微生物的營養(yǎng)要求

1、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(xué)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(chǔ)！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

2、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(jié)構(gòu)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(xué)組成二、微生物的營養(yǎng)構(gòu)成三、微生物的營養(yǎng)類型,微生物們需要吃什么？,細胞化學(xué)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(xué)組成 1、化學(xué)元素,構(gòu)成微生物細胞的物質(zhì)基礎(chǔ)是各種化學(xué)元素！,,占細菌細胞干重的97%,組成微生物

3、細胞的各類化學(xué)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(gòu)建富含(SiO2)n的細胞壁。,微生物細胞,,水：70%-90%,2、化學(xué)成分及其分析,各種化學(xué)元素主要以

4、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70~90%。,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

5、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：是各種代謝產(chǎn)物和細胞內(nèi)

6、部物質(zhì)碳價結(jié)構(gòu)的重要來源；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。,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(fù)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(fù)雜的有機大分子：蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等。復(fù)雜的天然含碳物質(zhì)：牛肉膏、蛋白胨、

7、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,,在微生物工業(yè)發(fā)酵中最常用的碳源主要是葡萄糖、玉米淀粉、廢糖蜜、甘薯、麩皮和米糠等。,單糖＞雙糖和多糖己糖＞ 戊糖葡萄糖、果糖＞ 甘露糖、半乳糖

8、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β－1,4糖苷鏈組成的，在自然界中資源豐富，但

9、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,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。,2、氮源（nitrogen source） （1）定義,凡能提供微生物生長繁殖所

10、需氮元素的營養(yǎng)物質(zhì)，稱為氮源。,氮是構(gòu)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12％～15％，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。,微生物能利用的氮源,無機氮,分子氮,有機氮

11、,,主要是蛋白質(zhì)及其不同程度的降解產(chǎn)物(氨基酸、尿素等)，以及嘌呤和嘧啶等。,a.有機氮,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。,,,,,牛肉膏是用新鮮牛肉經(jīng)過剔除脂肪、消化、過濾、濃縮而得到的一種棕黃色至棕褐色的膏狀物。,,由蛋白質(zhì)經(jīng)酸,堿或蛋白酶分解后而形成的細菌的培養(yǎng)基，也可治療消化道疾病,酵母膏是以新鮮酵母乳液經(jīng)酶解、分離、濃縮得到的純天然制品，富含均衡的各種人體必需氨基酸、B族

12、維生素、核甘酸、多肽及微量元素，是各種微生物所必需的營養(yǎng)物質(zhì),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。,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：,化學(xué)物質(zhì),,有機物：化能異養(yǎng)微生

13、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,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。,,,,,4、生長因子（growth factor）,是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能自行合成的需要量很小的一類有機物。,根據(jù)生長因子的化學(xué)結(jié)構(gòu)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。,主

14、要功能：提供微生物細胞所需的化學(xué)物質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)）、作為酶的輔酶或輔基參與新陳代謝。,生長因子在代謝中的作用,不同微生物需求的生長因子的種類和數(shù)量不同。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

15、（mineral salts）,大量元素,微量元素,無機鹽,,構(gòu)成細胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成。調(diào)解滲透壓，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(gòu)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）常量元素（macroelements）,凡是生長所需濃度在10-4～10-3mol／L （培養(yǎng)基中含量）范圍內(nèi)的元素，可稱為常量元素，例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。,凡所需濃度在

16、10-8～10-6mol／L（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等。,（2）微量元素（ microelements ）,6、水,微生物細胞中水占70～90％，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(yīng)，許多反應(yīng)都涉及脫水和水合。（3）維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象。（4）水的比熱高，是熱的良

17、好導(dǎo)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；,微生物生長環(huán)境中水的有效性常以水活度值（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0.63－0.99之間。,幾類微生物生長最適?w

18、,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(fù)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。,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，

19、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

20、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(xué)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)。,3.化能無機營養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）,可在

21、完全無機及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)。,屬于這類微生物的類群有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌等。例如氫細菌：,4.化能有機營養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）,這類微生物生長所需的能量來自有機物氧化過程中放出的化學(xué)能。 生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等。 化能有機營養(yǎng)型微生物的有機物通常既是它們生長的碳源物質(zhì)又是能源物質(zhì)。 目前在已知的微生物中大多數(shù)屬于化能有機營養(yǎng)型：

22、絕大多數(shù)的細菌、全部真菌、原生動物以及病毒。,腐生型,利用無生命活性的有機物(如動植物尸體和殘體)作為碳源。,寄生型,寄生在活的寄主機體內(nèi)吸取營養(yǎng)物質(zhì),離開寄主就不能生存。,在腐生型和寄生型之間還存在中間類型： 兼性腐生型 兼性寄生型,根據(jù)化能有機異養(yǎng)型微生物利用的有機物性質(zhì)的不同，可將它們分為：,注意,不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對：,異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；

23、,自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機物進行生長；,有些微生物在不同生長條件下生長時，其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；,例如紫色非硫細菌（purple nonsulphur bacteria）：沒有有機物時，同化CO2， 為自養(yǎng)型微生物；有機物存在時，利用有機物進行生長，為異養(yǎng)型微生物；光照和無氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物；黑暗與有氧條件下，依靠有機物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長，