微生物的营养类型.ppt

微生物的营养微生物的营养 类型类型 微生物的营养类型微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质（碳源），可将生物 分成两种基本的营养类型 异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质 自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 动物属于异养型生物，植物属于自养型，而微生物既有 异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数 微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型 化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长 光能营养型生物：依靠光能进行生长 动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质 的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型 生物 按供氢体分 无机营养型生物； 有机营养型生物： 营养类型 光能自养型微生物 以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如 硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2 还原成细胞物质，同时产生元素硫 光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O 光合色素 光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细 菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有 光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），供机体 直接利用。 光能异养型微生物 以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作 为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中 的一些细菌属于此种营养类型。 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素 光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子 利用光能，以简单有机物（醇、有机酸 ） 为供氢体同化CO2 CH3 光能 CO2+2CH2-CHOH-CH2O+2CH3COCH3+H2O 菌绿素 例：红螺菌属（Rhodospirillum） 光能异养型微生物 化能自养型微生物 以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无 机物氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体 如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使 CO2还原成细胞物质。 这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、 氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程 中起着重要的作用。 通过氧化无机物取得能量，并以 CO2为唯一或主要碳源 1. 硝化细菌: 亚硝化细菌 2NH4+ +3O22NO2- +2H2O + 4H+132Kcal 硝化细菌 NO2- +1/2O2 NO3- +18.1 Kcal 三、化能无机营养型 2. 硫化细菌: 通过氧化还原态的无机 硫化物（H2S、S、 S2O32- 、SO32-）获 得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属） H2S + 1/2 O2 S +H2O + 50.1 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal 3. 铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化 CO2 2Fe2+1/2O2+2H+ 2Fe3+H2O+21.2 Kcal 4. 氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能 量，同化CO2 H2+ 1/2 O2 H2O + 56.7 Kcal 化能异养型微生物 多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能 量和碳源通常来自同一种有机物。 根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可 以将其分为下列两种类型： 腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为 生长的碳源。 寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生 体内获得生长所需要的营养物质。 存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物， 称为兼性腐生型或兼性寄生型。 Major nutritional types of microorganisms Nutritional TypeEnergy Source Carbon Source Examples PhotoautotrophsLightCO2 Cyanobacteria, some Purple and Green Bacteria PhotoheterotrophsLight Organic compoun ds Some Purple and Green Bacteria Chemoautotrophs or Lithotrophs (Lithoautotrophs) Inorganic compounds, e.g. H2, NH3, NO2, H2S CO2 A few Bacteria and many Archaea Chemoheterotrophs or Heterotrophs Organic compounds Organic compoun ds Most Bacteria, some Archaea 自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生 活的微生物 异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能 满足其正常营养要求的微生物（即 其碳源必须是有机物，供氢体是有 机物，能源可以是氧化有机物活利 用日光能） 关于营养类型的定义 ： 第四节 培养基(medium) 定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合 于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基 质（混合养料）。 特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营 养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭 菌。 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；制备微生物制品 一、培养基的配制原则 （一）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确） （二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调） （三）物理化学条件适宜（条件适宜） （四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约） （一）培养基组分应适合微生物的营养特点 即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。 不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。 如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机 物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质 ，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。 按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也 不同： 细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基 LB (Luria-Bertani) 放线菌： 高氏一号培养基 真菌： 查氏合成培养基 PDA (Potato-Dextrose-Agar) 酵母菌； 麦芽汁 当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱法进行测定。 （二）营养物的浓度与比例应恰当 浓度过高微生物的生长起抑制作用， 浓度过小不能满足微生物生长的需要。 碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物 的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重 要指标； 速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例 碳源中的碳原子的mol数 氮源中所含的氮原子的mol数 C/N比值= 例：谷氨酸生产中 C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少； C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加 。 （三）物理化学条件适宜 （1）pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同： 细 菌：7.08.0放线菌：7.58.5 酵母菌：3.86.0霉 菌：4.05.8 在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用 和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改 变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两 种方式： 内源调节：在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 （三）物理化学条件适宜（续） 磷酸缓冲液：pH值从6.07.6之间 K2HPO4+HCl KH2PO4+KCl KH2PO4+KOH K2HPO4+H2O 加入CaCO3： CO32 HCO3 H2CO3 CO2+H2O +H+ H +H+ H 培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用 。 （2）渗透压和aw 渗透压 等渗溶液 适宜微生物生长 高渗溶液 细胞发生质壁分离 低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂 大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如 Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶 液中生长。能在高盐环境（2.86.2/L NaCl）生长的 微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。 （3）氧化还原电势(redox poyential) 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 培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的Eh值仅 代表其综合结果。 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。 （四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源 该培养基的应用目的，即： 是培养菌体还是积累代谢产物？ 是实验室种子培养还是大规模发酵？ 代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？ 用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳 氮比低）； 用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基 稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基 的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入 特殊元素或特定的代谢产物； 当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各 成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉 的原料，提倡 以粗代精，以废代好。 1.生态模拟 调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，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 二、设计培养基的方法（续） 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 高压蒸气灭菌 一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3, 15-30 min 含糖培养基: 0.56 Kg/cm2, 112.6 , 15-30 min 过滤灭菌, 分别灭菌, 间歇灭菌的应用 附2：培养基的灭菌 附图：过滤灭菌 附3：器皿的灭菌及无菌室的消毒 器皿的灭菌： 干热空气： 160， 2 小时 无菌室的消毒： 紫外光 化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛） 三、培养基的类型及其应用 -1 根据所培养微生物的微生物类群来分 细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基 -2 根据培养目的来分 种子培养基(seed culture medium)是为保证发 酵生产获得大量优质种子而设计的培养基，特点是营养较丰富，氮 源比例较高。有时为使菌种能迅速适应后面的发酵条件，还有意识 地加入发酵培养基的基质。 发酵培养基(fermentation medium)用于生产预 定发酵产物，一般以碳为主要元素，碳源含量往往高于种子培养基 。大规模生产时，原料应价廉易得，还应有利于下游的分离提取。 -1 细菌培养基营养肉汤（nutrient broth)： 牛肉膏 3g； 水 1000ml； 蛋白胨 5g ； pH 7.27.4 放线菌培养基高氏1号： 可溶性淀粉 20g； KNO3 1g; K2HPO4 1g MgSO4 0.5g NaCl 1g; FeSO47H2O 0.5g 水 1000ml; pH 7.27.4 霉菌培养基查氏（zapek)培养基： 蔗糖 30g; KCl 0.5g; MgSO4.H2O 0.5g; FeSO4 0.5g 水 1000ml; K2HPO4 1g; NaNO3 3g; pH 6.7 酵母菌培养基麦芽汁培养基 味精生产菌北京棒状杆菌AS1299的一级种子（用摇床培养） 培养基配方： 葡萄糖 3% 玉米浆 2.53.5% 尿素 0.30.5% K2HPO4 0.10.2% MgSO4 0.05% 二级种子（1200升发酵罐）培养基配方：以水解糖3%代 替葡萄糖3%，其他成分相同。 -3 按对培养基成分的了解程度来分 天然培养基(complex medium)：也称作chemically undefined medium。利用化学成分还不完全清楚或不恒定的天 然物质，（如肉汤、蛋白胨、麦芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米 粉、牛奶、血清等）制成的培养基，天然培养基比较经济，除 实验室经常使用外，更适宜于在生产上用来大规模地培养微生 物和生产微生物产品。 合成（组合）培养基(synthetic medium)：也称作chemically defined medium. 由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基 ，该类培养基的组成成分精确、清楚，重复性强，但微生物生 长较慢，且价格昂贵，故一般适于在实验室范围内他有关研生 物营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传 分析等方面的研究工作。如高氏培养基、察氏培养基等. 半组合培养基(semi-defined medium)：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 -4 按制备后培养基外观的物理状态来分 液体培养基(liquid medium)：液体培养基不含任何凝 固剂，菌体与培养基充分接触，操作方便，常用于大规模 的工业生产以及在实验室进行微生物生理代谢等基本理论 的研究工作。可据培养后的浊度判断微生物的生长程度. 固体培养基(solid medium)：天然固体营养基质制成 的培养基，或液体培养基中加入一定量凝固剂（琼脂1.5 2)而呈固体状态的培养基。为微生物的生长提供营养表 面。常用于微生物的分离、纯化、计数等方面的研究。可 依使用目的不同而制成斜面、平板等形式. 半固体培养基(semi-solid medium)：在液体培养基中 加入0.2-0.7的琼脂构成的培养基。常用来观察细菌运动 的特征，以进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验 工作。 1.不被微生物分解、利用、液化； 2.不因消毒灭菌而被破坏； 3.在微生物的生长温度内保持固态 ； 4.凝固点的温度对微生物无害； 5.透明度好，粘着力强 理想凝固剂应 具备的条件 -5 按特殊用途划分 基础培养基(minimum medium): 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； 另外基础培养基也可作为一些特 殊培养基的基础成分（如制备糖发酵培养基时）. 选择性培养基(selective medium)：是根据某种或某一类群微生 物的特殊营养需要，或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的 一类培养基。利用这种培养基可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. 鉴别性培养基(differential medium)：用于鉴别不同类型微生物 的培养基，在普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指 示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同 的微生物，例：伊红美兰乳糖培养基（Eosin Methylene Blue） 加富培养基(enriched medium)：在普通培养基中加入某些特殊 的营养物，如血、血清、动、植物组织液或其他营养物质（或生 长因子）的一类营养丰富的培养基。用来培养营养要求苛刻的微 生物，或用以富集（数量上占优势）和分离某中微生物. TYPES OF CULTURE MEDIA TYPE PURPOSE Chemically definedGrowth of chemoautotrophs and photoautotrophs, and microbiological assays. Complex Growth of most chemoheterotrophic organisms. Selective Suppression of unwanted microbes; encouraging desired microbes. Differential Differentiation of colonies of desired microbes from others. Enrichment Similar to selective media but designed to increase numbers of desired microbes to detectable levels. Table 4a. Minimal medium for the growth of Bacillus megaterium. An example of a chemically-defined medium for growth of a heterotrophic bacterium. ComponentAmountFunction of component sucrose10.0 gC and energy source K2HPO42.5 gpH buffer; P and K source KH2PO42.5 gpH buffer; P and K source (NH4)2HPO41.0 gpH buffer; N and P source MgSO4 7H2O0.20 gS and Mg+ source FeSO4 7H2O0.01 gFe+ source MnSO4 7H2O0.007 gMn+ Source water985 ml pH 7.0 Table 4b. Defined medium for the growth of Thiobacillus thiooxidans, a lithoautotrophic bacterium. ComponentAmountFunction of component NH4Cl0.52 gN source KH2PO40.28 gP and K source MgSO4 7H2O0.25 gS and Mg+ source CaCl2 2H2O0.07 gCa+ source Elemental Sulfur1.56 gEnergy source CO25%*C source water1000 ml pH 3.0 * Aerate medium intermittently with air containing 5% CO2. Table 5a. Complex medium for the growth of fastidious bacteria ComponentAmountFunction of component Beef extract1.5 gSource of vitamins and other growth factors Yeast extract3.0 gSource of vitamins and other growth factors Peptone6.0 gSource of amino acids, N, S, and P Glucose1.0 gC and energy source Agar15.0 gInert solidifying agent water1000 ml pH 6.6 Table 5b. Selective enrichment medium for growth of extreme halophiles. ComponentAmountFunction of component Casamino acids7.5 gSource of amino acids, N, S and P Yeast extract10.0