第四章微生物的营养和培养基-微生物学

微生物学第五章微生物的营养和培养基食谱广、胃口大

——微生物特点之一营养（nutrition）：指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养为一切生命活动提供了必需的物质基础！吸收利用生物有机体营养物质摄取营养物（nutrient）：指具有营养功能的物质，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。在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。本章内容：

微生物们需要吃什么？第三节营养物质进入细胞微生物们是怎样吃东西的？第四节培养基如何给微生物们做饭？第一节微生物的6类营养要素第二节微生物的营养类型第一节微生物的6类营养要素微生物的6类营养要素碳、氢、氧、氮、硫、磷碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水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。一、微生物细胞的化学组成

1.化学元素（chemicalelement）构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！占细菌细胞干重的97%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Eg.细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。硫细菌(sulfurbacteria)、铁细菌(ironbacteria)和海洋细菌(marinebacteria)相对于其他细菌则含有较多的硫、铁和钠、氯等元素,硅藻(Diatom)需要硅酸来构建富含(SiO2)n的细胞壁。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）2.化学成分及其分析二、微生物的6类营养要素微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”在元素水平上都需20种左右，且以碳、氢、氧、氮、硫、磷6种元素为主；在营养要素水平上则都在六大类的范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。（一）碳源（carbonsource）

1.定义一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。微生物细胞含碳量约占干重的50％，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物（macronutrients）。如把微生物作为一个整体来看，其可利用的碳源范围即碳源谱。碳源谱（spectrumofcarbonsources）：从元素水平、化合物水平直至培养基原料水平来考察碳源，可见其数目是逐级扩大的甚至可多到无法计算。凡以无机碳源作主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物。凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物。碳源谱有机碳无机碳对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源称为双功能营养物（difunctionalnutrient）。微生物的碳源物质很多，有糖类及其衍生物、有机酸类、醇类、脂类、烃类、蛋白质及其降解产物等。2.种类Eg.假单胞杆菌属的一些菌能利用90多种不同的碳源物质。

甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。不同种类的微生物对碳源的利用能力也不一样！单糖＞双糖和多糖己糖＞戊糖葡萄糖、果糖＞甘露糖、半乳糖淀粉＞纤维素或几丁质等纯多糖纯多糖＞琼脂等杂多糖

葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！（1）糖（2）酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质Eg.酚、氰化物等某些微生物Eg.诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除三废（3）CO2最廉价的、用之不尽的碳源，是自养微生物唯一或主要的碳源。Eg.生长在动物血液、组织和肠道中的致病细菌（沙门氏菌、李斯特菌等）（4）纤维素纤维素是由葡萄糖以β－1,4糖苷链组成的，在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品。（5）烃类烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。

清除石油污染在发酵工业中最常用的碳源是葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等。3.功能（1）构成细胞物质（2）构成各种代谢产物和细胞贮藏物质（3）为微生物进行生命活动提供能量（二）氮源（nitrogensource）

1.定义凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细菌干重的12％～15％，也是微生物的主要营养物。如把微生物作为一个整体来看，其可利用的氮源范围即氮源谱。氮源谱（nitrogenofnitrogensources）：异养微生物对氮源的利用顺序是：“N.C.H.O”或“N.C.H.O.X”＞“N.H”

＞“N.O”＞“N”2.种类微生物能利用的氮源无机氮分子氮有机氮3.功能氮源物质一般不提供能量，但也有例外：硝化细菌，它能利用NH3氧化获得能量，NH3既是氮源又是能源。构成细胞物质构成代谢产物一部分微生物是不需要利用氨基酸作为氮源的，它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸，称为氨基酸自养型微生物（aminoacidautotrophs）。反之，凡需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源的微生物就是氨基酸异养型微生物（aminoacidheterotrophs）

。（三）能源（energysource）

1.定义能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。化能自养微生物的能源为一些还原态的无机物质，Eg.NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。能氧化利用这些物质的微生物都是细菌，Eg.硝酸细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。单功能营养物Eg.光辐射能（能源）双功能营养物Eg.还原态的无机物NH4+

（氮源、能源）三功能营养物Eg.氨基酸类（碳源、氮源、能源）（四）生长因子（growthfactor）

1.定义是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的需要量很小的一类有机物。各种微生物与生长因子的关系可分以下几类：（1）生长因子自养型微生物（auxoautotrophs）它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌，如E．coli（大肠杆菌）等都属这类。（2）生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs）它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。（3）生长因子过量合成微生物

少数微生物在其代谢活动中，能合成并分泌出大量的维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。2.种类广义的生长因子：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸；狭义的生长因子：一般仅指维生素。a.维生素维生素作为一些酶的辅酶，Eg.维生素B6（吡哆醛），磷酸吡哆醛是一些转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。微生物对维生素的需要量一般是1～5mg／mlb.氨基酸氨基酸是蛋白质合成的基本单位，在大多数情况下可被微生物吸收利用；少数情况下微生物虽需要氨基酸作为生长因子，但氨基酸不能透过细胞膜，而能够吸收利用小肽。在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞对其他氨基酸的摄取，此现象称氨基酸不平衡。微生物对氨基酸的需要量一般是20mg／mlc.碱基碱基是核酸、核苷酸及一些辅酶的组分；一般情况下，核苷酸不能用作生长因子，因为它不能透过细胞膜。微生物对碱基的需要量一般是10～20mg／mld.其他生长因子有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。Eg.流感嗜血杆菌一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需要卟啉环作生长因子。

厌氧条件下生长的啤酒酵母需要甾醇作为生长因子。在配制微生物培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以保证微生物对它们的需要。Eg.如果配制的是天然培养基，则可加入酵母膏（yeastextract）、玉米浆（cornsteepliquor，一种浸制玉米以制取淀粉后产生的副产品）、肝浸液（liverinfusion）、麦芽汁（maltextract）、其他新鲜的动、植物的汁液；如果配制的是组合培养基，则可加入复合维生素溶液。3.生长因子的微生物分析法微生物分析法就是利用营养缺陷型的生长量和其所必需的生长因子的浓度在一定范围内呈正比的关系来测定的。优点：特异性强，灵敏度高，Eg.维生素在毫微克／ml以下的浓度均可测定。（五）无机盐（mineralsalts）

1.定义无机盐（mineralsalts）或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。大量元素微量元素无机盐（六）水微生物细胞中水占70～90％，水是地球上整个生命系统存在和发展的必要条件！水在生物体内的作用（1）水是细胞的重要组成成分。（2）水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。（3）水是活细胞中各种生化反应的介质。（4）营养物质、代谢产物都必须溶于水中才能被运输。（5）水比热高、气化热高、沸点高，又是热的良导体，可调节细胞的温度。（6）水是维持细胞。（七）气体

1.氧气需氧微生物的能量代谢需要氧气的存在，微生物发酵中给氧的方法有搅拌、振荡，通气等。2.CO2

CO2是自养微生物的碳源，也常被异养微生物用于固定延长碳链。Eg.丙酮酸羧化为草酰乙酸有些生长在动物体内的致病菌生长需要少量的CO2，在培养时要提供10％的CO2

（V/V），可用CO2培养箱。微生物细胞中几种主要元素的含量（干重%）元素细菌酵母菌真菌碳～50～50～48氮～15～12～5

氢～8

～7～7

氧～20～31

～40

磷

～3────硫～1────

back1back2细胞湿重(wetweight)与干重(dryweight)之差为细胞含水量，常以百分率表示：湿重-干重/湿重×100%

。水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70~90%。湿重：将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量，一般以单位培养液中所含细胞重量表示（克/升或毫克/毫升）。干重：采用高温（105℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为～。back3微生物能利用的碳源类型大大超过了动物界或植物界所能利用的碳化合物。宝贵的氮源———“C.H.O.N”和“C.H.O.N.X”型，尽量避免将之作为廉价的碳源使用。异养微生物在元素水平上的最适碳源

———“C.H.O”型back4微生物能利用的氮源类型也明显比动物或植物的广。a.有机氮主要由蛋白质及蛋白质的各种降解产物

———蛋白胨、氨基酸、小肽和尿素等。实验室常用的有机氮源有：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆粉和花生粉等。b.无机氮主要包括硝酸盐、铵盐、铵等。

铵盐是绝大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接被利用；

硝酸盐也能被大部分微生物利用，但吸收后需被还原成NH3才能进入合成代谢。

铵盐Eg.(NH4)2SO4作氮源，随着NH4＋的消耗培养基的pH值下降。铵盐被称作生理酸性盐硝酸盐Eg.KNO3作氮源，随着NO3－的消耗培养基的pH会上升。硝酸盐被称作生理碱性盐铵盐

和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用NO3－和蛋白质吸收后还需还原降解才可利用速效氮源迟效氮源c.分子氮分子氮即为大气中的N2。能利用N2作氮源来合成细胞结构的微生物我们称固氮微生物。（1）研究微生物的固氮作用是生物领域中的一个重大课题。通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用N2。（2）固氮微生物具有固氮酶，可在常温常压下把N2+H2NH3研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来，在进一步在生产NH3。这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变化（1）大量元素（macroelements）凡是生长所需浓度在10-3～10-4mol／L范围内的元素，可称为大量元素（macroelements），例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。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SMgSO4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凡所需浓度在10-6～10-8mol／L范围内的元素，则称为微量元素（microelements），如Cu、Zn、Mn、Mo、Co和Ni、Sn、Se等。（2）微量元素（microelements）元素人为提供形式生理功能微

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第二节微生物的营养类型营养类型是指根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型。一、微生物营养类型(Ⅰ)二、微生物营养类型(Ⅱ)

1.光能无机营养型

（光能自养型，photoautotroph）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；CO2+2H2A光合色素光能[CH2O]+2A+H2O例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。光能光合色素[CH2O]+2S+H2OCO2+2H2S以CO2及简单有机物为碳源；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；

2.光能有机营养型

（光能异养型，photoheterotroph）这类微生物能利用有机物迅速繁殖，常用于污水处理。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。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进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。

3.化能无机营养型

（化能自养型，chemoautotroph）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。

4.化能有机营养型

（化能异养型，chemoheterotroph）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，如淀粉、糖类、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、放线菌、原生动物、几乎全部的真菌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；腐生型(metatrophy)：可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；寄生型(paratrophy)：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)；注意不同营养类型之间的界限并非绝对：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）；相应的野生型菌株称为原养型（prototroph）。5.营养缺陷型（auxotroph）和原养型（prototroph）营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。第三节营养物质进入细胞的方式微生物们是怎样吃东西的？微生物在生长过程中，所需营养物质不断的进入细胞，代谢产物及时的分泌到胞外，这两个过程就是物质的运输。营养物质能否利用（即是否具有酶系）能否进入细胞一、物质运输的障碍1.荚膜与粘液层荚膜和粘液层是由一层结构疏松的多糖物质组成，所以对大多数物质进入细胞影响不大。2.细胞壁肽聚糖组成的网状结构，只允许一定分子量以下的小分子物质进入，大分子物质就不能通过肽聚糖的网眼孔。3.细胞膜细胞膜具有选择性渗透作用，即细胞膜只允许一种物质比另一种物质更容易通过的特性。营养物质进入代谢产物排出无用物质的进入有用物质的漏出保证防止这是对物质运输影响最大的，它能保证细胞与外界合理的进行物质交换。二、物质运输方式除了原生动物外，其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物的。运送方式不通过膜上载体蛋白：单纯扩散耗能通过膜上载体蛋白不耗能：促进扩散运送前后溶质分子改变：基团转移运送前后溶质分子不变：主动运输

1.单纯扩散（简单扩散，simplediffusion）

（1）定义

单纯扩散（simplediffusion）又称被动运送（passivetransport），指疏水性双分子层细胞膜（包括孔蛋白在内）在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。（2）特点不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差；扩散是非特异性的，不需载体蛋白协助；扩散过程中，物质不与膜上各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化；物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。通过这种方式运送的物质种类不多，主要是一些气体分子（O2、CO2）、脂肪酸、乙醇、甘油、苯及某些氨基酸分子。单纯扩散对营养物的运送缺乏选择能力和逆浓度梯度的“浓缩”能力，不是细胞获取营养物质的主要方式。

2.促进扩散（facilitateddiffusion）

（1）定义

促进扩散（facilitateddiffusion）指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白（carrierprotein）的协助，但不消耗能量的一类扩散性运送方式。

载体蛋白有时称作透性酶（permease）、移位酶（translocase）或移位蛋白（translocatorprotein），一般通过诱导产生，它借助自身构象的变化，在不耗能的条件下可加速把膜外高浓度的溶质扩散到膜内，直至膜内外该溶质浓度相等为止。每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态（2）特点不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差；物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；载体蛋白对被运送的物质具有高度专一性；例如：酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）对各种糖、氨基酸和维生素的吸收；

E.coli

对甘油的吸收等。

3.主动运送（activetransport）

（1）定义

主动运送（activetransport）指一类须提供能量（包括ATP、质子动势或“离子泵”等）并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。属于逆浓度梯度运送营养物的方式。须消耗能量，逆浓度梯度运送物质；物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；（2）特点主动运送是逆浓度梯度运送营养物的方式，对许多生存在低浓度营养环境中的贫养菌（oligophyte，或称寡养菌）的生存极为重要。

4.基团移位（grouptranslocation）

（1）定义

基团移位（grouptranslocation）指一类既需特异性载体蛋白的参与，又需耗能的一种物质运送方式，其特点是溶质在运送前后还会发生分子结构的变化。需消耗能量；物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；溶质在运送前后发生分子结构的变化；（2）特点基团移位主要用于运送各种糖类（葡萄糖、果糖、甘露糖和N-乙酰葡糖胺等）、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等物质。在E.coli

中研究得较为清楚，主要靠磷酸转移酶系统（phosphotrasferasesystem）即磷酸烯醇式丙酮酸－己糖磷酸转移酶系统进行。基团移位的运送机制此系统由24种蛋白组成，运送某一具体糖至少有4种蛋白参与，其特点是每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。具体运送分两步进行：（1）热稳载体蛋白（heat-stablecarrierprotein，HPr）的激活细胞内高能化合物——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团通过酶Ⅰ的作用而把HPr激活：

PEP+HPrPyr（丙酮酸）

+P～HPr

酶Ⅰ

HPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，起着高能磷酸载体的作用。

酶Ⅰ是一种可溶性细胞质蛋白。HPr和酶Ⅰ在磷酸转移酶系统中，均无底物特异性。（2）糖经磷酸化而运入细胞膜内膜外环境中的先与细胞膜外表面上的底物特异膜蛋白——酶Ⅱc结合，接着糖分子被由P～HPr→酶Ⅱa→酶Ⅱb逐级传递来的磷酸基团激活，最后通过酶Ⅱc在把这一磷酸糖释放到细胞质中。糖分子

＋

酶Ⅱc结合P～HPr酶Ⅱa酶Ⅱb磷酸基团磷酸基团磷酸糖酶Ⅱc细胞质中逐级传递磷酸基团激活释放酶Ⅱ酶Ⅱa酶Ⅱb酶Ⅱc细胞质蛋白，无底物特异性均为膜蛋白，具有底物特异性，可通过诱导产生例如：E.coli、金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）和巴氏梭菌（Clostridiumpasteurianum）中，葡萄糖是通过基团移位方式自外环境运送入细胞内的。四种运送营养物质方式的比较单纯扩散（简单扩散，simplediffusion）促进扩散（facilitateddiffusion）主动运送（activetransport）基团移位（grouptranslocation）第四节培养基培养基（medium，复数media；或culturemedium）

是指由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合营养料。（参见P91）任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，其间的比例是合适的？碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水link1绝大多数微生物都可在人工培养基上生长，只有少数难养菌（fastidiousmicroorganisms）至今无法在人工培养基上生长。一、选用和设计培养基的原则和方法

（一）配制培养基的4个原则

1.目的明确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；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；

根据不同的工作目的，微生物不同的营养需要，运用自己丰富的生物化学和微生物学知识来配制最佳的培养基。

微生物细胞组成元素的调查或分析，是设计培养基时的重要参考依据。2.营养协调微生物细胞内各种成分间有一较稳定的比例。在大多数化能异养菌的培养基中，各营养要素间在量上的比例大体符合以下十倍序列的递减规律：要素：含量：H2O＞(～10-1)C源+能源＞

(～10-2)N源＞(～10-3)K、Mg＞(～10-5)P、S＞(～10-4)生长因子(～10-6)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号合成培养基培养；酵母菌：麦芽汁培养基；霉菌：查氏合成培养基；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；（1）选择适宜的营养物质营养物质的浓度适宜；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。（2）营养物质浓度及配比合适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（或）代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C／N）的影响较大。link2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。真菌需C／N比较高的培养基；（素食）细菌（动物病原菌）需C／N比较低的培养基；（荤食）NH3＞CO(NH2)2＞NH4NO3＞(NH4)2CO3＞(NH4)2SO4含氮量（82％）（46％）（35％）（29.2％）（21％）在同样重量时，在以上各氮源中含氮量以氨为最高，尿素次之，硝酸铵和碳酸铵更次之，而硫酸铵则最低。3.理化适宜指培养基的pH值、渗透压、水活度和氧化还原电势等物理化学条件较为适宜。pH渗透压和水活度氧化还原电位（1）pH各大类微生物都有其生长适宜的pH范围，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。细菌：pH7.0~8.0放线菌：pH7.5~8.5酵母菌：pH3.8~6.0霉菌：pH4.0~5.8藻类：pH6.0~7.0原生动物：pH6.0~8.0嗜极菌（extremophiles）初始pH通常培养条件：在微生物的生长、代谢过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物，为了维持培养基pH的相对恒定，通常要进行pH的调节。pH的内源调节pH的外源调节pH的调节（2）渗透压和水活度它表示两种浓度不同的溶液间被一个半透性薄膜隔开时，稀溶液中的水分子会因水势（waterpotentiality）的推动而透过隔膜流向浓溶液，直到浓溶液产生的机械压力足以使两边水分子的进出达到平衡为止，这时由浓溶液中的溶质所产生的机械压力，即为它的渗透压值。渗透压（osmoticpressure）是某水溶液中一个可用压力来量度的一个物化指标。与微生物细胞渗透压相等的等渗溶液最适宜微生物的生长；高渗溶液会使细胞发生质壁分离；低渗溶液则会使细胞吸水膨胀，形成很高的膨压，这对细胞壁脆弱或丧失的各种缺壁细胞，例如原生质体、球状体或支原体来说，则是致命的。是一个比渗透压更有生理意义的一个物化指标。它表示在天然或人为环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。水活度的定量涵义水活度即aw（wateractivity）（3）氧化还原电势（redoxpotential）又称氧化还原电位，是度量某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。一般以Eh表示，它是指以氢电极为标准时某氧化还原系统的电极电位值，单位是V（伏）或mV（毫伏）。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：+0.1伏以上时可正常生长，以+0.3～+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸，

+0.1伏以下时进行发酵。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Eh值；在培养基中加入巯基乙醇、抗坏血酸（Vc，0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸（<0.05%）、谷胱甘肽、铁屑、二硫苏糖醇、庖肉（瘦牛肉粒）等还原性物质可降低Eh值。测定氧化还原电势除用电位计外，还可在培养基中加入化学指示剂刃天青（resazurin）进行间接测定。在无氧条件下呈无色（Eh＝-40mV）；在有氧条件下，其颜色与溶液的pH相关；（中性——紫色；碱性——蓝色；酸性——红色）在微量氧时，它呈粉红色。刃天青4.经济节约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。（1）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。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。（2）以“野”代“家”（3）以废代好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、黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等。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。（4）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。（5）以氮代朊以大气氮、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。（6）以纤代糖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。（7）以烃代粮以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。生产石油蛋白；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；对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。（8）以“土”代“洋”以国产原料代替进口原料，尽量减少工业成本。国内青霉素发酵工业的迅速发展，依赖于找到了富有中国特色的培养基配方，即用廉价的棉子饼（或花生饼）和白玉米粉代替玉米浆和乳糖。（二）4种方法

1.生态模拟

直接取用这类天然基质（经过灭菌）或模拟这类自然条件，就可获得一个“初级的”天然培养基来培养相应的微生物。例如，用肉汤、鱼汁来培养细菌；用果汁来培养酵母菌；用润湿的麸皮、米糠培养霉菌；用米饭或面包来培养根霉；用肥土来培养放线菌；用玉米芯来培养脉孢菌（Neurosporaspp.）等。2.参阅文献（1）直接经验（2）查阅、分析和利用一切文献资料上的对自己直接或间接有关的信息中国期刊网（全文数据库）万方数据资源系统维普数据库生物引擎/生物通/生物桥//3.精心设计设计、试验新配方各项因素的比较或反复试验优选法或正交试验设计法工作量很大4.试验比较试验的规模一般都遵循由定性到定量、由小而大地逐步扩大的原则。生态模拟参阅文献精心设计试验比较设计一种优化的培养基

例如，先在培养皿琼脂平板上测试某微生物的营养要求，然后作摇瓶培养（shakeculture）试验，再进行台式发酵罐培养试验，最后才扩大到试验型发酵罐和生产型发酵罐的规模。二、培养基的种类培养基——微生物的菜谱名目繁多、种类各异（一）按对培养基成分的了解作分类天然培养基组合培养基半组合培养基（二）按培养基外观的物理状态作分类液体培养基固体培养基半固体培养基脱水培养基（三）按培养基对微生物的功能作分类选择性培养基鉴别性培养基基础培养基加富培养基增殖培养基（四）发酵工厂的培养基

1.种子培养基为了在较短时间内获得数量较多的强壮而整齐的种子细胞，需要使用种子培养基。种子培养基营养丰富、氮源充足，由于用量不多，原料可使用较为精制的。2.发酵培养基发酵培养基适用于合成发酵产物的培养基，如果产物分子中以碳元素为主，发酵培养基中碳源含量就需高些，例如谷氨酸产物；如果产物分子中氮元素较多，氮源也要相应增加。发酵培养基用量很大，每天都需几十吨，因此要尽量选用成本较低的原料，选原料时还要考虑它对产品提取、工艺条件的影响。3.保种培养基保种培养基一般营养不需很丰富。三、培养基的配制配料溶解调pH过滤分装灭菌包扎摆斜面贮存本章小结1.营养是一切生命活动所需物质之源水＞碳源＞氮源微生物6大类营养要素碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水自养微生物，能源是日光能或还原态无机物；异养微生物，能源就是碳源。2.微生物的营养类型按微生物所需碳源和能源的性质分为四大类：化能异养微生物（最多）化能自养微生物光能异养微生物光能自养微生物3.微生物的营养的方式有细胞构造的微生物营养方式都是渗透营养型。单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团移位4.设计和配置培养基的原则和方法4个原则：目的明确、营养协调、理化适宜和经济节约4个方法：生态模拟、查阅文献、精心设计和试验比较4.培养基的种类天然培养基、组合培养基和半组合培养基；液体培养基、半固体培养基和固体培养基；基础培养基、加富培养基、增殖培养基、选择性培养基和鉴别培养基；种子培养基、发酵培养基和保种培养基。复习思考题设计一张表格，比较一下微生物6类营养要素。2.设计表格，比较微生物的4大营养类型。3.设计表格，比较四种营养物质进入细胞的方式。4.对培养基的种类列表表示。是指寄生或共生的微生物，Eg.类支原体（MLO）、类立克次氏体（RLO）和少数寄生真菌等。难养菌（fastidiousmicroorganisms）碳氮比（C／N）比：碳源含量氮源含量碳氮比（C／N比）＝碳源中碳原子的摩尔数氮源中氮原子的摩尔数内源调节主要有以下两种方法：第一种是采用磷酸缓冲液进行调节。①

pH的内源调节通过培养基内在成分所起的调节作用，就是pH的内源调节。调节K2HPO4和KH2PO4两者浓度比可获得pH6.0～7.6间的一系列稳定的pH。［K2HPO4］［KH2PO4］＝1时，溶液的pH稳定在6.8。反应原理：K2HPO4＋HCl→KH2PO4＋KClKH2PO4＋KOH→K2HPO4＋H2O第二种以CaCO3作“备用碱”进行调节。

CaCO3（不溶于水又是沉淀性的，在培养基中分布不均匀）、NaHCO3均可用来调节培养基的pH。反应是：②pH的外源调节这是一类按实际需要不断从外界流加酸或碱液，以调整培养液的方法。水活度定量涵义为：在同温同压下，某溶液的蒸汽压纯水蒸汽压aw＝该溶液的百分相对湿度值（ERH，equilibriumrelativehumidity）aw各种微生物生长繁殖范围的aw值在0.998～0.6之间。back1

1.天然培养基

（complexmedia，undefinedmedia）这是指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培养基，这是一类营养成分既复杂又丰富、难以说出其确切化学组成的培养基。例如，培养多种细菌的牛肉膏蛋白胨培养基，培养酵母菌的麦芽汁培养基等。天然培养基的优点：营养丰富、种类多样、配制方便、价格低廉。缺点：是成分不清楚、不稳定，不适宜做精细的科学实验。天然培养基只适合于一般实验室中的菌种培养、发酵工业中生产菌种的培养和某些发酵产物的生产等。

2.组合培养基

（chemicaldefinedmedia）又称合成培养基或综合培养基（syntheticmedia），是一类按微生物的营养要求精确设计后用多种高纯化学试剂配制成的培养基。例如，培养细菌的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的淀粉硝酸盐培养基（即高氏一号培养基），培养真菌的蔗糖硝酸盐培养基（即察氏培养基）等。组合培养基的优点：成分精确、重演性高。缺点：价格较贵、配制较烦，且微生物生长比较一般。组合培养基仅适用于营养、代谢、生理、生化、遗传、育种、菌种鉴定或生物测定等对定量要求较高的研究工作中。3.半组合培养基（semi-definedmedia）又称半合成培养基（semi-syntheticmedia），指一类主要以化学试剂配制，同时还加有某种或某些天然成分的培养基。例如，培养真菌的马铃薯蔗糖培养基等。严格地讲，凡含有未经特殊处理的琼脂的任何组合培养基，因其中含有一些未知的天然成分，故实质上都只能看作是一种半组合培养基。1.液体培养基（liquidmedia）一类呈液体状态的培养基，在实验室和生产实践中用途广泛，尤其适用于大规模的培养微生物。2.固体培养基（solidmedia）广义：一类外观呈固体状态的培养基。狭义：在液体培养基中加入凝固剂，使之成为固体的培养基。固体培养基为微生物生长提供一个营养表面，微生物在这表面上可以形成单个菌落。（1）固化培养基（solidifiedmedium）（2）非可逆性固化培养基（3）天然固态培养基（4）滤膜（membranefilter）根据固体的性质又可把它分为4种类型：固体培养基在科学研究和生产实践上具有广阔的用途，例如，可用于菌种的分离、鉴定，菌落计数，检验杂菌，选种、育种，菌种保藏，抗生素等生物活性物质的生物测定，获取大量真菌孢子，以及用于微生物固体培养和大规模生产等。3.半固体培养基（semi-solidmedi