第3章微生物营养和生长(3学时)

第3章微生物营养和生长第一节微生物的营养第二节微生物的生长第一节微生物的营养一、微生物细胞的化学组成1组成元素：大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫这六种元素占细菌细胞干重97%。微量元素：铁、锰、锌等构成。2物质组成：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们等有机物质。水和无机盐等无机物质。水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞干重的90％左右。微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比灰分元素固氮菌酵母菌霉菌P2O5SO3K2ONa2OMgOCaOFe2O3SiO2CuO4.950.292.410.070.820.890.08----3.540.0392.34--0.4280.3830.0350.093--4.850.112.811.120.380.190.160.04--微生物细胞中几种主要元素的含量（干重的百分数）元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——微生物细胞的化学组成主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15碳水化合物12~2827~637~40脂肪5~202~154~40核酸10~206~81无机盐2~303.8~76~12二、微生物的六大营养要素营养物（nutrient）：那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。营养（或叫营养作用，nutrition）：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。六大营养要素:碳、氮、能源、生长因子、无机盐、水生物营养要素动物（异养）微生物绿色植物（自养）异养自养碳源糖类脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳同与碳同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐微生物和动物、植物营养要素的比较1碳源（carbonsource）凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。(1)碳源物质的功能：构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）。(2)微生物的碳源谱无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。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、花生饼粉等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、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3等微生物的碳源谱2氮源(nitrogensource)凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。(1)氮源的主要作用:是合成细胞物质中含氮物质如蛋白质、核酸(2)氮源的种类：有机氮、无机氮迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟效氮源。速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。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、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、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空气实验室常用的氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生产上常用的氮源：有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。氨基酸异养型微生物：多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物。3、能源指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱：有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）化学物质能源谱：无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源4生长因子（growthfactor）是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，甾醇、胺类、脂肪酸等等。微生物分为：生长因子自养型、生长因子异养型、生长因子过量合成型。5无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能。包括大量元素和微量元素。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）无机盐的生理功能细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）一般功能渗透压的维持（Na+等）生理调节物质酶的激活剂（Ma2+等）大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）微量元素特殊分子结构成分（Co、Mo等）6水分：水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面：细胞的构成成分、一系列生理生化反应的反应介质、参与许多生理生化反应、有效地控制细胞内的温度变化（野生型和营养缺陷型）三、微生物的营养类型（1）根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型：异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质（2）根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物：依靠光能进行生长1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，以无机物如水、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CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O光合色素光能自养型微生物的种类：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）。2光能异养型微生物以C02为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C02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+CO22CH3COCH3+[CH22O]+H2O光能异养型细菌在生长时大多数要外源的生长因子3化能自养型微生物以CO2或碳酸盐作为碳源，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。4化能异养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。四、微生物吸收营养物质的方式1单纯扩散扩散是非特异性的营养物质吸收方式：营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散。（1）在扩散过程中营养物质的结构不发生变化。（2）扩散是一个不需要代谢能的运输方式，因此，物质不能进行逆浓度运输。2促进扩散为扩散，但过程中需要特殊的载体蛋白。营养物质本身在分子结构上也不会发生变化不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质运输被运输的物质有高度的立体专一性3主动运输：是微生物吸收营养物质的主要方式。物质在主动运输的过程中需要载体蛋白和能量。消耗代谢能可以进行逆浓度运输的运输方式需要载体蛋白参与对被运输的物质有高度的立体专一性4基团转位基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化。其余特点与主动运输相同。大肠杆菌吸收糖的基团转位方式大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸--糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下：(1)热稳定蛋白的激活：PEP+HPr酶1丙酮酸+P-HPr(2)糖被磷酸化后运入膜内P-HPr+糖酶2糖-P+HPr膜泡运输原生动物吸收营养物质的方式，有胞吞和胞饮两种类型(真核生物)四种主要运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变五、培养基培养基：是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。（一）配制培养基的原则：1.根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。2.注意各种营养物质的浓度与配比。3.控制培养基的PH值。4.经济节约。（二）培养基的种类1根据培养基中化学成分的了解程度将分为：合成培养基：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、重复性强，但微生物生长较慢，且价格昂贵，。天然培养基：利用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物质（如酵母膏、土壤浸液、豆芽汁、玉米粉、麸皮、牛奶、血清等）制成的培养基。2根据培养基的物理状态可将其分为：固体培养基：在液体培养基中加入1.5-2.0%的凝固剂制成的呈固体状态的培养基半固体培养基：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。液体培养基：液体培养基不含任何凝固剂，它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。3按照培养基的用途，可将其分为：加富培养基：在普通培养基里加过血、血清、动物（或植物）组织液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基，用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物选择培养基：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。利用这种培养基可以将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。鉴别培养基：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。第二节微生物的生长个体生长个体繁殖群体生长群体生长个体生长+个体繁殖由于微生物的个体极小，所以常用群体生长来反映生长的状况一、测定生长繁殖量的方法测体积直接法称干重1测生长量比浊法间接法测含碳量生理指标法测含氮量其它（P、DNA）比例计数法直接法血球计数法2计繁殖数液体稀释法间接法平板菌落计数法二、微生物的生长规律㏒细胞数延滞期指数期稳定期衰亡期单细胞微生物的典型生长曲线（一）延滞期（lagphase适应期、缓慢期、调整期）1特点：（1）生长速度为零。（2）细胞体积急剧增大。（3）细胞内的RNA尤其是rRNA含量增高，细胞呈嗜碱性。（4）合成代谢活跃，易产生诱导酶。（5）对外界不良环境条件敏感。2影响延滞期长短的因素接种龄、接种量、培养基成分发酵工业上需尽量缩短该期，以降低生产成本。在食品工业上，尽量在此期进行消毒或灭菌（二）对数期（logarithmicphase，指数增长期）1特点（1）生长速度常数R最大（2）细胞进行平衡生长（3）酶系活跃，代谢旺盛2影响指数期微生物增代时间的因素菌种、营养成分、浓度、温度等发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度。食品工业上尽量使有害微生物