4.细菌的营养与生长繁殖

细菌学概论Bacteriology生命科学与技术学院徐旭东[e-mail]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）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、硼等第二节细菌的营养与生长繁殖一、细菌细胞的化学组成（一）碳源（carbonsource）碳源提供细胞有机分子骨架，往往也是能量来源。最好的碳源是葡萄糖等单糖。1.有机碳CHONX型：蛋白质、核酸等，如牛肉膏、蛋白胨；CHON型：简单蛋白质、氨基酸等，氨基酸；CHO型：糖、有机酸、醇、脂等，如葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等；CH型：烃类等，如石油、石蜡、天然气。最适宜的碳源二、细菌需要的营养物质及生理功能2.无机碳CO型：CO2；COX型：NaHCO3、CaCO3等。微生物利用的碳源几乎是无限的，任何一个高明的化学家，只要他将一种新合成的有机化合物投放到自然界，必有一可以降解它的微生物在等着。洋葱假单胞菌（Pseudomonascepacia）可利用的碳源达90多种；甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇2种。（二）氮源（nitrogensource）氮源提供N元素，构成蛋白质、核酸等物质。常见的氮源如牛肉膏、蛋白胨、酵母粉等。1.有机氮NCHOX型：蛋白质、核酸等，如牛肉膏、蛋白胨、饼粕粉、蚕蛹粉；NCHO型：简单蛋白质、氨基酸等，氨基酸；2.无机氮NH型：NH3、铵盐，如硫酸铵等；NO型：硝酸盐等，硝酸钾、硝酸铵、硝酸钠；N型：N2（三）无机盐（inorganicsalt）无机盐大量元素10-3～10-4M微量元素10-6～10-8M一般功能特殊功能细胞组分：P、S、Ca2+、Mg2+生理调节：维持渗透压（Na+）、pH等自养菌能源：S、Fe2+、NH4+H受体：NO3－、SO42－酶的激活剂：Mg2+、Cu2+、Zn2+特殊分子组成部分：Co、Mo（四）生长因子（growthfactor）生长因子是一类微生物正常生长所必需的、需要量极微量的营养成分，包括氨基酸、维生素和碱基（嘌呤、嘧啶）以及一些卟啉、胺类、脂肪酸等。根据微生物对生长因子的关系，将微生物分为3类：1、生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌和细菌不需要外界提供生长因子即可生长；2、生长因子异养型微生物：乳酸细菌、一些致病菌等必需外界提供生长因子方可生长；3、生长因子过量合成微生物：如Eremotheciumashba可以过量分泌维生素B2。营养缺陷型（auxotroph）：某些菌株发生突变（自然突变或人工诱变）后，失去合成某种生长因子的能力，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。（五）水分1.作为细胞的组成；2.水分是优良的溶剂，参与物质的吸收与运输；3.作为生化反应的媒介，参与代谢过程，并提供H和O；4.热的良导体，传递热量，调节细胞内温度。5.维持生物大分子的天然构象。（一）简单扩散（simplediffusion）又称被动扩散（passivediffusion），溶质由高浓度往低浓度运输的过程，无需能量和载体。三、吸收营养物质的方式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（facilitateddiffusion）特点：1.通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助载体（carrier）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；2.顺浓度梯度运输；运输过程中不消耗能量；3.参与运输的物质本身的分子结构不发生变化；4.运输过程中不消耗能量。Non-mediatedandmediated/facilitatedtransport2.Carrier-mediatedtransportSaturable(likeenzyme)i)Noenergyrequired:“facilitateddiffusion”or“passivetransport”ii)Energyrequired:“activetransport”1.PassivediffusionNotsaturableRateincreasesw.concentrationdifferenceacrossmembrane（三）主动运输（activetransport）特点：1.需要借助载体蛋白的作用才能进行；2.逆浓度梯度运输；3.参与运输的物质本身的分子结构不发生变化；4.在物质运输过程中需要消耗能量。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。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（purplemembrane）利用光能。（四）基团转移（grouptranslocation）基团转位是一种特殊形式的主动运输，其特点是被运输的营养物质在由细胞膜外向膜内运输中发生了化学变化，常常被化学修饰。基团转位主要存在于厌氧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。（四）基团转移（grouptranslocation）完成物质运输的系统：磷酸烯醇式丙酮酸——磷酸糖转移酶系统，简称磷酸转移酶系统（phosphotransferasesystem，PTS）大肠杆菌运输葡萄糖的过程四、细菌的营养类型营养类型能源基本碳源电子供体实例光能自养型光CO2无机物（H2S等）绿硫杆菌光能异养型光有机物有机物红螺杆菌化能自养型无机物CO2无机物（H2S，铁细菌H2，Fe2＋）化能异养型有机物有机物有机物绝大多数细菌（一）光能无机自养型（photolithoautotroph，PLA）1.能以CO2为主要唯一或主要碳源；2.进行光合作用获取生长所需要的能量；3.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（二）光能有机异养型（photoorganoheterotroph,POH）1.不能以CO2为主要或唯一的碳源；2.以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；3.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+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3COCH3+[CH2O]+H2O（三）化能无机自养型（chemolithoautotroph,CLA）生长所需的能量来自于无机物氧化过程中放出的化学能，它们能够以CO2或碳酸盐作为主要或唯一的碳源来合成细胞结构物质，而供氢体是H2S、H2、Fe2+、NH4+或NO2－等无机物。（四）化能有机异养型（chemoorganoheterotroph,COH）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。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（facultivemetatrophy）；兼性寄生型（facultiveparatrophy）。（四）化能有机异养型（chemoorganoheterotroph,COH）不同营养类型之间的界限并非绝对：1.异养型微生物并非绝对不能利用CO2；2.自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；3.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（purplenonsulphurbacteria）：Δ没有有机物时，同化CO2：自养型微生物；Δ有机物存在时，利用有机物进行生长：异养型微生物；Δ光照和厌氧条件下，利用光能生长：光能营养型微生物；Δ黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长：化能营养型微生物。五、细菌的生长繁殖（一）细菌生长繁殖的条件1.营养物质：齐全、适度；2.pH：细菌生长繁殖要有最适宜的pH和一定的pH适应范围;3.温度：根据细菌生长温度，将细菌分为低温菌，中温菌和高温菌三类；4.气体：根据细菌对氧气的需求不同，将细菌分为好氧菌、微好氧菌、耐氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌等。为什么厌氧菌在有氧的条件下不能生长呢？①厌氧菌无完整的呼吸链，缺乏细胞色素和细胞色素氧化酶，不能在有氧的环境中获得能量生长；②厌氧菌缺乏SOD（superoxidedismutase）和过氧化氢酶，不能将剧毒的O2－先歧化成有毒的H2O2，然后还原成无毒的H2O。细菌的生长温度温泉、堆肥中的细菌70～8050～5525～45高温菌病原菌40～503710～20腐物寄生菌40～5025～3210～20室温菌体温菌中温菌水和冷藏物中的细菌25～3010～20-5～0低温菌最低最适最高举例生长温度（℃）细菌类别（二）细菌的繁殖方式繁殖方式——二分裂法B.革兰阴性杆菌A.革兰阳性球菌B.革兰阴性杆菌A.革兰阳性球菌繁殖方式——二分裂法细胞膜内陷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。配制培养基必须注意以下原则：①不同微生物配制不同培养基；②含有适当的水分和适宜的营养物质；③合适的pH；④培养基必须经灭菌后方可使用。六、细菌的人工培养（一）培养基（medium）培养基类型1.按照培养对象分（1）细菌培养基（2）放线菌培养基（3）真菌培养基肉汤培养基（牛肉膏蛋白胨培养基）LB培养基PDA培养基（马铃薯蔗糖琼脂）高氏1号培养基察氏培养基2.按培养基成份划分（1）天然培养基（complexmedium）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。（2）合成培养基（syntheticmedium）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（chemicallydefinedmedium）。常用天然培养基成分主要提供蔗糖和其他糖，还有氨基酸、有机酸、少量的维生素。甘蔗和甜菜制糖后的下脚料。糖蜜提供可溶性蛋白质、多肽、小肽、氨基酸、还原糖和B族维生素（尤其生物素）。亚硫酸浸泡玉米粉制备淀粉时的废液，经减压浓缩而成。玉米浆可提供大量的B族维生素、氨基酸、嘌呤和微量元素。酵母细胞水提物浓缩而成。酵母膏主要提供有机氮、维生素和碳水化合物等。酪素、明胶、鱼粉等经酸解或酶解而成。蛋白胨主要提供碳水化合物（有机酸、糖）、有机氮（氨基酸、嘌呤等）、无机盐（钾、磷等）和B族维生素等。瘦牛肉加热、抽提浓缩成的膏状物。牛肉膏营养价值制作特点原材料3.根据物理状态划分琼脂添加量1.8％～2.5％，常制成斜面、平板，用于菌种分离、保存。（1）固体培养基琼脂培养基明胶培养基硅胶培养基天然固体培养基明胶添加量5％～12％，常制成高层培养基，用于菌种鉴定。特殊制法，用于自养微生物分离培养。用天然的麸皮、米糠、玉米粉、马铃薯块等制备，用于真菌培养和有机酸发酵。固体培养基的发展过程马铃薯斜面切块明胶培养基（1881）琼脂培养基（1882）硅胶培养基（1886）自养微生物的发现微生物学技术的飞越琼脂作为凝固剂的优越性1、不被微生物分解利用：琼脂成分为硫酸半乳糖，不为微生物分解液化；2、在微生物的生长温度内保持固态：琼脂凝固温度45℃、明胶凝固温度25℃；3、凝固点的温度对微生物无害；4、凝固剂不因