第5章微生物的营养

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1、第五章微生物的营养微生物的化学组成微生物的化学组成chemical element主要元素macroelement：碳、氢、氧、氮、磷、硫、碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等钾、镁、钙等微量元素trace element：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等占细菌细胞干重的占细菌细胞干重的97%营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。营养物质营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质生理活动所需要的

2、物质.营养营养:微生物获得和利用营养物质的过程。微生物获得和利用营养物质的过程。第一节微生物的营养物质及其功能微生物的六种营养(nutrition)要素碳源（carbon source）氮源（nitrogen source）生长因子（growth factor）无机盐（mineral salts）水（water）能源（energy source）营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。分成六大类。一、碳源一、碳源在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质碳源谱碳源谱有机

3、碳无机碳异养微生物自养微生物1、无机C源：CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用2、有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物 二、能源二、能源能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能物或辐射能能源谱能源谱化学物质辐射能化能异养微生物的能源有机物无机物化能自养微生物的能源光能自养和光能异养微生物的能源为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源,同时也作能源。氮源功能氮源功能三、氮源（nitrogen source）分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 无机态氮：硝酸盐

4、、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物 a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白 质、酵母膏做氮源 b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆 饼、葵花饼、花生饼等。氮源种类氮源种类微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对微量元素是指那些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，通常需要量在这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成大量元素：大量元素：N

5、a、K、Mg、Ca、S、P等。等。四、无机盐（四、无机盐（mineral saltsmineral salts）五、生长因子五、生长因子生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物长需要的有机化合物 生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇、胺类等。物、固醇、胺类等。六、水六、水 生理功能：生理功能：起到溶剂与运输介质的作用；起到溶剂与运输介质的作用；参与细胞内一

6、系列化学反参与细胞内一系列化学反 应；应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；象；通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构 热的良好导热的良好导 体；体；微生物可利用的水用水活度来表示（aw）aw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比 即 aw=P溶液/P纯水 微生物生长所需的水活度通常在0.630.99之间，细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。水活度的表示方法水活度的表示方法第二节微生物的营养类型可在完全无机的环境中生长，以

7、CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。H2OCO2(CH2O)O2 2H2SCO2(CH2O)H2O2S Na2S2O3+2 CO2H2O (CH2O)+Na2SO4+H2SO4 一一光能无机自养型（光能自养型）光能无机自养型（光能自养型）Properties of microbial photosynthetic systemsPropertycyanobacteriaGreen and purple bacteriaPurple nonsulfur bacteriaPhoto-pigmentChlorophyllBacteriochlor

8、ophyll菌绿素菌绿素BacteriochlorophyllO2 productionYesNoNoElectron donorsH2OH2,H2S,SH2,H2S,SCarbon sourceCO2CO2Organic/CO2Primary products of energy conversionATP+NADPHATPATP 这类微生物具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞物质的微生物，称光能异养微生物。光能异养微生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机废水，这对处理

9、污水、净化环境，很有发展前途。二二光能有机异养型（光能异养型）光能有机异养型（光能异养型）在完全无机的环境中生长发育，以无机化合物氧化为时释放的能量为能源，以CO2或碳盐为碳源，合成细胞物质的微生物叫化能自养微生物。这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。三三化能无机自养型（化能自养型）化能无机自养型（化能自养型）3.ChemoautotrophBacteriaElectron donorElectron acceptorProductsAlcaligens and Pseudomonas sp.H2O2H2ONitrobacter硝化细菌硝化细菌NO2

10、-O2NO3-,H2ONitrosomonas亚硝化亚硝化单胞菌单胞菌NH4+O2NO2-,H2ODesulfovibrio脱硫弧脱硫弧菌菌H2SO4 2-H2O.H2SThiobacillus 脱氮硫杆菌脱氮硫杆菌denitrificansS0.H2SNO3-SO4 2-,N2Thiobacillus 铁养化硫杆铁养化硫杆ferrooxidans菌菌Fe2+O2Fe3+,H2O 这类微生物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为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类。腐

11、生型：利用无生命的有机物获得营养物质。寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如 病毒。中间类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。四四化能有机异养型（化能异养型）化能有机异养型（化能异养型）不同营养类型之间的界限并非绝对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；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；其营养类型也会发生改变；例如紫色非硫细菌例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur

12、 bacteria)：没有有机物时，同化没有有机物时，同化CO2，为为自养型微生物自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物光能营养型微生物；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化能营养型微生物氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）氢单胞菌是异养和自养的过渡型（称兼性自养型）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微生物营养类型的可

13、变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力自养与异养的区别不再能否利用自养与异养的区别不再能否利用CO2，而在于是否以，而在于是否以CO2为唯一或主要碳源为唯一或主要碳源进行生长。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用进行生长。自养型以无机碳化物为碳源，异养型虽然也可利用CO2，但必须，但必须在有机碳存在情况下。在有机碳存在情况下。第三节物质进出微生物细胞第三节营养物质进入细胞的方式第三节营养物质进入细胞的方式营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电

14、负性等）电负性等）微生物所处的环境（温度、微生物所处的环境（温度、pH pH 等）；等）；微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。膜等）。根据物质运输过程的特点根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为可将物质的运输方式分为自由扩散自由扩散 simple diffusion simple diffusion 促进扩散促进扩散 facilitated diffusionfacilitated diffusion主动运输主动运输 active transportactive transport基团转位基团转位 group translocat

15、ion group translocation 1 1单纯扩散（自由扩散）单纯扩散（自由扩散）原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质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。行扩散。特特点点没有特异性，没有特异性，物质在扩散过程中没有发生物质在扩散过程中没有发生任何反应；任何反应；不消耗能量；不能逆浓度运输；不消耗能量；不能逆浓度运输；运输速率与膜内外物质的浓度差成正比运输速率与膜内外物质的浓度差成正比2 2促进扩散促进扩散特特点点不消耗能量不消耗能量参与运输的物质分子结构不发生变化参与运输

16、的物质分子结构不发生变化不能进行逆浓度运输不能进行逆浓度运输运输速率与膜内外物质浓度差成正比运输速率与膜内外物质浓度差成正比能加快物质运输的速度。能加快物质运输的速度。需要载体参与需要载体参与有很强的特异性有很强的特异性被运送的物质可逆浓被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内度梯度进入细胞内 要消耗能量，必需有要消耗能量，必需有能量参加。能量参加。有膜载体参加，膜载有膜载体参加，膜载体发生构型变化体发生构型变化 被运送物质不发生任被运送物质不发生任何变化。何变化。3、主动运输、主动运输 历史：历史：J.C.Skou 1957年发现离子通道蛋白，Na+,K+-ATP酶，酶，1997年获年获得诺贝尔化

17、学奖得诺贝尔化学奖 组成：组成：两个两个a亚基亚基 92000，两个，两个亚基亚基55000 工作机理：1.胞内和胞内和Na+结合，结合，2.结合后发生磷酸化，使构型发生变化，结合部位转向胞外结合后发生磷酸化，使构型发生变化，结合部位转向胞外 3.不利和不利和Na+结合，有利和结合，有利和K+结合，释放结合，释放Na+，结合，结合K+4.发生脱磷酸化，构想发生变化，结合部位转向胞内发生脱磷酸化，构想发生变化，结合部位转向胞内 5.利和利和Na+结合，不利和结合，不利和K+结合，释放结合，释放K+，结合，结合Na+，最后结果：三个：三个Na+排除细胞，两个排除细胞，两个K+输入细胞输入细胞 基团

18、转位(group translocation)是在研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输叫基团转位。许多糖就是靠基团转位进行运输的,脂肪酸、核苷、脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。碱基等也可以通过这种方式运输。这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物质的。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中.4 4基团转位基团转位PEPHPr HPr+丙酮酸 (在细胞质中进行)磷酸HPr糖 糖磷酸脂HPr （在细胞膜上进行）FCncnc-microMg+2 ,酶磷酸Mg+2,酶基团转位，基团转

19、位，大肠杆菌大肠杆菌PTSPTS運輸系統運輸系統图中显示两种图中显示两种PTSPTS，两种，两种酶酶(EI(EI和和EII)EII)和一个低分和一个低分子量热温度蛋白子量热温度蛋白(HPr)(HPr)組組成成Group Translocation ItemsPassive diffusionFacilitated diffusionActive transportGroup translocationcarrier proteins NonYesYesYestransport speedSlow Rapid Rapid Rapid against gradientNonNonYesYestra

20、nsport moleculesspecificity Specificity Specificity Specificity metabolic energy No needNo NeedNeedNeedSolutes moleculesNot changedNo ChangedNo ChangedChanged第四节培 养 基培养基培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。谢产物的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养

21、要素：任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理；常规高压蒸汽灭菌：常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟分钟一、制备培养基的基本原则一、制备培养基的基本原则目的明确目的明确营养协调营养协调理化条件适宜理化条件适宜经济节约经济节约1.有的放矢（目的明确）有的放矢（目的明确）根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。根据不同的微生物的营养要求配制针对

22、强的培养基。培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSOS 10g MgSO4 4.7H.7H2 2O 0.5g NHO 0.5g NH4 4)2 2SOSO4 4 0.4g FeSO 0.4g FeSO4 4 0.01g H0.01g H2 2POPO4 4 4g CaCl 4g CaCl2 2 0.25g H 0.25g H2 2O 1000mlO 1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g Mg

23、SO4.7H2O 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml2.营养协调营养协调培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。对微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，

24、其中碳氮比（的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的）的影响较大。影响较大。碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如，利用微生物发酵生产谷氨酸的过程：培养基碳氮比为例如，利用微生物发酵生产谷氨酸的过程：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。时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。3.条件适宜条件适宜pH渗透压及其他条件（渗透压

25、及其他条件（氧气、氧气、CO2的浓度）为了维持培养基为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入的相对恒定，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。缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。4.经济节约经济节约以粗代精以粗代精以野代家以野代家以废代好以废代好以国代进以国代进以简代繁以简代繁以氮代朊以氮代朊以烃代粮以烃代粮以纤代糖以纤代糖二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用（一）根据所培养微生物的类群 与营养类型区分常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏牛肉膏 3g 3g 蛋白胨蛋白胨

26、 10g NaCl 5g H10g NaCl 5g H2 2O 1000mlO 1000ml放线菌（高氏放线菌（高氏1 1号）号）淀粉淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000mlKNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml酵母菌酵母菌(麦芽汁培养基麦芽汁培养基)干麦芽粉加四倍水，在干麦芽粉加四倍水，在50-6050-60保温糖化保温糖化3-43-4小时，用碘液试验检查至小时，用碘液试验检查至

27、糖化完全为止，调整糖液浓度为糖化完全为止，调整糖液浓度为1010。巴林，煮沸后，沙布过滤，调。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PHPH为为6.06.0。霉菌（查氏合成培养基）霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖蔗糖 30g H2O 1000ml30g H2O 1000ml按成分不同划按成分不同划分分天然培养基天然培养基合成培养基合成培养基含用化学成分还不清楚或化学含用化学成分还不清楚或化学成分

28、不恒定的天然有机物成分不恒定的天然有机物牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基培养基化学成分完全了解的物质配制化学成分完全了解的物质配制而成的培养基而成的培养基高氏高氏1 1号培养基、查氏培养基号培养基、查氏培养基（二）根据对培养基成分的了解程度区分（二）根据对培养基成分的了解程度区分半合成培养基半合成培养基纯化学试剂和天然物质配制而纯化学试剂和天然物质配制而成的培养基成的培养基按物理状态不同划按物理状态不同划分分固体培养基固体培养基液体培养基液体培养基在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为成为固体状态，琼脂含量

29、一般为1.5%-2.0%1.5%-2.0%琼脂含量一般为琼脂含量一般为0.2%-0.7%不加任何不加任何凝固剂凝固剂半固体培养基半固体培养基固体培养基常用来进行微生物的分离、固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏鉴定、活菌计数及菌种保藏 观察微生物的运动特征、分类鉴定及观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定噬菌体效价滴定 大规模工业生产及在实验室进行微生大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究物的基础理论和应用方面的研究 按用途不同划按用途不同划分分基础培养基基础培养基鉴别培养基鉴别培养基含有一般微生物生长繁殖所含有一般微生物生长繁殖所需的基本营

30、养物质的培养基需的基本营养物质的培养基用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基在培养基中加入相应体中分离出来的培养基在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长微生物的生长，有利于所需微生物的生长用于鉴别不同类型微生物的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基选择培养基选择培养基在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基一类营养丰富的培养基 特殊营养物质包括血特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植

31、物组织液等液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等微生物产生某种代谢产物，与培养基中的微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化明显的特征变化牛肉膏蛋白胨培养基是最常牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基用的基础培养基加富培养基加富培养基 根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基 其功能是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。纤维分解菌 含石蜡的培养基 用蛋白质做唯一的氮源的培养基 缺氮培养基可分离到固氮微生物1选择性培养基（selected medium）2鉴别性培养基（

32、differential medium）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，从而用肉眼就能使该菌菌落与外形相似的它种菌落相区分的培养基 检查乳品和饮用水中是否含有肠道致病菌，所用的伊红美兰培养基，也是一种鉴别培养基。将大肠杆菌接种在伊红美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，呈紫黑色并带金属光泽的小菌落，而产气杆菌在这种培养基上长出的是较大的棕色菌落。保藏菌种培养基对于生产中使用的菌种保藏培养基，要求比较丰富的氮源，以防止菌种退化变质。另外，病毒与立克氏体，衣原体等 活细胞专性寄生微生物，常用鸡 胚培养法和动物培养法进行培养。