微生物的營養(yǎng)要求.ppt

第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)要求,營養(yǎng)（nutrition）：指生物體從外界環(huán)境中攝取對其生命活動必需的能量和物質(zhì)，以滿足正常生長和繁殖需要的一種最基本的生理功能。 營養(yǎng)物質(zhì)（nutrient）：指具有營養(yǎng)功能的物質(zhì)，那些能夠滿足微生物機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì)。在微生物學中，它還包括非常規(guī)物質(zhì)形式的光輻射能在內(nèi)。,營養(yǎng)為一切生命活動提供必需的物質(zhì)基礎！有了營養(yǎng)，微生物才能進一步代謝生長和繁殖，并可能為人們提供各種有益的代謝產(chǎn)物。,微生物的營養(yǎng)物可為它們的正常生命活動提供結構物質(zhì)、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和必要的生理環(huán)境。,一、微生物細胞的化學組成 二、營養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能 三、微生物的營養(yǎng)類型,微生物們需要吃什么？,細胞化學元素組成,主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等； 微量元素：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。,一、微生物細胞的化學組成 1、化學元素,構成微生物細胞的物質(zhì)基礎是各種化學元素！,占細菌細胞干重的97%,組成微生物細胞的各類化學元素的比例 常因微生物種類的不同而不同,Eg. 細菌、酵母菌和真菌的碳、氫、氧、氮、磷、硫六種元素的含量就有差別。,硫細菌(sulfur bacteria)、鐵細菌(iron bacteria)和海洋細菌(marine bacteria)相對于其他細菌則含有較多的硫、鐵和鈉、氯等元素, 硅藻(Diatom)需要硅酸來構建富含(SiO2)n的細胞壁。,微生物細胞,水：70%-90%,2、化學成分及其分析,各種化學元素主要以有機物、無機物和水的形式存在于細胞中。,細胞濕重(wet weight)與干重(dry weight)之差為細胞含水量， 常以百分率表示：（濕重-干重）/濕重100% 。,水是細胞維持正常生命活動所必不可少的， 一般可占細胞重量的7090%。,濕重：將細胞外表面所吸附的水份除去后稱量所得重量，一般以單位培養(yǎng)液中所含細胞重量表示 （克/升或毫克/毫升）。,干重：采用高溫（105）烘干、低溫真空干燥和紅外線快速烘干等方法將細胞干燥至恒重即為。,二、營養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能,微生物對營養(yǎng)的要求無論是在元素水平上還是在營養(yǎng)要素水平上，都與動物和植物十分接近。它們之間存在著“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”。,在元素水平上都需20種左右，其中以碳、氫、氧、氮、磷、硫6種元素為主； 在營養(yǎng)要素水平上則主要為碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水六大類。,1、碳源（carbon source）,（1）定義: 凡能供給微生物碳素營養(yǎng)的物質(zhì)，稱為碳源。 （2）功能：提供合成細胞物質(zhì)及代謝物的原料；并能為微生 物（異養(yǎng)微生物）提供維持生命活動所需的能源。,微生物細胞含碳量約占干重的50，除水分外，碳源是需要量最大的營養(yǎng)物，又稱之為大量營養(yǎng)物。,（2）種類,如把微生物作為一個整體來看，其可利用的碳源范圍即碳源譜。從元素水平、化合物水平直至培養(yǎng)基原料水平來考察碳源，可見其數(shù)目是逐級擴大的甚至可多到無法計算。,能被微生物用作碳源的物質(zhì)種類極其廣泛。 簡單的無機含碳化合物：CO2、NaHCO3、CaCO3等。 比較復雜的有機物:烴類、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、雜環(huán)化合物、氨基酸、核苷酸等。 復雜的有機大分子：蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等。 復雜的天然含碳物質(zhì)：牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉、糖蜜、石油等。 酚、氰化物等有毒物質(zhì)：可以被少數(shù)微生物用作碳源。,凡以無機碳源作主要碳源的微生物，則是種類較少的自養(yǎng)微生物。,凡必須利用有機碳源的微生物，就是為數(shù)眾多的異養(yǎng)微生物。對一切異養(yǎng)微生物來說，其碳源同時又兼作能源，這種碳源稱為雙功能營養(yǎng)物。,碳源 譜,有機碳,無機碳,不同種類微生物利用碳源物質(zhì)具有選擇性，利用能力有差異。,Eg. 假單胞桿菌屬的一些菌能利用90多種不同的碳源物質(zhì)。 甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。,單糖雙糖和多糖 己糖 戊糖 葡萄糖、果糖 甘露糖、半乳糖 淀粉 纖維素或幾丁質(zhì)等純多糖 純多糖 瓊脂等雜多糖,葡萄糖可作為大多數(shù)微生物的碳源！,糖,酚、氰化物等有毒物質(zhì),對人類有毒的物質(zhì)Eg. 酚、氰化物等,某些微生物Eg. 諾卡氏菌和一些霉菌等,美味佳肴,微生物清除三廢,CO2,最廉價的、用之不盡的碳源，是自養(yǎng)微生物唯一或主要的碳源。,Eg. 生長在動物血液、組織和腸道中的致病細菌（沙門氏菌 、李斯特菌等）,纖維素,纖維素是由葡萄糖以1,4糖苷鏈組成的，在自然界中資源豐富，但大多數(shù)動物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作為碳源來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。,烴類,烴類化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烴類的許多中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物均是重要的工業(yè)原料。,清除石油污染,在微生物工業(yè)發(fā)酵中最常用的碳源主要是 葡萄糖、淀粉、廢糖蜜、 麩皮和米糠等。,2、氮源（nitrogen source） （1）定義,凡能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)物質(zhì)，稱為氮源。,氮是構成重要生命物質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸等的主要元素，氮占細胞干重的1215，也是微生物的主要營養(yǎng)物。,（2）功能,氮源物質(zhì)一般不提供能量，但也有例外： 化能自養(yǎng)細菌中的亞硝化細菌和硝化細菌能從NH3和NO2-的氧化過程中獲得能量，所以對于他們來說，NH3和NO2-是兼有氮源與能源的雙功能營養(yǎng)物質(zhì)。,提供合成細胞中的含氮物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核酸）及含氮代謝物等的原料。,（3）種類,如把微生物作為一個整體來看，其可利用的氮源范圍即氮源譜。,微生物能利用的氮源,無機氮,分子氮,有機氮,a.有機氮,主要是蛋白質(zhì)及其不同程度的降解產(chǎn)物(胨、肽、氨基酸、尿素等)，以及嘌呤和嘧啶、胺、酰胺等。,實驗室常用的有機氮源有： 牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、魚粉、 蠶蛹粉、黃豆餅粉和花生餅粉等。,一部分微生物是不需要利用氨基酸作為氮源的，它們能把尿素、銨鹽、硝酸鹽甚至氮氣等簡單氮源自行合成所需要的一切氨基酸，稱為氨基酸自養(yǎng)型微生物。,反之，凡需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源的微生物就是氨基酸異養(yǎng)型微生物。,b.無機氮,主要包括硝酸鹽、銨鹽、氨等。,銨鹽是絕大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接利用； 硝酸鹽也能被大部分微生物利用，但吸收后需被還原成NH4+才能進入合成代謝。,銨鹽 和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用,NO3 和蛋白質(zhì)吸收后還需還原降解才可利用,速效氮源：有利于菌體生長,遲效氮源：有利于代謝產(chǎn)物的形成,c.分子氮,分子氮即為大氣中的N2。能利用N2作氮源來合成細胞結構的微生物我們稱固氮微生物。如固氮菌、根瘤菌和固氮藍藻等。,（1）研究微生物的固氮作用是生物領域中的一個重大課題。通過基因工程把微生物的固氮基因轉(zhuǎn)移到高等植物的基因組中，使之可利用N2。,這兩個課題的研究成功將會為農(nóng)業(yè)帶來一次革命性的變化,3、能源（energy source）,能為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能，稱為能源。,能源,無機物：化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源）。,輻射能：光能無機營養(yǎng)型和光能有機營養(yǎng)型微生物的能源。,化學物質(zhì),有機物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）。,絕大多數(shù)微生物的能源物質(zhì),光合細菌的能源,利用的有機碳源在被微生物細胞分解代謝的過程中不僅提供微生物細胞的碳素和碳架，而且還提供微生物生命活動所需的能量。,能源為氨根離子、亞硝酸根離子等還原態(tài)無機化合物，而碳源是二氧化碳。,化能自養(yǎng)微生物的能源為一些還原態(tài)的無機物質(zhì)， Eg. NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。,能氧化利用這些物質(zhì)的微生物都是細菌。 Eg.硝化細菌、亞硝化細菌、硫化細菌、硫細菌、氫細菌和鐵細菌等。,4、生長因子（growth factor） （1）定義,是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能用簡單的碳、氮源自行合成的需要量很小的一類有機物。不同微生物需求的生長因子的種類和數(shù)量不同。,微生物與生長因子的關系可分以下幾類：,生長因子自養(yǎng)型微生物 它們不需要從外界吸收任何生長因子，多數(shù)真菌、放線菌和不少細菌均有合成生長因子的能力，如Ecoli（大腸桿菌）等都屬這類。,生長因子異養(yǎng)型微生物 它們需要從外界吸收多種生長因子才能維持正常生長，如各種乳酸菌、動物致病菌、支原體和原生動物等。,生長因子過量合成微生物 少數(shù)微生物在其代謝活動中，能合成并分泌出大量的維生素等生長因子，可作為有關維生素的生產(chǎn)菌種。,（2）種類,廣義的生長因子： 維生素、堿基、嘌呤、嘧啶、卟啉及其衍生物、胺類、C4C6的分枝或直鏈脂肪酸，以及需要量較大的氨基酸。,狹義的生長因子： 一般僅指維生素。,根據(jù)生長因子的化學結構和它們在機體中的生理功能的不同可將生長因子分為： 維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶3大類。,a.維生素,最早發(fā)現(xiàn)的生長因子是維生素，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多維生素都能起生長因子的作用。 維生素主要是作為酶的輔酶或輔基參與新陳代謝，需要量很少，但是缺少維生素微生物不能正常生長。 Eg. 維生素B6（吡哆醛）， 磷酸吡哆醛是一些轉(zhuǎn)氨酶和氨基酸脫羧酶的輔酶。,微生物對維生素的需要量一般是15mgml,b.氨基酸,有些微生物自己不能合成某種AA，必須給予補充，如賴AA發(fā)酵所用的黃色短桿菌不能合成環(huán)絲AA，為環(huán)絲AA缺陷型菌株，在培養(yǎng)基中必須添加含環(huán)絲AA的氮源。如豆餅水解液或毛發(fā)水解液等。 各種菌合成AA的能力有很大差別，一般G菌強于G，大腸桿菌自己能合成全部AA，沙門氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力極弱，如腸膜明串珠菌需從外界補充17種AA。,在培養(yǎng)基中一種氨基酸的含量過高，會抑制細胞對其他氨基酸的攝取，此現(xiàn)象稱氨基酸不平衡。,微生物對氨基酸的需要量一般是20mgml,c.堿基,嘧啶和嘌呤作為生長因子主要是作為酶的輔酶和輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和核酸。 有些微生物不僅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能將補充的嘧啶和嘌呤結合在核苷酸上，還必須供給核苷酸，有的菌需補充卟啉或其衍生物，還有的菌需供給（低碳）脂肪酸等。,微生物對堿基的需要量一般是1020mgml,d.其他生長因子,有些微生物的生長需要一些很特殊的物質(zhì)，也稱生長因子。 Eg.流感嗜血桿菌一定要在含紅細胞的培養(yǎng)基上生長，因為它需要卟啉環(huán)作生長因子。 厭氧條件下生長的啤酒酵母需要甾醇作為生長因子。,生長因子在代謝中的作用,在配制微生物培養(yǎng)基時，一般可用生長因子含量豐富的天然物質(zhì)作原料以保證微生物對它們的需要。 能提供生長因子的天然物質(zhì)有： 酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、玉米漿（一種浸制玉米以制取淀粉后產(chǎn)生的副產(chǎn)品）、動植物組織或細胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液。,無機鹽是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質(zhì)，包括磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等金屬元素的化合物。,5、無機鹽（mineral salts）,大量元素,微量元素,無機鹽,構成微生物細胞的組成成分。 調(diào)解微生物細胞的滲透壓，PH值和氧化還原電位。 有些無機鹽如S、Fe還可做為自養(yǎng)微生物的能源。 構成酶活性基的組成成分，維持酶活性。Mg、Ca、K是多種酶的激活劑。,（1）大量元素（macroelements）,凡是生長所需濃度在10-410-3molL （培養(yǎng)基中含量）范圍內(nèi)的元素，可稱為大量元素， 例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。,凡所需濃度在10-810-6molL（培養(yǎng)基中含量）范圍內(nèi)的元素，則稱為微量元素， 如Cu、Zn、Mn、Mo、Co和Ni、Sn、Se等。,（2）微量元素（ microelements ）,6、水,微生物細胞中水占7090， 水是地球上整個生命系統(tǒng)存在和發(fā)展的必要條件！,水在微生物細胞內(nèi)的生理功能 （1）水是細胞的重要組成成分。 （2）水直接參與代謝反應，許多反應都涉及脫水和水合。 （3）起到溶劑與運輸介質(zhì)的作用，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌必須以水為介質(zhì)才能完成。 （4）維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構象。 （5）水的比熱高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱并及時地將熱迅速散發(fā)出體外，從而有效地控制細胞內(nèi)溫度的變化； （6）水分是細胞維持自身正常形態(tài)的重要因素。,微生物生長環(huán)境中水的有效性常以水活度值（water activity,aw）表示，水活度值是指在一定的溫度和壓力條件下，溶液的蒸氣壓力與同樣條件下純水蒸氣壓力之比， 即：w=w/wo w表示溶液蒸汽壓力 wo表示純水蒸汽壓力 溶液中溶質(zhì)越多，w越小。微生物生長所需的水活度通常在0.600.99之間。,幾類微生物生長最適w,三、微生物的營養(yǎng)類型,由于微生物種類繁多，其營養(yǎng)類型比較復雜，劃分微生物營養(yǎng)類型的標準或角度各種各樣。但通常根據(jù)碳源、能源及供氫體的不同，將微生物劃分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型及化能異養(yǎng)型四種營養(yǎng)類型。,某些菌株發(fā)生突變(自然突變或人工誘變)后，失去合成某種(或某些)對該菌株生長必不可少的物質(zhì)(通常是生長因子如氨基酸、維生素)的能力，必須從外界環(huán)境獲得該物質(zhì)才能生長繁殖，這種突變型菌株稱為 營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）； 相應的野生型菌株稱為原養(yǎng)型（prototroph）。,根據(jù)微生物對生長因子的需要存在差異，可分為： 營養(yǎng)缺陷型和原養(yǎng)型,營養(yǎng)缺陷型菌株經(jīng)常用來進行微生物遺傳學方面的研究。,1.光能無機營養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）,利用光作為能源，以CO2為唯一碳源或主要碳源，以還原態(tài)無機物（如水、硫化氫、硫代硫酸鈉等）作為供氫體或電子供體，使CO2還原成細胞物質(zhì)，并且伴隨元素氧（硫）的釋放。,光合細菌細胞內(nèi)含菌綠素，光合作用以H2S、S等還原態(tài)硫化物為供氫體，產(chǎn)生細胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。,藻類和藍細菌與高等植物一樣，以水為供氫體（電子供體），進行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細胞物質(zhì)。,這類微生物不以CO2作為唯一碳源或主要碳源，需以簡單有機物作為供氫體，利用光能將CO2還原成細胞物質(zhì)。,光能有機營養(yǎng)型細菌在生長時通常需要外源的生長因子。,2.光能有機營養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）,這類微生物能利用有機物迅速繁殖，常用于污水處理。,例如，紅螺菌屬中的一些細菌就是這一營養(yǎng)類型的代表：能利用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細胞物質(zhì)，同時積累丙酮。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,這類微生物利用無機物氧化過程中釋放出的化學能作為它們生長所需的能量。,以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細胞物質(zhì)。