第四章微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基課件

Chap4microbialNutrition

andmedium微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基主講教師:李祝單位：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院E-mail:

iamlizhu@163.com

Tel北工業(yè)大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程——環(huán)境微生物1Chap4microbialNutrition

an22營養(yǎng)（或營養(yǎng)作用nutrition)指生物體從外部環(huán)境攝取其生命活動所必需的能量和物質(zhì)，以滿足其生長和繁殖需要的一種生理功能。營養(yǎng)物（或營養(yǎng)nutrient)指具有營養(yǎng)功能的物質(zhì)，常常還包括光能這種非物質(zhì)形式的能源在內(nèi)。3營養(yǎng)（或營養(yǎng)作用nutrition)指生物體從外部環(huán)境攝取其微生物營養(yǎng)的功能：參與微生物細胞的組成提供微生物機體進行各種生理活動所需的能量形成微生物代謝產(chǎn)物的來源

營養(yǎng)物質(zhì)是微生物新陳代謝和一切生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，失去這個基礎(chǔ)，生命也就停止。4微生物營養(yǎng)的功能：4Contents營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方式4微生物的營養(yǎng)類型3微生物細胞的化學(xué)組成31微生物的營養(yǎng)物質(zhì)32培養(yǎng)基55Contents營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方式4微生物的營養(yǎng)類型3微第一節(jié)微生物細胞的化學(xué)組成組成微生物細胞的化學(xué)物質(zhì)主要包括3類：水，最主要的組成成分，是微生物代謝過程中不可缺少的溶劑，細胞干重的70%~90%

；無機離子，參與有機物組成或單獨存在于細胞原生質(zhì)中——灰分；生物分子，包括蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素，降解產(chǎn)物、代謝中間產(chǎn)物等有機化合物，它是生物體和生命現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能基礎(chǔ)。6第一節(jié)微生物細胞的化學(xué)組成組成微生物細胞的化學(xué)物質(zhì)主要包括

微生物細胞的化學(xué)組成元素：--大量元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫CHON是生命體最基本的組成元素S是蛋白質(zhì)的重要組成元素P是組成核酸和ATP不可缺少的元素6種占細胞干質(zhì)量的97%--微量元素：鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等細胞的化學(xué)組成也是配制微生物培養(yǎng)基的主要依據(jù).7微生物細胞的化學(xué)組成細胞的化學(xué)組1.碳源（Carbonsource）2.氮源（Nitrogensource)3.能源（Energysource)4.生長因子（Growthfactor)5.無機鹽(Inorganicsalt)6.水(Water)傳統(tǒng)上根據(jù)功能不同對營養(yǎng)物歸類六種營養(yǎng)要素:第二節(jié)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)81.碳源（Carbonsource）傳統(tǒng)上根據(jù)功能不同對一、碳源CarbonSource

一切能滿足微生物生長繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物，稱為碳源。C元素在細胞干物質(zhì)中約占50%左右.分無機碳源與有機碳源兩大類。凡必須利用有機碳源的微生物叫異養(yǎng)微生物。凡以無機碳源作主要碳源的微生物叫自養(yǎng)微生物。9一、碳源CarbonSource9糖類：葡萄糖，果糖，麥芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纖維二糖，纖維素，半纖維素，甲殼素，木質(zhì)素等有機酸：乳酸，檸檬酸，延胡索酸，低級脂肪酸，高級脂肪酸，氨基酸等醇類：乙醇脂類：脂肪，磷脂烴類：天然氣，石油，石油餾分，石蠟油碳酸鹽：NaHCO3,CaCO3,白堊等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白質(zhì)，肽，核酸，CO2等1.微生物可利用的碳源10糖類：葡萄糖，果糖，麥芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘2.碳源特點1）依碳源分類自養(yǎng)微生物：利用無機碳源，如CO2、碳酸鹽異養(yǎng)微生物：利用有機碳源，如葡萄糖、淀粉等2）最適碳源C-H-O最適碳源糖>醇>有機酸>脂類最適糖類單糖>雙糖>多糖最適單糖已糖>戊糖最適多糖淀粉>纖維素>木質(zhì)素、幾丁質(zhì)應(yīng)用:諾卡菌和霉菌可以以氰化物作為唯一C源和N源細菌最喜好的碳源是？糖尤其是葡萄糖及其多糖112.碳源特點1）依碳源分類應(yīng)用:諾卡菌和霉菌可以以氰化物作二、氮源nitrogenSource

凡能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)源。也可分為有機氮源和無機氮源（硝酸鹽）。主要合成細胞內(nèi)各種氨基酸和堿基進而合成蛋白質(zhì)和核酸等細胞成分.

氮源的作用是提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料。按對N源要求的不同，將微生物分為四類：固氮型、利用無機N為N源、需要某些氨基酸為N源、從分解蛋白質(zhì)中取得銨鹽或氨基酸的微生物。12二、氮源nitrogenSource12N源特點:1氮源主要不提供能量(除硝化細菌等少數(shù)外)2最適氮源NHCO>NH>NO>N23速效氮源：以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物存在的氮源遲效氮源：以蛋白質(zhì)形式存在的氮源培養(yǎng)微生物常用的有機N源有牛肉膏蛋白胨酵母膏等等13N源特點:1氮源主要不提供能量(除硝化細菌等少數(shù)外)培養(yǎng)微提問：哪些物質(zhì)可作為細菌的氮源？有機氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）、無機氮（N2、NH3、銨鹽、硝酸鹽）等。實驗室中有機氮源——蛋白胨工業(yè)投加的細菌氮源？——尿素、糞便14提問：哪些物質(zhì)可作為細菌的氮源？工業(yè)投加的細菌氮源？——尿素能源，就是能為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射能。異養(yǎng)微生物的能源就是其碳源單功能營養(yǎng)物：如輻射能雙功能營養(yǎng)物：NH4+是硝酸細菌的能源和氮源三功能營養(yǎng)物：如”N.C.H.O”是異養(yǎng)微生物的能源、碳源及氮源。有機物：化能異養(yǎng)微生物的能源（同碳源）無機物：化能自養(yǎng)做生物的能源（不同于碳源）輻射能：光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物部能源化學(xué)物質(zhì)能源譜三、能源energySource15能源，就是能為微生物的生命活動提供最初能量來源的營養(yǎng)物或輻射四生長因子(growthfactor)微生物在生長過程中不能自已合成的生長繁殖必需的需要量較少的外界加入的有機物是生長因子譜：維生素氨基酸嘌呤(或嘧啶)提供方式：原料：酵母膏、玉米漿、肝浸出液、麥芽汁、新鮮動植物組織16四生長因子(growthfactor)微生物在生長過程種類：嘌呤、嘧啶類、維生素類作用：？嘌呤和嘧啶參與合成核酸和輔酶；維生素，重要輔酶多數(shù)細菌不存在生長因子問題。只有少數(shù)細菌需要外界提供現(xiàn)成的生長因子，才能生長，如乳酸菌需要多種維生素，因此只能生活在這些物質(zhì)供應(yīng)充足的環(huán)境，如牛奶中、腸道?！匦瑁荒茏陨砗铣傻挠袡C物17種類：嘌呤、嘧啶類、維生素類——必需，但不能自身合成的有機物五無機鹽(inorganicions)大量元素：生長所需濃度為10-3~10-4mol/L的元素微量元素：生長所需濃度為10-6~10-8mol/L的元素18五無機鹽(inorganicions)大量元素：生長所1919六、水是微生物細胞的重要組成部分，占活細胞總量的90%左右,使原生質(zhì)保持溶膠狀態(tài)，保證代謝正常進行;是物質(zhì)代謝的原料;起到物質(zhì)溶劑和運輸介質(zhì)的作用;有效控制細胞內(nèi)的溫度變化.結(jié)合水(構(gòu)成原生質(zhì)的組成部分)和游離水(可以被利用的)20六、水20七、碳氮磷比－“營養(yǎng)平衡”根瘤菌要求碳氮比為11.5：1土壤中微生物混合群體要求碳氮比為25：1污(廢)水生物處理中好氧微生物群體(活性污泥)要求為BOD5：N：P＝100：5：1厭氧生物處理中的厭氧微生物群體要求BOD5：N：P＝350～500：5：1

為了保證污(廢)水(有機固體廢物）生物處理要按碳氮磷比配給營養(yǎng)。21七、碳氮磷比－“營養(yǎng)平衡”根瘤菌要求碳氮比為11.5：1厭氧城市生活污水不存在營養(yǎng)不足的問題。但有的工業(yè)廢水缺某種營養(yǎng)，當(dāng)營養(yǎng)量不足時，應(yīng)供給或補足。如酒精廢水缺？

；洗滌劑廢水？N、P缺NP過剩如何知道所處理的廢水中營養(yǎng)物供應(yīng)是否比例平衡呢？先測、對比、試驗驗證煉油廢水？N、P22城市生活污水不存在營養(yǎng)不足的問題。但有的工業(yè)廢水缺某種營養(yǎng)，但如果工業(yè)廢水不缺營養(yǎng)，就切勿盲目補充！為什么？過猶不及——“嬌慣”細菌往往先利用這類現(xiàn)成的容易被吸收、利用的有機物質(zhì)，而不再利用工業(yè)廢水中難以吸收、利用的有機物，從而導(dǎo)致細菌分解特殊有機物的能力下降這與細菌馴化正好相反（反馴化）。Attention！23但如果工業(yè)廢水不缺營養(yǎng)，就切勿盲目補充！Attention！2424營養(yǎng)類型是按能源和氫供體來劃分，也可以按能源和基本碳源來分：以下四大類型微生物中的劃分不是絕對的，它們在不同條件下生長時，往往可以互相轉(zhuǎn)變。第三節(jié)微生物的營養(yǎng)類型25營養(yǎng)類型是按能源和氫供體來劃分，也可以按能源和基本碳源來分：①無機營養(yǎng)細菌（自養(yǎng)菌）無機（自養(yǎng)）—CO2、CO和CO32-提問：能否也利用有機物呢？絕大多數(shù)能，“能吃苦也能享?！保瑑?yōu)先利用；又根據(jù)能源不同又分為光能自養(yǎng)型細菌和化能自養(yǎng)型細菌。26①無機營養(yǎng)細菌（自養(yǎng)菌）無機（自養(yǎng)）—CO2、CO和CO3（1）光能自養(yǎng)細菌（無氧有光）只有紫硫細菌和綠硫細菌27（1）光能自養(yǎng)細菌（無氧有光）只有紫硫細菌和綠硫細菌27紫硫、綠硫細菌代謝方式

光照CO2+H2S

→[CH2O]（糖）+H2O+2S↓

菌綠素（與葉綠素大同小異）提問：在自然界的作用是什么呢？早期無氧地球，清除H2S毒物（H2S類似植物光合作用中的H2O）較潔凈的光照池塘無氧臭（H2S)區(qū)28紫硫、綠硫細菌代謝方式提問：在自然界的作用是什么呢紫硫細菌湖中4m硫化物*這個深度紫硫細菌多?29紫硫細菌湖中4m硫化物*這個深度紫硫細菌多?29（2）化能自養(yǎng)細菌（有氧）提問：什么是化能自養(yǎng)菌？自養(yǎng)——碳源CO3－化能——以？物質(zhì)氧化產(chǎn)能S、H2S、H2、NH3、Fe種類：硫細菌(硫化細菌和硫磺細菌)、（亞）硝化細菌及鐵細菌、氫細菌。30（2）化能自養(yǎng)細菌（有氧）提問：什么是化能自養(yǎng)菌？種類：硫例如，亞硝化細菌進行有機物合成反應(yīng)如下2NH3

+2O2

HNO2

+4H+619千焦耳ATPCO2+4H[CH2O]+H2O提問：化能自養(yǎng)細菌能用于污水處理嗎？為什么？能，脫氨、脫硫；條件容易31例如，亞硝化細菌進行有機物合成反應(yīng)如下提問：化能自養(yǎng)細菌能用②有機營養(yǎng)細菌（異養(yǎng)菌）有機（異養(yǎng)）——以有機物為碳源異養(yǎng)菌是有機污水處理的主角根據(jù)能源的不同32②有機營養(yǎng)細菌（異養(yǎng)菌）有機（異養(yǎng)）——以有機物為碳源根（1）光能異養(yǎng)與化能異養(yǎng)以有機物作為碳源和能源的的細菌。絕大多數(shù)的細菌都屬于化能異養(yǎng)菌。.Ⅰ化能異養(yǎng)菌33以有機物作為碳源和能源的的細菌。.Ⅰ化能異養(yǎng)菌33不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機廢水（食品行業(yè)）的高效處理(*紅螺菌用于污水處理現(xiàn)狀如何?)Ⅱ.光能異養(yǎng)細菌（無氧有光）

光能+色素

有機物+CO2→菌體[CH2O]小分子有機物碳源主要指紅螺菌（有氧無光時可化能異養(yǎng)生存）

提問：在污水處理中的優(yōu)勢是什么？問題：與水分離困難，光照問題——嗜鹽紅螺菌大量滋生時的紅鹽田34不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機廢水（食品行業(yè)）的高效處理(提問：人工投加光合細菌（PSB,紅螺菌）有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖，原因？迅速轉(zhuǎn)化毒物（水族排泄物被細菌分解后的氨、有機酸）為高蛋白的菌體，作為魚的飼料，且不消耗氧

；優(yōu)勢生長時能抑制水族病原菌的生長35提問：人工投加光合細菌（PSB,紅螺菌）有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖，原因異養(yǎng)菌中有腐生菌與寄生菌之分腐生——分解腐爛的有機物生活寄生——寄居在其他生物體內(nèi)生活提問：致病細菌是屬于什么類型？兼有，屬于兼性寄生菌

肺結(jié)核桿菌痢疾志賀氏菌

以腐生為主兼營寄生的兼性寄生細菌，因而可以通過水源、食物傳播，是水處理中需要監(jiān)控和殺滅的對象。36異養(yǎng)菌中有腐生菌與寄生菌之分肺結(jié)核桿菌營養(yǎng)類型是按能源和氫供體來劃分，也可以按能源和基本碳源來分：以下四大類型微生物中的劃分不是絕對的，它們在不同條件下生長時，往往可以互相轉(zhuǎn)變。37營養(yǎng)類型是按能源和氫供體來劃分，也可以按能源和基本碳源來分：——細胞膜的選擇吸收分四種情況第四節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方式38——細胞膜的選擇吸收分四種情況第四節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞的方水、無機鹽、氣體、甘油等小分子1．被動擴散?推動力?推動力—濃度梯度無載體蛋白不內(nèi)部能量消耗YorN?乞討39水、無機鹽、氣體、甘油等小分子1．被動擴散?推動力?推動力—

2．促進擴散促進——載體蛋白協(xié)助

載體蛋白

細胞外||細胞膜

||細胞內(nèi)糖、氨基酸、金屬離子等?推動力—濃度梯度有載體蛋白不

內(nèi)部能量消耗YorN?推動力?白領(lǐng)40

3．主動運輸運輸——載體蛋白主動——逆濃度梯度方向糖、氨基酸、有機酸

Na+、K+、硫酸根、磷酸根等?推動力—ATP放能有載體蛋白消耗內(nèi)部能量消耗YorN?推動力?藍領(lǐng)413．主動運輸運輸——載體蛋白糖、氨基酸、有機酸?推動細胞膜細胞外細胞內(nèi)酶1磷酸烯醇式丙酮酸酶2熱穩(wěn)定蛋白丙酮酸葡萄糖高能磷酸促進擴散

高能磷酸基團轉(zhuǎn)移磷酸化—自由能升高，能量級別、位置的升高。轉(zhuǎn)位磷酸葡萄糖4.基團轉(zhuǎn)位基團——被轉(zhuǎn)運的營養(yǎng)物轉(zhuǎn)位——？商業(yè)包裝42細胞膜細胞外細胞內(nèi)酶1磷酸烯醇式丙酮酸酶2熱穩(wěn)定蛋白丙酮酸葡提問：磷酸化的益處？（一）活化參與代謝;（二）防止?fàn)I養(yǎng)物從細胞內(nèi)流失；（三）保持營養(yǎng)物在細胞內(nèi)的低濃度(不用主動運輸耗能)糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N—乙酰葡萄糖胺)、嘌呤、嘧啶、脂肪酸—磷酸烯醇式丙酮酸放能有載體蛋白消耗能量內(nèi)部能量消耗YorN?推動力?＊為什么細菌吸收某些營養(yǎng)物（如糖）要采取不同方式呢？與哪些因素有關(guān)？43提問：磷酸化的益處？糖(葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物N—培養(yǎng)基（mediumorCulturemedium)是一種人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的混合養(yǎng)料。任何培養(yǎng)基都應(yīng)具備微生物所需要的六大營養(yǎng)要素，且其間的比例是合適的。第五節(jié)培養(yǎng)基44培養(yǎng)基（mediumorCulture1.認(rèn)識化能自養(yǎng)菌氧化硫桿菌的培養(yǎng)基粉末狀硫10gKH2PO44gMgSO40.5gCaCl20.5g(NH4)2SO40.4gFeSO40.01g水1000mL（自來水即可）提問：其中各組分作用是什么？空氣中的CO2能源磷源、緩沖物碳源是什么？氮源鹽也可補加一部分碳酸鈉。451.認(rèn)識化能自養(yǎng)菌氧化硫桿菌的培養(yǎng)基提問：其中各組分作異養(yǎng)細菌的培養(yǎng)基中至少有一種有機物，實驗室中通常是葡萄糖如一種大腸桿菌培養(yǎng)基葡萄糖0.5gK2HPO41gMgSO40.2gNaCl5gNH4H2PO40.4g水1000mL46異養(yǎng)細菌的培養(yǎng)基中至少有一種有機物，實驗室中通常是葡萄糖42.配制

通常？加水472.配制通常？加水473．分類根據(jù)哪些特性可以給培養(yǎng)基分類？物理狀態(tài)、用途、組分組成(一)根據(jù)物理狀態(tài)

固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基1）液體培養(yǎng)基（“湯”）——廢水也可看作是一種廣義的液體培養(yǎng)基483．分類根據(jù)哪些特性可以給培養(yǎng)基分類？482）固體培養(yǎng)基（“團”）人工做法——(與果凍方法一樣)向液體培養(yǎng)基中加入2％左右的瓊脂，加熱至100℃溶解，40℃下冷卻并凝固。石花菜(紅藻）→瓊脂瓊脂主要成份—半乳聚糖，分子量大，呈網(wǎng)狀粘著力強，溶解分散（溫度為96℃以上）條狀瓊脂粉末瓊脂492）固體培養(yǎng)基（“團”）人工做法——(與果凍方法一樣)石花菜瓊脂特性A.不能被絕大多數(shù)微生物利用、分解液化；提問：有什么好處？不作為額外碳源，干擾試驗，保持固體特性B.高壓滅菌結(jié)構(gòu)不被破壞，且顏色透明不妨礙觀察；C.多數(shù)微生物在瓊脂培養(yǎng)基表面生長并形成獨立菌落；提問：有何好處？易于純化分離無營養(yǎng)、無分解能力，融點96℃，凝點40℃50瓊脂特性A.不能被絕大多數(shù)微生物利用、分解液化；C.多數(shù)微生3）半固體培養(yǎng)基（“膏”）半——流動性介于固體與液體之間提問：如何制作？在液體培養(yǎng)基中加入0.5%或更低濃度的瓊脂作用：？半固體培養(yǎng)基中可以融入少量的溶解氧，因此這種培養(yǎng)基常被用于培養(yǎng)在較低氧濃度環(huán)境下才能最佳生長的細菌。天然的固體培養(yǎng)基——土豆塊、培養(yǎng)真菌的麩皮、大米、大麥等。513）半固體培養(yǎng)基（“膏”）半——流動性介于固體與液體之間天然（二）根據(jù)培養(yǎng)基組分天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基。1）合成合成——純化學(xué)試劑2）天然天然——？純生物制品(細胞提取物)如，常用的細菌肉湯培養(yǎng)基牛肉膏3g蛋白胨5g水1000mLpH7.2~7.4牛肉膏——瘦牛肉經(jīng)過加熱濃縮抽提的膏狀物（主要作碳源）優(yōu)點——穩(wěn)定、選擇性缺點——很多細菌營養(yǎng)需求較為復(fù)雜，配方獲取較難52（二）根據(jù)培養(yǎng)基組分2）天然優(yōu)點——穩(wěn)定、選擇性52類似物如酵母膏、麥芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉優(yōu)點——營養(yǎng)豐富、配制容易缺點？質(zhì)量不穩(wěn)定、選擇性差；3）半合成半——不純優(yōu)缺點介于前兩者之間，因而使用最廣。蛋白胨——動植物蛋白（大豆或動物骨粉等）經(jīng)初步酶解形成的短肽（主要作氮源）酵母膏53類似物如酵母膏、麥芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉優(yōu)點——營養(yǎng)(三)根據(jù)培養(yǎng)基用途普通型、選擇型、鑒別型普通——普適？肉湯培養(yǎng)基牛肉膏3g蛋白胨5g水1000mLpH7.2~7.41）選擇性培養(yǎng)基選擇性——？待選的細菌能優(yōu)勢生長有兩種制備思路：比誰長得快比誰死得慢54(三)根據(jù)培養(yǎng)基用途普通型、選擇型、鑒別型