第四章 微生物的營養(yǎng)

第四章微生物的營養(yǎng)概述

同其它生物一樣，微生物要合成細(xì)胞物質(zhì)，獲得生活能量和形成代謝產(chǎn)物，就必須從外界環(huán)境中吸取適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)。環(huán)境中存在的能滿足微生物生長、繁殖和進(jìn)行各種生理活動需要的物質(zhì)稱為營養(yǎng)物質(zhì)。微生物攝取和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程稱為營養(yǎng)。

營養(yǎng)為一切生命活動的起點(diǎn)。有了營養(yǎng)，微生物才能進(jìn)行代謝、生長和繁殖，并為人類提供各種有益代謝產(chǎn)物。了解微生物的營養(yǎng)原理，是研究和利用微生物的必要基礎(chǔ)，對合理選擇和設(shè)計符合微生物生理要求并有利于生產(chǎn)應(yīng)用的培養(yǎng)基有重要意義。

營養(yǎng)物質(zhì)的確定，主要依據(jù)組成細(xì)胞的化學(xué)成分以及我們所需要的代謝產(chǎn)物的化學(xué)組成。分析微生物細(xì)胞的化學(xué)組成，是了解微生物營養(yǎng)的基礎(chǔ)。一、微生物細(xì)胞的元素組成微生物細(xì)胞的化學(xué)元素組成與高等生物相同，包括碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈉、鎂、鈣、鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等化學(xué)元素。以水、有機(jī)物和無機(jī)鹽的形式存在。

1.水分

水是微生物及一切生物細(xì)胞中含量最多的成分。微生物細(xì)胞的含水量隨種類和生長期而異。通常情況下，細(xì)菌含水量為細(xì)胞鮮重的75%～85%，酵母菌為70%～85%，絲狀真菌為85%～90%，細(xì)菌芽孢和霉菌孢子的含水量約為40%。作用

2.干物質(zhì)的元素組成

微生物細(xì)胞主要組成元素為碳、氫、氧、氮，約占細(xì)胞干重的90%～97%，其余3%～10%為磷、鉀等礦質(zhì)元素。礦質(zhì)元素約占細(xì)胞干重的3%～10%，其中磷含量最高，約占灰分元素的50%，其次為鉀，約占灰分總量的20%，其余元素含量較少。

微生物細(xì)胞的化學(xué)組成隨微生物種類、培養(yǎng)條件和生長階段不同而有明顯差異。在特殊生態(tài)環(huán)境中生活的一些微生物，常在細(xì)胞內(nèi)富集某些特殊元素。如海洋微生物含有較多鈉元素，某些硫化細(xì)菌能在細(xì)胞內(nèi)積累硫元素，某些鞘細(xì)菌在鞘中沉積鐵和錳的氧生物，硅藻在外殼中積累硅和鈣等元素。元素細(xì)菌酵母菌霉菌C50.449.847.9

H

6.76.76.7

O30.5

31.140.2

N12.312.4

5.2C:N

4～5:14～5:19～10:1微生物細(xì)胞中主要元素含量(占干重%)

二、微生物的營養(yǎng)物質(zhì)

微生物的營養(yǎng)要素包括水、碳源、氮源、能源、生長因子和無機(jī)鹽。微生物的六大營養(yǎng)。1.水

水是一切生物生存的基本條件。水是許多營養(yǎng)物質(zhì)的溶劑，營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和代謝廢物排出細(xì)胞均以水為媒介。水能維持生物大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和酶活性。細(xì)胞內(nèi)的一切生化反應(yīng)均在水介質(zhì)系統(tǒng)中進(jìn)行。水的比熱高，又是熱的良導(dǎo)體，能有效地吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱量，使細(xì)胞溫度不致于驟然升高，能有效調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的溫度。

微生物細(xì)胞內(nèi)的水分有游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種形式，兩者的生理功能不同。

2.碳源

凡能提供微生物營養(yǎng)所需碳元素(碳架)的營養(yǎng)物質(zhì)稱為碳源。碳素是構(gòu)成菌體成分的主要元素，又是產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物和細(xì)胞內(nèi)貯藏物質(zhì)的重要原料。碳源分為無機(jī)碳源和有機(jī)碳源。常用的碳源物質(zhì)有糖類(單糖、寡糖和多糖)、有機(jī)酸、醇、脂類、烴類及芳香族化合物等。其中糖類是利用最廣泛的碳源，其次為醇類、有機(jī)酸和脂類。異養(yǎng)微生物的碳源同時充作能源，即碳源物質(zhì)同時提供碳素和能量。異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物類型構(gòu)成元素化合物培養(yǎng)基原料有

機(jī)

碳C.H.O.N.X

C.H.O.N

C.H.O

C.H復(fù)雜蛋白質(zhì),核酸等

多數(shù)氨基酸,簡單蛋白質(zhì)

糖,醇,有機(jī)酸,脂類

烴類牛肉膏,蛋白胨,花生餅粉等

氨基酸,明膠

葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜等

天然氣,石油,石蠟等無

機(jī)

碳C.O

C.O.XCO2

NaHCO3,CaCO3等CO2

NaHCO3,CaCO3等微生物的碳源

3.氮源

凡能提供微生物生長繁殖所需氮素的營養(yǎng)物質(zhì)，稱為氮源。微生物能利用的氮源種類十分廣泛，從N2、無機(jī)氮化物到復(fù)雜的有機(jī)氮化合物均能在不同程度上為微生物利用。固氮微生物，能以空氣中的分子態(tài)氮(N2)為唯一氮源。氨基酸自養(yǎng)型，能以無機(jī)氮(銨鹽、硝酸鹽和尿素等)為唯一氮源，合成氨基酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)及其它含氮有機(jī)物。這是數(shù)量最大，種類最多的一個類群。氨基酸異養(yǎng)型，不能合成某些必需的氨基酸，必須從外源提供這些氨基酸才能生長。速效氮源和遲效氮源類型元素化合物培養(yǎng)基原料有

機(jī)

氮N.CHO.X

N.CHO復(fù)雜蛋白質(zhì),核酸等

尿素,氨基酸,簡單蛋白質(zhì)等牛肉膏,酵母膏,餅粉及蠶蛹粉等

尿素,蛋白胨,明膠等無

機(jī)

氮N.H

N.O

NNH3,NH4+等

NO3-1

N2(NH4)2SO4,NH4NO3等

KNO3等

空氣

微生物的氮源4.能源

為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物質(zhì)和輻射能稱為能源?；茏责B(yǎng)微生物的能源都是一些還原態(tài)無機(jī)物質(zhì)。如NH3、NH4+、NO3-、S、H2S、H2和Fe2+等。能利用這些物質(zhì)的微生物均為細(xì)菌，如硝酸細(xì)菌、亞硝酸細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌和鐵細(xì)菌等。有些要素或物質(zhì)僅有一種功能，有些則具有多種功能。5.礦質(zhì)養(yǎng)分

礦質(zhì)元素是微生物生命活動不可缺少的物質(zhì),微生物細(xì)胞中的礦質(zhì)元素約占細(xì)胞干重的3%～10%。其主要功能：構(gòu)成微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)；酶活性基的組成分和酶的激活劑；調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、pH值和氧化還原電位；化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+等)。

根據(jù)微生物對礦質(zhì)元素需要量的大小將其分為兩類，需要濃度在10-3～10-4mo1/L范圍內(nèi)的元素稱為大量元素，包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe；需要濃度為10-6～10-8mo1/L范圍內(nèi)的元素，稱為微量元素，包括Cu、Zn、Mn、Mo、Co、B等10種。微生物雖然需要多種微量元素，自來水和其它營養(yǎng)物質(zhì)中以雜質(zhì)形態(tài)存在的數(shù)量已能滿足微生物生長需要，過量加入會造成毒害。磷微生物細(xì)胞中磷含量較高，一部分磷構(gòu)成核酸和磷脂，其它磷是ATP系統(tǒng)和各種輔酶的重要組分。微生物對磷的需要量較高，適宜濃度一般為0.005～0.01mol/L。培養(yǎng)基中的磷是通過加入無機(jī)磷酸鹽K2HPO4、KH2PO4和NaH2PO4等提供的。硫硫存在于細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)中，是含硫氨基酸(半胱氨酸、胱氨酸及甲硫氨酸)的組成分。一些酶的活性基(輔酶A、谷胱甘肽、生物素及硫辛酸)都含有巰基(—SH)。微生物主要從含硫的無機(jī)鹽或含硫的有機(jī)物中得到硫。大多數(shù)微生物利用無機(jī)硫化物作硫源，常用MgSO4等向培養(yǎng)基中添加硫。

鎂是細(xì)菌葉綠素的組成元素和多種酶的激活劑。同時在細(xì)胞結(jié)構(gòu)如核糖體、細(xì)胞膜的穩(wěn)定性上起作用。鎂常用MgSO4或其他鎂鹽提供，其濃度約為0.001mol/L。鉀和鈉鉀不參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分。鉀是多種酶的激活劑，還對細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)的膠體狀態(tài)和細(xì)胞膜透性起調(diào)控作用。鈉主要參與細(xì)胞滲透壓的調(diào)節(jié)。海洋和嗜鹽微生物細(xì)胞內(nèi)含有較高濃度的鈉離子。鉀是細(xì)胞中的主要無機(jī)陽離子。培養(yǎng)基中常用K2HPO4、KNO3等鉀鹽提供鉀素，適宜濃度為0.001～0.004mol/L。鈣不參與微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成，以離子狀態(tài)控制著細(xì)胞的生理狀態(tài)，如降低細(xì)胞質(zhì)膜透性，調(diào)節(jié)酸度等。對淀粉酶及蛋白酶等胞外酶活性的穩(wěn)定有重要影響。是芽孢內(nèi)含量較高的元素。各種水溶性鈣鹽通常是微生物的鈣素來源。鐵鐵是細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過氧化氫酶的活性基及鐵卟啉的組成部分。

微量元素

微生物需要量很少但又不可缺少的礦質(zhì)元素稱為微量元素。主要包括銅、鉬、鈷、鋅、錳、釩等元素。微量元素是許多酶和維生素的組成部分。6.生長因子生長因子定義

(growthfactor)生長因子主要包括維生素、氨基酸和堿基(嘧啶和嘌呤)。生長因子不提供能量，也不參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成，它們大多為酶的組成分，與微生物代謝有著密切關(guān)系。

生長因子雖是一種重要的營養(yǎng)要素，但它與碳源、氮源和能源物質(zhì)不同，并非所有微生物都需從外界吸收，有些微生物可以自身合成。按微生物與生長因子間的關(guān)系將微生物分為3種類型：一是生長因子自養(yǎng)型微生物，能自身合成各種生長素，不需外界供給。通常把這種不需生長素而能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上生長的菌株稱為野生型或原養(yǎng)型菌株。多數(shù)真菌、放線菌和部分細(xì)菌屬于這種類型。二是生長因子異養(yǎng)型微生物，它們自身缺乏合成一種或多種生長素的能力，需外源提供所需生長素才能生長。通常將由于自發(fā)或誘發(fā)突變等原因從野生型菌株產(chǎn)生的需要特定生長素才能生長的菌株稱為營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)菌。乳酸菌、各種動物病原菌和支原體等屬于生長因子異養(yǎng)型微生物。三是生長因子過量合成微生物，它們在代謝活動中向細(xì)胞外分泌大量的維生素等生長因子，可用于維生素的生產(chǎn)。如阿舒假囊酵母(Eremotheciumashbya)的維生素B2產(chǎn)量可達(dá)2.5g/L發(fā)酵液。

三、微生物的營養(yǎng)類型以能源分1.光能營養(yǎng)型2.化能營養(yǎng)型以供氫體分1.無機(jī)營養(yǎng)型2.有機(jī)營養(yǎng)型以碳源分1.自養(yǎng)型2.異樣型以合成氨基酸能力分1.氨基酸自養(yǎng)2.氨基酸異樣以生長因子分1.原養(yǎng)型2.營養(yǎng)缺陷型以攝食方式分1.滲透營養(yǎng)型2.吞噬營養(yǎng)型以攝取死活有機(jī)物分1.寄生2.腐生微生物營養(yǎng)類型分類

營養(yǎng)類型能源氫供體主要碳源實(shí)例光能無機(jī)營養(yǎng)型(光能自養(yǎng)型)

光能有機(jī)營養(yǎng)型(光能異養(yǎng)型)

化能無機(jī)營養(yǎng)型(化能自養(yǎng)型)

化能有機(jī)營養(yǎng)型(化能異養(yǎng)型)光

光

無機(jī)物*

有機(jī)物無機(jī)物

有機(jī)物

無機(jī)物

有機(jī)物CO2

CO2及簡單有機(jī)物

CO2

有機(jī)物藍(lán)細(xì)菌,藻類

紅螺菌科細(xì)菌

硝化細(xì)菌,硫化細(xì)菌,鐵細(xì)菌,氫細(xì)菌,硫黃細(xì)菌

絕大多數(shù)細(xì)菌,全部真核微生物*NH4+,NO21-,S,H2S,H2及Fe2+等微生物的營養(yǎng)類型光能自養(yǎng)型，是一類具有光合色素、能利用光能并以水或還原態(tài)無機(jī)物為供氫體同化CO2的微生物。藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌屬于這種類型。光能異養(yǎng)型能利用光能、以簡單有機(jī)物(有機(jī)酸、醇等)為供氫體同化CO2的微生物類群稱為光能有機(jī)營養(yǎng)型?；茏责B(yǎng)型微生物能通過氧化無機(jī)物獲得能量并能以CO2為主要或唯一碳源的微生物?；墚愷B(yǎng)型，凡以有機(jī)物為碳源、能源和供氫體的微生物。該類型包括的微生物種類最多，作用也最強(qiáng)。已知的絕大多數(shù)細(xì)菌、放線菌、全部真菌和原生動物均屬于此類型。

第二節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式

細(xì)胞壁是環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的屏障之一。普通細(xì)胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)允許分子量低于800道爾頓的小分子物質(zhì)自由出入，但能阻擋高分子物質(zhì)進(jìn)入。所以復(fù)雜的高分子化合物如多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和果膠等在進(jìn)入微生物細(xì)胞之前必須先經(jīng)過胞外酶的初步分解后才能進(jìn)入。胞外酶多為適應(yīng)性(誘導(dǎo))酶。常見的胞外酶主要有：淀粉酶、纖維素酶、果膠酶、幾丁質(zhì)酶、蛋白酶、核酸酶與脂酶等。細(xì)胞質(zhì)膜為半透膜，由磷脂雙分子層和嵌合蛋白分子組成，是控制營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和代謝產(chǎn)物排泄出細(xì)胞的主要屏障，具有選擇性吸收功能，是細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換的主要界面。通常認(rèn)為，營養(yǎng)物質(zhì)通過質(zhì)膜的方式有4種：單純擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、主動運(yùn)輸和基團(tuán)轉(zhuǎn)移，其中主動運(yùn)輸最為重要。

一、單純擴(kuò)散也稱被動擴(kuò)散，它是由于細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的濃度差而產(chǎn)生的物理擴(kuò)散作用。擴(kuò)散是非特異性的。擴(kuò)散速度取決于營養(yǎng)物的濃度差、分子大小、溶解性、極性、pH、離子強(qiáng)度和溫度等因素。營養(yǎng)物的擴(kuò)散將使細(xì)胞內(nèi)外的濃度差不斷減小，直至兩者相等并達(dá)到動態(tài)平衡。單純擴(kuò)散不需膜上載體蛋白參與，也不消耗能量，因此它不能逆濃度梯度運(yùn)輸養(yǎng)料，運(yùn)輸速度，運(yùn)輸?shù)酿B(yǎng)料種類也十分有限。能以單純擴(kuò)散方式進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)主要有水、溶于水的氣和小的極性分子(如尿素、甘油、乙醇等)。是營養(yǎng)物質(zhì)由高濃度的細(xì)胞外環(huán)境向的濃度的細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散。單純擴(kuò)散不是細(xì)胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式，因為細(xì)胞不能通過這種方式選擇必須的營養(yǎng)物質(zhì)。二、促進(jìn)擴(kuò)散(FacilitatedDiffusion)

養(yǎng)料通過與細(xì)胞質(zhì)膜上透過酶(Permease,或稱載體蛋白)的可逆性結(jié)合從高濃度環(huán)境進(jìn)入低濃度環(huán)境的傳遞過程稱為促進(jìn)擴(kuò)散。透過酶的參與加快了養(yǎng)料的運(yùn)輸速度。透過