微生物生長繁殖及其控制

微生物生長繁殖及其控制1.1微生物的營養(yǎng)要素1.1.1微生物細胞的化學組成微生物細胞70%-90%蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素等及其降解產(chǎn)物

無機物（鹽）微生物、動物、植物之間存在“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”細胞化學元素組成：主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等；：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。1、微生物營養(yǎng)微生物生長繁殖及其控制元素在細胞內(nèi)存在形式：上述元素主要以水、有機物、無機鹽的形式存在于細胞中：◆有機物：蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素及其降解產(chǎn)物.◆無機物：1)參與有機物組成，

2)單獨存在于細胞質(zhì)內(nèi)以無機鹽的形式存在.◆水：約占細胞總重70%～90%，以游離水和結合水兩種形式存在游離水：干重法可測得；結合水：不易蒸發(fā)、不凍結、也不能滲透,

占水總量的17%—28%。微生物生長繁殖及其控制微生物細胞化學組成含量的變化

主要成分細菌酵母菌霉菌

水分75~8570~8085~90（占細胞鮮重的%）

蛋白質(zhì)50~8032~7514~15

占細碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

無機鹽2~303.8~76~12微生物細胞的化學組成此組成可因菌種的種類、菌齡、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件、分析方法等而有所不同。微生物生長繁殖及其控制1.2營養(yǎng)物質(zhì)及其生理功能微生物與動植物營養(yǎng)要素的比較微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機鹽、生長因子、水、能源微生物生長繁殖及其控制1.2.1碳源（Carbonsource）◆定義：凡可被用來構成細胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的營養(yǎng)物質(zhì)。◆功能：提供合成細胞物質(zhì)及代謝物的原料;并為整個生理活動提供所需要能源（異養(yǎng)微生物）?！舴N類:無機含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。有機含碳化合物：糖與糖的衍生物（多糖：如淀粉、麩皮、米糠等；飴糖；單糖）,脂類、醇類。有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的化合物。微生物生長繁殖及其控制類型元素水平

化合物水平

培養(yǎng)基原料水平有機碳C·H·O·N·X復雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無機碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源譜微生物生長繁殖及其控制微生物工業(yè)發(fā)酵中用做碳源的原料傳統(tǒng)種類：糖類（單糖，飴糖） 淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物 淀粉等） 麩皮 各種米糠等代糧發(fā)酵：纖維素、石油、CO2、H2微生物生長繁殖及其控制

凡用來構成菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)源。種類：無機氮：銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、尿素、氨、N2等；有機氮：蛋白質(zhì)及其降解產(chǎn)物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、魚粉、花生餅粉、黃豆餅粉、玉米漿等功能：1）提供合成細胞中含氮物，如蛋白質(zhì)、核酸，以及含氮代謝物等的原料；2）少數(shù)細菌可以銨鹽、硝酸鹽等氮源為能源。氮源（Nitrogensource）：微生物生長繁殖及其控制類型

元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機氮N·C·H·O·X復雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏、餅粕粉、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無機氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣微生物的氮源譜微生物生長繁殖及其控制硝酸鹽NO3

NH4+

實驗室常用的無機氮源:有碳酸銨、硝酸鹽、硫酸銨、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生產(chǎn)上常用的氮源有硝酸鹽、銨鹽、尿素、氨以及蛋白含量較高的魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅份、玉米漿等。蛋白氮必須通過水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被機體利用，這種氮源叫遲效氮源。無機氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。速效氮源，通常有利于機體的生長，遲效氮源有利于代謝產(chǎn)物的形成。

銨鹽氨基酸 入胞 細胞物質(zhì)蛋白胨豆餅蠶蛹粉分解 入胞 細胞物質(zhì)誘導酶誘導酶微生物生長繁殖及其控制無機鹽（inorganicsalt）定義：為微生物細胞生長提供碳、氮源以外的多種重要元素（包括大量元素和微量元素）的物質(zhì)，多以無機鹽的形式共給。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生長所需濃度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生長所需濃度在10-6~10-8mol/L）

一般微生物生長所需要的無機鹽有：硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鎂、鐵等金屬元素的化合物。微生物生長繁殖及其控制無機鹽的生理功能無機鹽大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活劑（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子結構成分（Co、Mo等）

維持滲透壓生理調(diào)節(jié)物質(zhì) 酶的激活劑

pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)無氧呼吸時的氫受體(NO3-、SO42-)細胞內(nèi)一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，F(xiàn)e等)微生物生長繁殖及其控制生理酸式鹽和生理堿式鹽(NH4)2SO4 2NH4++SO42-

入胞 pHK+（Na+）+NO3-

入胞 pHKNO3NaNO3NH4NO3 NH4+(先入胞)+NO3-(后入胞)微生物生長繁殖及其控制1.2.4生長因子（growthfactor）：定義:是一類對微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能用簡單的碳源或氮源合成，或合成量不足以滿足機體生長需要的有機營養(yǎng)物質(zhì)。不同微生物需求的生長因子的種類和數(shù)量不同。缺乏合成生長因子能力的微生物稱為“營養(yǎng)缺陷型”微生物。◆嘌呤和嘧啶：用于合成核酸

(DNAandRNA)◆氨基酸：蛋白質(zhì)合成◆維生素：構成酶的輔基或輔酶微生物生長繁殖及其控制根據(jù)微生物對生長因子的需要存在差異，可分為：◆野生型(wildtype)原養(yǎng)型

不需要生長因子而能在基礎培養(yǎng)基上生長的菌株◆營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)

由于自發(fā)或誘發(fā)突變等原因從野生型菌株產(chǎn)生的需要提供特定生長素物質(zhì)才能生長的菌株微生物生長繁殖及其控制1.2.5水水是微生物最基本的組成分（70％—90％）水是微生物體內(nèi)和體外的溶劑（吸收營養(yǎng)成分和代謝廢物）水是細胞質(zhì)組分，直接參與各種代謝活動調(diào)節(jié)細胞溫度和保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定（比熱高，傳熱快）2、微生物的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)生物生長過程中能量的來源光能營養(yǎng)型化能營養(yǎng)型微生物生長繁殖及其控制光能自養(yǎng)型：以光為能源，不依賴任何有機物即可正常生長光能異養(yǎng)型：以光為能源，但生長需要一定的有機營養(yǎng)化能自養(yǎng)型：以無機物的氧化獲得能量，生長不依賴有機營養(yǎng)物化能異養(yǎng)型：以有機物的氧化獲得能量，生長依賴于有機營養(yǎng)物質(zhì)微生物生長繁殖及其控制以C02作為唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以無機物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機硫化物作為供氫體將CO2還原成細胞物質(zhì)，同時產(chǎn)生元素硫光能

CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O

光合色素光能自養(yǎng)型微生物包括藍細菌（含葉綠素）、紅硫細菌和綠硫細菌等少數(shù)微生物（含細菌葉綠素），由于含有光合色素，因而能使先能轉變成化學能（ATP），供機體直接利用。光能自養(yǎng)型微生物2.2光能異養(yǎng)型微生物以CO2為主要碳源或唯一碳源，以有機物（如異丙醇）作為供氫體，利用光能將CO2還原成細胞物質(zhì)，紅螺菌屬中的一些細菌屬于此種營養(yǎng)類型。光能2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素光能異養(yǎng)型細菌在生長時大多數(shù)采要外源的生長因子微生物生長繁殖及其控制2.3化能無機自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長所需要的能量來自無機物氧化過程中放出的化學能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細胞物質(zhì)?；軣o機自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無機及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)環(huán)；這類微生物主要有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌。它們在自然界物質(zhì)轉換過程中起著重要的作用。

微生物生長繁殖及其控制通過氧化無機物取得能量，并以CO2為唯一或主要碳源◆硝化細菌:亞硝化細菌:2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化細菌:NO2-+1/2O2→NO3-+18.1Kcal◆硫化細菌:通過氧化還原態(tài)的無機硫化物（H2S、S、S2O32-

、SO32-）獲得能量（硫桿菌屬，硫微螺菌屬）

H2S+1/2O2→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal◆鐵細菌：氧化Fe2+為Fe3+獲取能量并同化CO22Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal◆氫細菌：具有氫化酶，從氫的氧化獲取能量，同化CO2H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal微生物生長繁殖及其控制多數(shù)微生物屬于化能異養(yǎng)型，其生長所需要能量和碳源通常來自同一種有機物。根據(jù)化能異養(yǎng)型微生物利用有機物的特性，又可以將其分為下列兩種類型：腐生型微生物：利用無生命活性的有機物作為生長的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的細胞內(nèi)，從寄生體內(nèi)獲得生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。存在于寄生與腐生之間的中間過渡類型微生物，稱為兼性腐生型或兼性寄生型。2.4化能異養(yǎng)型微生物微生物生長繁殖及其控制3.微生物培養(yǎng)基定義：應科研或生產(chǎn)的需要，由人工配制的、適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物用的營養(yǎng)基質(zhì)（混合養(yǎng)料）。特點：任何培養(yǎng)基都應具備微生物所需要的五大營養(yǎng)要素，且應比例適當。所以一旦配成必須立即滅菌。用途：促使微生物生長；積累代謝產(chǎn)物；分離微生物菌種；鑒定微生物種類；微生物細胞計數(shù)；菌種保藏；制備微生物制品微生物生長繁殖及其控制培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進行研究和利用工作的基礎任何培養(yǎng)基都應該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進行滅菌處理；◆常規(guī)高壓蒸汽滅菌：

2,121.3℃15-30分鐘；2,112.6℃15-30分鐘某些成分進行分別滅菌；◆過濾除菌；微生物生長繁殖及其控制培養(yǎng)基組分應適合微生物的營養(yǎng)特點

即根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。不同營養(yǎng)類型的微生物，其對營養(yǎng)物的需求差異很大。如自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應該）由簡單的無機物質(zhì)組成。異養(yǎng)做生物的培養(yǎng)基至少需要含有一種有機物質(zhì)，但有機物的種類需適應所培養(yǎng)菌的特點。

按微生物的主要類群來說，它們所需要的培養(yǎng)基成分也不同：

細菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

LB(Luria-Bertani)

放線菌：高氏一號培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基

PDA(Potato-Dextrose-Agar)

酵母菌；麥芽汁當對試驗菌營養(yǎng)需求特點不清楚的時候，可以采用‘生長譜’法進行測定。3.1培養(yǎng)基的配制原則微生物生長繁殖及其控制營養(yǎng)物的濃度與比例應恰當●濃度過高——微生物的生長起抑制作用，濃度過小——不能滿足微生物生長的需要?！裉嫉龋–/N）直接影響微生物生長與繁殖及代謝物的形成與積累，故常作為考察培養(yǎng)基組成時的一個重要指標；

●速效性氮（或碳）源與遲效性氮（或碳）源的比例

●各種金屬離子間的比例

碳源中的碳原子的mol數(shù)氮源中所含的氮原子的mol數(shù)C/N比值=例：谷氨酸生產(chǎn)中

C/N＝4/1時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；C/N＝3/1時，菌體生長受抑制，而谷氨酸大量增加。微生物生長繁殖及其控制3.1.3物理化學條件適宜

（A）pH:各類微生物的最適生長pH值各不相同：細菌：7.0~8.0 放線菌：

酵母菌：3.8~6.0 霉菌：

在微生物的生長和代謝過程中，由于營養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累，培養(yǎng)基的初始pH值會發(fā)生改變，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對恒定，通常采用下列兩種方式：內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液微生物生長繁殖及其控制☆磷酸緩沖液：pH值從6.0~7.6之間K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O☆加入CaCO3：

CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–☆培養(yǎng)基中所含氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì)也可起到緩沖作用。微生物生長繁殖及其控制（B）滲透壓和aw滲透壓 等滲溶液 適宜微生物生長 高滲溶液 細胞發(fā)生質(zhì)壁分離 低滲溶液 細胞吸水膨脹，直至破裂大多數(shù)微生物適合在等滲的環(huán)境下生長，而有的菌如Staphylococcusaureus則能在3mol/LNaCl的高滲溶液中生長。能在高鹽環(huán)境（）生長的微生物常被稱為嗜鹽微生物（Halophiles）。微生物生長繁殖及其控制水活度在天然環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量，一般用在一定的溫度和壓力條件下,溶液的蒸汽壓力與同樣條件下純水蒸汽壓力之比表示，即：αw=Pw/Pow,式中Pw代表溶液蒸汽壓力,POw代表純水蒸汽壓力。純水αw為1.00,溶液中溶質(zhì)越多,αw越小。微生物一般在αw為～的條件下生長,αw過低時,微生物生長的遲緩期延長,比生長速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適αw不同。微生物生長繁殖及其控制水活度微生物生長繁殖及其控制（C）氧化還原電勢(redoxpoyential)各種微生物對培養(yǎng)基的氧化還原電勢的要求：好氧微生物：+0.3~+0.4V,(在以上的環(huán)境中均能生長).厭氧微生物：只能在以下生長兼性厭氧微生物：以上呼吸、以下發(fā)酵培養(yǎng)基是多氧化還原偶的復雜電化學系統(tǒng)，測出的Eh值僅代表其綜合結果。對微生物影響最大的是：分子氧和分子氫的濃度培養(yǎng)基中常用的還原劑：巰基乙酸、抗壞血酸、硫化氫、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等。微生物生長繁殖及其控制氧化還原電位與氧分壓和pH有關,也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響增加通氣量(如振蕩培養(yǎng)、攪拌)提高培養(yǎng)基的氧分壓，或加入氧化劑，從而增加Ф值；在培養(yǎng)基中加入抗壞血酸（0.1%）、硫化氫(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇、庖肉等還原性物質(zhì)可降低Ф值。培養(yǎng)基中加入氧化還原指示劑刃天青可對氧化還原電位進行間接測定微生物生長繁殖及其控制氧化還原電位與氧分壓和pH有關,也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響微生物生長繁殖及其控制3.1.4根據(jù)