第五章微生物的营养

第五章微生物的营养 第一节微生物的6类营养要素营养(nutrition)：是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。营养物(nutrient)：是具有营养功能的物质，在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光能辐射。

一、碳源 1、碳源(carbon source)：一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。 2、功能构成微生物细胞物质，供给微生物生长繁殖所需要的能源。

3、微生物的碳源谱

二、氮源 1、氮源(nitrogen source)：凡提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。 2、功能提供合成原生质和细胞其它结构的原料，某些化能自养细菌能利用NH3和NO2-等还原态无机态氮作能源。氨基酸自养型生物(amino acid autotrophs):不需要氨基酸作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的生物，称氨基酸自养型生物。氨基酸异养型生物(amino acid heterotrophs )：需要从外界吸收现成氨基酸作氮源的生物，称氨基酸异养型生物。

3、微生物的氮源谱

三、能源 1、能源(energy source)：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物和辐射能。 2、功能提供能源。化学物质有机物：化能异养微生物的能源 3、来源无机物：化能自养微生物的能源辐射能：光能自养和异养微生物的能源

光辐射只提供能源属单功能营养物。 某些还原态的无机盐如NH3和NO2-等能为硝化、亚硝化细菌属提供能源和氮源，某些有机碳如糖、醇等能为化能异养菌提供碳源和能源属双功能营养物。氨基酸能为细菌提供碳源、氮源和能源属三功能营养物。

四、生长因子 1、生长因子(growth factor)定义：是一类微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。包括维生素、氨基酸、碱基、卟啉、甾醇、氨类等。按微生物对生长因子的需要与否分为三种类型：生长因子自养型：不需要从外界吸收任何生长因子的微生物，多数真菌、放线菌和细菌都属生长因子自养型。生长因子异养型：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，各种乳酸菌、动物致病菌等属生长因子异养型。生长因子过量合成的微生物：在其代谢活动，能合成并大量分泌某些维生素等生长因子的少数微生物，如阿舒假囊酵母产维生素B2，谢氏丙酸杆菌、若干链霉菌产维生素B12。 2、来源：酵母膏、麦芽汁、玉米浆、肝浸液、血清等

五、无机盐 1、无机盐(mineral salts) ：主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。分大量元素和微量元素。 2、功能：作为微生物细胞及酶的组成成分；维持和调节酶的活性；调节微生物细胞的渗透压、pH值和氧化还原电位，用作呼吸链未端的氢受体；作为某些化能自养细菌的能源物质。 3、来源：无机盐和有机物。

六、水 1、功能（1）是细胞的主要化学成分（2）是营养物质和代谢产物的良好溶剂，营养物质与代谢产物都是通过溶解和分散在水中而进出细胞的(3)水是细胞中各种生物化学反应得以进行的介质，并参与许多化学反应（4）作为热的良好导体，调节细胞温度。细菌含水量80％酵母菌75％霉菌85％左右霉菌孢子39％细菌芽孢低于30％。

第二节微生物的营养类型 一、微生物营养类型的分类 1、按能源分光能营养型(phototroph) 化能营养型(chemotroph) 2、按氢供体分无机营养型(lithotroph) 有机营养型(organotroph) 3、按碳源分自养型(autotroph) 异养型(heterotroph)

4、按合成氨基酸能力分自养型(amino acid autotroph) 异养型(amino acid heteotroph 5、按生长因子分原养型(prototroph)或野生型(wild type) 营养缺陷型(auxotroph) 6、按取食方式分渗透营养型(osmotroph) 吞噬营养型(phagotroph) 7、按取得死或活有机物分腐生(saprophytism) 寄生(parasitism)

一、光能无机营养型 1、蓝细菌蓝细菌细胞内含有叶绿素，能与高等植物一样利用光能分解水产生氧气并还原二氧化碳为有机物。光能 CO2 + H2O [CH2O] + O2 叶绿素

2、光合细菌 光合细菌细胞内含菌绿素，在不产氧的光合作用过程中吸收光能，以还原态无机硫化物为氢供体同化二氧化碳形成有机物。主要科属有着色菌科、绿菌科、绿弯菌科，它们是一群典型的水生菌，广泛分布在深层缺氧的淡水或海水中。

二、光能有机营养型 这是一类能利用光能、以简单有机物（如有机酸、醇等）为供氢体来同化CO2的特殊微生物类群。当以异丙醇为供氢体时，其反应式为： CO2+2CH3COHCH3 CH2O+2CH3CO CH3+H2O 这一类型与光能无机营养型微生物的主要区别在于氢和电子供体的来源。红螺菌属（Rhodospirillum）就是这一营养类型的代表，它们不能以硫化物为唯一电子供体，需要同时供给某些简单的有机物和少量维生素才能生长。有机物在这里除了与硫化物一道用作氢或电子供体以外，也可以直接被同化利用。

三、化能无机营养型 是一类通过氧化无机物取得能量并以CO2为唯一或主要碳源的微生物。按被氧化的无机物种类，可将化能无机营养型微生物分为以下几类：硝化细菌：能氧化NH4+或NO2-获得能量的专性化能自养菌。硫化细菌：能氧化还原态无机硫化物获得能量的好氧或兼性厌氧菌，多数为专性的化能自养菌。铁细菌：能氧化Fe2+为Fe 3+来获取能量并同化CO2。氢细菌：从氢的氧化获得能量。

四、化能有机营养型 是一类以有机物为能源和碳源的微生物，这类微生物包含的种类多，作用强。已知的绝大多数细菌、所有真菌和原生动物及病毒均属于次类型。

第三节营养物质进入细胞的方式 各大类有细胞的微生物都是以渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物质。由于微生物个体微小，单位体积下的比表面积较高，因而可以高效率地进行细胞内外的物质交换。细胞壁和细胞膜是物质进入微生物细胞的必经屏障，但细胞壁对物质进入微生物的作用不大，普通细胞壁的结构可容分子量小于800道尔顿的小分子进入，故大分子化合物如多糖、蛋白质、纤维素等进入微生物细胞前必须先经过胞外酶初步分解后才能进入。细胞膜具有选择透性，它是微生物细胞内外物质交换的主要界面。根据目前对细胞膜结构和养料运输机制的研究结果，可以把细胞对营养物质的吸收分为以下4种：

一、单纯扩散单纯扩散（simple diffusion）以细胞内外营养物质的浓度梯度为动力，营养物质由高浓度向低浓度运输，无能量和载体蛋白的参与。单纯扩散具有以下特点：（1）扩散是非特异的（2）扩散速度取决与营养物的浓度差、分子大小、溶解度、极性、温度等（3）无膜上载体蛋白的参与，也不消耗能量。氧、二氧化碳，乙醇、尿素、甘油和某些氨基酸分子等少数物质以这种方式进出细胞。

二、易化扩散（促进扩散） 易化扩散（facilitated diffusion）以细胞内外营养物质的浓度梯度为动力，营养物质由高浓度向低浓度运输，无能量参与，有载体蛋白的参与。也是以物质的浓度递度为动力，不消耗能量但有膜载体参加，易化扩散有以下特点：（1）有特异性，即一定的载体蛋白只能与一定的养料分子结合（2）能提高养料的运转速度（3）具有饱和效应。

三、主动运送 主动运送(active transport)营养物质的逆浓度梯度进行运输，营养物质由低浓度向高浓度运输，有能量和载体蛋白的参与。需要能量和载体的逆浓度递度积累营养物质的过程主动运送有以下特点：（1）有特异性（2）消耗能量ATP （3）能逆浓度梯度运送营养物质（4）具有饱和效应。

四、基团转位 基团转位(group translocation)营养物质由低浓度向高浓度运输，有能量和载体蛋白的参与，被运输物质发生磷酸化。基团转位有以下特点：（1）运输过程中需要能量（2）被运输物质发生了化学变化（3）有特异性，E.coli中主要靠磷酸转移酶系统参与各种糖类的运送酶1：是非特异性的存在于细胞质中的可溶性蛋白质磷酸转移酶系统酶2：对底物具有特异性能被某种底物诱导产生，为结合于细胞膜上的不溶性蛋白，属诱导酶热稳定蛋白：起着高能磷酸载体的作用,结合在细胞膜上。

营养物质运送如细胞的4种方式

第四节培养基 培养基（medium,复数为media）是由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合培养料。由于微生物种类、营养类型以及我们工作目的的多样性，培养基的配方和种类很多，故培养基的选用和设计还是有章可循的。一、制备培养基的基本原则 1、选用和设计培养基的四个原则：（1）目的明确在设计新培养基前，首先要明确该培养基的目的，如要培养何菌，获何产物等

（2）营养协调培养基中各种营养要素的数量和比例要合适;尤其是C/N，大多数化能异养微生物培养基主要营养元素的比例为：（2）营养协调培养基中各种营养要素的数量和比例要合适;尤其是C/N，大多数化能异养微生物培养基主要营养元素的比例为：要素：H2O ＞C + 能源＞ N源＞ P、S ＞K 、Mg ＞生长因子含量：～10－1 ～10－2 ～10－3 ～10－4 ～10－5 ～10－6

（3）物理化学条件适宜 (a) pH 各大类微生物适宜的pH范围为：细菌7.0~8.0，放线菌7.5~8.5，酵母菌3.8~6.0，霉菌4.0~5.8。培养基的调节：可直接用酸碱进行外源调节通过培养基内在成分所起的调节作用进行内源调节。内源调节方式有：借磷酸缓冲液进行调节,以CaCO3作“备用碱” 进行调节

(b)渗透压和水活度 渗透压(osmotic pressure)某水溶液中一个可以用压力来量度的物化指标，它表示2种不同浓度的溶液间若被一个半透膜隔开时，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使2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。渗透压的大小是由溶液中所含有的分子或离子的质点数决定的。水活度(water active aw)是微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。其定量涵义为：在同温同压下，某溶液的蒸气压（P）与纯水蒸气压（P0）之比。即aw＝ P/ P0

(c)氧化还原势(redox potential Eh) 是量度某氧化还原系统中还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的指标。不同微生物对培养基的氧化还原势要求不同，好氧菌生长的Eh为+0.3~+0.4，兼性厌氧菌Eh>+0.1进行有氧呼吸，Eh<+0.1进行发酵产能，厌氧菌<+0.1。

（4）经济节约在设计生产实践中所使用的大量培养基时应遵循经济节约的原则。（4）经济节约在设计生产实践中所使用的大量培养基时应遵循经济节约的原则。以粗代精以野代家以废代好以简代繁以氮代朊以纤代糖以烃代粮以国代进

2、选用和设计培育基的四种方法： （1）生态模拟：在自然条件下，凡有某微生物大量生长繁殖的环境，则可认为该处一定具备该微生物生长繁殖所必需的营养和其它条件。因此，就可以模拟该天然基质或直接取用该天然基质来培养相应的微生物。（2）查阅文献：一个科学工作者决不能事事都依靠直接经验，多查阅、分析和利用一切文献资料上的对自己直接或间接有关的信息，对设计有自己特色的培养基配方有着重要的参考价值。（3）精心设计：在设计、试验新配方时，常常要进行各项因素的比较或反复试验，因此，工作量是很大的。为了提高工作效率，就努力借助优先法或正交试验设计法等行之有效的数学工具。（4）试验比较：要设计一种优化的培养基，在上述三个方法的基础上，最终还得通过实际试验和比较来加以确定。

二、培养基的种类及其应用 1、按培养基的成分为：（1）天然培养基(complex media)：是一类利用动、植物或微生物体包括其提取物制成的培养基。优点是营养丰富，种类多样，配制方便，价格低廉，缺点是成分不清楚，不稳定。一般适合于实验室中的菌种培养，发酵工业中生产菌种的培养和某些发酵产物的生产等。（2）组合培养基(chemical defined media)：是一类按微生物的要求精确设计后用多种高纯化学试剂配制成的培养基。优点是成分精确，重演性高，缺点是价格较贵，配制麻烦。适用于营养代谢，生理、生化、遗传、育种、菌种鉴定等对定量要求较高的研究工作中。（3）半组合培养基(semi-defined media)：主要以化学试剂配制，同时还加有天然成分的培养基。应用最广，大多数培养基都属此类。

2、按培养基的物理状态分： （1）液体培养基(liquid media)：一类呈液体状态的培养基，在实验室和生产中用途广泛，尤其适用于大规模的培养微生物。（2）固体培养基(solid media)：液体培养基中加入适量凝固剂(1-2%琼脂或5-12%明胶)而成的固态培养基。在科学研究和生产实践上用途很广，常用于菌种分离、鉴定、菌落计数、检验杂菌、选种、育种、菌种保藏、生物活性物质的生物测定、获取大量真菌孢子，以及用于微生物的固体培养和大规模生产等。

（3）半固体培养基(semi-solid media)：在液体培养基中加入少量凝固剂（约0.5%琼脂）而成的半固态培养基。用于细菌的动力观察，趋化性研究、厌氧菌的培养、分离和计数，以及细菌和酵母菌的菌种保藏等，双层平板法测定噬菌体的效价。半固体培养基在微生物学实验中有许多独特的用途，如细菌的动力观察（在半固体直立柱中央进行细菌的穿刺接种，观察细菌的运动能力），噬菌体效价测定（双层平板法），微生物趋化性的研究，各种厌氧菌的培养以及菌种的保藏等等。（4）脱水培养基(dehydrated culture media)：指含有除水以外一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，是一类成分精确、使用方便的现代化培养基。

3、按培养基的功能分： （1）选择培养基(selected media) 根据某微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性，专门在培养基中加入该营养物或抑制剂，使混合菌样中的劣势菌变成优势菌，从而提高该菌的筛选效率。如Ashby无氮培养基用于富集好氧自生固氮菌，马丁培养基用于富集真菌。（2）鉴别性培养基(differential media)：培养基中加有能与某一菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂，从而就能用肉眼使该菌菌落与外形相似的其它菌落相区分的培养基。如远藤氏、伊红美蓝培养基(EMB) 用于鉴别大肠菌群。

在粪便大肠菌培养基上检测大肠菌类的蓝色菌落在粪便大肠菌培养基上检测大肠菌类的蓝色菌落在远藤氏琼脂培养基上检测具有绿色光泽的大肠杆菌和其它大肠菌类细菌

第五章 微生物的营养