1、第一节 微生物的营养要求第二节 微生物的营养类型第三节 微生物吸收营养物质的方式第四节 培养基,第四章 微生物的营养和培养基,第一节 微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成二、微生物的营养物质及其生理功能 第二节 微生物的营养类型 第三节 微生物吸收营养物质的方式 第四节 培养基一、选用和设计培养的原则和方法二、培养基的种类,第一节 微生物的营养要求一、 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
2、、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍 、硼。,（二）微生物细胞的化学成分及分析,微生物细胞中的各种元素的存在形式：主要以 水、有机物、无机物的形式存在于细胞中 微生物细胞的化学组成的影响因素：微生物种类、菌龄、培养条件 有机物：蛋白质、核酸、维生素及降解产物和中间代谢产物 无机物：细胞中与有机物质结合或单独存在的无机盐 水,（三）元素在细胞内存在形式：,上述元素主要以水、有机物、无机盐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
3、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% 。,二、营养物质及其生理功能,碳源 （carbon source） 氮源（nitrogen source） 无机盐（mineral salts） 生长因子（growth factor） 水（water）,营养物质及其生理功能,微生物与动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
4、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 微生物的碳源谱,碳源功能,C素构成细胞及代谢产物的骨架 C素是大多数微生物代谢所需的能量来源,碳源种类,无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微 生物利用有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、 脂类和烃类化合物,（二）氮源（Nitrogen source ）：,凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。 种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、 氨、N2等； 有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等 功能： 1）
5、提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸以及含氮代谢物等的原料。 2）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。,表 微生物的氮源谱,氮源种类,分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 无机态氮：硝酸盐与铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物 a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源 b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。,实验室常用的无机氮源有碳酸铵、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。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，这种
6、氮源叫迟效氮源。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，这种氮源叫做速效氮源。速效氮源，通常有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。,（三）无机盐（inorganic salt),定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe （微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （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
7、化合物。,无机盐生理功能,构成微生物细胞的组成成分 调解微生物细胞的渗透压， pH值和氧化还原电位。 有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源 。 构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种酶的激活剂。,无机元素的来源和功能,元素 人为提供形式 生 理 功 能 P KH2PO4、K2HPO4 核酸、磷酸和辅酶的成分 S MgSO4 含硫氨基酸、含硫维生素成分 K KH2PO4、K2HPO4 酶的辅因子、维持电位差和渗透压 Na NaCl 维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要 Ca Ca(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 Mg MgSO4
8、固氮酶辅因子、叶绿素成分 Fe FeSO4 Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需 Mn MnSO4 超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子 Cu CuSO4 氧化酶、酪氨酸酶的辅因子 Zn ZnSO4 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,（四）生长因素（growth factor）,定义:它是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。,缺乏合成生长因子能力的微
9、生物称为营养缺陷型微生物,主要包括：维生素 氨基酸 碱基,维生素,有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。,氨基酸,有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充，如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA，为环丝AA缺陷型菌株，在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。如豆饼水解液或毛发水解液等。,各种菌合成AA的能力有很大差别，一般G菌强于G，大肠杆菌自己能合成全部AA，沙门氏菌能合成大部分AA，有的菌合成AA能力极弱，如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。,碱基,嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多
10、微生物必须的生长因素。有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。,最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。例如：肠膜明串珠菌（leuconostoc mesenteroides）常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长。另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些
11、乳酸杆菌生长需要核苷；某些酵母菌和真菌生长需要肌醇；某些肺炎球菌生长需要胆碱等。,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) 又称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,（五）水（water）,微生物细胞含水约占细胞鲜重的7090，水作用是多方面的。,水的功能,水活度的表示方法,水的功能,水是细胞中生化反应的良好介质；营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出体（细胞）外。水的比热高，能有效的吸收代谢过程中放出的热量，不
12、致使细胞的温度骤然上升。水能维持细胞的膨压（控制细胞形态）。,水活度的表示方法,微生物可利用的水用水活度来表示（Qw），Qw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an=P溶液/P纯水微生物生长所需的水活度通常在0.630.99之间，细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。,微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的水活度值（water activity, w）表示。所谓w就是水的有效浓度。 定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓
13、度）之比，即：w=/ o 表示溶液的蒸汽压o表示纯水的蒸汽压 在w为0.600.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其生长的最适w亦不同。,表 几类微生物生长最适w,为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度（RH) 的概念（ w 100= RH ）；通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。,第二节 微生物的营养类型,异养型生物,自养型生物,光能营养型,化能营养型,生长所需要的营养物质,生物生长过程中能量的来源,光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长 光能异养型：以光为能源
14、，但生长需要一定的有机营养 化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物质 化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质,微生物营养类型(),微生物的营养类型(),能以CO2为主要唯一或主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体， 使CO2还原为细胞物质；,例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,1、光能无机自养型（光能自养型）,不能以CO2为主要或唯一的碳源；,以有机物作为供氢体，利用光能将C
15、O2还原为细胞物质；,在生长时大多数需要外源的生长因子；,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3+ CH2O + H2O,2、光能有机异养型（光能异养型）,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,3、化能有机异养型（化能自养型）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。,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出
16、的化学能；,生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。,大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,4、化能有机异养型（化能异养型）,有机物通常既是碳源也是能源；,这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。,可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；,寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；,5、化能有机异养型（化能异养型）,腐生型(metatrophy)：,寄生型(paratrophy)：,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(faculti
17、ve metatrophy)；兼性寄生型(facultive paratrophy)；,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变,不同营养类型之间的界限并非绝对：,例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物；,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条
18、件变化的适应能力,6、营养缺陷型,某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。注：营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,第三节 微生物吸收营养物质的方式,单纯扩散（simple diffusion） 促进扩散（facilitated diffusion） 主动运输(active transport) 基团移位(group translocation),1
19、、单纯扩散(simple diffusion or passive diffusion),特点： 扩散是非特异性的营养物质吸收方式：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；物质运输的速率较慢：速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同； 不需要载体参与；扩散是一个不需要代谢能的运输方式：因此，物质不能进行逆浓度运输。 可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。,2、促进扩散(fac
20、ilitated diffusion),特点：在促进扩散过程中营养物质本身在分子结构上也不会发生变化不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质运输 被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性 养料浓度过高时, 与载体蛋白出现饱和效应注：促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。,3、主动运输(Active transport),特点：物质在主动运输的过程中需要消耗代谢能可以进行逆浓度运输的运输方式需要载体蛋白参与对被运输的物质有高度的立体专一性被运输的
21、物质在转移的过程中不发生任何化学变化 注：不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能 。主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。,4、基团转位(Group translocation),基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪扩散的运输 。,运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统
22、. 运送步骤: 热稳载体蛋白(HPr)的激活细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1PEP+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。,糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2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2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2P-HPr+糖 糖-P +HPr 酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。,四种运输营养物质方式的比较,第四节 培养基,一、选用和设计培养的原则和方法
23、,定义：应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。 特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。,用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。,（一）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确） （二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调） （三）物理化学条件适宜（条件适宜） （四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。,（一）培养基组分应适合微生物的营养特点,
24、即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基LB (Luria-Bertani)放线菌： 高氏一号培养基真菌： 查氏合成培养基PDA (Potato-Dextrose-Agar)酵母菌； 麦芽汁当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，可以采用生长谱法进行测定。,（二）营养物的浓度与比例应恰当,浓度过高微生物的生长起抑制作用，浓度过小
25、不能满足微生物生长的需要。 碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；,碳源中的碳原子的mol数 氮源中所含的氮原子的mol数,C/N比值=,速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例,（三）物理化学条件适宜,（1）pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同：细 菌：7.08.0 放线菌：7.58.5酵母菌：3.86.0 霉 菌：4.05.8在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式： 内源调节：在培养
26、基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。 外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液,（2）渗透压和aw,渗透压 等渗溶液 适宜微生物生长高渗溶液 细胞发生质壁分离低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂,大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.86.2mol/L NaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。,（3）氧化还原电势,各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求： 好氧微生物：+0.3+0.4V,(在0.1V以上的环境中均能生长)。 厌氧微生物：只
27、能在+0.1V以下生长 兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵培养基是氧化还原型的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果。对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。,（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源,用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）； 用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物； 当所设计的是大规模发酵用的培养基
28、时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉的原料，提倡以粗代精，以废代好。,二、设计培养基的方法,实验比较： 不同培养基配方的选择比较单种成分来源和数量的比较几种成分浓度比例调配的比较小型试验放大到大型生产条件的比较 pH和温度试验,培养基的灭菌,高压蒸气灭菌：一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3, 15-30 min含糖培养基: 0.56 Kg/cm2, 112.6 , 15-30 min过滤灭菌, 分别灭菌, 间歇灭菌的应用,器皿的灭菌及无菌室的消毒,器皿的灭菌：干热空气： 160， 2 小时 无菌室的消毒：紫外光化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）,第二
29、节 培养基的种类,一、根据微生物的种类,二、按培养基的成分,三、按培养的用途,四、按培养基的物理状态,根据微生物的种类分类细菌培养基 放线菌培养基霉菌培养基 酵母培养基,按培养基的成分合成培养基天然培养基 半合成培养基,按培养的用途 基本培养基 加富培养基选择培养基鉴别不同微生物的培养基 保藏菌种培养基,按培养基的物理状态固体培养基 半固体培养基 液体培养基,固体培养基琼脂固体培养基 明胶培养基 硅胶固体培养基 天然固体基质,琼脂固体培养基：琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类 中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96，凝固点是4050。琼脂培养基可反复溶化凝固而不改变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。,液体培养基:不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。另外，病毒与立克氏体，衣原体不活细胞专性寄生微生物，常用鸡胚培养法和动物培养法进行培养。,
