微生物营养及培养基

第四章微生物营养与培养基微生物营养及培养基营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。

营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。一些微生物可利用非物质形式的能源

光能。

微生物营养及培养基一、细胞化学组成

整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（占干重90－97%），C占约50%，此外为各种无机元素，由这些元素再组成化合物。

第一节微生物的六种营养要素微生物营养及培养基元素大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等存在方式有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素、降解产物、代谢中间产物无机盐灰分水—细胞湿重的70%~90%微生物营养及培养基元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氢85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.2

微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）

微生物营养及培养基一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。微生物是杂食性的：微生物营养及培养基二、主要营养物及其功能

碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)能源（Energysource)生长因子（Growthfactor)无机盐(Inorganicsalt)水(Water)六种营养要素

微生物营养及培养基

参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源功能:营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。微生物营养及培养基

异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源（一）碳源(carbonsource)

提供微生物营养所需碳元素的营养源。

有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等无机碳源：CO2,

Na2CO3,CaCO3等微生物对碳源选择性：糖类一般是良好碳源和能源，对不同糖利用不同。E.Coli在G和半乳糖培养基生长，G为速效碳源，后者为迟效碳源。微生物营养及培养基

有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4

气态氮源：大气N2（二）氮源(nitrogensource)凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。

氮源一般不作能源。速效氮源迟效氮源微生物营养及培养基能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。（三）能源(energysource)无机物：化能自养微生物的能源能源谱化学物质辐射能：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微生物营养及培养基单功能：辐射能双功能：还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能源，又是氮源三功能：N·C·H·O类营养物质常是异养微生物的能源，碳源兼氮源

一种营养物具有一种以上营养要素的功能微生物营养及培养基一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。(四)生长因子(growthfactor)

作用：辅酶或酶活化所需。微生物营养及培养基狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等

生长因子自养型微生物（auxoautotrophs)

生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs)营养缺陷型微生物（nutritionaldeficiency)变株生长因子过量合成型微生物微生物营养及培养基

维生素微生物的种硫胺素(B1)Bacillusanthracis(炭疽芽孢杆菌)核黄素Clostridiumtetani(破伤风梭菌)烟酸Brucellaabortus(流产布鲁氏杆菌)吡哆酸(B6)Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌)生物素Leuconostocmesenteroides(肠膜状明串珠菌)泛酸Proteusmorganii(摩氏变形杆菌)叶酸Leuconostocdextranicum(葡聚糖明串珠菌)钴胺酸(B12)Lactobacillusspp.维生素KBacteroidesmelaninogenicus(产黑素拟杆菌)

若干细菌所需要的维生素

微生物营养及培养基

维生素转移的对象代谢功能硫胺素(B1)

乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a－酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6)

氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素B12

羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关

维生素的生理功能微生物营养及培养基（五）无机盐(inorganicsalts)所需浓度在10-3-10-4M的元素为大量元素

所需浓度在10-6-10-8M的元素为微量元素微生物营养及培养基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细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持(Na+等)酶的激活剂(Mg等)pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等)

无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)微生物营养及培养基生理作用：细胞组成成分生化反应溶剂化学、生理反应介质物质运输媒体调节细胞温度维持细胞的渗透压（六）水存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）微生物营养及培养基

依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源第二节微生物营养类型依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能依生长因子的不同：原养型(prototroph)或野生型(wildtype)

营养缺陷型(auxotroph)微生物营养及培养基微生物的营养类型

营养类型能源碳源实例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2

及简单有机物红螺细菌化能自养型

无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌化能异养型有机物有机物绝大多数微生物，原生动物微生物营养及培养基

寄生型(parasitism)——寄生于活的生物体腐生型(saprophytism)——寄生于死亡的生物有机体化能异养型营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物,即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利用氧化有机物或吸收日光能而获得。自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。微生物营养及培养基第三节细胞对营养物质的吸收

营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(>600Da)的溶质进入,而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。

通透性与吸收是不同概念

一般大分子先水解为小分子，再吸收

脂溶性物质：易透过微生物营养及培养基一、单纯扩散

(simplediffusion)依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；不消耗代谢能，无特异性；运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；

亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。

微生物营养及培养基二、促进扩散(facilitateddiffusion)利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。特点：需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输不消耗能量运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）载体蛋白(carrierprotein)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。微生物营养及培养基单纯扩散、促进扩散、主动运输：被运输的溶质分子不发生改变。

3、主动运输

(activetransport)特点：是微生物吸收营养的主要方式可逆浓度梯度运输，耗能需载体蛋白，有特异性运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类

微生物营养及培养基特点：属主动运输类型溶质分子发生化学修饰

定向磷酸化需复杂的运输酶系参与运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等4、基团转位(grouptranslocation)膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。微生物营养及培养基主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。PEP+HPrEI丙酮酸+P-HPrP-HPr+糖EII糖-P+HPr1.热稳定性载体蛋白(heatstablecarrierprotein,HPr)的激活

2.糖磷酸化后运入膜内

微生物营养及培养基基团转位运输葡萄糖示意图两类磷酸烯醇式丙酮酸：糖基磷酸转移酶(PTS)系统高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIA,EIIA与EIIB在甘露糖转运系统中相连，在葡萄糖转运系统中分开。无论那种形式，磷酸都从EIIA转移至EIIB，再经过穿膜的转运过程而转移至糖基。磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),第一个酶I(EI),低分子量热稳定性载体蛋白(HPr),第二个酶I(EII)胞质细胞质基质微生物营养及培养基培养基(medium，culturemedium)：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。第四节培养基微生物营养及培养基（一）四个原则

1、目的明确（根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基）

培养什么微生物、获得什么产物、用途二、选择和配制培养基的原则和方法2、营养协调

营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比)微生物营养及培养基C/N比:微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。一般培养基的C/N比为100/0.5～2。以含氮量来看：NH3(82%)>CO(NH2)2(46%)>NH4NO3(35%)>(NH4)2CO3(29.2%)>(NH4)2SO4(21%)微生物营养及培养基适宜营养物质的选择表3微生物常见的有机碳源种类举例说明单糖葡萄糖，麦芽糖，果糖，麦芽糖，半乳糖，木糖用作速效碳源，但会加速菌体呼吸，溶氧下降中间代谢物积累二糖蔗糖用作速效碳源，但会加速菌体呼吸，溶氧下降中间代谢物积累多糖淀粉，玉米粉，纤维素迟效碳源。纤维素只有少数微生物能够作为碳源。糖蜜甜菜糖蜜，甘蔗糖蜜是非常好的碳源，成分复杂，在发酵工业中常用酵母发酵、抗生素和丙酮丁醇生产常用它为碳源。一般包括蔗糖35%，葡萄糖9%，果糖7%，8种其它糖类4%，其它还原物质3%，24种氨基酸占4.5%，有机酸5%，蜡质、甾醇和磷脂占0.4%，灰分12%，水20%。麦芽发芽的大麦主要培养酵母用，工业上用麦芽汁发酵，制作啤酒。油脂棉籽油，玉米油，豆油，葵花籽油等。热值高，液体培养时消耗氧气多。在工业上常常少量添加作为消泡剂使用。醇类甲醇，甘油甲醇被用来培养酵母。烃类CH4，C2H6，C4H10，C12~C20烷烃溶解性不好，液体培养对搅拌要求高。有机酸乙酸，乳酸，柠檬酸等利用会导致pH上升微生物营养及培养基表不同能源培养细胞的得率碳源基质葡萄糖（糖蜜）甲烷正烷烃甲醇乙醇醋酸盐顺丁烯二酸盐细胞得率（g细胞/g基质）0.510.621.030.400.680.340.36微生物营养及培养基表常见微生物氮源种类可以利用的微生物特点有机氮源：牛肉浸膏、酵母浸膏、花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、麦麸、尿素等大部分微生物，如青霉，酵母，大肠杆菌。含有丰富的氨基酸，是微生物的优良氮源。无机氮源：铵盐、硝酸盐、氨水等部分微生物（氨基酸异养型不能利用）硝酸盐要还原后才能用，可以同时调节pH。N2少数细菌（约50多个属，100多种）生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二个重要的生物化学反应。微生物营养及培养基表常用的培养基中的无机盐及参考浓度（g/L）无机盐提供的元素参考浓度培养基名称MgSO4Mg0.5察氏培养基KH2PO4/K2HPO4K，P0.12/1.0克氏培养基KClK0.5察氏培养基NaClNa5牛肉膏蛋白胨培养基CuSO4﹒5H2OCu0.016氧化硫酸杆菌培养液ZnSO4﹒7H2OZn0.22氧化硫酸杆菌培养液FeSO4Fe0.01察氏培养基CaCl2﹒2H2OCa0.25氧化硫酸杆菌培养液NaHCO3Na0.1蓝细菌培养基MnCl2﹒4H2OMn0.05氧化硫酸杆菌培养液（NH4）6Mo7O24﹒4H2OMo0.01氧化硫酸杆菌培养液微生物营养及培养基pH

渗透压和水活度氧化还原电位3、物理化学条件适宜:微生物营养及培养基

细菌:pH7.0~8.0

放线菌：pH7.0~8.5

酵母菌:pH3.8~6.0

霉菌：pH4.0~6.0pH：微生物有最佳生长pH微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变化：在含糖基质上生长,会产酸而使pH下降，在分解蛋白质和氨基酸时,会产NH3而使pH上升，以(NH4)2SO4

作N源,会过剩SO42-,而使pH下降，分解利用阳离子化合物如：NaNO3,会过剩Na+而使

pH上升。微生物营养及培养基

维持培养基pH的方法使用磷酸缓冲剂：

K2HPO4/Na2HPO4,H2PO4/NaH2PO4采用“备用碱”：CaCO3

、CaHCO3采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等采用液氨或盐酸微生物营养及培养基渗透压(osmoticpressure):高浓度溶液向低浓度溶液渗透时，其溶质分子所产生的压力。

高渗溶液会导致微生物细胞发生质壁分离低渗溶液会导致微生物细胞吸水膨胀甚至破裂微生物营养及培养基

水的可利用性用水活度(wateractivity,aw)表示aw：在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水含量。aw=P/Po

P:溶液的蒸汽压

Po:纯水的蒸汽压水活度需等渗适宜。微生物适宜生长的aw为0.6～0.998之间。在常温常压下，纯水的aw为1.00在同温同压，某溶液的饱和蒸汽压与纯水的饱和蒸汽压之比。微生物营养及培养基溶液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡萄糖+20%甘油0.9551%葡萄糖+40%蔗糖0.964饱和氯化钠溶液0.78饱和氯化钙溶液0.30饱和氯化镁溶液0.30饱和氨化锂溶液0.11几种溶液的水活度值

微生物营养及培养基氧化还原电位Eh（redoxpotential）：氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子的趋势。好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~+0.4V厌氧微生物：+0.1以下兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以下进行发酵微生物营养及培养基4、原料来源的选择

经济节约原则:以粗代精、以废代好、以简代繁原料来源要广泛原料要易处理，处理成本要低原料处理后，废物、废液、废气要少微生物营养及培养基（二）四种方法生态模拟查阅文献精心设计实验比较微生物营养及培养基

通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例)考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源微生物营养及培养基培养基类型依对培养基成分的了解：

天然培养基(complexmedium,undefinedmedium)，指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培养基，成分未知。如培养细菌所用的肉汤蛋白胨培养基，培养酵母菌的麦芽汁培养基等。

优点：取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便微生物营养及培养基组合培养基(definedmedium)，或称合成培养基

(syntheticmedium