第5讲 微生物的营养类型和方式ppt课件.ppt

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第三章微生物的营养与生长 主要内容一、微生物的营养二、微生物的生长三、微生物的培养四、对微生物生长繁殖的控制 本章的学习目的与要求：⑴ 了解微生物细胞的化学组成及所需的营养物质，微生物的四大营养类型及其对营养物质的吸收。⑵ 掌握微生物的生长的特点。⑶ 掌握影响微生物的生长的环境因素，其调控机制在微生物培养和控制中的应用。 一、微生物的营养营养物质：微生物为了生存就必须从环境中吸取各种物质以合成细胞物质、提供能量以及在新陈代谢中起调节作用。这些物质就称为营养物质。营养的概念：有机体吸取和利用营养物质的过程。 一、微生物的营养类型营养类型：是指根据微生物生长所需的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型，这种划分是相对的。 依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源 光能自养型光能异养型化能自养型化能异样型营养类型能源氢供体基本碳源光无机物二氧化碳光有机物二氧化碳及简单有机物无机物无机物二氧化碳有机物有机物有机物 主要碳源：CO2，能源：光以无机物H2S、Na2S2O3作为供氢体将CO2还原成细胞物质.主要是一些含光合色素的细菌光能CO2＋2H2S[CH2O]+2S+H2O紫硫细菌光合色素1、光能自养型光能自养型微生物包括蓝细菌（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），由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。 2、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+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O 以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,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。3、化能自养型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。 （1）硝化细菌:亚硝化细菌2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化细菌NO2-+1/2O2→NO3-+18.1Kcal（2）硫化细菌:通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、S2O32-、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）H2S+1/2O2→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal （4）氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal（3）铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO22Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal 有机碳化合物为基本碳源，有机物氧化过程中释放的化学能为能源，有机物为供氢体基本碳源、能源物质、能量代谢中的供氢体均为有机物。生长所需要的碳源如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，主要是一些有机含碳化合物。有机物通常既是它们生长的碳原物质又是能源物质和供氢体。4、化能异养型 微生物的营养类型营养类型能源碳源实　例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2及简单有机物红螺细菌化能自养型无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌化能异养型有机物有机物绝大多数微生物，原生动物 水(Water)碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)无机盐(Inorganicsalt)生长因子（Growthfactor)能源（Energysource)参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源按照营养物质在机体中的生理作用不同，可以分成六大类。二、微生物的营养要素 （一）水生理功能主要有①起到溶剂与运输介质的作用；②参与细胞内一系列化学反应；③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构④热的良好导体； 几种生物的游离水含量人体：~60%海蛰：~96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%◆水在细胞中有两种存在形式：结合水和自由水.◆不同细胞及不同细胞结构中自由水的含量有较大差别：游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透 （二）碳源◆定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。◆功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。◆种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：葡萄糖等 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。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。 功能：1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；2）氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。同时也做能源。（三）氮源定义：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的物质 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、鱼粉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空气微生物的氮源谱 （四）无机盐大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素的物质，多以无机盐的形式供给。 无机盐功能构成微生物细胞的组成成分调解微生物细胞的渗透压，PH值和氧化还原电位有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源构成酶活性基的组成成分，维持E活性。Mg、Ca、K是多种E的激活剂 （五）生长因子定义:是一类对微生物正常生活所不可缺少微量有机营养物质。作用：辅酶或酶活化所需种类：微生物、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱。 （六）能源定义:提供微生物生命活动所需能量的物质 微生物生长因子需要量（ml-1III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）胆碱6ug金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）硫胺素0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae）B-丙氨酸1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani）尿嘧啶0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostocmesenteroides）吡哆醛0.025ug 三、微生物的培养基培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水 （一）培养基的配制原则1、培养基组分应适合微生物的营养特点（有的放矢）2、营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）3、物理化学条件适宜（条件适宜）4、根据培养目的选择原料及其来源（经济节约） 培养的种类培养的目的培养的规模1、有的放矢 2、营养协调●浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过小——不能满足微生物生长的需要。●碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数C/N比值= 3、条件适宜各类微生物的最适生长pH值各不相同：细菌：7.0~8.0放线菌：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：外源调节：加酸HCL或碱液NaoH内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。（1）pH: ☆磷酸缓冲液：pH值从6.4~7.2之间K2HPO4+H+KH2PO4+K+KH2PO4+OH-K2HPO4+H2O☆加入CaCO3：CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。 （2）渗透压和aw等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，直至破裂 4、经济节约以粗代精以野代家以废代好以国代进以简代繁以氮代朊以烃代粮以纤代糖5、无菌状态 ◆称量(高温灭菌时易分解或变色的成分需另行配制)◆溶解:自来水或蒸溜水(防止无机物之间的沉淀)◆pH调节:盐酸或氢氧化钠(1N以下)◆灭菌(高压灭菌)（二）培养基的配制步骤配制方法因培养基种类不同而变化 高压蒸气灭菌一般培养基:1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min含糖培养基:0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min培养基的灭菌任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理； （三）培养基的类型及其应用细菌培养基放线菌培养基霉菌培养基酵母菌培养基1、根据所培养微生物的微生物类群来分 ★-1细菌培养基——营养肉汤（nutrientbroth)：牛肉膏3g；水1000ml；蛋白胨5g；pH7.2~7.4放线菌培养基——高氏1号：可溶性淀粉20g；KNO31g;K2HPO41gMgSO40.5gNaCl1g;FeSO4•7H2O0.5g水1000ml;pH7.2~7.4霉菌培养基——查氏（zapek)培养基：蔗糖30g;KCl0.5g;MgSO4.H2O0.5g;FeSO40.5g水1000ml;K2HPO41g;NaNO33g;pH6.7酵母菌培养基——麦芽汁培养基 根据不同的微生物的营养要求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：S10gMgSO4.7H2O0.5gNH4)2SO40.4gFeSO40.01gH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml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5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2gK2HPO41gH2O1000ml 2、根据培养基成分分为按成分不同划分天然培养基合成培养基含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基化学成分完全了解的物质配制而成的培养基高氏1号培养基、查氏培养基半组合培养基 原材料产品特点营养成分牛肉膏beefextract瘦牛肉加热抽提并浓缩而成的膏状物富含水溶性动物组织的营养物，如糖类、有机含氮物、水溶性维生素和无机盐等蛋白胨(peptone)由酪素或明胶等蛋白质经酸或酶(胰蛋白酶、胃蛋白酶或木瓜蛋白酶等)水解而成。是营养丰富的有机氮源，其中还含有若干维生素和糖类。如胰酶水解的酪蛋白约含总氮12.9%，氨基氮6.6%酵母膏yeastextract)由酵母细胞水提取物浓缩而成的膏状物富含B族维生素，也含丰富的有机氮和碳化物琼脂(agar)从某些海藻(有十几种红藻)中加热提取出来的复杂糖类是配制固体培养基时最常用的凝固剂，无营养价值 （1）天然培养基（Complexmedium）（forthegrowthofbacteria）ComponentAmountFunctionofcomponent牛肉膏1.5gSourceofvitaminsandothergrowthfactors酵母膏3.0gSourceofvitaminsandothergrowthfactors蛋白胨6.0gSourceofaminoacids,N,S,andP琼脂15.0gInertsolidifyingagentwater1000mlpH6.6 （2）合成培养基（Definedmedium）（forthegrowthofThiobacillusthiooxidans,alithoautotrophicbacterium(硫杆菌)）ComponentAmountFunctionofcomponentNH4Cl0.52gNsourceKH2PO40.28gPandKsourceMgSO47H2O0.25gSandMg++sourceCaCl22H2O0.07gCa++sourceElementalSulfur1.56gEnergysourceCO25%*Csourcewater1000mlpH3.0 （3）半组合培养基(semi-definedmedium)：在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要，如马铃薯蔗糖培养基。 3、按物理状态不同划分固体培养基液体培养基在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%琼脂含量一般为0.2%-0.7%不加任何凝固剂半固体培养基固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究 细菌在不同培养基上的生长 琼脂和明胶的区别 4、按用途不同划分基础培养基鉴别培养基含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基选择培养基在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基加富培养基 加富培养基(Selectiveenrichmentmedium)forgrowthofextremehalophiles(极端噬盐生物)ComponentAmountFunctionofcomponentCasaminoacids7.5gSourceofaminoacids,N,SandPYeastextract10.0gSourceofgrowthfactorsTrisodiumcitrate3.0gCandenergysourceKCl2.0gK+sourceMgSO47H2O20.0gSandMg++sourceFeCl20.023gFe++sourceNaCl250gNa+sourceforhalophilesandinhibitorytononhalophileswater1000mlpH7.4 鉴别性培养基(differentialmedium)：用于鉴别不同类型微生物的培养基，在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，例：伊红美兰乳糖培养基（EosinMethyleneBlue） 一些鉴别培养基 伊红美兰乳糖培养基(EosinMethyleneblue)蛋白胨10g乳糖5gK2HPO42g伊红Y0.4g美兰0.065g水1000mlpH=7.2 G+菌受抑制G-菌能发酵乳糖产酸(菌落有色)不发酵乳糖不产酸，菌落无色透明产酸力强，菌落呈紫绿色金属光泽产酸力弱，菌落棕色肠杆菌属克雷伯氏菌属哈夫尼菌属沙雷伯氏菌属变形菌属沙门氏菌属志贺氏菌属大肠杆菌试样EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用： EMB(EosinMethyleneBlue)Figure14.Left:Escherichiacolicells.Right:E.colicoloniesonEMBAgar. 四、物质进出微生物细胞的方式营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。 自由扩散促进扩散主动运输基团转位 一、自由扩散(simplediffusion)特点：1、扩散是非特异性的：由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散2、物质运输的速率较慢：速率与胞内外营养物质的浓度差有关3、不需要载体和代谢能4、可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。K为扩散系数，A为膜面积，C为浓度D为膜厚度。 自由扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜 三营养物通过与细胞膜上载体蛋白的可逆性结合来加快其传递速度的方式二、促进扩散(facilitateddiffusion/transport)特点：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与载体蛋白有高度的特异性输送机制：被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力 促进扩散模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合结合构象改变 三、主动运输(activetransport)在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程需要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被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化 主动运输模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变ADP+PiATP输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的结合力。 四、基团移位(grouptranslocation)定义：被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变（糖在运输的过程中发生了磷酸化）以被修饰的形式进入细胞质的输送机制特点：输送动力：代谢能量,PEP上的高能磷酸键输送方向：逆浓度梯度载体蛋白：磷酸转移酶系统被输送物质在输送前后发生变化：在细胞膜内被磷酸化 在酶Ⅰ的作用下HPr被激活在酶Ⅱ的作用下P-HPr将磷酸转移给糖酶2是结合于细胞膜上的蛋白 运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统.运送步骤:1.热稳载体蛋白(HPr)的激活细胞内磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。 2、糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2P-HPr+糖糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用。 GroupTranslocation 基团移位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸 运送方式不通过膜上载体蛋白通过膜上载体蛋白单纯扩散不耗能：易化扩散耗能运送前后溶质分子不变：主动运送运送前后溶质分子改变：基团移位总结 四种运输营养物质方式的比较 课后作业P187231014