微生物的营养.pptx
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1、第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能一、一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成1.1.化学元素化学元素大大量量元元素素:碳碳、氢氢、氧氧、氮氮、磷磷、硫硫、钾钾、镁镁、钙钙、铁铁(其其中中前前6 6种占细菌细胞干重的种占细菌细胞干重的97%97%)。)。微量元素微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。元素元素 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 碳碳 50 49.8 47.9 氮氮 15 12.4 5.2 氢氢 8 6.7 6.
2、7 氧氧 20 31.1 40.2 磷磷 3 硫硫 1 表表41 微生物细胞中几种主要元素的含量(干重)微生物细胞中几种主要元素的含量(干重)2.2.元素在细胞内存在形式元素在细胞内存在形式上述元素在细胞中的主要存在形式:上述元素在细胞中的主要存在形式:(1 1)有机物)有机物蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.(2 2)无机物)无机物 参与有机物组成,参与有机物组成,单独存在于细胞质内以单独存在于细胞质内以无机盐无机盐的形式存在的形式存在.(3 3)水)水约占细胞总重约占细胞总重70%70%90%90%,以,以游离水游离水和和结合水结合水两种
3、形式存在。两种形式存在。游离水:干重法可测得;游离水:干重法可测得;结合水:不易蒸发、不冻结、也不能渗透结合水:不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的占水总量的17%28%。3.3.微生物细胞化学组成含量的变化微生物细胞化学组成含量的变化 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表
4、表42 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同条件、分析方法等而有所不同。细胞组成成分的分析方式细胞组成成分的分析方式有机成分:有机成分:1.化学法直接抽提化学法直接抽提-定性、定量分析定性、定量分析 2.破碎细胞,获得亚细胞结构破碎细胞,获得亚细胞结构-化学分析化学分析无机成分:无机成分:细胞细胞-550-灰分灰分-定性、定量分析定性、定量分析二、营养物质及其生理功能1.1.碳碳 源源2.2.氮氮 源源3.3.无机盐无机盐4.4.生长因子生长因子5.5.水水1.碳源碳源 定义
5、:凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳定义:凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。素来源的营养物质。功能:功能:(1 1)提供合成细胞物质及代谢物的原料()提供合成细胞物质及代谢物的原料(碳源碳源);(2 2)并为)并为整个生理活动提供所需要整个生理活动提供所需要能源能源(异养微生物)。(异养微生物)。种类种类:无机含碳化合物:如无机含碳化合物:如COCO2 2和碳酸盐等。和碳酸盐等。有机含碳化合物:糖与糖的衍生物(多糖:如淀粉、有机含碳化合物:糖与糖的衍生物(多糖:如淀粉、麸皮、米糠等;饴糖;单糖)麸皮、米糠等;饴糖;单糖),脂类、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物醇类。
6、有机酸、烃类、芳香族化合物 以及各种含碳的化合物。以及各种含碳的化合物。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碳碳CHONX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白多数氨基酸、简单蛋白质等质等一般氨基酸、明胶等一般氨基酸、明胶等CHO糖类、有机酸、醇、脂糖类、有机酸、醇、脂类等类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等份、石蜡油等无无机机碳碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3N
7、aHCO3、CaCO3等等表表4-3 微生物的碳源谱微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类:糖类(单糖,饴糖)淀粉(玉米粉、豆饼粉、野生植物淀粉等)麸皮及各种米糠等代粮发酵:纤维素、石油、CO2和和 H2 微微生生物物利利用用碳碳源源物物质质具具有有选选择择性性。不不同同种种类类微微生生物物利利用用碳碳源源物物质质的的能能力力也也有有差差别别。微微生生物物利利用用含含碳碳化化合合物物的的能能力力可可因因微微生生物物的的种种类类、培培养养条条件件等等而而有所不同。有所不同。根据微生物对碳源利用能力差异,把碳源分为根据微生物对碳源利用能力差异,把碳源分为
8、速效碳源速效碳源和和迟效碳源迟效碳源。不同的微生物其。不同的微生物其速效碳源和速效碳源和迟效碳源迟效碳源分类也有差异。分类也有差异。通常速效碳源有利于机体通常速效碳源有利于机体的生长,迟效碳源有利于代谢产物的形成。通常单的生长,迟效碳源有利于代谢产物的形成。通常单糖优于双糖优于多糖,己糖优于戊糖,淀粉优于纤糖优于双糖优于多糖,己糖优于戊糖,淀粉优于纤维素,纯多糖优于杂多糖。糖类优于其他物质。维素,纯多糖优于杂多糖。糖类优于其他物质。在在培培养养条条件件固固定定的的情情况况下下,同同种种微微生生物物对对碳碳源源的利用基本相同,可据此对微生物进行的利用基本相同,可据此对微生物进行分类鉴定分类鉴定。
9、凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。种类种类:无机氮:铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、无机氮:铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N N2 2等;等;有机氮:蛋白质及其降解产物(如胨、肽、氨基酸等)、有机氮:蛋白质及其降解产物(如胨、肽、氨基酸等)、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等功能:功能:1 1)提供合成细胞中含氮物,如蛋白质、核酸,以及含氮代谢)提供合成细胞中含氮物,如蛋白质、核酸,以及含氮代谢物等的原料;(物等的原料;(氮源氮源)2 2)少数细菌可以)少数细菌可以铵盐、硝酸盐
10、等铵盐、硝酸盐等氮源为氮源为能源能源。2.2.氮源氮源类类型型 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、饼粕牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单蛋白尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等质等尿素、蛋白胨、明胶等尿素、蛋白胨、明胶等无无机机氮氮NHNH3、铵盐等铵盐等(NH4)2SO4等等NO硝酸盐等硝酸盐等KNO3等等NN2空气空气表表 44 微生物的氮源谱微生物的氮源谱硝酸盐硝酸盐 NH4+实实验验室室常常用用的的氮氮源源有有碳碳酸酸铵铵、硝硝酸酸盐盐、硫硫酸酸铵铵
11、、尿尿素素、蛋蛋白白胨胨、牛牛肉肉膏膏、酵酵母母膏膏等等。生生产产上上常常用用的的氮氮源源有有硝硝酸酸盐盐、铵铵盐盐、尿尿素素、氨氨以以及及蛋蛋白白含含量量较较高高的的鱼鱼粉粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。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,这种氮源叫迟迟效氮源效氮源。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,这种氮源叫做氮源叫做速效氮源速效氮源。速效氮源,
12、通常有利于机体的生长,迟效氮源有利于代谢产物速效氮源,通常有利于机体的生长,迟效氮源有利于代谢产物的形成。的形成。铵铵 盐盐氨基酸氨基酸入胞入胞 细胞物质细胞物质蛋白胨蛋白胨 豆豆 饼饼蚕蛹粉蚕蛹粉分解分解 入胞入胞 细胞物质细胞物质诱导酶诱导酶诱导酶诱导酶生理酸式盐和生理碱式盐生理酸式盐和生理碱式盐(NH4)2SO42NH4+SO42-入胞入胞pHK+(Na+)+NO3-入胞入胞pHKNO3NaNO3NH4NO3NH4+(先入胞先入胞)+NO3-(后入胞后入胞)3.3.无机盐无机盐定义:为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素定义:为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素(包括大
13、量元素和微量元素)的物质,多以无机盐的形式供给。(包括大量元素和微量元素)的物质,多以无机盐的形式供给。大量元素:大量元素:P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe(微生物生长所需浓(微生物生长所需浓度在度在10-310-4mol/L)微量元素:微量元素:Cu、Zn、Mn、Mo、Co(微生物生长所需浓度在(微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L)一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸盐、一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般
14、功能特殊功能酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)维持渗透压生理调节物质酶的激活剂pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P,S,Ca,Mg,Fe等)表表4-5 无机元素的来源和功能无机元素的来源和功能4.4.生长因子生长因子定义定义:是一类对微生物正常是一类对微生物正常生活所不可缺少生活所不可缺少而需要量又不而需要量又不大,但微生物大,但微生物自身不能自身不能用简单的碳源或氮源用简单的碳源或氮源合成合成,或,或合成合成量不足量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微
15、生物以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。需求的生长因子的种类和数量不同。缺乏合成生长因子能力的微生物称为缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型营养缺陷型”微生物。微生物。最早发现的生长因子是最早发现的生长因子是维生素维生素,目前已经发现许多维生,目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成酶的辅基或酶的辅基或辅酶辅酶,需要量很少,但是缺少维生素微生物不能正常生长。,需要量很少,但是缺少维生素微生物不能正常生长。有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶,所有些微生物缺乏或丧失合成某种或某
16、些氨基酸的酶,所以不能合成生长所必需的以不能合成生长所必需的氨基酸氨基酸,这类微生物被称为,这类微生物被称为“氨基氨基酸缺陷型酸缺陷型”。另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分,例如某些另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分,例如某些乳酸杆菌生长需要核苷;某些酵母菌和真菌生长需要肌醇;乳酸杆菌生长需要核苷;某些酵母菌和真菌生长需要肌醇;某些肺炎球菌生长需要胆碱等。某些肺炎球菌生长需要胆碱等。根据微生物对生长因子的需要存在差异根据微生物对生长因子的需要存在差异,可分为:可分为:野生型野生型(wild type)原养型原养型 不需要生长因子而能在基础培养基不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株
17、上生长的菌株营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)由于自发或诱发突变等原因从野生由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株质才能生长的菌株水的生理功能:水的生理功能:(1(1)溶剂)溶剂(2(2)运输)运输(3(3)反应物)反应物(4 4)维持分子构象)维持分子构象(5 5)传热)传热(6 6)维持细胞形态)维持细胞形态(7(7)控制多亚基组成的细胞结构的组装与解离等。)控制多亚基组成的细胞结构的组装与解离等。5.水水几种生物的游离水含量人体:60%海蛰:96%微生物孢子营养体霉菌孢子:39%细菌芽孢:皮层:70%核心:极
18、低细菌:80%酵母:75%霉菌:85%水在细胞中有两种存在形式:结合水和游离水水在细胞中有两种存在形式:结合水和游离水不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别:差别:微生物对水的需要程度(水对微生物生长的影响)微生物对水的需要程度(水对微生物生长的影响)常用环境(或基质)中的常用环境(或基质)中的水活度值(水活度值(w)表示。所表示。所谓谓 w就是水的有效浓度。就是水的有效浓度。定义:水活度为在一定的温度条件下,溶液的蒸汽定义:水活度为在一定的温度条件下,溶液的蒸汽压(材料上部蒸气相中水浓度)与纯水的蒸汽压(即压(材料上部蒸气相中水浓度)与纯水的
19、蒸汽压(即纯水上部蒸气相中水浓度)之比,纯水上部蒸气相中水浓度)之比,即:即:w=/o 表示溶液的蒸汽压表示溶液的蒸汽压 o表示纯水的蒸汽压表示纯水的蒸汽压在在 w为为0.600.99的环境条件均有微生物生长,但对某种微生的环境条件均有微生物生长,但对某种微生物而言,它对物而言,它对 w的要求是一定的,微生物对水的需求有相当的的要求是一定的,微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同,其变化程度。即微生物不同,其生长的最适生长的最适 w亦不同。亦不同。表表4-6 几类微生物生长最适几类微生物生长最适 w 微生物微生物 w一般细菌一般细菌 0.91酵母菌酵母菌 0.88霉菌霉菌 0.80噬盐
20、细菌噬盐细菌 0.70噬盐真菌噬盐真菌 0.65嗜高渗酵母嗜高渗酵母 0.60为了表示微生物生长与水的关系,有时也常用为了表示微生物生长与水的关系,有时也常用相对湿度相对湿度(RH)的概念(的概念(w 100=RH);通常也用测定蒸气相中相);通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。第二节 微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质(根据生长所需要的营养物质的性质(碳源碳源),可将生物分),可将生物分成两种基本的营养类型成两种基本的营养类型异养型生物:异养型生物:在生长时需要以复杂的有机物作为营养物质在生长时需要以复杂的有机物作为营养
21、物质自养型生物:自养型生物:在生长时能以简单的无机物质作为营养物质在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 大多数微生物属于异养型生物,少数微生物属于自养型生大多数微生物属于异养型生物,少数微生物属于自养型生物。物。根据生长时根据生长时能量能量的来源不同,又可将生物分成两种类型的来源不同,又可将生物分成两种类型化能营养型生物:化能营养型生物:依靠化合物氧化释放的能量进行生长依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物:光能营养型生物:依靠光能进行生长依靠光能进行生长 大部分微生物属于化能营养型生物,它们从物质的氧化过大部分微生物属于化能营养型生物,它们从物质的氧化过程中获得能量。少部分微生物属
22、于光能营养型生物。程中获得能量。少部分微生物属于光能营养型生物。按氢供体分按氢供体分无机营养型生物无机营养型生物:有机营养型生物:有机营养型生物:营养类型光能自养型微生物光能自养型微生物 以以C02作作为为唯唯一一碳碳源源或或主主要要碳碳源源,并并利利用用光光能能,以以无无机机物物如如硫硫化化氢氢、硫硫代代硫硫酸酸钠钠或或其其他他无无机机硫硫化化物物作作为为氢氢供供体体将将CO2还还原成细胞物质,同时产生单质硫原成细胞物质,同时产生单质硫 光能光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O 光合色素光合色素 光能自养型微生物光能自养型微生物包括包括蓝细菌蓝细菌(含叶绿素)、(含叶绿素)、红红硫细菌
23、和绿硫细菌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(ATPATP),供机体直接利用。),供机体直接利用。光能异养型微生物光能异养型微生物 以以CO2为为主主要要碳碳源源或或唯唯一一碳碳源源,以以有有机机物物(如如异异丙丙醇醇)作作为为氢氢供供体体,利利用用光光能能将将CO2还还原原成成细细胞胞物物质质,红红螺螺菌菌属属中中的一些细菌属于此种营养类型。的一些细菌属于此种营养类型。光能光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素光合色素光能
24、异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子化能自养型微生物化能自养型微生物 以以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源,以或碳酸盐作为唯一或主要碳源,以无机物无机物氧化释放的化学能为能源氧化释放的化学能为能源,,利用,利用电子供电子供体体如如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等等使使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。这类微生物主要有这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程。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
25、细菌:亚硝化细菌亚硝化细菌 2NH4+3O22NO2-+2H2O+4H+132Kcal硝化细菌硝化细菌 NO2-+1/2O2 NO3-+18.1 Kcal2.2.硫化细菌硫化细菌: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(H H2 2S S、S S、S S2 2O O3 32-2-、SOSO3 32-2-)获得能量(硫杆菌属,硫微)获得能量(硫杆菌属,硫微螺菌属)螺菌属)H H2 2S+1/2 OS+1/2 O2 2 S+H S+H2 2O+50.1 KcalO+50.1 Kcal S+3/2 O S+3/2 O2 2+H+H2 2O HO H2 2SOSO4 4+149.8 K
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