微生物的營(yíng)養(yǎng)和培養(yǎng)基.ppt

第四章 微生物營(yíng)養(yǎng),第一節(jié) 微生物細(xì)胞的化學(xué)組成 第二節(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)要素 第三節(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型 第四節(jié) 微生物對(duì)營(yíng)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(xì)胞的化學(xué)組成 微生物細(xì)胞化學(xué)組成成分析表明，與其他高等動(dòng)植物細(xì)胞一樣，細(xì)胞也是大量元素碳、氫、氧、氮、磷、硫（這六種元素占細(xì)菌細(xì)胞干重的97，表4l）和微量元素鐵、錳、鋅等構(gòu)成。微生物細(xì)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(jī)物質(zhì)，水和無(wú)機(jī)鹽等無(wú)機(jī)物質(zhì)的形式存在（表42）。水是細(xì)胞中的一種主要成分，一般可占細(xì)胞干重的90以上。,微生物細(xì)胞物質(zhì)中灰分元素含量的百分比,表41 微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量 （干重的百分?jǐn)?shù)）,表42 微生物細(xì)胞的化學(xué)組成,第二節(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)要素 營(yíng)養(yǎng)物（nutrient）： 那些能夠滿足機(jī)體生長(zhǎng)、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì)通常稱為微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 營(yíng)養(yǎng)（或叫營(yíng)養(yǎng)作用，nutrition ）： 微生物獲得與利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程通常稱為營(yíng)養(yǎng)。,表4-3 微生物和動(dòng)物、植物營(yíng)養(yǎng)要素的比較,碳源（carbon source）凡是提供微生物營(yíng)養(yǎng)所需的碳元素（碳架）的營(yíng)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(jī)體提供整個(gè)生理活動(dòng)所需要的能量（異養(yǎng)微生物）。 微生物的碳源譜 無(wú)機(jī)含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。 有機(jī)含碳化合物：糖與糖的衍生物、脂類、醇類。有機(jī)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(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物進(jìn)行生長(zhǎng)。,表44微生物的碳源譜,氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物營(yíng)養(yǎng)所需的氮元素的營(yíng)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(jī)體生長(zhǎng)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)。 微生物的氮源譜見(jiàn)表45,表45 微生物的氮源譜,實(shí)驗(yàn)室常用的無(wú)機(jī)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(guò)水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機(jī)體利用，這種氮源叫遲效氮源。 無(wú)機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)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(jī)體的生長(zhǎng)，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(wú)機(jī)含氮化合物作為氮源，也可以利用有機(jī)含氮化合物作為氮源。但有些微生物沒(méi)有將無(wú)機(jī)氮合成有機(jī)氮的能力，它們不能把尿素、銨鹽等這些無(wú)機(jī)氮源自行合成他們生長(zhǎng)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(zhǎng)，這類微生物叫做氨基酸異養(yǎng)型微生物，也叫營(yíng)養(yǎng)缺陷型。,3、能源 指能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物或輻射能。 微生物的能源譜： 有機(jī)物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源） 化學(xué)物質(zhì) 能源譜： 無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(xì)菌，如：硝酸細(xì)菌、亞硝酸菌、硫化細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌和鐵細(xì)菌等。這些無(wú)機(jī)養(yǎng)料常常是雙功能的（如： NH4+ 既是硝酸細(xì)菌的能源，又是它的氮源。） 有機(jī)營(yíng)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(zhǎng)因子（growth factor）是一類對(duì)微生物正常代謝必不可少且不能用簡(jiǎn)單的碳源或氮源自行合成的有機(jī)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(jiàn)教材。 缺乏合成生長(zhǎng)因子能力的微生物稱為“營(yíng)養(yǎng)缺陷型”微生物。,無(wú)機(jī)鹽 是微生物生長(zhǎng)必不可少的一類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它們?yōu)闄C(jī)體生長(zhǎng)提供多種重要的生理功能（見(jiàn)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(zhǎng)所需濃度在10-310-4mol/L） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 （微生物生長(zhǎng)所需濃度在10-610-8mol/L） 一般微生物生長(zhǎng)所需要的無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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（M a2+等） 大量元素 pH的穩(wěn)定 無(wú) 化能自養(yǎng)菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等） 機(jī) 特殊功能 鹽 無(wú)氧呼吸時(shí)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(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(gè)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,第三節(jié) 微生物的營(yíng)養(yǎng)類型 根據(jù)生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)，可將生物分成兩種基本的營(yíng)養(yǎng)類型 異養(yǎng)型生物：在生長(zhǎng)時(shí)需要以復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 自養(yǎng)型生物：在生長(zhǎng)時(shí)能以簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 動(dòng)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(zhǎng)時(shí)能量的來(lái)源不同，又可將生物分成兩種類型 化能營(yíng)養(yǎng)型生物：依靠化合物氧化釋放的能量進(jìn)行生長(zhǎng) 光能營(yíng)養(yǎng)型生物：依靠光能進(jìn)行生長(zhǎng) 動(dòng)物和大部分微生物屬于化能營(yíng)養(yǎng)型生物，它們從物質(zhì)的氧化過(guò)程中獲得能量。植物和少部分微生物屬于光能營(yíng)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(wú)機(jī)物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無(wú)機(jī)硫化物作為供氫體將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時(shí)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），由于含有光合色素，因而能使先能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能（ATP），供機(jī)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(jī)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(yíng)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(zhǎng)時(shí)大多數(shù)采要外源的生長(zhǎng)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(wú)機(jī)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(jià)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?cè)谧匀唤缥镔|(zhì)轉(zhuǎn)換過(guò)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(zhǎng)所需要能量和碳源通常來(lái)自同一種有機(jī)物。 根據(jù)化能異養(yǎng)型微生物利用有機(jī)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(wú)生命活性的有機(jī)物作為生長(zhǎng)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(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 存在于寄生與腐生之間的中間過(guò)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(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。它是進(jìn)行科學(xué)研究，發(fā)酵生產(chǎn)微生物制品等的基礎(chǔ) 。,配制培養(yǎng)基的原則 1. 根據(jù)不同微生物的營(yíng)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(yīng)該）由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)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(jī)物質(zhì)。 按微生物的主要類群來(lái)說(shuō)，又有細(xì)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(hào)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度與配比 營(yíng)養(yǎng)物的濃度：在一般情況下，濃度合適的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才對(duì)微生物表現(xiàn)出良好作用，濃度大時(shí)對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用，濃度小時(shí)不能滿足微生物生長(zhǎng)的需要。 各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比：培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比直接影響微生物的生長(zhǎng)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(shí)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(shí)，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)CN為3：1時(shí)，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(zhǎng)的最適pH各不相同，細(xì)菌與放線菌生長(zhǎng)的pH在77.5之間，酵母菌與霉菌生長(zhǎng)的pH值在4-5之間。 在微生物的生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累，常會(huì)改變培養(yǎng)基的pH值，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對(duì)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(shí)際需要流加酸或堿液,4.經(jīng)濟(jì)節(jié)約 配制培養(yǎng)基時(shí)，應(yīng)盡量考慮利用價(jià)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(yīng)該考慮到這一點(diǎn)，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(xué)成分的了解程度將其分為： 合成培養(yǎng)基：由化學(xué)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(fù)性強(qiáng)，但微生物生長(zhǎng)較慢，且價(jià)格昂貴，故一般適于在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)他有關(guān)研生物營(yíng)養(yǎng)需要、代謝、分類鑒定、生物測(cè)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(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物質(zhì)（如自漢奸、因母沒(méi)計(jì)、土壤沒(méi)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(jì)，除實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用外，更適宜于在生產(chǎn)上用來(lái)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(jì)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(lái)觀察細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的特征，以進(jìn)行菌種鑒定和噬菌體效價(jià)滴定等方面的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(guò)血、血清、動(dòng)物（或植物）組織液或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（或生長(zhǎng)因子）的一類營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基，用以培養(yǎng)某種或某類營(yíng)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(yíng)養(yǎng)需要或?qū)δ撤N化合物的敏感性不同而設(shè)計(jì)出來(lái)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(lái)。 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(yīng)的指示劑或化學(xué)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式,單純擴(kuò)散 促進(jìn)擴(kuò)散 主動(dòng)運(yùn)輸,擴(kuò)散 擴(kuò)散是非特異性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)細(xì)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(kuò)散。 在擴(kuò)散過(guò)程中營(yíng)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(yīng)，本身的分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化。 物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾逝c胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細(xì)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(kuò)散是一個(gè)不需要代謝能的運(yùn)輸方式，因此，物質(zhì)不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。 膜的特性、膜上含水小孔的大小和形狀對(duì)被擴(kuò)散的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)容易吸收。,促進(jìn)擴(kuò)散 在促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程中 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上也不會(huì)發(fā)生變化 不消耗代謝能量，故不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸 運(yùn)輸?shù)乃俾视砂麅?nèi)外該物質(zhì)的濃度差決定 需要細(xì)胞膜上的載體蛋白（透過(guò)酶）參與物質(zhì) 運(yùn)輸 被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性 促進(jìn)擴(kuò)散的運(yùn)輸方式多見(jiàn)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(guò)這種方式完成的。,主動(dòng)運(yùn)輸 物質(zhì)在主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中 消耗代謝能 可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸方式 需要載體蛋白參與 對(duì)被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專一性 不同的微生物在主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中所需的能量的來(lái)源不同，好氧微生物中直接來(lái)自呼吸能，厭氧微生物主要來(lái)自化學(xué)能，光合微生物中則主要來(lái)自光能 。 主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。,主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞?1.初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸 2. 次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸 3.基團(tuán)轉(zhuǎn)位 4.Na+,K+-ATPase系統(tǒng),初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸