微生物第4章微生物营养.ppt

第四章 微生物的营养 本章内容： 第一节 微生物的营养要求 第三节 营养物质进入细胞方式 第二节 培养基 微生物的营养类型及其特点 如何根据需要正确地选择和使用培养基 微生物吸收营养物质的主要方式及其基本特点 本 章 学 习 重 点 ： 第一节 微生物的营养要求 一、微生物细胞的化学组成 微生物细胞 水： 70%-90% 干物质 有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等 及其降解产物 无机物（盐） 微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性” 细胞化学元素组成： 主要元素 ： 碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等； 微量元素 ： 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。 （参见 P79 84） 第一节 微生物的营养要求 二、营养物质及其生理功能 微生物与动植物营养要素的比较 微生物动物 （异养） 异养 自养 绿色植物 （自养） 碳源 糖类、脂肪 糖、醇、有机酸等 二氧化碳、碳酸盐等 二氧化碳 氮源 蛋白质及其降解物 蛋白质及其降解 物、有机氮化物、 无机氮化物、氮 无机氮化物、氮 无机氮化物 能源 与碳源同 与碳源同 氧化无机物或利用日 光能 利用日光能 生长因子 维生素 有些需要维生素等 生长因子 不需要 不需要 无机元素 无机盐 无机盐 无机盐 无机盐 水分 水 水 水 水 第一节 微生物的营养要求 三、微生物的营养类型 异养型生物 自养型生物 生长所需要的营养物质 生物生长过程中能量的来源 光能营养型 化能营养型 （参见 P84） 第一节 微生物的营养要求 三、微生物的营养类型 微生物的营养类型 营养类型 电子供体 碳源 能源 举例 光能无机自养型 （光能自养型） H 2 、 H 2 S 、 S 或 H 2 O CO 2 光能 着色细菌、蓝细菌、藻类 光能有机异养型 （光能异养型） 有机物 有机物 光能 红螺细菌 化能无机自养型 （化能自养型） H 2 、 H 2 S 、 Fe 2+ 、 NH 3 或 NO 2 - CO 2 化学能 ( 无机物氧化 ) 氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞 菌属 (N itro somo nas) 、甲烷杆 菌属 (M etha noba cter ium) 、醋 杆菌属 (Ace toba cter ) 化能有机异养型 （化能异养型） 有机物 有机物 化学能 （有机物氧化 ) 假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳 酸菌属、真菌、原生动物 （参见 P84） 三、微生物的营养类型 不同营养类型之间的界限并非绝对 有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型也会发生改变； 例如紫色非硫细菌 (purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化 CO2， 为 自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为 异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，为 光能营养型微生物； 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长， 为 化能营养型微生物； 微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条 件变化的适应能力 第二节 培养基 培养基 ： 人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生 代谢产物的营养基质。 碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水 （参见 P85） 任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理 （ P88 第 3大段） ； 常规高压蒸汽灭菌： 常用 121 （ 15磅） 15-30分钟 某些成分进行分别灭菌； 过滤除菌 ； 第二节 培养基 （参见 P85） 一、选用和设计培养基的原则和方法 在微生物学研究和生产实践中，配制合适的培养基是一项最基本的要求。 1、选择适宜的营养物质 2、营养物的浓度及配比合适 3、物理、化学条件适宜 4、经济节约 5、精心设计、试验比较 一、选用和设计培养基的原则和方法 1、选择适宜的营养物质 培养 不同的微生物 应根据其特点采用 不同的培养条件 ； 培养目的不同，原料的选择和配比不同； 实验室的常用培养基： 细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）； 放线菌： 高氏 1号合成培养基培养； 酵母菌： 麦芽汁培养基； 霉菌： 查氏合成培养基； 例如枯草芽胞杆菌： 一般培养： 肉汤培养基或 LB培养基； 自然转化： 基础培养基； 观察芽胞： 生胞子培养基； 产蛋白酶： 以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基； （参见 P85） 实验室一般培养： 普通常用培养基 ； 遗传研究： 成分清楚的合成培养基 ； 生理、代谢研究：选用相应的培养基配方； 一、选用和设计培养基的原则和方法 2、营养物质浓度及配比合适 营养物质的浓度适宜； 营养物质之间的配比适宜； 高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能 维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。 （ P87 第 2大段） 培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长 繁殖和 (或 )代谢产物的形成和积累，其中碳氮比 (C/N)的影响较大。 （ P87 第 2大段） 发酵生产谷氨酸时： 碳氮比为 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少； 碳氮比为 3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。 （参见 P87） 一、选用和设计培养基的原则和方法 3、物理化学条件适宜 pH； 氧化还原电位； 3、物理化学条件适宜 1） pH 培养基的 pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型 微生物的生长繁殖或产生代谢产物。 （ P87 第 3大段） 通常培养条件： 细菌与放线菌： pH77.5 酵母菌和霉菌： pH4.56范围内生长 为了维持培养基 pH的相对恒定，通常在培养基中加入 pH 缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。 （ P87 第 3大段） 3、物理化学条件适宜 2）氧化还原电位 （参见 P87） 又称氧化还原电势（ redox potential）， 是度量某氧化还原系统中 的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是 V（ 伏）或 mV（ 毫伏）。 好氧性微生物： +0.1伏 以上时可正常生长 ,以 +0.3 +0.4伏 为宜； 厌氧性微生物： 低于 +0.1伏 条件下生长； 兼性厌氧微生物： +0.1伏 以上时进行好氧呼吸 , +0.1伏 以下时进行发酵。 （ P 88 第 1大段） 3、物理化学条件适宜 2）氧化还原电位 （参见 P85） 氧化还原电位与 氧分压 和 pH有关，也受某些微生物 代谢产物 （培养基成分） 的影响 （ P 88 第 1大段） 增加通气量 (如振荡培养、搅拌 )提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加 值； 反之， 煮沸驱氧后将培养基与空气隔绝 ，以及 在培养基中加入抗坏血酸（ 0.1%）、硫化氢 (0.025%)、半胱氨酸 (0.05%)、谷胱甘肽、 二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低 值。 （ P 88 第 1大段） 一、选用和设计培养基的原则和方法 4、经济节约 （参见 P88 第 2大段） 配制培养基时应 尽量利用廉价且易于获得的原料 作为培养基 成份 ,特别是在发酵工业中 ,以 降低生产成本 。 （ P88第 2大段） 以粗代精 以“野”代“家” 以废代好 以简代繁 对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。 而且在经济上也节约。 以野生植物原料代替栽培植物原料 ， 如木薯、橡子、薯芋等 都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发 酵的碳源。 以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。 例如， 糖蜜 (制糖工业中含有蔗糖的废液 )、 乳清 (乳制品工业中含有 乳糖的废液 )、 豆制品工业废液及黑废液 (造纸工业中含有戊糖和己 糖的亚硫酸纸浆 )等都可作为培养基的原料。 工业上的甲烷发酵主要利用 废水、废渣 作原料 , 在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。 另外 ,大量的农副产品或制品，如 麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、 酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨 等都是常用的发酵工业原料。 某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去 30-50%的 黄豆饼粉、 25%的葡萄糖和 20%硫酸铵，结果反而提高了产量。 一、选用和设计培养基的原则和方法 4、经济节约 （参见 P85） 配制培养基时应 尽量利用廉价且易于获得的原料 作为培养基成份 , 特别是在发酵工业中 ,以 降低生产成本 。 以粗代精 以“野”代“家” 以废代好 以简代繁 以烃代粮 以纤代糖 以无机氮代蛋白 以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。 生产石油蛋白 将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等 化工产品和若干合成物； 对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。 开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的 纤维素 农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的 食品及饮料。 以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类 非蛋白质或非氨基酸廉价 原料 用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮 的发酵产物供人们利用。 一、选用和设计培养基的原则和方法 5、精心设计、试验比较 进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件； 文献查阅，设计特定微生物的培养基配方； 试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件； 编 号 玉 米 粉 (%) 豆 饼 粉 (%) 麸 皮 (%) 酶活力（ U/ml） 40h 45h 50h 55h 1 4 3 0 11342.5 13880.3 13794.4 13712.5 2 5 3.5 0 12835.6 14560.3 14642.2 14231.7 3 6 4 0 13341.2 15783.9 15654.2 15321.7 4 7 4.5 0 13213.7 15568.3 15123.6 14892.3 5 4 3 0.5 11789.3 14553.2 14236.7 14111.2 6 4 3 1 12642.8 15107.6 15021.3 14972.3 7 4 3 1.25 11137.9 14236.9 14100.8 13932.5 8 4 3 1.5 10782.7 13453.8 13657.9 13697.3 不同培养基对 L106产蛋白酶的影响 第二节 培养基 （参见 P88） 二、培养基的类型及应用 1按成份不同划分 天然培养基 (complex medium) 以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成 （ P88 倒数第 2段） 合成培养基 (synthetic medium) 是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基 (chemically defined medium) （ p89 第 1大段） 营养物质 来源 主要成份 牛肉浸膏 瘦牛肉组织浸出汁浓缩而 富含水溶性碳水化合物、有机 成的膏状物质 氮化合物、维生素、盐等 蛋白胨 将肉、酪素或明胶用酸或 富含有机氮化合物、也含有一 蛋白酶水解后干燥而成的 些维生素和碳水化合物 粉末状物质 酵母浸膏 酵母细胞的水溶性提取物 富含 B 类维生素 , 也含有有机氮 浓缩而成的膏状物质 化合物和碳水化合物 第二节 培养基 （参见 P89） 二、培养基的类型及应用 2根据物理状态划分 固体培养基； 半固体培养基； 液体培养基； 第二节 培养基 （参见 P91） 二、培养基的类型及应用 3按用途划分 1）基础培养基 (minimum medium) 在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基 （ p91 第二大段） 终体积 （ ml ） 250 500 1000 （ NH 4 ） 2 SO 4 2g 4g 8g K 2 H P O 4 14g 28g 56g KH 2 PO 4 6g 12g 24g 柠檬酸钠 2H 2 O 1g 2g 4g 第二节 培养基 （参见 P91） 二、培养基的类型及应用 3按用途划分 1）基础培养基 (minimum medium) 在一定条件下含有某种微生物 原养型菌株 生长繁殖所需的 基本营养物质的培养基 2）完全培养基 (complete medium) 在一定条件下含有某种微生物 所有 营养缺陷突变菌株 生长繁殖 所需的所有营养物质的培养基 牛肉膏蛋白胨培养基就是完全培养基 （参见 P91） 二、培养基的类型及应用 3按用途划分 3）加富培养基 在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营 养物质制成的一类营养丰富的培养基。 血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。 用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日 咳博德氏菌 (Bordetella pertussis)需要含有血液的加富培养基。 根据待分离微生物的特点设计的培养基，用于从环境中 富集和分离某种微生物。 （目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并 逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。） 4）富集培养基（ enrichment medium） （参见 P91） 二、培养基的类型及应用 3按用途划分 4）鉴别培养基 (differential medium) 5）选择培养基 (selective medium) 用于鉴别不同类型微生物的培养基 特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化， 根据这种特征性变化 ,可将该种微生物与其他微生物区分开来。 （ p91 倒数第 2大段） 用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基 根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不 同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要 的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。 （ p91 倒数第 1大段 p92第 1段） 4）鉴别培养基 (differential medium) 最常见的鉴别性培养基是 伊红美蓝乳糖培养基 ，即 EMB培 养基。它在 饮用水、牛乳的大肠杆菌等细菌学检验以及 遗传学研究上 有着重要的用途。 5）选择培养基 (selective medium) 第三节 营养物质进入细胞 一、扩散 (diffusion) 物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关 ,分子量小、 脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。 （ P94 第 3大段） 水 是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子 ,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、 一些气体分子 (O2、 CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。 （ P94 第 4大段） 第三节 营养物质进入细胞 第三节 营养物质进入细胞 （参见 P94） 二、促进扩散 (facilitated diffusion) 物质运输过程中不消耗能量 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化 不能进行逆浓度运输 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。 借助与载体 (carrier)的作用 才能进入细胞 ; 每种载体只运输相应的物质，具有 较高的专一性 。 （ P94 倒数第 2段） 第三节 营养物质进入细胞 （参见 P95） 三、主动运输 (active transport) 在物质运输过程中需要 消耗能量， 可以进行 逆浓度 运输， 是广泛存在于微生物中的一种 主要的物质运 输方 式。 运输物质所需能量来源： 好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用 呼吸能 ； 厌氧型微生物利用 化学能 (ATP)； 光合微生物利用 光能 ； 嗜盐古菌通过紫膜 (purple membrane)利用光能； （ P95倒数第 2大段） 第三节 营养物质进入细胞 （参见 P96） 三、主动运输 (active transport) 1、初级主动运输 (primary active transport) 第三节 营养物质进入细胞 （参见 P96） 三、主动运输 (active transport) 2、次级主动运输 (secondary active transport) 同向运输 (symport) 逆向运输 (antiport) 单向运输 (uniport) 根据 H+进入细胞的方向而划分 四、基团转位 (group translocation) 基团转位主要存在于 厌氧型和兼性厌氧型细菌 中，主要用于糖 的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输 . 有一个 复杂的运输系统 来完成物质的运输； 物质在运输过程中发生 化学变化 ； 比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位 特异载体蛋白 运输速度 物质运输方向 胞内外浓度 运输分子 能量消耗 运输后物质的 结构 无 慢 由浓至稀 相等 无特异性 不需要 不变 有 快 由浓至稀 相等 特异性 不需要 不变 有 快 由稀至浓 胞内浓度高 特异性 需要 不变 有 快 由稀至浓 胞内浓度高 特异性 需要 改变 营养物质进入细胞的方式比较 第三节 营养物质进入细胞 第 4章 思考题 1）微生物的营养类型有哪些，请举例表示？ 2）能否找到一种培养基，使所有的微生物都能良好地生长？为什么？ 3）试比较营养物质进入微生物细胞的几种方式的基本特点。