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1、第三章 微生物的 营养与生长,从生物学的观点来看，微生物活细胞是个新陈代谢的动力系统，它从环境不断地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现生长和繁殖，同时排出“废物”。,笫一节微生物的营养,营养物质nutriment：微生物在生命活动中从环境中吸取的用以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的物质。在发酵工业上也包括用于合成产物。 营养(过程)nutrition：微生物吸收和利用营养物质的过程。,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
2、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。,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。,微生物细胞元素组成,部分发酵产品的元素组成,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,几种生物的游离水含量 人：60%
3、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%,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water activity aw= p/p0 微生物生长要求：aw=0.630.99,2.碳源 carbon source,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,微生物的碳源谱,3.氮源 nitrogen source,凡是能被微生物用来构成细胞物质或代
4、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,微生物的氮源谱,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,“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,部分发酵产物的氮源,4.无机盐类mineral salts,生理功能 参与细
5、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,大量（主要/宏量）元素 macroelements P、S、K、Na、Ca、Mg等 需要量：10-310-4M 微量元素 microelements Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等 需要量： 10-610-8M,无机盐一般采用的浓度范围,对一些产物有影响的微量元素,5.生长因子 growth factor,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：150ug/L 氨基酸：2050ug/L 碱 基：1020ug/L 核苷
6、或核苷酸：2002000ug/L,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,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,玉米浆含的氨基酸,6、能源 energy source,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,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
7、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,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,（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：,三、微生物的营养类型,1、微生物营养类型的分类,2、微生物的营养类型,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,光能有机营养型 phot
8、oorganotroph,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+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素,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 Fe Fe + e + 11.3千卡,+2,+3,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
9、分以最简单的营养条件为依据，并以“严格”,“兼性”加以区分。,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,本部分要求掌握： 输送动力， 输送方向， 是否需要载体及其特异性， 被输送物质在输送过程中是否发生化学变化 输送物质举例。,1.简单扩散 simple diffusion,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,输送机制：通过亲水小孔或脂双分子层。 J=D dc/d
10、x 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,2、促进扩散 facilitated diffusion,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。,3、主动运输 active transport,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
11、：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。,NaK泵,4、基团移位 group translocation,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,输送机制： 例：磷酸转移酶系统（PTS） 酶：非特异性，存在于细胞质中 酶：特异性(诱导型)，存在于膜上 因子：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
12、质中,膜泡运输 Membrane vesicle transport,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,四种物质运输方式的比较,基团移位,主动运输,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,（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,（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
13、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,（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complex medium；undefined medium 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,一些营养物质的来源与成分,玉米浆的平均化学组成(以干物质计),合成培养基synthetic
14、medium，defined medium 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) NaNo3 2, K2HPO4 1, KCl 0.5, MgSO47H2O 0.5 FeSO47H2O 0.01, 蔗糖 30, 琼脂 20, pH 自然 半合成培养基semi- synthetic medium 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)： Tryptone 1, Yeast Extract 5, NaCl 1, pH7.2,2、据培养基的物理状态分类,（1）液体培养基 liquid medium 呈液体状态的培养基
15、（2）固体培养基solid medium 外观呈固体状态的培养基,固体培养基 凝固培养基（solidified medium）：遇热可融化、冷却后则凝固的培养基。 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。 天然固体培养基：由天然固体物质直接制成的固体培养基。 滤膜（membrane filter）：是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维素薄膜。,琼脂和明胶的区别,（3）半固体培养基semi-solid medium 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。,3、按照培养基的特殊用途分类,（1）加富培养基enriched medi
16、um 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selected medium 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differential medium 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。,一些鉴别培养基,（4）种子培养基 seed medium 培养发酵用的健壮的种子的培养基。 （5）发酵培养基 fermentation medium 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,
