第二章微生物的营养和培养基

第二章微生物的营养和培养基教学内容1.微生物的营养物质2.微生物的营养类型3.微生物对营养物质的吸收4.培养基难点：微生物的营养类型重点：微生物的营养类型，微生物营养物质的吸收方式第一节微生物细胞的化学成分和营养要素营养物（nutrient）：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。微生物的营养物为它们正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境.营养（nutrition）：是指生物体从外部环境摄取其说明活动所必须的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。营养为一切生命活动提供了必需的物质基础，是一切生命活动的起点。一微生物的六种营养要素1微生物细胞的化学组成微生水：70%-90%物细胞干物质有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物矿质元素与高等生物的“营养上的统一性”2、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。二、微生物营养物质及其功能水微生物营养物质碳素化合物氮素化合物矿质元素生长因子1、碳素化合物(碳源)：凡能提供微生物营养所需的碳元素的营养源，称为碳源。微生物细胞含碳量：细胞干重的50%。有机碳源利用异养微生物碳源无机碳源利用自养微生物微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质，核酸等牛肉膏、蛋白胨等C·H·O·N多数氨基酸，简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏分等无机碳C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3、CaCO3等NaHCO3、CaCO3等X指除C、H、O、N外的任何其他一种或几种元素甲烷氧化菌：甲烷、甲醇根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？不同的微生物利用碳素的情况洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素分子氮N2（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌）无机氮NH4＋、NO3－、NO2－（多数微生物）有机氮蛋白质、多肽、氨基酸（多数微生物）牛肉膏、蛋白胨、尿素、酵母膏、玉米浆、饼粕微生物可利用的氮素化合物：2氮素化合物(氮源)：凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。构成细胞物质，少数微生物的能源物质。类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3NN2空气X指除C、H、O、N外的任何其他一种或几种元素微生物氮源谱3、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。能源谱化学物质有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源4、生长因子生长因子是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。它的需要量一般很少。广义的生长因子：包括维生素、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。包括维生素、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：仅包括维生素各种微生物与生长因子的关系可分为以下几类：（1）生长因子自养型微生物多数真菌、放线菌和不少细菌都是不需要外界提供生长因子的生长因子自养型微生物。（2）生长因子异养型微生物它们需要多种生长因子，如乳酸细菌、各种动物致病菌、原生动物和支原体等。（3）生长因子过量合成微生物有些微生物在其代谢活动中，会分泌出大量的维生素等生长因子，因此，它们可以作为维生素等的生产菌。有关生长因子的注意点：（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同克氏杆菌生物素、对氨基苯甲酸肠膜明串珠菌十七种氨基酸（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化鲁毛霉：厌氧：需维生素B与生物素好氧：无需生长因子（3）生长因子未知微生物的培养加入天然培养基酵母膏、牛肉膏或动物、植物的组织液5、无机盐无机盐主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。A、大量元素（指生长所需浓度在10-3~10-4mol/L范围内的元素）P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等B、微量元素（指生长所需浓度在10-6~10-8mol/L范围内的元素）Cu、Zn、Mn、Mo、Co等Fe实际上介于大量元素和微量元素之间，故放两处均可无机盐的生理功能无机盐大量元素一般功能特殊功能微量元素酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）生理调节物质渗透压的维持（Na+等）酶的活性剂（Mg2+等）pH的稳定化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）6、水除了少数微生物如蓝细菌能利用水中的氢作为还原CO2时的还原剂外，其它微生物都不是利用水作为营养物质。即使如此，由于水在微生物的生命活动过程包括营养过程中的重要性，它仍应属于营养要素之一。水具有一系列为生命活动所必需的优良理化特性a.机体内生理生化反应的基础b.溶剂与运输介质c.细胞内温度的缓冲剂作用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从营养的角度分异养型生物自养型生物所需营养物质有机物无机物生物种类植物一、微生物的营养类型自养型异养型能源碳源CO2有机化合物光能型化能型光能化学能光能自养型化能自养型光能异养型化能异养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1、光能自养型（光能无机营养型）能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。基本特点：B、供氢体：还原性无机物，还原CO2A、光合色素（叶绿素、细菌叶绿素）光叶绿素H2O＋CO2(CH2O)+H2O+O2↑（蓝细菌）光菌绿素2H2S+CO2(CH2O)+H2O+2S（绿硫细菌和紫硫细菌）2、光能异养型(光能有机营养型）利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。紫色非硫细菌基本特点：b.供氢体：有机物，还原CO2或有机物形成细胞物质a.光合色素，光合作用光能异养型微生物在C源利用上的特殊性：以有机质作为主要C源，能利用CO2，但它不是唯一碳源。光能细菌叶绿（红螺菌）CH3CO2+2CHOHCH2O+2CH3COCH3+H2OCH33、化能自养型(化能无机营养型）利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物。典型实例：硫化细菌、硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)、产甲烷菌、铁细菌H2S、NO2－、H2、Fe2+基本特点：a.能源：无机物氧化b.供氢体：无机物，还原CO24、化能异养型（化能有机营养型）以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物。苏云金杆菌基本特点：a.能源：有机物氧化b.碳源：有机物化能异养型微生物的分类：（生活场所、获取养料方式）③兼性寄主菌：既营寄生又营腐生生活的。(结核杆菌)②寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。①腐生菌：利用无生命的有机物作为营养物质。第三节微生物营养物质的吸收一、影响微生物对营养物质吸收的因素1、第一因素：细胞膜细胞膜——选择性透膜细胞荚膜、粘液层以及细胞壁2、第二因素：微生物细胞生活的环境pH值、温度3、第三因素：被吸收物质的特性。分子量、溶解度(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性)二、微生物对营养物质的吸收方式是否消耗能量是否需要载体是否发生被吸收物的化学变化单纯扩散促进扩散主动运输基团转位根据微生物对物质的吸收过程：1、单纯扩散（称被动扩散）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。SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS胞外胞膜胞内SSSc.运输动力a.非特异性的b.吸收过程不发生化学变化单纯扩散的特点：营养物质单纯扩散能力的影响因素：a.吸收营养物质的分子大小b.溶解性(脂溶性或水溶性)c.极性大小d.膜外pHe.温度SSSSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外胞膜胞内2、促进扩散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。（真核微生物）TSTST与单纯扩散的相同点：c.无需代谢能。a.被动的扩散。b.无化学变化。促进扩散独有的特点：a.载体的专一性b.运输速率提高载体使营养物质的扩散加快，它会影响该营养物质在3、主动运输以代谢能为动力，在载体参与下，将物质从胞外向胞内转运。主动转运系统：是细菌吸收营养物质的主要方式，其特点是营养物质从浓度低向浓度高的一侧转运，并需要提供能量。SSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外胞膜胞内TSTST主动运输同促进扩散的共同点：a.载体b.载体构型的变化。主动运输与促进扩散的不同点：a.动力b.载体构型变化原理主动运送的营养物主要有：无机离子、有机离子和一些糖类。4、基团转位：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）大肠杆菌磷酸转移酶体系与葡萄糖的运输四种运送营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运送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浓度高得多内部浓度高得多运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要运送后溶质分子不变不变不变改变三、几种主要营养物质的吸收1、糖：促进扩散、基团转位、主动运输。2、肽与氨基酸：主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）3、离子：主动运输第四节培养基是人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养物质。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。按培养基成分分按培养基的用途分按物理性状分按培养基生产目的种子培养基一、培养基的类型培养基类型合成培养基天然培养基基本培养基富集培养基鉴别培养基固体培养基液体培养基半固体培养基1、按照培养基成分分：a.合成培养基化学成分和浓度完全清楚的物质配制的培养基。高氏一号合成培养基可溶性淀粉20.0克KNO31.0克K2HPO40.5克MgSO4·7H2O0.5克NaCl0.5克FeSO4·7H2O溶液2滴（10%）蒸馏水1000毫升b.天然培养基以动植物组织或微生物浸出液为原料配制的培养基。（牛肉膏蛋白胨）牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏3.0克蛋白胨10.0克食盐5.0克蒸馏水（自来水）1000毫升2、按照培养用途b.富集培养基(增殖培养基）为分离某种微生物配制出的适合它生长而不利于其他微生物生长的培养基。c.鉴别培养基根据微生物的代谢特点，通过指示剂的呈色反应，用以鉴别不同微生物的培养基。（伊红-甲基蓝培养基鉴别大肠杆菌(菌落小,绿色光泽)和产气肠杆菌(菌落大,灰棕色)）a.基本培养基将多种微生物都需要的营养物质配而成培养基。3、按照培养基的物理性状b.液体培养基未加凝固剂呈液态的培养基称为液体培养基。c.半固体培养基在液体培养基中加入少量琼脂（0.2-0.5%）。a.固体培养基在液体