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1、第四章 微生物的营养和培养基,（2学时）,微生物的营养,一、微生物的营养物质 二、微生物的营养类型 三、微生物的培养基,营养的概念,营养（nutrition）：是指生物体从外部环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能 营养物（nutrient）：是指具有营养功能的物质 有了营养，微生物才可以进一步进行代谢、生长和繁殖，并可能为人们提供种种有益的代谢产物,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水,（一）碳源,碳源(carbon source)：是指可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质通称
2、碳源通过机体内一系列复杂的化学变化被用来构成细胞物质或为机体提供完成整个生理活动所需要的能量 因此，可以认为碳源是一种双功能的营养物,碳源的种类,有机碳源：糖类和糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含碳的化合物；能利用有机碳源是为数众多的异养微生物 无机碳源：简单的无机含碳化合物，如CO2和碳酸盐等；能利用无机碳源的一般为自养微生物,微生物利用的碳源,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水,（二）氮源,氮源（nitrogen source）：是指能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源 与碳源相似，微生物作为一个总体
3、来说，能利用的氮源种类即氮源谱也是十分广泛的 氮源的功能：1、合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸等；2、少数可作为能源物质,氮源的种类,非氨基酸类的简单氮源：一部分微生物是不需要氨基酸作为氮源的，它们能利用一些简单氮源(如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气等)自行合成所需要的一切氨基酸，这类微生物可称为“氨基酸自养型生物” 氨基酸氮源：凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物，则可称“氨基酸异养型生物” 所有的动物和大量的异养微生物是氨基酸异养型生物，而所有的绿色植物和很多的微生物都是氨基酸自养型生物,发酵工业中氮源使用注意,速效氮源：很快被微生物利用的物质，有利于菌体的生长。如硫胺、玉米浆等。用于发酵
4、前期 缓效氮源：微生物利用较慢的物质，有利于代谢物质形成。如花生饼粉、黄豆饼粉等。用于发酵后期,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水,（三）能源,能源（energy source）：就是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 异养微生物的能源：就是其碳源 自养微生物的能源：辐射能；有些细菌还能利用一些还原态的无机物质（如NH4+、N02-、S、H2、H2S和Fe2+）等作为能源,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水,（四）生长因子,生长因子（growth fac
5、tor）：是一类微量的、 对微生物正常代谢必不可少、自身不能合成的有机化合物 广义的生长因子：主要包括维生素(vitamin)、氨基酸与碱基(嘧啶和嘌呤及其衍生物)三大类 狭义的生长因子：一般仅指维生素,生长因子的作用,维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢 嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用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 有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水
6、,（五）无机盐,无机盐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：凡是生长所需浓度在10-310-4molL范围内的元素，如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等 微量元素：凡是所需浓度在10-610-8molL范围内的元素，如Cu、Zn、Mn、Mo和Co等,无机盐的生理功能,1、构成细胞结构组分； 2、作为酶组分或活化剂； 3、参与能量传递或提供能源； 4、维持细胞稳定性； 5、调节渗透压。,无机盐的生理功能,微生物所需的无机盐,一、微生物的营养物质,（一）碳源 （二）氮源 （三）能源 （四）生长因子 （五）无机盐 （六）水,（六）水,除了少数微生物如蓝细菌能利用水中的氢作为还原
7、CO2时的还原剂外，其他微生物都不是利用水作为营养物质；即使如此，由于水在微生物的生命活动过程包括营养过程中的重要性，它仍应属于营养要素之一 在地球上迄今为止的所有生命系统，本质上都是以水为基础的系统；其原因就是水具有一系列为生命活动所必需的优良理化特性,水的理化特性,水是一种最优良的溶剂：水分子具有偶极性质，它不仅是许多物质的优良溶剂，而且是胞内物质运输的媒介 其次，水可维持生物大分子结构的稳定，并参与某些重要的生物化学反应，有时，水则是某些反应的最终产物 此外，水还具有一系列重要的物理性质：高比热、高气化热、高沸点、固态水（冰）的密度小于液态水,二、微生物的营养类型,（一）光能无机营养型
8、（二）光能有机营养型 （三）化能无机营养型 （四）化能有机营养型,（一）光能无机营养型,光能无机营养型（photolithotroph）：又称为光能自养型；这是一类含有光合色素、能以 CO2 作为唯一或主要碳源并利用光能进行生长、同时利用无机物（如硫化氢、硫代硫酸钠或水等）作为供氢体的微生物 藻类、蓝细菌、绿硫细菌和紫硫细菌就属于这类微生物,二、微生物的营养类型,（一）光能无机营养型 （二）光能有机营养型 （三）化能无机营养型 （四）化能有机营养型,（二）光能有机营养型,光能有机营养型（photoorganotroph）：又可称为光能异养型；这是一类含有光合色素能利用光能为能源、还原CO2合成
9、细胞物质、同时又必须以某种有机物质作为供氢体的微生物 红螺菌属中的一些细菌就属于这类微生物,二、微生物的营养类型,（一）光能无机营养型 （二）光能有机营养型 （三）化能无机营养型 （四）化能有机营养型,（三）化能无机营养型,化能无机营养型（chemolithotroph）：又称化能自养型；这是一类能氧化某种还原态的无机物质、利用所释放的化学能还原 CO2、合成有机物质，进行生长、繁殖的微生物 硝酸细菌、氢细菌、硫化细菌、铁细菌等就属于这类微生物,二、微生物的营养类型,（一）光能无机营养型 （二）光能有机营养型 （三）化能无机营养型 （四）化能有机营养型,（四）化能有机营养型,化能有机营养型（c
10、hemoorganotroph）：又称为 化能异养型；这是一类以适宜的有机碳化合物（如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等）为基本碳源、以有机物氧化过程中释放的化学能为能源、以有机物为供氢体进行生长的微生物 绝大多数细菌与全部真核微生物都属于这类微生物,三、培养基,（一）培养基的配制原则 （二）培养基的类型,培养基的概念,培养基（medium，culture medium）：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 任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且其间的比例是合适的 任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌，否则很快引起杂菌丛生，并破坏其固有成分和性质,（一）培养基的
11、配制原则,在微生物学研究和生产实践中，配制合适的培养基是一项最基本的工作 培养基配制的四个原则：“目的明确、营养协调、条件合适、经济节约”,1、目的明确,如果某培养基将用于实验室研究：一般不必过多地计较其成本；但必须明确对该培养基是作一般培养用，还是作精细的生理、代谢或遗传等研究用 如果某培养基将用于大规模的发酵生产上：则应该着重考虑其成本；还应特别考虑到生产的代谢产物,2、营养协调,通过菌体成分的分析，可知道在各种微生物的细胞中，其不同成分或元素间是有较稳定比例的；另外，在异养微生物中，碳源还兼作能源，这两点就是确定培养基中各种营养要素的数量和比例的重要依据 此外，如果设计的培养基是用于生产
12、大量代谢产物的，那么，它所需耗费的营养物的量也要在设计培养基时予以充分考虑,化能异养菌的营养要素比例,大多数化能异养菌的培养基中，各营养要素的比例大体符合以下十倍的递减规律：H20 C十能源N源 P、S K、Mg生长因子 碳氮比(CN)：不同种类的碳源或氮源，其中的含碳量或含氮量差别很大 ；一般培养基的CN为61，但对每种微生物的最适配比需要通过试验确定,3、条件适宜,pH：细菌的最适pH为7.0一8.0，放线菌为7.58.5，酵母菌为3.86.0，而霉菌为则为4.0一5.8 渗透压：微生物生长适宜的渗透压为0.998一0.6，等渗溶液适宜微生物的生长；高渗溶液会使细胞发生质壁分离，而低渗溶液
13、则会使细胞吸水膨胀而破裂 氧化还原势：好氧微生物的适宜Eh值为+0.3+0.4 V ，它们在Eh值为0.1V以上的环境中均能生长；兼性厌氧微生物在+0.1v以上时进行好氧呼吸，在+0.1v以下时则进行发酵；厌氧微生物只能在+0.1v以下才能生长,4、经济节约,经济节约主要指在设计生产实践中所使用的大量培养基时应遵循的原则、这方面的潜力是极大的 综合各方面的实际经验，经济节约的原则可以从以下几个方面考虑：以粗代精、以“野生”代“栽培” 、以废代好、以简代繁、以烃代粮、以纤代糖、以氮代朊,三、培养基,（一）培养基的配制原则 （二）培养基的类型,（二）培养基的类型,1、按化学成分划分 2、按物理状态
14、划分 3、按特定用途划分,1、按化学成分划分,（1）合成培养基 （2）半合成培养基 （3）天然培养基,（1）合成培养基,合成培养基 （ synthetic media ） ：又称 组合培养基（ chemical defined media ）， 它是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基 如用于分离培养放线菌的高氏 1 号培养基，培养基成分：可溶性淀粉，K2HPO4，MgSO47H2O，KNO3 ，NaCl，FeSO4,（2）半合成培养基,半合成培养基 （ semi-synthetic media ） ：又称为 半组合培养基（ semi-defined media ），是指一类主要用已知化学
15、成分的试剂配制，同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养基 如一般用于培养霉菌的马铃薯蔗糖培养基，其培养基成分：去皮马铃薯，蔗糖,（3）天然培养基,天然培养基 (complex media, undefined media) ：是指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成培养基 常用的有机物有牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、豆芽汁、玉米粉、麸皮、牛奶、血清等 如实验室常用于培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基，其培养基成分：牛肉浸膏，蛋白胨，NaCl,2、按物理状态划分,（1）液体培养基 （2）固体培养基 （3）半固体培养基,（1）液体培养基,液体培养基（liquid med
16、ia）：指呈液体状态的培养基 无论在实验室还是生产实践中，液体培养基被广泛应用，尤其是工业生产上，液体培养基被用于培养微生物细胞或获得代谢产物,（2）固体培养基,固体培养基（solid media） ： 即指由液体培养基中加入凝固剂而成的培养基 凝固剂：琼脂是最为优良与应用最为广泛的凝固剂，使用浓度为12% ；在特殊用途时也可用明胶做凝固剂，浓度为 5 12% 固体培养基主要用于微生物菌种的分离、纯化和保存等,（3）半固体培养基,半固体培养基 (semi-solid media) ： 是指在液体培养基中加入少量凝固剂而制成的坚硬度较低的固体培养基；一般常用的琼脂浓度为 0.2 1% 半固体培养基常分装于试管中灭菌后用于穿刺接种观察被培养微生物的运动性、趋化性、好气性或用于菌种保藏等,3、按特定用途划分,（1）基础培养基 （2）加富培养基 （3）选择培养基 （4）鉴别培养基,（1）基础培养基,基础培养基 （ minimum media ） ：含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基 牛肉膏蛋白胨培养基就是基础与应用研究中常用的基础培养基 在基础培养基中加入某些特殊需要的营养成分，可
