微生物的营养与培养基.ppt

Chap 4 microbial Nutrition and medium 微生物的营养与培养基 主讲教师主讲教师: : 李 祝 单位：化学与环境工程学院 E-mail: Tel湖北工业大学专业基础课程环境微生物 1 2 l营养（或营养作用nutrition)指生物体从外部 环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以 满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。 l营养物（或营养nutrient)指具有营养功能的 物质，常常还包括光能这种非物质形式的能源 在内。 3 微生物营养的功能： 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。 4 Contents 营养物质进入细胞的方式4 微生物的营养类型3 微生物细胞的化学组成3 1 微生物的营养物质 3 2 培养基 5 5 第一节 微生物细胞的化学组成 l组成微生物细胞的化学物质主要包括3类： l水，最主要的组成成分，是微生物代谢过程中不 可缺少的溶剂，细胞干重的70%90% ； l无机离子，参与有机物组成或单独存在于细胞原 生质中灰分； l生物分子，包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素 ，降解产物、代谢中间产物 等有机化合物，它是生 物体和生命现象的结构基础和功能基础。 6 微生物细胞的化学组成 l 元素 ： -大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 C H O N是生命体最基本的组成元素 S是蛋白质的重要组成元素 P是组成核酸和ATP不可缺少的元素 6种占细胞干质量的97% -微量元素：钾、钠、钙、镁、铁、 锰、 铜、 钴、锌、钼等 细胞的化学组成也是配制微生物培养基的主要依据. 7 1.碳源（Carbon source） 2.氮源（Nitrogen source) 3.能源（Energy source) 4.生长因子（Growth factor ) 5.无机盐(Inorganic salt) 6.水(Water) 传统上根据功能不同对营养物归类传统上根据功能不同对营养物归类 六种营养要素: 第二节 微生物的营养物质 8 一、 碳源 Carbon Source 一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的 营养物，称为碳源。C元素在细胞干物质中约占 50%左右. 分无机碳源与有机碳源两大类。凡必须利 用有机碳源的微生物叫异养微生物。凡以无机碳 源作主要碳源的微生物叫自养微生物。 9 u 糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖， 淀粉，半乳糖， 乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素， 木质素等 u 有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级 脂肪酸，氨基酸等 u 醇类：乙醇 u 脂类：脂肪，磷脂 u 烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油 u 碳酸盐 ： NaHCO3, CaCO3, 白垩等 u 其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸， CO2等 1.微生物可利用的碳源 10 2.碳源特点 l1） 依碳源分类 l自养微生物：利用无机碳源，如CO2、碳酸盐 l异养微生物：利用有机碳源，如葡萄糖、淀粉等 l2 ）最适碳源 C-H-O l最适碳源 糖 醇 有机酸 脂类 l最适糖类 单糖 双糖 多糖 l最适单糖 已糖 戊糖 l最适多糖 淀粉 纤维素 木质素、几丁质 应用:诺卡菌和霉菌可以以氰化物作为唯一C源和N源 细菌最喜好的碳源是？细菌最喜好的碳源是？糖糖 尤其是葡萄糖及其多糖 11 二 、氮源 nitrogen Source 凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营 养源。也可分为有机氮源和无机氮源（硝酸盐） 。主要合成细胞内各种氨基酸和碱基进而合成蛋白质和 核酸等细胞成分. 氮源的作用是提供微生物合成蛋白质的原料。按 对N源要求的不同，将微生物分为四类：固氮型、利用无 机N为N源、需要某些氨基酸为N源、从分解蛋白质中取 得铵盐或氨基酸的微生物。 12 N源特点: 1 氮源主要不提供能量(除硝化细菌等少数外) 2 最适氮源 NHCO NH NO N2 3 速效氮源：以蛋白质降解产物存在的氮源 迟效氮源：以蛋白质形式存在的氮源 培养微生物常用的有机N源有牛肉膏 蛋白胨 酵母膏等等 13 l l 提问：提问：哪些物质可作为细菌的氮源？ l l 有机氮有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮无机氮（ N2、 NH3 、铵盐、硝酸盐）等。 l l 实验室中实验室中有机氮源有机氮源蛋白胨蛋白胨 工业投加的细菌氮源？工业投加的细菌氮源？ 尿素、粪便尿素、粪便 14 l能源，就是能为微生物的生命活动提供最初能量 来源的营养物或辐射能。 l异养微生物的能源就是其碳源 l单功能营养物：如辐射能 l双功能营养物：NH4+是硝酸细菌的能源和氮源 l三功能营养物：如”N.C.H.O”是异养微生物的能源 、碳源及氮源。 有机物：化能异养微生物的能源（同碳源） 无机物：化能自养做生物的能源（不同于碳源） 辐射能：光能自养和光能异养微生物部能源 化学物质 能源谱 三、 能源 energy Source 15 四四 生长因子生长因子(growth factor)(growth factor) 微生物在生长过程中不能自已合成的 生长繁殖必需的 需要量较少的 外界加入的 有机物 是 生长因子谱： 维生素 氨基酸 嘌呤(或嘧啶) 提供方式： 原料：酵母膏、玉米浆、肝浸出液、 麦芽汁、新鲜动植物组织 16 l l 种类：种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类嘌呤、嘧啶类、维生素类 l l 作用：？作用：？ l嘌呤和嘧啶参与合成核酸和辅酶； 维生素， 重要辅酶 l l 多数细菌不存在生长因子问题。多数细菌不存在生长因子问题。 l只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子，才 能生长，如乳酸菌需要多种维生素，因此只能生活 在这些物质供应充足的环境，如牛奶中、肠道。 必需，但不能自身合成的有机物必需，但不能自身合成的有机物 17 五五 无机盐无机盐( ( inorganic ions)inorganic ions) l大量元素：生长所需浓度为10-310-4mol /L的元素 l微量元素：生长所需浓度为10-610-8mol /L的元素 18 19 六、水 是微生物细胞的重要组成部分，占活细胞总量的90% 左右,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 . 结合水(构成原生质的组成部分)和游离水(可以被利用的 ) 20 七、碳氮磷比七、碳氮磷比“ “营养平衡营养平衡” ” l l 根瘤菌要求碳氮比为根瘤菌要求碳氮比为11.511.5：1 1 l l 土壤中微生物混合群体要求碳氮比为土壤中微生物混合群体要求碳氮比为2525：1 1 l l 污污( (废废) )水生物处理中水生物处理中好氧微生物群体好氧微生物群体( (活性污泥活性污泥) ) 要求为要求为BODBOD 5 5 ：N N：P P100100：5 5：1 1 厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BODBOD 5 5 ：N N ：P P350350500500：5 5：1 1 为了保证污为了保证污( (废废) )水水( (有机固体废物）生物处理有机固体废物）生物处理 要按碳氮磷比配给营养要按碳氮磷比配给营养 。 21 l l 城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工 业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补业废水缺某种营养，当营养量不足时，应供给或补 足。足。 l l 如酒精废水缺如酒精废水缺 ？ ； l l 洗涤剂废水洗涤剂废水 ？ N N、P P 缺缺N NP P过剩过剩 如何知道所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？如何知道所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？ 先测、对比、试验验证先测、对比、试验验证 l l 炼油废水炼油废水 ？ N N、P P 22 l l 但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！ l l 为什么？为什么？ l l 过犹不及过犹不及“ “娇惯娇惯” ” l l 细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质 ，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导 致细菌分解特殊有机物的能力下降致细菌分解特殊有机物的能力下降 l l 这与细菌驯化正好相反（反驯化）。这与细菌驯化正好相反（反驯化）。 AttentionAttention！ 23 24 l营养类型是按能源和氢供体来划分，也可以按能源和 基本碳源来分： l以下四大类型微生物中的划分不是绝对的，它们在不 同条件下生长时，往往可以互相转变。 第三节 微生物的营养类型 2525 无机营养细菌（无机营养细菌（自养菌自养菌） l l 无机（自养）无机（自养）COCO 2 2 、COCO和和COCO 3 3 2-2- l l 提问：提问：能否也利用有机物呢？能否也利用有机物呢？ 绝大多数能，绝大多数能，“ “能吃苦也能享福能吃苦也能享福” ”，优先利用，优先利用 ； 又根据又根据能源能源不同不同 又分为光能自养型光能自养型细菌和化能自养型化能自养型细菌。 2626 （1）光能自养细菌（无氧有光）（无氧有光） l l 只有只有紫紫硫细菌硫细菌和和绿绿硫细菌硫细菌 2727 l l 紫硫、绿硫紫硫、绿硫细菌代谢方式细菌代谢方式 l 光照光照 l CO2 + H H 2 2 S S CH2O（糖） + H2O + 2S2S l l 菌绿素菌绿素（与叶绿素大同小异）（与叶绿素大同小异） 提问：提问：在自然界的作用是什么呢？在自然界的作用是什么呢？ 早期无氧地球，清除早期无氧地球，清除HH 2 2 S S毒物毒物 （H2S类似植物光合作用植物光合作用中的H2O） 较洁净的光照池塘无氧臭（较洁净的光照池塘无氧臭（H H 2 2 S) S) 区区 2828 紫硫细菌紫硫细菌 湖中4m 硫化物 * *这个深度紫硫这个深度紫硫 细菌多细菌多? ? 2929 （2 2） 化能自养细菌化能自养细菌（有氧）（有氧） l l 提问：提问：什么是化能自养菌？什么是化能自养菌？ l l 自养自养碳源碳源COCO 3 3 l l 化能化能以以 ？物质物质氧化产能氧化产能 l l S S、H H 2 2 S S、H H 2 2 、NHNH 3 3 、FeFe 种类：种类：硫细菌( (硫化细菌和硫磺细菌硫化细菌和硫磺细菌) )、（亚）硝 化细菌及及铁细菌、氢细菌。 。 3030 l例如，亚硝化细菌进行有机物合成反应如下 l 2NH3 + 2O2 HNO2 + 4 H + 619千焦耳 l ATP l CO2 + 4 H CH2O + H2 O 提问：化能自养化能自养细菌能用于污水处理吗？为什 么？ 能，脱氨、脱硫；条件容易能，脱氨、脱硫；条件容易 3131 有机营养细菌（有机营养细菌（异养菌异养菌） l l 有机（异养）有机（异养）以有机物为碳源以有机物为碳源 l l 异养菌是异养菌是有机有机污水处理的主角污水处理的主角 根据根据能源的不同能源的不同 3232 （1 1）光能异养与化能异养）光能异养与化能异养 以有机物作为碳源和能源的的细菌。以有机物作为碳源和能源的的细菌。 绝大多数的细菌都属于化能异养菌绝大多数的细菌都属于化能异养菌。 . . 化能异养菌化能异养菌 3333 不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水适于高浓度有机废水（食品 行业）的高效处理(*(*红螺菌用于污水处理现状如红螺菌用于污水处理现状如 何何?)?) l l . . 光能异养细菌光能异养细菌（无氧有光）（无氧有光） l 光能+色素 l 有机物有机物 + CO+ CO 2 2 菌体菌体 CHCH 2 2 OO l l 小分子有机物碳源小分子有机物碳源 l l 主要指主要指红螺菌红螺菌（有氧无光时可化能异养生存（有氧无光时可化能异养生存 ） 提问：提问：在污水处理中的优势是什么？在污水处理中的优势是什么？ 问题：与水分离困难，光照问题 嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田 3434 l l 提问：提问：人工投加光合 细菌（PSB,红螺菌） 有利于水产养殖，原 因？ 迅速转化毒物（水族水族 排泄物被细菌分解后排泄物被细菌分解后 的氨、有机酸的氨、有机酸）为高 蛋白的菌体，作为鱼 的饲料，且不消耗氧不消耗氧 ； 优势生长时能抑制水抑制水 族病原菌族病原菌的生长 3535 l l 异养菌中有异养菌中有腐生菌与寄生菌之分 l l 腐生腐生分解腐烂的有机物生活 l l 寄生寄生寄居在其他生物体内生活 l l 提问：提问：致病细菌是属于什么类型？ l l 兼有，属于兼性寄生菌兼有，属于兼性寄生菌 肺结核杆菌肺结核杆菌 痢疾志贺氏菌痢疾志贺氏菌 以腐生为主兼营寄生的兼性寄生细菌，因而可以 通过水源、食物传播，是水处理中需要监控和杀灭 的对象。 3636 l营养类型是按能源和氢供体来划分，也可以按能源和 基本碳源来分： l以下四大类型微生物中的划分不是绝对的，它们在不 同条件下生长时，往往可以互相转变。 3737 l l 细胞膜的选择吸收细胞膜的选择吸收 分四种分四种 情况情况 第四节 营养物质进入细胞的方式 38 水、无机盐、气体、甘水、无机盐、气体、甘 油等小分子油等小分子 1 1被动扩散被动扩散 ? 推动力推动力? 推动力推动力浓度梯度浓度梯度 无载体蛋白无载体蛋白 不不 内部能量消耗内部能量消耗YorN? 乞讨乞讨 39 2 2促进扩散促进扩散 l l 促进促进载体蛋白协助载体蛋白协助 载体蛋白载体蛋白 细胞外细胞外 | 细胞膜细胞膜 | 细胞内细胞内 糖、氨基酸、金属离子等糖、氨基酸、金属离子等 ? 推动力推动力浓度梯度浓度梯度 有载体蛋白有载体蛋白 不不 内部能量消耗内部能量消耗YorN? 推动力推动力? 白领 40 3主动运输 l l 运输运输载体蛋白载体蛋白 l l 主动主动逆浓度梯度方向逆浓度梯度方向 糖、氨基酸、有机酸糖、氨基酸、有机酸 NaNa + + 、KK + + 、硫酸根、磷硫酸根、磷 酸根等酸根等 ? 推动力推动力ATPATP放能放能 有载体蛋白有载体蛋白 消耗消耗 内部能量消耗内部能量消耗YorN? 推动力推动力? 蓝领 41 细胞膜细胞膜细胞外细胞外细胞内细胞内 酶1 磷酸烯醇磷酸烯醇 式丙酮酸式丙酮酸 酶2 热稳热稳 定蛋定蛋 白白 丙酮酸丙酮酸 葡萄糖葡萄糖 高能磷酸高能磷酸 促进扩散促进扩散 高能磷酸基团转移高能磷酸基团转移 磷酸化自由能升自由能升 高，能量级别、位高，能量级别、位 置的升高。置的升高。 转位转位 磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 4.4.基团转位基团转位 基团基团被转运的营养物被转运的营养物 转位转位？ 商业 包装 42 l l 提问：提问：磷酸化的益处？磷酸化的益处？ l l （一）一）活化活化参与代谢参与代谢; ; l l （二）（二）防止营养物从细胞内流失防止营养物从细胞内流失； l l （三）（三）保持营养物在细胞内的低浓度保持营养物在细胞内的低浓度( (不用主动运输耗能不用主动运输耗能) ) 糖糖( (葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物葡萄糖、甘露糖、果糖及糖的衍生物NN乙酰葡萄糖乙酰葡萄糖 胺胺) )、嘌呤、嘧啶、脂肪酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸 磷酸烯醇式丙酮酸放能磷酸烯醇式丙酮酸放能 有载体蛋白有载体蛋白 消耗能量消耗能量 内部能量消耗内部能量消耗YorN? 推动力推动力? 为什么细菌吸收某些营养物（如糖） 要采取不同方式呢？与哪些因素有关？ 43 培养基（medium or Culture medium)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 其间的比例是合适的。 第五节 培养基 44 1.1.认识认识 化能自养菌化能自养菌氧化硫杆菌氧化硫杆菌的培养基 粉末状硫 10g KH2PO4 4g MgSO4 0.5g CaCl2 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g 水 1000mL（自来水即可） 提问：其中各组分作用是什么？其中各组分作用是什么？ 空气中的CO2 能源能源 磷源、缓冲物磷源、缓冲物 碳源是什么？碳源是什么？ 氮源氮源 盐盐 也可补加一部分碳酸钠。也可补加一部分碳酸钠。 45 异养异养细细细细菌菌的培养基中至少有一种有机物，实验 室中通常是葡 萄糖 如一种大肠杆菌培养基 葡萄糖 0.5g K2HPO4 1g MgSO4 0.2g NaCl 5g NH4H2PO4 0.4g 水 1000mL 46 2.2.配制配制 通常通常 ？ 加水加水 47 3 3分分类类 根据哪些特性可以根据哪些特性可以给给给给培养基分培养基分类类类类？ 物理状物理状态态态态、用途、用途、组组组组分分组组组组成成 ( (一一) )根据物理状根据物理状态态态态 固体培养基、半固体培养基和液体培养基 1 1）液体培养基（）液体培养基（“ “汤汤汤汤” ”） 废废废废水也可看作是一种广水也可看作是一种广义义义义的液体培养基的液体培养基 48 2 2）固体培养基（）固体培养基（“ “团团” ”） 人工做法人工做法( (与果与果冻冻冻冻方法一方法一样样样样 ) ) 向液体培养基中加入向液体培养基中加入2 2左右的左右的 琼琼琼琼脂脂，加加热热热热至至100100溶解，溶解， 4040下冷却下冷却并凝固并凝固。 石花菜石花菜( (红红红红藻）藻）琼琼琼琼脂脂 琼脂主要琼脂主要成份成份半乳聚糖半乳聚糖 ，分子量大，呈网状粘着力强分子量大，呈网状粘着力强， 溶解分散溶解分散（温度为（温度为9696以上）以上） 条状琼脂条状琼脂 粉末琼脂粉末琼脂 49 琼琼琼琼脂特性脂特性 A.A.不能被绝大多数微生物不能被绝大多数微生物 利用、分解液化利用、分解液化； 提问：提问：有什么好处？有什么好处？ 不作为额外碳源，干 扰试验，保持固体特保持固体特 性性 B.B.高压灭菌结构不被破坏高压灭菌结构不被破坏 ，且颜色透明颜色透明不妨碍观察不妨碍观察 ； C.C.多数微生物在琼脂培养基多数微生物在琼脂培养基 表面表面生长并形成独立菌落生长并形成独立菌落； 提问：提问：有何好处？有何好处？ 易于纯化分离 无营养、无分解能力，融点96，凝点40 50 3 3）半固体培养基（）半固体培养基（“ “膏膏” ”） 半半流流动动动动性介于固体与液体之性介于固体与液体之间间间间 提提问问问问：如何制作？如何制作？ 在液体培养基中加入在液体培养基中加入0.5%0.5%或更低或更低浓浓浓浓度的度的琼琼琼琼脂脂 作用：？作用：？ 半固体培养基中中可以融入少量的溶解氧融入少量的溶解氧，因此这种培养基常被被 用于培养在用于培养在较较较较低氧低氧浓浓浓浓度度环环环环境下才能最佳生境下才能最佳生长长长长的的细细细细菌。菌。 天然的固体培养基天然的固体培养基土豆块、培养真菌的麸皮、大米、 大麦等。 51 （二）根据培养基（二）根据培养基组组组组分分 天然天然培养基、合成合成培养基 和半合成半合成培养基。 1 1）合成）合成 合成纯纯纯纯化学化学试剂试剂试剂试剂 2 2）天然）天然 天然？ 纯生物制品纯生物制品( (细胞提取物细胞提取物) ) 如，常用的细细菌肉汤汤培养基 牛肉膏 3g 蛋白胨 5g 水 1000mL pH 7.27.4 牛肉膏牛肉膏瘦牛肉经过经过 加热热 浓缩浓缩 抽提的膏状物（主要作碳 源） 优点稳定、选择性稳定、选择性 缺点缺点很多细菌营养需 求较为复杂，配方获取较配方获取较 难难 52 类似物如酵母膏、麦芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉酵母膏、麦芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉 优优优优点点营营营营养丰富、配制容易养丰富、配制容易 缺点？缺点？ 质质量不稳稳定、选择选择 性差； 3 3）半合成）半合成 半不不纯纯纯纯 优优优优缺点介于前两者之缺点介于前两者之间间间间，因而，因而使用最广使用最广。 蛋白胨蛋白胨动植物蛋白（大豆或动物骨粉等）经初步酶 解形成的短肽（主要作氮源） 酵母膏 53 ( (三三) )根据培养基用途根据培养基用途 普通型、普通型、选择选择选择选择 型、型、鉴别鉴别鉴别鉴别 型型 普通普通普适普适 ？ 肉汤培养基 牛肉膏 3g 蛋白胨 5g 水 1000mL pH 7.27.4 1 1）选择性培养基）选择性培养基 选择性选择性？ 待选的细菌能优势生长待选的细菌能优势生长 有两种制备思路：有两种制备思路： 比谁长得快比谁长得快 比谁死得慢比谁死得慢 54 投毒法投毒法（“ “正考正考试试” ”） 常用物常用物质质质质为为为为染料、胆汁酸染料、胆汁酸盐盐盐盐、 金属金属盐类盐类盐类盐类 、酸、碱和抗生素。、酸、碱和抗生素。 例如欲分离古细菌古细菌，培养基中 通常加入青霉素青霉素（由于古细菌 的细胞壁不同于普通细菌，因 而不会被对破坏普通细菌细胞 壁结构的青霉素杀死），古细 菌就唯一分离并存活下来。 胆汁酸胆汁酸盐盐盐盐抑制革抑制革兰兰兰兰氏氏 阳性菌阳性菌 提问：提问：它能选择性生长那它能选择性生长那 种细菌？种细菌？ G