1、第三章 微生物的营养与生长,江南大学生物工程学院,微生物的营养与生长,从生物学的观点来看，微生物活细胞是个新陈代谢的动力系统，它从环境不断地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现生长和繁殖，同时排出“废物”。,笫一节微生物的营养,营养物质nutriment：微生物在生命活动中从环境中吸取的用以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的物质。在发酵工业上也包括用于合成产物。营养(过程)nutrition：微生物吸收和利用营养物质的过程。,一、微生物细胞的化学组成1、元素组成：C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo。其中C、H、O、N、P占细胞干重的97%。2、物
2、质组成(1)水：约占细胞湿重的90%。(2)有机物：主要有蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。(3)无机盐：灰分元素是指参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中的元素。,3影响微生物细胞化学组成的因素(1)微生物的种类：硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多的S、Fe、Cl和Na。(2)菌龄：幼龄菌中含氮量较高。(3)培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。,微生物细胞元素组成,部分发酵产品的元素组成,二.微生物的营养物质,1、水水的生理功能细胞的重要组分微生物进行代谢活动的介质 参与部分生化反应调节和控制细胞温度,几种生物的游离水含量
3、人：60%海蛰：96%微生物：孢子：霉菌孢子：39%细菌芽孢：皮层：70%核心：极低 营养体：细菌：80%酵母：75%霉菌：85%,环境中水的存在状态结合水：与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水；游离水：可以被微生物所利用的水水活度water activity aw=p/p0微生物生长要求：aw=0.630.99,2.碳源 carbon source,凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。生理功能 提供C元素 提供能量碳源物质 有机碳化物 无机碳化物,微生物的碳源谱,3.氮源 nitrogen source,凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源
4、的营养物质称为氮源是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量氮源的种类 无机氮、有机氮、气体氮,微生物的氮源谱,速效性氮源 能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。迟效性氮源 不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源,“生理酸性盐”与“生理碱性盐”,生理酸性盐 由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH下降的盐。如(NH4)2SO4 生理碱性盐 由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH上升的盐。如NaNO3,部分发酵产物的氮源,4.无机盐类mineral salts,生理功能 参与细胞结构物质的组成；参与
5、酶的组成及调节酶的活性；参与能量转移；调节并维持细胞渗透压的平衡；作为某些微生物的能源物质,无机盐的功能,大量（主要/宏量）元素 macroelements P、S、K、Na、Ca、Mg等 需要量：10-310-4M微量元素 microelements Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等 需要量：10-610-8M,无机盐一般采用的浓度范围,对一些产物有影响的微量元素,5.生长因子 growth factor,生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物质。种类 维生素、氨基酸、碱基需要量 维生素：150ug/L 氨基酸：2050ug/L 碱 基：1020ug/L 核苷或核苷酸：2002000
6、ug/L,几种微生物的生长因子,菌种 生长因子 丙酮丁醇梭菌 对氨基苯甲酸 德氏乳杆菌 酪氨酸、胸腺核苷 干酪乳杆菌 生物素、麻黄素 粪链球菌 叶酸、精氨酸 肠膜明串珠菌 吡哆醛 金黄色葡萄球菌 硫胺素,向培养基中添加生长因子的措施 直接添加 添加富含生长因子的物质 酵母膏，玉米浆，肝浸汁，麦芽汁,玉米浆含的氨基酸,6、能源 energy source,能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能能源谱 化学物质：有机物 无机物 辐射能,7、气体,（1）氧O2：微生物的对氧的需求 专性好氧菌：只能在有氧的环境中生长 专性厌氧菌：只能在无氧的环境中生长 兼性厌氧菌：在有氧及无氧的环境中都
7、能生长 微嗜氧菌：只能在氧分压很低的环境中生长,向微生物提供氧的措施 实验室：液体培养（三角瓶、试管）：浅液层、振荡 固体培养（平板、斜面）：表面生长 大生产：液体培养（发酵罐）：通风、搅拌 固体培养：浅层、通风,（2）二氧化碳CO2对于自养微生物：唯一或主要碳源对于异养微生物：,三、微生物的营养类型,1、微生物营养类型的分类,2、微生物的营养类型,光能无机营养型 photolithotroph,能源：光 主要碳源：CO2 供氢体：H2S、Na2S2O3,例：绿硫细菌，紫硫细菌CO2+H2S CH2O+2S+H2O 细菌叶绿素,光能有机营养型 photoorganotroph,能源：光；主要碳
8、源：有机物，但可以将CO2还原成细胞物质。供氢体：有机物,例：红螺细菌2CH3CHOHCH3+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素,化能无机营养型 chemolithotroph,能源：无机物，NH3，NO2，H2，H2S，S等 主要碳源：CO2 电子供体：无机物,例：氧化亚铁硫杆菌 Fe Fe+e+11.3千卡,+2,+3,化能有机营养型 chemoorganotroph,能源：有机物 主要碳源：有机物 例：大部分种类的微生物，工业用菌种多为此类。营养类型的划分不是绝对的，在自然界中存在中间类型。营养类型的划分以最简单的营养条件为依据，并以“严格”,“兼性”加以区分。,四.
9、营养物质的跨膜输送,微生物是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。被动吸收简单扩散和促进扩散主动吸收主动运输和基团移位原生动物膜泡运输,本部分要求掌握：输送动力，输送方向，是否需要载体及其特异性，被输送物质在输送过程中是否发生化学变化输送物质举例。,1.简单扩散 simple diffusion,无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。特点：输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 输送物质：水、气体、脂溶性物质、极性小的分子,输送机制：通过亲水小孔或脂双分子层。J=D dc/dx J：扩散速度 D：扩散系数 dc/dx：该物质的浓度梯度影响因素：分子的大小、溶解性、极性和环境的温度等,2、促进扩散 facilitated diffusion,在特异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。特点：输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 载体蛋白：需要，具有特异性 输送物质：极性大的分子，真核微生物对糖的吸收。输送机制：被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力。,3、主动运输 active transport,