第四章微生物营养(沈萍版)

微生物的营养教师：李懿总论微生物的营养是微生物生理学的重要研究领域，主要的研究领域是营养物质在微生物生命活动过程中的生理功能，及微生物细胞从外界摄取营养物质的机制。从生物学的观点来看，微生物活细胞是个完整的新陈代谢动力系统，它从环境不断地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现生长和繁殖，同时排出“废物”。

目录一.微生物细胞的化学组成二.微生物所需营养物质及其生理功能三.微生物的营养类型四.培养基五.营养物质的跨膜输送微生物细胞的化学组成1．微生物细胞的化学元素组成主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫（细胞干重97%）微量元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等2．影响微生物细胞化学组成的因素(1)微生物的种类：硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多的S、Fe、Cl和Na。(2)菌龄：幼龄菌中含氮量较高。(3)培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。

微生物细胞中几种主要元素的相对含量（干重%）

元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氢85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.23．物质组成及其分析(1)水。(2)有机物：主要有蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。(3)无机盐：参与有机物组成及单独存在于细胞原生质内的无机盐等物质。水——细胞鲜重的70%~90%

水是微生物及一切生物细胞中含量最多的成分。微生物细胞的含水量随种类和生长期而异。通常情况下，细菌含水量为细胞鲜重的75%～85%，酵母菌为70%～85%，丝状真菌为85%～90%，细菌芽孢和霉菌孢子的含水量约为40%。微生物所需营养物质及其生理功能Nutrient(营养物质)：凡能够满足机体生长、繁殖和完成种种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物。

Nutrition(营养)：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。微生物是杂食性的：一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。根据在机体中的生理作用不同，一般可以将微生物所需的营养物质分成六大类。1.Sourceofcarbon（碳源）2.SourceofNitrogen（氮源)3.Inorganicsalt（无机盐）4.Growthfactor（生长因子)5.Water（水分）6.Energysource（能源)Sourceofcarbon（碳源）凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。生理功能提供C元素提供能量（例外CO2）碳源物质有机碳化物无机碳化物微生物的碳源谱实验室配制微生物培养基常用碳源

葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉工业生产常用的碳源

淀粉、糖、麸皮、米糠等对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

微生物利用碳源具有选择性

糖类是多数微生物良好的碳源和能源不同微生物利用碳源的能力有差别SourceofNitrogen（氮源)凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素，只为少数细菌提供能量氮源的种类

无机氮、有机氮、气体氮微生物的氮源谱速效性氮源能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。迟效性氮源不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源生理酸性盐由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH下降的盐。如(NH4)2SO4

生理碱性盐由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基的pH上升的盐。如NaNO3Inorganicsalt（无机盐）大量（主要/宏量）元素macroelementsP、S、K、Na、Ca、Mg等需要量：10-3~10-4M微量元素microelementsFe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等需要量：10-6~10-8M生理功能参与细胞结构物质的组成；参与酶的组成及调节酶的活性；参与能量转移；调节并维持细胞渗透压的平衡；作为某些微生物的能源物质无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持(Na+等)酶的激活剂(Mg2+等)pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等)

无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)无机盐一般采用的浓度范围对一些产物有影响的微量元素Growthfactor（生长因子)生长因子是指微生物生长不可缺少的微量有机物质。种类

维生素、氨基酸、碱基需要量维生素：1—50ug/L

氨基酸：20—50ug/L

碱基：10—20ug/L

核苷或核苷酸：200—2000ug/L几种微生物的生长因子

菌种生长因子丙酮丁醇梭菌对氨基苯甲酸德氏乳杆菌酪氨酸、胸腺核苷干酪乳杆菌生物素、麻黄素粪链球菌叶酸、精氨酸肠膜明串珠菌吡哆醛金黄色葡萄球菌硫胺素向培养基中添加生长因子的措施直接添加

添加富含生长因子的物质酵母膏，玉米浆，肝浸汁，麦芽汁，牛肉膏，蛋白胨。玉米浆含的氨基酸Water（水分）生理作用：溶剂和运输介质参与一系列生化反应维持蛋白质和核酸等生物大分子构象稳定良好的导热体，调节细胞温度维持细胞的正常形态通过水合与脱水作用，控制多亚基细胞结构的组装与裂解。环境中水的存在状态结合水：与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水；游离水：可以被微生物所利用的水水活度wateractivityaw=p/p0（纯水aw为1）微生物生长要求：aw=0.63~0.99Energysource（能源)能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能能源谱化学物质：有机物无机物辐射能微生物的营养类型1、微生物营养类型的分类分类标准营养类型A、能源光能营养型phototroph化能营养型chemotrophB、氢供体无机营养型lithotroph有机营养型organotroph分类标准营养类型C、碳源自养型autotroph异养型heterotrophD、生长因子原养型(prototroph)/野生型(wildtype)营养缺陷型auxotrophE、合成氨基酸能力氨基酸自养型aminoacidautotroph氨基酸异养型aminoacidheterotrophF、取食方式渗透营养型osmotroph吞噬营养型phagotrophG、取得死或活有机物腐生saproghytism寄生parasitism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紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化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2、微生物的营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对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(purplenonsulphurbacteria)：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件变化的适应能力培养基培养基(medium，culturemedium)：是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的营养基质。选择和配制培养基的原则1、目的明确2、营养协调3、物理化学条件适宜4、原料来源的选择目的明确根据不同的微生物营养需求配制不同的培养基。首先思考，为了培养什么微生物？为了获得什么产物？实验的目的是什么？根据培养目标的不同，选择适合的营养和培养条件。营养协调注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比。

C/N比:微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。物理化学条件适宜pH水活度氧化还原电位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pH7.0~8.0放线菌：pH7.5~8.5酵母菌pH3.8~6.0霉菌：pH4.0~5.8范围内生长为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。维持培养基pH的方法使用磷酸缓冲剂：

K2HPO4/Na2HPO4,KH2PO4/NaH2PO4采用“备用碱”：CaCO3

、CaHCO3采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等采用液氨或盐酸水活度微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。溶液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡萄糖+20%甘油0.9551%葡萄糖+40%蔗糖0.964饱和氯化钠溶液0.78饱和氯化钙溶液0.30饱和氯化镁溶液0.30饱和氨化锂溶液0.11氧化还原电位氧化还原电位Eh（redoxpotential）：氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子的趋势。好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~+0.4V厌氧微生物：+0.1以下兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以下进行发酵氧化还原电位与通气量与PH有关，也受培养基组分和某些微生物代谢产物的影响。PH稳定的情况下，增加通气量，加入氧化剂，提高氧化还原电位；培养基中加入抗坏血酸等抗氧化剂则降低氧化还原电位。原料来源的选择

经济节约原则:以粗代精、以废代好、以简代繁原料来源要广泛原料要易处理，处理成本要低原料处理后，废物、废液、废气要少选择和配制培养基的方法四种方法生态模拟查阅文献精心设计实验比较培养基的类型与运用按成分不同划分按物理状态划分按用途划分按成分不同划分培养基依对培养基成分的了解：

天然培养基(complexmedium,undefinedmedium)，指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培养基，成分未知。如培养细菌所用的肉汤蛋白胨培养基，培养酵母菌的麦芽汁培养基等

优点：取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便一些营养物质的来源与成分组合培养基(definedmedium)，或称合成培养基

(syntheticmedium)

是一类用多种高纯化学试剂配制的、各成分（包含微量元素）的量都确切知道的培养基。如培养细菌所用的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的淀粉硝酸盐培养基（高氏一号）。缺点：较昂贵，一般用于研究工作（代谢、遗传分析）。优点：组份精确、重复性好。半合成培养基(Semi-definedmedium)按物理状态划分培养基按培养基外观的物理状态：固体、半固体、液体。液体培养基(liquidmedium)，培养基中没有凝固剂。用途：大量培养微生物，研究生理代谢等。半固体培养基(semi-solidmedium)，凝固剂含量一般约为0.5%,

用途：观察细菌的运动，测定噬菌体效价等。

固体培养基(solidmedium)，一般加有凝固剂，凝固剂含量一般为1～2％。作为凝固剂的条件：不被微生物分解利用，生长温度范围内保持固体状态，凝固点温度对微生物无害，不因灭菌而破坏，透明度好、配制方便、价格低。常用的为琼脂与明胶。由于固体培养基能提供表面，形成单菌落，因此可用于：菌种分离、鉴定、保藏等。培养基固化物琼脂与明胶的比较

化学成分营养价值分解性融化温度凝固温度常用浓度透明度粘着力耐加压灭菌琼脂聚半乳糖的硫酸酯无罕见～960C～400C1.5～2%高强强明胶蛋白质作氮源极易～250C～200C5～12%高强弱硅胶：是由无机的硅酸钠（Na2SiO3)补盐酸及硫酸中和时凝聚而成的胶体，它不含有有机物，适合配制分离与培养自养型微生物的培养基。固体培养基①凝固培养基（solidifiedmedium）：遇热可融化、冷却后则凝固的培养基。②非可逆性凝固培养基：当凝固后就不能再融化的固体培养基。③天然固体培养基：由天然固体物质直接制成的固体培养基。④滤膜（membranefilter）：是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维素薄膜。按用途划分培养基（1）基本培养基含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。（2）加富培养基enrichedmedium在基础培养基中加入了助长某类微生物的营养物质的培养基。一般为分离某种微生物而专门设计，或为培养一些营养