1、第5章 Chapter 5,微生物的营养和培养基 Microbial Nutrition and Culture Medium,营养物质（nutrient）：是指具有营养功能的物质，可为生物的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物和必要的生理环境。,营养（nutrition）：是指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。,微生物的营养要求与动物和植物十分接近，它们之间存在“营养上的统一性”。在元素水平上都需要20种左右，在营养要素水平上则都需要6大类营养要素。,Chapter 5 1- 营养要求（Nutrient requirem
2、ents）,一、微生物细胞的化学组成 （Chemical composition of microbial cell）,细胞中几种主要元素的含量（干重百分数）,碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水,组成微生物细胞的化学元素来自微生物生长所需的营养物质，它们由相应的有机物和无机物提供，小部分可以由分子态的气体物质提供 。,二、营养物质及其生理功能 Nutrient and function,凡是可以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通称碳源。,简单的无机含碳化合物：如CO2 、碳酸盐 复杂的有机物：如糖类、有机酸、醇、脂类、烃类以及各种含氮化合物,1、碳源（carbon s
3、ource）,微生物的碳源谱,凡必须利用有机碳源的微生物是异养微生物，凡以无机碳源作主要碳源的微生物是自养微生物。对一切异养微生物来说，碳源同时又兼作能源，因此，这种碳源又称双功能营养物质。,凡是可以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通称氮源。,蛋白质及其降解物（胨、肽、氨基酸等） 铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮 其它含氮物：嘧啶、嘌呤、脲等,2、氮源（nitrogen source）,微生物的氮源谱,一部分不需要利用氨基酸作氮源，它们能把尿素、铵盐等这些简单氮源自行合成他们生长所需的一切氨基酸，称为氨基酸自养型生物，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长的微生物叫
4、做氨基酸异养型微生物。,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，称为能源。,3、能源（energy source）,一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物，没有能源和碳源、氮源等结构材料的功能，需要量一般很少。 主要包括维生素、氨基酸和碱基，此外还有卟啉及其衍生物、甾醇、 胺类、脂肪酸等。,4、生长因子（growth factor）,一些生长因子的作用和来源,生长因子自养型微生物：不需要从外界吸收任何射干那种因子的微生物。生长因子异养型微生物：需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长的微生物。生长因子过量合成的微生物：少数微生物在其代谢活动中能合成
5、并大量分泌某些维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。,5、无机盐（mineral salt）,无机盐或矿质元素主要为微生物提供除碳源和氮源以外的各种重要元素。,大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）,细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg 、Fe等）一般功能 渗透压的维持（Na+等） 生理调节物质 酶的激活剂（Mg2+等）大量元素 pH的稳定化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）特殊功能 无氧呼吸时的氢受体（NO3-、S
6、O42-等） 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等）微量元素 特殊分子结构成分（Co、Mo等）,无机盐的生理功能,水的生理功能：优良的溶剂和运输介质；维持生物大分子稳定的天然构象；参与细胞内的化学反应；控制细胞内的温度变化；维持细胞自身形态。,6、水（water）,除蓝细菌等少数微生物能利用水中的氢来还原CO2以合成糖类外，其它微生物并非真正把水作为营养物，但水在代谢活动中是必不可少的。,三、微生物的营养类型 Nutritional types of microbe,营养类型是根据微生物生长的主要营养要素的不同而划分的微生物类型。划分方法很多，主要是按它们对能源、氢供体、基本碳源要求来
7、区分为4种类型。,微生物的营养类型Nutritional types of microbe,微生物的营养类型Nutritional types of microbe,除原生动物外，其他各大类有细胞微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸取营养的，根据物质运输过程的特点，将物质的跨膜运输分为4种。,Chapter 5 2-营养物质的吸收(Uptake of nutrients ),又称被动运输（passive transport）是指疏水双分子层细胞膜在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让多种小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运输方式。,一、单纯扩散（simple
8、 diffusion）,扩散是非特异性的；物质在扩散过程中不发生化学变化；在扩散过程中不消耗能量；动力来自膜内外物质的浓度差；不能逆浓度运输；,单纯扩散的特点：,促进扩散是指溶质在运送过程中必须依靠细胞膜上的底物特异载体蛋白（carrier protein）的协助，但不消耗能量的一类扩散运送方式。,二、促进扩散（facilitated diffusion）,需要特异性载体参与；物质在扩散过程中不发生化学变化；运输过程中不消耗能量；动力来自膜内外物质的浓度差；不能逆浓度运输；,促进扩散的特点：,主动运输指一类必须提供能量并利用细胞膜上特异载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一
9、种运送方式。,三、主动运输(active transport),主动运输的特点：,需要特异性载体参与；物质在扩散过程中不发生化学变化；运输过程中需要消耗能量，由ATP、质子动势或离子泵提供；可以进行逆浓度运输；,是由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式。,1、初级主动运输（primary active transport）,2、次级主动运输（secondary active transport）,通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差消失的过程中，往往偶联其他物质的运输。,基团移位是一类既需要特异性载体蛋白参与，又需耗能的一种物质运送方式，特点是溶质在运送前后会发生分子结构
10、的变化。,四、基团转位（group translocation）,五、膜泡运输 （memberane vesicle transport）,膜泡运输主要存在于原生动物中，包含胞吞作用和胞饮作用两种形式。,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，且比例适当，配制完成后要尽快灭菌。,Chapter 5 3-培养基（Culture Medium）,4个原则： 目的明确；营养协调；理化适宜；经济节约,一、选用和设计培养基的原则和方法 Principle and methods to select and design medi
11、a,4种方法： 生态模拟；参阅文献；精心设计；试验比较,目的微生物的种类、营养类型等；获得菌体还是产物，产物的特点；用于研究还是生产；一般研究还是生理生化或遗传研究；用作“种子”还是发酵培养；,1、 目的明确,2、营养协调,微生物细胞内各组分间有比较稳定的比例，一般是碳源氮源大量元素生长因子；各种营养成分的比例对微生物生长和产物积累的影响很大，特别是碳氮比。碳源与氮源含量之比即称碳氮比（C/N比），严格的说， C/N比是微生物培养基中所含碳源中的碳原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比。,pH；渗透压；水活度；氧化还原电位；,3、理化适宜,（1）pH,培养基的pH须控制在一定的范围内以满足不同类型
12、微生物的生长或产生代谢产物。,各大类微生物生长适宜的pH范围：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；,（2）渗透压和水活度,与微生物细胞渗透压相等的等渗溶液最适宜微生物的生长。 水活度（W）是指在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。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。,微生物一般在W为0.60 0.99的条件下生长，W过低时，生长迟缓期延长，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。,（3）氧化还原电位,又称氧化还原势（redox potential
13、），是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标。用Eh表示，指以氢电极为标准时某氧化还原系统的电极电位值，单位是V或mV。,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。,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Eh值；培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化钠（0.025%）、半胱氨酸（0.05%）、谷胱甘肽、铁屑等还原性物质可降低Eh值。,培养基中加入氧化还原指示剂可对氧化还原电位进行间接测定,4
14、、经济节约,配制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份，特别是在发酵工业中。,以粗代精； 以“野”代“家”； 以废代好； 以简代繁； 以烃代粮； 以纤代糖； 以无机氮代蛋白； 以“国”代“进”。,（1）天然培养基（complex medium） （2）合成培养基（synthetic medium） （3）半合成培养基（semi-synthetic medium）,二、培养基的类型（Types of media）,1、根据对培养基成分的了解划分（based on component of medium）,天然培养基：指一类利用动植物或微生物体及其提取物制成的培养基，营养成分丰富复杂
15、，难以说出其确切化学组成的培养基。,合成培养基：是一类按微生物的营养要求精心设计后用多种高纯化学试剂配制而成，化学成份完全了解的培养基。,半合成培养基：指一类主要以化学试剂配制，同时还加有某种或某些天然成分的培养基。,（1）固体培养基（solid media）（2）半固体培养基（semi-solid media）（3）液体培养基（liquid media）（4）脱水培养基（dehydrate culture media）,2、根据物理状态划分（based on habitus）,固体培养基,凝固剂：明胶20-28 琼脂 40-96 血清、无机硅胶不能重新融化天然固体培养基：马铃薯片 麸皮等,主
16、要用于： 菌种分离、鉴定、计数、菌种保藏、工业生产等,半固体培养基：液体培养基加入少量凝固剂配置而成,主要用于：软琼脂柱穿刺培养用于细菌的动力观察双层平板法测定噬菌体效价厌氧菌培养、分离、计数菌种保藏等,液体培养基：用途广泛，尤其适用于大规模培养,脱水培养基：成分精确、使用方便,3、根据功能划分（based on function）,（1）选择培养基（selected medium）,一类根据某微生物的特殊营养要求或对某种化学物质的抗性而设计的培养基， 具有使混合菌样中的劣势菌变成优势菌的功能。,（2）鉴别培养基（differential medium）,一类在成分中加有能与目的菌的无色代谢产
17、物发生显色反应的指示剂，从而达到只须用肉眼辨别颜色就能方便地从近似菌落中找出目的菌菌落的培养基。,加富性选择（富集培养）：用作加富的营养物主要是一些特殊的碳源或氮源； 抑制性选择：用作抑制它种微生物的选择性抑菌剂有染料、抗生素等；温度、氧、pH和渗透压可作为选择性的理化因素。,EMB培养基：伊红和美蓝可抑制G+细菌和一些难培养的G - 细菌。低酸度时，这2种染料结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用。试样中的多种肠道菌在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌落，因而易于辨认。例如大肠杆菌强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体呈酸性，菌落被染成深紫色，从菌落表面的反射光中还可看到绿色金属闪光。,本章小结,微生物的营养要素有6类：碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水；根据碳源和能源性质来分，微生物的营养类型有4类：化能异养型、化能自养型、光能异养型和光能自养型；除原生动物以吞噬作用吸收营养外，其他的细胞型微生物以单纯扩散、协助扩散、主动运输和基团移位的方式吸收营养物质；配制培养基是微生物研究的基础工作，培养基的种类很多，主要分为固体培养基、半固体培养基、液体培养基；天然培养基、合成培养基；选择培养基、鉴别培养基等。,
