1、第四章 微生物的营养和培养基,微生物的特点：,食谱广、胃口大,营养物质：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,营养的概念：有机体吸取和利用营养物质的过程。,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和 延续其生命形式的一种生理过程。,本章内容：,第一节 微生物的营养要素,（微生物们需要吃什么？）,第三节 营养物质进入细胞方式,（微生物们是怎样吃东西的）,第二节 微生物的营养类型,（如何给微生物们做饭）,第四节 培养基,第一节 微生物的营养要素,一、微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水：70%-90%以游离水和结合水两种形式存在,干物质,有机物 蛋白质、糖、脂、核酸
2、、维生素等 及其降解产物,无机物（盐）,细胞化学元素组成：,主要元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、钾、镁、钙、铁等； 微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,1、参与有机物组成2、单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在,微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）,二、微生物的营养要素,六要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,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。,1.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,碳源谱,有机碳,无机碳,异养微生物,自养微生物,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。,微生物利用的碳源物质主要
3、有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。,实验室中常用的碳源：葡萄糖、蔗糖、马铃薯、玉米粉等 工业发酵中所利用碳源：糖蜜、淀粉（玉米粉、野生植物淀粉）、麸皮、米糠、纤维素等,凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质称为氮源。,2.氮源,氮源谱,有机氮,无机氮,NH3 铵盐 硝酸盐 N2,蛋白质 核酸 氨基酸 尿素,氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气合成所需氨基酸的生物,氨基酸异养型生物：能利用现成氨基酸的生物,常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等,按氮源的不同生物可分为：,3.能源,能源：能为微生物的生命活动提
4、供最初能量来源营养物或辐射能,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,4.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，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 。 广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4C6的分支或直链脂肪酸、氨基酸，狭义的生长素一般仅指维生素,微 生 物 生长因子 需要量（ml-1） III型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 胆碱 6ug 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）
5、硫胺素 0.5ng 白喉棒杆菌（Cornebacterium diphtherriae） B-丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridium tetani） 尿嘧啶 0-4ug 肠膜状串珠菌（Leuconostoc mesenteroides） 吡哆醛 0.025ug,5.无机盐（矿质元素）,作用,参与微生物的结构组成,调节微生物的原生质胶体状态，维持细胞的渗透与平衡,酶的激活剂,微量元素是指对微生物生长起重要作用，而需要量极小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L：锌、锰、钠、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,大量元素：
6、Na、K、Mg、Ca、S、P等。,6.水,生理功能主要有,起到溶剂与运输介质的作用；,参与细胞内一系列化学反应；,维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；,热的良好导体；,第二节 微生物的营养类型P87表4-3,表4-4,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,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：,光能无机自养型(photolithoautotrphy),光能有机异养型(photoorganoheterotrphy),化能无机自养型(chemolithoautotrphy),化能有机自养型(chemoorganohet
7、erotrophy),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、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
8、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,光能无机自养型和光能有机异养型微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。,3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。它们广泛分布于土壤及水环境中,参
9、 与地球物质循环；,4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；,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， 为自养型微生物；
10、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,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：,营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等,微生物所处的环境（温度、PH等）；,微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。,根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为,单纯扩散,促进扩散,主动运输,基团转移,1单纯扩散,原生质膜是一种半透性膜，营养物质通过原生质
11、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,物质在扩散过程中没有发生任何反应；,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,水是唯一可以通过自由扩散通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体（O2、CO2）及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。,2促进扩散,特点,需要载体蛋白参与,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,通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的
12、载体蛋白来完成。,3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。,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。,基团移位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,4基团移位,基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。,PEP-P + HPr HPr-p + 丙酮酸（PEP通过热稳载体蛋白的激活） P - HPr +糖糖-P
13、 +HPr,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。,第四节 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谢产物的混合营养基质。,培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础,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；,常规高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm2,121.315-30分钟；0.56kg/cm2,112.615-30分钟,一、选用和设计培养基的原则和方法,目的明确,营养协调,理化条件适宜,经济节约,1.目的明确,根
14、据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。,培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 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： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml,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）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K
15、2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基) 干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10。巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,2.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
16、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的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值,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,a. 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： 细菌与放线菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长,为了维持培养基pH的相对恒定，通
17、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。,b. 水活度,在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条 件下纯水蒸汽压力之比表示，即：w=Pw/Pow式中Pw代表溶液蒸汽压力, POw代表纯水蒸汽压力。纯水w为1.00,溶液中溶质越多, w越小。,微生物一般在w为0.600.99的条件下生长, w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。 微生物不同，其生长的最适w不同。,c. 氧化还原电位,氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量 某氧化还原系统中的还原剂释放电子
18、或氧化剂接受电子趋势 的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。,不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同,好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长,以+0.3+0.4伏为宜； 厌氧性微生物：低于+0.1伏条件下生长； 兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸,+0.1伏以下时进行发酵。,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、培养基的种类及应用,培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。,（一）按成分不同划分,天然培养基,合成培养基,含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,牛肉膏蛋白胨培养基、
19、麦芽汁培养基,化学成分完全了解的物质配制而成的培养基,高氏1号培养基、查氏培养基,-1,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 1gMgSO4 0.5g NaCl 1g; FeSO47H2O 0.5g水 1000ml; pH 7.27.4 霉菌培养基查氏（zapek)培养基：蔗糖 30g; KCl 0.5g; MgSO4.H2O 0.5g;FeSO4 0.5g 水 1000ml; K2HPO4 1g;NaNO3 3g; pH 6.7
20、酵母菌培养基麦芽汁培养基,（二）（物理状态不同划分,固体培养基,液体培养基,在液体培养基中加入琼脂使其成为固体状态，一般为1.5%-2.0%,琼脂含量一般为0.5%,不加任何凝固剂,半固体培养基,常用来进行微生物分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏,观察微生物的运动特征,大规模工业生产及在实验室进行增菌,脱水培养基,含有除水分以外的一切成分的商品培养基,1.不被微生物分解、利用、液化； 2.不因消毒灭菌而被破坏； 3.在微生物的生长温度内保持固态； 4.凝固点的温度对微生物无害； 5.透明度好，粘着力强,理想凝固剂应具备的条件,（三）按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,含有一般微生物生长繁殖所需
21、的基本营养物质的培养基牛肉膏蛋白胨最常用,在成分中加入能与目的菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂，从而达到用肉眼辨别颜色就能方便的从近似菌落中找出目的菌落的培养基。例：伊红美兰乳糖培养基（Eosin Methylene Blue）,抑制性选择培养基,在基础培养基中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基包括血液、血清、酵母浸膏,加富培养基,在培养基中加入化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长,EMB(Eosin Methylene Blue),Figure 14. Left: Escherichia coli cells. Right: E. coli colonies on EMB Agar.,某些菌株发生突变（自然突变或人工诱变）后，失去合成某种（或某些）对该菌株生长必不可少的物质（通常是生长因子如氨基酸、维生素）的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型，相应的野生型菌株称为原养型。,
