第四章微生物的营养和培养基
( Microbial Nutrition and Metabolism)
营养 (nutrition)
– 指生物体从外部环境中摄取对其生命活动所必需的能量和物质,以满足其正常生长和繁殖等生理功能的过程。
营养物 (nutrient)
– 保证生物体生长、繁殖等生理功能所需要的具体物质。
第一节 微生物的六种营养要素
一、碳源( carbon source)
二、氮源 (nitrogen source)
三、能源 (energy source)
四、生长因子 (growth factor)
五、无机元素 (mineral salts)
六、水分 (moisture)
一、碳源 (carbon source)
自养微生物,以无机碳源作主要碳源的微生物异养微生物,利用有机碳源的微生物微生物利用,糖类>有机酸类>醇类>脂类二、氮源 (nitrogen source)
氨基酸自养型生物,不需要利用氨基酸作为氮源氨基酸异养型生物,需要现成的氨基酸作氮源最常用的有机氮源,N·C·H·O·X类型
化学物质 (化学能 ):
有机物 — 化能异养微生物(同碳源)
无机物 — 化能自养微生物
辐射能 (光能 ):
光能自养微生物
光能异养微生物三、能源 (energy source)
单功能营养物光辐射能(能源)
双功能营养物还原态的无机物 NH4+ (能源、氮源)
三功能营养物氨基酸类(碳源、氮源和能源)
四、生长因子
狭义,维生素
广义:维生素、氨基酸、碱基、甾醇等
按照微生物对生长因子需要与否分为:
– 生长因子自养型微生物
多数真菌、放线菌和部分细菌(如 E.coli)
– 生长因子异养型微生物
各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物
– 生长因子过量合成微生物
阿舒假囊酵母生产 VB2;
谢氏丙酸杆菌等生产 VB12;
某些微生物生长所需的生长因子五、无机盐无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能六、水
水的功能
– 是微生物细胞的重要组成部分,使原生质保持溶胶状态,
保证代谢正常进行;
– 是物质代谢的原料;
– 起到物质溶剂和运输介质的作用;
– 有效控制细胞内的温度变化 ;
微 生 物 aw
一般细菌 0.91
酵母菌 0.88
霉菌 0.80
嗜盐细菌 0.76
嗜盐真菌 0.65
嗜高渗酵母菌 0.60
几种微生物生长的最适 aw值第二节 微生物的营养类型
微生物营养类型的分类
– 以能源分:光能和化能营养型
– 以氢供体分:无机和有机营养型
– 以碳源分:自养型和异养型
– 以合成氨基酸的能力分:氨基酸自养型和氨基酸异养型
– 以生长因子分:野生型和营养缺陷型
– 以取食方式分:渗透营养型和吞噬营养型
– 以取得死活有机物分:腐生和寄生微生物的营养类型碳源 — 有机物能源 — 有机物氢供体 — 有机物举例:自然界中绝大部分的微生物化能有机异养型微生物化能无机自养型微生物
碳源 — CO2
能源 — 还原态无机物
氢供体 — 无机物
2NH3 + 2O2 → 2HNO 2 + 4H+ + 能量
CO2 + 4H+ +能量 → (CH2O) + H2O
举例:氢细菌、硫细菌、硝化细菌光能有机异养型微生物
碳源 — CO2及简单有机物
能源 — 光能
氢供体 — 有机物
CH3
CO2 + 2CH3CHOH → (CH 2O) +2CH3COCH3 + H2O
举例:红螺菌属( Rhodospirillum)
光能无机自养型微生物
碳源 — CO2
能源 — 光能
氢供体 — H2O和 H2S,Na2SO3等无机硫化物
CO2 + H2O → [CH 2O] + O2
2CO2 + H2S + 2H2O → 2[CH 2O] +H2SO4
CO2 + 2H2S → [CH 2O] + H2O + 2S
举例:蓝细菌、藻类、紫硫细菌、绿硫细菌第三节 营养物质进入细胞的方式单纯扩散 (simple diffusion)
促进扩散 (facilitated diffusion)
主动运输 (active transport)
基团移位 (group translocation)
四种运送营养物质方式的比较比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位特异性载体蛋白 无 有 有 有运送速度 慢 快 快 快溶质运送方向 由浓至稀 由浓至稀 由稀至浓 由稀至浓运送分子的特异性 无 有 有 有平衡时内外浓度 内外相等 内外相等 内部高 内部高能量消耗 不需要 不需要 需要 需要运送前后溶质分子 不变 不变 不变 改变举例 水、甘油 糖,so
4
2 -
氨基酸 葡萄糖促进扩散主动运输基团移位酶 Ⅱ c酶 Ⅱ b酶 Ⅱ aHPr酶 I
运送某一具体糖至少有 4种蛋白参与,消耗一个 ATP,两步进行,
1)热稳载体蛋白的激活;
2)糖分子被磷酸激活 → 磷酸糖 → 细胞质中是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料;
任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素,且比例要合适;
培养基一旦配成,必须立即进行灭菌,否则很快引起杂菌丛生,并破坏其固有成分和性质。
第四节 培养基 ( media)
巴斯德最初用的培养基是有机物水浸液、含糖培养基
科赫发明的固体培养基 — 土豆、明胶以及琼脂;
从玻璃板到培养皿;
世界闻名的生产培养基的专业公司 — Difco和 Oxid
我国培养基生产单位已有 50多个,主要生产干燥培养基,方法有喷雾干燥法、冷冻干燥法、真空干燥法;
干燥培养基的优点在于使用方便、节省人力,易运输,
好保存,质量可靠,便于管理。
培养基的发展过程一、选用和设计培养基的 原则 和 方法
1.目的明确
2.营养协调
3.物理化学条件适宜
4.经济节约
(一)四个原则培养何种菌?想获何种代谢产物?
用于实验室研究 or 发酵生产?
是种子培养基 or 发酵培养基?
目的明确营养协调培养基的各种营养成分的浓度及配比合适碳氮比( C/N)
培养基中碳原子的摩尔数与氮原子的摩尔数之比,有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。
谷氨酸的发酵生产:
当 C/N=4时,菌体大量繁殖,Glu积累少;
当 C/N=3时,菌体繁殖受抑,Glu大量积累。
生长谱试验用来寻找某一微生物的合适的碳源、氮源和生长因子
(1)先准备一个不加碳源的琼脂培养基;
(2)待融化并冷却至 45℃ 左右时,混入供试菌悬液,摇匀后倒成琼脂平板;
(3)待其凝固后,将待试碳源用小镊子夹取少许并整齐地放在平板上;
(4)经温箱培养适当时间后,凡在某碳源周围出现该菌的“生长圈”者,即为它可利用的碳源。
生长谱试验的基本操作:
物理化学条件适宜
pH
各大类微生物都有其生长适宜的 pH范围;
调节方法:内源调节和外援调节;
渗透压和水活度( aw)
等渗溶液最适宜微生物的生长;高渗 or低渗?
微生物可实际利用的自由水或游离水的含量;
aw大或小的含义?
氧化还原电势( Eh)
各种微生物对培养基的 Eh有不同的要求。
经济节约
原料来源要广泛;
原料要易处理,处理成本要低;
原料处理后,废物、废液、废气要少;
实施原则( P95)
(二)四种方法
1.生态模拟
– 肉汤、鱼汤培养 细菌
– 水果汁培养 酵母菌
– 米饭、面包培养 霉菌
– 肥土培养 放线菌
2.查阅文献
3.精心设计
4.试验比较
– 由定性到定量;
– 由小到大
摇瓶培养?台式发酵罐?生产发酵罐因 素 乙醇浓度 温度( ℃ ) 时间 ( h ) 物料比 提取率
1 1( 50) 1( 60) 1( 1) 1( 1,16) 2.85
2 1( 50) 2( 70) 2( 2) 2( 1,18) 4.33
3 1( 50) 3( 80) 3( 3) 3( 1,20) 4.58
4 2( 60) 1( 60) 2( 2) 3( 1,20) 6.57
5 2( 60) 2( 70) 3( 3) 1( 1,16) 4.75
6 2( 60) 3( 80) 1( 1) 2( 1,18) 5.32
7 3( 70) 1( 60) 3( 3) 2( 1,18) 6.44
8 3( 70) 2( 70) 1( 1) 3( 1,20) 3.01
9 3( 70) 3( 80) 2( 2) 1( 1,16) 5.45
K1 11.76 15.86 11.18 13.05
K2 16.64 12.09 16.35 16.09
K3 14.90 15.35 15.77 14.16
L9(34) 正交实验结果分析表二、培养基的种类
(一)根据对培养基成分的了解
– 天然培养基
指一些利用动、植物、微生物体或其提取物制成的培养基,人们无法确切知道其中的成分。如含蛋白胨、牛肉膏、玉米浆、血液、血清、马铃薯等的培养基;
– 组合培养基
是一类用多种高纯化学试剂配制成的、各成分的量都确切知道的培养基。如组织细胞培养液、高氏 1号等培养基;
– 半组合培养基
大部分为已知,个别或少数为未明化学成分的营养物质配制成的培养基。如马铃薯蔗糖培养基。
固体培养基
– 可逆性凝固培养基,1%-2%的琼脂或 5%-12%的明胶
– 非可逆性凝固培养基,血清和无机硅胶制成的培养基
– 天然固体培养基,天然固体基质配制成的培养基
– 滤膜,醋酸纤维薄膜
半固体培养基,0.5%左右的琼脂;
脱水培养基,成分精确和使用方便的现代化培养基
液体培养基,大量生产和增菌培养
(二)按照培养基外观的物理状态不同物理状态的培养基有何用途?
琼脂和明胶若干特性的比较基础培养基( Basic media)
选择性培养基( Selected media)
鉴别性培养基( Differential media)
(三)按培养基用途基础培养基
营养要求相同的微生物,所需的营养物质除少数不同外,其它大部分营养物是共同的,因此可配成一种基础培养基,再按照某一微生物的特殊需要,添加某种营养物即可。
– 如肉汤蛋白胨培养基
加入脱纤维兔血或羊血 — 分离、培养某些病原微生物,提供一些辅酶或血红素等特殊生长因子。
– 蛋白胨水培养基
加入葡萄糖或蔗糖 — 糖发酵培养基,用于鉴定某些肠道菌。
选择培养基
选择性培养基就是根据某种微生物的 特殊营养要求 或其对某化学、物理因素的 抗性 而设计的培养基,
其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势菌,从而提高该菌的筛选效率。
针对混合样品中数量很少的某种微生物,具有使混合菌群中的劣势菌变成优势菌,用于菌种筛选 。
采取投其所好或取其所抗两种方法,实际设计的培养基,通常为兼有两种功能。
鉴别性培养基在培养基中加有能与某一菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂,从而用肉眼就能使该菌菌落与外形相似的其它菌落相区别的培养基。
常用染料
– 碱性染料,苏木精、亚甲蓝、碱性品红
碱性染料在电离时,其分子的染色部分带正电荷
– 酸性染料,伊红、坚牢绿、橙黄 G
酸性染料电离时,其分子的染色部分带负电荷细菌细胞通常带负电荷,应该用何种染料染色?
一 些 鉴 别 培 养 基蛋白胨 10g
乳 糖 5g
蔗 糖 5g
K2HPO4 2g
伊红 0.4g
美 蓝 0.065g
蒸馏水 1000ml
pH=7.2
EMB培养基的组成伊红系酸性染料美蓝为碱性染料碱性时二者不发生反应,在低酸度时,两种染料结合形成沉淀,
起产酸指示剂的作用
EMB培养基鉴别机制
Klebsiella(克雷伯氏菌属)
G+菌:受抑制
G-菌能发酵乳糖、产酸产酸力强,菌落在透射光下呈紫色,
反射光下呈绿色金属闪光,E.coli
产酸力弱,
菌落棕色
Enterobacter(肠杆菌属)
Sarratia(沙雷氏菌属 )
Hafnia(哈夫尼菌属)
不发酵乳糖,不产酸,菌落无色透明
Proteus(变形菌属)
Salmonella(沙门氏菌属 )
Shigella(志贺氏菌属)
试样综合网站
www.hao123.com
www.5566.net
www.baidu.com
考研网站
中国研究生招生信息网,www.cpge.edu.cn
中国考研网,www.chinakaoyan.com
考研网,www.kaoyan.net ; www.kaoyantj.com
你来我往考研论坛,www.okhere.com
生物论坛
中国生命科学论坛,www.bioon.net
中国生物论坛,www.bioon.com
丁香园论坛,www.dxy.cn/bbs/
生物教学论坛,www.netsh.com
中学生物教学网站
中学生物教学资源网,www.swjx.myrice.com
生物教学资源网,www.bionet.com.cn
生物教学空间,www.shengwu.myrice.com
生物教师之家,www.biologic.cn2088.com