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1、1,第四章 微生物的营养与培养基,营养物质：那些能够满足微生物机体生长，繁殖和完成各种生理活动所需的物质。是微生物生存的物质基础。在微生物学中，还包括非常规物质形式的光辐射能在内。 营养：微生物获得和利用营养物质的过程。是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,一、微生物细胞的化学组成 1.化学元素 构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素。 主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫，钾、钙、镁等， C、H、O、N、P、S（占干重9097%）。 微量元素：锰、铜、 钴、锌、钼，钠、氯等,2,第一节 微生物的营养构成,3,微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）,2.化学成分 存在方式 有机物：蛋
2、白质、糖、类脂、核酸、维生素、降 解产物、代谢中间产物 无机物：与有机物相结合或单独存在于细胞中的无机盐等物质 水 细胞重量的70%90%,4,二、微生物六种营养要素,5,碳源（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源（Energy source) 生长因子（Growth factor ) 无机盐(Inorganic salt) 水(Water),6,功能:,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,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。,7,（一）碳源(carbon so
3、urce） 在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质。,微生物的碳源谱,能源物质,8,有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等 无机碳源： CO2 , Na2CO3 , CaCO3等,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,9,微生物可利用的碳源(化合物分类),糖类： 葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等 有机酸： 乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等 醇类： 乙醇，等 脂类： 脂肪，磷脂，等 烃类： 天然气，石油，石油馏分，石蜡油 ，等 CO2 碳酸盐： NaHCO3, CaCO3,
4、白垩，等 其他： 芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸,微生物利用: 糖类有机酸类醇类脂类,10,（二）氮源(nitrogen source),凡是能被用来构成细胞物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。一般不作能源。,微生物的氮源谱,11,氮源谱,有机氮,无机氮,蛋白质 核酸 氨基酸 尿素,NH3 铵盐 硝酸盐 N2,速效氮源：NH4+被细胞吸收后可直接被利用，因而（NH4）2SO4等铵盐一般被称为速效氮源 迟效氮源：而NO3-被吸收后需进一步还原成NH4+ 后再被微生物利用,12,氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物,氨基酸异养型生物：现成氨基酸,按氮源的不同生
5、物可分为：,13,（三）能源(energy source),能源：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，称为能源。,化能异养菌的能源：异养微生物的碳源同时也是能源。 化能自养菌的能源：无机物：NH4+、NO2-、S、H2、H2S、Fe2+等。,14,一种营养物具有一种以上营养要素的功能,15,(四) 生长因子(growth factor),微生物在生长过程中不能自已合成的 或合成量无法满足机体生长 生长繁殖必需的 需要量较少的,有机物,是,作用：辅酶或酶活化所需。,狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等,含生长因子丰富的物质：酵母膏（酵母粉或酵母汁） 、玉米浆、麦芽
6、汁等。,16,按照微生物是否能合成生长因子： 生长因子自养型微生物 多数真菌、放线菌和部分细菌（如E.coli） 生长因子异养型微生物（营养缺陷型） 各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物 生长因子过量合成微生物 阿舒假囊酵母生产VB2； 谢氏丙酸杆菌等生产VB12；,17,（五）无机盐 (inorganic salts),是微生物生长必不可少的一类营养物质。 大量元素：10-310-4 mol/L， 如 Na、K、S、P 微量元素：10-610-8 mol/L ，如Cu 、Zn 、Mn,18,无机盐的生理功能,19,（六）水(Water),存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）,1.
7、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,20,2.水活度：微生物生长的环境中水的有效性,w =,P溶液 P水,细菌 酵母菌 霉菌、放线菌 耐盐菌 0.90.99 0.8以上 0.7以上 0.6以上,（在相同的温度、压力下，溶液中水的蒸汽压和纯水蒸汽压之比。）,纯水w为1.00，溶液中溶质越多， w越小。微生物一般在w为0.60 0.99条件下生长， w过低时微生物生长的迟缓期延长。,21,微生物营养类型的分类 以能源分：光能和化能营养型 以氢供体分：无机和有机营养型 以碳源分：自养型和异养型 以合成氨基酸的能力分：氨基酸自养型和
8、氨基酸异养型 以生长因子分：野生型和营养缺陷型 以取食方式分：渗透营养型和吞噬营养型 以取得死活有机物分：腐生和寄生,第二节 微生物的营养类型,22,微生物的4大营养类型：,营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。,23,营养物质进入细胞的方式有：,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团转移,第三节 营养物质进入细胞的方式,24,一、单纯扩散,单纯扩散：又称被动扩散，是指物质顺浓度梯度，在无载体蛋白参与下，以扩散方式进入细胞的方式。这是物质进出细胞的最简单一种方式。,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,不消耗能量；不能逆浓度运输；,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,25,26,2促进
9、扩散：溶质的运送过程中，必须借助于膜上的特异性载体蛋白的协助，但不消耗能量，顺浓度梯度进入细胞的方式。,特点,不消耗能量,参与运输的物质本身的分子结构不发生变化,不能进行逆浓度运输,运输速率与膜内外物质的浓度差成正比,需要载体参与,27,28,29,3主动运输,指一类须消耗能量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。 广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。,30,特点,需要消耗代谢能；,需要载体（渗透酶）参与；,运输方向是由胞外向胞内，逆浓度梯度方向进行；,扩散没有动态平衡点；,对被运输的物质具有高度的选择性（立体专一性）；,运输的物质种
10、类丰富，大多数氨基酸、糖类和一些离子。,31,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,32,4基团移位group translocation,也是一种既需特异性载体蛋白又须耗能的运送方式，但溶质在运送前后会发生分子结构的变化，不同于上述的主动运送。,运送1个葡萄糖分子，消耗1个ATP的能量，两步进行： 1）热稳载体蛋白的激活； 2）糖分子被磷酸激活磷酸糖细胞质中 机制：磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,33,细胞内高
11、能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。 酶I PEP+HPr 丙酮酸+P-HPr HPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。,运送步骤,1、热稳载体蛋白(HPr)的激活,34,膜外环境中的糖先与外膜表面的酶II结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶II的作用将糖-磷酸释放到细胞内。 酶II P-HPr+糖 糖-P +HPr,2、糖被磷酸化后运入膜内,35,36,37,第四节 培养基,培养基(medium)是人工配制的，含六大营养要素，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养料。,培养基几乎是一切对微生物进行研究
12、和利用工作的基础,六大营养要素：,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；,38,一、选用和设计培养基的原则和方法 (一) 、4个原则,目的明确,营养协调,理化条件适宜,经济节约,39,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 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,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
13、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） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,40,2.营养协调,谷氨酸的发酵生产： 当C/N=4时，菌体大量繁殖，Glu积累少； 当C/N=3时，菌体繁殖受抑，Glu大量积累。 要素：H2OC源(含能源)N源P、SK、 Mg生长因子 含量： 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6,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代谢产物的形成和
14、积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。,碳氮比指培养基中碳原子摩尔数与氮原子摩尔数的比值。,一般地讲，真菌需CN比较高的培养基(似动物的“素食”)细菌尤其是动物病原菌需CN比较低的培养基(似动物的“荤食”)。,41,3.理化条件适宜,pH,渗透压和水活度,氧化还原电位,42,(1) pH,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。,通常培养条件： 细 菌：7.08.0 放线菌：7.58.5 酵母菌：3.86.0 霉 菌：4.05.8 藻类:6.07.0 原生动物: 6.08.0,为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂进 行内源调节，
15、或在进行工业发酵时补加酸、碱进行外源调节。,43,44,(2)渗透压与水活度 渗透压:两不同浓度的溶液被一个半透性薄膜隔开，稀溶液中的水分子会因水势的推动而透过隔膜流向浓溶液，直至浓溶液所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。 等渗溶液适合细胞生长。 高渗溶液：质壁分离。 低渗溶液：吸水膨胀。,45,46,47,（3） 氧化还原势,氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是量度 某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势 的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。 测量：电位计；化学指示剂:如刃天青。,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。,48,4. 经济节约,以粗代精,以野代家,以废代好,以国代进,以简代繁,以氮代朊,以烃代粮,以纤代糖,49,（二）、4 种方法,生态模拟,参阅文献,精心设计,试验比较,50,二、培养基的种类,培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。,（一）按成分不同划分,天然培养基,合成培养基,一类利用动、植物或微
