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食品微生物學教案-資料下載頁

2025-05-03 00:15本頁面
  

【正文】 3 / 118主細胞可釋放 1010000 個(平均 300 個)噬菌體粒子。T40 噬菌體從吸附到釋放全過程,在 37℃時只需 22min。這種使宿主細胞裂解的噬菌體稱為烈性噬菌體。在平板培養(yǎng)基的菌苔表面若大量的宿主細胞裂解后會產(chǎn)生 個個的透明圈,這些透明圈稱為噬菌斑(圖 227) 。 圖 227 不同大腸桿菌噬菌體的噬菌斑形態(tài)如果在細菌的培養(yǎng)液中,細菌被噬菌體感染,導致細菌裂解,混濁的菌液就會變成透明的裂解溶液。而有一些噬菌體侵染宿主細胞后,并不立即在侵染的細胞內(nèi)增殖,而是將侵入的核酸整合到宿主細胞的基因組中,與其一起同步復制,這種不導致宿主細胞裂解。并使之能正常分裂的噬菌體稱為溫和噬菌體或溶源性噬菌體。含有溫和噬菌體的宿主細胞稱為溶原細胞,而在溶原細胞內(nèi)的溫和噬菌體核酸稱為原噬菌體。溫和噬菌體侵染細菌后不裂解它們,與之共存的特性稱為溶原性。溶原性是遺傳的,溶原性細菌的后代也是溶原性的。但在特定條件下,溫和噬菌體可能會發(fā)生自發(fā)突變或誘發(fā)突變,從細菌核酸上脫離,恢復復制能力,引起細菌裂解,從而轉(zhuǎn)化成烈性噬菌體。 (圖 228)圖 228 細菌被噬菌體感染后的兩種反應34 / 118A. 裂解反映; B. 溶原性反映四、噬菌體的應用及其防治1. 用于鑒定未知細菌2. 用于臨床,治療某些傳染性疾病3. 檢驗植物病原菌4. 測定輻射劑量5. 噬菌體在分子生物學研究中的作用第三章 微生物的營養(yǎng)第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)需求(2 學時)微生物同其它生物一樣,需要不斷地從它的外部環(huán)境中吸收所需要的各種物質(zhì),來合成本身的細胞物質(zhì)和提供機體進行各種生理活動所需的能量,使機體能進行正常的生長與繁殖,才能保證生命能夠維持與延續(xù)下去,保持生命的連續(xù)性。那些能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質(zhì)通常稱為營養(yǎng)物質(zhì)(nutrient)。這些營養(yǎng)物質(zhì)在機體中的作用可以概括為參與細胞組成、構成酶的活性成分與物質(zhì)運輸系統(tǒng)和提供機體進行各種生理活動所需要的能量。微生物獲得與利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程通常稱為營養(yǎng)(nutrition) 。營養(yǎng)物質(zhì)是機體進行各種生理活動的物質(zhì)基礎。根據(jù)對各類微生物細胞物質(zhì)成分的分析,發(fā)現(xiàn)微生物細胞的化學組成和其它生物相比較,沒有本質(zhì)上的差別。微生物細胞平均含水分 80%左右。其余20%左右為干物質(zhì),在干物質(zhì)中有蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物、脂類和礦物質(zhì)等。這些干物質(zhì)是由碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵等主要化學元素組成,其中碳、氫、氧、氮是組成有機物質(zhì)的四大元素,大約占干物質(zhì)的90%~97%。其余的 3%~10%是礦物質(zhì)元素(表 31) 。除上述磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵外,還有一些含量極微的鉬、鋅、錳、硼、鈷、碘、鎳、釩等微量元素。這些礦質(zhì)元素對微生物的生長也起著重要的作用。一、水水是微生物細胞主要的組成成分,它大約占鮮重的 70%∽90%。不同種類35 / 118微生物細胞含水量不同。同種微生物處于發(fā)育的不同時期或不同的環(huán)境其水分含量也有差異,幼齡菌含水量較多,衰老和休眠體含水量較少。微生物所含水分以游離水和結合水兩種狀態(tài)存在,兩者的生理作用不同。結合水不具有一般水的特性,不能流動,不易蒸發(fā),不凍結,不能作為溶劑,也不能滲透。游離水則與之相反,具有一般水的特性,能流動,容易從細胞中排出,并能作為溶劑,幫助水溶性物質(zhì)進出細胞。微生物細胞中的結合水約束于原生質(zhì)的膠體系統(tǒng)之中,成為細胞物質(zhì)的組成成份,是微生物細胞生活的必要條件。游離態(tài)的水是細胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)和排出代謝產(chǎn)物的溶劑及生化反應的介質(zhì);一定量的水分又是維持細胞滲透壓的必要條件。由于水是熱的良導體,故能有效地吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱量,使細胞溫度不致于驟然升高, 能有效地調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的溫度。微生物如果缺乏水分,則會影響代謝作用的進行。二、碳源凡是可以被微生物用來構成細胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的物質(zhì)通稱碳源。碳源通過機體內(nèi)一系列復雜的化學變化被用來構成細胞物質(zhì)或提供機體完成整個生理活動所需要的能量。因此,碳源通常也是機體生長的能源。能作為微生物生長的碳源的種類極其廣泛,既有簡單的無機含碳化合物 CO2 和碳酸鹽等,也有復雜的天然的有機含碳化合物,它們是糖和糖的衍生物、脂類、醇類、有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含碳的化合物。但是微生物不同,利用這些含碳化合物的能力也不相同。目前在微生物發(fā)酵工業(yè)中,常根據(jù)不同微生物的需要,利用各種農(nóng)副產(chǎn)品如玉米粉、米糠、麥麩、馬鈴薯、甘薯以及各種野生植物的淀粉,作為微生物生產(chǎn)廉價的碳源。三、氮源微生物細胞中大約含氮 5%—15%,它是微生物細胞蛋白質(zhì)和核酸的主要成分。微生物利用它在細胞內(nèi)合成氨基酸,并進一步合成蛋白質(zhì)、核酸等細胞成分。因此,氮素對微生物的生長發(fā)育有著重要的意義。無機氮源一般不用作能源,只有少數(shù)化能自養(yǎng)細菌能利用銨鹽、硝酸鹽作為機體生長的氮源與能源。對于許多微生物來說,通??梢岳脽o機含氮化合物作為氮源,也可以利36 / 118用有機含氮化合物作為氮源。許多腐生型細菌、腸道菌、動植物致病菌一般都能利用銨鹽或硝酸鹽作為氮源。例如大腸桿菌、產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌、銅綠假單胞菌等都可以利用硫酸銨、硝酸銨作為氮源,放線菌可以利用硝酸鉀作為氮源,霉菌可以利用硝酸鈉作為氮源等。在實驗室和發(fā)酵工業(yè)中,常用的有機氮源有牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、魚粉、蠶蛹粉、黃豆餅粉、花生餅粉、玉米漿等。四、無機鹽無機鹽(mineral salts)是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質(zhì),也是構成微生物細胞結構物質(zhì)不可缺少的級成成分。許多無機礦物質(zhì)元素在機體中的生理作用有參與酶的合成成或酶的激活劑,并具有調(diào)節(jié)細胞的滲透壓,控制細胞的氧化還原電位和作為有些自養(yǎng)型微生物生長的能源物質(zhì)等。根據(jù)微生物對礦物質(zhì)元素需要量的不同,將其分為大量元素和微量元素。大量礦物質(zhì)元素是磷、硫、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等。磷和硫需要量最大,磷在微生物生長與繁殖過程中起著重要的作用。它既是合成核酸、核蛋白、磷脂與其它含磷化合物的重要元素,也是許多酶與輔酶的重要元素。硫是胱氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸的組成元素之一,因而它也是構成蛋白質(zhì)的主要元素之一。鈉、鈣、鎂等是細胞中某些酶的激活劑。微量元素是鋅、鉬、錳、鈷、硼、碘、鎳、銅、釩等,這些元素一般是參與酶蛋白的組成,或者能使許多酶活化,它們的存在會大大提高機體的代謝能力,如果微生物在生長過程中,缺乏這些元素,會導致機體生理活性降低,或?qū)е律L過程停止。微量元素通?;祀s存在其它營養(yǎng)物質(zhì)中,如果沒有特殊原因,在配制培養(yǎng)基的過程中沒有必要另外加入,因為過量的微量元素支而對微生物起到毒害作用。五、生長因子生長因子(growth factor )通常指那些微生物生長所必需而且需要量很小的,但微生物自身不能合成,必須在培養(yǎng)基中加入的有機營養(yǎng)物。生長因子是指維生素、氨基酸、嘌呤、嘧淀等。而狹義的生長因子僅指維生素。缺少這些生長因子會影響各種酶的活性,新陳代謝就不能正常進行。37 / 118第二節(jié) 微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收(1 學時)外界環(huán)境或培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)只有被微生物吸收到細胞內(nèi),才能被微生物逐步分解與利用。微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收是借助于細胞膜的半滲透特性及其結構特點,以不同的方式來吸收營養(yǎng)物質(zhì)和水分的。但不同的物質(zhì)對細胞膜的滲透性不一樣,根據(jù)對細胞膜結構以及物質(zhì)傳遞的研究,目前一般認為營養(yǎng)物質(zhì)主要以單純擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉(zhuǎn)位四種方式透過微生物細胞膜。一、單純擴散在微生物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式中,單純擴散是通過細胞膜進行內(nèi)外物質(zhì)交換最簡單的一種方式。營養(yǎng)微生物通過分子不規(guī)則運動通過細胞膜中的小孔進入細胞,其特點是物質(zhì)由高濃度的細胞外向低濃度的細胞內(nèi)擴散(濃度梯度) ,這是一種單純的物理擴散作用。一旦細胞膜內(nèi)外的物質(zhì)濃度達到平衡(即濃度梯度消失) ,簡單擴散也就達到動態(tài)平衡。但實際上,進入微生物細胞的物質(zhì)不斷地被生長代謝所利用,濃度不斷降低,細胞外的物質(zhì)不斷地進入細胞。這種擴散是非特異性的,沒有運載蛋白質(zhì)(滲透酶)的參與,也不與膜上的分子發(fā)生反應,本身的分子結構也不發(fā)生變化。但膜上的小孔的大小和形狀對被擴散的營養(yǎng)物質(zhì)分子大小有一定的選擇性。由于單純擴散不需要能量的作用,因此,物質(zhì)不能進行逆濃度交換。單純擴散的物質(zhì)的主要方是一些小分子的物質(zhì),如水、一些氣體(O 2,CO2) 、有些無機離子及水溶性的小分子物質(zhì)(甘油、乙醇等) 。二、促進擴散促進擴散也是一種物質(zhì)運輸方式,它與單純擴散的方式相類似,營養(yǎng)物質(zhì)在運輸過程中不需要能量,物質(zhì)本身在分子結構上也不會發(fā)生變化,不能進行逆濃度運輸,運輸?shù)乃俾孰S著細胞內(nèi)外該物質(zhì)濃度差的縮小而降低,直至膜內(nèi)外的濃度差消失,從而達到動態(tài)平衡。所不同的是這種物質(zhì)運輸方式需要借助于細胞膜上的一種稱為滲透酶的特異性蛋白(運載營養(yǎng)物質(zhì))參與物質(zhì)的運輸,這樣加速了營養(yǎng)物質(zhì)的透過程度,以滿足微生物細胞代謝的需要。而且每種滲透酶只運輸相應的物質(zhì),即對被運輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的專一性。促進擴散的運輸方式多見于真核微生物中,例如酵母菌運輸糖類就是通過38 / 118這種方式,但在原核生物中卻少見。在厭氧微生物中,某些物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌是通過這種方式完成的。三、主動運輸如果微生物僅依靠單純擴散和促進擴散這兩種方式對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收只能從高濃度到低濃度的擴散,這樣微生物就不能吸收低于細胞內(nèi)濃度的外界營養(yǎng)物質(zhì),生長代謝就會受到限制。實際上微生物細胞中的有些物質(zhì)以高于細胞外的濃度在細胞內(nèi)積累。如大腸桿菌在生長期中,細胞中的鉀離子濃度比細胞外環(huán)境高許多倍。以乳糖為碳源的微生物,細胞內(nèi)的乳糖濃度比細胞外高于 500倍??梢娭鲃舆\輸?shù)奶攸c是營養(yǎng)物質(zhì)由低濃度向高濃度進行,是逆濃度梯度的。因此這種物質(zhì)的運輸過程不僅需要滲透酶,還需要代謝能量(ATP)的參與。目前研究的比較深入的是大腸桿菌對乳糖的吸收,其細胞膜的滲透酶為 β半乳糖苷酶,它可以在細胞內(nèi)外特異性地與乳糖結合(在膜內(nèi)結合程度比膜外?。?,在代謝能(ATP)的作用下,酶蛋白構型發(fā)生變化而使乳糖達到膜內(nèi),并在膜內(nèi)降低其對乳糖的親和力而在膜內(nèi)釋放出來,從而實現(xiàn)乳糖由細胞外的低濃度向細胞內(nèi)的高濃度運輸。四、基團轉(zhuǎn)位在微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程中,還有一種特殊的運輸方式中基團轉(zhuǎn)位,這種方式除了具有主動運輸?shù)奶攸c外,主要是被運輸?shù)奈镔|(zhì)改變的其本身的性質(zhì),有些化學基團被轉(zhuǎn)移到被運輸?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)上。如許多的糖及糖的衍生物在運輸中由細菌的磷酸酶系統(tǒng)催化,使其磷酸化,這樣磷酸基團被轉(zhuǎn)移到糖分子上,以磷酸糖的形式進入細胞?;鶊F轉(zhuǎn)位可轉(zhuǎn)運葡萄糖、甘露糖、果糖、和 β半乳糖苷以及嘌呤、嘧淀、乙酸等,但不能運輸氨基酸。這個運輸系統(tǒng)主要存在于兼厭氧菌和厭氧菌中,也有研究表明,某些好氧菌,如枯草桿菌和巨大芽孢桿菌也利用磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)將葡萄糖運輸?shù)郊毎麅?nèi)。第三節(jié) 微生物的營養(yǎng)類型(1 學時)由于各種微生物的生活環(huán)境和對不同營養(yǎng)物質(zhì)的利用能力不同,它們的營養(yǎng)需要和代謝方式也不盡相同。根據(jù)微生物所要求的碳源不同(無機碳化合物39 / 118或有機碳合化物) ,可以將它們分為自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物兩大類。自養(yǎng)微生物以 CO2 為唯一的碳源,能夠在完全無機的環(huán)境中生長。而異養(yǎng)微生物的生長則至少需要有一種有機物存在,它們不能以 CO2 作為唯一的碳源。根據(jù)微生物所利用的能源的不同,又可將微生物分為兩種能量代謝類型,一種是吸收光能來維持其生命活動的,稱為光能微生物,另一類是利用吸收的營養(yǎng)物質(zhì)降解產(chǎn)生化學能,稱為化能微生物。將以上兩種分類方法結合起來,我們可以把微生物的營養(yǎng)類型歸納為光能自養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型四種類型。一、光能自養(yǎng)型微生物這類微生物利用光作為生長所需要的能源,以 CO2 作為碳源。光能自養(yǎng)微生物都含有光合色素,能夠進行光合作用。但是必須注意,光合細菌的光合作用與高等綠色植物的光合作用有所區(qū)別。在高等綠色植物的光合作用中,水是同化 CO2 時的還原劑,同時釋放出氧。而在光合細菌中,則是以H2S、Na 2S2O3 等無機化合物作為供氫體來還原 CO2,從而合成細胞有機物的。例如綠硫細菌以 H2S 為供氧體,它們的光合作用可以概括為: ??2 22CCHOS???光 能細 胞 葉 綠 素二、化能自養(yǎng)型微生物這類微生物的能源來自無機物氧化所產(chǎn)生的化學能。碳源是 CO2 或碳酸鹽。常貝的化能自養(yǎng)微生物有硫化細菌、硝化細菌、氫細菌、鐵細菌、一氧化碳細菌和甲烷氧化細菌等。它們分別以硫、還原態(tài)硫化物、氨,亞硝酸、氫、二價鐵、一氧化碳和甲烷作為能源。 硝化細菌在自然界的氮素循環(huán)中起著重要作用,它們使自然 界中的氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸、硝酸,提高了土壤的肥力。 硫化細菌可用來處理礦石,漫出一些金屬礦物。這樣的處理 方法被叫做濕法冶金。在農(nóng)業(yè)上,硫化細菌則被用來改造堿性土壤。 化能自養(yǎng)微生物一般須消耗 ATP,促使電子沿電子傳遞鏈逆向傳遞,以取得固定 CO2 時所必需的 NADH 十 H+。因此這類菌的生長較為緩慢。三、光能異養(yǎng)型微生物40 / 118這類微生物利用光作為能源。不能在完全無機化合物的壞境中生長,須利用有機化合物作為供氫體來還原 CO2,合成細胞有機物質(zhì)。例如,紅螺細菌利用異丙醇作為供氫體,進行光合作用,并積累丙酮酸。四、化能異養(yǎng)型微生物這類微生物所需要的能源來自有機物氧化所產(chǎn)生的化學能,它們只能利用有機化合物。如;淀粉、糖類、纖維素、有機酸等。因此有機碳化物對這類微生物來說既是碳源也是能源。它們的氮素營養(yǎng)可以是有機物,如蛋白質(zhì),也可以是無機物,如硝酸銨等?;?
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