{生物科技管理}微生物营养和培养基

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1、第四章 微生物营养和培养基,微生物细胞的化学组成 微生物的营养要素 微生物的营养类型 微生物对营养物质的吸收方式 培养基,一、 微生物细胞的化学组成,（一）化学元素(chemical element): 大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、 磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。 微量元素(trace element): 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍 、硼。,第一节 微生物细胞的化学组成,表41 微生物细胞中几种主要元素的含量 （干重的百分数）,微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比,（二）元素在细胞内存在形式：,上述元素主要以水、有机物、无机盐

2、的形式存在于细胞中： 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：1)参与有机物组成， 2)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% 。,（三）微生物细胞化学组成含量的变化,此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。,表42 微生物细胞的化学组成,营养物（nutrient）： 那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。 营养（或叫营养作用，nutriti

3、on ）： 微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。,第二节 微生物的营养要素,表4-3 微生物和动物、植物营养要素的比较,一、碳源（Carbon source）,定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。,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 以及各种含氮的化合物。,表44 微生物的碳源谱,1 .异养微生物：凡必须利用有机碳源的微生物 2. 自养微生物：凡以无机

4、碳源作为主要碳源的微生物 3.碳源的利用顺序：C.H.O(糖类醇类、有机酸和脂类，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、几丁质，纯多糖杂多糖) 4.双功能营养物：对一切异样微生物来说，其碳源同时又兼作能源。,可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有: 碳水化合物及其衍生物：19种 脂肪酸：11种 二羧酸：9种 其它有机酸：12种 伯醇：3种 氨基酸：12种 其它氮化合物：13种 无氮环状化合物：9种,微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。,微生

5、物工业发酵中用做碳源的原料,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、H2,氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。 氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。,二、氮源,表45 微生物的氮源谱,1.氮源的利用顺序:N.C.H.O或N.C.H.O .XN.HN.ON 2.氨基酸自养型微生物：不需要以氨基酸作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至

6、氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的微生物。 3.氨基酸异养型微生物：需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。,迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。 速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。 速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。 实验室常用的氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。 生产上常用的氮源：有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。 多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有

7、些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。,氮源的种类,能源：指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。 微生物的能源谱： 有机物：化能异养微生物的能源（同碳源） 化学物质 能源谱： 无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源） 辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源,3、能源,化能自养微生物的能源物质：都是一些还原态的无机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+ 等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝

8、酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料常常是双功能的（如： NH4+ 既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。） 有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。 光辐射能：是单功能的，只为光能微生物提供能源。 还原态的NH4:是双功能营养物（能源、氮源） 氨基酸：三功能营养物（碳源、氮源、能源）,生长因子（growth factor）：是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。 主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、 胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶

9、（碱基）的生理功能见教材。 缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。,四、生长因子（growth factor）,根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：,1. 野生型(wild type)和原养型 不需要生长因子而能在基础培养基 上生长的菌株 2. 营养缺陷型(auxotroph) 由于自发或诱发突变等原因从野生 型菌株产生的需要提供特定生长素物 质才能生长的菌株,1.生长因子自养型微生物:不需要从外界吸收任何生长因子就能正常生长的微生物(如E.coli,多数真菌、纺线菌、细菌)。 2.生长因子异养型微生物：需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长的微生物（如乳酸菌、支原

10、体和原生动物等）。 3.生长因子过量合成的微生物：在其代谢活动中，能够大量合成分泌某些维生素等生长因子的微生物（如阿舒假囊酵母、链霉菌、被孢霉等）。,根据微生物对生长因子的需要分：,无机盐： 是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。 大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。 （微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L） 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 （微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L） 一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,五

11、、无机盐,细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma 、Fe等） 一般功能 渗透压的维持（Na+等） 生理调节物质 酶的激活剂（M a2+等） 大量元素 pH的稳定 无 化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等） 机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等） 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等） 微量元素 特殊分子结构成分（Co、Mo等）,无机盐的生理功能,无机元素的来源和功能,元素人为提供形式 生 理 功 能 PKH2PO4、K2HPO4核酸、磷酸和辅酶的成分 SMgSO4含硫氨基酸、含硫维生素成分 KKH2PO4、K2HPO4酶的辅因子、维持电位差和渗透

12、压 NaNaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要 CaCa(NO3)2、CaCl2胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成 MgMgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分 FeFeSO4Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需 MnMnSO4超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子 CuCuSO4氧化酶、酪氨酸酶的辅因子 CoCoSO4VB12复合物的成分、肽酶的辅因子 ZnZnSO4碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子 Mo(NH4)6Mo7O24固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分,水分：水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面： 1.

13、 细胞的构成成分 2.良好的溶剂，一系列生理生化反应的反应介质 3.参与许多生理生化反应 4. 有效地控制细胞内的温度变化,六、水,水在细胞中有两种存在形式： 结合水和游离水. 不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：,根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型 异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质 自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型 化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的

14、能量进行生长 光能营养型生物：依靠光能进行生长 动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物,第三节 微生物的营养类型,微生物营养类型的分类,营养类型,光能自养型微生物：以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫 光能 CO2H2S CH2O+ 2S+ H2O 光合色素 光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。,一、光能自养

15、型微生物,光能异养型微生物：以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素 光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子,二、光能异养型微生物,利用光能，以简单有机物（醇、有机酸） 为供氢体同化CO2 CH3 光能 CO2+2CH2-CHOH-CH2O+2CH3COCH3+H2O 菌绿素 例：红螺菌属（Rhodospirillum）,光能异养型微生物,红螺菌,化能自养型微生物：以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源,，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。 这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。,三、化能自养型微生物,通过氧化无机物取得能量，并以 C