讲稿:培养基.doc
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1、5.1.3 培养基什么是培养基培养基 (culture medium)是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。无论是以微生物为材料的研究,还是利用微生物生产生物制品,都必须进行培养基的配制,它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。培养基中应含满足微生物生长发育的:水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子,磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。此外,培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。1. 配制培养基的原则(1)选择适宜的营养物质:总体而言,所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源,但由于微生
2、物营养类型复杂,不同微生物对营养物质的需求是不一样的,因此首先要根据不同微生物的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的无机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物,因此培养自养型微生物的培养基完全可以(或应该)由简单的无机物组成。例如,培养化能自养型的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxdans)的培养基组成见表3.9。在该培养基配制过程中并末专门加入其他碳源物质,而是依靠空气中和溶于水中的CO2为氧化硫硫杆菌提供碳源。 表3.9 几种类型培养基组成成分氧化硫硫杆菌培养基大肠杆菌培养基牛肉膏蛋白胨培养基高氏I号合成培养基查氏合成培养基LB培养
3、基主要作用牛肉膏5碳源(能源)、氮源无机盐、生长因子蛋白胨1010氮源、碳源(能源)、生长因子酵母浸膏5生长因子、氮源、碳源(能源)葡萄糖5碳源(能源)蔗糖30碳源(能源)可溶性淀粉20碳源(能源)CO2(来自空气)碳源(NH4)2SO40.4氮源、无机盐NH4H2PO4l氮源、无机盐KNO31氮源、无机盐NaNO33氮源、无机盐MgSO47H2O0.50.20.50.5无机盐FeSO40.010.010.01无机盐KH2PO44无机盐K2HPO410.51无机盐NaCl550.5无机盐KCl0.5无机盐CaCl20.25无机盐S10无机盐H2O100010001000100010001000
4、溶剂pH7.07.07.27.07.27.27.4自然7.0灭菌条件12120min11230min12120min12120min12120min12120min就微生物主要类型而言,有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、原生动物、藻类及病毒之分,培养它们所需的培养基各不相同。在实验室中常用牛肉膏蛋白胨培养基(或简称普通肉汤培养基)培养细菌,用高氏I号合成培养基培养放线菌,培养酵母菌一般用麦芽汁培养基,培养霉菌则一般用查氏合成培养基。(2)营养物质浓度及配比合适培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好,营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需,浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用,例如高浓
5、度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长,反而起到抑菌或杀菌作用。另外,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累,其中碳氮比(C/N)的影响较大。严格地讲,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值,有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如,在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中,培养基碳氮比为4/l时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累少;当培养基碳氮比为3/l时,菌体繁殖受到抑制,谷氨酸产量则大量增加。再如,在抗生素发酵生产过程中,可以通过控制培养基中速效氮(或碳)源与迟效氮(或碳)源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成协调。(3)
6、控制pH条件培养基的pH必须控制在一定的范围内,以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。各类微生物生长繁殖或产生代谢产物的最适pH条件各不相同,一般来讲,细菌与放线菌适于在pH77.5范围内生长,酵母菌和霉菌通常在pH4.56范围内生长。值得注意的是,在微生物生长繁殖和代谢过程中,由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成与积累,会导致培养基pH发生变化,若不对培养基pH条件进行控制,往往导致微生物生长速度下降或(和)代谢产物产量下降。因此,为了维持培养基pH的相对恒定,通常在培养基中加入pH缓冲剂,常用的缓冲剂是一氢和二氢磷酸盐(如KH2PO4 和K2HPO4)组成的混合物。K2HPO4溶
7、液呈碱性,KH2PO4溶液呈酸性,两种物质的等量混合溶液的pH为6.8。当培养基中酸性物质积累导致H+浓度增加时,H+与弱碱性盐结合形成弱酸性化合物,培养基pH不会过度降低;如果培养基中OH-浓度增加,OH-则与弱酸性盐结合形成弱碱性化合物,培养基pH也不会过度升高。但KH2PO4 和K2HPO44缓冲系统只能在一定的pH范围(pH6.47.2)内起调节作用。有些微生物,如乳酸菌能大量产酸,上述缓冲系统就难以起到缓冲作用,此时可在培养基中添加难溶的碳酸盐(如CaCO3)来进行调节,CaCO3难溶于水,不会使培养基pH过度升高,但它可以不断中和微生物产生的酸,同时释放出CO2,将培养基pH控制在
8、一定范围内。在培养基中还存在一些天然的缓冲系统,如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质,也可起到缓冲剂的作用。(4)控制氧化还原电位(redoxpotential)不同类型微生物生长对氧化还原电位(F)的要求不一样,一般好氧性微生物在F值为+0.1V以上时可正常生长,一般以+0.3一+0.4V为宜,厌氧性微生物只能在F值低于+0.1V条件下生长,兼性厌氧微生物在F值为+0.1V以上时进行好氧呼吸,在+0.1V以下时进行发酵。F值与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响。在pH相对稳定的条件下,可通过增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压,或加入氧化剂,从而增加F值;在培养基中加
9、入抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低F值。(5)原料来源的选择 在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分,特别是在发酵工业中,培养基用量很大,利用低成本的原料更体现出其经济价值。例如,在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中,常常利用糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。再如,工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,而在我国农村,已推广利用人畜粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量的农副产品或制品,如鼓皮、米糠、玉米浆、酵
10、母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。(6)灭菌处理 要获得微生物纯培养,必须避免杂菌污染,因此对所用器材及工作场所进行消毒与灭菌。对培养基而言,更是要进行严格的灭菌。对培养基一般采取高压蒸汽灭菌,一般培养基用1.05kg/cm2,121.3条件下维持1530min可达到灭菌目的。在高压蒸汽灭菌过程中,长时间高温会使某些不耐热物质遭到破坏,如使糖类物质形成氨基糖、焦糖,因此含糖培养基常在0.56kg/ cm2,112.61530min进行灭菌,某些对糖类要求较高的培养基,可先将糖进行过滤除菌或间歇灭菌,再与其他已灭菌的成分混合;长时间高温还会引起磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子
11、(特别是钙、镁、铁离子)结合形成难溶性复合物而产生沉淀,因此,在配制用于观察和定量测定微生物生长状况的合成培养基时,常需在培养基中加入少量螯合剂,避免培养基中产生沉淀,常用的螯合剂为乙二胺四乙酸(EDTA)。还可以将含钙、镁、铁等离子的成分与磷酸盐、碳酸盐分别进行灭菌,然后再混合,避免形成沉淀;高压蒸汽灭菌后,培养基pH会发生改变(一般使pH降低),可根据所培养微生物的要求,在培养基灭菌前后加以调整。在配制培养基过程中,泡沫的存在对灭菌处理极不利,因为泡沫中的空气形成隔热层,使泡沫中微生物难以被杀死。因而有时需要在培养基中加入消泡沫剂以减少泡沫的产生,或适当提高灭。2培养基的类型以及应用培养基
12、种类繁多,根据其成分、物理状态和用途可将培养基分成多种类型。(1)根据微生物的种类:细菌、放线菌、霉菌、酵母培养基(2)按培养基的成分:天然培养基(complex medium) 这类培养基含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,也称非化学限定培养基(chemically undefined medium)。牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基就属于此类。基因克隆技术中常用的LB(LuriaBertani)培养基也是一种天然培养基,其组成见表3.9。常用的天然有机营养物质包括牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏(表3.10)、豆芽汁、玉米粉、土壤浸液、麸皮、牛奶、血清、稻草浸汁、羽毛浸汁、胡萝卜汁
13、、椰子汁等,嗜粪微生物(coprophilous microorganisms)可以利用粪水作为营养物质。天然培养基成本较低,除在实验室经常使用外,也适于用来进行工业上大规模的微生物发酵生产。表3.10 牛肉浸膏、蛋白胨及酵母浸膏的来源及主要成分营养物质来源主要成分牛肉浸膏瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质富含水溶性糖类、有机氮化合物、维生素、盐等蛋白胨将肉、酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成富含有机氮化合物、也含有一些维生素和糖类的粉末状物质酵母浸膏酵母细胞的水溶性提取物浓缩而成的膏状物质富含B类维生素,也含有有机氮化合物和糖类合成培养基(synthic medium)是由化学成分完全了解
14、的物质配制而成的培养基,也称化学限定培养基(chemically defined medium),高氏I号培养基和查氏培养基就属于此种类型。配制合成培养基时重复性强,但与天然培养基相比其成本较高,微生物在其中生长速度较慢,一般适于在实验室用来进行有关微 生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作。(3)根据物理状态划分 根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少,可将培养基划分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基三种类型。 固体培养基(so1id medium)在液体培养基中加入一定量凝固剂,使其成为固体状态即为固体培养基。理想的凝固剂应具备以下条件:不被所培养的
15、微生物分解利用;在微生物生长的温度范围内保持固体状态,在培养嗜热细菌时,由于高温容易引起培养基液化,通常在培养基中适当增加凝固剂来解决这一问题;凝固剂凝固点温度不能太低,否则将不利于微生物的生长;凝固剂对所培养的微生物无毒害作用;凝固剂在灭菌过程中不会被破坏;透明度好,粘着力强;配制方便且价格低廉。常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatain)和硅胶(silica gel)。表3.11列出琼脂和明胶的一些主要特征。对绝大多数微生物而言,琼脂是最理想的凝固剂,琼脂是由藻类(海产石花菜)中提取的一种高度分支的复杂多糖;明胶是由胶原蛋白制备得到的产物,是最早用来作为凝固剂的物质,但由于其凝
16、固点太低,而且某些细菌和许多真菌产生的非特异性胞外蛋白酶以及梭菌产生的特异性胶原酶都能液化明胶,目前已较少作为凝固剂;硅胶是由无机的硅酸钠(Na2SO3)及硅酸钾(K2SiO3)被盐酸及硫酸中和时凝聚而成的胶体,它不含有机物,适合配制分离与培养自养型微生物的培养基。表3.11 琼脂与明胶主要特征比较内容琼脂明胶常用浓度(%)1.52512熔点()9625凝固点()4020pH微酸酸性灰分(%)161415氧化钙(%)1.150氧化镁(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力绝大多数微生物不能利用许多微生物能利用除在液体培养基中加入凝固剂制备的固体培养基外,一些由天然固体基质制成的培养
17、基也属于固体培养基。例如,由马铃薯块、胡萝卜条、小米、麸皮及米糠等制成固体状态的培养基就属于此类。又如生产酒的酒曲,生产食用菌的棉子壳培养基。在实验室中,固体培养基一般是加人平皿或试管中,制成培养微生物的平板或斜面。固体培养基为微生物提供一个营养表面,单个微生物细胞在这个营养表面进行生长繁殖,可以形成单个菌落。固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏等。半固体培养基(semisolid medium) 半固体培养基中凝固剂的含量比固体培养基少,培养基中琼脂含量一般为0.2%0.7%。半固体培养基常用来观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。 液体培养基(1iquid
18、 medium) 液体培养基中未加任何凝固剂。在用液体培养基培养微生物时,通过振荡或搅拌可以增加培养基的通气量,同时使营养物质分布均匀。液体培养基常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。(4)按用途划分 基础培养基(minimum medium) 尽管不同微生物的营养需求各不相同,但大多数微生物所需的基本营养物质是相同的。基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。牛肉育蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。基础培养基也可以作为一些特殊培养基的基础成分,再根据某种微生物的特殊营养需求,在基础培养基中加入所需营养物质。 加富培养基(enrichment
19、 medium) 加富培养基也称营养培养基,即在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基,这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。加富培养基一般用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物,如培养百日咳博德氏菌(败ydd6c6jj6加rzM55Z5)需要含有血液的加富培养基。加富培养基还可以用来富集和分离某种微生物,这是因为加富培养基含有某种微生物所需的特殊营养物质,该种微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快,并逐渐富集而占优势,逐步淘汰其他微生物,从而容易达到分离该种微生物的目的。从某种意义上讲,加富培养基类似选择培养基,两者区别在于,加富培养基是用来增加所
20、要分离的微生物的数量,使其形成生长优势,从而分离到该种微生物;选择培养基则一般是抑制不需要的微生物的生长,使所需要的微生物增殖,从而达到分离所需微生物的目的。 鉴别培养基(differential medium) 鉴别培养基是用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特殊化学物质,某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应,产生明显的特征性变化,根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。鉴别培养基主要用于微生物的快速分类鉴定,以及分离和筛选产生某种代谢产物的微生物菌种。常用的一些鉴别培养基参见表3.12。表3
21、.12 一些鉴别培养基培养基名称加入化学物质微生物代谢产物培养基特征性变化主要用途酪素培养基酪素胞外蛋白酶蛋白水解圈鉴别产蛋白酶菌株明胶培养基明胶胞外蛋白酶明胶液化鉴别产蛋白酶菌株油脂培养基食用油、土温中性红指示剂胞外脂肪酶由淡红色变成深红色鉴别产脂肪酶菌株淀粉培养基可溶性淀粉胞外淀粉酶淀粉水解圈鉴别产淀粉酶菌株H 2S试验培养基醋酸铅H 2S产生黑色沉淀鉴别产H 2S菌株糖发酵培养基溴甲酚紫乳酸、醋酸、丙酸等由紫色变成黄色鉴别肠道细菌远藤氏培养基碱性复红、亚硫酸钠酸、乙醛带金属光泽深红色菌落鉴别水中大肠菌群伊红美蓝培养基伊红、美蓝酸带金属光泽深紫色菌落鉴别水中大肠菌群选择培养基(select
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