微生物学重点课件知识整理第三章之后梵游版适合直接打印复习.docx

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第三章

微生物的营养与生长

从生物学的观点来看，微生物活细胞是个新陈代谢的动力系统，它从环境不断地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现生长和繁殖，同时排出“废物”。

笫一节微生物的营养

•营养物质nutriment：

微生物在生命活动中从环境中吸取的用以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的物质。

在发酵工业上也包括用于合成产物。

•营养（过程）nutrition：

微生物吸收和利用营养物质的过程。

一、微生物的营养类型

（一）、微生物营养类型的分类

分类标准

营养类型

能源

光能营养型phototroph

化能营养型chemotroph

碳源

自养型autotroph

异养型heterotroph

分类标准

营养类型

氢供体

无机营养型lithotroph

有机营养型organotroph

生长因子

原养型（prototroph）/野生型（wildtype）

营养缺陷型auxotroph

合成氨基酸能力

氨基酸自养型aminoacidautotroph

氨基酸异养型aminoacidheterotroph

取食方式

渗透营养型osmotroph

吞噬营养型phagotroph

取得死或活有机物

腐生saproghytism

寄生parasitism

（二）、微生物的营养类型

1.光能无机营养型photolithotroph

源：

光

主要碳源：

CO2

供氢体：

H2S、Na2S2O3

2.光能有机营养型photoorganotroph

能源：

光；

主要碳源：

有机物，但可以将CO2还原成细胞物质;

供氢体：

有机物

3.化能无机营养型chemolithotroph

•能源：

无机物，NH3，NO2，H2，H2S，S等

主要碳源：

CO2

电子供体：

无机物

4.化能有机营养型chemoorganotroph

●能源：

有机物

主要碳源：

有机物

例：

大部分种类的微生物，工业用菌种多为此类

微生物的营养类型

营养类型

能源

氢供体

基本碳源

实例

光能无机营养型

（光能自养型）

光

无机物

CO2

紫硫细菌、绿硫细菌、藻类

光能有机营养型

（光能异养型）

光

有机物

CO2及简单有机物

红螺细菌

化能无机营养型

（化能自养型）

无机物

无机物

CO2

硝化细菌、硫化细菌

化能有机营养型

（化能异养型）

有机物

有机物

有机物

绝大多数细菌和全部真核微生物

二.微生物的营养物质

（一）、微生物细胞的化学组成

1、元素组成：

C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo。

其中C、H、O、N、P占细胞干重的97%。

2、物质组成

Ø水：

约占细胞湿重的90%。

Ø有机物：

主要有蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。

Ø无机盐：

灰分元素是指参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中的元素。

3．影响微生物细胞化学组成的因素

微生物的种类：

硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多

菌龄：

幼龄菌中含氮量较高。

Ø培养条件：

在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。

（二）重要营养物质的作用

1、水水的生理功能

•细胞的重要组分

•微生物进行代谢活动的介质

•参与部分生化反应

•调节和控制细胞温度

v环境中水的存在状态

•结合水：

与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水；

•游离水：

可以被微生物所利用的水

v水活度wateractivityaw=p/p0

v微生物生长要求：

aw=0.63~0.99

2.碳源carbonsource

v凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。

v生理功能

提供C元素提供能量

v碳源物质

有机碳化物无机碳化物

微生物的碳源谱

类型

元素水平

化合物水平

培养基原料水平

有机碳

C·H·O·N·X

复杂蛋白质、核酸等

牛肉膏、蛋白胨、豆饼粉等

C·H·O·N

多数氨基酸、简单蛋白质等

一般氨基酸、明胶等

C·H·O

糖、有机酸、醇、脂类等

葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等

C·H

烃类

天然气、石油及其不同馏分、石蜡油等

无机碳

C（?

）

---

---

C·O

C02

CO2

C·O·N·

NaCO3、CaCO3等

NaCO3、CaCO3、白垩等

3.氮源nitrogensourc

凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源

是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量氮源的种类无机氮、有机氮、气体氮

微生物的氮源谱

类型

元素水平

化合物水平

培养基原料水平

有机氮

N·C·H·O·X

复杂蛋白质、核酸等

牛肉膏、酵母膏、豆饼粉、蚕蛹等

N·C·H·O

尿素、多数氨基酸、简单蛋白质等

尿素、蛋白胨、明胶等

无机氮

N·H

NH3、铵盐等

（NH4）2SO4等

N·O

硝酸盐等

KNO3等

N

N2

空气

•速效性氮源

能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。

•迟效性氮源

不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源

•生理酸性盐

由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH下降的盐。

如（NH4）2SO4

•生理碱性盐

由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH上升的盐。

如NaNO3

4.无机盐类mineralsalts

•生理功能

参与细胞结构物质的组成；

参与酶的组成及调节酶的活性；

参与能量转移；

调节并维持细胞渗透压的平衡；

作为某些微生物的能源物质

无机盐的功能

无机盐一般采用的浓度范围

5.生长因子growthfactor

•生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物质。

•种类

维生素、氨基酸、碱基

•需要量

维生素：

1—50ug/L

氨基酸：

20—50ug/L

碱基：

10—20ug/L

核苷或核苷酸：

200—2000ug/L

菌种生长因子

丙酮丁醇梭菌对氨基苯甲酸

德氏乳杆菌酪氨酸、胸腺核苷

干酪乳杆菌生物素、麻黄素

粪链球菌叶酸、精氨酸

肠膜明串珠菌吡哆醛

金黄色葡萄球菌硫胺素

•向培养基中添加生长因子的措施

Ø直接添加

Ø添加富含生长因子的物质

酵母膏，玉米浆，肝浸汁，麦芽汁

6、能源energysource

Ø能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能

Ø能源谱

化学物质：

有机物无机物

辐射能：

太阳光能

四、培养基medium

人工配制的含有营养物质的供微生物生长繁殖或积累代谢产物的基质

1.培养基的基本要素

Ø营养物质及配比

Ø水活度：

实际上是控制好培养基中可溶物质的浓度。

ØpH值

Ø培养基的物理状态

Ø灭菌条件

2.培养基的种类

Ø根据所用营养物质的来源分类

•天然培养基complexmedium；undefinedmedium

利用化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物质制成的培养基。

如：

实验室用的麦汁培养基

马铃薯浸汁培养基

大生产用山芋干粉糖化醪

•合成培养基syntheticmedium，definedmedium

利用化学成分完全了解的高纯化学试剂制成的培养基。

如：

培养霉菌用的察氏培养基（g/L）

NaNO32

K2HPO41

KCl0.5

MgSO4·7H2O0.5

FeSO4·7H2O0.01

蔗糖30

琼脂20

pH自然

•半合成培养基semi-syntheticmedium

由部分天然有机物和部分化学试剂制成的培养基。

如：

LB培养基（g/L）：

Tryptone10

YeastExtract5

NaCl10

pH7.2

一些营养物质的来源与成分

根据培养基的物理状态分类

•液体培养基liquidmedium

呈液体状态的培养基

•固体培养基solidmedium

外观呈固体状态的培养基

•半固体培养基semi-solidmedium

呈当容器倒放时不致流下、但在剧烈振荡后则能破散状态的凝固性固体培养基。

琼脂的加量为0.5%左右。

按照培养基的特殊用途分类

•加富培养基enrichedmedium

为分离某种微生物而专门设计，加入了助长该类微生物的营养物质的培养基。

•选择培养基selectedmedium

加入了某种化学物质以抑制不需要的菌的生长,从而促进目的菌生长的培养基。

•鉴别培养基differentialmedium

添加了某种试剂或化学药品而对特定的微生物起鉴别作用的培养基。

•种子培养基seedmedium

培养发酵用的健壮的种子的培养基。

•发酵培养基fermentationmedium

用于合成某种预定的发酵的培养基。

•繁殖和保藏培养基

细菌：

营养琼脂、LB培养基

放线菌：

马铃薯培养基，高氏一号培养基

酵母：

麦汁培养基，YEPD培养基

霉菌：

麦汁培养基、察氏培养基

•基础培养基：

几种相似培养基的共同部分

3.实验培养基配制注意点

Ø营养成分

•易沉淀组分：

磷酸盐与钙镁离子，要考虑分开灭菌；

•微量组分：

生长因子和微量元素，量少，可以配母液加入；

•营养物质浓度适当

ØpH值

Ø灭菌

五.营养物质的跨膜输送

Ø微生物是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。

•扩散：

顺浓度梯度的运输方式，包括简单扩散；促进扩散；

•主动输送：

营养物质逆浓度梯度，由稀处向浓处运输并在细胞内富集的过程。

包括主动运输；基团转位

1.简单扩散simplediffusion

无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。

Ø特点：

输送动力：

浓度梯度

输送方向：

顺浓度梯度

输送物质：

水、气体、脂溶性物质、极性小的分子

输送机制：

通过亲水小孔或脂双分子层。

影响因素：

分子大小、溶解性、极性和环境温度等

2、促进扩散facilitateddiffusion

Ø在特异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。

Ø特点：

输送动力：

浓度梯度

输送方向：

顺浓度梯度

载体蛋白：

需要，具有特异性

输送物质：

极性大的分子，真核微生物对糖的吸收。

输送机制：

被输送的物质与相应的载体之间存在一种

亲和力。

3、主动运输activetransport

Ø在消耗能量的同时，实现溶质在细胞内的浓缩，而没有任何化学变化发生的输送机制。

•特点：

输送动力：

代谢能量

输送方向：

逆浓度梯度

载体蛋白：

需要，具有特异性

输送物质：

氨基酸、某些糖、H+、Na+、K+等。

输送机制：

代谢能量改变底物与载体间的结合力。

4、基团移位grouptranslocation

•被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制

•特点：

输送动力：

代谢能量,PEP上的高能磷酸键

输送方向：

逆浓度梯度

载体蛋白：

磷酸转移酶系统

输送物质：

E.coli对Glucose等的吸收，

被输送物质的存在状态：

在细胞膜内磷酸化

输送机制：

存在特殊输送系统

四种物质运输方式的比较

第二节微生物的生长

生长：

个体体积的增大及细胞原生质总量的增加。

繁殖：

个体数量的增多。

群体生长：

包含了个体生长和繁殖

一、微生物个体细胞的生长

二.微生物生长的测定

可以根据菌体细胞量、菌体体积或质量直接测定，也可以根据某种细胞物质含量或某个代谢强度间接测定。

具体方法包括：

1.测定微生物总数

Ø直接计数法:

在显微镜下直接计细胞数

适用对象：

单细胞微生物或单孢子悬液

•酵母菌、霉菌孢子：

血球计数器

•细菌：

Petroff-Hausser或Helber计数器

电子自动计数法：

Coulter电子计数器

可测定细胞数、细胞大小分布；

适用：

单细胞微生物

原理：

细胞带负电荷，通过计数器时会形成电脉冲

比浊法：

◆原理：

微生物数量增加，会引起培养物浑浊度的增高。

◆适用：

单细胞微生物；形成菌丝体的微生物在充分匀浆的情况下可以用此方法

注意：

培养基中不含不溶物；避免培养基颜色变化对比浊的影响。

2.测定活菌数

Ø平板菌落计数法

原理：

一个菌落由一个微生物细胞繁殖而成

适用：

单细胞或单孢子菌悬液

方法：

梯度稀释后倾注平板或涂布平板

Ø薄膜过滤计数法

微孔滤膜：

硝化纤维素薄膜

适用：

量大、含菌浓度低的样品

方法：

抽滤后将薄膜放在培养基上培养

ØMPN（Mostprobablenumber）法

将样品作10倍系列稀释，接种液体试管，培养后记录出现生长的试管数，查表并计算

3.其他方法

Ø测定细胞物质的量

•测定细胞干重法

•DNA含量测定法

•测定细胞总含氮量法

Ø生理指标测定法

•某营养物质的消耗量：

耗氧量

•某一产物的形成量：

CO2生成量

•酶活测定

三、微生物群体生长规律

Ø细菌生长曲线：

将少量细菌接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中，在适宜条件下培养，定时取样测定细胞密度，以活细胞数的对数对培养时间所作出的曲线称为细菌的生长曲线。

Ø

包括：

✓延迟期

✓对数期

✓平衡期

✓衰退期

1.延迟期（lagphase调整期）

•活细胞数：

基本不变

•细胞生理特点：

分裂迟缓、代谢活跃

•出现的原因：

调整代谢，适应新环境

•影响因素：

菌种的遗传性；种龄；接种量；培养基组分及培养条件

•缩短措施：

2.对数期logphase/exponentialphase

•活细胞数：

呈几何级数增加

•细胞的生理特点：

细胞生长速率最大；细胞进行平衡生长；

酶系活跃，代谢旺盛

繁殖代数和世代时间x2=x1·2n

繁殖代数n=（lgx2-lgx1）/lg2

世代时间generationtimeG=lg2（t2-t1）/（lgx2-lgx1）

在最适条件下几种微生物的世代时间

3、平衡期stationaryphase

•活细胞数：

动态平衡

•出现原因：

营养物质的消耗；有生理毒性代谢产物的积累；环境条件（pH,氧化还原电位）的改变对细胞生长不利

•细胞生理特点：

分裂速度降低；活细胞数达到最大值；开始积累储藏物质；积累发酵产物；芽孢细菌产生芽孢

4、衰亡期declinephase/deathphase

•活细胞数：

逐渐下降

•细胞生理特点：

细胞内颗粒更加明显，出现液泡

细胞出现异常形态

细胞死亡伴随自溶

（二）真菌的生长曲线

1、酵母菌的生长曲线：

与细菌相似

2、丝状真菌的生长曲线

三个时期各期特征

生长停滞期孢子萌发前的时期

迅速生长期菌丝伸长及分枝

衰退期菌丝体干重下降伴随自溶

四.微生物的培养

1.分批培养batchculture将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获的培养方法。

•摇瓶培养

•发酵罐培养

2.补料分批培养

•适用对象：

底物对菌体生长或产物形成具有抑制作用

•方法：

阶段式补料

连续补料----流加发酵

3.连续培养continuousculture

当微生物以分批培养的方式培养到对数期后，向培养器中不断补充新鲜营养物质，并以同样速度排出培养物，使微生物的增殖速度及培养基中的总菌量保持不变的培养方法。

恒浊连续培养

不断调节流速而使培养液的浊度（菌体密度）保持恒定的连续培养方法

•反应器：

恒浊器（turbidostat）

•目的：

不断提供具有一定生理状态的细胞，

得到以最高生长速率进行生长的培养物。

•应用：

获得大量的菌体

获得与菌体生长相平衡的代谢产物。

恒化化连续培养

控制恒定的流速，使由于菌体生长而耗去的营养物及时得到补充；培养液中营养物浓度基本恒定，从而保持菌体的恒定生长速率的连续培养方法。

•反应器：

恒化器chemostat

•培养基：

含一种限制性因子，其它营养成分均过量

•限制性因子条件

菌体生长提供所必需的营养物质；在一定的浓度范围内，生长速率与其浓度呈正比关系。

•限制因子的种类

氨基酸，葡萄糖，生长因子，无机盐，……

Monod公式

连续培养处于稳定状态的条件

•D=F/V=m

F：

培养基流入（流出）培养器的速度（l/h）

V：

培养基中培养液的体积（l）

D：

稀释率，单位时间内单位体积的培养基中流入流出的量（h-1）

m：

比生长速率，单位时间内单位重量的微生物所形成的新的菌体的重量（h-1）

连续培养的稳定状态：

D=F/V=m

⏹当D=m时，处于稳定状态

⏹当D＜m时，m减小，但培养物中细胞密度加大。

⏹当D＞m时，m增大，但培养物中细胞密度减小。

当D＞mmax时，细胞被“洗出”，连续培养系统遭破坏

酒精发酵（D=0.05-0.1）

•连续发酵的优点

提高设备利用率；便于自动化控制；产品质量较稳定；节省人力、物力；水、电、气负荷均衡。

•连续发酵的缺点

菌种易退化；易污染杂菌；营养物质利用率低于分批发酵。

5.同步培养物

在同一时刻，所有的细胞都处于细胞周期中的同一阶段的培养物叫同步培养物。

获得同步培养物的方法

1、机械法

依据：

处于不同生长阶段的细胞的大小不同

•密度梯度离心分离法

•过滤分离法

2、调整生理条件的同步法----诱导法

•温度调整法：

亚适温度/最适温度

•营养条件调整法：

营养丰富培养基/无N培养基

•用最高稳定期细胞接种

•诱导芽孢或孢子萌发

•抑制DNA合成

•抑制蛋白质合成

第三节菌体生长与发酵产物生成

一.细胞的生长和产物的得率

•得率系数：

表示消耗单位重量的营养物质所形成的细胞量或产物的数量。

•碳源消耗：

细胞合成、产物合成、细胞维持

•乙醇发酵：

葡萄糖理论转化率：

2mol乙醇/mol葡萄糖

实际转化率：

90~95%

二.营养消耗及产物形成

•发酵产物的类型及其发酵特点

偶联型、部分偶联型、非偶联型

•划分的依据：

发酵产物形成的速度和菌体生长速度之间的关系。

Ⅰ.与生长偶联的产物的生物合成

•代谢产物的积累与菌体生长平行

•产物生成的速率为：

dp/dt=mX*Yp/c

•产物生成的比速率：

qp=dp/Xdt=m*Yp/c

式中Yp/c：

每克细胞的产物克数（g产物/g细胞）

•产物：

菌体类：

酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌

糖类厌氧发酵：

酒精发酵

Ⅱ.与生长部分偶联的产物的生物合成

•发酵特点

菌体生长一段时间后产物才开始合成，合成速率与生长速率有一段平行期，生长速率减低或停止后产物继续较快合成。

•产物生成速率为:

dp/dt=adX/dt+bX

•产物生成的比速率：

qp=am+b

Ⅲ.不与生长偶联的产物的生物合成

•发酵特点：

菌体生长速度减低或停止后产物较快合成

•产物生成的速率

dp/dt=bX

•产物生成的比速率：

qp=b

•次级代谢产物的合成

大多数抗生素、微生物毒素

第四章微生物的代谢

与调节及其人工控制

恒化化连续培养

控制恒定的流速，使由于菌体生长而耗去的营养物及时得到补充；培养液中营养物浓度基本恒定，从而保持菌体的恒定生长速率的连续培养方法。

•反应器：

恒化器chemostat

•培养基：

含一种限制性因子，其它营养成分均过量

•限制性因子条件

菌体生长提供所必需的营养物质；在一定的浓度范围内，生长速率与其浓度呈正比关系。

•限制因子的种类

氨基酸，葡萄糖，生长因子，无机盐，……

Monod公式

连续培养处于稳定状态的条件

•D=F/V=m

F：

培养基流入（流出）培养器的速度（l/h）

V：

培养基中培养液的体积（l）

D：

稀释率，单位时间内单位体积的培养基中流入流出的量（h-1）

m：

比生长速率，单位时间内单位重量的微生物所形成的新的菌体的重量（h-1）

连续培养的稳定状态：

D=F/V=m

⏹当D=m时，处于稳定状态

⏹当D＜m时，m减小，但培养物中细胞密度加大。

⏹当D＞m时，m增大，但培养物中细胞密度减小。

当D＞mmax时，细胞被“洗出”，连续培养系统遭破坏

酒精发酵（D=0.05-0.1）

•连续发酵的优点

提高设备利用率；便于自动化控制；产品质量较稳定；节省人力、物力；水、电、气负荷均衡。

•连续发酵的缺点

菌种易退化；易污染杂菌；营养物质利用率低于分批发酵。

5.同步培养物

在同一时刻，所有的细胞都处于细胞周期中的同一阶段的培养物叫同步培养物。

获得同步培养物的方法

1、机械法

依据：

处于不同生长阶段的细胞的大小不同

•密度梯度离心分离法

•过滤分离法

2、调整生理条件的同步法----诱导法

•温度调整法：

亚适温度/最适温度

•营养条件调整法：

营养丰富培养基/无N培养基

•用最高稳定期细胞接种

•诱导芽孢或孢子萌发

•抑制DNA合成

•抑制蛋白质合成

第三节菌体生长与发酵产物生成

一.细胞的生长和产物的得率

•得率系数：

表示消耗单位重量的营养物质所形成的细胞量或产物的数量。

•碳源消耗：

细胞合成、产物合成、细胞维持

•乙醇发酵：

葡萄糖理论转化率：

2mol乙醇/mol葡萄糖

实际转化率：

90~95%

二.营养消耗及产物形成

•发酵产物的类型及其发酵特点

偶联型、部分偶联型、非偶联型

•划分的依据：

发酵产物形成的速度和菌体生长速度之间的关系。

Ⅰ.与生长偶联的产物的生物合成

•代谢产物的积累与菌体生长平行

•产物生成的速率为：

dp/dt=mX*Yp/c

•产物生成的比速率：

qp=dp/Xdt=m*Yp/c

式中Yp/c：

每克细胞的产物克数（g产物/g细胞）

•产物：

菌体类：

酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌

糖类厌氧发酵：

酒精发酵

Ⅱ.与生长部分偶联的产物的生物合成

•发酵特点

菌体生长一段时间后产物才开始合成，合成速率与生长速率有一段平行期，生长速率减低或停止后产物继续较快合成。

•产物生成速率为:

dp/dt=adX/dt