《微生物的營養(yǎng)》PPT課件

1、微 生 物 學(xué),生物工程專業(yè)課程,第 四 章 微生物的營養(yǎng),微生物的營養(yǎng),是微生物生理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，主要研究內(nèi)容是闡明營養(yǎng)物質(zhì)在微生物生命活動過程中的生理功能，以及微生物細(xì)胞從外界環(huán)境攝取營養(yǎng)物質(zhì)的具體機制,微生物的特點,食譜廣、胃口大,營養(yǎng)物質(zhì):那些能夠滿足微生物機體生長、 繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì),營養(yǎng)：微生物獲得和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程,相關(guān)兩個概念,營養(yǎng)： 為微生物的生命活動如生長、繁殖、細(xì)胞內(nèi)大分子的合成與分解等提供了必需的物質(zhì)基礎(chǔ)和保證。 營養(yǎng)物質(zhì)： 被微生物吸收后可參與微生物細(xì)胞的組成，構(gòu)成酶的活性成分和提供微生物各種生命活動所需要的能量,學(xué)習(xí)微生物營養(yǎng)知識的意義,是認(rèn)識

2、、利用和深入研究微生物的必要基礎(chǔ)，尤其對更自覺和有目的地選用、改造和設(shè)計符合微生物生理要求的培養(yǎng)基，以便進行科學(xué)研究或用于生產(chǎn)實踐，具有極其重要的作用,本章內(nèi)容,微生物們需要吃什么,第三節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)進入細(xì)胞,微生物們是怎樣吃東西的,第二節(jié) 培養(yǎng)基,如何給微生物們做飯,第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)要求,第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)要求,一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成,微生物和高等生物細(xì)胞化學(xué)組成成分類似，都含有碳、氫、氧、氮、磷、硫和各種礦質(zhì)元素。又有主要元素和微量元素之分。 不同微生物的細(xì)胞和組成成分在質(zhì)和量上不盡相同，即便同一種微生物在不同生長時期和不同的生長條件下，也會有差異,主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、

3、鉀、鎂、鈣等,微量元素：鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅等,占細(xì)菌細(xì)胞干重的97,微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重,微生物 動物 植物之間存在“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性,獲得微生物細(xì)胞： 可通過過濾或離心。 濕重的測定： 將收獲的細(xì)胞盡量吸去細(xì)胞外的水分，此時的重量即為濕重。 干重的測定： 將濕細(xì)胞在不超過105的高溫烘至恒重，此時的重量即為干重。 細(xì)胞有機成分的分析：通常有兩種分析方式： 一是用化學(xué)法直接抽提細(xì)胞中的各種有機物，然后加以分析； 另一種是將細(xì)胞破碎，分別獲得不同的亞顯微結(jié)構(gòu)，再單獨分析這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分,研究方法,微生物細(xì)胞的化學(xué)組成（占細(xì)胞鮮重的,二、營養(yǎng)物質(zhì)及生理功能,根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)

4、在機體中生理功能的不同分： 碳源 氮源 營養(yǎng)物質(zhì) 無機鹽 生長因子 水,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(xì)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(xì)菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進行生長,1.碳源（carbon source,微生物的碳源譜,2.氮源(nitr

5、ogen 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(xì)胞物質(zhì)中含氮物質(zhì)。 少數(shù)自養(yǎng)細(xì)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(xì)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,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

6、，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.無機鹽(inorganic salt,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，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-

7、3_10-4mol/L） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 （微生物生長所需濃度在10-6_10-8mol/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(xì)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（Mg2+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

8、,4.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. 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,微 生 物 生長因子 需要量（ml-1 ） III型肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）膽堿 6ug 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng 白喉棒桿菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug 破傷風(fēng)梭狀芽孢桿菌（Clostridi

9、um tetani）尿嘧啶 0-4ug 腸膜狀串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,水分是生物細(xì)胞的主要化學(xué)成分，其重要的生理功 能表現(xiàn)在下列幾個方面： 1.細(xì)胞的構(gòu)成成分； 2.一系列生理生化反應(yīng)的反應(yīng)介質(zhì)； 3.參與許多生理生化反應(yīng)； 4.有效地控制細(xì)胞內(nèi)的溫度變化,5.水分,三、微生物的營養(yǎng)類型,生長所需要營養(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(fù)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，植物屬于自養(yǎng)型生物，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

10、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,微生物的營養(yǎng)類型,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(xì)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(lán)細(xì)菌（含葉綠素）、紅硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌等少數(shù)微生物（含細(xì)菌葉綠素），由于含有光合色

11、素，因而能使先能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能（ATP），供機體直接利用,1.光能自養(yǎng)型微生物,2.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(xì)胞物質(zhì)，紅螺菌屬中的一些細(xì)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(xì)菌在生長時大多數(shù)采要外源的生長因子,3.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(xué)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(xì)胞物質(zhì)。 這類微生物主要有硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌與鐵細(xì)菌。它們在自然界物

12、質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用,4.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(xì)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,所有致病微生物均為化能異養(yǎng)型微生物,不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對,異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2,自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機物進行生長,有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變,例如紫色

13、非硫細(xì)菌(purple nonsulphur bacteria)： 沒有有機物時，同化CO2， 為自養(yǎng)型微生物； 有機物存在時，利用有機物進行生長，為異養(yǎng)型微生物； 光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物； 黑暗與好氧條件下，依靠有機物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長，為化能營養(yǎng)型微生物,微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力,微生物和動物、植物營養(yǎng)要素的比較,第二節(jié) 培養(yǎng)基,培養(yǎng)基是人工配制的各種營養(yǎng)物質(zhì)供微生物生長繁殖的 營養(yǎng)基質(zhì)。它是進行科學(xué)研究、發(fā)酵生產(chǎn)微生物制品等的 基礎(chǔ),一、配制培養(yǎng)基的原則,1.目的明確,2.營養(yǎng)協(xié)調(diào),3.理化條件適宜,4.經(jīng)濟節(jié)約,1.目

14、的明確,根據(jù)不同的微生物的營養(yǎng)要求配制針對強的培養(yǎng)基,培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫桿菌的培養(yǎng)基組成為： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培養(yǎng)化能異養(yǎng)的大腸桿菌一種培養(yǎng)基是由下列化學(xué)成分組成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常見的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基,細(xì)菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放線菌（高氏1號） 淀粉 2

15、0g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基) 干麥芽粉加四倍水，在50-60保溫糖化3-4小時，用碘液試驗檢查至糖化完全為止，調(diào)整糖液濃度為10巴林，煮沸后，沙布過濾，調(diào)PH為6.0,霉菌（查氏合成培養(yǎng)基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.營養(yǎng)協(xié)調(diào),培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時微生物才能生長良好，營養(yǎng)物質(zhì)濃度過低時不能滿足微生物正常生長所需，濃度過高時則可能對

16、微生物生長起抑制作用,培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大,碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值，有時也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比,例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加,3.理化條件適宜,pH,水活度,氧化還原電位,a. pH,培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物,通常培養(yǎng)條件： 細(xì)菌與放線菌：pH7-7.5 酵母菌和霉菌：pH4.5-6 范圍內(nèi)生

17、長,為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，或在進行工業(yè)發(fā)酵時補加酸、堿,b. 水活度,在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量， 一般用在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條 件下純水蒸汽壓力之比表示，即： w=Pw/Pow 式中Pw代表溶液蒸汽壓力, POw代表純水蒸汽壓力。 純水w為1.00,溶液中溶質(zhì)越多, w越小,微生物一般在w為0.600.99的條件下生長, w過低時, 微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。 微生物不同，其生長的最適w不同,c. 氧化還原電位,氧化還原電位又稱氧化還原電勢（redox potential），是度

18、量 某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢 的一種指標(biāo)，其單位是V（伏）或mV（毫伏,不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同,好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長,以+0.3+0.4伏為宜； 厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長； 兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進行好氧呼吸, +0.1伏以下時進行發(fā)酵,4. 經(jīng)濟節(jié)約,以粗代精,以野代家,以廢代好,以國代進,以簡代繁,以氮代朊,以烴代糧,以纖代糖,二）4種方法,1.生態(tài)模擬 肉湯、魚汁培養(yǎng)細(xì)菌，果汁培養(yǎng)酵母菌 2.參閱文獻(xiàn) 收集資料 3.精心設(shè)計 正交試驗設(shè)計,平板試驗,搖瓶試驗,發(fā)酵罐試驗,4.試驗比較,二、培養(yǎng)基的

19、類型及應(yīng)用,按成分不同劃分,天然培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基,含用化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機物,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基,化學(xué)成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基,高氏1號培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基,半合成培養(yǎng)基,按物理狀態(tài)不同劃分,固體培養(yǎng)基,液體培養(yǎng)基,在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%-2.0,瓊脂含量一般為0.2%-0.7,不加任何凝固劑,半固體培養(yǎng)基,固體培養(yǎng)基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數(shù)及菌種保藏,觀察微生物的運動特征、分類鑒定及噬菌體效價滴定,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在實驗室進行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究,按用途不同劃分,基礎(chǔ)培養(yǎng)

20、基,鑒別培養(yǎng)基,含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基,用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基,用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基,選擇培養(yǎng)基,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質(zhì)制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基,微生物產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物，與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的特征變化,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基,加富培養(yǎng)基,特殊營養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等,在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營養(yǎng)物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)，抑制不需要的微生物的生長，有利于所需微生物的生長,第三節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)進入細(xì)胞的方式,微生物細(xì)胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)的有利條件，是其表面積和體積的比值極大。因此才有可能很快地吸收大量的營養(yǎng)物質(zhì)以供應(yīng)其代謝的需要。 微生物將吸收哪些營養(yǎng)物質(zhì)，對各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速度，均取決于細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)特性和細(xì)胞的代謝活動,營養(yǎng)物質(zhì)能否進入細(xì)胞取決于三個方面的因素,營養(yǎng)物質(zhì)本身性質(zhì)（相對分子量、質(zhì)量、溶解性、電負(fù)性等,微生物所處的環(huán)境（溫度、PH等,微生物細(xì)胞的透過屏障（原生質(zhì)膜、細(xì)胞壁、莢膜等,1、單純擴散（Diffusion,少數(shù)低分子量的物質(zhì)是靠被動擴散而滲透入細(xì)胞的。擴散的速度取決于細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度。 在擴散