第四章-微生物营养和培养基.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 微生物营养和培养基,微生物细胞的化学组成,微生物的营养要素,微生物的营养类型,微生物对营养物质的吸收方式,培养基,1,一、微生物细胞的化学组成,（一）化学元素,(chemical element):,大量元素,(macroelement):,碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的,97%,）。,微量元素,(trace element):,锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。,第一节 微生物细胞的化学组成,2,表,4,1,微生物细胞中几种主要元素的含量,（干重的百分数,）,元素 细菌 酵母菌 霉菌,碳,50 49.8 47.9,氮,15 12.4 5.2,氢,8 6.7 6.7,氧,20 31.1 40.2,磷,3,硫,1,3,微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比,灰分元素,固氮菌,酵母菌,霉菌,P,2,O,5,SO,3,K,2,O,Na,2,O,MgO,CaO,Fe,2,O,3,SiO,2,CuO,4.95,0.29,2.41,0.07,0.82,0.89,0.08,-,-,3.54,0.039,2.34,-,0.428,0.383,0.035,0.093,-,4.85,0.11,2.81,1.12,0.38,0.19,0.16,0.04,-,4,（二）元素在细胞内存在形式：,上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中：,1,有机物：,蛋白质、糖、脂类、核酸、,维生素及其降解产物,.,2,无机物：,1),参与有机物组成，,2),单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在,.,3,、,水：,约占细胞总重,70%,90%,，以游离水和结合水两种形式存在,游离水：干重法可测得；,结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的,17%,28%,。,5,（三）微生物细胞化学组成含量的变化,此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同,。,6,表,4,2,微生物细胞的化学组成,主要成分 细菌 酵母菌 霉菌,水分,7585 7080 8590,（占细胞鲜重的,%,）,蛋白质,5080 3275 1415,占,细 碳水化合物,1228 2763 740,胞,干 脂肪,520 215 440,重,的 核酸,1020 6 8 1,%,无机盐,230 3.87 612,7,营养物（,nutrient,）：,那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质,。,营养（或叫营养作用，,nutrition,）：,微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。,第二节 微生物的营养要素,8,生物类型,营养要素,动物,（异养）,微生物,绿色植物,（自养）,异养,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、碳酸盐,氮源,蛋白质或其降解物,蛋白质或其降解物,有机或无机氮化物、氮,无机氮化物、氮,无机氮化物,能源,与碳同,与碳同,氧化无机物或利用日光能,利用日光能,生长因子,维生素,一部分需要维生素等,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,表,4-3,微生物和动物、植物营养要素的比较,9,一、碳源（,Carbon source,）,定义：,凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。,功能：,提供合成细胞物质及代谢物的原料,;,并为,整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。,种类,:,无机含碳化合物：,如,CO,2,和碳酸盐等。,有机含碳化合物：,糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、,麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,脂类、,醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物,以及各种含氮的化合物。,10,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、花生饼粉等,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、石油及其不同馏份、石蜡油等,无机碳,C(?),C,O,CO,2,CO,2,C,O,X,NaHCO,3,NaHCO,3,、,CaCO,3,、白垩等,表,4,1,微生物的碳源谱,11,1.,异养微生物：,凡必须利用有机碳源的微生物,2.,自养微生物：,凡以无机碳源作为主要碳源的微生物,3.,碳源的利用顺序：,C,.,H.O(,糖类,醇类、有机酸和脂类，单糖,双糖和多糖，己糖,戊糖，葡萄糖、果糖,甘露糖、半乳糖，淀粉,纤维素、几丁质，纯多糖,杂多糖,),4.,双功能营养物：,对一切异样微生物来说，其碳源同时又兼作能源。,12,可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有,:,碳水化合物及其衍生物：,19,种 脂肪酸：,11,种,二羧酸：,9,种 其它有机酸：,12,种,伯醇：,3,种 氨基酸：,12,种,其它氮化合物：,13,种 无氮环状化合物：,9,种,微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用,90,种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。,13,微生物工业发酵中用做碳源的原料,传统种类：,糖类（单糖，饴糖）、,淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）、麸皮、各种米糠等,代粮发酵：,纤维素、石油、,CO,2,、,H,2,14,氮源,(nitrogen source),凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源,。,氮源物质的主要作用,是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。,二、氮源,15,表,4,2,微生物的氮源谱,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、饼粕粉、蚕蛹粉等,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,H,NH,3,、铵盐等,(NH4),2,SO,4,等,N,O,硝酸盐等,KNO,3,等,N,N,2,空气,16,1.,氮源的利用顺序,:,N.C.H.O,或,N.C.H.O.XN.HN.ON,2.,氨基酸自养型微生物：,不需要以氨基酸作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的微生物。,3.,氨基酸异养型微生物：,需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。,17,迟效氮源：,蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。,速效氮源：,无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。,速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成,。,氮源的种类,18,实验室常用的氮源,有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。,生产上常用的氮源：,有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。,多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做,氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。,19,能源：,指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。,微生物的能源谱：,有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）,化学物质,能源谱：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,三、能源,20,化能自养微生物的能源物质：,都是一些还原态的无机物质，例如：,NH,4,+,、,NO,2,-,、,S,、,H,2,S,、,H,2,、,Fe,2+,等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料常常是双功能的（如：,NH,4,+,既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）,有机营养物,常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。,光辐射能：,是单功能的，只为光能微生物提供能源,。,还原态的,NH,4,:,是双功能营养物（能源、氮源）,氨基酸：,三功能营养物（碳源、氮源、能源）,21,生长因子（,growth factor,）：,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。,主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。,缺乏合成生长因子能力的微生物称为,“,营养缺陷型,”,微生物。,四、生长因子（,growth factor,）,22,根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：,1,.,野生型,(wild type),和原养型,不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株。,2.,营养缺陷型,(auxotroph),由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株。,23,1.,生长因子自养型微生物,:,不需要从外界吸收任何生长因子就能正常生长的微生物,(,如,E.coli,多数真菌、纺线菌、细菌,),。,2.,生长因子异养型微生物：,需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长的微生物（如乳酸菌、支原体和原生动物等）。,3.,生长因子过量合成的微生物：,在其代谢活动中，能够大量合成分泌某些维生素等生长因子的微生物（如阿舒假囊酵母、链霉菌、被孢霉等）。,根据微生物对生长因子的需要分：,24,无机盐：,是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。,大量元素：,P,、,S,、,K,、,Mg,、,Ca,、,Na,、,Fe,等。,（微生物生长所需浓度在,10,-3,10,-4,mol/L,）,微量元素：,Cu,、,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,等。,（微生物生长所需浓度在,10,-6,10,-8,mol/L,）,一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,五、无机盐,25,细胞内一般分子成分（,P,、,S,、,Ca,、,Ma,、,Fe,等）,一般功能 渗透压的维持（,Na,+,等）,生理调节物质 酶的激活剂（,M a,2+,等）,大量元素,pH,的稳定,无 化能自养菌的能源（,S,、,Fe,2+,、,NH,4,+,、,NO,2-,等）,机 特殊功能,盐 无氧呼吸时的氢受体（,NO,3,-,、,SO,4,2-,等）,酶的激活剂（,Cu,2+,、,Mn,2+,、,Zn,2+,等）,微量元素,特殊分子结构成分（,Co,、,Mo,等）,无机盐的生理功能,26,无机元素的来源和功能,元素人为提供形式 生 理 功 能,PKH,2,PO,4,、,K,2,HPO,4,核酸、磷酸和辅酶的成分,SMgSO,4,含硫氨基酸、含硫维生素成分,KKH,2,PO,4,、,K,2,HPO,4,酶的辅因子、维持电位差和渗透压,NaNaCl,维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要,CaCa(NO,3,),2,、,CaCl,2,胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成,MgMgSO,4,固氮酶辅因子、叶绿素成分,FeFeSO,4,Cyt,成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需,MnMnSO,4,超氧化物歧化酶、氨肽酶、,L-,阿拉伯糖异构酶等的辅因子,CuCuSO,4,氧化酶、酪氨酸酶的辅因子,CoCoSO,4,VB,12,复合物的成分、肽酶的辅因子,ZnZnSO,4,碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子,Mo(NH,4,),6,Mo,7,O,24,固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分,27,水分：,水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面：,1.,细胞的构成成分,2.,良好的溶剂，一系列生理生化反应的反应介质,3.,参与许多生理生化反应,4.,有效地控制细胞内的温度变化,六、水,28,几种生物的,游离水含量,人体：,60%,海蛰：,96%,微生物,孢子,营养体,霉菌孢子：,39%,细菌芽孢：,皮层：,70%,核心：极低,细菌：,80%,酵母：,75%,霉菌：,85%,水在细胞中有两种存在形式：,结合水和游离水,.,不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：,29,根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型,异养型生物：,在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质,自养型生物：,在生长时能以简单的无机物质作为营养物质,动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。,根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型,化能营养型生物：,依靠化合物氧化释放的能量进行生长,光能营养型生物：,依靠光能进行生长,动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物,第三节 微生物的营养类型,30,分类标准,营养类型,1.,以能源分,光能营养型（,phototroph,）,化能营养型（,chemotroph,）,2.,以氢供体分,无机营养型（,lithotroph,）,有机营养型,(organotroph),3.,以碳源分,自养型,(autotroph),异样型,(heterotroph),4.,以合成氨基酸能力分,氨基酸自养型,(amino acid autotroph),氨基酸异养型,(amino acid heterotroph),5.,以生长因子分,原养型,(prototroph),或野生型,(wild type),营养缺陷型,(auxotroph),6.,以取食方式分,渗透营养型,(osmotroph),吞噬营养型,(phagotroph),7.,以取得死或活有机物分,寄生,(saprophytism),腐生,(parasitism),微生物营养类型的分类,31,营养类型,营养类型,能源,氢供体,基本碳源,实 例,光能无机营养型（光能自养型）,光,无机物,CO,2,蓝细菌,紫硫细菌,绿硫细菌,藻类,光能有机营养型（光能异养型）,光,有机物,CO,2,及简单有机物,红螺菌科的细菌,（紫色无硫细菌）,化能无机营养型（化能自养型）,无机物,无机物,CO,2,硝化细菌,硫化 菌,铁细菌,氢细菌,硫磺细菌等,化能有机营养型 （化能异养型）,有机物,有机物,有机物,绝大多数细菌和 全部真核微生物,32,光能自养型微生物：,以,C0,2,作为唯一碳源或主要碳源，并利用,光能,，以,无机物,如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将,CO2,还原成细胞物质，同时产生元素硫,光能,CO,2,H,2,S CH,2,O+2S+H,2,O,光合色素,光能自养型微生物,包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使先能转变成,化学能（,ATP,），供机体直接利用。,一、光能自养型微生物,33,光能异养型微生物：,以,CO,2,为主要碳源或唯一碳源，以,有机物,（如异丙醇）作为供氢体，利用,光能,将,CO,2,还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。,光能,2(H,3,C),2,CHOH+CO,2,2CH,3,COCH,3,+CH,2,O+H,2,O,光合色素,光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子,二、光能异养型微生物,34,利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）,为供氢体同化,CO,2,CH,3,光能,CO,2,+2CH,2,-CHOH-,CH,2,O+2CH,3,COCH,3,+H,2,O,菌绿素,例：红螺菌属,（,Rhodospirillum,）,光能异养型微生物,红螺菌,35,化能自养型微生物：,以,CO,2,或碳酸盐作为唯一或主要碳源，,以,无机物,氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如,氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐,等使,CO,2,还原成细胞物质。,这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。,三、化能自养型微生物,36,通过氧化无机物取得能量，并以,CO,2,为唯一或主要碳源,1.,硝化细菌,:,亚硝化细菌,2NH,4,+,+3O,2,2NO,2,-,+2H,2,O+4H,+,+132Kcal,硝化细菌,NO,2,-,+1/2O,2,NO,3,-,+18.1 Kcal,37,2.,硫化细菌,:,通过氧化还原态的无机,硫化物,（,H,2,S,、,S,、,S,2,O,3,2-,、,SO,3,2-,）,获,得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）,H,2,S+,1/2,O,2,S+H,2,O+50.1 Kcal,S+1,1/2,O,2,+H,2,O H,2,SO,4,+149.8 Kcal,38,3.,铁细菌：,氧化,Fe,2+,为,Fe,3+,获取能量并同化,CO,2,2Fe,2+,+1/2O,2,+2H,+,2Fe,3+,+H,2,O+21.2 Kcal,4.,氢细菌：,具有氢化酶，从氢的氧化获取能,量，同化,CO,2,H,2,+1/2 O,2,H,2,O+56.7 Kcal,39,硝化细菌,铁细菌,40,多数微生物属于化能异养型，其生长所需要,能量和碳源通常来自同一种有机物。,根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为下列两种类型：,腐生型微生物：,利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。,寄生型微生物：,寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。,存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型,微生物，,称为兼性腐生型,或,兼性寄生型,。,四、化能异养型微生物,41,肺炎链球菌,幽门螺旋菌,42,第四节 微生物吸收营养物质的方式,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团移位,43,1,、单纯扩散,(simple diffusion or passive diffusion),被输送的物质，靠细胞内外浓度为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。,44,1,、单纯扩散,(simple diffusion or passive diffusion),特点：,扩散,是,非特异性的营养物质吸收方式,：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；,在扩散过程中营养物质的结构不发生变化,：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；,物质运输的速率较慢：,速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同；,不需要载体参与；,扩散是一个不需要代谢能的运输方式，因此，物质不能进行逆浓度运输。,可运送的养料有限：,限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。,45,smosis,flows towards high salt concentrations,46,单纯扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,47,三,营 养物在运送过程中，通过与细胞膜上特异载体蛋白（也称作透过酶,permease,）,的可逆性结合来加快其传递速度，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。,2.,促进扩散,(facilitated diffusion/transport),48,2.,促进扩散,(facilitated diffusion),特点：,在促进扩散过程中,营养物质本身在,分子结构上也不会发生变化,不消耗代谢能量,，故不能进行逆浓度运输,运输的速率由胞内外该物质的,浓度差,决定,需要细胞膜上的,载体蛋白（透过酶）,参与物质 运输,被运输的物质与载体蛋白有高度的,特异性,养料浓度过高时,与载体蛋白出现,饱和效应,促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。,49,Embeded protein:,50,51,Proteins,that act as,carriers,are too large to move across the membrane.They are transmembrane proteins.They cycle between,two conformations,in which a solute binding site is accessible on one side of the membrane or the other.,52,促进扩散模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,53,or active ansport,54,3.,主动运输,(Active transport),在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白构象的变化，逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程。,55,主动运输,(Active transport),特点：,物质在主动运输的过程中,需要消耗,代谢能,可以进行,逆浓度,运输的运输方式,需要,载体蛋白,参与,对被运输的物质有高度的,立体专一性,被运输的物质在转移的过程中,不发生任何化学变化,不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。,主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。,56,Comparison of passive and active transport.,57,58,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,ADP+Pi,ATP,59,Na,+,-K,+,-ATP,酶系统,Na,+,-K,+,-ATPase,是,存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白,功能：,利用,ATP,能量将,Na,+,由细胞内,“,泵,”,出胞外，并将,K,+,“,泵,”,入胞内。该酶由大小两个亚基组成（,MW:12,万，,5.5,万,）,60,作用步骤,:,1.ATP,酶,(E),在细胞内侧与,3,个,Na,+,结合，同时消耗能量；,2.,磷酸化,ATP,酶,(E,+,),构象变化将,Na,+,排除胞外，并与,2,个,K,+,结合；,3.K,+,激发,E,+,脱磷酸化恢复为,E,，同时将,K,+,运入细胞。,61,62,基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了,化学变化,（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。,基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输。,4.,基团转位,(Group translocation),63,在酶,的作用下,HPr,被激活,在酶,的作用下,P-HPr,将磷酸转移给糖,64,运送机制,:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统.,运送步骤:,1.热稳载体蛋白(,HPr),的激活,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,PEP+HPr,丙酮酸+,P-HPr,HPr,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。,65,2、糖被磷酸化后运入膜内,膜外环境中的糖先与外膜表面的酶,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,的作用将,糖-磷酸,释放到细胞内。,酶,P-HPr+,糖 糖-,P+HPr,酶,是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶,。,66,基团移位,模式图,细胞膜外,细胞膜内,S,S,S,S,细胞膜,Enz2c,Enz2b,Enz2c,Enz2a,S,S,HPr,P,P,HPr,Enz1+,PEP,丙酮酸,67,四种运输营养物质方式的比较,比较项目,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团转位,特异载体蛋白,运输速度,物质运输方向,胞内外浓度,运输分子,能量消耗,运输后物质的结构,载体饱和效应,与溶质类似物,运送抑制剂,运送对象举例,无,慢,由浓至稀,相等,无特异性,不需要,不变,无,无竞争性,无,H,2,O,、,CO,2,、,O,2,、甘油、乙醇、盐类,有,快,由浓至稀,相等,特异性,不需要,不变,有,有竞争性,有,SO,4,2-,、,PO,4,3-,、糖,有,快,由稀至浓,胞内浓度高,特异性,需要,不变,有,有竞争性,有,氨基酸、乳糖等糖类，,Na,+,、,Ca,2+,等无机粒子,有,快,由稀至浓,胞内浓度高,特异性,需要,改变,有,有竞争性,有,葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸,68,培养基,(medium):,是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。它是进行科学研究，发酵生产微生物制品等的基础。,第五节 培养基,(medium),69,定义：,应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。,特点：,任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。,用途：,促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品,70,一、选用和设计培养基的原则和方法,（一）培养基组分应适合微生物的营养特点,（目的明确）,（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）,（三）物理化学条件适宜（理化适宜）,（四）根据培养目的选择原料及其来源,（经济节约）,71,（一）培养基组分应适合微生物的营养特点,即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。,不同,营养类型,的微生物，其对营养物的需求差异很大。如,自养型,微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。,按微生物的主要,类群,来说，它们所需要的培养基成分也不同：,细菌：牛肉膏蛋白胨培养基,LB,(Luria-Bertani),放线菌：高氏一号培养基,真菌：查氏合成培养基,PDA,(Potato-Dextrose-Agar),酵母菌：,麦芽汁、豆芽汁,当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用,生长谱,法进行测定。,72,（二）营养物的浓度与比例应恰当,浓度过高,微生物的生长起抑制作用，,浓度过小,不能满足微生物生长的需要。,碳氮比（,C/N,）,直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例,各种金属离子间的比例,碳源中的碳原子的,mol,数,氮源中所含的氮原子的,mol,数,C/N,比值,=,例：谷氨酸生产中,C/N,4/1,时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；,C/N,3/1,时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。,73,（三）物理化学条件适宜,（,1,）,pH:,各类微生物的最适生长,pH,值各不相同,：,细 菌：,7.08.0,放线菌：,7.58.5,酵母菌：,3.86.0,霉 菌：,4.05.8,在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始,pH,值会发生改变，为了维持培养基,pH,值的相对恒定，通常采用下列两种方式：,内源调节：,在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。,外源调节：,按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液,74,磷酸缓冲液：,pH,值从,6.07.6,之间,K,2,HPO,4,+HCl KH,2,PO,4,+KCl,KH,2,PO,4,+KOH K,2,HPO,4,+H,2,O,加入,CaCO,3,：,CO,3,2,HCO,3,H,2,CO,3,CO,2,+H,2,O,+H,+,H,+H,+,H,培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。,75,（,2,）渗透压和,a,w,渗透压,等渗溶液适宜微生物生长,高渗溶液细胞发生质壁分离,低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂,大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如,Staphylococcus aureus,则能在,3mol/L NaCl,的高渗溶液中生长。能在高盐环境（,2.86.2/L NaCl,）生长的微生物常被称为,嗜盐微生物（,Halophiles,）,。,76,smosis,flows towards high salt concentrations,77,微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的,水活度值（,water activity,w,）,表示。所谓,w,就是水的有效浓度。,定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部,蒸气相中,水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，,即：,w,=/o,表示溶液的蒸汽压,o,表示纯水的蒸汽压,在,w,为,0.60-0.99,的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对,w,的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其,生长的最适,w,亦不同。,78,表,4-7,几类微生物生长最适,w,微生物,w,一般细菌,0.91,酵母菌,0.88,霉菌,0.80,噬盐细菌,0.70,噬盐真菌,0.65,嗜高渗酵母,0.60,为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用,相对湿度（,RH),的概念（,w,100=RH,）；通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。,79,80,（,3,）,氧化还原电势,(redox poyential),是度量某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。,各种微生物对培养基的氧化还原电势的,要求：,好氧微生物：,+0.3+0.4V,(,在,0.1V,以上的环境中均能生长,).,厌氧微生物：只能在,+0.1V,以下生长,兼性厌氧微生物：,+0.1V,以上呼吸、,+0.1V,以下发酵,培养基是多,氧化还原偶,的复杂电化学系统，测出的,E,h,值仅代表其综合结果。,对微生物影响最大的是：,分子氧和分子氢的浓度,培养基中常用的还原剂：,巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,81,配制培养基时，应尽量考虑利用价廉并且易于获得的原料作为培养基的成分，特别是在工业发酵中，培养基用量很大，更应该考虑到这一点，以便降低产品成本。,1.,以粗代精,2.,以野代家,3.,以废代好,4.,以简代繁,5.,以氮代朊,6.,以纤代糖,7.,以烃代粮,8.,以国代进,4.,经济节约,82,根据培养基的应用目的选择原料及其来源,该培养基的应用目的：,是培养菌体还是积累代谢产物？,是实验室种子培养还是大规模发酵？,代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？,用于,培养菌体种子,的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；,用于大量生产,代谢产物,的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是,次级代谢产物,时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；,当所设计的是,大规模发酵,用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉 的原料，提倡以粗代精，以废代好。,83,1.,生态模拟,调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料,初级天然培养基,.,2.,查阅文献,查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方,.,3.,精心设计,借助优选法或,正交试验设计,法等方法,.,二、设计培养基的方法,84,85,86,87,88,89,90,91,92,4,、实验比 较,：,不同培养基配方的选择比较,单种成分来源和数量的比较,几种成分浓度比例调配的比较,小型试验放大到大型生产条件的比较,pH,和温度试验,附,1,：,配置培养基时应注意的几个问题及解决方法：,1,、沉淀,2,、胶体强度的破坏,3,、褐色物质的形成,4,、,pH,发生变化,93,三、培养基的类型及其应用,1.,根据所培养微生物的微生物类群来分,细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基,2.,根据培养目的来分,种子培养基,(seed culture medium),是为保证发酵生产获得大量优质种子而设计的培养基，特点是营养较丰富，氮源比例较高。有时为使菌种能迅速适应后面的发酵条件，还有意识地加入发酵培养基的基质。,发酵培养基,(fermentation medium),用于生产预定发酵产物，一般以碳为主要元素，碳源含量往往高于种子培养基。大规模生产时，原料应价廉易得，还应有利于下游的分离提取。,94,-1,细菌培养基,营养肉汤（,nutrient broth),：,牛肉膏,3g,；蛋白胨,5g,；水,1000ml,；,pH 7.27.4,放线菌培养基,高氏,1,号：,可溶性淀粉,20g,；,KNO,3,1g;K,2,HPO,4,1g,；,MgSO,4,0.5g,；,NaCl 1g;FeSO,4,7H,2,O 0.5g,；水,1000ml;pH 7.27.4,霉菌培养基,查氏（,zapek),培养基：,蔗糖,30g;KCl 0.5g;MgSO,4,.H,2,O 0.5g;FeSO,4,0.5g,；,水,1000ml;K,2,HPO,4,1g;NaNO,3,3g;pH 6.7,酵母菌培养基,麦芽汁培养基,95,味精生产菌北京棒状杆菌,AS1299,的一级种子,（用摇床培养）,培养基配方：,葡萄糖,3%,玉米浆,2.53.5%,尿素,0.30.5%,K,2,HPO,4,0.10.2%,MgSO,4,0.05%,二级种子（,1200,升发酵罐）培养基配方,：,以水解糖,3%,代替葡萄糖,3%,，其他成分相同。,96,天然培养基,(complex medium),：也称作,chemically undefined medium,。,利用,化学成分还不完全清楚或不恒定,的天然物质，（如肉汤、蛋白胨、麦芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米粉、牛奶、血清等）制成的培养基，天然培养基比较经济，除实验室经常使用外，更适宜于在生产上用来大规模地培养微生物和生产微生物产品。,（一）按对培养基成分的了解程度来分,97,合成（组合）培养基,(synthetic medium),：,也称作,chemically defined medium,。,由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，该类培养基的,组成成分精确、清楚,，重复性强，但微生物生长较慢，且价格昂贵，故一般适于在实验室范围内他有关研生物营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传分析等方面的研究工作。如高氏培养基、察氏培养基等。,半组合培养基,(semi-defined medium),：,在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要。如马铃薯蔗糖培养基。,98,液体培养基,(liquid medium),：,液体培养基不含任何凝固剂，菌体与培养基充分接触，操作方便，常用于大规模的工业生产以及在实验室进行微生物生理代谢等基本理论的研究工作。可据培养后的浊度判断微生物的生长程度。,（二）按制备后培养基外观的物理状态来分,99,固体培养基,(solid medium),：,天然固体营养基质制成的培养基，或液体培养基中加入一定量凝固剂（琼脂,1.5,2,),而呈固体状态的培养基。为微生物的生长提供营养表面。常用于微生物的分离、纯化、计数等方面的研究。可依使用目的不同而制成斜面、平板等形式。,（,1,）固化培养基：,1,2,琼脂或,5,10,明胶,（,2,）非可逆性固化培养基：,血清培养基或无机硅胶培养基,（,3,）天然固态培养基,(4),滤膜：醋酸纤维薄膜,100,101,102,半固体培养基,(semi-solid medium),：,在液体培养基中加入,0.2-0.7,的琼脂构成的培养基。常用来观察细菌运动的特征，以进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验工作。,脱水培养基：,脱水商品培养基或预制干燥培养基。,103,1