微生物的生长与代谢

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,*,环境微生物学,环境与公共卫生学院,第一节 微生物的营养与营养类型（3个学时）,第二节 微生物的代谢（部分自学）,第三节 境微生物的生长繁殖（3个学时）,第四节 环境因素对微生物生长的影响(3个学时),第3章 微生物的生长与代谢,第一节 微生物的营养与 营养类型,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称为,营养或营养作用,。,一、微生物的化学组成与营养物质,从微生物细胞的组成来看，都是含有碳、氢、氮和各种矿质元素，由这些元素组成细胞中有机和无机成分，其中主要是水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸和无机盐。,微生物细胞中水分含量最多，干物质中碳、氮、氢、氧四种元素约占9097，还有矿质元素磷、铁、铜、锰等。,微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是,大量元素,碳、氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97）和,微量元素,铁、锰、锌等构成。,微生物细胞的化学组成,主要成分 细菌 酵母菌 霉菌,水分 7585 7080 8590,（占细胞鲜重的%）,蛋白质,5080 3275 1415,占,细,碳水化合物,1228 2763 740,胞,干,脂肪,520 215 440,重,的,核酸,1020 6 8 1,%,无机盐,230 3.87 612,组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同。,微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化。,1、碳源,凡是构成微生物细胞和代谢产物中,碳架来源,的营养物称为碳源。,碳源既是微生物的组成成分，又是微生物的能量来源。微生物可以利用的碳源范围极广，分为有机碳源和无机碳源两大类，糖类是最广泛利用的碳源。,碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质(如碳水化合物、脂、蛋白质等)和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。,2、氮源：,凡是能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。,氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分。,能利用的氮源种类十分广泛。空气中分子态的氮、无机和有机氮。,氮源这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。,不同种类的微生物对氮源的需要也不尽相同。,微生物培养时最常用的有机氮源是牛肉膏、酵母膏等，蛋白胨（部分水解蛋白质）是许多微生物良好的氮源。,从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：,一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它们能把尿素、铵盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为,氨基酸自养型生物,。,凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物就是,氨基酸异养型生物,。,3、无机盐,主要元素,(10,-3,10,-4,mol/L),包括磷、硫、钾、镁、钙、钠等。,微量元素(,10,-6,10,-8,mol/L),包括锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨等。,培养基时，首选加入磷酸氢二钾和硫酸镁，基本时可以同时提供4种需要量最大的元素。,4、生长因子,生长因子,通常指那些微生物生长所必需且需要量很小,而且微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为,维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤及嘧啶,三大类。,生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液或血清中获得。,5、水,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的7090%。,在微生物各种各样的生理活动中必须有水参加才能进行。,水是一种最优良的溶剂，可保证几乎一切生物化学反应的进行；,水可维持各种生物大分子结构的稳定性，并参与某些重要的生物化学反应；,水还有许多优良的物理性质，诸如高比热、高汽化热、高沸点以及固态时密度小于液态等，都是保证生命活动十分重要的特性。,（三）培养基,培养基,是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物营养基质。,一、培养基的类型,1.,合成培养基,：,由已知化学药品配成,成分和浓度都已完全知道,每一次配制也基本恒定。这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室,费用较高。,如：,高氏一号培养基（淀粉硝酸盐培养基）放线菌,察氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）真菌,（1）根据成分来源不同分为,2.天然培养基:,化学成分不完全了解或化学成分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植物汁液,土壤浸出液,等配制成培养基。配制方便，经济。,如：牛肉膏蛋白胨培养基细菌,麦芽汁培养基酵母菌,牛肉膏,瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质，富含水溶性碳水化合物，有机氮化合物，维生素，盐等。,蛋白胨,将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末状物质，富含有机氮化合物，也含有一些维生素和碳水化合物。,酵母膏,酵母细胞的水溶性提取物浓缩而成的膏状物质，富含类维生素，也含有有机氮化合物和碳水化合物。,3.,半合成培养基,:,由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培养基,如,PDA,培养基。,如：,马铃薯蔗糖培养基真菌,（2）根据培养基物理状态分,固体培养基,:,在液体培养基中加入凝固剂,(,如,1.5-2.0%,琼脂,),。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面,在这个表面生长微生物可形成单个菌落,用于微生物的分离,鉴定,计数,保管。,半固体培养基,:,在液体培养基上加进一定凝固剂,在液体培养基中如加,0.5%,琼脂,可以用来观察细胞运动的特征,鉴定菌种,测定抗菌素的效价等。,液体培养基,:,配制后不加任何凝固剂。,脱水培养基：,指含有除水分以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，其成分精确且使用方便。,常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatin)和硅胶(silica gel)。,化学,成分,营养,价值,分解,性,融化,温度,凝固,温度,常用,浓度,透明度,黏着力,耐加压灭菌,琼,脂,聚半乳糖的硫酸酯,无,罕见,约96,约40,1.5%2%,高,强,强,明,胶,蛋白质,作氮源,极易,约25,约20,5%12%,高,强,弱,琼脂与明胶若干特性的比较,粘液型菌落,菌膜,菌沉淀,均匀浑浊,对照,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,（3）根据培养基的用途来分,基础培养基：,满足一般微生物生长繁殖所需要的营养物质。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。,加富培养基,:,在自然界中各种微生物通常是混杂在一起的，了解了某一些微生物的营养要求，配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基，就达到了从自然界中分离这种微生物的目的，这种培养基就称为加富培养基。一般常加入血、血清或动植物提取液等。,“投其所好”,选择性培养基,:,根据不同的微生物对营养的特殊要求,或对物理化学条件的抗性而设计的培养基,利用这一类培养基可以把需要微生物从混杂的其他微生物分离和确定。,“取其所抗”,鉴别培养基,:,在培养基中加入某种特殊化学物质,某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以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。,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、牛奶的大肠菌群数等细菌学检查和大肠杆菌的遗传学研究工作中有着重要的用途。,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化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以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。,二、培养基的配制原则,（一）培养基组分满足微生物的需要（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（条件适宜）,（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,（一）培养基组分满足微生物的需要,即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。,不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。,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：,细菌：牛肉膏蛋白胨培养基,放线菌：高氏一号培养基,真菌：查氏合成培养基,酵母菌：麦芽汁,当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱法进行测定。,（二）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。,C/N比值=,碳源中的碳原子的mol数,氮源中所含的氮原子的mol数,应注意各营养物质之间的浓度比；培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（CN）的影响更为明显。,例：在谷氨酸生产中,C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；,C/N 3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。,还应注意：速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例；各种金属离子间的比例（影响营养物质的渗透和其他代谢活动）。,培养基中各种元素的比例需要平衡。,（三）物理化学条件适宜,1、pH:各类微生物的最适生长pH值各不相同：,细 菌：7.08.0 放线菌：7.58.5,酵母菌：3.86.0 霉 菌：4.05.8,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。,磷酸缓冲液：pH值从6.07.6之间,K,2,HPO,4,+HCl KH,2,PO,4,+KCl,KH,2,PO,4,+KOH K,2,HPO,4,+H,2,O,加入CaCO,3,：,CO,3,2,HCO,3,H,2,CO,3,CO,2,+H,2,O,+H,+,H,+H,+,H,培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。,2、渗透压和a,w,渗透压,等渗溶液适宜微生物生长,高渗溶液细胞发生质壁分离,低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂,3、氧化还原电势,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,培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的E,h,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。,（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源,该培养基的应用目的，即：,是培养菌体还是积累代谢产物？,是实验室种子培养还是大规模发酵？,代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？,用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；,用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；,当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉 的原料，提倡以粗代精，以废代好。,三、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。,4、实验