氧化还原电势课件

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,*,细胞的营养研究是生物技术高地,1,、微生物种类繁多，包括细菌、真菌、病毒、单细胞藻类和原生动物，是最为重要的资源生物。微生物,资源,特点：代谢类型极其多样性；种类丰富，未知者众多；变异性大；研究与开发晚；利用潜力大。,2,、未知微生物资源是主要的，因此可以整个地分为：已培养微生物,-cultured microbe;,至今还未成功培养的微生物,-uncultured microbe.,3,、纯培养是微生物利用的主要基础。培养技术配方及分离方法日益复杂，竞争激烈。因而，相关技术在生物技术公司中已经成为高度商业机密。,细胞营养,一个细胞开始复制前，它必须有能力控制各种化学反应，组织各种分子形成特殊的结构。,细胞,大分子物质,+,水。,大分子物质：小分子物质的多聚体，这些小单位，叫做,单体,（,monomer),。,微生物营养是微生物生理的一部分，主要涉及微生物生长所需的单体、单体的前体物。,总的来讲，这些,所需要的物质就叫做营养,。,内容提要,第,1,节,微生物的,6,类,营养要素,第,2,节,微生物的营养类型,第,3,节 营养物质进入细胞的,方式,第,4,节,培养基,在实验室中培养微生物及理解微生物细胞在自然界栖息地中的生命活动需要我们对微生物营养和生物能学有所了解。,第一节 微生物的,6,类营养要素,CHONSP,（,6,种主要、大量元素）,六大类的营养要素水平：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,。,培养中最主要的营养物质是碳与氮。,营养物（,nutrient,，名词）、营养（,nutrition,，或叫营养作用，动词）,1.1,碳源,碳源：一切满足微生物生长繁殖所需的碳元素营养源。,化学元素,(chemical element):,大量元素,(macroelement):,碳、氢、氧、氮、 磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的,97%,）。,微量元素,(trace element):,锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍 、硼。,1.1,碳源,异养与自养：,以,主要,或,唯一,的碳源为判断。,微生物的碳源谱,:,教材,88,页表,4-1,。,注意,：,C.H.O,型碳源为最泛利用的碳源；,双功能营养物。,类型,元素水平,化合物水平,培养基原料水平,有机碳,C,H,O,N,X,复杂蛋白质、核酸等,牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等,C,H,O,N,多数氨基酸、简单蛋白质等,一般氨基酸、明胶等,C,H,O,糖、有机酸、醇、脂类等,葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等,C,H,烃类,天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等,无机碳,C(?),C,O,CO,2,CO,2,C,O,X,NaHCO,3,NaHCO,3,、,CaCO,3,、白垩等,表,4,1,微生物的碳源谱（周先生说）,概念检查,1.,异养微生物,：,凡必须利用有机碳源的微生物。,2.,自养微生物,：,凡以无机碳源作为,主要,或,唯一,碳源的微生物。,概念检查,3.,碳源的利用顺序：,C.H.O(,糖类,醇类、有机酸和脂类，单糖,双糖和多糖，己糖,戊糖，葡萄糖、果糖,甘露糖、半乳糖，淀粉,纤维素、几丁质，纯多糖,杂多糖,),4.,双功能营养物：,对一切异样微生物来说，其碳源同时又兼作能源。,碳源的多样性暗示了基因多样？,如假单胞菌属中的某些种可以利用,90,种以上的不同类型的碳源物质；,某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。,可以用作,洋葱假单胞菌,唯一碳源的化合物有,:,碳水化合物及其衍生物：,19,种 脂肪酸：,11,种,二羧酸：,9,种 其它有机酸：,12,种,伯醇：,3,种 氨基酸：,12,种,其它氮化合物：,13,种 无氮环状化合物：,9,种,配方,=,金钱？,找到廉价原料,传统种类：,糖类（单糖，饴糖）、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）、麸皮、各种米糠等。,代粮发酵：,纤维素、石油、,CO,2,、,H,2,或者找到一个能利用某种废料的微生物？,相关配方，是生物技术公司的最高机密。,氮源,(nitrogen source),凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源,。,双功能：,氮源物质的主要作用,是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。,1.2 氮源,表,4,2,微生物的氮源谱,类型,元素水平,化合物水平,培养基原料水平,有机氮,N,C,H,O,X,复杂蛋白质、核酸等,牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等,N,C,H,O,尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等,尿素、蛋白胨、明胶等,无机氮,N,H,NH,3,、铵盐等,(NH4),2,SO,4,等,N,O,硝酸盐等,KNO,3,等,N,N,2,空气,1.,氮源的利用顺序,:,N.C.H.O,或,N.C.H.O .X N.HN.ON,2.,氨基酸自养型微生物：,不需要以氨基酸作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的微生物。,3.,氨基酸异养型微生物：,需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。,1.3 能源,能源：,指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。,微生物的能源谱：可以分为化学物质及辐射能。（教材,89,页；能源的传播有哪些途径？）,在微生物能源中化能自养微生物的能源十分独特，能使用还原态的无机物，进行氧化产能。,有些营养物,常有双功能或三功能作用（指其同时具有两种以上营养要素功能作用）。,化能自养,微生物的能源物质,都是一些还原态的无机物质，例如：,NH,4,+,、,NO,2,-,、,S,、,H,2,S,、,H,2,、,Fe,2+,等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。,这些无机养料常常是双功能的（如：,NH,4,+,既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）,能源物质,辐射能,：是单功能的，只为光能微生物提供能源。,还原态的分子,（如,NH4,，有机物）：可以是双功能营养物（能源、氮源）,氨基酸,：三功能营养物（碳源、氮源、能源）,1.4,生长因子,生长因子（,growth factor,）：是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。,主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、 胺类、脂肪酸等等。,各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。,缺乏合成生长因子能力的微生物称为“,营养缺陷型,”微生物（十分重要的概念见下页）。,营养缺陷型,根据微生物对生长因子的需要存在差异，定义划分出,营养缺陷,的类型,营养缺陷型,(auxotroph),：由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株。,营养缺陷类型,例如能够利用尿素、铵盐、硝酸盐和无机盐或氮气作氮源，自行合成所需要氨基酸的就称为氨基酸自养型，而不能自行合成，必须从外界直接吸收的类型则为氨基酸异养型（缺陷型）,重要概念；重要的遗传标记。（在遗传与变异一章中将进一步详细探讨与学习）,例题（要求掌握）,1.,某些微生物对生长因子的需求具有较高的专一性，可利用它们通过“微生物分析”,(microbiological assay),对样品中维生素或氨基酸进行定量。试设计实验利用某微生物对某一样品维生素,B,1,的含量进行分析。,2.,如果要从环境中分离得到能利用苯作为碳源和能源的微生物纯培养物，你该如何设计实验,?,重点提示,生长因子；野生型,/,营养缺陷型；生长因子自养型,/,生长因子异养型；,生物测定（,bioassay),、微生物测定,(microbiological assay),。,例题掌握（,2,题）,1.5 无机盐 （元素及离子通常以盐形式存在并被利用）,无机盐：,是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。,大量元素：,P,、,S,、,K,、,Mg,、,Ca,、,Na,、,Fe,等。（微生物生长所需浓度在,10,-3,10,-4,mol/L,）,1.5 无机盐 （元素及离子通常以盐形式存在并被利用）,微量元素（又称为痕量成分）：,Cu,、,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,等。（微生物生长所需浓度在,10,-6,10,-8,mol/L,）,一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,在实验室培养的条件下，对微量元素的需要非常少，所以无需要在培养基中添加微量元素。但是，如果培养基是由高纯度的蒸馏水配制，则会出现微量元素的缺乏。因这种情况下，就需要在培养基中添加少量的微量元素，以满足微生物对金属元素的需求。,细胞内一般分子成分（,P,、,S,、,Ca,、,Ma,、,Fe,等）,一般功能 渗透压的维持（,Na,+,等）,生理调节物质 酶的激活剂（,M a,2+,等）,大量元素,pH,的稳定,无 化能自养菌的能源（,S,、,Fe,2+,、,NH,4,+,、,NO,2-,等）,机 特殊功能,盐 无氧呼吸时的氢受体（,NO,3,-,、,SO,4,2-,等）,酶的激活剂（,Cu,2+,、,Mn,2+,、,Zn,2+,等）,微量元素,特殊分子结构成分（,Co,、,Mo,等）,无机盐的生理功能,1.6 水,将水也做为营养要素来加以讨论,，主要是考虑到它在代谢活动中的重要性，即,细胞的构成成分；良好的溶剂，一系列生理生化反应的反应介质；参与许多生理生化反应；有效地控制细胞内的温度变化。,直接利用水中的,HO,做营养物质的很少。,几种生物的游离水含量举例,小结与思考,存在于活细胞中的几百种化合物形成起始于营养物质。其中大量需求的部分称大量元素或常量元素，而一些需求量很少的元素，如金属元素和一些有机化合物，就被分别称为微量元素和生长因子。,举例说明细胞中哪两种大分子中含有大量的氮。,所谓微量（痕量）元素都是金属元素，缺少时对细胞的影响不大。（判断）,小结与思考,有些营养元素的作用大家可以理一理：如铁,（,Fe),，有哪些作用呢？例如：,呼吸作用中，铁起着重要的作用？,？,色素、过氧化物酶、过氧化氢酶、铁硫蛋白、加氧酶和所有固氮酶。,需要解决的问题：无氧的情况下，铁可以亚铁离子存在，而在有氧条件下，铁以三价铁离子存在，形成了各种不同的不溶物。（在培养基配制的过程中有时可以加酸溶解之）,细菌细胞必须拥有特别强的铁富集能力，常常必需通过产生铁载体，结合铁并将它们运输到细胞中。,小结,存在于活细胞中的成百上千种化合物形成起始于营养物质。其中大量需求的部分叫做常量营养物，而一些需求量很少的元素，如金属元素和一些有机化合物，就被分别称之为微量元素和生长因子。,什么是“微生物分析法”,(,microbiological assay,),为什么在实验室培养时使用纯净蒸馏水会导致微生物营养缺乏？,补充学习内容（,参考，不做考试要求,）,迟效氮源：,蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。,速效氮源：,无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。,速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。,实验室常用的氮源,有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。,生产上常用的氮源：,有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。,多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做,氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型,。,氮源的种类（学习参考资料，不要求）,无机元素的来源和功能（,参考，,自学体会,）,元素人为提供形式 生 理 功 能,PKH,2,PO,4,、,K,2,HPO,4,核酸、磷酸和辅酶的成分,SMgSO,4,含硫氨基酸、含硫维生素成分,KKH,2,PO,4,、,K,2,HPO,4,酶的辅因子、维持电位差和渗透压,NaNaCl,维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要,CaCa(NO,3,),2,、,CaCl,2,胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成,MgMgSO,4,固氮酶辅因子、叶绿素成分,FeFeSO,4,Cyt,成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需,MnMnSO,4,超氧化物歧化酶、氨肽酶、,L-,阿拉伯糖异构酶等的辅因子,CuCuSO,4,氧化酶、酪氨酸酶的辅因子,CoCoSO,4,VB,12,复合物的成分、肽酶的辅因子,ZnZnSO,4,碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子,Mo(NH,4,),6,Mo,7,O,24,固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分,生物,营养要素,动物,（异养）,微生物,绿色植物,（自养）,异养,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、碳酸盐,氮源,蛋白质或其降解物,蛋白质或其降解物,有机或无机氮化物、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,一部分需要维生素等,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,微生物和动物、植物营养要素的比较表,自然界和培养基中存在的常量营养物,(,了解学习内容）,元素,环境中营养物质存在的一般形式,培养基中所提供的化学形式,C,CO,2,，有机化合物,葡萄糖、麦芽糖、乙酸、丙酮酸、氨基酸、复杂的混合物（如酵母抽提物、蛋白胨等）或其他几百种化合物,H,水，有机机化合物,水，有机机化合物,O,水，,O,2,有机机化合物,水，,O,2,有机机化合物,N,NH,3,NO,3-,N,2,有机含氮化合物,无机氮：,NH,4,Cl,(NH4),2,SO,4,KNO,3,N,2,有机氮：氨基酸，核苷酸，其他许多含氮有机物,P,PO,4,3-,KH2PO4,Na2PO4,S,H,2,S,SO,4,2-,有机硫化物，金属硫化物（,FeSCuSZnSNiS),Na,2,SO,4,Na,2,S,2,O,3,Na,2,S,半胱氨酸和其含有机硫化物,K,溶液中的,K,+,离子与各种钾盐,KCl,KH,2,PO,4,Mg,溶液中的镁离子或是各种镁盐,MgSO,4,MgCl,2,Na,溶液中的,Na,+,或者是,NaCl,或者,Na,盐,NaCl,Ca,溶液中的,Ca,2+,或者,CaSO,4,或者盐,CaCl,2,Fe,溶液中的,Fe,2+,或者,Fe,3+,FeCl,3,FeSO,4,各种螯合铁（,EDTA-Fe,3+,，或柠檬酸）,第三节 微生物的营养类型,两种划分方式,根据生长所需要的,营养物质的性质,，可将生物分成两种基本的营养类型：,异养型生物：,需要以复杂的有机物质作为营养物质。,自养型生物：,能以简单的无机物质作为营养物质,。,根据生长时,能量的来源,不同，又可将生物分成两种类型：,化能营养型生物：,依靠化合物氧化释放的能量进行生长。,光能营养型生物：,依靠光能进行生长。,分类标准,营养类型,1.,以能源分,光能营养型（,phototroph,）,化能营养型（,chemotroph,）,2.,以氢供体分,无机营养型（,lithotroph,）,有机营养型,(organotroph),3.,以碳源分,自养型,(autotroph),异养型,(heterotroph),4.,以合成氨基酸能力分,氨基酸自养型,(amino acid autotroph),氨基酸异养型,(amino acid heterotroph),5.,以生长因子分,原养型,(prototroph),或野生型,(wild type),营养缺陷型,(auxotroph),6.,以取食方式分,渗透营养型,(osmotroph),吞噬营养型,(phagotroph),7.,以取得死或活有机物分,寄生,(saprophytism),腐生,(parasitism),微生物营养类型的分类,营养类型,营养类型,能源,氢供体,基本碳源,实 例,光能无机营养型（光能自养型）,光,无机物,CO,2,蓝细菌,紫硫细菌,绿硫细菌,藻类,光能有机营养型（光能异养型）,光,有机物,CO,2,及简单有机物,红螺菌科的细菌,（紫色无硫细菌）,化能无机营养型（化能自养型）,无机物,无机物,CO,2,硝化细菌,硫化细 菌,铁细菌,氢细菌,硫磺细菌等,化能有机营养型 （化能异养型）,有机物,有机物,有机物,绝大多数细菌和 全部真核微生物,微生物学营养类型的基本划分,一、,光能自养型微生物,光能自养型微生物：,以,CO,2,作为唯一碳源或主要碳源，并利用,光能,，以,无机物,如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为,供氢体,将,CO,2,还原成细胞物质，同时产生元素硫。,一、光能自养型微生物,细胞在光能、光合色素的辅助下进行下列反应：,CO,2,H,2,S,CH,2,O+ 2S+ H,2,O,光能自养型微生物,包括,蓝细菌,（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数,光合细菌,（含,细菌叶绿素,），由于含有光合色素，因而能使先能转变成,化学能（,ATP,），供机体直接利用。（详见下章）,紫色硫细菌,（一种,厌氧,光合细菌，注意其,各色,硫粒）,紫硫细菌,湖中4,m,硫化物,*这个深度紫硫细菌多?,二、光能异养型微生物,光能异养型微生物：,以,CO,2,为主要碳源或唯一碳源，以,有机物,（如异丙醇）作为供氢体，利用,光能,将,CO,2,还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。,细胞在光能、光合色素的辅助下：,2(H,3,C),2,CHOH+CO,2,2CH,3,COCH,3,+CH,2,O+H,2,O,光能异养型细菌在生长时大多数,采要外源的生长因子,。这一类微生物的类型不多。,利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）,为供氢体同化,CO,2,CH,3,光能,CO,2,+2CH,2,-CHOH-,CH,2,O+2CH,3,COCH,3,+H,2,O,菌绿素,例：红螺菌属,（,Rhodospirillum,）,光能异养型微生物,红螺菌,不受氧气限制,，尤其,适于高浓度有机废水,（食品行业）的高效处理,(*红螺菌用于污水处理现状如何?),. 光能异养细菌,（无氧有光）,光能+色素,小分子,有机物,+,CO,2, 菌体,CH,2,O,主要指,红螺菌,（有氧无光时可化能异养生存）,在污水处理中的优势是什么？,重点解决问题：,与水分离，光照,嗜盐,红螺菌,大量滋生时的红盐田,?,人工投加,光合细菌,（,PSB,尤指红螺菌,）有利于水产养殖，原因？,优势生长,抑制水族病原菌的生长,;,迅速转化毒物（,水族排泄物被细菌分解后的氨、有机酸，,PSB,能够降解水体中的亚硝酸盐、硫化物等有毒物质，净化水质、预防疾病、作为饲料添加剂等功能,）,高蛋白的菌体，作为鱼的饲料，且不消耗氧。,PSB ,光合细菌（,百度资料,）,Photosynthetic Bacteria ,即光合细菌,(,简称,PSB),：地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在,厌氧,条件下进行,不放氧,光合作用的细菌的总称。,一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。,光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。,三、化能（无机）自养型微生物,化能自养型微生物：,以,CO,2,或碳酸盐作为,唯一或主要,碳源，,以,无机物,氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如,氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐,等使,CO,2,还原成细胞物质。,代表微生物：硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。,在自然界物质转换过程中起着重要的作用。,硝化细菌,铁细菌,“劳苦者”,化能无机自养的细菌都是一些“辛苦”的工作者，所做甚多，所获甚少。在相关代谢进行十分旺盛的生境中，其数量却十分有限。,Why?,这个问题留给同学们思考，并在代谢一章的学习中加以回答。,定义技能：自养微生物、异养微生物,自养微生物,一类不依赖于任何有机物即可正常生长繁殖的微生物。,根据其能源的不同同，可分光能自养微生物和化能自养微生物。,异养微生物,一类必须提供一种以上大量有机物才能正常生长繁殖的微生物。,大多数微生物都是异养微生物，主要是化能异养微生物和少量光能异养微生物。,四、化能异养型微生物,多数微生物属于此类，其生长所需要,能量和碳源通常来自同一种有机物。,根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为一些更细致的类型。如腐生、寄生、兼性寄生等。,四、化能异养型微生物,腐生型微生物：,利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。,寄生型微生物：,寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。,存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，,称为兼性腐生型,或,兼性寄生型,。,肺炎链球菌,幽门螺旋菌,相关微生物分类方法还包括,按栖息地来分类,嗜热微生物喜欢火热的环境,嗜温微生物喜欢适中的温度,嗜冷微生物喜欢寒冷的环境,嗜酸微生物喜欢酸性环境,嗜碱微生物喜欢碱性环境,嗜盐微生物喜欢咸的环境,嗜压微生物喜欢高压的环境,按营养方式分类,异养微生物需要有机物作为食物,自养微生物由二氧化碳制造自己的食物,光能自养微生物利用光能；化能自养微生物利用化学能。,按新陈代谢方式分类,需氧微生物生存需要呼吸空气（氧气）,兼性厌氧微生物能呼吸空气但不必需,厌氧微生物不呼吸空气,56,第四节 微生物吸收营养物质的方式,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团移位,扩散不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式。,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜（通过孔蛋白）的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子,(O,2,、,CO,2,),及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。,2.,促进扩散,(,facilitated diffusion/transport,),营养物在运送过程中，通过与细胞膜上特异载体蛋白（也称作,透过酶,permease,）,的可逆性结合来加快其传递速度。,不消耗能量。,载体蛋白本身是很大的，不能自由穿越膜，它们通常镶嵌于膜上，在不同的构象之间变动。,载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；这种性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白,也称为,透过酶,；透过酶大都是诱导酶,只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。,3.,主动运输,(Active transport),在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白构象的变化，逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程。,主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式，是一个耗能的过程。,基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了,化学变化,（,如糖在运输的过程中发生了磷酸化,）。其余特点与主动运输相同。,基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输 。,4.,基团转位,(Group translocation),磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统,大肠杆菌糖类,运送机制,-,依靠磷酸转移酶系统,即,系统。,运送步骤:,1.热稳载体蛋白(,HPr),的激活,细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（,PEP）,的磷酸基团把,HPr,激活。,HPr,是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。,运送机制及过程,2、糖被磷酸化后运入膜内,膜外环境中的糖先与外膜表面的酶,结合，再被转运到内膜表面。,这时，糖被,P-HPr,上的磷酸激活，并通过酶,的作用将,糖-磷酸,释放到细胞内。,酶,是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用。细胞膜上可,诱导,出,一系列,与底物分子相应的酶,。,在酶,的作用下,HPr,被激活,在酶,的作用下,P-HPr,将磷酸转移给糖,概念检查,对微生物而言，除原生动物是通过吞噬营养方式外，其余都是通过细胞膜的渗透营养方式摄取的。,吸收营养的方式有四种具有方式：不耗能、不能逆浓度运输的单纯扩散及促进扩散，以及耗能且可逆浓度的主动运输与基团转位。,基团转位,：细菌细胞膜运送方式，指一类须提供特异性载体蛋白参与，又需要或耗能的一种物质运送方式。特点是溶质在运送前后会发生分子结构的变化。例如糖类的运送。,第四节 培养基,-,MEDIUM OR CULTURE MEDIUM,学以致用,养,微生物,水、碳源、氮源、无机盐及生长因子等细菌及其它微生物营养物质的合理配制物就是,培养基,。,第四节 培养基,(medium),定义：,应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）,。,特点：培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且应比例适当；所以一旦配成必须立即灭菌。,用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。,化能自养菌,氧化硫杆菌,的,培养基,粉末状硫,10g KH,2,PO,4,4g MgSO,4,0.5g,CaCl,2,0.5g (NH,4,),2,SO,4,0.4g FeSO,4,0.01g,水,1000mL,请分析以下配方各组分作用是什么？,空气中的,CO,2,能源,磷源、缓冲物,碳源是什么？,氮源,盐,也可补加一部分碳酸钠。,异养细菌的培养基,异养细菌,的培养基中至少有一种有机物作为,C,源，实验室中通常是葡萄糖。,如一种大肠杆菌培养基：,葡萄糖,0.5g K,2,HPO,4,1g MgSO,4,0.2g NaCl 5g NH,4,H,2,PO,4,0.4g,水,1000mL,合成培养基,-,外生菌根真菌培养基（,Pachlewski,）,外生菌根真菌培养基（,Pachlewski,）,是一种,合成培养基,，其组成为,（,gL,-1,）：,0.50,酒石酸铵、,1.00 KH,2,PO,4,、,0.50 MgSO,4,.7H,2,O,、,5.00,麦芽糖、,20.00,葡萄糖、,20,琼脂、,0.10,维生素,B,1,和,1.0 mL,微量元素混合液（,gL,-1,）：,8.45 H,3,BO3,、,5.00 MnSO,4,、,6.00 FeSO,4,、,0.63 CuSO,4,. 5H,2,O,、,ZnSO,4,、,0.27 (NH,4,),2,MoO,4,。,一、选用和设计培养基的原则和方法,（一）组分适合微生物的营养特点（目的明确）,（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）,（三）物理化学条件适宜（理化适宜）,（四）根据培养目的选择原料及其来源 （经济节约）,常用培养基及配方举例,即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。,按微生物的主要,类群,来说，它们所需要的培养基成分也不同,：（,见本课程综合实验,化能异养微生物 的分离纯化,）,几大类微生物的常用培养基,细菌：牛肉膏蛋白胨培养基 、,LB,(Luria-Bertani),放线菌： 高氏一号培养基,真菌：查氏合成培养基、,PDA,(Potato-Dextrose-Agar),酵母菌：,麦芽汁、豆芽汁,营养物的浓度与比例应恰当,浓度过高,微生物的生长起抑制作用，,浓度过小,不能满足微生物生长的需要。,碳氮比（,C/N,）,直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,物理化学条件适宜,（,1,）,pH,（重点,),:,各类微生物的最适生长,pH,值各不相同，一般情况下有以下规律：,细 菌：,7.08.0,放线菌：,7.58.5,酵母菌：,3.86.0,霉 菌：,4.05.8,调节：在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始,pH,值会发生改变，为了维持培养基,pH,值的相对恒定，通常采用下列两种方式：,内源调节：,在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。,外源调节：,按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液。,缓冲液,*,*,参考百度,- Buffer solution,），是生物化学研究中使用最为广泛的一种缓冲液，通常使用的有,磷酸钠缓冲液,（,NaH,2,PO,4,&Na,2,HPO,4,）和,磷酸钾缓冲液,（,K,2,HPO,4,&KH,2,PO,4,),，由于它们有二级解离，缓冲的,pH,值范围很广。这些配制方法我们应该到哪儿去查？,实验指导书（师姐在考研时的回答）,概念检查,培养基提供了微生物所需要的营养，培养基可以是化学成分已经精确知晓的，也可是未准确知晓的。,典型培养基成分分析,，应该按营养成分分别加以分析，重点是分析其,C,源、,N,源的基本情况,；,一般情况下，还应该考虑其缓冲性。,（,2,）渗透压和,a,w,大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如,Staphylococcus aureus,则能在,3mol/L NaCl,的高渗溶液中生长。,能在高盐环境（,2.86.2mol/L NaCl,）生长的微生物常被称为,嗜盐微生物,（,Halo,-,philes,）。按,NaCl,分子量为,58.5,计算，即为？,163.8362.7g/L.,大家比较牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏,3g,蛋白胨,10g,NaCl 5g,琼脂,15,20g,水,1000ml,（定容）,pH 7 .4,7.6,。,水的活度,微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的,水活度值（,water activity,w,）,表示。所谓,w,就是水的有效浓度。,定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部,蒸气相中,水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，,即：,w,=/ ,o,表示溶液的蒸汽压,o,表示纯水的蒸汽压,在,w,为,0.600.99,的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对,w,的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其,生长的最适,w,亦不同。,几类微生物生长最适,w,微生物,w,一般细菌,0.91,酵母菌,0.88,霉菌,0.80,噬盐细菌,0.70,噬盐真菌,0.65,嗜高渗酵母,0.60,为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用,相对湿度（,RH),的概念（,w,100= RH,）；即可以用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。,（,3,）,氧化还原电势,(redox poyential),概念：氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。,预习要求：按氧还电势排列的,电子塔,。,（,3,）,氧化还原电势,(redox poyential),各种微生物对培养基的氧化还原电势的,要求：,好氧微生物：,+0.3+0.4V,(,在,0.1V,以上的环境中均能生长,),；,;,厌氧微生物：只能在,+0.1V,以下生长；,兼性厌氧微生物：,+0.1V,以上呼吸、,+0.1V,以下发酵；,（,3,）,氧化还原电势,(redox poyential),培养基是多,氧化还原偶,的复杂电化学系统，测出的氧还电位值仅代表其综合结果。,对微生物影响最大的是,：分子氧和分子氢的浓度。,培养基中常用的还原剂,：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,刃天青,是测定氧化还原电势的优良指示剂。（,99,页）,提示：本页为全掌握内容。,配制培养基时，应尽量考虑利用价廉并且易于获得的原料作为培养基的成分，特别是在工业发酵中，培养基用量很大，更应该考虑到这一点，以便降低产品成本。,1.,以粗代精,2.,以野代家,3.,以废代好,4.,以简代繁,5.,以氮代朊,6.,以纤代糖,7.,以烃代粮,8.,以国代进,经济节约,二、设计培养基的方法,1.,生态模拟,调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料,初级天然培养基,.,2.,查阅文献,查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方,.,3.,精心设计,借助优选法或,正交试验设计,法等方法,.,二、设计培养基的方法,4,、实验比较,：,不同培养基配方的选择比较,单种成分来源和数量的比较,几种成分浓度比例调配的比较,小型试验放大到大型生产条件的比较,pH,和温度试验,培养基的灭菌装置及条件参数,最常用的方法：高压蒸气灭菌,一般培养基,:,1.05 Kg/cm,2, 121.3, 15-30 min,含糖培养基,:,0.56 Kg/cm,2, 112.6 , 15-30 min,注：压力参数的标识各厂家有所不同。,1.05Kg/cm,2,=103.46kPa=0.105MPa,实验室常用的几种特别除菌方法：过滤灭菌，分别灭菌，间歇灭菌。,实验室高压蒸汽灭菌的基本步骤（上海申安，半自动）,向锅内加入足够的水，开机显示高水位。,放入配好的培养基，注意不要太拥挤。,关闭锅盖（注意不用太紧），设置,121,15min,或以上。按下开始按扭（再按一次设置键）,实验室高压蒸汽灭菌的基本步骤（上海申安，半自动）,压力上升到,0.05MPa,时，打开排气阀，待冷空气排尽后，至压力表归零，关上排气阀。,温度上升到,121,后自动灭菌，观察压力表是否为,0.105mPa,附近。,灭菌完成后，锅内液体缓慢冷却，压力为零后开盖。,培养基放入,37,培养箱培养,24,小时，确保使用前无菌。,附图：过滤灭菌（细菌过滤器的基本结构,装置包括,：滤斗、滤膜、承接瓶、抽气泵）,常用,器皿的灭菌及无菌室的消毒,方法,器皿的灭菌：,干热空气：,160180,，,2,小时左右,无菌室的消毒：,紫外光,化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾,+,甲醛）,三、培养基的类型及其应用,根据所培养微生物的微生物类群来分,细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基,根据培养目的来分,种子培养基,(seed culture medium,),是为保证发酵生产获得大量优质种子而设计的培养基，特点是,营养较丰富，氮源比例较高。有时为使菌种能迅速适应后面的发酵条件，还有意识地加入发酵培养基的基质。,发酵培养基,(fermentation medium),用于生产预定发酵产物，一般以碳为主要元素，碳源含量往往高于种子培养基。大规模生产时，原料应价廉易得，还应有利于下游的分离提取。,。（不要求内容）,重点内容：典型配方,(,代表性微生物,-4,大类一般培养基选用,),；按成分的培养基类别；按功能特点的培养基类别划分。,常用培养基类型划分,一、按化学组分情况分类,天然培养基,(complex medium),：也称作,chemically undefined medium,。,利用,化学成分还不完全清楚或不恒定,的天然物质，（如肉汤、蛋白胨、麦芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米粉、牛奶、血清等）制成的培养基。,天然培养基比较经济，除实验室经常使用外，更,适宜于在生产上用来大规模地培养微生物和生产微生物产品,。,常用培养基类型划分,合成（组合）培养基,(synthetic medium),：也称作,chemically defined medium.,化学成分明确的培养基。,该类培养基的,组成成分精确、清楚,，重复性强，但微生物生长较慢，且价格昂贵，故一般适于在实验室范围内他有关研生物营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传分析等方面的研究工作。如高氏培养基、察氏培养基等,.,半组合培养基,(semi-defined medium),：,在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要,.,如马铃薯蔗糖培养基,常用培养基类型划分,二 、按成品物理状态划分,1.,液体培养基,(liquid medium),：,液体培养基不含任何凝固剂，菌体与培养基充分接触，操作方便，常用于大规模的工业生产以及在实验室进行微生物生理代谢等基本理论的研究工作。可据培养后的浊度判断微生物的生长程度,.,注释与说明：,液体培养基,如图为三种液体培养基，自左到右分别为未接种管、接种管（阴性）、接种管（阳性）,液体培养基是生物发酵的基本方式。,实验室培养的松科植物外生菌根真菌,LD-3,液体培养物（静培养）,常用培养基类型划分,二、按成品物理状态划分,2.,固体培养基,(solid medium),：,天然固体营养基质制成的培养基，或液体培养基中加入一定量凝固剂（琼脂,1.5,2,),而呈固体状态的培养基。为微生物的生长提供营养表面。常用于微生物的分离、纯化、计数等方面的研究。可依使用目的不同而制成斜面、平板等形式,.,固化培养基：,1,2,琼脂或,5,10,明胶,非可逆性固化培养基：血清培养基或无机硅胶培养基,天然固态培养基,常用培养基类型划分,3.,半固体培养基,(semi-solid medium),： 在液体培养基中加入,0.2-0.7,的琼脂构成的培养基。,常用来观察细菌运动的特征，以进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验工作。,*,脱水培养基,：（商品）脱水商品培养基或预制干燥培养基，方便贮运。,1.,不被微生物分解、利用、液化；,2.,不因消毒灭菌而被破坏；,3.,在微生物的生长温度内保持固态；,4.,凝固点的温度对微生物无害；,5.,透明度好，粘着力强,理想凝固剂应具备的条件,琼脂与明胶,A.,不能被绝大多数微生物利用、分解液化,；,?,：有什么好处？,不作为额外碳源，干扰试验，,保持固体特性,B.,高压灭菌结构不被破坏,，且,颜色透明不妨碍观察,；,半固体培养基的使用,1.5%2.0%,可做成固体培养基。,0.3%0.5%,则可以制成半固体培养基,可以用来考查细菌的运动性及短期的菌种保存。,某培养基的组成如下,: Glucose (15g), Glutamic (aa, 5g), Aspartic acid (aa, 5g), KH,2,PO,4,(2g), Distilled water (1000ml),。,请说明这种培养基的类别。,答：按培养基成分为合成培养基，因为该培养基中所有物质均为化学成分完全知悉；按培养基物理状态为液体培养基，因为培养基中未加入任何凝固剂。,108,几个配方,细菌培养基,营养肉汤（,nutrient broth),：,牛肉膏,3g,；蛋白胨,5g; NaCl 5g,；水,1000ml,；,pH 7.27.4,。,放线菌培养基,高氏,1,号：,可溶性淀粉,20g,；,KNO,3,1g; K,2,HPO,4,1g,；,MgSO,4,0.5g,；,NaCl 1g; FeSO,4,7H,2,O 0.5g,；水,1000ml; pH 7.27.4,。,几个配方,霉菌培养基,查氏（,zapek),培养基： 蔗糖,30g; KCl 0.5g; MgSO,4,.H,2,O 0.5g; FeSO,4,0.5g,； 水,1000ml; K,2,HPO,4,1g; NaNO,3,3g; pH 6.7,。,酵母菌培养基,麦芽汁培养基,(,实验指导,148,页）,常用培养基类型划分,三、按用途划分,富集培养基,选择培养基,鉴别培养基,血琼脂用于培养喉部细菌,巧克力琼脂：用于培养一些难养菌（,其名称来源于颜色，但颜色是来自血制品加热的结果，而不是真正的巧克力,）。此类培养基允许检出能裂解红血球的细菌，如,溶血性链球菌。）,常用培养基类型划分,三、按用途分,基础培养基,(minimum medium):,是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基； 另外基础培养基也可作为一些特殊培养基的基础成分（如制备糖发酵培养基时）,.,选择性培养基,(selective medium),：,根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要，或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。利用这种培养基可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,.,常用培养基类型划分,鉴别培养基,（,differential medium,）,用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特殊的化学物质，与微生物在培养基中生长后产生的代谢产物，发生特定的化学反应，产生,明显的特征性变化（一般为颜色反应）,，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。,如：伊红美兰乳糖培养基（,Eosin Methylene Blue,）,加富培养基,(enriched medium),：,普通培养基中加入某些特殊的营养物，如血、血清、动、植物组织液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基。,用来培养营养要求苛刻的微生物，或用以,富集（使特定微生物数量上占优势）,和分离某中微生物,.,G+,菌受抑制,G-,菌,能发酵乳糖产酸,不发酵乳糖不产酸，菌落无色透明,产酸力强，菌落呈紫绿色金属光泽,产酸力弱，菌落棕色,Enterbacter,Klebsiella,Hafnia,Sarrdia,Proteus,Salmonella,Shigella,E.coli,试样,EMB,（鉴别各种肠道杆菌，要求掌握）,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14. Left:,Escherichia coli,cells.,Right:,E. coli,colonies on EMB Agar.,大肠杆菌,概念,（定义技能）,EMB,？,即伊红美蓝乳糖培养基。,一种鉴别大肠菌群尤其是大肠杆菌的鉴别性培养基。,因大肠杆菌能强烈发酵乳糖产酸，故它可以,EMB,平板上与伊红美蓝结合，产生具有绿色光泽的闪光菌落。,EMB,在饮水检验和遗传学研究中十分重要。,以上加在一起，即,EMB,的概念。,概念检查,培养基提供了微生物所需要的营养，培养基可以是化学成分已知的，也可以是化学成分未知的。,选择性、鉴别性、富集培养基是用来描述那些用来分享特定种属和对微生物进行比较研究的培养基术语。,问题：你认为大肠杆菌在天然培养基中生长的快，还是在化学合成培养基中生长的快？,概念检查,选择培养基,：一类根据某些微生物的营养要求或对某化学因素、物理因素的抗性而设计的培养基。具有使混合菌样中的劣势菌变为优势菌的功能。广泛用于菌种筛选等领域。,鉴别培养基,：一种含有指示剂（通常为染料）的培养基，这种培养基能使人们区分开微生物生长过程中发生的一些特定的化学反应。,概念检查,富集培养基,：,即以复合培养基（天然培养基）为基础，在其中添加另外的营养物质（如血清或全血等）。加入这些营养物质能很好地模拟宿主体内的环境，对于成功培养某些微生物是必须的。,富集培养举例,富集培养实际上要用到选择性培养基。这是进行微生物研究工作的首要步骤。这一培养的要点，就是,“,投其所好,”,。如：,（,1,）在没有铵盐的含糖培养基中可能得到某些固氮菌。（但请注意，随着固氮菌的生长，其它细菌也可能随着生长，从而使细菌群体变得十分混杂）用没有糖类但含有硫的培养基我们可能得到硫细菌，而用硫酸铁代替糖，则可能得到铁细菌。,富集培养的基本做法,（,2,）弱酸性含糖高的培养基，利于酵母和霉菌的生长。,（,3,）隔绝空气（如将液体培养基装满并塞紧，或者如泡菜坛的做法，但应该注意，如果含糖高时，会出现蹦瓶）,（,4,）加热处理土壤后，再培养，可能得到产芽孢的细菌，而将培养物置于高温下，则可以选择培养嗜热菌。,富集培养的基本做法,，实际上，富集培养的可能性几乎中无限的，如我们完全可以设计出,-,利用酒精？橡胶？塑料？或是耐高盐？,当然，医学微生物学家们通常很少做这个工作，因为富集过程已经完毕。,但是，自然界的一些微生物，许多情况下，对我们的简单富集技术无动于衷，这是微生物学家们最为苦恼的事之一。,藐视！,富集的后续工作纯化,一但得到富集的群体，即得到了微生物的,培养物,，微生物学的研究就有了基础。,简单和常用的方法,-,平皿培养法,：把一滴培养物涂布于一个平板上，使各个微生物彼此分开，每个分离的微生物在平板的胶冻表面（或内部）生长，将繁殖出,“,菌落,”,，而这些彼此相隔离的菌落可能就是一个纯化的微生物培养物,（菌落纯）,。,培