Chapter 5 Microbial Nutrition and Growth

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1 Chapter 5 Microbial Nutrition and Growth
第五章 微生物的营养与生长 Chapter 5 Microbial Nutrition and Growth

2 什么是营养？生长？ 营养(nutrition)：机体吸收、利用营养物质的过程。
营养物质(nutrient)：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。 微生物的营养 (nutrition) 是微生物生理学的重要研究领域，阐明营养物质在微生物生命活动过程中的生理功能以及微生物细胞从外界环境摄取营养物质的具体机制。 生长：微生物在适宜外界环境下，不断吸收营养物质并按自身代谢方式进行新陈代谢，如同化作用大于异化作用，其结果是原生质的总量不断增加，称为微生物的生长现象。

3 主要内容 第一节 微生物的营养 第二节 微生物的生长 一、微生物细胞的化学组成 二、微生物的六大营养素 三、微生物的营养类型
第一节 微生物的营养 一、微生物细胞的化学组成 二、微生物的六大营养素 三、微生物的营养类型 四、营养物质进入菌细胞的方式 五、培养基 第二节 微生物的生长 一、微生物生长量的测定方式 二、微生物的群体生长规律 三、影响微生物生长的因素 四、有害微生物的控制

4 第一节 微生物营养 一、微生物细胞的化学组成 （一）化学元素(chemical element): 元素 细菌 酵母菌 霉菌
第一节 微生物营养 一、微生物细胞的化学组成 （一）化学元素(chemical element): 大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。 微量元素(trace element): 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍 、硼。 元素 细菌 酵母菌 霉菌 碳 氮 氢 氧 磷 — — 硫 — — 微生物细胞中几种主要元素的含量（干重％）

5 （二）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： 1.有机物：蛋白质/糖/脂类/核酸/维生素及其降解产物.
2.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. 3.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% 。 水：以游离水和结合水两种形式存在， （约占细胞总重70%～90%） 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% 。如芽孢、 孢子中.

6 （三）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。 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌
微生物细胞的化学组成 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌 水分 ~ ~ ~90 （占细胞鲜重的%） 蛋白质 ~ ~ ~15 占 细 碳水化合物 ~ ~ ~40 胞 干 脂肪 ~ ~ ~40 重 的 核酸 ~ ~ % 无机盐 ~ ~ ~12

7 从营养要素水平看，微生物的营养与摄食型的动物和光合自养型的植物非常相似，他们存在营养上的统一性。
二、微生物的六大营养素 从营养要素水平看，微生物的营养与摄食型的动物和光合自养型的植物非常相似，他们存在营养上的统一性。 碳源 水 氮源 微生物六大营养素 能源 无机盐 生长因子

8 Compare of Microbes to Animal or Plants

9 （一）、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（碳源谱来看） 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。 在碳源物质中糖类是一般微生物最广泛利用的碳源，其次是醇类、有机酸和脂类等。在糖类中，单糖胜于双糖和多糖。 目前在发酵工业中用做碳源的物质主要是糖类物质，即单糖、饴糖、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）、麸皮、各种米糠等。另外，国内外开展了以纤维素、石油、CO2和 H2等作为碳源与能源来培养微生物的代粮发酵的科学研究. 目前已能利用石油或石油产品作为碳源来生产氨基酸、维生素、辅酶、有机酸、核苷酸、抗生素与酶制剂等各种有用产品，利用纤维素的研究一直报道很多。 另外有些有毒的含碳物质如氰化物、酚等也能被某些细菌分解与利用，可以利用这类细菌来处理它们，主要在环保上应用。 微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。

10 对异养型微生物来说最适宜碳源为C~H~O型 ？表示假设类型，目前并未发现单纯碳元素可作为微生物碳源
微生物的碳源谱 X表示出CHNO以外的任何元素 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、花生饼粉等 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、石油及其不同馏份、石蜡油等 无机碳 C(?) — C·O CO2 C·O·X NaHCO3 NaHCO3、CaCO3、等 对异养型微生物来说最适宜碳源为C~H~O型 ？表示假设类型，目前并未发现单纯碳元素可作为微生物碳源

11 微生物工业发酵中用做碳源的原料 对异养型微生物来说其碳源同时也是能源，此时为双功能营养物 传统种类：糖类（单糖，饴糖）
淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物 淀粉、马铃薯、甘薯等） 麸皮 各种米糠等 代粮发酵：纤维素、石油、CO2、CH4 常用碳源 实验室： 葡萄糖 蔗糖 淀粉 甘露醇 等 发酵工业： 玉米粉 米糠 麸皮 糖蜜

12 可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有:
微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。 可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有: 碳水化合物及其衍生物：19种 脂肪酸：11种 二羧酸：9种 其它有机酸：12种 伯醇：3种 氨基酸：12种 其它氮化合物：13种 无氮环状化合物：9种 微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。 微生物利用碳源物质具有选择性。 不同种类微生物利用碳源物质的能力也有差别。

13 （二）氮源（Nitrogen source ）：
定义：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/氨/N2等； 有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、尿素、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。 以蛋白质形式存在的氮源不能被微生物直接吸收利用，必须通过微生物分泌的胞外蛋白水解酶将蛋白质分解之后才能被利用。在黄豆饼粉、花生饼粉里所含的氮则主要是以蛋白质的形式存在，这种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。 而无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源叫做速效氮源，例如硫酸铵中的氮以还原态氮形式存在，可以直接被菌体吸收利用，蛋白质的降解产物特别是氨基酸直接可以通过转氨作用等方式被机体利用。 速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。在工业发酵过程中，往往是将速效氮源与迟效氮源按一定的比例制成混合氮源加到培养基里，以控制微生物的生长时期与代谢产物形成期的长短，达到提高产量的目的。 速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。在工业发酵过程中，往往是将速效氮源与迟效氮源按一定的比例制成混合氮源加到培养基里，以控制微生物的生长时期与代谢产物形成期的长短，达到提高产量的目的

14 异养型微生物利用氮源顺序：NCHO/NCHOX优于NH优于NO优于N
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、饼粕粉、蚕蛹粉等 N·C·H·O 尿素、一般氨基酸、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 异养型微生物利用氮源顺序：NCHO/NCHOX优于NH优于NO优于N 微生物利用的氮源 实验室： 　　铵盐 　硝酸盐 　 尿素 　蛋白胨 　牛肉膏 　　等 发酵工业： 　　　鱼粉 　　黄豆饼粉 　　蚕蛹粉 　　玉米浆 　　酵母粉 　　　等

15 Type of nitrogen source
空气中分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 （固氮菌、根瘤菌） 无机态氮：硝酸盐、铵盐多数微生物能利用 ，这类能把非氨基酸的简单氮源自行合成所需要的氨基酸，可称氨基酸自养型微生物。 有机态氮：蛋白质及其降解产物。多数寄生性和腐生性微生物需要有机氮化合物为必需的氮素营养，这类微生物称氨基酸异养型微生物。 动物和大量异养微生物是氨基酸异养型；绿色植物和很多微生物都是氨基酸自养型，应利用更多微生物转化无机氮（SCP signal cell protion 医药面包饲料）

16 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。
实验室常用的无机氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母粉、酵母膏等。（速效氮源rapid impact nitrogen source ） 生产上常用的氮源：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。（迟效氮源Slow impact nitrogen source ） 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。 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。

17 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 诱导酶 迟效氮源 豆 饼 蚕蛹粉 ？ ★多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。 速效氮源：很快被微生物利用的物质，有利 于菌体生长. 如硫铵、玉米浆等。用于发酵前期。 迟效氮源：微生物利用速度较慢的物质，有 利于代谢物质形成。 如花生饼粉、黄豆饼粉等。用于发 酵后期。 以蛋白质形式存在的氮源不能被微生物直接吸收利用，必须通过微生物分泌的胞外蛋白水解酶将蛋白质分解之后才能被利用。在黄豆饼粉、花生饼粉里所含的氮则主要是以蛋白质的形式存在，这种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。 硝酸盐NO NH4+ 诱导酶 分解 入胞 细胞物质

18 生理酸性盐和生理碱性盐 以(NH4)2SO4 等铵盐为氮源培养微生物时,由于NH4+被吸收,会导致培养基pH下降,因而将其称为生理酸性盐;
以硝酸盐( 如KNO3 )为氮源培养微生物时,由于NO3-被吸收,会导致培养基pH升高,因而将其称为生理碱性盐。 为避免培养基pH变化对微生物生长造成不利影响,需要在培养基中加入缓冲物质。

19 化能自养型微生物：硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等利用无机物质作为能源
三、能源（energy source ） 定义：能源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。 化能自养型微生物：硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等利用无机物质作为能源 能源谱 辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源 化学物质 有机物：化能异养微生物的能源 （同碳源） 无机物：化能自养微生物的能源 （不同于碳源）

20 （四）无机盐（inorganic salt）
定义：为微生物细胞生长必不可少的一类营养物质,它为机体提供必须的金属元素。 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） 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。 一般微生物生长所需要的、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。 功能：1、构成细胞结构无机盐有：硫酸盐、磷酸盐组分； 2、作为酶组分或活化剂； 3、参与能量传递或提供能源； 4、维持结构稳定性； 5、调节渗透压。 功能：构成微生物细胞的各种组分；作为酶的组成部分；维持酶的活性；调节并维持细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位；有些元素作为某些微生物生长的能源物质等。 

21 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 生理调节物质 酶的激活剂 大量 pH的稳定
元素 微量 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)

22 主要无机盐（矿素）的功能

23 无机元素的来源和功能 生理功能 锌：乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶等 锰：过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶等
钼：硝酸还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶等 硒：甘氨酸脱氢酶、甲酸脱氢酶等 钴：谷氨酸变位酶 铜：细胞色素氧化酶 钨：甲酸脱氢酶 镍：脲酶

24 （五）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。 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。广义地包括：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶缄及其衍生物、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、一些脂肪酸等。狭义地仅指维生素。 Growth Factors This simplified scheme for use of carbon, either organic carbon or CO2, ignores the possibility that an organism, whether it is an autotroph or a heterotroph, may require small amounts of certain organic compounds for growth because they are essential substances that the organism is unable to synthesize from available nutrients. Such compounds are called growth factors. Growth factors are required in small amounts by cells because they fulfill specific roles in biosynthesis. The need for a growth factor results from either a blocked or missing metabolic pathway in the cells. Growth factors are organized into three categories. 1. purines and pyrimidines: required for synthesis of nucleic acids (DNA and RNA) 2. amino acids: required for the synthesis of proteins 3. vitamins: needed as coenzymes and functional groups of certain enzymes Some bacteria (e.g E. coli) do not require any growth factors: they can synthesize all essential purines, pyrimidines, amino acids and vitamins, starting with their carbon source, as part of their own intermediary metabolism. Certain other bacteria (e.g. Lactobacillus) require purines, pyrimidines, vitamins and several amino acids in order to grow. These compounds must be added in advance to culture media that are used to grow these bacteria. The growth factors are not metabolized directly as sources of carbon or energy, rather they are assimilated by cells to fulfill their specific role in metabolism. Mutant strains of bacteria that require some growth factor not needed by the wild type (parent) strain are referred to as auxotrophs. Thus, a strain of E. coli that requires the amino acid tryptophan in order to grow would be called a tryptophan auxotroph and would be designated E. colitrp-. Some vitamins that are frequently required by certain bacteria as growth factors are listed in Table 3. The function(s) of these vitamins in essential enzymatic reactions gives a clue why, if the cell cannot make the vitamin, it must be provided exogenously in order for growth to occur. 有些异养型微生物由于失去了（或从未有过）合成一种或多种组成细胞所必需的有机化合物的能力，因此，必须由外源提供这些有机化合物才能生长，将这些物质统称为生长因子，其中包括：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶及其衍生物、甾醇、 胺类、脂肪酸等等。 种类：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸、氨基酸

25 （五）生长因子（growth factor）：
categories: Growth factors are organized into three categories: 1.碱基 purines and pyrimidines: required for synthesis of nucleic acids (DNA and RNA) 核算和辅酶的成分 2. 氨基酸amino acids: required for the synthesis of proteins 3. 维生素vitamins: needed as coenzymes and functional groups of certain enzymes Growth Factors This simplified scheme for use of carbon, either organic carbon or CO2, ignores the possibility that an organism, whether it is an autotroph or a heterotroph, may require small amounts of certain organic compounds for growth because they are essential substances that the organism is unable to synthesize from available nutrients. Such compounds are called growth factors. Growth factors are required in small amounts by cells because they fulfill specific roles in biosynthesis. The need for a growth factor results from either a blocked or missing metabolic pathway in the cells. Growth factors are organized into three categories. 1. purines and pyrimidines: required for synthesis of nucleic acids (DNA and RNA) 2. amino acids: required for the synthesis of proteins 3. vitamins: needed as coenzymes and functional groups of certain enzymes Some bacteria (e.g E. coli) do not require any growth factors: they can synthesize all essential purines, pyrimidines, amino acids and vitamins, starting with their carbon source, as part of their own intermediary metabolism. Certain other bacteria (e.g. Lactobacillus) require purines, pyrimidines, vitamins and several amino acids in order to grow. These compounds must be added in advance to culture media that are used to grow these bacteria. The growth factors are not metabolized directly as sources of carbon or energy, rather they are assimilated by cells to fulfill their specific role in metabolism. Mutant strains of bacteria that require some growth factor not needed by the wild type (parent) strain are referred to as auxotrophs. Thus, a strain of E. coli that requires the amino acid tryptophan in order to grow would be called a tryptophan auxotroph and would be designated E. colitrp-. Some vitamins that are frequently required by certain bacteria as growth factors are listed in Table 3. The function(s) of these vitamins in essential enzymatic reactions gives a clue why, if the cell cannot make the vitamin, it must be provided exogenously in order for growth to occur. 有些异养型微生物由于失去了（或从未有过）合成一种或多种组成细胞所必需的有机化合物的能力，因此，必须由外源提供这些有机化合物才能生长，将这些物质统称为生长因子，其中包括：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶及其衍生物、甾醇、 胺类、脂肪酸等等。 种类：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸、氨基酸 缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。

26 最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。
有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。 例如：肠膜明串珠菌（leuconostoc mesenteroides）常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长。 另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些乳酸杆菌生长需要核苷；某些酵母菌和真菌生长需要肌醇；某些肺炎球菌生长需要胆碱等。

27 根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：
1. 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 2. 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

28 （六）水（water） 水的生理功能： 1.起到溶剂与运输介质的作用,营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成;
2.参与细胞内一系列化学反应; 3.维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象; 4.因为水的比热高, 是热的良好导体,能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外,从而有效地控制细胞内温度的变化; 5.保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素; 6.微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。 水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面： 1. 细胞的构成成分 2.一系列生理生化反应的反应介质 3.参与许多生理生化反应 4. 有效地控制细胞内的温度变化 水的生理功能： 1）微生物体内外的溶媒。 2）水是原生质胶体的结构组分，并参与细胞 内许多生化反应。 3）水具传热快，比热高，热容量大等物理性 质，有利于调节细胞温度和保持环境温度 稳定。

29 ◆水在细胞中有两种存在形式： 结合水和游离水. ◆不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：
◆水在细胞中有两种存在形式： 结合水和游离水. ◆不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别： 几种生物的 游离水含量 人体：~60% 海蛰：~96% 微生物 孢子 营养体 霉菌孢子：~39% 细菌芽孢： 皮层：~70% 核心：极低 细菌：~80% 酵母：~75% 霉菌：~85%

30 三、微生物的营养类型

31 三、微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质（碳源），可将生物分成两种基本的营养类型
异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质 自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 动物属于异养型生物，植物属于自养型，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型 化能营养型生物：还依靠化合物氧化释放的能量进行生长 光能营养型生物：依靠光能进行生长

32 微生物的营养类型

33 三、微生物的营养类型 光能自养型和光能异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用；
化能自养型微生物广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；对化能异养型微生物而言,有机物通常既是碳源也是能源。 目前已知的大多数细菌、真菌、原生动物都是化能异养型微生物。

34 光能自养型微生物 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 CO2＋H2S [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。 1、光能自养型（光能无机自养型）： 以CO２为唯一或主要碳源，以光作为所需能源，能以无机物（如硫化氢或其他无机硫化物）作供氢体，使CO２还原为有机物。 例如：绿硫细菌

35 光能异养型微生物 2、光能异养型（光能无机异养型）：
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+CO CH3COCH3+[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、光能异养型（光能无机异养型）： 　　利用光为能源，利用有机物为供氢体一般以CO２和简单的有机物为碳源。光能异养细菌生长时，常需外源的生长因子。如红螺菌科的细菌以光为能源，CO2为碳源，并需异丙醇为供氢体，同时积累丙醇。

36 化能自养型微生物 3、化能自养型（化能无机自养型）：
以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。 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。 3、化能自养型（化能无机自养型）： 以CO2(或碳酸盐)为碳源,以无机物氧化产生的化学能为能源.它们可在完全无机的条件下生存.这类菌以氢气、硫化氢、Fe2+或亚硝酸盐为电子供体，使CO2还原。 主要类群：硫细菌、硝化细菌、氢细菌、 铁细菌。

37 1. 硝化细菌: 亚硝化细菌 2NH4+ +3O2→2NO2- +2H2O + 4H++132Kcal 硝化细菌 NO2- +1/2O2 →NO Kcal 2. 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 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O → H2SO Kcal

38 3. 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 4. 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 Kcal

39 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： 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。 4、化能异养型（化能有机异养型）： 以有机化合物为碳源，以有机物氧化产生的化学能为能源。有机物即是碳源，又是能源。 根据利用有机物的特性分： ＊腐生菌；利用无生命的有机物为生长碳源。 ＊寄生菌：从寄主体内获得生长所需的营养物质。 ＊兼性菌：既可腐生又可营寄生生活的微生物。 主要类群；原生生物、真菌、大多数非光合作用的细菌。

40 不同营养类型之间的界限并非绝对： 异养型微生物并非绝对不能利用CO2； 自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长； 有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变 例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物； 微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力

41 四、营养物质进入菌细胞的方式 （细胞壁、细胞膜） 1. 单纯扩散（simple diffusion）
2. 促进扩散（facilitated diffusion） 3. 主动运输（active transport） 4. 基团转位（group translocation）

42 四、营养物质进入菌细胞的方式 细胞膜上 无载体蛋白： 单纯扩散 物质运 送类型 不消耗能量： 促进扩散 细胞膜上 有载体蛋白： 运送前后
溶质分子不变： 主动运送 消耗能量: 运送前后 溶质分子改变： 基团移位

43 1、 simple diffusion or passive diffusion(单纯扩散)
一种物理扩散。动力：细胞膜两侧的物质浓度差。能量：不需。 载体：不需。 特点：①扩散是非特异性的营养物质吸收方式：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散； ②在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；

44 1、 simple diffusion or passive diffusion(单纯扩散)
③物质运输的速率较慢：速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同； ④不需要载体参与；扩散是一个不需要代谢能的运输方式：因此，物质不能进行逆浓度运输。 ⑤可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。

45 2、 facilitated diffusion (促进扩散)
特点：在促进扩散过程中①营养物质本身在分子结构上也不会发生变化②不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输③运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定④需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输⑤被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性，养料浓度过高时, 与载体蛋白出现饱和效应 注：促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。

46 3、 Active transport (主动运送)
特点：物质在主动运输的过程中&需要消耗代谢能 &可以进行逆浓度运输的运输方式 &需要载体蛋白参与 &对被运输的物质有高度的立体专一性 &被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化 注：不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能 。主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。

47 3. 主动运送（active transport）
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。例：大肠杆菌运送乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、氨基酸等 。K+（使膜内[K+]=300膜外[K+]

48 4、 Group translocation (基团移位)
基因移位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。 基因移位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输 。 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。

49 运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统. 运送步骤2步: ①热稳载体蛋白(HPr)的激活
细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。 酶1 PEP+HPr 丙酮酸+P-HPr HPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。

50 ②糖被磷酸化后运入膜内 膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。 酶2 P-HPr+糖 糖-P +HPr 酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。

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52 五、培养基 Culture media 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）Nuturient solutions used to grow microorganisms in the laboratory. 特点：任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且应比例适当，一旦配成必须立即灭菌。

53 五、培养基 Culture media 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。

54 （一）、选用和设计培养的原则和方法 一）根据微生物的营养需要配置培养基（目的明确 aims clearly）
在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。 一）根据微生物的营养需要配置培养基（目的明确 aims clearly） 二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调harmony） 三）物理化学条件适宜（条件适宜 culture conditions） 四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）

55 一）根据微生物的营养需要配置培养基 按微生物的主要类群说，它们所需要培养基成分也不同：
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。异养微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说，它们所需要培养基成分也不同： 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 生产中如需获得有机醇等产物，碳氮比高；如是氨基酸则碳氮比小。

56 二）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，（糖、重金属离子） 浓度过小——不能满足微生物生长的需要。
营养物之间比例大致为：水、碳、氮、磷、硫、钾、镁、生长因子 ●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 氮源中所含的氮原子的mol数 C/N比值= ●速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 ●各种金属离子间的比例

57 三）物理化学条件适宜 （1）pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同： 细 菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5
细 菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5 酵母菌：4.8~6.0 霉 菌：5.0~5.8 在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式： 内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。 外源调节：按实际需要不断向发酵液加酸HCL或碱液NAOH

58 （2）渗透压和aw 渗透压 等渗溶液 适宜微生物生长 高渗溶液 细胞发生质壁分离 低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂
等渗溶液 适宜微生物生长 高渗溶液 细胞发生质壁分离 低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂 大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.8~6.2/L NaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。

59 （3）氧化还原电势Eh 各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：
好氧微生物：+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的环境中均能生长)。 厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长 兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵 培养基是多氧化还原的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果 对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度 培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。

60 四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源
用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）； 用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物； 当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉 的原料，提倡以粗代精，以废代好,以简代繁，以野代家（野生和栽培）。

61 （二）、设计培养基的方法 实验比较： 不同培养基配方的选择比较 单种成分来源和数量的比较 几种成分浓度比例调配的比较
实验比较： 不同培养基配方的选择比较 单种成分来源和数量的比较 几种成分浓度比例调配的比较 小型试验放大到大型生产条件的比较 pH和温度试验

62 培养基的灭菌 高压蒸气灭菌： 一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3℃, 15-30 min 含糖培养基:
过滤灭菌, 分别灭菌, 间歇灭菌的应用

63 高温对培养基的影响及其防止措施 高温对培养基的不利影响
形成沉淀物（有机沉淀物如多肽类，无机沉淀物如磷酸盐）；破坏营养；提高色泽（褐变如产生氨基糖等）；改变培养基的pH值；降低培养基的浓度。 消除有害影响的措施 采用特殊的加热灭菌法; 过滤除菌法; 加入螯合剂.

64 器皿的灭菌及无菌室的消毒 器皿的灭菌：干热空气： 160℃， 2 小时 无菌室的消毒： 紫外光、化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）

65 （三）、培养基的种类 一）、根据微生物的种类 二）、按培养基的成分 四)、按培养的用途 五)、按培养基的物理状态
三）、 根据营养成分是否丰富和“完全”分 四)、按培养的用途 五)、按培养基的物理状态

66 一）、根据微生物的种类分类 细菌培养基 放线菌培养基 霉菌培养基 酵母培养基 按微生物的主要类群说，它们所需要培养基成分也不同：
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

67 二）、按培养基的成分 天然培养基 ：指利用动植物或微生物或其提取物制成的培养基，不明确其中营养成分。如：肉汤蛋白胨、牛肉膏蛋白胨、麦芽汁等。适用于实验室基本培养基或生产中的种子培养基或发酵培养基。优点：取材方便、营养丰富、种类繁多、配置方便；缺点：不精确、不稳定 合成培养基：是一类用几种化学试剂配制而成的、各成分的量都确切知道的培养基。如高氏一号、察氏等。适用于定量要求高的代谢、生理、生化、遗传等 优点：精确、重复性好；缺点：贵、配制繁琐 半合成培养基：一部分为天然成分，一部分是化学试剂的培养基。

68 三）、 根据营养成分是否丰富和“完全”分：
基本培养基：是含有最低营养成分的合成培养基，无生长因素只能满足某些菌株的野生型生长。 完全培养基：在基本培养基中加入富含生长因子的天然物质如蛋白胨、酵母膏满足各种营养缺陷型菌株的生长。 补充培养基：在基本培养基上有针对性地加入某一种或某几种成分以满足相应的营养缺陷型菌株生长的培养基。

69 基础培养基:含有微生物生长繁殖所需的基本营养物质，可供大多数微生物菌生长.
四）、 按特殊用途分 基础培养基:含有微生物生长繁殖所需的基本营养物质，可供大多数微生物菌生长. 加富(增殖)培养基：在普通培养基中加入有利于某种微生物生长繁殖所需的营养物质，使这类微生物的繁殖速度比其他微生物快，从而使这类微生物能在混有多种微生物的情况下占优势也就是抑制了其他类群微生物的生长。 选择培养基：根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。利用这种培养基可以将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。 鉴别培养基：普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物。或者是将基础培养基的组成成分进行补充或调整而制成。（对形态结构和代谢特性的鉴别）见下二页

70 选择培养基(selective medium)

71 用于选择性培养基的若干抑制剂

72 指含有某种代谢产物指示剂的培养基，可使不同微生物 经培养后出现显著差别。如：伊红美兰培养基（EMB）； 糖发酵培养基等。用于快速鉴别微生物。
鉴别培养基(differential medium) 指含有某种代谢产物指示剂的培养基，可使不同微生物 经培养后出现显著差别。如：伊红美兰培养基（EMB）； 糖发酵培养基等。用于快速鉴别微生物。

73 一些鉴别培养基

74 五）、按培养基的物理状态 固体培养基 a/凝固培养基：琼脂固体培养基明胶培养基 b/非可逆性凝固培养基：硅胶固体培养基
固体培养基 、半固体培养基 、液体培养基、脱水培养基 固体培养基 a/凝固培养基：琼脂固体培养基明胶培养基 b/非可逆性凝固培养基：硅胶固体培养基 c/天然固体基质：麸皮、米糠、稻草等 d/滤膜：主要用于测单位水样中的含菌量

75 两种凝固剂比较： 琼脂 明胶 常用浓度 % % 熔点 凝固点 pH 微酸 酸 微生物利用能力 大多数不能 许多能

76 琼脂固体培养基： 琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类 地区中提取的胶体多糖。
琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类 地区中提取的胶体多糖。 琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96℃，凝固点是40－50℃。 琼脂培养基可反复溶化凝固而不改变性质。 绝大多数微生物不水解琼脂。

77 半固体培养基 在凝固性固体培养基中，如凝固剂含量低于正常量，培养基呈现在容器倒放时不致流下、但剧烈振荡后能破散的状态，这种叫半固体培养基
琼脂添加量：0.5% 适用于：细菌动力观察、噬菌体效价测定、厌氧菌培养、菌种保藏。

78 液体培养基: 不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。 脱水培养基 又称脱水商品培养基或预制干燥培养基，指含有除水以外的一切成分的商品培养基，使用时加适量水灭菌即可。

79 第二节 微生物的生长 Section 2 microbial growth 主要内容： 微生物生长的概述 一、微生物生长量的测定方式
第二节 微生物的生长 Section 2 microbial growth 主要内容： 微生物生长的概述 一、微生物生长量的测定方式 二、微生物的群体生长规律 三、影响微生物生长的因素 四、有害微生物的控制

80 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。
微生物生长的概述 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. 个体生长 → 个体繁殖 → 群体生长 群体生长 = 个体生长+个体繁殖 微生物生长：单位时间里微生物数量或生物量（biomass）的增加。 微生物生长的测定：个体计数、群体重量测定、群体生理指标测定。

81 以生物量为指标： 测体积、称干重、生理指标法、（碳、氮等含量测定、呼吸强度、耗氧量、酶活性生物热是否与群体的规模成正比）比浊法
一、微生物生长量的测定方式 以生物量为指标： 测体积、称干重、生理指标法、（碳、氮等含量测定、呼吸强度、耗氧量、酶活性生物热是否与群体的规模成正比）比浊法 以数量变化为指标：直接计数法、培养平板计数法（涂布法、倾注法）、膜过滤培养法、液体法（MNP）、显微镜直接计数（常规法、比例计数、过滤计数、活菌计数） 、纸片法、DNA指纹技术、PCR扩增等。

82 （1） 测定物质含量方法 测定含氮量： 蛋白质=N% × 6.25 测定含碳量：样品与重铬酸混合液在580nm 处光密度值来表示。
（1） 测定物质含量方法 测定含氮量： 蛋白质=N% × 6.25 测定含碳量：样品与重铬酸混合液在580nm 处光密度值来表示。 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。

83 （ 2） 直接计数: 血球计数板法（酵母）

84 ⑵ 间接计数 ：平皿菌落计数

85 ⑵ 间接计数 ：平皿菌落计数（cfu）

86 二、微生物的群体生长规律 （一）典型生长曲线 （二）生长的数学模型 （三）微生物的连续培养 （四）同步生长 (五)微生物的培养方法

87 （一）典型生长曲线 微生物群体生长指的是微生物纯培养群体生长规律 群体生长曲线（growth curve）： 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。

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89 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）

90 1. 延迟期（lag phase） 特点： 数目几乎不增加，或稍有减少，生长速率常数为零。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，对外界不良条件反应敏感。 原因：调整代谢，合成诱导酶等。 在生产实践中缩短迟缓期的常用手段: 通过遗传学方法改变种的遗传性；利用对数生长期的细胞作为种子；尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；适当扩大接种量。

91 2. 对数生长期（log phase, expotential phase）
① 细菌特点：数量以几何级数增加。 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。 ② 意义：是研究生长规律的好材料。 作为发酵种子接种，可以缩短延迟期。

92 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。

93 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。 工业应用：获取大量菌体或代谢产物（收获单细胞蛋白SCP）。可以通过补料、调节温度或pH值延长此时期。

94 生长出现负增长，即新生细胞数＜死亡的细胞数。
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；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，了解不同时期的差别。 上述曲线适合无分枝微生物，丝状微生物液体搅拌培养时的 生长繁殖类似细菌。 在实际工作中多采用分光光度计测定OD值的方法绘制细菌的生长曲线。

95 （二）生长的数学模型（生长对数期） 比生长速率μ ：每单位数量细菌或物质在单位时间内增加量。 设N为每毫升培养液中细胞数量，t为培养时间 则：dN/dt=μN lnN1 -- lnN 0=μ(t1—t0 ) lgN1-lgN 0=μ(t1—t0 )/2.303 μ =(lgN1-lgN 0)2.303/(t1—t0 ) 已知N1，N2和T，即可得知生长速率

96 代时：（generation time，G）单个细胞完成一次分裂所需时间。
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（二分裂） G=（ t1—t0 ）/3.3(log y-log x)

97 影响代时的因素： A：菌种； B：营养成分（营养丰富代时短）； C：营养物浓度（速率与浓度呈正比）； D：培养温度（一定范围，速率与温度呈正比）。

98 连续培养（continuous culture)又叫开放培养，是相对分批培养（batch culture）或叫密闭培养而言的。
（三）连续培养 连续培养（continuous culture)又叫开放培养，是相对分批培养（batch culture）或叫密闭培养而言的。 1. 分批培养 所谓分批培养是指将微生物接种于恒定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式。其生长类似于纯培养曲线。

99 2. 连续培养（continuous culture）
当微生物以单批培养的方式培养到指数期时，一方面以一定的速度连续流进新鲜培养基，并立即搅拌，利用溢流的方式，以同样的流速流出培养物，延长对数期。这样培养物就达到动态平衡。应用于SCP生产，乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等发酵

100 连续培养优缺点 优点：自控性，便于利用各种仪表进行自动控制；高效，取消时间间隙，缩短周期，提高设备利用率；产品质量较稳定，产品均一；便于节约成本，节省劳动力、水、电、气等 。 缺点：易杂菌污染，设备渗漏；菌种退化；营养物的利用率低于分批培养。

101 3.实现连续培养的方法 恒浊法：其原理是根据培养容器内微生物的生长密度，用光电系统来检测培养液的浊度，并控制培养液的流速，从而获得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养液。 在生产实践中为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物，如乳酸、乙醇时，采用这种方法 恒化法：使培养液流速保持不变，微生物始终在低于最高生长速率条件下进行生长繁殖的培养方法，主要用于实验室的科学研究中。

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106 （四）同步生长 培养过程中细胞不处于同一个生长阶段，要研究每个细胞所发生的变化，必须将微生物群体处于同一个发育阶段，使群体和个人行为变得一致，所有的细胞都能同时分裂，即单细胞同步培养（synchronous culture ）技术。

107 （四）同步生长 实现方法 调整生理条件诱导同步（温度、光线添加新鲜培养基等）不如选择法
机械法（选择法）（利用物理方法从不同步的细菌群体中选择出同步群体）典型代表：硝酸纤维素薄膜法，过滤后，反转两次冲洗。

108 Helmstetter-Cummings技术
原理：一些细菌细胞会紧紧粘附于硝酸纤维微孔滤膜上。 步骤：菌悬液通过微孔滤膜，细胞吸附其上；反置滤膜，以新鲜培养液通过滤膜，洗掉浮游细胞；除去起始洗脱液后就可以得到刚刚分裂下来的新生细胞，即为同步培养。 

109 （五）微生物的培养方法 1.微生物培养法 固体培养:实验室常见的固体培养（好氧菌：试管斜面、培养皿平板、克氏扁瓶、茄子瓶斜面；厌氧菌培养、厌氧菌：高层琼脂柱、滚筒技术、厌氧培养、厌氧罐技术、厌氧手套箱）；生产中常见的方法（好氧菌的曲法培养、厌氧菌的堆积培养实际上例子少） 液体培养:实验室常见的方法（试管液体培养、浅层液体培养、摇瓶培养、台式发酵罐和厌菌氧菌的培养）；生产中常见的方法（浅盘培养，发酵罐深层培养） 连续培养： 补料分批培养：也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵（fed-batch fermentation）， 混菌培养：指两种或多种微生物混在一起进行培养后的培养物或培养方式

110 2. 微生物纯培养的分离方法 纯培养（pure culture）：实验室条件下从一个细胞或群体繁殖得到的后代。 分离方法： ① 稀释倒平皿法 ② 平皿划线分离 ③ 单细胞挑取法 ④ 利用选择性培养基：酚、染料、抗生素、加热、接种敏感动物（病原菌）.

111 平皿划线分离： 平板连续划线法 棋盘格划线法 分区划线法

112 三、影响微生物生长的因素

113 环境因素对微生物生长的影响概述 温度 重金属及其化合物 酸、碱与pH 氧气 辐射 物理因素 干燥 渗透压 超声波与微波
物理因素 干燥 渗透压 超声波与微波 酸、碱与pH 重金属及其化合物 表面消毒剂 有机化合物（酚类、醇类、醛类） 卤族元素及其化合物 表面活性剂（新洁尔灭、杜灭芬） 化学因素 染料 抗代谢药物：磺胺类等 化学治疗剂 抗生素 中草药有效成分

114 1. 物理因素 ⑴ 温度 每种微生物细胞都有一定的生长温度范围。在此温度范围内温度越高生长速率越快。温度过低则原生质膜处于凝固状态，酶活被抑制，生命活动不能进行；过高则蛋白质、核酸、和其他成分不可逆变性失活，菌体死亡。

115 ① 微生物的生长温度范围 最低 最适 最高 专性嗜冷微生物 ＜0℃ 15℃ 20℃ 兼性嗜冷微生物 ≥0℃ 25-30℃ 40℃
① 微生物的生长温度范围 最低 最适 最高 专性嗜冷微生物 ＜0℃ ℃ ℃ 兼性嗜冷微生物 ≥0℃ ℃ 40℃ 嗜中温微生物 ℃ ℃ ℃ 嗜热性微生物 ℃ ℃ ℃ 嗜高温微生物 ℃ 低温菌 中温菌 高温菌 最适生长温度 10-20 25-30，37-40 50-55 最低生长温度 -10-5 10-20，10-20 25-45 最高生长温度 25-30 40-45 70-80

116 酶活对高温敏感，30-40℃酶活丧失，膜上 不饱和 脂肪酸含量高。 酶抗热，含高浓度多胺 核酸GC含量高 膜含饱和直链脂肪酸
② 原理 嗜冷微生物： 酶活对高温敏感，30-40℃酶活丧失，膜上 不饱和 脂肪酸含量高。 嗜热微生物： 酶抗热，含高浓度多胺 核酸GC含量高 膜含饱和直链脂肪酸 合成速度快，弥补大分子的破坏。 注：生长曲线的各个时期均短暂，因此常会在腐败食品中检测 不到，这在食品检验中要特别注意。

117 ③ 高温消毒与灭菌 致死温度：单位时间（通常10min）内杀死微生物的最低温度 意义：决定灭菌温度 方法： 火焰灭菌法
③ 高温消毒与灭菌 致死温度：单位时间（通常10min）内杀死微生物的最低温度 意义：决定灭菌温度 方法： 火焰灭菌法 干燥加热空气灭菌法（ ℃ 2hr） 高温灭菌 巴氏消毒法(2) 常压下 煮沸消毒法（小于100℃，15- 30min） 湿热灭菌法 间歇灭菌法 常规加压灭菌法(高压蒸汽灭菌 加压下 法) 0.1Mpa(1. 05kg/cm2)； 121℃ 15-30min。 连续加压灭菌法 干热灭菌法

118 ④ 低温冷藏冷冻 造就不利微生物生长的环境，保存菌种和食品等。 如速冻食品：-18℃快速冷冻。采取速冻速融方法避免大的冰晶对食品细胞的伤害。
④ 低温冷藏冷冻 造就不利微生物生长的环境，保存菌种和食品等。 如速冻食品：-18℃快速冷冻。采取速冻速融方法避免大的冰晶对食品细胞的伤害。 利用反复冻融法制备细胞裂解液。 菌种保藏 液氮的温度（-195℃）、干冰温度（-70 ℃ ）、-20 ℃ 和4 ℃（常加大分子保护剂如糊精、血清白蛋白等） 食品冷藏 冷藏（0-4 ℃ ）冻藏（-18 ℃ ）

119 专性好氧菌：在正常大气压下（0.2巴）进行好氧呼吸
（2）超声波 利用空化作用破坏细胞。 （3）氧浓度 根据微生物生长与氧气的关系，可将微生物分为以下几种： 专性好氧菌：在正常大气压下（0.2巴）进行好氧呼吸 产能。 好氧菌 兼性厌氧菌： 以呼吸为主，兼营发酵或无氧呼吸产能 微好氧菌：只能在 巴大气压下生活。 厌氧菌 耐氧菌：只能以发酵产能，但分子氧无毒害。 （专性）厌氧菌：只能生长在无氧或基本无氧条件下，氧剧毒 过氧化物歧化酶、过氧化氢酶、细胞色素氧化酶的分布情况

120 厌氧菌氧毒害的机制： 由于厌氧菌细胞内缺乏SOD，无法消除02.- ，后者反应力很强，性质极不稳定，在细胞内可破坏各种重要的生物大分子和膜，也可形成其他活性氧化物，对生物非常有害。 好氧与耐氧菌驱除O2.-机制： H2O2（好氧菌） H2O+1/2O2 SOD 2 O2.-+2H H2O2+ O2 好氧及耐氧菌 过氧化物酶（耐氧菌） H2O

121 ⑷ 辐射 λ（nm) 宇宙射线 αγx UV 可见光 红外线 λ大于1000nm无害； 红外 nm: 光合细菌的能源；

122 不同波长的射线对微生物的作用不同：可见光部分（400-800纳米）往往能被某些光合微生物所利用，而波长较短的紫外线（13
不同波长的射线对微生物的作用不同：可见光部分（ 纳米）往往能被某些光合微生物所利用，而波长较短的紫外线（ 纳米）、X-射线（ 纳米）、r-射线（ 纳米）均可抑制甚至杀死微生物。尤其是r-射线因作用距离较远、穿透力较强而用于食品的杀菌保藏。 物理杀菌：一类新的冷杀菌技术，它在克服热杀菌不足之处的基础上，运用物理手段如电场、高压、电子、光等的单一或两种以上的共同作用，在低温或常温下达到杀菌的目的。这种方法不须向食品中加入化学物质，不会使菌体产生抗性，且条件易于控制，在保持食品自然风味的基础上，杀菌效果明显。常用的物理杀菌的方法有超高压脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌、半导体光催化杀菌，辐射杀菌。

123 2. 化学因子 （1）pH值 一般生长范围在4-9间。少数种类在小于2，大于9生长。 真菌p H范围广，如镰孢酶2-11。 细菌：中性偏碱。
例外：嗜酸性细菌如氧化硫硫杆菌1-5；嗜碱性细菌如巴氏芽孢杆菌 。 通过控制H+进出细胞保持细胞的近中性环境。 在培养基配制或发酵中通过调节酸、碱、加缓冲液使培养基保持恒定。 细菌：pH 放线菌：pH 酵母菌：pH 霉菌：pH

124 食品pH与食品杀菌

125 食品pH在食品加工中的重要性 食品酸化保存 人工加入无机酸和有机酸或接种微生物发酵 微生物在食品基质上生长引起pH值的变化
一般呈V字形变化，可以借助于pH计测定评价食品变质的程度。但不用它作为初期腐败的指标。

126 ⑵ 水分 水活度（aw）：细胞自由水与总水的比值 aw=P/P0=自由水/（自由水+结合水） 微生物对aw的要求

127 食品aw与食品保质期

128

129 盐0.85%左右，糖9%左右。 过高、过低引起质壁分离或吸胀。 耐高渗微生物的筛选。
⑶ 渗透压 盐0.85%左右，糖9%左右。 过高、过低引起质壁分离或吸胀。 耐高渗微生物的筛选。 根据微生物对高渗透压耐性的不同，将其分为以下三类： 高度嗜盐细菌（20-30%食盐溶液中生长） 嗜盐细菌 中等嗜盐细菌（5-18%的食盐溶液中生长） 低等嗜盐细菌（2-5%的食盐溶液中生长） 耐盐细菌（可在10%以下的食盐溶液中生长） 耐糖细菌（可在60%以下的含糖高渗溶液中生长） * 普通微生物一般在 的食盐溶液中生长

130 ⑷ 化学药剂 无选择性，多外用。 重金属盐： a.与带阴电荷的菌体蛋白结合使变性； Pro—SH +Hg2+ Pro-S-Hg-S +2H+
b.蛋白质沉淀剂； c.与代谢物相螯合如HgCl2， AgNO3， CuSO4，汞溴红 有机化合物： 醇、醛、酚：破坏细胞膜、细胞壁，使蛋白质变性。 RNH2 +HCHO R-NH2·CH2O 环氧乙烷 +R-SH R-S-CH2CH2OH 氧化剂：高锰酸钾、过氧化氢、使—SH变成—S—S—。 卤素：放出新生态氧，氧化杀菌。HClO HCl +[O]

131 ⑸ 抗生素与化学治疗剂 抗生素是一种最重要的化学治疗剂。其概念是微生物在新陈代谢过程中产生的具有抑制它种微生物的生长活动、甚至杀灭它种微生物的性能的低浓度的化学物质。 化学治疗剂：抗代谢药物（磺胺类等）；抗生素； 中草药有效成分 作用机理：抑制细胞壁合成；引起细胞壁降解；抑制蛋 白质合成；抑制RNA、DNA合成。

132 四、 食品中微生物的控制原理和方法 一、 几个概念：
消毒(Disinfection )：用较温和的理化因素，部分杀灭物体表面或内部微生物细胞尤其是杀灭病原微生物而对被消毒的物体基本无害的措施。 防腐(antisepsis )：就是利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止食品等发生霉腐的措施。一旦抑制因素解除则微生物可恢复生长。 灭菌(sterilization )：用较剧烈的理化因素使任何物体内外的一切微生物不可逆的丧失其生长繁殖能力的措施。 商业无菌(commercial sterilization )：指食品经杀菌处理后，按照规定的微生物学检验方法，在所检食品中无活的微生物检出，或仅能检验出极少的非病原微生物，且它们在食品保藏过程中不可能生长繁殖。 化疗（chemotherapy）即化学治疗。利用化学物质杀死或抑制宿主体内的病原微生物，借以达到治疗该传染病的一种措施。

133 二、食品中微生物控制的两个基本策略

134 三、食品微生物控制的方法 （一）高温杀菌：湿热灭菌和干热灭菌 （二）食品冷藏抑菌 （三）其他的物理方法：辐射、过滤、高渗、干燥、超声波 （四）化学物质：抗微生物剂、消毒剂和杀菌剂