05 第五章 微生物的营养.ppt

第1页：第五章 微生物营养与培养基封面

第五章微生物营养与培养基

第2页：营养、生物体从外部环境中摄取对其生命活动

• 营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。一些微生物可利用非物质形式的能源
• 光能。

第3页：一、细胞化学组成整个生物界大体相同

一、细胞化学组成整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（占干重90－97%），C占约50%，此外为各种无机元素，由这些元素再组成化合物。其中C/N一般是5:1。第一节微生物的六种营养要素

第4页：元素大量元素的概念

元素

• 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫
• 其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等存在方式
• 有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降解产物、代谢中间产物
• 无机盐灰分
• 水—细胞湿重的70%~90%

第5页：元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0

元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氢85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.2微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）

第6页：一般生物能利用的

一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。微生物是杂食性的：

第7页：二、主要营养物及其功能

二、主要营养物及其功能碳源（Carbon source）氮源（Nitrogen source)能源（Energy source)生长因子（Growth factor )无机盐(Inorganic salt)水(Water)六种营养要素

第8页：参与微生物细胞的组成

参与微生物细胞的组成

• 提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量
• 形成微生物代谢产物的来源功能:营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。

第9页：异养微生物的概念

异养微生物：必须利用有机碳源

• 自养微生物：能利用无机碳源（一）碳源(carbon source) 提供微生物营养所需碳元素的营养源。
• 有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等
• 无机碳源：CO2 ,Na2CO3, CaCO3等

第10页：糖类、葡萄糖

糖类：葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等醇类：乙醇，等脂类：脂肪，磷脂，等烃类：天然气，石油，石油馏分，石蜡油，等CO2碳酸盐：NaHCO3, CaCO3,白垩，等其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸微生物可利用的碳源(

第11页：有机氮源的概念

有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆

• 无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4
• 气态氮源：大气N2（二）氮源(nitrogen source)凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。氮源一般不作能源。
• 速效氮源
• 迟效氮源

第12页：能为微生物的生命活动提供最初能量来源

能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。（三）能源(energy source)异养微生物的碳源同时也是能源无机物：化能自养微生物的能源能源谱化学物质辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源

第13页：单功能的概念

• 单功能：辐射能双功能：还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能源，又是氮源三功能：N
• C
• H
• O类营养物质常是异养微生物的能源，碳源兼氮源一种营养物具有一种以上营养要素的功能

第14页：一类对微生物正常代谢

一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。(四) 生长因子(growth factor)作用：辅酶或酶活化所需。

第15页：狭义、维生素广义

狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等

• 生长因子自养型微生物（auxoautotrophs)
• 生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs) 营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)变株
• 生长因子过量合成型微生物

第16页：维生素微生物的种硫胺素Bacillus

维生素微生物的种硫胺素(B1)Bacillus anthracis(炭疽芽孢杆菌)核黄素Clostridium tetani(破伤风梭菌)烟酸Brucella abortus(流产布鲁氏杆菌)吡哆酸(B6)Lactobacillus spp.(各种乳酸杆菌)生物素Leuconostoc mesenteroides(肠膜状明串珠菌)泛酸Proteus morganii(摩氏变形杆菌)叶酸Leuconostoc dextranicum(葡聚糖明串珠菌)钴胺酸(B12)Lactobacillus spp.维生素KBacteroides melaninogenicus(产黑素拟杆菌)若干细菌所需要的维生素

第17页：维生素转移的对象代谢功能

维生素转移的对象代谢功能硫胺素(B1)乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a－酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6)氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素B12羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关维生素的生理功能

第18页：无机盐所需浓度在10-3-10-4M 的

（五）无机盐(inorganic salts)所需浓度在10-3-10-4M 的元素为大量元素所需浓度在10-6-10-8M 的元素为微量元素

第19页：无机盐的生理功能

无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持(Na+等) 酶的激活剂(Mg等) pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等) 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等)酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分(Co、Mo等)

第20页：生理作用的概念

生理作用：

• 细胞组成成分
• 生化反应溶剂
• 化学、生理反应介质
• 物质运输媒体
• 调节细胞温度
• 维持细胞的渗透压（六）水存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）

第21页：依碳源不同的概念

依碳源不同：

• 异养型(heterotrophs): 不能以CO2为主要或唯一碳源
• 自养型(autotrophs): 能以CO2为主要或唯一碳源第二节微生物营养类型依能源不同：
• 光能营养型(phototrophs): 光反应产能
• 化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能依生长因子的不同：
• 原养型(prototroph)或野生型(wildtype)
• 营养缺陷型(auxotroph)

第22页：微生物的营养类型营养类型

微生物的营养类型营养类型能源碳源实例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2及简单有机物红螺细菌化能自养型无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌化能异养型有机物有机物绝大多数微生物，原生动物

第23页：寄生型 ——寄生于活的生物体腐生型 ——

寄生型(parasitism) ——寄生于活的生物体

• 腐生型(saprophytism) ——寄生于死亡的生物有机体化能异养型营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。
• 异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物，即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利用氧化有机物或吸收日光能而获得。
• 自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。

第24页：第三节细胞对营养物质的吸收离子

第三节细胞对营养物质的吸收

• 离子化合物：弱快强慢（极性）营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(>600Da)的溶质进入, 而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。
• 通透性与吸收是不同概念
• 一般大分子先水解为小分子，再吸收
• 脂溶性物质：易透过

第25页：一、单纯扩散依靠胞内外溶液浓度差

一、单纯扩散(simple diffusion)

• 依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；
• 不消耗代谢能，无特异性；
• 运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；
• 亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。

第26页：二、促进扩散利用膜内

二、促进扩散(facilitated diffusion)

• 利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。
• 特点：
• 需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输
• 不消耗能量
• 运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）载体蛋白(carrier protein)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。

第27页：促进扩散示意图胞外细胞膜胞内

促进扩散示意图胞外细胞膜胞内

第28页：单纯扩散促进扩散浓度梯度运输速率单纯扩散

单纯扩散促进扩散浓度梯度运输速率单纯扩散和促进扩散的比较单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台

第29页：单纯扩散、促进扩散

• 单纯扩散、促进扩散、主动运输：被运输的溶质分子不发生改变。
• 3、主动运输(active transport)特点：
• 是微生物吸收营养的主要方式
• 可逆浓度梯度运输，耗能
• 需载体蛋白，有特异性
• 运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类
• 需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象
• 亲和力改变蛋白构象改变耗能

第30页：细胞内细胞外电子转运1. 电子转移能被用

细胞内细胞外(或细菌周质空间)电子转运

• 1. 电子转移能被用来将质子泵出膜外
• 2. 质子梯度通过反运输机制将钠离子逐出膜外
• 3. 钠离子与载体蛋白复合物相结合
• 4. 溶质结合位点的形状发生改变，而与溶质(如糖和氨基酸)结合
• 5. 载体蛋白的构象发生改变，钠离子在膜内释放，随后溶质从载体蛋白解离主动运输的机制：使用质子(H+)和钠离子(Na+)梯度。

第31页：特点、属主动运输类型

特点：

• 属主动运输类型
• 溶质分子发生化学修饰
• 定向磷酸化
• 需复杂的运输酶系参与
• 运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等
• 4、基团转位(group translocation)膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP 的能量。

第32页：主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸和磷酸转移酶系统

• 主要依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。PEP+ HPrEI丙酮酸+ P-HPrP-HPr +糖EII糖-P+HPr1. 热稳定性载体蛋白(heat stable carrier protein ,HPr) 的激活
• 2. 糖磷酸化后运入膜内

第33页：基团转位运输葡萄糖示意图两类磷酸烯醇式丙

基团转位运输葡萄糖示意图两类磷酸烯醇式丙酮酸：糖基磷酸转移酶(PTS)系统高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIA,EIIA与EIIB在甘露糖转运系统中相连，在葡萄糖转运系统中分开。无论那种形式，磷酸都从EIIA转移至EIIB，再经过穿膜的转运过程而转移至糖基。

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) , 第一个酶I(EI), 低分子量热稳定性载体蛋白(HPr), 第二个酶I(EII) 胞质细胞质基质

第34页：培养基的概念

培养基(medium，culture medium)：是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。第四节培养基

第35页：四个原则1、目的明确培养什么微生物

（一）四个原则

• 1、目的明确（根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基）培养什么微生物、获得什么产物、用途
• 二、选择和配制培养基的原则和方法
• 2、营养协调营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比)

第36页：C/N比的概念

C/N比:微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。一般培养基的C/N比为100/0.5～2 。

以含氮量来看：NH3(82%)>CO(NH2)2(46%)>NH4NO3(35%)>(NH4)2CO3(29.2%)>(NH4)2SO4(21%)

第37页：微生物常见的有机碳源

微生物常见的有机碳源：下表列出相关数据。

说明：源文本为种类、举例与说明三段连续排列，本表按三列对应关系整理，糖蜜成分百分比依原文列出。

第38页：不同能源培养细胞的得率

不同能源培养细胞的得率：下表列出相关数据。

说明：源文本表头与数值行粘连，本表按碳源基质顺序与细胞得率一一对应整理。

第39页：常见微生物氮源种类

常见微生物氮源种类：下表列出相关数据。

说明：源文本三列内容粘连，本表按氮源类别、可利用微生物与特点三项对应关系整理。

第40页：常用培养基无机盐及参考浓度

常用的培养基中的无机盐及参考浓度（g/L）：下表列出相关数据。

说明：源文本为无机盐、元素、浓度与培养基名称连续排列，本表按四列对应关系整理，浓度单位均为 g/L。

第41页：pH渗透压和水活度氧化还原电

pH

• 渗透压和水活度
• 氧化还原电位
• 3、物理化学条件适宜:

第42页：细菌:pH7.0~8.0放线菌的概念

细菌:pH7.0~8.0

• 放线菌：pH7.0~8.5
• 酵母菌:pH3.8~6.0
• 霉菌：pH4.0~6.0pH：微生物有最佳生长pH微生物在生长过程中培养基pH值可能发生的变化：
• 在含糖基质上生长,会产酸而使pH下降，
• 在分解蛋白质和氨基酸时, 会产NH3而使pH上升，
• 以(NH4)2SO4作N 源, 会过剩SO4 2-, 而使pH下降，
• 分解利用阳离子化合物如：NaNO3, 会过剩Na+ 而使pH 上升。

第43页：维持培养基pH的方法使用磷酸缓冲剂

维持培养基pH的方法使用磷酸缓冲剂：K2HPO4/Na2HPO4, H2PO4/NaH2PO4采用“备用碱”：CaCO3、CaHCO3采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等采用液氨或盐酸

第44页：渗透压的概念

渗透压(osmotic pressure): 高浓度溶液向低浓度溶液渗透时，其溶质分子所产生的压力。高渗溶液会导致微生物细胞发生质壁分离低渗溶液会导致微生物细胞吸水膨胀甚至破裂

第45页：水的可利用性用水活度表示aw的概念

水的可利用性用水活度(wateractivity,aw)表示aw：在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水含量。aw=P/PoP: 溶液的蒸汽压Po:纯水的蒸汽压水活度需等渗适宜。

微生物适宜生长的aw为0.6～0.998之间。在常温常压下，纯水的aw为1.00在同温同压，某溶液的饱和蒸汽压与纯水的饱和蒸汽压之比。

第46页：溶液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡

溶液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡萄糖+20%甘油0.9551%葡萄糖+40%蔗糖0.964饱和氯化钠溶液0.78饱和氯化钙溶液0.30饱和氯化镁溶液0.30饱和氨化锂溶液0.11几种溶液的水活度值

第47页：氧化还原电位Eh的概念

• 氧化还原电位Eh（redox potential）：氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子的趋势。
• 好氧微生物：＞+0.1V。一般+0.3~ +0.4V
• 厌氧微生物：+0.1以下
• 兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以下进行发酵

第48页：原料来源的选择经济节约原则:以粗代精

4、原料来源的选择

• 经济节约原则:以粗代精、以废代好、以简代繁
• 原料来源要广泛
• 原料要易处理，处理成本要低
• 原料处理后，废物、废液、废气要少

第49页：灭菌处理高压蒸汽灭菌的概念

灭菌处理高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，1210C，15～30min高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化

第50页：四种方法生态模拟查阅文献精心设计实验比较

（二）四种方法

• 生态模拟
• 查阅文献
• 精心设计
• 实验比较

第51页：培养基类型依对培养基成分的了解的概念

培养基类型依对培养基成分的了解：天然培养基(complex medium, undefined medium)，指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培养基，成分未知。如培养细菌所用的肉汤蛋白胨培养基，培养酵母菌的麦芽汁培养基等。

优点：取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便

第52页：组合培养基、或称合成培养

组合培养基(definedmedium)，或称合成培养基(syntheticmedium)是一类用多种高纯化学试剂配制的、各成分（包含微量元素）的量都确切知道的培养基。如培养细菌所用的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的淀粉硝酸盐培养基（高氏一号）。

较昂贵，一般用于研究工作（代谢、遗传分析）。优点：组份精确、重复性好。半合成培养基(Semi-defined medium)

第53页：固体培养基、一般加有凝固剂

• 固体培养基(solidmedium)，一般加有凝固剂，凝固剂含量一般为1～2％。作为凝固剂的条件：不被微生物分解利用，生长温度范围内保持固体状态，凝固点温度对微生物无害，不因灭菌而破坏，透明度好、配制方便、价格低。常用的为琼脂与明胶。由于固体培养基能提供表面，形成单菌落，因此可用于：菌种分离、鉴定、保藏等。液体培养基(liquid medium)，培养基中没有凝固剂。用途：大量培养微生物，研究生理代谢等。半固体培养基(semi-solid medium)，凝固剂含量一般约为0.5% ,用途：观察细菌的运动，测定噬菌体效价等。
• 按培养基外观的物理状态：固体、半固体、液体。

第54页：培养基固化物琼脂与明胶的比较化学成分营养

培养基固化物琼脂与明胶的比较化学成分营养价值分解性融化温度凝固温度常用浓度透明度粘着力耐加压灭菌琼脂聚半乳糖的硫酸酯无罕见～960C～400C1.5～2%高强强明胶蛋白质作氮源极易～250C～200C5～12%高强弱

第55页：依功能不同的概念

依功能不同：选择培养基(Selected medium)：：根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基。功能：混合菌中劣势菌变成优势菌，从而提高该菌的筛选效率。

鉴别培养基(Differential medium) ：加有能与某一菌的无色代谢产物发生反应的指示剂，从而用肉眼就能使该菌落与外形相似的其他菌落相区分的培养基。用途：细菌学检验遗传研究，

第56页：EMB培养基中培养大肠杆菌

EMB(EosinMethyleneBlue)培养基中培养大肠杆菌，因其强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体带H+,故可染上酸性染料伊红，又因伊红与美蓝结合，使菌落呈深紫色。从菌落表面反光还可看到绿色金属闪光。

而产酸弱的菌株的菌落呈棕色。不发酵乳酸的菌落无色透明。鉴别肠道细菌的伊红美蓝乳糖培养基

第57页：伊红美蓝培养基

伊红美蓝(EMB,Eosin Methylene Blue)培养基

第58页：小结1、微生物需要大约10种大量元素

小结

• 1、微生物需要大约10种大量元素，部分是用于构成碳水化合物、脂质、蛋白、核酸,几种其它元素，很少量地需要作为辅酶和辅基。
• 2、所有微生物根据它们对碳源、能量或氢原子或电子的要求都可以在营养上被归类。
• 3、营养分子不能通过被动扩散持续穿过细胞质膜，它们必须被三种主动运输机制中的一种进行运输。

第59页：本章复习思考题1

本章复习思考题

• 1、什么是大量元素、什么是微量元素。
• 2、微生物需要的大量元素包括哪几种？3、什么叫营养？什么叫营养物？营养物有那些生理功能？4、试列表比较动物、植物、微生物对营养要素和营养方式的异同。
• 5、什么叫碳源、列出微生物常用的碳源。
• 6、微生物在碳源利用上有何不同？7、什么叫氮源

第60页：什么叫培养基？

• 11、什么叫培养基？什么是天然培养基？12、什么是半固体培养基？13、什么叫鉴别培养基，举一个鉴别培养基的例子和鉴别原理。
• 14、什么叫碳氮比？15、配制备培养基的基本原则是什么？

第61页：参考文献:1沈萍．微生物学．北京的概念

参考文献:1沈萍．微生物学．北京：高等教育出版社，20002周德庆．微生物教程．第2版．北京：高等教育出版社，20023黄秀梨.微生物学．第2版.北京：高等教育出版社，20014诸葛健，李华钟.微生物学．第一版．北京：科学出版社，2004.95PrescottLM.等著.微生物学．第5版．沈萍等译，北京：科学出版社，20006PrescottLM,HarleyJP,andKleinDA.Microbiology(5thed.),HighereducationpressandMcGraw-HillCompanies,Inc.20027MichaelTM,JohnMM,JackP.Brockbiologyofmicoorganisms，Internationaledition,PearsonEducation,Inc.20038GregoryN.Stephanopoulos,AristosA.Aristidou,JensNielsenz著.代谢工程——原理与方法.赵学明白冬梅，等译.化学工业出版社，20039TalaroK.P.Foundationsinmicrobiology(FifthEdition),HighereducationpressandMcGraw-HillCompanies,Inc.200510R．M．特怀曼著．高级分子生物学要义．陈淳等译，北京：科学出版社，2000