1、3.1微生物的营养微生物的营养3.2微生物的代谢微生物的代谢营养物质提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物营养物质提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。质和良好的生理环境。一些一些微生物可利用非物质形式的能源微生物可利用非物质形式的能源光能。光能。1 微生物的营养（微生物的营养（Microbial Nutrition）营养物质营养物质(nutrient)：具有营养功能的物质。：具有营养功能的物质。营养营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种
2、最基本的生理功能。常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。1.1 微生物细胞的化学组成和营养要素1.2 微生物对营养物质的吸收1.3 微生物的营养类型1.4 培养基（微生物们需要吃什么？）（如何给微生物们做饭？）（微生物们是怎样吃东西的？）1 微生物的营养微生物的营养1.1.1微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成微生物细胞微生物细胞水水(70%-90%)干物质干物质有机物有机物(90%-97%)(蛋白质、核酸、糖、脂、维生素等蛋白质、核酸、糖、脂、维生素等及其降解产物及其降解产物)无机物（盐无机物（盐）主要元素：C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Fe等；微量元素：Zn、Mn、Na、C
3、l、Mo、Se、Co、Cu、Ni等。细胞化学元素组成：1.1 微生物细胞的化学组成和营养物质微生物细胞的化学组成和营养物质芽孢、孢子含水量较低芽孢、孢子含水量较低（一般为（一般为40%40%左右）左右）有机物有机物表表3-1 微生物细胞中碳、氮、氢、氧的含量微生物细胞中碳、氮、氢、氧的含量(%)元素元素 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 C 50 49.8 47.9 N 15 12.4 5.2 H 8 6.7 6.7 O 20 31.1 40.2 P 3 S 1 微生物与其他生物的化学组成具有微生物与其他生物的化学组成具有统一性统一性不同的微生物化学组成具有差异性不同的微生物化学组成具有差异性
4、 主要成分主要成分 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 水分水分 7585 7080 8590（占细胞总重的（占细胞总重的%）蛋白质蛋白质 5080 3275 1415 占占 细细 碳水化合物碳水化合物 1228 2763 740 胞胞 干干 脂肪脂肪 520 215 440 重重 的的 核酸核酸 1020 6 8 1%无机盐无机盐 230 3.87 612微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成1.1.21.1.2微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能 生物类型生物类型营养要素营养要素 动物动物（异养）（异养）微生物微生物 绿色植物绿色植物 （自养）（自养）异养异养 自养自养
5、 碳源碳源糖类、糖类、脂肪脂肪糖、醇、有机酸等糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳二氧化碳、碳酸盐等酸盐等二氧化碳、二氧化碳、碳酸盐碳酸盐氮源氮源蛋白质蛋白质或其降或其降解物解物蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮有机或无机氮化物、氮无机氮化物、无机氮化物、氮氮无机氮化物无机氮化物能源能源与碳同与碳同与碳同与碳同氧化无机物或氧化无机物或利用日光能利用日光能利用日光能利用日光能生长因子生长因子维生素维生素一部分需要维生素等一部分需要维生素等不需要不需要不需要不需要无机元素无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐无机盐水分水分水水水水水水水水微生物和动物、植物营养要素的比较微生物
6、和动物、植物营养要素的比较营养物质的功能营养物质的功能:1.1.21.1.2微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能六种营养要素六种营养要素 1.1.水水(water)细胞组分；溶剂（营养物质和代谢产物）；介质（生化反应）；维持细胞的彭压；稳定细胞内环境温度；控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离控制酶、微管、鞭毛等多亚基结构组装和解离水分为游离水和结合水。水分为游离水和结合水。微生物所能利用的是游离水。微生物所能利用的是游离水。功能 2.2.碳源碳源(carbon source)占细胞干重的占细胞干重的50生理功能生理功能 微生物的整体碳源谱十分广泛。微生物的整体碳源谱十分
7、广泛。提供微生物营养所需碳元素的营养源。提供微生物营养所需碳元素的营养源。主要用于构成微生物的细胞物质主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物和一些代谢产物异养微生物的主要能源物质异养微生物的主要能源物质异养微生物：凡必须利用有机碳的微生物异养微生物：凡必须利用有机碳的微生物自养微生物：凡以无机碳源作主要碳源的微生物自养微生物：凡以无机碳源作主要碳源的微生物不同微生物，对碳源的利用能力不同不同微生物，对碳源的利用能力不同如如:假单胞菌属中的某些种可以利用假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上碳源物质；种以上碳源物质；某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷生长。某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲
8、烷生长。E.coli在葡萄糖和半乳糖培养基生长，葡萄糖为在葡萄糖和半乳糖培养基生长，葡萄糖为速效速效碳源，碳源，后者为后者为迟效迟效碳源碳源传统种类：糖类（单糖，饴糖）；淀粉（玉米粉、山芋粉、传统种类：糖类（单糖，饴糖）；淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）；野生植物淀粉等）；各种麸皮、米糠等。各种麸皮、米糠等。代粮发酵：纤维素、石油、代粮发酵：纤维素、石油、CO2异养微生物而言，其最适碳源是异养微生物而言，其最适碳源是“C.H.O”C.H.O”型型在糖类中单糖优于双糖和多糖，己糖优于戊在糖类中单糖优于双糖和多糖，己糖优于戊糖，葡萄糖、果糖优于甘露糖、半乳糖；糖，葡萄糖、果糖优于甘露糖、半乳
9、糖；在多糖中，淀粉优于纤维素或几丁质等纯多在多糖中，淀粉优于纤维素或几丁质等纯多糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖。其次是有机糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖。其次是有机酸、醇类和脂类。酸、醇类和脂类。根据不同微生物对碳源利用的情况，可以做根据不同微生物对碳源利用的情况，可以做什么工作？什么工作？3.3.氮源氮源(nitrogen source)氮源一般不作能源（化能自养型：硝化细菌）氮源一般不作能源（化能自养型：硝化细菌）占细胞干重的占细胞干重的12%15生理功能：提供氮素，构生理功能：构成蛋白生理功能：提供氮素，构生理功能：构成蛋白质和核酸，少数细菌提供能量。质和核酸，少数细菌提供能量。异养微生物：含异
10、养微生物：含C、H、O、N的化合物既是碳的化合物既是碳源，又是氮源源，又是氮源提供微生物生长所需氮元素的营养源。提供微生物生长所需氮元素的营养源。微生物利用氮源谱特点微生物利用氮源谱特点 利用顺序：利用顺序：C-H-O-N、C-H-O-N-X N-H N-O N 常用的氮源常用的氮源 实验用：实验用：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏牛肉膏、蛋白胨、酵母膏 工业用：尿素、氨水、花生饼粉、豆饼粉、麸皮、鱼粉、工业用：尿素、氨水、花生饼粉、豆饼粉、麸皮、鱼粉、玉米浆等玉米浆等 氮谱分类氮谱分类 生理酸性盐生理酸性盐：由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利：由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基用
11、而造成培养基pH值下降值下降的盐，如（的盐，如（NH4)2SO4 生理碱性盐生理碱性盐：由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利：由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸收利用而造成培养基用而造成培养基pH值升高值升高的盐，如的盐，如KNO3 生理中性盐生理中性盐：如：如NH4NO3能源、碳源兼氮源能源、碳源兼氮源NH4NO3NH4+(先入胞先入胞)+NO3-(后入胞后入胞)迟效氮源迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后蛋白氮必须通过水解之后降解降解成胨、肽、成胨、肽、氨基酸等氨基酸等才能才能被机体被机体利用利用。利于利于代谢产物的形成代谢产物的形成，如花生饼粉、黄豆饼粉等，如花生饼粉、黄豆饼粉等，用于用于
12、发酵后期。发酵后期。速效氮源速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以在的有机氮源可以直接直接被菌体被菌体吸收利用吸收利用。利于利于菌体生长菌体生长，如硫酸铵、玉米浆等，如硫酸铵、玉米浆等，用于用于发酵前期。发酵前期。速效氮源和迟效氮源速效氮源和迟效氮源 4.4.生长因子生长因子(growth factor)一类微生物正常代谢必不可少且不能用简一类微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。单的碳源或氮源自行合成的有机物。类型：广义：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱及其衍生物等。此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等。狭义：维生素功能：提供
13、细胞重要化学物质、辅因子的组分和参与代谢。提供细胞重要化学物质、辅因子的组分和参与代谢。需用牛肉膏、酵母膏或配制专门的营养液。需用牛肉膏、酵母膏或配制专门的营养液。玉米浆玉米浆麦芽汁麦芽汁蔬菜汁、麸皮、米糠蔬菜汁、麸皮、米糠 野生型野生型(wild type)(wild type)原养型：不要生长因子而能在基原养型：不要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株。础培养基上生长的菌株。营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)(auxotroph)：自发或诱发突变等原因从野：自发或诱发突变等原因从野生型菌株产生的需要提供特定物质才能生长的菌株。生型菌株产生的需要提供特定物质才能生长的菌株。有些微生物
14、缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型氨基酸缺陷型”。生长因子过量合成：有些微生物在其代谢活动中，会生长因子过量合成：有些微生物在其代谢活动中，会合成出大量的维生素及其他生长因子合成出大量的维生素及其他生长因子 。阿舒假囊酵母阿舒假囊酵母(EremotheciumEremothecium ashbyaashbya)VB)VB2 2营养营养物质物质概念概念来源来源功能功能碳源碳源氮源氮源生长生长因子因子凡能为微生物提凡能为微生物提供所需碳元素的
15、供所需碳元素的物质物质主要是葡萄糖，主要是葡萄糖，还有还有CO2、NaHCO3、脂肪、脂肪酸、花生、石油酸、花生、石油构成细胞物质和一构成细胞物质和一些代谢产物；有些些代谢产物；有些碳源是异养微生物碳源是异养微生物的主要能源物质的主要能源物质凡能为微生物提凡能为微生物提供所需氮元素的供所需氮元素的物质物质常用：铵盐、硝常用：铵盐、硝酸盐；其他如酸盐；其他如N2、氨、尿素、牛肉氨、尿素、牛肉膏、蛋白胨膏、蛋白胨合成蛋白质、合成蛋白质、核酸及含氮的核酸及含氮的代谢产物代谢产物某些微生物生长不某些微生物生长不可缺少的微量有机可缺少的微量有机物，如维生素、氨物，如维生素、氨基酸、碱基等基酸、碱基等酵母
16、膏、蛋白胨、酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、麦芽汁、玉米浆、动植物组织提取动植物组织提取液等液等酶和核酸的组成酶和核酸的组成成分成分 5 5.无机盐无机盐(inorganic salt)为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给。物质，多以无机盐的形式供给。硫酸盐、磷硫酸盐、磷酸盐、氯化物等。酸盐、氯化物等。无机盐的种类无机盐的种类大量元素：生长所需浓度在大量元素：生长所需浓度在103104mol/L范围范围内。如：内。如：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等等微
17、量元素：生长所需浓度在微量元素：生长所需浓度在106108 mol/L范围范围内。如：内。如：Cu、Zn、Mn、Mo和和Co、Ni、Se、Sn等等无机盐无机盐常量元素常量元素微量元素微量元素一般功能一般功能细胞内一般分子成分（细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）等）生理调节物质生理调节物质渗透压渗透压 Na+酶激活剂酶激活剂 Mg2+pH稳定稳定特殊功能特殊功能化能自养菌化能自养菌能源能源 S、Fe、NO-无氧呼吸时无氧呼吸时氢受体氢受体 NO3-、SO42-酶激活剂酶激活剂 Cu2+、Mn2+、Zn2+等等生理功能生理功能 一般微生物生长所需要的无机盐少，特别是微量无素，常混一般
18、微生物生长所需要的无机盐少，特别是微量无素，常混杂在其它营养养质里，除特别需要外，一般不必另外添加。杂在其它营养养质里，除特别需要外，一般不必另外添加。6.6.能源能源（energy source）能为能为微生物的生命活动提供最初微生物的生命活动提供最初能量来能量来源的营养物或辐射能。源的营养物或辐射能。能源谱能源谱化学物质化学物质辐射能辐射能有机物：化能异养微生物有机物：化能异养微生物的能源（的能源（同碳源同碳源）无机物：化能自养微生物无机物：化能自养微生物的能源（的能源（不同于碳源不同于碳源）光能自养和光能异养微生物的能源光能自养和光能异养微生物的能源 一般辐射能是单功能的。一般辐射能是单
19、功能的。化能自养微生物的能源物质化能自养微生物的能源物质都是一些都是一些还原态的无机物质还原态的无机物质，例如：例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用这等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料常常是双功能的（如：养料常常是双功能的（如：NH4+既是硝酸细菌的既是硝酸细菌的能源能源，又是它的又是它的氮源氮源。）。）有机营养物有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物常有双功能或三功能作用，既是异养微生
20、物的能源，又是它们的碳源或氮源。的能源，又是它们的碳源或氮源。一种营养物质通常具有一种以上的功能一种营养物质通常具有一种以上的功能1.2 微生物对营养物质的吸收微生物对营养物质的吸收营养物质营养物质 细胞膜细胞膜 利用利用 生长繁殖生长繁殖影响因素影响因素1.营养物质性质：营养物质性质：2.微生物所处环境：微生物所处环境：3.透过屏障：透过屏障：相对分子质量、溶解性、电负性、相对分子质量、溶解性、电负性、极性、电荷情况极性、电荷情况胞外酶分解胞外酶分解温度；温度；pH与离子强度；渗透压；与离子强度；渗透压；氧分压；环境物质氧分压；环境物质(诱导物质、抑诱导物质、抑制物质和结构类似物制物质和结构
21、类似物)种类、菌龄、生理状态种类、菌龄、生理状态CW、CM、荚膜、粘液层等组成、荚膜、粘液层等组成一般而言，分子越小，脂溶性越高，极性越小，越易通过细胞膜。细胞膜外细胞膜外 细胞膜细胞膜 细胞膜内细胞膜内 S S 单纯扩散（单纯扩散（Simple diffusion）S C S 促进扩散（促进扩散（Facilitated diffusion）S C S 主动运输（主动运输（Active Transport）消耗代谢能，载体构型改变消耗代谢能，载体构型改变 S C S-P（底物被磷酸化）（底物被磷酸化）基团转位基团转位 （Group Translocation）图图 3-1 4种跨膜运输系统比较
22、种跨膜运输系统比较控制营养物质进入和排除的主要屏障控制营养物质进入和排除的主要屏障1 简单（单纯）扩散简单（单纯）扩散特点特点:顺浓度梯度顺浓度梯度;不需要载体蛋白不需要载体蛋白;不耗能量不耗能量;物质物质:水、脂肪酸、水、脂肪酸、乙醇、甘油、乙醇、甘油、O2、CO2等等 物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关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、极性小分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。的物质易通过扩散进出细胞。扩散模式图扩散模式图细胞膜外细胞膜外细胞膜内细胞膜内细胞膜细胞膜2 促进扩散促进扩散特点特点:顺顺浓度梯度浓度梯度;渗透酶参与渗透酶参与;不
23、不耗能量耗能量;物质物质:氨基酸、单氨基酸、单糖、维生素、无机糖、维生素、无机盐等盐等（真核生物普遍，（真核生物普遍，酵母运输糖类）酵母运输糖类）渡船渡船简单扩散随浓度增加而线性增加，简单扩散随浓度增加而线性增加，促进扩散在一定浓度后出现平台促进扩散在一定浓度后出现平台简单扩散和促进扩散的比较简单扩散和促进扩散的比较简单简单扩散扩散促进促进扩散扩散3 主动运输主动运输特点特点:逆浓度梯度逆浓度梯度;需要渗透酶需要渗透酶;耗耗ATP;物质物质:各类溶质，各类溶质，如如K+、乳糖等、乳糖等为什么为什么E.coli细胞内细胞内K+、乳糖比胞外高几百倍？、乳糖比胞外高几百倍？?作用步骤作用步骤:1.A
24、TP酶酶(E)在细胞内侧与在细胞内侧与3个个Na+结合结合,同时消耗能量同时消耗能量;2.磷酸化磷酸化ATP酶酶(E+)构象变化将构象变化将Na+排除胞外排除胞外,并与并与2个个K+结合结合;3.K+激发激发E+脱磷酸化恢复为脱磷酸化恢复为E,同时将同时将K+运入细胞运入细胞.物质：糖、糖的衍生物，物质：糖、糖的衍生物，如葡萄糖等、嘌呤、嘧啶、如葡萄糖等、嘌呤、嘧啶、碱基（但不能输送氨基酸）碱基（但不能输送氨基酸）等运送的物质。等运送的物质。HPr磷酸化磷酸化HPr的去磷酸化的去磷酸化4 基团转位基团转位特点特点:与主动运输同与主动运输同,但但物质发生了磷酸化物质发生了磷酸化磷酸烯醇式丙酮酸磷
25、酸烯醇式丙酮酸运送机制运送机制:磷酸转移酶系统磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮即磷酸烯醇式丙酮酸酸-己糖磷酸转移酶系统己糖磷酸转移酶系统。运送步骤运送步骤:1.1.热稳载体蛋白热稳载体蛋白(HPrHPr)的激活的激活 PEP+HPrPEP+HPr 丙酮酸丙酮酸+P-P-HPrHPrHPrHPr为低分子量为低分子量热稳定性热稳定性蛋白，结合在细胞膜上，具有蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。高能磷酸载体的作用。2 2、糖被磷酸化后运入膜内、糖被磷酸化后运入膜内 P-P-HPrHPr+糖糖 糖糖-P+HPrP+HPr酶酶II对底物有特异性选择作用，可对底物有特异性选择作用，可诱导诱导出一
26、系列与底出一系列与底物分子相应的酶物分子相应的酶II。酶酶I酶酶II四种运输营养物质方式的比较四种运输营养物质方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转位基团转位特异载体蛋白特异载体蛋白运输速度运输速度物质运输方向物质运输方向胞内外浓度胞内外浓度运输分子运输分子能量消耗能量消耗运输后物质的结构运输后物质的结构运输对象运输对象无无慢慢由浓至稀由浓至稀相等相等无特异性无特异性不需要不需要不变不变气体、甘油气体、甘油、乙醇等、乙醇等有有快快由浓至稀由浓至稀相等相等特异性特异性不需要不需要不变不变糖、无机糖、无机盐、氨基盐、氨基酸酸有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度
27、高胞内浓度高特异性特异性需要需要不变不变氨基酸、乳糖氨基酸、乳糖等、等、Na+、K+有有快快由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性需要需要改变改变葡萄糖、嘌呤、葡萄糖、嘌呤、核苷、核苷、1.3微生物的营养类型微生物的营养类型光能无机自养型光能无机自养型光能有机异养型光能有机异养型化能无机自养型化能无机自养型化能有机异养型化能有机异养型分类原则：分类原则：碳源碳源 供氢体供氢体腐生腐生 寄生寄生绝对寄生绝对寄生 兼性寄生兼性寄生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等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞
28、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念珠蓝细菌念珠蓝细菌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+CO2H3CH3C2光能光合色素2 CH3C0CH3+CH2O+H2O紫色非硫细菌紫色非硫细菌 光能无机自养型和光能
29、有机异养型微生物可利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，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。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。环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；参与地球物质循环；C
30、O2+4H+CH2O+H2O 2NH3+3O2+2H2O 2HNO2+4H+4OH-+能量能量亚硝酸细菌亚硝酸细菌产产甲甲烷烷细细菌菌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；4化能有机异养型（化能异养型）腐生型(metatrophy)：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
31、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)；营养类型营养类型电子供体电子供体碳源碳源能源能源代表类群代表类群光能无机自养型光能无机自养型H H2 2S S或或H H2 2O OCOCO2 2光能光能蓝细菌、绿硫细菌蓝细菌、绿硫细菌光能有机异养型光能有机异养型有机物有机物有机物有机物光能光能红螺细菌红螺细菌化能无机自养型化能无机自养型H H2 2、H H2 2S S、FeFe2+2+、NHNH3 3、或或NONO-2 2COCO2 2化学能化学能(无机物氧化无机物氧化)硝化细菌、硫化细硝
32、化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌、氢细菌、铁细菌等菌等化能有机异养型化能有机异养型有机物有机物有机物有机物化学能化学能(有机物氧化有机物氧化)大多数细菌，全大多数细菌，全部真菌、放线菌部真菌、放线菌表表 微生物的营养类型微生物的营养类型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；例如紫色非硫细菌例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)：没有有机物时，同化没有有机物时，同化CO2，为为自养型微生物自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长
33、，为有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为为化能营养型微生物化能营养型微生物；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1.41.4培养基培养基 什么是培养基什么是培养基(Medium)配制培养基的原则配制培养基的原则 培养基的类型以及应用培养基的类型以及应用 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。什么是培养基？什么是培养
34、基？任何培养基具备任何培养基具备六大营养要素六大营养要素，且营养要素间比例恰当。，且营养要素间比例恰当。用途：用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品。制品。注意：注意：制作培养基时，应尽快配制并立即灭菌，否则就杂菌制作培养基时，应尽快配制并立即灭菌，否则就杂菌丛生，并破坏其固有的成分和性质。丛生，并破坏其固有的成分和性质。目的明确目的明确（培养基组分应适合微生物的营养特点）（培养基组分应适合微生物的营养特点）营养协调营养协调（营
35、养物的浓度与比例应恰当）（营养物的浓度与比例应恰当）条件适宜条件适宜（物理化学条件适宜）（物理化学条件适宜）经济节约经济节约（根据培养目的选择原料及其来源）（根据培养目的选择原料及其来源）一、培养基的配制原则一、培养基的配制原则（一）目的明确：培养基组分应适合微生物的营养特点（一）目的明确：培养基组分应适合微生物的营养特点不同微生物不同微生物,配制不同的培养基。配制不同的培养基。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。无机物质组成
36、。异养微生物的培养基至少需要含有一异养微生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。按微生物按微生物主要主要类群类群，需要的培养基成分也不同：，需要的培养基成分也不同：细细 菌：菌：牛肉膏蛋白胨培养基；牛肉膏蛋白胨培养基；LB (Luria-Bertani)放线菌：放线菌：高氏一号培养基高氏一号培养基 真真 菌：菌：查氏合成培养基；查氏合成培养基；PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌：酵母菌：麦芽汁麦芽汁浓度过高浓度过高微生物的生长起抑制作用，微生物的生长起抑制作用，浓度过低浓度过低不能满足微生物
37、生长的需要。不能满足微生物生长的需要。碳氮比（碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累。重要指标。形成与积累。重要指标。速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例 各种金属离子间的比例各种金属离子间的比例 碳源中的碳原子的碳源中的碳原子的mol数数氮源中所含的氮原子的氮源中所含的氮原子的mol数数C/N比值比值=例：谷氨酸生产中例：谷氨酸生产中C/N 4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。时，菌体生长受抑制，而谷
38、氨酸大量增加。（二）营养协调：营养物的浓度与比例应恰当（二）营养协调：营养物的浓度与比例应恰当（三）条件适宜：物理化学条件适宜pH；水活度；水活度；氧化还原电位；氧化还原电位；渗透压；渗透压；（1）pH：各类微生物的最适生长：各类微生物的最适生长pH值各不相同：值各不相同：细细 菌：菌：7.08.0放线菌：放线菌：7.58.5 酵母菌：酵母菌：3.86.0霉霉 菌：菌：4.05.8 在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为值会发生改变，为了维持培养基了
39、维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：值的相对恒定，通常采用下列两种方式：内源调节内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。节培养基的碳氮比。外源调节外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液（三）物理化学条件适宜（三）物理化学条件适宜磷酸缓冲液：磷酸缓冲液：pH值从值从6.07.6之间之间K2HPO4+HCl KH2PO4+KClKH2PO4+KOH K2HPO4+H2O加入加入CaCO3：CO32 HCO3 H2CO3 CO2+H2O+H+H+H+H培养基中所含氨基酸、肽、
40、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。2）水活度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=P/Po式中P代表溶液蒸汽压力,PO代表纯水蒸汽压力。纯水w为1.00,溶液中溶质越多,w越小。微生物在w为0.600.99下生长，w过低时,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。2）水活度3）氧化还原电位称氧化还原电势（称氧化还原电势（redox potential），是度量某氧化还原系统），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，其中的还原剂释放电子
41、或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是单位是V或或mV。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：+0.1V以上时可正常生长,以+0.3+0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于+0.1V条件下生长；兼性厌氧微生物：+0.1V以上时进行好氧呼吸 +0.1V以下时进行发酵3）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加入抗坏血酸（加入抗坏血酸（0.1%0.1%）、硫化氢）、硫化氢(0.025%)(0.025%)、半胱氨酸、半胱氨酸(0.05%)(0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低值。值。
42、无氧无氧有氧有氧振荡、通气、氧分压，提高值值4）渗透压渗透压 等渗透压：最适宜生长等渗透压：最适宜生长 低渗透压：细胞膨胀低渗透压：细胞膨胀 高渗透压：质壁分离高渗透压：质壁分离该培养基的应用目的，即：该培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？是实验室种子培养还是大规模发酵？是初级代谢产物还是次级代谢产物？是初级代谢产物还是次级代谢产物？用于用于培养菌体种子培养菌体种子的培养基应营养丰富，碳的培养基应营养丰富，碳/氮低；氮低；用于大量生产用于大量生产代谢产物代谢产物的培养基，其氮源较种子培养基稍低；的培养基，其氮源较种子培养
43、基稍低；若发酵产物为含氮化合物时，还应提高培养基的氮源含量；若发酵产物为含氮化合物时，还应提高培养基的氮源含量；若是若是次级代谢产物次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定代谢产物；时要考虑是否加入特殊元素或特定代谢产物；（四）根据培养目的（四）根据培养目的-经济节约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培养基成份,特别是在发酵工业中,以降低生产成本。以粗代精以粗代精以以“野野”代代“家家”以废代好以废代好以简代繁以简代繁以烃代粮以烃代粮以纤代糖以纤代糖以无机氮代蛋白以无机氮代蛋白1.生态模拟：调查所培养菌的生态条件，查看生态模拟：调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好嗜好”，对对
44、“症症”下料下料初级天然培养基。初级天然培养基。2.查阅文献：查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借查阅文献：查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方。基配方。3.精心设计：借助优选法或正交试验设计法等方法。精心设计：借助优选法或正交试验设计法等方法。4.实验比实验比 较：较：不同培养基配方的选择比较不同培养基配方的选择比较 单种成分来源和数量的比较单种成分来源和数量的比较 几种成分浓度比例调配的比较几种成分浓度比例调配的比较 小型试验放大到大型生产条件的比较小型试验放大到大型生产条件的比较
45、 pH和温度试验和温度试验二、设计培养基的方法二、设计培养基的方法 高压蒸气灭菌高压蒸气灭菌 一般培养基一般培养基:1.05 Kg/cm2,121.3,15-30 min 含糖培养基含糖培养基:0.56 Kg/cm2,112.6,15-30 min 过滤除菌过滤除菌,分别灭菌分别灭菌,间歇灭菌间歇灭菌附：器皿的灭菌：附：器皿的灭菌：干热空气：干热空气：160，2 小时；小时；高压蒸汽灭菌，烘干备用高压蒸汽灭菌，烘干备用 无菌室的消毒：无菌室的消毒：紫外线紫外线 化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾化学药物熏蒸（苯酚；高锰酸钾+甲醛）甲醛）（1）有害影响）有害影响 形成沉淀物。有机物沉淀如多肽类，无机物
46、如磷酸盐、形成沉淀物。有机物沉淀如多肽类，无机物如磷酸盐、碳酸盐等沉淀。碳酸盐等沉淀。破坏营养，提高色泽。如产生氨基糖、焦糖或黑色素等破坏营养，提高色泽。如产生氨基糖、焦糖或黑色素等引起褐变的物质。引起褐变的物质。改变培养基的改变培养基的pH。一般降低培养基的。一般降低培养基的pH。降低培养基的浓度。气温低时会增加冷凝水。降低培养基的浓度。气温低时会增加冷凝水。防止措施：防止措施：1）特殊加热灭菌法）特殊加热灭菌法分别灭菌（糖液；磷酸盐等）；分别灭菌（糖液；磷酸盐等）；低压灭菌（含糖类等培养基采用低压灭菌（含糖类等培养基采用115 灭菌灭菌15min）间歇灭菌间歇灭菌2）其他方法）其他方法 加
47、入加入0.01EDTA等螯合剂到培养基中，防止金属离子等螯合剂到培养基中，防止金属离子发生沉淀；发生沉淀；用气体灭菌剂如环氧乙烷等对个别成分进行灭菌；用气体灭菌剂如环氧乙烷等对个别成分进行灭菌；（2）消除措施）消除措施 三、培养基的类型及应用三、培养基的类型及应用1 1按成份不同划分按成份不同划分天然培养基天然培养基(complex medium)(complex medium)以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成以化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成合成培养基合成培养基(synthetic medium)(synthetic medium)是由化学成份完全了解的物质
48、配制而成的培养基，也称是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基化学限定培养基(chemically defined medium)chemically defined medium)半合成培养基半合成培养基(semi-defined medium)用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适当补充少量无机盐类而配制的培养基。应用最广。当补充少量无机盐类而配制的培养基。应用最广。三、培养基的类型及应用三、培养基的类型及应用2根据物理状态划分根据物理状态划分固体培养基固体培养基；琼脂琼脂1.5-2.0%；明胶；明胶5-12%；（
49、马铃薯；（马铃薯块、麸皮等、滤膜）块、麸皮等、滤膜）半固体培养基半固体培养基；琼脂琼脂0.3-0.8%；液体培养基液体培养基；脱水培养基脱水培养基：又称预制干燥培养基又称预制干燥培养基,指含有除水分指含有除水分外的一切成分的商品培养基。外的一切成分的商品培养基。1.不被微生物分解、利用、液化；不被微生物分解、利用、液化；2.不因消毒灭菌而被破坏；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；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；凝固点的温度对微生物无害；5.透明度好，粘着力强。透明度好，粘着力强。理想凝固剂应具备的条件理想凝固剂应具备的条件常用的凝固剂有常用的凝
50、固剂有琼脂琼脂(agar)、明胶、明胶(gelatain)和硅胶和硅胶(silica gel)。表3.9 琼脂与明胶主要特征比较内容琼脂明胶常用浓度(%)1.52512熔点()9625凝固点()4020pH微酸酸性灰分(%)161415氧化钙(%)1.150氧化镁(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力 绝大多数微生物不能利用许多微生物能利用1）加富培养基）加富培养基(enrichment medium)在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基。殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基。包括包括血液
