微生物学4微生物的营养.ppt
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1、第四章第四章 微生物的营养微生物的营养 吸收多、转化快:吸收多、转化快:微生物获取营养的方式多种多样,其食谱之广是动植物完全无法相比的!纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食均可被微生物作为粮食营养物质营养物质:那些能够满足微生物机体生长、那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。繁殖和完成各种生理活动所需的物质。营养营养:微生物获得和利用营养物质的过程。:微生物获得和利用营养物质的过程。营养物质是微生物生存的物质基础
2、,而营养营养物质是微生物生存的物质基础,而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。程。(参见(参见P78)本章内容:第一节、微生物的营养要求第一节、微生物的营养要求 (微生物们需要吃什么?)(微生物们需要吃什么?)第二节、培养基第二节、培养基 (如何给微生物们做饭)(如何给微生物们做饭)第三节、营养物质进入细胞第三节、营养物质进入细胞 (微生物们是怎样吃东西的)(微生物们是怎样吃东西的)第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水:70%-90%干物质有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及
3、其降解产物 无机物(盐)第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成、细胞化学元素组成:、细胞化学元素组成:主要元素主要元素:碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等;镁、钙、铁等;微量元素微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。铜、钨、镍、硼等。2、化学成分及分析对有机成分的分析:化学抽提,定性定量细胞破碎,分析结构的成分对细胞无机成分的分析:灰分分析湿重和干重高温烘干、低温真空干燥、红外线快速烘干二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能微生物有五种营养要素,即碳
4、源、氮源、微生物有五种营养要素,即碳源、氮源、生长因子、无机盐和水生长因子、无机盐和水 1、碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素、碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素(碳架)的营养源,称为碳源(碳架)的营养源,称为碳源。碳源物质通常也是能源物质,但碳源物质通常也是能源物质,但CO2例外。例外。1、碳源、碳源 速效碳源迟效碳源速效碳源迟效碳源不同种类的微生物利用碳源物质的能力不同:不同种类的微生物利用碳源物质的能力不同:如甲基营养型微生物,只能利用一碳化合物;而如甲基营养型微生物,只能利用一碳化合物;而假单胞菌属的某些种可以利用假单胞菌属的某些种可以利用90种以上的碳源物种以上的碳源物质。质。主要用
5、来合成细胞中的含氮物质,一般不作主要用来合成细胞中的含氮物质,一般不作为能源(某些自养微生物利用铵盐、硝酸盐;为能源(某些自养微生物利用铵盐、硝酸盐;某些厌氧菌能量缺乏时利用氨基酸)某些厌氧菌能量缺乏时利用氨基酸)生理酸性盐:生理酸性盐:(NH4)2SO4生理碱性盐:生理碱性盐:KNO3解决办法:加入无害的缓冲物质解决办法:加入无害的缓冲物质2、氮、氮 源源2、氮、氮 源源3、无机盐、无机盐主要生理功能:主要生理功能:(1)酶活中心的组成部分)酶活中心的组成部分(2)维持生物大分子和细胞结构的稳定性)维持生物大分子和细胞结构的稳定性(3)调节并维持细胞的渗透压平衡)调节并维持细胞的渗透压平衡(
6、4)控制细胞的氧化还原电位)控制细胞的氧化还原电位(5)作为某些微生物生长的能源物质)作为某些微生物生长的能源物质3、无机盐、无机盐微量元素微量元素需要量需要量mol;一般参与酶的组成或使酶活化;一般参与酶的组成或使酶活化;大多为重金属,过量则有毒害作用。大多为重金属,过量则有毒害作用。4、生长因子、生长因子 指那些微生物生长所必需而且需要量很小,但微生物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或合成量不足以满足机体需要的有机物。自身不能合成或合成量不足以满足机体需要的有机物。维生素维生素酶的辅基或辅酶酶的辅基或辅酶氨基酸氨基酸嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶酶的辅基或辅酶,或酶的辅基或
7、辅酶,或合成核苷合成核苷5、水生理功能:生理功能:n溶剂和运输介质溶剂和运输介质n参与生化反应参与生化反应n维持大分子的天然构象维持大分子的天然构象n作为热的良好导体,控制细胞内的温度变化作为热的良好导体,控制细胞内的温度变化n维持细胞的正常形态维持细胞的正常形态n水合作用和脱水作用控制亚基结构的组成和解离水合作用和脱水作用控制亚基结构的组成和解离、水水活度水活度一般用在一定的温度和压力条件下一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示,即:力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示,即:w=Pw/Pow式中式中Pw代表溶液蒸汽压力代表溶液蒸汽压力,POw
8、代表纯水蒸汽压代表纯水蒸汽压力。纯水力。纯水w为。溶液中溶质越多为。溶液中溶质越多,w越小。越小。微生物一般在微生物一般在w为的条件下生长为的条件下生长,w过低时过低时,微微生物生长的迟缓期延长生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减比生长速率和总生长量减少。少。微生物不同,其生长的最适微生物不同,其生长的最适w不同。不同。三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型异养型生物异养型生物自养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源生物生长过程中能量的来源光能营养型光能营养型化能营养型化能营养型三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型 微生物营养类型微生物
9、营养类型()(参见P84)三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型()()(参见(参见P82)三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型1光能无机自养型(光能自养型)光能无机自养型(光能自养型)能以能以CO2为主要唯一或主要碳源;为主要唯一或主要碳源;进行光合作用获取生长所需要的能量;进行光合作用获取生长所需要的能量;以无机物如以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体,等作为供氢体或电子供体,使使CO2还原为细胞物质;还原为细胞物质;例如,藻类及蓝细菌等和植物一样,以水为电子例如,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
10、成供体(供氢体),进行产氧型的光合作用,合成细胞物质。而红硫细菌,以细胞物质。而红硫细菌,以H2S为电子供体,产为电子供体,产生细胞物质,并伴随硫元素的产生。生细胞物质,并伴随硫元素的产生。三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型2光能有机异养型(光能异养型)光能有机异养型(光能异养型)l不能以不能以CO2为主要或唯一的碳源;为主要或唯一的碳源;l以有机物作为供氢体,利用光能将以有机物作为供氢体,利用光能将CO2还原为细还原为细胞物质;胞物质;l在生长时大多数需要外源的生长因子;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例如,红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作
11、为供氢体,将供氢体,将CO2还原成细胞物质,同时积累丙酮。还原成细胞物质,同时积累丙酮。三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型光能无机自养型和光能有机异养型微生物光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长,在地球早期生态环境的可利用光能生长,在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。演化过程中起重要作用。三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型3化能无机自养型(化能自养型)化能无机自养型(化能自养型)l生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能;化学能;l以以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时,或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长
12、时,利用利用H2、H2S、Fe2+、NH3或或NO2-等作为电子供体等作为电子供体使使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。化能无机自养型只存在于微生物中,可在完全无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机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中水环境中,参与地球物质循环;参与地球物质循环;三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型4化能有机异养型(化能异养型)化能有机异养型(化能异养型)腐生型:可利用无生命的有机物腐生型:可利用无生命的有机物 (如动植物尸体如动植物尸体和残体和残体)作为碳源;作为碳源;寄生型:寄生在活的寄主机体内吸取营养物
13、质寄生型:寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离离开寄主就不能生存;开寄主就不能生存;在腐生型和寄生型之间还存在中间类型:在腐生型和寄生型之间还存在中间类型:兼性腐生型;兼性腐生型;兼性寄生型;兼性寄生型;三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对(不同营养类型之间的界限并非绝对(P85):):异养型微生物并非绝对不能利用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;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有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也其营养类型也会发生改变;会发生改变;三、微生物的营养
14、类型三、微生物的营养类型例如紫色非硫细菌:例如紫色非硫细菌:没有有机物时,同化没有有机物时,同化CO2,为自养型微生物;为自养型微生物;有机物存在时,利用有机物进行生长,为异养型有机物存在时,利用有机物进行生长,为异养型微生物;微生物;光照和厌氧条件下,利用光能生长,为光能营养光照和厌氧条件下,利用光能生长,为光能营养型微生物;型微生物;黑暗与好氧条件下,依靠有机物氧化产生的化学黑暗与好氧条件下,依靠有机物氧化产生的化学能生长,为化能营养型微生物;能生长,为化能营养型微生物;微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力境条件变化的适应
15、能力三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型5营养缺陷型(参见营养缺陷型(参见P85)某些菌株发生突变某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变自然突变或人工诱变)后,失后,失去合成某种去合成某种(或某些或某些)对该菌株生长必不可少的物对该菌株生长必不可少的物质质(通常是生长因子如氨基酸、维生素通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力,的能力,必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖,这种必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖,这种突变型菌株称为营养缺陷型突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph),相应的,相应的野生型菌株称为原养型野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行
16、微生物遗传学方面的营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。研究。第二节第二节 培养基培养基培养基(培养基(medium)是人工配制的,适合微生物生长)是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。繁殖或产生代谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养要素:碳源、氮源、无机盐、生长因子、水要素:碳源、氮源、无机盐、生长因子、水第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法在
17、微生物学研究和生产实践中,配置合适的培养在微生物学研究和生产实践中,配置合适的培养基是一项最基本的要求。基是一项最基本的要求。1、选择适宜的营养物质、选择适宜的营养物质2、营养物的浓度及配比合适、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜、物理、化学条件适宜4、经济节约、经济节约5 5、精心设计、试验比较、精心设计、试验比较、灭菌处理、灭菌处理第二节第二节 培养基培养基1、选择适宜的营养物质(参见、选择适宜的营养物质(参见P82)实验室的常用培养基:实验室的常用培养基:细菌牛肉膏蛋白胨培养基(普通牛肉汤培养基)细菌牛肉膏蛋白胨培养基(普通牛肉汤培养基)放线菌高氏号培养基放线菌高氏号培养基酵母
18、菌麦芽汁培养基酵母菌麦芽汁培养基霉菌查氏培养基霉菌查氏培养基第二节第二节 培养基培养基实验室一般培养:普通常用培养基;实验室一般培养:普通常用培养基;遗传研究:成分清楚的合成培养基;遗传研究:成分清楚的合成培养基;生理、代谢研究:选用相应的培养基配方;生理、代谢研究:选用相应的培养基配方;例如枯草芽孢杆菌:例如枯草芽孢杆菌:一般培养:肉汤培养基或一般培养:肉汤培养基或LB培养基;培养基;自然转化:基础培养基;自然转化:基础培养基;观察芽孢:生孢子培养基;观察芽孢:生孢子培养基;产蛋白酶:以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基产蛋白酶:以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基第二节第二节 培养基培养基一、
19、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法2、营养物质浓度及配比合适、营养物质浓度及配比合适营养物质的浓度适宜;营养物质的浓度适宜;营养物质之间的配比适宜;营养物质之间的配比适宜;高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长,反而起到抑制或杀能维持和促进微生物的生长,反而起到抑制或杀菌作用菌作用培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响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微生物的生长繁殖和(或或)代谢产物的形成和积累,代谢产物的形成和积累,其中碳氮比其中碳氮比(C/N)的影响较大的影响较大
20、第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜pH;水活度;水活度;氧化还原电位;氧化还原电位;第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜1)pH培养基的培养基的pH必须控制在一定的范围内,以满足不同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。类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件:通常培养条件:细菌与放线菌:细菌与放线菌:酵母菌和霉菌:酵母菌和霉菌:pH4.56范围内生长范围内生长为了维持培
21、养基为了维持培养基pH的相对恒定,通常在培养基中加的相对恒定,通常在培养基中加入入pH缓冲剂,或在进行工业发酵时补加酸、碱。缓冲剂,或在进行工业发酵时补加酸、碱。第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜2)水活度)水活度第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜3)氧化还原电位)氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势,是度量某氧化氧化还原电位又称氧化还原电势,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还原系统
22、中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标,其单位是趋势的一种指标,其单位是V(伏)或(伏)或mV(毫伏)(毫伏)。第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法不同类型微生物生长对氧化还原电位不同类型微生物生长对氧化还原电位()的的要求不同要求不同:好氧性微生物:以上时可正常生长好氧性微生物:以上时可正常生长,以以为宜;为宜;厌氧性微生物:低于条件下生长;厌氧性微生物:低于条件下生长;兼性厌氧微生物:以上时进行好氧呼吸以兼性厌氧微生物:以上时进行好氧呼吸以下时进行发酵。下时进行发酵。第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一
23、、选用和设计培养基的原则和方法氧化还原电位与氧分压和氧化还原电位与氧分压和pH有关有关,也受某些微生也受某些微生物代谢产物的影响物代谢产物的影响 增加通气量增加通气量(如振荡培养、搅拌如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧提高培养基的氧分压,或加入氧化剂,从而增加分压,或加入氧化剂,从而增加值;在培养基值;在培养基中加入抗坏血酸(中加入抗坏血酸(0.1%)、硫化氢)、硫化氢(0.025%)、半、半胱氨酸胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低性物质可降低值。值。第二节第二节 培养基培养基一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法4
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