Chapter微生物的营养

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter5,微生物的营养,1,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质。,细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程。,营养或营养作用,营养物质,2,5.1,微生物的营养六要素,5.1.1,微生物的化学组成,主要元素：,碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、镁、钙等,微量元素：,锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,占细菌细胞干重的97%,3,5.1.2,微生物的营养要素,营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可将它们区分成六大类：,1.碳源,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,碳源,氮源,能源,生长因子,无机盐,水,在微生物生长过程中能为微,生物提供碳素来源的物质,微生物利用的碳源物质主要有：,糖类、有机酸、醇、脂类、烃、,CO,2,及碳酸盐等,对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。,目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。,4,种 类,碳 源 物 质,说 明,糖,葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等,单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。,有机酸,糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等,与糖类比较效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致,pH,下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。,醇,乙醇,在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。,脂,脂肪、磷脂,主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。,烃,天然气、石油、石油馏分、石蜡油等,利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。,CO,2,CO,2,为自养微生物所利用。,碳酸盐,NaHCO,3,、,CaCO,3,等,为自养微生物所利用。,其他,芳香族化合物、氰化物,利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。,蛋白质、核酸等,当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。,5,2.,氮源,氮源谱,有机氮,无机氮,NH,3,铵盐,硝酸盐,N,2,蛋白质,核酸,氨基酸,尿素,能被微生物利用的含氮物质为氮源。,氮素是构成微生物细胞基本物质蛋白质和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化细菌能利用氨作为氮源和能源）。,实验室培养微生物常用的氮源主要有：铵盐、硝酸盐、尿素、,鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、,蛋白胨、,酵母浸膏,和牛肉膏等。发酵工业上常以豆饼粉、花生饼粉和玉米浆等作为微生物的氮源。,原生营养,:,凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养,(,营养缺陷型,):,某些微生物由于合成能力发生障碍,所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长,6,3.能源,能源：能为微生物的生命活动提供,最初能量来源营养物或辐射能,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,7,4.生长因子,生长因子：,那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物 。,微 生 物 生长因子 需要量（,ml,-1,III,型肺炎链球菌（,Streptococcus pneumoniae,）,胆碱 6,ug,金黄色葡萄球菌（,Staphylococcus aureus,）,硫胺素 0.5,ug,白喉棒杆菌（,Cornebacterium diphtherriae,）B-,丙氨酸 1.5,ug,破伤风梭状芽孢杆菌（,Clostridium tetani,）,尿嘧啶 0-4,ug,肠膜状串珠菌（,Leuconostoc mesenteroides,）,吡哆醛 0.025,ug,在实验室通常用作生长因子的物质有：酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁、牛肉膏、米糠等。,8,5.矿质元素,作用,微量元素：是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10,-6,-10,-8,mol/L：,锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分为：,大量元素：,N,、,K、P、Ca 、Mg、S、Fe,等。,构成微生物细胞的组成成分；,作为酶的组成部分或维持酶的活性以及,激活剂,；,调节细胞的,原生质胶体状态、,氢离子浓度、,Eh,以及,维持细胞的渗透,压,与平衡,等；,作为自养微生物的能源。,9,6.水,生理功能,细胞的主要组成成分；,直接参加各种代谢反应,;,可调节菌体内的温度,(,水比热大有利吸热,散热,),；,维持细胞膨压,(,控制细胞形态,),；,可供给菌体营养。,是细胞吸收营养物质和排泄废物的介质；,水活度的表示方法,a,w,是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压之比，即：,a,w,= P,溶液,/P,纯水,微生物生长所需的水活度通常在,0.63,0.99,之间，细菌水活度较高为,0.8,，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为,0.6,，水中溶质越高水活度越低。,10,一些微生物生长所需的最低,a,w,值,0.97-0.96,革兰氏阴性杆菌,假单胞菌属（,Pseudomonas,）,不动杆菌属（,Acinetoacter,）,大肠埃希氏菌（,E.coli,）,0.97,0.90-0.86,革兰氏阴性球菌,微球菌属（,Micrococcus,）,0.90,金黄色葡萄球菌（,Staphylococcus aureus,）,0.86,0.94-0.87,酵母菌产朊假丝酵母（,Candida utilis,） 酿酒酵母（,Candida utilis,）,0.94,德巴利酵母属（,Debaryomyces,）,0.94,0.93-0.80,霉菌,黑根霉（,Rhizopus nigricans,）,0.93,扩展青霉（,Penicillium expansum,）,0.77,展青霉（,Penicillium patullum,）,0.80,黄曲霉（,Aspergillus flavus,）,0.90,黑曲霉（,Aspergillus niger,）,0.84,0.95-0.91,大多数细菌,枯草芽孢杆菌（,Bacillus subtilis,）,梭菌属（,Clostridium,） 微细菌属（,Microbacterium,）,0.95,乳杆菌属（,Lactobacillus,） 链球菌属（,Streptococcus,）,0.94,11,5.2,微生物营养类型,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,12,根据碳源、能源及电子供体性质的不同,，,可将微生物分为：,5.2.1,光能无机自养型(,photolithoautotrphy),5.2.2,光能有机异养型(,photoorganoheterotrphy),5.2.3,化能无机自养型(,chemolithoautotrphy),5.2.4,化能有机,异,养型(,chemoorganoheterotrophy),13,5.2.1,光能无机自养型（光能自养型）,能以,CO,2,作为唯一或主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如,H,2,、,H,2,S,、,S,等作为供氢体或电子供体，使,CO,2,还原为细胞物质；,例如,:,藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），,进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以,H,2,S,为,电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO,2,+,2H,2,S,光能,光合色素,CH,2,O, + 2S+,H,2,O,14,5.2.2,光能有机异养型（光能异养型）,不能以,CO,2,为主要或唯一的碳源；,以有机物作为供氢体，利用光能将,CO,2,还原为细胞物质；,在生长时大多数需要外源的生长因子；,例如,:,红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将,CO,2,还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH +,CO,2,H,3,C,H,3,C,2,光能,光合色素,2,CH,3,C0CH,3,+,CH,2,O, +,H,2,O,15,5.2.3,化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以,CO,2,或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用,H,2,、,H,2,S,、,Fe,2+,、,NH,3,或,NO,2,-,等作为,电子供体,使,CO,2,还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无,光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参,与地球物质循环。,16,5.2.4,化能有机异养型（化能异养型）,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；,生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。,有机物通常既是碳源也是能源；,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,17,不同营养类型之间的界限并非绝对,异养型微生物并非绝对不能利用,CO,2,；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,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,CO,2,，,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,18,5.3,营养物质进入细胞的方式,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等,微生物所处的环境（温度、,PH,等）；,微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,:,5.3.1,自由扩散,5.3.2,促进扩散,5.3.3,主动运输,5.3.4,基团转移,19,5.3.1,自由扩散,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特,点,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,20,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、一些气体（,O,2,、CO,2,）,及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,21,5.3.2,协助扩散,特,点,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,需要载体参与,22,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,23,5.3.3,主动运输,物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输,。,24,基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（,PTS），PTS,通常由五种蛋白质组成，包括酶,I、,酶,II（,包括,a、b、c,三,种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（,HPr）。,5.3.4,基团移位,(group translocation):,基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。,PEP-P + HPr HPr-p +,丙酮酸,P - HPr +,糖糖-,P +HP,25,基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖,(,葡萄糖,果糖,甘露糖和,N-,乙酰葡糖胺等,),的运输，脂肪酸、核苷酸、碱基等也可以通过这种方式运输。,26,比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位,特异载体蛋白 无 有 有 有,运送速度 慢 快 快 快,溶质运送方向 由浓至稀 由浓至稀 由稀至浓由稀至浓,平衡时内外浓度内外相等 内外相等 内部高内部高,运送分子 无特异性 特异性 特异性特异性,能量消耗 不需要 不需要 需要需要,运送前后溶质分子不变 不变 不变改变,载体饱和效应无 有 有 有,与溶质类似物 无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性,运送抑制剂 无 有 有 有,运送对象举例 水、,O,2,糖、,SO,4,2-,氨基酸、乳糖 葡萄糖嘌呤,四种运送营养方式的比较,27,5.4,营养基,培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础,任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理,；,常规高压蒸汽灭菌：,1.05,kg/cm,2,121.3,15-30,分钟；,1,.5,kg/cm,2,128,1.5-2.0,小 时,28,5.4.1,选用和设计培养基的原则和方法,1.,目的明确,2.,营养协调,3.,理化条件适宜,4.,经济节约,29,1.目的明确,根据不同的微生物的营养要求配制针对性强的培养基。,培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：,S 10g MgSO,4,.7H,2,O 0.5g,(NH,4,),2,SO,4,0.4g FeSO,4,0.01g,kH,2,PO,4,4g CaCl,2,0.25g,H,2,O 1000ml,培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：,葡萄糖 5,g NH,4,H,2,PO,4,1g,NaCl 5g MgSO,4,.7H,2,O 0.2g,K,2,HPO,4,1g H,2,O 1000ml,30,常见的培养四大类微生物的培养基：,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：,牛肉膏 3,g,蛋白胨 10,g NaCl 5g H,2,O 1000ml,放线菌（高氏1号）,淀粉 20,g K,2,HPO,4,0.5g NaCl 0.5g MgSO,4,.7H,2,O 0.5g KNO,3,1g FeSO,4,0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基),干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调,PH,为6.0。,霉菌（查氏合成培养基）,NaNO3 3g K,2,HPO,4,1g KCl 0.5g MgSO,4,.7H,2,O 0.5gFeSO,4,0.01g,蔗糖 30,g H,2,O 1000ml,31,2.营养协调,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。,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代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（,C/N）,的影响较大。,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。,例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为,4/1,时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为,3/1,时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,32,3.理化条件适宜,a. pH,b.,水活度,c.,氧化还原电位,33,a. 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。,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。,34,b. 水活度,在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，,一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条,件下纯水蒸汽压力之比表示，即：,w=Pw/P,o,w,式中,Pw,代表溶液蒸汽压力,P,O,w,代表纯水蒸汽压力。,纯水,w,为1.00,溶液中溶质越多,w,越小,。,微生物一般在,w,为0.600.99的条件下生长,w,过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。,微生物不同，其生长的最适,w,不同。,35,c.,氧化还原电位,氧化还原电位又称氧化还原电势（,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）。,不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同,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。,4. 经济节约,36,6.4.2,培养基的类型及应用,培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型：,按成分,(,营养,来源,),不同,天然培养基,合成培养基,37,天然培养基,用天然的且,化学成分还不清楚或化学成分不恒定的,有机物质配制而成,的,培养基,。如农产品麦麸、米糠等，也有动植物浸出液，如牛肉膏、麦芽汁、豆芽汁及马铃薯汁等。,优点：,营养丰富、经济方便，但它的化学成分不能定量，每批成分也不稳定，不宜用作精确的实验。,常用的天然培养基有牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基等。,38,合成培养基,优点,:,各种成分简单而清楚，容易控制，适于进行某些定性、定量测定。,常用的合成培养基有高氏一号培养基、,查,氏培养基等 。,用化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。,39,按物理状,态不同划分,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,40,液体培养基,大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究,培养基呈液体状态，不加任何凝固剂。它含有微生物生长发育所需要的各种营养物质。,菌体在这种培养基中能够更好地接触和吸收养料，因而菌体生长迅速；同时所制的液体菌种便于接种工作的机械化、自动化，有利于提高生产效率。,41,固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏,固体培养基,在液体培养基中加入一定量的凝固剂，,使其成为固体状态,固体培养基。,常用的凝固剂：琼脂明胶等,根据季节和用途的不同，凝固剂的添加量一般在,1.5,-2,之间。固体培养基可制成试管斜面，也可制成平皿平面（平板）。,42,半固体培养基,琼脂含量一般为0.2%-0.7%,观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定,43,按培养基表面形状的不同划分,斜面培养基,将琼脂培养基装入试管灭菌后，乘热放置成斜面，凝固后即成。用于菌种扩大转管及菌种的保藏。,平面,(,平板,),培养基,高层培养基,将琼脂培养基装入三角瓶中灭菌后，冷至,50,左右，乘热倒入灭菌平皿,(,或不倒入平皿,),凝固后即成。用于菌种分离和研究微生物的某些特征。,将琼脂培养基装入试管内灭菌后，不摆成斜面，即成高层培养基。接入高层培养基的菌种，发育的面积虽然小，但这种培养基厚度大，营养丰富，存放时间长，也不易干燥开裂。常用于保存菌种。,44,按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,用来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,用于鉴别不同类型微生物的培养基,选择培养基,在基础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,微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化,牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,加富培养基,特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等,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,45,