微生物营养和培养基

第四章微生物营养和培养基微生物细胞的化学组成微生物的营养要素微生物的营养类型微生物对营养物质的吸收方式培养基一、微生物细胞的化学组成（一）化学元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。微量元素(traceelement):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。第一节微生物细胞的化学组成表4—1微生物细胞中几种主要元素的含量（干重的百分数）元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷3——硫1——微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比灰分元素固氮菌酵母菌霉菌P2O5SO3K2ONa2OMgOCaOFe2O3SiO2CuO4.950.292.410.070.820.890.08----3.540.0392.34--0.4280.3830.0350.093--4.850.112.811.120.380.190.160.04--（二）元素在细胞内存在形式：上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中：1．有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.2．无机物：1)参与有机物组成，2)单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.3、水：约占细胞总重70%～90%，以游离水和结合水两种形式存在游离水：干重法可测得；结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的17%—28%。（三）微生物细胞化学组成含量的变化此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。表4—2微生物细胞的化学组成主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15占细碳水化合物12~2827~637~40胞干脂肪5~202~154~40重的核酸10~206~81%无机盐2~303.8~76~12营养物（nutrient）：那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。营养（或叫营养作用，nutrition）：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。第二节微生物的营养要素生物类型营养要素动物（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、碳酸盐氮源蛋白质或其降解物蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮无机氮化物、氮无机氮化物能源与碳同与碳同氧化无机物或利用日光能利用日光能生长因子维生素一部分需要维生素等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表4-3微生物和动物、植物营养要素的比较一、碳源（Carbonsource）◆定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。◆功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。◆种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。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、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等表4—4微生物的碳源谱1.异养微生物：凡必须利用有机碳源的微生物2.自养微生物：凡以无机碳源作为主要碳源的微生物3.碳源的利用顺序：C.H.O(糖类醇类、有机酸和脂类，单糖双糖和多糖，己糖戊糖，葡萄糖、果糖甘露糖、半乳糖，淀粉纤维素、几丁质，纯多糖杂多糖)4.双功能营养物：对一切异样微生物来说，其碳源同时又兼作能源。可以用作洋葱假单胞菌唯一碳源的化合物有:碳水化合物及其衍生物：19种脂肪酸：11种二羧酸：9种其它有机酸：12种伯醇：3种氨基酸：12种其它氮化合物：13种无氮环状化合物：9种微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：糖类（单糖，饴糖）、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）、麸皮、各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2、H2氮源(nitrogensource)凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。二、氮源表4—5微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气1.氮源的利用顺序:N.C.H.O或N.C.H.O.XN.HN.ON2.氨基酸自养型微生物：不需要以氨基酸作氮源，能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸的微生物。3.氨基酸异养型微生物：需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用。速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用。速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。实验室常用的氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。生产上常用的氮源：有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。氮源的种类能源：指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱：有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）化学物质能源谱：无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源3、能源化能自养微生物的能源物质：都是一些还原态的无机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如：硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细菌、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：NH4+既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。）有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。光辐射能：是单功能的，只为光能微生物提供能源。还原态的NH4:是双功能营养物（能源、氮源）氨基酸：三功能营养物（碳源、氮源、能源）生长因子（growthfactor）：是一类对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。主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。四、生长因子（growthfactor）根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：1.野生型(wildtype)和原养型不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株2.营养缺陷型(auxotroph)由于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生长素物质才能生长的菌株1.生长因子自养型微生物:不需要从外界吸收任何生长因子就能正常生长的微生物(如E.coli,多数真菌、纺线菌、细菌)。2.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（如乳酸菌、支原体和原生动物等）。3.生长因子过量合成的微生物：在其代谢活动中，能够大量合成分泌某些维生素等生长因子的微生物（如阿舒假囊酵母、链霉菌、被孢霉等）。根据微生物对生长因子的需要分：无机盐：是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-3－10-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-6－10-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。五、无机盐细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、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（Ma2+等）大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-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）无机盐的生理功能无机元素的来源和功能元素人为提供形式生理功能PKH2PO4、K2HPO4核酸、磷酸和辅酶的成分SMgSO4含硫氨基酸、含硫维生素成分KKH2PO4、K2HPO4酶的辅因子、维持电位差和渗透压NaNaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要CaCa(NO3)2、CaCl2胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成MgMgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分FeFeSO4Cyt成分；合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需MnMnSO4超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子CuCuSO4氧化酶、酪氨酸酶的辅因子CoCoSO4VB12复合物的成分、肽酶的辅因子ZnZnSO4碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子Mo(NH4)6Mo7O24固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分水分：水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理功能表现在下列几个方面：1.细胞的构成成分2.良好的溶剂，一系列生理生化反应的反应介质3.参与许多生理生化反应4.有效地控制细胞内的温度变化六、水几种生物的游离水含量人体：60%海蛰：96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%◆水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水.◆不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物：依靠光能进行生长动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物第三节微生物的营养类型分类标准营养类型1.以能源分光能营养型（phototroph）化能营养型（chemotroph）2.以氢供体分无机营养型（lithotroph）有机营养型(organotroph)3.以碳源分自养型(autotroph)异样型(heterotroph)4.以合成氨基酸能力分氨基酸自养型(aminoacidautotroph)氨基酸异养型(aminoacidheterotroph)5.以生长因子分原养型(prototroph)或野生型(wildtype)营养缺陷型(auxotroph)6.以取食方式分渗透营养型(osmotroph)吞噬营养型(phagotroph)7.以取得死或活有机物分寄生(saprop