第四章-微生物的营养.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,*,概述,同其它生物一样，微生物要合成细胞物质，获得生活能量和形成代谢产物，就必须从外界环境中吸取适当的营养物质。环境中存在的能满足微生物生长、繁殖和进行各种生理活动需要的物质称为营养物质。微生物摄取和利用营养物质的过程称为,营养。,营养为一切生命活动的起点。有了营养，微生物才能进行代谢、生长和繁殖，并为人类提供各种有益代谢产物。了解微生物的营养原理，是研究和利用微生物的必要基础，对合理选择和设计符合微生物生理要求并有利于生产应用的培养基有重要意义。,营养物质的确定，主要依据组成细胞的化学成分以及我们所需要的代谢产物的化学组成。分析微生物细胞的化学组成，是了解微生物营养的基础。,一、微生物细胞的元素组成,微生物细胞的化学元素组成与高等生物相同，包括碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁、锰、铜、钴、锌、钼等化学元素。以水、有机物和无机盐的形式存在。,1.,水分 水是微生物及一切生物细胞中含量最多的成分。微生物细胞的含水量随种类和生长期而异。通常情况下,，,细菌含水量为细胞鲜重的,75%,85%,，酵母菌为,70%,85%,，丝状真菌为,85%,90%,，细菌芽孢和霉菌孢子的含水量约为,40%,。,作用,元素 细菌 酵母 菌霉菌,C 50.4 49.8 47.9H 6.7 6.7 6.7O 30.5 31.1 40.2N 12.3 12.4 5.2,C:N 4,5:1 4,5:1 9,10:1,微生物细胞中主要元素含量,(,占干重,%),二、微生物的营养物质 微生物的营养要素包括水、碳源、氮源、能源、生长因子和无机盐。微生物的六大营养。,1.,水 水是一切生物生存的基本条件。水是许多营养物质的溶剂，营养物质进入细胞和代谢废物排出细胞均以水为媒介。水能维持生物大分子结构稳定和酶活性。细胞内的一切生化反应均在水介质系统中进行。水的比热高，又是热的良导体，能有效地吸收代谢过程中产 生的热量，使细胞温度不致于骤然升高，能有效调节细胞内的温度。微生物细胞内的水分有游离态和结合态两种形式，两者的生理功能不同。,2.,碳源,凡能提供微生物营养所需碳元素,(,碳架,),的营养物质称为碳源。,碳素是构成菌体成分的主要元素，又是产生各种代谢产物和细胞内贮藏物质的重要原料。,碳源分为无机碳源和有机碳源。常用的碳源物质有糖类,(,单糖、寡糖和多糖,),、有机酸、醇、脂类、烃类及芳香族化合物等。其中糖类是利用最广泛的碳源，其次为醇类、有机酸和脂类。异养微生物的碳源同时充作能源，即碳源物质同时提供碳素和能量。,异养微生物和自养微生物,类 型,构成元素,化合物,培养基原料,有机碳,C.H.O.N.XC.H.O.NC.H.OC.H,复杂蛋白质,核酸等多数氨基酸,简单蛋白质糖,醇,有机酸,脂类烃类,牛肉膏,蛋白胨,花生饼粉等氨基酸,明胶葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜等天然气,石油,石蜡等,无机碳,C.OC.O.X,CO2NaHCO3,CaCO3,等,CO2NaHCO3,CaCO3,等,微生物的碳源,3.,氮源,凡能提供微生物生长繁殖所需氮素的营养物质，称为氮源。,微生物能利用的氮源种类十分广泛，从,N2,、无机氮化物到复杂的有机氮化合物均能在不同程度上为微生物利用。,固氮微生物，能以空气中的分子态氮,(N2),为唯一氮源。氨基酸自养型，能以无机氮,(,铵盐、硝酸盐和尿素等,),为唯一氮源，合成氨基酸，进而转化为蛋白质及其它含氮有机物。这是数量最大，种类最多的一个类群。氨基酸异养型，不能合成某些必需的氨基酸，必须从外源提供这些氨基酸才能生长。,速效氮源和迟效氮源,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.ON,NH3,NH4+,等,NO3-1N2,(NH4)2SO4,NH4NO3,等,KNO3,等空气,微生物的氮源,4.,能源,为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能称为能源。,化能自养微生物的能源都是一些还原态无机物质。如,NH3,、,NH4+,、,NO3-,、,S,、,H2S,、,H2,和,Fe2+,等。能利用这些物质的微生物均为细菌，如硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。有些要素或物质仅有一种功能，有些则具有多种功能。,5.,矿质养分,矿质元素是微生物生命活动不可缺少的物质,微生物细胞中的矿质元素约占细胞干重的,3%,10%,。其主要功能：构成微生物的细胞结构；酶活性基的组成分和酶的激活剂；调节细胞渗透压、,pH,值和氧化还原电位；化能自养菌的能源,(S,、,Fe2+,等,),。,根据微生物对矿质元素需要量的大小将其分为两类，需要浓度在,10,-3,10,-4,mo1/L,范围内的元素称为大量元素，包括,P,、,S,、,K,、,Na,、,Ca,、,Mg,、,Fe,；需要浓度为,10,-6,10,-8,mo1/L,范围内的元素，称为微量元素，包括,Cu,、,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,、,B,等,10,种。,微生物虽然需要多种微量元素，自来水和其它营养物质中以杂质形态存在的数量已能满足微生物生长需要，过量加入会造成毒害。,磷 微生物细胞中磷含量较高，一部分磷构成核酸和磷脂，其它磷是,ATP,系统和各种辅酶的重要组分。微生物对磷的需要量较高，适宜浓度一般为,0.005,0.01mol/L,。培养基中的磷是通过加入无机磷酸盐,K2HPO4,、,KH2PO4,和,NaH2PO4,等提供的。,硫 硫存在于细胞内的蛋白质中，是含硫氨基酸,(,半胱氨酸、胱氨酸及甲硫氨酸,),的组成分。一些酶的活性基,(,辅酶,A,、谷胱甘肽、生物素及硫辛酸,),都含有巯基,(SH),。微生物主要从含硫的无机盐或含硫的有机物中得到硫。大多数微生物利用无机硫化物作硫源，常用,MgSO4,等向培养基中添加硫。,镁 是细菌叶绿素的组成元素和多种酶的激活剂。同时在细胞结构如核糖体、细胞膜的稳定性上起作用。镁常用,MgSO4,或其他镁盐提供，其浓度约为,0.001mol/L,。,钾和钠 钾不参与细胞结构成分。钾是多种酶的激活剂，还对细胞内原生质的胶体状态和细胞膜透性起调控作用。钠主要参与细胞渗透压的调节。海洋和嗜盐微生物细胞内含有较高浓度的钠离子。钾是细胞中的主要无机阳离子。培养基中常用,K2HPO4,、,KNO3,等钾盐提供钾素，适宜浓度为,0.001,0.004mol/L,。,钙 不参与微生物细胞结构物质的组成，以离子状态控制着细胞的生理状态，如降低细胞质膜透性，调节酸度等。对淀粉酶及蛋白酶等胞外酶活性的稳定有重要影响。是芽孢内含量较高的元素。各种水溶性钙盐通常是微生物的钙素来源。,铁 铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活性基及铁卟啉的组成部分。,微量元素,微生物需要量很少但又不可缺少的矿质元素称为微量元素。主要包括铜、钼、钴、锌、锰、钒等元素。微量元素是许多酶和维生素的组成部分。,6.,生长因子,生长因子定义,(growth factor),生长因子主要包括维生素、氨基酸和碱基,(,嘧啶和嘌呤,)生长因子不提供能量，也不参与细胞结构组成，它们大多为酶的组成分，与微生物代谢有着密切关系。,生长因子虽是一种重要的营养要素，但它与碳源、氮源和能源物质不同，并非所有微生物都需从外界吸收，有些微生物可以自身合成。按微生物与生长因子间的关系将微生物分为,3,种类型：一是生长因子自养型微生物，能自身合成各种生长素，不需外界供给。通常把这种不需生长素而能在基础培养基上生长的菌株称为野生型或原养型菌株。多数真菌、放线菌和部分细菌属于这种类型。,二是生长因子异养型微生物，它们自身缺乏合成一种或多种生长素的能力，需外源提供所需生长素才能生长。通常将由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要特定生长素才能生长的菌株称为营养缺陷型,(auxotroph),菌。乳酸菌、各种动物病原菌和支原体等属于生长因子异养型微生物。,三是生长因子过量合成微生物，它们在代谢活动中向细胞外分泌大量的维生素等生长因子，可用于维生素的生产。如阿舒假囊酵母,(Eremotheciumashbya),的维生素,B2,产量可达,2.5g/L,发酵液。,三、微生物的营养类型,以能源分,1.,光能营养型,2.,化能营养型,以供氢体分,1.,无机营养型,2.,有机营养型,以碳源分,1.,自养型,2.,异样型,以合成氨基酸能力分,1.,氨基酸自养,2.,氨基酸异样,以生长因子分,1.,原养型,2.,营养缺陷型,以摄食方式分,1.渗透营养型,2.,吞噬营养型,以摄取死活有机物分,1.,寄生,2.,腐生,微生物营养类型分类,营养类型,能源,氢供体,主要碳源,实例,光能无机营养型,(,光能自养型,),光能有机营养型,(,光能异养型,),化能无机营养型,(,化能自养型,),化能有机营养型,(,化能异养型,),光光无机物*有机物,无机物有机物无机物有机物,CO2CO2,及简单有机物,CO2,有机物,蓝细菌,藻类红螺菌科细菌硝化细菌,硫化细菌,铁细菌,氢细菌,硫黄细菌绝大多数细菌,全部真核微生物,*,NH4+,NO21-,S,H2S,H2,及,Fe2+,等,微生物的营养类型,光能自养型，是一类具有光合色素、能利用光能并以水或还原态无机物为供氢体同化,CO2,的微生物。藻类、蓝细菌和光合细菌属于这种类型。,光能异养型,能利用光能、以简单有机物,(,有机酸、醇等,),为供氢体同化,CO2,的微生物类群称为光能有机 营养型。,化能自养型微生物能通过氧化无机物获得能量并能以,CO2,为主要或唯一碳源的微生物。,化能异养型，凡以有机物为碳源、能源和供氢体的微生物。该类型包括的微生物种类最多，作用也最强。已知的绝大多数细菌、放线菌、全部真菌和原生动物均属于此类型。,第二节 营养物质进入细胞的方式,细胞壁是环境中营养物质进入细胞的屏障之一。普通细胞壁的网状结构允许分子量低于,800,道尔顿的小分子物质自由出入，但能阻挡高分子物质进入。所以复杂的高分子化合物如多糖、蛋白质、纤维素和果胶等在进入微生物细胞之前必须先经过胞外酶的初步分解后才能进入。胞外酶多为适应性,(,诱导,),酶。,常见的胞外酶主要有：淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、几丁质 酶、蛋白酶、核酸酶与脂酶等。,细胞质膜为半透膜，由磷脂双分子层和嵌合蛋白分子组成，是控制营养物质进入和代谢产物 排泄出细胞的主要屏障，具有选择性吸收功能，是细胞内外物质交换的主要界面。通常认为,，,营养物质通过质膜的方式有,4,种：单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转移，其中主动运输最为重要。,一、单纯扩散,也称被动扩散，它是由于细胞质膜内外营养物质的浓度差而产生的物理扩散作用。扩散是非特异性的。扩散速度取决于营养物的浓度差、分子大小、溶解性、极性、,pH,、离子强度和温度等因素。营养物的扩散将使细胞内外的浓度差不断减小，直至两者相等并达到动态平衡。,单纯扩散不需膜上载体蛋白参与，也不消耗能量，因此它不能逆浓度梯度运输养料，运输速度，运输的养料种类也十分有限。能以单纯扩散方式进入细胞的物质主要有水、溶于水的气和小的极性分子,(,如尿素、甘油、乙醇等,),。,是营养物质由高浓度的细胞外环境向的浓度的细胞内扩散。单纯扩散不是细胞吸收营养物质的主要方式，因为细胞不能通过这种方式选择必须的营养物质。,二、促进扩散,(Facilitated Diffusion),养料通过与细胞质膜上透过酶,(Permease,或称载体蛋白,),的可逆性结合从高浓度环境进入低浓度环境的传递过程称为促进扩散。透过酶的参与加快了养料的运输速度。透过酶多为诱导酶。只有在环境中存在某种养分时才诱导合成相应的透过酶。促进扩散的动力仍然是养料在细胞质 膜 内外的浓度差，不消耗能量。,三、主动运输,(Ative Transport),微生物吸收营养物质的主要机制。在代谢能的推动下，通过质膜上的特殊载体蛋白逆浓度梯度吸收营养物质的过程称为主动运输。其特点是：特异性，即养料与载体蛋白间存在着专一对应的关系；消耗能量；逆浓度梯度运输；能改变养料运输反应的平衡点。主动运输是微生物在自然界稀薄的营养环境中获得营养物，正常生存的重要原因之一。无机离子、有机离子和一些糖类,(,乳糖、蜜二糖及葡萄糖,),通过主动运输进入细胞。,四、基团转移,(Group Translocation),基团转移是一种需要特异性载体蛋白和消耗能量的运输方式，但养料在运输前后分子结构发 生改变，因而不同于主动运输。基团转移主要用于葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁酸和嘌呤等物质。目前仅在原核生物中发现该过程。基团转移运输是通过磷酸转移酶系统,(PTS,，即磷酸烯醇式丙酮酸,已糖磷酸转移酶系统,),完成的。其过程,(,以葡萄糖为例,),为：,1.,热稳定载体蛋白,(HPr),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,HPr+PEP,P-HPr+,丙酮酸,HPr,是一种热稳定的低分子量可溶蛋白，结合在细胞质膜上，具有高能磷酸载体的作用。酶,是一种可溶性蛋白，分布于细胞质内。,2.,糖被磷酸化后进入质膜内,膜外环境中的糖先与外膜表面的酶,结合，再转运至内膜表面。这时，糖被,PHPr,上的磷酸激活，通过酶,作用将糖,磷酸释放到细胞内。酶,糖,(,细胞外,)+P-HPr,糖,-P(,细胞内,)+HPr,酶,是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物有特异性选择作用。细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相适应的酶,。,培养基含有微生物所需的,6,大营养要素,(,水分、碳源、氮源、能源、矿质元素和生长素),和适宜的,pH,、渗透压及氧化还原电位等。设计和制作培养基是研究微生物生命活动规律和利用微生物进行工业发酵生产必须的重要基础工作。培养基成分与配比合适与否，对微生物生长发育、物质代谢、发酵产物积累和生产工艺都有很大影响,。,第三节 培养基,定义：培养基是人工配置的适合不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的混合营养物质。,一、培养基配制的原则,1.,根据微生物的营养需要配制培养基,2.,各种营养成分比例协调,3.,最适的物理化学条件（,pH,值和渗透压）,4.,经济原则,二、培养基的种类,1.,按来源分,a.,天然培养基,b.,组合培养基,c.,半组合培养基,2.,按培养基外观的物理状态分,a固体培养基,b.,半固体培养基,c.,液体培养基,3.,按功能分,a.,基础培养基,b.,富集培养基,c.,选择培养基,d.,鉴别培养基,1.,按培养基成分来源区分,合成培养基,用化学试剂配制的营养基质称为合成培养基。,特点是化学成分和含量完全清楚且固定不变，适于微生物生长繁殖。其优点是成分清楚、精确、固定，重现性强，适用于进行营养、代谢、生理生化、遗传育种及菌种鉴定等精细研究。,其缺点是一般微生物在合成培养基上生长缓慢，许多营养要求复杂的异养型微生物在合成培养基上不能生长。,天然培养基,用各种天然有机物制作的成分含量不完全清楚且变化不定的营养基质称为天然培养基。,优点的是取材广泛，营养丰富，经济简便，微生物生长迅速，适合各种异养微生物生长。,缺点是其成分不完全清楚，成分和含量不确定，用于精细实验时重复性差。仅适用于实验室的一般粗放性实验和工业生产中制作种子和发酵培养基。,半合成培养基,用天然有机物提供碳、氮源和生长素，用化学试剂补充无机盐配制的营养基质称为半合成培养基。,特点,:,该培养基能充分满足微生物的营养要求，大多数微生物都能在此类培养基上良好生长。,2.,按培养基的物理状态区分,固体培养基,(Solid Medium),外观呈固体状态的培养基称为固体培养基。,该类培养基在微生物学实验中有着极为广泛的用途。琼脂和明胶的用量分别为,1.5%,2.0%,和,5%,12%,。常用凝固剂为琼脂。琼脂又名洋菜，是从石花菜中提炼出来的，化学成分为多聚半乳糖硫酸酯，绝大多数微生物不能利用琼脂作 碳源。明胶的化学成分为蛋白质，易被微生物用作氮源，融化温度偏低,(25),，凝固效果不及琼脂，在大多数实验中已被琼脂取代。,液体培养基,呈液体状态的培养基称为液体培养基。它在微生物学实验和生产中应用广泛。实验室中主要用于生理代谢研究及获得大量菌体；工业发酵多采用液体培养基。不加琼脂。,半固体培养基,凝固剂含量较低，静止时呈固态，剧烈振荡后呈流体态的营养基质称为半固体培养基。该培养基的琼脂加入量约为,0.5%,。半固体培养基常用于细菌运动性观察及微生物的趋化性研究等。,3.,按培养基用途区分,基础培养基,(Minimum Medium),按照营养要求相似微生物的共同营养要求配制的使用前加入少数几种特殊成分就能满足某一具体微生物生长需要的营养基质称为基础培养基。,例如，培养细菌营养缺陷型菌株用的基础培养基为：,K2HPO3 30g KH2PO4 10g NH4NO3 10mg Na2SO4 1g MgSO47H2O 10mg MnSO44H2O 10mg FeSO47H2O 10mg CaCl 25mg,水,1000mg,配好后置冰箱中备用。使用时，把基础培养基稀释,10,倍，加入,1%,葡萄糖，然后依据该菌的营养缺陷型加入一定量,(,如,50mg/L),所缺陷的生长素，调pH,，杀菌使用。这类培养基主要用于微生物的代谢和育种研究。,富集培养基,(Enrichment Medium),又称增殖培养基，加富培养基。根据待分离微生物的特殊营养要求配制的适合该类微生物快速生长而不利于其它微生物生长的营养基质。一般是在普通培养基中加入特殊的营养物质，使某种微生物能在其中生长得比其它微生物更快，以逐渐淘汰掉其它微生物。,常用于菌种筛选工作。例如纤维素酶生产菌筛选用的增殖培养基为：,K2HPO4 2g NH4)2SO4 1.4g MgSO47H2O 0.3g CaCl2 0.3g MnSO4 1.6mg FeSO47H2O 5mg ZnCl2 1.7mg CoCl2 2mg,琼脂,20g,纤维素粉,20g,水,1000ml pH 5.0,在上述培养基中，纤维素粉为唯一碳源，不能用纤维素作碳源的微生物就不能在其上生长。,选择培养基,利用分离对象对某些化学物质的抗性或生理特长设计的能抑制或限制其它微生物生长而使分离对象正常生长的营养基质称为选择性培养基。,向培养基中加入抑制剂后，分离对象因对该抑制剂有抗性正常生长繁殖，其它杂菌均被抑制，即通过“取其所抗”的方法达到选择的目的。阿须贝培基则是一种按照“取其所长”原则设计的选择性培养基。它含有除氮素外的各种要素，只有能固定空气中,N2,的微生物才能在该培养基上生长。,有的选择培养基是含有抑菌剂或杀菌剂，所加入的抑菌、杀菌剂无营养功能。富集培养基也能达到选择的目的，但加入的却是特殊的营养物质，通过“投其所好”促进分离对象快速增长，达到选择分离的目的。,选择对象,抑制剂及其用量,(g/ml),抑制对象,细菌,四环素,(200),四环素,(100),放线菌酮,(20),放线菌酮,(50),放线菌酮,(100),放线菌酮,(200),真菌素,(Cabicidin)(100),黑曲霉，酵母酱油曲霉，根霉酵母 酱油曲霉根霉黑根霉酱油曲霉，酵母,G+,细菌,多粘菌素,B(5),G-,细菌,G-,细菌,青霉素,(1),G+,细菌,乳酸菌,山梨酸,(0.2%,，,pH6),叠氮化纳,(Na3N)(0.005%,，,pH7),真菌素,(20),芽孢杆菌曲霉酵母,肠道细菌,胆汁酸,(1.5,5mg/mi),G+,细菌,微球菌,山梨酸,(0.2%),芽孢杆菌,放线菌,放线菌酮,(50),，制霉菌素,(50),，丙酸钠,(4mg/ml),霉菌,酵母,丙酸钠,(0.2%),丙酸钠,(0.1%,0.15%)CuSO45H2O(0.05%,，,pH3.8),四环素,(50),，氯霉素,(20),，链霉素,(20,100),，青霉素,(50),，金霉素,(100),，真菌素,(200),曲霉，根霉，杆菌 青霉，微球菌，醋酸菌乳酸菌，乳链球菌 细菌,霉菌,氯霉素,(100),青霉素,(20),，链霉素,(40),，青霉素,(100),，氯霉素,(50)+,放线菌酮,(10),细菌,细菌，酵母,选择性培养基的抑制剂,鉴别培养基,利用微生物代谢产物与指示剂的显色反应快速鉴别不同微生物的营养基质为鉴别培养基。,鉴别培养基中含有能与某一无色代谢产物发生显色反应的指示剂，使待鉴别微生物菌落产生特定的颜色，以便与外形相似的其它菌落区分开。,