第五章 微生物营养.ppt

1、微 生 物 学 第 四 章 微生物的营养和培养基营养物营养物(nutrient)：提供生命活动的结构物：提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境的各种物质。境的各种物质。微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量质，并储存能量.微生物从环境中吸收微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微营养物质并

2、加以利用的过程即称为微生物的营养（生物的营养（nutrition）。1 1 1 1 微生物的六种营养要素微生物的营养类型营养物质进入细胞的方式培养基Cncnc-micro第五章 微生物的营养和培养基微生物的化学组成化学（物质）组成：微生物体内，70-90%为水分，10-30%为干物质。水：各类微生物细胞内均含有大量的水分。水是生命活动不可缺少的重要物质，它是多种物质的良好溶剂，各种生理活动都离不开水。干物质：其中有机物占干重的90-97%，无机物占3-10%；有机物主要是蛋白质、糖类（碳水化合物）、核酸、脂类等，无机物则是各类元素。元素元素 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫大量元素：碳、氢、氧

3、、氮、磷、硫 其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等钴、锌、钼等 存在方式存在方式 有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降解产物、代谢中间产物解产物、代谢中间产物无机盐灰分无机盐灰分 水水 细胞湿重的细胞湿重的70%90%70%90%元素元素细菌细菌酵母菌酵母菌霉菌霉菌碳碳5049.847.0氮氮157.55.2氢氢85.76.7氧氧2031.140.2磷磷31.51.2硫硫10.30.2 微生物细胞中几种主要元素的相对含量（微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）干重）微生物的六种营养(nut

4、rition)要素碳源（carbon source）氮源（nitrogen source）生长因子（growth factor）无机盐（mineral salts）水（wahtor）Cncnc-micro能源（energy source）凡能构成微生物细胞或代谢产物中碳架来源的营养物质都称为碳 源。碳源(carbon source)Cncnc-micro碳源功能碳源种类C素构成细胞及代谢产物的骨架 C素是大多数微生物代谢所需的能量来源 碳源功能Cncnc-micro无机C源：CO2、碳酸盐，能被自养微生物利用有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物 ，主要被异养微生物利用碳源种

5、类Cncnc-micro 凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源。氮源(nitrogin source)Cncnc-micro氮源功能氮源种类 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。同时也做能源。氮源功能氮源功能Cncnc-micro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 a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白 质、酵母膏做氮源 b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆 饼、葵花饼、花生饼等。分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 氮源种类

6、氮源种类Cncnc-micro能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。辐射能。能源能源(energy source)异养微生物的碳源同时也是能源异养微生物的碳源同时也是能源无机物：化能自养微生物的能源无机物：化能自养微生物的能源能源谱能源谱化学物质化学物质辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源单功能：单功能：辐射能辐射能双功能：双功能：还原态无机养料，如还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能既是硝酸盐细菌的能 源，又是氮源源，又是氮

7、源三功能：三功能：N C H O类营养物质常是异养微生物的能类营养物质常是异养微生物的能 源，碳源兼氮源源，碳源兼氮源 一种营养物具有一种以上营养要素的功能一种营养物具有一种以上营养要素的功能有机物：化能异养微生物有机物：化能异养微生物 的能源（同碳源）的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的无机物：化能自养微生物的 能源（不同于碳源，为能源（不同于碳源，为还还 原态如原态如:NH4+、NO2-、S、H2S、H2和和Fe2+等等）光能自养和光能异养微生物光能自养和光能异养微生物的能源的能源能能源源谱谱化化学学物物质质辐射能辐射能光能营养型光能营养型化能营养型化能营养型最最初初能能源源如何产生？

8、如何产生？构成微生物细胞的组成成分 调解微生物细胞的渗透压，PH值和氧化还原电 位 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 构成酶活性基的组成成分，维持E活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂 无机盐（无机盐（mineral saltsmineral salts）无机盐功能Cncnc-micro表表5.35.3 无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH。硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电

9、位。镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分。钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需。钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性。钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子。铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需。无机盐的生理功能无机盐的生理功能无机盐无机盐大量元素大量元素微量元素微量元素一般功能一般功能特殊功能特殊功能细胞内一般分子成分细胞内一般分子成分(P、

10、S、Ca、Mg、Fe等等)生理调节物质生理调节物质渗透压的维持渗透压的维持(Na+等等)酶的激活剂酶的激活剂(Mg等等)pH的稳定的稳定化能自养菌的能源化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等等)无氧呼吸时的氢受体无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等等)酶的激活剂酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等等)特殊分子结构成分特殊分子结构成分(Co、Mo等等)构成微生物细胞以C、H、O、N、P、S六种元素为主，约占细胞干重的95以上；Ca、K、Mg、Fe为大量元素，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。Zn、Ca、Mn、Co、Mo等微量元素，自来水原料中以够用

11、，不需另加。无机盐种类无机盐种类Cncnc-micro一类对微生物正常代谢必不可少且又不能一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。极微量的有机物。主要包括：维生素 氨基酸碱 基 生长因素（生长因素（growth factorgrowth factor）Cncnc-micro 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（是B族中的一种即VH）。维生素维生素Cncnc-micro 维生素维生素转移的对象转移的对象代谢功能代谢功能硫胺素(B1)乙醛基焦磷酸

12、硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6)氨基氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸叶酸甲基甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素维生素B12 羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关 维生素的生理功能维生素的生理功能 有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。氨基酸氨基酸Cncnc-micro

13、 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AA，沙门氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。Cncnc-micro 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。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。碱基碱基Cncnc-micro水水 微生物细胞含水约占细胞鲜重的7090，d ddd水作用是多方面的。Cncnc-micro水的功能水

14、活度的表示方法 细胞组成成分细胞组成成分 生化反应溶剂生化反应溶剂 化学、生理反应介质化学、生理反应介质 物质运输媒体物质运输媒体 调节细胞温度调节细胞温度 维持细胞的渗透压维持细胞的渗透压水的功能水的功能Cncnc-microS 水的可利用性S 常以水活度值(water activity,aw)表示。S 水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即awPwP0w式中Pw代表溶液蒸气压力，P0w代表纯水蒸气压力。S 纯水aw为1.00，溶液中溶质越多，aw越小。S 微生物一般在aw为0.60-0.99的条件下生长，aw过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生

15、长速率和总生长量减少。S 微生物不同，其生长的最适aw不同(表5.6)。一般而言，细菌生长最适aw较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适aw则较低。水活度的表示方法水活度的表示方法自养微生物 光能自养微生物（光无机营养型）化能自养微生物（化能无机营养型)异养微生物 光能异养微生物（光能有机营养型）化能异养微生物（化能有机营养型）微生物的营养类型微生物的营养类型Cncnc-micro 完全在无机环中生存，以完全在无机环中生存，以CO2、碳酸、碳酸盐为碳源，以铵盐和硝酸盐为氮源来合盐为碳源，以铵盐和硝酸盐为氮源来合成细胞质的微生物称为自养微生物。成细胞质的微生物称为自养微生物。自养微生物自养微生物

16、Cncnc-micro可在完全无机的环境中生长，以CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。H2OCO2(CH2O)O22H2SCO2(CH2O)H2O2S Na2S2O3+2 CO2H2O (CH2O)+Na2SO4+H2SO4 光能自养微生物（光能无机营养型）Cncnc-micro藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型。藻类藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型。藻类和蓝细菌：和蓝细菌：2 22 22 22 2O OO O C CH H叶叶绿绿素素光光能能O OH HC CO O这与高等植物光合作用是一致的。这与高等植物光合作用是一致的。

17、2 2S SO OH HO O C CH H菌菌绿绿素素光光能能S S2 2H HC CO O2 22 22 22 2这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。光合细菌光合细菌 2 2S SO OH HO O C CH H菌菌绿绿素素光光能能S S2 2H HC CO O2 22 22 22 2 在完全无机的环境中生长发育，以无机化合物氧化为时释放的能量为能源，以CO2或碳盐为碳源，合成细胞物质的微生物叫化能自养微生物。这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。化能自养微生物Cncnc-micro如FeO硫杆菌可把FeO氧化成

18、Fe，Fe氧化率达95100并放出能量 Fe2Fe3eQ 用氧化亚铁硫杆菌氧化黄铁矿时，可以生成硫酸和硫酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以和硫酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以溶解矿物，如溶解铜矿析出铜元素，用这类微生物来开矿冶金称为细菌冶金，是开采贫矿和尾矿的有效办法，用细菌浸出Fe的速度比完全氧化快5660倍。Cncnc-micro 在完全无机环境中生长繁殖，以含碳有机物为碳源，含氮有机物或无机物为氮源，合成细胞物质，称为异养微生物。异养微生物（有机营养型）异养微生物（有机营养型）Cncnc-micro 这类微生物具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞

19、物质的微生物，称光能异养微生物。光能异养微生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机废水，这对处理污水、净化环境，很有发展前途。光能异养微生物光能异养微生物Cncnc-micro 这类微生物以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类。腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如 d 病毒.。中间类型（兼性腐生或兼性寄生）

20、如结核杆 地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。化能异养微生物（化能有机营养型）Cncnc-micro微生物的营养类型微生物的营养类型 营养类型营养类型能能 源源碳源碳源实例实例光能自养型光能自养型光能光能CO2蓝细菌蓝细菌紫硫细菌紫硫细菌绿硫细菌绿硫细菌藻类藻类光能异养型光能异养型光能光能CO2及及简单有机物简单有机物红螺细菌红螺细菌化能自养型化能自养型 无机物无机物CO2硝化细菌硝化细菌硫化细菌硫化细菌铁细菌铁细菌氢细菌氢细菌 化能异养型化能异养型有机物有机物有机物有机物绝 大 多 数 微绝 大 多 数 微生物，生物，原生动物原生动物兼養型兼養型(Mixotrophic):可依賴無機能源和有機可依

21、賴無機能源和有機(有時為有時為CO2)碳源，兼有化學能無機自和異養的代謝過程碳源，兼有化學能無機自和異養的代謝過程。以上四种营养类型划分不是绝对的 红螺菌既可利用光能，也可利用（黑暗）氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）自养与异养的区别不再能否利用CO2，而在于是否以CO2式.碳酸盐为唯一的碳源。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须在有机碳存在情况下。Cncnc-micro微生物的营养类型微生物的营养类型单纯扩散单纯扩散（simple diffusion）促进扩散促进扩散（facilitated diffusion）主动运输主动运输(active transpor

22、t)基团移位基团移位(group translocation)营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式Cncnc-micro自由扩散 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。单纯扩散(simple diffusion)特点促进扩散(facilitated diffusion)膜载体（载体蛋白）特点 有很强的特异性在运输过程中，本身不发生变化。能加快物质运输的速度。促进扩散(facilitated diffusion)过程：膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质

23、。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关。Cncnc-micro促进扩散特点 物质运输动力是细胞外的浓度差。运输过程不消耗能量。有膜载体参加，膜载体（渗透酶）有特异性。运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖。这种运输方式多发生在真核微生物，原核生物少见。Cncnc-micro主动运输主动运输(active transport)(active transport)ATP ADP+Pi 恢复原构像再循环耗能构像 改变膜上膜外膜内移位结合被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内 要消耗能量，必需有能量参加。有膜载体参加，膜载体发生构型变化 被运送物质不

24、发生任何变化。主动运输特点 基团转位：是在研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输叫基团移位。许多糖就是靠基团移位进行运输的。这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物质的。基团移位基团移位(group translocation)(group translocation)Cncnc-microGroup Translocation 膜外内Ec糖糖-P FF-PP-HPrHPrPEP丙酮酸E糖基团移位磷酸转移E系统（PTS）酶（非特异性）酶:酶c,酶a,酶b 热稳定蛋白HPr（特异性）PEPHPrMg+2 ,酶磷酸HPr+丙酮酸 (在细胞

25、质中进行)磷酸HPr糖 Mg+2,酶糖磷酸脂HPr （在细胞膜上进行）F 3磷酸HPrF3磷酸3 HPr F3磷酸3乳糖 Mg+酶 3乳糖3磷酸 FCncnc-micro基团转移运输特点：需要磷酸酶系统进行催化 被运输的物质发生化学变化，被磷酸化 需要能量Cncnc-micro四种运输营养物质方式的比较四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变 由人工配制供微生

26、物生长繁殖或积累代谢产物所用的营养物质叫营养基，科研生产中培养微生物都需要配制培养基。1 1 培养基培养基 Cncnc-micro2 配制培养基的原则3 培养基的类型及应用适合微生物的营养特点（有的放失）适合微生物的营养特点（有的放失）根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。按微生物需要量调好营养配比按微生物需要量调好营养配比（营养协调）（营养协调）营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比)C/N比比:微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类之比。

27、不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。配制培养基的原则配制培养基的原则Cncnc-micro条件适宜条件适宜:1 pH各放线菌生长的pH在77.5之间，酵母菌与霉菌生长的pH值在4-6之间。微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变化 内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要流加酸或碱液2 渗透压和水活度渗透压和水活度 渗透压(osmotic pressure):高浓度溶液向低浓度溶液渗透时，其溶质分子所产生的压力。4.4.经济节约经济节约灭菌处

28、理灭菌处理高压蒸汽灭菌：高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，1210C，1530min高温灭菌对营养物质的破坏及高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化变化培养基的类型及应用培养基的类型及应用Cncnc-micro根据微生物的种类按培养基的成分按培养的用途 按培养基的物理状态根据微生物的种类分类 细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基 酵母培养基 Cncnc-micro按培养基的成分 合成培养基 天然培养基 半合成培养基Cncnc-micro按培养的用途 基本培养基 加富培养基 选择培养基 鉴别不同微生物的培养基 保藏菌种培养基Cncnc-micro基本培养基：按大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称

29、为基本培养基。再根据各种微生物的不同需要加入一、二种应用较广。如培养某种营养缺陷型菌株，先配制基本培养基，之后再加入缺陷型菌珠，需要的那种营养成分即可。Cncnc-micro加富培养基 是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取。用来培养要求较苛刻的某些异养微生物。Cncnc-micro选择培养基 纤维分解菌 含石蜡的培养基 用蛋白质做唯一的氮源的培养基 缺氮培养基可分离到固氮微生物 选择培养基Cncnc-micro鉴别不同微生物的培养基 如大肠杆菌，接种到葡萄糖 肉汤，麦芽糖肉汤和乳糖肉汤中，它们可以分解这几种糖，并产酸产气。如在这三种培养基中接种伤寒杆菌。伤寒杆菌只能发酵葡萄糖和麦芽糖，不发

30、酵乳糖，只产酸不产气。这样就把大肠杆菌和伤寒杆菌区别开，产气由产生的气泡观察到，产酸可由指示剂的颜色变化观察到。Cncnc-micro 检查乳品和饮用水中是否含有肠道致病菌，所用的伊红美兰培养基，也是一种鉴别培养基。将大肠杆菌接种在伊红美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，呈紫黑色并带我金属光泽的小菌落，而产气杆菌在这种培养基上长出的是较大的棕色菌落。Cncnc-micro伊红美蓝伊红美蓝(EMB,Eosin Methylene Blue)培养基培养基保藏菌种培养基 对于生产中使用的菌种

31、保藏培养基，要求比较丰富的氮源，以防止菌种退化变质。Cncnc-micro按培养基的物理状态 固体培养基 半固体培养基 液体培养基Cncnc-micro固体培养基 琼脂固体培养基 明胶培养基 硅胶固体培养基 天然固体基质Cncnc-micro 琼脂固体培养基：琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类 地区中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96，凝固点是4050。琼脂培养基可反复溶化凝固而不改一落 变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。Cncnc-micro液体培养基 不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。另外，病毒与立克氏体，衣原体不活细胞专性寄生微生物，常用鸡胚培养法和动物培养法进行培养。Cncnc-micro