微生物的营养与生长

第二节 微生物的生长
主要内容： 微生物的个体生长 微生物群体生长 环境因素对微生物生长的影响及其原理
一、微生物生长的概念及其测定 1 、生长
单细胞生物有机体细胞组分和结构在量的方面的增加。
繁殖
单细胞生物细胞数目的增多；多细胞生物通过形成有性、无性孢子使个体数目增多.
发育
从生长到繁殖，是生物的构造和机能从简单到复杂、从量变到质变的发展过程，这一过 程称为发育。
工业应用：获取大量菌体或代谢产物。可以通过补 料或调节pH值延长此时期。
4、衰亡期（declined phase） 生长出现负增长，即新生细胞数＜死亡的细胞数，
现象：形态多样，如菌体畸形等；有的微生物 出现自溶；有的微生物开始产生或放出对 人类有用的抗生素等次生代谢物。
原因：生活环境越来越不利。 研究的意义：预测达到的菌数，了解不同时期
1、延迟期（lag phase）： 特点： 数目几乎不增加，或稍有减少，但细胞体积增长较快，代谢活跃，细胞内物质增加， 对外界抗性下降。 原因：调整代谢以适应新的环境条件，合成诱导酶，积累必要的中间产物等 影响延迟期长短的因素： 菌种：繁殖速度较快的菌种的延迟期一般较短； 接种物菌龄：用对数生长期的菌种接种时，其延迟期较短，甚至检查不到延迟期； 接种量：一般来说，接种量增大可缩短甚至消除延迟期 培养基成分：在营养成分丰富的天然培养基上生长的延迟期比在合成培养基上生 长时间短；接种后培养基成分有较大变化时，会使延迟期加长，所以发酵工业上尽量使 发酵培养基的成分与种子培养基接近。 缩短延迟期的措施： 增加接种量 采用最适菌龄 加入某些成分 选育繁殖快的菌种
二、微生物的生长曲线及在食品工业中应用 微生物群体生长 细菌纯培养群体生长规律
将少量单细胞纯培养接种到恒定容积的液体培养基中培养，定时取样计数，以培养时 间为横坐标，细菌数的对数为纵坐标所绘制出的曲线，叫群体生长曲线。 实际上是繁殖曲线。从群体研究上反映个体的状况。
细菌纯培养群体生长规律 1、延迟期 （lag phase） 2、对数生长期 （log phase, expotential phase） 3、稳定期 （stationary phase） 4、衰亡期 （declined phase）
干物质：
有机元素：C（50%）、H、
O（30%）、N（10-13%）
有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物
无机元素：常量元素：P、K、Ca、Mg、 Fe、
痕量元素：Cu、Zn、B、Mo
无机物：⑴ 参与有机物组成
⑵单独存在于细胞质内以无机盐的形
式存在。
二、微生物所需营养物质及其生理作用 营养物质：为生物自身合成、产生能量 以及在代谢中起调节作用的物质。 营养：机体吸收、利用营养物质的过程。
供氢体：还原பைடு நூலகம்无机化合物
碳源： CO2 。
例1：蓝细菌：H2O + CO2——（CH2O）+O2
供氢体 碳源
产氧型光合作用
例2：绿硫细菌、紫硫细菌： HN2aSS2+OC3+OC2 O—2—+ （H2COH—2O—）（+CHH2O2O+）S
+Na2SO4+H2SO4 碳源 供氢体
细胞内或外积累硫，非产氧型光合作用
4、生长因子；
微生物生长必不可少的微量有机物。如维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶。
①、维生素：多为酶的组分如硫胺素（B1）、核黄素（B2，FMN的前体）；烟酸（NAD 的前体）；吡哆醇（B6，转氨酶辅基）泛酸、生物素。
②、氨基酸：微生物合成氨基酸的能力随种类而不同。如大肠杆菌可合成全部；鼠伤寒沙 门氏菌Tyr— ；肠膜明串珠菌合成氨基酸的能力弱，需补充19种氨基酸。
根据营养成分，营养物质分为六种类型：
C源、N源、能源、生长因素、无机
盐、水分。
1、碳源：构成细胞物质及代谢产物中碳素来源的 物质。
作用：构成碳架来源与能源,约占细胞干物 质的50%。
种类：有机含碳化合物：糖、醇类、有机酸类。 碳氢化合物：CH4、石油及其产物 无机含碳化合物：CO2、碳酸盐类、CN—
微生物的营养与生长
主要内容： 微生物所需营养物质及其生理作用 微生物的营养类型及特点 微生物对营养物质的吸收方式、特点 微生物生长的概念及其测定 微生物的生长曲线及在食品工业中应用 环境因子对微生物生长繁殖的影响 微生物的培养基、培养方法与设备
第一节 微生物的营养
一、微生物细胞的化学成分
水：70-90%
3、稳定期（stationary phase）： ① 现象：积累代谢产物，生长维持，细胞总量最大。 ② 原因： A：营养尤其是生长因子消耗； B：营养物比例失调（如C/N比）； C：酸，醇、毒素等有害代谢产物积累； D：pH、氧化还原电位等物化条件越来越不适宜
③ 特点： A：增长速率常数R值为0，即死亡细胞数=新生 的细胞数； B：细胞中开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等； C：开始形成芽孢，合成抗生素等次生代谢产物。
个体生长 → 个体繁殖 → 群体生长
群体生长 = 个体生长+个体繁殖
2、微生物计数法： ⑴、 直接计数
计数器计数：
血球计数板 细菌计数板 比例计数：
菌液 + 血液（血液细胞数恒定，男400万—500万/mL,女350—400万/mL。 电子自动计数器： 比浊法：浓度与吸光度成正比。 细胞干重：菌丝过滤 测体积
氨基酸异养型微生物：须从外界吸收现成的AA 作为氮源的微生物。
不论哪种状态的氮化物，都要首先转化成 NH3再与有机酸结合转化成氨基酸。
3、矿素 种类：大量元素：P、S、 K、Mg、Ca、Fe...95% 微量元素：Zn、Mo、 功能： 1、构成细胞的各种成分如：Mg：叶绿素的辅因 子；Ca ：蛋白酶、淀粉酶的辅因子；构成芽孢。 2、调节细胞的渗透压、pH、氧化还原电位 3、能源：Fe、S等作为自养微生物的能源。
直接计数: 血球计数板法 二、微生物生长的测定——群体生长
⑵、间接计数 ：平皿菌落计数
⑶、测定物质含量 测定含氮量： 蛋白质=N% × 6.25 测定含碳量： 生理指标： 磷、DNA、RNA、ATP和 N–乙酰胞壁酸等的含 量，以及产酸、产气、产CO2（用标记葡萄糖作 基质）、耗氧、粘度和产热等指标，均可用于 生长量的测定。
微生物需要的aw值为0.63~0.99。 细菌、酵母菌﹥霉菌﹥盐细菌﹥耐旱
真菌
三、微生物的营养类型及特点
划分依据：碳源、供氢体、能源 根据碳源和供氢体的不同
可分为 有机营养型 无机营养型；
根据能源的不同 可分为 化能营养型 光能营养型。
1、光能无机营养型
能源：光。具光合色素；叶绿素（蓝细菌）或
菌绿素（光合细菌），光合磷酸化产生ATP。
例2：可用于细菌冶金：浸贫、尾矿，回收重金属如Cu
原理：S+O2 + FeSO4——H2SO4 + E 氧化硫硫杆菌 H2SO4 + O2 + FeSO4——Fe2(SO4)3 + H2O 氧化铁硫杆菌 CuS(辉铜矿) + Fe2(SO4)3——CuSO4 + FeSO4 + S CuSO4 + Fe(废铁)——Cu + FeSO4
化能自养型 光能自养型
二氧化碳、碳 酸盐等
光能自养型
二氧化碳、碳 酸盐等
氮源
蛋白质及其降解 产物
蛋白质及降解 物、有机无机 氮化物
无机氮化物
无机氮化物
能源 生长因子
与碳源同 维生素
有机碳源或光 能
氧化无机物或 利用光能
光能
部分需要
不需要
不需要
无机元素
无机盐
无机盐
无机盐
无机盐
四、微生物对营养物质的吸收方式、特点 1、 简单扩散( simple diffusion )，一种物理扩散。 动力：细胞膜两侧的浓度差。 能量：不需。 载体：不需。 例：CO2 、气体、水、小分子脂溶性、水溶性 物质。大肠杆菌对Na+的吸收。
2、促进扩散（facilitated diffusion） 特点：不耗能，浓度差为动力， 顺浓度梯度。 有特异性，需载体参与。
例：真核微生物运送糖。分别有葡 萄糖载体、亮氨酸载体、异亮 氨酸载体。
3、主动运输（active transport） 特点：需能，可逆浓度梯度运送物质 需要载体 运送前后底物无化学变化
Van Niel 通式：CO2+H2A——[CH2O]+H2O+A
2、光能有机营养型 能源：光 碳源：二氧化碳或简单有机化合物 供氢体：有机化合物
例：红螺菌： CO2 +异丙醇——[CH2O]+丙酮+H2O 可利用净化有机废水，生产SCP。
3、化能无机营养型 氢细菌、铁细菌、硫化细菌、硝化细菌等 能源：还原态无机物氧化：NH3、NO2、H2、H2S 、S、 S2O3-、Fe2+等。 碳源：CO2、CO32+ 供氢体：无机化合物 例1：氧化亚铁硫杆菌：Fe2+—— Fe3+ + e + E
上述四大类型划分不是绝对的，有许多中间类型： 红螺菌：光能异养：有光，无氧时。 化能异养：无光，无氧时。
微生物和动物、植物营养物质的比较
生物型
动物
微生物
植物
异养
自养
营养类型 碳源
化能异养型
化能异养型 光能异养型
糖 、 脂 、 糖 、 醇 、 有机碳化物 有 机 酸 、 蛋 白 质 CO2 及降解产物
2、氮源： 作用：构成细胞物质及代谢产物中氮素来源的 物质。主要用于组成菌体的含氮物质，少 数可作为能量（硝化细菌）。 种类：N2——NH3 固氮菌。 有机氮源：蛋白质（迟效氮源） 、氨基酸 无机氮源：NO3、NH4等。（速效氮源）
氨基酸自养型微生物：利用非AA类的简单氮源 （尿素、NH4+、NO3- ）自行合成所需要的 一切AA。
设n=分裂的代数；t0时细胞数x;t1时细胞数y. 则 G=（t1—t0）/n Y=2n×X G=（T1—T0）/3.3(lgy-lgx)
② 意义：是生理代谢及遗传研究或进行染色、形态观察的好材料。 作为发酵种子接种，可以缩短延迟期。 发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度。 食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期。 影响代时的因素： A：菌种； B：营养成分； C：营养物浓度（影响速率与总生长量） D：培养温度。
2、对数生长期（log phase, expotential phase）： ① 细菌特点：数以几何级数增加， A：增长速率常数R值最大，代时短； B：细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均衡； C；酶系活跃，代谢旺盛。 代时：（generation time，G）单个细胞完成一次分裂 所需时间。
例3：氢细菌：H2 + 1/2 O2 —— H2O + 56.2kcal 例4：铁细菌：
2Fe+1/4 O2 +2H+——2Fe+1/2 H2O+10.6kcal pH=0 1kcal pH=7
4、化能异养型： 碳源、能源、供氢体均为有机物 必须以适宜的有机物为养料，大多数微生物 为此类。分腐生、寄生、专性寄生、兼性寄 生四种。
3、微生物个体生长的测定： ⑴、电子显微镜观察 ⑵、同步生长： 培养基中的所有细菌处于细胞分裂的相同阶段。 获取方法： ①、诱导法：控制温度、营养、或加抑制剂使细 胞同时开始生长。 ②、选择法： 滤膜过滤，密度梯度离心，硝酸纤 维素培养，等。 意义；使群体中所有细胞尽可能处于同样的细胞生长和分裂周期中。从群体研究水平 研究个体细胞的变化。
③、碱基：核酸和辅酶的成分。
5 、水：占细胞鲜重的70~90% 功能：①构成细胞组分 ②生化反应的介质 ③溶剂 ④热导体 ⑤维持细胞渗透压 水分：自由水：能够被利用的水 束缚水：与溶质结合构成细胞结构的 水，不能被利用进行生命活动。
水分活度：在相同温度和压力下溶质的蒸 汽压与 纯水的饱和蒸汽压之比： aw=P溶质/P0
例：大肠杆菌运送乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、氨基酸、K+（使膜内[K+]=300膜外[K+]
4、基团转位（group translocation）
特点：需能、逆浓度梯度，需载体，被运输底物运
送前后发生化学变化。
例：磷酸转移酶系统（PTS）对营养的吸收。
1、 系统组成：
E1,E3：非特异性，细胞质内 E2：诱导酶，特异性。如E2Glu Hpr（heat stable protein） 2、 过程：PEP+Hpr——P-Hpr+丙酮酸（胞内，E1） 糖+E2——糖-E2（膜上） P-Hpr+糖-E2——糖-P+Hpr+E2(膜内侧，糖-P进入质) 磷酸化后，细胞膜对底物不再渗透，防止流出胞外。