第三章微生物的营养与生长

第三章微生物的营养与生长第1页，共110页，2023年，2月20日，星期一笫一节微生物的营养

营养物质nutriment：微生物在生命活动中从环境中吸取的用以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的物质。在发酵工业上也包括用于合成产物。营养(过程)nutrition：微生物吸收和利用营养物质的过程。第2页，共110页，2023年，2月20日，星期一一、微生物细胞的化学组成1、元素组成：C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo。其中C、H、O、N、P占细胞干重的97%。2、物质组成(1)水：约占细胞湿重的90%。(2)有机物：主要有蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。(3)无机盐：灰分元素是指参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中的元素。第3页，共110页，2023年，2月20日，星期一3．影响微生物细胞化学组成的因素(1)微生物的种类：硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多的S、Fe、Cl和Na。(2)菌龄：幼龄菌中含氮量较高。(3)培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。第4页，共110页，2023年，2月20日，星期一微生物细胞元素组成第5页，共110页，2023年，2月20日，星期一部分发酵产品的元素组成第6页，共110页，2023年，2月20日，星期一二.微生物的营养物质1、水水的生理功能细胞的重要组分微生物进行代谢活动的介质参与部分生化反应调节和控制细胞温度第7页，共110页，2023年，2月20日，星期一几种生物的游离水含量

人：~60%海蛰：~96%微生物：孢子：霉菌孢子：~39%

细菌芽孢：皮层：~70%

核心：极低营养体：细菌：~80%

酵母：~75%

霉菌：~85%第8页，共110页，2023年，2月20日，星期一环境中水的存在状态结合水：与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水；游离水：可以被微生物所利用的水水活度wateractivityaw=p/p0微生物生长要求：aw=0.63~0.99第9页，共110页，2023年，2月20日，星期一2.碳源carbonsource凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。生理功能提供C元素提供能量碳源物质有机碳化物无机碳化物第10页，共110页，2023年，2月20日，星期一微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、豆饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏分、石蜡油等无机碳C(?)------C·OC02CO2C·O·N·NaCO3、CaCO3等NaCO3、CaCO3、白垩等第11页，共110页，2023年，2月20日，星期一3.氮源nitrogensource凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量氮源的种类无机氮、有机氮、气体氮第12页，共110页，2023年，2月20日，星期一微生物的氮源谱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、豆饼粉、蚕蛹等N·C·H·O尿素、多数氨基酸、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空气第13页，共110页，2023年，2月20日，星期一速效性氮源能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。迟效性氮源不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源第14页，共110页，2023年，2月20日，星期一“生理酸性盐”与“生理碱性盐”生理酸性盐由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH下降的盐。如(NH4)2SO4

生理碱性盐由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH上升的盐。如NaNO3第15页，共110页，2023年，2月20日，星期一部分发酵产物的氮源第16页，共110页，2023年，2月20日，星期一4.无机盐类mineralsalts生理功能参与细胞结构物质的组成；参与酶的组成及调节酶的活性；参与能量转移；调节并维持细胞渗透压的平衡；作为某些微生物的能源物质第17页，共110页，2023年，2月20日，星期一无机盐的功能第18页，共110页，2023年，2月20日，星期一大量（主要/宏量）元素macroelementsP、S、K、Na、Ca、Mg等需要量：10-3~10-4M微量元素microelementsFe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等需要量：10-6~10-8M第19页，共110页，2023年，2月20日，星期一无机盐一般采用的浓度范围第20页，共110页，2023年，2月20日，星期一对一些产物有影响的微量元素第21页，共110页，2023年，2月20日，星期一5.生长因子growthfactor生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物质。种类

维生素、氨基酸、碱基需要量

维生素：1—50ug/L

氨基酸：20—50ug/L

碱基：10—20ug/L

核苷或核苷酸：200—2000ug/L第22页，共110页，2023年，2月20日，星期一几种微生物的生长因子

菌种生长因子丙酮丁醇梭菌对氨基苯甲酸德氏乳杆菌酪氨酸、胸腺核苷干酪乳杆菌生物素、麻黄素粪链球菌叶酸、精氨酸肠膜明串珠菌吡哆醛金黄色葡萄球菌硫胺素第23页，共110页，2023年，2月20日，星期一向培养基中添加生长因子的措施直接添加添加富含生长因子的物质酵母膏，玉米浆，肝浸汁，麦芽汁第24页，共110页，2023年，2月20日，星期一玉米浆含的氨基酸第25页，共110页，2023年，2月20日，星期一6、能源energysource

能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能能源谱化学物质：有机物无机物辐射能第26页，共110页，2023年，2月20日，星期一7、气体

（1）氧O2

：微生物的对氧的需求专性好氧菌：只能在有氧的环境中生长专性厌氧菌：只能在无氧的环境中生长兼性厌氧菌：在有氧及无氧的环境中都能生长微嗜氧菌：只能在氧分压很低的环境中生长第27页，共110页，2023年，2月20日，星期一向微生物提供氧的措施实验室：液体培养（三角瓶、试管）：浅液层、振荡固体培养（平板、斜面）：表面生长大生产：液体培养（发酵罐）：通风、搅拌固体培养：浅层、通风第28页，共110页，2023年，2月20日，星期一（2）二氧化碳CO2对于自养微生物：唯一或主要碳源对于异养微生物：第29页，共110页，2023年，2月20日，星期一三、微生物的营养类型1、微生物营养类型的分类分类标准营养类型A、能源光能营养型phototroph化能营养型chemotrophB、氢供体无机营养型lithotroph有机营养型organotroph第30页，共110页，2023年，2月20日，星期一分类标准营养类型C、碳源自养型autotroph异养型heterotrophD、生长因子原养型(prototroph)/野生型(wildtype)营养缺陷型auxotrophE、合成氨基酸能力氨基酸自养型aminoacidautotroph氨基酸异养型aminoacidheterotrophF、取食方式渗透营养型osmotroph吞噬营养型phagotrophG、取得死或活有机物腐生saproghytism寄生parasitism第31页，共110页，2023年，2月20日，星期一2、微生物的营养类型营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物第32页，共110页，2023年，2月20日，星期一光能无机营养型

photolithotroph

能源：光主要碳源：CO2

供氢体：H2S、Na2S2O3例：绿硫细菌，紫硫细菌CO2+H2S[CH2O]+2S+H2O

细菌叶绿素第33页，共110页，2023年，2月20日，星期一光能有机营养型

photoorganotroph

能源：光；主要碳源：有机物，但可以将CO2还原成细胞物质。供氢体：有机物例：红螺细菌2CH3CHOHCH3+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素第34页，共110页，2023年，2月20日，星期一

化能无机营养型

chemolithotroph能源：无机物，NH3，

NO2，H2，H2S，S等主要碳源：CO2

电子供体：无机物例：氧化亚铁硫杆菌

FeFe+e+11.3千卡+2+3第35页，共110页，2023年，2月20日，星期一化能有机营养型chemoorganotroph

能源：有机物主要碳源：有机物

例：大部分种类的微生物，工业用菌种多为此类。营养类型的划分不是绝对的，在自然界中存在中间类型。营养类型的划分以最简单的营养条件为依据，并以“严格”,“兼性”加以区分。第36页，共110页，2023年，2月20日，星期一四.营养物质的跨膜输送微生物是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。被动吸收——简单扩散和促进扩散主动吸收——主动运输和基团移位原生动物——膜泡运输第37页，共110页，2023年，2月20日，星期一本部分要求掌握：①输送动力，②输送方向，③是否需要载体及其特异性，④被输送物质在输送过程中是否发生化学变化⑤输送物质举例。第38页，共110页，2023年，2月20日，星期一1.简单扩散

simplediffusion无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。特点：输送动力：浓度梯度输送方向：顺浓度梯度输送物质：水、气体、脂溶性物质、极性小的分子第39页，共110页，2023年，2月20日，星期一输送机制：通过亲水小孔或脂双分子层。

J=Ddc/dx

J：扩散速度

D：扩散系数

dc/dx：该物质的浓度梯度影响因素：分子的大小、溶解性、极性和环境的温度等第40页，共110页，2023年，2月20日，星期一2、促进扩散facilitateddiffusion在特异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。特点：输送动力：浓度梯度输送方向：顺浓度梯度载体蛋白：需要，具有特异性输送物质：极性大的分子，真核微生物对糖的吸收。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。第41页，共110页，2023年，2月20日，星期一第42页，共110页，2023年，2月20日，星期一3、主动运输activetransport

在消耗能量的同时，实现溶质在细胞内的浓缩，而没有任何化学变化发生的输送机制。特点：输送动力：代谢能量输送方向：逆浓度梯度载体蛋白：需要，具有特异性输送物质：氨基酸、某些糖、Na、K等。输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的结合力。第43页，共110页，2023年，2月20日，星期一主动输送第44页，共110页，2023年，2月20日，星期一Na—K泵第45页，共110页，2023年，2月20日，星期一第46页，共110页，2023年，2月20日，星期一4、基团移位grouptranslocation被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变，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的存在状态：在细胞膜内被磷酸化第47页，共110页，2023年，2月20日，星期一输送机制：例：磷酸转移酶系统（PTS）酶Ⅰ：非特异性，存在于细胞质中酶Ⅱ：特异性(诱导型)，存在于膜上因子Ⅲ：特异性，存在于细胞质中

HPr(组氨酸蛋白质/热稳定蛋白质)：非特异性，存在于细胞质中第48页，共110页，2023年，2月20日，星期一第49页，共110页，2023年，2月20日，星期一5.膜泡运输Membranevesicletransport通过趋化性运动靠近营养物质，将它吸附到膜表面，形成膜泡，并进入细胞质。胞吞作用胞饮作用第50页，共110页，2023年，2月20日，星期一四种物质运输方式的比较第51页，共110页，2023年，2月20日，星期一第52页，共110页，2023年，2月20日，星期一基团移位主动运输第53页，共110页，2023年，2月20日，星期一五、培养基medium

人工配制的含有营养物质的供微生物生长繁殖或积累代谢产物的基质第54页，共110页，2023年，2月20日，星期一（一）培养基应具有的共性单位数量的培养基应能以最高产率地生产出所需产物，能最高速率地稳定合成出所需产物，培养基成分应价格便宜易于就近取材，培养基有利于通风、搅拌、提取、纯化和废物处理等

第55页，共110页，2023年，2月20日，星期一（二）制备培养基的要素（1）营养物质：包括研究或实验微生物所需要的碳、氮、磷、硫等宏量元素及微量元素、生长因素及水等。在营养缺陷型（生长因素异养型）微生物的培养基中，必须配入所缺的生长因素。（2）水活度：实际上是控制好培养基中可溶物质的浓度。（3）pH值：指灭菌后pH值，这与pH缓冲液和缓冲物（如CaCO3）的使用有关。（4）培养基的物理状态（5）灭菌方法第56页，共110页，2023年，2月20日，星期一（三）培养基的种类1、按对培养基成分的了解分类天然培养基complexmedium；undefinedmedium

利用化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物质制成的培养基。如：实验室用的麦汁培养基马铃薯浸汁培养基大生产用山芋干粉糖化醪第57页，共110页，2023年，2月20日，星期一一些营养物质的来源与成分第58页，共110页，2023年，2月20日，星期一玉米浆的平均化学组成(以干物质计)第59页，共110页，2023年，2月20日，星期一合成培养基syntheticmedium，definedmedium

利用化学成分完全了解的高纯化学试剂制成的培养基。如：培养霉菌用的察氏培养基（g/L)NaNo32,K2HPO41,KCl0.5,MgSO4·7H2O0.5FeSO4·7H2O0.01,蔗糖30,琼脂20,pH自然半合成培养基semi-syntheticmedium

由部分天然有机物和部分化学试剂制成的培养基。如：LB培养基(g/L)：Tryptone1,YeastExtract5,NaCl1,pH7.2

第60页，共110页，2023年，2月20日，星期一2、据培养基的物理状态分类（1）液体培养基liquidmedium

呈液体状态的培养基（2）固体培养基solidmedium

外观呈固体状态的培养基

第61页，共110页，2023年，2月20日，星期一固体培养基①凝固培养基（solidifiedmedium）：遇热可融化、冷却后则凝固的培养基。②非可逆性凝固培养基：当凝固后就不能再融化的固体培养基。③天然固体培养基：由天然固体物质直接制成的固体培养基。④滤膜（membranefilter）：是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维素薄膜。第62页，共110页，2023年，2月20日，星期一琼脂和明胶的区别第63页，共110页，2023年，2月20日，星期一（3）半固体培养基semi-solidmedium

呈当容器倒放时不致流下、但在剧烈振荡后则能破散状态的凝固性固体培养基。琼脂的加量为0.5%左右。第64页，共110页，2023年，2月20日，星期一3、按照培养基的特殊用途分类（1）加富培养基enrichedmedium

为分离某种微生物而专门设计，加入了助长该类微生物的营养物质的培养基。（2）选择培养基selectedmedium

加入了某种化学物质以抑制不需要的菌的生长,从而促进目的菌生长的培养基。（3）鉴别培养基differentialmedium

添加了某种试剂或化学药品而对特定的微生物起鉴别作用的培养基。第65页，共110页，2023年，2月20日，星期一一些鉴别培养基第66页，共110页，2023年，2月20日，星期一（4）种子培养基seedmedium

培养发酵用的健壮的种子的培养基。（5）发酵培养基fermentationmedium

用于合成某种预定的发酵的培养基。（6）繁殖和保藏培养基细菌：营养琼脂、LB培养基放线菌：马铃薯培养基，高氏一号培养基酵母：麦汁培养基，YEPD培养基霉菌：麦汁培养基、察氏培养基

（7）基础培养基：几种相似培养基的共同部分第67页，共110页，2023年，2月20日，星期一培养基种类第68页，共110页，2023年，2月20日，星期一（四）配制培养基应注意的问题1、营养成分的溶解缓冲性组分；易沉淀组分；微量组分；合成培养基的组分2、pH值及水活度3、琼脂4、灭菌（五）商品化培养基第69页，共110页，2023年，2月20日，星期一第二节微生物的生长生长：个体体积的增大及细胞原生质总量的增加。繁殖：个体数量的增多。群体生长：包含了个体生长和繁殖第70页，共110页，2023年，2月20日，星期一一、微生物个体细胞的生长1、细菌的生长与繁殖第71页，共110页，2023年，2月20日，星期一第72页，共110页，2023年，2月20日，星期一2、丝状菌的生长与繁殖

第73页，共110页，2023年，2月20日，星期一曲霉菌分生孢子形成的过程第74页，共110页，2023年，2月20日，星期一二.微生物生长的测定(一)直接计数法1、显微计数法

酵母菌、霉菌孢子：血球计数器细菌：Petroff-Hausser或Helber计数器

第75页，共110页，2023年，2月20日，星期一2、电子自动计数法Coulter电子计数器可测定细胞数、细胞大小分布。

第76页，共110页，2023年，2月20日，星期一（二）间接计数法1、平板菌落计数法适用：单细胞或单孢子菌悬液方法：倾注平板、涂布平板CFU：colony-formingunit2、薄膜过滤计数法微孔滤膜如硝化纤维素薄膜适用：量大、含菌浓度低的样品第77页，共110页，2023年，2月20日，星期一3、液体稀释法（或然率法）

MPN(Mostprobablenumber)

将样品作10倍系列稀释，接种液体试管，培养后记录出现生长的试管数，查表并计算。例：某一细菌在稀释法中的生长情况如下

稀释度10-410-510-610-710-8

重复数55555

生长管数55410

数量指标“541”，查统计分配表17

原菌液中的活菌数=1.7×106

个/dL第78页，共110页，2023年，2月20日，星期一（三）其他方法1.测定细胞物质的量测定细胞干重法比浊法测定细胞总含氮量法

2..霉菌菌丝长度的测定菌落直径测定法：

U型管测定法：第79页，共110页，2023年，2月20日，星期一三.微生物群体生长规律（一）细菌生长曲线growthcurve

将少量细菌接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下培养，定时取样测定细胞密度（CFU），以活细胞数的对数对培养时间所作出的曲线称为生长曲线。第80页，共110页，2023年，2月20日，星期一细菌群体生长曲线

第81页，共110页，2023年，2月20日，星期一1.延迟期（lagphase调整期）活细胞数：基本不变细胞生理特点：分裂迟缓、代谢活跃出现的原因：调整代谢，适应新环境影响因素：菌种的遗传性；种龄；接种量；培养基组分及培养条件缩短措施：第82页，共110页，2023年，2月20日，星期一2.对数期logphase/exponentialphase活细胞数：呈几何级数增加细胞的生理特点：细胞生长速率最大；细胞进行平衡生长；酶系活跃，代谢旺盛第83页，共110页，2023年，2月20日，星期一繁殖代数和世代时间

x2=x1·2n繁殖代数n=(lgx2-lgx1)/lg2世代时间generationtimeG=lg2(t2-t1)/(lgx2-lgx1)第84页，共110页，2023年，2月20日，星期一在最适条件下几种微生物的世代时间第85页，共110页，2023年，2月20日，星期一3、平衡期stationaryphase活细胞数：动态平衡出现原因：营养物质的消耗；有生理毒性代谢产物的积累；环境条件（pH,氧化还原电位）的改变对细胞生长不利细胞生理特点：分裂速度降低；活细胞数达到最大值；开始积累储藏物质；积累发酵产物；芽孢细菌产生芽孢第86页，共110页，2023年，2月20日，星期一4、衰亡期declinephase/deathphase活细胞数：逐渐下降细胞生理特点：细胞内颗粒更加明显，出现液泡细胞出现异常形态细胞死亡伴随自溶第87页，共110页，2023年，2月20日，星期一（二）真菌的生长曲线1、酵母菌的生长曲线：与细菌相似2、丝状真菌的生长曲线

三个时期各期特征生长停滞期孢子萌发前的时期迅速生长期菌丝伸长及分枝衰退期菌丝体干重下降伴随自溶

第88页，共110页，2023年，2月20日，星期一（三）多种碳源及复合培养基存在下的微生物的生长葡萄糖和乳糖共存时大肠杆菌的二次生长曲线麦芽糖和蔗糖共存时酿酒酵母的二次生长曲线第89页，共110页，2023年，2月20日，星期一第90页，共110页，2023年，2月20日，星期一四.微生物的培养1.分批培养

batchculture

将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获的培养方法。摇瓶培养发酵罐培养第91页，共110页，2023年，2月20日，星期一2.补料分批培养适用对象：底物对菌体生长或产物形成具有抑制作用方法：阶段式补料连续补料----流加发酵

第92页，共110页，2023年，2月20日，星期一3.连续培养continuousculture

当微生物以分批培养的方式培养到对数期后，向培养器中不断补充新鲜营养物质，并以同样速度排出培养物，使微生物的增殖速度及培养基中的总菌量保持不变的培养方法。第93页，共110页，2023年，2月20日，星期一分批培养与连续培养的关系第94页，共110页，2023年，2月20日，星期一连续培养装置第95页，共110页，2023年，2月20日，星期一恒浊连续培养反应器：恒浊器（turbidostat）目的：

不断提供具有一定生理状态的细胞，得到以最高生长速率进行生长的培养物。应用：

获得大量的菌体获得与菌体生长相平衡的代谢产物。

不断调节流速而使培养液的浊度(菌体密度)保持恒定的连续培养方法第96页，共110页，2023年，2月20日，星期一恒化化连续培养控制恒定的流速，使由于菌体生长而耗去的营养物及时得到补充；培养液中营养物浓度基本恒定，从而保持菌体的恒定生长速率的连续培养方法。反应器：恒化器chemostat培养基：含一种限制性因子，其它营养成分均过量第97页，共110页，2023年，2月20日，星期一限制性因子条件菌体生长提供所必需的营养物质；在一定的浓度范围内，生长速率与其浓度呈正比关系。限制因子的种类氨基酸，葡萄糖，生长因子，无机盐等第98页，共110页，2023年，2月20日，星期一Monod公式第99页，共110页，2023年，2月20日，星期一连续培养处于稳定状态的条件D=F/V=mF：培养基流入(流出)培养器的速度（l/h）V：培养基中培养液的体积(l)D：稀释率，单位时间内单位体积的培养基中流入流出的量（h-1)m

：比生长速率，单位时间内单位重量的微生物所形成的新的菌体的重量(h-1)第100页，共110页，2023年，2月20日，星期一连续培养的稳定状态：D=F/V=m当D=m

时，处于稳定状态当D＜m时，m减小，但培养物中细胞密度加大。当D＞m时，m增大，但培养物中细胞密度减小。当D＞m

max时，细胞被“洗出”，连续培养系统遭破坏酒精发酵(D=0.05-0