第四章 微生物營(yíng)養(yǎng)與培養(yǎng) 新

第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)（MicrobialNutrition）

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營(yíng)養(yǎng)是微生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過(guò)程。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì):能夠滿足機(jī)體生長(zhǎng)、繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì).營(yíng)養(yǎng):微生物獲得和利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程。

第一節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)要求（NutrientrequirementsOfmicroorganisms）一、微生物的化學(xué)組成1.化學(xué)元素主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣等微量元素：鋅、錳、氯、鉬、硒、鈷、銅等占細(xì)菌細(xì)胞干重的97%2.化學(xué)成分及其分析有機(jī)物：蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸、維生素、降解產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物測(cè)定：化學(xué)法直接抽提，定性定量分析裂解細(xì)胞，無(wú)機(jī)物：無(wú)機(jī)鹽測(cè)定：干細(xì)胞燃燒，水：70%~90%

二、微生物的營(yíng)養(yǎng)要素六要素：碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽和水

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)按照它們?cè)跈C(jī)體中的生理作用不同，可以將它們區(qū)分成六大類。1.碳源在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中能為微生物提供碳素來(lái)源的物質(zhì)碳源｛有機(jī)碳無(wú)機(jī)碳異養(yǎng)微生物自養(yǎng)微生物目前在微生物工業(yè)發(fā)酵中所利用的碳源物質(zhì)主要是單糖、淀粉、麩皮、米糠等。對(duì)于為數(shù)眾多的化能異養(yǎng)微生物來(lái)說(shuō)，碳源是兼有能源功能營(yíng)養(yǎng)物。微生物利用的碳源物質(zhì)主要有糖類、有機(jī)酸、醇、脂類、烴、CO2及碳酸鹽等。凡是能被用來(lái)構(gòu)成菌體物質(zhì)中或代謝產(chǎn)物中氮素來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)稱為氮源。2.氮源氮源｛有機(jī)氮無(wú)機(jī)氮NH3銨鹽硝酸鹽N2｛｛蛋白質(zhì)核酸氨基酸尿素氨基酸自養(yǎng)型生物：能利用無(wú)機(jī)氮的微生物。氨基酸自異養(yǎng)型生物：能利用銨鹽、硝酸鹽、氮?dú)馍踔聊蛩?、蛋白質(zhì)的微生物常用的蛋白質(zhì)類氮源包括蛋白胨、魚(yú)粉、蠶蛹、黃豆餅粉、玉米漿、牛肉浸膏、酵母浸膏等按氮源的不同微生物可分為：3.能源能源：能為微生物的生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源營(yíng)養(yǎng)物或輻射能能源｛化學(xué)物質(zhì)輻射能｛化能異養(yǎng)微生物的能源有機(jī)物無(wú)機(jī)物化能自養(yǎng)微生物的能源光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源4.生長(zhǎng)因子生長(zhǎng)因子：那些微生物生長(zhǎng)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滿足機(jī)體生長(zhǎng)需要的有機(jī)化合物微生物生長(zhǎng)因子需要量（ml-1

III型肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae） 膽堿 6ug 金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus） 硫胺素 0.5ng 白喉棒桿菌（Cornebacteriumdiphtherriae） B-丙氨酸1.5ug 破傷風(fēng)梭狀芽孢桿菌（Clostridiumtetani） 尿嘧啶 0-4ug 腸膜狀串珠菌（Leuconostocmesenteroides） 吡哆醛 0.025ug5.無(wú)機(jī)鹽作用｛參與微生物中氨基酸和酶的組成；調(diào)節(jié)微生物的原生質(zhì)膠體狀態(tài)，維持細(xì)胞的滲透與平衡酶的激活劑。微量元素是指那些在微生物生長(zhǎng)過(guò)程中起重要作用，而機(jī)體對(duì)這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要量在10-6--10-8mol/L：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。

根據(jù)微生物對(duì)礦質(zhì)元素需要量大小可以把它分成大量元素：Na、K、Mg、Ca、S、P等。6.水生理功能主要有①起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用；②參與細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)；③維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象；⑤通過(guò)水合作用與脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)④熱的良好導(dǎo)體；第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)類型(Nutritionaltypesofmicroorganisms)異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物生長(zhǎng)過(guò)程中能量的來(lái)源光能營(yíng)養(yǎng)型化能營(yíng)養(yǎng)型根據(jù)碳源、能源及電子供體性質(zhì)的不同，可將微生物分為：光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型(photolithoautotrphy)光能有機(jī)異養(yǎng)型(photoorganoheterotrphy)化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型(chemolithoautotrphy)化能有機(jī)異養(yǎng)型(chemoorganoheterotrophy)1．光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為唯一或主要碳源；進(jìn)行光合作用獲取生長(zhǎng)所需要的能量；以無(wú)機(jī)物如H2、H2S、S、H2O等作為電子供體，使CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；例如，藻類及藍(lán)細(xì)菌等和植物一樣，以水為電子供體，進(jìn)行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)。而紅硫細(xì)菌，以H2S為電子供體，產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。CO2+2H2S光能光合色素[CH2O]+2S+H2O2．光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）以有機(jī)物為碳源；以有機(jī)物作為電子供體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；在生長(zhǎng)時(shí)大多數(shù)需要外源的生長(zhǎng)因子；例如，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利用異丙醇作為電子供體，將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時(shí)積累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O3.化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長(zhǎng)所需要的能量來(lái)自無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中放出的化學(xué)能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作為電子供體使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)?；軣o(wú)機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全無(wú)機(jī)及無(wú)光的環(huán)境中生長(zhǎng)。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；4．化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）生長(zhǎng)所需要的能量均來(lái)自有機(jī)物氧化過(guò)程中放出的化學(xué)能；生長(zhǎng)所需要的碳源主要是一些有機(jī)化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機(jī)酸等。有機(jī)物通常既是碳源也是能源；大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；不同營(yíng)養(yǎng)類型之間的界限并非絕對(duì)異養(yǎng)型微生物并非絕對(duì)不能利用CO2；自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)；有些微生物在不同生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)時(shí),其營(yíng)養(yǎng)類型也會(huì)發(fā)生改變；例如紫色非硫細(xì)菌(purplenonsulphurbacteria)：沒(méi)有有機(jī)物時(shí)，同化CO2，

為自養(yǎng)型微生物；有機(jī)物存在時(shí)，利用有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)，為異養(yǎng)型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能生長(zhǎng)，為光能營(yíng)養(yǎng)型微生物；黑暗與好氧條件下，依靠有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長(zhǎng)，為化能營(yíng)養(yǎng)型微生物微生物營(yíng)養(yǎng)類型的可變性無(wú)疑有利于提高其對(duì)環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力第三節(jié)培養(yǎng)基(culturemedium)培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基幾乎是一切對(duì)微生物進(jìn)行研究和利用工作的基礎(chǔ)任何培養(yǎng)基都應(yīng)該具備微生物生長(zhǎng)所需要六大營(yíng)養(yǎng)要素：碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽、水任何培養(yǎng)基一旦配成，必須立即進(jìn)行滅菌處理；常規(guī)高壓蒸汽滅菌：

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分鐘；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分鐘一、配制培養(yǎng)基的原則（TheruleofpreparationforCM）

1.選擇適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（suitablenutrient）根據(jù)不同的微生物的營(yíng)養(yǎng)要求配制針對(duì)強(qiáng)的培養(yǎng)基。培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫桿菌的培養(yǎng)基組成為：S10gMgSO4.7H2O0.5g（NH4)2SO40.4gFeSO40.01gH2PO44gCaCl20.25gH2O1000ml培養(yǎng)化能異養(yǎng)的大腸桿菌一種培養(yǎng)基是由下列化學(xué)成分組成：葡萄糖5gNH4H2PO41gNaCl5gMgSO4.7H2O0.2gK2HPO41gH2O1000ml常見(jiàn)的培養(yǎng)四大類微生物的培養(yǎng)基細(xì)菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml放線菌（高氏1號(hào)）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml酵母菌(麥芽汁培養(yǎng)基)干麥芽粉加四倍水，在50℃-60℃保溫糖化3-4小時(shí)，用碘液試驗(yàn)檢查至糖化完全為止，調(diào)整糖液濃度為10巴林，煮沸后，紗布過(guò)濾，調(diào)pH為6.0。霉菌（查氏合成培養(yǎng)基）NaNO33gK2HPO41gKCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gFeSO40.01g蔗糖30gH2O1000ml2.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適（suitableconcentrationandratio）培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時(shí)微生物才能生長(zhǎng)良好，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)低時(shí)不能滿足微生物正常生長(zhǎng)所需，濃度過(guò)高時(shí)則可能對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用。培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C/N）的影響較大。碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的物質(zhì)的量比值，有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過(guò)程中，培養(yǎng)基碳氮比為4/1時(shí)，菌體量繁殖，谷氨酸積累少；當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時(shí)，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。3.控制pH條件培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型微生物的生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。通常培養(yǎng)條件：細(xì)菌與放線菌：pH7~7.5酵母菌和霉菌：pH4.5~6范圍內(nèi)生長(zhǎng)為了維持培養(yǎng)基pH的相對(duì)恒定，通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑，或在進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵時(shí)補(bǔ)加酸、堿。4.控制氧化還原電位（redoxpotential）氧化還原電位又稱氧化還原電勢(shì)（redoxpotential），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）。不同類型微生物生長(zhǎng)對(duì)氧化還原電位的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上時(shí)可正常生長(zhǎng),以+0.3～+0.4伏為宜；厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長(zhǎng)；兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時(shí)進(jìn)行好氧呼吸,+0.1伏以下時(shí)進(jìn)行發(fā)酵。5.原料來(lái)源的選擇（Thesourceofrawmaterial）以粗代精以野代家以廢代好以國(guó)代進(jìn)以簡(jiǎn)代繁以氮代朊以烴代糧以纖代糖6.滅菌處理（sterilization）1、一般培養(yǎng)基：

1.05kg/cm2，121.3℃條件下維持15~30min。2、含糖培養(yǎng)基：

0.56kg/cm2，112.6℃、15~30min

進(jìn)行滅菌。原則：高溫短時(shí)二、培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用（ThetypesandapplicationofCM）培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)分成多種類型。按成分不同劃分天然培養(yǎng)基complexmedium合成培養(yǎng)基syntheticmedium含有化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基化學(xué)成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基高氏1號(hào)培養(yǎng)基、查氏培養(yǎng)基按物理狀態(tài)不同劃分固體培養(yǎng)基solidmedium液體培養(yǎng)基liquidmedium在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%-2.0%瓊脂含量一般為0.2%-0.7%不加任何凝固劑半固體培養(yǎng)基semisolidmedium固體培養(yǎng)基常用來(lái)進(jìn)行微生物的分離、鑒定、活菌計(jì)數(shù)及菌種保藏觀察微生物的運(yùn)動(dòng)特征、分類鑒定及噬菌體效價(jià)滴定

大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究按用途不同劃分基礎(chǔ)培養(yǎng)基minimummedium鑒別培養(yǎng)基differentialmedium含有一般微生物生長(zhǎng)繁殖所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基用來(lái)將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來(lái)的培養(yǎng)基用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基selectivemedium在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制成的一類營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基微生物產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物，與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的特征變化牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基enrichmentmedium特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動(dòng)植物組織液等在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或