1、第六章,微生物的营养,营养物质(nutrient) ： 环境中存在的能满足微生物生长、繁殖和进行各种生理活动需要的物质。,营养(nutrition) ： 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一种生理过程。,第一节微生物细胞的化学组成和营养要求,一、微生物细胞的化学组成,有机物: 结构成分: 蛋白质、多糖、核酸和类脂等是细胞壁、细胞质膜、细胞核、细胞质和细胞器等的主要结构成分。贮藏物质:多糖(淀粉、糖原)和脂类(脂肪)和多聚-羟基丁酸等。代谢底物和产物:糖、氨基酸、核苷酸、有机酸和维生素等低分子量化合物。,无机物： 与有机物结合或单独存在于细胞中的无机盐（i
2、norganic salt）等物质。,微生物细胞的化学成分,微生物细胞中无机物含量的百分比,化学元素（chemical element）,微生物细胞的化学元素的组成和含量随微生物种类、培养条件和生长阶段的不同而有明显的差异。,微生物细胞中几种主要元素的含量（干重的百分数）,二、营养物质及其生理功能,碳源 氮源 无机盐（矿质元素） 生长因子水,(一) 碳源（ carbon source ）,功能：（1）构成微生物体有机分子的骨架（2）大多数微生物的能源物质,凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。,糖类是最常用的碳源,微生物的碳源谱,不同微生物对不同碳源物质的利用有差别。在以葡
3、萄糖和半乳糖为碳源的培养基中，大肠杆菌首先利用葡萄糖，然后利用。此时，葡萄糖称为大肠杆菌的速效碳源，半乳糖称为迟效碳源。,(二) 氮源(nitrogen source),功能： （1） 构成细胞物质； （2）少数微生物的能源物质。,凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。,微生物的氮源谱,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，这种氮源叫迟效氮源。 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，这种氮源叫速效氮源。 速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。,主要功能：（1）构成细胞组分；（2）调节细胞渗透压、pH值和氧
4、化还原电位；（3）某些元素作为少数微生物的能源。,P、S、Mg、K、Na、Fe、Ca (大量元素macro element)Mn、Cu、Zn、Mo （微量元素trace element）,（三）无机盐 (inorganic salt),矿质元素（mineral element）,无机盐的生理功能 细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等） 一般功能 渗透压的维持（Na+等） 生理调节物质 酶的激活剂（Mg2+ 、K+等） 大量元素 pH的稳定无 化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等） 酶的激活剂（Cu2+、Mn
5、2+ 、Zn2+等） 微量元素 特殊分子结构成分（Co2+ 、Mo2+等）,生长因子：微生物生长必需的但本身不能合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。,（四）生长因子（growth factor）,微 生 物 需要量（ /ml)III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6 ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）-丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconosto
6、c mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,功能：（1）构成酶；（2）构成酶的辅基或辅酶。,生长因子分类：氨基酸 核 苷（嘌呤、嘧啶） 维生素,氨基酸不平衡现象,(五) 水分,功能： 一系列生理生化反应的反应介质 直接参加一些代谢反应 维持生物大分子稳定的天然构象 有效地控制细胞内的温度变化 细胞的构成成分，微生物细胞正常胶体状 态的保持 通过水合作用与脱水作用控制多亚基结构 的组装与解离,水活度（aw）：一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比。,aw=Pw/P0w Pw:溶液中水的蒸汽压 P 0 w:纯水的蒸汽压,微生物生长的环境中水的有效性常以水活
7、度值（water activity aw）表示,微生物最适水活度,细 菌：0.93 0.99酵母菌：0.880.91霉 菌：0.80 左右,第二节 微生物的营养类型nutritional types,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大多数微生物分为四种类型： 光能无机自养型(photolithoautotroph) 光能有机异养型(photoorganoheterotroph) 化能无机自养型(chemolithoautotroph) 化能有机异养型(chemoorganoheterotroph),1光能无机自养型（光能自养型）,能以CO2为主要唯一或主要碳源,以光为生长所需要的能源
8、,以无机物如H2、H2S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质。,念珠蓝细菌,以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。,2光能有机异养型（光能异养型）,需要简单有机物及CO2作为碳源,以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质,紫色非硫细菌,以光为生长所需要的能源,能利用CO2，但不能作为唯一碳源。 生长时大多数需要外源的生长因子。,3化能无机自养型（化能自养型）,以无机物氧化过程中放出的化学能为能源,以H2、H2S、Fe2+、NH3等还原态无机物作为电子供体,主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。 在自然界物质转换过程中起重要作用。,产甲烷细菌,以C
9、O2或碳酸盐为唯一或主要碳源,4化能有机异养型（化能异养型）,以有机物氧化过程中放出的化学能为能源,以有机物为碳源、电子供体,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,根据化能异养型微生物利用有机物的特性分为：腐生型(metatroph)： 利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为营养物质。寄生型(paratroph)： 寄生在活细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。,腐生型和寄生型之间的中间类型： 兼性腐生型(facultive metatroph) 兼性寄生型(facultive paratroph),不同营养类型之间的界限并非
10、绝对,异养型微生物并非绝对不能利用CO2,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长,有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型也会发生改变,第三节 培 养 基,培养基(medium)： 按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质，用人工方法配制而成的营养基质。,一、培养基的配制原则,1、满足微生物的营养需求 选择适宜的营养物质 营养物的浓度及配比合适2、控制适当pH3、控制氧化还原电位4、要求无菌状态,任何培养基都应该具备微生物生长所需要营养要素： 碳源、氮源、无机盐、生长因子、水,1、满足微生物的营养需求,根据培养微生物的种类，选择适宜的营养物质。,化能自养型氧化硫杆菌的培养基组成：S 10g
11、 MgSO4.7H2O 0.5g （NH4)2SO4 0.4gFeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,化能异养型大肠杆菌的培养基组成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,根据培养目的，选择适宜的营养物质。,营养物质浓度及配比合适,营养物的浓度：在一般情况下，浓度合适的营养物质才对微生物表现出良好作用，浓度大时对微生物生长起抑制作用，浓度小时不能满足微生物生长的需要。,各营养物质之间的浓度比：培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）
12、代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（CN）的影响更为明显。 碳氮比：培养基中元素碳与元素氮的比值。 有时也指培养基中还原糖与粗蛋白两种成分含量之比。,培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。,细菌与放线菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：pH4.56,在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，常会改变培养基的pH值。为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：1、在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐； 调节培养基的碳氮比。2、按实际需要补加酸或碱液。,2、控制适当pH,（一）根据培养基成分划分,二、培养基的类型及应用
13、,实验室常用的培养基：细 菌 培养基：牛肉膏蛋白胨培养基（营养肉汤）放线菌培养基：高氏1号合成培养基酵母菌培养基：麦芽汁培养基霉 菌 培养基：查氏（Czapek）合成培养基,（二）根据培养基成分划分,天然培养基(complex medium):以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基，其化学成分还不清楚或不恒定。,合成培养基(synthetic medium)：由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基。 也称化学限定培养基(chemically defined medium),高氏一号合成培养基,可溶性淀粉 2.0 %KNO3 0.1%K2HPO4 0.05%MgSO47H2O 0.05
14、%NaCl 0.05 %FeSO4 7H2O 0.001 %,（三）根据物理状态划分,半固体培养基:在液体培养基中加入0.2-0.5的琼脂构成的培养基。,固体培养基：在液体培养基中加入1.5-2.0%的凝固剂制成的呈固体状态的培养基。,液体培养基:不含任何凝固剂的培养基。,牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g 琼脂 20g水1000ml pH7.0-7.2,天然培养基,高氏1号培养基：可溶性淀粉 20g KNO3 1g NaCl 0.5g K2HPO4 0.5g MgSO4 0.5g FeSO4 0.01g水1000ml pH7.2-7.4,合成培养基,固体培养基,
15、液体培养基,1、加富培养基 (enrichment medium),加富培养基：普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营养物质，如血、血清、动植物组织液或其他营养物质（或生长因子）制成的一类营养丰富的培养基。,加富培养基用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物,（三）根据功能划分,2、富集培养基/选择培养基(selective medium),富集培养基：根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。,加入相应的特殊营养物质，目的微生物在富集培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，从而达到分离该种微生物的目的。,加入相应的化学物质
16、，抑制不需要微生物的生长,3、鉴别培养基(differential medium),鉴别培养基：普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物的培养基。,蛋白胨水琼脂培养基 100 ml20% 乳糖溶液 2 ml2% 伊红水溶液 2 ml0.5%美蓝水溶液 1 ml,伊红美兰培养基,各种鉴别培养基,第四节 微生物吸收营养物质的机制,一、简单扩散 (simple diffusion),由于细胞质膜内外营养物质的浓度差而产生的物理扩散作用。即被动扩散（passive diffusion）,特点：1. 非特异性2. 营养物质的分子结构不发
17、生变化3. 不消耗能量4. 扩散速度取决于营养物的浓度差、分子大小、溶解性、极性、pH、离子强度、温度等,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子。脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸和离子在一定程度上也可通过扩散进出细胞。,二、促进扩散 (facilitated diffusion）,促进扩散：营养物质借助载体(carrier) 作用从高浓度到低浓度的跨膜运输。,载体的性质类似于酶的作用特征，因此称为渗透酶。渗透酶经诱导而产生。,特点：1. 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化2. 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输3. 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比4
18、. 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质运输5. 被运输的物质具有较高的专一性,三、主动运输(active transport),主动运输：营养物质借助载体蛋白、逆浓度、消耗能量的跨膜运输过程。,特点： 消耗能量 可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的立体专一性,主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式,能量来源1 质子动力型,不同营养类型的微生物，细胞内质子外排，导致细胞膜内外建立质子浓度差（或电势差），使膜处于充能状态，形成能化膜（energized membrane）。,细胞内,细胞外,1、由ATP酶引起的质子运输,3、由细菌嗜紫红质引起的
19、质子运输,细胞内,细胞外,细胞外,细胞内,2、由电子传递系统引起的质子运输,同向运输(symport)：某些营养物质与质子通过同一载体按同一方向被运送到细胞内。,单向运输(uniport)：质子浓度差消失的过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞,逆向运输(antiport)：某些营养物质与质子通过同一载体按相反方向进行运输的过程。,能化膜在质子浓度差(或电势差)消失的过程中，产生质子动力（proton motive force, PMF）。,主动运输中膜上的载体蛋白与H+结合，利用质子动力将细胞外的营养物质运输到细胞内的过程。,Na+,K+-ATP酶系统 (Na+,K+-ATPase),Na+
20、,K+-ATPase系统位于细胞膜上的一种离子通道蛋白,作用: 通过载体蛋白构象的改变，把细胞内的Na+运出细胞，同时将K+运入细胞内，即实现了Na+与K+的置换。 细胞内高浓度K+是许多酶的活性和蛋白质合成所必须的。,能量来源2 钠钾泵,Na+,K+-ATPase,结合位点在膜内一侧与Na+有较高的亲和力,酶磷酸化,酶构型改变亲和力改变,酶脱磷酸化,四、基团转位 (group translocation),主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中。主要用于糖、脂肪酸、核苷、碱基等的运输。,基团转位： 某些物质在通过细胞质膜的运输过程中发生化学变化，并需要特异性载体的运输方式。,依赖于磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶系统吸收糖的过程,大肠杆菌,金黄色葡萄球菌,诱导特异性,营养物质运输方式的比较,
