第四章 微生物的生长繁殖及其控制(1)

入胞 诱导酶
分解
细胞物质
NH4+ 入胞 细胞物质
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）
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
干物质
无机物（盐） 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。
◆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)
生理酸式盐和生理碱式盐
(NH4)2SO4 2NH4+ + SO42入胞 KNO3 NaNO3 NH4NO3 pH
K+（Na+）+ NO3入胞 pH
NH4+(先入胞)+ NO3-(后入胞)
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。
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。
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 细菌：
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 C/N比值= 氮源中所含的氮原子的mol数 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
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。
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% 。
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 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌
水分 （占细胞鲜重的%） 蛋白质 占 细 碳水化合物 胞 干 脂肪 重 的 核酸 % 无机盐
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
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 生物生长过程中能量的来源
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；
3.1
培养基的配制原则
3.1.1培养基组分应适合微生物的营养特点 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：
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
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：
无 C(?) 机 O 碳 C·
C· O· X
—
CO2 NaHCO3
—
CO2 NaHCO3、CaCO3、等
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。
微生物的氮源谱
类 型 有 机 氮 元素水平 化合物水平 培养基原料水平
N· C· H· O· X
复杂蛋白质、核酸等
牛肉膏、酵母膏、饼 粕粉、蚕蛹粉等
微生物的碳源谱
类 元素水平 型 C· H· O· N· X 有 机 C· H· O· N 碳 C· H· O C· H 化合物水平 复杂蛋白质、核酸等 培养基原料水平 牛肉膏、蛋白胨、花生饼 粉等
多数氨基酸、简单蛋 白质等
糖、有机酸、醇、脂 类等 烃类
一般氨基酸、明胶等
葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、 糖蜜等 天然气、石油及其不同馏 份、石蜡油等
尿素、蛋白胨、明胶 等 (NH4)2SO4等 KNO3等 空气
N· C· H· O N· H
尿素、一般氨基酸、简单蛋白 质等 NH3、铵盐等 硝酸盐等 N2
无 机 氮
N· O N
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
◆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
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：
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
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。
无机盐的生理功能
细胞内一般分子成分(如P，S， Ca，Mg，Fe等) 一般功能 维持渗透压 大量 生理调节物质 酶的激活剂 pH的稳定 元素
无 机 盐
化能自养菌的能源 (S 、 Fe2+ 、 NH4+、NO2-) 特殊功能 无氧呼吸时的氢受体 (NO3- 、 SO42-) 微量 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等） 元素 特殊分子结构成分（Co、Mo等）
微生物
异养 糖、醇、有机酸等 蛋白质及其降解 物、有机氮化物、 无机氮化物、氮 与碳源同 有些需要维生素等 生长因子 无机盐 水 自养 二氧化碳、碳酸盐等 无机氮化物、氮 氧化无机物或利用日 光能 不需要 无机盐 水
绿色植物 （自养）
二氧化碳
无机氮化物
利用日光能 不需要 无机盐 水
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