第四章第四章 微生物的营养微生物的营养本章内容： 第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求第三节第三节 营养物质进入细胞方式营养物质进入细胞方式第二节第二节 培养基培养基微生物的营养类型及其特点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微生物吸收营养物质的主要方式及其基本特点本本章章学学习习重重点点：第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成一、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蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等及其降解产物及其降解产物 无机物（盐）无机物（盐）微生物、动物、植物之间存在微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性营养上的统一性”细胞化学元素组成：细胞化学元素组成：主要元素主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。（参见（参见P79 84）第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求二、营养物质及其生理功能二、营养物质及其生理功能微生物与动植物营养要素的比较微生物与动植物营养要素的比较第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型异养型生物异养型生物自养型生物自养型生物生长所需要的营养物质生长所需要的营养物质生物生长过程中能量的来源生物生长过程中能量的来源光能营养型光能营养型化能营养型化能营养型（参见（参见P84）第一节第一节 微生物的营养要求微生物的营养要求三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型（参见P84）三、微生物的营养类型三、微生物的营养类型不同营养类型之间的界限并非绝对不同营养类型之间的界限并非绝对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；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，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件变化的适应能力第二节第二节 培养基培养基培养基培养基：人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。代谢产物的营养基质。 碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水（参见参见P85）任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理（P88 第第3大段）大段）；常规高压蒸汽灭菌：常规高压蒸汽灭菌：常用常用121（15磅）磅）15-30分钟分钟某些成分进行分别灭菌；某些成分进行分别灭菌；过滤除菌过滤除菌；第二节第二节 培养基培养基（参见参见P85）一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生产实践中，配制合适的培养基是一项最基本的要求。在微生物学研究和生产实践中，配制合适的培养基是一项最基本的要求。1、选择适宜的营养物质、选择适宜的营养物质2、营养物的浓度及配比合适、营养物的浓度及配比合适3、物理、化学条件适宜、物理、化学条件适宜4、经济节约、经济节约5、精心设计、试验比较、精心设计、试验比较一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法1、选择适宜的营养物质、选择适宜的营养物质培养培养不同的微生物不同的微生物应根据其特点采用应根据其特点采用不同的培养条件不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；培养目的不同，原料的选择和配比不同；实验室的常用培养基：实验室的常用培养基：细菌：细菌： 牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；放线菌：放线菌：高氏高氏1号合成培养基培养；号合成培养基培养；酵母菌：酵母菌：麦芽汁培养基；麦芽汁培养基；霉菌：霉菌： 查氏合成培养基；查氏合成培养基；例如枯草芽胞杆菌：例如枯草芽胞杆菌：一般培养：一般培养：肉汤培养基或肉汤培养基或LB培养基；培养基；自然转化：自然转化：基础培养基；基础培养基；观察芽胞：观察芽胞：生胞子培养基；生胞子培养基；产蛋白酶：产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；（参见（参见P85）实验室一般培养：实验室一般培养：普通常用培养基普通常用培养基；遗传研究：遗传研究：成分清楚的合成培养基成分清楚的合成培养基；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法2、营养物质浓度及配比合适、营养物质浓度及配比合适营养物质的浓度适宜；营养物质的浓度适宜；营养物质之间的配比适宜；营养物质之间的配比适宜；高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。（P87 第第2大段）大段）培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和繁殖和(或或)代谢产物的形成和积累，其中碳氮比代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。的影响较大。（P87 第第2大段）大段）发酵生产谷氨酸时：发酵生产谷氨酸时：碳氮比为碳氮比为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；碳氮比为碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。（参见（参见P87）一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜pH；氧化还原电位；氧化还原电位；3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜1）pH培养基的培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。微生物的生长繁殖或产生代谢产物。（P87 第第3大段）大段）通常培养条件：通常培养条件： 细菌与放线菌：细菌与放线菌：pH77.5 酵母菌和霉菌：酵母菌和霉菌：pH4.56范围内生长范围内生长 为了维持培养基为了维持培养基pH的相对恒定，通常在培养基中加入的相对恒定，通常在培养基中加入pH缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、碱。（P87 第第3大段）大段）3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜2）氧化还原电位）氧化还原电位（参见（参见P87）又称氧化还原电势（又称氧化还原电势（redox potential），），是度量某氧化还原系统中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，其单位是的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V（伏）或伏）或mV（毫伏）。毫伏）。好氧性微生物：好氧性微生物： +0.1伏伏以上时可正常生长以上时可正常生长,以以+0.3+0.4伏伏为宜；为宜；厌氧性微生物：厌氧性微生物： 低于低于+0.1伏伏条件下生长；条件下生长；兼性厌氧微生物：兼性厌氧微生物： +0.1伏伏以上时进行好氧呼吸以上时进行好氧呼吸, +0.1伏伏以下时进行发酵。以下时进行发酵。 （P 88 第第1大段）大段）3、物理化学条件适宜、物理化学条件适宜2）氧化还原电位）氧化还原电位（参见（参见P85） 氧化还原电位与氧化还原电位与氧分压氧分压和和pH有关，也受某些微生物有关，也受某些微生物代谢产物代谢产物（培养基成分）（培养基成分）的影响的影响 （P 88 第第1大段）大段）增加通气量增加通气量(如振荡培养、搅拌如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加提高培养基的氧分压，或加入氧化剂，从而增加值；值；反之，反之，煮沸驱氧后将培养基与空气隔绝煮沸驱氧后将培养基与空气隔绝，以及，以及在培养基中加入抗坏血酸（在培养基中加入抗坏血酸（0.1%）、硫化氢）、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸、半胱氨酸(0.05%)、谷胱甘肽、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低值。值。 （P 88 第第1大段）大段）一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法4、经济节约、经济节约（参见（参见P88 第第2大段）大段）配制培养基时应配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基作为培养基成份成份,特别是在发酵工业中特别是在发酵工业中,以以降低生产成本降低生产成本。（P88第第2大段）大段）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对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。而且在经济上也节约。而且在经济上也节约。以野生植物原料代替栽培植物原料以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发酵的碳源。酵的碳源。以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。以工农业生产中易污染环境的废弃物作为培养微生物的原料。例如，例如，糖蜜糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清乳清(乳制品工业中含有乳制品工业中含有乳糖的废液乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。等都可作为培养基的原料。工业上的甲烷发酵主要利用工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣废水、废渣作原料作原料,在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。在我国农村，已推广利用粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外另外,大量的农副产品或制品，如大量的农副产品或制品，如麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、麸皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。等都是常用的发酵工业原料。某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去某制药厂改进链霉素发酵液中的原有配方，设法减去30-50%的的黄豆饼粉、黄豆饼粉、25%的葡萄糖和的葡萄糖和20%硫酸铵，结果反而提高了产量。硫酸铵，结果反而提高了产量。一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法4、经济节约、经济节约（参见（参见P85）配制培养基时应配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份作为培养基成份,特别是在发酵工业中特别是在发酵工业中,以以降低生产成本降低生产成本。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以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。以石油或天然气副产品代替糖质原料来培养微生物。生产石油蛋白生产石油蛋白将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等将石油产品转化成一些产值更高的高级醇、脂肪酸、环烷酸等化工产品和若干合成物；化工产品和若干合成物；对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。对石油产品的品质进行改良，如脱硫、脱蜡等。开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的开发利用纤维素这种世界上含量最丰富的可再生资源。将大量的纤维素纤维素农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的农副产品转变为优质饲料、工业发酵原料、燃料及人类的食品及饮料。食品及饮料。以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类以大气氮、铵盐、硝酸盐或尿素等一类非蛋白质或非氨基酸廉价非蛋白质或非氨基酸廉价原料原料用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮用作发酵培养基的原料，让微生物转化成菌体蛋白质或含氮的发酵产物供人们利用。的发酵产物供人们利用。一、选用和设计培养基的原则和方法一、选用和设计培养基的原则和方法5、精心设计、试验比较、精心设计、试验比较进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件；进行生态模拟，研究某种微生物的培养条件；文献查阅，设计特定微生物的培养基配方；文献查阅，设计特定微生物的培养基配方；试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件；试验比较，确定特定微生物的最佳培养条件；编号玉米粉(%)豆饼粉(%)麸皮(%)酶活力（U/ml）40h45h50h55h143011342.513880.313794.413712.5253.5012835.614560.314642.214231.7364013341.215783.915654.215321.7474.5013213.715568.315123.614892.35430.511789.314553.214236.714111.2643112642.815107.615021.314972.37431.2511137.914236.914100.813932.58431.510782.713453.813657.913697.3不同培养基对不同培养基对L106产蛋白酶的影响产蛋白酶的影响 第二节第二节 培养基培养基（参见参见P88）二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用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)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（P88 倒数第倒数第2段）段）合成培养基合成培养基(synthetic medium)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(chemically defined medium) （p89 第第1大段）大段）第二节第二节 培养基培养基（参见参见P89）二、培养基的类型及应用二、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；半固体培养基；半固体培养基；液体培养基；液体培养基；第二节第二节 培养基培养基（参见参见P91）二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用3按用途划分按用途划分1）基础培养基）基础培养基(minimum medium)在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基在一定条件下含有某种微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基（p91 第二大段）第二大段）第二节第二节 培养基培养基（参见参见P91）二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用3按用途划分按用途划分1）基础培养基）基础培养基(minimum medium)在一定条件下含有某种微生物在一定条件下含有某种微生物原养型菌株原养型菌株生长繁殖所需的生长繁殖所需的基本营养物质的培养基基本营养物质的培养基2）完全培养基）完全培养基(complete medium)在一定条件下含有某种微生物在一定条件下含有某种微生物所有所有营养缺陷突变菌株营养缺陷突变菌株生长繁殖生长繁殖所需的所有营养物质的培养基所需的所有营养物质的培养基牛肉膏蛋白胨培养基就是完全培养基牛肉膏蛋白胨培养基就是完全培养基（参见参见P91）二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用3按用途划分按用途划分3）加富培养基）加富培养基 在普通培养基（如肉汤蛋白胨培养基）中加入某些特殊营在普通培养基（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。养物质制成的一类营养丰富的培养基。 血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。 用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日用来培养营养要求比较苛刻的异养型微生物，如培养百日咳博德氏菌咳博德氏菌(Bordetella pertussis)需要含有血液的加富培养基。需要含有血液的加富培养基。 根据待分离微生物的特点设计的培养基，用于从环境中根据待分离微生物的特点设计的培养基，用于从环境中富集和分离某种微生物。富集和分离某种微生物。（目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并（目的微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。）逐渐富集而占优势，从而容易达到分离该种微生物的目的。）4）富集培养基（）富集培养基（enrichment medium）（参见参见P91）二、培养基的类型及应用二、培养基的类型及应用3按用途划分按用途划分4）鉴别培养基）鉴别培养基(differential medium)5）选择培养基）选择培养基(selective medium)用于鉴别不同类型微生物的培养基用于鉴别不同类型微生物的培养基特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据这种特征性变化根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。可将该种微生物与其他微生物区分开来。（p91 倒数第倒数第2大段）大段）用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基用于将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不根据不同种类微生物的特殊营养需求或对某种化学物质的敏感性不同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要同，在培养基中加入相应的特殊营养物质或化学物质，抑制不需要的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。的微生物的生长，有利于所需微生物的生长。（p91 倒数第倒数第1大段大段p92第第1段）段）4）鉴别培养基）鉴别培养基(differential medium)最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基伊红美蓝乳糖培养基，即EMB培养基。它在饮用水、牛乳的大肠杆菌等细菌学检验以及遗传学研究上有着重要的用途。5）选择培养基）选择培养基(selective medium)第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞一、扩散一、扩散(diffusion)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、分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。（P94 第第3大段）大段）水水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。（P94 第第4大段）大段）第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞（参见参见P94）二、促进扩散二、促进扩散(facilitated diffusion)t物质运输过程中不消耗能量物质运输过程中不消耗能量t 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化参与运输的物质本身的分子结构不发生变化t 不能进行逆浓度运输不能进行逆浓度运输t 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。借助与载体借助与载体(carrier)的作用的作用才能进入细胞才能进入细胞;每种载体只运输相应的物质，具有每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性较高的专一性。 （P94 倒数第倒数第2段）段）第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞（参见参见P95）三、主动运输三、主动运输(active transport)在物质运输过程中需要在物质运输过程中需要消耗能量，消耗能量，可以进行可以进行逆浓度逆浓度运输，运输，是广泛存在于微生物中的一种是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运主要的物质运输方输方式。式。运输物质所需能量来源：运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能呼吸能；厌氧型微生物利用厌氧型微生物利用化学能化学能(ATP)；光合微生物利用光合微生物利用光能光能；嗜盐古菌通过紫膜嗜盐古菌通过紫膜(purple membrane)利用光能；利用光能； （P95倒数第倒数第2大段）大段）第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞（参见参见P96）三、主动运输三、主动运输(active transport)1、初级主动运输、初级主动运输(primary active transport)第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞（参见参见P96）三、主动运输三、主动运输(active transport)2、次级主动运输、次级主动运输(secondary active transport)同向运输同向运输(symport)逆向运输逆向运输(antiport)单向运输单向运输(uniport)根据根据H+进入细胞的方向而划分进入细胞的方向而划分四、基团转位四、基团转位(group translocation)基团转位主要存在于基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖中，主要用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输.有一个有一个复杂的运输系统复杂的运输系统来完成物质的运输；来完成物质的运输；物质在运输过程中发生物质在运输过程中发生化学变化化学变化；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运输后物质的结构结构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不变不变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营养物质进入细胞的方式比较营养物质进入细胞的方式比较第三节第三节 营养物质进入细胞营养物质进入细胞 第第4章章 思考题思考题1）微生物的营养类型有哪些，请举例表示？）微生物的营养类型有哪些，请举例表示？2）能否找到一种培养基，使所有的微生物都能良好地生长？为什么？）能否找到一种培养基，使所有的微生物都能良好地生长？为什么？3）试比较营养物质进入微生物细胞的几种方式的基本特点。）试比较营养物质进入微生物细胞的几种方式的基本特点。