清华大学微生物学 微生物营养

第一节 微生物的6类营养要素第二节 微生物的营养类型第三节 营养物质进入细胞的方式第四节 培养基第四章微生物的营养和培养基营养：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基本生理功能。营养物：具有营养功能的物质，在微生物学中，包括光能。配制合适的培养基微生物与动植物营养要素的比较第一节微生物的6类营养要素碳源功能：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一、碳源（Carbonsource）◆定义：一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物。大量营养物表4-1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C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等二、氮源（Nitrogensource

）定义：一切能满足微生物生长繁殖所需氮元素的营养物。功能：

1）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4-2微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气实验室常用的氮源有碳酸铵、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。

氨基酸自养型生物：能够利用无机氮源合成所需氨基酸。氨基酸异养型生物：意义：二、氮源（Nitrogensource

）（三）能源（energysource）定义：能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能能源谱化学物质（化能营养型）辐射能（光能营养型）：光能自养和光能异养微生物有机物：化能异养微生物（同碳源）无机物：化能自养微生物（不同碳源）四、生长因子（growthfactor）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。狭义：维生素广义：根据微生物与生长因子的关系，可分为3种类型：（1）生长因子自养型微生物(auxoautotrophs)

不需要从外界吸收生长因子，就能在基础培养基上生长的菌株（2）生长因子异养型微生物(auxoheterotrophs)

需要从外界吸收生长因子才能正常生长的微生物（3）生长因子过量合成的微生物

合成并大量分泌生长因子，可用于生产(P90)四、生长因子（growthfactor）配制培养基时？酵母膏，玉米浆，麦芽汁等五、无机盐（inorganicsalt）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。

大量元素：P、S、K、Mg、Na、Fe

（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）无机盐生理功能酶的激活剂（Mg2+等）大量元素微量元素一般功能特殊功能特殊分子结构成分（Co、Mo等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）化能自养菌的能源（S0、Fe2+、NH4+等）无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg等）生理调节物质维持渗透压（Na+等）pH的稳定五、无机盐（inorganicsalt）配制培养基时，首选？K2HPO4

和MgSO4

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）。只有蓝细菌等少数微生物可利用水来还原CO2合成糖六、水（water）第二节微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同，划分的微生物类型表4-4微生物的营养类型营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2蓝细菌、紫/绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺菌科的细菌（紫色无硫细菌）化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝/硫/铁化细菌、氢细菌、硫磺细菌化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物异养型微生物并非绝对不能利用CO2；如：肠道内一些致病菌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(purplenonsulphur

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；营养类型的可变性有利于提高其对环境条件变化的适应能力第三节 营养物质进入细胞的方式单纯扩散（simplediffusion）促进扩散（facilitateddiffusion）主动运输（activetransport)基团移位（grouptranslocation)一、单纯扩散

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，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散。特点①物质在扩散过程中没有发生任何反应②不消耗能量；不能逆浓度运输③运输速率与膜内外物质的浓度差成正比二、促进扩散特点①不消耗能量②参与运输的物质本身的分子结构不发生变化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需要载体参与三、主动运输它的一个重要特点是物质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。

基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。四、基团移位比较项目单纯扩散 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\嘌呤表4-5四种运输营养物质方式的比较第四节 培养基定义：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六大营养要素，且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。第四节 培养基用途：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。第四节 培养基一、选用和设计培养的原则和方法二、培养基的种类第四节培养基一、选用和设计培养基的原则和方法目的明确营养协调理化适宜经济节约1.目的明确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。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。1.目的明确异养型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。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。用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高；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）；1.目的明确生产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大规模发酵用的培养基，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1.目的明确1.目的明确按微生物的主要类类群来说，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2.营养协调●要素：水>C+能源〉N源〉P、S>K、Mg>生长因子含量：10-110-210-310-410-510-6●一、选用和设计培养的原则和方法2.营养协调●浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过小——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；2.营养协调碳源中的碳原子的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真菌：碳氮比（C/N）较高细菌：碳氮比（C/N）较低2.营养协调例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。3.理化条件适宜pH水活度氧化还原电位3.理化适宜（1）pH

各类微生物的最适生长pH值各不相同：

细菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5

酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.83.理化适宜（1）pH

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值会发生改变怎么维持培养基pH值的相对恒定？3.理化适宜（1）pH维持培养基pH值的相对恒定，常采用下列两种方式：外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液内源调节：在培养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。（磷酸缓冲液、碳酸钙）3.理化适宜（1）内源调节：磷酸缓冲液碳酸钙（溶解度较低）（2）渗透压和aw渗透压：两种不同浓度的溶液间，若被一个半透性薄膜隔开时，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。

3.理化条件适宜（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Staphylococcusaureus则能在3mol/LNaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境（2.8~6.2/LNaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。◆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（wateractivity,w）表示。w表示天然或人为环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。◆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0.60~0.99的环境条件均有微生物生长繁殖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。αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。生长最低w细菌酵母菌霉菌一般：0.90~0.98嗜盐菌：0.75一般：0.87~0.91高渗酵母：0.61~0.65鲁氏酵母：0.60一般：0.80~0.87耐旱菌：0.65~0.75双孢旱菌：0.60（3）氧化还原电势／位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一种指标。测定方法：电位计（3）氧化还原电势／位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兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长厌氧菌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。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（二）设计培养基的

4种方法生态模拟参阅文献精心设计试验比较（二）设计培养基的

4种方法1.生态模拟在自然条件下，有某种微生物大量生长繁殖的环境，一定存在该微生物所必要的营养和其它条件。如果直接取用这类自然基质（经过灭菌）或模拟这类自然条件，就可获得一个“初级的”天然培养基。如：肉糖、果汁、麸皮、米糠、大米等（二）设计培养基的

4种方法4.实验比较：

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不同培养基配方的选择比较

小型试验放大到大型生产条件的比较pH和温度试验参阅文献精心设计二、培养基的种类（一）按对培养基成分的了解作分类（三）按培养基对微生物的功能作分类（二）按培养基外观的物理状态作分类（一）按对培养基成分的了解作分类1.天然培养基2.组合培养基3.半组合培养基（一）按对培养基成分的了解作分类1.天然培养基优点：营养丰富、种类多样、配制方便、价格低廉缺点：成分不清楚、不稳定适用：实验室一般研究、工业生产（一）按对培养基成分的了解作分类2.组合培养基优点：成份精确、重演性高缺点：价格昂贵、配制麻烦、微生物生长一般适用：对定量要求较高的工作

3.半组合培养基（二）按培养基外观的物理状态作分类

1.液体培养基

2.固体培养基

3.半固体培养基

4.脱水培养基（二）按培养基外观的物理状态作分类

1.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。2.固体培养基

（1）固化培养基液体培养基中加入琼脂等凝固剂（2）非可逆性固化培养基凝固后不能再重新融化的培养基（3）天然固态基质大米、麸皮、米糠、麦粒等（4）滤膜带有无数微孔的醋酸纤维素膜主要用途：含菌量少的液体中微生物的富集培养如：血清培养基无机硅胶培养基2.固体培养基------------用途：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、获得真菌孢子、大规模生产等（二）按培养基外观的物理状态作分类3.半固体培养基一般在液体培养基中加入约0.5%的琼脂制成用途：细菌的动力观察，趋化性研究，厌氧菌的培养、分离和计数，细菌和酵母菌的菌种保藏，噬菌体的效价测定等（二）按培养基外观的物理状态作分类脱水（商品）培养基／预制干燥培养基使用时，只需加水灭菌即