第六章微生物营养与代谢

第六章微生物营养与代谢

第一节微生物营养物质和营养类型

第二节微生物营养物质的吸收机制

第三节培养基

第四节微生物代谢

胡健扬州大学环境科学与工程学院Email:[email protected]


微生物营养

微生物吸收必要的物质以获得能量并合成细胞物质的过程。

微生物吸取生长所需的各种物质并进行代谢生长的过程。（教材 P13 ）

微生物代谢

微生物体内化学反应的总和。


一、微生物营养物质及其功能

水

微生物营养物质

碳素化合物

氮素化合物

矿质元素

生长因子



1 、碳素化合物 ( 碳源 ) ：微生物细胞含碳量：细胞干重的 50% 。



1 、碳素化合物 ( 碳源 ) ：

微生物细胞中碳的功能：

（ 2 ）大多数微生物的能源物质

（ 1 ）构成微生物体有机分子的骨架




甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、酒糟、造纸厂亚硫酸液

CO2

有机物葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉有机酸、醇类、脂类

微生物可以利用的碳源种类




甲烷氧化菌：甲烷、甲醇

根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？

不同的微生物利用碳素的情况

洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物

纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素



2 、氮素化合物（氮源）

分子氮 N2 （固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌）无机氮 NH4 ＋、 NO3 －、 NO2 －（多数微生物）有机氮蛋白质、多肽、氨基酸（多数微生物）牛肉膏、蛋白胨、尿素、酵母高、玉米浆、饼粕

微生物可利用的氮素化合物：

氮素化合物的功能：

构成细胞物质，少数微生物的能源物质。



3 、矿质元素 ( 无机盐 ) 为机体提供了必要的金属元素等

P 、 S 、 Fe 、 Mg 、 K 、 Ca ( 大量元素)

Mn 、 Cu 、 Zn 、 Mo （微量元素）



3 、矿质元素 ( 无机盐 )

主要功能：（教材 P14 ）



4 、生长因子

生长因子是指微生物生长必需的但本身不能合成，需要从外界吸收的且需要量又很小的有机物质。



4 、生长因子

生长因子功能：构成酶的辅基或辅酶生长因子分类：氨基酸核苷维生素

酶简单蛋白

结合蛋白 = 蛋白 + 辅助因子辅酶 ( 与酶结合松驰)辅基 ( 与酶结合牢固)



4 、生长因子

有关生长因子的注意点：

（ 1 ）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同

克氏杆菌生物素、对氨基苯甲酸

肠膜明串珠菌十七种氨基酸



4 、生长因子

（ 2 ）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化

鲁毛霉：

厌氧：需维生素 B 与生物素

好氧：无需生长因子



4 、生长因子

（ 3 ）生长因子未知微生物的培养

酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液

加入天然成分



5 、水分

微生物水分含量：营养细胞 90% ，孢子 40% 。



5 、水分

水分在微生物生长代谢中的功能：（教材 P13-14 ）

a. 机体内生理生化反应的基础

b. 溶剂与运输介质

c. 细胞内温度的缓冲剂作用



5 、水分

水的活度（ Aw ）：

一定温度和压力条件下，溶液中水的蒸汽压力与同样条件 (T 、 P)下纯水蒸汽压力之比。

溶液充分稀释时 aw=Pw/P0w=n1/ （ n2+n1 ）

(n1 为溶剂的摩尔数， n2 为溶质摩尔数 )

定义公式是： aw=Pw/P0w

Pw: 溶液中水的蒸汽压； P 0 w:纯水的蒸汽压



5 、水分

微生物最适水的活度值

细菌： 0.93 ~ 0.99

酵母菌： 0.88~0.91

霉菌： 0.80 左右

从营养的角度分异养型生物自养型生物所需营养物质有机物无机物生物种类动物植物


二、微生物的营养类型

微生物属于哪类生物，自养还是异养？

微生物营养型

自养型

异养型

能源

碳源CO2

有机化合物

光能型

化能型光能

化学能

光能自养型化能自养型光能异养型化能异养型



1 、光能自养型（光能无机营养型）能够利用光能并以 CO2 作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。

念珠蓝细菌

基本特点：

B 、供氢体：还原性无机物，还原 CO2

A 、光合色素（叶绿素、细菌叶绿素）

实例：光

叶绿素H2O ＋ CO2 (CH2O)+O2↑ （蓝细菌）

光菌绿素2H2S+CO2 (CH2O)+H2O+2S （绿硫细菌和紫硫细菌）



1 、光能自养型（光能无机营养型）



2 、光能异养型 ( 光能有机营养型）利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。

紫色非硫细菌

基本特点：

b. 供氢体：有机物，还原 CO2 或有机物形成细胞物质

a. 光合色素，光合作用



2 、光能异养型 ( 光能有机营养型）

光能异养型微生物在 C 源利用上的特殊性：

以有机质作为主要 C 源，

能利用 CO2 ，但它不是唯一碳源。

光能细菌叶绿

（红螺菌）

CH3

CO2+2CHOH CH2O+2CH3COCH3+H2O

CH3

典型实例：



3 、化能自养型 ( 化能无机营养型）利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用 CO2 或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。

产甲烷细菌典型实例：

硫化细菌、硝化细菌 ( 亚硝酸菌和硝酸菌 ) 、产甲烷菌、铁细菌

H2S 、 NO2－、 H2 、 Fe2+

基本特点：

a. 能源：无机物氧化

b. 供氢体：无机物，还原 CO2



4 、化能异养型（化能有机营养型）以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物。

苏云金杆菌

基本特点：

a. 能源：有机物氧化

b. 碳源：有机物



4 、化能异养型（化能有机营养型）

化能异养型微生物的分类：（生活场所、获取养料方式）

③兼性寄主菌：既营寄生又营腐生生活的。 ( 结核杆菌 )

②寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。

①腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质。



小结

1 、微生物营养型划分的依据是什么？

碳源能源2 、微生物营养划分的相对性同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化。

微生物提供的环境条件能源利用情况营养型氢单胞菌单纯的无机物环境利用氢的氧化获得能量，自养生活将 CO2还原成细胞物质提供有机物利用有机物获得能量异养生活

红螺菌：光照利用光能作能源光能异养暗处理利用有机物氧化产能化能异养


一、影响微生物对营养物质吸收的因素

1 、第一因素：细胞膜细胞膜——选择性透膜细胞荚膜、粘液层以及细胞壁

2 、第二因素：微生物细胞生活的环境

pH值、温度

3 、第三因素：被吸收物质的特性。

分子量、溶解度

(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性 )


二、微生物对营养物质的吸收方式

是否消耗能量是否需要载体是否发生被吸收物的化学变化。。。。。。。

单纯扩散促进扩散主动运输基团转位

根据微生物对物质的吸收过程：


二、微生物对营养物质的吸收方式1 、单纯扩散（称被动扩散）被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。

S S

S

SS

S

S

SS

SS

SS

S

S

SS

S

S

SS

S

S

胞外胞膜胞内

SS

S


二、微生物对营养物质的吸收方式1 、单纯扩散（称被动扩散）

单纯扩散的特点：

c. 运输动力

a. 非特异性的b. 吸收过程不发生化学变化


二、微生物对营养物质的吸收方式1 、单纯扩散（称被动扩散）营养物质单纯扩散能力的影响因素：

a. 吸收营养物质的分子大小

b. 溶解性 ( 脂溶性或水溶性 )

c. 极性大小

d. 膜外 pH

e. 温度。



SS

S

SS

S

SSS

SSSS

S T

SS

SS

S

S

胞外胞膜胞内

2 、促进扩散以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）

T

S T S T



2 、促进扩散与单纯扩散的相同点：

c. 无需代谢能。

a.被动的扩散。

b. 无化学变化。



2 、促进扩散

促进扩散独有的特点：载体使营养物质的扩散加快，它会影响该营养物质在膜内外建立浓度的动态平衡状态吗？

a. 载体的专一性 b. 运输速率提高



3 、主动运输

以代谢能为动力，在载体参与下，将物质从胞外向胞内转运。

SS

S

S

S

SSS

SS

S

ST

SS

SS

S

S

胞外胞膜胞内

T

S T S T



3 、主动运输

主动运输同促进扩散的共同点：

a. 载体

b. 载体构型的变化。



3 、主动运输

主动运输与促进扩散的不同点：

a. 动力

b. 载体构型变化原理



4 、基团转位：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）

大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输



4 、基团转位：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）

大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输


三、几种主要营养物质的吸收

1 、糖：促进扩散、基团转位、主动运输。

2 、肽与氨基酸：

主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）

3 、离子：

主动运输

第三节培养基

培养基 : ( 教材Ｐ１６ )

是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。

培养基的作用：

为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。

第三节培养基

一、配制培养基的基本原则

1 、适合不同微生物的营养特点。

(1) 从营养型的角度看

生理特点不同细菌放线菌霉菌

营养要求不同牛肉膏蛋白胨培养基高氏一号培养基马丁氏培养基或蔡氏培养基

(2) 从类群的角度看

自养微生物合成能力强简单的无机物

异养微生物合成能力弱至少提供一种有机物

第三节培养基


2 、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。

(1) 浓度适中原则

大量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L

第三节培养基


2 、调配好培养基中各种营养成分的比例和浓度。

(2) 营养比例原则

a. C/N

b. 其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）

同一种微生物在不同 C/N 培养基培养时，表现不同。

短棒杆菌的谷氨酸发酵　　培养基 C/N=4:1 ，菌体繁殖；

　　　　　　　　　　　 C/N=3:1 ，谷氨酸形成

不同的微生物，所需营养物 C/N 不同。

细菌、酵母菌细胞的 C/N=5:1 ，而霉菌 =10:1 （？）

水处理中进水的 BOD5 N P(∶ ∶ 教材 P16)

第三节培养基

一、配制培养基的基本原则3 、控制培养条件

pHO2CO2渗透压

微生物生长繁殖培养条件影响

影响

微生物培养体系

(1) 培养基的 pH值的控制。

第三节培养基


a. 根据各类微生物的特点来调节培养基的 pH值。

霉菌、酵母菌适于酸性， (pH4.5-6.0左右 )

细菌、放线菌喜中性或偏碱性 (pH7.0-7.5左右 )

(1) 培养基的 pH值的控制。

第三节培养基


磷酸盐、碳酸盐、蛋白胨、氨基酸 (配制培养时加入 )

磷酸盐缓冲作用的反应式为：

H+(强酸 )+HPO 4 = (弱碱 ) H2PO 4 - (弱酸 )

OH-(强碱 )+H2PO4 -(弱酸 ) HPO 4

= (弱碱 )+H2O

碳酸钙（配制培养基时加入）

酸或碱（培养过程中加入）

b.使用 pH值缓冲剂

由微生物与氧气的关系形成了三类微生物：

专性好氧性微生物专性厌氧性微生物兼性厌氧的微生物

第三节培养基


实践对策：

专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。

专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂

（胱氨酸、巯基乙酸钠、 Na2S 和抗坏血酸）

(2) O2浓度的调节

（ 3 ） CO2 的调节

对自养微生物来说，空气中只占容积的 0.03% 的 CO2 量意味着什么？

第三节培养基


增加 CO2 供应的途径：紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入 NaHCO3

按培养基成分分

按培养基的用途分

按物理性状分

第三节培养基

二、培养基的类型

培养基类型

合成培养基

天然培养基

基本培养基富集培养基鉴别培养基

固体培养基液体培养基半固体培养基

1 、按照培养基成分分： a. 合成培养基化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。

第三节培养基


高氏一号合成培养基

可溶性淀粉 20.0 克

KNO3 1.0 克

K2HPO4 0.5 克

MgSO4·7H2O 0.5 克

NaCl 0.5 克

FeSO4 ·7H2O 溶液 2滴（ 10%）

蒸馏水 1000毫升

1 、按照培养基成分分：

第三节培养基


b. 天然培养基

以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）

牛肉膏蛋白胨培养基

牛肉膏 3.0 克

蛋白胨 10.0 克

食盐 5.0 克

蒸馏水（自来水） 1000毫升

2 、按照培养用途：

第三节培养基


b. 富集培养基 (增殖培养基）

为分离某种微生物配制出的适合它生长而不利于其他微生物生长的培养基。

c. 鉴别培养基

根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物的培养基。（伊红 - 甲基蓝培养基鉴别大肠杆菌 ( 菌落小 ,绿色光泽 ) 和产气肠杆菌 ( 菌落大 ,灰棕色 ) ）

a. 基本培养基

将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。

3 、按照培养基的物理性状

第三节培养基


b. 液体培养基

未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。

c. 半固体培养基

在液体培养基中加入少量琼脂（ 0.2-0.5% ）。

a. 固体培养基

在液体培养基中加入凝固剂使呈固体状态，称为固体培养基。 (琼脂 1.5-2%

)

微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。微生物合成代谢：小分子合成复杂大分子的过程；（教材Ｐ２７同化作用）微生物分解代谢：细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程。（教材２７异化作用）

微生物的代谢

物质代谢

能量代谢

产能代谢

耗能代谢

分解代谢

合成代谢

第四节微生物的代谢


一、微生物的产能代谢

（一）微生物产能代谢的本质

生物氧化

生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。

A—H2

A

辅　　酶

辅酶－ H2 受氢体

受氢体－ H2

脱氢酶氧化酶

生物氧化基本过程 ( 教材 P29图 2-5)



（二）高能键化合物

高能键化合物的共性：高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型——

光能光能营养型微生物

化能营养型微生物化学能

耗能代谢

合成代谢和分解代谢

ATP

ADP



（二）微生物的主要产能方式

发酵

呼吸

无机物氧化

光能转换（光合磷酸化）

产能方式

共同点：氧化还原反应区别点：电子最终受体氧化基质

1 、发酵（代谢发酵）



有机物

氧化的基质最终受氢体

有机物氧化

有机物

(1)发酵的特点：

工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。

微生物或细胞在不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生 ATP 的一种方式。



(2) 酵母菌乙醇发酵

（ 1 ）氧化基质：葡萄糖（ 2 ）最终的受氢体：乙醛（ 3 ）丙酮酸脱羧酶

发酵特点

C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP

葡萄糖

1 ， 6- 二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛

1 ， 3- 二磷酸甘油酸

3-磷酸甘油酸

2-磷酸甘油酸

乙醇

乙醛

丙酮酸

磷酸烯醇式丙酮酸

2NAD+

2NADH

2ATP

2ADP

2ADP

2ATP2ADP

2ATP

[O] [H]

丙酮酸脱羧酶

(3) 正型乳酸发酵 C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+2ATP

葡萄糖

1 ， 6- 二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛

1 ， 3- 二磷酸甘油酸

3-磷酸甘油酸

2-磷酸甘油酸

乳酸

丙酮酸

磷酸烯醇式丙酮酸

2NAD

2NADH

2ATP

2ADP

2ADP

2ATP2ADP

2ATP

[O] [H]（ 1 ）氧化基质：葡萄糖（ 2 ）最终的受氢体：丙酮酸

发酵特点





(4)发酵类型的比较

b. 糖酵解过程是两发酵类型 ATP产生的唯一来源。基质（底物）水平的磷酸化

底物在其氧化过程中形成某些具有高能磷酸键的中间产物，这类中间产物，可将其高能键通过酶的作用转给 ADP 而形成 ATP 的过程。

在 EM途径中，哪些是具有高能磷酸键的中间产物？

两个发酵类型的共同点：

a. 糖酵解途径 (EMP) 是发酵的主要途径。 ( 教材 P30图 2-6)

巴斯德效应：一些兼性厌氧菌在无氧条件下进行发酵作用，而有氧条件下进行呼吸作用的现象。



(4)发酵类型的比较

不同点：

丙酮酸

丁酸丁醇发酵

丙酸发酵

混合酸发酵

丁二醇发酵

正型乳酸发酵

酒精发酵



2 、呼吸微生物以 O2 或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。



2 、呼吸 (1) 特点：

b. 电子载体传递电子伴随 ATP 大量形成。

（氧化磷酸化、电子传递水平磷酸化 )

a. 电子载体传递电子。

电子传递链

一系列电子载体按照氧化还原电位升高的顺序排列而成的链（教材 P.34图 2-4 ，呼吸链）



2 、呼吸 (2) 类型（据电子最终受体分）

b. 厌氧呼吸：

最终电子受体：无机物；底物：有机物。

NO3－ SO4

＝ CO3＝

硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原

a. 有氧呼吸：

最终电子受体：分子氧；底物：有机物。



3 、无机物氧化：（好氧的化能自养型）

H2 、 NH3 、 HNO2 、 H2S （氢细菌、硝化细菌和硫细菌

）

H2+1/2O2 H2O

底物：无机物；最终受氢体：氧气

电子传递水平磷酸化或底物水平磷酸化



4 、光能转换：（光合磷酸化）特点：光合生物、光合色素（蓝细菌：叶绿素，放氧光合作用；细菌：菌绿素，不放氧光合作用）

产能方式底物电子受体 ATP产生方式微生物营养型

发酵有机物中间产物底物水平磷酸化化能异养型

呼吸有机物 O2 或无机物电子传递或基质水平化能异养型

无机物氧化无机物 O2 电子传递或基质水平化能自养型

光能转换光合磷酸化光能自养异养



不同产能方式特征的比较


二、微生物的合成代谢

（一）合成代谢产物类型

1 、细胞结构物质（蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸） 2 、次生代谢产物

次级代谢（次生代谢产物）：避免初级代谢过程中某种中间产物积累造成的毒害的而产生的一类有利于生存的代谢类型。

初级代谢（初级代谢产物）

与微生物的产能代谢和耗能代谢的有关的代谢类型。


二、微生物的合成代谢

（二）微生物合成代谢的生化过程异养菌合成代谢分三层次进行：

第一层次：降解反应。（碳的骨架、能量）

多糖——单糖——小分子碳的化合物（ C1-C7 ）（酶促）

第二层次：小分子合成反应（大分子合成的前提）

碳化合物——小分子（氨基酸、氨基已糖、核苷酸）（酶促）

第三层次：小分子合成大分子

（蛋白质、核酸、多糖）。

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第 六 章 微生物营养与代谢

第六章微生物营养与代谢