微生物的生長與代謝-1課件

環(huán)境微生物學第一節(jié)微生物的營養(yǎng)與營養(yǎng)類型（3個學時）第二節(jié)微生物的代謝（部分自學）第三節(jié)境微生物的生長繁殖（3個學時）第四節(jié)環(huán)境因素對微生物生長的影響(3個學時)第3章微生物的生長與代謝第一節(jié)微生物的營養(yǎng)與營養(yǎng)類型一、微生物的化學組成與營養(yǎng)物質(zhì)從微生物細胞的組成來看，都是含有碳、氫、氮和各種礦質(zhì)元素，由這些元素組成細胞中有機和無機成分，其中主要是水分、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸和無機鹽。微生物細胞中水分含量最多，干物質(zhì)中碳、氮、氫、氧四種元素約占90％－97％，還有礦質(zhì)元素磷、鐵、銅、錳等。

微生物細胞化學組成成分析表明，與其他高等動植物細胞一樣，細胞也是大量元素碳、氫、氧、氮、磷、硫（這六種元素占細菌細胞干重的97％）和微量元素鐵、錳、鋅等構(gòu)成。

微生物細胞的化學組成

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2~303.8~76~121、碳源凡是構(gòu)成微生物細胞和代謝產(chǎn)物中碳架來源的營養(yǎng)物稱為碳源。碳源既是微生物的組成成分，又是微生物的能量來源。微生物可以利用的碳源范圍極廣，分為有機碳源和無機碳源兩大類，糖類是最廣泛利用的碳源。碳源物質(zhì)在細胞內(nèi)經(jīng)過一系列復雜的化學變化后成為微生物自身的細胞物質(zhì)(如碳水化合物、脂、蛋白質(zhì)等)和代謝產(chǎn)物，碳可占一般細菌細胞干重的一半。2、氮源：凡是能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)源，稱為氮源。氮是組成微生物蛋白質(zhì)、酶和核酸的成分。能利用的氮源種類十分廣泛?？諝庵蟹肿討B(tài)的氮、無機和有機氮。從微生物所能利用的氮源種類來看，存在著一個明顯的界限：一部分微生物是不需要利用氨基酸作氮源的，它們能把尿素、銨鹽甚至氮氣等簡單氮源自行合成所需要的一切氨基酸，稱為氨基酸自養(yǎng)型生物。凡需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作氮源的微生物就是氨基酸異養(yǎng)型生物。3、無機鹽主要元素(10-3～10-4mol/L)包括磷、硫、鉀、鎂、鈣、鈉等。微量元素(10-6～10-8mol/L)包括鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢等。培養(yǎng)基時，首選加入磷酸氫二鉀和硫酸鎂，基本時可以同時提供4種需要量最大的元素。4、生長因子生長因子通常指那些微生物生長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滿足機體生長需要的有機化合物。根據(jù)生長因子的化學結(jié)構(gòu)和它們在機體中的生理功能的不同,可將生長因子分為維生素(vitamin)、氨基酸與嘌呤及嘧啶三大類。生長因子可以從酵母膏、玉米漿、麥芽汁、血液或血清中獲得。水是一種最優(yōu)良的溶劑，可保證幾乎一切生物化學反應的進行；水可維持各種生物大分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并參與某些重要的生物化學反應；水還有許多優(yōu)良的物理性質(zhì)，諸如高比熱、高汽化熱、高沸點以及固態(tài)時密度小于液態(tài)等，都是保證生命活動十分重要的特性。（三）培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是人工配制的適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物營養(yǎng)基質(zhì)。

2.天然培養(yǎng)基:

化學成分不完全了解或化學成分不恒定的天然有機物配制的培養(yǎng)基。如動植物汁液,土壤浸出液,等配制成培養(yǎng)基。配制方便，經(jīng)濟。如：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基－－細菌麥芽汁培養(yǎng)基－－酵母菌牛肉膏瘦牛肉組織浸出汁濃縮而成的膏狀物質(zhì)，富含水溶性碳水化合物，有機氮化合物，維生素，鹽等。蛋白胨將肉，酪素或明膠用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末狀物質(zhì)，富含有機氮化合物，也含有一些維生素和碳水化合物。酵母膏酵母細胞的水溶性提取物濃縮而成的膏狀物質(zhì)，富含類維生素，也含有有機氮化合物和碳水化合物。

3.半合成培養(yǎng)基:由成分已知的物質(zhì)和成分未知的天然物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基,如PDA培養(yǎng)基。如：馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基－－真菌常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠(gelatin)和硅膠(silicagel)。化學成分營養(yǎng)價值分解性融化溫度凝固溫度常用濃度透明度黏著力耐加壓滅菌瓊脂聚半乳糖的硫酸酯無罕見約96℃約40℃1.5%～2%高強強明膠蛋白質(zhì)作氮源極易約25℃約20℃5%～12%高強弱

瓊脂與明膠若干特性的比較粘液型菌落菌膜菌沉淀均勻渾濁對照固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基最常見的鑒別性培養(yǎng)基是伊紅美藍乳糖培養(yǎng)基，即EMB培養(yǎng)基。它在飲用水、牛奶的大腸菌群數(shù)等細菌學檢查和大腸桿菌的遺傳學研究工作中有著重要的用途。用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基，在培養(yǎng)基中加入某種特殊化學物質(zhì)，某種微生物在培養(yǎng)基中生長后能產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物，而這種代謝產(chǎn)物可以與培養(yǎng)基中的特殊化學物質(zhì)發(fā)生特定的化學反應，產(chǎn)生明顯的特征性變化，根據(jù)這種特征性變化，可將該種微生物與其他微生物區(qū)分開來。二、培養(yǎng)基的配制原則（一）培養(yǎng)基組分滿足微生物的需要（目的明確）（二）營養(yǎng)物的濃度與比例應恰當（營養(yǎng)協(xié)調(diào)）（三）物理化學條件適宜（條件適宜）（四）根據(jù)培養(yǎng)目的選擇原料及其來源（經(jīng)濟節(jié)約）（一）培養(yǎng)基組分滿足微生物的需要即根據(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)基放線菌：高氏一號培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基酵母菌：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。（二）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。碳氮比（C/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。C/N比值=碳源中的碳原子的mol數(shù)氮源中所含的氮原子的mol數(shù)應注意各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比；培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度比直接影響微生物的生長與繁殖和（或）代謝產(chǎn)物的形成與積累，尤其是碳氮比（C／N）的影響更為明顯。例：在谷氨酸生產(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。還應注意：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（影響營養(yǎng)物質(zhì)的滲透和其他代謝活動）。培養(yǎng)基中各種元素的比例需要平衡。（三）物理化學條件適宜1、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：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.8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。

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。2、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

3、氧化還原電勢各種微生物對培養(yǎng)基的氧化還原電勢的要求：好氧微生物：+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的環(huán)境中均能生長)；厭氧微生物：只能在+0.1V以下生長；兼性厭氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V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(jié)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。（四）根據(jù)培養(yǎng)基的應用目的選擇原料及其來源該培養(yǎng)基的應用目的，即：是培養(yǎng)菌體還是積累代謝產(chǎn)物？是實驗室種子培養(yǎng)還是大規(guī)模發(fā)酵？代謝產(chǎn)物是初級代謝產(chǎn)物還是次級代謝產(chǎn)物？

用于培養(yǎng)菌體種子的培養(yǎng)基營養(yǎng)應豐富，氮源含量宜高（碳氮比低）；用于大量生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)基其氮源一般應比種子培養(yǎng)基稍低，（但若發(fā)酵產(chǎn)物是含氮化合物時，有時還應提高培養(yǎng)基的氮源含量）；若代謝產(chǎn)物是次級代謝產(chǎn)物時要考慮是否加入特殊元素或特定的代謝產(chǎn)物；當所設(shè)計的是大規(guī)模發(fā)酵用的培養(yǎng)基時，應重視培養(yǎng)基中各成份的來源和價格，應選擇來源廣泛、價格低廉的原料，提倡以粗代精，以廢代好。三、設(shè)計培養(yǎng)基的方法1.生態(tài)模擬：調(diào)查所培養(yǎng)菌的生態(tài)條件，查看“嗜好”，對“癥”下料———初級天然培養(yǎng)基。2.查閱文獻：查閱、分析文獻，調(diào)查前人的工作資料，借鑒人家的經(jīng)驗，以便從中得到啟發(fā)設(shè)計有自己特色的培養(yǎng)基配方。3.精心設(shè)計：借助優(yōu)選法或正交試驗設(shè)計法等方法。4、實驗比較：不同培養(yǎng)基配方的選擇比較單種成分來源和數(shù)量的比較幾種成分濃度比例調(diào)配的比較小型試驗放大到大型生產(chǎn)條件的比較pH和溫度試驗配置培養(yǎng)基時應注意的幾個問題及解決方法：1、沉淀2、膠體強度的破壞3、褐色物質(zhì)的形成4、pH發(fā)生變化培養(yǎng)基的滅菌

高壓蒸氣滅菌一般培養(yǎng)基:1.05Kg/cm2,121.3℃,15-30min含糖培養(yǎng)基:0.56Kg/cm2,112.6℃,15-30min過濾滅菌,分別滅菌,間歇滅菌的應用器皿的滅菌：干熱空氣：160℃，2小時無菌室的消毒：紫外光；化學藥物熏蒸（苯酚；高錳酸鉀+甲醛）二、微生物的營養(yǎng)類型

根據(jù)微生物對碳源的要求不同，可將其分為自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌兩大營養(yǎng)類型。凡能利用無機碳合成菌體內(nèi)有機碳化物的，叫自養(yǎng)菌；不能利用無機碳而需要有機碳才能合成菌體內(nèi)有機碳化物的，為異養(yǎng)菌。根據(jù)其生命活動所需能量的來源不同，可分為光能營養(yǎng)菌和化能營養(yǎng)菌。前者是從光線中獲得能量，后者則從化學物質(zhì)氧化中取得能量。因此，根據(jù)微生物所需的碳源和能源不同，可將微生物分為光能自養(yǎng)菌、光能異養(yǎng)菌、化能自養(yǎng)菌、化能異養(yǎng)菌等四類。根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同可分為:光能自養(yǎng)型:以光為能源，以CO2為唯一或主要碳源,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)光能自養(yǎng)型和光能異養(yǎng)型微生物可利用光能生長，在地球早期生態(tài)環(huán)境的演化過程中起重要作用微生物的營養(yǎng)類型

營養(yǎng)類型主要（或唯一）碳源

能源代表菌

光能自養(yǎng)型二氧化碳光能藍細菌光能異養(yǎng)型有機物光能紅螺細菌化能自養(yǎng)型二氧化碳無機物硫桿菌化能異養(yǎng)型有機物有機物大腸桿菌

1、光能自養(yǎng)型微生物

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，因而能使光能轉(zhuǎn)變成化學能（ATP），供機體直接利用。

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

光能異養(yǎng)型微生物

利用光能，以簡單有機物（醇、有機酸）為供氫體同化CO2

CH3│光能CO2+2CH2-CHOH----→[CH2O]+2CH3COCH3+H2O

菌綠素例：紅螺菌屬（Rhodospirillum）3、化能自養(yǎng)型微生物

以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源，以無機物氧化釋放的化學能為能源,，利用電子供體如氫氣、硫化氫、二價鐵離子或亞硝酸鹽等使CO2還原成細胞物質(zhì)。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(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。

化能無機營養(yǎng)型

通過氧化無機物取得能量，并以CO2為唯一或主要碳源（1）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（2）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+O2→S+H2O+50.1KcalS+1O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal（3）鐵細菌：氧化Fe2+為Fe3+獲取能量并同化CO22Fe2++O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal（4）氫細菌：具有氫化酶，從氫的氧化獲取能量，同化CO2H2+O2→H2O+56.7Kcal

4、化能異養(yǎng)型微生物多數(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。關(guān)于營養(yǎng)類型的定義：自養(yǎng)微生物：不依賴任何有機營養(yǎng)物即可正常生活的微生物異養(yǎng)微生物：至少需要提供一種大量有機物才能滿足其正常營養(yǎng)要求的微生物（即其碳源必須是有機物，供氫體是有機物，能源可以是氧化有機物活利用日光能）三、營養(yǎng)物質(zhì)的攝取

外界環(huán)境的營養(yǎng)物質(zhì)只有被微生物吸收到細胞內(nèi)，才能被微生物分解與利用，微生物生長過程中產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物也必須分泌到細胞外，在這兩個過程中，細胞膜起著重要作用。目前一般認為，營養(yǎng)物質(zhì)主要以單純擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉(zhuǎn)位四種方式通過微生物細胞膜。

被輸送的物質(zhì)，靠細胞內(nèi)外濃度為動力，以透析或擴散的形式從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散。特點：①擴散是非特異性的營養(yǎng)物質(zhì)吸收方式：如營養(yǎng)物質(zhì)通過細胞膜中的含水小孔，由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴散；（1）單純擴散②在擴散過程中營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化：即既不與膜上的分子發(fā)生反應，本身的分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化；③物質(zhì)運輸?shù)乃俾瘦^慢：速率與胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的濃度差有關(guān)，即隨細胞膜內(nèi)外該物質(zhì)濃度差的降低而減小，直到胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相同；④不需要載體參與；擴散是一個不需要代謝能的運輸方式：因此，物質(zhì)不能進行逆濃度運輸。⑤可運送的養(yǎng)料有限：限于水、溶于水的氣體，及分子量小，脂溶性、極性小的營養(yǎng)物質(zhì)。

細胞膜外

細胞膜細胞膜內(nèi)

單純擴散模式圖（2）促進擴散指溶質(zhì)在運送過程中，必須借助存在于細胞膜上的底物特異載體蛋白的協(xié)助，但不消耗能量的一類擴散性運送方式。促進擴散與被動擴散的主要區(qū)別在于通過促進擴散進行跨膜運輸?shù)奈镔|(zhì)需要借助與載體(carrier)的作用才能進入細胞.而且每種載體只運輸相應的物質(zhì),具有較高的專一性。促進擴散模式圖細胞膜細胞膜外細胞膜內(nèi)恢復原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變（3）主動運輸指一類須提供能量并通過細胞膜上特異性載體蛋白構(gòu)象的變化，而使膜外環(huán)境中低濃度的溶質(zhì)運入膜內(nèi)的一種運送方式。ATP

ADP

+Pi

恢復原構(gòu)像再循環(huán)耗能構(gòu)像改變膜上膜外膜內(nèi)移位結(jié)合12主動運輸特點：被運送的物質(zhì)可逆濃度梯度進入細胞內(nèi)要消耗能量，必需有能量參加。有膜載體參加，膜載體發(fā)生構(gòu)型變化。被運送物質(zhì)不發(fā)生任何變化。

細胞膜外細胞膜細胞膜內(nèi)

主動運輸模式圖ADP+PiATP恢復原構(gòu)象再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變移位

Na+-K+-ATP酶系統(tǒng)Na+-K+-ATPase是存在于原生質(zhì)膜上的一種重要離子通道蛋白功能:利用ATP能量將Na+由細胞內(nèi)“泵”出胞外,并將K+“泵”入胞內(nèi)。該酶由大小兩個亞基組成（MW:12萬,5.5萬）（4）基團轉(zhuǎn)移指一類既需特異性載體蛋白的參與，又需耗能的一種物質(zhì)運送方式，其特點使溶質(zhì)在運送前后還會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化，因此不同于一般的主動運送。運送對象舉例：葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。運送機制主要靠磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)?；蜣D(zhuǎn)位是一種特殊的主動運輸，與普通的主動運輸相比，營養(yǎng)物質(zhì)在運輸?shù)倪^程中發(fā)生了化學變化（糖在運輸?shù)倪^程中發(fā)生了磷酸化）。其余特點與主動運輸相同?；蜣D(zhuǎn)位主要存在于厭