第五章微生物的营养和培养基(修改)

微生物学回顾与复习细胞型微生物原核：真核：非细胞型微生物病毒细菌、放线菌、蓝细菌、古菌、其他酵母菌、霉菌

第五章微生物的营养和培养基

本章学习要点微生物需要哪些营养物质？微生物的营养类型分几种？微生物是怎样吸收营养物质的？培养基是如何制备的、有哪些种类？本章内容微生物的营养物质及其功能微生物的营养类型营养物质进出微生物细胞培养基营养（营养作用）：

微生物从外界环境中摄取化学物质，获得生命活动所需的能量及构成机体的结构物质的生理过程。营养物质：

满足机体生长、繁殖和生理活动的物质。碳源

水生长因子和生长抑制因子无机盐氮源能源第一节微生物的营养物质及其功能能提供微生物营养所需碳（元）素或碳架的营养物质称为碳源(carbonsource)。碳源第一节微生物的营养物质及其功能无机碳源CO2、NaHCO3、CaCO3等有机碳源烃类、醇、羧酸、脂肪酸、糖及其衍生物、杂环化合物、氨基酸、核苷酸蛋白质、脂质、核酸牛肉膏、蛋白质、花生饼粉、糖蜜、石油及其不同的组分。二甲苯、酚等有毒物质第一节微生物的营养物质及其功能碳源不同营养类型的微生物利用不同的碳源有些微生物利用碳源的范围很广有些微生物利用的碳源物质种类极有限异养微生物:糖类（最广泛，尤其是葡萄糖）醇、有机酸或脂肪酸等（其次）自养微生物:CO2或碳酸盐洋葱伯克霍尔德氏菌：可利用90多种甲基营养菌：只利用甲醇和甲烷第一节微生物的营养物质及其功能1.用来构成细胞物质的骨架。2.提供生理活动所需的能量。第一节微生物的营养物质及其功能碳源的主要功能：返回能源是提供微生物生命活动所需的能量的物质，大多数微生物的能源是化学物质（有机化合物和无机化合物），光能自养微生物的能源是光。能源第一节微生物的营养物质及其功能有机碳源能源（常见：葡萄糖，具有能源、碳源双功能）异养微生物光能自养微生物化能自养微生物碳源（CO2）能源（光）碳源（CO2）能源（NH4、NO2、S0、H2、Fe2+

）、能源第一节微生物的营养物质及其功能返回能提供微生物所需氮素的营养物质称为氮源

（nitrogensource)。氮源

第一节微生物的营养物质及其功能分子态氮（N2）、氨、铵盐、硝酸盐等无机氮源有机氮源尿素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、胰酪蛋等鱼粉、玉米浆、饼粉氮源

第一节微生物的营养物质及其功能提供细胞原生质和其他结构中的氮素，一般不做能源物质。返回化能自养微生物异养微生物NH3、NO2兼有氮源和能源双功能（硝化细菌）含有C、H、O、N的有机化合物是具有碳源、能源和氮源三重功能。但是：第一节微生物的营养物质及其功能

氮源物质的主要功能：大量元素：PSKMgCaNaFe等（10-4～10-3mol/L)。微量元素：CoZnMoCuMn等(10-8～10-6mol/L)。这些元素是以无机盐的形式提供的，故称为无机盐或矿质元素（mineralelement）。无机盐第一节微生物的营养物质及其功能1.提供微生物细胞化学组成中(除C和N外)的重要元素。2.参与并稳定微生物细胞的结构。3.与酶的组成和活力有关。例如：P和S分别是核酸和含硫氨基酸的重要组成元素。例如：

Mg、Cu、Zn是许多酶的激活剂。例如：P参与磷脂双分子层，构成细胞膜的基本结构。无机盐的生理功能:4.调节和维持微生物生长过程中渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等生长条件。5.用作某些化能自养细菌的能源物质。6.用作呼吸链末端的氢受体。例如：Na、K有调节渗透压的作用例如：NH4、NO2、S0、H2、Fe2+是一些化能自养微生物的能源例如:NO3-、SO42-、S0是无氧呼吸的氢受体。返回无机盐的生理功能:微生物生长所不可缺少的微量有机物质是生长因（growthfactor）。主要有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇、胺类等。一些特殊的辅酶也能用作生长因子。（表5-2）生长因子和生长抑制因子一些化学物质在一定的条件下会抑制微生物的生长，（如cAMP)，成为生长抑制因子。第一节微生物的营养物质及其功能提供微生物细胞重要化学物质（蛋白质、核酸等）、辅因子（辅酶和辅基）的组分和参与代谢。返回

生长因子的主要功能：生长因子和生长抑制因子第一节微生物的营养物质及其功能第一节微生物的营养物质及其功能水1.水是微生物细胞的主要化学组成。2.水是营养物质和代谢产物的良好溶剂，营养物质和代谢产物都是通过溶解和分散在水中而进出细胞的。3.水是细胞中各种生物化学反应得以进行的介质，并参与许多生物化学反应。4.水的比热高，汽化热高，又是热的良好导体，保证了细胞内的温度不会因代谢过程中释放的能量骤然上升。5.水还有利于生物大分子结构的稳定。

水的主要功能:水的可利用性常用水活度(wateractivity，缩写为aw)来表示:水活度以相同温度下,溶液或物质上面空气的蒸汽压与纯水蒸汽压之比。

水活度(aw)＝ｐ(溶液)/ｐ(纯水)水以自由水和结合水两种形式存在第一节微生物的营养物质及其功能水第二节微生物的营养类型光能（无机）自养：光为能源，利用无机物为碳源光能（有机）异养：光为能源，生长需要有机物质化能（无机）自养：无机物氧化供能，生长不依赖有机物化能（有机）异养：有机物氧化供能，生长依赖有机物根据能源、氢供体和碳源等分为：一、光能自养型光能自养型微生物利用光作为能源，以CO2为基本碳源，还原CO2的供氢体是还原态无机化合物（H2O、H2S或Na2S2O3)。它们含有一种或几种光合色素。第二节微生物的营养类型蓝细菌含菌绿素a紫硫细菌含菌绿素a或b绿硫细菌含菌绿素c、d或e和少量a菌绿素CO2＋H2O光照[CH2O]＋O2

菌绿素2H2S＋CO2光照[CH2O]＋H2O＋2S

菌绿素Na2S2O3＋CO2光照[CH2O]＋S

＋Na2SO4二、光能异养型光能异养型微生物以光作为能源，以有机碳化合物(甲酸、乙酸、甲醇、异丙醇、丙酮酸和乳酸等）作为碳源和供氢体营光合生长，有别于利用CO2

作为唯一碳源的自养型。菌绿素2CH3OH＋CO2光照3[CH2O]＋H2O紫色非硫细菌第二节微生物的营养类型三、化能自养型化能自养型微生物利用无机化合物氧化过程中释放的能量，以CO2

作为碳源生长。主要类群有：硫（化）细菌、消化细菌、铁细菌、氢细菌等。第二节微生物的营养类型硫细菌产甲烷菌H2S＋2O2SO42-＋2H+S0

＋H2O

＋3/2O2SO42-＋2H+S2O32-

＋H2O

＋2O22SO42-＋2H+CO2

＋4H2CH4＋2H2O三、化能自养型第二节微生物的营养类型大多数微生物属于化能自养型，它们以有机碳化合物作为能源、碳源和氢供体，其中主要是淀粉、蛋白质等大分子物质以及单糖、双糖、有机酸和氨基酸等简单有机物。又可分为腐生和寄生两种类型。四、化能异养型第二节微生物的营养类型腐生：营养物质来自死亡或腐烂的生物体寄生：营养物质来自活的生物有机体专性寄生：必须从活细胞或活组织中获得营养物质兼性寄生：以腐生为主，兼营寄生兼性腐生：以寄生为主，兼营腐生四大类营养类型的划分是相对的，很多情况下取决于生长环境。许多微生物是兼性营养型的，如兼性光能营养型、兼性自养型。第三节营养物质进入微生物细胞

细胞膜由于有高度选择透性而在营养物质的进入与代谢产物的排出上起着极其重要的作用。

细胞膜是脂质双分子层结构，一般地说，脂溶性或非极性越高的物质，越容易透过细胞膜，而很多非脂溶性（或极性）物质则借助细胞膜中的转运蛋白进出细胞。自由扩散基团移位主动运输促进扩散营养物质进入微生物细胞的方式：物质非特异性地从浓度较高一侧被动或自由地透过膜向浓度较低一侧扩散的过程。一、自由扩散(simplediffusion)第三节营养物质进出微生物细胞特点：1.以细胞膜两侧物质的浓度差为驱动力,不需要代谢能，顺浓度梯度运输，扩散速度很慢。2.物质不与膜上的分子发生反应，分子结构也不发生变化。3.主要吸收的物质是水，一些气体（CO2，O2）,一些水溶性小分子（乙醇，甘油）和某些离子（Na+）等。第三节营养物质进出微生物细胞一、自由扩散(simplediffusion)第三节营养物质进出微生物细胞一、自由扩散(simplediffusion)有些物质（主要为糖和氨基酸等）借助细胞膜的载体蛋白，从浓度较高的一侧透过膜向浓度较低的一侧扩散。

二、促进扩散(facilitateddiffusion)第三节营养物质进出微生物细胞特点:1.需要膜上的特异性载体蛋白与物质结合并转运。载体蛋白本身在物质运输前后并不发生改变，促进扩散的速度比单纯扩散快，具有特异性。2.以浓度梯度为驱动力，不需要代谢能量，顺浓度梯度运输。3.物质本身在分子结构上也不会发生变化。4.多见于真核微生物，如酵母菌吸收葡萄糖。二、促进扩散(facilitateddiffusion)第三节营养物质进出微生物细胞二、促进扩散(facilitateddiffusion)第三节营养物质进出微生物细胞主动运输是微生物吸收营养物质的一种主要方式，物质在运输过程要消耗代谢能，由载体蛋白参与的逆浓度梯度的物质转运。

三、主动运输(activetransport)第三节营养物质进出微生物细胞特点:1.载体蛋白与被转运物质有特异性。2.逆浓度梯度，需要消耗能量。3.主动运输的物质有许多无机离子(K+

、SO42-

、PO43+)、一些糖类（乳糖、葡萄糖）、氨基酸和有机酸等。第三节营养物质进出微生物细胞三、主动运输(activetransport)第三节营养物质进出微生物细胞三、主动运输(activetransport)物质在运输的同时受到化学修饰，有特异性载体蛋白参与并需要能量，但能量的来源是磷酸烯醇式丙酮酸（PEP)。四、基团转位(grouptranslocation)第三节营养物质进出微生物细胞第三节营养物质进出微生物细胞特点：1.被运输的物质发生化学修饰（磷酸化）。2.载体蛋白与被转运物质有特异性。3.逆浓度梯度，需要消耗能量。4.运输单糖及其衍生物，还有嘌呤、嘧啶、脂肪酸等。四、基团转位(grouptranslocation)磷酸烯醇式丙酮酸——磷酸糖转移酶运输系统：

这个运输系统由4种不同的蛋白质组成:酶Ⅰ,酶Ⅱ，酶Ⅲ和热稳定的蛋白质(HPr)，在某些菌株里没有酶Ⅲ，而由3种成分组成。在这4种成分中，酶Ⅰ和HPr是非特异性的,而酶Ⅱ和酶Ⅲ对糖有专一性。除酶Ⅱ是位于细胞膜上外，其他3种蛋白质可游离存在于细胞质中。

第三节营养物质进出微生物细胞四、基团转位(grouptranslocation)第三节营养物质进出微生物细胞四、基团转位(grouptranslocation)第三节营养物质进出微生物细胞四、基团转位(grouptranslocation)第四节培养基讨论问题:1、什么是培养基？2、配置培养基有哪些原则？3、培养基有哪些类型？培养基（medium）

为人工培养微生物而制备、提供微生物以合适营养条件的基质。第四节培养基1.有的放矢2.营养协调：一、配制培养基的原则培养对象：细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等培养目的：培养菌体、获得代谢产物等培养规模：实验室、大规模生产①营养物质的浓度和配比要合适，各营养要素的比例大体是：水＞碳源＞氮源＞P、S＞K、Mg＞生长因子。②碳源和氮源的比例（即C/N比）尤为重要。③要注意培养基中无机盐的量以及它们之间的平衡。④生长因子的比例也要适当。第四节培养基

细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基

牛肉膏3g;蛋白胨5g;水1000mL;pH7.2～7.4

放线菌采用高氏1号培养基

可溶性淀粉20g;KNO31g;K2HPO41g;MgSO4·7H2O0.5g;NaCl1g;FeSO4·H2O0.01g;

水1000mL;pH7.2～7.4

酵母和霉菌采用察氏培养基

蔗糖30g;NaNO33g;KCl0.5g;K2HPO41g;FeSO4·H2O0.01g;MgSO4·7H2O0.5g;水1000mL;pH6.0

返回为了获得微生物细胞或者作为种子培养基营养物质宜丰富些，氮源含量应该高些，即C/N比低，利于微生物的生长繁殖为了获得代谢产物或者作为发酵培养基氮源含量应该低些，即C/N比高，使微生物的生长不致过旺而利于代谢产物的积累。返回实验室常使用营养丰富、取材和制备都比较方便的天然培养基。进行精细的遗传和代谢研究必须使用合成培养基。发酵生产选料除考虑满足菌种的营养需要外，还要来源广的廉价粗料、代用品甚至废物等。有些代谢物的生产还要加入必须的元素或前体物质，如生产金霉素要加入氯化物，生产氨苄青霉素时要加入其前体物质苯乙酸等。返回

不同微生物要求不同的C/N比细菌和酵母菌通常用较低的C/N比。若要代谢物中含碳量较高，则C/N比要高些。如所需代谢物中含氮量较高，C/N要低些。例如：谷氨酸发酵中，种子培养基的C/N比通常为100：0.5～0.2，可使菌体大量繁殖；发酵培养基的C/N比为100:11～12，可使谷氨酸大量积累。返回一、配制培养基的原则3.条件适宜4.经济节约5.无菌状态pH、O2和CO2、螯合剂等选择培养材料注意经济节约,价廉物美配置好的培养基必须经过灭菌处理方可使用。pH：各类微生物都有自己的生长pH范围。细菌：pH7.0～p

H8.0酵母菌：pH3.8～p

H6.0酵母菌：pH4.0～p

H5.8嗜酸菌：pH0.9～p

H4.5嗜碱菌：pH11、p

H12以上可通过加入NaOH和HCl来调节培养基的pH。为了保证pH的相对稳定通常加入缓冲液和微溶性碳酸盐返回二、培养基的类型和应用1.按所培养微生物的类群与营养类型区分①细菌培养基②放线菌培养基③酵母和霉菌培养基④自养微生物培养基⑤异养微生物培养基①合成培养基:顺序加入准确称量的高纯化学试剂与蒸馏水配制而成，组成成分精确，重复性强。②天然培养基:采用动植物组织或微生物细胞或它们的提取物或粗消化产物配制成的，优点是取材方便、营养丰富，而且配制方便。缺点是，其所用物质的成分不稳定，因而营养成分难控制，重复性差。③半合成培养基:用纯化学试剂和天然物质配成。2.按培养基的成分分为二、培养基的类型和应用①固体培养基:程固体状态的培养基。常用固体培养基是加入凝固剂（琼脂）制成，也可以用天然的固体物质（如麸皮、大米、玉米粉和马铃薯块等）制成。②半固体培养基:液体培养基中加0.5%～1%或更低浓度的琼脂就制成柔软的浆糊状半固体培养基。③液体培养基:呈液态的培养基。3.按培养基的物理状态分为二、培养基的类型和应用固体培养基半固体琼脂液体培养基①基本培养基：含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基。如牛肉膏蛋白胨培养基。②加富培养基:在普通培养基里加进血液、血清、动物(或植物)组织液或其他营养物质(或生长因子)的一类营养丰富的培养基,用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物。③选择培养基:通过加入不妨碍目的微生物生长而抑制非目的微生物生长的物质以达到选择的目的。常用物质有燃料和抗生素。如马丁氏培养基中加入抑制细菌生长的孟加拉红、链霉素和金霉素。4.按培养基的用途分为

二、培养基的类型和应用④鉴别培养基:在培养基中添加某种营养物质或化学物质(指示剂或抑制剂)而将目的或对象微生