ug 金黄色葡萄球菌（金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）尿嘧啶尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛吡哆醛 0.025ug 广义的
17、生长因子维生素、生物碱、卟啉、甾醇、短链的分支或直链脂肪酸、氨基酸等 狭义的生长因子仅指维生素22微生物营养主题医学知识生长因子自养型微生物：不需要 生长因子异养型微生物：吸收 生长因子 过量合成型微生物 酵母酵母 膏膏 玉米浆玉米浆 肝浸液肝浸液 麦芽汁麦芽汁23微生物营养主题医学知识 配制培养基时，常使用生长因子丰富的天天然物质制备物然物质制备物作为补充生长因子的培养基成分。如：酵母膏、玉米浆、麦芽汁、肝浸液等。24微生物营养主题医学知识五、无机盐五、无机盐P、S、K、Mg、Na、Fe：10-3-10-4 Cu、Zn、Mn、Mo、Co等：10-6-10-8 K2HPO4 +MgSO4 大量
18、使用有毒、微量元素一般不需专门添加25微生物营养主题医学知识 微生物细胞中的矿物元素约占干重的微生物细胞中的矿物元素约占干重的310左右，它是微生左右，它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。微生物需要的无机矿质元素分为常量元素和微量元素。等作用。微生物需要的无机矿质元素分为
19、常量元素和微量元素。常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、量很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、三磷酸腺苷（磷脂、三磷酸腺苷（ATPATP）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细
20、胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能。膜的通透性和细胞代谢活动的功能。微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在培养基中含有在培养基中含有0.1mg/L或更少就可以满足需要。或更少就可以满足需要。26微生物营养主题医学知识功能 （1）构成细胞的组成成分。（2）作为酶的组成成分。（3）维持酶的活性。（4）调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位。（5）作为某些自养菌的能源。27微生物营养主题医学知识六、水六、水 (1)直接参与一些反应。如蓝细菌 (2)作为机体内一系列生理生化反应的介质。(3)营养物质的吸收、代谢产物的排泄都需
21、通过水 28微生物营养主题医学知识(4)由于水的比热高，又是良好的热导体，所以它能有效地吸收代谢释放的热量，并将热量迅速地散发出去，从而有效地控制细胞的温度 29微生物营养主题医学知识水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。结合水，很难加以利用。游离水（或称非结合水）则可以被微生物利用。30微生物营养主题医学知识不同生物及不同细胞结构中游离水的含不同生物及不同细胞结构中游离水的含量有较大的差别：量有较大的差别：人体 平均60%海蜇 96%霉菌孢子 39%孢子 细菌芽孢 皮层 70%微生物 核心 30%营养体 细菌 80%酵母 75%霉菌 85%31微生物营养主题医学知识第二节第二节 微生物的
22、营养类型微生物的营养类型营养类型32微生物营养主题医学知识 微生物的营养类型微生物的营养类型微生物在长期进化过程中，由于生态环境的影响，逐渐分化成各微生物在长期进化过程中，由于生态环境的影响，逐渐分化成各种营养类型。根据微生物要求碳源的性质和能量来源不同将微生种营养类型。根据微生物要求碳源的性质和能量来源不同将微生物分为光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型四种物分为光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型四种营养类型。营养类型。一、光能自养型微生物一、光能自养型微生物 利用光能为能源，以二氧化碳（利用光能为能源，以二氧化碳（COCO2 2）或可溶性的碳酸盐（）或可溶性的碳酸盐（
23、COCO3 32-2-）作为唯一的碳源或主要碳源。以无机化合物（水、硫化氢、硫代硫作为唯一的碳源或主要碳源。以无机化合物（水、硫化氢、硫代硫酸钠等）为氢供体，还原酸钠等）为氢供体，还原COCO2 2，生成有机物质。光能自养型微生物主，生成有机物质。光能自养型微生物主要是一些蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌等少数微生物，它们由于含要是一些蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌等少数微生物，它们由于含光合色素，能使光能转变为化学能（光合色素，能使光能转变为化学能（ATPATP），供细胞直接利用。），供细胞直接利用。光光蓝细菌蓝细菌 COCO2 2+2H+2H2 2O-CHO-CH2 2O+HO+H2 2O+OO+O
24、2 2 叶绿素叶绿素 光光绿硫细菌绿硫细菌 COCO2 2+2H+2H2 2S-CHS-CH2 2O+HO+H2 2O+2SO+2S 菌绿素菌绿素比较以上两反应，可写成以下通式：比较以上两反应，可写成以下通式：光光 COCO2 2+2H+2H2 2A-CHA-CH2 2O+HO+H2 2O+2AO+2A 光合色素光合色素二、化能自养微生物二、化能自养微生物 这一类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，利用这种这一类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，利用这种能量去还原能量去还原COCO2 2或者可溶性碳酸盐合成有机物质。或者可溶性碳酸盐合成有机物质。如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫
25、细菌、氢细菌就可以分别利如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌就可以分别利用氧化用氧化NHNH3 3、NONO2 2-、FeFe+、H H2 2S S和和H H2 2产生的化学能来还原产生的化学能来还原COCO2 2，形成碳水化，形成碳水化合物。合物。例如：亚硝酸细菌能从氧化氨为亚硝酸中获得能量，用以还原二例如：亚硝酸细菌能从氧化氨为亚硝酸中获得能量，用以还原二氧化碳，形成碳水化合物。氧化碳，形成碳水化合物。亚硝酸细菌亚硝酸细菌 2NH2NH3 3+3O+3O2 2+2H+2H2 2O-2HNOO-2HNO2 2+4H+4H+4OH+4OH-+能量能量 COCO2 2+4H+4H+-C
26、H-CH2 2O+HO+H2 2O O 这一类型的微生物完全可以生活在无机的环境中，分别氧化各自合适的还原态的这一类型的微生物完全可以生活在无机的环境中，分别氧化各自合适的还原态的无机物，从而获得同化无机物，从而获得同化COCO2 2所需的能量。所需的能量。三、三、光能异养型微生物光能异养型微生物 这种类型的微生物以光能为能源，利用有机物作为供氢体，还原这种类型的微生物以光能为能源，利用有机物作为供氢体，还原COCO2 2，合成细胞的有机物质。，合成细胞的有机物质。例如深红螺菌（例如深红螺菌（Rhodospirillum rubrumRhodospirillum rubrum）利用异丙醇作为供
27、氢）利用异丙醇作为供氢体，进行光合作用并积累丙酮，这类微生物生长时大多需要外源性体，进行光合作用并积累丙酮，这类微生物生长时大多需要外源性的生长因素。的生长因素。光光 2 2（CHCH3 3）2 2CHOH+COCHOH+CO2 2-2CH-2CH3 3COCHCOCH3 3+CH+CH2 2O+HO+H2 2O O 光合色素光合色素 此菌在光和厌氧条件下进行上述反应。但在黑暗和好氧条件下又此菌在光和厌氧条件下进行上述反应。但在黑暗和好氧条件下又可能用有机物氧化产生的化学能推动代谢作用。可能用有机物氧化产生的化学能推动代谢作用。四、化能异养型微生物四、化能异养型微生物 这种类型的微生物其能源和
28、碳源都来自于有机物，能源来自有这种类型的微生物其能源和碳源都来自于有机物，能源来自有机物的氧化分解，机物的氧化分解，ATPATP通过氧化磷酸化产生，碳源直接取自于有机碳通过氧化磷酸化产生，碳源直接取自于有机碳化合物。它包括自然界绝大多数的细菌，全部的放线菌、真菌和原化合物。它包括自然界绝大多数的细菌，全部的放线菌、真菌和原生动物。根据生态习性不同可将这种营养类型分为以下几种：生动物。根据生态习性不同可将这种营养类型分为以下几种：1 1腐生型腐生型 从无生命的有机物获得营养物质。从无生命的有机物获得营养物质。引起食品腐败变质的某些霉菌和细菌就属这一类型。如引起腐引起食品腐败变质的某些霉菌和细菌就
29、属这一类型。如引起腐败的梭状芽孢杆菌、毛霉、根霉、曲霉等。败的梭状芽孢杆菌、毛霉、根霉、曲霉等。2 2寄生型寄生型 必须寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物必须寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物质才能生活称为寄生，这类微生物叫寄生微生物。质才能生活称为寄生，这类微生物叫寄生微生物。33微生物营养主题医学知识微生物的营养类型微生物的营养类型能源：光能营养型、化能营养型 供氢体：无机营养型、有机营养型 碳源：自养型、异养型 氨基酸：氨基酸自养型、氨基酸异养型 生长因子：原养型、缺陷型 取有机物：腐生、寄生34微生物营养主题医学知识微生物营养类型微生物营养类型营养类型能源供氢体基本碳源实例
30、光能无机营养型光无机物CO2蓝细菌、紫硫细菌光能有机营养型光有机物CO2及简单有机物红螺菌化能无机营养型无机物无机物CO2硝化细菌化能有机营养型有机物有机物有机物多数细菌、全部真菌35微生物营养主题医学知识光能无机营养型 供能为光，供氢体为无机物，碳源为CO2。例：光 CO2 +2H2S CH2O n +2S +H2O 细菌、叶绿素 细菌：如绿硫细菌，具有光合色素系统，产生的硫积存在细胞内成为硫滴。光 CO2 +H2O CH2O n +O2 (植物)叶绿素 36微生物营养主题医学知识光能有机营养型 能源为光，供氢体为有机物，碳源为CO2、简单有机物。CH3 CHOH+CO2 2 CH3-CO-
31、CH3+CH2O n+H2O CH3 此菌利用CO2并不是唯一的，也可以利用一些有机物，所以归类为异养微生物。37微生物营养主题医学知识自养与异养自养与异养可以把自养微生物定义为不依赖任何有机物即可生活的微生物。异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能生存的微生物。38微生物营养主题医学知识 微生物不象动物那样具有专门的摄食器官，也不象微生物不象动物那样具有专门的摄食器官，也不象植物那样具有根系吸收营养和水分，它们对营养物质植物那样具有根系吸收营养和水分，它们对营养物质的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种不同的方式来吸收营养物质和水分的
32、。如果营养物质不同的方式来吸收营养物质和水分的。如果营养物质是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微生物则分泌出相是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微生物则分泌出相应的酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞发挥作用的应的酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞发挥作用的酶称为胞外酶）将大分子降解成小分子后，再吸收利酶称为胞外酶）将大分子降解成小分子后，再吸收利用。用。各种物质对细胞质膜的透性不一样，就目前对细胞各种物质对细胞质膜的透性不一样，就目前对细胞膜结构及其传递系统的研究，认为营养物质主要以以膜结构及其传递系统的研究，认为营养物质主要以以下几种方式透过细胞膜。下几种方式透过细胞膜。第三节第三节 营养物质进入细胞的
33、方式营养物质进入细胞的方式39微生物营养主题医学知识一、单纯扩散 （O2、CO2、乙醇等）特点：高浓度-低浓度 运送速度慢 无特异载体 运送动力：浓度差 运送终点：内外浓度相等 运送前后溶质分子：结构不变 40微生物营养主题医学知识单纯扩散（单纯扩散（simple diffusion）这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。其质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。其特点是特点是 物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度）；物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度
34、）；这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡，细胞内外的物质交换达到动态平衡）；，细胞内外的物质交换达到动态平衡）；单纯扩散是非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与单纯扩散是非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与膜上的分子发生反应，扩散的物质本身也不发生改变；膜上的分子发生反应，扩散的物质本身也不发生改变；单纯扩散的物质主要是一些小分子物质，如一些气体（单纯扩散的物质主要是一些小分子物质，如一些气体（O2、CO2）、水、
35、某些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。、水、某些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。41微生物营养主题医学知识第三第三 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式二、促进扩散 （氨基酸、维生素等）特点：高浓度-低浓度 运送速度快 有特异载体 运送动力：浓度差 运送终点：内外浓度相等 运送前后溶质分子：结构不变 42微生物营养主题医学知识促进扩散（促进扩散（facilitated diffusion）除单纯扩散外，在细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能除单纯扩散外，在细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能的特异性蛋白质，称为渗透酶。它们大多是诱导酶，当外界存在的特异性蛋白质
36、，称为渗透酶。它们大多是诱导酶，当外界存在所需的营养物质时，能诱导细胞产生相应的渗透酶，每一种渗透所需的营养物质时，能诱导细胞产生相应的渗透酶，每一种渗透酶能帮助一类营养物质的运输。酶能帮助一类营养物质的运输。这种吸收方式的特点是依靠渗透酶与底物的亲和力的改变，达到这种吸收方式的特点是依靠渗透酶与底物的亲和力的改变，达到携带营养物质的作用，具备以下特点：携带营养物质的作用，具备以下特点：物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度）；物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度）；这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量；一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质
37、浓度达到平衡一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡，细胞内外的物质交换达到动态平衡）；，细胞内外的物质交换达到动态平衡）；现在已分离出有关葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸现在已分离出有关葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、酪氨酸、磷酸、CaCa2+2+、NaNa+、K K+等的载体蛋白，它们的分子量介等的载体蛋白，它们的分子量介于于900040000Da之间，而且都是单体。之间，而且都是单体。促进扩散是真核生物的普遍运输机制，如酵母菌运输糖类就是通促进扩散是真核生物的普遍运输机制，如酵母菌运输糖类就是通过这种方式，在原核生物中却少见，在厌氧微生物
38、中，促进扩散过这种方式，在原核生物中却少见，在厌氧微生物中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵产物的排出。的过程常参与某些化合物的吸收和发酵产物的排出。43微生物营养主题医学知识 促进扩散44微生物营养主题医学知识第三第三 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式三、主动运输/span （无机离子、有机离子等）特点：低浓度-高浓度 运送速度快 有特异载体 运送动力：消耗能量ATP 运送终点：内外浓度高得多 运送前后溶质分子：结构不变45微生物营养主题医学知识主动运输（主动运输（active transport）靠浓度梯度吸收营养物质显然不能满足高速生长繁殖的微生物的靠浓度梯度吸收营
39、养物质显然不能满足高速生长繁殖的微生物的需要，事实上微生物细胞中有些营养物质以高于细胞外的浓度在需要，事实上微生物细胞中有些营养物质以高于细胞外的浓度在细胞内积累，如大肠杆菌在生长期中，当以乳糖作为碳源时，细细胞内积累，如大肠杆菌在生长期中，当以乳糖作为碳源时，细胞内乳糖的浓度比周围环境高出胞内乳糖的浓度比周围环境高出500倍。倍。主动运输的特点是主动运输的特点是 营养物质的吸收不受浓度梯度的影响，并且多数情况是由低浓度向营养物质的吸收不受浓度梯度的影响，并且多数情况是由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度地被高浓度进行，是逆浓度梯度地被“抽抽”进细胞内的；进细胞内的；因此这个过程不仅需要渗透酶携
40、带，渗透酶与底物有高度的特异性因此这个过程不仅需要渗透酶携带，渗透酶与底物有高度的特异性，其与底物的亲和力随渗透酶的构型而改变；，其与底物的亲和力随渗透酶的构型而改变；渗透酶构型的改变，需要消耗代谢能量，能量由腺三磷（渗透酶构型的改变，需要消耗代谢能量，能量由腺三磷（ATPATP）提供）提供，由于对其营养物质具有高度亲和力，并且特异性地与之结合，形，由于对其营养物质具有高度亲和力，并且特异性地与之结合，形成渗透酶成渗透酶-运载物质复合体。复合体旋转运载物质复合体。复合体旋转180从膜外方转移到细胞从膜外方转移到细胞膜内表面，消耗代谢能量膜内表面，消耗代谢能量ATP，使渗透酶构型发生变化，亲和力
41、减，使渗透酶构型发生变化，亲和力减弱，于是被结合的物质则被释放到细胞质中去。构型变化的渗透酶弱，于是被结合的物质则被释放到细胞质中去。构型变化的渗透酶，再获得能量恢复原状，亲和力增强，结合位置朝向膜外，又可重，再获得能量恢复原状，亲和力增强，结合位置朝向膜外，又可重复进行这种主动运输。复进行这种主动运输。这种吸收方式是微生物物质运输的主要方式。这种吸收方式是微生物物质运输的主要方式。46微生物营养主题医学知识主动运送47微生物营养主题医学知识第三第三 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式四、基团移位 （各种糖类、核苷酸等）特点：低浓度-高浓度 运送速度快 有特异载体 运送动力：消耗能量
42、ATP 运送终点：内外浓度高得多 运送前后溶质分子：结构改变48微生物营养主题医学知识基团转位（基团转位（group translocation）在微生物对营养物质吸收的过程中，还有一种特殊的运输方式在微生物对营养物质吸收的过程中，还有一种特殊的运输方式，叫基团转位。这种方式除具有主动运输的特点外，主要是被转，叫基团转位。这种方式除具有主动运输的特点外，主要是被转运的物质改变了本身的性质，有化学基团转移到被转运的营养物运的物质改变了本身的性质，有化学基团转移到被转运的营养物质上面去。降低底物与载体的亲和力。质上面去。降低底物与载体的亲和力。这种运输过程的磷酸转移酶系统包括酶这种运输过程的磷酸转
43、移酶系统包括酶、酶、酶和热稳定蛋白（和热稳定蛋白（HPrHPr）。酶）。酶是非特异性的，它们对许多糖都一样起作用。酶是非特异性的，它们对许多糖都一样起作用。酶是膜上的结构酶，并能诱导产生，它对某一种糖具有特异性，只是膜上的结构酶，并能诱导产生，它对某一种糖具有特异性，只能运载某一种糖类，酶能运载某一种糖类，酶同时起着渗透酶和磷酸转移酶的作用。同时起着渗透酶和磷酸转移酶的作用。HPrHPr是热稳定的可溶性蛋白质，它能够象高能磷酸载体一样起作是热稳定的可溶性蛋白质，它能够象高能磷酸载体一样起作用。该酶系统催化的反应分两步进行：用。该酶系统催化的反应分两步进行：少量的少量的 HPr 被磷酸烯醇丙酮酸
44、被磷酸烯醇丙酮酸(PEP)磷酸化：磷酸化：酶酶 PEP+Hpr -磷酸磷酸HPr+丙酮酸丙酮酸 磷酸磷酸HPr 将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的6-磷磷酸葡萄糖释放到细胞质内。这步复合反应由酶酸葡萄糖释放到细胞质内。这步复合反应由酶催化。催化。酶酶 磷酸磷酸Hpr+葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 +HPr基团转位可转运糖、糖的衍生物，如葡萄糖、甘露糖、果糖、基团转位可转运糖、糖的衍生物，如葡萄糖、甘露糖、果糖、N-N-乙乙酰葡萄糖胺和酰葡萄糖胺和-半乳糖苷以及嘌呤、嘧啶、碱基、乙酸（但不能半乳糖苷以及嘌呤、嘧啶、碱基、乙酸（但不能输送氨基
45、酸）等。这个运输系统主要存在于兼性厌氧菌的和厌氧菌输送氨基酸）等。这个运输系统主要存在于兼性厌氧菌的和厌氧菌中。但某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌中。但某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌(B.megatheriumB.megatherium)也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖传送到细胞内。也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖传送到细胞内。49微生物营养主题医学知识 如大肠杆菌的磷酸转移酶系统转运葡萄如大肠杆菌的磷酸转移酶系统转运葡萄糖糖 酶：非特异性 酶：特异性载体 HPr：热稳定性蛋白（低分子量，可溶性）PEP：磷酸烯醇式丙酮酸 酶 PEP +HPr HPr磷酸 +丙酮酸 酶 HPr磷酸 +糖 糖磷
46、酸 +HPr (在膜上)50微生物营养主题医学知识基团移位51微生物营养主题医学知识第四章第四章 微生物的营养和培养基微生物的营养和培养基第四节 培养基52微生物营养主题医学知识第四节第四节 培养基培养基培养基是指由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合营养基质。许多微生物能够在人工培养基上生长 实际（1010/g）只有 1-10%能够培养（107-8/g）53微生物营养主题医学知识 为了研究和利用微生物，必须人为地创造适宜为了研究和利用微生物，必须人为地创造适宜的环境培养微生物，的环境培养微生物，培养基是指经人工配制而培养基是指经人工配制而成的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物所
47、需成的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物所需要的营养基质。要的营养基质。我们配制培养基不但需要根据我们配制培养基不但需要根据不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量的营养物；并要注意一定的碳氮比例（的营养物；并要注意一定的碳氮比例（C/NC/N）；）；还要调节适宜的酸碱度（还要调节适宜的酸碱度（pHpH）；保持适当的氧）；保持适当的氧化还原电位和渗透压。化还原电位和渗透压。54微生物营养主题医学知识一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法（一）4个原则 1、目的明确、目的明确 2、营养协调、营养协调 3、理化适宜、理化适宜 4、经济
48、节约、经济节约 55微生物营养主题医学知识（一）（一）4个原则个原则1、目的明确、目的明确 培养何菌？自养菌？异养菌？；种子菌？发酵菌？；实验用？生产用？收获何物？收获菌体？收获产物？产物成分含氮如何？56微生物营养主题医学知识（一）（一）4个原则个原则2、营养协调、营养协调 基本遵循基本遵循10倍递减关系倍递减关系 注重注重C/N比比 H20（10-1）C（10-2）N （10-3）（P、S）（10-4）K、Mg（10-5）生长因子生长因子（10-6）57微生物营养主题医学知识 符合微生物菌种的营养特点：符合微生物菌种的营养特点：不同的微生物对营养有着不同的要求，所以，在配制培不同的微生物对
49、营养有着不同的要求，所以，在配制培养基时，培养基的营养搭配及搭配比例首先要考虑到这一养基时，培养基的营养搭配及搭配比例首先要考虑到这一点。点。营养的要求主要是对碳素和氮素的性质，如果是自养型营养的要求主要是对碳素和氮素的性质，如果是自养型的微生物则主要考虑无机碳源，如果是异样型的微生物，的微生物则主要考虑无机碳源，如果是异样型的微生物，主要提供有机碳源物质；除碳源物质外，还要考虑加入适主要提供有机碳源物质；除碳源物质外，还要考虑加入适量的无机矿物质元素；有些微生物菌种在培养时还要求加量的无机矿物质元素；有些微生物菌种在培养时还要求加入一定的生长因子。入一定的生长因子。除营养物质要求外，还要考虑
50、营养成分的比例适当，其除营养物质要求外，还要考虑营养成分的比例适当，其中碳素营养与氮素营养的比例很重要。中碳素营养与氮素营养的比例很重要。C/N 比是指培养基比是指培养基中所含中所含 C 原子的摩尔浓度与原子的摩尔浓度与 N 原子的摩尔浓度之比，不原子的摩尔浓度之比，不同的微生物菌种要求不同的同的微生物菌种要求不同的 C/N 比。比。58微生物营养主题医学知识（一）（一）4个原则个原则3、理化适宜、理化适宜（1）pH（2）渗透压与水活度）渗透压与水活度（3）氧化还原电位）氧化还原电位59微生物营养主题医学知识（1）pH细菌、放线菌：细菌、放线菌：7-8 酵母、霉菌：酵母、霉菌：4-6 生长过程
