第四章 微生物的生长繁殖及其控制
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第四章 微生物的生长繁殖及其控制 . 1 、微生物营养. 1.1 微生物的营养要素. 1.1.1 微生物细胞的化学组成. 水: 70%-90%. 微生物细胞. 无机物(盐). 干物质. 有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等 及其降解产物. 细胞化学元素组成:. 主要元素 : 碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等; 微量元素 : 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。. 微生物、动物、植物之间存在 “ 营养上的统一性 ”. 1.1.2 元素在细胞内存在形式:. 上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中:

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第四章 微生物的生长繁殖及其控制

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第四章 微生物的生长繁殖及其控制


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1、微生物营养

1.1 微生物的营养要素

1.1.1 微生物细胞的化学组成

水:70%-90%

微生物细胞

无机物(盐)

干物质

有机物

蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等

及其降解产物

细胞化学元素组成:

主要元素:碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等;

微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”


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1.1.2元素在细胞内存在形式:

上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中:

◆有机物:蛋白质、糖、脂类、核酸、

维生素及其降解产物.

◆无机物:1)参与有机物组成,

2)单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.

◆水:约占细胞总重70%~90%,以游离水和结合水两种形式存在

游离水:干重法可测得;

结合水:不易蒸发、不冻结、也不能渗透,

占水总量的17%—28% 。


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1.1.3微生物细胞化学组成含量的变化

此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。

微生物细胞的化学组成


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1.2 营养物质及其生理功能

微生物与动植物营养要素的比较

微生物生长所需要六大营养要素:

碳源、氮源、无机盐、生长因子、水、能源


1 2 1 carbon source

1.2.1 碳源(Carbon source)

◆定义:凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。

◆功能:提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源(异养微生物)。

◆种类:

无机含碳化合物:如CO2和碳酸盐等。

有机含碳化合物:糖与糖的衍生物(多糖:如淀粉、

麸皮、米糠等;饴糖;单糖),脂类、

醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物

以及各种含氮的化合物。


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微生物的碳源谱


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微生物工业发酵中用做碳源的原料

传统种类:糖类(单糖,饴糖)

淀粉(玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等)

麸皮

各种米糠等

代粮发酵:纤维素、石油、CO2、H2


1 2 2 nitrogen source

1.2.2氮源(Nitrogen source ):

凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。

种类:无机氮:铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、

尿素、 氨、N2等;

有机氮:蛋白质及其降解产物(如胨、肽、

氨基酸等)、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、

黄豆饼粉、玉米浆等

功能:

1)提供合成细胞中含氮物,如蛋白质、核酸,以及含氮代谢物等的原料;

2)少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。


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微生物的氮源谱


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实验室常用的无机氮源: 有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。

蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用,这种氮源叫迟效氮源。

无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用,这种氮源叫做速效氮源。

速效氮源,通常有利于机体的生长,迟效氮源有利于代谢产物的形成。

铵 盐

氨基酸入胞 细胞物质

蛋白胨

诱导酶

硝酸盐NO3NH4+

诱导酶

豆 饼

蚕蛹粉

分解 入胞 细胞物质


1 2 3 inorganic salt

1.2.3无机盐(inorganic salt)

定义:为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素(包括大量元素和微量元素)的物质,多以无机盐的形式共给。

大量元素:P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe (微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L)

微量元素:Cu、Zn、Mn、Mo、Co (微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L)

一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。


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细胞内一般分子成分(如P,S,Ca,Mg,Fe等)

一般功能

特殊功能

酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)

特殊分子结构成分(Co、Mo等)

维持渗透压

生理调节物质酶的激活剂

pH的稳定

大量

元素

微量

元素

化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)

无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)

无机盐的生理功能


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(NH4)2SO42NH4+ + SO42-

入胞pH

KNO3

NaNO3

K+(Na+)+ NO3-

入胞pH

NH4NO3NH4+(先入胞)+ NO3-(后入胞)

生理酸式盐和生理碱式盐


1 2 4 growth factor

1.2.4 生长因子(growth factor):

定义:是一类对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简单的碳源或氮源合成,或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。

◆嘌呤和嘧啶:用于合成核酸(DNA and RNA)

◆氨基酸:蛋白质合成

◆维生素:构成酶的辅基或辅酶

缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。


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根据微生物对生长因子的需要存在差异,可分为:

◆野生型(wild type) 原养型

不需要生长因子而能在基础培养基

上生长的菌株

◆营养缺陷型(auxotroph)

由于自发或诱发突变等原因从野生

型菌株产生的需要提供特定生长素物

质才能生长的菌株


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1.2.5 水

水是微生物最基本的组成分(70%—90%)

水是微生物体内和体外的溶剂(吸收营养成分和代谢废物)

水是细胞质组分,直接参与各种代谢活动

调节细胞温度和保持环境温度的稳定(比热高,传热快)

2、微生物的营养类型

自养型生物

生长所需要的营养物质

异养型生物

光能营养型

生物生长过程中能量的来源

化能营养型


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光能自养型:以光为能源,不依赖任何有机物即可正常生长

光能异养型:以光为能源,但生长需要一定的有机营养

化能自养型:以无机物的氧化获得能量,生长不依赖有机营养物

化能异养型:以有机物的氧化获得能量,生长依赖于有机营养物质


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2.1光能自养型微生物

以C02作为唯一碳源或主要碳源,并利用光能,以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质,同时产生元素硫

光能

CO2+H2S [CH2O]+2S+H2O

光合色素

光能自养型微生物包括蓝细菌(含叶绿素)、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物(含细菌叶绿素),由于含有光合色素,因而能使先能转变成化学能(ATP),供机体直接利用。

2.2 光能异养型微生物

以CO2为主要碳源或唯一碳源,以有机物(如异丙醇)作为供氢体,利用光能将CO2还原成细胞物质,红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。

光能

2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素

光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子


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2.3 化能无机自养型(化能自养型)

生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能;

以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时,利用H2、H2S、

Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。

化能无机自养型只存在于微生物中,可在完全无机及无光的

环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质环;

这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。


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通过氧化无机物取得能量,并以

CO2为唯一或主要碳源

◆硝化细菌:

亚硝化细菌 : 2NH4+ +3O2→2NO2- +2H2O + 4H++132Kcal

硝化细菌: NO2- +1/2O2 →NO3- +18.1 Kcal

◆硫化细菌:通过氧化还原态的无机硫化物(H2S、S、 S2O32-、SO32-)获得能量(硫杆菌属,硫微螺菌属)

H2S + 1/2 O2 →S +H2O + 50.1 Kcal

S + 1 1/2 O2+H2O → H2SO4+149.8 Kcal

◆铁细菌:氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2

2Fe2++1/2O2+2H+ →2Fe3++H2O+21.2 Kcal

◆氢细菌:具有氢化酶,从氢的氧化获取能量,同化CO2

H2+ 1/2 O2 →H2O + 56.7 Kcal


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2.4 化能异养型微生物

  • 多数微生物属于化能异养型,其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。

  • 根据化能异养型微生物利用有机物的特性,又可以将其分为下列两种类型:

    • 腐生型微生物:利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。

    • 寄生型微生物:寄生在生活的细胞内,从寄生体内获得生长所需要的营养物质。

  • 存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物,称为兼性腐生型或兼性寄生型。


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3.微生物培养基

定义:应科研或生产的需要,由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质(混合养料)。

特点:任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素,且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。

用途:促使微生物生长;积累代谢产物;分离微生物菌种;鉴定微生物种类;微生物细胞计数;菌种保藏;制备微生物制品


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培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础

任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素:

碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水

任何培养基一旦配成,必须立即进行灭菌处理;

◆常规高压蒸汽灭菌:

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟;0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟某些成分进行分别灭菌;

◆过滤除菌;


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3.1.1培养基组分应适合微生物的营养特点

3.1 培养基的配制原则

即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。

不同营养类型的微生物,其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以(或应该)由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质,但有机物的种类需适应所培养菌的特点。

按微生物的主要类群来说,它们所需要的培养基成分也不同:

细菌: 牛肉膏蛋白胨培养基

LB (Luria-Bertani)

放线菌: 高氏一号培养基

真菌: 查氏合成培养基

PDA (Potato-Dextrose-Agar)

酵母菌; 麦芽汁

当对试验菌营养需求特点不清楚的时候,可以采用‘生长谱’法进行测定。


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3.1.2营养物的浓度与比例应恰当

●浓度过高——微生物的生长起抑制作用,

浓度过小——不能满足微生物生长的需要。

●碳氮比(C/N)直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累,故常作为考察培养基组成时的一个重要指标;

碳源中的碳原子的mol数

氮源中所含的氮原子的mol数

C/N比值=

例:谷氨酸生产中

C/N =4/1时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累少;

C/N=3/1 时,菌体生长受抑制,而谷氨酸大量增加。

●速效性氮(或碳)源与迟效性氮(或碳)源的比例

●各种金属离子间的比例


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3.1.3 物理化学条件适宜

  • (A)pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同:

  • 细 菌:7.0~8.0放线菌:7.5~8.5

    • 酵母菌:3.8~6.0霉 菌:4.0~5.8

  • 在微生物的生长和代谢过程中,由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累,培养基的初始pH值会发生改变,为了维持培养基pH值的相对恒定,通常采用下列两种方式:

  • 内源调节:在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐;调节培养基的碳氮比。

  • 外源调节:按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液


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☆磷酸缓冲液:pH值从6.0~7.6之间

K2HPO4+HCl KH2PO4+KCl

KH2PO4+KOH K2HPO4+H2O

☆加入CaCO3:

CO32 – HCO3 – H2CO3 CO2+H2O

+H+

–H–

+H+

–H–

☆培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。


B a w

(B)渗透压和aw

  • 渗透压

  • 等渗溶液适宜微生物生长

  • 高渗溶液细胞发生质壁分离

  • 低渗溶液细胞吸水膨胀,直至破裂

大多数微生物适合在等渗的环境下生长,而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境(2.8~6.2/L NaCl)生长的微生物常被称为嗜盐微生物(Halophiles)。


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水活度

在天然环境中,微生物可实际利用的自由水或游离水的含量,

一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条

件下纯水蒸汽压力之比表示,即:

αw=Pw/Pow

,式中Pw代表溶液蒸汽压力, POw代表纯水蒸汽压力。

纯水αw为1.00,溶液中溶质越多, αw越小。

微生物一般在αw为0.60~0.99的条件下生长, αw过低时,

微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。

微生物不同,其生长的最适αw不同。


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水活度


C redox poyential

(C)氧化还原电势(redox poyential)

  • 各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求:

  • 好氧微生物:+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的环境中均能生长).厌氧微生物:只能在+0.1V以下生长

  • 兼性厌氧微生物:+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵

  • 培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统,测出的Eh值仅代表其综合结果。

  • 对微生物影响最大的是:分子氧和分子氢的浓度

  • 培养基中常用的还原剂:巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。


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氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响

增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压,或加入

氧化剂,从而增加Ф值;

在培养基中加入抗坏血酸(0.1%)、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸

(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。

培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定


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氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响


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3.1.4 根据培养基的应用目的选择原料及其来源

该培养基的应用目的,即:

是培养菌体还是积累代谢产物?

是实验室种子培养还是大规模发酵?

代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物?

☆用于培养菌体种子的培养基营养应丰富,氮源含量宜高(碳氮比低);

☆用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低,(但若发酵产物是含氮化合物时,有时还应提高培养基的氮源含量);若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物;

☆当所设计的是大规模发酵用的培养基时,应重视培养基中各成份的来源和价格,应选择来源广泛、价格低廉 的原料,提倡以粗代精,以废代好。


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3.2、设计培养基的方法

3.2.1.生态模拟

调查所培养菌的生态条件,查看“嗜好”,对“症”下料———初级天然培养基.

3.2.2.查阅文献

查阅、分析文献,调查前人的工作资料,借鉴人家的经验,以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方.

3.2.2.精心设计

借助优选法或正交试验设计法等方法.


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3.2.4、实验比 较: 不同培养基配方的选择比较

单种成分来源和数量的比较

几种成分浓度比例调配的比较

小型试验放大到大型生产条件的比较

pH和温度试验

◆附1:配置培养基时应注意的几个问题及解决方法:

1、沉淀

2、胶体强度的破坏

3、褐色物质的形成

4、pH发生变化


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附2:培养基的灭菌

高压蒸气灭菌

一般培养基:

1.05 Kg/cm2, 121.3℃, 15-30 min

含糖培养基:

0.56 Kg/cm2, 112.6 ℃, 15-30 min

过滤灭菌, 分别灭菌, 间歇灭菌的应用


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附图:过滤灭菌


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附3:器皿的灭菌及无菌室的消毒

器皿的灭菌:

干热空气: 160℃, 2 小时

无菌室的消毒:

紫外光

化学药物熏蒸(苯酚;高锰酸钾+甲醛)


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