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1、第四章 微生物的营养与培养基,营养物质(nutrient)：凡是能满足微生物生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。营养：微生物获得和利用营养物质的过程。,营养物质的作用：为微生物生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。,第四章 微生物的营养与培养基,第一节 微生物的营养要素微生物需要吃什么？第二节 微生物的营养类型第三节 培养基怎样给微生物做饭？第四节 营养物质进入微生物细胞的方式微生物怎样获得营养物质？,第一节 微生物的6大营养要素,一、碳源 二、氮源三、能源四、无机盐五、生长因子六、水,（一）碳源,凡是能为微生物的生长和代谢提供碳素来源的物质统称为碳源。功能：构成微生
2、物的细胞物质；碳源物质是大多数微生物的能量来源；为含碳代谢产物的合成提供底物和中间代谢产物。,自然界各种含碳物质都能被不同的微生物所利用,异养型微生物：必须利用有机碳作为碳源的微生物。自养型微生物：可以利用无机碳源物质作为主要或唯一碳源的微生物。,可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有:碳水化合物及其衍生物：19种；脂肪酸：11种；二羧酸：9种；其它有机酸：12种；伯醇：3种；氨基酸：12种其它氮化合物：13种；无氮环状化合物：9种,不同的微生物利用碳源物质的能力不同,同一微生物对不同碳源的利用速度也不同,对于大多数异养型微生物来说：的糖类为最好的碳源其中：利用速度单糖优于双糖和多糖，六碳糖优
3、于戊糖；淀粉优于其他多糖常用碳源：实验室：单糖（葡萄糖）、双糖（蔗糖）、淀粉发酵生产：单糖（葡萄糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖）、淀粉、糖蜜、糊精、油和脂肪、石油和石油产品、酸等,（二）氮源,凡是能为微生物的生长和代谢提供氮素来源的物质统称为氮源。一般情况下，氮源物质不能用作能源氮源的种类无机氮：铵盐、硝酸盐和氨水、尿素等有机氮：玉米浆、黄豆饼粉、花生饼粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、牛肉膏等分子氮：N2,硝酸盐NO3 NH4+,实验室常用的氮源有碳酸铵、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。,
4、铵 盐氨基酸入胞 细胞物质蛋白胨,豆 饼蚕蛹粉,分解 入胞 细胞物质,诱导酶,诱导酶,迟效性氮源,速效性氮源,（三）能源,化学能辐射能,（四）无机盐（inorganic salt）,定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）；微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）,无机盐的生理功能：,无机元素的来源和功能,（五）生长因子,概念：一般指一类调节微生物正常生长代谢所必需，但不能用简单的碳、氮
5、源合成的有机物。主要包括维生素（作为辅酶或辅基）、碱基、卟啉、甾醇、胺类、低链（C2-C6）脂肪酸（细胞膜的合成有关）等生长因子自养型：大多数微生物都能自己合成这些物质，不需要另外添加。生长因子异养型微生物：生长因子的添加：天然的营养基质如酵母膏、牛肉浸膏、麦芽汁、玉米浆及动植物组织提取液和微生物培养液 生长因子复合液生长因子过量合成型：有些微生物能过量合成某种生长因子,（六）水,功能：水是良好的溶剂和运输介质，营养物质必须溶解在水中才能被吸收和代谢，代谢产物的分泌也需借助于水来完成；直接参与细胞内的一系列化学反应和细胞成分的组装和解离；水的比热高，是热的良好导体，有利于调节细胞温度和保持环境
6、温度的稳定；水还有利于生物大分子结构的稳定,水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水.不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：,微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的水活度值（water activity,w）表示。所谓w就是水的有效浓度。定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，即：w=/o 表示溶液的蒸汽压 o表示纯水的蒸汽压在w为0.600.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其生长的最适w亦
7、不同。,几类微生物生长最适w,第二节、微生物的营养类型,根据微生物所利用的碳源、氢供体、能源可将微生物分为以下四种营养类型。,营养类型,光能自养型微生物（photoautotroph）光能异养型微生物（photoheterotroph）化能自养型微生物（chemoautotroph）化能异养型微生物（chemoheterotroph）,第二节、微生物的营养类型,1光能无机自养型（光能自养型）,能以CO2为主要唯一或主要碳源；,以光作为能源；,以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；,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
8、成细胞物质。红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+2H2S,光能,光合色素,CH2O+2S+H2O,2光能有机异养型（光能异养型）,不能以CO2为主要或唯一的碳源；,以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；,在生长时大多数需要外源的生长因子；,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。,CHOH+CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3+CH2O+H2O,以光作为能源；,3化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以CO2或碳酸盐作为唯
9、一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全没有有机物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；,微生物的营养类型,4化能有机异养型（化能异养型）,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；,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。,有机物通常既是碳源也是能源；,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,第三节 培养基,培养基（medium)：由人工配制的适合微生物生长、繁殖
10、或适合积累代谢产物的营养基质。,用途：菌种分离、培养和分类鉴定；菌种保藏；生理生化性质的研究；发酵生产。,一、设计和配制培养基的基本原则,目的明确选择适宜的营养基质营养协调调配好各种营养物质的浓度比理化适宜控制pH值控制氧化还原电位经济节约,培养基必须含有微生物生长的六大营养要素（碳源物质、氮源物质、无机盐、生长因子、水和能源物质）根据培养的微生物的对象和目的不同选择不同的营养基质,一、设计和配制培养基的基本原则,（一）选择适宜的营养基质,根据培养的微生物对象选择相应的培养基培养细菌的一般培养基：营养肉汤培养基（牛肉膏蛋白胨培养基）培养放线菌的一般培养基：高氏一号培养基培养酵母菌的一般培养基：
11、马铃薯蔗糖培养基培养霉菌的一般培养基：查氏培养基(zapek medium)根据培养的目的：一般培养？精细的生理生化研究？发酵生产？获得菌体还是得到代谢产物？代谢产物的类型？等等。,一、设计和配制培养基的基本原则,（一）选择适宜的营养基质,培养自养型微生物-不加入有机物质，如培养氧化硫硫杆菌培养基培养一些特殊要求的微生物：选择特殊的营养基质如分离能产生纤维素酶的微生物，分离固氮微生物,（一）选择适宜的营养基质,一、设计和配制培养基的基本原则,要素：H2O C N P、S K、Mg 生长因子含量g/L：1L 10 1 1 0.5 0.005,（二）调配好各种营养物质的浓度比,C/N:细菌、酵母菌
12、：C/N约为5/1；霉菌：C/N约为10/1；,一、设计和配制培养基的基本原则,一、设计和配制培养基的基本原则,1、控制pH值 为什么要调节pH?不同微生物最适pH不同：细菌：pH7.08.0 霉菌：pH4.05.8放线菌：pH7.58.5 酵母菌：pH3.86.0微生物在生长过程中会改变培养基中的pH：,（三）控制培养条件,pH调节方式：,初始pH的调节：内源调节：采用磷酸盐缓冲液等 采用CaCO3作为备用碱外源调节（发酵生产）：流加,2、控制好氧化还原电位好氧性微生物和好养代谢：Eh:0.30.4v 振荡培养、搅拌等厌氧性微生物：Eh0.1 加入还原剂，如抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸，等。3
13、、渗透压和水活度,一、设计和配制培养基的基本原则,（三）控制好各种培养条件,（四）经济节约,大规模发酵生产中原料来源的选择：以粗代精（如以糖蜜代替淀粉）、以野代家（如以木薯代替淀粉）、以废代好（如造纸厂的亚硫酸废液（含戊糖可培养酵母）、以简代繁、以烃代粮、以纤代糖、以国代进（青霉素生产中以棉子饼或花生饼代替玉米浆，白玉米粉代替乳糖）,一、设计和配制培养基的基本原则,选择合适的灭菌条件，及时灭菌,一般培养基，121 0C,1530min 含糖培养基：112 0C,1530min易产生沉淀的物质：分别灭菌后再混合,二、设计培养基的四种方法,生态模拟参阅文献精心设计实验比较,按培养基的物理状态固体培
14、养基分离、鉴定、计数、保藏等半固体培养基柔软的浆糨状观察微生物的运动、分类鉴定及噬菌体效价测定等液体培养基液体状，未加任何凝固剂工业大规模发酵生产及实验室生理、遗传等基础理论研究,二、培养基的种类及其应用,固体培养基,固化培养基：非可逆性固化培养基天然固态培养基滤 膜,二、培养基的种类及其应用,按对培养基组成成分的了解程度合成培养基由化学成分完全了解的物质组成。精确定量，重复性强实验室营养、生理、代谢、遗传育种、鉴定及生物量测定等研究半合成培养基含有化学成分不完全了解的天然物质实验室定性研究、微生物细胞培养和工业发酵等天然培养基动植物组织、微生物细胞或它们的提取物配制。营养丰富、价格低廉，但重
15、复性较差获得微生物细胞,二、培养基的种类及其应用（按用途来分）,一般培养基：实验室一般培养种子培养基营养丰富、氮源比例较高为发酵生产提供优质的菌种发酵培养基营养物质组成粗放，一般碳源比例较高大规模工业发酵选择培养基和加富培养基加入某些特定的营养物质或抑制剂，适合于某一类（或种）生长菌种分离、筛选鉴别培养基加入某种化学物质或指示剂使微生物生长后能呈现一定的颜色反应菌种鉴定,鉴别培养基如鉴别大肠杆菌和其他肠道菌的培养基：改良EMB培养基：蛋白胨10g 伊红Y 04g 乳糖5g 美蓝 0.065g 蔗糖5g 水1000 mL K2HPO4 2g pH 72,以下是一个培养基的配方，请根据该培养基的组
16、成回答下列问题：,、培养基中为什么要加入上述成分？、依据其化学组成，该培养基属于。、依据其物理状态，该培养基属于。、依据其功能，该培养基属于。、该培养基可以用来分离 的。,第四节 微生物对营养物质的吸收,营养物质吸收的类型,单纯扩散（simple diffusion）促进扩散（facilitated diffusion）主动运输（active transport）基团转位(group translocation),特点：1 驱动力：2 物质运输方向：3 能量消耗：4 载体：5 运输前后溶质分子有无改变：6 速度：,浓度梯度从高到低不需要不需要无慢,运输对象：,水、气体、甘油、某些离子等,特点：
17、1 驱动力：2 物质运输方向：3 能量消耗：4 载体：5 运输前后溶质分子有无改变6 速度,浓度梯度从高到低不需要需要无较快,运输对象：硫酸根离子、磷酸根离子、糖（某些真核微生物）,特点：1 驱动力：2 物质运输方向：3 能量消耗：4 载体：5 运输前后溶质分子有无改变：6 速度：,质子梯度从低到高需要需要无快,运输对象：氨基酸、乳糖等糖类，钠、钙等无机离子,主动运输,是物质在运输的同时由于受到化学修饰而源源不断地进入细胞的一种运输方式。在运输物质的过程中需要能量，被输送的物质发生了化学变化，此种运输方式称为基团转位。许多单糖或双糖及糖类衍生物、嘌呤、嘧啶和脂肪酸等也是通过这种方式运输。,基团转位(group translocation),特点：1 驱动力：2 物质运输方向：3 能量消耗：4 载体：5 运输前后溶质分子有无改变：6 速度：,质子梯度从低到高需要需要有快,运输对象：葡萄糖、果糖、甘露糖等糖类、嘌呤、核苷、脂肪酸等。,基团转位,由于沉船、泄露等事故，水域常常被石油污染，有的微生物能利用石油作为碳源生长，这类微生物可用于石油污染的紧急处理。请设计一个培养基，能分离出能用于这种用途的细菌。并简要评述其原理。,
