مواضيع المحاضرة: What Microbes need to survive
background image

1

 

 

Course:  Microbial Physiology  

Lecturer: Dr. Weam Saad 

Lecture: Microbial Nutrition 

 

 

Nutritional Requirements of Cells 

Every  organism  must  find  in  its  environment  all  of  the  substances  required  for 
energy generation and cellular biosynthesis. The chemicals and elements of this 
environment 

that 

are 

used 

for 

bacterial 

growth 

are 

referred 

to 

as  nutrients  or nutritional  requirements.  In  the  laboratory, bacteria  can  grow 
in  culture  media  which  are  designed  to  provide  all  the  essential  nutrients  in 
solution for bacterial growth. 

The Major Elements 

The cell's elements consists of C, H, O, N, S. P, K, Mg, Fe, Ca, Mn, and traces of 
Zn,  Co,  Cu,  and  Mo.  These  elements  are  found in the  form  of  water,  inorganic 
ions, small molecules, and macromolecules and are important because they play a 
structural  or  functional  role  in  the  cells.  Structural  role  when  they  are  part  of 
cellular material and functional when they are part of metabolism and enzymes. 

Carbon and Energy Sources for Bacterial Growth 

In order to grow in nature or in the laboratory, all living organisms require a source 
of  energy.  Organisms  that  use  light  energy  (light)  are  called  phototrophs
Organisms that use (oxidize) an organic form of carbon are called heterotrophs or 
chemo(hetero)trophs.  Organisms  that  oxidize  inorganic  compounds  are 
called  lithotrophs.  Organisms  that  use  organic  carbon  are  heterotrophs  and 
organisms  that  use  CO

2

  as  a  sole  source  of  carbon  for  growth  are 

called autotrophs

All eukaryotes are either photoautotrophic (e.g. plants and algae) or heterotrophic 
(e.g.  animals,  protozoa,  fungi).  Lithotrophy  is  limited  with  procaryotes  and 
photoheterotrophy,  like  Purple  and  Green  Bacteria,  occurs  only  in  a  very  few 
eukaryotic  algae.  Phototrophy  are  not  found  in  the  Archaea,  except  for  non-
photosynthetic light-driven ATP synthesis in the extreme halophiles. 


background image

2

 

 

Major nutritional types of procaryotes 

 

Nutritional Type 

Energy Source 

Carbon 
Source
 

Examples 

Photoautotrophs 

Light 

CO

2

 

Cyanobacteria,  some 
Purple 

and 

Green 

Bacteria 

Photoheterotrophs 

Light 

Organic 
compounds 

Some 

Purple 

and 

Green Bacteria 

Chemoautotrophs 

or 

Lithotrophs 
(Lithoautotrophs) 

Inorganic 
compounds, e.g. H

2

NH

3

, NO

2

, H

2

CO

2

 

A  few  Bacteria  and 
many Archaea 

Chemoheterotrophs 

or 

Heterotrophs 

Organic compounds 

Organic 
compounds 

Most  Bacteria,  some 
Archaea 

 

Growth Factors 

Cells  use  carbon,  either  as  organic  carbon  or  CO

2

,  and  need  small  amounts  of 

certain organic compounds for growth because they are important substances and 
the organism is unable to synthesize from available nutrients. Such compounds are 
called Growth factors, they are three types: 

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 like 
Vitamin K needed for Electron transport processes. 

Some bacteria (e.g E. coli) do not require any growth factors: they can synthesize 
all essential purines, pyrimidines, amino acids and vitamins as part of their own 
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 culture media that are used to grow these bacteria.  

 


background image

3

 

 

Culture Media for the Growth of Bacteria 

The nutritional and biochemical environment that prepared to bacterial growth is 
called  a  culture  medium,  and  depend  on the  special  needs  of  bacteria.  Culture 
media are employed in the isolation and maintenance of pure cultures of bacteria 
and are also used for identification of bacteria according to their biochemical and 
physiological properties. 

The media differ according to the use: 

1.  Liquid media are used for growth of pure batch cultures. 
2.   Solid media are used for the isolation of pure cultures. 
3.  Semisolid medium is agar, produced from red algae. Agar is used because 

of its espicial physical properties (it melts at 100 degrees and remains liquid 
until  cooled  to  40  degrees  and  become  ge;)  and  because  it  cannot  be 
metabolized by most gel.  

Types of Culture Media 

Culture media classified into types depending on the composition or use: 

1.  chemically-defined (synthetic) medium : the exact chemical composition 

is  known  and  composed  of  pure  biochemical.  The  defined  medium  is 
minimal medium because it provides the exact nutrients only (including 
growth factors) needed by the organism for growth. 

2.  A  complex  (undefined)  medium  the  exact  chemical  composition  of  the 

medium is not known and usually contain complex materials of biological 
origin  such  as  blood  or  milk  or  yeast  extract  or  beef  extract,  provide  the 
growth  factors  that  may  be  required  by  an  organism  so  they  are  used  to 
cultivate unknown bacteria or bacteria  of complex nutritional requirement 
Most  pathogenic  bacteria  of  animals,  which  have  adapted  themselves  to 
growth  in  animal  tissues,  require  complex  media  for  their  growth.  E.g. 
fastidious  bacteria  such  as  Treponema  pallidum,  the  agent  of  syphilis, 
and Mycobacterium leprae, the cause of leprosy  

 

 


background image

4

 

 

Culture media can be classified according to use into: 

1.  The selective medium is has a components added to the medium and will 

inhibit  or  prevent  the  growth  of  certain  types  or  species  of  bacteria  and 
promote  the  growth  of  desired  species,  also  the  physical  conditions  of 
cultivation, such as  increase or decrease pH and temperature is selective for 
bacteria that are able to grow under these certain conditions. 

2.  The  differential  medium  help  to  distinguish  between  different  types  of 

bacteria due to different growth on the medium. 

For  example  selective  and  differential  medium  is  used  for  the  isolation 
of  Staphylococcus  aureus,  the  most  common  bacterial  pathogen  of  humans, 
contains a very high concentration of salt (which the staph will tolerate) that 
inhibits most other bacteria, mannitol as a source of fermentable sugar, and a 
pH  indicator  dye  because  this  bacteria  produce  acid  which  reacts  with  the 
indicator dye forming a color around the colonies 

3.  The enrichment medium contains some component that helps the growth 

of specific types or species of bacteria, usually because only these bacteria 
can  utilize  or  use  that  component,  for  example,  growth  of  the  extreme 
halophile (Halococcus) contains nearly 25% salt [NaCl], which is required 
by the extreme halophile and which inhibits the growth of all other bacteria. 

Physical and Environmental Requirements for Microbial Growth 

They include O

2

 concentration, Hydrogen ion concentration (pH) and temperature. 

These  requirements  effect  on  the  ability  to  grow  and  need  a  range  of  physical 
conditions. A thermophile grows at high temperatures, an acidophil grows at low 
pH, and the osmophil grows at high solute concentration.  

  The Effect of Oxygen 

Oxygen is a need of all living cells and always provided in large amounts by H

2

O, 

prokaryotes can be classified into: 

A. Obligate aerobes require O

2

 for growth; they use O

2

 as a final electron 

acceptor in aerobic respiration (e.g. Enteric bacteria) . 


background image

5

 

 

B. Obligate  anaerobes  (called  aerophobes)  do  not  need  or  use  O

2

  as  a 

nutrient,  O

2

  is  a  toxic  substance  for  them,  either  kills  or  inhibits  their 

growth.  Obligate  anaerobic  prokaryotes  may  live  by  fermentation, 
anaerobic respiration, bacterial photosynthesis, or by the methanogenesis 
process (e.g. Clostridia, Methanogens). 

C. Facultative anaerobes (or facultative aerobes) are organisms that can 

switch  between  aerobic  and  anaerobic  types  of  metabolism.  Under 
anaerobic  conditions  (no  O

2

)  they  grow  by  fermentation  or  anaerobic 

respiration, but in the presence of O

2

 they switch to aerobic respiration. 

D. Aerotolerant anaerobes are bacteria with anaerobic type of metabolism 

(fermentative), but they are insensitive to the presence of O

2

. They live 

by  fermentation  alone  O

2

  is  present  or  not  in  their  environment  (e.g. 

Streptococci). 

E. Microaerophils  are  bacteria  that  grow  if  O

2

  levels  are  not  too  high 

because they require low O

2

 

 
The different response of bacteria to O

2

 in the environment depends on enzymes 

which react with O

2

 and oxygen radicals that are produced by cells in the presence 

of O

2

. For example, oxidations of flavoproteins by O

2

 result in the formation of 

H

2

O

2

  (Hydrogen  peroxide)  a  very  toxic  free  radical,  also  free  radicals  include 

superoxide or O

2

.-

. In aerobic bacteria and aerotolerant anaerobes the toxic effects 


background image

6

 

 

for  lethal  superoxide  is  prevented  by  the  enzyme  superoxide  dismutase.  All 
organisms which can live in the presence of O

2

 contain superoxide dismutase.  

 
Nearly all organisms contain the enzyme catalase, which decomposes H

2

O

2

, they 

decompose H

2

O

2

 by peroxidase enzymes which derive electrons from NADH

2

 to 

reduce peroxide to H

2

O. Obligate anaerobes do not have superoxide dismutase and 

catalase or peroxidase. 

All  photosynthetic  (and  some  nonphotosynthetic)  organisms  are  protected  from 
lethal oxidations of oxygen radicals by their carotenoid pigments which physically 
react with the singlet oxygen radical and turn it to nontoxic form. 

  The Effect of pH on Growth 

The pH, or hydrogen ion concentration, [H

+

], in natural environments it is different 

from the acidic soils to the alkaline lakes. Most free-living prokaryotes can grow 
over a range of 3 pH units, the minimum pH, below which the organism cannot 
grow,  the  maximum  pH,  above  which  the  organism  cannot  grow,  and 
the  optimum  pH,  at  which  the  organism  grows  best,  all  these  differences  are 
because of different rates of enzymatic reaction. 

Microorganisms which grow at an  optimum pH well below neutral pH=7.0, are 
called 

acidophilic

Those 

which 

grow 

best 

at 

neutral 

pH 

are 

called  neutrophilic  and  those  that  grow  best  under  alkaline  conditions  are 
called alkalophilic. Obligate acidophilus, like Thiobacillus species need a low pH 
for  growth  because  their  membranes  dissolve  and  the  cells  lyse  at  neutral  pH. 
Several genera of Archaea, including Sulfolobus and Thermoplasma, are obligate 
acidophilic.  In  the  eukaryotes,  many  fungi  are  acidophilic,  but  the 
alga Cyanidium which can grow at a pH of 0. 

In the use of culture media the optimum pH for growth of a bacteria is regulated 
by buffers in order to maintain the pH of the medium in the changing of bacterial 
waste products that accumulate during growth. The best media for the growth and 
identification of human pathogens have a pH = 7. 

 


background image

7

 

 

 Minimum, maximum and optimum pH for growth of certain procaryotes. 

 

Organism 

Minimum pH Optimum pH Maximum pH 

Thiobacillus thiooxidans  0.5 

2.0-2.8 

4.0-6.0 

Sulfolobus acidocaldarius  1.0 

2.0-3.0 

5.0 

Lactobacillus acidophilus  4.0-4.6 

5.8-6.6 

6.8 

Staphylococcus aureus 

4.2 

7.0-7.5 

9.3 

Escherichia coli 

4.4 

6.0-7.0 

9.0 

Clostridium sporogenes 

5.0-5.8 

6.0-7.6 

8.5-9.0 

Pseudomonas aeruginosa  5.6 

6.6-7.0 

8.0 

Streptococcus pneumoniae 6.5 

7.8 

8.3 

 

 

  The Effect of Temperature on Growth 

There  is  a  wide  range  for  prokaryotes  in  temperature  of  growth.  For  example, 
bacteria  that  grow  with  an  optimum  temperature  near  37  degrees  (the  body 
temperature  of  warm-blood  animals)  are  called  mesophilic.  Organisms  grow 
about 45 degrees and 70 degrees are thermophilic they have a high G + C content 
in their DNA to increase the melting point of the DNA (the temperature at which 
the  strands  of  the  double  helix  separate).  Some  Archaea  grow  in  80  degrees  or 
higher as 115 degrees are called extreme thermophilic or hyper-thermophilic, 
they  have  especial  proteins,  enzymes  and  membrane  that  are  stable  in  high 
temperatures. The cold-loving organisms are psychrophilic they are able to grow 
at  0  degrees  they  have  large  amounts  of  unsaturated  fatty  acids  in  their  plasma 
membranes, also have especial enzymes  

 
 
 
 


background image

8

 

 

Minimum, maximum and optimum temperature for growth of certain bacteria 

and archaea. 

 

                            Temperature for growth (degrees C) 

Bacterium 

Minimum Optimum Maximum 

Listeria monocytogenes 

30-37 

45 

Staphylococcus aureus 

10 

30-37 

45 

Escherichia coli 

10 

37 

45 

Streptococcus pyogenes 

20 

37 

40 

Streptococcus pneumoniae 25 

37 

42 

Methanococcus jannaschii 60 

85 

90 

Pyrobacterium brockii 

80 

102-105  115 

 

Optimum growth temperature of some prokaryotes. 

 

Genus and species 

Optimal growth temp (degrees C) 

Vibrio cholerae 

18-37 

Rhizobium leguminosarum  20 

Streptomyces griseus 

25 

Pseudomonas fluorescens 

25-30 

Erwinia amylovora 

27-30 

Staphylococcus aureus 

30-37 

Escherichia coli 

37 

Mycobacterium tuberculosis 37 

Pseudomonas aeruginosa 

37 

Streptococcus pyogenes 

37 

 

 

 

 


background image

9

 

 

Hyperthermophilic Archaea. 

 

                    Temperature for growth (degrees C) 

 

Genus 

Minimum Optimum Maximum Optimum pH 

Sulfolobus 

55 

75-85 

87 

2-3 

Methanothermus 60 

83 

88 

6-7 

Methanopyrus 

85 

100 

110 

Water Availability 

Water is the solvent of the molecules of life they are dissolved in water so water 
is  important  factor  that  affects  the  growth  of  all  cells.  Water  presence  in  the 
atmosphere  is called (relative humidity) or its presence in solution or a substance 
called (water activity). The water activity (A

w

) of pure H

2

O is 1.0 (100% water). 

Water activity is affected by the presence of solutes such as salts or sugars that are 
dissolved  in  the  water.  The  higher  the  solute  concentration  of  a  substance,  the 
lower is the water activity and vice-versa. 

The  common  solute  in  nature  is  salt  [NaCl]  solution,  and  microorganisms  are 
named  based  on  their  growth  in  that  salt  solution.  Microorganisms  that  require 
some  NaCl  for  growth  are  halophiles.  Mild  halophiles  require  1-6% 
salt, moderate halophiles require 6-15% salt; extreme halophiles that require 15-
30% NaCl for growth are found among the archaea.  Bacteria that are able to grow 
at  moderate  salt  concentrations,  even  though  they  grow  best  in  the  absence  of 
NaCl, are called halotolerant, the osmophiles are bacteria that are able to live in 
environments of high sugar. Organisms which live in dry environments are called 
xerophiles

The concept of lowering water activity in order to prevent bacterial growth is the 
basis  for  preservation  of  foods  by  drying  (in  sunlight  or  by  evaporation)  or  by 
addition of high concentrations of salt or sugar. 

 


background image

11

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام عضوان و 226 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل