第五章微生物的营养

1、第五章微生物的营养第1页，共111页。第一节第一节 微生物的营养微生物的营养 在微生物生命活动中，须不断与外界环境进行物质交换才在微生物生命活动中，须不断与外界环境进行物质交换才能维持正常的生长繁殖。能维持正常的生长繁殖。微生物从环境中吸收的，能够满足微生物从环境中吸收的，能够满足其生长繁殖和进行各种生理活动所需要的物质，称为营养物其生长繁殖和进行各种生理活动所需要的物质，称为营养物质质( (Nutrient)Nutrient)；微生物吸收和利用营养物质的过程称为营养微生物吸收和利用营养物质的过程称为营养( (Nutrition)Nutrition)。 二、二、营养物质营养物质 三、微生物的营

2、养类型三、微生物的营养类型 一、一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 第2页，共111页。一、一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 微生物细胞微生物细胞水：水：70%-90%干物质干物质无机盐无机盐有机物有机物蛋白质、糖、脂、核酸、蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物维生素等及其降解产物细菌：细菌：7585%，芽孢：，芽孢：5560%酵母菌：酵母菌：7085%丝状真菌：丝状真菌：8590%，孢子：，孢子：39%微生物细胞的元素组成：微生物细胞的元素组成：主要元素主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙等碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙等 ；微量元素微

3、量元素：铁、锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。铁、锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。第3页，共111页。二、二、营养物质营养物质 微生物细胞的化学组成与其它生物相似，由微生物细胞的化学组成与其它生物相似，由C C、H H、O O、N N、和和K K、CaCa、P P、S S等等大量元素及微量元素（大量元素及微量元素（MnMn、B B、FeFe、ZnZn）所组成的有机或无机物构成，所组成的有机或无机物构成，这些物质主要由以下六大类营养物质提供：这些物质主要由以下六大类营养物质提供： 1.碳源碳源 2.氮源氮源 3.能源能源4.生长因素生长因素5.无机盐无机盐6.水水 营养物质的类型营养物

4、质的类型第4页，共111页。1、碳源碳源 微生物所能利用的碳源范围是很宽的，从简单的无机物如：微生物所能利用的碳源范围是很宽的，从简单的无机物如：COCO、COCO2 2到复杂的含碳到复杂的含碳有机化合物都能作为微生物的碳源。有机碳源可为化能有机营养型微生物细胞提供碳有机化合物都能作为微生物的碳源。有机碳源可为化能有机营养型微生物细胞提供碳骨架和能源，化能无机营养型微生物一般只能以骨架和能源，化能无机营养型微生物一般只能以COCO2 2作为碳源。作为碳源。碳碳源源糖类糖类单糖单糖寡糖寡糖多糖多糖葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖等葡萄糖、半乳糖、果糖、木糖等麦芽糖、蔗糖、乳糖、棉子糖等麦芽糖、蔗糖、乳

5、糖、棉子糖等淀粉、糖原、纤维素、几丁质等淀粉、糖原、纤维素、几丁质等有机酸有机酸甲酸、乙酸、柠檬酸、乳酸等甲酸、乙酸、柠檬酸、乳酸等醇醇甲醇、乙醇、甘露醇、甘油等甲醇、乙醇、甘露醇、甘油等醛醛有有机机碳碳源源无机无机碳源碳源甲醛甲醛、乙醛等乙醛等其他其他脂肪、氨基酸、烃类、脂肪、氨基酸、烃类、CH4等等CO32-、CO2、CO化化能能有有机机营营养养型型化能无机营养型和少化能无机营养型和少数化能有机营养型数化能有机营养型第5页，共111页。2、氮源氮源 主要提供微生物氮素营养来源，有的氮源也可作为某些微生物的能源。从分主要提供微生物氮素营养来源，有的氮源也可作为某些微生物的能源。从分子态氮、无

6、机氮化物到复杂的含氮有机物均可被微生物利用，但不同的微生物所子态氮、无机氮化物到复杂的含氮有机物均可被微生物利用，但不同的微生物所能利用的氮源各异。根据微生物对氮源利用的差异，可以将微生物分为三种类型：能利用的氮源各异。根据微生物对氮源利用的差异，可以将微生物分为三种类型：固氮微生物固氮微生物 氨基酸自养型微生物氨基酸自养型微生物 氨基酸异养型微生物氨基酸异养型微生物 第6页，共111页。3、能源能源 指能为微生物的生命活动提供最初的能量来源的营养物质或辐射能。指能为微生物的生命活动提供最初的能量来源的营养物质或辐射能。 微生物所需的能源谱比较简单：微生物所需的能源谱比较简单： 化能异养微生物

7、的能源（同碳源）化能异养微生物的能源（同碳源） 能能源源谱谱 化合物化合物 光能光能 有机物有机物 无机物无机物 化能自养微生物的能源（不同于碳源）化能自养微生物的能源（不同于碳源） 光合型微生物的能源光合型微生物的能源 自养型微生物（如硝酸盐细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等）的能自养型微生物（如硝酸盐细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等）的能源物质都是一些还原态的无机物，如源物质都是一些还原态的无机物，如NHNH4 4+ +、NONO2 2- -、S S、H H2 2S S、H H2 2和和FeFe2+2+等。等。 第7页，共111页。4、生长因素（生长因素（Growth factor)Growth

8、 factor) 是指一类需要量极少，但对微生物正常代谢必不可少，而微生物又不能是指一类需要量极少，但对微生物正常代谢必不可少，而微生物又不能由简单有机物自行合成的物质。包括维生素、氨基酸、核苷等有机物。由简单有机物自行合成的物质。包括维生素、氨基酸、核苷等有机物。 第8页，共111页。5、无机盐无机盐 微生物需要的无机盐可以分为主要元素（大量元素）和微量元素两大微生物需要的无机盐可以分为主要元素（大量元素）和微量元素两大类。类。（1 ）主要元素主要元素 包括包括P、K、Ca、Mg、S、Na等六种，这些元素分别参与细胞结构等六种，这些元素分别参与细胞结构物质的组成、能量转移、物质代谢以及调节细

9、胞原生质的胶体状态和细物质的组成、能量转移、物质代谢以及调节细胞原生质的胶体状态和细胞透性等。胞透性等。 （2）微量元素）微量元素 包括包括Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Co等。这些元素多是辅酶和辅基等。这些元素多是辅酶和辅基的元素成分或酶的激活剂。微生物对于微量元素的需要量极少，自来水和的元素成分或酶的激活剂。微生物对于微量元素的需要量极少，自来水和其它营养成分中的含量即可满足需要。微量元素过多反而对微生物产生毒其它营养成分中的含量即可满足需要。微量元素过多反而对微生物产生毒害作用。害作用。 第9页，共111页。6、水水 水是一切生命必需的营养成分，离开了水，微生物和其它生物均不水是一切

10、生命必需的营养成分，离开了水，微生物和其它生物均不能生长。能生长。 水作为许多营养物质的溶剂，对于保持细胞正常的胶体状态、吸收养分、排水作为许多营养物质的溶剂，对于保持细胞正常的胶体状态、吸收养分、排泄废物以及进行各种代谢活动都是必不可少的。泄废物以及进行各种代谢活动都是必不可少的。 第10页，共111页。三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型 微生物的营养要求比高等生物复杂，营养类型多样。根据获微生物的营养要求比高等生物复杂，营养类型多样。根据获得碳源、能源、氢或电子供体的方式不同，可将微生物区分为四得碳源、能源、氢或电子供体的方式不同，可将微生物区分为四种营养类型：种营养类型：光能无机营

11、养型光能无机营养型光能有机营养型光能有机营养型化能无机营养型化能无机营养型化能有机营养型化能有机营养型 第11页，共111页。1、光能无机营养型（光能无机营养型（Photolithotroph） 又称为光能自养型。是一类具有光合色素，能够利用光又称为光能自养型。是一类具有光合色素，能够利用光作为能源，以水或还原态无机物作为供氢体，同化作为能源，以水或还原态无机物作为供氢体，同化CO2的微的微生物。生物。 根据其所需供氢体的不同，可以将其分为两种类型：根据其所需供氢体的不同，可以将其分为两种类型： 产氧的光合作用产氧的光合作用不产氧的光合作用不产氧的光合作用第12页，共111页。（1）产氧的光合

12、作用）产氧的光合作用 如藻类和蓝细菌，其细胞内含有叶绿素，可以光作为能源，以水作如藻类和蓝细菌，其细胞内含有叶绿素，可以光作为能源，以水作为供氢体，还原为供氢体，还原CO2合成细胞物质。其反应通式为：合成细胞物质。其反应通式为： CO2+H2OCH2O+O2（2）不产氧的光合作用）不产氧的光合作用 光合细菌细胞中含有与叶绿素类似的菌绿素，但不能进行以水为供氢体光合细菌细胞中含有与叶绿素类似的菌绿素，但不能进行以水为供氢体的非环式光合磷酸化作用，也不能产生氧气。在光合作用的过程中，以还原的非环式光合磷酸化作用，也不能产生氧气。在光合作用的过程中，以还原态无机硫化物（态无机硫化物（H2S、S或或S

13、2O32-等）作为氢或电子供体来同化等）作为氢或电子供体来同化CO2，合成细合成细胞物质。其代表性反应是：胞物质。其代表性反应是： CO2+H2SCH2OH2O+S光能光能 叶绿素叶绿素 光能光能 菌绿素菌绿素 第13页，共111页。2、光能有机营养型（光能有机营养型（Photoorganotroph） 又称为光能异养型。是一类以光作为能源，以简单有机物又称为光能异养型。是一类以光作为能源，以简单有机物（如有机酸、醇等）为作供氢体，同化（如有机酸、醇等）为作供氢体，同化CO2的特殊微生物类群。的特殊微生物类群。CO2+2CH3CH(OH)CH3CH2O+光能光能+2CH3COCH3H2O 如红

14、螺菌（如红螺菌（Rhodospirillum）以异丙醇作供氢体：以异丙醇作供氢体： 第14页，共111页。3、化能无机营养型（化能无机营养型（Chemolithotroph ） 亦称化能自养型，是一类通过氧化无机物获得能量，并以亦称化能自养型，是一类通过氧化无机物获得能量，并以CO2作为唯一或主要碳源的微生物。作为唯一或主要碳源的微生物。硝化细菌硝化细菌 硫细菌硫细菌 铁细菌铁细菌 氢细菌氢细菌 根据被氧化的无机物的种类，可将化能无机营养型微生物根据被氧化的无机物的种类，可将化能无机营养型微生物分为四个类型：分为四个类型： 第15页，共111页。4、化能有机营养型（化能有机营养型（Chemoo

15、rganotroph） 化能异养型。是一类能利用有机物作为能源和碳源的微生化能异养型。是一类能利用有机物作为能源和碳源的微生物。物。腐生性微生物腐生性微生物 寄生性微生物寄生性微生物 兼性兼性 在自然界中，这类微生物的种类最多（包括绝大多数细菌、在自然界中，这类微生物的种类最多（包括绝大多数细菌、所有的真菌、原生动物以及病毒），作用最强。此类微生物根据所有的真菌、原生动物以及病毒），作用最强。此类微生物根据营养来源的方式不同又可分为三种类型：营养来源的方式不同又可分为三种类型： 第16页，共111页。 腐生性微生物腐生性微生物( (metatrophy)metatrophy) 指利用已死亡生物

16、的有机物生长发育的微生物。指利用已死亡生物的有机物生长发育的微生物。如如枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、青霉（青霉（Penicillium）。 寄生性微生物寄生性微生物( (paratrophy)paratrophy) 指需要生活在活的生物体上的微生物。指需要生活在活的生物体上的微生物。如噬菌体、蛭弧菌如噬菌体、蛭弧菌（Bdellovibrio）。）。 兼性兼性( (facultivefacultive paratrophy)paratrophy) 指既能在活的生物体上寄生，也能在死的有机质上生长发育的微生物。指既能在活的生物体上寄生，也能在死的有机质上生长发育

17、的微生物。如如大大肠杆菌（肠杆菌（Escherichia coli）。第17页，共111页。表表5-2 5-2 微生物微生物的营养类型的营养类型营养类型营养类型能源能源供氢体供氢体基本碳源基本碳源实例实例光能无机营养型光能无机营养型（光能自养型）（光能自养型）光光无机物无机物CO2蓝细菌、紫硫蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌细菌、绿硫细菌光能有机营养型光能有机营养型（光能异养型）（光能异养型）光光有机物有机物CO2及简及简单有机物单有机物紫色无硫细菌紫色无硫细菌化能无机营养型化能无机营养型（化能自养型）（化能自养型）无机物无机物无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌菌、

18、铁细菌、氢细菌化能有机营养型化能有机营养型（化能异养型）（化能异养型）有机物有机物有机物有机物有机物有机物绝大多数细菌和绝大多数细菌和全部真核微生物全部真核微生物第18页，共111页。 微生物吸收营养物质的方式依据微生物的类群和营养物质的微生物吸收营养物质的方式依据微生物的类群和营养物质的种类，可分为吞噬作用和渗透吸收作用两大类。种类，可分为吞噬作用和渗透吸收作用两大类。第二节第二节 营养物质的吸收方式营养物质的吸收方式一、吞噬作用一、吞噬作用二、渗透吸收作用二、渗透吸收作用第19页，共111页。一、吞噬作用一、吞噬作用 大多数原生动物直接以细胞膜包围并吞食营养物质，称为吞噬大多数原生动物直接

19、以细胞膜包围并吞食营养物质，称为吞噬作用。可进一步分为作用。可进一步分为: :吞噬作用吞噬作用胞饮作用胞饮作用第20页，共111页。二、渗透吸收作用二、渗透吸收作用 微生物主要以渗透吸收方式从环境中获取营养物质。细胞微生物主要以渗透吸收方式从环境中获取营养物质。细胞壁对营养物质的运输不起多大作用，但可阻挡分子量大于壁对营养物质的运输不起多大作用，但可阻挡分子量大于600Dal的物质透过。细胞膜是控制营养物质进入和代谢产物排出的物质透过。细胞膜是控制营养物质进入和代谢产物排出的主要屏障，具有选择性的吸收作用，在营养物质运输的过程中的主要屏障，具有选择性的吸收作用，在营养物质运输的过程中起决定性作

20、用。起决定性作用。物质运物质运输方式输方式细胞膜上细胞膜上无无载载体蛋白体蛋白细胞膜上细胞膜上有有载体蛋白载体蛋白单纯扩散单纯扩散不消耗能量不消耗能量消耗能量消耗能量促进扩散促进扩散运输后物质分子不变运输后物质分子不变运输后物质分子改变运输后物质分子改变主动运输主动运输基团转位基团转位第21页，共111页。1 1、单纯扩散、单纯扩散 或称被动运输或称被动运输(Passive transport)，是由于细胞膜内外物质的浓度差是由于细胞膜内外物质的浓度差而产生的物理扩散作用。而产生的物理扩散作用。 扩散是非特异性的，扩散速度取决于多方面的因素，如营养物质的浓度差、扩散是非特异性的，扩散速度取决于

21、多方面的因素，如营养物质的浓度差、分子大小、分子大小、PH值、温度等。营养物的扩散使细胞内外的物质浓度差不断减小，值、温度等。营养物的扩散使细胞内外的物质浓度差不断减小，直到二者达到动态平衡。以这种方式运输的物质不多，主要是直到二者达到动态平衡。以这种方式运输的物质不多，主要是H2O，溶解于溶解于水的气体分子，如水的气体分子，如O2、CO2和小的极性分子，如尿素、乙醇、甘油等。和小的极性分子，如尿素、乙醇、甘油等。单纯扩散的特点：单纯扩散的特点： （1 1）不需要渗透酶的参与。）不需要渗透酶的参与。 （2 2）不需消耗能量，运输的动力是胞内外的物质浓度差。）不需消耗能量，运输的动力是胞内外的物

22、质浓度差。 （2 2）不能逆浓度梯度运输，运输的速度缓慢。）不能逆浓度梯度运输，运输的速度缓慢。 第22页，共111页。2 2、促进扩散、促进扩散 或称协助扩散，或称协助扩散，是在渗透酶的参与下，由于细胞膜内外的物质浓度差是在渗透酶的参与下，由于细胞膜内外的物质浓度差而产生的物理扩散作用。而产生的物理扩散作用。 糖、氨基酸、硫酸盐等物质是通过此种方式运输的。糖、氨基酸、硫酸盐等物质是通过此种方式运输的。促进扩散的特点：促进扩散的特点： （1 1）需要渗透酶的参与，具有特异性。）需要渗透酶的参与，具有特异性。 （2 2）运输过程不需消耗能量，运输的动力是物质浓度差。）运输过程不需消耗能量，运输的

23、动力是物质浓度差。 （3 3）不能逆浓度梯度运输，能提高转运速度，提前达到动态平衡，但）不能逆浓度梯度运输，能提高转运速度，提前达到动态平衡，但不改变平衡点。不改变平衡点。 （4 4）如被运输物质的浓度高，会出现饱和效应。）如被运输物质的浓度高，会出现饱和效应。 第23页，共111页。3 3、主动运输、主动运输 是在代谢能的推动下，通过细胞膜上的渗透酶参与，逆浓度梯度吸收是在代谢能的推动下，通过细胞膜上的渗透酶参与，逆浓度梯度吸收营养物质的过程。营养物质的过程。 主动运输的速度快，是微生物吸收营养物质的主要方式，也是微生物在自然主动运输的速度快，是微生物吸收营养物质的主要方式，也是微生物在自然

24、界营养物质缺乏的环境中得以正常生存的重要原因之一。如乳糖的运输。界营养物质缺乏的环境中得以正常生存的重要原因之一。如乳糖的运输。主动运输的特点：主动运输的特点： （1 1）需渗透酶的参与，具特异性。）需渗透酶的参与，具特异性。（2 2）需消耗能量。）需消耗能量。（3 3）能逆浓度梯度运输。）能逆浓度梯度运输。（4 4）能改变物质运输的平衡点。）能改变物质运输的平衡点。第24页，共111页。4 4、基团转位、基团转位 又叫维克多利亚磷酸化作用，是在主动运输营养物质（如糖）的过程又叫维克多利亚磷酸化作用，是在主动运输营养物质（如糖）的过程中，同时使其磷酸化的一种特殊运输方式。中，同时使其磷酸化的一

25、种特殊运输方式。 基团转位目前仅在原核生物中发现，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌基团转位目前仅在原核生物中发现，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌研究得较多。这些细菌的细胞膜上存在一种磷酸转移酶系统（研究得较多。这些细菌的细胞膜上存在一种磷酸转移酶系统（PTSPTS），），能使糖在进入细胞膜的同时发生能使糖在进入细胞膜的同时发生磷酸化。磷酸转移酶系统由酶磷酸化。磷酸转移酶系统由酶、酶、酶、因子因子和热稳定性蛋白（和热稳定性蛋白（HPrHPr）组成，并与磷酸烯醇式丙酮酸（组成，并与磷酸烯醇式丙酮酸（PEPPEP）相偶相偶联。除酶联。除酶位于细位于细胞膜，其余均存在于细胞质中。胞膜，其余均存在于细胞质中。酶酶

26、和和因子因子具有底物的具有底物的特异性，酶特异性，酶和和HPrHPr具可溶性，但无专一性。具可溶性，但无专一性。 第25页，共111页。基团转位分三步进行：基团转位分三步进行：（1 1）在细胞质中，）在细胞质中，PEP + HPr PEP + HPr 酶酶,Mg2+Mg2+ HPr HPrP + PAP + PA （2 2）在细胞质中，）在细胞质中，HPrHPrP + P + 因子因子 因子因子P + HPrP + HPr（3 3）在细胞膜上，因子）在细胞膜上，因子P + P + 糖糖 酶酶 糖糖P + P + 因子因子 基团转位在营养物质运输的同时使其磷酸化。磷酸化的糖进入细基团转位在营养物

27、质运输的同时使其磷酸化。磷酸化的糖进入细胞后，可立即参与合成或分解代谢，避免了细胞内糖浓度过高。胞后，可立即参与合成或分解代谢，避免了细胞内糖浓度过高。基团转位的特点：基团转位的特点： （1 1）需渗透酶的参与，具特异性。）需渗透酶的参与，具特异性。（2 2）需消耗能量。）需消耗能量。（3 3）能逆浓度梯度运输。）能逆浓度梯度运输。（4 4）可改变物质运输的平衡点，被运输物质发生了化学变化。）可改变物质运输的平衡点，被运输物质发生了化学变化。第26页，共111页。 在微生物在微生物的的生生命活动命活动中，必须提供一定的营养条件才能满足中，必须提供一定的营养条件才能满足其生长要求。在自然条件下，

28、微生物主要从生长环境中吸收营其生长要求。在自然条件下，微生物主要从生长环境中吸收营养物，而在人工培养条件下，微生物所需的营养物是以培养基养物，而在人工培养条件下，微生物所需的营养物是以培养基提供的。提供的。 培养基是由人工配制而成的，适于某些微生物生长繁殖或积培养基是由人工配制而成的，适于某些微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。累代谢产物的营养基质。第三节第三节 培养基培养基一、一、培养基的分类培养基的分类二、培养基的配制过程二、培养基的配制过程第27页，共111页。一、一、培养基的分类培养基的分类 培养基种类繁多，分类方法也不同，主要介绍培养基种类繁多，分类方法也不同，主要介绍三种三种分

29、类方法：分类方法：（1 1）天然培养基）天然培养基1 1、根据营养成分的了解程度、根据营养成分的了解程度 是利用一些无法确切了解其化学成分的动物、植物或微生物体或其提是利用一些无法确切了解其化学成分的动物、植物或微生物体或其提取物配制成的培养基。取物配制成的培养基。如培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基、培养酵母菌的麦芽如培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基、培养酵母菌的麦芽汁培养基。汁培养基。 天然培养基的优点是取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便；缺点是成天然培养基的优点是取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便；缺点是成分不稳定，也不十分了解，在进行精密的科学实验时，重复性差。因此，天然培分不稳定，也不

30、十分了解，在进行精密的科学实验时，重复性差。因此，天然培养基只适合于配制实验室用的各种基础培养基和工业生产用的种子培养基及发酵养基只适合于配制实验室用的各种基础培养基和工业生产用的种子培养基及发酵培养基。培养基。 第28页，共111页。（2 2）合成培养基合成培养基 是利用化学成分完全已知的化学纯的物质（是利用化学成分完全已知的化学纯的物质（或或试剂）配制试剂）配制而成的培养基。而成的培养基。如培养细菌的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌如培养细菌的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的高氏的高氏1 1号培养基（淀粉硝酸盐培养基）和培养真菌的查氏培养号培养基（淀粉硝酸盐培养基）和培养真菌的查氏培养基（蔗糖硝

31、酸盐培养基）。基（蔗糖硝酸盐培养基）。 合成培养基的优点是成分精确、重演性高；缺点是价格较贵，合成培养基的优点是成分精确、重演性高；缺点是价格较贵，配制繁琐。一般用于营养代谢、生理生化、遗传育种、菌种鉴定和配制繁琐。一般用于营养代谢、生理生化、遗传育种、菌种鉴定和生物测定等定量要求较高的研究中。生物测定等定量要求较高的研究中。第29页，共111页。（3 3）半）半合成培养基合成培养基 是指既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基是指既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基。如培养。如培养真菌的真菌的PDAPDA培养基。培养基。第30页，共111页。2、根据培养基的物理状态根据培养基的物理状态（1

32、1）固体培养基（）固体培养基（Solid mediumSolid medium） 外观呈固体状态的培养基，称为固体培养基。外观呈固体状态的培养基，称为固体培养基。 根据培养基的物理状态，可把培养基分成三类根据培养基的物理状态，可把培养基分成三类。 实验室所用的固体培养基一般是加入实验室所用的固体培养基一般是加入1.5-2.0%1.5-2.0%的琼脂的琼脂（AgarAgar）制成的。琼脂是从一种称为石花菜的海藻中提取出来的、由半制成的。琼脂是从一种称为石花菜的海藻中提取出来的、由半乳糖的硫酸酯单体聚合而成的高分子化合物。绝大多数微生物乳糖的硫酸酯单体聚合而成的高分子化合物。绝大多数微生物都不能分

33、解利用它，而且琼脂的熔点为都不能分解利用它，而且琼脂的熔点为9696，凝固点为，凝固点为4040，无毒、无味，是一种优良的凝固剂。也可加入无毒、无味，是一种优良的凝固剂。也可加入5-12%5-12%的明胶作为的明胶作为凝固剂。凝固剂。第31页，共111页。（2）半固体培养基）半固体培养基 当凝固剂的用量低于正常值时，容器中的培养基在倒放时不当凝固剂的用量低于正常值时，容器中的培养基在倒放时不致流下，而在剧烈的振荡下则会破散，这种培养基称为半固体培致流下，而在剧烈的振荡下则会破散，这种培养基称为半固体培养基。养基。一般是加入一般是加入0.2-0.5%0.2-0.5%的琼脂的琼脂（AgarAgar

34、）制成的。制成的。 半固体培养基在微生物学实验中有许多独特的用途，如细半固体培养基在微生物学实验中有许多独特的用途，如细菌的运动性观察（半固体穿刺接种），噬菌体效价测定（双层菌的运动性观察（半固体穿刺接种），噬菌体效价测定（双层平板法），微生物趋化性研究，各种厌氧菌的培养以及菌种保平板法），微生物趋化性研究，各种厌氧菌的培养以及菌种保藏等。藏等。第32页，共111页。（3）液体培养基）液体培养基 是指呈液体状态的培养基是指呈液体状态的培养基。 在实验室中，液体培养基主要用于研究微生物的生理、代谢和在实验室中，液体培养基主要用于研究微生物的生理、代谢和获取大量菌体；在生产上，绝大多数发酵都采用液

35、体培养基。获取大量菌体；在生产上，绝大多数发酵都采用液体培养基。第33页，共111页。3 3、根据、根据培养基的功能划分培养基的功能划分 （1 1）选择培养基）选择培养基 是根据某种微生物的特殊营养要求或其对某种化学或物理因素的是根据某种微生物的特殊营养要求或其对某种化学或物理因素的抗性而设计的培养基。其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势从抗性而设计的培养基。其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势从而提高该菌的筛选效率。而提高该菌的筛选效率。 常用的常用的选择培养基如分离真菌的马丁氏培养基，分离固氮菌的选择培养基如分离真菌的马丁氏培养基，分离固氮菌的阿须贝培养基等。阿须贝培养基等。第34页，共1

36、11页。（2 2）鉴别鉴别培养基培养基 是在培养基中加入能与微生物的代谢产物发生反应的指示剂，是在培养基中加入能与微生物的代谢产物发生反应的指示剂，或使某种不溶性的营养物分解而形成透明圈，从而用肉眼就能将所或使某种不溶性的营养物分解而形成透明圈，从而用肉眼就能将所需的微生物区分出来的培养基。需的微生物区分出来的培养基。 常见的鉴别性培养基如伊红美蓝培养基（常见的鉴别性培养基如伊红美蓝培养基（EMBEMB），），主要用于主要用于鉴别水、食品中的肠道菌。鉴别水、食品中的肠道菌。 第35页，共111页。二、培养基的配制过程二、培养基的配制过程按培养基按培养基配方称量配方称量加水加加水加热熔化热熔化调

37、节调节pH值值过滤过滤分装分装包装包装灭菌灭菌检查灭菌检查灭菌彻底与否彻底与否第36页，共111页。第四节第四节 微生物的代谢微生物的代谢 微生物的代谢作用（微生物的代谢作用（Metabolism）也叫新陈代谢，是指在微生物细）也叫新陈代谢，是指在微生物细胞生命活动过程中，全部生物化学反应的总和。新陈代谢由两个相反的胞生命活动过程中，全部生物化学反应的总和。新陈代谢由两个相反的过程构成：即分解代谢和合成代谢。过程构成：即分解代谢和合成代谢。一、一、能量代谢能量代谢 二、二、分解代谢分解代谢 微生物的代谢包括能量代谢和物质代谢。微生物的代谢包括能量代谢和物质代谢。第37页，共111页。（一）（一

38、） ATPATP的产生的产生 在微生物细胞中，在微生物细胞中，ATPATP的产生可以通过三种方式：的产生可以通过三种方式： 1、基质水平磷酸化（底物水平磷酸化）基质水平磷酸化（底物水平磷酸化） 是指某些化合物在氧化分解时，直接形成是指某些化合物在氧化分解时，直接形成ATPATP的过程。的过程。底物水平磷酸底物水平磷酸化在生物代谢过程中是十分普遍的，催化底物水平磷酸化的酶位于细胞质化在生物代谢过程中是十分普遍的，催化底物水平磷酸化的酶位于细胞质中。其反应通式为：中。其反应通式为：SP+ADPS+ATP一、能量代谢一、能量代谢第38页，共111页。2、氧化磷酸化（电子传递水平磷酸化）氧化磷酸化（电

39、子传递水平磷酸化） 是指通过呼吸链（电子传递链），形成是指通过呼吸链（电子传递链），形成ATPATP的过程。的过程。 从氧化物质产生的一对电子或从氧化物质产生的一对电子或H原子向最终电子受体（原子向最终电子受体（O2）转移时，中间）转移时，中间须经过一系列的电子传递体，电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，每须经过一系列的电子传递体，电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，每一个电子传递体都是一个氧化还原系统。在不同的生物中这一系列的电子一个电子传递体都是一个氧化还原系统。在不同的生物中这一系列的电子传递体有一定的排列顺序，构成了一条链，称为呼吸链。流动的电子经过传递体有一定的排列顺序，构成了一条链

40、，称为呼吸链。流动的电子经过呼吸链时逐步释放能量，生成呼吸链时逐步释放能量，生成ATP。第39页，共111页。3、光合磷酸化光合磷酸化 是指光合微生物将光能转变成化学能的过程。是指光合微生物将光能转变成化学能的过程。 在这种转化过程中，光合色素起着重要作用。蓝细菌和藻类的光合在这种转化过程中，光合色素起着重要作用。蓝细菌和藻类的光合色素是叶绿素，而光合细菌则为菌绿素。菌绿素和叶绿素的结构和光吸色素是叶绿素，而光合细菌则为菌绿素。菌绿素和叶绿素的结构和光吸收特性都不相同，光合作用机制也不同。光合细菌、蓝细菌和藻类都能收特性都不相同，光合作用机制也不同。光合细菌、蓝细菌和藻类都能利用利用CO2作为

41、碳源，但蓝细菌和藻类以作为碳源，但蓝细菌和藻类以H2O作为供氢体，最终产物有氧；作为供氢体，最终产物有氧；而光合细菌则以而光合细菌则以H2S、H2、S2O32、乳酸盐和琥珀酸盐等作为供氢体，最终产、乳酸盐和琥珀酸盐等作为供氢体，最终产物没有氧。物没有氧。 光合细菌是厌氧菌，在厌氧条件下进行光合磷酸化的方式为环式光合光合细菌是厌氧菌，在厌氧条件下进行光合磷酸化的方式为环式光合磷酸化。磷酸化。 蓝细菌和藻类的光合作用与植物相同，主要属于非环式光合磷酸化，其光合蓝细菌和藻类的光合作用与植物相同，主要属于非环式光合磷酸化，其光合色素系统包括系统色素系统包括系统和系统和系统两个光化学反应单位。两个光化学

42、反应单位。第40页，共111页。（二）（二）能量代谢的方式能量代谢的方式 根据最终电子受体的不同，可以将微生物的能量代谢分为根据最终电子受体的不同，可以将微生物的能量代谢分为有氧呼吸、无有氧呼吸、无氧呼吸和发酵作用氧呼吸和发酵作用三种方式。三种方式。 1、有氧呼吸（有氧呼吸（RespirationRespiration） 是指微生物细胞以分子氧作为最终电子受体，氧化有机物或无机物是指微生物细胞以分子氧作为最终电子受体，氧化有机物或无机物获得能量的过程。获得能量的过程。有氧呼吸的特点有氧呼吸的特点: :（1 1）有分子氧的参与；）有分子氧的参与；（2 2）氧化彻底）氧化彻底, ,其最终产物是水和

43、其最终产物是水和COCO2 2；（3 3）产生的能量多。）产生的能量多。第41页，共111页。 所产生的能量一部分以热的形式散发（所产生的能量一部分以热的形式散发（388kcal388kcal），另一部分），另一部分则贮存于则贮存于ATPATP中。如中。如1 1分子葡萄糖在有氧呼吸条件下彻底氧化，分子葡萄糖在有氧呼吸条件下彻底氧化，可产生可产生3838摩尔的摩尔的ATPATP，每个，每个ATPATP分子可转化成分子可转化成7.3kcal7.3kcal的能量，总共的能量，总共可以产生可以产生300kcal300kcal的能量。的能量。C6H12O6+O238ADP+Pi38ATP6CO6CO2

44、26H6H2 2O O388kcal388kcal+ 以有氧呼吸方式获取能量的微生物都是好氧或兼性厌氧菌。以有氧呼吸方式获取能量的微生物都是好氧或兼性厌氧菌。有的属于化能异养型，以氧化有机物进行呼吸作用，如大多数有的属于化能异养型，以氧化有机物进行呼吸作用，如大多数细菌、所有真菌、原生动物等；有的是化能自养型，以氧化无细菌、所有真菌、原生动物等；有的是化能自养型，以氧化无机物进行呼吸作用，如硝化细菌、氢细菌和硫细菌。机物进行呼吸作用，如硝化细菌、氢细菌和硫细菌。 第42页，共111页。2、无无氧呼吸（氧呼吸（Anaerobic RespirationAnaerobic Respiration）

45、 是指微生物细胞以除氧以外的其它无机物作为最终电子受体，氧化有机是指微生物细胞以除氧以外的其它无机物作为最终电子受体，氧化有机物获得能量的过程。物获得能量的过程。 无氧呼吸的特点无氧呼吸的特点: :（1 1）无分子氧的参与；）无分子氧的参与；最终电子受体是无机氧化物；最终电子受体是无机氧化物； （2 2）氧化彻底）氧化彻底, ,其最终产物是水和其最终产物是水和COCO2 2；（3 3）产生的能量多。）产生的能量多。第43页，共111页。C6H12O6+nADP+PinATP6CO6CO2 26H6H2 2O O429kcal429kcal+ 1 1分子葡萄糖以分子葡萄糖以KNOKNO3 3作为

46、电子受体进行厌氧呼吸时，可以释作为电子受体进行厌氧呼吸时，可以释放放429kcal429kcal的自由能，另一部分能量则转移给生成的的自由能，另一部分能量则转移给生成的NONO2 2- -。 12NO12NO3 3- -+12NO12NO2 2- - 以无氧呼吸方式获得能量的微生物主要是厌氧菌和兼性以无氧呼吸方式获得能量的微生物主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。厌氧菌。第44页，共111页。3、发酵作用发酵作用（FermentationFermentation） 是指有的微生物以某种不彻底氧化的有机物作为最终电子受体，氧化有是指有的微生物以某种不彻底氧化的有机物作为最终电子受体，氧化有机物获得能量的过

47、程。机物获得能量的过程。 无氧呼吸的特点无氧呼吸的特点: :（1 1）无分子氧的参与；）无分子氧的参与；最终电子受体是最终电子受体是有有机物；机物； （2 2）氧化不彻底，代谢终产物也是有机物（如乙醇、乳酸）；氧化不彻底，代谢终产物也是有机物（如乙醇、乳酸）； （3 3）产生的能量少。）产生的能量少。第45页，共111页。 1 1分子葡萄糖只能产生分子葡萄糖只能产生2 2分子的分子的ATPATP。C6H12O6+2ADP+Pi2ATP2CO2CO2 254kcal54kcal+2C2H5OH 发酵作用是厌氧菌获得能量的主要方式，有的兼性厌氧菌在无发酵作用是厌氧菌获得能量的主要方式，有的兼性厌氧

48、菌在无氧条件下也通过此方式获取能量。氧条件下也通过此方式获取能量。 在有氧条件下氧气会抑制发酵作用，这一现象称为巴斯德在有氧条件下氧气会抑制发酵作用，这一现象称为巴斯德效应。效应。所以，在发酵生产时，都需进行密封（如酒精发酵，家所以，在发酵生产时，都需进行密封（如酒精发酵，家庭制泡菜等）。庭制泡菜等）。 第46页，共111页。（三）（三）能量的利用能量的利用 1、生物合成是能量利用的主要方面（约占能耗的生物合成是能量利用的主要方面（约占能耗的1/3）。）。2、微生物的生命活动需要消耗能量。微生物的生命活动需要消耗能量。3、生物发光。生物发光。4、生物热的产生。如青贮饲料、堆肥。生物热的产生。如

49、青贮饲料、堆肥。第47页，共111页。（一）（一）己糖的分解己糖的分解 在微生物细胞中，己糖的降解主要通过四条途径：在微生物细胞中，己糖的降解主要通过四条途径：EMP途径途径 HMP途径途径 ED途径途径 三羧酸循环三羧酸循环 二、分解代谢二、分解代谢第48页，共111页。1 1、EMP途径途径 也叫糖酵解途径（也叫糖酵解途径（Glycolysis）或己糖二磷酸途径，是许多生物共有的）或己糖二磷酸途径，是许多生物共有的己糖分解途径。大多数好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌都利用该途径分解葡萄己糖分解途径。大多数好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌都利用该途径分解葡萄糖。其总反应式为：糖。其总反应式为： C6H1

50、2O6+2ATP2ADP2Pi +2CH3COCOOH 2NAD+2NADH 在在EMP途径中，每途径中，每1分子葡萄糖降解后净生成分子葡萄糖降解后净生成2分子分子ATP，产能效率较，产能效率较低，即使加上低，即使加上2个个NADH，总共也只能产生，总共也只能产生8分子分子ATP。 但该过程生成的几种磷酸化的中间产物是脂类和其他物质合成的前但该过程生成的几种磷酸化的中间产物是脂类和其他物质合成的前体。其终产物丙酮酸、氨基酸和其他许多物质的合成有密切关系，是生体。其终产物丙酮酸、氨基酸和其他许多物质的合成有密切关系，是生物代谢的中心产物，起连接其他有关代谢途径的作用，如物代谢的中心产物，起连接其

51、他有关代谢途径的作用，如TCA、乙醇、乙醇发酵、乳酸发酵等。发酵、乳酸发酵等。 第49页，共111页。2.2.HMP途径途径 也叫己糖单磷酸途径或称戊糖磷酸途径。这是一条不须经过也叫己糖单磷酸途径或称戊糖磷酸途径。这是一条不须经过TCA而而直接彻底氧化分解己糖的代谢过程。通过该途径不仅可以产生从直接彻底氧化分解己糖的代谢过程。通过该途径不仅可以产生从C3- -C7的的各种单糖，并且还产生大量的各种单糖，并且还产生大量的NADPH（12分子）。许多细菌和真菌都有这分子）。许多细菌和真菌都有这条途径，且该途径常与条途径，且该途径常与EMP途径共存。其总反应式如下：途径共存。其总反应式如下：6- -

52、P- -C6H11O5 +6H6H2 2O O12NAD+6 6CO2 2+12NADH2+6Pi 在整个在整个HMP途径中，每进行一次周转通常需要途径中，每进行一次周转通常需要6分子的分子的6- -磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖同时参与反应，但只有同时参与反应，但只有1分子的分子的6- -磷酸葡萄糖被彻底氧化成磷酸葡萄糖被彻底氧化成CO2和和H2O，其余，其余的重新生成的重新生成5分子的分子的6- -磷酸葡萄糖。磷酸葡萄糖。第50页，共111页。3.ED3.ED途径途径 也称为也称为2- -酮酮- -3- -脱氧脱氧- -6- -磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。是少数缺乏）裂解途径。是

53、少数缺乏完整完整EMP途径的细菌所具有的一种替代途径。途径的细菌所具有的一种替代途径。 某些革兰氏阴性细菌，如假单胞杆菌（某些革兰氏阴性细菌，如假单胞杆菌（Pseudomonas）、根瘤菌）、根瘤菌（Rhizobium）等以该途径生成丙酮酸。发酵单胞菌可利用）等以该途径生成丙酮酸。发酵单胞菌可利用ED途径生成丙酮途径生成丙酮酸，然后经脱羧形成乙醛，乙醛再还原为乙醇。这种生产乙醇的过程与传统的由酸，然后经脱羧形成乙醛，乙醛再还原为乙醇。这种生产乙醇的过程与传统的由酵母菌通过酵母菌通过EMP途径产生乙醇不同，称为细菌酒精发酵。途径产生乙醇不同，称为细菌酒精发酵。 ED途径也是由葡萄糖降解为丙酮酸，

54、但过程与途径也是由葡萄糖降解为丙酮酸，但过程与EMP途径不同的是途径不同的是反应过程简单，产能水平低，只能净产生反应过程简单，产能水平低，只能净产生1分子的分子的ATP。 第51页，共111页。4.4.三羧酸循环三羧酸循环 又称为柠檬酸环或又称为柠檬酸环或Krebs环。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的催化下环。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的催化下氧化脱羧并与辅酶氧化脱羧并与辅酶A结合，形成乙酰辅酶结合，形成乙酰辅酶A，同时产生，同时产生1分子分子NADH2。然后，。然后，乙酰辅酶乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸，进入与草酰乙酸缩合成柠檬酸，进入TCA循环。循环。TCA循环总反应式循环总反应式如下：如下：

55、+ATPADPPi +CH3COOCoA 3NAD+3NADH2FAD+CoA2CO2CO2 2+3H3H2 2O O+FADH2 经过经过EMP和和TCA循环，循环，1分子葡萄糖被彻底氧化成水和分子葡萄糖被彻底氧化成水和CO2，并可产生，并可产生高达高达38分子的分子的ATP。C6H12O6+38ATP38ADP38Pi +6O2+6CO6CO2 26H6H2 2O O第52页，共111页。（二）（二）丙酮酸代谢丙酮酸代谢 在厌氧条件下，一些微生物可以通过发酵作用降解葡萄糖，在厌氧条件下，一些微生物可以通过发酵作用降解葡萄糖，产生各种不完全降解的有机物，如乙醇、乳酸、丁酸等。这些有产生各种不

56、完全降解的有机物，如乙醇、乳酸、丁酸等。这些有机物有的是重要的工业原料，有的是人类重要的食品或调味品。机物有的是重要的工业原料，有的是人类重要的食品或调味品。 第53页，共111页。葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 乙酰乙酸乙酰乙酸CoA 乙酰乙酰CoA 丁醇丁醇丁酸丁酸 异丙酮异丙酮CO2 乙醇乙醇 CoA 乙酸乙酸 （5） 甲醛甲醛 CO2+H2O 乙酰乙酸乙酰乙酸 丙酮丙酮 2，3-丁二醇丁二醇乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 （4） 乳酸乳酸（2） CO2 乙醛乙醛 2H 乙醇乙醇 (1) CO2 CO2 丙酸丙酸琥珀酸琥珀酸 H2O 2H 2H （3） 乙醇发酵乙醇

57、发酵乳酸发酵乳酸发酵丁酸己酸发酵丁酸己酸发酵第54页，共111页。1 1、酒精发酵、酒精发酵 不同微生物发酵产生乙醇的代谢途径不相同，有三条途径：不同微生物发酵产生乙醇的代谢途径不相同，有三条途径： 酵母菌酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）可通过可通过EMPEMP途径，将葡萄糖分解成丙途径，将葡萄糖分解成丙酮酸，再脱羧生成乙醛，然后还原形成乙醇。由于该过程的产物主要是乙酮酸，再脱羧生成乙醛，然后还原形成乙醇。由于该过程的产物主要是乙醇，又称为同型乙醇发酵。醇，又称为同型乙醇发酵。其反应通式为：其反应通式为： C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2CH3CH2OH+2

58、CO2+2ATP（1 1）经）经EMPEMP途径途径经经EMP途径途径经经ED途径途径经经HMP途径途径第55页，共111页。（2 2）经）经ED途径途径 运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）可经可经ED途径将葡萄糖分解途径将葡萄糖分解为丙酮酸，经脱羧后形成乙醛，再还原为乙醇。形成的主要产物也是乙为丙酮酸，经脱羧后形成乙醛，再还原为乙醇。形成的主要产物也是乙醇。该过程产能只有醇。该过程产能只有EMP途径的一半。途径的一半。 C6H12O6+ADP+H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+ATP（3 3）经）经HMPHMP途径途径 肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌（Leu

59、conostoc mesenteroides）通过通过HMP途径降解葡萄糖生途径降解葡萄糖生成乙醇，但产物中除乙醇外，还有乳酸，因此称为异型乙醇发酵。成乙醇，但产物中除乙醇外，还有乳酸，因此称为异型乙醇发酵。 第56页，共111页。2 2、乳酸发酵、乳酸发酵 微生物在降解葡萄糖的过程中，如果所形成的最终代谢产物大部分微生物在降解葡萄糖的过程中，如果所形成的最终代谢产物大部分都为乳酸，称之为乳酸发酵。都为乳酸，称之为乳酸发酵。 乳酸发酵乳酸发酵同型乳酸发酵同型乳酸发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵 它们在菌种、发酵途径和产物种类上均不相同。它们在菌种、发酵途径和产物种类上均不相同。 第57页，共111

60、页。（1 1）同型乳酸发酵）同型乳酸发酵 德氏乳酸杆菌（德氏乳酸杆菌（Lactobacillus delbruckiiLactobacillus delbruckii）、保加利亚乳杆菌、保加利亚乳杆菌（L.bulgaricusL.bulgaricus）、干酪乳杆菌（）、干酪乳杆菌（L.caseiL.casei）等）等在完全厌氧的条件下，通过在完全厌氧的条件下，通过EMPEMP途径将葡萄糖降解为丙酮酸，再经途径将葡萄糖降解为丙酮酸，再经NADHNADH2 2还原形成乳酸。由于所形成的代谢终产还原形成乳酸。由于所形成的代谢终产物几乎全部都是乳酸，称为同型乳酸发酵。物几乎全部都是乳酸，称为同型乳酸发