微生物的营养类型

1、关于微生物的营养类型第1页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三营养类型第2页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三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 CO2H2S 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。第3页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三光能异养型微生物以CO2为

2、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+CO2 2CH3COCH3+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第4页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）为供氢体同化CO2 CH3 光能CO2+2CH2-CHOH-CH2O+2CH3COCH3+H2O 菌绿素例：红螺菌属（Rhodospirillum）光能异养型微生物第5页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三化能自养型微生物 以CO2

3、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。 第6页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三通过氧化无机物取得能量，并以CO2为唯一或主要碳源1. 硝化细菌:亚硝化细菌 2NH4+ +3O22NO2- +2H2O + 4H+132Kcal硝化细菌 NO2- +1/2O2 NO3- +18.1 Kcal三、化能无机营养型第7页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三2. 硫化细菌:

4、通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、 S2O32- 、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属） H2S + 1/2 O2 S +H2O + 50.1 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal第8页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三3. 铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化 CO2 2Fe2+1/2O2+2H+ 2Fe3+H2O+21.2 Kcal4. 氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能 量，同化CO2 H2+ 1/2 O2 H2O + 56.7 Kcal第9页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三化能异养

5、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10页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三 Major nutritional types of microorganisms Nutritional TypeEnergy SourceCarbon SourceExamplesPhoto

6、autotrophsLightCO2Cyanobacteria, some Purple and Green BacteriaPhotoheterotrophsLightOrganic compoundsSome Purple and Green BacteriaChemoautotrophs or Lithotrophs (Lithoautotrophs)Inorganic compounds, e.g. H2, NH3, NO2, H2SCO2A few Bacteria and many ArchaeaChemoheterotrophs or HeterotrophsOrganic co

7、mpoundsOrganic compoundsMost Bacteria, some Archaea第11页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生 活的微生物异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能 满足其正常营养要求的微生物（即 其碳源必须是有机物，供氢体是有 机物，能源可以是氧化有机物活利 用日光能）关于营养类型的定义：第12页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三第四节 培养基(medium)定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。特点：任何培养基

8、都应具备微生物所需要的五大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品第13页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三一、培养基的配制原则（一）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）第14页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（一）培养基组分应适合微生物的营养特点 即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。 不同营养类型的

9、微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养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，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。 按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同： 细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基 LB (Luria-Bertani) 放线菌： 高氏一号培养基 真菌： 查氏合成培养基 PDA (Potato-Dextrose-Agar) 酵母菌； 麦芽汁当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱法进行测定。第15页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（二）营养物的浓度与比例应恰当浓度过高微生物的生长起抑制

10、作用， 浓度过小不能满足微生物生长的需要。碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标； 速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例 碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数C/N比值=例：谷氨酸生产中 C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。第16页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（三）物理化学条件适宜 （1）pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同： 细 菌：7.08.0放线菌：7.58.5酵母菌：3.86.0霉 菌：

11、4.05.8 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，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：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液第17页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（三）物理化学条件适宜（续）磷酸缓冲液：pH值从6.07.6之间K2HPO4+HCl KH2PO4+KClKH2PO4+KOH K2HPO4+H2O加入CaCO3：CO32 HCO3 H2CO3 CO2+H2O+H+H+H+H培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质

12、等物质也可起到缓冲作用。第18页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（2）渗透压和aw渗透压等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.86.2/L NaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。第19页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三第20页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（3）氧化还原电势(redox poyential)各种微

13、生物对培养基的氧化还原电势的要求：好氧微生物：+0.3+0.4V,(在0.1V以上的环境中均能生长).厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果。对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。第21页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源该培养基的应用目的，即： 是培养菌体还是积累代谢产物？ 是实验室种子培养还是大规模发酵？ 代谢产物是初级代谢产

14、物还是次级代谢产物？ 用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉 的原料，提倡以粗代精，以废代好。第22页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三1.生态模拟 调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料初级天然培养基.2.查阅文献 查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的

15、经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方.3.精心设计 借助优选法或正交试验设计法等方法.二、设计培养基的方法第23页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三二、设计培养基的方法（续）4、实验比 较： 不同培养基配方的选择比较 单种成分来源和数量的比较 几种成分浓度比例调配的比较 小型试验放大到大型生产条件的比较 pH和温度试验附1：配置培养基时应注意的几个问题及解决方法：1、沉淀2、胶体强度的破坏3、褐色物质的形成4、pH发生变化第24页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三高压蒸气灭菌 一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3, 15-30

16、min 含糖培养基: 0.56 Kg/cm2, 112.6 , 15-30 min 过滤灭菌, 分别灭菌, 间歇灭菌的应用附2：培养基的灭菌第25页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三附图：过滤灭菌第26页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三附3：器皿的灭菌及无菌室的消毒器皿的灭菌： 干热空气： 160， 2 小时无菌室的消毒： 紫外光 化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）第27页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三三、培养基的类型及其应用-1 根据所培养微生物的微生物类群来分 细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基-2 根据培养目的来分 种

17、子培养基(seed culture medium)是为保证发酵生产获得大量优质种子而设计的培养基，特点是营养较丰富，氮源比例较高。有时为使菌种能迅速适应后面的发酵条件，还有意识地加入发酵培养基的基质。 发酵培养基(fermentation medium)用于生产预定发酵产物，一般以碳为主要元素，碳源含量往往高于种子培养基。大规模生产时，原料应价廉易得，还应有利于下游的分离提取。第28页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三-1细菌培养基营养肉汤（nutrient broth)： 牛肉膏 3g； 水 1000ml； 蛋白胨 5g ； pH 7.27.4放线菌培养基高氏1号： 可溶

18、性淀粉 20g； KNO3 1g; K2HPO4 1g MgSO4 0.5g NaCl 1g; FeSO47H2O 0.5g 水 1000ml; pH 7.27.4霉菌培养基查氏（zapek)培养基： 蔗糖 30g; KCl 0.5g; MgSO4.H2O 0.5g; FeSO4 0.5g 水 1000ml; K2HPO4 1g; NaNO3 3g; pH 6.7酵母菌培养基麦芽汁培养基 第29页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三味精生产菌北京棒状杆菌AS1299的一级种子（用摇床培养）培养基配方：葡萄糖 3%玉米浆 2.53.5%尿素 0.30.5%K2HPO4 0.10

19、.2%MgSO4 0.05%二级种子（1200升发酵罐）培养基配方：以水解糖3%代替葡萄糖3%，其他成分相同。第30页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三-3 按对培养基成分的了解程度来分 天然培养基(complex medium)：也称作chemically undefined medium。利用化学成分还不完全清楚或不恒定的天然物质，（如肉汤、蛋白胨、麦芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米粉、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。 合成（组合）培养基(synthetic medium)：也称作ch

20、emically defined medium. 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、清楚，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。如高氏培养基、察氏培养基等.半组合培养基(semi-defined medium)：在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要.如马铃薯蔗糖培养基第31页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三-4 按制备后培养基外观的物理状态来分 液体培养基(liquid medium)：液体培养

21、基不含任何凝固剂，菌体与培养基充分接触，操作方便，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。可据培养后的浊度判断微生物的生长程度. 固体培养基(solid medium)：天然固体营养基质制成的培养基，或液体培养基中加入一定量凝固剂（琼脂1.52)而呈固体状态的培养基。为微生物的生长提供营养表面。常用于微生物的分离、纯化、计数等方面的研究。可依使用目的不同而制成斜面、平板等形式. 半固体培养基(semi-solid medium)：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。 第3

22、2页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三1.不被微生物分解、利用、液化；2.不因消毒灭菌而被破坏；3.在微生物的生长温度内保持固态；4.凝固点的温度对微生物无害；5.透明度好，粘着力强理想凝固剂应具备的条件第33页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三第34页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三第35页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三-5 按特殊用途划分基础培养基(minimum medium): 是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基； 另外基础培养基也可作为一些特殊培养基的基础成分（如制备糖发酵培养基时）

23、. 选择性培养基(selective medium)：是根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要，或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。利用这种培养基可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.鉴别性培养基(differential medium)：用于鉴别不同类型微生物的培养基，在普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物，例：伊红美兰乳糖培养基（Eosin Methylene Blue）加富培养基(enriched medium)：在普通培养基中加入某些特殊的营养物，如血、血清、动、植物组织液或其他营养物

24、质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基。用来培养营养要求苛刻的微生物，或用以富集（数量上占优势）和分离某中微生物.第36页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三TYPES OF CULTURE MEDIA TYPE PURPOSE Chemically definedGrowth of chemoautotrophs and photoautotrophs, and microbiological assays. Complex Growth of most chemoheterotrophic organisms. Selective Suppression of unwan

25、ted microbes; encouraging desired microbes. Differential Differentiation of colonies of desired microbes from others. Enrichment Similar to selective media but designed to increase numbers of desired microbes to detectable levels. 第37页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三Table 4a. Minimal medium for the growt

26、h of Bacillus megaterium. An example of a chemically-defined medium for growth of a heterotrophic bacterium. ComponentAmountFunction of componentsucrose10.0 gC and energy sourceK2HPO42.5 gpH buffer; P and K sourceKH2PO42.5 gpH buffer; P and K source(NH4)2HPO41.0 gpH buffer; N and P sourceMgSO4 7H2O0

27、.20 gS and Mg+ sourceFeSO4 7H2O0.01 gFe+ sourceMnSO4 7H2O0.007 gMn+ Sourcewater985 mlpH 7.0第38页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三Table 4b. Defined medium for the growth of Thiobacillus thiooxidans, a lithoautotrophic bacterium. ComponentAmountFunction of componentNH4Cl0.52 gN sourceKH2PO40.28 gP and K sour

28、ceMgSO4 7H2O0.25 gS and Mg+ sourceCaCl2 2H2O0.07 gCa+ sourceElemental Sulfur1.56 gEnergy sourceCO25%*C sourcewater1000 mlpH 3.0* Aerate medium intermittently with air containing 5% CO2. 第39页，共45页，2022年，5月20日，15点5分，星期三Table 5a. Complex medium for the growth of fastidious bacteriaComponentAmountFunction of componentBeef extract1.5 gSource of vitamins and other growth factorsYeast extract3.0 gSource of vitamins and other growth factorsPeptone6.0 gSource of amino acids, N, S, and PGlucose1.0 gC and energy sourceAgar1