第四章微生物的营养和培养基

第四章微生物的营养和培养基

第一节微生物的六种营养要素

第二节微生物的营养类型

第三节营养物质进入细胞的方式

第四节培养基1概述营养物：微生物为了生存就必须从环境中吸取各种物质以合成细胞物质、提供能量以及在新陈代谢中起调节作用。这些物质就称为营养物。营养：有机体吸取和利用营养物质的过程。2第一节微生物的六种营养要素微生物需要的营养要素可分为六大类，即碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水。3元素在细胞内存在形式1．有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.2．无机物：参与有机物组成，单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.3、水：约占细胞总重70%～90%，以游离水和结合水两种形式存在游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的17%—28%。4微生物细胞的化学组成主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15

占细碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

无机盐2~303.8~76~125碳源（Carbonsource）定义：凡能提供微生物营养所需的碳元素(碳架)的营养源。功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）脂类醇类有机酸、烃类、芳香族化合物等。6微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等7异养微生物自养微生物双功能营养物8常用碳源实验室：葡萄糖蔗糖淀粉甘露醇等发酵工业：传统种类：糖类（单糖，饴糖）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物、淀粉等）麸皮各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2等9氮源(nitrogensource)定义：凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N2等；有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等功能：提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。10

微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气11常用氮源实验室：铵盐硝酸盐尿素蛋白胨牛肉膏酵母膏等发酵工业：鱼粉黄豆饼粉蚕蛹粉酵母粉等12氨基酸自养型生物：氨基酸异养型生物：13能源能源(energysource)：就是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。14生长因子(growthfactor)定义：是一类调节微生物正常代谢所必需，且不能用简单的碳、氮源自行合成，需要量很少的有机物。种类（广义）：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸、氨基酸。15生长因子作用含有原料维生素B1（硫胺素）作为脱羧酶的辅酶米糠、麦芽、酵母菌体、大豆维生素B2（核黄素）作为氢和电子的传递体小麦、玉米浆维生素B6（吡哆醇）作为脱羧酶和转氨酶的辅酶青霉菌菌丝、酵母菌体、米糠、小麦、玉米和玉米浆烟酰胺作为氢的传递体青霉菌菌丝、小麦、肝脏、大豆、甜菜、酵母浸出物泛酸作为酰基的传递体甜菜糖蜜、青霉菌菌丝、玉米浆、糖蜜酵母浸出物、棉子饼粉维生素B12异构酶、脱氢酶和甲基化霉的辅酶肝脏、菌丝体、肉类和青储饲料叶酸作为甲基传递体青霉菌菌丝、菠菜、肝脏生物素作为CO2的传递体（转羧基）玉米浆、青霉菌菌丝α-硫辛酸作为氧化脱羧酶的辅酶酵母浸出物、肝脏肌醇多数酵母菌的生长因子玉米浆、糖蜜、棉子饼粉和酒糟胆碱甲基供体和参与脂代谢啤酒花、大豆、蛋黄、酒糟血红素电子传递体血液16微生物对生长因子需要的差异生长因子自养型微生物(auxoautotrophs)或野生型(wildtype)原养型（prototroph)生长因子异养型微生物(auxoheterotrophs)或营养缺陷型(auxotroph)生长因子过量合成微生物17无机盐（mineralsalts）定义：为微生物细胞生长提供除碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）18无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）

维持渗透压Na+生理调节物质 酶的激活剂Mg2+

pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞内一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)19无机元素（除碳、氮源外）的来源和功能元素人为提供形式生理功能大

量

元

素PKH2PO4

磷酸二氢钾

K2HPO4

磷酸氢二钾核酸、磷酸和辅酶的成分S

MgSO4硫酸铵含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫维生素（生物素、硫胺素等）的成分KKH2PO4磷酸二氢钾

K2HPO4磷酸氢二钾某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸转磷酸酶等）的辅因子；维持电位差和渗透压NaNaCl氯化钠维持渗透压；某些细菌和蓝细菌所需CaCa(NO3)2

硝酸钙

CaCl2

氯化钙某些胞外酶的稳定剂、蛋白酶等的辅因子；细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需MgMgSO4硫酸镁固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分FeFeSO4硫酸铁细胞色素的成分；合成叶绿素、白喉毒素和氧高铁血红素所需微

量

元

素MnMnSO4硫酸锰超氧化物歧化酶、氨肽酶和L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子CuCuSO4硫酸铜氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4硫酸钴维生素B12复合物的成分；肽酶的辅因子ZnZnSO4硫酸锌碱性磷酸酶以及多种脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅因子Mo(NH4)6Mo7O24钼酸铵固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分20水水的生理功能：细胞的主要化学组成之一；生化反应以水为媒介；参与细胞内外物质的交换；维持生命大分子稳定性；参与体内的化学反应（例如水解、水合反应）等。

21几种生物的游离水含量人体：~60%海蛰：~96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%22水活度

w（wateractivity)微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的水活度值表示。所谓w就是水的有效浓度。定义：在同温同压下，某溶液的蒸汽压(P)与纯水蒸汽压(P0)之比。因此，w也等于该溶液的百分相对湿度值(ERH，equilibriumrelativehumidity)值。即：w=/o表示溶液的蒸汽压

o表示纯水的蒸汽压23几类微生物生长最适w微生物w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80噬盐细菌0.70噬盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60在w为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的。24第二节微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养素（能源和碳源等）的不同，而划分的微生物类型。25微生物营养类型的划分依据按能源分光能营养型和化能营养型按碳源分自养型和异养型按供氢体分无机营养型和有机营养型按生长因子分原养型或野生型和营养缺陷型按取得死或活有机物分腐生和寄生26微生物的营养类型271、光能自养型（光能无机营养型）以CO２为唯一或主要碳源，以光作为所需能源，能以无机物（如硫化氢或其他无机硫化物）作供氢体，使CO２还原为有机物。例如：绿硫细菌光能

CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O

光合色素主要类群：藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌等。282、光能异养型（光能有机营养型）以CO2和简单的有机物为碳源，以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质。光能异养型细菌在生长时，大多数需要外源的生长因子。例如：红螺菌科的细菌以光为能源，CO2为碳源，并需异丙醇为供氢体，同时积累丙醇。光能2(CH3)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素主要类群：红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）。293、化能自养型（化能无机营养型）以CO2(或碳酸盐)为碳源,以无机物氧化产生的化学能为能源。这类菌以氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐为电子供体，使CO2还原成细胞物质。主要类群：硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌。30硝化细菌亚硝化细菌

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化细菌

NO2-+1/2O2

→NO3-+18.1Kcal31硫化细菌通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、S2O32-

、SO32-）获得能量（硫杆菌属，硫微螺菌属）H2S+1/2O2

→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal32铁细菌氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2

2Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal33氢细菌具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2。H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal344.化能异养型（化能有机营养型）以有机化合物为碳源，以有机物氧化产生的化学能为能源，并以有机物为氢供体。有机物既是碳源，又是能源。根据利用有机物的特性分：腐生菌；利用无生命的有机物为生长碳源。寄生菌：从寄主体内获得生长所需的营养物质。兼性菌：既可腐生又可营寄生生活的微生物。主要类群；绝大多数细菌、全部真核微生物。

35第三节营养物质进入细胞的方式36一、单纯扩散

（simplediffusion）特点：1.非特异性2.不需要载体3.不需消耗能量4.顺浓度梯度进行5.速度很慢可运送的物质：水、二氧化碳、氧气、甘油、乙醇、少数氨基酸、盐类、代谢抑制剂等小分子物质。3738单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜39二、促进扩散(facilitateddiffusion）特点：1.特异性2.需要载体3.不需消耗能量4.顺浓度梯度进行5.速度快

运送的物质种类：SO42-、PO42-、糖（真核微生物）等。4041促进扩散模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变42三、主动运送(activetransport)主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。特点：1.特异性2.需要载体3.需消耗能量4.逆浓度梯度进行5.速度快运送的物质种类：氨基酸、乳糖等糖类，Na+、Ca2+等无机离子。4344主动运输模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变ADP+PiATP45四、基团移位(grouptranslocation)基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中特点：1.特异性2.需要载体3.需消耗能量4.逆浓度梯度进行5.速度快6.营养物质在运输的过程中发生了化学变化运送的物质种类：葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。运送机制:依靠磷酸转移酶系统46E.coli基团移位的运送机制

——磷酸转移酶系统运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统。磷酸转移酶系统(PTS)

系统组成:PEP酶I酶II(a,b,c)HPr(小分子量热稳定蛋白)47运送步骤1.热稳载体蛋白(HPr)的激活酶I

PEP+HPr

丙酮酸+P-HPr2、糖被磷酸化后运入膜内酶II

P-HPr+糖糖-P+HPr48在酶Ⅱ的作用下P-HPr将磷酸转移给糖在酶Ⅰ的作用下HPr被激活49基团移位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸50四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变51第四节培养基(medium或culturemedium)定义：是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。52一、选用和设计培养基的原则和方法(一)四个原则1、目的明确培养基组分应适合微生物的营养特点2、营养协调营养物的浓度与比例应恰当3、条件适宜物理化学条件适宜4、经济节约根据培养目的选择原料及其来源531、目的明确不同类群的微生物细菌：牛肉膏蛋白胨培养基放线菌：高氏一号培养基霉菌：查氏合成培养基酵母菌：麦芽汁培养基不同营养类型微生物：自养菌、异养菌特殊类型的微生物：如固氮菌542、营养协调营养物的浓度浓度过高——微生物的生长起抑制作用浓度过小——不能满足微生物生长的需要营养物的比例培养基营养要素含量间的一般顺序：要素：H2O＞C+能源＞N源＞P、S＞K、Mg＞生长因子含量：～10-1

～10-2

～10-3

～10-4

～10-5

～10-6C/N比：碳源与氮源间的相对比例即碳氮比。严格地讲，C/N比是指在微生物培养基中所含的碳源中碳原子的摩尔数与氮源中氮原子的摩尔数之比。553、理化适宜（1）pH：各大类微生物合适生长pH范围细菌的最适pH在7.0～8.0间；放线菌在7.5～8.5间；酵母菌在3.8～6.0间；霉菌在4.0～5.8间。pH的内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的pH。pH的外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液。56（2）渗透压和水活度渗透压(osmoticpressure)等渗溶液——适宜微生物生长高渗溶液——质壁分离低渗溶液——吸水膨胀水活度w

（wateractivity)：w=/o在w为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长57（3）氧化还原势氧化还原势(redoxpotential)又称氧化还原电位：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的一种指标，其单位是V(伏)或mV(毫伏)。氧化还原势以Eh表示。好氧微生物：+0.3～+0.4V（0.1V以上的