第二章 工業(yè)微生物學(xué)基礎(chǔ)

第二章工業(yè)微生物學(xué)基礎(chǔ)微生物是自然界生態(tài)平衡和物質(zhì)循環(huán)中必不可少的重要成員。可把原料轉(zhuǎn)化為人們需要的產(chǎn)品。從生化觀點(diǎn)看，微生物是一種生物催化劑，它能促使生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化的進(jìn)行。從化學(xué)工程角度考慮，微生物細(xì)胞又可認(rèn)為是一種及其微小的“反應(yīng)器”。第一節(jié)微生物的特點(diǎn)1體積小，比表面積大2種類多，分布廣3生長旺，繁殖快4適應(yīng)強(qiáng)，易變異（營養(yǎng)缺陷型）第二節(jié)工業(yè)生產(chǎn)中常見的微生物微生物細(xì)胞型非細(xì)胞型：如病毒原核微生物：如細(xì)菌、放線菌真核微生物：如酵母、霉菌一細(xì)菌單細(xì)胞生物，分裂繁殖，體積很小，直徑約0·5微米，長度約0·5～5微米，有球狀、桿狀、螺旋狀等基本形態(tài)。細(xì)菌的形態(tài)球菌（coccus)桿菌（bacilus)螺旋菌（spirillum)細(xì)菌的結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)特殊結(jié)構(gòu)細(xì)菌的結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁：肽聚糖，保護(hù)細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)核質(zhì)（擬核）：未成形的細(xì)胞核特殊結(jié)構(gòu)莢膜：粘性，保護(hù)作用鞭毛：運(yùn)動(dòng)器官芽孢：細(xì)菌休眠體，對(duì)惡劣的環(huán)境有抵抗力（核糖體、質(zhì)粒）（選擇透過性）芽孢有些細(xì)菌在一定的條件下，細(xì)胞里面形成一個(gè)橢圓形的休眠體，叫做芽孢。芽孢的壁很厚，對(duì)干旱、低溫、高溫等惡劣的環(huán)境有很強(qiáng)的抵抗力。例如，有的細(xì)菌的芽孢，煮沸3小時(shí)以后才死亡。芽孢又小又輕，可以隨風(fēng)飄散。當(dāng)環(huán)境適宜（如溫度、水分適宜）的時(shí)候，芽孢又可以萌發(fā)，形成一個(gè)細(xì)菌菌落：將單個(gè)微生物細(xì)胞或一小堆同種細(xì)胞接種在固體培養(yǎng)基的表面，當(dāng)它占有一定的發(fā)展空間并具有適宜的培養(yǎng)條件時(shí)，細(xì)胞就會(huì)迅速進(jìn)行生長繁殖，形成以母細(xì)胞為中心的一堆肉眼可見的、有一定形態(tài)構(gòu)造的子細(xì)胞集團(tuán)。細(xì)菌菌落特征特征：濕潤、較透明、易挑取、質(zhì)地均勻以及菌落正反面或邊緣與中央部位的顏色一致。洛菲24H菌苔：如果將某一純種的大量細(xì)胞密集地接種到固體培養(yǎng)基表面，長成的各菌落相互連接成一片，這就是菌苔。二放線菌菌絲：基內(nèi)菌絲和氣生菌絲放線菌菌落特征：干燥、不透明，表面呈緊密的絲絨狀，上有一層色彩鮮艷的干粉；菌落和培養(yǎng)基連接緊密，難以挑?。痪涞恼疵骖伾３２灰恢?，菌落邊緣培養(yǎng)基的平面有變形現(xiàn)象。放線菌的菌落A：諾爾斯氏鏈霉菌；B：皮疽諾卡氏菌；C：酒紅指孢囊菌；D：游動(dòng)放線菌；E：小單胞菌；F：皺雙孢馬杜拉放線菌放線菌的作用1對(duì)自然界物質(zhì)循環(huán)2產(chǎn)生能抑制其它微生物生長的抗生素。抑制作用有選擇性（鏈霉素，陰；四環(huán)素，廣譜）三酵母菌繁殖方式：無性繁殖和有性繁殖，以無性繁殖為主。有性繁殖：指兩個(gè)相鄰的細(xì)胞相互結(jié)合形成子囊孢，子囊孢破裂后孢子散出，在適宜條件下，孢子萌發(fā)成新菌體。菌落特征與細(xì)菌相仿，但菌落較不透明，且顏色比較單調(diào)，一般會(huì)散發(fā)出悅?cè)说木葡阄?。釀酒酵母菌屬假絲酵母菌屬（產(chǎn)朊假絲酵母菌和解脂假絲酵母）四返回酵母菌菌落返回四霉菌凡生長在營養(yǎng)基質(zhì)上形成絨毛狀、蜘蛛網(wǎng)狀或絮狀菌絲體的，如根霉、毛霉、曲霉、青霉等真菌，統(tǒng)稱為霉菌。菌絲：單細(xì)胞；多細(xì)胞作用：自然界物質(zhì)循環(huán)（分解有機(jī)物）；發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)；發(fā)霉變質(zhì)（黃曲霉）。霉菌的菌落特征與放線菌接近。霉菌的菌落形態(tài)較大，質(zhì)地一般比放線菌疏松，外觀干燥不透明，呈現(xiàn)或緊或松的蛛網(wǎng)狀，絨毛狀或棉絮狀；菌落與培養(yǎng)基連接緊密，不易挑取，菌落正反面的顏色和邊緣及中心的顏色常不一致。五病毒病毒是比細(xì)菌還小，沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能獨(dú)立生活但具有遺傳變異等生命特征的一類微生物。根據(jù)病毒侵染的生物不同分為動(dòng)物病毒，植物病毒和細(xì)菌病毒（噬菌體）。作用：消滅有害菌類和農(nóng)林害蟲；制成疫苗，用于預(yù)防疾病。噬菌體的結(jié)構(gòu)噬菌體生活史第三節(jié)微生物菌種的分離選育和保藏一、微生物菌種的分離1采樣：是根據(jù)微生物的生態(tài)特點(diǎn)從自然界取樣分離所需菌種的過程。2增殖培養(yǎng)：就是給混合菌群提供一些有利于所需菌株生長或不利于其它菌型生長的條件以促使所需菌株大量繁殖，從而有利于分離它們。3純種分離（劃線法和稀釋法）4篩選（例：產(chǎn)淀粉酶菌種篩選）二誘變育種變異：可遺傳的變化。是微生物產(chǎn)生變種的根源，是育種的基礎(chǔ)。

突變自然突變：在自然條件下發(fā)生的基因突變，幾率很小誘發(fā)突變：用各種物理化學(xué)因素人工誘發(fā)的基因突變，突變律較高。以誘發(fā)突變?yōu)榛A(chǔ)的育種就是誘變育種誘變育種的理論依據(jù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，一切誘變劑的作用機(jī)制都是引起DNA分子結(jié)構(gòu)的改變，或者具體地說是引起負(fù)載在DNA上地遺傳物質(zhì)地基本單位－基因上的堿基對(duì)發(fā)生改變。這樣形成的異常的遺傳信息，必然造成某些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異，從而使細(xì)胞的功能發(fā)生改變。誘變劑能誘發(fā)基因突變并使突變率提高到超過自然水平的物理、化學(xué)因子都稱為誘變劑。物理誘變劑：紫外線（使DNA鏈斷裂DNA分子內(nèi)和分子間發(fā)生交聯(lián)）、X射線、γ射線等。化學(xué)誘變劑：甲基類似物、烷化劑（亞硝酸）。三原生質(zhì)體融合技術(shù)通過人工的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體（去壁后的細(xì)胞）發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生基因重組以產(chǎn)生同時(shí)帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的雜種細(xì)胞的過程，稱為原生質(zhì)體融合。細(xì)胞融合有有性（生殖細(xì)胞間）和無性（體細(xì)胞間）之分。原生質(zhì)體融合基本過程示意圖細(xì)胞壁細(xì)胞壁溶解細(xì)胞膜營養(yǎng)細(xì)胞原生質(zhì)體原生質(zhì)體融合融合細(xì)胞原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體形成細(xì)胞壁再生融合過程原生質(zhì)體融合的優(yōu)點(diǎn)1遺傳物質(zhì)的交換沒有細(xì)胞壁的障礙。2原生質(zhì)體融合后兩親株的基因組之間有機(jī)會(huì)發(fā)生多次交換。3可以鈍化親株的一方或雙方，然后使之融合，在再生菌落中篩選重組子。四、菌種的保藏

1、菌種保藏的目的

使菌種的生命得以延續(xù)并保持它們原有的生物學(xué)特性。

在基礎(chǔ)的研究中，可保證同一菌種在工作過程及工作結(jié)束后，均可獲得重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的生產(chǎn)菌，良好的保藏條件可保持其高產(chǎn)、高抗性等優(yōu)良的性能。對(duì)于通過生物工程技術(shù)所得的重組菌，則需保持其遺傳特性的穩(wěn)定。2、菌種保藏的基本原理

是根據(jù)微生物生理、生化特點(diǎn)，人工地創(chuàng)造條件，使微生物處于代謝不活潑、生長繁殖受抑制的休眠狀態(tài)。

這些人工造成的環(huán)境主要是低溫、干燥、缺氧三方面，使菌株盡可能少發(fā)生突變，以達(dá)到保持純種的目的。3、菌種保藏的具體方法斜面冰箱保藏法沙土管保藏法石蠟油封保藏法真空干燥冷凍保藏法液氨超低溫保藏法第四節(jié)微生物的營養(yǎng)微生物從環(huán)境獲得它們合成自身的細(xì)胞物質(zhì)和提供機(jī)體進(jìn)行各種生理活動(dòng)所需的能量以及形成代謝物所需的營養(yǎng)物質(zhì)的全過程，稱為微生物的營養(yǎng)。一微生物的營養(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(shí)需要以復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)自養(yǎng)型生物：在生長時(shí)能以簡單的無機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)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(shí)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(jìn)行生長光能營養(yǎng)型生物：依靠光能進(jìn)行生長動(dòng)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(jī)物(如硫化氫)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CO2＋H2S[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，因而能使光能轉(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)菌屬于此種營養(yǎng)類型。

光能

2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素化能自養(yǎng)型微生物

以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源，以無機(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(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：利用無生命活性的有機(jī)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)。

二微生物的營養(yǎng)基質(zhì)元素細(xì)菌酵母菌霉菌碳5049.847.9

氮1512.45.2

氫86.76.7

氧2031.140.2

磷3——

硫1——微生物細(xì)胞中幾種主要元素的含量（干重的百分?jǐn)?shù)）

碳源（carbonsource）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(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（主要碳源、活性碳源、惰性碳源）、脂類、醇類。有機(jī)酸、烴類、芳香族化合物以及各種含碳的化合物。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(jìn)行生長。

（一）碳源類型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機(jī)碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機(jī)酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無機(jī)碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3、

CaCO3NaHCO3、CaCO3等微生物的碳源譜

氮源(nitrogensource)

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)。主要用來構(gòu)成菌體細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、核酸、酶及各種代謝產(chǎn)物的含氮有機(jī)物。有機(jī)氮源是培養(yǎng)微生物的理想基質(zhì)。

微生物的氮源譜見下表

（二）氮源

微生物的氮源譜類型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機(jī)氮N·C·H·O·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機(jī)氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣無機(jī)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(jī)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10-3~10-4mol/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(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。（三）無機(jī)元素?zé)o機(jī)鹽的生理功能

細(xì)胞內(nèi)一般分子成分（P、S、Ca、Mg、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(jī)特殊功能元無氧呼吸時(shí)的氫受體（NO3-、SO42-等）素酶的激活劑（Cu2+、Mn2+

、Zn2+等）微量元素特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）（四）生長因子在微生物生長發(fā)育過程中不可缺少而需要量又極少的一類特殊營養(yǎng)物質(zhì)，包括維生素，氨基酸，核苷酸等，它們以輔酶或輔基的形式參與菌體生長發(fā)育過程的酶促反應(yīng)。很多微生物可自身合成生長因子，有的還可積累維生素，可利用其生產(chǎn)維生素，像用酵母菌生產(chǎn)維生素B1和B2，很多碳源、氮源的天然成分本身也含有生長因子。人工配制適于微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)稱為培養(yǎng)基。由于微生物種類不同，它們所需要的培養(yǎng)基也有所不同，就是對(duì)同一菌種，由于使用目的不同，對(duì)培養(yǎng)基的要求也不完全一樣。三微生物的培養(yǎng)基配制培養(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，如自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以由簡單的無機(jī)物質(zhì)組成。異養(yǎng)微生物的培養(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說，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(duì)微生物表現(xiàn)出良好作用，濃度大時(shí)對(duì)微生物生長起抑制作用，濃度小時(shí)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（C／N）（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)C／N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值各類微生物生長的最適pH各不相同，細(xì)菌與放線菌生長的pH在7—7.5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(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調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要加酸或堿液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（一）按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)分類固體培養(yǎng)基：一類以麩皮、米糠、豆餅粉、花生粉等為原料，加入適量的無機(jī)鹽和水分而進(jìn)行固體培養(yǎng)用的培養(yǎng)基，如白酒廠釀造廠使用的培養(yǎng)基。另一類是在溶解的培養(yǎng)液中添加某種凝膠劑，如瓊脂、明膠，廣泛用于微生物的分離鑒定保藏計(jì)數(shù)及菌落特征的觀察。液體培養(yǎng)基：把培養(yǎng)基成分溶解或懸浮在水中進(jìn)行液體培養(yǎng)的培養(yǎng)基。廣泛應(yīng)用于微生物的培養(yǎng)研究和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。（二）按培養(yǎng)物質(zhì)的來源分類天然培養(yǎng)基：動(dòng)植物組織或微生物的浸出物、水解液等物質(zhì)以及天然的含有豐富營養(yǎng)的有機(jī)物質(zhì)制成的培養(yǎng)基。配制方便、價(jià)格低廉，適于各類異養(yǎng)微生物培養(yǎng)。合成培養(yǎng)基：由已知化學(xué)成分及數(shù)量的化學(xué)藥品配置而成，適合于定量研究工作，微生物在其上生長緩慢。半合成培養(yǎng)基：在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中使用最多。（三）按培養(yǎng)基的用途分類基礎(chǔ)培養(yǎng)基：內(nèi)含有微生物生長需要的相同的營養(yǎng)物質(zhì)。鑒別培養(yǎng)基：根據(jù)微生物能否利用培養(yǎng)基中某種營養(yǎng)成分，依靠指示劑的顯色反應(yīng)或其它某種明顯的特征性變化，以鑒別不同類微生物的培養(yǎng)基。EMB(EosinMethyleneBlue)培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，因其強(qiáng)烈分解乳糖而產(chǎn)生大量的混合酸，菌體帶H+,故可使酸性染料伊紅變紅，又因伊紅與美藍(lán)結(jié)合，使菌落呈深紫色。從菌落表面反光還可看到綠色金屬閃光。而產(chǎn)酸弱的菌株的菌落呈棕色。不發(fā)酵乳酸的菌落無色透明。鑒別腸道細(xì)菌的伊紅美藍(lán)乳糖培養(yǎng)基（EMB）伊紅美藍(lán)(EMB,EosinMethyleneBlue)培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基：有利于某種微生物而不適于其它微生物生長而設(shè)計(jì)的培養(yǎng)基。通過培養(yǎng)達(dá)到從自然界分離出某種微生物的目的。（書P24分離石油酵母的培養(yǎng)基）選擇培養(yǎng)基：在培養(yǎng)基中加入某種化學(xué)物質(zhì)以抑制不需要菌的生長而保證需要菌的生長，從而在混雜的微生物中選出需要的菌種。一般含有抑菌劑和殺菌劑。四微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式：

1單純擴(kuò)散

2促進(jìn)擴(kuò)散

3主動(dòng)運(yùn)輸

單純擴(kuò)散擴(kuò)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(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(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(jìn)擴(kuò)散在促進(jìn)擴(kuò)散過程中營養(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。促進(jìn)擴(kuò)散示意圖胞外細(xì)胞膜胞內(nèi)單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散濃度梯度運(yùn)輸速率單純擴(kuò)散和促進(jìn)擴(kuò)散的比較單純擴(kuò)散隨濃度增加而線性增加，而促進(jìn)擴(kuò)散在一定濃度后出現(xiàn)平臺(tái)

主動(dòng)運(yùn)輸物質(zhì)在主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^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(xué)能，光合微生物中則主要來自光能。主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外(或細(xì)菌周質(zhì)空間)電子轉(zhuǎn)運(yùn)1.電子轉(zhuǎn)移能被用來將質(zhì)子泵出膜外2.質(zhì)子梯度通過反運(yùn)輸機(jī)制將鈉離子逐出膜外

3.鈉離子與載體蛋白復(fù)合物相結(jié)合4.溶質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的形狀發(fā)生改變，而與溶質(zhì)(如糖和氨基酸)結(jié)合5.載體蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，鈉離子在膜內(nèi)釋放，隨后溶質(zhì)從載體蛋白解離主動(dòng)運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制：使用質(zhì)子(H+)和鈉離子(Na+)梯度。第五節(jié)影響微生物生長發(fā)育的因素1溫度由于微生物的生長和產(chǎn)物的合成代謝都是在各種酶的催化下進(jìn)行的，而溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵過程中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。溫度影響是多方面的，可以對(duì)微生物細(xì)胞的生長、產(chǎn)物的生成和代謝產(chǎn)生影響。溫度和微生物生長的關(guān)系溫度和微生物生長的關(guān)系，一方面在其最適溫度范圍內(nèi)，微生物的生長速度隨溫度的升高而增加；另一方面，處于不同生長階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)是不同的。

對(duì)于同一微生物細(xì)胞，細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度也往往是不同的。例如，青霉素產(chǎn)生菌的生長最適溫度為30度，而產(chǎn)生青霉素的最適溫度為25度；黑曲霉的最適生長溫度為37度，而產(chǎn)生糖化酶和檸檬酸的最適溫度都是32-34度；谷氨酸生產(chǎn)菌生長的最適溫度30-32度，而代謝產(chǎn)生谷氨酸的最適溫度卻在34-37度。細(xì)菌:pH7.0~8.0

放線菌：pH7.0~8.5

酵母菌:pH3.8~6.0

霉菌：pH4.0~6.02pH微生物有最佳生長pH同一微生物在其不同的生長階段和不同的生理、生化過程中也有不同的pH要求，發(fā)酵生產(chǎn)中的pH控制尤為重要。例如：黑曲霉在pH2~2.5

范圍內(nèi)有利于產(chǎn)生檸檬酸，在pH2.5~6.5

范圍內(nèi)以菌體生長為主，而在pH7左右時(shí)，則以合成草酸為主。微生物在生長過程中培養(yǎng)基pH值可能發(fā)生的變化：在含糖和脂肪的基質(zhì)上生長,會(huì)產(chǎn)酸而使pH下降在分解蛋白質(zhì)和氨基酸時(shí),會(huì)產(chǎn)NH3而使pH上升以(NH4)2SO4作N源,會(huì)過剩SO4

2-,而使pH下降NaNO3中對(duì)NO3-的選擇吸收，會(huì)過剩Na+

而使pH上升。

維持培養(yǎng)基pH的方法使用磷酸緩沖劑：

K2HPO4/Na2HPO4,H3PO4/NaH2PO4采用“備用堿”：CaCO3

、CaHCO3采用弱酸鹽：檸檬酸鹽、乳酸鹽等采用液氨或鹽酸3通氣與攪拌1.生化反應(yīng)器通氣與攪拌有兩個(gè)目的:

①使發(fā)酵液充分混合，以便形成均勻的微生物懸浮液，促使底物從發(fā)酵液向菌體內(nèi)及代謝產(chǎn)物從菌體內(nèi)向發(fā)酵液的傳遞。

②供給微生物和代謝所需的氧氣。

好氧性微生物的生長發(fā)育和代謝活動(dòng)都需要消耗氧氣，因?yàn)楹醚跣晕⑸镏挥醒醴肿哟嬖谇闆r下才能完成生物氧化作用。因此供氧對(duì)需氧微生物是必不可少的，在生物反應(yīng)過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖和積累所需要的代謝產(chǎn)物。需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此，微生物只能利用溶解于液體中的氧氣。

2.

微生物的臨界氧濃度

各種微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求這一溶氧濃度叫做“臨界氧濃度”。

不同的微生物的需氧量不同。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長和形成代謝產(chǎn)物的耗氧量也往往不同。

了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量，就可能分別地合理地供氧。事實(shí)上并不需要發(fā)酵液中氧的濃度達(dá)到飽和濃度，只要維持在氧的臨界濃度以上即可。因此，應(yīng)盡可能了解發(fā)酵過程中菌的臨界氧濃度和發(fā)酵產(chǎn)物最多時(shí)的臨界氧濃度，即菌的生長和發(fā)酵產(chǎn)物形成過程中的需氧量，以便分別合理地供給足夠氧氣。4基質(zhì)濃度菌體生長速率是基質(zhì)濃度的函數(shù)μ＝μm*cs/(Ks+cs)μm－最大生長比速率，h-1Cs－限制性基質(zhì)濃度,g/LKs－飽和常數(shù)，其值等于生長比速率恰為最大生長比速率一半時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。g/L第六節(jié)微生物的培養(yǎng)工業(yè)微生物培養(yǎng)過程主要有5個(gè)不同目的：1以微生物菌體為產(chǎn)品2以微生物酶為產(chǎn)品3為了除去某種物質(zhì)，如廢水的生化處理4以微生物的代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品5特定的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程不同的目的就要用不同的方式培養(yǎng)微生物。.

1）表面培養(yǎng)

表面培養(yǎng)是將純種微生物接種在固體或液體培養(yǎng)基的表面，在恒溫條件下進(jìn)行靜置培養(yǎng)的方法。

如實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的固體斜面培養(yǎng)、固體平板培養(yǎng)都是表面培養(yǎng)；進(jìn)行液體培養(yǎng)時(shí)，若細(xì)胞在液面生長繁殖，形成一層膜狀物，也為表面培養(yǎng)。表面培養(yǎng)的特點(diǎn)是生長在培養(yǎng)基表面上的微生物既能與空氣接觸吸收氧氣，又能與培養(yǎng)基接觸吸收營養(yǎng)。但是由于表面培養(yǎng)近于自然培養(yǎng)，因此存在生長緩慢，占用面積大，容易染菌等缺點(diǎn)，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中很少采用，僅在實(shí)驗(yàn)室中用得較多。一微生物的培養(yǎng)方法

工業(yè)上常用大米、麩皮、米糠、谷殼、木屑等為基本原料，適當(dāng)補(bǔ)充一些其他營養(yǎng)成分和水分，經(jīng)滅菌后制成微生物培養(yǎng)基。固體培養(yǎng)基的特點(diǎn)是疏松，在培養(yǎng)基內(nèi)部充滿了空氣，因此既可以靜置培養(yǎng)，又可以通風(fēng)培養(yǎng)。固體培養(yǎng)是介于表面培養(yǎng)和深層培養(yǎng)之間的一種培養(yǎng)方式，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，投資少，適合于小規(guī)模生產(chǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定。2）固體培養(yǎng)

固體培養(yǎng)法是將純種微生物接種在固體培養(yǎng)基上。.

3）

液體深層培養(yǎng)

液體深層培養(yǎng)又叫液體通風(fēng)培養(yǎng)，菌體在液體培養(yǎng)基中處于懸浮狀態(tài)，導(dǎo)入培養(yǎng)基中的空氣通過氣液界面進(jìn)入液相，再擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。液體深層培養(yǎng)是在專門的發(fā)酵罐中進(jìn)行的。

它的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)微生物在生長過程中對(duì)碳源、氮源、生長因子等營養(yǎng)物質(zhì)及溫度、PH值、需氧量等條件的不同需要，合理配制，補(bǔ)加各種營養(yǎng)物質(zhì)和隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度、PH值和通風(fēng)量，這就有可能把微生物培養(yǎng)過程的生長、代謝都控制在最佳狀態(tài)而收到最好的培養(yǎng)效果。

4）載體培養(yǎng)：是近年發(fā)展起來兼?zhèn)涔腆w培養(yǎng)和液體深層培養(yǎng)特點(diǎn)的新的培養(yǎng)方法。其特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固體基質(zhì)作為微生物生長的載體，營養(yǎng)成分可以嚴(yán)格控制；發(fā)酵結(jié)束后只需將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進(jìn)行抽提，載體又可重新使用；載體應(yīng)經(jīng)得起蒸汽加熱和藥物滅菌，具有多孔結(jié)構(gòu)，既有足夠的表面積，又能允許空氣流通，目前以脲烷泡沫塑料塊用的最多。

分批培養(yǎng)是一種間歇培養(yǎng)方式，在生物反應(yīng)器中裝入培養(yǎng)基，滅菌，在適當(dāng)溫度下接種，維持一定條件進(jìn)行培養(yǎng)，接種后，