1、,第二章,微生物的营养,第一节，微生物的营养要求,（微生物们需要吃什么？）,（微生物们是怎样吃东西的）,（如何给微生物们做饭）,第 二节，营养物质进入细胞,第三节，培养基,本章内容,第一节 微生物需要的营养物质,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水：70%-90%,干物质,有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等 及其降解产物,无机物（盐）,微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,细胞化学元素组成：,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等； 微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,二.微生物的营养物质及其功能,2.碳源(source of carbon),
2、3. 氮源(source of nitrogen),4. 能源(energy source),有机物：化能异养微生物的能源(同源)化学物质：能源 无机物：化能自养微生物(不同于碳源)辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源,化能自养微生物的能源是还原态的无机物质，如NH4+、NO2、S、H2S、H2、Fe2+等，,5. 无机盐(inorganic salt),5. 无机盐(inorganic salt),6. 生长因子(growth factor),第二节 微生物的营养类型,异养型生物,自养型生物,生长所需要的营养物质,生物生长过程中能量的来源,光能营养型,化能营养型,光能自养型：以光为能源，不
3、依赖任何有机物即可正常生长 光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养 化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物 化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质,二、微生物的营养类型,微生物营养类型(),二、微生物的营养类型,微生物的营养类型(),一、无机自养型微生物,无机自养型微生物具有高度的合成能力，能在完全是无机物的环境中生长繁殖。它们具有完整的酶系统，能以CO2或碳酸盐为碳源。需外界供应能量来实现。可分为光能无机自养型和化能无机自养型,1光能无机自养型（光能自养型）,能以CO2为主要唯一或主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如H2、
4、H2S、S等作为供氢体或电子供体， 使CO2还原为细胞物质；,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，以H2S为 电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,CO2+ 2H2S,光能,光合色素, CH2O + 2S+ H2O,2. 化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,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
5、壤及水环境中,参与地球物质循环；,铁细菌 能通过铁的氧化获得能量, 将亚铁离子氧化成高铁离子，放出能量。 例如氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)具有将硫或硫代硫酸盐氧化生成硫酸和将亚铁氧化成高铁的能力。它们常存在于含铁量高的酸性水中。氧化黄铁矿的化学过程是： 2FeS2 + 7O2 + 2H2O2FeSO4 + 2H2SO2 2FeSO4+H2SO4+1/2O2 Fe2(SO4)3 + H2O 生成的Fe2(SO4)3是强氧化剂和溶剂，可以溶解铜矿(CuS)，目前已用于尾矿或低品矿藏中铜等金属元素的浸出。,三、微生物的营养类型,光能无机自养型和光能有机异养型微
6、生物可利用光能生长， 在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。,二、有机异养型微生物,有机异养型微生物需要提供含碳有机物作为碳源才能生存的微生物。 根据微生物需要的能源不同，又可将之分为光能有机异养型和化能有机异养型两大类。,1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。,CHOH + CO2,H3C,H3C,2,光能,光合色素,2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O,光能无机自养与光能
7、有机异养型主要区别,在于氢供体和电子供体的来源不同 前者可单独利用CO2作为唯一碳源或主要碳源，并以无机物作为氢供体，使CO2还原成细胞物质； 而后者虽然能利用CO2，但必须在低分子有机物同时存在时才能迅速生长繁殖，并以简单有机物作为氢供体，使CO2还原成细胞物质。,2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；,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。,有机物通常既是碳源也是能源；,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；,2化能有机异养型（化能异养型）,腐生型(meta
8、trophy)：,可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；,寄生型(paratrophy)：,寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(facultive metatrophy)；兼性寄生型(facultive paratrophy)；,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(purple nonsulphur bacteria)： 没有有机物时，同化CO2， 为自养型
9、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,膜对跨膜运输的营养物质具有选择性: 一般只直接吸收水溶性和脂溶性的小分子物质， 大分子的营养物质，如多糖、蛋白质、核酸、脂肪等，必须经相应的胞外酶水解成小分子物质，才能被微生物细胞吸收。 微生物对营养物质的吸收主要有单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转位4种方式。,第三节 微生物对营养物质的吸收方式,一、单纯扩散(diffusion),第三节 微
10、生物对营养物质的吸收方式,一、单纯扩散(diffusion),物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的 物质易通过扩散进出细胞。,扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,水是唯一可以通过扩散 自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、 CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。,二、促进扩散(facilitated diffusion),被动的物质跨膜运输方式 物质运输过程中不消耗能量 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化 不能进行逆浓度运输 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助与
11、载体(carrier) 的作用才能进入细胞(图4-1)，而且每种载体只运输相应的 物质，具有较高的专一性。,图2-2 促进扩散示意图,图2-1 单纯扩散示意图,三、主动运输(active transport),在物质运输过程中需要消耗能量可以进行逆浓度运输,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,运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能； 厌氧型微生物利用化学能(ATP)； 光合微生物利用光能； 嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能；,三、主动运输(active transport),1、初级主动运输(primary active t
12、ransport),三、主动运输(active transport),Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统,图2-3 主动运输示意图,三、主动运输,利用微生物细胞对糖类(乳糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、蜜二糖等)、氨基酸(丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸等)、核苷、乳酸和葡萄糖醛酸，以及某些阴离子(PO43-、SO42-)和阳离子(Na+ 、K+)等都是通过主动运输吸收,四、基团转位,需特异性载体蛋白的参与；需耗能的一种物质运输方式；其特点是有一个复杂的运输系统来完成物质的运输；溶质分子在运输前后发生化学变化，因此不同于一般的主动运输。,基团转位运输糖和糖的衍生物(如乳糖、葡萄糖、甘
13、露糖、果糖、麦芽糖、N-乙酰葡萄糖胺)、丁酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶等。主要存在于厌氧和兼性厌氧的大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和乳酸杆菌等细菌中。,磷酸烯醇式丙酮酸磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统。 PTS一般由4种不同的蛋白质组成：酶、酶、 酶(又称因子)和HPr。,图2-4 磷酸转移酶系统输送糖的示意图,四. 基团转位(group translocation),基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖 的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。,有一个复杂的运输系统来完成物质的运输；物质在运输过程中发生化学变化；,五. 膜泡运输(member
14、ane vesicle transport),膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)， 为这类微生物的一种营养物质的运输方式)。,第四节 培养基,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（medium）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。,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,任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理（参见P85）；,常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟 某些成分进行分别灭菌； 过滤除菌；,
15、一、选用和设计培养基的原则和方法,1.根据培养目的需要选择适宜的营养物质 2.注意营养物质的浓度与配比要合适 3.控制培养基的条件 4. 原料来源的选择力求节约 5.灭菌处理,在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是 一项最基本的要求。,1、选择适宜的营养物质,培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；,例如枯草芽孢杆菌：一般培养：肉汤培养基或LB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、黄豆饼粉为主的产酶培养基；,一、配制培养基的原则,一、配制培养基的原则,2、营养物质浓度及配比合适,营养物质的浓度适宜；营养物质之
16、间的配比适宜；,高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能 维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长 繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。,发酵生产谷氨酸时：碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少； 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。,谷氨酸产生菌发酵生产谷氨酸： 培养基C/N为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累量较少； 当C/N比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸大量积累。 通常菌体的数量与代谢产物的积累量成正比。为了获得较多的代谢产物，必须先培养大量的菌体。,3.
17、 控制培养基的条件,pH； 氧化还原电位 渗透压；,一、配制培养基的原则,3. 控制培养基的条件,(1) 控制培养基的pH值 pH改变的可能有如下情况,(1)磷酸盐类：K2HPO4和KH2PO4是常用的缓冲剂。只能在一定范围(pH6.07.6)内起调节作用。 K2HPO4溶液呈碱性，KH2PO4溶液呈酸性，它们的等摩尔溶液的pH值为6.8。 如果微生物代谢活动产生酸性物质使培养基的酸度增加，则弱碱盐变为弱酸盐。 K2HPO4HKH2PO4K 如果培养基的碱性增强，则弱酸盐变为弱碱盐： KH2PO4KOHK2HPO4H2O,(2)碳酸钙：当微生物生长产酸使培养基的pH值下降时，CaCO3不断解离
18、，游离出CO32-，CO32-不稳定，与H+形成H2CO3，最后释放出CO2，在一定范围内缓解了培养基pH的降低。若微生物(如乳酸菌)产生大量的乳酸，可在培养基中加入1%5%的CaCO3中和. 此外，氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质，也有缓冲剂的作用。因此在实验室中常用蛋白胨、牛肉膏、氨基酸为天然缓冲系统配制培养基。,2. 氧化还原电位,氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响,增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入 氧化剂，从而增加值；在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸 (0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原
19、性物质可降低值。,培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定,2. 氧化还原电位,氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响,3. 调节渗透压,配制培养基时要掌握营养物质的浓度。常在培养基中加入适量的NaCl以提高渗透压。,4. 原料来源的选择力求节约,特别是在工业发酵中，培养基用量大，更应注意利用低成本的原料，降低产品成本。 例如废糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、 乳清废液(乳品工业中含有乳糖的废液)、 豆制品工业废液、纸浆废液、各种发酵废液及酒糟、酱渣等发酵废弃物，以及大量的农副产品如麸皮、米糠、玉米浆、豆饼、豆渣、花生饼、棉子饼、葵花籽饼、菜籽饼、酵
20、母泥等都可以作为发酵工业的良好原料。,5. 灭菌处理,通常采用高压蒸汽灭菌。一般培养基用0.105Mpa(1.05 kg/cm2，121.3)条件下维持1530min即可彻底灭菌。 长时间的高温灭菌会使某些不耐热的物质破坏，如使糖类物质形成氨基糖、焦糖。 因此，含糖培养基常用0.056Mpa(0.56kg/cm2，112.6)，1530min灭菌。 某些对糖类要求更高的培养基，可先将糖过滤除菌或间歇灭菌，再与其他已灭菌的成分混合。,二、培养基的类型及应用,1. 根据微生物的种类 根据微生物的种类可分为细菌、放线菌、酵母菌和霉菌培养基。 培养异养型细菌用牛肉膏蛋白胨培养基； 培养自养型细菌用无机
21、合成培养基； 培养放线菌用高氏1号合成培养基； 培养酵母菌用麦芽汁培养基； 培养霉菌则一般用查氏合成培养基。,2. 根据培养基的成分,(1). 天然培养基(complex medium) 是指含有化学成分尚不清楚或化学成分不恒定的天然有机物的培养基。 如肉浸膏、酵母浸膏、蛋白胨、豆芽汁、马铃薯、玉米粉、麸皮、牛奶、血清、胡萝卜汁、番茄汁等制成的培养基。缺点是其成分不清楚，营养成分难控制，做精细的科学实验结果重复性差。 适合于一般实验室中的菌种培养，发酵工业中生产菌种的培养和某些发酵产物的生产。,(2). 合成培养基(synthetic medium),它是由化学成分完全清楚的物质配制而成的培养
22、基。 高氏1号培养基和查氏培养基就属于此种类型其优点是培养基的组成成分精确，实验结果重复性好，缺点是价格较贵，且培养微生物生长缓慢。 在实验室内一般适用于对微生物营养、代谢、分类、鉴定、生物的测定和菌种选育、遗传分析等方面的研究工作。,3. 半合成培养基(semi-synthetic medium),是指在天然培养基的基础上适当加入已知成分的化学试剂，如无机盐类，或在合成培养基的基础上添加某些天然成分，如马铃薯等，使之更充分满足微生物对营养物质的要求。培养真菌的马铃薯蔗糖培养基就属于半合成培养基。,3根据物理状态划分,固体培养基；半固体培养基；液体培养基；,3. 根据培养基的物理状态,（1）
23、固体培养基(solid medium) 固体培养基为微生物生长提供了一个营养表面，在其上生长的微生物可以形成单个菌落。因此，固体培养基常用于微生物的分离、鉴定、活菌计数和菌种保藏等。食用菌栽培和工业发酵中也常使用。,(2)液体培养基(liquid medium) 适用于大规模的工业生产和实验室内进行微生物生理代谢等基础理论的研究工作。 (3)半固体培养基(semisolid medium) 在液体培养基中加入少量(0.20.7)的琼脂制成半固体状态的培养基。半固体培养基常用于观察细菌的运动特征、菌种保藏、厌氧菌培养、菌种鉴定和噬菌体效价的测定等方面。,4. 根据培养基的用途划分,(1) 基础培养基(minimum medium),在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质 的培养基，也称为基本培养基。,(2)完全培养基(complete medium),在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需 的所有营养物质的培养基,牛肉膏蛋白胨培养基就是枯草芽孢杆菌等的完全培养基,
