《微生物的营养》PPT课件.ppt

第5章 微生物的营养,这里的营养不是通常意义营养物、营养品概念，在这里指微生物吸取生长所需的各种物质以进行新陈代谢的过程。营养是生物新陈代谢的基础，代谢是生命活动的表现。,5.1 微生物的营养及类型 研究微生物所需要的营养物质及其作用，将有助于探明微生物的生长繁殖规律，为菌种选育、提高工程质量提供理论依据。 微生物所需营养物质的种类、数量与细菌细胞的化学组成、营养类型和代谢遗传特性等有关。,微生物从环境中摄取的营养物质，以有机物、无机盐及气体分子为微生物所利用。这些营养物主要包括碳源(碳素化合物)、氮源(氮素化合物)、无机盐、生长素及水分等。,这些物质的生理功能归纳起来包括以下几个方面： 构成微生物细胞的结构成分； 提供微生物生命活动所需要的能量； 具有代谢调节作用； 微生物代谢产物的来源。,5.1.1 微生物细胞的化学组分,微生物细胞中最重要的组分是水，约占细胞总重量的80，一般为7090。其它1020为干物质。 干物质是指微生物在110状态下烘干恒重后的残余物质。,干物质中有机物占90左右，其主要化学元素是C、 N 、 O 、 H 、P、S。 构成的化合物包括四大物质糖、脂类、蛋白质、核酸以及微量的维生素、抗生素等物质； 另外约10为无机盐分(或称灰分)。,干物质的化学组成比例，不同的微生物相差较大，百分比组成大体为蛋白质：糖：核酸：脂肪：灰分=5094%：1228%：428%：0.436%：114%。灰分中的无机物包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Cl和微量元素Cu、Mn、Zn、B、Mo、Co、Ni。等。研究微生物化学组成的一个重要的用途是为人工培养细菌时提供合理的营养物配比方案。不同微生物，其化学组成有着较大的差异。同时同一细菌的不同生长阶段时的化学组成也在发生变化,微生物的化学成分按照功能的不同主要有：碳源、氮源、无机盐、生长素和水等。,5.1.2 营养物质及其生理功能,5.1.2.1 碳源,凡能供给细胞碳素营养的物质，称为碳源。碳源的作用是构成细胞的含碳物质(碳骨架)。例如，糖类、脂肪、氨基酸、蛋白质、脂肪酸、丙酮酸、柠檬酸、淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、木质素， 醇类、酸类、烷烃类、芳香族化合物(如酚、奈、菲及蒽等)、氰化物(如氰化钾、氰氢酸和丙烯睛)，各种低浓度的染料等。,少数细菌还能以简单的无机碳化合物CO2和碳酸盐或十分复杂的有机物作为碳源。 自然界蕴藏着丰富的碳源，细菌最好的碳源是糖类，尤其是葡萄糖、蔗糖，它们最易被微生物吸收和利用。 细菌细胞中的碳素含量相当高，占干物质质量的50左右。可见，细菌对碳素的需求量最大。,5.1.2.2 氮源,凡是能够供给细菌氮素营养的物质称为氮源。氮源包括无机氮（ N2、 NH3、铵盐、硝酸盐）、有机氮（尿素、氨基酸和蛋白质）等。氮源是细菌合成蛋白质的原料。极端情况下(如饥饿状态)，有机氮源也可为细胞提供生命活动所需的能量。,不同种类的微生物对各种含氮化合物的利用能力不同。大多数细菌、真菌和某些放线菌能降解有机含氮化合物；某些细菌能利用铵盐或硝酸盐等无机含氮化合物。,实验室常用的无机氮源物质主要有碳酸铵、硫酸铵、硝酸盐、氨等；有机氮源物质有蛋白质、牛肉膏、蛋白胨、氨基酸、酵母膏、黄豆饼粉、鱼粉、蚕蛹粉、花生粉及玉米粉浆等。,牛肉膏是牛肉浸出液的浓缩物，各有丰富的可溶性氮化合物、维生素及无机盐等，广泛用于细菌培养。 蛋白胨是由酪素、兽肉及大豆蛋白经胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶的水解作用而制成，依所用原料和蛋白水解酶的不同而不同。 酵母膏系面包酵母或啤酒酵母在低温下的自溶浸出汁，经低温真空蒸发而成，富含有氨基酸、维生素、无机盐等，被广泛用于微生物的培养。,3）需要以某种氨基酸作为氮源的细菌 这类细菌叫氨基酸异养细菌。如乳酸细菌、丙酸细菌等。它们不能利用简单的无机氮化物合成蛋白质，而必须供给某些现成的氨基酸才能生长繁殖。,4）以蛋白质作为氮源的细菌 这类细菌包括氨化细菌及一些腐败细菌，它们都有分解蛋白质的能力，产生NH3、氨基酸和肽，进而合成细胞蛋白质,无机盐是微个物生长不可缺少的营养物质，其主要作用是： 组成菌体成分; 构成酶的组成部分或维持酶的活性; 调节渗透压; 调节pH值及氧化还原电位; 作为某些微生物的能源。,5.1.2.3 无机盐,无机盐主要指细胞内存在的一些金属离子盐类。 依据微生物对矿质元素需要量的大小，分为主要矿质元素和微量矿质元素。前者有磷、硫、钾、镁、铁、钙；后者有铜、锰、钼、钴、锌等。,（1）磷,磷是微生物细胞合成核酸、核蛋白、磷脂、辅酶I(NAD)、辅酶(NADP)、辅酶A及其他含磷化合物的重要元素； 磷在糖代谢磷酸化过程中起关键性作用； ATP中的高能磷酸键在能量贮存和传递中起重要作用； 磷酸盐是重要的缓冲剂，能调节pH。,（2）硫 硫是多种重要物质，如蛋白质、酶、维生素等的组成成分，许多硫细菌以无机化物（硫酸亚铁、硫酸镁等）为硫源。常用的硫化合物有(NH4)2SO4和MgSO4。,(3)钾、钠、钙 这三种元素与原生质的胶态及细胞膜的透性有关。钾对某些酶具有激活作用；钠的主要作用是维持细胞的渗透压；钙具有调节pH值、降低细胞膜透性等作用。钾和钙都不参与微生物细胞结构物质的组成。常用的钾有KH2PO4钙化合物有CaCl2和钠有NaCl。,（4）镁 镁具有以下作用： 参与某些酶(如磷酸化酶、烯醇化酶)的活化； 与革兰染色有关，镁与核糖核酸结合成复合物存在于革兰染色阳性细菌体表； 镁参与细菌的光合作用，它是细菌叶绿素的组成成分。培养微生物常用的是硫酸镁。,（5）铁 铁是过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素、细胞色素氧化酶等的组分。 铁是铁细菌的能源。铁细菌在氧化铁的过程中获得能量。 铁是细胞色素和铁氧化还原蛋白的氧化还原反应中必不可少的电子载体，在电子传递体系中起至关重要的作用。,例,缺铁对大肠杆菌的影响表现在两方面： 影响酶的合成 若大肠杆菌缺铁，就不能合成甲酸脱氢酶，也就不能催化甲酸分解为H2和CO2。这样，分解葡萄糖时，只产酸不产气。 影响细胞分裂 大肠杆菌在分裂时若缺铁，则其核物质只增长、延长而不分裂，整个细胞呈丝状生长。若在污水生物处理中大肠杆菌出现丝状生长，就会引起活性污泥丝状膨胀，造成活性污泥在二沉池中的沉淀效果差，活性污泥随水流失，影响出水质量。,（6）微量元素,微量元素是微生物维持正常生长发育所必需的，但却极其微量。包括锰、锌、钴、镍、铜、银、钒、碘、溴、硼等。 它们极微量就可刺激微生物的生命活动。许多微量元素是酶的组分，或是酶的激活剂。锰是黄嘌呤氧化酶的组分；铜是多酚氧化酶、乳糖酶及抗坏血酸氧化酶的组分；钴参与维生素B12的组成；锌是乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的激活剂；铜与钒促进固氮作用。,细菌对微量元素的需求量极小，过量的微量元素会引起细菌中毒。 微量元素之间有协同作用，也有拮抗作用。例如，铁、锌和锰可促进铜的作用，锰却抵消锌的促进作用。单独一种微量元素过量，其毒性更大。 因这些元素的需求量极小，培养微生物时其他营养物(如天然有机物、无机物化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿等)中的含量就能满足其需要。不需专门另加。,5.1.2.4 水 水分是最重要的组分之一，也是不可缺少的化学组分。水在微生物细胞内的存在有两种状态：自由水和结合水。自由水含量占绝对优势，水作为细菌营养物的作用主要是自由水的作用，自由水生理作用主要有以下几点：,（1）溶剂作用 所有物质都必须先溶解于水，然后才能参与各种生化反应，溶于水的物质可以自由移动，以分子形式相互发生碰撞，接触充分，有效碰撞几率大为提高，可以较好地发生各类反应。,（2）是渗透、分泌、排泄的重要媒介； （3）微生物新陈代谢的每一步反应都必须有水才能 进行； （4）维持和调节一定的温度； 细胞内的水对于维持和调节细菌温度的原理与海洋对于地球温度的调节是完全相同的。,保持足够的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素； 微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、鞭毛等的组装与解离。,5.1.2.5 生长因子,我们把除常规的营养物质以外，微生物在生长过程中不能自身合成的，必需由外界供给的营养物质，叫做“生长因子”。根据化学组分的不同，生长因子可分为3类：嘌呤、嘧啶类、维生素类。嘌呤和嘧啶进入细胞后，先转变为核苷和核苷酸，进而参与合成核酸和辅酶。 维生素则辅助酶催化作用。,多数异养细菌及自养细菌都有合成生长因子的能力。只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才能生长，如乳酸细菌需要多种维生素，因此只能生活在这些物质供应充足的牛奶中。 上面介绍了微生物的一般细胞组分和营养要求。在实际应用中还应注意不仅不同的微生物，营养要求不同，同一微生物在不同生长条件下的营养要求也会不同。,5.1.3 微生物的营养类型,微生物的营养类型通常是依据碳源、能源及电子供体的不同来划分的。 只根据碳源的不同将其分自养型和异养型； 只根据能源的不同分为光能营养型和化能营养型； 只根据电子供体的不同分为无机营养型和有机营养型。,对微生物所需要的碳源、能源及电子供体同时考虑时，可将微生物分为无机光能自养型、有机光能异养型、无机化能自养型、有机化能异养型四种营养类型。,（1）无机光能自养型,光能自养微生物利用阳光(或灯光)作为能源，依靠体内的光合色素，将无机碳源CO2等转化为有机物，构成自身细胞物质。这类微生物种类很少，常见的有绿硫细菌、红硫细菌和蓝细菌等 例如绿硫细菌代谢方式 光照 CO2 + H2S CH2O + H2O + 2S 菌绿素,（2）有机光能异养型,光能异养型微生物是以光为能源，以简单有机物（甲酸、乙酸、丁酸、甲醇、异丙醇、丙酮酸和乳酸）作为碳源与供氢体，还原CO2，合成复杂有机物的一类厌氧微生物，也称为有机光合微生物。这类微生物种类稀少，主要有阳光细菌和紫色非硫细菌，以甲醇作为碳源的光能异养生化反应式为 光能 2CH3OH + CO2 3CH2O + H2O 甲醇,类比：,（3） 无机化能自养型,化能自养微生物不具有光合色素，不能进行光合作用，能量来自于细胞内S、H2S、H2、NH3、Fe等物质氧化时释放的化学能，微生物使化学能通过耦联的氧化磷酸化作用形成ATP，ATP的能量再被并用于同化CO2。化能自养细菌有亚硝化细菌、硝化细菌、好氧的硫细菌(硫化细菌和硫磺细菌)及铁细菌。 例如，亚硝化细菌进行有机物合成反应如下 2NH3 + 2O2 HNO2 + 4 H + 619千焦耳 ATP CO2 + 4 H CH2O + H2 O,化能异养菌是一群依靠氧化有机物产生化学能而获得能量的细菌。绝大多数的细菌都属于化能异养菌。对于化能异养菌，有机碳化合物既是碳源又是能源。,（4）有机化能异养型,化能异养微生物根据生活方式的不同有腐生型、兼性腐生型或兼性寄生型和寄生型之分，腐生菌依靠分解死亡或腐烂的有机物生活，在微生物中占绝大多数，后者寄生在其他生物体内必须依靠活细胞或组织提供的有机物生存。这类细菌比较少见，这种方式是大多数病毒的生活方式。兼性类型是既可在活体内。又可在死的有机物上生长的微生物，这类微生物占的比例较大。 微生物营养类型的划分只是相对的，各营养类型之间的界限不是绝对的。,5.2 培养基 5.2.1 培养基的概念,培养基是水、碳源、氮源、无机盐及生长因子等细菌及其它微生物营养物质的合理配制物，供微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。可用于微生物的鉴定、分离，环境微生物的检验、废水、固体废物处理机理的研究等。,5.2.2 培养基配制的原则,从经济合理角度出发培养基配制的原则可以用“有的放矢、营养协调、条件适宜、经济节约”这16个字概括。 （1）有的放矢 有的放矢就是根据不同微生物的营养需求进行配置。不同的微生物培养基配方是不同的。如自养细菌有较强的生物合成能力，所以他们的培养基完全由无机盐组成。,如化能自养菌氧化硫杆菌的培养基为 粉末状硫 10g KH2PO4 4g MgSO4 0.5g CaCl2 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g 水 1000mL,异养细菌的生物合成能力较弱，所以培养基中至少有一种有机物，通常是葡萄糖，如一种大肠杆菌培养基配方为 葡萄糖 0.5g K2HPO4 1g MgSO4 0.2g NaCl 5g NH4H2PO4 0.4g 水 1000mL 各种细菌的培养基配方，可以通过查阅细菌鉴定手册获得。,（二）营养协调 营养协调是指培养基应该含有维持微生物最适生长的一切营养物质，并且要保持营养物的比例协调，主要是C:N:P的比例，同时生长因子投加也应适量，过犹不及，生长因子过量也会妨碍微生物的正常生长。,碳氮磷比,不同种类细菌生理代谢方式上存在差异，因此营养需求中的碳氮磷比也不相同。根瘤菌要求碳氮比为115：1，固氮菌要求碳氮比为276：1，土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1；污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥)要求碳氮磷比为BOD5：N：P100：5：1，厌氧消化污泥中的厌氧微生物群体对碳氮磷比要求BOD5：N：P100：6：1；,有机固体废物、堆肥发酵要求的碳氮比为30：1，碳磷比为(75-100)：1。为了保证污(废)水生物处理和有机固体废物生物处理的效果，要按碳氮磷比配给营养。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。但有的工业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补足。,（三）条件适宜 微生物生长除了取决于营养因素外，还受pH、氧气、氧化还原电位等物理化学因素的影响，同时微生物生长又会影响这些环境条件，为使微生物良好的生长、繁殖，必须创造尽可能适宜的生长条件。,无论哪种微生物都有其正常生长与繁殖的最适pH值条件。细菌和放线菌喜偏碱环境，其最适pH值为7.07.5；酵母和霉菌喜偏酸环境，其最适pH值为4.56.0。 各种微生物生活所需要的氧化还原电位不同。一般好氧微生物要求E在0.30.4V，E值在0.1V以上均可正常生长；厌氧微生物需要E值在0.1V以下才能生活,（四）经济节约 培养基应尽量做到价廉物美，尤其是在工业化培养中更要注意培养基配制的经济节约，在保证良好细菌生长的前提下，应该本着以下几个原则“以粗代精”、“以野代家”、“以简代繁”、“以烃代粮”、“以国产代进口”。,（五） 灭菌方法的选择 通常采用高压蒸汽灭菌法，一般培养基需要1.05kg/cm2，121.3，灭菌1530min，即达到目的。 有些不耐热的物质会因长时间的高温而被破坏。如糖类物质易形成焦糖和氨基糖，故含糖培养基通常采用0.56kg/cm2，112.6，灭菌1530min。,5.2.3 培养基的类型及应用,5.2.3.1 按对成分是否了解分为三类 根据化学组分的不同，培养基可以分成天然培养基、合成培养基和半合成培养基。,（1） 天然培养基,用天然有机物配制而成的培养基叫天然培养基，也称非化学限定培养基。 天然培养基中各成分是动物、植物或微生物的提取物。例如，常用的细菌肉汤培养基 牛肉膏 3g 蛋白胨 5g 水 1000mL pH 7.27.4,培养酿酒酵母菌的麦芽汁以及土壤浸出液、玉米粉、牛奶也都是此类似的天然营养混合物。,天然培养基的优点是取材方便、营养丰富、种类多样、配制容易。缺点是组分不清楚，各厂家产品及同一厂家不同批次的质量波动较大，故配制的不同批次的培养基容易出现成分上的不稳定，对试验结果产生有一定影响。纯天然培养基种类较少，选择培养性较差。,（2）合成培养基 用纯化合物配制而成的培养基叫合成培养基，又称为化学限定培养基。 合成培养基中的各成分是己知结构的纯化学物质(化学试剂)。如化能自养菌氧化硫杆菌的培养基以及大肠杆菌培养基都是典型的合成培养基。,这类培养基的优点是成分精确，重复性好，利于保持培养基组分的一致。它缺点是价格较贵，配制繁杂。往往多用于细菌的营养、代谢、生理生化、遗传育种等等方面的研究。合成培养基的获取是经过反复试验后的最佳结果，相比而言业已清楚的合成培养基比较少，由于很多细菌营养需求较为复杂，他们的培养常常使用天然培养基或半合成培养基。,（3）半合成培养基 半合成培养基的成分中既有纯化学物，又有天然的有机营养物，它的优缺点介于前两者之间，稳定性较好，配制较为方便，价格适中，选择性较好，因而使用较广。,5.2.3.2 根据物理状态分三类,依据物理状态的不同，培养基可分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基三种。 （1）液体培养基 呈液态的培养基称为液体培养基，它广泛用于微生物实验和生产，水处理中被处理的对象废水也可看作是一种广义的液体培养基。我们同样应按照培养基配制的原则分析废水营养成分，合理投加缺乏的营养物，使细菌等微生物能在最佳状态下大量生长，从而净化废水。,（2）半固体培养基,如果在液体培养基中加入0.2%0.7的琼脂，就会制成流动性介于固体与液体之间的半固体培养基，半固体培养基中可以融入少量的溶解氧，因此这种培养基常被用于培养在较低氧浓度环境下才能最佳生长的细菌。,（3）固体培养基,外观呈固体状的培养基称固体培养基，一般向液体培养基中加入2左右的琼脂，加热至100，然后冷却并凝固就制成了固体培养基。 琼脂又称洋菜，是由某些红藻（如石花菜）制成的，主要成分是半乳聚糖，其分子量大，呈网状粘着力强，溶解温度为96，40凝固，是一种天然的凝固剂。,同时琼脂没有什麽营养价值，不能被绝大多数微生物利用分解液化； 同时经过高压灭菌结构不被破坏，且颜色透明不妨碍观察； 多数微生物在琼脂培养基表面生长并形成一个一个分离的菌落，很容易分离； 因而琼脂平板在微生物的培养研究应用极为广泛。,常用的主要有三种：琼脂、硅胶和明胶。理想的凝固剂应具备以下条件： 不被微生物分解利用； 在微生物生长温度范围内能保持固体状态； 凝固点的温度不应太低，否则将会影响微生物的生长 凝固剂对所培养的微生物无毒副作用； 凝固剂不会因培养基灭菌而遭破坏； 透明度好，黏着力强； 便宜且使用方便。,除了这类人工配制的固体培养基外，还有一些天然的固体培养基。天然的固体培养基用某些天然物质制成，如土豆块就是一种常用的天然固体培养基。培养真菌的麸皮、大米也都属于天然固体培养基。,5.2.3.3 根据培养基用途,根据培养基用途的不同，培养基可分成以下4类：基础培养基、选择性培养基，鉴别培养基和加富培养基。 （1）基础培养基 虽然各种微生物有不同的营养要求，但大多数微生物所需要的基本营养物质都是共同的。基础培养基指含有一般微生物生长繁殖所需要的基本营养物质的培养基。,（2）选择性培养基 选择性培养基是按照某种或某些细菌的特殊营养要求而专门设计的培养基。其特点是可使分离样品中的细菌得到选择性的生长和分离。水处理工程中各类具有特殊降解性能的细菌都是经过这种选择性培养被筛选分离出来的。 选择性培养基有两种制备思路：,营养选择培养基 此类培养基只是根据微生物的生理差异。对所需要的特殊营养而设计的。 例如欲分离降解纤维素的细菌可以设计只投加纤维素作为培养基的唯一碳源，这样只有分解纤维素的细菌才能生长，藉此就很容易分离得到分解纤维素的细菌。,抑制选择培养基,加入不妨碍目的细菌而抑制非目的细菌生长的物质。常用的抑制物质为染料、胆汁酸盐、金属盐类、酸、碱和抗生素。 例如欲分离产甲烷菌，培养基中通常加入除甲烷菌以外其他细菌生长的抗生素，如青霉素（由于产甲烷菌的细胞壁不同于普通细菌，因而不会被对破坏普通细菌细胞壁结构的青霉素杀死），甲烷菌就唯一分离并存活下来。,（3）鉴别培养基,鉴别培养基是指在培养基中加入某种化学物质，某种微生物在这种培养基中生长后，产生某种代谢产物，这种代谢产物可以与培养基中加入的化学物质起反应，产生明显的特征性变化，依据此特征性变化将该微生物与其他微生物相区别的培养基称为鉴别培养基。,鉴别培养基是根据细菌对培养基中某一成分分解的生化反应特性，加入指示剂，通过培养过程中指示剂的颜色变化直接判断细菌种类的培养基。水处理中常用的远藤氏培养基就是典型的鉴别培养基。它被用于化验饮用水中是否含有大肠杆菌，以及它们的种类。,这种培养基中含有被亚硫酸钠还原变为无色的碱性品红染料（指示剂），同时培养基中的碳源为乳糖。大肠菌群中的大肠埃希氏菌、枸橼酸盐杆菌、产气杆菌、副大肠杆菌等均能在远藤氏培养基上生长，但它们对乳糖的分解能力不同：前三者能分解乳糖，乳糖分解的产物乙醛会与亚硫酸钠反应，品红从又被氧化，产生颜色。但三者分解能力有强有弱，大肠埃希氏菌分解能力最强，菌落呈紫红色带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，菌落呈紫红或深红色；产气杆菌，第三，菌落呈淡红色。副大肠杆菌不能分解乳糖，菌落无色透明。这样，这四种菌被鉴别区分开来了。常用的鉴别培养基还有醋酸铅培养基、伊红美蓝(EMB)培养基等。,（4）加富培养法 这种方法是在培养基中加入大量目的细菌特别需要的营养物质，使他们大量生长，这种培养基又叫“加富培养基”。用于加富的营养物质通常是被富集的目的细菌专门需要的碳源和