微生物学第五章微生物的营养.doc

第十一授课单元
一、教学目的:
此章为要求学生掌握的重点内容之一，使学生了解六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式、微生物的营养类型、营养物质进入细胞的四种主要方式、选用设计培养基的原则、培养基的种类。
本教学单元的教学目的是使学生了解微生物的六类生长要素及其功能, 掌握微生物营养类型特点.
通过本章节的学习，了解微生物的营养与微生物发酵工业的关系。
二、教学内容: (第五章 微生物的营养 第一节 微生物的化学组成及营养要求
第二节 微生物的营养类型)
1.微生物细胞的化学组成和营养要求：重点介绍碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式。并通过实例介绍如何根据碳源、氮源的不同筛选工业微生物菌种。
2.微生物的营养类型：介绍根据碳源和能源划分的四种营养类型，即光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型。
三、教学重点、难点及其处理
重点：
1. 使学生了解碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式；主要通过平时常见的培养基为例加以说明。
2. 根据碳源、能源的不同，将微生物分为四种基本营养类型：就微生物而言, 地球上几乎没有不被微生物所利用的一种物质, 但就其一类微生物来说, 它们所需要的营养物质则是有一定范围的. 根据微生物对碳源、能源的不同, 可分为自养微生物和异养微生物两类.
自养微生物靠无机营养而活, 利用二氧化碳(或碳酸盐)作为唯一或主要的碳源, 还原二氧化碳为有机物(细胞物质), 所需要的能量来自光或无机物的氧化.
异养微生物不能在完全无机物的环境下生长, 主要碳源来自有机物, 但可以固定二氧化碳, 它的合成反应所需要的能量来自有机物的氧化. 例如:
光能自养型：以光为能源，以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源
光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养物
化能自养型：以无机物的氧化获得能量，以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源
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
难点:
根据碳源、能源的不同，将微生物分为四种基本营养类型。为了使学生更好的分析掌握, 可以利用列表的形式加以比较。
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H2O
CO2
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
微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。
四、教学方法、手段
主要利用举例, 多媒体及比较的方法使学生掌握四种基本营养类型的分别。
五、板书设计

第一节 微生物细胞的化学组成和营养要求
（一）微生物细胞的化学组成
细胞化学成分 水（70%-90%）
干物质 有机物(蛋白质、多糖、脂、核酸——占干重96%
维生素、有机酸及它们的降解物）
无机物（盐）
细胞含水量=（湿重-干重）/湿重×100%
细胞化学元素 主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫（占细胞干重97%）、
钾、镁、钙、铁；
微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等
（二）微生物的营养要素及其生理功能
微生物的6大营养要素：碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐和水
一、碳源（carbon source）
在微生物生长过程中提供碳素来源的物质
1.功能
构成细胞成分（需要量最大的元素，占50%干重）；
形成代谢产物和储藏物；
异养型微生物的能源
2. 碳源谱
无机碳（CO2，NaHCO3，CaCO3）
有机碳（糖、有机酸、醇、脂类等）（葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等）。
3.根据碳源的不同筛选工业微生物菌种的方法。
二、氮源（nitrogen source）
构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质。
1.功能
构成细胞中的蛋白质和核酸（需要量仅次于碳，~12%）；
构成含氮代谢产物；
某些自养菌的能源（如硝化细菌：铵盐和硝酸盐兼氮源和能源）
2. 氮源谱
无机氮（硫酸铵（大肠杆菌，枯草芽孢杆菌）、硝酸钾（放线菌）、硝酸钠（霉菌）、
氨、氮气）
有机氮（蛋白质及其降解产物（胨、肽、氨基酸等），尿素
常用牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕蛹粉、花生饼粉、玉米浆等 ）
硫酸铵：NH+4被细胞吸收后可直接利用——速效氮源
NH+4被吸收后，导致pH下降——生理酸性盐
硝酸盐：NO-3被细胞吸收后需进一步还原成NH+4后再被微生物利用——迟效氮源
NO-3被吸收后，导致pH生高——生理碱性盐
抗生素发酵：混合氮源 玉米浆：速效氮源（菌体生长）
黄豆饼粉，花生饼粉：迟效氮源（代谢产物）
“氨基酸自养型”能以非氨基酸类的简单氮源（尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）
“氨基酸异养型”必须从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。
3.根据氮源的不同筛选工业微生物菌种的方法。

三、 能源（energy source）
为微生物生命活动提供最初能量来源的物质或辐射能
能源谱：
化学物质：化能营养型 有机物：化能异养（能源=碳源）
无机物：化能自养（还原态无机物氧化提供能量）
（还原态无机物：NH4+，NO-2，H2S，H2，Fe2+）
辐射能：光能营养型
四、生长因子（growth factor）
1. 定义
微生物生长所必需且需要量很少，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的有机化合物。
2. 谱（主要3大类） 维生素（狭义的生长因子）
氨基酸
嘌呤和嘧啶；
五、 无机盐（inorganic salt）
常量元素：P、S、K、Mg、Na等（10-3~10-4mol/L）；
微量元素：Zn、Mn、Mo、Ce、Co、Cu、Ni等（10-6~10-8mol/L）
提供方式 常量元素：K2HPO4，MgSO4（提供4种主要元素）
微量元素：自来水，玻璃器皿
第二节 微生物的营养类型
根据碳源、能源的不同，分为四种基本营养类型：
光能自养型：以光为能源，以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源
光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养物
化能自养型：以无机物的氧化获得能量，以CO2或碳酸盐为唯一或主要碳源
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

思考题:
1. 试述微生物所需营养物的种类及功能（六大营养要素；生长因子的种类）。
2. 以能源和碳源来划分, 微生物的营养类型都有哪些?
3. 如何根据碳源、氮源的不同筛选工业微生物菌种。

第十二授课单元
一、教学目的
使学生掌握营养物质进入细胞的方式：介绍单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种主要运输方式的运输特点。
二、教学内容 ( 第三节 微生物对营养物质的吸收)
营养物质进入细胞的方式：介绍单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种主要运输方式的运输特点。
三、教学重点、难点及其处理
重点:
营养物质进入细胞的方式, 1. 单纯扩散: 以水及氧气为例进行说明; 2. 促进扩散, 以糖和氨基酸及甘油为例加以说明, 同样也是有浓度差, 不同在于有载体蛋白参与, 这些蛋白是诱导酶, 当浓度差达到一定程度后, 运送速度不再增加; 3. 主动运输, 逆浓度差运送, 以Na+/K+泵为例说明, 细胞内Na+浓度低而K+浓度高。4. 基团转位, 以铁离子的运输为例进行说明
难点:
主动运输和基团转位四种主要运输方式的运输特点, 可以通过举例讲解并列表进行比较的方法进行掌握. 微生物进行生长繁殖, 需要各种营养物质, 其中有些营养物质以高于胞外的浓度积累在细胞内, 也就是说, 这些物质的摄取是逆浓度差而被抽进细胞的. 显然, 这里除了需要渗透酶外, 还需要代谢能量. 而渗透本科在这里起着改变平衡点的作用. 有研究证明, 有革兰氏阴性菌中, 主动运输除工具酶具有催化活性的渗透酶之外, 还需要具有一种不具催化活性的结合蛋白, 这种蛋白质对于特异性营养物, 包括氨基酸, 糖和无机离子具有很高的亲合力. 钠/钾离子的运输是主动运输的主要例子之一, 几乎所有的活细胞都保持较高的钾含量和较低的钠含量. 也就是钠/钾的运输是需要渗透酶的能量的, 酶的作用是把钾离子从细胞外运送到细胞内, 而把钠离子从细胞内压出来, 在膜内外建立一个浓度梯度, 因此通常又将这一酶系称为钠泵, 细胞内钠离子浓度的升高或细胞外钾离子尝试的升高都可能把钠泵激活.
基团转位是另一种运输方式, 许多糖及糖的生物, 如甘露糖, 果糖, 是利用基团转位运输的, 这些糖及其衍生物在运输过程中被磷酸转移酶系统磷酸化. 这个系统由包括酶I, 酶II, HPr组成. 不能合成酶I或HPr的突变株就丧失运输和利用许多糖的能力.
四、板书设计

第三节 营养物质进入细胞的方式
细胞质膜是控制营养物质进出细胞的主要屏障，具选择通透性。
1. 单纯扩散（simple diffusion）
营养物质通过细胞质膜上的小孔，由高浓度的胞外（内）环境向低浓度的胞内（外）进行扩散。单纯的物理扩散。
特点：无载体参与，不消耗细胞的能量，以浓差为动力，高浓向低浓扩散，物质在扩散过程中结构不变；
运送物质：水，O2, CO2，乙醇，甘油，脂肪酸等（分子量小、脂溶性、极性小的物质）
2. 促进扩散（facilitated diffusion）
也是一种被动的物质跨膜运输方式，与扩散的主要区别在于需要借助载体的作用才能进入细胞。
特点：载体蛋白参与，不消耗细胞能量，以浓差为动力，由高浓向低浓运送，运输物质的分子结构不发生变化。
载体蛋白：具较高的专一性；与运输物质的亲和力在质膜内外不同，通过载体分子构象变化实现；载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态，扩散速度取决于溶质浓度梯度的大小，当运输物质浓度达到一定值时，载体产生饱和效应。这种性质类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶（大都是诱导酶）。
运送物质：单糖，氨基酸，维生素、无机盐等；
3.主动运输（active transport）
广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式
特点：载体蛋白参与（具有较强的专一性，通过构象变化而改变与被运送物质之间的亲和力，载体蛋白构象变化需消耗能量），需消耗细胞能量，可逆浓差运输。
运送物质：无机离子（K+等）；糖（乳糖，麦芽糖，葡萄糖等）；大部分氨基酸和有机酸。
例：Na+,K+-ATPase：利用ATP的能量，将Na+由胞内泵出胞外（高浓），并将K+由泵入胞内（高浓）。
4. 基团转位(group translocation)
特点：需载体蛋白，耗能，被运送物质分子结构发生变化（磷酸化）
有一个复杂的运输系统来完成物质的运输——磷酸转移酶系统（PTS）：5种蛋白质组成
功能：主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。
思考题:
列表比较营养物质进入细胞的方式

第十三授课单元
一、教学目的
使学生掌握培养基的分类, 主要是掌握选择性培养基及鉴别培养基的原理及应用. 了解微生物的营养与微生物发酵工业的关系。
二、教学内容 ( 第四节 培养基)
1. 培养基：介绍选用设计培养基的原则、根据对培养基成分的了解、培养基的物理状态和培养基的用途所划分的培养基的种类，重点介绍选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用。通过本章节的学习，了解微生物的营养与微生物发酵工业的关系。
2.微生物营养与发酵工业的关系。
微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。

三、教学重点、难点及其处理
重点:
选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用. 分别以实际生产的例子加以说明, 例如选择性培养基, 是根据某些微生物对一些物理, 化学物质的抗性而设计的一种培养基, 即在培养基内加入某些抑菌剂或杀菌剂, 以抑制不需要的微生物的生长, 从而促进某些需要菌的生长.以纤维素为唯一碳源的选择性培养基，可以从混杂的微生物群体中分离出能分解纤维素的微生物。鉴别性培养基: 伊红美蓝培养基, 肠道菌的鉴别性培养基.
难点:
选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用. 其中选择性培养基的原理和应用很容易掌握, 但是鉴别性培养基的原理一直是学生理解的难点. 例如区分大肠杆菌和产气肠杆菌可采用伊红-美蓝培养基, 其组成为:
蛋白胨: 10g, K2HPO4: 2g. 乳糖: 10g. 2%水溶性伊红液 20毫升,
0.325% 水溶性甲基蓝溶液 20毫升. 琼脂 15g.
其中伊红为酸性染料, 甲基蓝为碱性染料. 当大肠杆菌或产气肠杆菌分解乳糖产酸时, 细胞带正电荷(因为在酸度为7.0-7.2的培养基中, 细菌的原生质主要带负电荷. 氨基酸并不是在酸度为7时电荷为0, 而是6.5-6.8电荷为0. 所以在环境酸度为7.2时, 应带负电荷) 所以染上伊红的红色. 而大肠菌呈紫黑色有金属光泽, 菌落小, 而产气肠杆菌呈灰棕色, 菌落大, 湿润. 不分解乳糖的细菌则不着色, 有时候因产碱性物质较多, 细菌带正电荷, 染上甲基蓝, 因而呈蓝色菌落.
微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。

四、板书设计

第四节 培养基（medium，media）
定义：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。
一、选用和设计培养基的原则和方法
4个基本原则： 目的明确
营养协调
物理、化学条件适宜
经济节约
1. 目的明确
（1）培养何种微生物 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；
酵母菌：麦芽汁培养基；
霉菌：查氏合成培养基；
（2）培养目的
2. 营养协调
营养物的浓度
各种营养物间的配比（C/N比：培养基所含碳源中碳原子的摩尔数与氮源中氮原子的摩尔数之比）
3. 物化条件适宜
（1）pH
细菌：pH 7.0~8.0；放线菌：pH 7.5~8.5；
酵母菌：pH 3.8~6.0；霉菌：pH 4.0~5.8;
（2）渗透压（osmotic presure）和水活度
水活度（water activity）：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。
αw = Pw / Pow （Pw：溶液蒸汽压力； Pow：纯水蒸汽压力）
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）氧化还原电位
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（厌氧菌）；
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（厌氧菌）。
氧化还原指示剂：刃天青
4、经济节约
二、培养基的种类
1．按对培养基成份的了解划分
天然培养基(complex medium)
合成培养基(synthetic medium)
半合成培养基(symi-synthetic medium)
2．根据物理状态划分
固体培养基(solid medium)（1.5~2.0%琼脂）
半固体培养基(semi-solid medium)（0.2~0.8%琼脂）
液体培养基(liquid medium)
常用凝固剂：
琼脂：96℃ 融化，40℃ 凝固，1.5~2.0%；
明胶：25℃ 融化，20℃ 凝固，5~12%；
3．按用途划分
（1）选择培养基(selective medium)
用途：用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。
定义：根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。
（2）鉴别培养基(differential medium)
用途：用于鉴别不同类型微生物的培养基。
定义：在培养基中加有能与目的菌的无色代谢产物发生颜色反应的指示剂，从而用肉眼就能将该种微生物的菌落与外形相似的其它微生物菌落相区分的培养基。
EMB培养基：肠道菌的鉴别性培养基
大肠杆菌：菌落紫黑色，铜绿色金属光泽
沙门氏菌等肠道致病菌：菌落无色
原理：伊红和美蓝二种苯胺染料可抑制G+细菌和一些难培养的G—细菌。在低酸度时，这二种染料结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用。试样中的多种肠道菌会在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌落，因而易于辨。例如大肠杆菌强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体呈酸性，菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可看到铜绿色金属光泽。
微生物与发酵工业的关系：
1. 筛选菌种：根据碳源、氮源、生长因子来分离工业微生物菌种。
2. 根据不同目的、不同菌种设计不同类型的培养基。

思考题：
1. 如何从土样中分离产蛋白酶或淀粉酶的芽孢杆菌？
2. 在某一自然土壤样品中，已知其中存在有极少量的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、丙酮丁醇梭菌、自生固氮菌和酵母菌，请设计实验方案，把上述五菌一一分离出来。
3. “M”是一株光合自养且能自生固氮的赖氨酸缺陷型光合细菌，试设计其主要的培养条件。
4. 比较酵母菌与细菌营养类型的异同。
5. 在下列给出的物质中适当选择、分别组成供细菌、放线菌和毛霉培养用的固体培养基、供酵母菌生长用的液体培养基：琼脂，麦芽汁，马铃薯，牛肉膏，葡萄糖，乳糖，甘露糖，酵母膏，可溶性淀粉，蛋白胨，豆饼粉，玉米浆，酪素水解物，水，FeSO4，(NH4)2SO4，KNO3，NaCl，K2HPO4，MgSO4