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1、第第5 5章章Chapter 5Chapter 5微生物的营养和培养基 Microbial Nutrition and Culture Medium营养物质（nutrient）：是指具有营养功能的物质，可为生物的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物和必要的生理环境。营养（nutrition）：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。微生物的营养要求与动物和植物十分接近，它们之间存在“营养上的统一性”。在元素水平上都需要20种左右，在营养要素水平上则都需要6大类营养要素。Chapter 5 1- 营养要求（Nutrient r
2、equirements）一、微生物细胞的化学组成（Chemical composition of microbial cell） 主要成分细菌酵母菌霉菌水分758570808590蛋白质508032751415碳水化合物12282763 740脂肪 520 215 440核酸1020 6 8 1无机盐 230 3.87 612元素细菌酵母霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷3硫1细胞中几种主要元素的含量（干重百分数）碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水组成微生物细胞的化学元素来自微生物生长所需的营养物质，它们由相应的有机物和无机物提供，小部分
3、可以由分子态的气体物质提供 。二、营养物质及其生理功能Nutrient and function 凡是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营养物质通称碳源。简单的无机含碳化合物：如CO2 、碳酸盐复杂的有机物：如糖类、有机酸、醇、脂类、烃类以及各种含氮化合物1、碳源（carbon source）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CHON X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、 花生饼粉等 CHON多数氨基酸、简单蛋 白质等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂 类等葡萄糖、蔗糖、 各种淀粉、糖蜜等 CH烃类天然气、石油及其不同馏 份、石蜡油等无机碳C（
4、?）COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等凡必须利用有机碳源的微生物是异养微生物，凡以无机碳源作主要碳源的微生物是自养微生物。对一切异养微生物来说，碳源同时又兼作能源，因此，这种碳源又称双功能营养物质。凡是可以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通称氮源。蛋白质及其降解物（胨、肽、氨基酸等）铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮其它含氮物：嘧啶、嘌呤、脲等2、氮源（nitrogen source）微生物的氮源谱类类型 元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮NCHOX 复杂杂蛋白质质、核酸等牛肉膏、酵母膏、 饼饼粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、 简
5、单简单 蛋白质质等尿素、蛋白胨胨、明 胶等无机氮NHNH3、铵盐铵盐 等（NH4）2SO4等NO硝酸盐盐等KNO3等NN2空气一部分不需要利用氨基酸作氮源，它们能把尿素、铵盐等这些简单氮源自行合成他们生长所需的一切氨基酸，称为氨基酸自养型生物，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长的微生物叫做氨基酸异养型微生物。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。 3、能源（energy source）有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）化学物质辐射能光能自养和光能异养微生物的能源能源 谱一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的
6、碳、氮源自行合成的有机物，没有能源和碳源、氮源等结构材料的功能，需要量一般很少。 主要包括维生素、氨基酸和碱基，此外还有卟啉及其衍生物、甾醇、 胺类、脂肪酸等。4、生长因子（growth factor）生长因子作用含有原料维生素B1（硫胺素）作为脱羧酶的辅酶米糠、麦芽、酵母菌体、大豆维生素B2（核黄素）作为氢和电子的传递体小麦、玉米浆维生素B6（吡哆醇）作为脱羧酶和转氨酶的辅酶青霉菌菌丝、酵母菌体、米糠、小麦、玉米和玉米浆烟酰胺作为氢的传递体青霉菌菌丝、小麦、肝脏、大豆、甜菜、酵母浸出物泛酸作为酰基的传递体甜菜糖蜜、青霉菌菌丝、玉米浆、糖蜜酵母浸出物、棉子饼粉维生素B12异构酶、脱氢酶和甲基化
7、酶的辅酶肝脏、菌丝体、肉类和青储饲料肌醇多数酵母菌的生长因子玉米浆、糖蜜、棉子饼粉和酒糟胆碱甲基供体和参与脂代谢啤酒花、大豆、蛋黄、酒糟血红素电子传递体血液一些生长因子的作用和来源 生长因子自养型微生物：不需要从外界吸收任何射干那种因子的微生物。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。生长因子过量合成的微生物：少数微生物在其代谢活动中能合成并大量分泌某些维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。5、无机盐（mineral salt）无机盐或矿质元素主要为微生物提供除碳源和氮源以外的各种重要元素。u 大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生
8、长所需浓度在10-310-4mol/L）u 微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg 、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（Mg2+等）大量元素 pH的稳定化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）特殊功能 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）无机盐的生理功能水的生理功能：优良的溶剂和运输介质；维持生物大分子稳定的天然构象；参与细胞内的化学反应；控制细胞内的温度变
9、化；维持细胞自身形态。6、水（water）除蓝细菌等少数微生物能利用水中的氢来还原CO2以合成糖类外，其它微生物并非真正把水作为营养物，但水在代谢活动中是必不可少的。三、微生物的营养类型Nutritional types of microbe 营养类型是根据微生物生长的主要营养要素的不同而划分的微生物类型。划分方法很多，主要是按它们对能源、氢供体、基本碳源要求来区分为4种类型。划分依据营营养类类型特点 碳源自养型（autotrophs）以CO2为为唯一或主要碳源异养型（heterotrophs）以有机物为为碳源能源光能营营养型（phototrophs） 以光为为能源化能营营养型(chemotr
10、ophs)以物质质氧化释释放的化学能 为为能源 电电子供体无机营营养型（lithotrophs）以还还原性无机物为电为电 子供 体 有机营营养型(organotrophs)以有机物为电为电 子供体微生物的营养类型Nutritional types of microbe 营营养类类型电电子供体碳源能源举举例 光能无机 自养型H2、H2S、S、 或H2OCO2光能着色细细菌、蓝细蓝细 菌、藻 类类 光能有机 异养型有机物有机物光能红红螺细细菌化能无机 自养型H2、H2S、Fe2+ NH3、或NO-2CO2化学能 (无机物氧化)氢细氢细 菌、硫杆菌、 亚亚硝化单单胞菌属、硝化 杆菌属、甲烷烷杆菌属、
11、 醋酸杆菌属化能有机 异养型有机物有机物化学能 (有机物氧化)假单单胞菌属、芽泡杆菌 属、乳酸菌属、真菌、 原生动动物微生物的营养类型Nutritional types of microbe 除原生动物外，其他各大类有细胞微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸取营养的，根据物质运输过程的特点，将物质的跨膜 运输分为4种。Chapter 5 2-营养物质的吸收(Uptake of nutrients )又称被动运输（passive transport）是指疏水双分子层细胞膜在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让多种小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运输方式。一、
12、单纯扩散（simple diffusion） 扩散是非特异性的； 物质在扩散过程中不发生化学变化； 在扩散过程中不消耗能量；动力来自膜内外物质的浓度差； 不能逆浓度运输；单纯扩散的特点：促进扩散是指溶质在运送过程中必须依靠细胞膜上的底物特异载体蛋白（ carrier protein）的协助，但不消耗能量的一类扩散运送方式。二、促进扩散（facilitated diffusion） 需要特异性载体参与； 物质在扩散过程中不发生化学变化； 运输过程中不消耗能量；动力来自膜内外物质的浓度差； 不能逆浓度运输；促进扩散的特点：主动运输指一类必须提供能量并利用细胞膜上特异载体蛋白构象的变化，而使膜外环境
13、中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。三、主动运输(active transport)主动运输的特点： 需要特异性载体参与； 物质在扩散过程中不发生化学变化； 运输过程中需要消耗能量，由ATP、质子动势或离子泵提供； 可以进行逆浓度运输；是由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式。1、初级主动运输（primary active transport）2、次级主动运输（secondary active transport）通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差消失的过程中，往往偶联其他物质的运输。逆向运输 antiport单向运输 uniport同向运输 symport基团移位是
14、一类既需要特异性载体蛋白参与，又需耗能的一种物质运送方式，特点是溶质在运送前后会发生分子结构的变化。四、基团转位（group translocation）五、膜泡运输（memberane vesicle transport）膜泡运输主要存在于原生动物中，包含胞吞作用和胞饮作用两种形式。培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素，且比例适当，配制完成后要尽快灭菌。Chapter 5 3-培养基（Culture Medium） 4个原则：目的明确；营养协调；理化适宜；经济节约一、选用和设计培养基的原则和方法Principle a
15、nd methods to select and design media 4种方法：生态模拟；参阅文献；精心设计；试验比较u 目的微生物的种类、营养类型等；u 获得菌体还是产物，产物的特点；u 用于研究还是生产；一般研究还是生理生化或遗传研究；用作“种子”还是发酵培养； 1、 目的明确 2、营养协调微生物细胞内各组分间有比较稳定的比例，一般是碳源氮源大量元素生长因子；各种营养成分的比例对微生物生长和产物积累的影响很大，特别是碳氮比。碳源与氮源含量之比即称碳氮比（C/N比），严格的说， C/N比是微生物培养基中所含碳源中的碳原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比。 pH； 渗透压； 水活度； 氧化还原电位；3、理化适宜（1）pH培养基的pH须控制在一定的范围内以满足不同类型微生物的生长或产生代谢产物。各大类微生物生长适宜的pH范围：l 细菌：pH7.0 8.0；l 放线菌： pH7.5 8.5；l 酵母菌： pH3.8 6.0；l 霉菌：pH4.0 5.8；（2）渗透压和水活度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。 水活度（W）是指在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示。微生物一般在W为0.60 0.99的条件下生长，W过低时
