03第六章微生物的营养与生长

carrier proteins transport speed
against gradient Non
Active transport
Active transport is the transport of solute molecules to higher concentrations, or against a concentration gradient, with the use of metabolic energy input.
2 NH4 + 3 O2 + 2 H2O
亚硝酸细菌
2 HNO2 + 4 H+ + 4OH- +能量
CO2 + 4H＋
（CH2O） + 4 H2O
1.2.3 光能异养型微生物
这种类型的微生物以光能为能源，利用有机物作为 供氢体，还原CO2，合成细胞的有机物质。 深红螺菌（Rhodospirillum rubrum）利用异丙醇 作为供氢体，进行光合作用并积累丙酮，这类微生 物生长时大多需要外源性的生长因素。
化能异养型 有机物 有机物的氧化降 解 有机物
CO2 或可溶性碳 CO2 或可溶性碳 酸盐 酸盐 光能 无机物的氧化
无 机 物 (H2O 、 无机物（H2S、 小分子有机物 H2S 等) H2、 Fe2+、 NH3、 NO2-等） 蓝细菌、绿硫细 菌 硝化细菌、硫化 菌、氢细菌、铁 细菌等 红螺菌
代表种
1.3.4 基团转位（group translocation）
这种方式除具有主动运输的特点外，主要是被转运 的物质改变了本身的性质，有化学基团转移到被转 运的营养物质上面去。 酶Ⅰ、酶Ⅱ和热稳定蛋白（HPr）、磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) （磷酸供体）
Simple comparison of transport systems
大多数细菌，全 部真菌、放线菌
1.2.1光能自养型微生物 利用光能为能源，以二氧化碳（CO2）或可溶 性的碳酸盐（CO32-）作为唯一的碳源或主要碳 源。以无机化合物（水、硫化氢、硫代硫酸钠 等）为氢供体，还原CO2，生成有机物质。
蓝细菌 Cyanobacteria
CO2 + H2O
光 + 叶绿素
（CH2O） +O2
绿硫细菌Purple and green bacteria
CO2 + 2H2S
光 + 菌绿素
（CH2O） + H2O + 2S
1.2.2 化能自养微生物
这一类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，利用这种能 量去还原CO2或者可溶性碳酸盐合成有机物质。
如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌就可以分别 利用氧化NH3、NO2-、Fe++、H2S和H2产生的化学能来还原CO2，形 成碳水化合物。
微生物类型 水 分 含 量 （%） 细菌 75～85 霉菌 85～90 酵母菌 75～80 芽孢 40 孢子 38
作用：
结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份， 是微生物细胞生活的必要条件。 游离态的水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应 的介质；是维持细胞渗透压的必要条件。能有效地调节细胞内的温度。
深红螺菌 (Rhodospirillum rubrum)
CO2 + 2CH3CHOHCH3
光 + 菌绿素
（CH2O） + H2O + 2CH3COCH3
1.2.4 化能异养型微生物 这种类型的微生物其能源和碳源都来自于有机物，能源来 自有机物的氧化分解，ATP通过氧化磷酸化产生，碳源直 接取自于有机碳化合物。它包括自然界绝大多数的细菌， 全部的放线菌、真菌和原生动物。 分为腐生型和寄生型。寄生又分为绝对寄生和兼性寄生。
A model of facilitated diffusion The membrane carrier can change conformation after binding an external molecule and subsequently release the molecule on the cell interior. It then returns to the outward oriented position and is ready to bind another solute molecule.
第6章 微生物的营养与代谢
1. 微生物的营养 2. 微生物的生长
6.1 微生物的营养
• • • • 1.1微生物细胞的化学组成和营养要素 1.2 微生物对营养物质的吸收 1.3 微生物的营养类型 1.4 培养基（medium）
微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为 微生物的营养（nutrition）
1.3.2促进扩散（facilitated diffusion）
细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能的特异性 蛋白质，称为渗透酶 （permeases） 或carrier proteins 其特点也是由高浓度区向低浓度区扩散，所不同的地 方是这种运输有渗透酶参与，加速了营养物质的透过 程度 。促进扩散过程是由浓度梯度来驱动的，不需耗 费代谢能量。
在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌都能 自己合成许多生长辅助物质，不需要另外供给就能正 常生长发育。
1.2 微生物的营养类型
根据对碳源的需求，无机有机，分为自养和异养。根据能量来 源，光能化能，分为光能型和化能型，合起来分四类。
代谢特点 光能自养型 碳源 能源 供氢体 营养类型 化能自养型 光能异养型 小分子有机物 光能
划分异养型微生物和自养型微生物时的标准不在于它们 能否利用CO2，而在于它们是否能利用CO2作为唯一的 碳源或主要碳源。上述各营养型划分并非绝对的，也有 过渡类型。
1.3 微生物对营养物质的吸收方式 1.3.1单纯扩散（simple diffusion or passive transport ）
• （４）能源 • 能为微生物生命活动提供能量来源的营 养物或辐射能称为能源。 • 化学物质：有机物（也是碳源），无机 物（非碳源，氨，氮，硫，氢等的还原 态） • 辐射能：光能
（５） 无机元素
微生物细胞中的矿物元素约占干重的3％～10％左右，它是微生物 细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。 许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细 胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。有 些自养微生物需要利用无机矿质元素作为能源。根据微生物对矿质元 素需要量的不同，分为常量元素和微量元素。 常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量 很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、 三磷酸腺苷（ATP）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生 物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的 活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质膜的通透性 和细胞代谢活动的功能。 微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在 培养基中含有0.1mg/L或更少就可以满足需要。所以在制作培养基时， 使用天然水如井水、河水或自来水其中微量元素的含量已经足够，无 需添加，过量的微量元素反而对微生物起到毒害作用。
Items Passive diffusion Non Slow Facilitated diffusion Yes Rapid Non Specificity Active transport Yes Rapid Yes Specificity Group translocation Yes Rapid Yes Specificity
Because there is no energy input, molecules will continue to enter only as long as their concentration is greater on the outside.
1.3.3 主动运输（active transport）
这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物 质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。 其特点是物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度），这是 一种单纯的物理扩散作用，不需要能量。一旦细胞膜两侧的浓 度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡），简单扩散也 就达到动态平衡。但实际上，进入细胞内的物质总在不断被利 用，浓度不断降低，细胞外的物质不断进入细胞。单纯扩散是 非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与膜上的 分子发生反应。扩散的物质本身也不发生改变。单纯扩散的物 质主要是一些小分子物质，如一些气体（O2、CO2）、水、某 些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。
⑵ 碳源物质 来源：无机碳源物质和有机碳源物质。能提供碳素的物质统称碳源。 无机碳源：光合细菌如蓝细菌、绿硫细菌、紫硫细菌、红螺菌；化能自 养型微生物如硝化细菌和硫化细菌。 有机碳源：绝大多数的细菌以及全部放线菌和真菌都是以有机物作为碳 源的。糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、 麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。所以我们在制作培养基时 常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。此外，只要微生物具有分解它们的能力 含碳有机物均可以利用。有机碳源物质既提供碳素营养，同时又是能源 物质。 在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品 如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为 微生物生产中的廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。 石油或石油产品也开发成为微生物的碳源加以利用。
⑶ 氮源物质
微生物细胞中含氮5％～13％，蛋白蛋和核酸的主要成分。无机的 氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌如硝化细 菌可利用铵态氮和硝态氮作为氮源和能源。