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第二部分 与微生物相关的基础知识

第二部分 与微生物相关的基础知识. 微生物的营养与代谢 微生物的生长与环境条件 微生物的遗传与变异 微生物的生态. Chapter 4. Microbial Nutrition 微生物的营养. Section 1. Microbial nutrition. 一、 Concept. Nutrient( 营养物 ) ： 凡能够满足机体生长、繁殖和完成种种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物。 Nutrition( 营养 ) ： 微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。. 二、 Function of nutrient. 参与微生物细胞的组成

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第二部分 与微生物相关的基础知识

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Presentation Transcript

  1. 第二部分与微生物相关的基础知识 微生物的营养与代谢 微生物的生长与环境条件 微生物的遗传与变异 微生物的生态

  2. Chapter 4 Microbial Nutrition 微生物的营养

  3. Section 1 Microbial nutrition

  4. 一、Concept • Nutrient(营养物)：凡能够满足机体生长、繁殖和完成种种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物。 • Nutrition(营养)：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。

  5. 二、Function of nutrient • 参与微生物细胞的组成 • 提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量 • 形成微生物代谢产物的来源 营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止

  6. 三、Chemical composition • (一)微生物细胞的元素组成 • (二)微生物细胞中的物质组成

  7. (一)微生物细胞的元素组成 • 干物质的元素组成 • 主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫（97%） • 微量元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、 锌、钼等

  8. 表3.1 微生物细胞中主要元素含量(占干重%)

  9. (二)微生物细胞中的物质组成 • 有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素 • 无机盐灰分 • 水——细胞干重的70%~90% 水是微生物及一切生物细胞中含量最多的成分。微生物细胞的含水量随种类和生长期而异。通常情况下，细菌含水量为细胞鲜重的75%～85%，酵母菌为70%～85%，丝状真菌为 85%～90%，细菌芽孢和霉菌孢子的含水量约为40%。

  10. 四、Nutrient 营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。 • 1. Source of carbon （碳源） • 2. Source of Nitrogen （氮源) • 3.Inorganic salt（无机盐） • 4. Growth factor（生长因子) • 5.Water（水分） • 6. Energy source（能源)

  11. ｛ 异养微生物 有机碳 碳源谱 自养微生物 无机碳 1、 Source of carbon • 一切能满足微生物生长繁殖所需要C元素的营养物称为碳源。

  12. ●实验室配制微生物培养基常用碳源 葡萄糖、 蔗糖、可溶性淀粉 ●工业生产常用的碳源 淀粉、糖、麸皮、米糠等 对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

  13. 蛋白质 核酸 氨基酸 尿素 ｛ 有机氮 ｛ ｛ 氮源谱 NH3 铵盐 硝酸盐 N2 无机氮 2.Source of Nitrogen 凡提供微生物生长繁殖所需要氮元素的营养源，称为氮源。

  14. ●实验室配制微生物培养基常用氮源 蛋白胨、牛肉浸膏、酵母浸膏、尿素、铵盐、硝酸盐 ●工业生产常用的氮源 尿素、玉米浆、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼、花生饼等

  15. 3、Source of Energy为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能称为能源。 化能异养微生物：有机物（同碳源） 化学物质 化能自养微生物：还原态无机物 能源谱 （不同碳源）—NH4+,NO2-, S, H2S, H2,Fe2+等 光能：光能自养和光能异养微生物

  16. 4.Growth factor(生长因子) 通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。 狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、嘌呤及嘧啶

  17. 凡生长所需浓度在10-3～10-4mo1/L范围内的元素称为大量元素，包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe；凡生长所需浓度在10-3～10-4mo1/L范围内的元素称为大量元素，包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe； 凡生长所需浓度需浓度为10-6～10-8mo1/L范围内的元素，称为微量元素，包括Cu、Zn、Mn、Mo、Co、B等10种。 5.Inorganic salt

  18. 6、Water 功能 • 1.是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，物质溶剂和运输介质的作用，保证代谢正常进行 • 2. 是物质代谢的原料 • 3. 有效控制细胞内的温度变化

  19. 光能营养型：太阳光能 能源： 化能营养型：化合物氧化 异养型：有机碳 碳源： 自养型：无机碳 无机营养型：还原性无机物 电子供体 有机营养型：有机物 Section2、Nutritional types 老虎：食肉动物 羊：食草动物 猪：杂食动物 1.光能无机自养型微生物 2.光能有机异养型微生物 3.化能无机自养型微生物 4.化能有机异养型微生物

  20. 1、光能无机自养型(photolithotroph)也称光能自养型，是一类具有光合色素、能利用光能并以水或还原态无机物为供氢体同化CO2的微生物。1、光能无机自养型(photolithotroph)也称光能自养型，是一类具有光合色素、能利用光能并以水或还原态无机物为供氢体同化CO2的微生物。 • 碳源——CO2为唯一或主要碳源 • 能源——光能 • 例： • CO2 + H2O [CH2O] + O2 • 2CO2 + H2S + 2H2O 2[CH2O] +H2SO4 • CO2 + 2H2S CH2O] + H2O + 2S • 藻类和蓝细菌

  21. （1）产氧光合作用----藻类和蓝细菌细胞内含有叶绿素，能与高等植物一样利用光能分解水产生氧气并还原CO2为有机碳化物，其反应通式为：（1）产氧光合作用----藻类和蓝细菌细胞内含有叶绿素，能与高等植物一样利用光能分解水产生氧气并还原CO2为有机碳化物，其反应通式为： 光能CO2 + H2O ----------［CH2O］+ O2↑ 叶绿素 藻类的叶绿体中含有叶绿素a和类胡萝卜素，其它光合色素随类群而异。藻类多数水生， 只要环境中有光照、少量氮素和无机盐就能生长

  22. （2）不产氧光合作用----光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)与蓝细菌不同，细胞内含有类似于叶绿素的菌绿素，但不能进行以H2O为供氢体的非环式光合磷酸化作用，也不产生氧气。光合细菌吸收光能，以还原态无机硫化物(H2S、S或S2O3-2等)为氢或电子供体同化CO2，代表性反应为：（2）不产氧光合作用----光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)与蓝细菌不同，细胞内含有类似于叶绿素的菌绿素，但不能进行以H2O为供氢体的非环式光合磷酸化作用，也不产生氧气。光合细菌吸收光能，以还原态无机硫化物(H2S、S或S2O3-2等)为氢或电子供体同化CO2，代表性反应为： 光能CO2 + 2H2S ----------- [CH2O］+ H2O+2S叶绿素 • 光合细菌分为紫色细菌和绿色细菌两大类群。

  23. 2、光能有机异养型微生物光能异养型：能利用光能、以简单有机物(有机酸、醇等)为供氢体同化CO2的微生物类群称为光能有机营养型2、光能有机异养型微生物光能异养型：能利用光能、以简单有机物(有机酸、醇等)为供氢体同化CO2的微生物类群称为光能有机营养型 • 碳源——CO2 • 能源——光 • 例：Rhodospirillum CO2 + 2CH3CHOHCH3 (CH2O) +2CH3COCH3 + H2O

  24. 3、化能无机自养型微生物化能自养型：能通过氧化无机物获得能量并能以CO2为主要或唯一碳源的微生物称为化能无机营养型微生物，或称为化能自养型微生物。3、化能无机自养型微生物化能自养型：能通过氧化无机物获得能量并能以CO2为主要或唯一碳源的微生物称为化能无机营养型微生物，或称为化能自养型微生物。 • 碳源——CO2 • 能源——来自氧化某种还原态无机物 • 例： 2NH3 + 2O2 2HNO2 + 4H+ + 能量 CO2 + 4H+ (CH2O) + H2O

  25. 4、化能有机异养型微生物凡以有机物为碳源、能源和供氢体的微生物称为化能有机营养型微生物，也称化能异养型微生物。4、化能有机异养型微生物凡以有机物为碳源、能源和供氢体的微生物称为化能有机营养型微生物，也称化能异养型微生物。 • 碳源——有机物 • 能源——有机物 • 可分为： • 寄生型微生物——寄生于活的生物体 • 腐生型微生物——以死亡的生物有机体为营养原料 自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物

  26. 四种营养类型的对比

  27. 不同营养类型之间的界限并非绝对 异养型微生物并非绝对不能利用CO2； 自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长； 有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变； 例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2，为自养型微生物； 有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物； 光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物； 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物 微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力

  28. Section3微生物吸收营养物质的方式 • Diffusion（扩散) • Facilitated diffusion （促进扩散） • Active transport （主动吸收） • Membrane vesicle transport（膜泡运输)

  29. 微生物吸收营养物质的方式

  30. 1、单 纯 扩 散 • 物质扩散的动力: 膜内外的浓度差 • 特点： • 不消耗能量 • 不发生化学变化 • 非特异性。仅依膜上小孔的大小 和形状对被扩散的物质分子的大小和形状具有选择性 • 被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、甘油和某些离子

  31. 2、促 进 扩 散 • 借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。 • 特点： • 需要特异性的载体蛋白 • 不消耗能量 • 可加快运输速度，但不能逆浓度运输

  32. 3、主 动 运 送 • 有特异性的载体蛋白参与 • 需要消耗能量 • 可以逆浓度梯度运输 • 微生物的主要物质运输方式

  33. 4、基团移位 • 是指一类既需特异性载体蛋白的参与，又耗能的一种物质运送方式。其特点是溶质在运送前后还会发生分子结构的变化，因此不同于一般的主动运送。

  34. 葡萄糖通过基团移位 运输过程的化学反应 • 1）PEP+HPr 酶I磷酸~HPr + 丙酮酸 • 2）磷酸~HPr + 葡萄糖 酶II 6-磷酸葡萄糖 +HPr

  35. 基团转位运输葡萄糖示意图

  36. 基团移位示意图

  37. 5、膜泡运输 • 主要存在于原生动物特别是变形虫中。 • 如果膜泡中包含的是固体营养物质，称胞吞作用；是液体营养物质称胞饮作用。

  38. Section4Culture medium 是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混合营养料。 培养基约有数千种。

  39. 一、选用和设计培养基的原则和方法 目的明确 营养协调 理化条件适宜 经济节约

  40. 1.目的明确 根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。 培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000ml 培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml

  41. 常见的培养四大类微生物的培养基 细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml 放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml 酵母菌(麦芽汁培养基) 干麦芽粉加四倍水，在50℃--60℃保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。 霉菌（查氏合成培养基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml

  42. 2.营养协调 　　培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。 　　培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。 碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。 例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。

  43. 3.理化条件适宜 pH 水活度 氧化还原电位

  44. a. pH 培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。 通常培养条件： 细菌pH7.0~8.0 放线菌：pH7.5~8.5 酵母菌pH3.8~6.0 霉菌：pH4.0~5.8范围内生长 为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入 pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。

  45. b. 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, 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。

  46. c. 氧化还原电位 氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量 某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势 的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。 不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同 好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长,以+0.3～+0.4伏为宜； 厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长； 兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸, +0.1伏以下时进行发酵。

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