4第四章微生物的营养与培养基

Chap4microbialNutritionandmedium微生物的营养与培养基主讲教师:李祝单位：化学与环境工程学院E-mail:[e-mail]：13296598808湖北工业大学专业基础课程——环境微生物23营养（或营养作用nutrition)指生物体从外部环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。营养物（或营养nutrient)指具有营养功能的物质，常常还包括光能这种非物质形式的能源在内。4微生物营养的功能：参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。5Contents营养物质进入细胞的方式4微生物的营养类型3微生物细胞的化学组成31微生物的营养物质32培养基56第一节微生物细胞的化学组成组成微生物细胞的化学物质主要包括3类：水，最主要的组成成分，是微生物代谢过程中不可缺少的溶剂，细胞干重的70%~90%；无机离子，参与有机物组成或单独存在于细胞原生质中——灰分；生物分子，包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素，降解产物、代谢中间产物等有机化合物，它是生物体和生命现象的结构基础和功能基础。7微生物细胞的化学组成元素：--大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫CHON是生命体最基本的组成元素S是蛋白质的重要组成元素P是组成核酸和ATP不可缺少的元素6种占细胞干质量的97%--微量元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等细胞的化学组成也是配制微生物培养基的主要依据.81.碳源（Carbonsource）2.氮源（Nitrogensource)3.能源（Energysource)4.生长因子（Growthfactor)5.无机盐(Inorganicsalt)6.水(Water)传统上根据功能不同对营养物归类六种营养要素:第二节微生物的营养物质9一、碳源CarbonSource一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。C元素在细胞干物质中约占50%左右.分无机碳源与有机碳源两大类。凡必须利用有机碳源的微生物叫异养微生物。凡以无机碳源作主要碳源的微生物叫自养微生物。10糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素等有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸等醇类：乙醇脂类：脂肪，磷脂烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油碳酸盐：NaHCO3,CaCO3,白垩等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸，CO2等1.微生物可利用的碳源112.碳源特点1）依碳源分类自养微生物：利用无机碳源，如CO2、碳酸盐异养微生物：利用有机碳源，如葡萄糖、淀粉等2）最适碳源C-H-O最适碳源糖醇有机酸脂类最适糖类单糖双糖多糖最适单糖已糖戊糖最适多糖淀粉纤维素木质素、几丁质应用:诺卡菌和霉菌可以以氰化物作为唯一C源和N源细菌最喜好的碳源是？糖尤其是葡萄糖及其多糖12二、氮源nitrogenSource凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。也可分为有机氮源和无机氮源（硝酸盐）。主要合成细胞内各种氨基酸和碱基进而合成蛋白质和核酸等细胞成分.氮源的作用是提供微生物合成蛋白质的原料。按对N源要求的不同，将微生物分为四类：固氮型、利用无机N为N源、需要某些氨基酸为N源、从分解蛋白质中取得铵盐或氨基酸的微生物。13N源特点:1氮源主要不提供能量(除硝化细菌等少数外)2最适氮源NHCONHNON23速效氮源：以蛋白质降解产物存在的氮源迟效氮源：以蛋白质形式存在的氮源培养微生物常用的有机N源有牛肉膏蛋白胨酵母膏等等14提问：哪些物质可作为细菌的氮源？有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（N2、NH3、铵盐、硝酸盐）等。实验室中有机氮源——蛋白胨•工业投加的细菌氮源？•——尿素、粪便15能源，就是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。异养微生物的能源就是其碳源单功能营养物：如辐射能双功能营养物：NH4+是硝酸细菌的能源和氮源三功能营养物：如”N.C.H.O”是异养微生物的能源、碳源及氮源。有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养做生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物部能源化学物质能源谱三、能源energySource16四生长因子(growthfactor)微生物在生长过程中不能自已合成的生长繁殖必需的需要量较少的外界加入的有机物是生长因子谱：维生素氨基酸嘌呤(或嘧啶)提供方式：原料：酵母膏、玉米浆、肝浸出液、麦芽汁、新鲜动植物组织17种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类作用：？嘌呤和嘧啶参与合成核酸和辅酶；维生素，重要辅酶多数细菌不存在生长因子问题。只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才能生长，如乳酸菌需要多种维生素，因此只能生活在这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。•——必需，但不能自身合成的有机物18五无机盐(inorganicions)大量元素：生长所需浓度为10-3~10-4mol/L的元素微量元素：生长所需浓度为10-6~10-8mol/L的元素1920六、水•是微生物细胞的重要组成部分，占活细胞总量的90%左右,使原生质保持溶胶状态，保证代谢正常进行;•是物质代谢的原料;•起到物质溶剂和运输介质的作用;•有效控制细胞内的温度变化.•结合水(构成原生质的组成部分)和游离水(可以被利用的)21七、碳氮磷比－“营养平衡”根瘤菌要求碳氮比为11.5：1土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥)要求为BOD5：N：P＝100：5：1•厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5：N：P＝350～500：5：1•为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理要按碳氮磷比配给营养。22城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补足。如酒精废水缺？；洗涤剂废水？N、P缺NP过剩•如何知道所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？•先测、对比、试验验证炼油废水？N、P23但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！为什么？过犹不及——“娇惯”细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导致细菌分解特殊有机物的能力下降这与细菌驯化正好相反（反驯化）。Attention！2425营养类型是按能源和氢供体来划分，也可以按能源和基本碳源来分：以下四大类型微生物中的划分不是绝对的，它们在不同条件下生长时，往往可以互相转变。第三节微生物的营养类型26①无机营养细菌（自养菌）无机（自养）—CO2、CO和CO32-提问：能否也利用有机物呢？•绝大多数能，“能吃苦也能享福”，优先利用；•又根据能源不同•又分为光能自养型细菌和化能自养型细菌。27（1）光能自养细菌（无氧有光）只有紫硫细菌和绿硫细菌28紫硫、绿硫细菌代谢方式光照CO2+H2S→[CH2O]（糖）+H2O+2S↓菌绿素（与叶绿素大同小异）提问：在自然界的作用是什么呢？早期无氧地球，清除H2S毒物（H2S类似植物光合作用中的H2O）较洁净的光照池塘无氧臭（H2S)区29紫硫细菌湖中4m硫化物*这个深度紫硫细菌多?30（2）化能自养细菌（有氧）提问：什么是化能自养菌？自养——碳源CO3－化能——以？物质氧化产能S、H2S、H2、NH3、Fe•种类：硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)、（亚）硝化细菌及铁细菌、氢细菌。31例如，亚硝化细菌进行有机物合成反应如下2NH3+2O2HNO2+4H+619千焦耳ATPCO2+4H[CH2O]+H2O提问：化能自养细菌能用于污水处理吗？为什么？能，脱氨、脱硫；条件容易32②有机营养细菌（异养菌）有机（异养）——以有机物为碳源异养菌是有机污水处理的主角•根据能源的不同33（1）光能异养与化能异养•以有机物作为碳源和能源的的细菌。•绝大多数的细菌都属于化能异养菌。.Ⅰ化能异养菌34•不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）的高效处理(*红螺菌用于污水处理现状如何?)Ⅱ.光能异养细菌（无氧有光）光能+色素有机物+CO2→菌体[CH2O]小分子有机物碳源主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存）•提问：在污水处理中的优势是什么？问题：与水分离困难，光照问题——嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田35提问：人工投加光合细菌（PSB,红螺菌）有利于水产养殖，原因？•迅速转化毒物（水族排泄物被细菌分解后的氨、有机酸）为高蛋白的菌体，作为鱼的饲料，且不消耗氧；•优势生长时能抑制水族病原菌的生长36异养菌中有腐生菌与寄生菌之分腐生——分解腐烂的有机物生活寄生——寄居在其他生物体内生活提问：致病细菌是属于什么类型？兼有，属于兼性寄生菌•肺结核杆菌痢疾志贺氏菌•以腐生为主兼营寄生的兼性寄生细菌，因而可以通过水源、食物传播，是水处理中需要监控和杀灭的对象。37营养类型是按能源和氢供体来划分，也可以按能源和基本碳源来分：以下四大类型微生物中的划分不是绝对的，它们在不同条件下生长时，往往可以互相转变。38——细胞膜的选择吸收分四种情况第四节营养物质进入细胞的方式39蛋白质小孔细胞外细胞膜细胞内水、无机盐、气体、甘油等小分子1．被动扩散?推动力?推动力—浓度梯度无载体蛋白不内部能量消耗YorN?乞讨402．促进扩散促进——载体蛋白协助载体蛋白细胞外||细胞膜||细胞内糖、氨基酸、金属离子等?推动力—浓度梯度有载体蛋白不内部能量消耗YorN?推动力?白领413．主动运输运输——载体蛋白主动——逆浓度梯度方向载体蛋白细胞外||细胞膜||细胞内糖、氨基酸、有机酸Na+、K+、硫酸根、磷酸根等?推动力—ATP放能有载体蛋白消耗内部能量消耗YorN?推动力?蓝领42细胞膜细胞外细胞内酶1磷酸烯醇式丙酮酸酶2热稳定蛋白丙酮酸葡萄糖高能磷酸促进扩散高能磷酸基团转移磷酸化—自由能升高，能量级别、位置的升高。转位磷酸葡萄糖4.基团转位•基团——被转运的营养物•转位——？商业包装43提问：磷酸化的益处？（一）活化参与代谢;（二）防止营养物从细胞内流失；（三）保持营养物在细胞内的低浓度(不用主动运输耗能)糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N—乙酰葡萄糖胺)、嘌呤、嘧啶、脂肪酸—磷酸烯醇式丙酮酸放能有载体蛋白消耗能量内部能量消耗YorN?推动力?＊为什么细菌吸收某些营养物（如糖）要采取不同方式呢？与哪些因素有关？44培养基（mediumorCulturemedium)是一种人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且其间的比例是合适的。第五节培养基451.认识化能自养菌氧化硫杆菌的培养基粉末状硫10gKH2PO44gMgSO40.5gCaCl20.5g(NH4)2SO40.4gFeSO40.01g水1000mL（自来水即可）•提问：其中各组分作用是什么？空气中的CO2能源磷源、缓冲物碳源是什么？氮源盐也可补加一部分碳酸钠。46异养细菌的培养基中至少有一种有机物，实验室中通常是葡萄糖如一种大肠杆菌培养基葡萄糖0.5gK2HPO41gMgSO40.2gNaCl5gNH4H2PO40.4g水1000mL472.配制②有机、无机营养物④维生素及其他生长因子③微量元素①缓冲化合物10%Na0H、HCl调整pH分装高压蒸气灭菌锅冷却备用通常？加水483．分类根据哪些特性可以给培养基分类？物理状态、用途、组分组成(一)根据物理状态固体培养基、半固体培养基和液体培养基1）液体培养基（“汤”）——废水也可看作是一种广义的液体培养基492）固体培养基（“团”）人工做法——(与果冻方法一样)向液体培养基中加入2％左右的琼脂，加