05第五章微生物的营养和培养基

1第五章微生物的营养和培养基2营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取的对其生命活动必需的能量和物质，以满足其生长繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物(nutrient)：具有营养功能的物质,在微生物学中，还包括非常规物质形式的光辐射能在内。营养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境。3第一节微生物的营养物质4营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水5第一节微生物的营养物质一、碳源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（carbonsource）细胞含碳量：干重的50%。大量营养物质。碳源生理功能：提供微生物碳素来源同时也是绝大部分微生物的能源物质。6微生物的碳源谱7碳源谱可分为有机碳与无机碳两大类。凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物。对异养微生物来说，其碳源又同时兼作能源，这种碳源又称双功能营养物。凡能利用无机碳源的微生物，则是自养微生物。8微生物碳源有机碳源：蛋白质、氨基酸、核酸、糖类、有机酸、醇、脂等。无机碳源：CO2、NaHCO3、CaCO3等。工业上常用淀粉、饴糖、玉米粉、纤维素、豆油、麸皮、米糠等。实验室中，常用于微生物培养基的碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有机酸等。9二、氮源凡能为微生物提供氮素来源的物质。氮源的生理功能：主要用来合成细胞中的含氮物质，少数微生物能同时利用铵盐和硝酸盐为氮源与能源氮源谱：可利用的氮源范围（有机氮、无机氮）氨基酸异养型、氨基酸自养型10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11微生物的氮源谱类型元素化合物培养基原料有机氮N.CHO.XN.CHO复杂蛋白质,核酸等尿素,氨基酸,简单蛋白质等牛肉膏,酵母膏,饼粉及蚕蛹粉等尿素,蛋白胨,明胶等无机氮N.HN.ONNH3，NH4+等NO3-1N2(NH4)2SO4，NH4NO3等KNO3等空气12实验室常用氮源：蛋白胨、酵母浸膏、牛肉浸膏、玉米浆、铵盐、硝酸盐等。工业生产常用氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、蛋白胨、牛肉膏、玉米浆、蚕蛹粉等13•能为微生物提供最初能量来源的营养物或辐射能。•单功能营养物：光能双功能营养物：无机物NH4+三功能营养物：氨基酸三、能源无机物：化能自养菌的能源：NH4+、NO2-、S、H2、H2S、Fe2+等。14四、生长因子是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物，需要量一般很少。广义的生长因子：除维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸。狭义的生长因子：一般仅指维生素。15五、无机盐无机盐或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。大量元素：(10-3-10-4mol/L,如P,S,K,Mg,Na,Fe)微量元素：(10-6-10-8mol/L,如Cu,Zn,Mn,Mo,Co)16P：核酸，磷脂S：半胱氨酸，蛋氨酸，VB1、生物素、硫辛酸、辅酶A等许多维生素K:所有生物体都需要钾，许多酶分子需要钾的存在Mg：稳定核糖体、细胞膜、核酸，维持许多酶的稳定性Ca：有助于加固细胞壁及增加芽孢的抗热稳定性，对许多微生物而言不是一种必需的营养物质Na：某些微生物需要，海洋生物生长一般需要，淡水区域生物一般不需要Macronutrients:17铁,Fe:细胞呼吸中起着重要的作用铁传递蛋白（siderophore），把铁离子携带进细胞中。真菌异羟肟酸衍生物derivativesofhydroxamicacid大肠杆菌肠杆菌素enterobactins18•生理功能：细胞内一般成分，作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。Micronutrients(traceelements)19六、水只有少数M(蓝细菌)利用水中的氢作为还原CO2时的还原剂,大多数M不是利用水作为营养物，不是真正的营养物,但在代谢活动中必不可少。水在生物体内的含量:人体:~60%海蛰:~96%M：霉菌孢子~39%;细菌芽孢皮层~70%;细菌芽孢核心10~25%;营养体细胞：细菌~80%;酵母~75%;霉菌~85%20六、水生命系统存在和发展的必要条件。溶剂、维持各种生物大分子的稳定性，参与重要生物化学反应，优良物理性质，保证生命活动的进行。生理功能：①是微生物细胞重要组成部分，占70~90%；②维持生物大分子构象，参与细胞内一系列化学反应；③起到溶剂与运输介质的作用；④维持细胞膨压，控制、调节细胞内温度变化。⑤少数光合细菌利用水作为供氢体。21微生物与动植物营养要素的比较22营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输。营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。第二节物质的运输23营养物质进入细胞的方式有：单纯扩散促进扩散主动运输基团转移载体载体24一、单纯扩散单纯扩散：又称被动运送，指疏水性双分子层细胞膜在无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。SSSSSSSSSSSSSSSSS胞外胞膜胞内SSS25被吸收物质依靠其在细胞内外的浓度梯度为动力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。①物质在扩散过程中没有发生任何反应；②不消耗能量；不能逆浓度运输；③运输速率与膜内外物质的浓度差成正比26二、促进扩散：溶质的运送过程中，必须借助于膜上底物特异性载体蛋白的参与，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。SSSSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外胞膜胞内TSTST27以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。特点①不消耗能量②参与运输的物质本身的分子结构不发生变化③不能进行逆浓度运输④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比⑤需要载体参与28一、单纯扩散：二、促进扩散：29三、主动运送指一类须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。SSSSSSSSSSSSSSTSSSS胞外胞膜胞内TSTST30特点1.需要消耗代谢能；2.需要载体（渗透酶）参与；3.运输方向是由胞外向胞内，逆浓度梯度方向进行；4.扩散没有动态平衡点；5.对被运输的物质具有高度的选择性（立体专一性）；6.运输的物质种类丰富，大多数氨基酸、糖类和一些离子。31四、基团移位grouptranslocation也是一种既需特异性载体蛋白又须耗能的运送方式，但溶质在运送前后会发生分子结构的变化，不同于上述的主动运送。大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输32基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸--己糖磷酸转移酶运输系统（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）。33细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。运送步骤1、热稳载体蛋白(HPr)的激活34膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2P-HPr+糖糖-P+HPr2、糖被磷酸化后运入膜内35三、主动运输：四、基团移位：3637定义：根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型。第三节微生物的营养类型38常见的营养类型光能自养型（光能无机营养型）光能异养型（光能有机营养型）化能自养型（化能无机营养型）化能异养型（化能有机营养型）39一、光能自养型利用光能作为能源，以CO2为基本碳源，还原CO2的氢供体是还原态的无机化合物（H2O、H2S等），都含有光合色素。如蓝细菌、紫硫细菌、藻类。40二、光能异养型能源：光碳源（氢供体）：有机碳化合物（甲酸、乙酸、丁酸、甲醇、乳酸等）如红螺菌科细菌（紫色无硫细菌）41三、化能自养型以无机化合物氧化释放的能量作为能源，以CO2或碳酸盐作为唯一碳源或主要碳源生长。通常生长在特殊生境中。如硫细菌、硝化细菌、铁细菌、氢细菌等硫细菌：H2S＋2O2SO42-＋2H+S0＋H2O＋3/2O2SO42-＋2H+42四、化能异养型碳源、能源、H供体均为有机碳化合物。大多数微生物均属此型。根据营养物质来源分为腐生、寄生。43微生物的营养类型据能源、氢供体和基本碳源分为４种类型44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(purplenonsulphurbacteria)：•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45第四节培养基培养基(medium，culturemedium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养料。培养基的作用：为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产。46六大营养要素：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/cm2，121.3℃，15-30min；0.56kg/cm2，112.6℃，15-30min47一、选用和设计培养基的原则4个原则目的明确营养协调理化条件适宜经济节约481.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10gNaCl5gH2O1000ml放线菌（高氏1号）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml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）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml492.营养协调对微生物细胞组成元素的调查或分析，是设计培养基时的重要参考依据。要素：H2O＞C源(含能源)＞N源＞P、S＞K、Mg＞生长素含量：~10-1~10-2~10-3~10-4~10-5~10-6a.C/N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。采用活性污泥法等生物处理废水技术中，为了保证微生物的正常生长，一般要求废水中BOD5：N:P=100:5:1为佳。5051b.其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）碳氮比：指培养基中碳原子摩尔数与氮原子摩尔数的比值,有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。一般地讲，真菌需C／N比较高的培养基(似动物的“素食”)．细菌尤其是动物病原菌C／N比较低的培养基(似动物的“荤食”)。523.理化条件适宜pHO2和CO2渗透压和水活度氧化还原电位微生物生长繁殖培养条件影响影响微生物培养体系53(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：6.5~7.5放线菌：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8藻类:6.0~7.0原生动物:6.0~8.0为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂进行内源调节，或在进行工业发酵时补加酸、碱进行外源调节。54☆磷酸缓