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1、1,第四章 微生物的生理,2,第一节 微生物的化学组成及营养物质,3,一、概述,营养:微生物获得和利用营养物质的过程。,营养物质: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。,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,微生物不断获得营养物质，将其变成细胞组分，并将废弃物排出体外的过程称为新陈代谢。,4,二、微生物的化学组成,水分(7090)+干物质(3010%)有机物(9097%)：蛋白质、核酸、糖类和脂类干物质 无机物(103%)：P、S等和Cu、Mn等微量元素 C、H、O、N是所有生物体的有机元素 糖类和脂类：C、H、O 蛋白质：C、H、
2、O、N、S 核酸：C、H、O、N、P,5,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等,微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,占细菌细胞干重的97%,微生物机体质量的70%90%为水分，其余10%30%为干物质,6,三、微生物的营养物质,7,1.水,1)水的功能是微生物细胞的重要组成成分维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象参与细胞内一系列化学反应起到溶剂与运输介质的作用控制细胞内的温度通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构,8,2.碳源,1)定义：能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中的碳素来源的营养物质。,2)碳源的作用构成微生物细胞的含碳物质(碳架)供给微生物生长、繁殖及运
3、动所需要的能量,9,甲烷氧化菌：甲烷、甲醇,根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？,不同的微生物利用碳素的情况,洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物,纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素,10,微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等,11,对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。,目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。,最适碳源 糖 醇 有机酸 脂类最适糖类 单糖 双糖 多糖最适单糖 已糖 戊糖最适多糖 淀粉 纤维素 木质素、几丁质微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。,12,13,1)定义：是指能被微生
4、物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质。2)氮源的作用：提供微生物合成蛋白质和酶的原料。,3.氮源,微生物可利用的氮素化合物：,14,最适碳源 NHCO NH NO N2速效氮源：以蛋白质降解产物存在的氮源 迟效氮源：以蛋白质形式存在的氮源,15,根据对氮源要求不同，微生物可分4类(1)固氮微生物：能利用空气中的氮气合成自身的氨基酸和蛋白质，如固氮菌、根瘤菌等；(2)利用无机N作为N源的微生物：如亚硝化菌、大肠杆菌等，无机氮源NH3、NH4+、NO2-、NO3-；(3)以某种氨基酸为N源的微生物：如乳酸细菌、丙酸细菌等；(4)从分解蛋白质中取得铵盐或氨基酸的微生物：如氨化细菌、霉菌等
5、。,16,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的不同可以把微生物分为：,氨基酸自异养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,17,4.能源,能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能,单功能营养物：如辐射能双功能营养物：NH4+是硝酸细菌的能源和氮源三功能营养物：如”N.C.H.O”是异养微生物的源、碳源及氮源。,18,1)要供给形式：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐和金属元素的化合物2)矿质营的功能 构成细胞组分；参与酶的组成、维持酶的活性，酶的激活剤；
6、调节和维持细胞的渗透压平衡，控制细胞的pH值、氧化还原电位；供给自养微生物能源。,5.矿质营养,19,3)矿质营养的分类根据微生物对矿质元素需要量大小分大量元素：是指微生物生长所需浓度在10-3-10-4 mol/L。如P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe等。微量元素：微生物生长所需浓度在10-6-10-8 mol/L。如：锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,20,21,大肠杆菌缺Fe的影响表现：影响甲酸脱氢酶的合成，使得不能催化甲酸分解为H2和CO2，则分解葡萄糖时只产酸不产气；影响细胞分裂。此时大肠杆菌细胞核物质只增长、延长而不分裂，整个细胞呈丝状生长。若污水生物处理中出现这种情况，则会
7、引起活性污泥丝状膨胀，造成二沉池的出水水质差。,22,23,1)定义：是指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。,6.生长因子,注意：并不是所有微生物都需要从外界吸收生长因子才能生长,24,微 生 物 生长因子需要量(ml-1)III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6ug金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）
8、尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛 0.025ug,25,维生素的生理功能,26,有关生长因子的注意点：,（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同,克氏杆菌 生物素、对氨基苯甲酸肠膜明串珠菌 十七种氨基酸,（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化,鲁毛霉：厌氧：需维生素B与生物素 好氧：无需生长因子,（3）生长因子未知微生物的培养,加入天然成分，如酵母膏、玉米浆、肝浸出液、麦芽汁、牛肉膏或动物、植物的组织液、新鲜动植物组织,27,第二节 营养物质的跨膜运输,28,营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素,营养物
9、质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等）微生物所处的环境（温度、pH等）微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）,29,单纯扩散(simple diffusion)促进扩散(facilitated diffusion)主动运输(active transport)基团转位(group translocation),根据物质跨膜运输过程的特点，可分为：,30,31,1、定义：是指杂乱运动的、水溶性的溶质分子通过细胞膜中含水的小孔从高浓度区向低浓度区进行物理扩散的进出细胞的过程。脂溶性物质被磷脂层溶解而进入细胞。2、运输的物质：水、某些气体(如O2、CO2等)、脂溶性物质(如甘油、
10、乙醇和苯等)、少数氨基酸和某些离子运输3、特点：a 没有载体的协助 b 无需能量 c 沿浓度梯度扩散，扩散速度慢，与膜内外物质的浓度差成正比 d 物质在扩散过程中没有发生任何反应；,一、单纯扩散(simple diffusion),32,水、O2、CO2是可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂溶性物质被磷脂溶解也可通过单纯扩散进出细胞，并比水溶性物质速度快。,33,1、定义：指利用渗透酶(载体蛋白)将营养物质从细胞膜的外表面运送到内表面并释放的过程。2、运输的物质：氨基酸、单糖、维生素、无机盐、金属离子等3、特点：a 需要渗透酶 b 不消耗代谢能量 c 沿浓度梯度，运输速率与膜内外物质的浓度差
11、成正比 d 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,二、促进扩散(facilitated diffusion),34,35,36,1、定义：指营养物质从低浓度向高浓度移动且消耗能量的运输方式。2、运输的物质：氨基酸、糖、无机离子(K、Na、H)、硫酸盐、磷酸盐、有机酸等3、特点：a 需要渗透酶，对底物有特异性 b 消耗能量 c 底物进入细胞时，其化学结构没有发生改变 d 可以进行逆浓度运输,三、主动运输(active transport),37,38,a,e,c,d,b,39,主动运输的作用机制(1)钠钾泵主动运输,40,主动运输的作用机制(2)离子浓度梯度主动运输 消耗ATP建立离子浓度梯度
12、，通过反向转运载体完成H和K、Na的反向传递。(3)H浓度梯度主动运输 是好氧微生物吸收营养的重要方式。在膜呼吸或在ATP作用下，膜内外形成一定的电位差，在此作用下，阴、阳离子分别由同向转运载体和单向转运载体携带进入细胞。,41,1、定义：是一种主要存在于厌氧菌和兼性厌氧菌的需要代谢能量的运输方式。2、运输的物质：糖、嘌呤、嘧啶、乙酸等3、特点：a 需要消耗能量 b 底物化学结构发生改变(一般呈磷酸化的形式)c 需载体蛋白，对底物有特异性 d 逆浓度,四、基团转位(group translocation),42,43,糖的基团转位过程总过程为,基团转位又称为磷酸烯醇丙酮酸磷酸糖转移酶运输系统（
13、PTS），PTS 包括酶I、酶II和一种热稳定蛋白质（HPr）。,44,基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,45,四种运输营养物质方式的比较,46,第三节 微生物的培养基,47,1、定义：培养基是指根据各种微生物的营养要求，将水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等物质按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。2、用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。,一、培养基的定义及用途,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该为微生物生长
14、提供六大营养物质。,48,目的明确，即培养基组分应适合微生物的营养特点；,二、培养基的配制原则,49,根据不同的微生物的营养要求、需要的产物、培养规模等来配制针对强的培养基。培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10 g MgSO4.7H2O 0.5 g(NH4)2SO4 0.4 g FeSO4 0.01 g KH2PO4 4 g CaCl2 0.25 gH2O 1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖 5 g NH4H2PO4 1 g NaCl 5 g MgSO4.7H2O 0.2 g K2HPO4 1 g H2O 1000 ml,50,常见的培养四大
15、类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3 g 蛋白胨 10 g NaCl 5 g H2O 1000 ml,放线菌（高氏1号）淀粉 20 g K2HPO4 0.5 g NaCl 0.5 g MgSO4.7H2O 0.5 g KNO3 1 g FeSO4 0.01 g H2O 1000 ml,酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10巴林，煮沸后，沙布过滤，调pH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3 g K2HPO4 1 g KCl 0.5 g MgSO4.7H2O 0.5 gFeSO4 0.
16、01 g 蔗糖 30 g H2O 1000 ml,51,培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。氮源过多：菌体生长过旺，不利于积累代谢产物氮源不足：菌体繁殖受到抑制，代谢产物积累,营养协调，即各营养物质的浓度配比要恰当,52,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。H2O C N P、S Mn、Co 生长因子 110-2 10-3 10-4 10-5 10-6C/N比率：在微生物的培养基中所含的碳源中碳原子摩尔数与氮原子摩尔数之比
17、。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。,53,碳氮磷比,细菌、酵母菌 C/N=5/1霉菌、放线菌 C/N=10/1,54,经济节约、原料选择适宜,即营养成分原料应价廉、易得,如酵母膏、蛋白胨,如水解酪蛋白,如硝酸盐,55,理化条件适宜,pH：培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。细菌与放线菌：pH77.5；酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，如K2HPO4、(NH4)2S
18、O4或在进行工业发酵时补加酸、碱。有些缓冲剂既可调节pH也是营养物质。,即酸碱度、渗透压、氧化还原电位等要控制适当；,56,渗透压,57,专性好氧性微生物：空气提供氧气、工业上采用通气装置。专性厌氧性微生物：采用理化方法除氧、向培养体系加入还原剂胱氨酸、巯基乙酸钠、Na2S和抗坏血酸）增加CO2供应的途径：紫硫细菌和绿硫细菌等厌氧性自养菌：培养基中加入NaHCO3,58,氧化还原电位Eh氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同好
19、氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长，以+0.3-+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸，+0.1伏以下时进行发酵。,59,水活度水分活度是指在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：w=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力,Pow代表纯水蒸汽压力。纯水w 为1.00，溶液中溶质越多，w 越小。微生物一般在w 为0.600.99的条件下生长，w 过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适w 不同,
20、细 菌：0.93 0.99酵母菌：0.880.91霉 菌：0.80 左右,60,三、设计培养基的方法,61,烧杯中加一定量(一般约为80%)的蒸馏水(或去离子水，或自来水)；按配方称取营养成分，将其逐一加入；调节pH值(用质量浓度为100 g/L的NaOH或HCl)；分装，置高压蒸汽灭菌锅内灭菌；冷却备用。,四、培养基的配制顺序,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理,62,1、按组成物质的性质分 合成培养基(synthetic media)指由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。优点：成分精确，重复性好；缺点：配制复杂，成本较高。,五、培养基的种类,放线菌（高氏1号）淀粉 20 g K
21、2HPO4 0.5 g NaCl 0.5 g MgSO4.7H2O 0.5 g KNO3 1 g FeSO4 0.01 g H2O 1000 ml,霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3 g K2HPO4 1 g KCl 0.5 g MgSO4.7H2O 0.5 gFeSO4 0.01 g 蔗糖 30 g H2O 1000 ml,63,天然培养基(complex media)指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成的培养基。优点：营养丰富，配制方便，成本低；缺点：成分难以确定，无法应用于精细实验中。,Rhizobium medium（根瘤菌培养基）酵母膏 1 g 土壤浸提液
22、 200 ml 甘露醇 10 g 琼脂 15 g 蒸馏水 800 ml pH 7.2,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3 g 蛋白胨 10 g NaCl 5 g H2O 1000 ml,64,半合成培养基(semi-synthetic media)指一类主要用已知化学成分的试剂配制，同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养基。优点：配制方便，成本较低。,Azotobacter Medium(固氮菌培养基)KH2PO4 0.2g K2HPO4 0.8 g MgSO4.7H2O 0.2 g CaSO4.2H2O 0.1 a2MoO4.2H2O 微量 Yeast axtract(酵母膏)0
23、.5 g Mannitol(甘露醇)20 g FeCl3 微量 Distilled water(蒸馏水)1000 ml Agar(琼脂)15 g pH 7.2,65,固体培养基(solid media)指在液体培养基中加入15-30 g/L(1-2%)的凝固剂，使之成固体状态。应用：分离、鉴定、记数和保存等。半固体培养基(semi-solid media)在液体培养基中加入35 g/L(0.3%-0.5%)的凝固剂。应用：鉴定及观察菌种的运动特征 液体培养基(liquid media)配制好的培养基中不加凝固剂。应用：用于大规模工业化生产，实验室微生物的生理、代谢等理论或应用方面的研究。,2、
24、按物理状态分,明胶、硅胶、琼脂,无营养、无分解能力，融点96，凝点40,66,基础培养基(minimum media)含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基。选择培养基(selective media)用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基。如：在培养基中有革兰氏阴性菌也有革兰氏阳性菌，但想培养的是革兰氏阴性菌，就可以加入胆汁酸盐，抑制阳性菌的繁殖。,3、按用途、目的分,67,加富培养基(enrichment media)指用一些特别的物质或成分配制，使样品中数量少的细菌或对营养要求比较苛刻的细菌快速生长的培养基。鉴别培养基(differential med
25、ia)指在培养基中加入某种指示剂，根据代谢产物与指示剂反应结果的不同而区别不同种类的微生物的培养基。如：大肠杆菌中的大肠埃希氏菌、枸橼酸盐杆菌、产气杆菌、副大肠杆菌四个，对乳糖的分解能力不同。其中副大肠杆菌不能分解，大肠埃希氏菌最强，菌落呈紫红色且带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，菌落呈紫红色或深红色；产气杆菌最低，菌落呈淡红色。,用EMB培养基鉴别肠道杆菌,69,大肠埃希氏菌,枸橼酸盐杆菌,产气杆菌,副大肠杆菌,远藤氏培养基,对乳糖分解能力不同,淡红色,紫红或深红色,紫红色带金属光泽,无色透明,70,第四节 微生物的营养类型,71,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：,72,73
26、,1、特点：酶系统完备，合成有机物的能力强；CO2、CO和CO32是其唯一的碳源；能利用光能或化学能在细胞内合成复杂的有机物，以构成自身的细胞成分。,一、无机营养微生物(自养微生物),74,2、分类 光能自养微生物(photoautotroph)微生物以CO2作为惟一碳源或主要碳源，以无机物(如硫化氢、硫代硫酸钠等无机硫化物)作为供氢体，还原CO2 合成细胞物质，并利用光能进行生长。例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌、绿色硫和紫色硫细菌等，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,75,微生物以CO2或碳酸盐作
27、为惟一碳源或主要碳源，以H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体，还原CO2或碳酸盐合成细胞物质，并利用无机物氧化所产生的化学能作为能源进行生长。化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；主要是红螺菌属、红假单胞属、红螺微菌属、红色非硫细菌,76,1、特点：酶系统不完备；只能利用有机碳化合物作为碳素营养和能量来源。,二、有机营养微生物(异养微生物),77,2、分类 光能异养微生物(photoheterotroph)微生物不能以CO2为惟一或主要碳源，需要以有是指以有机物为供氢体，具有光合色素，以光作为能源，还原
28、CO2合成合成细胞物质，并利用有机物氧化所产生的化学能作为能源进行生长。,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,78,化能异养微生物(chemheterotroph)微生物以有机化合物作为碳源，并利用氧化有机物产生化学能作为能源进行生长，并合成细胞物质。生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,79,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也
29、会发生改变；,三、不同营养类型之间的界限并非绝对,80,微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营养型氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量，自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活红螺菌：光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 化能异养,紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria),光能营养型微生物,81,复习题,1、简述微生物的化学组成。2、简述微生物的主要营养物质及其功能。3、物质跨膜运输的类型有哪些？比较它们的异同。4、什么叫培养基？试述培养基的分类。5、简述培养基的配制原则与方法。6、简述微生物的营养类型，并各举一例。7、简述真菌、细菌和放线菌常见的培养基。,
