2022年微生物学第五章微生物的营养

1、第十一授课单元一、教学目的 : 此章为要求学生掌握的重点内容之一，使学生了解六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式、微生物的营养类型、营养物质进入细胞的四种主要方式、选用设计培养基的原则、培养基的种类。本教学单元的教学目的是使学生了解微生物的六类生长要素及其功能, 掌握微生物营养类型特点 . 通过本章节的学习，了解微生物的营养与微生物发酵工业的关系。二、教学内容 : (第五章微生物的营养第一节 微生物的化学组成及营养要求第二节 微生物的营养类型 ) 1. 微生物细胞的化学组成和营养要求：重点介绍碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式。并通过实例

2、介绍如何根据碳源、氮源的不同筛选工业微生物菌种。2. 微生物的营养类型：介绍根据碳源和能源划分的四种营养类型，即光能自养型、 光能异养型、化能自养型和化能异养型。三、教学重点、难点及其处理重点：1. 使学生了解碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养要素在微生物生命活动中功能和供给形式；主要通过平时常见的培养基为例加以说明。2. 根据碳源、能源的不同，将微生物分为四种基本营养类型：就微生物而言, 地球上几乎没有不被微生物所利用的一种物质, 但就其一类微生物来说, 它们所需要的营养物质则是有一定范围的. 根据微生物对碳源、能源的不同, 可分为自养微生物和异养微生物两类. 自养微生物靠无机营

3、养而活, 利用二氧化碳(或碳酸盐 )作为唯一或主要的碳源, 还原二氧化碳为有机物(细胞物质 ), 所需要的能量来自光或无机物的氧化. 异养微生物不能在完全无机物的环境下生长, 主要碳源来自有机物, 但可以固定二氧化碳 , 它的合成反应所需要的能量来自有机物的氧化. 例如 : 光能自养型：以光为能源，以co2或碳酸盐为唯一或主要碳源光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养物化能自养型：以无机物的氧化获得能量，以co2或碳酸盐为唯一或主要碳源化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质难点: 根据碳源、能源的不同，将微生物分为四种基本营养类型。为了使学生更好的分析掌握, 可以

4、利用列表的形式加以比较。营养类型电子供体碳源能源举例光能无机自养型（光能自养型）h2、h2s、s或 h2oco2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型（光能异养型）有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型（化能自养型）h2、h2s、fe2+、nh3或no2-co2化学能(无机物氧化 ) 氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属 (nitrosomonas)、甲烷杆菌属 (methanobacterium)、醋杆菌属 (acetobacter) 化能有机异养型有机物有机物化学能假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共

5、9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - -（化能异养型）（有机物氧化 ) 酸菌属、真菌、原生动物微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。四、教学方法、手段主要利用举例 , 多媒体及比较的方法使学生掌握四种基本营养类型的分别。五、板书设计第一节微生物细胞的化学组成和营养要求（一）微生物细胞的化学组成细胞化学成分水（ 70%-90%）干物质有机物

6、 (蛋白质、多糖、脂、核酸占干重96% 维生素、有机酸及它们的降解物）无机物（盐）细胞含水量 =（湿重 - 干重） / 湿重 100% 细胞化学元素主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫（占细胞干重97%） 、钾、镁、钙、铁；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等（二）微生物的营养要素及其生理功能微生物的6 大营养要素：碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐和水一、碳源（ carbon source ）在微生物生长过程中提供碳素来源的物质1.功能构成细胞成分（需要量最大的元素，占50%干重） ；形成代谢产物和储藏物；异养型微生物的能源2. 碳源谱无机碳（ co2，nahco3，caco3

7、）有机碳（糖、有机酸、醇、脂类等）（葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等）。3.根据碳源的不同筛选工业微生物菌种的方法。二、氮源（ nitrogen source ）构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质。1.功能构成细胞中的蛋白质和核酸（需要量仅次于碳，12%） ；构成含氮代谢产物；某些自养菌的能源（如硝化细菌：铵盐和硝酸盐兼氮源和能源）2. 氮源谱无机氮（硫酸铵（大肠杆菌，枯草芽孢杆菌）、硝酸钾（放线菌） 、硝酸钠（霉菌） 、氨、氮气）有机氮（蛋白质及其降解产物（胨、肽、氨基酸等），尿素常用牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕蛹粉、花生饼粉、玉米浆等）硫酸铵： nh+4被细胞吸收后可直

8、接利用速效氮源nh+4被吸收后，导致ph 下降生理酸性盐硝酸盐： no-3被细胞吸收后需进一步还原成nh+4后再被微生物利用迟效氮源精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - -no-3被吸收后，导致ph 生高生理碱性盐抗生素发酵：混合氮源玉米浆：速效氮源（菌体生长）黄豆饼粉，花生饼粉：迟效氮源（代谢产物）“氨基酸自养型”能以非氨基酸类的简单氮源（尿素

9、、铵盐、硝酸盐和氮气）“氨基酸异养型”必须从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。3.根据氮源的不同筛选工业微生物菌种的方法。三、能源（ energy source）为微生物生命活动提供最初能量来源的物质或辐射能能源谱：化学物质：化能营养型有机物：化能异养（能源=碳源）无机物：化能自养（还原态无机物氧化提供能量）（还原态无机物：nh4+，no-2，h2s，h2，fe2+）辐射能：光能营养型四、生长因子（growth factor）1. 定义微生物生长所必需且需要量很少，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的有机化合物。2. 谱（主要3 大类）维生素（狭义的生长因子）氨基酸嘌呤和嘧

10、啶；五、无机盐（ inorganic salt ）常量元素： p、s、k、mg、 na 等（ 10-310-4mol/l ） ；微量元素： zn、mn、 mo、ce、co、cu、 ni 等（ 10-610-8mol/l ）提供方式常量元素： k2hpo4， mgso4（提供 4 种主要元素）微量元素：自来水，玻璃器皿第二节微生物的营养类型根据碳源、能源的不同，分为四种基本营养类型：光能自养型：以光为能源，以co2或碳酸盐为唯一或主要碳源光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养物化能自养型：以无机物的氧化获得能量，以co2或碳酸盐为唯一或主要碳源化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依

11、赖于有机营养物质思考题 : 1. 试述微生物所需营养物的种类及功能（六大营养要素；生长因子的种类）。2. 以能源和碳源来划分, 微生物的营养类型都有哪些? 3. 如何根据碳源、氮源的不同筛选工业微生物菌种。精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - -第十二授课单元一、教学目的使学生掌握营养物质进入细胞的方式：介绍单纯扩散、 促进扩散、 主动运输和基团

12、转位四种主要运输方式的运输特点。二、教学内容( 第三节 微生物对营养物质的吸收) 营养物质进入细胞的方式：介绍单纯扩散、 促进扩散、 主动运输和基团转位四种主要运输方式的运输特点。三、教学重点、难点及其处理重点: 营养物质进入细胞的方式, 1. 单纯扩散 : 以水及氧气为例进行说明; 2. 促进扩散 , 以糖和氨基酸及甘油为例加以说明, 同样也是有浓度差, 不同在于有载体蛋白参与, 这些蛋白是诱导酶 , 当浓度差达到一定程度后, 运送速度不再增加; 3. 主动运输 , 逆浓度差运送 , 以na+/k+泵为例说明 , 细胞内 na+浓度低而k+浓度高。 4. 基团转位 , 以铁离子的运输为例进行

13、说明难点: 主动运输和基团转位四种主要运输方式的运输特点, 可以通过举例讲解并列表进行比较的方法进行掌握. 微生物进行生长繁殖, 需要各种营养物质, 其中有些营养物质以高于胞外的浓度积累在细胞内, 也就是说 , 这些物质的摄取是逆浓度差而被抽进细胞的. 显然 , 这里除了需要渗透酶外, 还需要代谢能量. 而渗透本科在这里起着改变平衡点的作用. 有研究证明 , 有革兰氏阴性菌中, 主动运输除工具酶具有催化活性的渗透酶之外, 还需要具有一种不具催化活性的结合蛋白, 这种蛋白质对于特异性营养物, 包括氨基酸 , 糖和无机离子具有很高的亲合力 . 钠/钾离子的运输是主动运输的主要例子之一, 几乎所有的

14、活细胞都保持较高的钾含量和较低的钠含量. 也就是钠 /钾的运输是需要渗透酶的能量的, 酶的作用是把钾离子从细胞外运送到细胞内, 而把钠离子从细胞内压出来, 在膜内外建立一个浓度梯度, 因此通常又将这一酶系称为钠泵, 细胞内钠离子浓度的升高或细胞外钾离子尝试的升高都可能把钠泵激活 . 基团转位是另一种运输方式, 许多糖及糖的生物, 如甘露糖 , 果糖 , 是利用基团转位运输的 , 这些糖及其衍生物在运输过程中被磷酸转移酶系统磷酸化. 这个系统由包括酶i, 酶 ii, hpr 组成 . 不能合成酶i 或 hpr 的突变株就丧失运输和利用许多糖的能力. 四、板书设计第三节营养物质进入细胞的方式细胞质

15、膜是控制营养物质进出细胞的主要屏障，具选择通透性。1. 单纯扩散（ simple diffusion ）营养物质通过细胞质膜上的小孔，由高浓度的胞外（内）环境向低浓度的胞内（外）进行扩散。单纯的物理扩散。特点：无载体参与，不消耗细胞的能量，以浓差为动力，高浓向低浓扩散，物质在扩散精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - -过程中结构不变；运送物质：水

16、， o2, co2，乙醇，甘油，脂肪酸等（分子量小、脂溶性、极性小的物质）2. 促进扩散（ facilitated diffusion）也是一种被动的物质跨膜运输方式，与扩散的主要区别在于需要借助载体的作用才能进入细胞。特点：载体蛋白参与，不消耗细胞能量，以浓差为动力，由高浓向低浓运送，运输物质的分子结构不发生变化。载体蛋白：具较高的专一性；与运输物质的亲和力在质膜内外不同，通过载体分子构象变化实现；载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态，扩散速度取决于溶质浓度梯度的大小，当运输物质浓度达到一定值时，载体产生饱和效应。这种性质类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透

17、过酶（大都是诱导酶）。运送物质：单糖，氨基酸，维生素、无机盐等；3.主动运输（ active transport）广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式特点：载体蛋白参与（具有较强的专一性，通过构象变化而改变与被运送物质之间的亲和力，载体蛋白构象变化需消耗能量），需消耗细胞能量，可逆浓差运输。运送物质：无机离子（k+等） ；糖（乳糖，麦芽糖，葡萄糖等）；大部分氨基酸和有机酸。例： na+,k+-atpase：利用 atp 的能量，将na+由胞内泵出胞外（高浓），并将 k+由泵入胞内（高浓） 。4. 基团转位 (group translocation)特点：需载体蛋白，耗能，被运送物质分子结

18、构发生变化（磷酸化）有一个复杂的运输系统来完成物质的运输磷酸转移酶系统（pts） ：5 种蛋白质组成功能：主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。思考题 : 列表比较营养物质进入细胞的方式精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - -第十三授课单元一、教学目的使学生掌握培养基的分类, 主要是掌握选择性培养基及鉴别培养基的原理及应用. 了解

19、微生物的营养与微生物发酵工业的关系。二、教学内容( 第四节 培养基 ) 1. 培养基：介绍选用设计培养基的原则、根据对培养基成分的了解、培养基的物理状态和培养基的用途所划分的培养基的种类，重点介绍选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用。通过本章节的学习，了解微生物的营养与微生物发酵工业的关系。2. 微生物营养与发酵工业的关系。微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。三、教学重点、难点及其处理重点: 选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用. 分别以实际生产的例子加以说

20、明 , 例如选择性培养基, 是根据某些微生物对一些物理, 化学物质的抗性而设计的一种培养基 , 即在培养基内加入某些抑菌剂或杀菌剂, 以抑制不需要的微生物的生长, 从而促进某些需要菌的生长.以纤维素为唯一碳源的选择性培养基，可以从混杂的微生物群体中分离出能分解纤维素的微生物。鉴别性培养基: 伊红美蓝培养基, 肠道菌的鉴别性培养基. 难点: 选择性培养基和鉴别性培养基的选择鉴别性原理和应用. 其中选择性培养基的原理和应用很容易掌握, 但是鉴别性培养基的原理一直是学生理解的难点. 例如区分大肠杆菌和产气肠杆菌可采用伊红-美蓝培养基 , 其组成为 : 蛋白胨 : 10g, k2hpo4: 2g. 乳

21、糖 : 10g. 2%水溶性伊红液20 毫升 , 0.325% 水溶性甲基蓝溶液20 毫升 . 琼脂15g. 其中伊红为酸性染料, 甲基蓝为碱性染料. 当大肠杆菌或产气肠杆菌分解乳糖产酸时, 细胞带正电荷 (因为在酸度为7.0-7.2 的培养基中 , 细菌的原生质主要带负电荷. 氨基酸并不是在酸度为7 时电荷为 0, 而是 6.5-6.8 电荷为 0. 所以在环境酸度为7.2 时, 应带负电荷 ) 所以染上伊红的红色. 而大肠菌呈紫黑色有金属光泽, 菌落小 , 而产气肠杆菌呈灰棕色, 菌落大, 湿润 . 不分解乳糖的细菌则不着色, 有时候因产碱性物质较多, 细菌带正电荷 , 染上甲基蓝 , 因

22、而呈蓝色菌落. 微生物的营养发酵工业的关系：主要涉及菌种筛选，菌种不同、目的不同，发酵发酵培养基的组成不同，并且根据微生物的营养类型，有目的地选用廉价、易得的培养基。四、板书设计第四节培养基（ medium ，media ）精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - -定义：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。一、选用和设计

23、培养基的原则和方法4 个基本原则：目的明确营养协调物理、化学条件适宜经济节约1. 目的明确（1）培养何种微生物细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：高氏1 号合成培养基；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基；（2）培养目的2. 营养协调营养物的浓度各种营养物间的配比（c/n 比：培养基所含碳源中碳原子的摩尔数与氮源中氮原子的摩尔数之比）3. 物化条件适宜（1）ph细菌： ph 7.08.0 ；放线菌： ph 7.58.5；酵母菌： ph 3.86.0；霉菌： ph 4.05.8; （2）渗透压（ osmotic presure）和水活度水活度（ water activ

24、ity ） ：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。w = pw / pow （pw：溶液蒸汽压力；pow：纯水蒸汽压力）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。（3）氧化还原电位增加通气量 (如振荡培养、 搅拌 )提高培养基的氧分压，或加入氧化剂， 从而增加值 （厌氧菌） ；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%） 、硫化氢 (0.025%) 、半胱氨酸 (0.05%) 、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低值（厌氧菌）。氧化还原指示剂：刃天青4、经济节约二、培养基

25、的种类1按对培养基成份的了解划分天然培养基 (complex medium)合成培养基 (synthetic medium)半合成培养基(symi-synthetic medium)2根据物理状态划分固体培养基 (solid medium) （1.52.0%琼脂）半固体培养基(semi-solid medium) （0.20.8%琼脂）液体培养基 (liquid medium)常用凝固剂：琼脂： 96 融化， 40 凝固， 1.52.0%；明胶： 25 融化， 20 凝固， 512%；精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 9 页

26、 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - -3按用途划分（1）选择培养基(selective medium)用途：用于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。定义：根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。（2）鉴别培养基(differential medium)用途：用于鉴别不同类型微生物的培养基。定义：在培养基中加有能与目的菌的无色代谢产物发生颜色反应的指示剂，从而用肉眼就能将该种微生物的菌落与外形相似的其它微生物菌落相区分的培养基。emb 培养基：肠道菌的