微生物的营养和培养基

第三章微生物营养 第一节微生物细胞的化学组成和营养要素第二节微生物对营养物质的吸收第三节微生物的营养类型第四节培养基 一 微生物细胞的化学组成微生物细胞化学组成成分析表明 与其他高等动植物细胞一样 细胞也是大量元素碳 氢 氧 氮 磷 硫 这六种元素占细菌细胞干重的97 表3 l 和微量元素铁 锰 锌等构成 微生物细胞中这些元素主要以蛋白质 糖 脂 核酸 维生素及它们的降解产物 代谢产物等有机物质 水和无机盐等无机物质的形式存在 水是细胞中的一种主要成分 一般可占细胞干重的90 以上 第一节微生物细胞的化学组成和营养要素 微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比 二 微生物的营养要素营养物 nutrient 那些能够满足机体生长 繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质 营养 或叫营养作用 nutrition 微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养 水分是生物细胞的主要化学成分 其重要的生理功能表现在下列几个方面 1 细胞的构成成分2 一系列生理生化反应的反应介质3 参与许多生理生化反应4 有效地控制细胞内的温度变化 微生物的碳源谱 氮源 nitrogensource 凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源 称为氮源 氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质 少数自养细菌能利用铵盐 硝酸盐作为机体生长的氮源与能源 某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下 也可以利用氨基酸作为能源物质 微生物的氮源谱 第二节微生物对营养物质的吸收 单纯扩散促进扩散主动运输基因转位 扩散扩散是非特异性的营养物质吸收方式 如营养物质通过细胞膜中的含水小孔 由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散 在扩散过程中营养物质的结构不发生变化 即既不与膜上的分子发生反应 本身的分子结构也不发生变化 物质运输的速率与胞内外营养物质的浓度差有关 即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小 直到胞内外物质浓度相同 扩散是一个不需要代谢能的运输方式 因此 物质不能进行逆浓度运输 促进扩散在促进扩散过程中营养物质本身在分子结构上也不会发生变化不消耗代谢能量 故不能进行逆浓度运输运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定需要细胞膜上的载体蛋白 透过酶 参与物质运输被运输的物质有高度的立体专一性 主动运输消耗代谢能可以进行逆浓度运输的运输方式需要载体蛋白参与对被运输的物质有高度的立体专一性不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同 好氧微生物中直接来自呼吸能 厌氧微生物主要来自化学能 光合微生物中则主要来自光能 主动运输的方式 1 初级主动运输2 次级主动运输3 基团转位4 Na K ATPase系统 初级主动运输 是一种由电子传递系统 ATPase或细菌视紫红质引起的质子运输方式 不同营养类型的微生物初级主动运输的方式不同 好氧情况 厌氧情况 光合微生物 但最终造成细胞膜内外质子浓度差 使膜处于充能状态 次级主动运输 在细胞膜内外质子浓度差消失的过程中 偶联其它物质的运输 即次级主动运输 次级主动运输根据在质子浓度差消失过程中 质子与其它物质运输的方向差异 分为同向运输 逆向运输 单向运输三种形式 基团转位基因转位是一种特殊的主动运输与普通的主动运输相比 营养物质在运输的过程中发生了化学变化 其余特点与主动运输相同 基因转位主要存在于厌氧微生物中 也主要是用于单 或双 糖与糖的衍生物 以及核苷与脂肪散的运输 大肠杆菌吸收糖的基团转位方式 大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸 糖磷酸转移酶系统 其运输的步骤如下 1 热稳定蛋白的激活 PEP HPr酶1丙酮酸 P HPr 2 糖被磷酸化后运入膜内P HPr 糖酶2糖 P HPr Na K ATPase系统 Na K ATPase系统位于细胞膜上的一种离子通道蛋白 其作用是通过该蛋白构象的改变 把细胞内的Na运出细胞 同时将K 运回细胞内 即实现了Na 与K 的置换 细胞内高浓度K 是许多酶的活性和蛋白质合成所必须的 膜泡运输 原生动物吸收营养物质的方式 胞吞和胞饮 四种运输营养物质方式的比较 第三节微生物的营养类型根据生长所需要的营养物质的性质 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 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 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CO2 H2S 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 CO22CH3COCH3 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 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 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 第四节培养基 培养基是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 它是进行科学研究 发酵生产微生物制品等的基础 配制培养基的原则1 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基 如自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 按微生物的主要类群来说 又有细菌 放线菌 酵母菌和霉菌之分 它们所需要的培养基成分也不同 分别称为牛肉膏蛋白胨培养基 高氏1号合成培养基 麦芽汁培养基 查氏合成培养基 2 注意各种营养物质的浓度与配比营养物的浓度 在一般情况下 浓度合适的营养物质才对微生物表现出良好作用 浓度大时对微生物生长起抑制作用 浓度小时不能满足微生物生长的需要 各营养物质之间的浓度比 培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和 或 代谢产物的形成与积累 尤其是碳氮比 C N 碳氮比一般指培养基中元素碳与元素氮的比值 有时也指培养基中还原糖与粗蛋白两种成分含量之比 的影响更为明显 例如在微生物的谷氨酸发酵中 培养基的C N为4 l时 菌体大量繁殖 谷氨酸积累少 当C N为3 1时 菌体繁殖受到抑制 而谷氨酸大量增加 3 控制培养基的PH值各类微生物生长的最适pH各不相同 细菌与放线菌生长的pH在7 7 5之间 酵母菌与霉菌生长的pH值在4 5之间 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 常会改变培养基的pH值 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 按实际需要流加酸或碱液 4 经济节约配制培养基时 应尽量考虑利用价廉并且易于获得的原料作为培养基的成分 特别是在工业发酵中 培养基用量很大 更应该考虑到这一点 以便降低产品成本 培养基的种类 按培养基的组成成分分类按培养基的物理状态分类按培养基的功能分类 根据培养基中化学成分的了解程度将其分为 合成培养基 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 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 天然培养基 利用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物质 如自汉奸 因母没计 土壤没液 豆芽汁 玉米粉 教皮 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 根据培养基的物理状态可将其分为 固体培养基 在液体培养基中加入1 5 2 0 的凝固剂制成的呈固体状态的培养基 常用于微生物的分离 纯化 计数等方面的研究 半固体培养基 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 液体培养基 液体培养基不含任何凝固剂 它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 按照培养基的用途 可将其分为加富培养基 加富培养基是指在普通培养基里加过血 血清 动物