页数：102页文件大小：1.45 MB来源： 微生物学ppt课件
本课件讲解微生物的营养，先分析微生物细胞的化学组成与元素含量，再依次说明碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子与水六大营养要素，进而划分营养类型、介绍培养基的类型与配制原则，最后讲四种跨膜运输方式。
微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97％）和微量元素铁、锰、锌等构成。
微生物细胞中这些元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等有机物质，水和无机盐等无机物质的形式存在。
水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞重的70％-90％。
分析细胞有机、无机成分的方式有机成分:1.化学法直接抽提-----定性、定量分析。
2.破碎细胞，获得亚细胞结构----化学分析。
无机成分：细胞--550℃--灰分--定性、定量分析。
微生物细胞的化学组成含量可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。
微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比霉菌酵母菌固氮菌灰分元素4.850.112.811.120.380.190.160.04--3.540.0392.34--0.4280.3830.0350.093--4.950.292.410.070.820.890.08----P2O5SO3K2ONa2OMgOCaOFe2O3SiO2CuO
| 元素 | 细菌 | 酵母菌 | 霉菌 |
|---|---|---|---|
| 碳 | 50 | 49.8 | 47.9 |
| 氮 | 15 | 12.4 | 5.2 |
| 氢 | 8 | 6.7 | 6.7 |
| 氧 | 20 | 31.1 | 40.2 |
| 磷 | 3 | — | — |
| 硫 | 1 | — | — |
注：原课件本页为表格，OCR 后数值与项目名粘连，本表按教材通用数据对应还原，建议对照原图核对。
| 主要成分 | 细菌 | 酵母菌 | 霉菌 |
|---|---|---|---|
| 水分（占细胞鲜重%） | 75~85 | 70~80 | 85~90 |
| 蛋白质 | 50~80 | 32~75 | 14~15 |
| 碳水化合物 | 12~28 | 27~63 | 7~40 |
| 脂肪 | 5~20 | 2~15 | 4~40 |
| 核酸 | 10~20 | 6~8 | 1 |
| 无机盐 | 2~30 | 3.8~7 | 6~12 |
注：原课件本页为表格，OCR 后数值与项目名粘连，本表按教材通用数据对应还原，建议对照原图核对。
微生物和动物、植物营养要素的比较绿色植物（自养）微生物动物（异养）生物类型营养要素自养异养二氧化碳、碳酸盐二氧化碳、碳酸盐等糖、醇、有机酸等糖类脂肪碳源无机氮化物无机氮化物、氮蛋白质或其降解物有机或无机氮化物、氮蛋白质或其降解物氮源利用日光能氧化无机物或利用日光能与碳同与碳同能源不需要不需要一部分需要维生素等维生素生长因子无机盐无机盐无机盐无机盐无机元素水水水水水分
1、碳源（carbon source）凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。
碳源物质的功能：构成细胞物质；
为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）。
微生物的碳源谱无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。
有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、醇类。
有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。
微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质；
而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。
2、能源指能为微生物的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：有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）化学物质能源谱：无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源
有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。
辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。
3、氮源(nitrogen source)凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。
氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。
实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、胰酪蛋白、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。
生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆、麸皮等。
迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源。
速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做。
速效氮源，通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。
铵盐氨基酸入胞细胞物质蛋白胨诱导酶硝酸盐NO3NH4+分解入胞细胞物质豆饼蚕蛹粉诱导酶
多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。
但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。
4、无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能（见下图），包括大量元素和微量元素。
大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。
（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）
微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。
（微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。
无机盐的生理功能细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）一般功能渗透压的维持（Na+等）生理调节物质酶的激活剂（M a2+等）大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）微量元素特殊分子结构成分（Co、Mo等）
水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别：几种生物的游离水含量人体：~60%海蛰：~96%微生物孢子营养体霉菌孢子：~39%细菌芽孢：皮层：~70%核心：极低细菌：~80%酵母：~75%霉菌：~85%
微生物对水的需要程度（水对微生物生长的影响）常用环境（或基质）中的水活度值表示。
所谓w就是水的有效浓度。
定义：水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压（材料上部蒸气相中水浓度）与纯水的蒸汽压（即纯水上部蒸气相中水浓度）之比，即：w=/o表示溶液的蒸汽压；
o表示纯水的蒸汽压
在w为0.63-0.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。
即微生物不同，其生长的最适w亦不同。
为了表示微生物生长与水的关系，有时也常用相对湿度（RH)的概念（w×100= RH）；
通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度。
| 微生物类群 | 最适aw |
|---|---|
| 一般细菌 | 0.91 |
| 酵母 | 0.88 |
| 霉菌 | 0.80 |
| 噬盐细菌 | 0.70 |
| 噬盐真菌 | 0.65 |
| 嗜高渗酵母 | 0.60 |
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六、生长因子生长因子是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。
不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。
缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物
生长因子主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。
各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。
微生物所需的生长因子会随着培养条件的变化而变化。
前体物质、通气量、PH、温度等都会对其产生影响。
最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。
维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。
有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。
第二节微生物的营养类型根据生长所需要的营养物质的性质（碳源），
可将生物分成两种基本的营养类型异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质动物属于异养型生物，
植物属于自养型，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，
少数微生物属于自养型生物。
根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长光能营养型生物：依靠光能进行生长动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。
植物和少部分微生物属于光能营养型生物
按供氢体分：无机营养型生物；
有机营养型生物。
营养类型
1、光能自养型微生物以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，
以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质，
同时产生元素硫光能CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O光合色素光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），
由于含有光合色素，因而能使光能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。
2、光能异养型微生物以CO2为主要碳源或唯一碳源，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，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。
光能2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O光合色素光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子
光能异养型微生物利用光能，以简单有机物（醇、有机酸）为供氢体同化CO2CH3│光能CO2+2CH2-CHOH----→[CH2O]+2CH3COCH3+H2O菌绿素例：红螺菌属（Rhodospirillum）
3、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,，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。
这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。
它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。
（2）硫化细菌：通过氧化还原态的无机硫化物（H2S、S、S2O32-、SO32-）获得能量（硫杆菌属，
硫微螺菌属）H2S+O2→ S +H2O + 50.1 KcalS +1O2+H2O → H2SO4+149.8 Kcal
4、化能异养型微生物多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。
根据化能异养型微生物利用有机物的特性，又可以将其分为下列两种类型：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，从寄生体内获得生长所需要的营养物质。
存在于寄生与腐生之间的中间过渡类型微生物，称为兼性腐生型或兼性寄生型。
关于营养类型的定义：自养微生物：不依赖任何有机营养物即可正常生活的微生物异养微生物：至少需要提供一种大量有机物才能满足其正常营养要求的微生物（即其碳源必须是有机物，
供氢体是有机物，能源可以是氧化有机物活利用日光能）
固体培养基：天然固体营养基质制成的培养基，或液体培养基中加入一定量凝固剂（琼脂1.5～2％)而呈固体状态的培养基。
为微生物的生长提供营养表面。
常用于微生物的分离、纯化、计数等方面的研究。
可依使用目的不同而制成斜面、平板等形式。
半固体培养基：在液体培养基中加入0.2-0.7％的琼脂构成的培养基。
常用来观察细菌运动的特征，以进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验工作。
2、按对培养基成分的了解程度来分：天然培养基：利用化学成分还不完全清楚或不恒定的天然物质，
（如肉汤、蛋白胨、麦芽汁、酵母汁、豆芽汁、玉米粉、牛奶、血清等）制成的培养基，
天然培养基比较经济，除实验室经常使用外，更适宜于在生产上用来大规模地培养微生物和生产微生物产品。
合成（组合）培养基：由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，该类培养基的组成成分精确、清楚，重复性强，但微生物生长较慢，且价格昂贵，故一般适于在实验室范围内他有关研生物营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传分析等方面的研究工作。
如高氏培养基、察氏培养基等。
半组合培养基：在合成培养基的基础上添加些天然成份，以更有效地满足微生物对营养物的需要。
如马铃薯蔗糖培养基。
3、根据培养目的来分种子培养基：是为保证发酵生产获得大量优质种子而设计的培养基，特点是营养较丰富，氮源比例较高。
有时为使菌种能迅速适应后面的发酵条件，还有意识地加入发酵培养基的基质。
发酵培养基：用于生产预定发酵产物，一般以碳为主要元素，碳源含量往往高于种子培养基。
大规模生产时，原料应价廉易得，还应有利于下游的分离提取。
4、按特殊用途划分基础培养基：是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基；
另外基础培养基也可作为一些特殊培养基的基础成分（如制备糖发酵培养基时）。
选择性培养基：是根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要，或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。
利用这种培养基可用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。
鉴别性培养基(differential medium)：用于鉴别不同类型微生物的培养基，在普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物，例：伊红美兰乳糖培养基（Eosin Methylene Blue）加富培养基(enriched medium)：在普通培养基中加入某些特殊的营养物，如血、血清、动、植物组织液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基。
用来培养营养要求苛刻的微生物，或用以富集（数量上占优势）和分离某中微生物.
5、根据所培养微生物的微生物类群来分细菌培养基放线菌培养基霉菌培养基酵母菌培养基
细菌培养基——营养肉汤（nutrient broth)：牛肉膏3g；
水1000ml；
蛋白胨5g；
pH 7.2~7.4放线菌培养基——高氏1号：可溶性淀粉20g；
KNO31g; K2HPO41gMgSO40.5g NaCl 1g; FeSO4•7H2O 0.5g水1000ml; pH 7.2~7.4霉菌培养基——查氏（zapek)培养基：蔗糖30g; KCl 0.5g; MgSO4.H2O 0.5g;FeSO40.5g水1000ml; K2HPO41g;NaNO33g; pH 6.7
二、培养基的配制原则（一）培养基组分满足微生物的需要（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）
（一）培养基组分满足微生物的需要即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。
不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。
如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。
异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。
按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：细菌：牛肉膏蛋白胨培养基放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基酵母菌：麦芽汁当对试验菌营养需求特点不清楚的时候，
可以采用‘生长谱’法进行测定。
（二）营养物的浓度与比例应恰当浓度过高——微生物的生长起抑制作用，浓度过小——不能满足微生物生长的需要。
碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标。
C/N比值=碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数
应注意各营养物质之间的浓度比；
培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（C／N）的影响更为明显。
例：在谷氨酸生产中C/N＝4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；
C/N＝3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。
为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；
调节培养基的碳氮比。
外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液。
磷酸缓冲液：pH值从6.0~7.6之间K2HPO4+HClKH2PO4+KClKH2PO4+KOHK2HPO4+H2O加入CaCO3：CO32–HCO3–H2CO3CO2+H2O+H+–H–+H+–H–培养基中所含氨基酸、肽、蛋白质等物质也可起到缓冲作用。
2、渗透压和aw渗透压等渗溶液适宜微生物生长高渗溶液细胞发生质壁分离低渗溶液细胞吸水膨胀，
直至破裂
3、氧化还原电势各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：好氧微生物：+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的环境中均能生长)；
厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长；
兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果。
对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。
（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源该培养基的应用目的，
即：是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？
用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；
用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；
若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；
当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉的原料，提倡以粗代精，以废代好。
三、设计培养基的方法1.生态模拟：调查所培养菌的生态条件，查看“嗜好”，对“症”下料———初级天然培养基。
2.查阅文献：查阅、分析文献，调查前人的工作资料，借鉴人家的经验，以便从中得到启发设计有自己特色的培养基配方。
3.精心设计：借助优选法或正交试验设计法等方法。
4、实验比较：不同培养基配方的选择比较单种成分来源和数量的比较几种成分浓度比例调配的比较小型试验放大到大型生产条件的比较pH和温度试验
培养基的灭菌高压蒸气灭菌一般培养基: 1.05 Kg/cm2, 121.3℃, 15-30 min含糖培养基:0.56 Kg/cm2, 112.6 ℃, 15-30 min过滤灭菌，分别灭菌，间歇灭菌的应用器皿的灭菌：干热空气：160℃，2小时无菌室的消毒：紫外光；
化学药物熏蒸（苯酚；
高锰酸钾+甲醛）
细胞膜外细胞膜细胞膜内单纯扩散模式图
促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，
某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。
促进扩散模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变
不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能。
主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。
细胞膜外细胞膜细胞膜内主动运输模式图ADP+PiATP恢复原构象再循环结合构象改变移位
Na+-K+-ATP酶系统Na+-K+-ATPase是存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白功能：利用ATP能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”入胞内。
该酶由大小两个亚基组成（MW: 12万,5.5万）
4、基团转位基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。
其余特点与主动运输相同。
基因转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输
（2）糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。
这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。
酶2P-HPr+糖糖-P +HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。
基团移位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸
四种运输营养物质方式的比较基团转位主动运输促进扩散单纯扩散比较项目有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构
膜泡运输：原生动物吸收营养物质的方式，有胞吞和胞饮两种类型。
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