1、第五章第五章微生物的营养微生物的营养v微生物的营养（或营养作用，微生物的营养（或营养作用，nutrition）：）：指微生物从外部环境摄取其生命活动所必需指微生物从外部环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。一种生理功能。v营养物（或营养，营养物（或营养，nutrient）：）：能满足微生能满足微生物生命活动的具有营养功能的物质。物生命活动的具有营养功能的物质。微生物学的营养物包括光能微生物学的营养物包括光能（非物质形式的能源）（非物质形式的能源）v化学成分水平：化学成分水平：碳水化合物、蛋白质、核酸、碳水化合物、蛋白质
2、、核酸、脂质、维生素、抗生素、无机盐。脂质、维生素、抗生素、无机盐。v营养要素水平营养要素水平:碳源、氮源、无机盐、生长因碳源、氮源、无机盐、生长因子、水、能源。子、水、能源。微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 主要成分主要成分 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 水分水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的（占细胞鲜重的%）蛋白质蛋白质 5080 3275 1415 占占 细细 碳水化合物碳水化合物 1228 2763 740 胞胞 干干 脂肪脂肪 520 215 440 重重 的的 核酸核酸 1020 6 8 1%无机盐无机盐 230 3.87 612第一节第一节 微生物细胞的
3、营养要素微生物细胞的营养要素一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成v“营养上的统一性营养上的统一性”v大量元素大量元素(macroelement):需要量需要量10-4mol/L，碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的中前六种占细菌细胞干重的97%）。）。v微量元素微量元素(trace element):需要量需要量10-4mol/L，锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。、硼。微生物种类不同，各种元素的需要量不同微生物种类不同，各种元素的需要量不同v微生物细胞的化学元素
4、组成也常微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培随菌龄及培养时间的不同养时间的不同而在一定范围内发生变化；而在一定范围内发生变化；v幼龄幼龄的比老龄的含氮量高，在的比老龄的含氮量高，在氮源丰富氮源丰富的培的培养基上生长的细胞比氮源相对贫乏的培养基养基上生长的细胞比氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞含氮量高。上生长的细胞含氮量高。一、碳源一、碳源v微生物细胞的含碳量微生物细胞的含碳量50%左右左右v功能：功能：细胞中的碳素来源；细胞中的碳素来源；提供微生物生长发育所需的能量。提供微生物生长发育所需的能量。v对一切异养微生物来说，其对一切异养微生物来说，其碳源碳源同时又兼作同时又兼作能源能源，因此，这
5、种碳源又称，因此，这种碳源又称双功能营养物双功能营养物。类型类型 元素水平元素水平 化合物水平化合物水平 培养基原料水平培养基原料水平有机有机碳碳CHONX 复杂蛋白质、核酸复杂蛋白质、核酸等等牛肉膏、蛋白胨、花生牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等饼粉等CHON多数氨基酸、简单多数氨基酸、简单蛋白质等蛋白质等一般氨基酸、明胶等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、糖、有机酸、醇、脂类等脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等粉、糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等馏份、石蜡油等无机无机碳碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、Ca
6、CO3、白、白垩等垩等微生物的碳源谱微生物的碳源谱v碳源谱：碳源谱：微生物可利用的碳源范围。包括有微生物可利用的碳源范围。包括有机碳和无机碳机碳和无机碳v微生物的碳源谱很广，但对某一具体菌株的微生物的碳源谱很广，但对某一具体菌株的碳源谱有其特殊性。如洋葱假单胞菌和产甲碳源谱有其特殊性。如洋葱假单胞菌和产甲烷细菌。烷细菌。v异养微生物：异养微生物：凡必须利用有机碳源的微生物凡必须利用有机碳源的微生物自养微生物：自养微生物：以无机碳源作为以无机碳源作为主要碳源主要碳源的微的微 生物生物v微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以
7、利用假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。醇或甲烷等一碳化合物进行生长。可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有:碳水化合物及其衍生物：碳水化合物及其衍生物：19种种 脂肪酸：脂肪酸：11种种二羧酸：二羧酸：9种种 其它有机酸：其它有机酸：12种种伯醇：伯醇：3种种 氨基酸：氨基酸：12种种其它氮化合物：其它氮化合物：13种种 无氮环状化合物：无氮环状化合物：9种种v糖类糖类是最好的碳源，尤其是是最好的碳源，尤其是葡萄糖
8、葡萄糖。v其次是醇类、有机酸、脂类等其次是醇类、有机酸、脂类等v发酵工业常用的碳源山芋粉、马铃薯、发酵工业常用的碳源山芋粉、马铃薯、甜薯干、玉米粉、麸皮、废糖蜜、植物甜薯干、玉米粉、麸皮、废糖蜜、植物淀粉等。淀粉等。二、氮源二、氮源(nitrogen source)微生物的氮源谱微生物的氮源谱类类型型 元素水平元素水平化合物水平化合物水平培养基原料水平培养基原料水平有有机机氮氮NCHOX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等饼粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等单蛋白质等尿素、蛋白胨、明尿素、蛋白胨、明胶等胶等无
9、无机机氮氮NHNH3、铵盐等、铵盐等(NH4)2SO4等等NO硝酸盐等硝酸盐等KNO3等等NN2空气空气v氮源的主要功能：氮源的主要功能：提供合成原生质和细胞其他结构的氮素来源，提供合成原生质和细胞其他结构的氮素来源，一般不提供能量，一般不提供能量，但硝化细菌是利用铵盐或硝酸盐作为氮源和能源但硝化细菌是利用铵盐或硝酸盐作为氮源和能源v无机氮源：无机氮源：铵态氮、硝态氮、氮气等；多数微铵态氮、硝态氮、氮气等；多数微生物均可利用。生物均可利用。v有机氮源：有机氮源：尿素、氨基酸、蛋白质等。多数寄尿素、氨基酸、蛋白质等。多数寄生和部分腐生性的微生物必需有机氮源；尿素生和部分腐生性的微生物必需有机氮源
10、；尿素分解为铵离子、蛋白质水解为氨基酸或无机氮分解为铵离子、蛋白质水解为氨基酸或无机氮才能被利用。才能被利用。v迟效氮源：迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成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。迟效氮胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。迟效氮源有利于代谢产物的形成。源有利于代谢产物的形成。v速效氮源：速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形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。式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。速效氮源常有利于机体的生长。速效氮源常有利于机体的生长。v氨基酸自养型微生物：氨基酸自养型微生物：不需要以氨基酸不需要以氨基酸作氮
11、源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的微生物。氨基酸的微生物。v氨基酸异养型微生物：氨基酸异养型微生物：需要从外界吸收需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。现成的氨基酸作氮源的微生物。v发酵工业生产上常用的氮源：发酵工业生产上常用的氮源：硝酸盐、铵盐、硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。v实验室常用的氮源：实验室常用的氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、
12、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。v微生物利用氮源的能力差异很大微生物利用氮源的能力差异很大v固氮微生物固氮微生物功能：功能：v 构成细胞的组成成分；构成细胞的组成成分；v 作为酶的组成成分；作为酶的组成成分；v 维持酶的活性；维持酶的活性；v 调节细胞的渗透压、氢离子浓度调节细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位；和氧化还原电位；v 作为某些自氧菌的能源。作为某些自氧菌的能源。三、无机盐三、无机盐 细胞内一般分子成分（细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）等）一般功能一般功能 渗透压的维持（渗透压的维持（Na+等）等）生理调节物质生理调节物质 酶的激活剂
13、（酶的激活剂（M a2+等）等）大量元素大量元素 pH的稳定的稳定无无 化能自养菌的能源（化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）等）机机 特殊功能特殊功能 盐盐 无氧呼吸时的氢受体（无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）等）酶的激活剂（酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）等）微量元素微量元素 特殊分子结构成分（特殊分子结构成分（Co、Mo等）等）无机盐的生理功能无机盐的生理功能v大量元素：大量元素：凡是生长所需浓度在凡是生长所需浓度在10-310-4 mol/L范围内的元素。如范围内的元素。如K、Ca、Na、Mg、S、P、Fe等；等；v微量元素微量元素：所需浓度在
14、：所需浓度在10-6 10-8 mol/L范围范围内的元素。如内的元素。如Mn、Cu、Zn、Co、Mo等。等。v不同微生物对以上各种元素的需求量各不相同。不同微生物对以上各种元素的需求量各不相同。vFe介于大量元素和微量元素之间。介于大量元素和微量元素之间。v配制培养基适当添加配制培养基适当添加K2HPO4、MgSO4，补充补充大量，微量元素：大量，微量元素：无机元素的来源和功能无机元素的来源和功能元素元素人为提供形式人为提供形式 生生 理理 功功 能能PKH2PO4、K2HPO4核酸、磷酸和辅酶的成分核酸、磷酸和辅酶的成分SMgSO4含硫氨基酸、含硫维生素成分含硫氨基酸、含硫维生素成分KKH
15、2PO4、K2HPO4酶的辅因子、维持电位差和渗透压酶的辅因子、维持电位差和渗透压NaNaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要CaCa(NO3)2、CaCl2胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成子形成MgMgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分固氮酶辅因子、叶绿素成分FeFeSO4Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需所需MnMnSO4超氧化物歧化酶、氨肽酶、超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的阿拉伯糖异构酶等的辅因子辅因子CuCuSO4氧化酶、酪氨
16、酸酶的辅因子氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4VB12复合物的成分、肽酶的辅因子复合物的成分、肽酶的辅因子ZnZnSO4碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子Mo(NH4)6Mo7O24固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分四、生长因子（四、生长因子（growth factor)growth factor)v是一类对微生物正常代谢必不可少，且微生物本身是一类对微生物正常代谢必不可少，且微生物本身又不能自行合成的有机物。又不能自行合成的有机物。培养基中需要添加培养基中需要添加v狭义的生长因子狭义的生长因子维生素维
17、生素v广义广义维生素碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺维生素碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、直链脂肪酸、氨基酸；类、直链脂肪酸、氨基酸；v功能：构成细胞成分、调节代谢、维持生命的正常功能：构成细胞成分、调节代谢、维持生命的正常活动。活动。维生素的生理功能维生素的生理功能 不同微生物合成氨基酸的能力差异很大不同微生物合成氨基酸的能力差异很大v有的细菌能自己合成所需的全部氨基酸，不需有的细菌能自己合成所需的全部氨基酸，不需从外界补充；从外界补充；v有的细菌合成能力极弱，如肠膜明串珠菌需要有的细菌合成能力极弱，如肠膜明串珠菌需要从外界补充从外界补充17种氨基酸和维生素才能种氨基酸和维生素才能 生长。生
18、长。v“营养缺陷型营养缺陷型”微生物微生物：缺乏合成生长因子能：缺乏合成生长因子能力的微生物。力的微生物。v生长因子需要量一般很少。微生物需要的氨基生长因子需要量一般很少。微生物需要的氨基酸量为酸量为2050mg/L。1.1.生长因子自养型微生物生长因子自养型微生物:不需要从外界吸收任何生不需要从外界吸收任何生长因子就能正常生长的微生物长因子就能正常生长的微生物(如如E.coliE.coli,多数真菌、多数真菌、纺线菌、细菌纺线菌、细菌)。2.2.生长因子异养型微生物：生长因子异养型微生物：需要从外界吸收多种生需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长的微生物（如乳酸菌、支长因子才能维持正常生
19、长的微生物（如乳酸菌、支原体和原生动物等）。原体和原生动物等）。3.3.生长因子过量合成的微生物：生长因子过量合成的微生物：在其代谢活动中，在其代谢活动中，能够大量合成分泌某些维生素等生长因子的微生物能够大量合成分泌某些维生素等生长因子的微生物（如阿舒假囊酵母、链霉菌、被孢霉等）。（如阿舒假囊酵母、链霉菌、被孢霉等）。根据微生物对生长因子的需要分为根据微生物对生长因子的需要分为v用于分析食品、药品等物质中的微量生长因用于分析食品、药品等物质中的微量生长因子含量。子含量。v当微生物丧失合成某种生长因子的能力时，当微生物丧失合成某种生长因子的能力时，必须从培养基中取得才能生长。微生物的生必须从培养
20、基中取得才能生长。微生物的生长量与它必需的生长因子的浓度在一定范围长量与它必需的生长因子的浓度在一定范围内成正比。内成正比。应用应用五、水五、水v细胞物质的组成成分、生物化学反应的介质、细胞细胞物质的组成成分、生物化学反应的介质、细胞内各种物质的基本溶剂、调节细胞内的温度，保持内各种物质的基本溶剂、调节细胞内的温度，保持生活环境温度的恒定。生活环境温度的恒定。v少数微生物如蓝细菌以水为代谢中间物外，其他微少数微生物如蓝细菌以水为代谢中间物外，其他微生物都不是利用水作为营养物质。生物都不是利用水作为营养物质。v游离水含量：游离水含量：人体人体60%、海蜇、海蜇96%、细菌、细菌80%、酵、酵母菌
21、母菌75%、霉菌、霉菌85%、霉菌孢子、霉菌孢子39%，细菌芽孢，细菌芽孢30%v细胞的含水量为细胞的含水量为：（湿重：（湿重-干重）干重）/湿重湿重 100%。六、能源（六、能源（energy source)v能源：能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。包括：养物或辐射能。包括：1、化学物质、化学物质 v 有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）v 无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）；能无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）；能源物质是一些还原态的无机物质，如源物质是一些还原态的无机
22、物质，如NH4+、NO22-、S、H2S、H2、Fe2+等。等。2.辐射能：辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源。光能自养和光能异养微生物的能源。v化能自养微生物的能源物质：化能自养微生物的能源物质：一些还原态的无机物一些还原态的无机物质如：质如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，等，这些无机养料常常是双功能的（如：这些无机养料常常是双功能的（如：NH4+既是硝既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）酸细菌的能源，又是它的氮源。）v能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、亚硝酸菌、硫
23、化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。细菌、氢细菌和铁细菌等。v有机营养物常有双功能或三功能作用，有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。生物的能源，又是它们的碳源或氮源。v 光辐射能：光辐射能：是单功能的，只为光能微生物提供能源是单功能的，只为光能微生物提供能源。v 还原态的还原态的NH4:是双功能营养物（能源、氮源）是双功能营养物（能源、氮源）v 氨基酸：氨基酸：三功能营养物（碳源、氮源、能源）三功能营养物（碳源、氮源、能源）微生物和动物、植物营养要素的比较微生物和动物、植物营养要素的比较 生物类型生物类型营养要素营养要素 动物动
24、物（异养）（异养）微生物微生物 绿色植物绿色植物 （自养）（自养）异养异养 自养自养 碳源碳源糖类脂肪糖类脂肪糖、醇、有机酸等糖、醇、有机酸等二氧化碳、二氧化碳、碳酸盐等碳酸盐等二氧化碳、二氧化碳、碳酸盐碳酸盐氮源氮源蛋白质或蛋白质或其降解物其降解物蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、有机或无机氮化物、氮氮无机氮化物、无机氮化物、氮氮无机氮化物无机氮化物能源能源与碳同与碳同与碳同与碳同氧化无机物氧化无机物或利用日光或利用日光能能利用日光能利用日光能生长因子生长因子维生素维生素一部分需要维生素等一部分需要维生素等不需要不需要不需要不需要无机元素无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐
25、无机盐无机盐无机盐水分水分水水水水水水水水 第二节第二节 微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型 v碳源碳源自养型和异养型。自养型和异养型。v自养型微生物：自养型微生物：能在能在完全无机的完全无机的环境中繁殖、环境中繁殖、生长，具有完备的酶系，能利用生长，具有完备的酶系，能利用CO2或碳酸或碳酸盐盐为碳源，以为碳源，以氨或硝酸盐氨或硝酸盐为氮源，合成细胞为氮源，合成细胞有机物质。有机物质。v异养型微生物异养型微生物：需要较为复杂的有机化合物：需要较为复杂的有机化合物才能生长，主要以才能生长，主要以有机碳化合物有机碳化合物为碳源，氮为碳源，氮源为源为有机或无机物。有机或
26、无机物。v通常依据通常依据微生物获取能源、碳源、氢或电子微生物获取能源、碳源、氢或电子供体供体不同将微生物分为不同将微生物分为4种营养类型种营养类型v光能无机营养型、光能有机营养型，化能无光能无机营养型、光能有机营养型，化能无机营养型和化能有机营养型。机营养型和化能有机营养型。微生物的营养类型微生物的营养类型定义：定义：以以CO2作为唯一碳源或主要碳源，并利用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机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质，同还原成细胞物质，同时产生元素硫。时产生元素硫。v 光能光能
27、CO2H2S CH2O+2S+H2Ov 光合色素光合色素包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌包括蓝细菌（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），等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。），供机体直接利用。一、光能无机自养型（光能自养型）一、光能无机自养型（光能自养型）概括概括vCO2主要或唯一主要或唯一碳源碳源；v光合作用光合作用能量能量；v以以无机物无机物H2、H2S（红硫细菌）、（红硫细菌）、S、H2O（如藻类及蓝细菌）等作为（如藻类及蓝细菌）等作为供氢体供氢体或
28、电子供体或电子供体，使，使CO2还原为细胞物质还原为细胞物质v定义：不定义：不以以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物为主要碳源或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将CO2还原成还原成细胞物质，如红螺菌属中的一些细菌。细胞物质，如红螺菌属中的一些细菌。v 光能光能 v2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2Ov 光合色素光合色素v光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子子二、光能有机异养型（光能异养型）二、光能有机异养型（光能异养型）v不能以不能以CO2碳源，碳源，以有
29、机物为碳源以有机物为碳源；v有机物有机物供氢体供氢体，v光能光能能源能源，将，将CO2还原为细胞物质；还原为细胞物质；v生长时，多数需外源生长时，多数需外源生长因子生长因子。v红螺菌属中的某些细菌能利用红螺菌属中的某些细菌能利用异丙醇异丙醇作为供作为供氢体，将氢体，将CO2 还原成细胞物质，同时积累丙还原成细胞物质，同时积累丙酮。酮。概括概括化能无机自养型（化能自养型）化能无机自养型（化能自养型）vCO2或碳酸盐或碳酸盐唯一或主要唯一或主要碳源碳源v能量能量无机物氧化过程中放出的无机物氧化过程中放出的化学能化学能；vH2、H2S、Fe2+、NH3或或NO2-等等无机物无机物电电子供体，子供体，
30、使使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。v化能无机自养型只存在于微生物中，化能无机自养型只存在于微生物中，可在完可在完全没有有机物及无光的环境中生长。它们广全没有有机物及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环参与地球物质循环v化能自养型微生物以化能自养型微生物以CO2或碳酸盐作为唯一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铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。v 这类微生物主要有
31、硝化细菌、硫化细菌、铁这类微生物主要有硝化细菌、硫化细菌、铁细菌与氢细菌。它们在自然界物质转换过程细菌与氢细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。中起着重要的作用。1.硝化细菌硝化细菌:v亚硝化细菌亚硝化细菌 2NH4+3O22NO2-+2H2O+4H+132Kcalv硝化细菌硝化细菌 NO2-+1/2O2 NO3-+18.1 Kcal2.硫化细菌硫化细菌:v通过氧化还原态的无机硫化物（通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、S2O32-、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）v H2S+1/2 O2 S+H2O+50.1 Kcalv S+1/2
32、O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal3.铁细菌：铁细菌：v氧化氧化Fe 2+为为Fe 3+获取能量并同化获取能量并同化CO2v 2Fe 2+1/2O2+2H+2Fe 3+H2O+21.2 Kcal4.氢细菌：氢细菌：v具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2v H2+1/2 O2 H2O+56.7 Kcal化能有机异养型（化能异养型）化能有机异养型（化能异养型）v能量能量有机物氧化过程中放出的有机物氧化过程中放出的化学能化学能v碳源碳源有机化合物有机化合物，如淀粉、糖类、纤维如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。素、有机酸等。v有机物通常既是碳源也是能
33、源有机物通常既是碳源也是能源。v如多数细菌、真菌、原生动物、致病微生物如多数细菌、真菌、原生动物、致病微生物v多数微生物属于化能异养型，其生长所需要多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。能量和碳源通常来自同一种有机物。根据化能异养型微生物利用有机物的特性，根据化能异养型微生物利用有机物的特性，可分为：可分为：v腐生型微生物：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。为生长的碳源。v寄生型微生物：寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。生体内获得生长所需要的营养物质。v存在于寄
34、生与腐生之间的中间过渡类型微生存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，称为兼性腐生型或兼性寄生型。物，称为兼性腐生型或兼性寄生型。营养类型营养类型能源能源氢供体氢供体基本碳源基本碳源实实 例例光能无机营养型光能无机营养型（光能自养型）（光能自养型）光光无机物无机物COCO2 2蓝细菌蓝细菌,紫硫细紫硫细菌菌,绿硫细菌绿硫细菌,藻类藻类光能有机营养型光能有机营养型（光能异养型）（光能异养型）光光有机物有机物COCO2 2及简及简单有机物单有机物 红螺菌科的细菌红螺菌科的细菌（紫色无硫细菌）（紫色无硫细菌）化能无机营养型化能无机营养型（化能自养型）（化能自养型）无机无机物物无机物无机物COCO2
35、 2硝化细菌硝化细菌,硫化硫化细细 菌菌,铁细菌铁细菌,氢细氢细菌菌,硫磺细菌等硫磺细菌等化能有机营养型化能有机营养型 （化能异养型）（化能异养型）有机有机物物有机物有机物有机物有机物绝大多数细菌和绝大多数细菌和 全部真核微生物全部真核微生物微生物的营养类型微生物的营养类型第三节第三节 营养物质的吸收营养物质的吸收一、吸收营养的机制一、吸收营养的机制v微生物与外界的物质交换通过细胞表面进行。微生物与外界的物质交换通过细胞表面进行。v微生物个体微小，比面值大，能高效率地进行微生物个体微小，比面值大，能高效率地进行细胞内外的物质交换。细胞内外的物质交换。v微生物从外界摄取营养物质的方式随微生物类微
36、生物从外界摄取营养物质的方式随微生物类群和营养物质种类而异，可分为群和营养物质种类而异，可分为吞噬作用和细吞噬作用和细胞膜渗透吸收胞膜渗透吸收两种类型两种类型。二、营养物质的吸收方式二、营养物质的吸收方式v（一）吞噬作用：（一）吞噬作用：又叫胞饮作用、胞吞作用又叫胞饮作用、胞吞作用胞吐作用胞吐作用胞吞作用胞吞作用v细胞壁是营养物质进入细胞的屏障之一。分细胞壁是营养物质进入细胞的屏障之一。分子量低于子量低于800 Da的小分子物质自由出入；的小分子物质自由出入；v细胞质膜：半透膜，选择性吸收，是控制营细胞质膜：半透膜，选择性吸收，是控制营养物质进入和代谢产物排出细胞的主要屏障，养物质进入和代谢产
37、物排出细胞的主要屏障，是细胞内外物质交换的主要界面。是细胞内外物质交换的主要界面。v营养物质通过质膜的方式有营养物质通过质膜的方式有4种：种：被动扩散、被动扩散、促进扩散、主动运输和基团转移。促进扩散、主动运输和基团转移。（二）渗透吸收（二）渗透吸收一、被动扩散一、被动扩散(simple diffusion)(simple diffusion)运输物质运输物质：气体、水、：气体、水、某些水溶性物质（乙某些水溶性物质（乙醇等）和脂溶性物质。醇等）和脂溶性物质。特点：特点：高浓度高浓度 低浓度低浓度运输速率与浓度梯运输速率与浓度梯度差成正比，度差成正比，不消耗代谢能不消耗代谢能非特异性非特异性v营
38、营 养物在运送过程中，通过与细胞膜上特异养物在运送过程中，通过与细胞膜上特异载体蛋白（也称作透过酶载体蛋白（也称作透过酶permease）的可）的可逆性结合来加快其传递速度，但不消耗能量逆性结合来加快其传递速度，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。的一类扩散性运送方式。二、促进扩散（二、促进扩散（facilitated diffusion)特点：特点：v高浓度高浓度 低浓度；低浓度；v不需要能量；不需要能量；v扩散特异性扩散特异性载体蛋白（载体蛋白（渗透酶）参与；渗透酶）参与；有一定的特异性有一定的特异性v扩散速度较快。扩散速度较快。v运送物质的种类：无机离子和糖类等运送物质的种类：无机离子和糖
39、类等促进扩散模式图促进扩散模式图细胞膜细胞膜细胞膜外细胞膜外细胞膜内细胞膜内恢复原构象恢复原构象移位移位再循环再循环结合结合构象改变构象改变三、主动运输（三、主动运输（active transport)v特点：特点：v逆浓度梯度运输，有选择性；逆浓度梯度运输，有选择性；v需要提供能量；需要提供能量；v需要特异性载体蛋白参与；需要特异性载体蛋白参与；v微生物吸收营养物质的主要机制。微生物吸收营养物质的主要机制。v被运输的物质在转移的过程中被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化不发生任何化学变化v运送物质：无机离子、有机离子和一些糖类运送物质：无机离子、有机离子和一些糖类v不同的微生物在主动
40、运输过程中所需的能量不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能则主要来自光能。Na+-K+-ATP酶系统酶系统Na+-K+-ATPase是是存在于原生质膜上的一存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白种重要离子通道蛋白功能：功能：利用利用ATP能量将能量将Na+由细胞内由细胞内“泵泵”出胞外，出胞外，并将并将K+“泵泵”入胞内。该酶由大小两个亚基组入胞内。该酶由大小两个亚基组成（成（MW:12万，万，5.5万万）v基因转位是一种特殊
41、的主动运输，基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。主动运输相同。v 基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输与脂肪散的运输。四、基团移位：四、基团移位：(group translocation)v逆浓度梯度运输，有选择性；逆浓度梯度运输，有
42、选择性；v需要能量；需要能量；v需要特异性载体蛋白；需要特异性载体蛋白；v被转运的物质改变了化学结构。被转运的物质改变了化学结构。v运送物质：葡萄糖、果糖、甘露糖、运送物质：葡萄糖、果糖、甘露糖、核甘酸、丁酸和腺嘌呤等。核甘酸、丁酸和腺嘌呤等。基团移位的特点基团移位的特点在酶在酶的作用的作用下下HPrHPr被激活被激活在酶在酶的作用下的作用下P-HPrP-HPr将磷将磷酸转移给糖酸转移给糖运送机制运送机制:依靠依靠磷酸转移酶系统磷酸转移酶系统，即磷酸烯醇式丙酮，即磷酸烯醇式丙酮酸酸-己糖磷酸转移酶系统。己糖磷酸转移酶系统。酶酶被磷酸化被磷酸化 热稳定载体蛋白激活热稳定载体蛋白激活(HPr)被磷
43、酸化被磷酸化 HPr+PEP PHPr+丙酮酸丙酮酸vHPr：结合在细胞质膜上，热稳定的低分子量可溶结合在细胞质膜上，热稳定的低分子量可溶蛋白，具有高能磷酸载体的作用，无底物特异性。蛋白，具有高能磷酸载体的作用，无底物特异性。v酶酶：细胞质内，一种可溶性蛋白细胞质内，一种可溶性蛋白，无底物特异性，无底物特异性酶酶v酶酶被磷酸化被磷酸化 PHPr+酶酶a P酶酶a+HPr P酶酶a+酶酶b P酶酶b+酶酶av糖被磷酸化后进入质膜内糖被磷酸化后进入质膜内 糖糖+酶酶II c(膜外表面膜外表面)糖糖-酶酶 c(膜内表面）膜内表面）P酶酶b+糖糖-酶酶c P糖（胞质）糖（胞质）+酶酶b+酶酶c v酶酶
44、a为细胞质蛋白，为细胞质蛋白，无底物特异性。无底物特异性。v酶酶b、II c：细胞膜上，：细胞膜上，对底物有特异性选择，细胞对底物有特异性选择，细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相适应的酶膜上可诱导出一系列与底物分子相适应的酶b、c。四种运输营养物质方式的比较四种运输营养物质方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转位基团转位特异载体蛋白特异载体蛋白运输速度运输速度物质运输方向物质运输方向胞内外浓度胞内外浓度运输分子运输分子能量消耗能量消耗运输后物质的结构运输后物质的结构载体饱和效应载体饱和效应与溶质类似物与溶质类似物运送抑制剂运送抑制剂运送对象举例运送对象
45、举例无无慢慢由浓至稀由浓至稀相等相等无特异性无特异性不需要不需要不变不变无无无竞争性无竞争性无无H2O、CO2、O2、甘油、甘油、乙醇、盐类乙醇、盐类有有快快由浓至稀由浓至稀相等相等特异性特异性不需要不需要不变不变有有有竞争性有竞争性有有SO42-、PO43-、糖糖有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性需要需要不变不变有有有竞争性有竞争性有有氨基酸、乳糖等氨基酸、乳糖等糖类，糖类，Na+、Ca2+等无机粒子等无机粒子有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性需要需要改变改变有有有竞争性有竞争性有有葡萄糖、果糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪
46、酸核苷、脂肪酸影响营养吸收的因素影响营养吸收的因素v1.细胞内外营养物质的浓度差细胞内外营养物质的浓度差v2.营养物的特性营养物的特性 （1）大分子化合物不易透过，）大分子化合物不易透过，（2）脂溶性化合物较水溶性物质更易透过细胞膜。）脂溶性化合物较水溶性物质更易透过细胞膜。（3）不易电离的化合物较易电离的化合物更易进）不易电离的化合物较易电离的化合物更易进入细胞。入细胞。v3.细胞膜的通透性细胞膜的通透性 温度、温度、pH、有毒物质、营养物质电荷等都影响细胞、有毒物质、营养物质电荷等都影响细胞膜的通透性。幼龄菌种，膜透性较大。膜的通透性。幼龄菌种，膜透性较大。第四节第四节 培养基培养基v培养
47、基培养基(medium/culture medium)：人工配人工配制的、满足微生物营养需求的、适合微生物制的、满足微生物营养需求的、适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。v六种营养要素、比例适合，尽快灭菌。六种营养要素、比例适合，尽快灭菌。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四个原则四个原则目的明确目的明确营养协调营养协调理化适宜理化适宜经济节约经济节约四种方法四种方法生态模拟生态模拟参考文献参考文献精心设计精心设计实验比较实验比较一、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v（一）（一）4个原则个原则v
48、1.培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）v根据微生物的营养需要配制不同的培养基。根据微生物的营养需要配制不同的培养基。v营养类型营养类型不同的微生物，对营养物的需求差异很大。不同的微生物，对营养物的需求差异很大。自养型自养型微生物的培养基可以由简单的无机物质组成。微生物的培养基可以由简单的无机物质组成。异养型异养型微生物的培养基至少需要含有一种有机物质微生物的培养基至少需要含有一种有机物质 微生物微生物类群类群不同，所需的培养基成分也不同不同，所需的培养基成分也不同v 细菌：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基、牛肉膏蛋白胨培养基、LB v 放线菌：放线
49、菌：高氏一号培养基高氏一号培养基v 真菌：真菌：查氏合成培养基、查氏合成培养基、PDA v 酵母菌：酵母菌：麦芽汁、豆芽汁麦芽汁、豆芽汁v当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用以采用生长谱生长谱法进行测定。法进行测定。2.2.营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）v在大多数化能异养微生物配制的培养基中：在大多数化能异养微生物配制的培养基中：v要素：要素：H2OC+能源能源N源源P、SK、Mg生长因子生长因子 含量：含量：10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6浓度过高浓度过高微生物的生长起抑制作用，
50、微生物的生长起抑制作用，浓度过小浓度过小不能满足微生物生长的需要。不能满足微生物生长的需要。碳氮比（碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；要指标；速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例各种金属离子间的比例 碳源中的碳原子的碳源中的碳原子的mol数数氮源中所含的氮原子的氮源中所含的氮原子的mol数数C/N比值比值=例：谷氨酸生产中例：谷氨酸生产中 C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸
