05-第四章-微生物的营养和培养基-食品微生物学-江南大学.ppt

zhsun,1,第四章,微生物的营养和培养基,zhsun,2,微生物的营养,营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理过程。营养物(nutrient)：指具有营养功能的物质。营养物质的特点：1.能满足微生物细胞生理的需要。2.构成微生物细胞组成。3.外源性。,zhsun,3,本章主要内容(4学时),第一节微生物细胞的化学组成第二节微生物的六种营养要素第三节微生物的营养类型第四节营养物质进入细胞的方式第五节培养基,zhsun,4,第一节微生物细胞的化学组成,各种生物细胞的化学元素组成都基本相似，但在化学组成的质和量上，各类生物细胞都有各自独有的特点，不同种类的微生物之间有一定的差异。微生物细胞的化学组成往往随微生物种类、菌龄、培养基和检测方法的组成而不同。,zhsun,5,水7090%组成微生物蛋白质细胞的物质碳水化合物干物质脂肪核酸矿物质,zhsun,6,微生物细胞的化学组成,主要成分细菌酵母菌霉菌水分758570808590（占细胞鲜重的%）蛋白质508032751415占细碳水化合物12282763740胞干脂肪520215440重的核酸1020681%无机盐2303.87612,zhsun,7,一、水分,水分是微生物细胞中含量最高的物质（主要成分）。细胞的平均含水量细菌7585%，酵母菌：7080%，霉菌8595%。影响含水量的因素：微生物的种类微生物所处的环境条件如：酵母菌在20时含水量91%，而43时含74%。细胞本身的生理状态有关。芽孢含40%，霉菌孢子38%，有些曲霉的分生孢子只有20%。,zhsun,8,细胞内水的形式,游离水：以游离的状态存在，微生物可利用。干重法可测得结合水：以结合的状态存在。这部分与其他物质结合在一起不易挥发；0下不冻结；不具流动性、渗透性；不能被细胞利用。营养体的游离水和结合水的比例为4：1，芽孢和孢子结合水的比例高于其他细胞，故芽孢有较强的抗逆性。,zhsun,9,二、干物质,微生物细胞去除水分后即为干物质。其元素组成基本上为C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等组成。物质组成：占细胞干重99%的蛋白质、核酸、类脂和糖类等大分子有机物，占细胞干重1%的小分子无机物和各种离子，,zhsun,10,1.蛋白质(protein)约占细胞干物质的1480%,一般细菌、酵母菌细胞的蛋白质含量霉菌。蛋白质种类：每个细菌细胞约有3000种不同的蛋白质分子。简单蛋白质：清蛋白、球蛋白蛋白质化学结构复合蛋白质：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白在微生物细胞中核蛋白含量特别高，可占蛋白总量的1/31/2。,zhsun,11,2.核酸（NucleicAcids）,微生物的细胞除病毒外都含有两种核酸：DNA和RNA。含量：细菌、酵母菌霉菌。细菌的RNA占干重的20%，DNA占干重的34%。霉菌占干重的1%。同一种微生物中，RNA的含量常随生长时期的变化而变化，DNA的含量却是恒定的，因而用DNA碱基比例或GC百分比值作为分类鉴定的指标。,zhsun,12,3.碳水化合物(Carbohydrate),微生物细胞中含有单糖、双糖和多糖，主要以多糖的形式存在。单糖主要是己糖和戊糖。多糖有荚膜多糖、纤维素、淀粉、糖原等不同种类。,zhsun,13,4.脂类(lipoid),种类：脂肪、磷脂、固醇和蜡。存在状态：细胞中游离的状态存在或与蛋白质等结合。存在于细胞壁、细胞膜、细胞质中。磷脂：构成细胞的膜系统，蜡：主要在某些微生物的细胞壁或分生孢子的表面，含量很少，具有保护作用。固醇：主要在酵母菌的细胞膜上。,zhsun,14,脂肪的含量：与菌种和培养条件有密切关系。如含糖量较高的培养基可促进脂肪的大量累积，在含氮量高而缺糖的培养基上，脂肪的积累就少。,zhsun,15,5.无机盐类,无机元素约占细胞干重的10%左右，包括P、S、Mg、Fe、K、Na等。一般以磷的含量为最高，约占全部灰分的40%左右。这些无机元素在细胞中除少数以游离的状态存在，大部分以无机盐的形式存在或结合于有机物质中。,zhsun,16,6.其它,除上述一些主要物质外，有些微生物的细胞中还含有维生素、抗生素、色素、毒素等。,zhsun,17,第二节微生物的六种营养要素,碳源（carbonsource）氮源（nitrogensource）能源（energysource）生长因子（growthfactor）无机元素（mineralsalts）水（water）,zhsun,18,一、碳源,凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。,碳源功能,C素构成细胞及代谢产物的骨架细胞干物质中的碳约占50%，碳的需求最大C素是大多数微生物代谢所需的能量来源,zhsun,19,微生物的碳源谱,zhsun,20,zhsun,21,碳源的种类:,无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。只能被自养微生物利用有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,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。,zhsun,22,众多碳源中，对异养微生物来说最好（适）的碳源是糖类（CHO）。几乎所有的异养微生物都能利用葡萄糖和果糖单糖优于双糖，已糖优于戊糖葡萄糖、蔗糖：微生物培养的主要碳源淀粉（大多数微生物）纤维素（少数微生物）酚、氰化物有机毒物（少数，诺卡氏菌）,zhsun,23,在设计时尽量不要将CHONX和CHON当作碳源用。不同微生物利用碳源的能力不同广泛地利用不同类型的碳源：假单孢菌属碳源范围极狭窄：甲烷氧化菌，纤维素分解菌,zhsun,24,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,zhsun,25,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。,zhsun,26,二、氮源(nitroginsource),构成微生物细胞物质如蛋白质、核酸或代谢产物中氮元素氮源一般不做能源，少数硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。,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。,氮源功能,zhsun,27,微生物的氮源谱,zhsun,28,zhsun,29,氮源的种类,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨等；硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用有机氮：蛋白质及其降解产物a.速效性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源b.迟效性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。,zhsun,30,能利用空气中分子N2作为氮源的微生物称作固氮微生物。有固氮能力的微生物主要是原核微生物固氮微生物可将分子态N转化为氨态氮再转化为氨基酸。当基质中含有无机N或有机N时，固氮微生物细胞的固氮酶系统被抑制，固氮微生物转而利用基质中的有机含N化合物作为N源。,A.分子态氮N2,zhsun,31,B.无机N:,主要指NO-3和NH4+。如碳酸铵、硫酸铵、尿素、硝酸盐等。只有铵盐才能直接进入有机分子中，硝酸盐必须先还原成NH4+后才能用于生物合成，许多细菌不能利用NO-3，一般应用NH4+作无机N，且其虽能利用无机N，但不如有机N普遍；真菌大多数既可利用NO-3也可利用NH4+。当利用无机N作为唯一N源时培养基可能出现生理碱性或生理酸性。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,zhsun,32,生理酸式盐和生理碱式盐,zhsun,33,C.有机N,氨基酸、蛋白胨等是许多微生物良好的有机N源，但其不能直接透过细胞质膜，只有能分泌蛋白酶的微生物把蛋白质分解成小分子后才能被吸收利用。即使能利用速度也非常慢，故被称为迟效性氮源。速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。,zhsun,34,培养基中可作为氮源的物质：细菌：牛肉膏、蛋白胨放线菌：KNO3酵母菌：酵母膏霉菌：NaNO3工业上常用鱼粉、玉米粉、黄豆饼粉、麸皮、尿素。,zhsun,35,三、能源（energysource）,化学物质有机物能无机物：NH+4、NO2-、S、源H2S、H2辐射能,能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。,zhsun,36,一种营养物通常具有一种以上的功能。一般辐射能是单功能的。还原态无机氧化物是双功能的有机物常有双功能或三功能。,zhsun,37,化能自养微生物的能源,还原态的无机物NH4+,NO2,S,H2S,H2,Fe等化能自养微生物原核生物亚硝酸盐细菌硝酸细菌硫化细菌硫细菌氢细菌铁细菌,zhsun,38,四、生长因子,种类：广义上：指维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类C4C6的脂肪酸和氨基酸，狭义上：指维生素。功能：构成细胞的组成成分，如嘌呤、嘧啶；调节代谢，维持生命的正常活动，如维生素（辅酶）,是一类对微生物正常代谢必不可少，需要量不大的且不能用简单的碳源和氮源自行合成的有机物。,zhsun,39,并非所有的微生物都必须从外界吸收生长因子。各种微生物所需的生长因子是不同的，生长因子自养型（不需要从外界吸收任何生长因子）真菌、放线菌、细菌E.coli生长因子异养型（有的需要多种，有的仅需一种）如产谷氨酸的短杆菌，需要添加生物素才能使菌体生长良好。生长因子过量合成型微生物（不但不需要反而在细胞内能积累维生素）如肠道微生物能在肠道内分泌大量的维生素，供机体吸收。,zhsun,40,生长因子来源：,在科研和生产中：酵母膏、玉米浆、蔬菜汁、肝脏浸出汁、小牛血清、麸皮、米糠等组合培养基可加入维生素复合液，在天然培养基中可采用麸皮、米糠、肉汤等，,zhsun,41,微生物需要的生长因子，它们的作用及含有该类因子的原料,zhsun,42,五、无机盐（mineralsalts）,生理功能构成微生物细胞的组成成分作为酶活性中心的组成部分维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡控制细胞的氧化还原电位某些微生物生长的能源物质,微生物生长必不可少的一类营养物质，为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素,zhsun,43,微生物需要的无机盐一般包括硫酸盐、磷酸盐、氯化物、含钾、钠、镁、铁等的化合物。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等，生长时所需的浓度在10-310-4mol/L范围内，微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo和Co等，所需浓度在10-610-8mol/L。配制培养基时，一般加入K2HPO4及MgSO4即可，其它在化学试剂、水等材料中存在，无需另加。,zhsun,44,无机元素（除碳、氮源外）的来源和功能,zhsun,45,6.水,水是微生物生长所必不可少的。生理功能：起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；微生物所能利用的是游离水,zhsun,46,人体平均60%海蜇96%霉菌孢子39%孢子细菌芽孢皮层70%核心极低细菌80%营养体酵母75%霉菌85%,微生物,几种生物的游离水含量,zhsun,47,水活度的表示方法,微生物可利用的水用水活度来表示（Qw）水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即wPwP0w式中Pw代表溶液蒸气压力，P0w代表纯水蒸气压力。纯水w为1.00，溶液中溶质越多，w越小。,zhsun,48,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细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，细菌生长最适w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适w则较低。,zhsun,49,微生物生长最适w,zhsun,50,第二节微生物的营养类型,zhsun,51,以前，科学家认为生物只有两种营养类型（1）以植物为代表的自养型，完全靠无机养料生存。（2）以动物为代表的异养型，需要有机养料。碳CO2自养型（无机营养型）源有机碳异养型（有机营养型）能光化学反应光能型源化合物氧化还原反应化能型（无机能、有机能）上述类型两两交叉形成以下四种营养类型,zhsun,52,微生物营养类型的分类,zhsun,53,根据细菌对碳源利用情况的差异，可将细菌分为,1自养菌（autotrophicbacteria）：此类细菌能利用二氧化碳或碳酸盐作为唯一碳源，不依赖任何有机营养物即可正常生活。,zhsun,54,2异养菌（heterotrophicbacteria）：需要利用有机物质碳作为营养和能源的细菌，需要提供一种大量有机物才能满足其正常营养要求。异养菌又可以分为两类：（1）腐生菌（saprophytes）：有些异养菌能从无生命的有机物质中摄取营养。（2）寄生菌（parasites）：有些异养菌寄生于活的动植物体内，从宿主体内的有机物质中获得营养和能量，,zhsun,55,四大类营养类型（以能源、碳源分）,.cn,56,1.光能自养型,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，同时产生元素硫以绿色细菌和紫色细菌为主要类群，包括藻类和某些原核微生物(如兰细菌),在光照下能同化CO2合成细胞自己的有机物质。一般含有光合色素（细菌叶绿素和类胡萝卜素）。如绿硫细菌CO2+2H2S细菌叶绿素CH2O+2S+2H2O细菌的光合作用与高等绿色植物相似，但不放出氧气。,光能自养微生物念珠蓝细菌的电镜照片,依靠光能进行生长,zhsun,57,2.光能异养型,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，如红螺菌科的假单胞菌属中的菌。光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子以光为能源，以有机碳化合物（甲酸、乙酸、甲醇、异丙醇等）作为碳源和氢供体进行光合作用而生长繁殖的微生物。它们需要有机化合物，所以不同于利用无机化合物二氧化碳作为唯一碳源的自养型光合细菌。,光能异养菌紫色非硫菌,光能2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+CH2O+H2O光合色素,zhsun,58,3.化能自养型,氢细菌、硫细菌、铁细菌、氨细菌和亚硝酸细菌，能利用无机物NH3、NO2-、S、Fe2+、H2等氧化时释放的能量，把CO2中的C合成细胞有机物碳架中的碳。如铁细菌2FeCO3+3H2O+1/2O22Fe（OH）3+2CO2+能量CO2+H2OCH2O+O2这类细菌在产能时需要大量的氧气参加，故所有的化能自养菌均为好氧菌。,产甲烷细菌,zhsun,59,4.化能异养型,以有机化合物为C源，利用其有机物氧化过程中氧化磷酸化提供的ATP而生长。碳源和能源不分开。有机物既是能源又是碳源包括原生动物、酵母菌、放线菌、霉菌和大多数的细菌。,苏云金芽孢杆菌,CH2O有机酸+能量,分解,zhsun,60,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。,zhsun,61,四大类微生物的营养类型,1.细菌：根据各种细菌对能量和C源的利用能力，可分为四种营养类型。2.酵母菌：属化能异养型。其碳源有：糖、有机酸、醛、甘油、石油。但不能利用淀粉。3.霉菌：化能异养型。大多数霉菌都可将单、双糖、多糖作为良好的碳源，而且能将脂肪作为碳源利用，能分解脂肪的霉菌较细菌多。4.放线菌：化能异养型。,zhsun,62,第三节物质的运输,zhsun,63,一、影响微生物吸收营养的因素,1.细胞内外的营养物质的浓度差。浓度差越大，越有利于细胞的吸收。2.营养物质的特性。分子量小，溶解度大的比分子量大，溶解度小的物质更容易被机体吸收。一般复杂的有机大分子胞外酶简单的小分子进入细胞。脂溶性化合物较水溶性物质更易进入。不易电离的化合物较易电离的化合物更易进入,zhsun,64,3.细胞质膜的通透性微生物的表面结构-荚膜、粘液层、细胞壁和原生质膜都会影响物质的运输。荚膜、粘液层是一层疏松的结构，对物质运输的影响不大。细胞壁对物质的运输有一定的影响。细菌：巨大芽孢杆菌的细胞壁允许分子量NPS其它元素生长因子要注意碳氮比（C/N）C/N：培养基中元素碳的量与元素氮的比值，有时也指培养基中还原糖的含量与粗蛋白含量的比值。代谢产物含碳量较高的培养基的C/N比要大于代谢产物含氮量高的培养基。如一般发酵工业中的C/N为100：0.52，而Glu发酵培养基的C/N为100：1121。,zhsun,79,3.理化条件要适宜pH值各大类微生物对pH的要求不同。原核微生物的pH为中性至微碱性（pH7.07.6之间），真核微生物喜欢偏酸性的环境（pH在4.56.5之间）。同时还要考虑到在代谢过程由于菌体的代谢而引起的pH的变化，通常在培养基中加入一些缓冲剂（K2HPO4、KH2PO4），以维持pH的恒定。渗透压等渗氧化还原电位,zhsun,80,二、培养基的类型,培养不同营养类型和营养要求的微生物要采用不同的培养基。1.按培养基组成物质的化学成分分2.按培养基的物理状态来分3.按培养基的功能来分4.按培养基的用途分5.根据所培养微生物的微生物类群来分,zhsun,81,1.按培养基组成物质的化学成分分,天然培养基指利用各种动、植物或微生物原料，其成分难以确定。如肉汤培养基：牛肉膏3g，蛋白胨5g，水1000ml。常用原料有：牛肉膏、麦芽汁、蛋白胨、酵母膏、麸皮、牛奶、马铃薯、血清等。天然培养基营养丰富，微生物生长旺盛，来源广泛，配制方便，但稳定性较差。,zhsun,82,合成培养基,是一类化学成分和数量完全知道的培养基，用已知化学成分的化学额药品配制而成。如葡萄糖铵盐培养基：葡萄糖2%，K2HPO40.7%，KH2PO40.3%，MgSO47H2O0.01%，（NH4）2SO40.1%，H2O100ml。这类培养基化学成分精确，重复性强但价格昂贵，微生物生长缓慢，只适合做科学研究。半合成培养基这种培养基实验室和生产实践中使用最多,zhsun,83,2.按培养基的物理状态来分,液体培养基固体培养基在培养基中加入凝固剂即为固体培养基。常用凝固剂有琼脂、明胶、硅胶等，以琼脂最为常用，一般用量为2%。半固体培养基将少量的凝固剂加入液体培养基，即为半固体培养基。琼脂的用量在0.21%之间。主要用于观察微生物的动力，有时用来保藏菌种。,zhsun,84,固化剂,理想固化剂具备的条件：1）不被微生物液化、分解和利用2）在微生物生长的温度范围内保持固体状态，凝固点温度对微生物无害3）不会因消毒、灭菌而破坏4）配制方便，价格低，透明性好固化剂：琼脂、明胶、硅胶,zhsun,85,琼脂（Agar）,主要组成：琼脂糖和琼脂胶两种多糖来源：石花菜等红藻加工特性：绝大多数微生物无法降解琼脂（极少数菌除外）琼脂45固化，约100才融化灭菌过程中不会被破坏，且价格低廉培养基中的添加量：加0.5%琼脂，可以获得半固体培养基加入1.5%-2.0%琼脂，即成固体培养基加8%琼脂，则成硬固体培养基,zhsun,86,明胶（Gelatin）,组成：多种氨基酸来源：动物皮、骨、韧带煮熬特性：被许多微生物作为氮源而利用明胶20凝固，2835融化适用面很窄：只能在20-25作凝固剂但可用于特殊检验,zhsun,87,硅胶（Silicagel）,无机硅酸钠(Na2SiO3)和硅酸钾(K2SiO3)与盐酸和硫酸中和反应时凝结成的胶体特性：完全无机硅胶一旦凝固后，就无法再融化自养菌的研究分离：培养基的固化剂,zhsun,88,3按培养基的功能来分,增殖培养基在培养基中加入一些某种微生物特别喜欢的营养物质，以增加这种微生物的生长速度，逐渐淘汰其他微生物。如要分离到利用石蜡油进行发酵的酵母菌，在培养基中加入石蜡油，就可达到目的。此类培养基常用于菌种筛选。,zhsun,89,选择培养基,在培养基中加入某种物质以杀死或抑制不需要的菌种的生长。抗生素抑制细菌、放线菌；制霉菌素抑真菌；结晶紫、牛胆酸盐抑G+细菌链霉素抑制原核生物的生长，某种程度上讲，增殖培养基也是一种选择培养基,zhsun,90,鉴别培养基,在培养基中加入某种试剂或化学药品，使难以区分的微生物经培养后呈现出明显的差别，因而有助于快速鉴别某种微生物。如用以检查饮用水和乳制品中是否含有肠道致病菌的伊红美蓝（EMB）培养基：蛋白胨10g，乳糖10g，K2HPO42g，2%伊红水溶液20ml，0.325%美蓝水溶液20ml，水1000ml。大肠杆菌在此培养基上形成较小、带有金属光泽的紫黑色菌落，产气气杆菌形成较大的呈棕色菌落，肠道致病菌菌落呈乳白色。,zhsun,91,伊红美兰乳糖培养基(EosinMethyleneblue),zhsun,92,EMB(EosinMethyleneBlue),Left:Escherichiacolicells.Right:E.colicoloniesonEMBAgar.,zh