微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基1.ppt

1、第五章 微生物的營養(yǎng),營養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。,營養(yǎng)物質(zhì):能夠滿足機(jī)體生長、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì).,營養(yǎng):微生物獲得和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程。,第一節(jié)微生物的營養(yǎng)六要素,一、微生物的化學(xué)組成,有機(jī)物： 蛋白質(zhì)、糖類、脂類、核酸,無機(jī)物: 無機(jī)鹽和各種離子,二、微生物的營養(yǎng)要素,六要素：碳源、氮源、能源、生長因子、無機(jī)鹽和水,營養(yǎng)物質(zhì)按照它們在機(jī)體中的生理作用不同，可以將它們區(qū)分成六大類。,1.碳源,在微生物生長過程中能為其提供碳素來源的物質(zhì),異養(yǎng)微生物,目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖、淀粉、麩皮、米糠等。,對

2、于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來說，碳源是兼有能源功能的營養(yǎng)物。,微生物利用的碳源物質(zhì)主要有糖類、有機(jī)酸、醇、脂類、烴、CO2等。,微生物對碳源物質(zhì)的利用具有選擇性: 如在以葡萄糖和半乳糖為碳源的培養(yǎng)基中，E.coli首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者稱為大腸桿菌的速效碳源，后者稱為遲效碳源。,微生物對碳源利用能力有差異: 如Pseudomonas中的某些種可以利用多達(dá)90種以上的碳源物質(zhì)，而一些產(chǎn)甲烷菌僅能利用CO2和少數(shù)1C或2C化合物。,凡是能被用來構(gòu)成菌體物質(zhì)中或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)稱為氮源。,2.氮源,氮源譜,有機(jī)氮,無機(jī)氮,NH3 銨鹽 硝酸鹽 N2,蛋白質(zhì) 核酸 氨基酸 尿

3、素,實(shí)驗(yàn)室常用的無機(jī)氮源有碳酸銨、硝酸鹽、硫酸銨、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。 生產(chǎn)上常用的氮源有硝酸鹽、銨鹽、尿素、氨以及蛋白含量較高的魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅粉、玉米漿等。,蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機(jī)體利用，這種氮源叫遲效氮源。 無機(jī)氮或蛋白質(zhì)降解物中有機(jī)氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。 速效氮源，通常有利于機(jī)體的生長，遲效氮源有利于代謝產(chǎn)物的形成。,3.能源,能源：能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能,能源譜,化學(xué)物質(zhì),輻射能,化能異養(yǎng)微生物的能源,有機(jī)物,無機(jī)物,化能自養(yǎng)微生物的能源,光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源,

4、光輻射能是單功能營養(yǎng)物（能源）；還原態(tài)的NH4+是雙功能營養(yǎng)物（能源和氮源）；而氨基酸是三功能營養(yǎng)物（碳源、能源和氮源）。,4.生長因子(growth factor),生長因子：是一類調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能用簡單的碳、氮源自行合成的有機(jī)物。,微 生 物 生長因子 需要量 (ml-1) III型肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）膽堿 6ug 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng 白喉棒桿菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug 破傷風(fēng)梭狀芽孢桿菌（Clostridium te

5、tani）尿嘧啶 0-4ug 腸膜狀串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,富含物質(zhì)：酵母膏、玉米漿、肝浸液、麥芽汁等,5.礦質(zhì)元素,大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe （微生物生長所需濃度在10-310-4mol/L） （K2HPO4和MgSO4） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （微生物生長所需濃度在10-610-8mol/L） 一般不需要添加,6.水,生理功能主要有,起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用；,參與細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)；,維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象；,熱的良好導(dǎo)體；,水在細(xì)胞中有兩種存在形式： 結(jié)合水和游離水.

6、,營養(yǎng)體孢子芽孢,微生物對水的需要程度常用環(huán)境（或基質(zhì)）中的水活度值（water activity, w）表示 定義：水活度為在一定的溫度條件下，溶液的蒸汽壓（材料上部蒸氣相中水濃度）與純水的蒸汽壓（即純水上部蒸氣相中水濃度）之比， 即：w=/ o 表示溶液的蒸汽壓 o表示純水的蒸汽壓,幾類微生物生長最適w,第二節(jié)微生物的營養(yǎng)類型,營養(yǎng)類型：根據(jù)微生物生長所需要的主要營養(yǎng)要素不同，而劃分的微生物類型。,根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同，可將微生物分為：,光能無機(jī)自養(yǎng)型(photolithoautotrphy),光能有機(jī)異養(yǎng)型(photoorganoheterotrphy),化能無機(jī)自養(yǎng)型(c

7、hemolithoautotrphy),化能有機(jī)自養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy),1光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）,碳源：CO2為主要唯一或主要的,能量：光能,供氫體或電子供體：以無機(jī)物如H2、H2S、S等,藻類及藍(lán)細(xì)菌以水為電子供體（供氫體）， 紅硫細(xì)菌，以H2S為電子供體，,CO2+ 2H2S,光能,光合色素, CH2O + 2S+ H2O,2光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）,不能以CO2為主要或唯一的碳源；,以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；,在生長時(shí)大多數(shù)需要外源的生長因子；,例如，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，

8、同時(shí)積累丙酮。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,3化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）,能量：無機(jī)物氧化放出的化學(xué)能,碳源：CO2 電子供體：H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等,化能無機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中,如氫細(xì)菌、硫桿菌 ，可在完全無機(jī)及無光的環(huán)境中生長。,4化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）,能量：有機(jī)物氧化放出的化學(xué)能,碳源：有機(jī)化合物 氫供體：有機(jī)物代謝過程中產(chǎn)生,有機(jī)物通常既是碳源也是能源；,大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；,所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；,不同營養(yǎng)類型之間的界限并非

9、絕對,異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；,自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長；,有些微生物在不同生長條件下生長時(shí),其營養(yǎng)類型也會(huì)發(fā)生改變；,例如紫色非硫細(xì)菌(purple nonsulphur bacteria)： 沒有有機(jī)物時(shí)，同化CO2， 為自養(yǎng)型微生物； 有機(jī)物存在時(shí)，利用有機(jī)物進(jìn)行生長，為異養(yǎng)型微生物； 光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物； 黑暗與好氧條件下，依靠有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長，為化能營養(yǎng)型微生物,微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力,第三節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式,營養(yǎng)物質(zhì)能否進(jìn)入細(xì)胞取決于三個(gè)方面的因素：,營養(yǎng)物質(zhì)本身的性

10、質(zhì)（相對分子量、質(zhì)量、溶解性、電負(fù)性等,微生物所處的環(huán)境（溫度、PH等）；,微生物細(xì)胞的透過屏障（原生質(zhì)膜、細(xì)胞壁、莢膜等）。,根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸過程的特點(diǎn)，可將物質(zhì)的運(yùn)輸方式分為,自由擴(kuò)散,促進(jìn)擴(kuò)散,主動(dòng)運(yùn)輸,基團(tuán)轉(zhuǎn)移,1自由擴(kuò)散,原生質(zhì)膜是一種半透性膜，營養(yǎng)物質(zhì)通過原生質(zhì)膜上的小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。,特點(diǎn),物質(zhì)在擴(kuò)散過程中沒有發(fā)生任何反應(yīng)；,不消耗能量；不能逆濃度運(yùn)輸；,運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比,水是唯一可以通過擴(kuò)散自由通過原生質(zhì)膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些氣體（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通過自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。,2協(xié)助擴(kuò)散,特點(diǎn),不消耗能

11、量,參與運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸,運(yùn)輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比,需要載體參與,通過促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)主要有氨基酸、單糖、維生素及無機(jī)鹽等。,3主動(dòng)運(yùn)輸,它的一個(gè)重要特點(diǎn)是物質(zhì)運(yùn)輸過程中需要消耗能量和載體，而且可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸。,主動(dòng)運(yùn)輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運(yùn)輸方式。,基團(tuán)移位又稱為磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖轉(zhuǎn)移酶運(yùn)輸系統(tǒng)（PTS），PTS 通常由五種蛋白質(zhì)組成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三種亞基）和一種低相對分子量的熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)（HPr）。,4基團(tuán)移位,基團(tuán)移位是另一種類型的主動(dòng)運(yùn)輸，它與主動(dòng)運(yùn)輸方式的不同之處在于它有一個(gè)復(fù)雜的

12、運(yùn)輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運(yùn)輸，而物質(zhì)在運(yùn)輸過程中發(fā)生化學(xué)變化。,PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸 P - HPr +糖糖-P +HPr,四種運(yùn)送營養(yǎng)方式的比較,第四節(jié)培養(yǎng)基,培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。,任何培養(yǎng)基都應(yīng)該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：,碳源、氮源、無機(jī)鹽、能源、生長因子、水,任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進(jìn)行滅菌處理,常規(guī)高壓蒸汽滅菌： 1.05kg/cm2,121.315-30分鐘； 0.56kg/cm2,112.615-30分鐘,用途：促使微生物生長；積累代謝產(chǎn)物；分離微生物菌種；鑒定微生物種類；微生物細(xì)胞計(jì)數(shù)；菌種保藏；制備

13、微生物制品,培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進(jìn)行研究和利用工作的基礎(chǔ),一、選用和設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的原則和方法,目的明確,（一）配制培養(yǎng)基的原則,1.目的明確,根據(jù)不同的微生物的營養(yǎng)要求配制針對強(qiáng)的培養(yǎng)基。,培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫桿菌的培養(yǎng)基組成為： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml,培養(yǎng)化能異養(yǎng)的大腸桿菌一種培養(yǎng)基是由下列化學(xué)成分組成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,常見的培養(yǎng)四大類微生

14、物的培養(yǎng)基,細(xì)菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）,放線菌（高氏1號(hào)）,酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基),霉菌（查氏合成培養(yǎng)基）,2.營養(yǎng)協(xié)調(diào),碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值，有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。,例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時(shí)，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時(shí)，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。,3.理化條件適宜,pH,水活度,氧化還原電位,a. pH,培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型 微生物的生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。,通常培養(yǎng)條件： 細(xì)菌與放線菌：pH78.0 酵母菌和霉菌：pH4.06范圍內(nèi)生長,內(nèi)源調(diào)節(jié)

15、：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。 外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液,b. 氧化還原電位,各種微生物對培養(yǎng)基的氧化還原電勢的要求： 好氧微生物：+0.3+0.4V,(在0.1V以上的環(huán)境中均能生長). 厭氧微生物：只能在+0.1V以下生長 兼性厭氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下發(fā)酵 對微生物影響最大的是：分子氧和分子氫的濃度 培養(yǎng)基中常用的還原劑：巰基乙酸、抗壞血酸、硫化氫、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等。,4. 經(jīng)濟(jì)節(jié)約,以粗代精,以野代家,以廢代好,以國代進(jìn),以簡代繁,以氮代朊,以烴代糧,以纖代糖,1.生態(tài)模擬 調(diào)查所培養(yǎng)菌的生態(tài)條件，

16、查看“嗜好”，對“癥”下料初級(jí)天然培養(yǎng)基. 2.查閱文獻(xiàn) 查閱、分析文獻(xiàn)，調(diào)查前人的工作資料，借鑒人家的經(jīng)驗(yàn)，以便從中得到啟發(fā)設(shè)計(jì)有自己特色的培養(yǎng)基配方. 3.精心設(shè)計(jì) 借助優(yōu)選法或正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法等方法.,（二）設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的方法,4、實(shí)驗(yàn)比 較： 不同培養(yǎng)基配方的選擇比較 單種成分來源和數(shù)量的比較 幾種成分濃度比例調(diào)配的比較 小型試驗(yàn)放大到大型生產(chǎn)條件的比較 pH和溫度試驗(yàn),附1：配置培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題及解決方法：,1、沉淀 2、膠體強(qiáng)度的破壞 3、褐色物質(zhì)的形成 4、pH發(fā)生變化,二、培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用,培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)分成多種類型。,按成分不同劃分,

17、天然培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基,含用化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基,化學(xué)成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基,高氏1號(hào)培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基,半合成培養(yǎng)基,在合成培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加些天然成份，以更有效地滿足微生物對營養(yǎng)物的需要.如馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基,按物理狀態(tài)不同劃分,固體培養(yǎng)基,液體培養(yǎng)基,在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%-2.0%,瓊脂含量一般為0.2%-0.7%,不加任何凝固劑,半固體培養(yǎng)基,固體培養(yǎng)基常用來進(jìn)行微生物的分離、鑒定、活菌計(jì)數(shù)及菌種保藏,觀察微生物的運(yùn)動(dòng)特征、分類鑒定及噬菌體效價(jià)滴定,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在

18、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究,按用途不同劃分,基礎(chǔ)培養(yǎng)基,鑒別培養(yǎng)基,含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基,用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基,用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基,選擇培養(yǎng)基,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質(zhì)制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基,微生物產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物，與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的特征變化,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基,加富培養(yǎng)基,特殊營養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動(dòng)植物組織液等,在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營養(yǎng)物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)，抑制不需要的微生物的生長，有利于所需微生物的生長,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14. Left: Escherichia coli cells. Right: E. coli colonies on EMB Agar.,復(fù)習(xí)思考題,1.什么叫營養(yǎng)？什么是營養(yǎng)物？營養(yǎng)物有哪些生理功能？ 2.營養(yǎng)物質(zhì)包括哪些？各有何功能？ 3.根據(jù)碳源、能源及電子供體的不同可將微生物劃分為幾種類型？舉例說明。 4.營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式有幾種？各有何特點(diǎn)？ 5.什么是培養(yǎng)基？配制培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)遵循什么原則？ 6.培養(yǎng)基按化學(xué)成分、物理狀態(tài)、用途來劃分可分為哪幾種類型？ 7