微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基.ppt

第四章 微生物營養(yǎng),第一節(jié) 微生物細胞的化學組成 第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)要素 第三節(jié) 微生物的營養(yǎng)類型 第四節(jié) 微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式 第五節(jié) 培養(yǎng)基,第一節(jié) 微生物細胞的化學組成 微生物細胞化學組成成分析表明，與其他高等動植物細胞一樣，細胞也是大量元素碳、氫、氧、氮、磷、硫（這六種元素占細菌細胞干重的97，表4l）和微量元素鐵、錳、鋅等構(gòu)成。微生物細胞中這些元素主要以蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素及它們的降解產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物等有機物質(zhì)，水和無機鹽等無機物質(zhì)的形式存在（表42）。水是細胞中的一種主要成分，一般可占細胞干重的90以上。,微生物細胞物質(zhì)中灰分元素含量的百分比,表41 微生物細胞中幾種主要元素的含量 （干重的百分數(shù)）,表42 微生物細胞的化學組成,第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)要素 營養(yǎng)物（nutrient）： 那些能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質(zhì)通常稱為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。 營養(yǎng)（或叫營養(yǎng)作用，nutrition ）： 微生物獲得與利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程通常稱為營養(yǎng)。,表4-3 微生物和動物、植物營養(yǎng)要素的比較,碳源（carbon source）凡是提供微生物營養(yǎng)所需的碳元素（碳架）的營養(yǎng)源，稱為碳源。 碳源物質(zhì)的功能：構(gòu)成細胞物質(zhì)；為機體提供整個生理活動所需要的能量（異養(yǎng)微生物）。 微生物的碳源譜 無機含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。 有機含碳化合物：糖與糖的衍生物、脂類、醇類。有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的化合物。 微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假單胞菌屬中的某些種可以利用90種以上的不同類型的碳源物質(zhì)；而某些甲基營養(yǎng)型細菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進行生長。,表44微生物的碳源譜,氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物營養(yǎng)所需的氮元素的營養(yǎng)源，稱為氮源。 氮源物質(zhì)的主要作用是合成細胞物質(zhì)中含氮物質(zhì)，少數(shù)自養(yǎng)細菌能利用銨鹽、硝酸鹽作為機體生長的氮源與能源，某些厭氧細菌在厭氧與糖類物質(zhì)缺乏的條件下，也可以利用氨基酸作為能源物質(zhì)。 微生物的氮源譜見表45,表45 微生物的氮源譜,實驗室常用的無機氮源有碳酸銨、硝酸鹽、硫酸銨、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生產(chǎn)上常用的氮源有硝酸鹽、銨鹽、尿素、氨以及蛋白含量較高的魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅份、玉米漿等。 蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機體利用，這種氮源叫遲效氮源。 無機氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。 速效氮源，通常是有利于機體的生長，遲效氮源有利于代謝產(chǎn)物的形成。 多數(shù)微生物可以利用無機含氮化合物作為氮源，也可以利用有機含氮化合物作為氮源。但有些微生物沒有將無機氮合成有機氮的能力，它們不能把尿素、銨鹽等這些無機氮源自行合成他們生長所需的氨基酸，而需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源才能生長，這類微生物叫做氨基酸異養(yǎng)型微生物，也叫營養(yǎng)缺陷型。,3、能源 指能為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能。 微生物的能源譜： 有機物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源） 化學物質(zhì) 能源譜： 無機物：化能自養(yǎng)微生物的能源（不同于碳源） 輻射能：光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源,化能自養(yǎng)微生物的能源物質(zhì)都是一些還原態(tài)的無機物質(zhì)，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+ 等，能利用這些物質(zhì)作為能源的全部是細菌，如：硝酸細菌、亞硝酸菌、硫化細菌、硫細菌、鐵細菌、硫細菌、氫細菌和鐵細菌等。這些無機養(yǎng)料常常是雙功能的（如： NH4+ 既是硝酸細菌的能源，又是它的氮源。） 有機營養(yǎng)物常有雙功能或三功能作用，既是異養(yǎng)微生物的能源，又是它們的碳源或氮源。 輻射能是單功能的，只為光能微生物提供能源。,生長因子（growth factor）是一類對微生物正常代謝必不可少且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機物。 主要包括維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（堿基）及其衍生物，此外還有甾醇、 胺類、脂肪酸等等。各種維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（堿基）的生理功能見教材。 缺乏合成生長因子能力的微生物稱為“營養(yǎng)缺陷型”微生物。,無機鹽 是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質(zhì)，它們?yōu)闄C體生長提供多種重要的生理功能（見下圖），包括大量元素和微量元素。 大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。 （微生物生長所需濃度在10-310-4mol/L） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 （微生物生長所需濃度在10-610-8mol/L） 一般微生物生長所需要的無機鹽有：硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鎂、鐵等金屬元素的化合物。,無機鹽的生理功能 細胞內(nèi)一般分子成分（P、S、Ca、Ma 、Fe等） 一般功能 滲透壓的維持（Na+等） 生理調(diào)節(jié)物質(zhì) 酶的激活劑（M a2+等） 大量元素 pH的穩(wěn)定 無 化能自養(yǎng)菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等） 機 特殊功能 鹽 無氧呼吸時的氫受體（NO3-、SO42-等） 酶的激活劑（Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等） 微量元素 特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）,水分： 水分是生物細胞的主要化學成分，其重要的生理功能表現(xiàn)在下列幾個方面： 1. 細胞的構(gòu)成成分 2.一系列生理生化反應的反應介質(zhì) 3.參與許多生理生化反應 4. 有效地控制細胞內(nèi)的溫度變化,第三節(jié) 微生物的營養(yǎng)類型 根據(jù)生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)，可將生物分成兩種基本的營養(yǎng)類型 異養(yǎng)型生物：在生長時需要以復雜的有機物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì) 自養(yǎng)型生物：在生長時能以簡單的無機物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì) 動物屬于異養(yǎng)型生物，植物，而微生物既有異養(yǎng)型的也有自養(yǎng)型的，大多數(shù)微生物屬于異養(yǎng)型生物，少數(shù)微生物屬于自養(yǎng)型生物。 根據(jù)生長時能量的來源不同，又可將生物分成兩種類型 化能營養(yǎng)型生物：依靠化合物氧化釋放的能量進行生長 光能營養(yǎng)型生物：依靠光能進行生長 動物和大部分微生物屬于化能營養(yǎng)型生物，它們從物質(zhì)的氧化過程中獲得能量。植物和少部分微生物屬于光能營養(yǎng)型生物,光能自養(yǎng)型微生物 以C02作為唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以無機物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機硫化物作為供氫體將CO2還原成細胞物質(zhì)，同時產(chǎn)生元素硫 光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O 光合色素 光能自養(yǎng)型微生物包括藍細菌（含葉綠素）、紅硫細菌和綠硫細菌等少數(shù)微生物（含細菌葉綠素），由于含有光合色素，因而能使先能轉(zhuǎn)變成化學能（ATP），供機體直接利用。,光能異養(yǎng)型微生物 以CO2為主要碳源或唯一碳源，以有機物（如異丙醇）作為供氫體，利用光能將CO2還原成細胞物質(zhì)，紅螺菌屬中的一些細菌屬于此種營養(yǎng)類型。 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素 光能異養(yǎng)型細菌在生長時大多數(shù)采要外源的生長因子,化能自養(yǎng)型微生物 以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源，以無機物氧化釋放的化學能為能源,，利用電子供體如氫氣、硫化氫、二價鐵離子或亞硝酸鹽等使CO2還原成細胞物質(zhì)。 這類微生物主要有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌。它們在自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。,化能異養(yǎng)型微生物 多數(shù)微生物屬于化能異養(yǎng)型，其生長所需要能量和碳源通常來自同一種有機物。 根據(jù)化能異養(yǎng)型微生物利用有機物的特性，又可以將其分為下列兩種類型： 腐生型微生物：利用無生命活性的有機物作為生長的碳源。 寄生型微生物：寄生在生活的細胞內(nèi)，從寄生體內(nèi)獲得生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。 存在于寄生與腐生之間的中間過渡類型微生物，稱為兼性腐生型或兼性寄生型。,第五節(jié) 培養(yǎng)基,培養(yǎng)基是人工配制的適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。它是進行科學研究，發(fā)酵生產(chǎn)微生物制品等的基礎 。,配制培養(yǎng)基的原則 1. 根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基， 如自型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應該）由簡單的無機物質(zhì)組成。異養(yǎng)做生物的培養(yǎng)基至少需要含有一種有機物質(zhì)。 按微生物的主要類群來說，又有細菌、放線菌、酵母菌和霉菌之分。它們所需要的培養(yǎng)基成分也不同，分別稱為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，高氏1號合成培養(yǎng)基，麥芽汁培養(yǎng)基，查氏合成培養(yǎng)基。,2.注意各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度與配比 營養(yǎng)物的濃度：在一般情況下，濃度合適的營養(yǎng)物質(zhì)才對微生物表現(xiàn)出良好作用，濃度大時對微生物生長起抑制作用，濃度小時不能滿足微生物生長的需要。 各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比：培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比直接影響微生物的生長與繁殖和（或）代謝產(chǎn)物的形成與積累，尤其是碳氮比（CN）（碳氮比一般指培養(yǎng)基中元素碳與元素氮的比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白兩種成分含量之比）的影響更為明顯。例如在微生物的谷氨酸發(fā)酵中，培養(yǎng)基的C N為4：l時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；當CN為3：1時，菌體繁殖受到抑制，而谷氨酸大量增加。,3.控制培養(yǎng)基的PH值 各類微生物生長的最適pH各不相同，細菌與放線菌生長的pH在77.5之間，酵母菌與霉菌生長的pH值在4-5之間。 在微生物的生長和代謝過程中，由于營養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累，常會改變培養(yǎng)基的pH值，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對恒定，通常采用下列兩種方式： 內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。 外源調(diào)節(jié)：按實際需要流加酸或堿液,4.經(jīng)濟節(jié)約 配制培養(yǎng)基時，應盡量考慮利用價廉并且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基的成分，特別是在工業(yè)發(fā)酵中，培養(yǎng)基用量很大，更應該考慮到這一點，以便降低產(chǎn)品成本。,培養(yǎng)基的種類,按培養(yǎng)基的組成成分分類 按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)分類 按培養(yǎng)基的功能分類,根據(jù)培養(yǎng)基中化學成分的了解程度將其分為： 合成培養(yǎng)基：由化學成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基，該類培養(yǎng)基的組成成分精確、重復性強，但微生物生長較慢，且價格昂貴，故一般適于在實驗室范圍內(nèi)他有關(guān)研生物營養(yǎng)需要、代謝、分類鑒定、生物測定以及菌種選育、遺傳分析等方面的研究工作。 天然培養(yǎng)基：利用化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物質(zhì)（如自漢奸、因母沒計、土壤沒液、豆芽汁、玉米粉、教皮、牛奶、血清等）制成的培養(yǎng)基，天然培養(yǎng)基比較經(jīng)濟，除實驗室經(jīng)常使用外，更適宜于在生產(chǎn)上用來大規(guī)模地培養(yǎng)微生物和生產(chǎn)微生物產(chǎn)品。,根據(jù)培養(yǎng)基的物理狀態(tài)可將其分為： 固體培養(yǎng)基：在液體培養(yǎng)基中加入1.5-2.0%的凝固劑制成的呈固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。常用于微生物的分離、純化、計數(shù)等方面的研究。 半固體培養(yǎng)基：在液體培養(yǎng)基中加入0.2-0.7的瓊脂構(gòu)成的培養(yǎng)基。常用來觀察細菌運動的特征，以進行菌種鑒定和噬菌體效價滴定等方面的實驗工作。 液體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基不含任何凝固劑，它常用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)以及在實驗室進行微生物生理代謝等基本理論的研究工作。 科研與生產(chǎn)中常用的凝固劑有瓊脂、明膠和硅膠三種，除在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑之外，一些由天然的固體基質(zhì)制成的培養(yǎng)基也屬于固體培養(yǎng)基,按照培養(yǎng)基的用途，可將其分為 加富培養(yǎng)基：加富培養(yǎng)基是指在普通培養(yǎng)基里加過血、血清、動物（或植物）組織液或其他營養(yǎng)物質(zhì)（或生長因子）的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基，用以培養(yǎng)某種或某類營養(yǎng)要求苛刻的異養(yǎng)微生物 選擇培養(yǎng)基：選擇培養(yǎng)基是根據(jù)某種或某一類群微生物的特殊營養(yǎng)需要或?qū)δ撤N化合物的敏感性不同而設計出來的一類培養(yǎng)基。利用這種培養(yǎng)基可以將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來。 鑒別培養(yǎng)基：普通培養(yǎng)基中加入能與某種代謝產(chǎn)物發(fā)生反應的指示劑或化學藥品，從而產(chǎn)生某種明顯的特征性變化，以區(qū)別不同的微生物,微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式,單純擴散 促進擴散 主動運輸,擴散 擴散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營養(yǎng)物質(zhì)通過細胞膜中的含水小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴散。 在擴散過程中營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化：即既不與膜上的分子發(fā)生反應，本身的分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化。 物質(zhì)運輸?shù)乃俾逝c胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細胞膜內(nèi)外該物質(zhì)濃度差的降低而減小，直到胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同。 擴散是一個不需要代謝能的運輸方式，因此，物質(zhì)不能進行逆濃度運輸。 膜的特性、膜上含水小孔的大小和形狀對被擴散的營養(yǎng)物質(zhì)分子的種類、大小有一定的選擇性，通常分子量小，脂溶性、極性小的營養(yǎng)物質(zhì)容易吸收。,促進擴散 在促進擴散過程中 營養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上也不會發(fā)生變化 不消耗代謝能量，故不能進行逆濃度運輸 運輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定 需要細胞膜上的載體蛋白（透過酶）參與物質(zhì) 運輸 被運輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性 促進擴散的運輸方式多見于真核微生物中，例如通常在厭氧生活的酵母菌中，某些物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌是通過這種方式完成的。,主動運輸 物質(zhì)在主動運輸?shù)倪^程中 消耗代謝能 可以進行逆濃度運輸?shù)倪\輸方式 需要載體蛋白參與 對被運輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性 不同的微生物在主動運輸過程中所需的能量的來源不同，好氧微生物中直接來自呼吸能，厭氧微生物主要來自化學能，光合微生物中則主要來自光能 。 主動運輸是微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。,主動運輸?shù)姆绞?1.初級主動運輸 2. 次級主動運輸 3.基團轉(zhuǎn)位 4.Na+,K+-ATPase系統(tǒng),初級主動運輸