细菌的营养

细菌的营养——营养物质的功用及其种类 1 .营养物质的主要功用 ( 1 )合成原生质的构成物:营养物质的分子可作为一个单位并入一种菌体成分中,或者经过分解后转化为较简单的分子,再合成为菌体成分。例如,氨基酸可以作为一个单位参加菌体蛋白质的合成.也可以经过脱氨作用产生氨,再合成为需要的氨基酸和蛋白质。 ( 2 )产生生命活动所需要的能量:构成原生质为物质在参予生命活动时都能产生能量,但有些称为能量物质的如葡萄糖,在分解时能放出较多的能以供细胞生命活功之用。 ( 3 )调节新陈代谢:另外一些营养物质如维生素等,既不能供给能量,也不是构成原生质的物质,但在细菌的新陈代谢中起着重要的调节作用,例如促进氧化还原作用、氨基酸代谢作用等。 2 .各种所需的营养物质的功用 (1)水——细菌原生质含水约75~85%。水在生化反应中极为重要。细菌所需营养物质须成水溶液状态才能被细菌吸收。水解作用和许多生化反应也都需要有水才能进行。没有足够的能供细菌利用的水,细菌即难以生长繁殖。 表示一种物质含有能供细菌利用的水量的指标,称为水活性值,简称Aw值。这是一个相对的数值。其含义为在相同温度下,物质的水蒸汽压和纯水的蒸汽压的比值。 ( 2 )盐类:许多细菌需要有金属盐类才能生长好,但因其需要量很少,其他营养成分中也常带有这些盐类,所以常被忽视。若用鳌合 剂除去培养基中的金属离子,则可以研究某种金属对哪些细菌的生长是必需的。一般来说,培养基中若含有钠、钾、镁、铁、硫酸盐、磷酸盐、氯化物等,即可满足细菌对这类物质的要求。其他锰、钻、钙、铜等也有一些特殊的作用。盐类一部分生成有机化合物,一部分构成无机物。其主要功用如下: ①构成菌体的成分, ②作为酶的组成部分或维持酶的活性: ③调节渗透压: ④作为自养菌的能量来源。 盐类对于细菌生长的影响较为复杂。浓度太高时,对细菌的生长有抑制(毒性)作用,而有些盐类在较低浓度时却能刺激细菌的生长。兹将各种较重要的盐类及其功用简述如下: 磷细菌体中磷的含量较多。磷在细菌的代谢活动中占有重要地位一部分的磷构成核酸、磷脂。许多辅酶或辅基.如辅酶I 、辅酶II 、辅酶A、各种磷酸腺苷(ADP 、ATP 等)黄酶的辅基、辅羧化酶、磷酸维生素乙等都合有磷酸。磷酸化作用是代谢主要步骤之一。高能磷酸键有贮存和运送能量的作用。磷酸盐是主要缓冲剂之一。 巨大芽孢杆菌的芽孢在没有磷的情况下,只能发芽而不能发育。加入磷酸盐可捉进芽孢进一步的发育。虽然芽孢中含有 2.5%的磷,但这些磷可能在出芽时已被用尽,或不能供芽孢发育之用。有锰离子存在时,磷酸盐被利用更快。 硫硫氢基(-SH )是许多海类的必要基。辅酶A、谷胱苷肽等辅酶 都含有硫氢基。硫氢基被氧化或同重金属结合时,酶的活性消失。加入含硫氢基的化合物如二巯基丙醇,半胱氨酸等则活性恢复。硫是某些自养菌的能源。 铁铁是过氧化氢酶、过氧化物酶,细胞胞色素、细胞色素氧化酶的组成部分。缺铁时,这些酶的合成就要受到影响。大肠杆菌缺铁时即会缺少甲酸解氢酶,不能分解甲酸为H2和CO2 ,所以分解葡萄糖时,产酸不产气。灵杆菌在铁的浓度为0.1-2.0 ppm 时,才能生成红色灵杆菌素。厌氧菌(破伤风杆菌、梭状芽泡杆菌)的生长也需要铁,最适浓度为0.5 -0.6ppm。铁对细菌产生毒素也很重要,只有在定约浓度铁的范围内才能产生毒素。例如,白喉杆菌在含铁0.14mg/L 的培养基中。毒素产量最高;铁的浓度达到0.6mg/ L ,则完全不产生毒素。 镁镁与核糖核酸结合成复合物,并存在于革兰氏阳性菌菌体的表层,与革兰氏染色有关。细菌为了生存和生长,也需要镁离子。各种菌需要的绝对量各不相同。革兰氏阴性的灵杆菌需要4-6 ppm ;而革兰氏阳性菌如枯草杆菌、则需要2.5 ppm,蕈状芽胞杆菌需40 ppm。革兰氏阳性菌生长所需要的镁的浓度足以抑制革兰氏阴性菌的生长。有些酶类.如磷酸化酶,烯醇化酶等的活性.都需要镁。这些酶类和醣类的代谢有关。镁也是细菌叶绿素的组成元素。镁对重金属如钴和镍的毒性有拮抗作用。镁盐是布鲁氏杆菌所必须的离子,而且锰不能代替之。 锰醣代谢中许多酶类的活性都需要锰。锰对于羧化作用是必需的。 阿拉伯糖乳酸杆菌对丙酮酸的分解需要锰。黄嘌呤氧化酶中含有锰。10-8M 锰离子对枯草杆菌繁殖体的生长没有什么影响,但能使该菌芽胞的产生在24小时内达到最高峰,假若锰离子在该菌对数生长期后6小时再加入,就不能刺激芽胞的形成。锰离子也能刺激巨大芽孢杆菌的呼吸和发芽。 钙钙在细菌营养需要中占次要地位。大肠杆菌的生长石需要供给钙。而变形杆菌则需要钙以合成蛋白酶。自养菌中亚硝酸菌的生长也需要钙。 在37 ℃培养鼠疫杆菌时,其毒株的迟滞期比无毒株长。在基础培养基中加入牛奶,能使毒株加快生长。促进毒株生长的因子是牛奶中的钙离子。培养鼠疫杆菌毒株于含有0.02 M 镁离子的合成培养基中,需要0.002 -0.004M 钙离子才能生长,说明镁和钙离子有拮抗作用。对无毒菌株的生长,镁离子可以代替钙离子。利用有毒株与无毒株这种营养要求的差别,制备相应的鉴别培养基,可以区别菌株有无毒力。在37℃通气液体培养基中连续传代时,钙离子能阻止鼠疫杆菌毒力的丧失。 钾钾离子与磷的传递作用有关。当酵母发酵葡萄糖时,吸收两个磷酸根,生成二磷酸果糖。若酵母液完全不含钾离子时,则酵母只能使二磷酸果糖发酵,而不能使一磷酸果糖发酵,可见在传递第二个磷酸根时,需要钾离子。三磷酸腺苷的水解(产生磷酸)和苹果酸的脱叛作用也需要钾离子。钾的盐类在土拉巴氏杆菌氧化谷氨酸或葡萄糖时是必需的。 钴钴能抑制血红蛋白和白喉杆菌高铁血红素(Hemin)的合成。若在合成培养基中加入不同量的钴盐,接种光滑型流产布鲁氏菌,则一定浓度的钴盐能抑制非光滑型变株的产生。光滑型和非光滑型变株在含估盐的培养丛中生长时呼吸作用显著降低。此外,钴是维生素B12的组成元素之一。 其他元素:钼和钒能促进固氮作用。铜能刺激醋酸菌氧化乙醇,且与霉菌孢子的色素形成有关。白喉杆菌需要微量的铜和锌以促进生长。锌盐加入含有甘氨酸的培养基中,可以刺激卡介苗的生长,提高其生化活性,并增加菌体的产量。 在抗菌素发酵过程中,适量的某些金属离子的存在,对抗菌素的生产起着一定的有利作用。如硫化物可以增加青霉素的产量。铁离子能降低金霉素的效价、其原因是铁和青霉素的结合,而镁和锌则能促迸其产量。 锌和铁对黑色曲霉菌糖化酶的形成是必需的,但受其他微最元素的制约。糖化酶是一种适应酶,因此它的生成和培养基条件极有关系。在含3 %蔗糖的培养摹中加入锌离子10mg / 100ml 时,产量最高;再增加锌量时,产量又减低。加入铜离子0.5mg 时,培养液中和菌丝中酶的含量最多。铜的浓度再增加时,酶的产量又下降。铜的作用可因铁、锌和锰的存在而增强。锰可使培养液中和菌丝中的糖化酶增加但能抵消锌的作用。由此可见细菌利用各种微食元素不仅有适量的问题,还有各种微量元素之间的协同作用和拮抗作用问题。 ( 3 )氮源:各种细菌的合成能力多有不同,所以对氮源的需要互有 差异。有的细菌可以利用无机氮源,如铵盐或硝酸盐,有的则需要有机含氧化合物。合成能力较强的大肠杆菌能利用无机氮(硫酸铵)合成天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸,氨基丁酸,缬氨酸和异亮氨酸 6 种氨基酸。有的酵母菌能在以铵盐作为唯一氮源的合成培养基中生长,并合成苯丙氨酸,色氨酸、酪氨酸和赖氨酸;在含硫化锌的培养基中,合成苯丙氨酸,组氨酸和亮氨酸;在含碘化钾的培养中,合成色氨酸、酪氨酸,组氨酸和丙氨酸。 氨基酸不仅是痢疾杆菌的氮源,而且也是其能最来源。氨基酸中二羧基氨基酸可以被痢疾杆菌大部分菌株所利用。福氏菌和宋内氏菌在含天冬氨酸的培养基中生氏最好,而精氨酸和半胱氨酸则不易被同化,酪氨酸很难进入细胞体内。在不同生长阶段、细菌的代谢清祝可有不同;不同菌型也公有所差异。痢疾杆菌多数菌株在有谷氨酸时才能生长。福氏2a型痢疾杆菌利用天冬酰胺、天冬氨酸时,耗氧量最大,产生二氧化碳和氨的量也最多。 谷氨酸为合成绿脓菌素的良好氨基酸,但可为类似的氨基酸(如氨基丁酸、谷氨酰胺,天冬氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、精氨酸、组氨酸,丙氨酸)所代替;当有铵离子加入时,也可为三羧酸循环中一些有机酸(如琥珀酸、延胡索酸、丙酮酸)所代替。这说明绿脓杆菌能利用氨和有机酸来合成氨基酸。 胱氨酸酸,半胱氨酸或谷胱甘肽是百日咳杆菌生长必需的含硫氨基酸。 马尔他布氏杆菌有些菌株在含谷氨酸、丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、蛋 氨酸和胱氨酸的培养基中生长最好;而猪布氏什菌的生长则需要胱氨酸、组氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸。 葡萄球菌生长时所需要的氨基酸为丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、精氨酸、组氨酸和赖氨酸,而其必需的氨基酸则为甘氨酸、缬氨酸和L-脯氨酸。某些细菌需要的氨基酸, ( 4)碳源:碳源和能源通常由醣类,有机酸和脂类等供给各种细菌对碳源的需要是不同的。醣类一般最容易被利用,其次容易被利用的为醣类的中间代谢产物,如苹果酸、柠檬酸、琥珀酸和乳酸等;再其次为脂肪酸。有些细菌对碳的要求较为严格,而另一些细菌则可以片许多化合物作为碳源和能源。例如福氏2a型痢疾杆菌在含有葡萄糖、果糖或甘露醇的合成培养基中生长最好,在含麦芽糖、阿拉伯糖的培养基中生长次之,在含木糖、水杨苷、卫茅醇、鼠李糖、蔗糖、肌醇或乳糖的培养基中则不生长。这因该菌对这些糖的发酵情况是不一致的。此外,在培养结核杆菌的许多培养基中,都是以甘油作为碳源。其些分解糖类能力较差的梭状芽胞杆菌则以氨基酸作碳、氮和能量的来源。 化验师:朱玺瑜 2011年10月29日星期六