1、第五章 微生物的营养,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: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:微生物获得和利用营养物质的过程。,第一节 微生物的营养六要素,一、微生物的化学组成,有机物： 蛋白质、糖类、脂类、核酸,无机物: 无机盐和各种离子,二、微生物的营养要素,六要素：碳源、氮源、能源、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。,1.碳源,在微生物生长过程中能为其提供碳素来源的物质,异养微生物,目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。,
2、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的营养物。,微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2等。,微生物对碳源物质的利用具有选择性: 如在以葡萄糖和半乳糖为碳源的培养基中，E.coli首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者称为大肠杆菌的速效碳源，后者称为迟效碳源。,微生物对碳源利用能力有差异: 如Pseudomonas中的某些种可以利用多达90种以上的碳源物质，而一些产甲烷菌仅能利用CO2和少数1C或2C化合物。,凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。,2.氮源,氮源谱,有机氮,无机氮,NH3 铵盐 硝酸盐 N2,蛋白质 核酸 氨基酸
3、尿素,实验室常用的无机氮源有碳酸铵、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、花生饼粉、玉米浆等。,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。无机氮或蛋白质降解物中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，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。,3.能源,能源：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,能源谱,化学物质,辐射能,化能异养微生物的能源,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,光辐
4、射能是单功能营养物（能源）；还原态的NH4+是双功能营养物（能源和氮源）；而氨基酸是三功能营养物（碳源、能源和氮源）。,4.生长因子(growth factor),生长因子：是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。,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 diphtherriae） B-丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium t
5、etani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug,富含物质：酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁等,5.矿质元素,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） （K2HPO4和MgSO4）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）一般不需要添加,6.水,生理功能主要有,起到溶剂与运输介质的作用；,参与细胞内一系列化学反应；,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,热的良好导体；,水在细胞中有两种存在形式： 结合水和游离水
6、.,营养体孢子芽孢,微生物对水的需要程度常用环境（或基质）中的水活度值（water activity, w）表示定义：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,几类微生物生长最适w,第二节 微生物的营养类型,营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养要素不同，而划分的微生物类型。,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(photolithoautotrphy),光能有机异养型(photoorganoheterotrphy),化能无机自养型(ch
7、emolithoautotrphy),化能有机自养型(chemoorganoheterotrophy),1光能无机自养型（光能自养型）,碳源：CO2为主要唯一或主要的,能量：光能,供氢体或电子供体：以无机物如H2、H2S、S等,藻类及蓝细菌以水为电子供体（供氢体）， 红硫细菌，以H2S为电子供体，,CO2+ 2H2S,光能,光合色素, CH2O + 2S+ H2O,2光能有机异养型（光能异养型）,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
8、时积累丙酮。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,3化能无机自养型（化能自养型）,能量：无机物氧化放出的化学能,碳源：CO2 电子供体：H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等,化能无机自养型只存在于微生物中,如氢细菌、硫杆菌 ，可在完全无机及无光的环境中生长。,4化能有机异养型（化能异养型）,能量：有机物氧化放出的化学能,碳源：有机化合物 氢供体：有机物代谢过程中产生,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；,不同营养类型之间的界限并非绝
9、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； 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 营养物质进入细胞的方式,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
10、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）。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,自由扩散,促进扩散,主动运输,基团转移,1自由扩散,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,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。,2协助扩散,特点,不消耗能
11、量,参与运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,需要载体参与,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。,3主动运输,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。,基团移位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（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）。,4基团移位,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
12、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,四种运送营养方式的比较,第四节 培养基,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。,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,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
13、物制品,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础,一、选用和设计培养基的原则和方法,目的明确,（一）配制培养基的原则,1.目的明确,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 H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培养化能异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 MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常见的培养四大类微生物的
14、培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）,放线菌（高氏1号）,酵母菌(麦芽汁培养基),霉菌（查氏合成培养基）,2.营养协调,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。,3.理化条件适宜,pH,水活度,氧化还原电位,a. pH,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：pH78.0 酵母菌和霉菌：pH4.06范围内生长,内源调节：在
15、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,b. 氧化还原电位,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。,4. 经济节约,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,1.生态模拟调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好
16、”，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,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,二、培养基的类型及应用,培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。,按成分不同划分,天然培养基,合成培养基
17、,含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基,化学成分完全了解的物质配制而成的培养基,高氏1号培养基、查氏培养基,半合成培养基,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,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行微生物的基础
18、理论和应用方面的研究,按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,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,用于鉴别不同类型微生物的培养基,选择培养基,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,微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化,牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,加富培养基,特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等,在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长,EMB(Eosin Methyle
19、ne Blue),Figure 14. Left: Escherichia coli cells. Right: E. coli colonies on EMB Agar.,复习思考题,1.什么叫营养？什么是营养物？营养物有哪些生理功能？ 2.营养物质包括哪些？各有何功能？ 3.根据碳源、能源及电子供体的不同可将微生物划分为几种类型？举例说明。 4.营养物质进入细胞的方式有几种？各有何特点？ 5.什么是培养基？配制培养基时应遵循什么原则？ 6.培养基按化学成分、物理状态、用途来划分可分为哪几种类型？ 7.采用什么方法能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？,8.某同学利用酪素培养基平板筛选产胞外蛋白酶细菌，在酪素培养基平板上发现有几株菌的菌落周围有蛋白水解圈，是否能仅凭蛋白水解圈与菌落直径比大，就能断定该菌株产胞外蛋白酶的能力就大，而将其选择为高产蛋白酶的菌种，为什么？ 9.试分析以下培养基的选择原理以及所选择培养的微生物属于哪一类型？培养基组成：葡萄糖5%，尿素0.5%，（NH4）SO4 0.1%, KH2PO4 0.25%, MgSO47H2O 0.1%, FeSO47H2O 0.01%, 酵母膏0.05%，孟加拉红1/30000，丙氨酸钠0.05%, PH=4.5,
