第二章 细菌的生长繁殖和生态

1、水产微生物学主讲：赵光伟主讲：赵光伟电话-mail：第二章 细菌的生长繁殖和生态 第一节第一节 细菌细胞的代谢过程细菌细胞的代谢过程 第二节第二节 细菌的生长繁殖细菌的生长繁殖 第三节第三节 细菌的人工培养细菌的人工培养第一节第一节 细菌细胞的代谢过程细菌细胞的代谢过程 一、细菌的化学组成： 细菌的元素成分：碳、氮、氢、氧碳、氮、氢、氧四种主要的有机元素和磷、钾、镁、硫、钙以及铁、钠、氯、铜、锌等各种无机元素。这些元素主要以化合物的状态存在，构成了细菌细胞的水分和有机物、无机物等成分。 (一)水分 水分在细菌细胞中含量最大，约占菌细胞总重量的75-80。细菌的芽胞含水

2、较少（40左右）。菌体中的水分，可分为结合水和非结合水，前者是蛋白质等复杂有机物质的组成成分，后者是细胞物质的溶媒。(二)固体成分(干物质) 细菌细胞内的固体成分，约占总重量15-25。包括有机物和矿物质。有机物占90-97，矿物质占3-10。1.有机物 包括蛋白质、核酸、糖、脂类和其他化合物 蛋白质 细菌细胞体内含有大量的蛋白质，约占固体成分的50，多者可达80，少者只有13-16。蛋白质中包括单纯蛋白质和复合蛋白质(如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白等)，后者含量较多，也较重要。 核糖核酸 包括RNA和 DNA。前者在胞桨内，功能是翻译遗传信息，控制蛋白质的合成(包括酶)，后者在核质中，储存和转录遗

3、传信息。 糖 糖占10-30，如荚膜多糖、纤维素、半纤维素、淀粉等。 糖类往往和蛋白质或脂类结合存在，共同构成细胞构造的组成物质。一些糖类呈游拐状态。糖类是细菌的重要碳素来源，是细菌活动所需能量的原料。 脂类 脂类包括游离的脂肪酸、中性脂肪、磷脂、类脂质和蜡质等，含量约为3-7，多者可达40，少者不到2。脂类常和蛋白质或糖类结合为脂蛋白或糖脂，或者形成蜡质，成为细胞的构造成分。 其他化合物 少量维生素(主要是B族维生素)；生长因素、色素等。 2.矿物质 矿物质约占3-10，以磷、钾、硫、钙、铁、镁、氯、钠等为主，尚有铜、锌、碘及其他微量元素。其中以磷最多，钾次之。这些矿物质元素，一部分参与有机

4、物的组成，一部分则组成无机盐类。 物质摄取物质摄取生物合成生物合成聚合作用聚合作用组装组装二、细菌细胞的代谢过程二、细菌细胞的代谢过程 1 1、物质的摄取与排出、物质的摄取与排出 细菌的营养物质包括能量物质及其他代谢基质。物质吸收是从周围环境获得营养，排出是将代谢物质或废物运出细胞。革兰氏阳性或阴性菌的细胞膜是一层双脂膜，具有高度的选择透性，革兰氏阴性菌的OMP等在物质吸收过程中也发挥重要作用。 四种方式四种方式 物质主要通过单纯扩散、促进扩散、主动输送及基团转位等方式进出细菌细胞。 单纯扩散 亦称被动扩散，是一种最简单的物质交换方式。细胞膜两侧的物质靠浓度差(浓度梯度)进行分子扩散，不需要能

5、量。此种方式无特异性或选择性，细胞内外溶质浓度平衡时，扩散便停止，不是物质运输的主要方式。如02、水、乙醇等。 促进扩散 某些物质如糖或氨基酸与位于细胞膜的特异性载体蛋白相结合，而后将其转运至细胞内外。具有特异性和选择性，不需要能量。 主动输送 是细菌吸收营养物质的一种主要方式，与促进扩散一样，需要特异性载体蛋白，能将特异性溶质逆浓度梯度泵入泵出细胞，需要能量。如乳糖等。 基团转位 物质在运输的同时受到化学修饰，需要特异性载体蛋白参与，需要能量 2、生物合成、生物合成 吸收的各种前体代谢物质通过代谢途径的网络，合成多种氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸及其它合成大分子所需物质。 a. 作为鉴别细菌的主

6、要措施（生化试验）作为鉴别细菌的主要措施（生化试验） b. 细菌生物合成环节可被药物影响细菌生物合成环节可被药物影响 3、聚合作用、聚合作用 （1）DNA复制复制 半保留复制半保留复制 干扰细菌干扰细菌DNA复制的药物，如新生霉素，抑制复制的药物，如新生霉素，抑制解旋酶的活性解旋酶的活性 （2）转）转 录录 细菌转录不同于真核生物的两个特点：细菌转录不同于真核生物的两个特点： A. 由同一个由同一个RNA聚合酶催化合成细菌的聚合酶催化合成细菌的mRNA、 tRNA 和和rRNA B. 细菌的细菌的mRNA不需要通过核膜转运的胞不需要通过核膜转运的胞浆，因而不需要浆，因而不需要poly A帽状结

7、构帽状结构注意：注意：干扰细菌转录是某些抗生素抑菌的作干扰细菌转录是某些抗生素抑菌的作用机制用机制 （3）翻译翻译 是蛋白质合成的过程。（氨基酰循环）与真核生物类似，但也有差异： 细菌的mRNA不需要经过加工和转运，可指导多个多肽链的合成；合成速率高； 注意注意：抑制细菌翻译是某些抗生素抑菌的抑制细菌翻译是某些抗生素抑菌的作用机制作用机制 4、组装、组装 自我组装（自我组装（self-assembly）: 自我组装可在自我组装可在体外试管内完成，鞭毛及核糖体即采用此种体外试管内完成，鞭毛及核糖体即采用此种方式。方式。 指导组装（指导组装（guided assembly）: 细菌表面细菌表面膜结

8、构则只能依赖指导组装来完成。膜结构则只能依赖指导组装来完成。第二节 细菌的生长繁殖 一、一、细菌需要的营养物质细菌需要的营养物质(nutrients)(nutrients) 营养物质营养物质 是供给细菌分解和合成代谢所用的物质。以是供给细菌分解和合成代谢所用的物质。以维持它们完成各种生理活动，繁殖后代，保持其生命的延维持它们完成各种生理活动，繁殖后代，保持其生命的延续性。续性。 细菌的营养物质可以分成两类： 1、必需的营养物质，没有它细胞不能生长。 2、非必需的营养物质，有了它可以被细胞利用，没 有它不影响细胞生长。 这些物质大部分以有机物或无机物形式提供， 小部分可以由气体物质提供，包括水分

9、、碳源、氮 源、无机和生长因子。1、水分(water) 在细菌细胞中，水是主要组成成分，约占细胞干重的70一90。 水也是最好的溶剂和介质，保证细胞中生理 生化反应的正常进行、营养物的吸收和代谢产物 的分泌。维持细胞的渗透压和控制胞内温度。 因此，水是细菌生长不可缺少的物质。 2、碳源 (carbon source) 构成细菌固有成分和代谢产物的碳素来源； 细菌的能量来源。 细菌可利用的碳源种类很多，从简单的无机 碳到复杂的有机碳化合物都能被利用。 最好碳源是单糖(葡萄糖、果糖)和双糖 (麦芽 糖、乳糖)和多糖(淀粉、糊精) 。 3、氮源 (nitrogen source) 构成细菌 细胞 物

10、质的蛋白质、氨基酸、核酸和含氮代谢产物，一般不能提供能量。 氮源可分为无机氮源和有机氮源。 1)无机氮源 包括碳酸铵、硫酸铵、硝酸盐、尿素等。细菌一般都能利用铵盐或硝酸盐作为氮源。 2）有机氮源包括 牛肉膏、蛋白胨、酵母膏。 4、无机盐(mineral salts) 是细菌生长的必需物质。它们为 细胞生长 提供必需的金属或非金属元素。 构成细菌细胞的各种组分； 调节细胞的渗透压、pH值和氧化还原电位； 有些元素如硫、铁等可以供作自养微生物的 能源。 细菌通常需要 Mg 、k 、Ca 、 Fe 5、生长因子(growth factor) 生长因子是细菌生长不可缺少的微量有机物质 维生素 硫胺素、

11、 核黄素。 氨基酸 是细菌生长所必需的。某些细菌因缺 乏某种酶类而不能自行合成特殊的氨基酸，必须 由外界供给游离氨基酸或小分子肽。 嘌呤和嘧啶 也是某些细菌的生长因子。它们 的功能一般是构成酶的辅基、辅酶或核酸的组成 成分。 二、二、细菌的营养类型细菌的营养类型 根据细菌生长所需要的碳源物质分为 异养型 必须以复杂的有机物作为碳源。 自养型 能以简单的无机物如CO2 作为重要碳源和唯一碳源。 根据细菌生长所需的能源分为化能营养型和光能营养型。 细菌可以划分为光能自养型、光能异养型、化能自养型与化能异养型。 1、光能自养型(photoautotroph) 具有光合色素（叶绿素），以光作为能源，

12、并以CO2作为唯一碳源或主要碳源。 蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌。2、光能异养型(photoheterotroph) 细菌具有光合色素，以光作为能源，它们也能利用CO2，但不能作为唯一碳源。必须在有机物存在情况下才能生长。 红螺菌，这类细菌能利用低分子有机物迅速增殖，故而有可能用来净化有机废水，消除污染。 3、化能自养型(chemoautotroph) 细菌生长所需的能量来自无机物氧化放出来 的化学能，以无机的CO2或碳酸盐作为碳源。 硫化细菌、硝化细菌、氢细菌和铁细菌等， 它们广泛分布于自然界，对物质转换起重要作用4、化能异养型(chemoheterotroph) 以有机化合物代谢作为碳源和能

13、源。 根据所利用的有机物的特性分为 腐生菌：把动植物的遗体分解 寄生菌：从活的动植物体和人体吸收营养物质 兼性腐生菌：既能侵害活有机体又能生活在死有机体上一些病原菌常常是 兼性寄生菌，如真菌、结核杆菌和巴氏杆菌等。 三、细菌的呼吸三、细菌的呼吸 细菌从物质氧化获得能量的过程称为呼吸细菌从物质氧化获得能量的过程称为呼吸 分为分为有氧呼吸有氧呼吸和和无氧呼吸无氧呼吸两种方式两种方式 根据细菌对根据细菌对空气中氧氧分子利用能力的的不同，可以把细菌分为三个主要类型，即需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。1、需氧菌(aerobic bacteria) 必须在有氧的环境中才能生长，它们通过有 氧呼吸的方式获得能量

14、。 许多常见细菌属此类 结核杆菌、枯草杆菌、放线菌、真菌。 这类微生物在琼脂平板表面和液体培养基的浅层 中生长良好。 2、厌氧菌(anaerobic bacteria) 厌氧菌的生长不需要分子氧。它们依靠无氧 呼吸或发酵而生活。 这些细菌又分为2种类型： 专性厌氧菌 这类细菌必须在严格无氧条件下 才能生长，氧对它们有毒，如破伤风杆菌等。 微氧厌菌 这类细菌暴露在氧中并不被杀死， 如大多数乳酸菌，它们的产能实际上不需要 氧，但氧分子对它们无害。3、兼性厌氧菌(facultative anaerobic bacteria) 在有氧或无氧环境中都能生长，可以不同氧化 方式获得能量。 许多细菌属此类。

15、 大肠杆菌，在缺氧时进行无氧呼吸；有氧时 则进行有氧呼吸，将有机物彻底氧化成CO2和H20。 四、细菌的生长繁殖四、细菌的生长繁殖 1、个体细菌、个体细菌方式：二等分分裂法进行无性繁殖。方式：二等分分裂法进行无性繁殖。世代时间：一个菌体分裂为两个菌体所需的世代时间：一个菌体分裂为两个菌体所需的时间。时间。在固体培养基上形成菌落。在固体培养基上形成菌落。 2、群体细菌、群体细菌如接种到液体培养基上，规律性的生长曲线如接种到液体培养基上，规律性的生长曲线迟缓期 是细菌初到新环境的适应期。此时菌体增大、代谢活跃、合成所需酶系统。RNA含量明显增多，DNA无变化，此时细菌数并不增加。l-4h。对数期

16、细菌迅速分裂繁殖，活菌数以几何级数增长，生长曲线近斜线。该期病原菌致病力最强，其形态染色及生理均较典型，对抗菌药物敏感。6-10h。稳定期 因营养消耗、代谢产物蓄积等，此时新繁殖的活菌与死菌平衡，活菌数最多。该期形态染色不特异。产生毒素等代谢产物。一般8h。衰亡期 细菌死亡速度加大，繁殖速度变小。如不移植到新培养基，最终可全部死亡。此期菌体变形或自溶，染色不典型。第三节 细菌的人工培养一、培养基一、培养基 培养基（培养基（culture medium）是人工配制的是人工配制的基质，含有细菌生长繁殖必需的营养物质。基质，含有细菌生长繁殖必需的营养物质。培养基制成后，通常都要经灭菌处理。培养基制成

17、后，通常都要经灭菌处理。 (一一)按营养组成的差异按营养组成的差异 1.基础培养基基础培养基 : 基本营养成分基本营养成分 2.营养培养基营养培养基 : 在基础培养基中添加一些其它营养物质，如葡萄在基础培养基中添加一些其它营养物质，如葡萄 糖、血液、血清、生长因子等糖、血液、血清、生长因子等 培养基的分类培养基的分类 普通培养基普通培养基 血液培养基血液培养基 (二二)按状态的差异按状态的差异 液体培养基 增菌 试管斜面 保存菌种 固体培养基 琼脂平板 分离纯化细菌 半固体培养基 保存菌种 细菌在固体培养基中的生长情况细菌在固体培养基中的生长情况光滑型菌落光滑型菌落粗糙型菌落粗糙型菌落粘液型菌

18、落粘液型菌落 细菌在半固体培养基中的生长情况细菌在半固体培养基中的生长情况1：有动力：有动力2：无动力：无动力 细菌在液体培养基中的生长情况细菌在液体培养基中的生长情况菌膜菌膜菌沉淀菌沉淀均匀浑浊均匀浑浊对照对照 1.鉴别培养基鉴别培养基:在培养基中加入特定底物，观察细菌在其生长后分解在培养基中加入特定底物，观察细菌在其生长后分解 底物如何，从而鉴别细菌。底物如何，从而鉴别细菌。 2.选择培养基选择培养基:在培养基中加入某种化学物质，使之抑制一类细菌在培养基中加入某种化学物质，使之抑制一类细菌 生长，而有利于另一类细菌生长，从而将后者选择出来。生长，而有利于另一类细菌生长，从而将后者选择出来。

19、 3.厌氧培养基厌氧培养基:专供厌氧菌的分离、培养和鉴别用专供厌氧菌的分离、培养和鉴别用. 将普通培养基放在将普通培养基放在 无氧环境中培养，或者使培养基本身成为无氧的环境。无氧环境中培养，或者使培养基本身成为无氧的环境。(三三)按功能的差异按功能的差异麦康凯琼脂培养基麦康凯琼脂培养基 二、细菌的培养条件二、细菌的培养条件 细菌在适宜的环境条件下才能生长繁殖。影响生长的环境因素很多诸如营养、温度、pH、氧及其他气体等等。 1、营养物质 根据各种细菌不同的营养要求，选用不同的培养基，以满足其生长的需要。2、温度 原核生物对温度的适应表现为多样性，范围 7.5 75之间。最适生长温度意味着维持最大

20、 速率生长的温度。 大体上分为三类 嗜热菌 4590条件下生长， 嗜冷菌 一7520范围内生长。 嗜温菌 2045 。3、pH 多数细菌最适生长的pH范围很窄，约为6.0 8.0。多数病原性细细菌(pH7.2-7.6)在中性或微碱环 境中生长良好。 4、气体 微生物对气体的需求根据细菌对氧的需求可 分为需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。5、渗透压 第四节 细菌的鉴定 各种细菌分解能力不同，代谢基质与产物也不同。据此可设计特定的生化试验，区别和鉴定细菌。（一）细菌的代谢产物 1.无机酸和有机酸 有些细菌能产生无机酸，有的可产生有机酸。无机酸如硫酸和硝酸等；有机酸如乳酸、醋酸、丙酸、丁酸等，与食品加工有关。也可用于细菌鉴定。 2.醇类、酯类和其