微生物的营养市公开课获奖课件

1、第四章 微生物营养第1页第1页营养物质：能够满足微生物机体生长、繁殖和完毕 各种生理活动所需物质。营养：微生物取得和利用营养物质过程营养物质是微生物生存物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式一个生理过程。第2页第2页本章内容： 第一节、微生物营养要求（微生物需要吃什么？）第三节、营养物质进入细胞（微生物是如何吃东西）第二节、培养基（如何给微生物做饭）第3页第3页第一节 微生物营养要求一、微生物细胞化学构成微生物细胞水：70-90%干物质有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物 无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在“营养上统一性”细胞化学元素构成：主要元素：C、H、O、N、P、S、

2、K、Mg、Ca、Fe等；微量元素：Zn、Mn、Na、Cl、Mo、Se、Co、Cu、W、Ni、B等。第4页第4页第一节 微生物营养要求二、营养物质及其生理功效微生物与动植物营养要素比较原因动物(异养)微生物植物(自养)异样自养碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳氮源蛋白质及其降解物蛋白质及其降解物、有机氮化物、无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳源同与碳源同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素有些需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水第5页第5页第一节 微生物营养要求二、营养物质及其生理功效主要功效：提供合成原生质和代

3、谢产物原料；产生合成反应及生命活动所需能量；调整新陈代谢。1、碳源凡能提供微生物营养所需碳元素营养源。功效：碳源、能源。微生物碳源谱：2、氮源凡能提供微生物营养所需氮元素营养源。功效：氮源，普通不作能源。微生物氮源谱：氨基酸自养型和异养型生物。速效氮源和迟效氮源。生理碱性、酸性、中性盐第6页第6页 3、无机盐所需浓度在10-3-10-4M元素为大量元素。所需浓度在10-6-10-8M为微量元素。主要功效：构成菌体成份；酶活性基构成或维持酶活性；调整渗入压、pH、Eh；化能自养微生物能源等。无机元素起源与功效：一些无机元素加入盐：4、生长因子一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简朴碳、氮源自行

4、合成所需极微量有机物。种类：维生素、AA、base、FA等。作用：辅酶或酶活化。起源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等，复合维生素。浓度：5、水存在状态：游离态（溶媒）和结合态（结构构成）；生理作用：构成成份；反应介质；物质运送媒体；热良导体。第7页第7页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型异养型生物自养型生物生长所需要营养物质生物生长过程中能量起源光能营养型化能营养型光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型：以光为能源，但生长需要一定有机营养化能自养型：以无机物氧化取得能量，生长不依赖有机营养物化能异养型：以有机物氧化取得能量，生长依赖于有机营养物质第8页第8页第一节 微生

5、物营养要求三、微生物营养类型 微生物营养类型()划分依据营养类型特点碳源自养型(autotrophs) 以CO2 为唯一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源能源光能营养型(phototrophs) 以光为能源化能营养型(chemotrophs) 以有机物氧化释放化学能为能源电子供体无机营养型(lithotrophs) 以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs) 以有机物为电子供体第9页第9页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型微生物营养类型()第10页第10页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或

6、主要碳源；进行光合作用获取生长所需要能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；比如，藻类及蓝细菌等和植物同样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素产生。CO2+ 2H2S光能光合色素CH2O+2S+H2O第11页第11页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源生长因子；比如，红螺菌属中一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积

7、累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3COCH3 +CH2O + H2O第12页第12页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境演化过程中起主要作用。第13页第13页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型化能无机自养型（化能自养型）生长所需要能量来自无机物氧化过程中放出化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使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环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物

8、质循环；第14页第14页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型化能有机异养型（化能异养型）生长所需要能量均来自有机物氧化过程中放出化学能；生长所需要碳源主要是一些有机化合物， 如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。有机物通常既是碳源也是能源；大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；第15页第15页第一节 微生物营养要求三、微生物营养类型化能有机异养型（化能异养型）腐生型(metatrophy)：可利用无生命有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；寄生型(paratrophy)：寄生在活寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；在腐生型和寄生型之间

9、还存在中间类型： 兼性腐生型(facultive metatrophy)； 兼性寄生型(facultive paratrophy)；第16页第16页三、微生物营养类型不同营养类型之间界线并非绝对：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；比如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：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，依托有机物氧化产生化学能生长，

10、 为化能营养型微生物；微生物营养类型可变性无疑有助于提升其对环境条件改变适应能力第17页第17页三、微生物营养类型第一节 微生物营养要求营养缺点型一些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或一些)对该菌株生长必不可少物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)能力，必须从外界环境取得该物质才干生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺点型(auxotroph)，相应野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺点型菌株经惯用来进行微生物遗传学方面研究。微生物生长需要生长因子与营养缺点型之间关系？第18页第18页第二节 培养基培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作基础培养基（mediu

11、m）是人工配制，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物营养基质。任何培养基都应当具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水任何培养基一旦配成，必须马上进行灭菌处理；常规高压蒸汽灭菌： 1.05kg/cm2,121.315-30分钟；一些成份进行分别灭菌；过滤除菌；第19页第19页第二节 培养基一、配制培养基原则在微生物学研究和生长实践中，配备适当培养基是一项最基本要求。1、选择适宜营养物质2、营养物质浓度及配比3、控制pH条件4、控制氧化还原电位5、原料起源选择6、灭菌处理第20页第20页一、配制培养基原则1、选择适宜营养物质培养不同微生物必须采取不同培养条件；培养目标

12、不同，原料选择和配比不同；试验室惯用培养基：细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：高氏1号合成培养基培养；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌： 查氏合成培养基；试验室普通培养：普通惯用培养基；遗传研究：成份清楚合成培养基；生理、代谢研究：选取相应培养基配方；比如枯草芽孢杆菌：普通培养：肉汤培养基或LB培养基；自然转化：基础培养基；观测芽孢：生孢子培养基；产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主产酶培养基；第21页第21页一、配制培养基原则2、营养物质浓度及配比营养物质浓度适宜；营养物质之间配比适宜；高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不但不能维持和增进微生物生长，反而起到克制或杀菌作用。

13、培养基中各营养物质之间浓度配比也直接影响微生物生长繁殖和(或)代谢产物形成和积累，其中碳氮比(C/N)影响较大。发酵生产谷氨酸时：碳氮比（C/N）为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；碳氮比（C/N）为3/1时，菌体繁殖受到克制，谷氨酸产量大量增长第22页第22页一、配制培养基原则3、控制pH条件培养基pH必须控制在一定范围内，以满足不同类型微生物生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长为了维持培养基pH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。第23页第23页一、配制培养基原则4、控制氧化还原电位氧化还

14、原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势一个指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。就像微生物与pH关系一样，不同类型微生物生长对氧化还原电位()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伏下列时进行发酵。第24页第24页一、配制培养基原则4、控制氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH相关,也受一些微生物代谢产物影响增长通气量(如振荡培养、搅拌)提升培养基氧分压，或加入氧化剂，从而增长值；在培养

15、基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可减少值。培养基中加入氧化还原批示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定第25页第25页一、配制培养基原则4、控制氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH相关,也受一些微生物代谢产物影响第26页第26页一、配制培养基原则5、原料起源选择配制培养基时应尽也许利用廉价且易于取得原料作为培养基成份,尤其是在发酵工业中,以降低生产成本。以粗代精以“野”代“家”以废代好以简代繁以烃代粮以纤代糖以无机氮代蛋白对微生物来说，各种粗原料营养愈加完全，效果愈加好。并且在经济上也节约。以野生植物原料代替

16、栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质野生植物，能够部分取代粮食用于工业发酵碳源。以工农业生产中易污染环境废弃物作为培养微生物原料。比如，糖蜜(制糖工业中含有蔗糖废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖亚硫酸纸浆)等都可作为培养基原料。工业上甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是惯用发酵工业原料。某制药厂改进链霉素发酵液中原有配方，设法减去30-50%黄豆饼粉、25%葡萄糖和20%硫酸铵，结

17、果反而提升了产量。以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。生产石油蛋白将石油产品转化成一些产值更高高级醇、脂肪酸、环烷酸等化工产品和若干合成物；对石油产品品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。开发利用纤维素这种世界上含量最丰富可再生资源。将大量纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类食品及饮料。以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价原料用作发酵培养基原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮发酵产物供人们利用。第27页第27页6、灭菌处理配好培养基要进行严格灭菌。普通采用高压蒸汽灭菌，0.1MPa，121 15 30min可达到灭菌效果。灭菌后培养基pH会发生改变，可通

18、过加入NaOH或HCl加以调整。第28页第28页第二节 培养基二、培养基类型及应用1按成份不同划分（1）天然培养基(complex medium)以化学成份还不清楚或化学成份不恒定天然有机物构成（2）合成培养基(synthetic medium)是由化学成份完全理解物质配制而成培养基，也称化学限定培养基(chemically defined medium)第29页第29页第二节 培养基二、培养基类型及应用2、依据物理状态划分（1）固体培养基：含凝固剂。琼脂、明胶、硅胶（2）半固体培养基：凝固剂含量少，0.20.7%。（3）液体培养基：未加凝固剂。振荡、搅拌。第30页第30页第二节 培养基二、培

19、养基类型及应用3、按用途划分（1）基础培养基(minimum medium)在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需基本营养物质培养基，也称为基本培养基。第31页第31页二、培养基类型及应用3、按用途划分（2）加富培养基和富集培养基(enrichment medium)在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入一些特殊营养物质制成一类营养丰富培养基。这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。用来培养营养要求比较苛刻异养型微生物，如培养百日咳博德氏菌(Bordetella pertussis)需要含有血液加富培养基。依据待分离微生物特点设计培养基，用于从环境中富集和分离某种微生物。（

20、目的微生物在这种培养基中较其它微生物生长速度快，并逐步富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物目的。）第32页第32页二、培养基类型及应用3、按用途划分（3）判别培养基(differential medium)（4）选择培养基(selective medium)用于判别不同类型微生物培养基特定化学反应，产生显著特性性改变，依据这种特性性改变,可将该种微生物与其它微生物区分开来。用于将某种或某类微生物从混杂微生物群体中分离出来培养基依据不同种类微生物特殊营养需求或对某种化学物质敏感性不同，在培养基中加入对应特殊营养物质或化学物质，克制不需要微生物生长，有利于所需微生物生长。第33页第33页（3）

21、判别培养基(differential medium)伊红和美蓝二种苯胺染料可克制G+细菌和一些难培养G细菌。在低酸度时，这二种染料结合形成沉淀，起着产酸批示剂作用。试样中各种肠道菌会在EMB培养基上产生互相易区别特性菌落，因而易于辨。比如大肠杆菌强烈分解乳糖而产生大量混合酸，菌体呈酸性，菌落被染成深紫色，从菌落表面反射光中还可看到绿色金属闪光。第34页第34页（4）选择培养基(selective medium)第35页第35页（4）选择培养基(selective medium)第36页第36页第三节 营养物质进入细胞一、扩散(diffusion)二、增进扩散(facilitated diffu

22、sion)三、积极运送(active transport)四、膜泡运送(membrane vesicle transport)第37页第37页第三节 营养物质进入细胞一、扩散(diffusion)：高浓度低浓度。动力是浓度差。第38页第38页第三节 营养物质进入细胞一、扩散(diffusion)物质跨膜扩散能力和速率与该物质性质相关,分子量小、脂溶性、极性小物质易通过扩散进出细胞。扩散并不是微生物细胞吸取营养物质主要方式,水是唯一能够通过扩散自由通过原生质膜分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及一些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。第39页第39页第三节 营养物质进

23、入细胞二、增进扩散(facilitated diffusion)被动物质跨膜运送方式物质运送过程中不消耗能量参与运送物质本身分子结构不发生改变不能进行逆浓度运送运送速率与膜内外物质浓度差成正比。通过增进扩散进行跨膜运送物质需要借助与载体(carrier)作用才干进入细胞，并且每种载体只运送相应物质，含有较高专一性。第40页第40页第三节 营养物质进入细胞二、增进扩散(facilitated diffusion)载体只影响物质运送速率，并不改变该物质在膜内外形成动态平衡状态；这种性质都类似于酶作用特性，因此载体蛋白也称为透过酶；透过酶大都是诱导酶,只有在环境中存在机体生长所需营养物质时，相应透过

24、酶才合成。第41页第41页第三节 营养物质进入细胞三、积极运送(active transport)在物质运送过程中需要消耗能量能够进行逆浓度运送积极运送是广泛存在于微生物中一个主要物质运送方式运送物质所需能量起源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能；第42页第42页第三节 营养物质进入细胞三、积极运送(active transport)1、初级积极运送(primary active transport)由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起质子运送方式，是一个质子积极运送方式。呼吸能、化学能和光能消耗，引起胞内质子外排，造成原生质膜内外建立质子浓度差，使膜处于充能状态，即形成能化膜。第43页第43页第三节 营养物质进入细胞三、积极运送(active transport)1、初级积极运送(primary active transport)好氧型、兼性厌氧型微生物氧化释放电子，传递厌氧型微生物发酵产生ATP， ATP酶光合微生物光合磷酸化嗜盐菌视紫红质第44页第44页第三