第五章微生物的营养和培养基

1微生物的营养和培养基微生物生命活动的物质之源2内容第一节微生物的六类营养要素一、微生物细胞的化学组成二、微生物的营养物质及其生理功能第二节微生物的营养类型第三节营养物质的跨膜输送一、影响营养物进出细胞的因素二、微生物吸收营养的方式第四节培养基一、选用和设计培养基的原则和方法二、培养基的种类3几个概念营养（Nutrition）生物体从外界环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，满足其生长和繁殖所需要的的一种最基本的生理功能。营养是生命活动的起始点，为一切生命活动提供了必需的物质基础。营养物、营养素（Nutrient）具有营养功能的物质，包括非常规物质形式的光辐射能，微生物在生命活动中从环境中吸收的用以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的物质。为微生物的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。4第一节微生物的六类营养要素一、微生物细胞的化学组成二、微生物的营养物质及其生理功能碳源氮源能源生长因子无机盐水5一、微生物细胞的化学组成元素组成：各种微生物细胞化学元素组成基本相似Macronutrients、Macroelement碳、氢、氧、氮、磷、硫（97％）钾K、镁Mg、钙Ca、铁FeMicronutrients、TraceElement、Microelement锌Zn、锰Mn、钠Na、氯Cl、钼Mo、硒Se、钴Co、铜Cu、钨、镍、硼影响微生物细胞化学元素组成比例的因素微生物种类：硫细菌、铁细菌菌龄：幼龄V老龄培养条件67（二）微生物细胞的化学成分及分析微生物细胞中的各种元素的存在形式要以水、有机物、无机物的形式存在于细胞中微生物细胞的化学组成的影响因素微生物种类、菌龄、培养条件有机物蛋白质、核酸、维生素及降解产物和中间代谢产物无机物细胞中与有机物质结合或者单独存在的无机盐水81、水分微生物细胞含量最高的物质，占细胞重量70~90%含水量与微生物种类有关细菌细胞的平均含水量为75~85%酵母菌70~80%霉菌85~95%与微生物所处环境条件与细胞本身生理状态有关酵母菌在20℃时含水量91%，43℃时为4%???与细胞不同结构有关，芽孢含40%，霉菌孢子38%细胞内的水可分为游离水和结合水两种类型9细胞内水的类型游离水（FreeWater）在空气中放干燥剂或用真空干燥后可以从细胞内脱掉，作为溶剂参与体内生理活动结合水Bindingwater在空气中放干燥剂或用真空干燥后不能从细胞内脱掉，须加温才能失去，与细胞物质结合在一起，不能作为溶剂。不易挥发，0℃下不冻结，不具流动性、渗透性营养体的游离水和结合水的比例为4：1，芽孢和孢子结合水与游离水的比例高于其他细胞，故芽孢有较强的抗逆性10细胞干重DryWeight采用物理方法（高温烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干）将细胞干燥至恒重即为干重细胞湿重WetWeight将细胞表面吸附的水分去掉以后细胞含水量请计算细胞含水量的公式112、蛋白质(protein)细胞干物质的主要成分，分布在细胞壁、细胞膜细胞质、细胞核等结构中，含量可高达干物质的80%一般细菌、酵母菌中蛋白质的含量高于霉菌分简单蛋白质和复合蛋白质二类，前者有球蛋白和清蛋白，后者包括核蛋白、糖蛋白、脂蛋白等。在微生物细胞中，核蛋白含量特别高，可占蛋白总量的1/3~1/2123、核酸（NucleicAcids）微生物细胞一般都含有两种核酸：DNA和RNA。其中细菌、酵母菌的含量高于霉菌RNA主要存在于细胞质中，大多与蛋白结合以核蛋白形式存在。DNA主要存在于细胞核中，少量以质粒形式存在于细胞质中同一种微生物中，RNA的含量常随生长时期的变化而变化，DNA的含量则是恒定的。用DNA碱基比例或GC百分比值作为分类鉴定的指标，已在某些细菌和酵母的分类中得到应用134、碳水化合物(Carbohydrate)微生物细胞中含有单糖、双糖和多糖，主的形式存在。单糖主要是己糖和戊糖。多糖有荚膜多糖、纤维素、半纤维素、淀粉、糖原等不同种类。组成细胞结构或细胞储藏物质微生物多糖的开发145、脂类(lipoid)微生物的脂类物质包括脂肪、磷脂、蜡和固醇脂类在细胞中以游离或结合状态存在于细胞壁、细胞膜、细胞质中磷脂构成细胞的膜系统；固醇主要在酵母菌等真菌的细胞膜上；蜡在某些微生物的细胞壁或分生孢子的表面；脂肪常以油滴状出现在细胞质中，作为储藏物质微生物细胞内脂肪含量与菌种和培养条件有密切关系如粘红酵母细胞中脂肪含量高达50%，另外含糖量高的培养基可促进脂肪的累积156、维生素(vitamin)微生物细胞内含有数量不等、种类不同的维生素阿舒假囊酵母细胞内含有较多核黄素丙酸杆菌属和放线菌菌丝体含较多VB12167、抗生素(Antibiotic)目前研制生产的5000多种抗生素中，70%物产生微生物产生的抗生素青霉素ProducedbyPenicilliumchroynium青霉素的核心结构17188、无机盐类无机元素约占细胞干重的10%左右，包括P、Mg、Fe、K、Na等。一般以磷的含量为最高，约占全部灰分的40%左右。少数以游离的状态存在，大部分以无机盐的形式存在或结合于有机物质中。无机盐的分析灰分AshConstituent199、其他物质色素毒素等物质20如何对微生物的物质组成进行分析有机物的分析化学法抽提细胞分级问题蛋白质分析？？？核酸分析？？？多糖分析？？？维生素分析？？？无机物的分析21二、微生物的营养物质及其功能微生物细胞的化学组成物来自于周围环境的营养物22对营养物质的要求能透过细胞屏障（壁、膜）在细胞内经酶作用变成细胞物质、能量、调节物从营养要素水平看微生物的营养物质包括六大类水（Water）或水分活度（Aw）碳源（SourceofCarbon）氮源无机盐生长因子能源231.碳源—微生物碳架的来源生理功能：作为碳源和能源占细胞干重的50％；微生物的整体碳源谱十分广泛24表微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平CHONX复杂蛋白质、核酸牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉CHON氨基酸、简单蛋白质一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等CH烃类天然气、石油及馏分、石蜡油C(?)假设——COCO2CO2COXNaHCO3，CaCO3等NaHCO3，CaCO3、白垩等无机碳有机碳2526几点说明异养微生物：必须利用有机碳源的微生物自养微生物：凡以无机碳源作为主要碳源的微生物微生物几乎能利用所有的碳化合物异养微生物最适碳源为C-H-O，其中糖类最广泛。单糖胜于双、多糖；葡萄糖、果糖优于半乳糖；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；其次是有机酸、醇类和脂类。不同种的微生物其具体碳源利用范围悬殊Pseudomonascepacia：90种产甲烷菌：二氧化碳、1C和2C化合物双功能营养物27碳源培养基原料的选择原料水平的物质营养成分相当复杂具体天然培养基原料的复杂性糖蜜Molasses糖类、氨基酸、有机酸、维生素、无机盐和色素甜薯干马铃薯玉米粉红糖282、氮源（NitrogenSource）N源的功能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，占细胞干重的12-15％。生理功能提供氮素，构成蛋白质和核酸在少数细菌中提供能量29微生物的氮源谱SpectrumofNS类型元素水平化合物水平培养基原料水平NCHOX复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、饼粕粉、蚕蛹粉等NCHO尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等NHNH3、铵盐等（NH4)2SO4等NO硝酸盐等KNO3等NN2空气无机氮有机氮3031异养微生物的氮源谱特点微生物对氮源的利用顺序C-H-O-N、C-H-O-N-X〉N-H〉N-O微生物培养基中常用的氮源牛肉膏酵母膏植物饼粕粉蚕蛹粉32是否需要氨基酸作为氮源氨基酸自养型微生物（AminoacidAutotrophs能将简单的无机氮源（尿素、铵盐、硝酸盐、氮气等）自行合成所需要的一切氨基酸的微生物氨基酸自养型微生物的意义菌体蛋白的生产：SCP、食用菌食物资源氨基酸异养型微生物（AminoacidHeterotrophs）需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物33生理酸性盐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pH值下降的盐。如（NH4）2SO4生理碱性盐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PH值升高的盐。如KNO3343、能源（EnergySource）凡是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微生物的能源谱化学物质（化能营养型）有机物：化能异养微生物能源（同碳源）无机物：化能自养微生物能源（不同于碳源）辐射能（光能营养型）光能自养和光能异养微生物的能源一种营养物通常具有一种以上的功能一般辐射能是单功能的。还原态无机氧化物是双功能的，有机物常有双功能或三功能35化能自养微生物的能源还原态的无机物NH4+,NO2,S,H2S,H2,Fe等化能自养微生物原核生物亚硝酸盐细菌硝酸细菌硫化细菌硫细菌氢细菌铁细菌36单功能营养物双功能营养物三功能营养物374、生长因子（生长因素）GrowthFactors一类微生物生命活动过程中调节微生物正常代谢所必需、需要量不大的、但不能用简单的碳源或氮源自身合成的有机营养物。广义生长因子维生素、卟啉、碱基、氨基酸、嘌呤、嘧啶及其衍生物、C4~C6脂肪酸、营养缺陷型氨基酸狭义生长因子：维生素生长因子来源：酵母膏（Yeastextract）、牛肉浸出液（BeefExtract）、肝浸液（Liverinfusion）、小牛血清、麦芽汁（MaltExtract）、玉米浆（Cornsteepliquor）、蔬菜汁、麸皮、米糠等3839并非任何一种微生物都必须从外界吸收生长因子，依据微生物与生长因子的关系分为：生长因子自养型Auxoautotrophs不需要从外界吸收任何生长因子真菌、放线菌、细菌E.coli生长因子异养型需要从外界吸收多种生长因子乳酸菌生长因子过量合成型微生物核黄素产生菌维生素B12产生菌40生长因子异养型微生物乳酸菌：需要多种维生素动物致病菌流感嗜血杆菌：卟啉及其衍生物Haemophilusparahaemolyticus：胺类支原体：甾醇原生动物瘤胃微生物：C4~C6直链或分支脂肪酸厌氧菌：Bacteroidesmelaninogenicus：VK、氯高铁血红素生长因子的生物测定4142生长因子过量合成的微生物Eremotheciumashbya、Ashbyagossypii：VB2Propionibacteriumshermanii、Streptomycesspp.、产甲烷菌：VB1243445、无机盐为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素无机盐的种类大量元素Macroelements生长所需浓度在10-3~10-4mol/L范围内。如P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等微量元素Microelements生长所需浓度在10-6~10-8mol/L范围内。如Cu、Zn、Mn、Mo和Co、Ni、Se、Sn等不同微生物所需要的无机盐浓度差别很大G-对Mg2+的需求45无机盐的营养功能细胞结构组分生理调节转移能量酶的激活剂或辅酶因子4647486、水微生物所能利用的是游离水功能：细胞的重要组成微生物代谢活动的介质参与部分生化反应参与营养物质的吸收、代谢产物及热量的排出4950第二节微生物的营养类型51一、营养类型分类营养类型根据微生物生长所需要的主要营养要素即碳源和能源的不同而划分的微生物类型营养类型的分类标准能源氢供体碳源合成氨基酸生长因子取食方式有机物死活52微生物营养类型的分类分类标准营养类型以能源分光能营养型、化能营养型以氢供体分无机营养型、有机营养型以碳源分自养型、异养型以合成氨基酸能力分氨基酸自养型、氨基酸异养型以生长因子分原养型或野生型、营养缺陷型以取食方式分渗透营养型、吞噬营养型以取得死或活有机物分腐生、寄生53以能源分光能型Phototroph利用光能通过光化学反应产能化能型Chemotroph利用化合物通过氧化还原反应产能以碳源分自养型Autotroph以CO2或