1、第四章 chapter 4 微生物的营养 Microbial nutrition,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,营养物质nutriment substance: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.,营养nutrition:微生物获得和利用营养物质的过程。,本 章 目 录,第一节 微生物的营养组成 第二节 微生物的营养类型 第三节 营养物质的吸收 第四节 培养基,本章基本理论知识 1了解微生物的细胞化学组成. 2掌握微生物的营养要素及其功能。 3掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点。 4掌握微生物四大营养类型的划分依据
2、及其微生物种类。,第一节 微生物的营养组成,the composition of microbial nutrition 一、微生物的化学组成 二、微生物的营养物质,主要元素Macroelement：碳C、氢H、氧O、氮N、磷P、硫S、钾K、镁Mg、钙Ca等,微量元素Microelement：锌Zn、锰Mn、氯Cl、钼Mo、硒Se、钴Co、铜Cu等,碳C、氢H、氧O、氮N、磷P、硫S约占细胞干重的97%,这些元素主要以水、有机物、无机盐等形式存在。,一、微生物的化学组成 chemical component,几种微生物细胞的化学组成,1 微生物细胞的水分,水是微生物细胞中含量最大的成分，不同种
3、类的微生物含水量不同，一般占细胞重量的70%90%。 细菌 75%85% 酵母菌 70%85% 霉菌 85%90%,2 微生物细胞的有机物质,微生物细胞的干物质中90%以上是有机物，主要是蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类、维生素及其降解产物。 一是结构物质：为细胞壁、细胞核、细胞质和细胞器的主要结构成分。 二是贮藏物质：为多糖和脂类。 三是代谢底物和产物：包括存在于细胞内的糖、氨基酸、核苷酸、有机酸和维生素等。,3 微生物细胞的矿质元素,微生物细胞的干物质中3%10%是矿质元素。 大量元素：P、S、Ca、Mg、K、Fe。 微量元素：Cu、Zn、Mn、B、Co、Mo、Ni、Se等。,碳源、氮源、能
4、源、生长因子、无机盐和水,营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。,二、 微生物的营养物质 Microbial nutrient substance,微生物与动植物营养要素的比较,1、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CO2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。,目前在工业发酵中所利用的碳源物
5、质主要是单糖、淀 粉、麸皮、米糠等。,对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。,实验室常用的碳源主要有：葡萄糖、蔗糖、淀粉、有机酸等,表4.1 微生物利用的碳源物质,2 氮源（Nitrogen source ）,定义：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的 营养源。 种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、 氨、N2等； 有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等,2 氮源（Nitrogen source ）,功能： 1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料。 2）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源
6、为能源。,速效性氮源：可被菌体直接吸收利用的氮源，如尿素、铵盐、硝酸盐等氮化物是水溶性的，玉米浆、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏等有机氮化物中的氮是蛋白质降解的产物。作用：有利于菌体的生长。,迟效性氮源：不可被菌体直接吸收利用的氮源，如饼粕中的氮主要以蛋白质的形式存在。作用：有利于代谢产物的形成,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的能否被菌体直接利用可分为：,表4.2 微生物利用的氮源物质,续表4.2 微生物利用的氮源物质,能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能辐射 radiation energy,能源,化学物质,辐射能,化能异
7、养微生物的能源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,无机物 inorganic substance 有机物 organic substance 化学物质 chemical substance 辐射能 radiation energy,3 能源energy,（1）单功能营养物 辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。（2）双功能营养物 对一切异养微生物来说，其碳源又兼作能源，这种碳源（营养物）称双功能营养物。化能自养微生物的能源物质无机养料常常是双功能的（如： NH4+ 既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）（3）多功能营养物 有机营养物常有双功能或三功能作用，
8、既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。,微生物营养物功能的多重性,4 无机盐（inorganic salt）,定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重 要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式共给。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe （微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （微生物生长所需浓度在10-610-8mol/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。,无机盐生理功能,构成微生物细胞的组成成分 调节微生物细胞的渗透压， PH值和氧化还原电位
9、。 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 。 构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂。,表4.3 无机盐及其生理功能,表4.4 微量元素与生理功能,有些微生物，如乳酸杆菌，在得到充足的碳源、氮源、水、无机盐供应时，并不能正常生长， 需要在培养基中补充部分维生素、氨基酸等，但补充的量往往很少，为何乳酸杆菌缺乏这些物质时不能正常生长?这些物质的作用机理是什么?这些物质属于微生物所需的哪一类营养物质?,想一想?,生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物,根据生长因子的化学结构及在机体内的生理功能
10、不同，可分为：维生素vitamin 、氨基酸amino acid、嘌呤purine或嘧啶等三类。,5 生长因子 growth factor,主要包括：维生素 氨基酸 碱基,维生素,有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。,氨基酸,有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。,各种菌合成AA的能力有很大差别，一般G菌强于G，大肠杆菌自己能合成全部AA，沙门氏菌能合成大部分
11、AA，有的菌合成AA能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。,碱基,嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。,表4.5 维生素及其在代谢中的作用,微 生 物 生长因子 需要量（ml-1） III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 胆碱 6ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 硫胺素 0.5ng 白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherri
12、ae） 丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,生理功能 physiological function主要有,微生物机体的重要组成成分，,参与细胞内一系列化学反应；,起到溶剂与运输介质的作用；,控制细胞内温度的变化；,6 水 water,水的有效性,微生物可利用的水常以水活度值(water activity, w)表示。 水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比，即 wPwP0w 式中Pw代表溶液蒸汽压力，
13、P0w代表纯水蒸汽压力。,纯水w为1.00，溶液中溶质越多，w越小。 微生物一般在w为0.60-0.99的条件下生长，w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w不同(表 )。一般而言，细菌生长最适w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适w则较低。,表4.6 几类微生物生长最适w,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。,第二节 微生物的营养类型 nutrient types,一、 光能无机自养型二、光能有机异养型三、化能无机自养型四、化能有
14、机异养型,异养型微生物,自养型微生物,根据微生长所需要的碳源的性质,根据微生物生长过程中能量的来源,光能营养型,化能营养型,根据电子供体(氢供体）的不同,有机营养型,无机营养型,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：,光能无机自养型(photolithoautotrophy),光能有机异养型(photoorganoheterotrophy),化能无机自养型(chemolithoautotrophy),化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy),*能以CO2为唯一或主要碳源； *进行光合作用获取生长所需要的能量； *以无机物如H2、H2S、S、Na2S2O3等
15、作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；,例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+ 2H2S,光能,光合色素, CH2O + 2S+ H2O,一、 光能无机自养型（光能自养型）photolithoautotrophy,*不能以CO2为主要或唯一的碳源； *以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质； *在生长时大多数需要外源的生长因子；,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,CHOH + CO2,H3
16、C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,二、光能有机异养型（光能异养型） photoorganoheterotrophy,*生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能； *以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用 H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原 成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环；,三、化能无机自养型（化能自养型） chemolithoautotrophy,*生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；
17、,*生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。,有机物通常既是碳源也是能源；,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,四、化能有机异养型（化能异养型）chemoorganoheterotrophy,腐生型(metatrophy):可利用无生命的有机物 (如动植物尸体和残体)作为碳源； 寄生型(paratrophy):寄生在活的寄主机体内， 吸取营养物质,离开寄主就不能生存； 在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(facultive metatrophy)；兼性寄生型(facultive paratro
18、phy)；,不同营养类型之间的界限并非绝对,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；红螺菌在光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件 变化的适应能力,第三节 培养基medium 或culture med
19、ium,一、 选用和设计培养基的原则和方法二、 培养基的类型,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。 无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。,任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理； 常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟；,根据培养目的需要,注意各营养物质的浓度和配比,理化条件适宜,经济节约,灭菌处理,一、 选用和设计培养
20、基的原则和方法,1 根据培养目的需要,培养目的不同,原料的选择和配比不同. 实验室一般培养:普通常用培养基; 遗传研究:成分清楚的合成培养基; 生理、代谢研究:选用相应的培养基. 例如枯草芽孢杆菌: 一般培养:肉汤培养基或LB培养基; 自然转化:基础培养基; 观察芽孢:生孢子培养基; 产蛋白酶:以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基.,根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。,培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g KH2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培养化能异
21、养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO47H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,1 根据培养目的需要,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏 5g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO47H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基) 干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调
22、整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。 霉菌（查氏合成培养基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO47H2O 0.5g FeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。,例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过
23、程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,2 注意各营养物质的浓度和配比,pH,调节渗透压,氧化还原电位,3.理化条件适宜,培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型 微生物的生长繁殖或产生代谢产物。,通常培养条件： 细菌与放线菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长,为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入 pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。,a. pH,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， 一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸
24、汽压力之比表示，即： w=Pw/Pow 式中Pw代表溶液蒸汽压力, POw代表纯水蒸汽压力。 纯水w为1.00,溶液中溶质越多, w越小。,微生物一般在w为0.600.99的条件下生长, w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w不同。,b.调节渗透压 水活度 activity of water （aw）,氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。,不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同,好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常
25、生长,以+0.3+0.4伏为宜； 厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长； 兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸,+0.1伏以下时进行发酵。,c. 氧化还原电位,以粗代精,以野代家,以废代好,以国代进,以简代繁,以氮代朊,以烃代粮,以纤代糖,配制培养基还应遵循力求节省的原则，尽量选用价格便宜，来源方便的原料。特别是在工业发酵中，培养基用量大，更应注意这一点，以降低产品成本。,4 经济节约economic thrift,*以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微 生物的原料.例如,糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液) 乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业 废液及黑废液(造纸工业中
26、含有戊糖和己糖的亚硫 酸纸浆)等都可作为培养基的原料.工业上的甲烷发 酵主要利用废水、废渣作原料,在我国农村,已推广 利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料.另 外,大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆 酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常 用的发酵工业原料。 *开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可 再生资源.将大量的纤维素农副产品转变为优 质饲料,工业发酵原料,燃料,人类的食品及饮料,*以石油或天然气副产品代替糖质原料来培 养微生物。生产石油蛋白将石油产品转化 成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷 酸等化工产品和若干合成物；对石油产品 的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。 *以
27、大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价原料用作发酵培养基的原料让微生物转化成菌体蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用。,5 灭菌处理,常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟； 含糖培养基：0.56kg/cm2,112.615-30分钟; 蔗糖长时间高温会形成氨基糖或焦糖。长时间高温也会使磷酸盐等与钙、镁离子形成难溶性化合物，产生沉淀。可在培养基中加少量螯合剂（0.01EDTA），使金属离子形成可溶性络合物以防止沉淀产生。,（一）按成分不同划分 天然培养基(complex medium) 这类培养基含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物，也称非化学
28、限定培养基(chemically undefined medium)。牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基 合成培养基(synthetic medium)是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基。高氏1号培养基、查氏培养基,二、培养基的类型以及应用,（二）按物理状态不同划分,固体培养基,液体培养基,在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%,琼脂含量一般为0.2%-0.7%,不加任何凝固剂,半固体培养基,固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏,观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定,大规模工业生产及在实验室进
29、行微生物的基础理论和应用方面的研究,理想的凝固剂应具备以下条件：不被所培养的微生物分解利用；在微生物生长的温度范围内保持固体状态，在培养嗜热细菌时，由于高温容易引起培养基液化，通常在培养基中适当增加凝固剂来解决这一问题；凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物的生长；凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；凝固剂在灭菌过程中不会被破坏；透明度好，粘着力强；配制方便且价格低廉。,常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatain)和硅胶(silica gel)。表4.9列出琼脂和明胶的一些主要特征。,表 4.7 琼脂与明胶主要特征比较,（三） 按用途不同划分,基础培养基(minimum med
30、ium) 基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。 这种培养基可作为一些特殊培养基的基础成分。,加富培养基,(enrichment medium) 也称营养培养基，即在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基，这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。 * 根据待分离微生物的特点设计的培养基,用于从环境中富集和分离某种微生物.(目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快,并逐渐富集而占优势,从而容易达到分离该种微生物的目的.),鉴别培养基,(differential medium)是用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特
31、殊化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。 是根据微生物的代谢特点在普通培养基中加入某种试剂或化学药品，通过培养后的显色反应区别不同微生物的培养基。,EMB培养基 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,因而易于辨认。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
32、射光中还可看到绿色金属闪光。,一些鉴别培养基,选择培养基(selective medium) 是用来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。 一种类型选择培养基是依据某些微生物的特殊营养需求设计的。 另一类选择培养基是在培养基中加入某种化学物质，这种化学物质没有营养作用，对所需分离的微生物无害，但可以抑制或杀死其他微生物。,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等,微生物所处的环境（温度、PH等）；,微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,第四节 营养物质的吸收,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为
33、,自由扩散 free diffusion,促进扩散 facilitated diffusion,主动运输Active Transport,基团转移Group Translocation,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。,特点,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,一、自由扩散 free diffusion,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,特点,不消耗能量,参与运
34、输的物质本身的分子结构不发生变化,不能进行逆浓度运输,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,需要载体 carrier参与,二、协助扩散(促进扩散facilitated diffusion）,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。,它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。,主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。,三、主动运输 active transportion,基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（
35、PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。,PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸P - HPr +糖糖-P +HPr,四、基团移位 Group Translocation,基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，葡萄糖glucose、果糖、乳糖、麦芽糖maltose、脂肪酸 fat acid、核苷、碱基base等也可以通过这种方式运输。,比较项目
36、 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位特异载体蛋白 无 有 有 有 运送速度 慢 快 快 快 溶质运送方向 由浓至稀 由浓至稀 由稀至浓 由稀至浓平衡时内外浓度内外相等 内外相等 内部高 内部高 运送分子 无特异性 特异性 特异性 特异性 能量消耗 不需要 不需要 需要 需要 运送前后溶质分子 不变 不变 不变 改变 载体饱和效应 无 有 有 有 与溶质类似物 无竞争性 有竞争性 有竞争性 有竞争性 运送抑制剂 无 有 有 有 运送对象举例 水、O2 糖、SO42-氨基酸、乳糖 葡萄糖嘌呤,四种运送营养方式的比较,练习五,一、名词解释营养和营养物质、生长因子、鉴别培养基、选择培养基、水活度值
37、 二、微生物的营养物质有哪些？各有何生理作用？ 三、微生物的营养类型有哪几种？划分的依据是什么？举例各种营养类型的代表菌？ 四、什么是培养基？配制培养基应考虑哪些原则？,采用什么方法可以分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物?,答:要想分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物，一般需要如下程序：（1）查资料。看有无先人分离该菌的报道，从中获得分离的经验；查苯的化学性质并建立其标准的测量方法，否则无法确定分离过程中菌的降解效果。（2）采样。这是很重要的关键步骤。一般采集被苯污染的土壤并从中分离目的菌。（3）富集培养。将采到的土样在富集柱上驯化，不断提高土中的苯浓度，使苯
38、降解菌在数量上占优势。,（4）取适量富集土样在以苯为惟一碳源和能源的无机盐培养基中培养，设对照，生长后测富集液的降解效果。如果好，再适量转接到另一瓶以苯为惟一碳源和能源的无机盐培养基中培养，不断重复，直至获得高效的富集液。要注意富集过程中出现的现象变化。该步的关键是苯含量测定要准确，否则会走弯路。（5）纯种分离和性能测定。将高效富集液进行稀释涂布，从中挑取单菌落并验证功能，方法是用以苯为惟一碳源和能源的无机盐培养基中培养，测定其降解效果，找到高效降解菌。（6）进一步验证，并进行传代试验，至少连续30代功能不丧失。,食品水分活度的测定,随着食品科学技术的发展，食品水分活性的重要性愈来愈受到人们的
39、重视，各国科学家正在研究通过控制水分活性来达到免杀菌保存食品的新途径。 1理想公式计算法 根据水分活性（以下简称Aw）的定义，它可近似等于食品在密封容器内的水蒸汽压（P）与在相同温度下的纯水蒸汽压（Po）之比：,根据拉乌尔定律，若立项溶液的溶质和溶剂摩尔数分别为m1和m2，则： 设一摩尔理想溶质溶于一千克水（计55.51摩尔），则此理想溶液的水分活性为： A w55.51/155.510.9823 在含电介质的非理想溶液的A w值可根据下式计算： ln A wm/55.51 式中为1分子溶质产生的离子数，m为溶液的摩尔浓度，是由溶质决定的常数。,但是大多数食品是由多种组分构成的复杂系统，它的a
40、 w值难以用一般公式法计算，虽然也有许多推荐公式，但都有一定适用范围，主要在食品的可溶性成分以及数量已经明确的条件下适用。比如配制微生物培养基以及研制新的中间水分食品推荐下面公式较为适用： A wAw1Aw2Aw3 即总的水分活性Aw等于各组分水分活性值的乘积。 一般说来，实际上测定食品水分活性都采用直接测定法。,2直接测定法 根据蒸汽压、湿度动力学等原理相应出现了不少直接测定仪器。国外也发展了许多测定水分活性的电子仪器，其测定原理有的是根据二电极中吸湿性物质的电导变化，也有的是直接依靠气体热传导的湿度传感器来检测。这类仪器具有快速、灵敏、精确度高的优点，我国可加强这类仪器的研制。在目前情况下
41、，这种电子仪器的造价高，有些尚需进口，不利于推广。下面介绍一种坐标内插法，它不需要特殊的仪器装置。一般实验室都可采用。,2.1仪器及用具 康维皿容器，分析天平，恒温箱。 2.2试剂 表4-1标准饱和盐溶液的Aw值表（25） 标准试剂 Aw 标准试剂 Aw LiClH2OK2C2H2O2MgCl2 6H2OKCO3Mg(NO3)26H2O 0.110.230.330.430.52 NaBr2H2ONaClCdCl2KNO3K2C2O3 0.580.750.820.930.98 注：本表数据取各种文献数据的平均值,2.3测定方法 主要测定容器是康维皿容器，它分内外二室，测定时在外室加入标准盐饱和溶
42、液，在内室的铝箔皿中加入1克左右的待测试样。试样应用天平精确称量，记下初读数。固体食品试样最好切细后放入。然后用玻璃盖涂上真空脂密封，放入恒温箱在25条件下保持23小时，然后取出滤波皿再次精确称出试样的重量，算出试样的增减量。如试样重量增加，说明内室的试样水分活性比外室的盐饱和溶液水分活性低，因此在密封容器内试样由于吸附水分而增重；反之，如试样的水分活性比盐饱和溶液水分活性高，则试样重量减少。,2.4计算 根据试样与二种以上标准饱和盐溶液平衡后试样重量的增减作坐标图（见图4-1），纵坐标为试样重量增减的毫克数，横坐标为水分活性值。如图4-1的A点是试样与标准MgCl26H2O饱和溶液平衡后重量
43、减少20.0毫克，试样与标准Mg(NO3)26H2O平衡后失重5.2毫克，相应作出B点，与NaCl饱和溶液平衡后试样增加11.1毫克作出C点，把三点连成一线与横坐标交于D点，得出试样的水分活性为0.60。,2.5注意事项 （1） 注意称重试样的精确度，否则会造成测定误差。对试样的Aw值范围预先最好有个估计，以便正确选用标准盐饱和溶液。 （2） 若试样中含有酒精一类水溶性挥发物质时难以正确测定Aw值。 （3） 如有米饭类、油脂类食品在25下放置23小时测不出Aw值，可继续放置14天，先测定2小时后的试样重量，然后间隔一定时间称重，再作坐标求出。把首次与横坐标的相交点作为测定值。为防止试样腐烂，可
44、以加入0.2%的山梨酸钾作为防腐剂。,哪些领域用到水活度? 医药研究，食品储藏 烟草，造纸，种子，建材等 为什么要测量水活度? 水活度影响物质物理、机械、化学、微生物特性，这些包括流量特性、凝聚、内聚力和静态现象。食物上架寿命、颜色、味道、维生素、成分、香味的稳定性；霉菌的生成和微生物的生长特性都能直接受水活度值影响。 水活度是一个直接影响食品保质期的临界因素，温度、pH值和其他一些因素会影响食物中有机体的可能的增长及增长率，然而，水活度通常是最有影响力的一个因素。如果我们能测出食物中水活度我们就能预知哪种微生物是导致食物腐败的潜在原因，并能分检出来。让我们考虑一下水活度值为0.81的蛋糕，其
45、保质期为21时24天。如果水活度提高到0.85，这些指标将降低为21 时12天。这表明是水活度决定了微生物生长率。.,水活度值和细菌繁殖 aw = 0.910.95 细菌最多 aw = 0.88 酵母最多 aw = 0.80 霉菌最多 aw = 0.75 喜盐细菌 aw = 0.70 osmiophile酵母 aw = 0.65 xerophile 霉菌,用等温吸附线解释一下水份含量和水活度 水份指固体物质中水的重量百分比，它和水活度之间存在着如右图（等温吸附线）的关系，如果有条件，在一个固定温度下，对同一种材料进行水活度和水份的全面测试，这个图是唯一的，两者之间是对应关系，但事实上，很多天然
46、原料和食品的成分、化学性质都不可能完全一致，如果关心的是水的比例，则测量水分，如果关心物质对水的吸附和同外界的交换情况则测水活度。,微生物生长所需的营养物质包括哪些成分?各种成分有何生理功能? 答：微生物从环境中吸收的营养物质（营养要素）有以下几类： （1）水 功能：微生物机体的重要组成成分， 参与细胞内一系列化学反应； 起到溶剂与运输介质的作用； 控制细胞内温度的变化；,（2）碳源 碳源种类有无机碳源：CO2、HCO3、等；有机碳源：烃类（如甲烷等）、醇、有机酸、糖、蛋白质、核酸等。 碳源功能：碳源是细胞结构构成的主要成分之一，参与代谢。对异养微生物而言，碳源同时充当能源。,（3）氮源氮源种
47、类有 ； 无机氮源： N2、 NO3、NO2、NH3等； 有机氮源：蛋白质、核酸等。 功能：氮素是生物体重要的结构成分，例如细胞中细胞质、细胞细胞质膜等结构及酶，核酸、核苷酸、辅酶、磷脂等重要化合物构成中都不可缺少氮素。 （4）无机盐（矿质元素） 无机盐种类有大量元素：P、S、K、Mg、Ca等（浓度10-3 10 -4mol/L ）及微量元素：Zn、Mn、Cu、Co等(浓度10-6 10-8mol/L ),功能： 细胞结构成分之一；参与细胞机体生理调节例如酶抑制或激活（参与酶辅助因子或辅酶成分构成），调节PH值，渗透压，氧化还原电位；可作为某些化能自养菌的能源，例如S、 NO3、NH3、Fe等,（5）生长因子种类：包括：维生素、氨基酸、碱基（嘌呤或嘧啶）等； 功能：参与细胞代谢生理反应（例如维生素往往作为酶辅助因子或辅酶成分，参与酶催反应基团转运） （6）能源 指为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能。,
