微生物的生长与代谢.ppt

环境微生物学,环境与公共卫生学院,第一节微生物的营养与营养类型（3个学时）第二节微生物的代谢（部分自学）第三节境微生物的生长繁殖（3个学时）第四节环境因素对微生物生长的影响(3个学时),第3章微生物的生长与代谢,第一节微生物的营养与营养类型,细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用。,一、微生物的化学组成与营养物质,从微生物细胞的组成来看，都是含有碳、氢、氮和各种矿质元素，由这些元素组成细胞中有机和无机成分，其中主要是水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸和无机盐。微生物细胞中水分含量最多，干物质中碳、氮、氢、氧四种元素约占9097，还有矿质元素磷、铁、铜、锰等。,微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97）和微量元素铁、锰、锌等构成。,微生物细胞的化学组成,组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同。微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化。,1、碳源,凡是构成微生物细胞和代谢产物中碳架来源的营养物称为碳源。碳源既是微生物的组成成分，又是微生物的能量来源。微生物可以利用的碳源范围极广，分为有机碳源和无机碳源两大类，糖类是最广泛利用的碳源。,碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质(如碳水化合物、脂、蛋白质等)和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。,2、氮源：,凡是能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分。能利用的氮源种类十分广泛。空气中分子态的氮、无机和有机氮。,氮源这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。不同种类的微生物对氮源的需要也不尽相同。微生物培养时最常用的有机氮源是牛肉膏、酵母膏等，蛋白胨（部分水解蛋白质）是许多微生物良好的氮源。,从微生物所能利用的氮源种类来看，存在着一个明显的界限：一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它们能把尿素、铵盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为氨基酸自养型生物。凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物就是氨基酸异养型生物。,3、无机盐,主要元素(10-310-4mol/L)包括磷、硫、钾、镁、钙、钠等。微量元素(10-610-8mol/L)包括锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨等。培养基时，首选加入磷酸氢二钾和硫酸镁，基本时可以同时提供4种需要量最大的元素。,4、生长因子,生长因子通常指那些微生物生长所必需且需要量很小,而且微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液或血清中获得。,5、水,水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的7090%。在微生物各种各样的生理活动中必须有水参加才能进行。,水是一种最优良的溶剂，可保证几乎一切生物化学反应的进行；水可维持各种生物大分子结构的稳定性，并参与某些重要的生物化学反应；水还有许多优良的物理性质，诸如高比热、高汽化热、高沸点以及固态时密度小于液态等，都是保证生命活动十分重要的特性。,（三）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营养基质。,一、培养基的类型,1.合成培养基：由已知化学药品配成,成分和浓度都已完全知道,每一次配制也基本恒定。这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室,费用较高。如：高氏一号培养基（淀粉硝酸盐培养基）放线菌察氏培养基（蔗糖硝酸盐培养基）真菌,（1）根据成分来源不同分为,2.天然培养基:化学成分不完全了解或化学成分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植物汁液,土壤浸出液,等配制成培养基。配制方便，经济。如：牛肉膏蛋白胨培养基细菌麦芽汁培养基酵母菌,牛肉膏瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质，富含水溶性碳水化合物，有机氮化合物，维生素，盐等。蛋白胨将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末状物质，富含有机氮化合物，也含有一些维生素和碳水化合物。酵母膏酵母细胞的水溶性提取物浓缩而成的膏状物质，富含类维生素，也含有有机氮化合物和碳水化合物。,3.半合成培养基:由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培养基,如PDA培养基。如：马铃薯蔗糖培养基真菌,（2）根据培养基物理状态分,固体培养基:在液体培养基中加入凝固剂(如1.5-2.0%琼脂)。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面,在这个表面生长微生物可形成单个菌落,用于微生物的分离,鉴定,计数,保管。半固体培养基:在液体培养基上加进一定凝固剂,在液体培养基中如加0.5%琼脂,可以用来观察细胞运动的特征,鉴定菌种,测定抗菌素的效价等。液体培养基:配制后不加任何凝固剂。脱水培养基：指含有除水分以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，其成分精确且使用方便。,常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatin)和硅胶(silicagel)。,琼脂与明胶若干特性的比较,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,（3）根据培养基的用途来分,基础培养基：满足一般微生物生长繁殖所需要的营养物质。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。加富培养基:在自然界中各种微生物通常是混杂在一起的，了解了某一些微生物的营养要求，配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基，就达到了从自然界中分离这种微生物的目的，这种培养基就称为加富培养基。一般常加入血、血清或动植物提取液等。“投其所好”,选择性培养基:根据不同的微生物对营养的特殊要求,或对物理化学条件的抗性而设计的培养基,利用这一类培养基可以把需要微生物从混杂的其他微生物分离和确定。“取其所抗”鉴别培养基:在培养基中加入某种特殊化学物质,某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应,产生明显的特征性变化,根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。,最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基，即EMB培养基。它在饮用水、牛奶的大肠菌群数等细菌学检查和大肠杆菌的遗传学研究工作中有着重要的用途。,用于鉴别不同类型微生物的培养基，在培养基中加入某种特殊化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。,二、培养基的配制原则,（一）培养基组分满足微生物的需要（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,（一）培养基组分满足微生物的需要,即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。,按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基酵母菌：麦芽汁当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱法进行测定。,（二）营养物的浓度与比例应恰当,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。,C/N比值=,碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数,应注意各营养物质之间的浓度比；培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（CN）的影响更为明显。,例：在谷氨酸生产中C/N4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。,还应注意：速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例；各种金属离子间的比例（影响营养物质的渗透和其他代谢活动）。培养基中各种元素的比例需要平衡。,（三）物理化学条件适宜,1、pH:各类微生物的最适生长pH值各不相同：细菌：7.08.0放线菌：7.58.5酵母菌：3.86.0霉菌：4.05.8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，培养基的初始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：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。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液。,2、渗透压和aw,渗透压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,3、氧化还原电势,各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：好氧微生物：+0.3+0.4V,(在0.1V以上的环境中均能生长)；厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长；兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果。对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源,该培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？,用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉的原料，提倡以粗代精，以废代好。,三、设计培养基的方法,1.生态模拟：调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料初级天然培养基。2.查阅文献：查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方。3.精心设计：借助优选法或正交试验设计法等方法。,4、实验比较：不同培养基配方的选择比较单种成分来源和数量的比较几种成分浓度比例调配的比较小型试验放大到大型生产条件的比较pH和温度试验,配置培养基时应注意的几个问题及解决方法：,1、沉淀2、胶体强度的破坏3、褐色物质的形成4、pH发生变化,培养基的灭菌,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过滤灭菌,分别灭菌,间歇灭菌的应用,器皿的灭菌：干热空气：160，2小时无菌室的消毒：紫外光；化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）,二、微生物的营养类型,根据微生物对碳源的要求不同，可将其分为自养菌和异养菌两大营养类型。凡能利用无机碳合成菌体内有机碳化物的，叫自养菌；不能利用无机碳而需要有机碳才能合成菌体内有机碳化物的，为异养菌。根据其生命活动所需能量的来源不同，可分为光能营养菌和化能营养菌。前者是从光线中获得能量，后者则从化学物质氧化中取得能量。因此，根据微生物所需的碳源和能源不同，可将微生物分为光能自养菌、光能异养菌、化能自养菌、化能异养菌等四类。,根据碳源、能源及电子供体性质的不同可分为:光能自养型:以光为能源，以CO2为唯一或主要碳源,不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型:以光为能源，但生长需要一定的有机营养.化能自养型:以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物化能异养型:以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质光能自养型和光能异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用,微生物的营养类型,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CO2H2SCH2O+2S+H2O光合色素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、光能异养型微生物以CO2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CO2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+CH2O+H2O光合色素光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子,光能异养型微生物,利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）为供氢体同化CO2CH3光能CO2+2CH2-CHOH-CH2O+2CH3COCH3+H2O菌绿素例：红螺菌属（Rhodospirillum）,3、化能自养型微生物以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，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。,化能无机营养型,通过氧化无机物取得能量，并以CO2为唯一或主要碳源（1）硝化细菌:亚硝化细菌2NH4+3O22NO2-+2H2O+4H+132Kcal硝化细菌NO2-+1/2O2NO3-+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+O2S+H2O+50.1KcalS+1O2+H2OH2SO4+149.8Kcal,（3）铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO22Fe2+O2+2H+2Fe3+H2O+21.2Kcal（4）氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2H2+O2H2O+56.7Kcal,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。,关于营养类型的定义：,自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生活的微生物异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能满足其正常营养要求的微生物（即其碳源必须是有机物，供氢体是有机物，能源可以是氧化有机物活利用日光能）,三、营养物质的摄取,外界环境的营养物质只有被微生物吸收到细胞内，才能被微生物分解与利用，微生物生长过程中产生的一些代谢产物也必须分泌到细胞外，在这两个过程中，细胞膜起着重要作用。目前一般认为，营养物质主要以单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转位四种方式通过微生物细胞膜。,被输送的物质，靠细胞内外浓度为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。特点：扩散是非特异性的营养物质吸收方式：如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）单纯扩散,在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；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，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同；不需要载体参与；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。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。,细胞膜外细胞膜细胞膜内单纯扩散模式图,（2）促进扩散,指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。,促进扩散与被动扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与载体(carrier)的作用才能进入细胞.而且每种载体只运输相应的物质,具有较高的专一性。,（3）主动运输,指一类须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。,ATP,ADP,+Pi,恢复原构像,再循环,耗能构像改变,膜上,膜外,膜内,移位,结合,12,主动运输特点：被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内要消耗能量，必需有能量参加。有膜载体参加，膜载体发生构型变化。被运送物质不发生任何变化。,细胞膜外细胞膜细胞膜内主动运输模式图,恢复原构象,再循环,结合,构象改变,移位,Na+-K+-ATP酶系统,Na+-K+-ATPase是存在于原生