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1、第五章 微生物与发酵工程,第二节 微生物的营养、代谢与生长,什么叫“营养物质”？ 什么叫“营养”？ 组成生物体的化学元素有哪些？,一、微生物的营养,能够维持机体正常生命活动、保证机体生长发育和生殖等的外源物质，叫做营养物质 对人和动物，营养物质包括水、无机盐、糖类、脂类、蛋白质和维生素六大类； 对植物，营养物质包括矿质元素、水、二氧化碳等三大类；而对微生物，则有水、无机盐、碳源、氮源、生长因子五大类。,机体摄取和利用营养物质的过程叫做营养,大量元素C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等 微量元素 Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等,C、H、O、N、P、S在不同微生物体内含量 （占细胞的质量分
2、数 ）,微生物与其他生物的化学组成具有统一性 不同的微生物化学组成具有差异性,（一）微生物需要的营养物质及功能,种类：,碳源、氮源、生长因子、无机盐、水,功能：,为微生物正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境,（1）什么是碳源？根据定义如何确定一种物质是不是微生物的碳源？ （2）哪些物质常作为碳源？其中最常用的碳源是什么？ （3）碳源有什么作用？ （4）自养型和异养型微生物分别能利用哪类碳源？其利用的能源又分别是什么？,阅读思考题：,一、碳源,概念：,凡能为微生物提供所需碳元素的营养物质,无机碳源：CO2、NaHCO3等,有机碳源：糖类、脂肪酸、花生饼粉、石油等,1、主要
3、用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物,2、异养微生物的主要能源物质,不同种类的微生物，对碳源需要差别大 例如，甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源，而洋葱假单胞菌却能利用90多种含碳化合物 .,来源,作用,说明：,研究课题一：关于自养微生物和异养微生物碳源的利用和能量的来源。,2、异养微生物生命活动所需的能源主要依靠物质氧化分解放能，碳源是异养微生物的主要能源物质；某些异养微生物也可以光能作为能源，例如红螺菌，它不能以CO2作为主要或唯一碳源，而需要有机物参与，才能利用光能将CO2还原成细胞物质，这种营养类型称为光能异养型。,1、自养微生物以CO2或碳酸盐为唯一碳源进行代谢生长；异养微生物必须
4、以有机物为碳源进行代谢生长。,不同的微生物所需要的碳源不同,光,CO2,蓝细菌、藻类等,光,CO2与简单的有机物,红螺菌科,无机物,CO2,硝化细菌、硫细菌、铁细菌,有机物,有机物,绝大多数细菌与全部真核微生物,研究课题二：利用某些微生物碳源的特殊性解决环境污染、粮食危机等问题。,1、利用某些细菌、放线菌、酵母菌以石油作为碳源的原理，消除石油污染。 2、运用某些细菌可以分解、利用氰化物、酚等有毒物质的原理处理有害物质。 3、研究开发以纤维素、石油、CO2、H2等作为碳源和能源的工业微生物，解决工业发酵用粮与人们日常用粮的矛盾。,（1）什么是氮源？ （2）氮源对微生物有什么作用？ （3）哪些物质
5、常作为氮源？其中最常用的氮源是什么？ （4）哪些微生物能够利用分子态氮？氮源能否为微生物提供能量？,阅读思考题：,二、氮源,说明：,作用：,来源,概念：,凡能为微生物提供所需氮元素的营养物质,无机氮源：N2、氨、铵盐、硝酸盐等,有机氮源：氨基酸、嘌呤、嘧啶、尿素、牛肉膏、蛋白胨、鱼粉、玉米浆、花生粉饼,主要用于合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物,异养微生物：含C、H、O、N的化合物既是碳源，又是氮源,探究课题三：关于氮源物质的来源和作用,1、对许多微生物来说，既可利用无机含氮化合物作为氮源，也可利用有机含氮化合物作为氮源； 2、固氮微生物可以利用氮气作为氮源进行生长； 3、铵盐、硝酸盐等既可作
6、为微生物最常用的氮源，也可作为某些化能自养微生物的能源物质； 4、自养微生物与异养微生物类型的划分主要是依靠能否以CO2作为生长的主要或唯一碳源，而不决定于氮源。,有些微生物，如乳酸杆菌，在得到充足的碳源、氮源、水、无机盐供应时，并不能正常生长，假如要使乳酸杆菌正常生长，则需要在培养基中补充部分维生素、氨基酸等，但补充的量往往很少，那么，为何乳酸杆菌缺乏这些物质时不能正常生长?这些物质的作用机理是什么?这些物质属于微生物所需的哪一类营养物质?,想一想?,三、生长因子,生长因子是微生物生长不可缺少的微量的有机物，主要包括维生素、氨基酸和碱基等，它们一般是酶和核酸的组成成分。,讨论：如何证明某种物
7、质是某种 微生物的生长因子？,思路：在含碳源、氮源、水、无机盐但缺乏某种物质的培养基中培养微生物，微生物不能生长或生长极差，向培养基加入该种物质，微生物正常生长。,凡能为微生物提供所需碳元素的物质,主要是葡萄糖，还有CO2、NaHCO3、脂肪酸、花生、石油,构成细胞物质和一些代谢产物；有些碳源是异养微生物的主要能源物质,凡能为微生物提供所需氮元素的物质,常用：铵盐、硝酸盐；其他如N2、氨、尿素、牛肉膏、蛋白胨,合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物,某些微生物生长不可缺少的微量有机物，如维生素、氨基酸、碱基等,酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织提取液等,酶和核酸的组成成分,(1)生长因子：一
8、些微生物不需要从营养物质中摄取生长因子，而是依靠自身体内合成。另外，一些微生物自身体内缺乏合成生长因子所需的酶，因此只能从营养物质中直接获得，否则就不能生存。 (2)同一物质可作一种或几种营养成分：NaHCO3既作为无机盐又作碳源，NH4 +或NO 3既作氮源又作无机盐，含C、H、O、N的物质如蛋白胨、酵母膏既可作碳源、氮源，又可作生长因子 。 (3)硝化细菌的碳源、氮源、能源分别为CO2、NH3、NH3，所以无机N可以提供能量。,3硝化细菌和大肠杆菌的碳源、氮源和能源分别是什么？,硝化细菌：CO2；硝酸盐；NH3。 大肠杆菌：糖类；铵盐、硝酸盐；糖类或含氮有机物。,三、培养基的配制原则,第一
9、个原则是目的要明确:目的包含两层含义，一指培养的微生物种类、二指培养的目的，是用于生产还是科学研究，因为二者对培养基的化学成分、物理状态等方面要求不同，例如用于生产的培养基应具有原料易得、价格低廉、配制方便等特点，而用于科学研究的培养基应具有成分含量准确，可多次重复实验的特点。,第二个原则是营养要协调:它表现在两个方面，一是营养物质的浓度要适宜，二是营养物质间的浓度比例要适宜。例如，蔗糖是多种微生物的主要营养物质，但是高浓度的蔗糖反而会抑制微生物的生长。又如，在谷氨酸生产中，当培养基中的碳源和氮源的比为41时，菌体大量生长而合成谷氨酸少；当碳源与氮源比为31时，菌体的繁殖受抑制，但谷氨酸合成量
10、大增。,第三个原则是pH要适宜：由于微生物在生长代谢过程中营养物质利用和代谢产物的形成往往会改变环境中的pH，为了维持培养基中出的相对恒定，可在培养基中加入缓冲剂，最常用的缓冲剂是磷酸氢二钾或磷酸二氢钾。,（二）培养基的种类,按照物理性质划分培养基,固体培养基,半固体培养基,液体培养基,主要用于微生物的分离、计数等,主要用于观察微生物的运动、鉴定菌种等,主要用于工业生产,需加入凝固剂，如琼脂,思考：,液体培养基为什么适于工业生产？,在固体培养基上鉴定菌种的依据是什么？,液体培养基营养物质分布均匀，与菌体充分接触，有利于微生物更快吸收营养，有利于菌体繁殖、积累产物，因而适于大规模生产,依据菌落的
11、大小、形状、颜色、硬度、透明度等特征。,按照化学成分划分培养基 天然培养基 合成培养基 按照培养基的用途 选择培养基 鉴别培养基,常用于分类、鉴定等,常用于工业生产,分离所需的微生物,鉴别不同种类的微生物,大肠杆菌,沙门氏菌,选择培养基中选择微生物的方法： (1)利用微生物对某种物质的抗性分离 如培养基中加入青霉素可抑制细菌、放线菌等，从而可分离得到酵母菌和真菌等。 (2)利用微生物特殊的代谢途径分离 如培养基中不加氮源，可分离出自生固氮微生物；若培养基中不加有机物，则可分离自养型微生物。,(3)常见微生物的分离实例： 真菌、霉菌：用含青霉素的培养基分离 金黄色葡萄球菌：用含高浓度食盐的培养基
12、分离 固氮微生物：用无氮培养基分离 自养型微生物：用无机碳源的培养基分离 光合细菌：用无机碳源的培养基在无氧而有光照的环境中分离。 厌氧型和兼性厌氧型微生物：用普通培养基在无氧条件下分离。 在培养基中加入伊红和美蓝 用来鉴别饮用水和乳制品中是否存在大肠杆菌等细菌：如果有大肠杆菌，其代谢产物就与伊红和美蓝结合，使菌落呈深紫色，并带有金属光泽。,加入青霉素等抗生素的培养基 分离导入了目的基因的受体细胞,【例】 根据各类微生物的形态结构特点和新陈代谢类型，利用选择性培养 基和鉴别培养基，结合显微镜镜检以及菌落特征，可以把混杂在一起的大肠杆菌、硝化细 菌、乳酸菌、酵母菌、金黄色葡萄球菌、圆褐固氮菌分离
13、开来。下面是分离筛选的方法步骤，请根据各个步骤的条件，填写空格中的内容。 首先配制一系列不同性质的固体培养基，然后进行灭菌，再将上述微生物的混合液分别接种到各种培养基上进行培养。 (1)用无氮培养基可筛选出 ； (2)用不含有机碳源的选择培养基可筛选出 ； (3)酵母菌的筛选需要在常规培养基中另加入 ； (4)用加了较高浓度NaCl的选择培养基可筛选出 或者根据菌落的颜色呈现 色，将其挑取单独培养； (5)利用伊红美蓝培养基培养混合菌，菌落呈 色并带有金属光泽的是 ，挑取该菌单独培养。结合显微镜镜检和进一步用伊红美蓝培养基鉴别培养来确定； (6)在无氧环境下培养混合菌， 可以生长，加入一定浓度
14、的乳酸，使培养基pH充分降低，可抵制 微生物的生长，利用菌落特征，结合显微镜镜检，选取生长优势的菌落，即可分离出 。,圆褐固氮菌,硝化细菌,青霉素,金黄色葡萄球菌,金黄,深紫,大肠杆菌,乳酸菌和酵母菌,酵母菌,乳酸菌,练习设计：,1、含C、H、0、N的某相对大分子化合物可以作为 ( ) A.异养微生物的氮源、能源 B.异养微生物的碳源、能源 C.自养微生物的碳源、氮源、能源 D.异养微生物的碳源、氮源、能源,2、下列叙述中不正确的是（ ） A.碳源主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物 B.微生物最常用的氮源是铵盐和硝酸盐 C.蛋白质既可作碳源，又可作氮源，分解成氨基酸后还可作生长因子 D
15、.牛肉膏只能作氮源，而不能为生物提供能量,D,D,3.由NH4NO3、KNO3、KH2PO4、CaCl2、NaHCO3、一些微量元素和水按一定比例配成的营养液适合于培养 （ ） A.根瘤菌 B.绿藻 C.酵母菌 D.变形虫 4.农田土壤的表层，自生固氮菌的含量比较多，将用表层土制成的稀泥浆，接种到特制的培养基上培养，可将自生固氮菌与其它细菌分开，对培养的要求是 （ ） 加抗生素 不加抗生素 加氮素 不加氮素 加葡萄糖 不加葡萄糖 37恒温箱培养 28 -30温度下培养 A. B. C. D.,C,B,5.红螺菌生活在湖泊、池塘的淤泥中，它的体内具有光合色素，能利用光能在缺氧的条件下，以有机酸、
16、醇等有机物作为营养物质，使自身迅速繁殖。红螺菌同化作用的类型属于( ) A 光能自养型 B 光能异养型 C 化能自养型 D 化能异养型 6.下列物质中，不能用作酵母菌碳源的是 （ ） A、含碳有机物 B、蛋白胨 C、含碳无机物 D、石油、花生粉饼等天然物质 7.制作新鲜风味的泡菜，都是利用乳酸发酵来增加泡菜的风味，那么，乳酸菌种主要来自 （ ） A、乳酸菌接种 B、泡菜时的凉开水 C、泡菜时菜缸中的空气 D、泡菜的原料,C,B,A,8.人工种植蘑菇是一项具有很高实用价值的农业技术，请结合一些具体的生产环节和一些相关问题分析回答： （1）培养基中要加入大量的有机物质。原因是 。 （2）培养基在接种前要进行灭菌处理，否则很容易
