微生物的营养ppt课件.pptx

第五章微生物的营养 主要内容 微生物细胞的化学组成微生物营养类型及所需营养物质微生物获得营养的途径培养基的类型及配置原则 第一节微生物细胞的化学组成 一 元素组成主要元素 碳 氢 氧 氮 硫 磷 钾 镁 钙 铁 氯等微量元素 铜 锌 锰 钼 硒 钴等其中C H O N S P六种元素占微生物细胞干重的97 二 化学组成 细胞重量 湿重 水70 90 干物质10 30 无机盐3 10 有机物90 97 碳水化合物蛋白质脂肪DNARNA等 元素组成 化学组成 无机盐 糖类 脂肪 蛋白质等 含水量 鲜重 干重 鲜重 细胞表面水分吸干后的重量为湿重 为80 下烘干一定时间后的恒重 根据微生物元素组成分析数据 得出化学组成实验式 细菌和酵母菌C5H8NO2 霉菌C12H18NO7真菌C10H17NO6 藻类C5H8NO2 原生动物C7H14NO3不同类群比例不同同一类群 环境条件不同比例不同 三 元素比例 第二节微生物的营养物质 营养 营 谋求 养 养生 营养 谋求养生指微生物摄取 消化 吸收和同化能量和物质以满足正常生长和繁殖需要的过程 营养物 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 供物 提供置换与增生细胞的结构物质 供能 供应生命活动的能量 调节 提供各种代谢调节物 确保良好的生理环境等 第二节微生物的营养物质 微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为 1 碳源2 氮源3 无机盐4 生长因子5 水 概念 为微生物提供碳元素来源的物质 包括 各种天然含碳有机化合物以及无机碳 CO2和碳酸盐 等 作用 构成细胞物质 提供生理活动所需的能量 异养微生物 双功能营养物 碳源 能源 1 碳源 概念 指能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源 作用 合成细胞中的含氮物质 提供生理活动所需的能量 在缺糖条件下 某些厌氧细菌能以氨基酸为能源物质 三功能营养物 氮源 碳源 能源 2 氮源 按对氮源的要求不同 微生物可分为 固氮微生物利用空气中的N2合成自身所需的氨基酸及蛋白质代表 根瘤菌 固氮蓝菌 固氮菌氨基酸自养微生物 不需要直接从外界吸收现成的氨基酸作氮源 它们可把尿素 氨 铵盐 硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成需要的一切氨基酸 代表 亚硝化菌 硝化菌 放线菌 霉菌等氨基酸异养微生物 需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源 代表 乳酸菌 丙酸细菌等 定义 为微生物提供除碳 氢 氧 氮以外的各种重要生物必需元素营养物的统称 根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成 3 无机盐 大量元素 生长所需浓度为10 3 10 4mol L的元素 包括P S K Na Mg Ca Fe等 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 如 锌 锰 钼 硒 钴 铜 钨 镍 硼等 作用 构成酶的组分和维持酶活性 铁 过氧化物酶等的组分 钙 蛋白酶的激活剂 构成细胞组分 磷 核酸 核蛋白 磷脂等 供给某些自养微生物生长的能源物质 硫细菌 铁细菌等 调节某些物质运输 钾影响ATP的水解和磷的传递 调节渗透压 pH 氧化还原电位 生长因子 通常指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或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物 一般来自动 植物体 主要包括维生素 氨基酸与碱基三大类 是辅酶和核酸的组成成分 为微生物的新陈代谢所必需 4 生长因子 微生物与生长因子的关系生长因子自养微生物 能自己合成各种生长因子 而不需要从外界吸收任何生长因子 在自然界中 多数真菌 放线菌和不少细菌都属于这类 生长因子异养微生物 许多微生物缺少合成一种或几种生长因子的能力 必须另外添加才能维持正常的生长和发育 如 各种乳酸菌 动物致病菌 支原体 原生动物等 生长因子过量合成的微生物 少数微生物在其代谢活动中 能合成并大量分泌某些维生素等生长因子 可作为维生素的生产菌种 溶剂 运输介质 营养物质吸收 溶剂 代谢产物只有溶解于水 才能通排出 反应介质 生化反应 在水溶液中才能进行维持膨压 细胞维持自身正常形态组成成分 70 90 左右调节温度 5 水 水是微生物生长所必不可少的 也是微生物的组份 水在细胞中的生理功能主要有 水的比热高 热的良好导体 能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外 营养类型 指根据微生物生长所需要的营养物质的性质和能量来源的不同 而划分的微生物类型 第三节微生物的营养类型 异养型 自养型 生长所需要的营养物质 生物生长的能量的来源 光能营养型 化能营养型 异养型 在生长时需要以有机物质作为营养物质 自养型 在生长时以无机物质作为营养物质 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 化能营养型 依靠化合物氧化释放的能量进行生长 无机物或有机物氧化产能 光能营养型 依靠光为能源进行生长 少部分微生物属于光能营养型生物 微生物生长所需要的营养物质的性质和能量来源的不同 可将绝大部分微生物分为四种类型 1 光能自养型2 化能自养型3 光能异养型4 化能异养型即光能营养型 化能营养型与自养型 异养型之间的排列组合 定义 能以CO2 CO或CO32 为主要或唯一碳源 以无机物作为供氢体 并利用光能进行生长的的微生物 1 光能自养型 1 光能自养型 藻类及蓝细菌等 以水为氢供体 自身化合价升高 受体化合价降低 进行产氧型的光合作用 合成细胞物质 CO2 H2O 光能 光合色素 CH2O O2 绿硫细菌 紫硫细菌 以H2S为氢供体 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 氢细菌 CO2 2H2 光能 光合色素 CH2O H2O CO2 2H2A 光能 光合色素 CH2O H2O 2A 通式 无光合色素 以CO2或碳酸盐作为碳源 利用无机物氧化放出的化学能作为生长所需的能量进行生长 利用电子供体如H2 H2S Fe2 或NO2 等使CO2还原成细胞物质 化能无机自养型只存在于微生物中 可在完全无机及无光的环境中生长 如硫化细菌 硝化细菌 氢细菌与铁细菌等 2 化能自养型 定义 以有机物为主要碳源或唯一碳源 以有机物 异丙醇 作为供氢体 利用光能将CO2还原成细胞物质的一类厌氧微生物 光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子 3 光能异养型 光能2 H3C 2CHOH CO22CH3COCH3 CH2O H2O光合色素 定义 生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能 生长所需要的碳源主要是一些有机化合物的一类微生物 有机碳源主要有如淀粉 糖类 纤维素 有机酸等 大多数细菌 真菌 原生动物都是化能异养微生物 所有致病微生物均为化能异养型微生物 4 化能异养型 以供氢体分 无机营养型 以无机物为氢供体 有机营养型 以有机物为供氢体 以生长因子的需求分 原养型或野生型 不需要从外界吸收任何生长因子 营养缺陷型 需要从外界吸收一种或几种生长因子 以取食方式分 渗透营养型 通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物质 吞噬营养型 以内吞方式从外界吸取营养物质 以取食方式分 渗透营养型 通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物质 吞噬营养型 以内吞方式从外界吸取营养物质 以取得死或活有机物分 腐生型 利用无生命的有机物 寄生型 从活体获得营养 以所需营养物浓度分 贫养菌 在低浓度有机质的培养基上就可正常生长的细菌 富养菌 在高浓度有机质的培养基上才可正常生长的细菌 定义 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 培养基的配置原则培养基的类型及应用 第四节培养基 任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养要素 碳源 氮源 无机盐 生长因子 水 1 目的明确 选择适宜的营养物质 在设计新培养基前 首先要明确配制该培养基的目的 例如 要培养何菌 获何产物 用于实验室作科学研究还是用于大规模的生产应用等等 目的不同 培养基的成本控制 成分比例控制的精细程度都会有很大差异 1 培养基的配制原则 2 营养协调 碳氮比 浓度高 抑制生长 浓度低 不满足在各种微生物的细胞中 其不同成分或元素间有较稳定比例 细菌和酵母菌 C5H8O2N 霉菌 C12H18O7N 一般 真菌要C N较高的培养基 似动物的 素食 而细菌则要C N较低的培养基 似动物的 荤食 3 培养条件适宜 pH值 渗透压 氧气 二氧化碳浓度等pH 各大类微生物一般都有它们合适的生长pH范围细菌的最适pH在7 0一8 0放线菌在7 5 8 5酵母菌在3 8 6 0霉菌则在4 0一5 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 怎么办 内源调节 外源调节 按实际需要外加酸或碱液 渗透压与等渗培养液 渗透压 恰好能阻止渗透发生的施加于溶液液面上方的额外压强称为渗透压 与溶液中不能通过半透膜的微粒数目和温度有关 指溶液中溶质微粒对水的吸引力 半透膜只允许溶剂通过而不允许溶质通过 细胞膜 渗透压与等渗培养液 等渗 胞内外溶质的渗透压相近 高渗 胞外溶质的渗透压 胞内 低渗 胞外溶质的渗透压 胞内 氧化还原电位 氧化还原电位用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化 还原性 氧化还原电位越高 氧化性越强 电位越低 氧化性越弱 电位为正表示溶液显示出一定的氧化性 为负则说明溶液显示出还原性 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 2 培养基的类型 1 天然培养基定义 动 植物 微生物等天然有机物或它们的提取液 特点 化学成分还不清楚或化学成分不恒定 营养丰富 配制容易 如酸奶 饮料 酒 腐乳 酱类的发酵生产的原料都属于此类 1 根据化学组成分类 2 合成培养基定义 化学成分完全了解的物质配制而成的培养基 特点 组分确定 优点是成分精确 重演性高 缺点是价格较贵 配制繁琐 因此 一般仅用于作营养 代谢 生理 生化 遗传 育种 菌种鉴定和生物测定等定量要求较高的研究工作上 3 半合成培养基定义 既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基 特点 部分组分确定 培养真菌用的马铃薯蔗糖培养基等 1 液体培养基定义 不加凝固剂的的液态培养基 用途 大规模工业生产及在实验室用于不需要挑选单克隆的大规模养菌 水处理中的废水即可以看作液体培养基 2 根据物理状态分类 2 半固体培养基定义 液体培养基中加入0 2 0 7 的凝固剂形成的培养基 用途 常用于观察细菌的运动 厌氧菌的分离和菌种鉴定等 半固体 同时具有固体和液体的部分性质 可以支持自身重量 保持自身形状 压力可以改变形状 低压下可以流动 3 固体培养基定义 液体培养基中加入1 2 的凝固剂形成的培养基 用途 分离 鉴定 计数 菌落观察 菌种保藏等 凝固剂 粒子能中和胶体粒子的电荷从而凝固 琼脂 明胶 硅胶琼脂 从某些海藻中加热提取出来的复杂糖类 琼脂的特性绝大多数微生物不能利用融化温度96 凝固温度45 对微生物无毒性 1 基本培养基定义 仅能满足某一微生物野生型菌株生长需要的培养基 含一般微生物生长时所需的基本营养物质 牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基本培养基 野生型菌株 从自然界分离到的微生物的原始菌株 对应的是营养缺陷型菌株 不能合成某种营养因子 使正常代谢失去平衡 3 根据用途分类 2 选择培养基定义 用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的养基 措施 根据某种 类 微生物特殊的营养要求或对某些特殊化学 物理因素的抗性 在培养基中加入相应的物质 来抑制非目的性微生物的生长 从而使得所需的微生物大量繁殖 以达到分离特定微生物的目的 在实践中有两种方式 一种是正选择 另一种是反选择 正选择 添加某种特定成分为培养基主要或唯一的营养物 以分离能利用该种营养物的微生物 例 从混杂的微生物群落中选择性地分离能利用纤维素的微生物时 则把纤维素作为选择培养基的唯一碳源 把混杂的微生物群落样品涂布于此种培养基上 凡能在该培养基上生长繁殖的微生物即为能利用纤维素的微生物 反选择 在培养基中加入某种或某些微生物生长抑制剂 以抑制所不希望出现的微生物 从而从混杂的微生物群体中分离不被抑制和所需要的目标微生物 例 选择培养基中加入青霉素 链霉素以抑制细菌 从而分离霉菌与酵母菌 在选择培养基中加入一定量10 的酚试剂以抑制细菌与霉菌 分离放线菌 投其所好 取其所抗 3 鉴别培养基定义 一类利用不种细菌对某一物质的分解能力不同 或在成分中加有能与目的菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂 从而达到只用肉眼辨别就能进行菌种鉴别和区分的培养基 例 伊红美蓝乳糖培养基 伊红为酸性染料 美蓝为碱性染料 肠道细菌在伊红美蓝培养基上培养时 大肠杆菌能强烈发酵乳糖产生大量混合酸 可与酸性染料伊红结合 美蓝再与伊红结合形成紫黑色化合物 使菌落在透射光下呈紫色 反射光下呈绿色金属光泽 产酸力弱的沙雷氏等属细菌菌落为棕色 不发酵乳糖不产酸的沙门氏等属细菌呈无色透明菌落 明胶半固体培养基穿刺培养 4 加富培养基定义 在培养基中加入有利于某类微生物生长繁殖所需的营养物质 使这类微生物的增殖速度比其他微生物快 从而使这类微生物能够在混有多种微生物的情况下占优势地位的培养基 例 加富培养基一般用于培养对营养要求比较苛刻的微生物及富集分离某种微生物 选择培养基 抑制不需要的微生物 鉴别培养基 只影响微生物的性状表现 加富培养基 通过添加营养的方式 选择性的富集目标微生物类群 造成微生物群体的优势度差异 思考 怎样从一条自然河流中筛选出大肠杆菌 能否找到一种培养基 使所有的微生物都能良好地生长 为什么 区别 第五节微生物细胞获得营养的途径 营养物质进入细胞的方式除一些原生动物以内吞方式从外界吸取营养物质外 其它各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物质 所以营养物质进入微生物细胞的方式共有5种 第五节微生物细胞获得营养的途径 五种方式 单纯扩散 浓度梯度作用促进扩散 浓度梯度作用 载体帮助主动运输 代谢能为动力 载体帮助 胞外到胞内基团转位 复杂运输系统完成 物质起化学变化膜泡运输 主要存在于原生动物 营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素 营养物质本身的性质 相对分子量 质量 溶解性 电负性等 微生物所处的环境 温度 pH等 微生物细胞的透过屏障 荚膜 细胞壁 原生质膜等 1 单纯扩散 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 能以单纯扩散方式进入细胞的物质主要有水 溶于水的气体 如氧 和小的极性分子 如尿素 甘油 乙醇等 SimpleDiffusion Step1 SimpleDiffusion Step2 单纯扩散速度慢 不能满足微生物要求 有些物质 氨基酸 单糖 维生素及无机盐 无法靠单纯扩散进入细胞 细胞膜表面有特异性蛋白质 可与营养物质进行可逆性结合 在细胞膜内外循环往来运输营养物 称为载体蛋白 载体蛋白具有专一性 一种载体蛋白只对同一物质或同类进行运输 2 促进扩散 概念 物质在膜载体蛋白质 起着 渡船 的作用 的协助下从高浓度一边通过细胞膜到达低浓度一边 原理 物质在细胞外和载体蛋白质的亲和力高 易于结合 进入细胞后 膜载体构型改变 亲和力降低 把物质释放出来 由于膜载体的参加 促进扩散的速度比单纯扩散要快 促进扩散 载体只影响物质的运输速率 加快 并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态 3 主动运输 概念 需要能量和载体蛋白质的逆浓度梯度积累营养物质的一种主要的物质运输方式 广泛存在于微生物 主要运输无机离子 有机离子 一些糖类 原理被运输的物质在细胞膜的外侧与载体蛋白质的亲和力强 能形成载体复合物 当其进入膜的内侧时 在能量参与下 载体发生构型的变化 与结合物的亲和力降低 营养物质便被释放出来 这样就可以从低浓度向高浓度输送 3 主动运输 3 主动运输 单一运载方式 单向转运载体使一种底物通过载体进入细胞的运输方式 协同运载方式 协同转运载体两种底物通过同一载体按同一方向运输 反向运载 反向转运载体两种底物通过同一载体按相反方向运输 根据载体蛋白的不同 分为三种运载方式 4 基团转位 概念 指一类既需特异性载体蛋白的参与 又需耗能的一种物质运输方式 其特点是被运输对象在运送前后会发生分子结构的变化 运输对象主要有各种糖类 核苷酸 脂肪酸等 特点 逆浓度梯度 消耗能量 需磷酸转移酶系统 运送前后被运输对象的分子结构发生变化 在运输的过程中发生了磷酸化 基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中 包括 磷酸烯醇丙酮酸 PEP 非特异性的酶I与糖特异性结合的酶II起高能磷酸载体作用的热稳定蛋白质 HPr 典型