课件：微生物的营养.ppt

第五章 微生物的营养,2019,-,1,本章主要内容,第一节 微生物的细胞化学组成 第二节 微生物的营养物质 第三节 微生物的营养类型 第四节 培养基 第五节 微生物细胞获得营养的途径,2019,-,2,新 陈 代 谢,同化作用 从外界环境摄取营养物质，生长繁殖 物质合成反应，吸收能量。,异化作用 产生代谢产物排泄到外界环境 物质分解反应，释放能量。,2019,-,3,细胞重量（湿重）,水7090%,干物质1030%,无机盐310%,有机物9097%,碳水化合物 蛋白质 脂肪 DNA RNA等,组成微生物细胞,第一节 微生物细胞的化学组成,细菌的物质成分分析表明，细菌的元素组成主要是 C 、 H 、 O 、 N 、 P 、 S 。,2019,-,4,微生物细胞内元素的比例,在正常情况下，各种微生物细胞的化学组成较稳定。一般可用实验式表示细胞内主要元素的含量。微生物细胞主要化学元素组成的实验式分别为：细菌为C5H7NO2，真菌为C10H17NO6，藻类为C5H8NO2，原生动物为C7H14NO3。 组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而各异，也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化。幼龄的比老龄的微生物含氮量高，在氮源丰富的培养基上生长的细胞比在氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞含氮量高。,2019,-,5,第二节 微生物的营养物质,1 水 2 无机盐 3 碳素营养源 4 氮素营养源 5 生长因子,凡是能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质称为微生物的营养物质。微生物获得与利用营养物质的过程称为营养。,2019,-,6,水是细菌的主要组成部分，它在细胞中主要以两种形式存在：结合水和游离水。结合水与溶质或其他分子结合在一起，很难加以利用。能被细菌加以利用的是含量在 80 左右的游离水。 水的主要生理作用是： 作为溶剂和运输介质，营养物质的吸收和代谢产物的分泌以水为介质才能完成； 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； 因为水的比热容高，是热的不良导体，所以可以有效地控制细胞内温度的变化。,水分,2019,-,7,碳源：凡能供给微生物碳素营养的物质。 碳源的主要作用是构成微生物细胞的含碳物质（碳架）和供给微生物生长、繁殖及运动所需要的能量。 微生物最好的碳源是糖类，尤其是葡萄糖、蔗糖，它们最易被微生物吸收和利用。微生物细胞中的碳素含量相当高，占干物质质量的50左右。可见，微生物对碳素的需要量最大。 能源：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。,碳源,2019,-,8,有机碳源,糖类 蛋白质 脂肪 有机酸,无机碳源,CO2 CO3-,碳源,（光合细菌）,（大部分细菌）,多数微生物最好的碳源：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉 生产中常见的碳源：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟。 废水处理：有些细菌则可以在石蜡或者塑料上生长；还有一些细菌可以分解和利用像氰化物和酚类这些有毒的含碳化合物，这部分细菌在污水水处理方面有着特殊的意义。如诺卡氏菌降解含氰的废水。,2019,-,9,氮源,有机氮源,尿素 氨基酸 蛋白质,无机氮源,氮气 铵盐 硝酸盐,实验室常用氮源：牛肉膏、蛋白胨 生产上常用氮源：尿素、玉米浆、饼粕。,氮源：所有能供给细菌氮素营养的物质。氮在细菌中的干重含量仅次于碳和氧，是构成核酸和蛋白质的重要元素。,2019,-,10,根据细菌对氮源的要求不同，将细菌分为四类。,固氮微生物 利用空气中的氮分子 合成自身的氨基酸 和蛋白质，如固氮菌、 根瘤菌和蓝藻。,利用无机氮 作为氮源的细菌 如硝化细菌和亚硝化细 菌，就是利用氨、硝酸 盐和亚硝酸盐 为氮源。,利用氨基酸 作为氮源的细菌 如乳酸细菌和丙酸细菌， 必须供给现成的氨基酸 才能生长繁殖。,从分解蛋白质中取得 铵盐或氨基酸的微生物 氨化细菌和一些腐败细菌， 它们有分解蛋白质的能力， 产生氨基酸进而 合成蛋白质。,2019,-,11,生理作用, 组成细胞的主要成分； 酶的组成部分； 维持酶的活性； 调节细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位； 作为自养菌的能源。,细菌体内的无机盐主要是硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐和氯化物。这些无机盐中含有细菌生长必不可少的硫、磷和金属元素如钙、镁、铁、钠、钾等。,无机盐,2019,-,12,凡是生长所需浓度在10-310-4mol/L范围内的元素，可称为大量元素，例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等，微生物对P和S的需求量最大。凡是所需浓度在10-610-8mol/L范围内的元素则称为微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo和 Co等。 Fe 实际上是介于大量元素与微量元素间的。,2019,-,13,磷在细胞的矿物质元素中含量最高。细菌需要的磷主要来自无机磷化合物。 磷对细菌的生长、繁殖、代谢起着非常重要的作用： 磷是合成核酸、蛋白质、磷脂及其他含磷化合物的重要元素； 磷是构成一些重要的辅酶 NAD 、 NADP 、 CoA 等的重要原料； 磷酸盐是磷酸缓冲溶液的重要组成成分，调节环境中的 pH 值； 磷在糖代谢磷酸化过程中起关键作用。 几乎所有的微生物都需要磷酸盐。,1.磷,2019,-,14,硫主要来源于SO42-，作用后被还原为SH 。硫是蛋白质中一些氨基酸的组成成分。 H2S、S、 S2O32-是好氧硫细菌的能源。,2.硫,细菌需要的镁主要是硫酸镁和其他的镁盐。镁是己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、肽酶、羧化酶和固氮酶的激活剂，是光合细菌菌绿素和藻类叶绿素的重要组成部分。镁在细胞中还起着稳定核糖体、细胞质膜和核酸的作用。 一般来说、细菌的类型不同，对镁的需求也不同。例如革兰氏阳性菌比阴性菌对镁的需求量大。缺镁会使细胞的核糖体和细胞质膜遭到破坏而降低稳定性，使细菌生长缓慢或停止生长。,3.镁,2019,-,15,铁是一些酶如过氧化物酶、细胞色素氧化酶及细胞色素的组成部分。铁细菌在氧化铁的过程中获得能量， 把铁作为它的能源。铁在细胞色素和铁氧化还原蛋白的氧化还原反应中充当电子载体的作用。不同的细菌对铁的需求量不同：污水处理中的活性污泥需铁量是2mg / L，厌氧菌的需铁量大约0.62mgL。 缺铁会影响细胞分裂。在污水处理过程中如果缺铁会引起活性污泥丝状膨胀，导致二沉池沉淀效果不理想，影响出水水质。,4.铁,2019,-,16,钾是细菌的重要阳离子，它不参与细胞结构的物质组成，许多酶都需要钾作为激活剂。,5.钾,6.钙,钙是细菌的重要阳离子，是细菌芽孢的重要组分。它是蛋白酶的激活剂。它对细菌芽孢的耐热性和细胞壁稳定性起作用。,2019,-,17,细菌正常的生长发育除了以上几种元素以外，还要有生长发育过程中必须的微量元素。细菌对微量元素的需求量很小，极微量就可以刺激微生物的生命活动。过量的微量元素就能引起细菌中毒。所以，在配制培养基时，水里的微量元素已经够了，一般不需要再加入微量元素。单独一种微量元素超标，其毒性大于两种以上超标元素，因为微量元素之间有协同作用和拮抗作用。,7.微量元素,微量元素:是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素。通常需要量在10-610-8mol/L。包括锌、锰、钴、钼、铜、硼、钒、镍等微量元素。,2019,-,18,2019,-,19,概念：某些细菌在生长过程中不能自身合成，同时又是生长必需的有机物质。 不同的细菌需要的生长因子也不同。一般包括维生素 C、B 族维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶及其衍生物、卜琳及其衍生物、固醇、胺类以及脂肪酸等类脂。,实验室常用：酵母膏、蛋白胨作为综合生长素 硫辛酸、VC、VK是重要的生长因子。,生长因子,2019,-,20,C/N/P比,微生物要想正常生长、繁殖，需要稳定的营养，在培养时，应该注意五大营养都有供给。但是，不同的微生物对于营养元素的比例需求不同，一般用C/N/P比来表示。 污水好氧处理：C：N：P100：5：1 厌氧法： C：N：P100：6：1 城市生活污水能满足活性污泥的营养要求，不存在营养不足的问题。对于一些行业的工业废水，常常会出现营养不足，就需要进行供给或补充。某些工业废水如酒精废水缺少氮；洗涤剂废水磷过剩，也缺氮，可用粪便污水或尿素补充。若有的废水缺磷，则可用磷酸氢二钾补充。但如果工业废水不缺营养，切勿添加上述物质，否则会导致反驯化，影响处理效果。,2019,-,21,根据细菌所需碳源和能源的不同，营养类型分四类：,自养型,光能自养型,化能自养型,异养型,光能异养型,化能异养型,营 养 类 型,第三节 微生物的营养类型,2019,-,22,自养微生物：以CO2为唯一或主要碳源，能够完全在无机的环境中生长。 异养微生物：生长至少需要有一种有机会存在，它们不能以以CO2作为唯一的碳源。,2019,-,23,又称光能自养型微生物。 藻类、蓝细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌） 碳源以CO2 为主要碳源 能源光能 转变为 ATP（化学能）,CO2 + H2O CH2O + O2 ,光能,叶绿素,光能自养型,供氢体,藻类、蓝细菌,2019,-,24,光合细菌如红硫细菌和绿硫细菌 以H2S作为供氢体，依靠叶绿素或细菌叶绿素，利用光能进行循环光合磷酸化，所产生的 ATP 和还原力用于同化CO2，这种光合作用是不产氧的光合作用。,CO2 + 2H2S CH2O + 2S + H2O,光能,光合色素,供氢体,2019,-,25,又称化能自养型微生物。 氢细菌、硫化细菌、铁细菌、硝化细菌。分布在土壤、水域中，在自然界物质转化中作用重大。 碳源以 CO2或碳酸盐为主要碳源。 能源无机物氧化产生的化学能。产能有限，生长迟缓。,硝化细菌,2NH3 + 2O2,CO2 + 4H+,2HNO2 + 4H+ + ATP,CH2O + H2O,化能自养型,2019,-,26,又称光能异养型微生物。主要是紫色无硫细菌，具有光合色素。此类细菌生长时大多数需要外源的生长因子。 碳源CO2不是主要碳源，需要一些简单有机物作碳源 。 能源光能,该类菌能利用低分子有机物迅速增殖，可利用此菌净化高浓度的有机废水。如果和活性污泥法合用，净化效率高。在废水处理中有重要的作用。,光能异养型,2019,-,27,红螺菌,红螺菌在湖泊、池塘、淤泥中含有，在缺氧时能利用有机酸、醇等有机物。同时该菌含有蛋白质65%，和大量的氨基酸、抗生素。常用工业废水和农业废弃物生产该菌，既保护了环境消除污染，又生产了单细胞蛋白变废为宝。,异丙醇,丙酮,2019,-,28,又称化能异养型微生物。 绝大多数细菌、放线菌和全部真菌、病毒。 如大肠杆菌，枯草杆菌，链霉菌，根霉，曲霉。 碳源有机物 能源有机物氧化获得。 分为寄生和腐生两类。有专性与兼性。 寄生是一种生物寄生在另一种生物体内或体表，从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的现象； 腐生是通过分解已经死亡的生物或其他的有机物以维持自身正常生活的方式。,化能异养型,2019,-,29,不同营养类型之间的界限并非绝对的。异养微生物并非绝对不能利用CO2，只是不能以CO2为惟一或主要碳源进行生长，而且在有机物存在的情况下也可将CO2同化为细胞物质。同样自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。另外，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。如红螺菌在光和厌氧条件下能利用光能同化CO2，此时是光能营养型。而在黑暗和有氧条件下则利用有机物分解所产生的能量，此时是化能营养型。,2019,-,30,培养基是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该为微生物生长提供五大营养要素。,第四节 培养基,2019,-,31,（一）选择适宜的营养物质 （二）营养协调 （三）控制培养条件,一、配制培养基的原则,2019,-,32,按成分不同划分,按微生物的营养要求，用已知的化合物配制而成的培养基。,既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基,二、培养基的类型及应用,2019,-,33,按物理状态不同划分,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%2%,琼脂含量一般为0.2%0.7%,不加任何凝固剂,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、分类鉴定等,大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究,2019,-,34,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,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,按用途不同划分,按照其基本营养成分配制成一种培养基,2019,-,35,除一些原生动物、微型后生动物外，微生物没有专门的摄食器官或细胞器。 各种营养物质依靠细胞质膜的功能进入细胞。营养物质进出细胞也受细胞壁的屏障作用的影响。革兰阳性细菌由于细胞壁结构较为紧密，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子质量大于 10000 的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。真菌和酵母菌细胞壁只能允许相对分子质量较小的物质通过。 不同营养物质进入细胞的方式不同，概括有5种方式：单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转位、膜泡运输。,第五节 微生物细胞获得营养的途径,2019,-,36,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；,运输速率较慢，与膜内外物质的浓度差成正比,单纯扩散,无载体蛋白参与；,2019,-,37,水、O2、CO2是可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂溶性物质被磷脂溶解也可通过单纯扩散进出细胞，并比水溶性物质速度快。,2019,-,38,特点,不消耗能量,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,促进扩散,2019,-,39,主要运送氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。,2019,-,40,一种主要的物质运输方式。,主动运输,特点,消耗能量,需要载体参与,逆浓度运输,参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,2019,-,41,很多无机离子、有机离子和一些糖类是通过这种方式进入细胞的。,2019,-,42,基团转位又称为磷酸烯醇