第三章微生物的营养与生长演示文稿

第三章微生物的营养与生长演示文稿本文档共108页；当前第1页；编辑于星期三\10点6分优选第三章微生物的营养与生长本文档共108页；当前第2页；编辑于星期三\10点6分一、微生物细胞的化学组成1、元素组成：C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo。其中C、H、O、N、P占细胞干重的97%。2、物质组成(1)水：约占细胞湿重的90%。(2)有机物：主要有蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。(3)无机盐：灰分元素是指参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中的元素。本文档共108页；当前第3页；编辑于星期三\10点6分3．影响微生物细胞化学组成的因素(1)微生物的种类：硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多的S、Fe、Cl和Na。(2)菌龄：幼龄菌中含氮量较高。(3)培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。本文档共108页；当前第4页；编辑于星期三\10点6分微生物细胞元素组成本文档共108页；当前第5页；编辑于星期三\10点6分部分发酵产品的元素组成本文档共108页；当前第6页；编辑于星期三\10点6分二.微生物的营养物质1、水水的生理功能细胞的重要组分微生物进行代谢活动的介质参与部分生化反应调节和控制细胞温度本文档共108页；当前第7页；编辑于星期三\10点6分几种生物的游离水含量

人：~60%海蛰：~96%微生物：孢子：霉菌孢子：~39%

细菌芽孢：皮层：~70%

核心：极低营养体：细菌：~80%

酵母：~75%

霉菌：~85%本文档共108页；当前第8页；编辑于星期三\10点6分环境中水的存在状态结合水：与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水；游离水：可以被微生物所利用的水水活度wateractivityaw=p/p0微生物生长要求：aw=0.63~0.99本文档共108页；当前第9页；编辑于星期三\10点6分2.碳源carbonsource凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。生理功能提供C元素提供能量碳源物质有机碳化物无机碳化物本文档共108页；当前第10页；编辑于星期三\10点6分微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、豆饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏分、石蜡油等无机碳C(?)------C·OC02CO2C·O·N·NaCO3、CaCO3等NaCO3、CaCO3、白垩等本文档共108页；当前第11页；编辑于星期三\10点6分3.氮源nitrogensource凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量氮源的种类无机氮、有机氮、气体氮本文档共108页；当前第12页；编辑于星期三\10点6分微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、豆饼粉、蚕蛹等N·C·H·O尿素、多数氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等（NH4）2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气本文档共108页；当前第13页；编辑于星期三\10点6分速效性氮源能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。迟效性氮源不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源本文档共108页；当前第14页；编辑于星期三\10点6分“生理酸性盐”与“生理碱性盐”生理酸性盐由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH下降的盐。如(NH4)2SO4

生理碱性盐由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH上升的盐。如NaNO3本文档共108页；当前第15页；编辑于星期三\10点6分部分发酵产物的氮源本文档共108页；当前第16页；编辑于星期三\10点6分4.无机盐类mineralsalts生理功能参与细胞结构物质的组成；参与酶的组成及调节酶的活性；参与能量转移；调节并维持细胞渗透压的平衡；作为某些微生物的能源物质本文档共108页；当前第17页；编辑于星期三\10点6分无机盐的功能本文档共108页；当前第18页；编辑于星期三\10点6分大量（主要/宏量）元素macroelementsP、S、K、Na、Ca、Mg等需要量：10-3~10-4M微量元素microelementsFe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等需要量：10-6~10-8M本文档共108页；当前第19页；编辑于星期三\10点6分无机盐一般采用的浓度范围本文档共108页；当前第20页；编辑于星期三\10点6分对一些产物有影响的微量元素本文档共108页；当前第21页；编辑于星期三\10点6分5.生长因子growthfactor生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物质。种类

维生素、氨基酸、碱基需要量

维生素：1—50ug/L

氨基酸：20—50ug/L

碱基：10—20ug/L

核苷或核苷酸：200—2000ug/L本文档共108页；当前第22页；编辑于星期三\10点6分几种微生物的生长因子

菌种生长因子丙酮丁醇梭菌对氨基苯甲酸德氏乳杆菌酪氨酸、胸腺核苷干酪乳杆菌生物素、麻黄素粪链球菌叶酸、精氨酸肠膜明串珠菌吡哆醛金黄色葡萄球菌硫胺素本文档共108页；当前第23页；编辑于星期三\10点6分向培养基中添加生长因子的措施直接添加添加富含生长因子的物质酵母膏，玉米浆，肝浸汁，麦芽汁本文档共108页；当前第24页；编辑于星期三\10点6分玉米浆含的氨基酸本文档共108页；当前第25页；编辑于星期三\10点6分6、能源energysource

能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能能源谱化学物质：有机物无机物辐射能本文档共108页；当前第26页；编辑于星期三\10点6分7、气体

（1）氧O2

：微生物的对氧的需求专性好氧菌：只能在有氧的环境中生长专性厌氧菌：只能在无氧的环境中生长兼性厌氧菌：在有氧及无氧的环境中都能生长微嗜氧菌：只能在氧分压很低的环境中生长本文档共108页；当前第27页；编辑于星期三\10点6分向微生物提供氧的措施实验室：液体培养（三角瓶、试管）：浅液层、振荡固体培养（平板、斜面）：表面生长大生产：液体培养（发酵罐）：通风、搅拌固体培养：浅层、通风本文档共108页；当前第28页；编辑于星期三\10点6分（2）二氧化碳CO2对于自养微生物：唯一或主要碳源对于异养微生物：本文档共108页；当前第29页；编辑于星期三\10点6分三、微生物的营养类型1、微生物营养类型的分类分类标准营养类型A、能源光能营养型phototroph化能营养型chemotrophB、氢供体无机营养型lithotroph有机营养型organotroph本文档共108页；当前第30页；编辑于星期三\10点6分分类标准营养类型C、碳源自养型autotroph异养型heterotrophD、生长因子原养型(prototroph)/野生型(wildtype)营养缺陷型auxotrophE、合成氨基酸能力氨基酸自养型aminoacidautotroph氨基酸异养型aminoacidheterotrophF、取食方式渗透营养型osmotroph吞噬营养型phagotrophG、取得死或活有机物腐生saproghytism寄生parasitism本文档共108页；当前第31页；编辑于星期三\10点6分2、微生物的营养类型营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物本文档共108页；当前第32页；编辑于星期三\10点6分光能无机营养型

photolithotroph

能源：光主要碳源：CO2

供氢体：H2S、Na2S2O3例：绿硫细菌，紫硫细菌CO2+H2S[CH2O]+2S+H2O

细菌叶绿素本文档共108页；当前第33页；编辑于星期三\10点6分光能有机营养型

photoorganotroph

能源：光；主要碳源：有机物，但可以将CO2还原成细胞物质。供氢体：有机物例：红螺细菌2CH3CHOHCH3+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素本文档共108页；当前第34页；编辑于星期三\10点6分

化能无机营养型

chemolithotroph能源：无机物，NH3，

NO2，H2，H2S，S等主要碳源：CO2

电子供体：无机物例：氧化亚铁硫杆菌

FeFe+e+11.3千卡+2+3本文档共108页；当前第35页；编辑于星期三\10点6分化能有机营养型chemoorganotroph

能源：有机物主要碳源：有机物

例：大部分种类的微生物，工业用菌种多为此类。营养类型的划分不是绝对的，在自然界中存在中间类型。营养类型的划分以最简单的营养条件为依据，并以“严格”,“兼性”加以区分。本文档共108页；当前第36页；编辑于星期三\10点6分四.营养物质的跨膜输送微生物是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。被动吸收——简单扩散和促进扩散主动吸收——主动运输和基团移位原生动物——膜泡运输本文档共108页；当前第37页；编辑于星期三\10点6分本部分要求掌握：①输送动力，②输送方向，③是否需要载体及其特异性，④被输送物质在输送过程中是否发生化学变化⑤输送物质举例。本文档共108页；当前第38页；编辑于星期三\10点6分1.简单扩散

simplediffusion无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。特点：输送动力：浓度梯度输送方向：顺浓度梯度输送物质：水、气体、脂溶性物质、极性小的分子本文档共108页；当前第39页；编辑于星期三\10点6分输送机制：通过亲水小孔或脂双分子层。

J=Ddc/dx

J：扩散速度

D：扩散系数

dc/dx：该物质的浓度梯度影响因素：分子的大小、溶解性、极性和环境的温度等本文档共108页；当前第40页；编辑于星期三\10点6分2、促进扩散facilitateddiffusion在特异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。特点：输送动力：浓度梯度输送方向：顺浓度梯度载体蛋白：需要，具有特异性输送物质：极性大的分子，真核微生物对糖的吸收。输送机制：被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力。本文档共108页；当前第41页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第42页；编辑于星期三\10点6分3、主动运输activetransport

在消耗能量的同时，实现溶质在细胞内的浓缩，而没有任何化学变化发生的输送机制。特点：输送动力：代谢能量输送方向：逆浓度梯度载体蛋白：需要，具有特异性输送物质：氨基酸、某些糖、Na、K等。输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的结合力。本文档共108页；当前第43页；编辑于星期三\10点6分主动输送本文档共108页；当前第44页；编辑于星期三\10点6分Na—K泵本文档共108页；当前第45页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第46页；编辑于星期三\10点6分4、基团移位grouptranslocation被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制特点：输送动力：代谢能量,PEP上的高能磷酸键输送方向：逆浓度梯度载体蛋白：磷酸转移酶系统被输送物质在输送前后的存在状态：在细胞膜内被磷酸化本文档共108页；当前第47页；编辑于星期三\10点6分输送机制：例：磷酸转移酶系统（PTS）酶Ⅰ：非特异性，存在于细胞质中酶Ⅱ：特异性(诱导型)，存在于膜上因子Ⅲ：特异性，存在于细胞质中

HPr(组氨酸蛋白质/热稳定蛋白质)：非特异性，存在于细胞质中本文档共108页；当前第48页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第49页；编辑于星期三\10点6分5.膜泡运输Membranevesicletransport通过趋化性运动靠近营养物质，将它吸附到膜表面，形成膜泡，并进入细胞质。胞吞作用胞饮作用本文档共108页；当前第50页；编辑于星期三\10点6分四种物质运输方式的比较本文档共108页；当前第51页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第52页；编辑于星期三\10点6分基团移位主动运输本文档共108页；当前第53页；编辑于星期三\10点6分五、培养基medium

人工配制的含有营养物质的供微生物生长繁殖或积累代谢产物的基质本文档共108页；当前第54页；编辑于星期三\10点6分（一）培养基应具有的共性单位数量的培养基应能以最高产率地生产出所需产物，能最高速率地稳定合成出所需产物，培养基成分应价格便宜易于就近取材，培养基有利于通风、搅拌、提取、纯化和废物处理等

本文档共108页；当前第55页；编辑于星期三\10点6分（二）制备培养基的要素（1）营养物质：包括研究或实验微生物所需要的碳、氮、磷、硫等宏量元素及微量元素、生长因素及水等。在营养缺陷型（生长因素异养型）微生物的培养基中，必须配入所缺的生长因素。（2）水活度：实际上是控制好培养基中可溶物质的浓度。（3）pH值：指灭菌后pH值，这与pH缓冲液和缓冲物（如CaCO3）的使用有关。（4）培养基的物理状态（5）灭菌方法本文档共108页；当前第56页；编辑于星期三\10点6分（三）培养基的种类1、按对培养基成分的了解分类天然培养基complexmedium；undefinedmedium

利用化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物质制成的培养基。如：实验室用的麦汁培养基马铃薯浸汁培养基大生产用山芋干粉糖化醪本文档共108页；当前第57页；编辑于星期三\10点6分一些营养物质的来源与成分本文档共108页；当前第58页；编辑于星期三\10点6分玉米浆的平均化学组成(以干物质计)本文档共108页；当前第59页；编辑于星期三\10点6分合成培养基syntheticmedium，definedmedium

利用化学成分完全了解的高纯化学试剂制成的培养基。如：培养霉菌用的察氏培养基（g/L)NaNo32,K2HPO41,KCl0.5,MgSO4·7H2O0.5FeSO4·7H2O0.01,蔗糖30,琼脂20,pH自然半合成培养基semi-syntheticmedium

由部分天然有机物和部分化学试剂制成的培养基。如：LB培养基(g/L)：Tryptone1,YeastExtract5,NaCl1,pH7.2

本文档共108页；当前第60页；编辑于星期三\10点6分2、据培养基的物理状态分类（1）液体培养基liquidmedium

呈液体状态的培养基（2）固体培养基solidmedium

外观呈固体状态的培养基

本文档共108页；当前第61页；编辑于星期三\10点6分固体培养基①凝固培养基（solidifiedmedium）：遇热可融化、冷却后则凝固的培养基。②非可逆性凝固培养基：当凝固后就不能再融化的固体培养基。③天然固体培养基：由天然固体物质直接制成的固体培养基。④滤膜（membranefilter）：是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维素薄膜。本文档共108页；当前第62页；编辑于星期三\10点6分琼脂和明胶的区别本文档共108页；当前第63页；编辑于星期三\10点6分（3）半固体培养基semi-solidmedium

呈当容器倒放时不致流下、但在剧烈振荡后则能破散状态的凝固性固体培养基。琼脂的加量为0.5%左右。本文档共108页；当前第64页；编辑于星期三\10点6分3、按照培养基的特殊用途分类（1）加富培养基enrichedmedium

为分离某种微生物而专门设计，加入了助长该类微生物的营养物质的培养基。（2）选择培养基selectedmedium

加入了某种化学物质以抑制不需要的菌的生长,从而促进目的菌生长的培养基。（3）鉴别培养基differentialmedium

添加了某种试剂或化学药品而对特定的微生物起鉴别作用的培养基。本文档共108页；当前第65页；编辑于星期三\10点6分一些鉴别培养基本文档共108页；当前第66页；编辑于星期三\10点6分（4）种子培养基seedmedium

培养发酵用的健壮的种子的培养基。（5）发酵培养基fermentationmedium

用于合成某种预定的发酵的培养基。（6）繁殖和保藏培养基细菌：营养琼脂、LB培养基放线菌：马铃薯培养基，高氏一号培养基酵母：麦汁培养基，YEPD培养基霉菌：麦汁培养基、察氏培养基

（7）基础培养基：几种相似培养基的共同部分本文档共108页；当前第67页；编辑于星期三\10点6分培养基种类本文档共108页；当前第68页；编辑于星期三\10点6分（四）配制培养基应注意的问题1、营养成分的溶解缓冲性组分；易沉淀组分；微量组分；合成培养基的组分2、pH值及水活度3、琼脂4、灭菌（五）商品化培养基本文档共108页；当前第69页；编辑于星期三\10点6分第二节微生物的生长生长：个体体积的增大及细胞原生质总量的增加。繁殖：个体数量的增多。群体生长：包含了个体生长和繁殖本文档共108页；当前第70页；编辑于星期三\10点6分一、微生物个体细胞的生长1、细菌的生长与繁殖本文档共108页；当前第71页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第72页；编辑于星期三\10点6分2、丝状菌的生长与繁殖

本文档共108页；当前第73页；编辑于星期三\10点6分曲霉菌分生孢子形成的过程本文档共108页；当前第74页；编辑于星期三\10点6分二.微生物生长的测定(一)直接计数法1、显微计数法

酵母菌、霉菌孢子：血球计数器细菌：Petroff-Hausser或Helber计数器

本文档共108页；当前第75页；编辑于星期三\10点6分2、电子自动计数法Coulter电子计数器可测定细胞数、细胞大小分布。

本文档共108页；当前第76页；编辑于星期三\10点6分（二）间接计数法1、平板菌落计数法适用：单细胞或单孢子菌悬液方法：倾注平板、涂布平板CFU：colony-formingunit2、薄膜过滤计数法微孔滤膜如硝化纤维素薄膜适用：量大、含菌浓度低的样品本文档共108页；当前第77页；编辑于星期三\10点6分3、液体稀释法（或然率法）

MPN(Mostprobablenumber)

将样品作10倍系列稀释，接种液体试管，培养后记录出现生长的试管数，查表并计算。例：某一细菌在稀释法中的生长情况如下

稀释度10-410-510-610-710-8

重复数55555

生长管数55410

数量指标“541”，查统计分配表17

原菌液中的活菌数=1.7×106

个/dL本文档共108页；当前第78页；编辑于星期三\10点6分（三）其他方法1.测定细胞物质的量测定细胞干重法比浊法测定细胞总含氮量法

2..霉菌菌丝长度的测定菌落直径测定法：

U型管测定法：本文档共108页；当前第79页；编辑于星期三\10点6分三.微生物群体生长规律（一）细菌生长曲线growthcurve

将少量细菌接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下培养，定时取样测定细胞密度（CFU），以活细胞数的对数对培养时间所作出的曲线称为生长曲线。本文档共108页；当前第80页；编辑于星期三\10点6分细菌群体生长曲线

本文档共108页；当前第81页；编辑于星期三\10点6分1.延迟期（lagphase调整期）活细胞数：基本不变细胞生理特点：分裂迟缓、代谢活跃出现的原因：调整代谢，适应新环境影响因素：菌种的遗传性；种龄；接种量；培养基组分及培养条件缩短措施：本文档共108页；当前第82页；编辑于星期三\10点6分2.对数期logphase/exponentialphase活细胞数：呈几何级数增加细胞的生理特点：细胞生长速率最大；细胞进行平衡生长；酶系活跃，代谢旺盛本文档共108页；当前第83页；编辑于星期三\10点6分繁殖代数和世代时间

x2=x1·2n繁殖代数n=(lgx2-lgx1)/lg2世代时间generationtimeG=lg2(t2-t1)/(lgx2-lgx1)本文档共108页；当前第84页；编辑于星期三\10点6分在最适条件下几种微生物的世代时间本文档共108页；当前第85页；编辑于星期三\10点6分3、平衡期stationaryphase活细胞数：动态平衡出现原因：营养物质的消耗；有生理毒性代谢产物的积累；环境条件（pH,氧化还原电位）的改变对细胞生长不利细胞生理特点：分裂速度降低；活细胞数达到最大值；开始积累储藏物质；积累发酵产物；芽孢细菌产生芽孢本文档共108页；当前第86页；编辑于星期三\10点6分4、衰亡期declinephase/deathphase活细胞数：逐渐下降细胞生理特点：细胞内颗粒更加明显，出现液泡细胞出现异常形态细胞死亡伴随自溶本文档共108页；当前第87页；编辑于星期三\10点6分（二）真菌的生长曲线1、酵母菌的生长曲线：与细菌相似2、丝状真菌的生长曲线

三个时期各期特征生长停滞期孢子萌发前的时期迅速生长期菌丝伸长及分枝衰退期菌丝体干重下降伴随自溶

本文档共108页；当前第88页；编辑于星期三\10点6分（三）多种碳源及复合培养基存在下的微生物的生长葡萄糖和乳糖共存时大肠杆菌的二次生长曲线麦芽糖和蔗糖共存时酿酒酵母的二次生长曲线本文档共108页；当前第89页；编辑于星期三\10点6分本文档共108页；当前第90页；编辑于星期三\10点6分四.微生物的培养1.分批培养

batchculture

将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获的培养方法。摇瓶培养发酵罐培养本文档共108页；当前第91页；编辑于星期三\10点6分2.补料分批培养适用对象：底物对菌体生长或产物形成具有抑制作用方法：阶段式补料连续补料----流加发酵

本文档共108页；当前第92页；编辑于星期三\10点6分3.连续培养continuousculture

当微生物以分批培养的方式培养到对数期后，向培养器中不断补充新鲜营养物质，并以同样速度排出培养物，使微生物的增殖速度及培养基中的总菌量保持不变的培养方法。本文档共108页；当前第93页；编辑于星期三\10点6分分批培养与连续培养的关系本文档共108页；当前第94页；编辑于星期三\10点6分连续培养装置本文档共108页；当前第95页；编辑于星期三\10点6分恒浊连续培养反应器：恒浊器（turbidostat）目的：

不断提供具有一定生理状态的细胞，得到以最高生长速率进行生长的培养物。应用：

获得大量的菌体获得与菌体生长相平衡的代谢产物。

不断调节流速而使培养液的浊度(菌体密度)保持恒定的连续培养方法本文档共108页；当前第96页；编辑于星期三\10点6分恒化化连续培养控制恒定的流速，使由于菌体生长而耗去的营养物及时得到补充；培养液中营养物浓度基本恒定，从而保持菌体的恒定生长速率的连续培养方法。反应器：恒化器chemostat培养基：含一种限制性因子，其它营养成分均过量本文档共108页；当前第97页；编辑于星期三\10点6分限制性因子条件菌体生长提供所必需的营养物质；在一定的浓度范围内，生长速率与其浓度呈正比关系。限制因子的种类氨基酸，葡萄糖，生长因子，无机盐等本文档共108页；当前第98页；编辑于星期三\10点6分Monod公式本文档共108页；当前第99页；编辑于星期三\10点6分连续培养处于稳定状态的条件D=F/V=mF：培养基流入(流出)培养器的速度（l/h）V：培养基中培养液的体积(l)D：稀释率，单位时间内单位体积的培养基中流入流出的量（h-1)m

：比生长速率，单位时间内单位重量的微生物所形成的新的菌体的重量(h-1)本文档共108页；当前第100页；编辑于星期三\10点6分连续培养的稳定状态