第四章-微生物的營(yíng)養(yǎng)

微生物學(xué)集寧師范學(xué)院生物系生化與分子生物學(xué)教研室賀番

第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)

（MicrobialNutrition）本章主要內(nèi)容第一節(jié)

微生物的6類(lèi)營(yíng)養(yǎng)要素（微生物吃什么？）第二節(jié)

微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型第三節(jié) 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸（微生物怎么吃？）第四節(jié)

培養(yǎng)基（怎么給微生物做飯？）第一節(jié)微生物的6類(lèi)營(yíng)養(yǎng)要素一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成二、六大營(yíng)養(yǎng)要素及其生理功能元素細(xì)菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氫86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——

微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重％）

主要成分細(xì)菌

酵母菌

霉菌

水分75~8570~8085~90（占細(xì)胞鮮重的%）

蛋白質(zhì)50~8032~7514~15占細(xì)碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40重的核酸

10~206~81%

無(wú)機(jī)鹽

2~303.8~76~12微生物細(xì)胞的化學(xué)組成（三）分析細(xì)胞有機(jī)、無(wú)機(jī)成分的方式有機(jī)成分：1.化學(xué)法直接抽提--定性、定量分析2.破碎細(xì)胞，獲得亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)--化學(xué)分析無(wú)機(jī)成分：

細(xì)胞--550℃--灰分--定性、定量分析二、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能碳源 氮源 無(wú)機(jī)鹽生長(zhǎng)因子 水能源（一）、碳源（Carbonsource）類(lèi)型元素水平

化合物水平

培養(yǎng)基原料水平有機(jī)碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機(jī)酸、醇、脂類(lèi)等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類(lèi)天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無(wú)機(jī)碳C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源譜微生物工業(yè)發(fā)酵中用做碳源的原料傳統(tǒng)種類(lèi)：糖類(lèi)（單糖，飴糖） 淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等） 麩皮、各種米糠等。代糧發(fā)酵：纖維素、石油、CO2、H2。現(xiàn)有700多萬(wàn)中有機(jī)物，微生物都能夠分解、利用（二）氮源（Nitrogensource）硝酸鹽NO3 NH4+遲效氮源：蛋白氮通過(guò)水解，降解成胨、肽、氨基酸等才能被機(jī)體利用，有利于機(jī)體生長(zhǎng)。速效氮源：無(wú)機(jī)氮源或蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物以直接被菌體吸收利用，有利于代謝物形成。

銨鹽氨基酸 入胞 細(xì)胞物質(zhì)蛋白胨豆餅蠶蛹粉分解 入胞 細(xì)胞物質(zhì)誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)酶生理酸式鹽和生理堿式鹽（三）無(wú)機(jī)鹽（inorganicsalt）無(wú)機(jī)鹽的生理功能：無(wú)機(jī)鹽大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活劑（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）

維持滲透壓生理調(diào)節(jié)物質(zhì) 酶的激活劑

pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)無(wú)氧呼吸時(shí)的氫受體(NO3-、SO42-)細(xì)胞內(nèi)一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，F(xiàn)e等)無(wú)機(jī)元素的來(lái)源和功能（四）生長(zhǎng)因子（growthfactor）

根據(jù)微生物對(duì)生長(zhǎng)因子的需要分為1.

野生型

(wildtype)

原養(yǎng)型

不需要生長(zhǎng)因子而能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌株2.營(yíng)養(yǎng)缺陷型(auxotroph)

由自發(fā)或誘發(fā)突變需要提供特定生長(zhǎng)物質(zhì)才能生長(zhǎng)的菌株分類(lèi):1、嘌呤和嘧啶(合成核苷酸）

2、氨基酸（合成蛋白質(zhì)）

3、維生素（合成酶及輔酶的功能團(tuán)）（五）水（water）總結(jié)水的生理功能：1.細(xì)胞組分（70-90%）2.良好的溶劑和化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)3.調(diào)節(jié)溫度4.維持壓強(qiáng)5.有利于生物大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定水在細(xì)胞中的兩種存在形式：

結(jié)合水和游離水，結(jié)合水難以利用

為了表示微生物生長(zhǎng)與水的關(guān)系，有時(shí)也常用相對(duì)濕度（RH)

的概念(w

×100=RH

)通常也用測(cè)定蒸氣相中相對(duì)濕度的方法得知溶液或物質(zhì)的水活度。（六）能源

（energysource）概念：能為微生物生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。能源譜化學(xué)物質(zhì)(化能營(yíng)養(yǎng)型）輻射能（光能營(yíng)養(yǎng)型）有機(jī)物：化能異氧微生物的能源無(wú)機(jī)物：化能自氧微生物的能源：光能自氧和光能異氧微生物的能源1、根據(jù)生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)（碳源）異養(yǎng)型生物：生長(zhǎng)時(shí)以復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如：動(dòng)物以及大多數(shù)微生物）自養(yǎng)型生物：生長(zhǎng)時(shí)以簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如：植物及少數(shù)微生物）特點(diǎn):(1)不需要有機(jī)養(yǎng)料,可生活在完全無(wú)機(jī)環(huán)境中。

(2)將無(wú)機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的有機(jī)物。

動(dòng)物異養(yǎng)型生物植物、微生物異養(yǎng)型和自養(yǎng)型

多數(shù)微生物異養(yǎng)型，少數(shù)微生物自養(yǎng)型。自養(yǎng)微生物：不依賴任何有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物即可正常生活的微生物。異養(yǎng)微生物：至少需要提供一種大量有機(jī)物才能滿足其正常營(yíng)養(yǎng)要求的微生物。（碳源必為有機(jī)物，氫供體為有機(jī)物，能源可為氧化有機(jī)物也可以是利用光能。）關(guān)于營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的另一種定義：多數(shù)微生物動(dòng)物少數(shù)微生物與植物氫供體不同有機(jī)型生物：還原CO2時(shí)氫供體為有機(jī)物質(zhì)無(wú)機(jī)型生物：還原CO2時(shí)氫供體為無(wú)機(jī)物質(zhì)

微生物的四大營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型4、化能異養(yǎng)型微生物多數(shù)微生物,能量和碳源來(lái)自同一種有機(jī)物。腐生型微生物：利用無(wú)生命活性的有機(jī)物作為生長(zhǎng)的碳源。寄生型微生物：寄生在活的細(xì)胞內(nèi)，從寄生體內(nèi)獲得生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。兼性腐生型或兼性寄生型：存在于寄生與腐生之間的中間過(guò)渡類(lèi)型微生物。光能化學(xué)能碳源能源自養(yǎng)異樣氫供體腐生寄生攝取方式野生型缺陷型生長(zhǎng)因子有機(jī)無(wú)機(jī)總結(jié)微生物的分類(lèi)方法要點(diǎn)第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸

主要內(nèi)容營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式每種方式的特點(diǎn)四種方式的區(qū)別SpecialCases1.入胞Endocytosis

2.出胞Exocytosis

原生動(dòng)物胞吞、胞飲式營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸物質(zhì)運(yùn)輸類(lèi)型無(wú)載體蛋白有載體蛋白單純擴(kuò)散不耗能耗能促進(jìn)擴(kuò)散構(gòu)象不變構(gòu)象改變主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)移位營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸類(lèi)型傳遞方向載體蛋白能量被傳遞物單純擴(kuò)散高濃度向低濃度不需要不需要不變化促進(jìn)擴(kuò)散高濃度向低濃度需要不需要不變化主動(dòng)運(yùn)輸?shù)蜐舛认蚋邼舛刃枰枰蛔兓鶊F(tuán)轉(zhuǎn)位低濃度向高濃度需要需要被磷酸化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸：一種簡(jiǎn)單的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式。特點(diǎn)：1、整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程不需要能量

2、動(dòng)力是細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)濃度差

3、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)順濃度梯度由高向低擴(kuò)散

4、運(yùn)輸?shù)臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化分類(lèi)：?jiǎn)渭償U(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散1、單純擴(kuò)散(simpleorpassivediffusion)概念：被輸送的物質(zhì)，靠細(xì)胞內(nèi)外濃度為動(dòng)力，以透析或擴(kuò)散的形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散。動(dòng)力：濃度差物質(zhì)：小分子，溶于水方向：?jiǎn)蜗?，由高到低特點(diǎn)：1、擴(kuò)散是非特異性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收方式。2、在擴(kuò)散過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不變。3、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾事核俾逝c濃度差有關(guān)，至胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同。4、無(wú)載體參與；不需要代謝能量。5、可運(yùn)送的養(yǎng)料有限。影響因素：溫度、pH值、離子強(qiáng)度等。流動(dòng)方向：向高鹽濃度流動(dòng)

單純擴(kuò)散模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)胞膜概念：營(yíng)養(yǎng)物通過(guò)與細(xì)胞膜上載體蛋白（也稱作透過(guò)酶permease）的可逆性結(jié)合來(lái)完成物質(zhì)的運(yùn)輸和加快傳遞速度。多見(jiàn)于真核微生物的營(yíng)養(yǎng)吸收與代謝。動(dòng)力：濃度差方向：?jiǎn)蜗?，由高到低載體蛋白：誘導(dǎo)產(chǎn)生,與運(yùn)輸對(duì)象具有專(zhuān)一性物質(zhì)：K+、Na+、CI-2、促進(jìn)擴(kuò)散

(facilitateddiffusion/transport)特點(diǎn)：

1、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不變2、不耗能，不能逆濃度運(yùn)輸3、運(yùn)輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定4、需要細(xì)胞膜上的載體蛋白參與5、被運(yùn)輸物質(zhì)與載體蛋白高度特異6、載體蛋白有限，會(huì)出現(xiàn)飽和效應(yīng)細(xì)胞質(zhì)膜上的跨膜蛋白單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散載體蛋白是跨膜蛋白。在整個(gè)過(guò)程中其構(gòu)象發(fā)生兩次改變。促進(jìn)擴(kuò)散模式圖恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)胞膜3、主動(dòng)運(yùn)輸(Activetransport)概念：在代謝能的推動(dòng)下，通過(guò)膜上特殊載體蛋白，逆濃度差吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程。是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的主要形式。物質(zhì)：有機(jī)、無(wú)機(jī)離子，糖類(lèi)方向：雙向，可逆濃度進(jìn)行動(dòng)力：代謝能好氧呼吸能

厭氧MO

化學(xué)能光能光能特點(diǎn)：1、耗能2、可逆濃度差進(jìn)行3、需要載體蛋白參與4、對(duì)被運(yùn)輸物有高度的立體專(zhuān)一性要求5、被運(yùn)輸物質(zhì)在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中不發(fā)生變化

Comparisonofpassiveandactivetransport.

主動(dòng)運(yùn)輸模式圖細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變ADP+PiATPNa+-K+-ATP酶系統(tǒng)Na+-K+-ATPase：

是存在于原生質(zhì)膜上的一種重要離子通道蛋白功能:利用ATP能量將Na+“泵”出胞外,將K+“泵”入胞內(nèi)。作用步驟:1.ATP酶(E)在細(xì)胞內(nèi)與3個(gè)Na+結(jié)合,消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)構(gòu)象變化將Na+排出胞外,并與2個(gè)K+結(jié)合;3.K+激發(fā)E+脫磷酸化恢復(fù)為E,同時(shí)將K+運(yùn)入細(xì)胞.概念：是特殊的主動(dòng)運(yùn)輸，被運(yùn)輸物質(zhì)在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)變化，其余特點(diǎn)與主動(dòng)運(yùn)輸相同。

物質(zhì)：?jiǎn)?、雙糖與其衍生物，核苷、脂肪酸

位置：厭氧和兼性厭氧型細(xì)菌4、基團(tuán)轉(zhuǎn)位(Grouptranslocation)1、在酶Ⅰ的作用下HPr被激活2、在酶Ⅱ的作用下P-HPr將磷酸轉(zhuǎn)移給糖基團(tuán)轉(zhuǎn)位

磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和熱穩(wěn)定蛋白(HPr)。第一步少量HPr被磷酸烯醇丙酮酸（PEP）磷酸化PEP+HPr

磷酸～HPr+丙酮酸酶Ⅰ第二步磷酸～HPr將它的磷酰基傳遞給葡萄糖，同時(shí)將生成的6-磷酸葡萄糖釋放到細(xì)胞內(nèi)。第二步磷酸～HPr+葡萄糖6-磷酸葡萄糖+HPr酶Ⅱ基團(tuán)移位模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)SSSS細(xì)胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸四種運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方式的比較比較項(xiàng)目單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位特異載體蛋白運(yùn)輸速度物質(zhì)運(yùn)輸方向胞內(nèi)外濃度運(yùn)輸分子能量消耗運(yùn)輸后物質(zhì)的結(jié)構(gòu)無(wú)慢由濃至稀相等無(wú)特異性不需要不變有快由濃至稀相等特異性不需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要改變概念：由人工配制、適合不同微生物生長(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物用的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。特點(diǎn)：1、應(yīng)具備六大營(yíng)養(yǎng)要素2、比例適當(dāng)（滅菌）用途：促使微生物生長(zhǎng)；積累代謝產(chǎn)物第四節(jié)培養(yǎng)基(medium)一、培養(yǎng)基的配制原則（一）組分應(yīng)適合MO的營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)（目的明確）（二）營(yíng)養(yǎng)物的濃度與比例應(yīng)恰當(dāng)（營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)）（三）物理化學(xué)條件適宜（條件適宜）（四）根據(jù)培養(yǎng)目的選擇原料及來(lái)源（經(jīng)濟(jì)節(jié)約）（一）目的明確根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。按微生物類(lèi)群不同，配置不同成分的培養(yǎng)基:細(xì)菌:

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

LB放線菌：高氏一號(hào)培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基PDA酵母菌：麥芽汁細(xì)菌培養(yǎng)基——營(yíng)養(yǎng)肉湯（nutrientbroth)：

牛肉膏3g；水1000ml；

蛋白胨5g；pH7.2~7.4放線菌培養(yǎng)基——高氏1號(hào)：可溶性淀粉20g；KNO31g;K2HPO41g

MgSO40.5gNaCl1g;FeSO4?7H2O0.5g

水1000ml;pH7.2~7.4霉菌培養(yǎng)基——查氏（zapek)培養(yǎng)基：蔗糖30g;KCl0.5g;MgSO4.H2O0.5g;FeSO40.5g水1000ml;K2HPO41g;NaNO33g;pH6.7酵母菌培養(yǎng)基——麥芽汁培養(yǎng)基

（二）營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)2、速效性氮（或碳）源與遲效性氮（或碳）源的比例3、各種金屬離子間的比例

碳源中的碳原子的mol數(shù)氮源中所含的氮原子的mol數(shù)1、C/N比值=（三）條件適宜

（1）pH:

細(xì)菌：7.0-8.0霉菌：4.0-5.8放線菌：7.5-8.5酵母菌：3.8-6.0內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液?！盍姿峋彌_液：pH值從6.0-7.6之間K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：

CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培養(yǎng)基中所含氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì)也可起到緩沖作用。（2）滲透壓和aw

等滲：適宜微生物生長(zhǎng) 高滲：細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離 低滲：細(xì)胞吸水膨脹，至破裂嗜鹽微生物（Halophiles）：能在高鹽環(huán)境（2.8-6.2MNaCl）生長(zhǎng)的微生物常。（3）氧化還原電勢(shì)(redox

poyential)好氧微生物：+0.3-+0.4V厭氧微生物：只能在+0.1V以下生長(zhǎng)兼性厭氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下發(fā)酵（四）經(jīng)濟(jì)節(jié)約應(yīng)用目的：是培養(yǎng)菌體還是積累代謝產(chǎn)物？是實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)還是大規(guī)模發(fā)酵？代謝產(chǎn)物是初級(jí)代謝產(chǎn)物還是次級(jí)代謝產(chǎn)物？1.生態(tài)模擬2.查閱文獻(xiàn)3.精心設(shè)計(jì)4.實(shí)驗(yàn)比較

二、設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的方法高壓蒸氣滅菌

一般培養(yǎng)基:

1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min

含糖培養(yǎng)基:

0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min

過(guò)濾滅菌分別滅菌間歇滅菌培養(yǎng)基的滅菌附圖：過(guò)濾滅菌器皿的滅菌及無(wú)菌室的消毒器皿的滅菌：

干熱空氣：160℃，2小時(shí)無(wú)菌室的消毒：

紫外光化學(xué)藥物熏蒸（苯酚；高錳酸鉀+甲醛）三、培養(yǎng)基的類(lèi)型及其應(yīng)用1、根據(jù)所培養(yǎng)微生物類(lèi)群分①細(xì)菌培養(yǎng)基②放線菌培養(yǎng)基③霉菌培養(yǎng)基

2、根據(jù)培養(yǎng)目的來(lái)分①種子培養(yǎng)基(seedculturemedium）營(yíng)養(yǎng)較豐富②發(fā)酵培養(yǎng)基(fermentationmedium）原料應(yīng)價(jià)廉易得還應(yīng)有利于下游的分離提取。味精生產(chǎn)菌北京棒狀桿菌AS1299的一級(jí)種子（用搖床培養(yǎng)）培養(yǎng)基配方：葡萄糖3%玉米漿2.5~3.5%尿素0.3~0.5%K2HPO40.1~0.2%MgSO40.05%二級(jí)種子（1200