微生物细胞的化学组成和营养要求

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第五章 微生物的营养

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本章内容第一节，微生物的化学组成和营养要求

第二节，微生物的营养类型

第三节，营养物质进入细胞的方式第四节，培养基

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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水(70%-90%) 微生物细胞 干物质 有机物 蛋白质、多糖、 脂、核酸、维生 素、有机酸等及 其降解产物 微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性” 无机物(盐)

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细胞化学元素组成：

主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 、钾、镁、钙、铁； 微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

这些化学元素都来自胞外环境。

微生物细胞利用这些化学元素物质制造其细胞物质和组 分，并进一步将它们组织成为细胞结构。

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营养：微生物在其生长过程中获取生命活动所需的能量和结构 物质的生理过程。

营养物质：外界环境可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质 和良好生长环境的化学物质。

概念区分：营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持 和延续其生命形式的一种生理过程。

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二、微生物的营养要素及其生理功能微生物的6大营养要素： 碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐，水

营养要素的功能： 1)构成细胞结构组分和代谢产物的原料； 2)提供能量； 3)调节新陈代谢。

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微生物与动植物营养要素的比较动物 (异养) 碳源 氮源 微生物异养 自养

绿色植物 (自养)

糖类、脂肪 蛋白质及其降 解物 与碳源同 维生素 无机盐 水

糖、醇、有机酸等 蛋白质及其降解 物、有机氮化物、 无机氮化物、氮 与碳源同 有些需要维生素等 生长因子 无机盐 水

二氧化碳、碳酸 盐等 无机氮化物、氮

二氧化碳 无机氮化物

能源 生长因子 无机元素 水分

氧化无机物或利 用日光能 不需要 无机盐 水

利用日光能 不需要 无机盐 水

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1、 水功能： (1)营养物质或代谢废物运输的必备物质； (2)直接作为反应物或产物参与体内多种生化反应； (3)水还是许多有机物中氢和氧的来源，例如烷烃分解过程； (4)许多酶促反应必须在水溶液中才能进行； (5)水分子之间形成的氢键使得水成为一种很好的温度缓冲 剂。 (6)水是热的良导体，有利于散热，不致于因代谢产热而使 细胞局部温度上升； (7)作为活细胞中含量最高的成分，水对于维持细胞自身形 状以及生物大分子的天然结构起着重要的作用。

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水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。 不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较 人体 平均60% 海蛰 约96% 霉菌孢子 约39% 几种生物的 孢子 皮层 约70% 游离水含量 细菌

芽孢 微生物 核心 极低 细菌 约80% 营养体 酵母 约75% 霉菌 约85% 游离水的含量可用水活度aw(Water activity)表示。 水活度：在相同温度和压力下，体系中溶液的水的蒸汽压 与纯水的水蒸汽压之比。 微生物能在aw=0.63~0.99的条件下生长。特定微生物对aw 的要求是一定的。

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2. 碳源(carbon source)定义：凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来 源的营养物质

功能:构成细胞成分(需要量最大的元素，50%); 形成代谢产物和储藏物； 为异养型微生物提供能源。

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碳源谱：无机碳 C. O型 C. O.X型 C.H型 C.H.O型 有机碳 CO2

NaHCO3 CaCO3烃类 (天然气、石油、石蜡油等) 糖、有机酸、醇、脂类等 (葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等)

C.H.O.N型

氨基酸、简单蛋白质 (氨基酸，明胶等)复杂蛋白质、核酸等 (牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等)

C.H.O.N.X型

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特点1)根据微生物利用有机碳或无机碳，可将微生物分为： 异养微生物：有机碳 自养微生物：无机碳

2)碳源谱广(微生物>>植物>动物);

3)最适碳源： C.H.O型，糖类 ( 异养微生物) 糖 >有机酸，醇 > 脂 单糖 >双糖 >多糖(淀粉>纤维素,木质素,几丁质) 己糖 > 戊糖 葡萄糖，果糖 > 甘露糖，半乳糖

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4)微生物对碳源利用具有选择性 混合存在 葡萄糖 ：首先利用(速效碳源) 乳糖 ： 后利用(迟效碳源)

5)不同微生物，其碳源谱不同 (利用碳源物质的能力有差别) 洋葱假单胞菌：90种以上 甲烷菌：甲醇和甲烷

6)异养微生物：碳源=能源(双功能营养物)

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选择碳源原则1)根据微生物的生理机能选择； 2)考虑经济效益，防止降格使用

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3. 氮源(nitrogen source)定义：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营 养物质 。 功能 构成细胞组分(需要量仅次于碳源，~12%); 构成代谢产物； 某些自养菌的能源(如硝化细菌：氨和亚硝酸盐兼氮源和能源) 氮源谱

无机氮有机氮

N.H,N.O,NN.C.H.O

硫酸胺、硝酸钾、氨、氮气

尿素、氨基酸、蛋白胨，明胶 复杂蛋白质、核酸(牛肉膏、蛋 白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕 蛹粉、玉米浆等 )

N.C.H.O.X

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生理酸性盐: 当以(NH4)2SO4为唯一氮源时，NH4+被 利用后，培养基的pH下降，称为“生理酸性 盐”; 生理碱性盐: 当以KNO3为氮源时，NO3-被利用后，培养 基的pH上升，称为“生理碱性盐”。 利用NH4NO3为氮源，可以避免pH急剧升降，但是， NH4+的吸收快，NO3—的吸收滞后，所以，培养基pH会 先降后升。

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“氨基酸自养型生物”(Amino acid autotroph):凡是能将非 氨基酸类的简单氮源(例如尿素、铵盐、硝酸盐 和氮气)自行合成生长代谢所需要的一

切氨基酸 的微生物。 “氨基酸异养型生物”(Amino acid heterotroph):凡需要从 外界吸收现成氨基酸作氮源的微生物。所有的动物和大量异养微生物是氨基酸异养型的，而所 有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。 迟效性氮源: 不能直接被菌体利用的氮源。反之则被称为“速 效性氮源” 。

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氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不 作为能源。只有少量细菌，如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐 作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用氨基 酸为唯一的能源。

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4. 无机盐(inorganic salt)功能

① ② ③ ④ ⑤

构成细胞的组成成分； 作为酶的活性中心； 维持酶的活性； 调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位； 作为某些自养菌的能源。

宏量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca等(10-3~10-4mol/L); 微量元素：Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等(10-6~10-8mol/L) 其中：Fe是介于微量元素和宏量元素之间的元素。

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(1)磷：合成核酸、磷脂、一些辅酶(NAD,NADP,CoA 等)及高能磷酸化合物的重要原料。一般都以 K2HPO4和KH2PO4的形式人为地提供。(2)硫: 某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)、辅酶因子(如 辅酶A,生物素，硫辛酸和硫胺素)和谷胱甘肽的组 成成分。也是某些自养菌的能源物质。微生物从含硫 化合物中得到硫。一般人为的提供形式为MgSO4。 (3)镁: 一些酶(如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固 氮酶)的激活剂，是光合细菌菌绿素的组成成分；具 有稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞 生长就会停止。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。

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(4)钾：不参加细胞结构物质的组成，但它是许多酶(如果糖 激酶)的激活剂，与原生质的胶体特性和细胞膜的透 性有关。钾在胞内的浓度比胞外高许多倍。各种无机 钾盐，尤其是磷酸钾盐(磷酸二氢钾，磷酸氢二钾) 可作为钾源。 (5)钙：一般不参与微生物的细胞结构物质(除细菌芽孢外), 但它是某些酶(如蛋白酶类)的激活剂，还参与细胞 膜通透性的调节。各种水溶性的钙盐，如CaCl2及 CaCO3等都是微生物的钙元素来源。(6)钠：与细胞渗透压调节有关。胞内浓度低，而胞外浓度高。 对嗜盐菌来说，钠除了维持细胞的渗透压外，还与营 养物的吸收有关，如吸收葡萄糖就需要Na+的帮助。

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