第四章 微生物的营养与培养基

1. 第四章 微生物的营养与培养基

2. 本章教学目标： • 1. 了解微生物细胞的化学组成。 • 2. 理解微生物的营养要素及功能。 • 3. 理解微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点。 • 4. 理解微生物生长曲线及生长特点。 • 5. 掌握微生物培养基的分类、常用培养基以及应用。 • 教学学时：5学时

3. 教学重难点： • 重点： • 1.掌握微生物营养要素及碳源谱、氮源谱中主要的培养基原料； • 2.着重掌握培养的有关知识，包括培养基配制方法和注意事项； • 3.领悟培养基的设计与微生物纯培养技术之间的重要关系。 • 难点：碳源、氮源、能源、生长因子，选用和设计培养基的原则和方法，选择性和鉴别性培养基及作用原理。

4. 营养(nutrition)： ——生物体从外部环境中摄取生命活动必需的物质和能量，以满足正常生长、繁殖和各种生理活动之所需。 ——广义地说，营养是微生物获得和利用营养物的过程，是微生物维持和延续其生命形式的一种基本生理过程。 • 营养物(nitrient)： ——具有营养功能的物质和能量（指光能——对微生物来说）

5. 第一节　微生物的营养六要素 1. 微生物菌体的化学组成——元素水平 主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等 占细胞干重的97% 微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等

6. 2 微生物的营养要素 按照营养物质在菌体中生理作用的不同，可将它们分成六大类： 营养六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水 无论从元素水平还是营养要素水平，微生物的营养要求与摄食型的动物（含人类）和光合自养型的植物都十分接近。 ——生物之间存在“营养上的统一性”

7. （一） 碳源 在微生物生长繁殖过程中，能为其提供碳素营养来源的物质称碳源。即，是用来构建菌体物质中或代谢产物中的碳素骨架的营养物质。 微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇类、脂类、烃类、蛋白质、氨基酸、核酸以及CO2、 碳酸盐等等。 从微生物的整体来看，可利用的碳源物质的范围称碳源谱。 有机碳 C.H.O 异养微生物 碳源谱 无机碳 C.O,C.O.X 自养微生物

8. 自然界中，利用有机碳源的微生物种类占绝大多数。其中必须以有机碳源提供碳素营养的——异养微生物（绝大多数）；自然界中，利用有机碳源的微生物种类占绝大多数。其中必须以有机碳源提供碳素营养的——异养微生物（绝大多数）； 可以无机碳源提供主要碳素营养的——自养微生物（较少） 从整体上看，微生物是自然界中碳源谱最广的生命形式。 从某种角度来说，世界上存在的所有有机物，几乎没有微生物不能利用的！！ ——微生物的生物多样性

9. 目前在微生物发酵工业中所利用的碳源物质主要有单糖、蔗糖、淀粉、糖蜜、麸皮、米糠.目前在微生物发酵工业中所利用的碳源物质主要有单糖、蔗糖、淀粉、糖蜜、麸皮、米糠. • 对大多异养菌来说，其最适碳源是“C.H.O”型碳源，其中： 糖类——最广泛、最经济 酸醇脂类——次要 糖类中： 单糖>双糖、多糖 己糖>戊糖 葡萄糖、果糖>半乳糖、甘露糖等 淀粉>纤维素、几丁质等 一般不把含蛋白质、氨基酸的牛肉膏、蛋白胨等原料降格做碳源使用。

10. 注意： • “碳源谱广泛”是针对整个微生物界来说的，对某一具体微生物来说，差异很大。 • 对一切异养菌来说，其碳源可同时兼作能源，因此碳源是它们的双功能营养物。 • 对天然来源的碳源营养物（如糖蜜、淀粉质原料）来说，除主要提供碳源营养外，其中还含有氨基酸、无机盐等多种营养成分。

11. （二）氮源 在微生物生长繁殖过程中，能为其提供氮素营养来源的物质称氮源。即，是用来满足菌体物质中或代谢产物中的氮素需要的营养物质。 蛋白质 核酸 氨基酸 尿素 大多病原菌 需要有机含 氮化合物 ｛ 有机氮 N.C.H.O ｛ 氮源谱 ｛ NH3 铵盐（NH4+）PH↓ 硝酸盐（NO3-）PH↑ N2 固氮菌 能利用 游离的 氮 无机氮 N.H，N.O

12. 一般而言，能利用有机氮的也可以利用无机氮但是，能利用无机氮的不一定能利用有机氮。一般而言，能利用有机氮的也可以利用无机氮但是，能利用无机氮的不一定能利用有机氮。 • 对大多数异养菌来说，其最适氮源是“N.C.H.O”型或“N.C.H.O.X”型氮源(有机氮源) “N.H”型氮源(无机氮源，如NH4+)次之。 • 食品与发酵工业中，异养型微生物培养基最常用的有机氮源是：铵盐、硝酸盐、尿素、氨基酸、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏及饼粕粉（黄豆饼、花生麸）、蚕蛹粉、鱼粉等。

13. 按对氨基酸的需要的不同，可将微生物生物分为：按对氨基酸的需要的不同，可将微生物生物分为： 氨基酸自养型生物：不需要氨基酸做氮源，能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等自行合成所需氨基酸的生物。 氨基酸异养型生物：需要从外界吸收现成的氨基酸做 氮源才能满足需要的。

14. （三）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，称能源。 ｛ 有机物 化能异养微生物的能源 化学物质 无机物 化能自养微生物的能源 ｛ 能源谱 辐射能 光能自养和光能异养微生物的能源 单功能营养物：如光能 多功能营养物：如铵盐、氨基酸等

15. （四） 生长因子 微生物生长所必需的、但其自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的、需要量很小的有机化合物，如维生素、氨基酸、碱基、菑醇等. 微 生 物 生长因子需要量（ /ml） III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）胆碱 6 ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 硫胺素 0.5ng 白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae） B-丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug

16. 广义的生长因子—— 维生素、生物碱、卟啉、甾醇、短链的分支或直链脂肪酸、氨基酸等 • 狭义的生长因子——仅指维生素 生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌和不少细菌。 生长因子异养型微生物：乳酸菌、营养缺陷型突变株及致病菌等。 生长因子过量合成的微生物：可用其生产有关的生长因子（如维生素），如阿舒假囊酵母生产B2，谢氏丙杆菌、有些链霉菌生产B12等。

17. 配制培养基时，常使用生长因子丰富的天然物质制备物作为补充生长因子的培养基成分。配制培养基时，常使用生长因子丰富的天然物质制备物作为补充生长因子的培养基成分。 如：酵母膏、玉米浆、麦芽汁、肝浸液等。

18. （五） 矿质元素 除C、H、O外的元素，有时又称无机盐，其基本作用： 构成菌体成分 参与微生物中氨基酸和酶活性集团的组成 调节渗透压、pH值、氧化还原电位等 作为自养菌的能源

19. 根据微生物对矿质元素需要量的大小，可分为：根据微生物对矿质元素需要量的大小，可分为： 大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P、Fe。 需要量常在10-4～10-3mol/L。 配制培养基时，大量元素一般首选K2HPO4、MgSO4等，可同时提供4种大量元素。P一般需要0.005～0.01 mol/L， 无机合成培养基中，S的来源常来自硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸锰，浓度0.001 mol/L 。 常用天然水、自来水来配制培养基以提供各种微量元素. 微量元素—— 在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，需要量通常在10-6～10-8mol/L，如： 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

20. 一些无机盐离子的功能 • P，平衡代谢，提高葡萄糖的利用率。 • S，合成含硫氨基酸（如胱氨酸）、辅酶的活性基（如辅酶A、谷胱甘肽）以及一些维生素（硫胺素、生物素等）。 • Mg，维持某些酶的活性（如磷酸化酶）。 • K、Na，酶的激活剂，促进碳水化合物代谢，维持细胞质的胶体状态及细胞渗透压。 • Fe，参与细胞色素氧化酶的活性基铁卟啉的组成。

21. 无机元素（除碳、氮源外）的来源和功能

22. （六） 水 生理功能主要有： ①起到溶剂与运输介质的作用； ②参与细胞内一系列化学反应； ③维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象； ④高比热、高汽化热等，以保证微生物的生命活动； ⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构. 微生物细胞含水量很高，细菌、酵母和霉菌菌体分别是80%、75%和85%，而霉菌孢子含水39%，细菌芽孢含水很低，约为30%左右。

23. 水分活度aw——表示天然或人为环境中微生物可实际利用的游离水的含量。水分活度aw——表示天然或人为环境中微生物可实际利用的游离水的含量。 • 同温同压下，某溶液的蒸气压（P）与纯水蒸气压（P0）之比： aw= P/ P0 纯水的aw=1 无水产品，水蒸气压为零， aw=0 0﹤aw﹤1 各类微生物aw范围：0.600～0.998

24. 第一节　微生物的营养类型 根据微生物生长所需要的主要营养要素即碳源和能源的不同，可以将微生物划分为不同的营养类型： 自养型生物 生长所需要的营养物质 异养型生物 光能营养型 生长过程中能量的来源 化能营养型

25. 根据碳源、能源及电子供体性质的不同， 可将微生物分为： 光能无机自养型(photolithoautotrophy) 光能有机异养型(photoorganoheterotrophy) 化能无机自养型(chemolithoautotrophy) 化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy)

26. 1．光能无机自养型 （光能自养型） 能以CO2为唯一或主要碳源； 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还原为构成细胞物质的有机物；

27. 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、紫硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。 光能 2[ CH2O] + H2SO4 2CO2+ H2S+ 2H2O 菌紫素 光能 CO2+ 2H2S [ CH2O] + 2S+ H2O 光合色素

28. 2．光能有机异养型（光能异养型） 不能以CO2为主要或唯一的碳源； 以有机物（甲酸、乙酸、甲醇、异丙醇等）作为 供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质； 在生长时大多数需要外源的生长因子； 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。 光能 2 CH3C0CH3 +[ CH2O] + H2O 2CH3CHOHCH3 + CO2 光合色素

29. 3．化能无机自养型（化能自养型） 产甲烷菌 生长所需要的能量来自无机化合物如铵、亚硝酸盐、硫化氢、铁离子等氧化过程中释放出的化学能； 以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用 H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原 成细胞物质。 化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环，如硫细菌、硝化细菌、铁细菌等。

30. 4．化能有机异养型（化能异养型） 生长所需要的能量均来自有机物 氧化过程中放出的化学能； 结核杆菌 有机物通常既是碳源也是能源； 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；

31. 不同营养类型之间的界限并非绝对的 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: 例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)： 无有机物时，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； 黑暗与有氧条件下，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有利于提高其对环境变化的适应能力

32. 微生物的营养类型

33. 第二节　微生物营养物质的转运 除原生动物外，各种微生物都是通过细胞膜的渗透和选择性吸收作用而从外界吸收营养物质的。 营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素： ①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等; ②微生物所处的环境（温度、pH等）； ③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。

34. 根据物质运输过程的特点，可将微生物营养 物质的运输方式分为： 单纯扩散 不耗能运输 促进扩散 主动运输 耗能运输 基团转移 呼吸作用转运

35. 1．单纯扩散（自由扩散、简单扩散） 原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质膜上的小孔，通过物理扩散方式由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。 ①不消耗能量；不需要载体； 特点 ②物质在扩散过程中没有发生任何变化； ③不能逆浓度运输；运输速率与膜内外 物质的浓度差成正比；

36. 水是唯一可以通过自由扩散穿过原生质膜的分子；另外脂肪酸、乳酸、乙醇、甘油、戊糖分子、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸分子在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。水是唯一可以通过自由扩散穿过原生质膜的分子；另外脂肪酸、乳酸、乙醇、甘油、戊糖分子、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸分子在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。 8埃 8埃

37. 2．促进扩散 细胞外溶质借助于细胞膜上的载体蛋白（酶）的协助， 向胞内运送的方式,。 ①不消耗能量 特点 ②需要载体参与 ③不能进行逆浓度运输 ④运输速率与膜内外物质的浓度差成正比 ⑤参与运输的物质的分子结构不发生本身 变化，但运输速度加快

38. 通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。

39. 3．主动运输 ATP运输 主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。 重要特点：运输过程中需要消耗能量和载体，而且可以进行逆浓度运输。用于各种离子和一些糖类的运输。

40. 运输方向： • 同向运输(symport) • 逆向运输(antiport) • 单向运输(uniport)

41. 钠钾泵的主动运输 膜外 3 Mg2+ 膜内 2

42. 与促进扩散相比, 主动运输有何重要意义? • 最关键的是，微生物通过主动运输可以从各种环境中吸收到营养物质，从而对提高其环境的适应性，具有重要作用。

43. 4．基团移位 依靠烯醇式磷酸丙酮酸高能键基团的转运作用 基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输的不同之处在于它有一个复杂的运输系统(酶系统)来完成物质的运输。 其特点是：需要能量，需要载体，可以逆浓度运输，而且物质结构在运输过程中会发生化学变化。

44. 基团移位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于各种糖类的运输，脂肪酸、核苷酸、碱基等也可以通过这种方式运输。基团移位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于各种糖类的运输，脂肪酸、核苷酸、碱基等也可以通过这种方式运输。 转磷酸酶系 E-Ⅰ、E-Ⅱ 磷酸载体组蛋白

45. 5．呼吸作用转运 转运能量： D-乳酸盐脱氢氧化 过程。 • 电子传递体系中产生电子流，膜内外产生电位差，引起载体蛋白变构，推动物质从细胞外转运至细胞内。 转运蛋白： 膜上的乳酸脱氢酶 偶联部位： 乳酸脱氢酶与细胞 色素B1之间。 大肠杆菌依靠这种方式转运：а-半乳糖苷、半乳糖、 阿拉伯糖、葡萄糖醛酸、6-磷酸己糖、氨基酸、丙酮 酸、二羧酸、核苷酸等。

46. 四种运送营养方式的比较 比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团移位 特异载体蛋白 无 有 有 有 运送速度 慢 快 快 快 溶质运送方向 由浓至稀 由浓至稀 由稀至浓 由稀至浓 平衡时内外浓度 内外相等 内外相等 内部高 内部高 运送分子 无特异性 特异性 特异性 特异性 能量消耗 不需要 需要 需要 需要 运送前后溶质分子 不变 不变 不变 改变 载体饱和效应 无 有 有 有 与溶质类似物 无竞争性 有竞争性 有竞争性 有竞争性 运送抑制剂 无 有 有 有 运送对象举例 水、O2糖、SO42- 氨基酸、乳糖 葡萄糖\嘌呤

47. 第三节　微生物培养基 培养基: 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）。 需要六大营养要素（碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水）且比例适当。 任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理: 常用高压蒸汽灭菌： 1.05kg/cm2, 121.3℃, 15-20min； 0.56kg/cm2, 112.6℃, 15-30min; 培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础

48. 绝大多数微生物都可以在人工培养基上生长，除少数严格寄生或共生的微生物外。绝大多数微生物都可以在人工培养基上生长，除少数严格寄生或共生的微生物外。 微生物培养基的用途： 促进微生物生长繁殖；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。

49. 3 培养基的种类及其应用 培养基的种类 • 按所培养微生物的类群分类 • 按培养目的来分类 • 按培养基的组成成分分类 • 按培养基的物理状态分类 • 按培养基的功能（或用途）分类

50. 1. 根据微生物的类群划分： ①细菌培养基 ②放线菌培养基 ③酵母菌培养基 ④霉菌培养基等 细菌培养基——营养肉汤（nutrient broth)： 牛肉膏 3g； 水 1000ml； 蛋白胨 5g ； NaCl 5g ; pH 7.2~7.4 放线菌培养基——高氏1号（淀粉硝酸盐培养基）： 可溶性淀粉 20g； KNO3 1g; K2HPO4 1g MgSO4 0.5g NaCl 1g; FeSO4•7H2O 0.5g 水 1000ml; pH 7.2~7.4