打印第4章级微生物的营养(10级)

第四章微生物的营养MicrobialNutritionThewholeofnature,ashasbeensaid,isaconjugationoftheverbtoeat,intheactiveandpassive.

——WilliamRalphInge

微生物的特点：食谱广（纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。）胃口大（消耗自身重量2000倍食物的时间:大肠杆菌1小时；人500年（按400斤/年计算）

）营养物质(nutrient)：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。营养(nutrition)：微生物获得和利用营养物质的过程。营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。（参见P78；P75）ChapterOutline

第一节微生物的营养要求（微生物们需要吃什么，吃多少——食谱？）第三节营养物质进入细胞（微生物们是怎样吃东西的？）第二节培养基（如何给微生物们做饭？）第一节微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水：70%-90%干物质有机物蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物

无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”细胞化学元素组成：主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。其中：C、H、O、N、P、S六种主要元素可占微生物细胞干重的95%以上。（参见P79；P75）第一节微生物的营养要求二、营养物质及其生理功能微生物与动植物营养要素的比较生物类型营养要素动物（异养）植物（自养）微生物异养自养碳源糖类、脂肪CO2

糖、醇、有机酸等CO2、碳酸盐等氮源蛋白质及其降解物无机氮化物蛋白质及其降解物、有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐生长因子维生素不需要外源加入一部分需要维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶不需要外源加入水分水水水水能源同碳源利用日光能同碳源氧化无机物或利用日光能第一节微生物的营养要求二、营养物质及其生理功能根据营养物质在机体中生理功能的不同。可将它们分为碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。（有些教材或文献还把“能源”作为微生物的营养要素之一，加上上述五类合称为微生物的六大营养要素。）（参见P80；P76）二、营养物质及其生理功能（一）碳源（carbonsource）1、定义是指在微生物生长发育过程中为微生物提供碳素来源的物质。2、功能构成细胞自身的细胞物质，成为机体中有机物分子的骨架，如糖、蛋白质、核酸等；形成代谢产物，如乙醇、有机酸等；绝大多数碳素化合物也是微生物的能源物质。对于异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源又称双功能营养物（difunctionalnutrient）。（参见P80；P76）二、营养物质及其生理功能（一）碳源（carbonsource）3、碳源谱微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2

及碳酸盐等。（见P80或P77的表4-2）碳源谱有机碳无机碳异养微生物自养微生物（一）碳源（carbonsource）二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能（二）氮源（nitrogensource）1、定义是指在微生物生长发育过程中为微生物提供氮素来源的物质。2、功能构成细胞自身的细胞物质，如蛋白质、核酸等；形成代谢产物，如谷氨酸等；一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。蛋白质及其不同程度的降解产物（胨、肽、氨基酸等）、铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等。（见P78或P78的表4-3）3、氮源谱（参见P81；P77）二、营养物质及其生理功能（三）能源（energysource）1、定义为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或光能。2、能源谱能源谱化学能光能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物:化能异养微生物的能源（同碳源）无机物:化能自养微生物的能源（不同碳源）（化能营养型）（光能营养型）多样性二、营养物质及其生理功能（四）无机盐（inorganicsalt）1、定义无机盐或矿质元素主要可为微生物的生命活动提供除碳、氮源之外的各种重要元素。2、功能（见P82或P79的表4-4和表4-5）微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物

以及含有钠、钾、钙、镁、铁的金属元素的化合物。（参见P82；P78）无机盐大量元素微量元素特殊功能一般功能细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）化能自养菌的能源（S0、Fe2+、NH4+、NO2-等）无氧呼吸时的氢受体（NO3-

、SO42-

等）生理调节物质渗透压的维持（Na+等）酶的激活剂（Mg2+等）pH的稳定特殊分子结构成分（Co、Mo等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）无机盐的生理功能表解（所需浓度为10-4~10-3mol/L）（所需浓度为10-8~10-6mol/L）二、营养物质及其生理功能（五）生长因子(growthfactor)1、定义为微生物正常生命活动所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。2、类型及功能维生素——主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢。氨基酸——是组成蛋白质和酶的结构物质。嘌呤和嘧啶——主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。（参见P83；P79）二、营养物质及其生理功能（二）水1、功能水是细胞的组成成分；起到溶剂与运输介质的作用；参与细胞内一系列化学反应；控制细胞内温度的变化；保持细胞正常形态；通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构。（参见P83；P80）二、营养物质及其生理功能（二）水2、水活度值水活度值（wateractivity,aw）是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比，即：aw=Pw/P0

式中：Pw——溶液蒸气压力P0——纯水蒸气压力（见表4-7）w（参见P84；P80）w表4-7几类微生物生长最适

w◆为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度（RH)

的概念（

w×100=RH）；通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。微生物

w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60（二）水2、水活度值表

五大类营养物质的生理作用种类碳源氮源无机盐生长因子水生理作用1、提供碳素,构成有机分子骨架，碳源物质通常也提供氢元素和氧元素2、能量（CO2不能提供能量）1、提供氮素,合成含氮物质2、一般不作为能源（少数自养菌能用作能源）1、酶活性中心组分2、稳定生物大分子及细胞结构3、调节渗透压4、控制氧化还原电位5、某些微生物能源物质1、维生素、嘌呤和嘧啶作为酶的辅基或辅酶2、提供某些微生物不能合成的氨基酸3、嘌呤和嘧啶用于合成核苷、核苷酸及核酸1、溶剂与运输介质2、参与生化反应3、维持生物大分子结构4、热导体5、维持细胞形态6、控制多亚基结构的装配与解离二、营养物质及其生理功能第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型

微生物营养类型(Ⅰ)划分依据

营养类型

特

点

碳源

自养型(autotrophs)

以CO2

为唯一或主要碳源

异养型(heterotrophs)

以有机物为碳源

能源

光能营养型(phototrophs)

以光为能源

化能营养型(chemotrophs)

以有机物或无机物氧化释放的化学能为能源

电子供体

无机营养型(lithotrophs)

以还原性无机物为电子供体

有机营养型(organotrophs)

以有机物为电子供体

（参见P84；P81）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型微生物的营养类型(Ⅱ)营养类型电子供体碳源能源光能无机自养型无机物（H2、H2S、S或H2O）CO2光能光能有机异养型有机物有机物（也可利用CO2）光能化能无机自养型无机物（H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-）CO2化学能（无机物氧化）化能有机异养型有机物有机物化学能（有机物氧化）（参见P84；P82）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型1．光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质。第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型2．光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子。例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型3．化能无机自养型（化能自养型）生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中，参与地球物质循环。第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型4．化能有机异养型（化能异养型）生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如糖类、淀粉、纤维素、有机酸等。有机物通常既是碳源也是能源；大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物。（参见P85；P81）第一节微生物的营养要求三、微生物的营养类型4．化能有机异养型（化能异养型）可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(facultivemetatrophy)；兼性寄生型(facultiveparatrophy)；腐生型(metatrophy)：寄生型(paratrophy)：（参见P85；P81）三、微生物的营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对（P85；P82）：异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；例如紫色非硫细菌(purplenonsulphurbacteria)：没有有机物时，同化CO2，

为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物；微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力三、微生物的营养类型第一节微生物的营养要求5．营养缺陷型某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)。养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。（见P85；P82）第二节培养基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（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。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（参见P85；P82）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：

1.05kg/cm2，121.3℃15-30min；0.56kg/cm2，112.6℃15-30min某些成分进行分别灭菌；过滤除菌。第二节培养基（参见P85；P82）一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生长实践中,配置合适的培养基是一项最基本的要求。1、选择适宜的营养物质2、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜4、经济节约5、精心设计、试验比较一、选用和设计培养基的原则和方法1、选择适宜的营养物质培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；实验室一般培养：普通常用培养基；遗传研究：成分清楚的合成培养基；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方（参见P85；P82）实验室的常用培养基：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：高氏1号合成培养基；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB培养基；自然转化：基础培养基；观察芽孢：生孢子培养基；产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基一、选用和设计培养基的原则和方法2、营养物质浓度及配比合适营养物质之间的配比适宜高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。（参见P87；P84）营养物质的浓度适宜发酵生产谷氨酸时：碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜pH；水活度；氧化还原电位3、物理化学条件适宜1）pH培养基的pH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。通常培养条件：细菌与放线菌：pH7.0~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6.0范围内生长为了维持培养基pH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。3、物理化学条件适宜2）水活度（参见P84；P80）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,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示。纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。3、物理化学条件适宜2）水活度3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位（参见P87；P85）氧化还原电位又称氧化还原电势（redoxpotential），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）。就像微生物与pH的关系一样，不同类型微生物生长对氧化还原电位(Ф)的要求不同好氧性微生物：+0.1V以上时可正常生长,以+0.3～+0.4V为宜；厌氧性微生物：低于+0.1V条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1V以上时进行好氧呼吸,+0.1V以下时进行发酵。3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加Ф值；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定。有氧时呈紫色或粉红色，无氧时呈无色（培养基的颜色），它是较为理想的氧化还原电位指示剂和培养严格厌氧菌不可缺少的。（参见P87；P85）氧化还原电位的测定：1、电位计2、氧化还原指示剂3、物理化学条件适宜3）氧化还原电位氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响金霉素链霉菌(Streptomycesaureofaciens)以粗代精对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。而且在经济上也节约。4、经济节约（参见P88；P85）一、选用和设计培养基的原则和方法配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,特别是在发酵工业中,以降低生产成本。以“野”代“家”以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发酵的碳源。以简代繁某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去30-50%的黄豆饼粉、25%的葡萄糖和20%硫酸铵，结果反而提高了产量。以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。例如，糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,在我国农村,已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。以废代好以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价原料用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用。以无机氮代蛋白开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的食品及饮料。以纤代糖以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。除了生产石油蛋白外,还可以将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等化工产品和若干合成物,以及对石油产品的品质进行改良,如脱硫、脱蜡等。以烃代粮一、选用和设计培养基的原则和方法5、精心设计、试验比较进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件；文献查阅，设计特定微生物的培养基配方；试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件。第二节培养基二、培养基的类型及应用1．按培养对象划分细菌培养基放线菌培养基酵母菌培养基霉菌培养基等等培养基种类繁多，可根据不同的标准划分类型。

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）(NA,NB)：牛肉膏5g；蛋白胨10g；NaCl5g；H2O1000mL放线菌（高氏1号培养基，Gauze’sMediumNo.1）：淀粉20g；K2HPO40.5g；NaCl0.5g；MgSO4·7H2O0.5g；KNO31g；FeSO40.01g；H2O1000mL酵母菌（麦芽汁培养基）：干麦芽粉加四倍水，在50℃-60℃保温糖化3-4h，用碘液试验检查至糖化完全为止。煮沸后，沙布过滤，将滤液稀释到5-6波美度（Be°），调pH为6.0。霉菌（查氏合成培养基,Czapek’smedium

）：NaNO32g；K2HPO41g；KCl0.5g；MgSO4·7H2O0.5g；FeSO40.01g；蔗糖30g；H2O1000mL二、培养基的类型及应用1．按培养对象划分第二节培养基（参见P88；P86）2．按成份不同划分1）天然培养基(complexmedium)以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成营养物质来源主要成份牛肉浸膏瘦牛肉组织浸出汁浓缩而富含水溶性碳水化合物、有机成的膏状物质氮化合物、维生素、盐等蛋白胨将肉、酪素或明胶用酸或富含有机氮化合物、也含有一蛋白酶水解后干燥而成的些维生素和碳水化合物粉末状物质酵母浸膏酵母细胞的水溶性提取物富含B类维生素,也含有有机氮浓缩而成的膏状物质化合物和碳水化合物优点:营养丰富、配制方便、价格低廉。缺点：成分复杂、不清楚、不稳定。用途:实验室常规菌种培养尤其适合工业大规模发酵生产2）合成培养基(syntheticmedium)放线菌（高氏1号培养基）：淀粉20g；K2HPO40.5g；NaCl0.5g；MgSO4.7H2O0.5g；KNO31g；FeSO40.01g；H2O1000mL霉菌（查氏合成培养基）：NaNO32g；K2HPO41g；KCl0.5g；MgSO4.7H2O0.5g；FeSO40.01g；蔗糖30g；H2O1000mL由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基(chemicallydefinedmedium)第二节培养基（参见P89；P86）二、培养基的类型及应用3．根据物理状态划分1）固体培养基2）半固体培养基3）液体培养基琼脂(agar)——常用,用量为1.5%~2%,适用绝大多数微生物明胶——目前已较少采用（见表4-12）硅胶——适合配制分离与培养自养型微生物的培养基

一些由天然固体基质配成的培养基也属于固体培养基琼脂含量一般为0.2%-0.7%。常用来观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定等。未加凝固剂呈液态的培养基。常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。第二节培养基（参见P91；P86）二、培养基的类型及应用4．按用途划分1）基础培养基;2）加富培养基和富集培养基；3）鉴别培养基；4）选择培养基第二节培养基（参见P91；P86）二、培养基的类型及应用4．按用途划分1）基础培养基(minimummedium)含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基，也称为基本培养基。含牛肉膏蛋白胨培养基是细菌最常用的基础培养基。对基础培养基的定义具有相对性，如在遗传学实验中所用的培养基：野生型（参见P91；P87）二、培养基的类型及应用4．按用途划分2）加富培养基(enrichmentmedium)在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基。这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日咳博德氏菌(Bordetellapertussis)需要含有血液的加富培养基。根据待分离微生物的特点设计的培养基，用于从环境中富集和分离某种微生物。（目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。）富集培养基(enrichmentmedium)（参见P91；P88）二、培养基的类型及应用4．按用途划分3）鉴别培养基(differentialmedium)4）选择培养基(selectivemedium)用于鉴别不同类型微生物的培养基特定的