第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)和培養(yǎng)基

第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)和培養(yǎng)基

第一節(jié)微生物的六種營(yíng)養(yǎng)要素

第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型

第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式

第四節(jié)培養(yǎng)基1概述營(yíng)養(yǎng)物：微生物為了生存就必須從環(huán)境中吸取各種物質(zhì)以合成細(xì)胞物質(zhì)、提供能量以及在新陳代謝中起調(diào)節(jié)作用。這些物質(zhì)就稱(chēng)為營(yíng)養(yǎng)物。營(yíng)養(yǎng)：有機(jī)體吸取和利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程。2第一節(jié)微生物的六種營(yíng)養(yǎng)要素微生物需要的營(yíng)養(yǎng)要素可分為六大類(lèi)，即碳源、氮源、能源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子和水。3元素在細(xì)胞內(nèi)存在形式1．有機(jī)物：蛋白質(zhì)、糖、脂類(lèi)、核酸、維生素及其降解產(chǎn)物.2．無(wú)機(jī)物：參與有機(jī)物組成，單獨(dú)存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)以無(wú)機(jī)鹽的形式存在.3、水：約占細(xì)胞總重70%～90%，以游離水和結(jié)合水兩種形式存在游離水：干重法可測(cè)得；結(jié)合水：不易蒸發(fā)、不凍結(jié)、也不能滲透,占水總量的17%—28%。4微生物細(xì)胞的化學(xué)組成主要成分細(xì)菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占細(xì)胞鮮重的%）蛋白質(zhì)50~8032~7514~15

占細(xì)碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

無(wú)機(jī)鹽2~303.8~76~125碳源（Carbonsource）定義：凡能提供微生物營(yíng)養(yǎng)所需的碳元素(碳架)的營(yíng)養(yǎng)源。功能：提供合成細(xì)胞物質(zhì)及代謝物的原料;并為整個(gè)生理活動(dòng)提供所需要能源（異養(yǎng)微生物）。種類(lèi):無(wú)機(jī)含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。有機(jī)含碳化合物：糖與糖的衍生物（多糖：如淀粉、麩皮、米糠等；飴糖；單糖）脂類(lèi)醇類(lèi)有機(jī)酸、烴類(lèi)、芳香族化合物等。6微生物的碳源譜類(lèi)型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機(jī)碳C·H·O·N·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機(jī)酸、醇、脂類(lèi)等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類(lèi)天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無(wú)機(jī)碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等7異養(yǎng)微生物自養(yǎng)微生物雙功能營(yíng)養(yǎng)物8常用碳源實(shí)驗(yàn)室：葡萄糖蔗糖淀粉甘露醇等發(fā)酵工業(yè)：傳統(tǒng)種類(lèi)：糖類(lèi)（單糖，飴糖）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物、淀粉等）麩皮各種米糠等代糧發(fā)酵：纖維素、石油、CO2等9氮源(nitrogensource)定義：凡能提供微生物生長(zhǎng)繁殖所需氮元素的營(yíng)養(yǎng)源。種類(lèi)：無(wú)機(jī)氮：銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、尿素、氨、N2等；有機(jī)氮：蛋白質(zhì)及其降解產(chǎn)物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、魚(yú)粉、花生餅粉、黃豆餅粉、玉米漿等功能：提供合成細(xì)胞中含氮物，如蛋白質(zhì)、核酸，以及含氮代謝物等的原料；少數(shù)細(xì)菌可以銨鹽、硝酸鹽等氮源為能源。10

微生物的氮源譜類(lèi)型元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機(jī)氮N·C·H·O·X復(fù)雜蛋白質(zhì)、核酸等牛肉膏、酵母膏、餅粕粉、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)等尿素、蛋白胨、明膠等無(wú)機(jī)氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣11常用氮源實(shí)驗(yàn)室：銨鹽硝酸鹽尿素蛋白胨牛肉膏酵母膏等發(fā)酵工業(yè)：魚(yú)粉黃豆餅粉蠶蛹粉酵母粉等12氨基酸自養(yǎng)型生物：氨基酸異養(yǎng)型生物：13能源能源(energysource)：就是能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物或輻射能。14生長(zhǎng)因子(growthfactor)定義：是一類(lèi)調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，且不能用簡(jiǎn)單的碳、氮源自行合成，需要量很少的有機(jī)物。種類(lèi)（廣義）：維生素、堿基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類(lèi)、C4~C6的分支或直鏈脂肪酸、氨基酸。15生長(zhǎng)因子作用含有原料維生素B1（硫胺素）作為脫羧酶的輔酶米糠、麥芽、酵母菌體、大豆維生素B2（核黃素）作為氫和電子的傳遞體小麥、玉米漿維生素B6（吡哆醇）作為脫羧酶和轉(zhuǎn)氨酶的輔酶青霉菌菌絲、酵母菌體、米糠、小麥、玉米和玉米漿煙酰胺作為氫的傳遞體青霉菌菌絲、小麥、肝臟、大豆、甜菜、酵母浸出物泛酸作為?；膫鬟f體甜菜糖蜜、青霉菌菌絲、玉米漿、糖蜜酵母浸出物、棉子餅粉維生素B12異構(gòu)酶、脫氫酶和甲基化霉的輔酶肝臟、菌絲體、肉類(lèi)和青儲(chǔ)飼料葉酸作為甲基傳遞體青霉菌菌絲、菠菜、肝臟生物素作為CO2的傳遞體（轉(zhuǎn)羧基）玉米漿、青霉菌菌絲α-硫辛酸作為氧化脫羧酶的輔酶酵母浸出物、肝臟肌醇多數(shù)酵母菌的生長(zhǎng)因子玉米漿、糖蜜、棉子餅粉和酒糟膽堿甲基供體和參與脂代謝啤酒花、大豆、蛋黃、酒糟血紅素電子傳遞體血液16微生物對(duì)生長(zhǎng)因子需要的差異生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型微生物(auxoautotrophs)或野生型(wildtype)原養(yǎng)型（prototroph)生長(zhǎng)因子異養(yǎng)型微生物(auxoheterotrophs)或營(yíng)養(yǎng)缺陷型(auxotroph)生長(zhǎng)因子過(guò)量合成微生物17無(wú)機(jī)鹽（mineralsalts）定義：為微生物細(xì)胞生長(zhǎng)提供除碳、氮源以外的多種重要元素（包括大量元素和微量元素）的物質(zhì)，多以無(wú)機(jī)鹽的形式供給。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生長(zhǎng)所需濃度在10-3~10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生長(zhǎng)所需濃度在10-6~10-8mol/L）18無(wú)機(jī)鹽的生理功能無(wú)機(jī)鹽大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活劑（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子結(jié)構(gòu)成分（Co、Mo等）

維持滲透壓Na+生理調(diào)節(jié)物質(zhì) 酶的激活劑Mg2+

pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)無(wú)氧呼吸時(shí)的氫受體(NO3-、SO42-)細(xì)胞內(nèi)一般分子成分(如P，S，Ca，Mg，F(xiàn)e等)19無(wú)機(jī)元素（除碳、氮源外）的來(lái)源和功能元素人為提供形式生理功能大

量

元

素PKH2PO4

磷酸二氫鉀

K2HPO4

磷酸氫二鉀核酸、磷酸和輔酶的成分S

MgSO4硫酸銨含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫維生素（生物素、硫胺素等）的成分KKH2PO4磷酸二氫鉀

K2HPO4磷酸氫二鉀某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸轉(zhuǎn)磷酸酶等）的輔因子；維持電位差和滲透壓NaNaCl氯化鈉維持滲透壓；某些細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌所需CaCa(NO3)2

硝酸鈣

CaCl2

氯化鈣某些胞外酶的穩(wěn)定劑、蛋白酶等的輔因子；細(xì)菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需MgMgSO4硫酸鎂固氮酶等的輔因子；葉綠素等的成分FeFeSO4硫酸鐵細(xì)胞色素的成分；合成葉綠素、白喉毒素和氧高鐵血紅素所需微

量

元

素MnMnSO4硫酸錳超氧化物歧化酶、氨肽酶和L-阿拉伯糖異構(gòu)酶等的輔因子CuCuSO4硫酸銅氧化酶、酪氨酸酶的輔因子CoCoSO4硫酸鈷維生素B12復(fù)合物的成分；肽酶的輔因子ZnZnSO4硫酸鋅堿性磷酸酶以及多種脫氫酶、肽酶和脫羧酶的輔因子Mo(NH4)6Mo7O24鉬酸銨固氮酶和同化型及異化型硝酸鹽還原酶的成分20水水的生理功能：細(xì)胞的主要化學(xué)組成之一；生化反應(yīng)以水為媒介；參與細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的交換；維持生命大分子穩(wěn)定性；參與體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)（例如水解、水合反應(yīng)）等。

21幾種生物的游離水含量人體：~60%海蟄：~96%微生物孢子營(yíng)養(yǎng)體霉菌孢子：~39%細(xì)菌芽孢：皮層：~70%核心：極低細(xì)菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%22水活度

w（wateractivity)微生物對(duì)水的需要程度（水對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響）常用環(huán)境（或基質(zhì)）中的水活度值表示。所謂w就是水的有效濃度。定義：在同溫同壓下，某溶液的蒸汽壓(P)與純水蒸汽壓(P0)之比。因此，w也等于該溶液的百分相對(duì)濕度值(ERH，equilibriumrelativehumidity)值。即：w=/o表示溶液的蒸汽壓

o表示純水的蒸汽壓23幾類(lèi)微生物生長(zhǎng)最適w微生物w一般細(xì)菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80噬鹽細(xì)菌0.70噬鹽真菌0.65嗜高滲酵母0.60在w為0.60~0.99的環(huán)境條件均有微生物生長(zhǎng)，但對(duì)某種微生物而言，它對(duì)w的要求是一定的。24第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型：根據(jù)微生物生長(zhǎng)所需要的主要營(yíng)養(yǎng)素（能源和碳源等）的不同，而劃分的微生物類(lèi)型。25微生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的劃分依據(jù)按能源分光能營(yíng)養(yǎng)型和化能營(yíng)養(yǎng)型按碳源分自養(yǎng)型和異養(yǎng)型按供氫體分無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型按生長(zhǎng)因子分原養(yǎng)型或野生型和營(yíng)養(yǎng)缺陷型按取得死或活有機(jī)物分腐生和寄生26微生物的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型271、光能自養(yǎng)型（光能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）以CO２為唯一或主要碳源，以光作為所需能源，能以無(wú)機(jī)物（如硫化氫或其他無(wú)機(jī)硫化物）作供氫體，使CO２還原為有機(jī)物。例如：綠硫細(xì)菌光能

CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O

光合色素主要類(lèi)群：藻類(lèi)、紫硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌等。282、光能異養(yǎng)型（光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）以CO2和簡(jiǎn)單的有機(jī)物為碳源，以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。光能異養(yǎng)型細(xì)菌在生長(zhǎng)時(shí)，大多數(shù)需要外源的生長(zhǎng)因子。例如：紅螺菌科的細(xì)菌以光為能源，CO2為碳源，并需異丙醇為供氫體，同時(shí)積累丙醇。光能2(CH3)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素主要類(lèi)群：紅螺菌科的細(xì)菌（即紫色無(wú)硫細(xì)菌）。293、化能自養(yǎng)型（化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）以CO2(或碳酸鹽)為碳源,以無(wú)機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能為能源。這類(lèi)菌以氫氣、硫化氫、二價(jià)鐵離子或亞硝酸鹽為電子供體，使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。主要類(lèi)群：硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌、鐵細(xì)菌。30硝化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化細(xì)菌

NO2-+1/2O2

→NO3-+18.1Kcal31硫化細(xì)菌通過(guò)氧化還原態(tài)的無(wú)機(jī)硫化物（H2S、S、S2O32-

、SO32-）獲得能量（硫桿菌屬，硫微螺菌屬）H2S+1/2O2

→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal32鐵細(xì)菌氧化Fe2+為Fe3+獲取能量并同化CO2

2Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal33氫細(xì)菌具有氫化酶，從氫的氧化獲取能量，同化CO2。H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal344.化能異養(yǎng)型（化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）以有機(jī)化合物為碳源，以有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能為能源，并以有機(jī)物為氫供體。有機(jī)物既是碳源，又是能源。根據(jù)利用有機(jī)物的特性分：腐生菌；利用無(wú)生命的有機(jī)物為生長(zhǎng)碳源。寄生菌：從寄主體內(nèi)獲得生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。兼性菌：既可腐生又可營(yíng)寄生生活的微生物。主要類(lèi)群；絕大多數(shù)細(xì)菌、全部真核微生物。

35第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式36一、單純擴(kuò)散

（simplediffusion）特點(diǎn)：1.非特異性2.不需要載體3.不需消耗能量4.順濃度梯度進(jìn)行5.速度很慢可運(yùn)送的物質(zhì)：水、二氧化碳、氧氣、甘油、乙醇、少數(shù)氨基酸、鹽類(lèi)、代謝抑制劑等小分子物質(zhì)。3738單純擴(kuò)散模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)細(xì)胞膜39二、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion）特點(diǎn)：1.特異性2.需要載體3.不需消耗能量4.順濃度梯度進(jìn)行5.速度快

運(yùn)送的物質(zhì)種類(lèi)：SO42-、PO42-、糖（真核微生物）等。4041促進(jìn)擴(kuò)散模式圖細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變42三、主動(dòng)運(yùn)送(activetransport)主動(dòng)運(yùn)輸是微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。特點(diǎn)：1.特異性2.需要載體3.需消耗能量4.逆濃度梯度進(jìn)行5.速度快運(yùn)送的物質(zhì)種類(lèi)：氨基酸、乳糖等糖類(lèi)，Na+、Ca2+等無(wú)機(jī)離子。4344主動(dòng)運(yùn)輸模式圖細(xì)胞膜細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)恢復(fù)原構(gòu)象移位再循環(huán)結(jié)合構(gòu)象改變ADP+PiATP45四、基團(tuán)移位(grouptranslocation)基因轉(zhuǎn)位主要存在于厭氧和兼性厭氧型細(xì)菌中特點(diǎn)：1.特異性2.需要載體3.需消耗能量4.逆濃度梯度進(jìn)行5.速度快6.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生了化學(xué)變化運(yùn)送的物質(zhì)種類(lèi)：葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。運(yùn)送機(jī)制:依靠磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)46E.coli基團(tuán)移位的運(yùn)送機(jī)制

——磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)運(yùn)送機(jī)制:是依靠磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng),即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)。磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS)

系統(tǒng)組成:PEP酶I酶II(a,b,c)HPr(小分子量熱穩(wěn)定蛋白)47運(yùn)送步驟1.熱穩(wěn)載體蛋白(HPr)的激活酶I

PEP+HPr

丙酮酸+P-HPr2、糖被磷酸化后運(yùn)入膜內(nèi)酶II

P-HPr+糖糖-P+HPr48在酶Ⅱ的作用下P-HPr將磷酸轉(zhuǎn)移給糖在酶Ⅰ的作用下HPr被激活49基團(tuán)移位模式圖細(xì)胞膜外細(xì)胞膜內(nèi)SSSS細(xì)胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸50四種運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方式的比較比較項(xiàng)目單純擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散主動(dòng)運(yùn)輸基團(tuán)轉(zhuǎn)位特異載體蛋白運(yùn)輸速度物質(zhì)運(yùn)輸方向胞內(nèi)外濃度運(yùn)輸分子能量消耗運(yùn)輸后物質(zhì)的結(jié)構(gòu)無(wú)慢由濃至稀相等無(wú)特異性不需要不變有快由濃至稀相等特異性不需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要不變有快由稀至濃胞內(nèi)濃度高特異性需要改變51第四節(jié)培養(yǎng)基(medium或culturemedium)定義：是一種人工配制的、適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的混合養(yǎng)料。52一、選用和設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的原則和方法(一)四個(gè)原則1、目的明確培養(yǎng)基組分應(yīng)適合微生物的營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)2、營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物的濃度與比例應(yīng)恰當(dāng)3、條件適宜物理化學(xué)條件適宜4、經(jīng)濟(jì)節(jié)約根據(jù)培養(yǎng)目的選擇原料及其來(lái)源531、目的明確不同類(lèi)群的微生物細(xì)菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基放線菌：高氏一號(hào)培養(yǎng)基霉菌：查氏合成培養(yǎng)基酵母菌：麥芽汁培養(yǎng)基不同營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型微生物：自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌特殊類(lèi)型的微生物：如固氮菌542、營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物的濃度濃度過(guò)高——微生物的生長(zhǎng)起抑制作用濃度過(guò)小——不能滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)的需要營(yíng)養(yǎng)物的比例培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)要素含量間的一般順序：要素：H2O＞C+能源＞N源＞P、S＞K、Mg＞生長(zhǎng)因子含量：～10-1

～10-2

～10-3

～10-4

～10-5

～10-6C/N比：碳源與氮源間的相對(duì)比例即碳氮比。嚴(yán)格地講，C/N比是指在微生物培養(yǎng)基中所含的碳源中碳原子的摩爾數(shù)與氮源中氮原子的摩爾數(shù)之比。553、理化適宜（1）pH：各大類(lèi)微生物合適生長(zhǎng)pH范圍細(xì)菌的最適pH在7.0～8.0間；放線菌在7.5～8.5間；酵母菌在3.8～6.0間；霉菌在4.0～5.8間。pH的內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH。pH的外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液。56（2）滲透壓和水活度滲透壓(osmoticpressure)等滲溶液——適宜微生物生長(zhǎng)高滲溶液——質(zhì)壁分離低滲溶液——吸水膨脹水活度w

（wateractivity)：w=/o在w為0.60~0.99的環(huán)境條件均有微生物生長(zhǎng)57（3）氧化還原勢(shì)氧化還原勢(shì)(redoxpotential)又稱(chēng)氧化還原電位：是度量某氧化還原系統(tǒng)中的還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢(shì)的一種指標(biāo)，其單位是V(伏)或mV(毫伏)。氧化還原勢(shì)以Eh表示。好氧微生物：+0.3～+0.4V（0.1V以上的