第1页：第三章 微生物营养
第三章 微生物营养：本章分四节。
- 第一节 微生物细胞的化学组成和营养要素
- 第二节 微生物对营养物质的吸收
- 第三节 微生物的营养类型
- 第四节 培养基
第2页：微生物细胞的化学组成
微生物细胞的化学组成与高等动植物细胞类似：
- 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫，六种元素占细菌细胞干重的97%
- 微量元素：铁、锰、锌等
- 存在形式：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及其降解产物与代谢产物，以及水和无机盐
- 水是细胞的主要成分，一般可占细胞鲜重的90%（原文记为占细胞干重）
注：原文表述为"水一般可占细胞干重的90%"，按生物学通例应为占细胞鲜重的90%，此处保留原文量级供核对。
第3页：灰分元素含量百分比表
微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比：下表列出三类微生物的灰分组成。
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 |
|---|
| P2O5 | 4.95 | 3.54 | 4.85 |
|---|
| SO3 | 0.29 | 0.039 | 0.11 |
|---|
| K2O | 2.41 | 2.34 | 2.81 |
|---|
| Na2O | 0.07 | — | 1.12 |
|---|
| MgO | 0.82 | 0.428 | 0.38 |
|---|
| CaO | 0.89 | 0.383 | 0.19 |
|---|
| Fe2O3 | 0.08 | 0.035 | 0.16 |
|---|
| SiO2 | — | 0.093 | 0.04 |
|---|
| CuO | — | — | — |
|---|
注：原页数字为粘连文本，本表按"灰分元素—固氮菌—酵母菌—霉菌"的列顺序切分还原，建议对照原图核对小数位。
第4页：营养物与营养的定义
- 营养物（nutrient）
- 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。
- 营养（nutrition）
- 微生物获得与利用营养物质的过程。
第5页：水分的生理功能
水分是生物细胞的主要化学成分，其生理功能包括：
- 细胞的构成成分
- 一系列生理生化反应的反应介质
- 参与许多生理生化反应
- 有效地控制细胞内的温度变化
第6页：微生物的碳源谱
微生物的碳源谱：下表按有机碳源与无机碳源两类归纳。
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 |
|---|
| 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 |
|---|
| 有机碳 | C·H·O·N | 多数氨基酸、简单蛋白质等 | 一般氨基酸、明胶等 |
|---|
| 有机碳 | C·H·O | 糖、有机酸、醇、脂类等 | 葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等 |
|---|
| 有机碳 | C·H | 烃类 | 天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等 |
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| 无机碳 | C·O | CO2 | CO2 |
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| 无机碳 | C·O·X | NaHCO3 | NaHCO3、CaCO3、白垩等 |
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第7页：氮源的定义与作用
- 氮源（nitrogen source）
- 提供微生物营养所需氮元素的营养源，主要作用是合成细胞物质中的含氮物质。
- 少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源
- 某些厌氧细菌在厌氧且缺乏糖类物质时，可利用氨基酸作为能源物质
第8页：微生物的氮源谱
微生物的氮源谱：下表按有机氮源与无机氮源两类归纳。
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 |
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| 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 |
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| 有机氮 | 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 |
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| 无机氮 | N·H | NH3、铵盐等 | (NH4)2SO4 等 |
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| 无机氮 | N·O | 硝酸盐等 | KNO3 等 |
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| 无机氮 | N | N2 | 空气 |
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第9页：营养物质吸收的四种方式
第二节 微生物对营养物质的吸收：本节介绍四种运输方式。
第10页：单纯扩散
扩散是非特异性的营养物质吸收方式：
- 营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散
- 运输过程中营养物质分子结构不发生变化，也不与膜上分子发生反应
- 运输速率随胞内外浓度差降低而减小，直到两侧浓度相同
- 不需要代谢能，因此不能进行逆浓度运输
第11页：促进扩散
促进扩散的特点：
- 营养物质本身在分子结构上不发生变化
- 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输
- 运输速率由胞内外该物质的浓度差决定
- 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与
- 被运输的物质具有高度的立体专一性
第12页：主动运输
主动运输的特点：
- 消耗代谢能
- 可以进行逆浓度运输
- 需要载体蛋白参与
- 对被运输的物质有高度的立体专一性
能量来源因微生物类型而异：好氧微生物直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物主要来自光能。
第13页：主动运输的方式
主动运输的方式：
- 初级主动运输
- 次级主动运输
- 基团转位
- Na+,K+—ATPase 系统
第14页：初级主动运输
初级主动运输是由电子传递系统、ATPase 或细菌视紫红质引起的质子运输方式。
- 不同营养类型的微生物方式不同（好氧、厌氧、光合微生物各异）
- 最终结果均为造成细胞膜内外质子浓度差，使膜处于充能状态
第15页：次级主动运输
次级主动运输是在细胞膜内外质子浓度差消失的过程中偶联其他物质运输的方式，按质子与被运输物质的方向差异分为：
第16页：基团转位
- 基团转位是一种特殊的主动运输：与普通主动运输相比，营养物质在运输过程中发生了化学变化，其余特点与主动运输相同
- 主要存在于厌氧微生物中，用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪酸的运输
注：原文"脂肪散"按词义修正为"脂肪酸"。
第17页：大肠杆菌吸收糖的基团转位
大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸—糖磷酸转移酶系统（PTS），步骤如下：
- （1）热稳定蛋白的激活：PEP + HPr —酶1→ 丙酮酸 + P-HPr
- （2）糖被磷酸化后运入膜内：P-HPr + 糖 —酶2→ 糖-P + HPr
第18页：钠钾ATP酶系统
- Na+,K+—ATPase 系统位于细胞膜上，是一种离子通道蛋白
- 作用机制：通过蛋白构象改变把细胞内的 Na+ 运出细胞，同时将 K+ 运回细胞内，实现 Na+ 与 K+ 的置换
- 细胞内高浓度 K+ 是许多酶活性和蛋白质合成所必需的
第19页：膜泡运输
膜泡运输是原生动物吸收营养物质的方式：
第20页：四种运输方式比较表
四种运输营养物质方式的比较：下表按七个比较项目对照。
四种运输营养物质方式的比较| 比较项目 | 单纯扩散 | 促进扩散 | 主动运输 | 基团转位 |
|---|
| 特异载体蛋白 | 无 | 有 | 有 | 有 |
|---|
| 运输速度 | 慢 | 快 | 快 | 快 |
|---|
| 物质运输方向 | 由浓至稀 | 由浓至稀 | 由稀至浓 | 由稀至浓 |
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| 胞内外浓度 | 相等 | 相等 | 胞内高于胞外 | 胞内高于胞外 |
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| 运输分子 | 无特异性 | 特异性 | 特异性 | 特异性 |
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| 能量消耗 | 不需要 | 不需要 | 需要 | 需要 |
|---|
| 运输后物质的结构 | 不变 | 不变 | 不变 | 改变 |
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注：原文仅完整给出单纯扩散、促进扩散与主动运输三列数据，基团转位列按该运输方式的通例补全（有载体、耗能、逆浓度、物质结构改变），建议对照原图核对。
第21页：微生物的营养类型
第三节 微生物的营养类型
- 按生长所需营养物质的性质分
- 异养型生物：需要以复杂有机物质作为营养物质；自养型生物：能以简单无机物质作为营养物质。动物属异养型，微生物多数异养、少数自养。
- 按生长时能量的来源分
- 化能营养型：依靠化合物氧化释放的能量生长；光能营养型：依靠光能生长。动物和大部分微生物属化能营养型。
第22页：光能自养型微生物
光能自养型微生物以 CO2 作为唯一或主要碳源，利用光能，以硫化氢、硫代硫酸钠等无机硫化物作为供氢体将 CO2 还原成细胞物质，同时产生元素硫。
- 总反应式：CO2 + H2S —光能/光合色素→ [CH2O] + 2S + H2O
- 代表类群：蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌（含细菌叶绿素）
- 因含光合色素，可将光能转变成化学能（ATP）供机体直接利用
第23页：光能异养型微生物
光能异养型微生物以 CO2 为主要或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将 CO2 还原成细胞物质。
- 总反应式：2(H3C)2CHOH + CO2 —光能/光合色素→ 2CH3COCH3 + [CH2O] + H2O
- 代表类群：红螺菌属中的一些细菌
- 生长时大多需要外源的生长因子
第24页：化能自养型微生物
化能自养型微生物以 CO2 或碳酸盐作为唯一或主要碳源，以无机物氧化释放的化学能为能源，利用氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等电子供体使 CO2 还原成细胞物质。
- 主要类群：硫化细菌、硝化细菌、氢细菌、铁细菌
- 在自然界物质转换过程中起重要作用
第25页：化能异养型微生物
多数微生物属于化能异养型，其生长所需能量和碳源通常来自同一种有机物，按利用有机物的特性分为：
- 腐生型微生物
- 利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。
- 寄生型微生物
- 寄生在生活的细胞内，从寄主体内获得生长所需营养物质。
- 中间过渡类型
- 存在于寄生与腐生之间，称为兼性腐生型或兼性寄生型。
第26页：培养基的概念
第四节 培养基
- 培养基
- 人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质，是进行科学研究、发酵生产微生物制品等的基础。
第27页：配制原则：按营养需要
配制培养基的原则 1：根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。
- 自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成；异养型微生物的培养基至少需要含有一种有机物质
- 按微生物主要类群，常用培养基分别为：牛肉膏蛋白胨培养基（细菌）、高氏1号合成培养基（放线菌）、麦芽汁培养基（酵母菌）、查氏合成培养基（霉菌）
第28页：配制原则：营养物浓度与配比
配制培养基的原则 2：注意各种营养物质的浓度与配比。
- 浓度合适的营养物质才对微生物表现良好作用，浓度过大起抑制作用，浓度过小不能满足生长需要
- 碳氮比（C/N）直接影响生长繁殖与代谢产物的形成积累
- 例：谷氨酸发酵中 C/N 为 4:1 时菌体大量繁殖、谷氨酸积累少；C/N 为 3:1 时菌体繁殖受抑制而谷氨酸大量增加
第29页：配制原则：控制pH值
配制培养基的原则 3：控制培养基的 pH 值。
- 细菌与放线菌生长的最适 pH 为 7—7.5；酵母菌与霉菌为 4—5
- 内源调节：加入缓冲剂或不溶性碳酸盐，调节培养基碳氮比
- 外源调节：按实际需要流加酸或碱液
第30页：配制原则：经济节约
配制培养基的原则 4：经济节约。配制培养基时应尽量利用价廉且易于获得的原料，特别是在工业发酵中培养基用量很大，更应考虑降低成本。
第31页：培养基的种类
培养基的种类可按三个维度划分：
- 按培养基的组成成分分类
- 按培养基的物理状态分类
- 按培养基的功能分类
第32页：合成培养基与天然培养基
- 合成培养基
- 由化学成分完全了解的物质配制而成，组成成分精确、重复性强，但微生物生长较慢且价格昂贵，适于营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定、菌种选育与遗传分析等研究。
- 天然培养基
- 利用化学成分尚不清楚或不恒定的天然有机物质（如牛肉浸膏、酵母浸汁、土壤浸液、豆芽汁、玉米粉、麸皮、牛奶、血清等）制成，比较经济，适于实验室常用与大规模生产。
注：原文天然培养基举例处存在OCR识别错字，已按常见培养基原料还原为"牛肉浸膏、酵母浸汁、土壤浸液、麸皮"等。
第33页：固体半固体与液体培养基
- 固体培养基
- 在液体培养基中加入 1.5—2.0% 凝固剂制成，常用于微生物的分离、纯化、计数等研究。
- 半固体培养基
- 加入 0.2—0.7% 琼脂构成，常用来观察细菌运动特征，进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等实验。
- 液体培养基
- 不含任何凝固剂，常用于大规模工业生产以及微生物生理代谢等基础理论研究。
第34页：加富选择鉴别培养基
- 加富培养基
- 在普通培养基里加入血、血清、动物（或植物）组织液或其他营养物质（生长因子）的营养丰富培养基，用以培养营养要求苛刻的异养微生物。
- 选择培养基
- 根据某类微生物的特殊营养需要或对某种化合物的敏感性设计，可将目标微生物从混杂群体中分离出来。
- 鉴别培养基
- 在普通培养基中加入能与某种代谢产物反应的指示剂或化学药品，产生明显的特征性变化以区别不同微生物。
