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第四章微生物的营养生物技术系陈向东微生物的特点：食谱广、胃口大营养物质：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质营养：微生物获得和利用营养物质的过程营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。（参见P75）本章内容：第一节，微生物的营养要求（微生物们需要吃什么？）第三节，营养物质进入细胞（微生物们是怎样吃东西的）第二节，培养基（如何给微生物们做饭）第一节微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水：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）微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”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。第一节微生物的营养要求二、营养物质及其生理功能微生物与动植物营养要素的比较微生物动物（异养）异养自养绿色植物（自养）碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳氮源蛋白质及其降解物蛋白质及其降解物、有机氮化物、无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳源同与碳源同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素有些需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水第一节微生物的营养要求二、营养物质及其生理功能微生物细胞的化学成分及分析微生物生长所需要的营养物质及其生理功能略详见P75~81第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型异养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源光能营养型化能营养型光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型划分依据营养类型特点碳源自养型(autotrophs)以CO2为唯一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源能源光能营养型(phototrophs)以光为能源化能营养型(chemotrophs)以有机物氧化释放的化学能为能源电子供体无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体微生物营养类型(Ⅰ)（参见P81）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型微生物的营养类型(Ⅱ)营养类型电子供体碳源能源举例光能无机自养型（光能自养型）H2、H2S、S或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型（光能异养型）有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型（化能自养型）H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-CO2化学能(无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、醋杆菌属(Acetobacter)化能有机异养型（化能异养型）有机物有机物化学能（有机物氧化)假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物（参见P82）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型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第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型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+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型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；第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型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；（参见P81）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型4．化能有机异养型（化能异养型）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)；（参见P82）三、微生物的营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对（P82）：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三、微生物的营养类型第一节微生物的营养要求5．营养缺陷型某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)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(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。（见P82）微生物生长需要的生长因子与营养缺陷型之间的关系？第二节培养基培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础培养基（medium）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。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（参见P82）任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理（参见P85）；常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟某些成分进行分别灭菌；过滤除菌；第二节培养基（参见P82）一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。1、选择适宜的营养物质2、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜4、经济节约5、精心设计、试验比较一、选用和设计培养基的原则和方法1、选择适宜的营养物质培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；实验室的常用培养基：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：高氏1号合成培养基培养；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基；实验室一般培养：普通常用培养基；遗传研究：成分清楚的合成培养基；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB培养基；自然转化：基础培养基；观察芽孢：生孢子培养基；产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；成份氧化硫硫大肠杆菌牛肉膏蛋高氏一号查氏合成LB主要杆菌培养基培养基白胨培养基合成培养基培养基培养基作用牛肉膏5碳源（能源）、氮源、无机盐、生长因子蛋白胨1010氮源、碳源（能源）、生长因子酵母浸膏5生长因子、氮源、碳源（能源）葡萄糖5碳源（能源）蔗糖30碳源（能源）可溶性淀粉20碳源（能源）CO2（来自空气）碳源（NH4）2SO40.4氮源、无机盐NH4H2PO41氮源、无机盐KNO31氮源、无机盐NaNO33氮源、无机盐MgSO4·7H2O0.50.20.50.5无机盐FeSO40.010.010.01无机盐KH2PO44无机盐K2HPO410.51无机盐NaCl550.510无机盐KCl0.5无机盐CaCl20.25无机盐S10能源H2O100010001000100010001000溶剂pH7.07.0-7.27.0-7.27.2-7.4自然7.0灭菌条件121℃20分112℃30分121℃20分121℃20分121℃20分121℃20分（参见P82）一、选用和设计培养基的原则和方法2、营养物质浓度及配比合适营养物质的浓度适宜；营养物质之间的配比适宜；高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。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(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。发酵生产谷氨酸时：碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；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。（参见P84）一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜pH；水活度；氧化还原电位；3、物理化学条件适宜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：细菌与放线菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6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。3、物理化学条件适宜2）水活度（参见P80）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：αw=Pw/Pow,式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw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αw不同。3、物理化学条件适宜2）水活度（参见P80）3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位（参见P85）氧化还原电位又称氧化还原电势（redoxpotential），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）。就向微生物与pH的关系一样，不同类型微生物生长对氧化还原电位(Ф)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。3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位（参见P85）氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加Ф值；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响一、选用和设计培养基的原则和方法4、经济节约（参见P85）配