第四章 微生物的营养和培养基

1、第四章微生物的营养和培养基,营养 (nutrition)：生物体从外部环境吸收生命活动所必需的物质和能量，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能 营养物质(nutrient)：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质,内容,第一节 微生物的六种营养要素 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 一、选用和设计培养基的原则和方法 二、培养基的种类,碳源 氮源 能源 生长因子 无机盐 水,微生物的六种营养要素,碳源(carbon source),定义：凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中碳素来源的营养物质 碳源谱 功能 C素构成细胞及代谢

2、产物的骨架 C素是大多数微生物代谢所需的能量来源 种类 自养微生物：利用无机碳源，如CO2、碳酸盐 异养微生物：利用有机碳源，如葡萄糖、淀粉等,微生物的碳源谱,碳源特点 最适碳源 C-H-O 最适碳源 糖 醇 有机酸 脂类 最适糖类 单糖 双糖 多糖 最适单糖 已糖 戊糖 最适多糖 淀粉 纤维素 几丁质,碳源(carbon source),氮源(nitrogen source),定义：凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质 氮源谱 功能 提供合成细胞物质和代谢产物中的氮素来源，一般不作为能量提供 少数微生物能同时利用铵盐和硝酸盐为氮源与能源 氮源特点 最适氮源 NHCO NH N

3、O N2 速效氮源：以蛋白质降解产物存在的氮源 迟效氮源：以蛋白质形式存在的氮源,微生物的氮源谱,能源(energy source),定义：就是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 异养微生物的能源就是其碳源 单功能营养物：光能 双功能营养物：无机物NH4+是硝酸细菌的能源和氮源 三功能营养物：氨基酸是异养微生物的能源、碳源及氮源,微生物生长所必需而且需要量很小，但不能用简单的碳源或氮源自行合成或合成量不足以满足自身生长，需要外源提供的有机物 广义生长因子 维生素、卟啉、碱基、氨基酸、嘌呤、嘧啶及其衍生物、C4C6脂肪酸、营养缺陷型氨基酸 狭义生长因子 维生素 功能 构成细胞的

4、组成成分 调节代谢，维持生命的正常活动,生长因子（growth factors）,生长因子来源 酵母膏、玉米浆、肝浸出液、麦芽汁、新鲜动植物组织 生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌，细菌 生长因子异养型微生物：乳酸菌、动物致病菌等 生长因子过量合成型微生物：维生素生产菌种 配制培养基时，用天然物质作原料以保证微生物对它们的需要,生长因子（growth factors）,为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素 按所需浓度的不同，可分为大量元素 (10-3-10-4mol/L, 如P, S, K, Mg, Na, Fe)和微量元素(10-6-10-8mol/L, 如Cu, Zn, Mn, M

5、o, Co),无机盐（inorganic ions）,功能： 酶活性中心的组成部分 构成细胞组成成分 调节微生物生长的物化条件，如调节渗透压、 控制氧化还原电位 作为某些自养微生物的能源,无机盐（inorganic ions）,不是真正的营养物,但在代谢活动中必不可少，含水约占细胞鲜重的7090 微生物所能利用的是游离水 功能： 1）溶剂和运输介质，营养物质吸收及代谢物分泌 2）参与细胞内的生化反应 3）维持蛋白质、核酸稳定天然构象 4）热的良好导体，控制细胞内温度变化 5）维持细胞自身正常形态 6）控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离,水(water),营养物质及其生理功能总结,内容,第

6、一节 微生物的六种营养要素 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 一、选用和设计培养基的原则和方法 二、培养基的种类,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而划分的微生物类型,微生物常见的营养类型,能够利用光能并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物,念珠蓝细菌,基本特点：,能以CO2为唯一或主要碳源 有光合色素（叶绿素、细菌叶绿素），能进行光合作用获取生长所需的能量 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,光能自养型（光能无机营养型）,实例：,光能自养型（光能无机营养型）,蓝细菌和藻类等

7、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,绿硫细菌等以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生,利用光能并以有机化合物作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物,紫色非硫细菌,基本特点：,不能以CO2为主要或唯一的碳源，以简单的有机物（有机酸、醇）作为主要碳源 以有机物作为供氢体，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,光能异养型 (光能有机营养型）,光能异养型微生物在C源利用上的特殊性： 以简单的有机物（有机酸、醇）作为主要碳源 能利用CO2，但它不是唯一碳源,典型实例：,光能异养型 (光能有机营养型）,红螺菌属中的一些细菌能利

8、用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮,利用无机化合物氧化时释放的能量作为能源，利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长的一类微生物,产甲烷细菌,典型实例：硫化细菌、硝化细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)、产甲烷菌、铁细菌,化能自养型 (化能无机营养型）,基本特点： 能量来源：无机物氧化过程中放出的化学能 CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源 利用H2S、NO2-、H2、Fe2+、NH3等作为电子供体使CO2还原成细胞物质,以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微生物,苏云金杆菌,化能异养型（化能有机营养型）,基本特点： 生长所需能量均来自有机物氧化

9、过程中放出的化学能 生长所需碳源主要是有机化合物，如淀粉、糖类、有机酸等 电子供体也是有机化合物,有机物通常既是碳源，也是能源-双功能营养物,化能异养型微生物的分类: (生活场所、获取养料方式), 腐生菌：利用无生命的有机物作为碳源，如蘑菇，木耳 寄生菌：只能在活寄主体内吸收营养物生活，离开寄主就不能生存，蛭弧菌 兼性寄生菌：既营寄生又营腐生生活的，以腐生为主 兼性腐生菌：以寄生为主，兼性腐生,化能异养型（化能有机营养型）,1、微生物营养类型划分的依据是什么？ 碳源 能源 供氢体 2、微生物营养划分的相对性 同一微生物在不同培养条件下生长时，它们的营养型可能发生变化,微生物 提供的环境条件 能

10、源利用情况 营养型 氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量， 自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活 红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 化能异养,微生物营养类型小结,内容,第一节 微生物的六种营养要素 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(重点) 第四节 培养基 一、选用和设计培养基的原则和方法 二、培养基的种类,营养物质进入细胞的方式,营养物质进入细胞的方式,被动运输（Passive transport） 疏水性双分子层细胞膜（包括孔蛋白）在无载体蛋白参与下单纯依靠物理扩散方式让许多小分子

11、、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的物质运输方式 特点： 物理扩散顺浓度梯度进行物质输送，非特异性 通过膜上含水小孔或脂双分子层进入 输送物质：水、O2、CO2、乙醇和某些氨基酸分子,单纯扩散 simple diffusion,单纯扩散 由高到低，纯物理过程 不耗能 无载体,被运输物质本身的分子结构不发生变化,脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小 非极性分子比极性容易透过，小分子比大分子容易透过。具有极性的水分子容易透过是因水分子小，可通过由膜脂运动而产生的间隙。 非极性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透过脂双层 不带电荷的极性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透过人工脂双层，尽管速

12、度较慢 分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过 而膜对带电荷的物质如：H+、Na+、K+、Cl、HCO3是高度不通透的,细胞外,细胞内,小分子物质,细胞膜,亲水分子和疏水分子进出细胞膜情况： 亲水难以进入，疏水易进入,物质与载体亲和力在细胞内外不同，使该物质与载体可逆结合与分离，达到物质运输目的 运输的物质极性大的分子 如：氨基酸、单糖、维生素、无机盐 运输机制 被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力 载体的专一性高 顺浓度梯度 被运输物质本身的分子结构不发生变化,促进扩散 facilitated diffusion(也称协助扩散),促进扩散模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,

13、移位,再循环,结合,构象改变,溶质,载体,细胞外,细胞内,细胞膜,载体蛋白,主动运送的特点： 被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内 要消耗能量，必需有能量参加 有膜载体蛋白参加，膜载体蛋白发生构象变化 被运送物质结构不发生任何变化 输送物质：氨基酸、某些糖、Na+、K+ 等 输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的 结合力 主动运送所需的能量来源主要有： 好氧和兼性厌氧微生物直接利用呼吸能 厌氧微生物利用化学能（ATP） 光合菌利用光能，嗜盐菌通过紫膜利用光能,主动运送 active transport,主动运送模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,溶质,载

14、体,能量,既需要特异性载体蛋白的参与，又需要耗能的一种物质运输方式 特点： 被运输的分子在膜内经历了共价的改变，以被修饰的形式（磷酸化）进入细胞质(发生了结构的变化) 需能量和特异性载体 输送动力：代谢能量, PEP上的高能磷酸键 输送方向：逆浓度梯度 载体蛋白：磷酸转移酶系统 输送物质：葡萄糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖、核苷酸、脂肪等。,基团移位 group translocation,基团移位模式图,在酶的作用下HPr被激活,在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖,基团移位过程,PEP将高能磷酸键转移给HPr ，过程由酶催化 带有高能磷酸键的HPr将高能磷酸键转给酶a，再由酶a转给酶b

15、 细胞膜外糖分子(如葡萄糖)与酶c结合，接受酶b转移过来的高能磷酸键，糖分子被磷酸化，酶c将磷酸化的糖分子释放到细胞膜内,四种方式比较,内容,第一节 微生物的六种营养要素 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 一、选用和设计培养基的原则和方法 二、培养基的种类,培养基（medium）：人工配制的，适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的混合营养基质,培养基的作用： 为微生物提供理想的人工培养环境，以进行微生物生命活动规律的研究和微生物生物制品的生产,培养基,任何培养基都应具备微生物生长所需要的六大营养要素，而且营养要素之间的比例要恰当 用途：促使微生物生长；积累代

16、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 注意：制作培养基时，应尽快配制并立即灭菌，否则就杂菌丛生，并破坏其固有的成分和性质,培养基,原则 目的明确 营养协调 理化适宜 经济节约,培养基配制的原则和方法,方法 生态模拟 查阅文献 精心设计 试验比较,目的明确,何菌？,自养菌：不需要有机碳 异养菌：供给有机碳 细菌：牛肉膏蛋白胨培养基 放线菌：高氏一号合成培养基 酵母菌：麦芽汁培养基 霉菌：查氏合成培养基,培养目的不同，原料的选择和配比不同： 枯草芽孢杆菌 一般培养：肉汤培养基 自然转化：基础培养基 观察芽孢：生孢子培养基 产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主

17、的产酶培养基,细菌培养基营养肉汤（nutrient broth)： 牛肉膏 3g； 水 1000ml； 蛋白胨 5g ； pH 7.27.4 放线菌培养基高氏1号： 可溶性淀粉 20g； KNO3 1g; K2HPO4 1g; MgSO4 0.5g; NaCl 1g; FeSO47H2O 0.5g； 水 1000ml; pH 7.27.4 霉菌培养基察/查氏（zapek)培养基： 蔗糖 30g; KCl 0.5g; MgSO4.H2O 0.5g; FeSO4 0.5g; K2HPO4 1g; NaNO3 3g; 水 1000ml; pH 6.7 酵母菌培养基麦芽汁培养基,营养协调,各营养元素之

18、间的比例要协调 H2O C N P、S K、Mg 生长因子 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6,浓度过高黏度增加、溶解度降低不利于微生物生长 浓度过低不能满足微生物生长的需要,C/N比率：在微生物的培养基中所含的碳源中碳原子摩尔数与氮原子摩尔数之比,营养协调,不同的微生物，所需营养物C/N不同 细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌、放线菌=10:1,同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同 短棒杆菌的谷氨酸发酵培养基C/N=4:1，菌体繁殖，谷氨酸积累少 C/N=3:1，谷氨酸形成，菌体生长受抑制,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，

19、故常作为考察培养基组成时的一个重要指标,(1)控制pH值 细菌： 7.07.5 放线菌： 7.07.5 霉菌： 4.05.8 酵母菌： 4.05.8,理化适宜,培养基pH值调节方式,缓冲液 内源性 备用碱 : CaCO3 外加调节：直接加酸、碱(工业适用),KH2PO4 K2HPO4,等克分子量，pH值为6.8,(2)渗透压和水活度,各种微生物对培养基的氧化还原电位的要求： 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 调节O2和CO2浓度 好氧菌：空气、通气 厌氧菌：加入还原剂等

20、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,理化适宜-(3)控制氧化还原电位 (redox poyential),经济节约,配置培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分，特别是在发酵工业中，可以大大降低生产成本,按培养基成分分 按培养基的用途分 按物理性状分,培养基的类型及其应用,培养基类型,天然培养基 组合培养基 半组合培养基,鉴别培养基 选择培养基,固体培养基 液体培养基 半固体培养基 脱水培养基,按照培养基成分（来源）分,天然培养基 一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培养基，人们无法确切知道其中的成分，如牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽

21、汁培养基,组合培养基(又称合成培养基或综合培养基) 用多种高纯化学试剂配制成的，各成分（包括微量元素）的量都确切知道的培养基，如葡萄糖铵盐培养基、淀粉硝酸盐培养基（即高氏一号培养基）、蔗糖硝酸盐培养基（即察氏培养基）,按照培养基成分（来源）分,按照培养基成分（来源）分,半组合培养基 既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基即称半组合培养基，如培养真菌用的马铃薯蔗糖培养基等,固体培养基 半固体培养基 液体培养基 脱水培养基,加凝固剂：明胶、硅胶、琼脂1.52% 天然固体：米糠、木屑、马铃薯块 滤膜：微孔醋酸纤维薄膜,凝固剂为0.5%左右,无凝固剂,无营养、无分解能力，融点96，凝点40,按照培养基

22、的物理性状分,含除水外的一切成分,培养基工业的发展方向,根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，以抑制不需要的微生物的生长，促进所需要的微生物的生长 两类（投其所好，取其所抗） 添加某种特定成分为培养基主要或唯一的营养物 如：以纤维素为唯一碳源分离分解纤维素的菌 加某种化学物质，抑制其他微生物生长的类型 如：加10酚抑制细菌、霉菌，分离放线菌；加结晶紫抑制G+，分离G菌；基因工程菌利用此特点，抗生素抗性筛选重组菌,按培养基的功能来分-选择性培养基,添加某种特定成分为培养基主要或唯一的营养物，以分离能利用该种营养物的微生物 特殊的营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等，用来培养营养要求比较苛刻的异养型