第五章微生物的营养与培养基

1、第四章第四章 微生物的营养微生物的营养 营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。营养物质营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质生理活动所需要的物质.营营 养养:微生物获得和利用营养物质的过程。微生物获得和利用营养物质的过程。 营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。分成六大类。主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等碳、氢、氧、氮、磷、

2、硫、钾、镁、钙等微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等占细菌细胞干重的占细菌细胞干重的97%第一节微生物的营养物质第一节微生物的营养物质一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！组成微生物细胞的各类化学元素的比例常组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同。因微生物种类的不同而不同。不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化。内发生变化。营养物质主要功用

3、：供给微生物合成细营养物质主要功用：供给微生物合成细胞物质的原料；用以产生能量；有的胞物质的原料；用以产生能量；有的营养物如维生素主要用于调节新陈代谢。营养物如维生素主要用于调节新陈代谢。1.碳源碳源凡是能提供微生物细胞物质和代谢产物中碳素来源的营养物称凡是能提供微生物细胞物质和代谢产物中碳素来源的营养物称为碳源。为碳源。（1）定义）定义凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。的营养物质称为氮源。1.氮源氮源氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分。氮是组成微生物蛋白质、酶和核酸的成分。 氮源谱氮源谱有机氮无机氮NH3铵盐硝酸

4、盐N2蛋白质核酸氨基酸尿素氨基酸自养型生物：一部分微生物是不需要利用氨基酸氨基酸自养型生物：一部分微生物是不需要利用氨基酸作为氮源的，但能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简作为氮源的，但能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成自身所需要氨基酸。单氮源自行合成自身所需要氨基酸。氨基酸异养型生物：反之，凡需要从外界吸收现成的氨氨基酸异养型生物：反之，凡需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源的微生物。基酸作为氮源的微生物。常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等按氮源的不同，生物

5、可分为：按氮源的不同，生物可分为：3.能源能源能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能物或辐射能能源谱能源谱化学物质辐射能化能异养微生物的能源有机物无机物化能自养微生物的能源光能自养和光能异养微生物的能源在配制培养基时，首选加入磷酸氢二在配制培养基时，首选加入磷酸氢二钾和硫酸镁，基本可以同时提供钾和硫酸镁，基本可以同时提供4 4种需种需要量最大的元素。要量最大的元素。5.生长因子生长因子生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生但微生物自

6、身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物长需要的有机化合物 根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同功能的不同, ,可将生长因子分为维生素可将生长因子分为维生素(vitamin)(vitamin)、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液生长因子可以从酵母膏、玉米浆、麦芽汁、血液或血清中获得。或血清中获得。微微 生生 物物 生长因子生长因子 需要量（需要量（ml-1III型肺炎链球菌（型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱胆碱 6ug金黄色葡萄

7、球菌（金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）硫胺素硫胺素 0.5ng白喉棒杆菌（白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae）B-丙氨酸丙氨酸 1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani）尿嘧啶尿嘧啶 0-4ug肠膜状串珠菌（肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）吡哆醛吡哆醛 0.025ug6.水水生理功能主要有生理功能主要有起到溶剂与运输介质的作用；起到溶剂与运输介质的作用；参与细胞内一系列化学反应；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；维持蛋白

8、质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构热的良好导体；热的良好导体；第二节微生物的营养营养类型第二节微生物的营养营养类型第三节营养物质进入细胞的方式第三节营养物质进入细胞的方式营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等电负性等微生物所处的环境（温度、微生物所处的环境（温度、PHPH等）；等）；微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁

9、、荚膜等）。膜等）。根据物质运输过程的特点根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为可将物质的运输方式分为自由扩散自由扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转移基团转移1 1自由扩散自由扩散原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进膜上的小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。行扩散。特点特点物质在扩散过程中没有发生任何反应；物质在扩散过程中没有发生任何反应；不消耗能量；不能逆浓度运输；不消耗能量；不能逆浓度运输；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比运输速率与膜内外物质的浓度差成正比水是唯一可以

10、通过扩散自由通过原生质膜的分子，水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2O2、CO2CO2）及某些及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。 2 2协助扩散协助扩散特特点点不消耗能量不消耗能量参与运输的物质本身的分子结构不发生变化参与运输的物质本身的分子结构不发生变化不能进行逆浓度运输。不能进行逆浓度运输。运输速率与膜内外物质的浓度差成正比运输速率与膜内外物质的浓度差成正比需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与被运输物质与载体蛋白有高度的特异

11、性被运输物质与载体蛋白有高度的特异性 通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。的运输由一种以上的载体蛋白来完成。 3 3主动运输主动运输基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输磷酸糖转移酶运输系统（系统（PTS），），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶酶II（包括

12、包括a、b、c三三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（质（HPr）。）。4 4基团移位基团移位基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输相比，基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输相比，营养物质在运输过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发营养物质在运输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。生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸丙酮酸 P - HPr +糖糖糖糖-P +HPr基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞

13、中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。过这种方式运输。每输入一分子葡萄糖要消耗一个每输入一分子葡萄糖要消耗一个ATPATP比较项目比较项目 单纯扩散单纯扩散 促进扩散促进扩散 主动运输主动运输 基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白 无无 有有 有有 有有运送速度运送速度 慢慢 快快 快快 快快溶质运送方向溶质运送方向 由浓至稀由浓至稀 由浓至稀由浓至稀 由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度平衡时内外浓度 内外相等内外相等 内外相等内外相等 内部高内部高内部高内部高运送分子运送分子 无特异性无特异性 特异性特

14、异性 特异性特异性特异性特异性能量消耗能量消耗 不需要不需要 需要需要 需要需要需要需要运送前后溶质运送前后溶质 分子不变分子不变 不变不变 不变不变改变改变载体饱和效应载体饱和效应无无 有有 有有 有有与溶质类似物与溶质类似物 无竞争性无竞争性 有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂运送抑制剂 无无 有有 有有 有有运送对象举例运送对象举例 水、水、O O2 2 糖、糖、SOSO4 42-2-氨基酸氨基酸 乳糖乳糖 葡萄糖葡萄糖 嘌呤嘌呤四种运送营养方式的比较四种运送营养方式的比较第四节培养基第四节培养基培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代培养基是人工配制的，适

15、合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；常规高压蒸汽灭菌：常规高压蒸汽灭菌： 1.05kg/cm2,121.315-30分钟分钟一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法目的明确目的明确营养协调营养协调理

16、化条件适宜理化条件适宜经济节约经济节约1.目的明确目的明确根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSOS 10g MgSO4 4.7H.7H2 2O 0.5g NHO 0.5g NH4 4) )2 2SOSO4 4 0.4g FeSO 0.4g FeSO4 4 0.01g H0.01g H2 2POPO4 4 4g CaCl 4g CaCl2 2 0.25g H 0.25g H2 2O 1000mlO 1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养

17、基是由下列化学成分组成培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖葡萄糖 5 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000mlMgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏牛肉膏 3 3g g 蛋白胨蛋白胨 10 10g NaCl 5g Hg NaCl 5g H2 2O O 1000ml1000ml放线菌（高氏放线菌（高

18、氏1 1号）号）淀粉淀粉 20 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml酵母菌酵母菌( (麦芽汁培养基麦芽汁培养基) )干麦芽粉加四倍水，在干麦芽粉加四倍水，在50-6050-60保温糖化保温糖化3-43-4小时，用碘液小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为1010。巴林，煮沸。巴林，煮沸后，沙布过滤，调

19、后，沙布过滤，调PHPH为为6.06.0。霉菌（查氏合成培养基）霉菌（查氏合成培养基）N a N O 3 3 g K 2 H P O 4 1 g K C l 0 . 5 g N a N O 3 3 g K 2 H P O 4 1 g K C l 0 . 5 g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖蔗糖 30 30g H2O g H2O 1000ml1000ml2.营养协调营养协调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

20、，浓度过高时则可能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。对微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物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代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的的影响较大。影响较大。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。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，培例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳

21、氮比为养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。酸产量则大量增加。3.理化条件适宜理化条件适宜pH水活度水活度氧化还原电位氧化还原电位a. pH培养基的培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型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。微生物的生长繁殖或产生代谢产物。通常培养条件：通常培养条件：细菌与放线菌：细菌与放线菌：pH77.5酵母菌和霉菌：酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长范围内生长为了维持培养基为了维持培

22、养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。b. 水活度水活度在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，一般用在一定的温度和压力条件下一般用在一定的温度和压力条件下, ,溶液的蒸汽压力与同样条溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：件下纯水蒸汽压力之比表示，即：w=Pw/Pw=Pw/Po ow w式中式中PwPw代表溶液蒸汽压力代表溶液蒸汽压力, , P PO Ow w代表纯水蒸汽压力。代表纯水蒸汽压力。纯水纯水w

23、w为为1.00,1.00,溶液中溶质越多溶液中溶质越多, , ww越小越小。微生物一般在微生物一般在ww为为0.600.600.990.99的条件下生长的条件下生长, , ww过低时过低时, ,微生物生长的迟缓期延长微生物生长的迟缓期延长, ,比生长速率和总生长量减少。比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适微生物不同，其生长的最适ww不同。不同。c. 氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位又称氧化还原电势（氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），），是度量是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子

24、趋势的一种指标，其单位是的一种指标，其单位是V（伏）或伏）或mV（毫伏）。毫伏）。不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同好氧性微生物：好氧性微生物：+0.1+0.1伏以上时可正常生长伏以上时可正常生长, ,以以+0.3+0.3+0.4+0.4伏为宜；伏为宜；厌氧性微生物：低于厌氧性微生物：低于+0.1+0.1伏条件下生长；伏条件下生长；兼性厌氧微生物：兼性厌氧微生物：+0.1+0.1伏以上时进行好氧呼吸伏以上时进行好氧呼吸, , +0.1 +0.1伏以下时进行发酵。伏以下时进行发酵。氧化还原电位就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性

25、。4. 经济节约经济节约以粗代精以粗代精以野代家以野代家以废代好以废代好以国代进以国代进以简代繁以简代繁以氮代朊以氮代朊以烃代粮以烃代粮以纤代糖以纤代糖1.1.天然培养基天然培养基: : 化学成分不完全了解或化学成化学成分不完全了解或化学成分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植分不恒定的天然有机物配制的培养基。如动植物汁液物汁液, ,土壤浸出液土壤浸出液, , 等配制成培养基。配制方等配制成培养基。配制方便，经济。便，经济。如：如： 2.2.合成培养基：合成培养基： 由已知化学药品配成由已知化学药品配成, ,成分成分和浓度都已完全知道和浓度都已完全知道, ,每一次配制也基本恒定。每一次配制也

26、基本恒定。这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验这种培养基成分精确，重复性强，多用于实验室室, ,费用较高。费用较高。如：如：l牛肉膏牛肉膏 瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏瘦牛肉组织浸出汁浓缩而成的膏状物质，富含水溶性碳水化合物，有机状物质，富含水溶性碳水化合物，有机氮化合物，维生素，盐等。氮化合物，维生素，盐等。l蛋白胨蛋白胨 将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶将肉，酪素或明胶用酸或蛋白酶水解后干燥而成的粉末状物质，富含有水解后干燥而成的粉末状物质，富含有机氮化合物，也含有一些维生素和碳水机氮化合物，也含有一些维生素和碳水化合物。化合物。l酵母膏酵母膏 酵母细胞的水溶性提取物浓缩而酵母细胞的水溶性

27、提取物浓缩而成的膏状物质成的膏状物质 ，富含类维生素，也含有，富含类维生素，也含有有机氮化合物和碳水化合物。有机氮化合物和碳水化合物。3.3.半合成培养基半合成培养基: :由成分已知的物质由成分已知的物质和成分未知的天然物质配制而成的培和成分未知的天然物质配制而成的培养基养基, ,如如PDAPDA培养基。培养基。如：如： 液体培养基液体培养基: :配制后不加任何凝固剂。配制后不加任何凝固剂。 半固体培养基半固体培养基: :在液体培养基上加进一定凝固剂在液体培养基上加进一定凝固剂, ,在在液体培养基中如加液体培养基中如加0.5%0.5%琼脂琼脂, ,可以用来观察细胞运可以用来观察细胞运动的特征动

28、的特征, ,鉴定菌种鉴定菌种, ,测定抗菌素的效价等。测定抗菌素的效价等。 固体培养基固体培养基: :在液体培养基中加入凝固剂在液体培养基中加入凝固剂( (如如1.5-1.5-2.0%2.0%琼脂琼脂) )。固体培养基为微生物的生长提供了一。固体培养基为微生物的生长提供了一个营养表面个营养表面, ,在这个表面生长微生物可形成单个菌在这个表面生长微生物可形成单个菌落落, ,用于微生物的分离用于微生物的分离, ,鉴定鉴定, ,计数计数, ,保管。保管。 脱水培养基：指含有除水分以外的一切成分的商品脱水培养基：指含有除水分以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，其成分精确且使用方便。其成分精确且使用方便。 常用的凝固剂有琼脂常用的凝固剂有琼脂(agar)(agar)、明胶、明胶(gelatin)(gelatin)和硅胶和硅胶(silica gel)(silica gel)。化学化学成分成分营养营养价值价值分解分解性性融化融化温度温度凝固凝固温度温度常用常用浓度浓度透明透明度度黏黏着着力力耐加耐加压灭压灭菌菌琼琼脂脂聚半乳聚半乳糖的硫糖的硫酸酯酸酯无无罕见罕见约约9696 约约40401.5%1.5%2%2%高