第五章

微生物的營養編輯課件本章內容第一節微生物的化學組成和營養要求第四節培養基第三節營養物質進入細胞的方式第二節微生物的營養類型編輯課件—營養是生命活動的起點，是必需的物質根底。

微生物的營養過程為其生命活動提供了物質、能量、代謝調節物和必要的生理環境的保障。營養(nutrition)：生物體從外部環境中攝取生命活動必需的物質和能量，以滿足正常生長、繁殖和各種生理活動之所需。廣義地說，營養是微生物獲得和利用營養物的過程，是微生物維持和延續其生命形式的一種根本生理過程。營養物(nitrient)：具有營養功能的物質和能量〔指光能——對微生物來說〕編輯課件第一節微生物的營養要素1微生物菌體的化學組成——元素水平主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣等微量元素：鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅等占細胞干重的97%2微生物的營養要素按照營養物質在菌體中的生理作用的不同，可以將它們分成六大類：碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水編輯課件一碳源在微生物生長繁殖過程中，能為其提供碳素營養來源的物質稱碳源。即，是用來構建菌體物質中或代謝產物中的碳素骨架的營養物質。碳源譜有機碳C.H.O無機碳C.O,C.O.X異養微生物自養微生物從微生物的整體來看，可利用的碳源物質的范圍稱碳源譜。編輯課件對大多數異養菌來說，其最適碳源是“C.H.O〞型碳源，其中：糖類——最廣泛、最經濟酸醇脂類——次要糖類中：單糖>雙糖、多糖己糖>戊糖葡萄糖、果糖>半乳糖、甘露糖等淀粉>纖維素、幾丁質等一般不把含蛋白質、氨基酸的牛肉膏、蛋白胨等原料降格做碳源使用。目前在微生物發酵工業中所利用的碳源物質主要有單糖、蔗糖、淀粉、糖蜜、麩皮、米糠.編輯課件在微生物生長繁殖過程中，能為其提供氮素營養來源的物質稱氮源。即，是用來滿足菌體物質中或代謝產物中的氮素需要的營養物質。2.2氮源氮源譜｛有機氮N.C.H.O無機氮N.H,N.ONH3銨鹽〔NH4+〕硝酸鹽N2｛｛蛋白質核酸氨基酸尿素編輯課件一般而言，能利用有機氮的也以利用無機氮但是，能利用無機氮的不一定能利用有機氮。對大多數異養菌來說，其最適氮源是“N.C.H.O〞型或“N.C.H.O.X〞型氮源(有機氮源)，“N.H〞型氮源(無機氮源，如NH4+)次之。在論及微生物培養基成分時，最常用的有機氮源是牛肉膏、蛋白胨、酵母膏及餅粕粉〔黃豆餅、花生麩〕蠶蛹粉、魚粉等按對氨基酸的需要的不同，可將微生物生物分為：氨基酸自養型生物：不需要氨基酸做氮源，能利用尿素、銨鹽、硝酸鹽甚至氮氣等自行合成所需氨基酸的生物氨基酸異養型生物：需要從外界吸收現成的氨基酸做氮源才能滿足需要的編輯課件三能源能為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養物或輻射能，稱能源。能源譜｛化學物質輻射能｛化能異養微生物的能源有機物無機物化能自養微生物的能源光能自養和光能異養微生物的能源單功能營養物：如光能多功能營養物：如銨鹽、氨基酸等編輯課件四生長因子微生物生長所必需的、但其自身不能合成或合成量缺乏以滿足機體生長需要的、需要量很小的有機化合物.微生物生長因子需要量〔/ml〕III型肺炎鏈球菌〔Streptococcuspneumoniae〕 膽堿 6ug 金黃色葡萄球菌〔Staphylococcusaureus〕 硫胺素0.5ng 白喉棒桿菌〔Cornebacteriumdiphtherriae〕 B-丙氨酸1.5ug 破傷風梭狀芽孢桿菌〔Clostridiumtetani〕 尿嘧啶 0-4ug 腸膜狀串珠菌〔Leuconostocmesenteroides〕 吡哆醛 0.025ug編輯課件廣義的生長因子——維生素、生物堿、卟啉、甾醇、短鏈的分支或直鏈脂肪酸、氨基酸等狹義的生長因子——僅指維生素生長因子自養型微生物：多數真菌、放線菌和不少細菌生長因子異養型微生物：乳酸菌、營養缺陷型突變株及致病菌等生長因子過量合成的微生物：可用其生產有關的生長因子〔如維生素〕，如阿舒假囊酵母生產B2，謝氏丙桿菌、有些鏈霉菌生產B12等。配制培養基時，常使用生長因子豐富的天然物質制備物作為補充生長因子的培養基成分。如：酵母膏、玉米漿、麥芽汁、肝浸液等。編輯課件五無機鹽參與微生物中氨基酸和酶的組成；調節微生物的原生質膠體狀態，維持細胞的滲透與平衡酶的激活劑除C、H、O外的元素，有時又稱無機鹽，其根本作用：根據微生物對礦質元素需要量的大小，可分為：微量元素——指那些在微生物生長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量極其微小的元素，需要量通常在10-6--10-8mol/L，如：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。配制培養基時，大量元素一般首選K2HPO4、MgSO4等，可同時提供4種大量元素。常用天然水、自來水來配制培養基以提供各種微量元素.編輯課件六水生理功能主要有：①起到溶劑與運輸介質的作用；②參與細胞內一系列化學反響；③維持蛋白質、核酸等生物大分子穩定的天然構象；④高比熱、高汽化熱等，以保證微生物的生命活動⑤通過水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結構.微生物細胞含水量很高，細菌、酵母和霉菌菌體分別是80%、75%和85%，而霉菌孢子含水39%，細菌芽孢含水很低，約為30%左右。編輯課件第二節微生物的營養類型異養型生物自養型生物生長所需要的營養物質生長過程中能量的來源光能營養型化能營養型根據微生物生長所需要的主要營養要素即碳源和能源的不同，可以將微生物劃分為不同的營養類型：編輯課件根據碳源、能源及電子供體性質的不同，可將微生物分為：光能無機自養型(photolithoautotrophy)光能有機異養型(photoorganoheterotrophy)化能無機自養型(chemolithoautotrophy)化能有機異養型(chemoorganoheterotrophy)編輯課件1．光能無機自養型〔光能自養型〕能以CO2為唯一或主要碳源；進行光合作用獲取生長所需要的能量；以無機物如H2、H2S、S等作為供氫體或電子供體，使CO2復原為構成細胞物質的有機物；例如，藻類及藍細菌等和植物一樣，以水為電子供體〔供氫體〕，進行產氧型的光合作用，合成細胞物質。而紅硫細菌，以H2S為電子供體，產生細胞物質，并伴隨硫元素的產生。CO2+2H2S光能光合色素[

CH2O]+2S+H2O編輯課件2．光能有機異養型〔光能異養型〕不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機物作為供氫體，利用光能將CO2復原為細胞物質；在生長時大多數需要外源的生長因子；例如，紅螺菌屬中的一些細菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO2復原成細胞物質，同時積累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O編輯課件3．化能無機自養型〔化能自養型〕生長所需要的能量來自無機物氧化過程中放出的化學能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2復原成細胞物質。化能無機自養型只存在于微生物中，可在完全無機及無光的環境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環境中,參與地球物質循環；編輯課件4．化能有機異養型〔化能異養型〕生長所需要的能量均來自有機物氧化過程中放出的化學能；生長所需要的碳源主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等。有機物通常既是碳源也是能源；

大多數細菌、真菌、原生動物都是化能有機異養型微生物；所有致病微生物均為化能有機異養型微生物；編輯課件不同營養類型之間的界限并非是絕對的異養型微生物并非絕對不能利用CO2；自養型微生物也并非不能利用有機物進行生長；有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養類型也會發生改變:例如紫色非硫細菌(purplenonsulphurbacteria)：沒有有機物時，同化CO2，

為自養型微生物；有機物存在時，利用有機物進行生長，為異養型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養型微生物；黑暗與有氧條件下，依靠有機物氧化產生的化學能生長，為化能營養型微生物微生物營養類型的可變性無疑有利于提高其對環境變化的適應能力編輯課件第三節營養物質進入細胞的方式營養物質能否進入細胞取決于三個方面的因素：①營養物質本身的性質〔相對分子量、質量、溶解性、電負性等;②微生物所處的環境〔溫度、pH等〕；③微生物細胞的透過屏障〔原生質膜、細胞壁、莢膜等〕。除原生動物外，各種微生物都是通過細胞膜的滲透和選擇性吸收作用而從外界吸收營養物質的。根據物質運輸過程的特點，可將微生物營養物質的運輸方式分為：單純擴散促進擴散主動運輸基團轉移編輯課件1．單純擴散〔自由擴散、簡單擴散〕原生質膜是一種半透性膜，營養物質通過原生質膜上的小孔，通過物理擴散方式由高濃度的胞外環境向低濃度的胞內進行擴散。特點①不消耗能量；不需要載體；③不能逆濃度運輸；運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比；②物質在擴散過程中沒有發生任何變化；編輯課件水是唯一可以通過自由擴散穿過原生質膜的分子；另外脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體〔O2、CO2〕及某些氨基酸分子在一定程度上也可通過自由擴散進出細胞。編輯課件2．促進擴散特點①不消耗能量②需要載體參與③不能進行逆濃度運輸④運輸速率與膜內外物質的濃度差成正比⑤參與運輸的物質的分子結構不發生本身變化，但運輸速度加快細胞外溶質借助于細胞膜上的載體蛋白〔酶〕的協助，向胞內運送的方式,。編輯課件

通過促進擴散進入細胞的營養物質主要有氨基酸、單糖、維生素及無機鹽等。一般微生物通過專一的載體蛋白運輸相應的物質，但也有微生物對同一物質的運輸由一種以上的載體蛋白來完成。編輯課件3．主動運輸它的一個重要特點是物質運輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進行逆濃度運輸。用于各種離子和一些糖類的運輸。主動運輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質運輸方式。與促進擴散相比,主動運輸有何重要意義?最關鍵的是，微生物通過主動運輸可以從各種環境中吸收到營養物質，從而對提高其環境的適應性具有重要作用。編輯課件4．基團移位

基團移位是另一種類型的主動運輸，它與主動運輸的不同之處在于它有一個復雜的運輸系統(酶系統)來完成物質的運輸。其特點是：需要能量，需要載體，可以逆濃度運輸，而且物質結構在運輸過程中會發生化學變化。

基團移位主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細胞中，主要用于各種糖類的運輸，脂肪酸、核苷酸、堿基等也可以通過這種方式運輸。編輯課件比較工程單純擴散 促進擴散主動運輸基團移位特異載體蛋白無 有 有 有

運送速度 慢 快 快 快

溶質運送方向由濃至稀由濃至稀 由稀至濃由稀至濃平衡時內外濃度內外相等 內外相等 內部高內部高

運送分子 無特異性 特異性 特異性特異性

能量消耗 不需要 需要 需要 需要 運送前后溶質分子不變 不變 不變 改變 載體飽和效應 無 有 有 有 與溶質類似物無競爭性 有競爭性 有競爭性有競爭性

運送抑制劑 無 有 有 有

運送對象舉例水、O2糖、SO42-氨基酸、乳糖葡萄糖\嘌呤四種運送營養方式的比較編輯課件第四節培養基培養基:應科研或生產的需要，由人工配制的、適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產物用的營養基質〔混合養料〕。培養基幾乎是一切對微生物進行研究和利用工作的根底任何培養基都應該具備微生物所需要六大營養要素〔碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水〕且比例適當.任何培養基一旦配成，必須立即進行滅菌處理:常用高壓蒸汽滅菌：

1.05kg/cm2,121.3℃,15-20min；0.56kg/cm2,112.6℃,15-30min;編輯課件絕大多數微生物都可以在人工培養基上生長，除少數嚴格寄生或共生的微生物外。

另外，有一種觀點，認為自然界中還存在著一類不可培養的微生物。目前這類微生物作為一種資源已受到廣泛關注。微生物培養基的用途：促進微生物生長繁殖；積累代謝產物；別離微生物菌種；鑒定微生物種類；微生物細胞計數；菌種保藏；制備微生物制品編輯課件1〕生態模擬調查所培養菌的生態條件，查看其“嗜好〞，對“癥〞下料———初級天然培養基.2〕查閱文獻查閱、分析文獻，調查前人的工作資料，借鑒人家的經驗，以便從中得到啟發設計有自己特色的培養基配方.3〕精心設計借助優選法或正交試驗設計法等方法.1.設計培養基的方法編輯課件4〕試驗比較*不同培養基配方的選擇比較*單種成分來源和數量的比較*幾種成分濃度比例調配的比較*小型試驗放大到大型生產條件的比較*pH和溫度試驗編輯課件2培養基的類型按所培養微生物的類群分類①細菌培養基②放線菌培養基③酵母菌培養基④霉菌培養基等按培養目的來分類①種子培養基(seedculturemedium)②發酵培養基(fermentationmedium)按培養基的組成成分分類①天然培養基(complexmedium)②合成〔組合〕培養基(syntheticmedium)③半合成〔組合〕培養基(semi-definedmedium)按培養基的物理狀態分類①液體培養基(liquidmedium)②固體培養基(solidmedium)：③半固體培養基(semi-solidmedium)按培養基的功能〔或用途〕分類①根底培養基(minimummedium)②加富〔又稱富集〕培養基(enrichedmedium)③鑒別性培養基(differentialmedium)培養基的種類編輯課件1〕根據微生物的類群來分①細菌培養基②放線菌培養基③酵母菌培養基④霉菌培養基等。2〕根據培養目的來分①種子培養基(seedculturemedium)——是為保證發酵生產獲得大量優質種子而設計的培養基。特點是營養較豐富，氮源比例較高。有時為使菌種能迅速適應后面的發酵條件，還有意識地參加發酵培養基的基質。②發酵培養基(fermentationmedium)——用于生產預定發酵產物，一般以碳為主要元素，碳源含量往往高于種子培養基。大規模生產時，原料應價廉易得，還應有利于下游的別離提取。編輯課件如：味精生產一級種子〔北京棒狀桿菌AS1.299，用搖床培養〕培養基配方：葡萄糖3%玉米漿2.5~3.5%尿素0.3~0.5%K2HPO40.1~0.2%MgSO40.05%二級種子〔1200升發酵罐〕培養基配方：以3-5%淀粉水解糖代替3%葡萄糖，其他成分同一級種子。發酵培養基〔50-100t發酵罐〕：根本同二級種子液。編輯課件3〕根據對培養基成分的了解程度來分A天然培養基(complexmedium)：也稱作chemicallyundefinedmedium。利用化學成分還不完全清楚或不恒定的天然物質〔如肉湯、蛋白胨、麥芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米粉、牛奶、血清等〕制成的培養基。天然培養基比較經濟，除實驗室經常使用外，更適宜于在生產上用來大規模地培養微生物和生產微生物產品。B合成〔組合〕培養基(syntheticmedium)：也稱作chemicallydefinedmedium。由化學成分完全了解的物質配制而成的培養基。該類培養基的組成成分清楚，重復性強，但微生物生長較慢，且價格較貴。故一般適于在實驗室范圍內及有關微生物營養需要、代謝、分類鑒定、生物測定以及菌種選育、遺傳分析等方面的研究工作。如高氏培養基、察氏培養基等都是合成培養基。C半合成〔組合〕培養基(semi-definedmedium)：在合成培養基的根底上添加些天然成份，以更有效地滿足微生物對營養物的需要。如馬鈴薯-蔗糖培養基。編輯課件4根據培養基的物理狀態來分1〕液體培養基(liquidmedium)：液體培養基不含任何凝固劑，菌體與培養基充分接觸，操作方便。常用于大規模的工業化生產以及在實驗室進行微生物生理代謝等根本理論的研究工作。可根據培養后的“濁度〞判斷微生物的生長情況。編輯課件2〕固體培養基(solidmedium)：天然固體營養基質制成的培養基〔如培養霉菌的培養基〕，或在液體培養基中參加一定量凝固劑〔瓊脂1.5～2％)而呈固體狀態的培養基。為微生物的生長提供營養外表。常用于微生物的別離、純化、計數、生理測定、育種和菌種保藏等方面的研究。可依使用目的不同而制成斜面、平板等形式.編輯課件3〕半固體培養基(semi-solidmedium)：在液體培養基中參加0.2-0.7％的瓊脂構成的培養基。常用來觀察細菌運動的特征，以進行菌種鑒定.以及測定噬菌體效價等等.編輯課件1.不被微生物分解、利用、液化；2.不因消毒滅菌而被破壞；3.在微生物的生長溫度內保持固態；4.凝固點的溫度對微生物無害；5.透明度好，粘著力強理想凝固劑應具備的條件編輯課件半固體培養物的生長情況：編輯課件3.5根據培養基用途來分3.5.1根底培養基(minimummedium):是含有一般微生物生長繁殖所需的根本營養成分的培養基；根底培養基也可作為一些特殊培養基的根底成分〔如制備糖發酵培養基時〕.編輯課件3.5.2加富〔又稱富集〕培養基在根本培養基中參加某些特殊的營養物質，如血、血清、動植物組織液或其他營養物質〔或生長因子〕的一類營養豐富的培養基。用來富集〔使數量上占優勢〕和別離某種特定微生物。或用以培養營養要求苛刻的微生物.富集-別離微生物：根據待別離微生物的特點設計培養基,用于從環境中富集和別離某種微生物——目的微生物在這種培養基中較其他微生物生長速度快,并逐漸富集而占優勢,從而容易到達別離到該種微生物的目的.)編輯課件3.5.3選擇性培養基(selectivemedium)：是根據某種或某一類群微生物的特殊營養需要〔投其所好〕，或根據對某種化合物的敏感性情況〔取其所抗〕而設計出來的一類培養基。具體說，是參加相應的特殊營養物質或有抑菌性的化學物質,以抑制不需要的微生物的生長,而促進所需微生物的生長。用于將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中別離出來.編輯課件編輯課件〔續上表〕編輯課件例：伊紅美蘭〔Eosin-MethyleneBlue〕乳糖培養基〔簡稱EMB培養基〕——

用于食品衛生的微生物學檢驗，檢驗食品樣品的“大腸菌群〞的指標。3.5.4鑒別性培養基(differentialmedium)：用于鑒別不同類型微生物的培養基。在普通培養基中參加能與某種代謝產物發生反響的指示劑或化學藥品，從而產生某種明顯的特征性變化，以區別不同的微生物以便于根據目的選擇性挑取或計數等。編輯課件大腸菌群的定義：

指存在與大腸內的，分解乳糖產酸產氣的G-短桿菌,包括大腸桿菌和產氣腸桿菌和一些中間類型的細菌。伊紅和美藍二種苯胺染料可抑制G+細菌和一些難培養的G-細菌的生長。在低酸度時,這二種染料結合形成沉淀，起著產酸指示劑的作用.試樣中的多種腸道菌會在EMB培養基上產生相互容易區分的特征菌落,因而易于識別。例如：大腸桿菌強烈分解乳糖而產生大量的混合酸,菌體呈酸性,菌落被染成深紫色，從菌落外表的反射光中還可看到綠色金屬閃光。編輯課件編輯課件選擇性培養的結果鑒別性培養的結果編輯課件二培養基的配制原那么培養基組分應適合微生物的營養特點〔目的明確〕營養物的濃度與比例應恰當〔營養協調〕物理化學條件適宜〔條件適宜〕根據培養目的來選擇不同來源的原料〔經濟節約〕編輯課件1.培養基組分應適合微生物營養特點〔目的明確〕即根據不同微生物的營養需要配制不同的培養基。不同營養類型的微生物，其對營養物的需求差異很大。如自養型微生物的培養基完全可以〔或應該〕由簡單的無機物質組成。異養型微生物的培養基至少需要含有一種有機物質，但有機物的種類需適應所培養菌的特點。按微生物的主要類群來說，它們所需要的培養基成分也不同當對“試驗菌〞營養需求特點不清楚的時候，可以采用生長譜法進行測定。編輯課件2.營養物的濃度與比例應恰當〔營養協調〕●濃度過高——微生物的生長受到抑制；濃度過小——不能滿足微生物生長的需要；●碳氮比〔C/N〕直接影響微生物生長與繁殖及代謝產物的形成與積累，故常作為考察培養基組成時的一個重要指標碳源中所含碳原子的mol數氮源中所含氮原子的mol數C/N比值=例：谷氨酸生產中

C/N＝4/1時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；C/N＝3/1時，菌體生長受抑制，而谷氨酸大量增加。注：C/N比有時也指培養基中復原糖與粗蛋白兩種成分含量之比〕編輯課件3.物理化學條件適宜〔條件適宜〕pH:各類微生物的最適生長pH值各不相同：細菌：7.0~8.0 放線菌：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.8在微生物的生長和代謝過程中，由于營養物質的利用和代謝產物的形成與積累，培養基的初始pH值會發生改變，為了維持培養基pH值的相對恒定，通常采用以下兩種方式：內源調節：在培養基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調節培養基適宜的碳氮比。外源調節：按實際需要不斷向發酵液中流加酸液或堿液編輯課件滲透壓和水活度〔aw〕滲透壓：由溶液中所含分子或離子的質點數決定的，由2種不同濃度的溶液產生的。溶液的質點數越多，產生的滲透壓就越大。等滲溶液 適宜微生物生長高滲溶液 細胞發生質壁別離