第四章 微生物的生长繁殖及其控制 1.1 微生物的营养要素1.1.1 微生物细胞的化学组成微生物细胞水：70%-90%干物质 有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等 及其降解产物无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”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。1、微生物营养1.1.2元素在细胞内存在形式：上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中：有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、 维生素及其降解产物. 无机物：1)参与有机物组成， 2)单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在. 水：约占细胞总重70%90%，以游离水和结合水两种形式存 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主要成分 细细菌 酵母菌 霉菌水分 7585 7080 8590 （占细细胞鲜鲜重的%）蛋白质质 5080 3275 1415 占 细细 碳水化合物 1228 2763 740胞 干 脂肪 520 215 440 重的 核酸 1020 6 8 1%无机盐盐 230 3.87 612微生物细胞的化学组成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。1.2 营养物质及其生理功能微生物与动植物营养要素的比较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1.2.1 1.2.1 碳源（碳源（Carbon sourceCarbon 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。类类 型元素水平 化合物水平 培养基原料水平有 机 碳CHONX复杂杂蛋白质质、核酸等牛肉膏、蛋白胨胨、花生饼饼 粉等CHON多数氨基酸、简单简单 蛋白 质质等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类类 等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、 糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏馏份 、石蜡油等无 机 碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等微生物的碳源谱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。1.2.2氮源（Nitrogen source ）：类类 型元素水平化合物水平培养基原料水平有 机 氮NCHOX复杂杂蛋白质质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼饼 粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单简单 蛋 白质质等尿素、蛋白胨胨、明胶 等无 机 氮NHNH3、铵盐铵盐 等(NH4)2SO4等NO硝酸盐盐等KNO3等NN2空气微生物的氮源谱硝酸盐NO3 NH4+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的 鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫 迟效氮源。无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。 铵 盐氨基酸入胞 细胞物质蛋白胨 豆 饼 蚕蛹粉分解 入胞 细胞物质诱导酶诱导酶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10-310-4mol/L） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （微生物生长所需浓度在 10-610-8mol/L）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。无机盐的生理功能无 机 盐大量 元素微量 元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等） 特殊分子结构成分（Co、Mo等）维持渗透压 生理调节物质酶的激活剂 pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、 NH4+、NO2-) 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、 SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S， Ca，Mg，Fe等)生理酸式盐和生理碱式盐生理酸式盐和生理碱式盐(NH4)2SO42NH4+ + SO42-入胞pHK+（Na+）+ NO3-入胞pHKNO3 NaNO3NH4NO3NH4+(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。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生 物。 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根据微生物对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)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（7090） 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 异养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源光能营养型化能营养型光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长 光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养 化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物 化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如硫化氢 、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质 ，同时产生元素硫光能 CO2H2S CH2O+2S+H2O光合色素光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫 细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而 能使先能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。2.1光能自养型微生物2.2 光能异养型微生物 以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作为供氢体， 利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营 养类型。光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O光合色素 光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子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。 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+ +3O22NO2- +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 KcalS + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal铁细菌：氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO22Fe2+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CO2H2+ 1/2 O2 H2O + 56.7 Kcal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：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为 生长的碳源。寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生 体内获得生长所需要的营养物质。存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物 ，称为兼性腐生型或兼性寄生型。2.4 化能异养型微生物3.微生物培养基定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合 于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基 质（混合养料）。 特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营 养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭 菌。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：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30 分钟某些成分进行分别灭菌；过滤除菌；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：细菌： 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定。3.1