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第四章微生物的营养和培养基1微生物学营养(Nutrition)•最基本生理功能：从外界摄取能量和物质满足生物体正常生长和繁殖需要（动词）•是生命体活动的始点•为生命活动提供物质基础营养物（Nutrient)•广谱性：包括物质和光辐射能等•功能性：供物质、能量、代谢调节物和必要的生理环境营养与营养物研究微生物营养的重要性•研究的基础：是开发和研究微生物的基础•设计的依据：筛选微生物培养基的理论依据•实践的必须：为生产实践提供经济、节约和高效益的应用培养基。1、厌氧古生菌121，仅以Fe3+为电子受体，成功分离该菌的关键；2、一株古生菌利用气体H2和CO2为生长底物，培养时需要高压来增强气体溶解度，促进该菌生长才能成功分离。硫细菌(sulfurbacteria)——硫元素；铁细菌(ironbacteria)——铁元素；海洋细菌(marinebacteria)——钠、氯等元素；硅藻(Diatom)——硅酸构建富含(SiO2)n的细胞壁。微生物细胞的化学元素的比例常因微生物种类的不同有差异ABacteriumThatCanGrowbyUsingArsenicInsteadofPhosphorusFelisaWolfe-Simon,etal.Science3June2011:Vol.332no.6034pp.1163-1166“食砷”细菌风波2010年12月NASA宣布发现食神细菌。但2012年10月，以色列魏兹曼科学院宣布：强悍细菌只是过滤砷元素并非“砷基生命”，2012，10，Science发表本章内容：第一、二节微生物的营养要素及营养类型（微生物们需要吃什么？）第三节营养物质进入细胞的方式（微生物们是怎样吃东西的）第四节培养基（如何给微生物们做饭）微生物的营养类型及其特点如何根据需要正确地选择和使用培养基微生物吸收营养物质的主要方式及其基本特点本章学习重点：6第一节微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成微生物细胞水：70%-90%干物质有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在“营养需求上的统一性”细胞化学元素组成：主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。元素水平上需要20种左右7二、营养物质及其生理功能微生物与动植物营养要素的比较动物（异养）微生物绿色植物（自养）异养自养碳源糖类、脂肪糖、醇、有机酸等二氧化碳、碳酸盐等二氧化碳氮源蛋白质及其降解物蛋白质及其降解物、有机氮化物、无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳源同与碳源同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素有些需要维生素等生长因子不需要不需要无机元素无机盐无机盐无机盐无机盐水分水水水水8第一节微生物的营养要求（一）碳源与碳源谱•碳源：提供碳元素（碳架）的营养源。•碳源谱：从微生物整体来看，碳源的范围类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂质等葡萄糖、蔗糖、糖蜜、各种淀粉等C·H烃类天然气、石油及其不同馏分、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等9微生物碳源谱特点•2个类型：有机碳源（异养微生物，种数多）无机碳源（自养微生物，种数少）•谱广：碳源谱很广动、植物界的总和，除C以外。•最佳碳源：为C•H•O型有机物。•双功能C：异养菌的碳源等于能源，碳源常是双功能营养物•利用差异：微生物间利用碳源谱能力差异大。例如，假单胞杆菌属的某些菌能利用90多种碳源物质；甲烷氧化菌只能利用甲烷、甲酸和甲醇几种；产甲烷菌仅能利用CO2和少数1C或2C化合物。10酚、氰化物等有毒物质对人类有毒的物质，例如，酚、氰化物等某些微生物，例如，诺卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除“三废”致病菌的碳源特点•要求高：必须利用各种有机营养物为碳源•需血清：不少种类致病菌需动物血清、组织或宿主自身作为培养基•供CO2：有些种类常需要提供10%（V/V）CO2才能长好如生长在动物血清、组织或肠道中的致病菌（沙门氏菌、李斯特菌等）。（二）氮源与氮源谱•氮源：提供氮元素，构成蛋白质与核酸的主要元素。13微生物氮源谱特点•类型：无机氮源、有机氮源两类。•谱广：氮源广（比动、植物）（固氮菌、根瘤菌和蓝细菌等可以利用N2）•最适氮源：最适氮源序列为：N•C•H•ON•HN•ON常用的有机氮源：牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、饼粕粉、蚕蛹粉•以是否需要现成的aa为氮源，将生物分为：氨基酸异养型生物：利用现成氨基酸为氮源的生物：动物，多数异养微生物氨基酸自养型生物：利用外界简单无机氮源合成自身所需氨基酸：绿色植物和一些微生物（E.coli，酿酒酵母、多数放线菌和真菌）14•固氮型利用空气氮合成氨为菌体吸收；•自养型：无机合成型利用NH4+和NO3-合成自身菌体蛋白；有机型则利用尿素为自身的氮源。氨基酸自养型微生物的重要性•应用：利用氨基酸自养型微生物生产有用氨基酸及单细胞蛋白质（SCP），供氨基酸自养型生物食用。什么是SCP？15例外：硝化细菌，能利用NH3氧化获得能量，NH3既是氮源又是能源。（见p125）氮源物质一般不提供能量！氮源功能：（1）构成细胞物质（2）构成代谢产物（3）少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源17（三）无机盐定义及类型•定义：为微生物提供除碳、氮以外的各种重要生物必需元素营养物的统称大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等生长所需浓度在10-3~10-4mol/L•类型微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo和Co等生长所需浓度在10-6~10-8mol/L18无机盐功能细胞结构成分(S、P、Ca、Mg、Fe等)生理活性调节物(Na+--维持渗透压；Mg2+--酶激等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+)特殊分子结构成分(Co、Mo)还有(W、Se)大量元素微量元素化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-等)无氧呼吸的电子受体(NO2-/NO3-、SO42-等)19无机盐的提供方式•大量元素：加入有关化学试剂，如K2HPO4及MgSO4等•微量元素：为一般化学试剂中含之及天然成分-水或玻璃器皿中杂质等配置精细合成培养基要点•清净：所用玻璃器皿是硬质的、试剂是高纯度的。•防污：配置中特别小心，防止其他有机物、无机物污染。•按序：依据需求一一加入无机元素，以作精细分析20eg:p101:合成的葡萄糖铵盐培养基成分（E.coli等）；培养链霉菌的高氏一号。（四）生长因子(growthfactor)定义•定义要点：1.必须的：为某些微生物维持正常代谢必不可少2.外来的：外界供给，生物体不能以简单碳源和氮源自身合成3.少量的：需要较少的一类有机物质狭义与广义生长因子：狭义：仅指维生素类为人、动物与微生物所必需物广义：还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分枝或直链脂肪酸,有时还将营养缺陷突变株所需的氨基酸也可算在内。21生长因子与碳源、氮源和能源有异，非一切微生物所必需。微生物按生长因子分类•自养型：不需要外界提供生长因子的称生长因子自养型微生物•异养型：必需由外界提供生长因子才能正常生长的称生长因子异养型微生物，如乳酸菌、动物致病菌等•生长因子过量合成型：自养型中一类能大量合成且分泌与累积生长因子的微生物如杜氏盐藻属生产β-胡萝卜素；阿舒假囊酵母生产维生素B222生长因子的生理机能•维生素–构成酶的辅基、辅酶，参与氧化还原反应等–构成酶辅基的前体物，参与转移氨等反应–构成酶辅酶的前体物，参与糖及脂肪的合成等•甾醇：枝原体等膜的结构成分•脂肪酸：瘤胃微生物等•氨基酸：营养缺陷型细菌的必需营养与生长因子23生长因子提供及测定法•提供：添加富含生长因子的天然原料试验，如酵母膏、玉米浆、肝浸汁、麦芽汁或新鲜动、植物组织液等则成本低。•鉴定：若须知某一生长因子异养型微生物需何类何种生长因子,则需作生长因子谱测定。酵母膏、玉米浆富含生长因子维生素类11种氨基酸类18种维生素类5种氨基酸类15种玉米浆Cornsteepliquor酵母膏yeastextract26复合维生素(用于分离培养土壤和水生菌)维生素种类含量生物素0.2mg烟碱酸2.0mgB11.0mgPABA1.0mg泛酸0.5mgB65.0mgB122.0mgH2O100ml27（五）水--生命体的源泉最大营养物：生命体最基本的要素、需求量最大的营养物、含量可达细胞的70~90%。水功能：溶剂、能维持生物大分子的结构稳定、参与各种生化反应。细菌约80%•营养体：酵母约75%霉菌约85%•霉菌孢子：约39%•细菌芽孢：芽孢核心极低28（六）能源与能源谱能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源。29微生物能源特点•独特类型：化能自养菌是生物界最独特生物类型，能利用一些还原态的无机物，例如,NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等（p89/124）单功能营养物：光辐射、CO2、N2等•营养物分类：双功能营养物：NH4+、纯葡萄糖等多功能营养物：氨基酸、牛肉膏、蛋白胨等30第二节微生物的营养类型划分依据营养类型特点能源光能营养型(phototrophs)以光为能源化能营养型(chemotrophs)以无机物或有机物氧化释放的化学能为能源碳源自养型(autotrophs)以CO2为唯一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源电子供体无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体微生物营养类型的分类：依据主要营养要素能源、碳源和H供体划分方法多样，见p91，表4-331微生物的营养类型主要四类营养类型能源电子供体碳源举例光能无机营养型（光能自养型）光能H2、H2S、S或H2OCO2着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光能有机物CO2及简单有机物红螺细菌（即紫色非硫细菌）化能无机营养型（化能自养型）化学能(无机物氧化)H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-CO2氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、醋杆菌属(Acetobacter)化能有机营养型（化能异养型）化学能（有机物氧化)有机物有机物假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物第二节微生物的营养类型光能自养型：以光为能源，不依赖任何有机物即可正常生长光能异养型：以光为能源，但生长需要一定的有机营养化能自养型：以无机物的氧化获得能量，生长不依赖有机营养物化能异养型：以有机物的氧化获得能量，生长依赖于有机营养物质32按能源或氢供体的顺序来表达自养微生物营养及代谢特点营养要素营养物类型能源：辐射能(如太阳光)无机物，如：NH4+,NO2-,S,H2S,H2,Fe2+等碳源：CO2氮源：无机氮生长因子：不需要，即自养型或合成分泌型代谢特点：含卡尔文循环（已发现多个新的CO2固定途径）特点：不依赖有机物异养微生物营养要点：•至少需提供一种量大的有机物才能满足其正常营养需求•其碳源、氢供体为有机物，能源则可利用氧化有机物或吸收日光能获得特点：依赖有机物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、H2O、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；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。紫硫细菌，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+H2O352．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