微生物学：第四章微生物的营养与培养基.ppt

第四章 微生物的营养,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质.,营 养:微生物获得和利用营养物质的过程。,第一节微生物的营养物质,一、微生物细胞的化学组成,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等,微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,占细菌细胞干重的97%,从微生物细胞的组成来看，都是含有碳、氢、氮和各种矿质元素，由这些元素组成细胞中有机和无机成分，其中主要是水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸和无机盐。微生物细胞中水分含量最多，干物质中碳、氮、氢、氧四种元素约占9097，还有矿质元素磷、铁、铜、锰等。,组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同。不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化。,营养物质主要功用：供给微生物合成细胞物质的原料；用以产生能量；有的营养物如维生素主要用于调节新陈代谢。,二、微生物的营养物质,六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。,1.碳源,凡是能提供微生物细胞物质和代谢产物中碳素来源的营养物称为碳源。,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。,对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。,微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。糖类是最广泛利用的碳源。,凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。,1.氮源,氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分。,氮源这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。不同种类的微生物对氮源的需要也不尽相同。微生物培养时最常用的有机氮源是牛肉膏、酵母膏等，蛋白胨（部分水解蛋白质）是许多微生物良好的氮源。,氮源,氮源谱,有机氮,无机氮,NH3铵盐硝酸盐N2,蛋白质核酸氨基酸尿素,氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,氨基酸异养型生物：不能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的不同，生物可分为：,3.能源,能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,4.无机盐,作用,参与微生物中氨基酸和酶的组成；,调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡,酶的激活剂。,微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成,大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。,在配制培养基时，首选加入磷酸氢二钾和硫酸镁，基本时可以同时提供4种需要量最大的元素。,5.生长因子,生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。,生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液或血清中获得。,微 生 物 生长因子 需要量（ml-1III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6ug金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,根据微生物对生长因子的需要情况的不同，可将微生物分为生长因子自养型微生物、生长因子异养型微生物和生长因子过量合成的微生物。,6.水,生理功能主要有,起到溶剂与运输介质的作用；,参与细胞内一系列化学反应；,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构,热的良好导体；,第二节微生物的营养类型,异养型生物,自养型生物,生长所需要的碳源,生物生长过程中能量的来源,光能营养型,化能营养型,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：,光能无机自养型(photolithoautotrphy),光能有机异养型(photoorganoheterotrphy),化能无机自养型(chemolithoautotrphy),化能有机自养型(chemoorganoheterotrophy),1光能无机自养型（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,2光能有机异养型（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,3化能无机自养型（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；,4化能有机异养型（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；,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,第三节营养物质进入细胞的方式,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等,微生物所处的环境（温度、PH等）；,微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,自由扩散,促进扩散,主动运输,基团转移,1自由扩散,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特点,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,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、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,2协助扩散,特点,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,需要载体参与,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,3主动运输,它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。,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。,基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,4基团移位,基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。,PEP-P+HPr HPr-p+丙酮酸 P-HPr+糖糖-P+HPr,基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位特异载体蛋白 无 有 有 有运送速度 慢 快 快 快溶质运送方向 由浓至稀 由浓至稀 由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等 内外相等 内部高内部高运送分子 无特异性 特异性 特异性特异性能量消耗 不需要 需要 需要需要运送前后溶质分子不变 不变 不变改变载体饱和效应无 有 有 有与溶质类似物 无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂 无 有 有 有运送对象举例 水、O2 糖、SO42-氨基酸、乳糖 葡萄糖嘌呤,四种运送营养方式的比较,第四节营养基,培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础,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：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟,一、选用和设计培养基的原则和方法,目的明确,营养协调,理化条件适宜,经济节约,1.目的明确,根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。,培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSO4.7H2O 0.5g NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号）淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.营养协调,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。,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代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。,例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,3.理化条件适宜,pH,水活度,氧化还原电位,a.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,为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。,b.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式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。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。,c.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）。,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。,4.经济节约,以粗代精,以野代家,以废代好,以国代进,以简代繁,以氮代朊,以烃代粮,以纤代糖,1.天然培养基:化学成分不完全了解或化学成分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植物汁液,土壤浸出液,等配制成培养基。配制方便，经济。如：牛肉膏蛋白胨培养基细菌 麦芽汁培养基酵母菌,一、培养基的类型,根据营养物质来源不同分为,2.合成培养基：由已知化学药品配成,成分和浓度都已完全知道,每一次配制也基本恒定。这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室,费用较高。如：高氏一号培养基（淀粉硝酸盐培养基）放线菌 察氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）真菌,牛肉膏 瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质，富含水溶性碳水化合物，有机氮化合物，维生素，盐等。蛋白胨 将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末状物质，富含有机氮化合物，也含有一些维生素和碳水化合物。酵母膏 酵母细胞的水溶性提取物浓缩而成的膏状物质，富含类维生素，也含有有机氮化合物和碳水化合物。,3.半合成培养基:由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培养基,如PDA培养基。如：马铃薯蔗糖培养基真菌,根据培养基物理状态分,液体培养基:配制后不加任何凝固剂。半固体培养基:在液体培养基上加进一定凝固剂,在液体培养基中如加0.5%琼脂,可以用来观察细胞运动的特征,鉴定菌种,测定抗菌素的效价等。固体培养基:在液体培养基中加入凝固剂(如1.5-2.0%琼脂)。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面,在这个表面生长微生物可形成单个菌落,用于微生物的分离,鉴定,计数,保管。脱水培养基：指含有除水分以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，其成分精确且使用方便。,常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatin)和硅胶(silica gel)。,琼脂与明胶若干特性的比较,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,根据培养基的用途来分,基础培养基：满足一般微生物生长繁殖所需要的营养物质。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。加富培养基:在自然界中各种微生物通常是混杂在一起的，了解了某一些微生物的营养要求，配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基，就达到了从自然界中分离这种微生物的目的，这种培养基就称为加富培养基。一般常加入血、血清或动植物提取液等。“投其所好”,选择性培养基:根据不同的微生物对营养的特殊要求,或对物理化学条件的抗性而设计的培养基,利用这一类培养基可以把需要微生物从混杂的其他微生物分离和确定。“取其所抗”鉴别培养基:在培养基中加入某种特殊化学物质,某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应,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。,最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基，即EMB培养基。它在饮用水、牛奶的大肠菌群数等细菌学检查和大肠杆菌的遗传学研究工作中有着重要的用途。,