KJ微生物的營養(yǎng)物質(zhì)

KJ微生物的營養(yǎng)物質(zhì)第1頁/共52頁營養(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(jī)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(jìn)一步代謝生長和繁殖，并可能為人們提供各種有益的代謝產(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。第2頁/共52頁一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成二、營養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能第3頁/共52頁細(xì)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(xì)胞的化學(xué)組成

1、化學(xué)元素構(gòu)成微生物細(xì)胞的物質(zhì)基礎(chǔ)是各種化學(xué)元素！占細(xì)菌細(xì)胞干重的97%第4頁/共52頁組成微生物細(xì)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(xì)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。元素細(xì)菌酵母菌真菌碳～50～50～48氮～15～12～5

氫～8

～7～7

氧～20～31

～40

磷

～3────硫～1────

微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重%）第5頁/共52頁硫細(xì)菌(sulfurbacteria)、鐵細(xì)菌(ironbacteria)和海洋細(xì)菌(marinebacteria)相對于其他細(xì)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(xì)胞壁。第6頁/共52頁微生物細(xì)胞水：70%-90%干物質(zhì)有機(jī)物蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素以及它們的降解產(chǎn)物和一些代謝產(chǎn)物等物質(zhì)

無機(jī)物細(xì)胞中與有機(jī)物質(zhì)結(jié)合或單獨(dú)存在的無機(jī)鹽等物質(zhì)2、化學(xué)成分及其分析各種化學(xué)元素主要以有機(jī)物、無機(jī)物和水的形式存在于細(xì)胞中。第7頁/共52頁細(xì)胞濕重(wetweight)與干重(dryweight)之差為細(xì)胞含水量，常以百分率表示：（濕重-干重）/濕重×100%。水是細(xì)胞維持正常生命活動所必不可少的，一般可占細(xì)胞重量的70~90%。濕重：將細(xì)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(xì)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(xì)胞干燥至恒重即為～。第8頁/共52頁二、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(jī)鹽和水六大類。第9頁/共52頁1、碳源（carbonsource）（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：提供合成細(xì)胞物質(zhì)及代謝物的原料；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(xì)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。第10頁/共52頁（2）種類如把微生物作為一個(gè)整體來看，其可利用的碳源范圍即碳源譜。從元素水平、化合物水平直至培養(yǎng)基原料水平來考察碳源，可見其數(shù)目是逐級擴(kuò)大的甚至可多到無法計(jì)算。第11頁/共52頁第12頁/共52頁能被微生物用作碳源的物質(zhì)種類極其廣泛。簡單的無機(jī)含碳化合物：CO2、NaHCO3、CaCO3等。比較復(fù)雜的有機(jī)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(jī)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、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(jī)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(jī)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(shí)又兼作能源，這種碳源稱為雙功能營養(yǎng)物。碳源譜有機(jī)碳無機(jī)碳第13頁/共52頁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。第14頁/共52頁單糖＞雙糖和多糖己糖＞戊糖葡萄糖、果糖＞甘露糖、半乳糖淀粉＞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！糖第15頁/共52頁酚、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第16頁/共52頁CO2最廉價(jià)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(xì)菌（沙門氏菌、李斯特菌等）第17頁/共52頁纖維素

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。第18頁/共52頁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。

清除石油污染第19頁/共52頁在微生物工業(yè)發(fā)酵中最常用的碳源主要是葡萄糖、淀粉、廢糖蜜、麩皮和米糠等。第20頁/共52頁2、氮源（nitrogensource）

（1）定義凡能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(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(xì)胞干重的12％～15％，也是微生物的主要營養(yǎng)物。第21頁/共52頁（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(xì)菌中的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)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(xì)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。第22頁/共52頁（3）種類如把微生物作為一個(gè)整體來看，其可利用的氮源范圍即氮源譜。第23頁/共52頁第24頁/共52頁微生物能利用的氮源無機(jī)氮分子氮有機(jī)氮第25頁/共52頁a.有機(jī)氮主要是蛋白質(zhì)及其不同程度的降解產(chǎn)物(胨、肽、氨基酸、尿素等)，以及嘌呤和嘧啶、胺、酰胺等。實(shí)驗(yàn)室常用的有機(jī)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。第26頁/共52頁一部分微生物是不需要利用氨基酸作為氮源的，它們能把尿素、銨鹽、硝酸鹽甚至氮?dú)獾群唵蔚醋孕泻铣伤枰囊磺邪被?，稱為氨基酸自養(yǎng)型微生物。反之，凡需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源的微生物就是氨基酸異養(yǎng)型微生物。第27頁/共52頁b.無機(jī)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(jìn)入合成代謝。第28頁/共52頁銨鹽

和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用NO3－和蛋白質(zhì)吸收后還需還原降解才可利用速效氮源：有利于菌體生長遲效氮源：有利于代謝產(chǎn)物的形成第29頁/共52頁c.分子氮分子氮即為大氣中的N2。能利用N2作氮源來合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物我們稱固氮微生物。如固氮菌、根瘤菌和固氮藍(lán)藻等。（1）研究微生物的固氮作用是生物領(lǐng)域中的一個(gè)重大課題。通過基因工程把微生物的固氮基因轉(zhuǎn)移到高等植物的基因組中，使之可利用N2。（2）固氮微生物具有固氮酶，可在常溫常壓下把N2+H2NH3研究固氮酶作為一種酶制劑生產(chǎn)出來，再進(jìn)一步生產(chǎn)NH3。這兩個(gè)課題的研究成功將會為農(nóng)業(yè)帶來一次革命性的變化第30頁/共52頁3、能源（energysource）

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(jī)物：化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源）。輻射能：光能無機(jī)營養(yǎng)型和光能有機(jī)營養(yǎng)型微生物的能源。化學(xué)物質(zhì)有機(jī)物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）。絕大多數(shù)微生物的能源物質(zhì)光合細(xì)菌的能源利用的有機(jī)碳源在被微生物細(xì)胞分解代謝的過程中不僅提供微生物細(xì)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(jī)化合物，而碳源是二氧化碳。第31頁/共52頁化能自養(yǎng)微生物的能源為一些還原態(tài)的無機(jī)物質(zhì)，Eg.NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。能氧化利用這些物質(zhì)的微生物都是細(xì)菌。Eg.硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌和鐵細(xì)菌等。第32頁/共52頁4、生長因子（growthfactor）

（1）定義

是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能用簡單的碳、氮源自行合成的需要量很小的一類有機(jī)物。不同微生物需求的生長因子的種類和數(shù)量不同。第33頁/共52頁微生物與生長因子的關(guān)系可分以下幾類：①生長因子自養(yǎng)型微生物

它們不需要從外界吸收任何生長因子，多數(shù)真菌、放線菌和不少細(xì)菌均有合成生長因子的能力，如E．coli（大腸桿菌）等都屬這類。②生長因子異養(yǎng)型微生物

它們需要從外界吸收多種生長因子才能維持正常生長，如各種乳酸菌、動物致病菌、支原體和原生動物等。③生長因子過量合成微生物

少數(shù)微生物在其代謝活動中，能合成并分泌出大量的維生素等生長因子，可作為有關(guān)維生素的生產(chǎn)菌種。第34頁/共52頁（2）種類廣義的生長因子：維生素、堿基、嘌呤、嘧啶、卟啉及其衍生物、胺類、C4～C6的分枝或直鏈脂肪酸，以及需要量較大的氨基酸。狹義的生長因子：一般僅指維生素。第35頁/共52頁根據(jù)生長因子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和它們在機(jī)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。第36頁/共52頁a.維生素最早發(fā)現(xiàn)的生長因子是維生素，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多維生素都能起生長因子的作用。維生素主要是作為酶的輔酶或輔基參與新陳代謝，需要量很少，但是缺少維生素微生物不能正常生長。Eg.維生素B6（吡哆醛），磷酸吡哆醛是一些轉(zhuǎn)氨酶和氨基酸脫羧酶的輔酶。微生物對維生素的需要量一般是1～5mg／ml第37頁/共52頁b.氨基酸有些微生物自己不能合成某種AA，必須給予補(bǔ)充，如賴AA發(fā)酵所用的黃色短桿菌不能合成環(huán)絲AA，為環(huán)絲AA缺陷型菌株，在培養(yǎng)基中必須添加含環(huán)絲AA的氮源。如豆餅水解液或毛發(fā)水解液等。各種菌合成AA的能力有很大差別，一般G－菌強(qiáng)于G＋，大腸桿菌自己能合成全部AA，沙門氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力極弱，如腸膜明串珠菌需從外界補(bǔ)充17種AA。在培養(yǎng)基中一種氨基酸的含量過高，會抑制細(xì)胞對其他氨基酸的攝取，此現(xiàn)象稱氨基酸不平衡。微生物對氨基酸的需要量一般是20mg／ml第38頁/共52頁c.堿基嘧啶和嘌呤作為生長因子主要是作為酶的輔酶和輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和核酸。有些微生物不僅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能將補(bǔ)充的嘧啶和嘌呤結(jié)合在核苷酸上，還必須供給核苷酸，有的菌需補(bǔ)充卟啉或其衍生物，還有的菌需供給（低碳）脂肪酸等。微生物對堿基的需要量一般是10～20mg／ml第39頁/共52頁d.其他生長因子有些微生物的生長需要一些很特殊的物質(zhì)，也稱生長因子。Eg.流感嗜血桿菌一定要在含紅細(xì)胞的培養(yǎng)基上生長，因?yàn)樗枰策h(huán)作生長因子。

厭氧條件下生長的啤酒酵母需要甾醇作為生長因子。第40頁/共52頁

化合物代謝中的作用對氨基苯甲酸四氫葉酸的前體，一碳單位轉(zhuǎn)移的輔酶生物素催化羧化反應(yīng)的酶的輔酶輔酶M甲烷形成中的輔酶葉酸四氫葉酸包括在一碳單位轉(zhuǎn)移輔酶中泛酸輔酶A的前體硫辛酸丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的輔基尼克酸NAD、NADP的前體，它們是許多脫氫酶的輔酶吡哆素(B6)參與氨基酸和酮酶的轉(zhuǎn)化核黃素(B2)黃素單磷酸(FMN)和FAD的前體，它們是黃素蛋白的輔基鉆胺素(B12)輔酶B12包括在重排反應(yīng)里(為谷氨酸變位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉(zhuǎn)醛醇酶和轉(zhuǎn)酮醇酶的輔基維生素K甲基酮類的前體，起電子載體作用(如延胡索酸還原酶)氧肟酸促進(jìn)鐵的溶解性和向細(xì)胞中的轉(zhuǎn)移生長因子在代謝中的作用第41頁/共52頁在配制微生物培養(yǎng)基時(shí)，一般可用生長因子含量豐富的天然物質(zhì)作原料以保證微生物對它們的需要。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(xì)胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液。第42頁/共52頁

無機(jī)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(jī)鹽（mineralsalts）大量元素微量元素?zé)o機(jī)鹽構(gòu)成微生物細(xì)胞的組成成分。調(diào)解微生物細(xì)胞的滲透壓，PH值和氧化還原電位。有些無機(jī)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。第43頁/共52頁（1）大量元素（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，可稱為大量元素，例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。第44頁/共52頁元素人為提供形式生理功能大

量

元

素PKH2PO4

磷酸二氫鉀

K2HPO4

磷酸氫二鉀核酸、磷酸和輔酶的成分SMgSO4硫酸鎂含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫維生素（生物素、硫胺素等）的成分KKH2PO4磷酸二氫鉀

K2HPO4磷酸氫二鉀某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸轉(zhuǎn)磷酸酶等）的輔因子；維持電位差和滲透壓NaNaCl氯化鈉維持滲透壓；某些細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌所需CaCa(NO3)2

硝酸鈣

CaCl2

氯化鈣某些胞外酶的穩(wěn)定劑、蛋白酶等的輔因子；細(xì)菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需MgMgSO4硫酸鎂固氮酶等的輔因子；葉綠素等的成分FeFeSO4硫酸鐵細(xì)胞色素的成分；合成葉綠素、白喉毒素和氧高鐵血紅素所需第45頁/共52頁凡所需濃度在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和Ni、Sn、Se等。（2）微量元素（microelements）第46頁/共52頁元素人為提供形式生理功能微

量

元

素MnMnSO4硫酸錳超氧化物歧化酶、氨肽酶和L-阿拉伯糖異構(gòu)酶等的輔因子CuCuSO4硫酸銅氧化酶、酪氨酸酶的輔因子CoCoSO4硫酸鈷維生素B12復(fù)合物的成分；肽酶的輔因子ZnZnSO4硫酸鋅堿性磷酸酶以及多種脫氫酶、肽酶和脫羧酶的輔因子Mo(NH4)6Mo7O24鉬酸銨固氮酶和同化型及異化型硝酸鹽還原酶的成分第47頁/共52頁6、水微生物細(xì)胞中水占70～90％，水是地球上整個(gè)生命系統(tǒng)存在和發(fā)展的必要條件！第48頁/共52頁水在微生物細(xì)胞內(nèi)的生理功能（1）水是細(xì)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）起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌必須以水為介質(zhì)才能完成。（4）維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象。（5）水的比熱高，是熱的良好導(dǎo)體，能有效地吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱并及時(shí)地將熱迅速散發(fā)出體外，從而有效地控制細(xì)胞內(nèi)溫度的變化