Elements of Microbial Nutrition, Ecology & Growth

Slide1Chapter 7 Chapter  7 ELEMENTS  OF  MICROBIAL NUTRITION,  ECOLOGY,  & GROWTH ELEMENTS  OF  MICROBIAL NUTRITION,  ECOLOGY,  & GROWTH

Slide2Microbial Nutrition,  Ecology  & Growth Microbial  Nutrition,  Ecology  & Growth  Sources  of  Nutrition  -  Nutrition  consists  of  taking  in  chemical substances  (nutrients)  and  assimilating  and  extracting  energy  from them  Sources  of  Nutrition  -  Nutrition  consists  of  taking  in  chemical substances  (nutrients)  and  assimilating  and  extracting  energy  from them  Essential  nutrients  –  substances  required  for  survival;  can  be macronutrients  or  micronutrients  Essential  nutrients  –  substances  required  for  survival;  can  be macronutrients  or  micronutrients  Macronutrients  are  required  in  relatively  large  quantities  and play  principal  roles  in  cell  structure  and  metabolism  Macronutrients  are  required  in  relatively  large  quantities  and play  principal  roles  in  cell  structure  and  metabolism  Carbon  -  supplied  in  media  as  either  carbohydrates (sugars)  and/or  peptones  Carbon  -  supplied  in  media  as  either  carbohydrates (sugars)  and/or  peptones  Nitrogen,  sulfur,  and  phosphorus  -  needed  for  proteins  & nucleic  acids;  supplied  as  peptones  Nitrogen,  sulfur,  and  phosphorus  -  needed  for  proteins  & nucleic  acids;  supplied  as  peptones  Micronutrients,  or  trace  elements  are  present  in  smaller amounts  and  are  involved  in  enzyme  function  and maintenance  of  protein  structure  Micronutrients,  or  trace  elements  are  present  in  smaller amounts  and  are  involved  in  enzyme  function  and maintenance  of  protein  structure  Trace  elements  (Fe,  Cu,  Mg,  and  Zn)  -  needed  for coenzymes;  usually  present  in  water  Trace  elements  (Fe,  Cu,  Mg,  and  Zn)  -  needed  for coenzymes;  usually  present  in  water

Slide3Microbial Nutrition,  Ecology  & Growth Microbial  Nutrition,  Ecology  & Growth Organic  nutrients  contain  carbon  and  hydrogen  atoms and  are  usually  the  products  of  living  things Organic  nutrients  contain  carbon  and  hydrogen  atoms and  are  usually  the  products  of  living  things  Organic  growth  factors  -  needed  by  fastidious  (have special  growth  requirements)  organisms  Organic  growth  factors  -  needed  by  fastidious  (have special  growth  requirements)  organisms  Essential  compounds  not  synthesized  by  organisms  Essential  compounds  not  synthesized  by  organisms  Supplied  in  media  in  purified  form  or  as  body  fluids (e.g.  blood,  serum,  etc.)  Supplied  in  media  in  purified  form  or  as  body  fluids (e.g.  blood,  serum,  etc.)  Examples:   vitamins,  amino  acids,  purines, pyrimidines,  hemin,  NAD,  etc.  Examples:   vitamins,  amino  acids,  purines, pyrimidines,  hemin,  NAD,  etc.  Inorganic  nutrients  are  atoms  or  simple  molecules  that contains  a  combination  of  atoms  other  than  carbon  and hydrogen  Inorganic  nutrients  are  atoms  or  simple  molecules  that contains  a  combination  of  atoms  other  than  carbon  and hydrogen

Slide4Nutritional Categories Nutritional  Categories  An  autotroph  depends  on  carbon dioxide  for  its  carbon  needs  An  autotroph  depends  on  carbon dioxide  for  its  carbon  needs  If  its  energy  needs  are  met  by light,  it  is  a  photoautotroph, but  if  it  extracts  energy  from inorganic  substances,  such  as soil  and  minerals,  it  is  a chemoautotroph  If  its  energy  needs  are  met  by light,  it  is  a  photoautotroph, but  if  it  extracts  energy  from inorganic  substances,  such  as soil  and  minerals,  it  is  a chemoautotroph  A  heterotroph  acquires  carbon from  organic  molecules  A  heterotroph  acquires  carbon from  organic  molecules  A  saprobe  is  a  decomposer that  feeds  upon  dead  organic matter  A  saprobe  is  a  decomposer that  feeds  upon  dead  organic matter  A  parasite  feeds  from  a  live host  and  usually  causes  harm  A  parasite  feeds  from  a  live host  and  usually  causes  harm  Disease-causing  parasites  are pathogens  Disease-causing  parasites  are pathogens

Slide5SaprobesSaprobes

Slide6Requirements for  Growth Requirements  for  Growth  Environmental  factors  -  can  be  used  in  selective  isolation  Environmental  factors  -  can  be  used  in  selective  isolation  Temperature  -  range  and  optimum  different  for  each  species;  related  to protein  (enzyme)  stability  Temperature  -  range  and  optimum  different  for  each  species;  related  to protein  (enzyme)  stability  Psychrophile  (cold  loving)  -  5  C  -  30  C  Psychrophile  (cold  loving)  -  5  C  -  30  C  Mesophile  -  10  -  45  C  Mesophile  -  10  -  45  C  Thermophile  -  25  -  95  C  Thermophile  -  25  -  95  C

Slide7Requirements for  Growth Requirements  for  Growth  pH  -  range  and  optimum  differ  with  organism;  most  = 6.5-7.5;  buffers  used  in  media  to  maintain  pH  in proper  range  pH  -  range  and  optimum  differ  with  organism;  most  = 6.5-7.5;  buffers  used  in  media  to  maintain  pH  in proper  range  Acidophiles  prefer  lower  pH  Acidophiles  prefer  lower  pH  Alkalinophiles  prefer  higher  pH  Alkalinophiles  prefer  higher  pH  Osmotic  pressure  (solute  concentration)  -  maintains water  conc.;  most  cells  require  isotonic  (0.9%) solutions;  some  can  tolerate  hypertonic  (halophiles  - e.g.  vibrios  &  staphylococci)  and  hypotonic  solutions; used  as  preservatives  Osmotic  pressure  (solute  concentration)  -  maintains water  conc.;  most  cells  require  isotonic  (0.9%) solutions;  some  can  tolerate  hypertonic  (halophiles  - e.g.  vibrios  &  staphylococci)  and  hypotonic  solutions; used  as  preservatives

Slide8Requirements for  Growth Requirements  for  Growth  Oxygen  -  requirements  based  on  presence  of  catalase,  peroxidase and  superoxide  dismutase  (enzymes  that  handle  toxic  by-products)  Oxygen  -  requirements  based  on  presence  of  catalase,  peroxidase and  superoxide  dismutase  (enzymes  that  handle  toxic  by-products)  Source  =  atmosphere  or  chemical  (organic  or  inorganic)  Source  =  atmosphere  or  chemical  (organic  or  inorganic)  Classification  based  on  oxygen  requirement  Classification  based  on  oxygen  requirement  Strict  (obligate)  aerobes  -  use  molecular  oxygen;  have catalase  and  dismutase  -  e.g.  Pseudomonas  Strict  (obligate)  aerobes  -  use  molecular  oxygen;  have catalase  and  dismutase  -  e.g.  Pseudomonas  Strict  (obligate)  anaerobes  -  free  oxygen  is  toxic;  use inorganic  oxygen-containing  salts;  generally  lack  both catalase  and  dismutase  -  e.g.  Clostridium  Strict  (obligate)  anaerobes  -  free  oxygen  is  toxic;  use inorganic  oxygen-containing  salts;  generally  lack  both catalase  and  dismutase  -  e.g.  Clostridium  Facultative  anaerobes  -  prefer  molecular  oxygen  but  can grow  without  it;  have  catalase  and  dismutase  -  e.g. Escherichia  Facultative  anaerobes  -  prefer  molecular  oxygen  but  can grow  without  it;  have  catalase  and  dismutase  -  e.g. Escherichia  Aerotolerant  anaerobe  -  cannot  use  oxygen  but  not  killed  if exposed;  have  dismutase  -  streptococci  Aerotolerant  anaerobe  -  cannot  use  oxygen  but  not  killed  if exposed;  have  dismutase  -  streptococci  Microaerophilic  -  grow  best  at  low  oxygen  tension;  lack cytochromes;  lack  catalase  but  have  dismutase; Campylobacter  Microaerophilic  -  grow  best  at  low  oxygen  tension;  lack cytochromes;  lack  catalase  but  have  dismutase; Campylobacter

Slide9Transport Mechanisms Transport  Mechanisms  A  microbial  cell  must  take  on  nutrients from  its  surroundings  by  transporting them  across  the  cell  membrane  A  microbial  cell  must  take  on  nutrients from  its  surroundings  by  transporting them  across  the  cell  membrane  Passive  transport  involves  the  natural movement  of  substances  down  a concentration  gradient  and  requires  no additional  energy  (diffusion)  Passive  transport  involves  the  natural movement  of  substances  down  a concentration  gradient  and  requires  no additional  energy  (diffusion)

Slide10Osmosis is  diffusion  of  water  through  a selectively  permeable  membrane Osmosis  is  diffusion  of  water  through  a selectively  permeable  membrane

Slide11Form of  passive  transport  that  can  move specific  substances  is  facilitated  diffusion Form  of  passive  transport  that  can  move specific  substances  is  facilitated  diffusion

Slide12DiffusionDiffusion

Slide13Transport Mechanisms Transport  Mechanisms  Osmotic  changes  that affect  cells  are hypotonic  solutions, which  contain  a  lower solute  concentration, and  hypertonic solutions,  which contain  a  higher  solute concentration  Osmotic  changes  that affect  cells  are hypotonic  solutions, which  contain  a  lower solute  concentration, and  hypertonic solutions,  which contain  a  higher  solute concentration  Isotonic  solutions  have the  same  solute concentration  as  the inside  of  the  cell  Isotonic  solutions  have the  same  solute concentration  as  the inside  of  the  cell

Slide14In active  transport,  substances  are  taken  into  the cell  by  a  process  that  consumes  energy In  active  transport,  substances  are  taken  into  the cell  by  a  process  that  consumes  energy

Slide15In group  translocation,  molecules are  altered  during  transport In  group  translocation,  molecules are  altered  during  transport

Slide16Transport Mechanisms Transport  Mechanisms  Phagocytosis  and  pinocytosis  are  forms  of  active transport  in  which  bulk  quantities  of  solid  and fluid  material  are  taken  into  the  cell  Phagocytosis  and  pinocytosis  are  forms  of  active transport  in  which  bulk  quantities  of  solid  and fluid  material  are  taken  into  the  cell

Slide18Microbial  Growth Microbial   Growth  Definitions  Definitions  Growth  -  increase in  numbers  Growth  -  increase in  numbers  Binary  fission  - method  of reproduction  used by  prokaryotes  in which  each  cell divides;  doubles population (logarithmic)  Binary  fission  - method  of reproduction  used by  prokaryotes  in which  each  cell divides;  doubles population (logarithmic)

Slide19Microbial  Growth Microbial   Growth  Generation  time  (doubling  time)  -  time  required for  a  cell  to  divide  and  multiply  (double)  its population  (20  min.  -  72  hrs.)  Generation  time  (doubling  time)  -  time  required for  a  cell  to  divide  and  multiply  (double)  its population  (20  min.  -  72  hrs.)

Slide20Phases of  growth Phases  of  growth  Lag  -  occurs  at  inoculation;  little  or  no  change  in  numbers;  enzymes  being synthesized  and  cells  increasing  in  size  preparing  to  divide;  time  increased  if media  is  cold  Lag  -  occurs  at  inoculation;  little  or  no  change  in  numbers;  enzymes  being synthesized  and  cells  increasing  in  size  preparing  to  divide;  time  increased  if media  is  cold  Log  or  exponential  -  cell  mass  and  number  increases  in  logarithmic  manner; consistent  rate  and  activity;  organisms  are  most  sensitive  to  adverse  conditions  Log  or  exponential  -  cell  mass  and  number  increases  in  logarithmic  manner; consistent  rate  and  activity;  organisms  are  most  sensitive  to  adverse  conditions  Stationary  -  population  stabilizes;  production  =  death;  may  be  due  to accumulation  to  toxic  wastes  or  decrease  in  nutrients  Stationary  -  population  stabilizes;  production  =  death;  may  be  due  to accumulation  to  toxic  wastes  or  decrease  in  nutrients  Death  (logarithmic  decline)  -  deaths  exceed  production;  cells  usually  most resistant  and  often  assume  unusual  shapes  (pleomorphic)  Death  (logarithmic  decline)  -  deaths  exceed  production;  cells  usually  most resistant  and  often  assume  unusual  shapes  (pleomorphic)