《微生物的营养简》PPT课件.ppt

第 五 章 微 生 物 的 营 养,第一节，微生物的营养要求,（微生物们需要吃什么？）,第三节，,（微生物们是怎样吃东西的）,第四节，培养基,（如何给微生物们做饭）,微生物的营养类型,结合实验掌握如何根据需要正确地选择和使用培养基,微生物吸收营养物质的主要方式及其基本特点,第二节，,微生物对营养物质的吸收,目的要求： 通过本章的学习，掌握微生物所需要的营养物质、营养类型及微生物吸收营养的方式。 要求掌握： 1、微生物所需要的营养物质。 2、微生物的四种营养类型。 3、微生物吸收营养物质的方式。 4、培养基的配制及类型 重 点： 微生物的营养类型，微生物吸收营养物质的方式。 难 点： 微生物吸收营养物质的各种方式。,第五章 微生物的营养（2学时）,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 微生物的营养要求,一、微生物的化学组成,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等,微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,占细菌细胞干重的97%,二、微生物的营养物质,碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水,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微生物提供碳素来源的物质,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,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。,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。,碳素的功能： 1）组成有机分子的C架；2）为细胞提供能量。,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,有机氮,无机氮,NH3 铵盐 硝酸盐 N2,蛋白质 核酸 氨基酸 尿素,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,3、能源,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,能 源,化学物质,光能,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,4、无机盐,作用,酶活性中心的组成部分,调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透平衡,维持生物大分子和细胞结构的稳定性,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10-6-10-8mol/L：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成：,大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。,控制细胞的氧化还原电位,作为某些微生物的能源物质,无 机 盐 及 生 理 功 能,微量元素与生理功能,5、生长因子,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,微 生 物 生长因子 需要量ml-1 III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 胆碱 6 ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 硫胺素 0.5 ng 白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae） B-丙氨酸 1.5 ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani） 尿嘧啶 0-4 ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides） 吡哆醛 0.025 ug,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类,6、水,生理功能:,a、生化反应的介质，细胞中的生理生化反应均在水中进行,c、细胞的重要组成成分，维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,f、维持细胞的膨压。,d、热的良好导体；水的比热高，能有效地吸收代谢过程中放出的热，并将吸收的热散发出去，避免细胞内温度陡然升高,e、营养物质和代谢产物的良好溶剂与运输介质,b、参与细胞内一系列化学反应；,水的活度是指在一定的温度和压力下，溶液的蒸汽压力和纯水的蒸汽压力之比，即： w = （P溶液）（P纯水）,微生物生长需要的水的活度在 0.630.99。当环境中的 w值低于微生物生长需要时，微生物的生长受阻，甚至停止生长。,一般来说，细菌生长需要的w值 霉菌 盐细菌 耐旱真菌,第二节 微生物的营养类型,自然界生物的营养类型包括： 异养型：以复杂的有机物作为营养物质，动物属此。 自养型：以简单的无机物作为营养物质，植物属此。 微生物兼有上面两种类型。,微生物的营养类型,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(chemolithoautotrphy),化能有机自养型(chemoorganoheterotrophy),据微生物获取能源、碳源以及供氢体或电子供体的不同，分为四种营养类型： 营养类型 能源 碳源 氢或电子供体 光能无机自养型 光 能 CO2 水或还原态无机物 光能有机异养型 光 能 CO2 + 有机物 化能无机自养型 化学能 CO2 还原态无机物 化能有机异养型 化学能 有机物 有机物,1光能无机自养型（光能自养型）,能以CO2为主要唯一或主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如H2、H2S、S或H2 O等作为电子供体，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,Algae, Cyanobacteria CO2 + H2O Light + Chlorophyll （CH2O） +O2,Purple and green bacteria CO2 + 2H2S Light + bacteriochlorophyll （CH2O） + H2O + 2S,光合细菌属此营养类型， 能源：光能 碳源：CO2 产氧光合作用 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。,不产氧光合作用 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。,2光能有机异养型（光能异养型）,以有机物为碳源；,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,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,不能以CO2为主要或唯一的碳源；,这种营养类型的微生物在污水净化中有重要意义，污水中的有机物可以被作为供H体被降解，同时又可还原CO2为菌体有机物，获得菌体蛋白。,3化能无机自养型（化能自养型）,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-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全没有有机物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；,硝化细菌 属硝化菌种，两大群 亚硝化细菌群：将铵盐氧化为亚硝酸。 硝化细菌群：将亚硝酸进一步氧化为硝酸； 获取能量后，硝化细菌将CO2合成为有机碳 硫化细菌 种类：硫化杆菌 氧化H2S，获取能量，固定CO2合成有机物 H2S+O2 H2O+S+能量 铁细菌 种类：铁杆菌 将Fe2+ 氧化为Fe3+ 获得能量来同化CO2。,4化能有机异养型（化能异养型）,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；,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；,腐生型: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: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.,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； 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,微生物的营养类型,5营养缺陷型,某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。 经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,利用营养缺陷型定量分析各种微生物生长因素的方法称为微生物分析法。,缺少合成生长因素能力的微生物称为营养缺陷型微生物。,营养缺陷型,缺少合成氨基酸能力的微生物称为氨基酸缺陷型； 缺少合成维生素能力的微生物称为维生素缺陷型； 缺少合成碱基能力的微生物称为嘧啶或者嘌呤缺陷型。,自然界中的微生物如不缺少合成生长因素的能力通常称为野生型或原养型。野生型的菌株可以人工诱变使之突变而成为缺陷型菌株。,第三节 微生物对营养物质的吸收,胞膜是隔离细胞内外的主要屏障，养料通过膜进入细胞的过程称膜运输：,一、被动扩散 二、促进扩散 三、主动运输 四、基团运输,膜泡运输,除膜运输外，还存在：,一、被动扩散,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被动扩散进出细胞。,二、促进扩散,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,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。,三、主动运输 膜上载体蛋白与养料结合后，可以逆浓度梯度运输养料的方式。,特点 运输方向可以逆浓度梯度进行； 运输过程要消耗能量。,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。,1、初级主动运输,初级主动运输指由电子转递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角度考虑是一种质子的主动运输方式。,2、次级主动运输,（1）同向运输：是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输。,（2）逆向运输：是指某种物质与质子通过同一载体按相反方向运输。,（3）单向运输：是指质子浓度在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞，运输结果通常导致胞内阳离子（如K+）积累或阴离子浓度降低。,3、 Na+、K+-ATP酶（ Na+、K+-ATP ase）系统,Na+、K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”入胞内。,E为非磷酸化酶，与Na+的结合位点朝向膜内，与Na+有较高的亲和力，而与K+的亲和力低。当E与Na+结合后，在Mg2+存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E，并导致与Na+的结合位点朝向膜外，E与Na+的亲和力降低，而与K+的亲和力高，此时胞外的K+将Na+置换下来，E与K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na+将K+置换下来。,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（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）。,3、基团转位,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+糖(膜外） 糖-P（膜内） + pyruvate,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，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,酶 I,HPr,酶 IIa,酶 IIb,酶 IIc,磷酸糖,膜内,膜外,细胞膜,糖,5膜泡运输,膜泡运输主要存在于原生动物特别是变形虫中。,胞吞作用：膜泡中包含的是固体营养物质,胞饮作用：膜泡中包含的是液体营养物质,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。,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,一、配制培养基的原则,目的明确,营养协调,理化条件适宜,经济节约,灭菌处理,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培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 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 MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.营养协调,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。,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。,b. 水活度,微生物一般在w为0.600.99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。,c. 氧化还原电位,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。,4. 经济节约,尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分。,5. 灭菌处理,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,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。,二、培养基的类型及应用,按成分不同划分,天然培养基,合成培养基,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,化学成分不详和化学成分已知的化合物配成的