微生物的营养.ppt

微生物细胞的化学组成微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养类型微生物对营养物质的吸收方式微生物的人工培养 微生物细胞的组成元素 微生物细胞化学组成 碳源氮源水无机盐生长因子 微生物的五大营养要素及其生理功能 凡能构成微生物细胞或代谢产物中碳架来源的营养物质都称为碳源 碳源 carbonsource 碳源功能 碳源种类 C素构成细胞及代谢产物的骨架C素是大多数微生物代谢所需的能量来源 碳源功能 无机C源 CO2 碳酸盐 只能被自养微生物利用有机C源 各种糖类 其次是有机酸 醇类 脂类和烃类化合物 碳源种类 微生物的碳源谱 微生物工业发酵中用做碳源的原料 传统种类 糖类 单糖 饴糖 淀粉 玉米粉 山芋粉 野生植物淀粉等 麸皮各种米糠等代粮发酵 纤维素 石油 CO2 H2 可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有 碳水化合物及其衍生物 19种脂肪酸 11种二羧酸 9种其它有机酸 12种伯醇 3种氨基酸 12种其它氮化合物 13种无氮环状化合物 9种 微生物不同 利用上述含碳化合物的能力不同 如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质 而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长 凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源 氮源 nitroginsource 氮源功能 氮源种类 为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料 氮源一般不做能源 只有硝化细菌利用铵盐 亚硝酸盐作氮源 同时也作能源 同时也做能源 氮源功能 分子态氮 固氮微生物以分子氮为唯一氮源无机态氮 硝酸盐 铵盐几乎所有微生物能利用有机态氮 蛋白质及其降解产物a速性氮源 实验室常用牛肉膏 蛋白质 酵母膏做氮源b迟速性氮源 生产用玉米浆 豆饼 葵花饼 花生饼等 氮源种类 微生物的氮源谱 定义 为微生物细胞生长提供碳 氮源以外的多种重要元素 包括大量元素和微量元素 的物质 多以无机盐的形式共给 大量元素 P S K Mg Ca Na Fe 微生物生长所需浓度在10 3 10 4mol L 微量元素 Cu Zn Mn Mo Co 微生物生长所需浓度在10 6 10 8mol L 一般微生物生长所需要的无机盐有 硫酸盐 磷酸盐 氯化物以及含有钠 钾 镁 铁等金属元素的化合物 无机盐功能 元素 人为提供形式 生 理 功 能 P KH 2 PO 4 K 2 HPO 4 核酸 磷酸和辅酶的成分 S MgSO 4 含硫氨基酸 含硫维生素成分 K KH 2 PO 4 K 2 HPO 4 酶的辅因子 维持电位差和渗透压 Na NaCl 维持渗透压 某些细菌和蓝细菌需要 Ca Ca NO 3 2 CaCl 2 胞外酶稳定剂 蛋白酶辅因子 细菌芽孢和真 菌孢子形成 Mg MgSO 4 固氮酶辅因子 叶绿素成分 Fe FeSO 4 Cyt 成分 合成叶绿素 白喉毒素和氯高铁血 红素所需 Mn MnSO 4 超 氧化物歧化酶 氨肽酶 L 阿拉伯糖异构酶 等的辅因子 Cu CuSO 4 氧化酶 酪氨酸酶的辅因子 Co CoSO 4 VB 12 复合物的成分 肽酶的辅因子 Zn ZnSO 4 碱性磷酸酶 脱氢酶 肽酶 脱羧酶辅因子 Mo NH 4 6 Mo 7 O 24 固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分 构成微生物细胞以C H O N P S六种元素为主 约占细胞干重的95 以上 Ca K Mg Fe为大量元素 以无机盐阳离子形式被吸收 配培养基进要加磷酸盐 硫酸盐 Zn Mn Co Mo等微量元素 在微生物培养中有0 1PPM就可以了 自来水原料中以够用 不需另加 无机盐种类 定义 是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大 但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成 或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质 不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同 生长因素 growthfactor 缺乏合成生长因子能力的微生物称为 营养缺陷型 微生物 最早发现的生长因子是维生素 目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用 维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶 需要量很少 但是缺少维生素微生物不能正常生长 有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶 所以不能合成生长所必需的氨基酸 这类微生物被称为 氨基酸缺陷型 例如 肠膜明串珠菌 leuconostocmesenteroides 常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长 另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分 例如某些乳酸杆菌生长需要核苷 某些酵母菌和真菌生长需要肌醇 某些肺炎球菌生长需要胆碱等 根据微生物对生长因子的需要存在差异 可分为 1 野生型 wildtype 原养型不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株2 营养缺陷型 auxotroph 由于自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定生长素物质才能生长的菌株 水 微生物细胞含水约占细胞鲜重的70 90 水作用是多方面的 水的功能 水活度的表示方法 是细胞中生化反应的良好介质 营养物质和代谢产物都必须溶解在水里 才能被吸收或排出体 细胞 外 水的比热高 能有效的吸收代谢过程中放出的热量 不致使细胞的温度骤然上升 维持细胞的膨压 控制细胞形态 水的功能 水在细胞中有两种存在形式 结合水和游离水 不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别 微生物可利用的水用水活度来表示 Qw Qw是指在相同的温度和压力下 溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an P溶液 P纯水在 w为0 60 0 99的环境条件均有微生物生长 但对某种微生物而言 它对 w的要求是一定的 微生物对水的需求有相当的变化程度 即微生物不同 其生长的最适 w亦不同 水活度的表示方法 几类微生物生长最适 w 营养类型 能源 氢供体 基本碳源 实 例 光能无机营养型 光 无机物 蓝细菌 紫硫细菌 光能自养型 绿硫细菌 藻类 光能有机营养型 光 有机物 2 红螺菌科的细菌 光能异养型 紫色无硫细菌 化能无机营养型无机物 无机物 CO 2 硝化细菌 硫化细 化能自养型 菌 铁细菌 氢细菌 硫磺细菌等 化能有机营养型 有机物 有机物 有机物 化能异养型 以上四种营养类型划分不是绝对的红螺菌既可利用光能 也可利用 黑暗 氢单胞菌是异养和自养的过渡型 称兼性自养型 自养与异养的区别不再能否利用CO2 而在于是否以CO2式 碳酸盐为唯一的碳源 自养型以无机碳化物为碳源 异养型虽然也可利用CO2 但必须在有机碳存在情况下 单纯扩散 simplediffusion 物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差 这种运输方式不消耗能量没有特异性 被运输物质不与膜上物质发生任何反应 物质不发生化学变化 物质运输动力是细胞外的浓度差 运输过程不消耗能量有膜载体参加 膜载体 渗透酶 有特异性 运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖 这种运输方式多发生在真核微生物 原核生物少见 促进扩散 facilitateddiffusion 主动运输 activetransport 被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内要消耗能量 必需有能量参加 有膜载体参加 膜载体发生构型变化被运送物质不发生任何变化 基团移位 grouptranslocation 需要磷酸酶系统进行催化被运输的物质发生化学变化 被磷酸化需要能量 运送机制 是依靠磷酸转移酶系统 即磷酸烯醇式丙酮酸 己糖磷酸转移酶系统 运送步骤 1 热稳载体蛋白 HPr 的激活细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 的磷酸基团把HPr激活 酶1PEP HPr丙酮酸 P HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白 结合在细胞膜上 具有高能磷酸载体的作用 2 糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合 再被转运到内膜表面 这时 糖被P HPr上的磷酸激活 并通过酶2的作用将糖 磷酸释放到细胞内 酶2P HPr 糖糖 P HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白 它对底物具有特异性选择作用 因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2 四种运输营养物质方式的比较 根据微生物对营养物质的需要 经过人工配置的适合微生物生长 繁殖或积累代谢产物的营养基质就称为培养基 培养基的主要用途为 促使微生物的生长与繁殖 用于微生物纯种的分离 鉴定和制造微生物制品等 培养基的类型 根据营养物质来源不同划分根据培养基的物理状态划分根据培养培养基的用途划分 合成培养基 由已知化学成分及数量的化学药品配置而成 天然培养基 采用化学成分还不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物 半合成培养基 以天然有机物为主要碳源 氮源及生长素的培养基中加入一些化学药品 以补充无机盐成分 使其更能充分微生物对生长的需要 Anexampleofachemically definedmediumforgrowthofaheterotrophicbacterium DefinedmediumforthegrowthofThiobacillusthiooxidans alithoautotrophicbacterium Aeratemediumintermittentlywithaircontaining5 CO2 Complexmediumforthegrowthoffastidiousbacteria 液体培养基用于生产固体培养基 液体培养基 2 琼脂 用于菌种保藏 纯种分离 菌落特征观察以及活细胞计数等方面半固体培养基 液体培养基 0 35 0 4 琼脂 多用于细菌有无动力的检查 基础培养基 minimummedium 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 selectivemedium 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 differentialmedium 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 EosinMethyleneBlue 加富培养基 enrichedmedium 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 伊红美兰乳糖培养基 EosinMethyleneblue G 菌受抑制 G 菌 能发酵乳糖产酸 不发酵乳糖不产酸 菌落无色透明 产酸力强 菌落呈紫绿色金属光泽 产酸力弱 菌落棕色 EnterbacterKlebsiellaHafniaSarrdia ProteusSalmonellaShigella E coli 试样 EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用 培养基的配制原则 培养基组分应适合微生物的营养特点 目的明确 营养物的浓度与比例应恰当 营养协调 物理化学条件适宜 条件适宜 根据培养目的选择原料及其来源 经济节约 保持无菌状态 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 常用的培养基 细菌培养基放线菌培养基真菌培养基 营养肉汤 高氏1号培养基 改良沙氏培养基 各类微生物的最适生长pH值各不相同 细菌 7 0 8 0放线菌 7 5 8 5酵母菌 3 8 6 0霉菌 4 0 5 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 pH 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Staphylococcusaureus则能在3mol LNaCl的高渗溶液中生长 能在高盐环境 2 8 6 2 LNaCl 生长的微生物常被称为嗜盐微生物 Halophiles 渗透压 氧化还原电势 各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求 好氧微生物 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