第四章微生物的营养和培养基

Microbiology

第四章微生物的营养和培养基进入微生物的世界生物有机体Microbiology

摄取→→物质和能量吸收→→营养物质利用→→生长和繁殖营养营养物微生物的特点：食谱广、胃口大营养：是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。是生命活动的起点和物质基础。营养物指具有营养功能的物质。微生物中还包括光辐射

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。本章内容第一节微生物的6类营养要素Microbiology

微生物吃什么？第二节微生物的营养类型根据吃的什么能把微生物分成几类？微生物怎么吃东西？如何给微生物们做好美味佳肴？第三节营养物质进入细胞的方式第四节培养基Microbiology

第一节

微生物的6类营养要素微生物细胞的化学组成1.化学元素Microbiology

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。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微生物细胞中几种主要元素的含量（干重%）Microbiology

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——硫细菌（sulfurbacteria）——硫元素铁细菌（ironbacteria）——铁元素海洋细菌（marinebacteria）——钠、氯等元素硅藻（Diatom）——硅藻构建富含（SiO2）的

细胞壁Microbiology

2.化学成分及其分析微生物细胞Microbiology

水：70%~90%以游离水和结合水两种形式存在干物质无机物（盐）有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及其降解产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微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”

从营养水平微生物包括6类营养要素Microbiology

碳源氮源能源生长因子无机盐水（一）碳源（

carbonsource）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。约占细胞干重的50%，为大量营养物。Microbiology

碳源种类

碳源功能碳源种类如果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。Microbiology

碳源谱（spectrumofcarbonsources）元素水平

化合物水平

培养基原料水平从这三个水平考察碳源，其数目是逐级扩大的，甚至可多到无法计算Microbiology

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、豆饼粉等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、石油及其不同馏分、石蜡油等无机碳C(?)------C·OC02CO2C·O·N·NaCO3、CaCO3等NaCO3、CaCO3、白垩等微生物利用的碳源物质Microbiology

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注意：

（1）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.(2)异养微生物在元素水平上的最适碳源——“C·H·O”。不同种类的微生物对碳源的利用能力也不一样！例如，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。

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（1）糖

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

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速效碳源:葡萄糖等单糖

或双糖迟效碳源:淀粉等多糖葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！（2）酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质，例如，酚、氰化物等Microbiology

某些微生物，例如，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。Microbiology

某些异养菌需要少量C02

例如，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。

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（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。Microbiology

用于清除石油污染工业发酵中常利用碳源Microbiology

糖蜜、淀粉（玉米粉、野生植物淀粉）、麸皮、米糠、纤维素等实验室中常利用碳源葡萄糖、蔗糖、马铃薯、玉米粉等碳源功能Microbiology

构成细胞物质构成各种代谢产物和细胞贮藏物质为微生物进行生命活动提供能量（二）氮源（nitrogensource）

凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。占细胞干重12~15%，为主要营养物。是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量。Microbiology

氮源种类

氮源功能Microbiology

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、豆饼粉、蚕蛹等N·C·H·O尿素、多数氨基酸、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＞N①有机氮主要是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。

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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。②无机氮

主要包括硝酸盐、铵盐、铵等。Microbiology

铵盐—有效氮源—吸收—直接被利用

硝酸盐—大部分微生物可利用—吸收—还原成NH4+后利用速效氮源:氨基酸、肽等有机氮和铵盐、氨水等无机氮。迟效氮源:蛋白质形式的有机氮和硝酸盐等无机氮。③分子氮

分子氮即为大气中的N2。Microbiology

固氮微生物

能利用N2作为氮源来合成细胞结构的微生物称固氮微生物。（1）研究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中，使之可利用N2N2（2）固氮酶，可在常温常压下Microbiology

固氮酶作为一种酶制剂生产出来，进一步生产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N2

N2+H2NH3氨基酸自养型生物（aminoacidautotrophs）：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气合成所需氨基酸的生物。氨基酸异养型生物（aminoacidheterophs）：利用现成氨基酸作为氮源的生物。Microbiology

根据微生物利用氮源种类来看，存在一个明显的界限：是否能力利用氨基酸，把微生物分为两大类：Microbiology

部分发酵产物的氮源（三）能源（energysource）

能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能，称为能源。Microbiology

能源谱化学物质有机物：化能异养型微生物的能量（同碳源）无机物：化能自养型微生物的能量（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能量能源：光碳源：无机C，如CO2能源：光碳源：有机C，如葡萄糖能源：还原态的无机物质，如NH4+、NO2、S、

H2S、H2和Fe2+碳源：CO2如葡萄糖、氨基酸等

某一种具体营养物除了具有能源之外，同时也兼有其他营养要素的功能，根据这一特点可分为：单功能营养物

例如，光辐射能（能源）双功能营养物

例如，碳源同时又兼能源（异养微生物），

还原态的无机物NH4+（氮源+能源）三功能营养物

例如，氨基酸类（碳源+氮源+能源）Microbiology

（四）生长因子（growthfactor）

微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。Microbiology

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的分支或直链脂肪酸、氨基酸

狭义的生长因子：一般仅指维生素各种微生物与生长因子的关系可分以下几类：

A.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。

B.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。

C.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。例B2

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生长因子种类（1）维生素Microbiology

维生素作为一些酶的辅酶

例如，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1~5μg/ml

（2）氨基酸

大多数情况下氨基酸可被微生物吸收利用；少数情况下虽需要氨基酸作为生长因子，但因其不能透过细胞膜，故吸收利用小肽。Microbiology

微生物对氨基酸的需要量一般是20μg/ml

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。（3）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，因为不能透过细胞膜。Microbiology

微生物对碱基的需要量一般是10~20μg/ml（4）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。Microbiology

例如：流感嗜血杆菌：一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需卟啉环做生长因子。酿酒酵母在厌氧条件下生长需固醇做生长因子。

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，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）、其他信息的动植物的汁液。Microbiology

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微生物生长因子

需要量（ml-1）III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）胆碱 6ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus） 硫胺素 0.5ng 白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae） B-丙氨酸1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostocmesenteroides）吡哆醛 0.025ug（五）无机盐（mineralsalts）

无机盐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。Microbiology

大量元素

微量元素Microbiology

（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。Microbiology

K2HPO4MgSO4Microbiology

（2）微量元素（microelements）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Microbiology

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对一些产物有影响的微量元素Microbiology

（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！Microbiology

各类微生物细胞中的含水量微生物类型细菌霉菌酵母菌芽孢孢子水分含量/%75~8585~9075~804038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）水是维持细胞膨压的必要条件Microbiology

（七）气体1.氧气

需养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、震荡、通气等。Microbiology

2.CO2Microbiology

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。

例如，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，在培养时需要提供10%的（V/V），可用CO2培养箱。Microbiology

第二节

微生物的营养类型微生物营养类型的分类Microbiology

分类标准

营养类型1。以能源分

光能营养型

化能营养型2。以氢供体分

无机营养型

有机营养型3。以碳源分

自养型

异养型4。以合成氨基酸能力分

氨基酸自养型

氨基酸异养型5。以生长因子分

原养型或野生型

营养缺陷型6。以取食方式分

渗透营养型

吞噬营养型7。以取得死或活有机物分

腐生

寄生Microbiology

微生物的营养类型营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营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物生长时大多需要外源的生长因子如淀粉、纤维素、单糖、双糖、有机酸和氨基酸等

1.光能无机营养型

（光能自养型photoautotroph

）特点：Microbiology

（1）能以CO2为主要唯一或主要碳源；（2）进行光合作用获取生长所需要的能量；（3）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光能光合色素[

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。Microbiology

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。CO2+2H2S光能光合色素[

CH2O]+2S+H2O2.光能有机营养型

（光能异养型，photoheterotroph

）特点：Microbiology

（1）以CO2及简单有机物为碳源；（2）以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞

物质；（3）在生长时大多数需要外源的生长因子。这类微生物能利用有机物迅速繁殖，

多用于污水处理。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。Microbiology

CHOH+CO2H3CH3C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。3.化能无机营养型

（化能自养型，

chemoautotroph

）特点：Microbiology

（1）生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；（2）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。只存在于微生物中，可在完全无机和无光的环境中生长。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）特点：Microbiology

（1）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；（2）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、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；Microbiology

不同营养类型之间的界限并非绝对例如紫色非硫细菌(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Microbiology

营养缺陷型（auxotroph）和原养型（prototroph）

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）。

营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。

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)。Microbiology

第三节

营养物质进入细胞的方式Microbiology

微生物们是怎样吃东西的？Microbiology

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）能否进入细胞营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：Microbiology

①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等；②微生物所处的环境（温度、PH等）；③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。一、物质运输的障碍1.荚膜和粘液层Microbiology

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。Microbiology

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。Microbiology

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Microbiology

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。Microbiology

（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；

单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜上Microbiology

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。Microbiology

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。不是细胞获取营养物质的主要方式。Microbiology

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。Microbiology

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促进扩散模式图细胞膜上细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变（2）特点Microbiology

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。Microbiology

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。主动运送模式图细胞膜上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+PiATP（2）特点Microbiology

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；

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。Microbiology

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。（2）特点Microbiology

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；

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。基团移位的运送机制Microbiology

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（PTS）进行。

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。Microbiology

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ⅠMicrobiology

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Microbiology

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Microbiology

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Microbiology

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。P基团移位模式图细胞膜上细胞膜外细胞膜内酶Ⅱc酶Ⅱb酶ⅡaHPr酶ⅠPPPEPPyrPPHPr~P~糖项目酶Ⅰ酶ⅡHPr组分1种酶Ⅱa酶Ⅱb酶Ⅱc1种位置细胞质细胞质细胞膜细胞膜细胞膜底物特异性无无有有无基团移位中各酶比较Microbiology

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第四节培养基Microbiology

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。说明具备6大营养要素，比例要合适应尽快配制并立即灭菌除少数难养菌(类支原体、类立克次氏体)的寄生或共生微生物和寄生真菌外，已发现的绝大多数有细胞微生物均可在人工培养基上生长。用途：促使微生物生长；积累代谢物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。Microbiology

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2、营养协调3、理化适宜4、经济节约1.目的明确Microbiology

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。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）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放线菌（高氏1号）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在50℃--60℃保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。霉菌（查氏合成培养基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000mlMicrobiology

2.营养协调

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。Microbiology

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)Microbiology

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Microbiology

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。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。Microbiology

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Microbiology

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。Microbiology

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）发酵培养基C/N比较高，种子培养基C/N比较低Microbiology

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Microbiology

（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。Microbiology

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：Microbiology

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的调节pH的内源调节pH的外源调节Microbiology

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。①pH的内源调节通过培养基内在成分所起的调节作用，就是pH的源调节。Microbiology

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＋H2OMicrobiology

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：Microbiology

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（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。Microbiology

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。Microbiology

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）Microbiology

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）awMicrobiology

各种微生物生长繁殖范围的aw值在0.998～0.6之间。back1Microbiology

（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）。Microbiology

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。Microbiology

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。Microbiology

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Microbiology

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Microbiology

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（2）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。Microbiology

（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。Microbiology

（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。Microbiology

（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。Microbiology

（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。Microbiology

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。Microbiology

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Microbiology

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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Microbiology

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Microbiology

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。Microbiology

二、培养基的种类培养基——微生物的菜谱名目繁多、种类各异Microbiology

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（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Microbiology

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。Microbiology

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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。Microbiology

（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。Microbiology

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。Microbiology

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（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。Microbiology

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（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。Microbiology

（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。Microbiology

（1）固化培养（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：Microbiology

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。Microbiology

（1）固化培养基（solidifiedmedium）例如，加有1～2％琼脂（agar）或5～12％明胶（gelatin）的液体培养基，可制成遇热可融化、冷却后则呈凝固态的用途最广的固化培养基。常称“固体培养基”，由液体培养基中加入适量的凝固剂（gellingagent）而成。Microbiology

凝固剂必须具有的特点：a.不被微生物液化、分解和利用b.在微生物生长的范围内保持固体状态c.凝固点的温度对微生物无害d.不因消毒灭菌的高温处理而破坏e.配制方便、价格低廉f.透明度好、粘着力强Microbiology

常用的凝固剂：琼脂（agar）、明胶（gelatin）、海藻酸钠（alginate）、脱乙酰吉兰糖胶（Gelrite）、多聚醇F127（pluronicpolyolF127）等。Microbiology

琼脂是最优良的凝固剂，自1880年代开始用于配制微生物培养基以来，至今经久不衰。Microbiology

（2）非可逆性固化培养基Eg.血清培养基或无机硅胶（silicagel）培养基等，其中的硅胶平板是专门用于化能自养细菌的分离、纯化等。指一类一旦凝固后不能在重新融化的固化培养基。Microbiology

（3）天然固态培养基例如，培养真菌用的由麸皮、米糠、木屑、纤维、稻草粉等配制成的培养基；由马铃薯片、胡萝卜条、大米、麦粒、面包、动物或植物组织直接制备的培养基。由天然固态基质直接配制成的培养基。Microbiology

（4）滤膜（membranefilter）

是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维薄膜。若把滤膜制成圆片覆盖在营养琼脂或浸有营养液的纤维素衬垫上，就形成了具有固体培养基性质的培养条件。滤膜主要用于对含菌量很少的水中微生物的过滤、浓缩，然后揭下滤膜，把它放在含适当营养液的衬垫上进行培养，待长出菌落后，可计算出单位水样中的实际含菌量。Microbiology

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（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3.半固体培养基（semi-solidmedia）例如，“稀琼脂”（sloppyagar），它在小型容器倒置时不会流出，但在剧烈震荡后则呈破散状态。指在液体培养基中加入少量的凝固剂而配制成的半固体状态培养基，Microbiology

一般可在液体培养基中加入0.5％左右的琼脂制成。半固体培养基可放入试管中形成“直立柱”，这在微生物学实验中有许多独特的用途，例如，细菌的动力观察（在半固体直立柱中央进行细菌的穿刺接种，观察细菌的运动能力），微生物趋化性的研究，厌氧菌的培养、分离和计数，细菌和酵母菌的菌种保藏，以及噬菌体效价测定（双层平板法）等。Microbiology

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（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4.脱水培养基（dehydratedculturemedia）

又称脱水商品培养基（dehydratedcommercialmedia）或预制干燥培养基（pre-fabricateddriedculturemedia）,指含有除水以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，是一类既有成分精确又有使用方便等优点的现代化培养基。Microbiology

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（三）按培养基对微生物的功能作分类基础培养基加富培养基增殖体培养基选择性培养基鉴别性培养基1.基础培养基（minimummedia）在一定条件下含有某类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。Microbiology

2.加富培养基（enrichedmedia）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。用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物。Eg.培养百日咳博德氏菌（Bordetellapertussis）需要含有血液的加富培养基。Microbiology

3.增殖培养基（completemedia）在普通培养基中加入一些某种微生物特别喜欢的营养物质，增加这种微生物的繁殖速度，逐渐淘汰其他微生物，这种培养基称为增殖培养基。常用于菌种筛选。Eg.要分离出能利用石蜡油进行发酵的酵母菌，只需在配方里使用石蜡油作碳源。Microbiology

4.选择性培养基（selectedmedia）一类根据某微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基，具有使混合菌样中的劣势菌变成优势菌的功能，广泛用于菌种筛选等领域。

选择性培养基是19世纪荷兰的M.W.Beijerinck和俄国的S.N.Vinogradsky发明的。例如，在培养基中加入链霉素、氯霉素可以抑制原核微生物的生长，这种培养基用于分离真菌。Microbiology

（1）利用该分离对象对某种营养物有一特殊“嗜好”的原理，专门在培养基中加入该营养物，把它制成一种加富性选择培养基（enrichedselectedmedia），采用了这类“投其所好”的策略，就可使原先极少量的筛选对象很快在数量上接近或超过原试样中其他占优势的微生物，从而达到了富集或增殖（enrichment）的目的。Microbiology

作为加富的营养物主要是一些特殊的碳源或氮源，例如，甘露醇可富集自生固氮菌；

纤维素可富集纤维分解菌；

石蜡油可富集分解石油的微生物；

较浓的糖液可富集酵母菌。Microbiology

（2）利用该分离对象对某种抑菌物质所特有的抗性，在筛选培养基中加入这种抑菌物质，经培养后，使原有试样中对此抑制剂表现敏感的优势菌生长大受抑制，原先处于劣势的分离对象大量增殖，最终在数量上占