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第四章 微生物的营养

第四章 微生物的营养. 主讲人：刘石泉. 4.1. 4.2. 4.3. 微生物的营养要求. 培养基. 营养物质如何进入细胞. 主要内容：. 4.1.1 微生物细胞的化学组成 4.1.2 营养物质及其生理功能 4.1.3 微生物的营养类型 (nutritional types). 4.2.1 选用和设计培养基的原则和方法 4.2.2 培养基的类型及应用. 4.3.1 扩散 (diffusion) 4.3.2 促进扩散 (facilitated diffusion) 4.3.3 主动运输 (active transport)

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第四章 微生物的营养

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Presentation Transcript

  1. 第四章 微生物的营养 主讲人：刘石泉

  2. 4.1 4.2 4.3 微生物的营养要求 培养基 营养物质如何进入细胞 主要内容： 4.1.1 微生物细胞的化学组成 4.1.2 营养物质及其生理功能 4.1.3 微生物的营养类型(nutritional types) 4.2.1 选用和设计培养基的原则和方法 4.2.2 培养基的类型及应用 4.3.1 扩散(diffusion) 4.3.2 促进扩散(facilitated diffusion) 4.3.3 主动运输(active transport) 4.3.4 膜泡运输(memberane vesicle transport）

  3. 营养的概念 微生物营养主要阐明营养物质在生命活动中的生理功能及微生物细胞从外界环境摄取营养物的具体机制。 营养物质：满足机体生长、繁殖和生理活动的物质； 营养：获取和利用营养物质的过程。

  4. 微生物的营养物特点及功能 广谱：微生物的营养物很广，包括非常规物质形式的光辐射能等 营养物的功能 供物：提供置换与增生细胞的结构物质； 供能：供应生命活动的能量； 调节：提供各种代谢调节物；确保良好的生理环境等。

  5. 研究微生物营养的重要性 研究的基础 ：是开发和研究微生物的基础； 设计的依据：筛选微生物的理论依据； 实践的必须：为生产实践提供经济、节约和高效益的应用培养基。

  6. 4.1 微生物的营养要求 4.1.1 微生物细胞的化学组成 4.1.2 营养物质及其生理功能 4.1.3 微生物的营养类型(nutritional types)

  7. 4.1.1 微生物细胞的化学组成 主要元素：C、H、O、N、S、P (97％) 化学元素 微量元素: Zn、Mn、Na、Cl、Co、Cu 化学元素比例因菌种、培养条件等有所不同，如： 幼龄菌含N高，硫细菌较多S，铁细菌较多Fe，等。

  8. 化学成分及其分析 化学元素组成：有机物、无机物和水（70％－90％） 有机物分析: 1）化学法直接抽提，定性定量分析； 2）破碎细胞得亚显微结构，再分析。

  9. 无机物分析 无机物指与有机物结合或单独存在的无机盐等物质； 分析： 干细胞高温炉（550℃）焚烧得到的灰分，分析其中各种无机元素含量。 水分：细胞表面水分吸干后的重量为湿重；采用低温真空干燥、红外快速烘干方法烘干至恒重为干重。

  10. 三大类微生物细胞中各种成分的含量(%干重) 成分 细菌 酵母菌 真菌 碳 48(46~52) 48(46~52) 48(45~55) 氮 12.5(10~14) 7.5(6~8.5) 6(4~7) 蛋白质 55(50~60) 40(35~45) 32(25~40) 糖类 9(6~15) 38(30~45) 49(40~55) 脂类 7(5~10) 8(5~10) 8(5~10) 核酸 22*(15~25) 8(5~10) 5(2~8) 灰分 6(4~10) 6(4~10) 6(4~10) 磷 1.0~2.5 硫、镁 0.3~1.0 钾、钙 0.1~0.5 钠、铁 0.01~0.1 锌、铜、锰 0.001~0.01 *只有用快速增长的细胞进行分析才可获取这一高值

  11. 原核微生物细胞的化学成分 分子名称 所占干重 % 所含分子数/细胞 种类 1.水 1 2.大分子总值 96 24609802 ~2500 蛋白质 55 2350000 ~1850 多糖 5 4300 脂类 9.1 22000000 DNA 3.1 2.1 RNA 20.5 255500 ~600 3.单体总值 3.5 ~350 氨基酸及前体 0.5 ~100 糖类及前体 2 ~50 核苷酸及其前体 0.5 ~200 4.无机离子 1 18

  12. 碳源 Carbon source 氮源 Nitrogen source 无机盐 Mineral source 生长因子 Growth source 水 Water 4.1.2 营养物质及其生理功能

  13. 1. 碳源（carbon source） 碳源（carbon source）凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为～。 碳源物质的功能： 构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）；

  14. 微生物的碳源谱

  15. 微生物利用碳源的特点 异养微生物：必须利用有机碳源的微生物； 自养微生物：凡以无机碳源作主要碳源的微生物。 不同菌种利用碳源能力不同，如：假单孢菌属中的一些能利用90多种碳源；甲基营养型只利用甲醇、甲烷等一碳化合物为能源物质。 工业发酵常用糖蜜、淀粉、玉米粉等作为碳源。

  16. 2. 氮源（Source of nitrogen） 氮源（Source of nitrogen） ：为微生物生长繁殖等提供所需氮元素的营养物,是构成蛋白质与核酸的主要元素。 氮源物质的主要作用：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。

  17. 表4—2 微生物的氮源谱

  18. 实验室常用的氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。实验室常用的氮源：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：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。

  19. 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，这种氮源叫～。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，这种氮源叫～。 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，这种氮源叫做速效氮源。 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。

  20. 生理酸性盐：以(NH4)2SO4为氮源，NH4＋被吸收，会导致培养基pH下降；生理酸性盐：以(NH4)2SO4为氮源，NH4＋被吸收，会导致培养基pH下降； 生理碱性盐： KNO3为氮源，NO3－被吸收，会导致培养基pH上升。

  21. 3. 无机盐 （inorganic salt） 大量元素：凡生长所需浓度在 10-3~10-4mol/L 的元素；包括P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。 微量元素： 而生长所需浓度在 10-6~10-8mol/L 的元素；包括Cu、Zn、Mn、Mo和 Co等。 定义：为微生物提供除碳、氮以外的各种重要生物必需元素营养物的统称。 类 型

  22. 无机盐功能

  23. 无机盐的提供方式 大量元素： 加入有关化学试剂， 如K2HPO4及MgSO4等 微量元素：为一般化学试剂中含之及 天然成分中杂质等

  24. 4. 生长因子（growth factor） 生长因子：指那些微生物生长所必须而且需要量很少，自身不能合成或合成量不能满足机体生长需要的有机化合物。 分类：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶； 维生素－－辅酶 ； 缺乏合成某aa能力－－补充aa。如肠膜明串珠菌需17种 嘌呤和嘧啶－－辅酶及合成核苷等 。

  25. 维生素及其生功能 维生素类物质为微生物的狭义生长因子 维生素类 转移的对象 代 谢 功 能 B1硫胺素 乙醛基 脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基 B2核黄素 氢、电子 FMN和FAD的前体等 B5烟酸 氢、电子 NAD和NADP的前体等 B6吡哆醇 氨基 转氨、脱羧酶辅基等 B12维生素 羧基、甲基 钴酰胺辅酶,参与一碳基传递等 泛酸 酰基 辅酶A的前体等 叶酸 甲基 参与一碳基转递等 生物素(H) 羧基 羧化酶的辅基,CO2固定中作用

  26. 生长因子提供 在配制培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料，以保证微生物对它们的需要，如酵母膏、玉米浆、肝浸汁、麦芽汁或新鲜动、植物组织液等。

  27. 5. 水 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）溶剂和运输介质，营养物质吸收及代谢物分泌 ; 2）参与细胞内的生化反应; 3）维持Pr、核酸稳定天然构象; 4）热的良好导体，控制细胞内温度变化; 5）维持细胞自身正常形态; 6）控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离.

  28. 水活度值（αw）：一定温度、压力下溶液蒸汽压力与同样条件下纯水压力比。 微生物一般在0.60～0.99生长， αw过低微生物生长的延缓期延长，比生长速率和总生长量减少。 一般细菌的比酵母和霉菌高，嗜盐菌较低0.76。

  29. 4.1.3 微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两类: 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 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; 植物和少部分微生物属于光能营养型生物。

  30. 微生物营养类型比较

  31. 光能 CO2＋H2S [CH2O]+2S+H2O 光合色素 光能自养型微生物 以CO 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，因而能使光能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。

  32. 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O 光合色素 光能异养型微生物 不能以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物（异丙醇）作为供氢体，利用光能将CO2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。 光能异养型细菌在生长时大多数需要外源的生长因子

  33. 化能自养型微生物 以CO2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CO2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。

  34. 化能异养型微生物 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。

  35. 微生物营养类型不是一成不变的，在一定条件下会转化的。如：紫色非硫细菌没有有机物时可以同化CO2，有机物 存在又是异养型。 营养缺陷型：突变后失去合成某种对该菌株必不可少的物质的能力，为～ 原养型：相应的野生型为～

  36. 4.2 培养基（culture medium） 4.2.1 选用和设计培养基的原则和方法 4.2.2 培养基的类型及应用

  37. 4.2.1 选用和设计培养基的原则和方法 培养基（culture medium） 是人工配制，适合微生物生 长繁殖或代谢产物积累的营养基质。它是进行科学研究，发酵生产微生物制品等的基础 。

  38. 1. 选择适宜的营养物质 首先考虑不同微生物营养需要，如：自养、异养 细菌一般用牛肉膏、蛋白胨培养基； 放线菌高氏1号合成培养基； 酵母菌麦芽汁培养基； 霉菌用查氏一号培养基；

  39. 2. 营养物质浓度及配比合适 浓度合适时，微生物才能生长良好；浓度过低，不能满足生长需求；糖、无机盐、金属离子浓度过高，会抑制菌的生长。

  40. 渗透压与等渗培养液 等渗培养液：微生物在等渗(胞内外溶质的渗透压相近) 培养液中生长繁殖最佳。 高渗溶液：在高渗(胞外溶质的渗透压 >胞内)溶液中 会使细菌等细胞发生质壁分离现象； 低渗溶液：在低渗(胞外溶质的渗透压<胞内)溶液中 会使细胞吸水膨胀、缺壁细胞会破裂。

  41. 微生物的最低水活度 aw 微生物生长繁殖aw范围广 0.6 ~0.998间 细菌： 一般为 aw 0.90--0.98 嗜盐菌 aw 0.75 酵母菌：高渗酵母 aw 0.61--0.65 霉菌： 一般为 aw 0.80--0.87 耐旱霉菌 aw 0.60--0.75

  42. 培养基的碳氮比（C/N） 严格定义：培养基中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。 广义所指：所配发酵培养液中主要含碳物原料量 与主要含氮物原料量之比。 总体上讲：作种子培养的发酵液其C/N较低 Glu发酵时C:N为4:1时菌体大量生长； 3:1时Glu大量积累。

  43. 各种原料物，即使是纯试剂，纯是相对的 其各自的含氮、碳原子的摩尔数差异很大。 五种常用 N H3 （82%） 氮源物的氮量： 尿 素（46%） 硝酸铵（35%） 碳酸铵（29%） 硫酸铵（21%）。 一般，真菌要C/N较高的培养基（似动物的“素食”）；而细菌则要C/N较低的培养基（似动物的“荤食”）；

  44. 3 pH 四大类微生物生长的 pH 范围 细菌： 为 7.0---8.0 放线菌：为 7.5---8.5 酵母菌：为 3.8---6.0 霉菌： 为 4.0---5.8 微碱性 偏酸性

  45. 纯培养中pH的调控法 内源调节:缓冲液或备用碱, 在配制培养基时加入. K2HPO4／KH2PO4缓冲体系：6.4-7.2； CaCO3； 外源调节:直接加酸或加碱来调节，培养液的pH值。

  46. 4. 氧还电位（Φ） 好氧生物Φ＋0.1V以上可以生长，一般0.3～0.4V适宜 厌氧在低于0.1V生长 兼性在0.1V以上好氧呼吸，低于0.1V发酵 通过控制通气量或加氧化剂增加Φ；加还原剂降低Φ，如抗坏血酸、谷胱甘肽等。

  47. 5. 原料来源 经济节约原则 以粗代精、 以野代家； 以废代好、 以简代繁； 以纤代糖、 以烃代粮； 以氮代朊、 以国代进。

  48. 6. 灭菌处理 培养基高压蒸汽1.05kg/cm2，121.3℃15～30‘； 不耐热的如：含G的0.56kg/cm2，112.6 ℃15～30’； 对糖要求较高的可用过滤除菌或间歇灭菌； 避免沉淀可加EDTA ，或进行分消。 培养基灭菌前后对pH调整； 泡沫中的空气层形成隔热层使菌难杀死，加消泡剂或延长灭菌时间

  49. 4.2.2 培养基的类型和应用 培养基的名目繁多，种类各异。 可按对培养基成分的了解程度、使用的功能、培养的对象及培养基的外观物理状态等分为若干类。

  50. 1. 按成分划分 天然培养基（complex medium） LB和麦芽汁培养基等，成本低，实验室和工业使用广 合成培养基（synthetic medium） 化学成分了解，如：高氏Ⅰ号和查氏培养基，重复性好、成本高、微生物在上面生长较慢，适于实验室进行营养需要、代谢、分类、菌种选育、遗传分析等 半合成培养基：在合成培养基中加入少量某一天然物质，以满足一些营养缺陷菌株的生长

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