第四章微生物的营养和培养基

第四章微生物的营养和培养基微生物的营养：为了满足其生长和繁殖的的需要微生物从外界摄取其生命活动所必须的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。即获得与利用营养物质的功能。微生物的营养物质：能够满足微生物的生长繁殖和完成其各种生理活动所需要的物质称为微生物的营养物质。即具有营养功能的物质。微生物的营养物质可为它们正常的生命活动提供结构物质（大分子碳架）、能量、代谢调解物质和良好的生理环境。微生物的营养物质来源除无机、有机物质外，还包括光能这种非物质形式的能源。第一节微生物的六类营养要素1微生物的营养要求2微生物的六类营养要素一微生物的营养要求（一）微生物细胞的化学组成微生物细胞由C、H、O、N、S、P、Mg、K、Na、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Mo、Zn等化学元素组成，且以C、H、O、N、S、P六种元素为主，占细菌细胞干重的97%。微生物细胞中的这些元素主要以水、有机物和无机盐的形式存在于细胞中。有机物主要为：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解物与一些代谢产物等物质组成。无机物则是：参与有机物组成或单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中。水是细胞的一种主要成分，一般占微生物营养体重量的百分比：细菌80%左右、酵母菌75%左右、霉菌85%左右；霉菌孢子含水约39%、细菌芽孢核心部分的含水量低于30%。细胞内的有机物、无机物和水等共同赋予细胞的遗传连续性、透性和生化活性。（二）微生物的营养要求微生物细胞也和其他高等生物细胞一样，在元素水平都需要20种左右，且以C、H、O、N、S、P六种元素为主；在营养要素水平上都在六大类的范围内：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。二微生物的六类营养要素（一）碳源1碳源（carbonsource）一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。碳源是微生物需要量最大的营养物，又称大量营养物。2微生物的碳源谱微生物可利用的碳源范围即碳源谱。微生物的碳源谱极广，可分为有机碳和无机碳两大类。3微生物依据碳源谱的分类（1）异养微生物凡必须利用有机碳源的微生物为异养微生物。★有些种类尤其是生长在动物血液、组织和肠道中的致病菌，还须提供少量CO2作碳源才能满足其正常生长。（2）自养微生物凡以无机碳源为主要碳源的微生物为自养微生物。4双功能营养物对一切异养微生物来说，其碳源又兼作能源，这种碳源（营养物）称双功能营养物。（二）氮源1氮源（nitrogensource）凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养物，称为氮源。可分为有机氮源和无机氮源两类。2微生物的氮源谱微生物能利用的氮源范围即氮源谱。3微生物依据氮源谱的分类（1）氨基酸自养型微生物一部分微生物不需要氨基酸作氮源，它们能把尿素、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。这样的微生物叫做氨基酸自养型微生物。★人们可利用氨基酸自养型微生物将尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等廉价氮源转化成菌体蛋白（SCP或食用菌等）或含氮的代谢产物。（2）氨基酸异养型微生物凡需要从外界吸收现成的氨基酸做氮源的微生物叫做氨基酸异养型微生物。（三）能源1能源（energysource）能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物和辐射能，称为能源。2微生物的能源谱微生物所能利用的能源范围叫能源谱。分为化学物质和辐射能两类。由于各种异养微生物的能源就是其碳源，因此微生物的能源谱较简单。3微生物依据能源谱的分类（1）化能营养型微生物以化学物质作为最初能量来源的微生物叫化能营养型微生物。（2）光能营养型微生物以光这种辐射能作为最初能量来源的微生物叫光能营养型微生物。4微生物营养物功能的多重性（1）单功能营养物（2）双功能营养物（3）多功能营养物（四）生长因子1生长因子（growthfactor）是一类调解微生物正常代谢所必须，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。由于它没有能源、碳源和氮源等结构材料的功能，需要量一般很少。2微生物的生长因子谱（1）狭义：一般指维生素。（2）广义：除维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4—C6的分支或直链脂肪酸以及需要量较大的氨基酸。3生长因子的功能既不构成细胞主要物质，也不是能源物质，但有重要生理功能。（1）构成酶的辅基或辅酶的成分，在代谢调节中起重要作用。（2）构成核酸的组成部分。4微生物依据对生长因子的需要的分类（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的微生物叫生长因子自养型微生物。（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叫生长因子异养型微生物。（3）生长因子过量合成微生物少数微生物在其代谢活动中，能合成并分泌大量的维生素等生长因子，这样的微生物叫生长因子过量合成微生物。（五）无机盐1无机盐（mineralsalts）可为微生物提供除碳、氮以外的各种重要元素的无机盐。2无机盐的营养功能（1）大量元素凡生长所需浓度在10-3—10-4mol/L范围内的元素，称为大量元素。如：P、S、K、Mg、Na、Fe等。1）一般功能①细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg、Fe等）；②生理调节物质维持渗透压（Na+、K+等）；酶的激活剂（Mg2+）；PH的稳定2）特殊功能①化能自养菌的能源（S0、Fe2+、NH+4、NO-2等）②无氧呼吸时的氢受体（NO-3、SO42-）（2）微量元素凡生长所需浓度在10-6—10-8mol/L范围内的元素，称为微量元素。微量元素的功能①酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）；②特殊分子结构成分（Co、Mo等）。（六）水1水在微生物中的作用除蓝细菌等少数微生物能利用水中的氢来还原CO2合成糖类外，其他微生物都不是利用水作为营养物质。但水在微生物的生命过程（包括营养过程）中起着重要作用，微生物细胞的含水量很高。所以，它仍属营养要素之一，是微生物生长所需要的极其重要的物质之一。2水在微生物中的重要生理作用（1）是细胞的重要组分（2）与营养物的吸收和代谢物的排出有关（3）是一种最优良的溶剂，可保证几乎一切生物化学反应的进行（4）可维持各种生物大分子结构的稳定性，并参与其重要的生物化学反应（5）由于水的比热高，又是热的良导体，因而能有效地吸收代谢过程放出的热，并将吸收的热迅速地散发出去，因此水能有效地控制细胞的温度变化。第二节微生物的营养类型营养类型：是根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同而划分的微生物类型。微生物营养类型的划分方法很多，常见微生物营养类型的划分是以能源和碳源或生物氧化过程中的氢供体来划分的。一碳源1自养微生物2异养微生物二能源1光能营养型2化能营养型三、电子（氢）供体1无机营养型2有机营养型三能源和氢供体（能源和碳源）1光能无机营养型（光能自养型）2光能有机营养型（光能异养型）3化能无机营养型（化能自养型）4化能有机营养型（化能异养型）第三节营养物质进入细胞的方式除原生动物外，其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物的。细胞膜运送营养物质有四种方式：单纯扩散、促进扩散、主动运送、基团移位。一单纯扩散（simplediffusion）1单纯扩散又称被动扩散。细胞膜在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让膜外高浓度的小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。2特点（1）不通过膜上载体蛋白（2）不消耗能量（3）不能逆浓度梯度运送（4）物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的结构也不发生变化（5）运送的物质无特异性，种类不多。主要为：H2O、O2、CO2、乙醇、甘油、无机盐和某些氨基酸分子。二促进扩散1促进扩散（facilitateddiffusion）指溶质在运送过程中，必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助，但不消耗能量的一种扩散性运送方式。2特点（1）通过膜上载体蛋白的构象变化把膜外高浓度溶质扩散到膜内（2）不消耗能量（3）不能逆浓度梯度运送（4）物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的结构也不发生变化（5）运送的物质有特异性三主动运送1主动运送（activetransport）一类必须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。2特点（1）通过膜上载体蛋白的构象变化把膜上溶质扩散到膜内（2）消耗能量（3）能逆浓度梯度运送（4）物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的结构也不发生变化（5）运送的物质有特异性四基团移位1基团移位（grouptranslocation）一类需载体蛋白的参与，又需耗能的一种物质运送方式，溶质在运送过程中还会发生分子结构的变化。2特点（1）通过膜上载体蛋白把膜上溶质扩散到膜内（2）消耗能量（3）能逆浓度梯度运送（4）物质在运送的过程与膜上的分子发生反应，本身的结构发生变化（5）运送的物质有特异性，主要用于运送各种糖类、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等3运送机制E.coli运送糖的机制：主要依靠磷酸转移酶系统，即磷酸烯酮式丙酮酸—己糖磷酸转移酶系统进行。具体运送分两步进行：（1）热稳载体蛋白（HPr）的激活细胞内高能化合物—磷酸烯酮式丙酮酸（PEP）的磷酸基团通过酶Ⅰ的作用把HPr激活：HPr和酶Ⅰ在磷酸转移酶系统中，均无底物特异性。酶ⅠPEP+HPr丙酮酸（Pyr）+P~HPr（2）糖经磷酸化而运入细胞膜内1）膜外环境中的糖先与膜外表面上的底物特异蛋白—酶Ⅱc结合；2）糖分子被由P~HPr酶Ⅱa酶Ⅱb逐级传递来的磷酸基团激活；HPr～P+GG～P+HPr3）通过酶Ⅱc再把这一磷酸糖释放到细胞质中★此系统由24种蛋白组成，4种蛋白参与运送一种糖；每输入一个葡萄糖分子要消耗一个ATP的能量。五、四种运送营养物质方式的比较酶Ⅱ第四节培养基培养基（medium，复数media；或culturemedium）：由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合营养料。★任何培养基都应具备微生物生长所需要的六大类营养要素，且期间的比例是合适的。制作培养基时应尽快配制并灭菌，否则就会杂菌丛生，并破坏固有的成分和性质。难养菌：不能在人工培养基上生长的菌。为少数寄生或共生菌，如：类支原体、类立克次氏体、少数寄生真菌。一选用和设计培养基的原则和方法（一）四个原则1目的明确2营养协调（1）培养基中的碳氮比（C/N）1）营养物对微生物生长的影响浓度合适的条件下才表现出良好的作用，在浓度大时反而会对微生物的生长起抑制作用（如糖类、重金属离子等在浓度大时抑菌或杀菌）。培养基中各营养物质之间的浓度比也直接影响微生物的生长和繁殖，或影响代谢产物的形成和积累，其中以培养基中的C/N更为明显。2）碳氮比在微生物的培养基中所含的碳源中的碳原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比。◆C/N的高低直接影响各类微生物的生长和繁殖。一般来说，真菌需C/N比较高的培养基，细菌尤其是动物病原菌需C/N比较低的培养基。★配制培养基时要注意C源与N源之间的相对比例，有重要意义。★味精生产中常用控制C/N以满足菌体大量繁殖（C/N=4/1），并满足谷氨酸的高产（C/N=3/1）。（2）化能异养菌的培养基中各营养要素间的比例各营养要素间在量上的比例大体符合十倍序列的递减规律。要素：H2OC+能源N源P、SK、Mg生长因子含量：~10-1~10-2~10-3~10-4~10-5~10-63理化适宜指培养基的PH值、渗透压、水活度和氧化还原势等物理化学条件较为适宜。（1）PH1）各类微生物生长适宜的PH范围细菌：7.0~8.0；放线菌：7.5~8.5；酵母菌：3.8~6.0；霉菌：4.0~5.8：藻类：6.0~7.0；原生动物：6.0~8.0。（但对某一具体微生物的物种来说，其生长的最适PH范围常可突破此界限，其中一些嗜极菌更为突出。）2）PH的内源调节即设计培养基时要考虑培养基成分对PH的调节能力。内源调节方式有两种：①借磷酸缓冲液进行调整②以CaCO3作“备用碱”进行调整★实际生产时也可通过不断从外界流加酸或碱，以调整培养液的PH值。（2）渗透压和水活度1）渗透压