第四章微生物营养

微生物学 生物工程专业课程 第四章微生物的营养 微生物的营养 是微生物生理学的重要研究领域 主要研究内容是阐明营养物质在微生物生命活动过程中的生理功能 以及微生物细胞从外界环境摄取营养物质的具体机制 微生物的特点 食谱广 胃口大 营养物质 那些能够满足微生物机体生长 繁殖和完成各种生理活动所需的物质 营养 微生物获得和利用营养物质的过程 相关两个概念 营养 为微生物的生命活动如生长 繁殖 细胞内大分子的合成与分解等提供了必需的物质基础和保证 营养物质 被微生物吸收后可参与微生物细胞的组成 构成酶的活性成分和提供微生物各种生命活动所需要的能量 学习微生物营养知识的意义 是认识 利用和深入研究微生物的必要基础 尤其对更自觉和有目的地选用 改造和设计符合微生物生理要求的培养基 以便进行科学研究或用于生产实践 具有极其重要的作用 本章内容 微生物们需要吃什么 第三节营养物质进入细胞 微生物们是怎样吃东西的 第二节培养基 如何给微生物们做饭 第一节微生物的营养要求 第一节微生物的营养要求 一 微生物细胞的化学组成 微生物和高等生物细胞化学组成成分类似 都含有碳 氢 氧 氮 磷 硫和各种矿质元素 又有主要元素和微量元素之分 不同微生物的细胞和组成成分在质和量上不尽相同 即便同一种微生物在不同生长时期和不同的生长条件下 也会有差异 主要元素 碳 氢 氧 氮 磷 硫 钾 镁 钙等 微量元素 锌 锰 氯 钼 硒 钴 铜等 占细菌细胞干重的97 微生物细胞中几种主要元素的含量 干重 微生物动物植物之间存在 营养上的统一性 获得微生物细胞 可通过过滤或离心 湿重的测定 将收获的细胞尽量吸去细胞外的水分 此时的重量即为湿重 干重的测定 将湿细胞在不超过105 的高温烘至恒重 此时的重量即为干重 细胞有机成分的分析 通常有两种分析方式 一是用化学法直接抽提细胞中的各种有机物 然后加以分析 另一种是将细胞破碎 分别获得不同的亚显微结构 再单独分析这些细胞结构的化学成分 研究方法 微生物细胞的化学组成 占细胞鲜重的 二 营养物质及生理功能 根据营养物质在机体中生理功能的不同分 碳源氮源营养物质无机盐生长因子水 凡是提供微生物营养所需的碳元素 碳架 的营养源 称为碳源 碳源物质的功能 构成细胞物质 为机体提供整个生理活动所需要的能量 异养微生物 微生物的碳源谱 无机含碳化合物 如CO2和碳酸盐等 有机含碳化合物 糖与糖的衍生物 脂类 醇类 有机酸 烃类 芳香族化合物以及各种含氮的化合物 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 1 碳源 carbonsource 微生物的碳源谱 2 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 实验室常用的无机氮源有碳酸铵 硝酸盐 硫酸铵 尿素 蛋白胨 牛肉膏 酵母膏等 生产上常用的氮源有硝酸盐 铵盐 尿素 氨以及蛋白含量较高的鱼粉 蚕蛹粉 黄豆饼粉 花生饼份 玉米浆等 蛋白氮必须通过水解之后降解成胨 肽 氨基酸等才能被机体利用 这种氮源叫迟效氮源 无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用 这种氮源叫做速效氮源 速效氮源 通常是有利于机体的生长 迟效氮源有利于代谢产物的形成 多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源 也可以利用有机含氮化合物作为氮源 但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力 它们不能把尿素 铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸 而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长 这类微生物叫做氨基酸异养型微生物 也叫营养缺陷型 3 无机盐 inorganicsalt 无机盐 是微生物生长必不可少的一类营养物质 它们为机体生长提供多种重要的生理功能 包括大量元素和微量元素 大量元素 P S K Mg Ca Na Fe等 微生物生长所需浓度在10 3 10 4mol L 微量元素 Cu Zn Mn Mo Co等 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 无机盐的生理功能细胞内一般分子成分 P S Ca Ma Fe等 一般功能渗透压的维持 Na 等 生理调节物质酶的激活剂 Mg2 等 大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源 S Fe2 NH4 NO2 等 机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体 NO3 SO42 等 酶的激活剂 Cu2 Mn2 Zn2 等 微量元素特殊分子结构成分 Co Mo等 4 生长因子 growthfactor 是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物 主要包括维生素 氨基酸 嘌呤和嘧啶 碱基 及其衍生物 此外还有甾醇 胺类 脂肪酸等等 缺乏合成生长因子能力的微生物称为 营养缺陷型 微生物 微生物生长因子需要量 ml 1 III型肺炎链球菌 Streptococcuspneumoniae 胆碱6ug金黄色葡萄球菌 Staphylococcusaureus 硫胺素0 5ng白喉棒杆菌 Cornebacteriumdiphtherriae B 丙氨酸1 5ug破伤风梭状芽孢杆菌 Clostridiumtetani 尿嘧啶0 4ug肠膜状串珠菌 Leuconostocmesenteroides 吡哆醛0 025ug 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 5 水分 三 微生物的营养类型 生长所需要营养物质的性质 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 植物属于自养型生物 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 微生物的营养类型 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 1 光能自养型微生物 2 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 3 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 4 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 所有致病微生物均为化能异养型微生物 不同营养类型之间的界限并非绝对 异养型微生物并非绝对不能利用CO2 自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长 有些微生物在不同生长条件下生长时 其营养类型也会发生改变 例如紫色非硫细菌 purplenonsulphurbacteria 没有有机物时 同化CO2 为自养型微生物 有机物存在时 利用有机物进行生长 为异养型微生物 光照和厌氧条件下 利用光能生长 为光能营养型微生物 黑暗与好氧条件下 依靠有机物氧化产生的化学能生长 为化能营养型微生物 微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力 微生物和动物 植物营养要素的比较 第二节培养基 培养基是人工配制的各种营养物质供微生物生长繁殖的营养基质 它是进行科学研究 发酵生产微生物制品等的基础 一 配制培养基的原则 1 目的明确 2 营养协调 3 理化条件适宜 4 经济节约 1 目的明确 根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基 培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为 S10gMgSO4 7H2O0 5gNH4 2SO40 4gFeSO40 01gH2PO44gCaCl20 25gH2O1000ml 培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成 葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4 7H2O0 2gK2HPO41gH2O1000ml 常见的培养四大类微生物的培养基 细菌 牛肉膏蛋白胨培养基 牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml 放线菌 高氏1号 淀粉20gK2HPO40 5gNaCl0 5gMgSO4 7H2O0 5gKNO31gFeSO40 01gH2O1000ml 酵母菌 麦芽汁培养基 干麦芽粉加四倍水 在50 60 保温糖化3 4小时 用碘液试验检查至糖化完全为止 调整糖液浓度为10巴林 煮沸后 沙布过滤 调PH为6 0 霉菌 查氏合成培养基 NaNO33gK2HPO41gKCl0 5gMgSO4 7H2O0 5gFeSO40 01g蔗糖30gH2O1000ml 2 营养协调 培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好 营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需 浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用 培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累 其中碳氮比 C N 的影响较大 碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值 有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比 例如 在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中 培养基碳氮比为4 1时 菌体量繁殖 谷氨酸积累少 当培养基碳氮比为3 1时 菌体繁殖受到抑制 谷氨酸产量则大量增加 3 理化条件适宜 pH 水活度 氧化还原电位 a pH 培养基的pH必须控制在一定的范围内 以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物 通常培养条件 细菌与放线菌 pH7 7 5酵母菌和霉菌 pH4 5 6范围内生长 为了维持培养基pH的相对恒定 通常在培养基中加入pH缓冲剂 或在进行工业发酵时补加酸 碱 b 水活度 在天然环境中 微生物可实际利用的自由水或游离水的含量 一般用在一定的温度和压力条件下 溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示 即 w Pw Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力 POw代表纯水蒸汽压力 纯水 w为1 00 溶液中溶质越多 w越小 微生物一般在 w为0 60 0 99的条件下生长 w过低时 微生物生长的迟缓期延长 比生长速率和总生长量减少 微生物不同 其生长的最适 w不同 c 氧化还原电位 氧化还原电位又称氧化还原电势 redoxpotential 是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标 其单位是V 伏 或mV 毫伏 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 4 经济节约 以粗代精 以野代家 以废代好 以国代进 以简代繁 以氮代朊 以烃代粮 以纤代糖 二 4种方法 1 生态模拟肉汤 鱼汁培养细菌 果汁培养酵母菌2 参阅文献收集资料3 精心设计正交试验设计 平板试验 摇瓶试验 发酵罐试验 4 试验比较 二 培养基的类型及应用 按成分不同划分 天然培养基 合成培养基 含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物 牛肉膏蛋白胨培养基 麦芽汁培养基 化学成分完全了解的物质配制而成的培养基 高氏1号培养基 查氏培养基 半合成培养基 按物理状态不同划分 固体培养基 液体培养基 在液体培养基中加入一定量凝固剂 使其成为固体状态 琼脂含量一般为1 5 2 0 琼脂含量一般为0 2 0 7 不加任何凝固剂 半固体培养基 固体培养基常用来进行微生物的分离 鉴定 活菌计数及菌种保藏 观察微生物的运动特征 分类鉴定及噬菌体效价滴定 大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究 按用途不同划分 基础培养基 鉴别培养基 含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基 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的培养基 用于鉴别不同类型微生物的培养基 选择培养基 在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基 微生物产生某种代谢产物 与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应 产生明显的特征变化 牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基 加富培养基 特殊营养物质包括血液 血清 酵母浸膏 动植物组织液等 在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质 抑制不需要的微生物的生长 有利于所需微生物的生长 第三节营养物质进入细胞的方式 微生物细胞吸收营养物质的有利条件 是其表面积和体积的比值极大 因此才有可能很快地吸收大量的营养物质以供应其代谢的需要 微生物将吸收哪些营养物质 对各种营养物质的吸收速度 均取决于细胞质膜的结构特性和细胞的代谢活动 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 原生质膜 细胞壁 荚膜等 1 单纯扩散 Diffusion 少数低分子量的物质是靠被动扩散而渗透入细胞的 扩散的速度取决于细胞内外的浓度梯度 在扩