41-微生物的营养要求.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u营营养养(nutritionnutrition):指指生生物物体体从从外外界界环环境境中中摄摄取取对对其其生生命命活活动动必必需需的的能能量量和和物物质质,以以满满足足正正常常生生长长和和繁繁殖殖需要的一种最基本的生理功能。需要的一种最基本的生理功能。u营营养养物物质质(nutrientnutrient):指指具具有有营营养养功功能能的的物物质质,那那些些能能够够满满足足微微生生物物机机体体生生长长、繁繁殖殖和和完完成成各各种种生生理理活活动动所所需需的的物物质质。在在微微生生物物学学中中,它它还还包包括括非非常常规规物物质质形形式式的光辐射能在内
2、。的光辐射能在内。营营养养为为一一切切生生命命活活动动提提供供必必需需的的物物质质基基础础!有有了了营营养养,微微生生物物才才能能进进一一步步代代谢谢生生长长和和繁繁殖殖,并并可可能能为为人们提供各种有益的代谢产物。人们提供各种有益的代谢产物。微微生生物物的的营营养养物物可可为为它它们们的的正正常常生生命命活活动动提提供供结结构构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。一一、微生物细胞的化学组成、微生物细胞的化学组成二二、营养物质及其生理功能、营养物质及其生理功能三三、微生物的营养类型、微生物的营养类型微生物们需要吃什么?微生物们需要吃什么?细胞化学
3、元素组成细胞化学元素组成主要元素主要元素:碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等;碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等;微量元素微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成1、化学元素、化学元素构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素!构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素!占细菌细胞占细菌细胞干重的干重的97%97%组成微生物细胞的各类化学元素的比例组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同常因微生物种类的不同而不同Eg.细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫细
4、菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。六种元素的含量就有差别。元素元素细细菌菌酵母菌酵母菌真真菌菌碳碳505048氮氮15125氢氢877氧氧203140磷磷 3硫硫1 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%)硫细菌硫细菌(sulfurbacteria)、铁细菌铁细菌(ironbacteria)和海洋细菌和海洋细菌(marinebacteria)相对于其他细相对于其他细菌则含有较多的菌则含有较多的硫、铁和钠、氯硫、铁和钠、氯等元素等元素,硅藻硅藻(Diatom)需要需要硅酸硅酸来构建富含来构建富含(SiO2)n的细胞壁。的细胞壁。微
5、微生生物物细细胞胞水:水:70%-90%70%-90%干物质干物质有机物有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及它们的降解产物和一些代谢产物等物质它们的降解产物和一些代谢产物等物质无机物无机物细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐等物质细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐等物质2、化学成分及其分析、化学成分及其分析各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。细胞湿重细胞湿重(wetweight)与干重与干重(dryweight)之差为之差为细胞含水量细胞含水量,常以百分率表示:(常以百分率表示:
6、(湿重湿重-干重)干重)/湿重湿重100%。水是细胞维持正常生命活动所必不可少的,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的,一般可占细胞重量的一般可占细胞重量的7090%。湿重湿重:将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量,将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量,一般以单位培养液中所含细胞重量表示一般以单位培养液中所含细胞重量表示(克(克/升或毫克升或毫克/毫升)。毫升)。干重干重:采用高温(采用高温(105)烘干、低温真空干燥和红外线快)烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为。速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为。二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能微微生生物
7、物对对营营养养的的要要求求无无论论是是在在元元素素水水平平上上还还是是在在营营养养要要素素水水平平上上,都都与与动动物物和和植植物物十十分分接近。它们之间存在着接近。它们之间存在着“营养上的统一性营养上的统一性”。在在元元素素水水平平上上都都需需20种种左左右右,其其中中以以碳碳、氢氢、氧氧、氮、氮、磷磷、硫硫6种元素为主;种元素为主;在在营营养养要要素素水水平平上上则则主主要要为为碳碳源源、氮氮源源、能能源源、生长因子生长因子、无机盐无机盐和和水水六大类六大类。1、碳源碳源(carbonsource)(1 1)定义)定义:凡能供给微生物碳素营养的物质,称为凡能供给微生物碳素营养的物质,称为碳
8、源碳源。(2 2)功能:功能:提供合成细胞物质及代谢物的原料;并能为微生提供合成细胞物质及代谢物的原料;并能为微生 物物(异养微生物)(异养微生物)提供维持生命活动所需的能源。提供维持生命活动所需的能源。微生物细胞含碳量约占干重的微生物细胞含碳量约占干重的5050,除水分外,碳源,除水分外,碳源是需要量最大的营养物,又称之为是需要量最大的营养物,又称之为大量营养物大量营养物。(2 2)种类)种类如如把把微微生生物物作作为为一一个个整整体体来来看看,其其可可利利用用的的碳碳源源范范围围即即碳碳源源谱谱。从从元元素素水水平平、化化合合物物水水平平直直至至培培养养基基原原料料水水平平来来考考察察碳碳
9、源源,可可见见其其数数目目是是逐逐级级扩扩大大的甚至可多到无法计算。的甚至可多到无法计算。能被微生物用作碳源的物质种类极其广泛。能被微生物用作碳源的物质种类极其广泛。简单的无机含碳化合物:简单的无机含碳化合物:CO2、NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3等。等。比比较较复复杂杂的的有有机机物物:烃烃类类、醇醇、羧羧酸酸、脂脂肪肪酸酸、糖糖及及其其衍衍生生物物、杂杂环环化化合合物物、氨基酸、核苷酸等。氨基酸、核苷酸等。复杂的有机大分子:复杂的有机大分子:蛋白质、脂质、核酸等。蛋白质、脂质、核酸等。复杂的天然含碳物质:复杂的天然含碳物质:牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉、糖蜜、石油等。牛肉膏
10、、蛋白胨、花生饼粉、糖蜜、石油等。酚、氰化物等有毒物质:酚、氰化物等有毒物质:可以被少数微生物用作碳源。可以被少数微生物用作碳源。凡凡以以无无机机碳碳源源作作主主要要碳碳源源的的微微生生物物,则则是是种种类类较较少少的的自养微生物自养微生物。凡凡必必须须利利用用有有机机碳碳源源的的微微生生物物,就就是是为为数数众众多多的的异异养养微微生生物物。对对一一切切异异养养微微生生物物来来说说,其其碳碳源源同同时时又又兼兼作作能源,这种碳源称为双功能营养物。能源,这种碳源称为双功能营养物。碳碳源源谱谱有机碳有机碳无机碳无机碳不同种类微生物利用碳源物质具有选择性,不同种类微生物利用碳源物质具有选择性,利用
11、能力有差异。利用能力有差异。Eg.假单胞杆菌属假单胞杆菌属的一些菌能利用的一些菌能利用90多种多种不同的碳源物质。不同的碳源物质。甲烷氧化菌甲烷氧化菌只能利用只能利用甲烷甲烷和和甲醇甲醇作碳源。作碳源。单糖单糖双糖和多糖双糖和多糖己糖己糖 戊糖戊糖葡萄糖、果糖葡萄糖、果糖 甘露糖、半乳糖甘露糖、半乳糖淀粉淀粉 纤维素或几丁质等纯多糖纤维素或几丁质等纯多糖纯多糖纯多糖 琼脂等杂多糖琼脂等杂多糖葡萄糖可作为大多数微生物的碳源!葡萄糖可作为大多数微生物的碳源!糖糖酚、氰化物等有毒物质酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质对人类有毒的物质Eg.酚、氰化物等酚、氰化物等某些微生物某些微生物Eg.诺卡氏菌和
12、一些霉菌等诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴美味佳肴微生物清除三废微生物清除三废COCO2 2最廉价的、用之不尽的碳源,是自养微生物最廉价的、用之不尽的碳源,是自养微生物唯一或主要的碳源。唯一或主要的碳源。Eg.生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌(沙门氏菌(沙门氏菌、李斯特菌等)、李斯特菌等)纤维素纤维素纤纤维维素素是是由由葡葡萄萄糖糖以以1,41,4糖糖苷苷链链组组成成的的,在在自自然然界界中中资资源源丰丰富富,但但大大多多数数动动物物和和人人不不能能直直接接利利用用,而而某某些些微微生生物物可可用用其其作作为为碳碳源源来来生生产产发发酵产品。酵产品。烃类
13、烃类烃烃类类化化合合物物也也能能被被微微生生物物用用作作碳碳源源,且且微微生生物物氧氧化化烃烃类类的的许许多多中中间间产产物物和和最最终终产产物物均均是是重重要要的的工工业原料。业原料。清除石油污染清除石油污染在微生物工业在微生物工业发酵发酵中最常用的碳源主要是中最常用的碳源主要是葡萄糖、淀粉、废糖蜜、葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等。麸皮和米糠等。2、氮源氮源(nitrogensource)(1 1)定义)定义 凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养物质,称为养物质,称为氮源氮源。氮氮是是构构成成重重要要生生命命物物质质蛋蛋白白质质和和核核酸酸等等的的主
14、主要要元元素素,氮氮占占细细胞胞干干重重的的12121515,也也是是微微生生物的主要营养物。物的主要营养物。(2 2)功能)功能氮源物质一般不提供能量,但也有例外:氮源物质一般不提供能量,但也有例外:化化能能自自养养细细菌菌中中的的亚亚硝硝化化细细菌菌和和硝硝化化细细菌菌能能从从NHNH3 3和和NONO2 2-的的氧氧化化过过程程中中获获得得能能量量,所所以以对对于于他他们们来来说说,NHNH3 3和和NONO2 2-是兼有氮源与能源的双功能营养物质。是兼有氮源与能源的双功能营养物质。提提供供合合成成细细胞胞中中的的含含氮氮物物质质(如如蛋蛋白白质质、核核酸酸)及及含含氮代谢物氮代谢物等的
15、原料。等的原料。(3 3)种类)种类如把微生物作为一个整体来看,其可利用的氮源范围即氮源谱。如把微生物作为一个整体来看,其可利用的氮源范围即氮源谱。微生物能利用的氮源微生物能利用的氮源无机氮无机氮分子氮分子氮有机氮有机氮a.a.有机氮有机氮主主要要是是蛋蛋白白质质及及其其不不同同程程度度的的降降解解产产物物(胨胨、肽肽、氨氨基酸、尿素等基酸、尿素等),以及嘌呤和嘧啶、胺、酰胺等。,以及嘌呤和嘧啶、胺、酰胺等。实验室常用的有机氮源有:实验室常用的有机氮源有:牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉和花生饼粉等。蚕蛹粉、黄豆饼粉和花生饼粉等。一一部部分分微微生生
16、物物是是不不需需要要利利用用氨氨基基酸酸作作为为氮氮源源的的,它它们们能能把把尿尿素素、铵铵盐盐、硝硝酸酸盐盐甚甚至至氮氮气气等等简简单单氮氮源源自自行行合合成成所所需需要要的的一一切切氨氨基基酸酸,称称为为氨氨基基酸酸自自养养型型微生物微生物。反反之之,凡凡需需要要从从外外界界吸吸收收现现成成的的氨氨基基酸酸作作为为氮氮源的微生物就是源的微生物就是氨基酸异养型微生物氨基酸异养型微生物。b.b.无机氮无机氮主要包括硝酸盐、铵盐、氨等。主要包括硝酸盐、铵盐、氨等。铵铵盐盐是是绝绝大大部部分分微微生生物物的的有有效效氮氮源源,吸吸收收后能被直接利用;后能被直接利用;硝硝酸酸盐盐也也能能被被大大部部
17、分分微微生生物物利利用用,但但吸吸收收后需被还原成后需被还原成NHNH4 4+才能进入合成代谢。才能进入合成代谢。铵盐铵盐 和和氨基酸氨基酸被微生物吸收后能直接被利用被微生物吸收后能直接被利用NONO3 3 和和蛋白质蛋白质吸收后还需还原降解才可利用吸收后还需还原降解才可利用速效氮源:有利于速效氮源:有利于菌体生长菌体生长迟效氮源:有利于代迟效氮源:有利于代谢产物的形成谢产物的形成c.c.分子氮分子氮分分子子氮氮即即为为大大气气中中的的N N2 2。能能利利用用N N2 2作作氮氮源源来来合合成成细细胞胞结结构构的的微微生物我们称生物我们称固氮微生物固氮微生物。如固氮菌、根瘤菌和固氮蓝藻等。如
18、固氮菌、根瘤菌和固氮蓝藻等。(1 1)研研究究微微生生物物的的固固氮氮作作用用是是生生物物领领域域中中的的一一个个重重大大课课题题。通通过过基基因因工工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中,使之可利用程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中,使之可利用N N2 2。(2 2)固氮微生物具有固氮微生物具有固氮酶固氮酶,可在常温常压下把,可在常温常压下把 N N2 2+H+H2 2 NH NH3 3研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来,再进一步生产研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来,再进一步生产NHNH3 3。这两个课题的研究成功将会为农业带来这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变
19、化一次革命性的变化3、能源能源(energysource)能能为为微微生生物物生生命命活活动动提提供供最最初初能能量量来来源源的的营营养养物物或或辐辐射射能能,称为称为能源能源。能源能源无机物:化能自养微生物的能源(不同于碳源)。无机物:化能自养微生物的能源(不同于碳源)。辐射能辐射能:光能无机营养型和光能有机营养型微生物的能源。光能无机营养型和光能有机营养型微生物的能源。化学物质化学物质有机物:化能异养微生物的能源(同碳源)。有机物:化能异养微生物的能源(同碳源)。绝绝大大多多数数微微生生物的能源物质物的能源物质光光合合细细菌菌的能源的能源利利用用的的有有机机碳碳源源在在被被微微生生物物细细
20、胞胞分分解解代代谢谢的的过过程程中中不不仅仅提提供供微微生生物物细细胞胞的的碳碳素素和和碳碳架架,而而且且还还提提供供微微生生物物生生命命活动所需的能量。活动所需的能量。能能源源为为氨氨根根离离子子、亚亚硝硝酸酸根根离离子子等等还还原原态无机化合物,而碳源是二氧化碳。态无机化合物,而碳源是二氧化碳。化能自养微生物的能源为一些化能自养微生物的能源为一些还原态的无机物质还原态的无机物质,Eg.NHEg.NH4 4+、NONO2 2-、S S、H H2 2S S、H H2 2和和FeFe2+2+等。等。能氧化利用这些物质的微生物都是能氧化利用这些物质的微生物都是细菌细菌。Eg.Eg.硝化细菌、亚硝化
21、细菌、硫化细菌、硫细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。氢细菌和铁细菌等。4、生长因子生长因子(growthfactor)(1 1)定义)定义 是一类调节微生物正常代谢所必需,但不是一类调节微生物正常代谢所必需,但不能用简单的碳、氮源自行合成的能用简单的碳、氮源自行合成的需要量很小需要量很小的的一类有机物。一类有机物。不同微生物需求的生长因子的种不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。类和数量不同。微生物与生长因子的关系可分以下几类:微生物与生长因子的关系可分以下几类:生长因子自养型微生物生长因子自养型微生物 它它们们不不需需要要从从外外界界吸吸收收任任何何生生长长
22、因因子子,多多数数真真菌菌、放放线线菌菌和和不不少少细细菌均有合成生长因子的能力,如菌均有合成生长因子的能力,如E Ecolicoli(大肠杆菌)等都属这类。大肠杆菌)等都属这类。生长因子异养型微生物生长因子异养型微生物 它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长,如各种乳它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长,如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。生长因子过量合成微生物生长因子过量合成微生物 少数微生物在其代谢活动中,能合成并分泌出大量的维生素等少数微生物在其代谢活动中,能合成并分泌出大量的维生素等生长因子,可作为有关维生素的生产菌种
23、。生长因子,可作为有关维生素的生产菌种。(2 2)种类)种类广义的生长因子:广义的生长因子:维维生生素素、碱碱基基、嘌嘌呤呤、嘧嘧啶啶、卟卟啉啉及及其其衍衍生生物物、胺胺类类、C C4C C6的的分分枝枝或或直直链链脂脂肪肪酸酸,以以及及需需要要量量较较大的氨基酸。大的氨基酸。狭义的生长因子:狭义的生长因子:一般仅指维生素。一般仅指维生素。根据生长因子的化学结构和它们在机体中根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同可将生长因子分为:的生理功能的不同可将生长因子分为:维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶3 3大类大类。a.维生素维生素最最早早发发现现的的生生长长因因子
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