微生物第4章 (2).ppt

第四章 微生物的营养,微生物的特点：,食谱广、胃口大,营养物质：能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生 理活动所需的物质。,营养：微生物获得和利用营养物质的过程。,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和 延续其生命形式的一种生理过程。,本章内容：,（微生物们需要吃什么？）,第三节 营养物质进入细胞的方式,（微生物们是怎样吃东西的）,第二节 培养基,（如何给微生物们做饭）,第一节 微生物的营养要求,第一节 微生物的营养要求,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水：70%-90%,干物质,有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物。,无机物（盐）,微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,细胞化学元素组成：,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等； 微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,第一节 微生物的营养要求,二、营养物质及其生理功能,微生物与动植物营养要素的比较,第一节 微生物的营养要求,二、营养物质及其生理功能,一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素（碳骨架）的营养物，称为碳源。,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,蛋白质、糖类、有机酸类、醇类和脂类等。,CO2、碳酸盐等。,1.碳源,碳源的功能：构成细胞及代谢产物的骨架；是大多数微生物代谢所需的能量来源。,二、营养物质及其生理功能,1.碳源,第一节 微生物的营养要求,实验室常用的几种碳源： 葡萄糖、蔗糖、乳糖、可溶性淀粉等。 工业上常用的几种碳源： 糖蜜、玉米粉、淀粉、马铃薯等。,第一节 微生物的营养要求,二、营养物质及其生理功能,凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源称为氮源。,2.氮源,氮源功能：为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源，同时也作能源。,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源。 无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用。 有机态氮：蛋白质及其降解产物 。,迟效氮源和速效氮源,氨基酸自养型微生物和氨基酸异养型微生物,氮源谱,2.氮源,实验室常用的几种有机氮源：,蛋白胨,牛肉浸膏,酵母浸膏,蛋白胨是蛋白类物质的消化产物，可以用酶法或者酸法水解制备。,牛肉浸膏就是牛肉浸液通过离心和过滤除去脂肪和不溶性物质，再经低温浓缩而成。,从酵母细胞中获得的一种类似于蛋白胨的物质，它采用自溶、离心或压滤、浓缩等工艺制成。,第一节 微生物的营养要求,二、营养物质及其生理功能,3.能源,能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。对于各种异养微生物来说，它们的能源就是其碳源。化能自养微生物的能源十分独特，它们都是一些还原态的无机物质，能利用这些能源的微生物都是一些原核生物，包括亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌等。由于化能自养型微生物的存在，使人们扩大了对生物圈的认识，改变了以往认为生物界只是直接或间接利用太阳能的旧观念。,二、营养物质及其生理功能,第一节 微生物的营养要求,4.生长因子,生长因子是一类微生物生长所必需且需求量很少，但微生物自身不能合成或合成量不足的有机物。,狭义的生长因子：维生素 广义的生长因子：维生素、氨基酸、碱基、卟啉及其 衍生物等。,二、营养物质及其生理功能,4.生长因子,维生素：有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要 是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如 生产味精需加生物素。,碱基：嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必 须的生长因素。 有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤， 而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须 供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌 需供给（低碳）脂肪酸等。,氨基酸：,各种菌合成AA的能力有很大差别，一般G菌强于G，大肠杆菌自己能合成全部氨基酸，沙门氏菌能合成大部分氨基酸，有的菌合成氨基酸能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充17种氨基酸。,有些微生物自己不能合成某种氨基酸，必须给予补充，如赖氨酸发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝氨酸，为环丝氨酸缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝氨酸的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。,4.生长因子,二、营养物质及其生理功能,二、营养物质及其生理功能,4.生长因子,按微生物对生长因子的需要与否，可以将它们分成3种类型：,生长因子自养型微生物,它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌都属于这类。,生长因子异养型微生物,它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物。,生长因子过量合成的微生物,少数微生物在其代谢活动中，能合成并大量分泌某些维生素等生长因子，因此可作为有关维生素的生产菌种。,二、营养物质及其生理功能,5.无机盐,无机盐是微生物生长必需的一类营养物质，生理功能包括：酶活性中心的组成部分、维持大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞渗透压平衡等。 凡生长所需浓度在10-310-4mol/L范围内的元素，可称为大量元素，如P、S、K、Mg、Na和Fe等。以无机盐阳离子形式被吸收，配培养基进要加磷酸盐、硫酸盐；凡所需浓度在10-610-8mol/L范围内的元素，可称为微量元素，如Cu、Zn、Mn、Co等，这些微量元素，在微生物培养中有0.1PPM就可以了，配置时不需另加。,二、营养物质及其生理功能,6.水,由于水在微生物代谢活动中的不可缺少性，所以仍把它作为营养要素来考虑。,（1）水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件。,（2）水在生物体内的功能,稳定生物大分子的构象，使之表现出特异的生物活性；作为体内通用的介质，使各类生物化学反应得以顺利进行；用作营养物质或代谢废物的载体，把它们输送到生物体的各有关部位；由于水的热容量大，故可用来调节温度、平衡温度；对体内各运动部位起润滑作用。,3、物理化学条件适宜,水活度,在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。 一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条 件下纯水蒸汽压力之比表示，即： w=Pw/Pow 纯水w为1.00,溶液中溶质越多,w越小。,微生物一般在w为0.600.99的条件下生长, w过低时, 微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。 微生物不同，其生长的最适w不同。,第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,微生物营养类型(),第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,微生物的营养类型(),第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,1光能无机营养型（光能自养型）,能以CO2为主要唯一或主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体， 使CO2还原为细胞物质；,例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体）， 进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为 电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+ 2H2S,光能,光合色素, CH2O + 2S+ H2O,第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,2光能有机营养型（光能异养型）,不能以CO2为主要或唯一的碳源；,以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；,在生长时大多数需要外源的生长因子；,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2 还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,3化能无机营养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、 Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的 环境中生长。 它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；,第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,4化能有机营养型（化能异养型）,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；,生长所需要的碳源主要是一些有机化合物， 如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。,有机物通常既是碳源也是能源；,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,第一节 微生物的营养要求,三、微生物的营养类型,4化能有机营养型（化能异养型）,腐生型(metatrophy)：,可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；,寄生型(paratrophy)：,寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型： 兼性腐生型(facultive metatrophy)； 兼性寄生型(facultive paratrophy)；,三、微生物的营养类型,不同营养类型之间的界限并非绝对：,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物； 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长， 为化能营养型微生物；,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力,三、微生物的营养类型,第一节 微生物的营养要求,5营养缺陷型,某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种或 某些对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。 营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,第二节 培养基,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础,培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或 产生代谢产物的营养基质。,任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理,常规高压蒸汽灭菌： 某些成分进行分别灭菌； 过滤除菌；,一、选用和设计培养基的原则和方法,在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。,1、选择适宜的营养物质 2、营养物的浓度及配比合适 3、物理、化学条件适宜 4、经济节约 5、精心设计、试验比较,一、选用和设计培养基的原则和方法,1、选择适宜的营养物质,培养不同的微生物必须采用不同的培养条件； 培养目的不同，原料的选择和配比不同；,实验室的常用培养基： 细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）； 放线菌：高氏1号合成培养基培养； 酵母菌：麦芽汁培养基； 霉菌： 查氏合成培养基；,实验室一般培养：普通常用培养基； 遗传研究：成分清楚的合成培养基； 生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；,例如枯草芽孢杆菌： 一般培养：肉汤培养基或LB培养基； 自然转化：基础培养基； 观察芽孢：生孢子培养基； 产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；,一、选用和设计培养基的原则和方法,2、营养物质浓度及配比合适,营养物质的浓度适宜； 营养物质之间的配比适宜；,高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能 维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长 繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。,发酵生产谷氨酸时： 碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少； 碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,一、选用和设计培养基的原则和方法,3、物理化学条件适宜,pH； 水活度； 氧化还原电位； 渗透压；,3、物理化学条件适宜,1）pH,培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型 微生物的生长繁殖或产生代谢产物。,通常培养条件： 细菌与放线菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长,1）pH,3、物理化学条件适宜,pH对微生物生长的影响：,pH对酶的影响；pH对营养物质吸收的影响。,pH的调节：,内源调节：磷酸缓冲液；以CaCO3作为“备用碱”；蛋白质、肽类、氨基酸等天然缓冲系统,外源调节：进行工业发酵时补加酸、碱。,3、物理化学条件适宜,2）氧化还原电位,氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量 某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势 的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。,就向微生物与pH的关系一样，不同类型微生物生长对 氧化还原电位()的要求不同,好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长,以+0.3+0.4伏为宜； 厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长； 兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸, +0.1伏以下时进行发酵。,3、物理化学条件适宜,2）氧化还原电位,氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响,增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加值； 在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低值。,一、选用和设计培养基的原则和方法,3）经济节约,配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份, 特别是在发酵工业中,以降低生产成本。,以粗代精,以“野”代“家”,以废代好,以简代繁,以烃代粮,以纤代糖,以无机氮代蛋白,对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。 而且在经济上也节约。,以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等 都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发 酵的碳源。,以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。 例如，糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有 乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己 糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。 工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料, 在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。 另外,大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、 酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。,某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去30-50%的 黄豆饼粉、25%的葡萄糖和20%硫酸铵，结果反而提高了产量。,以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。 生产石油蛋白 将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等 化工产品和若干合成物； 对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。,开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的 纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的 食品及饮料。,以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价 原料用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮 的发酵产物供人们利用。,一、选用和设计培养基的原则和方法,4）精心设计、试验比较,进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件； 文献查阅，设计特定微生物的培养基配方； 试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件；,二、培养基的类型及应用,1按成份不同划分,天然培养基,以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成,如：牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基。,二、培养基的类型及应用,合成培养基,如：高氏I号培养基、察氏培养基。,是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称 化学限定培养基(chemically defined medium),特点是重复性好，但成本高，微生物在其中生长较慢。,二、培养基的类型及应用,半合成培养基,指一类主要以化学试剂配制、同时还加有某种天然成分的培养基。,多数培养基是以天然的有机物作为碳、氮及生长素的来源，并适当加入一些化学药品以补充无机盐成分，使更能充分满足微生物对营养的需要。,如：马铃薯蔗糖培养基,二、培养基的类型及应用,2根据物理状态划分,固体培养基,在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态即为固体培养基。,对凝固剂的要求：,常用的凝固剂：琼脂和明胶。,其他固体培养基：马铃薯块、胡萝卜条、小米、麸皮及米糠等制成固体状态的培养基，酒曲和棉子壳培养基等。,二、培养基的类型及应用,2根据物理状态划分,半固体培养基,半固体培养基中凝固剂的含量比固体培养基少，培养基中琼脂含量一般为0207。半固体培养基常用来观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。,液体培养基,液体培养基中未加任何凝固剂。在用液体培养基培养微生物时，通过振荡或搅拌可以增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀。液体培养基常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。,二、培养基的类型及应用,3按用途划分,1）基础培养基(minimum medium),在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基，也称为基本培养基。,如：牛肉膏蛋白胨培养基。,基础培养基也可以作为一些特殊培养基的基础成分，再根据某种微生物的特殊营养需求，在基础培养基中加入所需营养物质。,二、培养基的类型及应用,3按用途划分,2）加富培养基和富集培养基(enrichment medium),在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营养物质 制成的一类营养丰富的培养基。 这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。 用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日咳博德 氏菌(Bordetella pertussis)需要含有血液的加富培养基。,根据待分离微生物的特点设计的培养基，用于从环境中富集和 分离某种微生物。 （目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐 富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。）,二、培养基的类型及应用,3按用途划分,3）选择培养基(selective medium),用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。,根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。,和加富培养基的区别：,3）选择培养基(selective medium),3）选择培养基(selective medium),4）鉴别培养基(differential medium),用于鉴别不同类型微生物的培养基 特定的化学反应，产生明显的特征性变化， 根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。,3按用途划分,二、培养基的类型及应用,4）鉴别培养基(differential medium),伊红和美蓝二种苯胺染料可抑制G+细菌和一些难培养的G细菌。 在低酸度时，这二种染料结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用。 试样中的多种肠道菌会在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌落 ，因而易于辨。例如大肠杆菌强烈分解乳糖而产生大量的混合酸， 菌体呈酸性，菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可看到 绿色金属闪光。,一、单纯扩散(diffusion) 二、促进扩散(facilitated diffusion) 三、主动运输(active transport) 四、基团移位(group translocation),第三节 营养物质进入细胞的方式,一、单纯扩散(diffusion),特点：,物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差；这种运输方式不消耗能量；没有特异性，被运输物质不与膜上物质发生任何反应，物质不发生化学变化。,物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。,扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,水是唯一可以通过扩散 自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、 CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。,二、促进扩散(facilitated diffusion) 被动运输,被动的物质跨膜运输方式； 物质运输过程中不消耗能量； 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化； 不能进行逆浓度运输； 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体的作用才能进入细胞，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。,二、促进扩散(facilitated diffusion),载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态；这种性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶；透过酶大都是诱导酶,只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。,通过促进扩散进入细胞的营养物质: 氨基酸、单糖、维生素和无机盐等。,三、主动运输(active transport),在物质运输过程中需要消耗能量可以进行逆浓度运输。,运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能。,主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。,三、主动运输(active transport),三、主动运输(active transport),1、初级主动运输(primary active transport),质子的主动运输 质子泵,三、主动运输(active transport),2、次级主动运输(secondary active transport),同向运输(symport),逆向运输(antiport),单向运输(uniport),三、主动运输(active transport),3、Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统,一种重要的离子通道蛋白,四、基团移位(group translocation),基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖 的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。,有一个复杂的运输系统来完成物质的运输； 物质在运输过程中发生化学变化；,五、铁载体运输 利用铁载体加强对铁的吸收,五、膜泡运输(memberane vesicle transport),膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)， 为这类微生物的一种营养物质的运输方式。,第四章思考题： 1）微生物的营养类型与动植物相比有何异同？ 2）试结合营养缺陷型分析基本培养基和完全培养基的特点。 3）微生物由于个体微小一般都是以其群体形式进行研究或利用， 这必然就要涉及到对微生物的培养。能否找到一种培养基，使 所有的微生物都能良好地生长？为什么？ 4）试结合微生物学实验课的内容，谈谈在选择、配制和使用培养 基时应注意哪些方面的内容。你们在实验中是如何做的？有何 体会？ 5）试比较营养物质进入微生物细胞的几种方式的基本特点。,