微生物第4章課件

1、 第四章 微生物的營養(yǎng)和培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)（nutrient)：能夠滿足微生物機(jī)體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì)營養(yǎng)(nutrition)：微生物從外部環(huán)境中攝取對其生命活動必須的能量和物質(zhì)，以滿足其生長和繁殖等活動的生理過程營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營養(yǎng)是生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。本章內(nèi)容： 1 、微生物的營養(yǎng)要素和營養(yǎng)類型（微生物們需要吃什么？）3、營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞（微生物們是怎樣吃東西的）2、微生物培養(yǎng)基（如何給微生物們做飯）第一節(jié) 微生物的6類營養(yǎng)要素一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成微生物細(xì)胞水：70%-90%干物質(zhì)有機(jī)物蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素等及其降解產(chǎn)物 無

2、機(jī)物（鹽）微生物、動物、植物之間存在“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”細(xì)胞化學(xué)元素組成：主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等；微量元素：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。二、微生物的六類營養(yǎng)要素微生物與動植物營養(yǎng)要素的比較 碳源譜： 有機(jī)碳：C H O N X：蛋白質(zhì)、核酸 C H O N：氨基酸 C H O： 糖、有機(jī)酸、醇、脂類 C H：烴類 無機(jī)碳：C O：CO2 C O X：NaHCO3 1、碳源: 能滿足微生物生長繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物； 氮源譜： 有機(jī)氮：C H O N X：蛋白質(zhì)、核酸 C H O N：氨基酸、尿素 無機(jī)氮：N H：NH3、銨鹽 N O ：硝酸鹽 N：N

3、22、氮源：能滿足微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)物能源譜： 化學(xué)物質(zhì)（化能營養(yǎng)型）： 有機(jī)物：化能異養(yǎng)微生物（同碳源） 無機(jī)物：化能自養(yǎng)微生物（不同于碳源） 輻射能（光能營養(yǎng)型）：光能自養(yǎng)型和光能異養(yǎng)型微生物3、能源：為微生物生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能4、生長因子：調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必須，但不能用簡單的碳源、 氮源自行合成的有機(jī)物，需要量少。5、無機(jī)鹽： 可為微生物提供提供碳、氮以外的各種元素6、水：水的作用：是否是營養(yǎng)物質(zhì)？溶劑 自由水游離水重要組成成分 結(jié)合水不易蒸發(fā)、不能滲透、不能凍結(jié)生理生化反應(yīng)都離不開水（媒介、介質(zhì)）、營養(yǎng)物吸收及代謝物分泌的介質(zhì)、高比熱（控溫）、高汽

4、化熱（控溫）、高沸點（控溫）、固態(tài)水（冰） 自養(yǎng)微生物 能以無機(jī)物作為一切營養(yǎng)來源的微生物 碳源 CO2 供氫體 還原性無機(jī)物 能源 日光或還原性無機(jī)物 不需要外界加入生長因子 不依賴任何有機(jī)營養(yǎng)物即可正常生活的微生物微生物的碳源可分為有機(jī)碳和無機(jī)碳根據(jù)對碳源的利用將其分為異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物第二節(jié)、微生物的營養(yǎng)類型(p87)異養(yǎng)微生物 至少需要提供一種大量有機(jī)物才能滿足其正常營養(yǎng)要求的微生物 碳 源 ： 必須是有機(jī)物 供氫體：有機(jī)物 能 源 ： 可利用氧化有機(jī)物或吸收光能光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）根據(jù)微生

5、物能源、碳源、氫供體的不同，可分為四種類型1光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為唯一或主要碳源；進(jìn)行光合作用獲取生長所需要的能量；以無機(jī)物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；例如，藻類及藍(lán)細(xì)菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體），進(jìn)行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)。而紅硫細(xì)菌，以H2S為電子供體，產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。綠硫細(xì)菌、紫硫細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）2光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；在生長時大多數(shù)需要外源的生長因子；例如，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利

6、用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時積累丙酮。CHOH + CO2H3CH3C2光能光合色素2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O光能無機(jī)自養(yǎng)型和光能有機(jī)異養(yǎng)型微生物可利用光能生長，在地球早期生態(tài)環(huán)境的演化過程中起重要作用。3化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長所需要的能量來自無機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進(jìn)行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體(供氫體)使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)?；軣o機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機(jī)及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；4化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)

7、型）生長所需要的能量均來自有機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；生長所需要的碳源主要是一些有機(jī)化合物， 如淀粉、糖類、纖維素、有機(jī)酸等。有機(jī)物通常既是碳源也是能源；大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；腐生型(metatrophy)：可利用無生命的有機(jī)物(如動植物尸體和殘體)作為碳源；寄生型(paratrophy)：寄生在活的寄主機(jī)體內(nèi)吸取營養(yǎng)物質(zhì),離開寄主就不能生存；在腐生型和寄生型之間還存在中間類型： 兼性腐生型(facultive metatrophy)； 兼性寄生型(facultive paratrophy)；不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對

8、：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(jī)物進(jìn)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；例如紫色非硫細(xì)菌：沒有有機(jī)物時，同化CO2， 為自養(yǎng)型微生物；有機(jī)物存在時，利用有機(jī)物進(jìn)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(jī)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（參見P88）一、擴(kuò)散（diffusion） 簡單擴(kuò)散或被動運(yùn)送，物理擴(kuò)散作用動力：濃度梯度，高濃度向低濃度，兩邊濃度相等時停止能量：不耗能速度：慢運(yùn)送的物質(zhì)氣體、水

9、、某些水溶性或脂溶性物質(zhì)，如氧、二氧化碳、乙醇、某些氨基酸物質(zhì)跨膜擴(kuò)散的能力和速率與該物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),分子量小、脂溶性、極性小的物質(zhì)易通過擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。擴(kuò)散并不是微生物細(xì)胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。二、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)被動的跨膜運(yùn)輸方式不消耗能量不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸，速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化物質(zhì)需要借助與載體(carrier)的作用才能進(jìn)入細(xì)胞，每種載體只運(yùn)輸相應(yīng)的物質(zhì)，具有較高的專一性。二、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)載體只影響物質(zhì)的運(yùn)輸速率；這種性質(zhì)都類似于酶的作用特征，因此載體蛋白也稱

10、為透過酶；透過酶大都是誘導(dǎo)酶,只有在環(huán)境中存在機(jī)體生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)時，相應(yīng)的透過酶才合成。三、主動運(yùn)輸(active transport)在物質(zhì)運(yùn)輸過程中需要消耗能量可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸主動運(yùn)輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運(yùn)輸方式運(yùn)輸物質(zhì)所需能量來源：好氧型微生物與兼性厭氧微生物直接利用呼吸能；厭氧型微生物利用化學(xué)能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜鹽細(xì)菌通過紫膜(purple membrane)利用光能；(四）、基團(tuán)轉(zhuǎn)位(group translocation)一種特殊的主動運(yùn)輸方式，需要能量，物質(zhì)在運(yùn)輸過程中發(fā)生化學(xué)變化；由一個復(fù)雜的運(yùn)輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運(yùn)輸：酶1、酶2（包括a、b

11、、c三個亞基）和熱穩(wěn)定性蛋白（HPr）基團(tuán)轉(zhuǎn)位主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細(xì)菌中，主要用于糖的運(yùn)輸。脂肪酸、核苷、堿基等也可通過這種方式運(yùn)輸。膜泡運(yùn)輸(memberane vesicle transport)膜泡運(yùn)輸主要存在于原生動物中，特別是變形蟲(amoeba)，為這類微生物的一種營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸方式)。第四節(jié) 培養(yǎng)基培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進(jìn)行研究和利用工作的基礎(chǔ)培養(yǎng)基（medium）是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基都應(yīng)該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機(jī)鹽、能源、生長因子、水為什么任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進(jìn)行滅菌處理 ？一、選用和設(shè)計培

12、養(yǎng)基的原則在微生物學(xué)研究和生長實踐中，配置合適的培養(yǎng)基是一項最基本的要求。1、目的明確2、營養(yǎng)協(xié)調(diào)3、物理、化學(xué)條件適宜4、經(jīng)濟(jì)節(jié)約常規(guī)高壓蒸汽滅菌： 1.05kg/cm2,121.315-30分鐘；0.56kg/cm2,112.615-30分鐘1、目的明確培養(yǎng)不同的微生物必須采用不同的培養(yǎng)條件；實驗室常用的培養(yǎng)基：細(xì)菌： 牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（或簡稱普通肉湯培養(yǎng)基）；放線菌：高氏1號合成培養(yǎng)基培養(yǎng)；酵母菌：麥芽汁培養(yǎng)基；霉菌： 查氏合成培養(yǎng)基；培養(yǎng)目的不同，原料的選擇和配比不同；實驗室一般培養(yǎng)：普通常用培養(yǎng)基；遺傳研究：成分清楚的合成培養(yǎng)基；生理、代謝研究：選用相應(yīng)的培養(yǎng)基配方；例如枯草芽孢桿

13、菌：一般培養(yǎng)：肉湯培養(yǎng)基或LB培養(yǎng)基；自然轉(zhuǎn)化：基礎(chǔ)培養(yǎng)基；觀察芽孢：生孢子培養(yǎng)基；產(chǎn)蛋白酶：以玉米粉、黃豆餅粉為主的產(chǎn)酶培養(yǎng)基；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20g 、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（

14、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 1000ml2、營養(yǎng)協(xié)調(diào)營養(yǎng)物質(zhì)的濃度適宜；營養(yǎng)物質(zhì)之間的配比適宜；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(或)代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比(C/N)的影響較大。C/N比：碳源與氮源的比值發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時：碳氮比為4/1時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷

15、氨酸產(chǎn)量則大量增加。3、物理化學(xué)條件適宜pH；水活度；氧化還原電位；1）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：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范圍內(nèi)生長為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑（如K2HPO4/KH2OP4），或在進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時補(bǔ)加酸、堿。2）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=P/Po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

16、長速率和總生長量減少。純水w為1.00,溶液中溶質(zhì)越多, w越小。微生物不同，其生長的最適w不同。2）水活度3）氧化還原電位又稱氧化還原電勢（redox potential），是度量某氧化還原系統(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(jìn)行好氧呼吸, +0.1伏以下時進(jìn)行發(fā)酵。3）氧化還原電位氧化還原電位與氧分壓和pH有關(guān),也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響增加通氣量(如振蕩

17、培養(yǎng)、攪拌)提高培養(yǎng)基的氧分壓，或加入氧化劑，從而增加值；加入抗壞血酸（0.1%）、硫化氫(0.025%)、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等還原性物質(zhì)可降低值。4、經(jīng)濟(jì)節(jié)約配制培養(yǎng)基時應(yīng)盡量利用廉價且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基成份,特別是在發(fā)酵工業(yè)中,以降低生產(chǎn)成本。以粗代精以“野”代“家”以廢代好以簡代繁以烴代糧以纖代糖以無機(jī)氮代蛋白對微生物來說，各種粗原料營養(yǎng)更加完全，效果更好。而且在經(jīng)濟(jì)上也節(jié)約。以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉質(zhì)的野生植物，可以部分取代糧食用于工業(yè)發(fā)酵的碳源。以工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易污染環(huán)境的廢棄物作為培養(yǎng)微生物的原料。糖蜜(制糖工業(yè)

18、中含有蔗糖的廢液)、乳清(乳制品工業(yè)中含有乳糖的廢液)、豆制品工業(yè)廢液及黑廢液(造紙工業(yè)中含有戊糖和己糖的亞硫酸紙漿)等。工業(yè)上的甲烷發(fā)酵:主要利用廢水、廢渣作原料,農(nóng)村生產(chǎn)甲烷:利用糞便及禾草為原料發(fā)酵。農(nóng)副產(chǎn)品或制品，如麩皮、米糠、玉米漿、酵母浸膏、酒糟、豆餅、花生餅、蛋白胨等都是常用的發(fā)酵工業(yè)原料。某制藥廠改進(jìn)鏈霉素發(fā)酵液中的原有配方，設(shè)法減去30-50%的黃豆餅粉、25%的葡萄糖和20%硫酸銨，結(jié)果反而提高了產(chǎn)量。以石油或天然氣副產(chǎn)品代替糖質(zhì)原料來培養(yǎng)微生物生產(chǎn)蛋白;將石油產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成一些產(chǎn)值更高的高級醇、脂肪酸、環(huán)烷酸等化工產(chǎn)品和若干合成物；對石油產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行改良，如脫硫、脫蠟等。開

19、發(fā)利用纖維素這種世界上含量最豐富的可再生資源。將大量的纖維素農(nóng)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)飼料、工業(yè)發(fā)酵原料、燃料及人類的食品及飲料。以大氣氮、銨鹽、硝酸鹽或尿素等一類非蛋白質(zhì)或非氨基酸廉價原料用作發(fā)酵培養(yǎng)基的原料，讓微生物轉(zhuǎn)化成菌體蛋白質(zhì)或含氮的發(fā)酵產(chǎn)物供人們利用。選用和設(shè)計培養(yǎng)基的方法1、精心設(shè)計，對多種因子進(jìn)行比較和實驗，優(yōu)選法和正交設(shè)計2、進(jìn)行生態(tài)模擬，研究某種微生物的培養(yǎng)條件；3、文獻(xiàn)查閱，設(shè)計特定微生物的培養(yǎng)基配方；4、試驗比較，確定特定微生物的最佳培養(yǎng)條件；二、培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用（一）按成份不同劃分天然培養(yǎng)基(complex medium)以化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物組成合

20、成培養(yǎng)基(synthetic medium)是由化學(xué)成份完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基，也稱化學(xué)限定培養(yǎng)基(chemically defined medium)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（二）根據(jù)物理狀態(tài)劃分3）半固體培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入0.5 %瓊脂，用于細(xì)菌運(yùn)動性觀察，趨化性研究，厭氧菌分離培養(yǎng)、計數(shù)，菌種保藏1、液體培養(yǎng)基：呈液體狀態(tài)，大規(guī)

21、模微生物培養(yǎng)2、固體培養(yǎng)基：外觀呈固態(tài)3）天然固態(tài)培養(yǎng)基：馬鈴薯片、胡羅卜、麩皮、面包、植物組織等等2）非可逆性固化培養(yǎng)基：一旦加入凝固后不能再重新融化，如血清培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基用途：菌種分離鑒定、計數(shù)、菌種保藏、固體培養(yǎng)1）固化培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入1.5-2%的瓊脂或5-12%的明膠（三）、按用途劃分1）基礎(chǔ)培養(yǎng)基(minimum medium)在一定條件下含有某種微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基，也稱為基本培養(yǎng)基。2）完全培養(yǎng)基(complete medium)在一定條件下含有某種微生物生長繁殖所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基就是枯草芽孢桿菌等的完全培養(yǎng)基3）加富培養(yǎng)基和富集培養(yǎng)基(enrichment medium)在普通培養(yǎng)基（如肉湯蛋白胨培養(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。這些特殊營養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動植物組織液等。