(精品)第五章微生物的营养和培养基.ppt

第五章 微生物的营养和培养基微生物的营养物质及其功能微生物的营养物质及其功能微生物的营养物质及其功能微生物的营养物质及其功能微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型微生物的营养类型物质进出微生物细胞的方式物质进出微生物细胞的方式物质进出微生物细胞的方式物质进出微生物细胞的方式培养基培养基培养基培养基分子分子千重百分含量千重百分含量分子数分子数不同种类不同种类全部大分子全部大分子蛋白质蛋白质多糖多糖脂类脂类DNARNA全部单体全部单体氨基酸及其前体氨基酸及其前体糖类及其前体糖类及其前体核苷酸及其前提核苷酸及其前提无机离子无机离子全部全部965559.13.120.53.50.520.511002461000023500004300220000002.1255501350100502001825001850241660原核生物细胞的化学物质组成原核生物细胞的化学物质组成微生物细胞的化学元素组成微生物细胞的化学元素组成大量元素大量元素(macroelementmacroelement):):碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁微量元素(trace element):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。表：微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）表：微生物细胞中几种主要元素的含量（干重）元素细菌酵母菌真菌元素细菌酵母菌霉菌碳505048钠0.51.00.010.10.020.05氮15125钙0.011.50.10.30.11.4氢877镁0.10.50.10.50.10.5氧203140氯化物0.5磷33.544.85铁0.020.20.010.50.10.2硫10.0390.11 注意：组成比例因种而异；组成随菌龄以及培养条件的不同在一定范围内发生变化。占细菌细胞干重的占细菌细胞干重的97%营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。营养物质营养物质（nutrient）:外界环境中可为细胞提供结构外界环境中可为细胞提供结构组成、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化组成、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称之为营养物质或养料。学物质称之为营养物质或养料。营养营养（nutrition）:细胞细胞 从外界环境中摄取营养物质，从外界环境中摄取营养物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程。结构物质的生理过程。营养物质的作用：营养物质的作用：形成结构形成结构参与细胞组成；参与细胞组成；提供能量提供能量机体进行各种生理机体进行各种生理活动所需的能量；活动所需的能量；调节作用调节作用构成酶的活性成分构成酶的活性成分和物质运输系统；和物质运输系统；良好生理环境良好生理环境水有利于生物水有利于生物大分子结构的稳定大分子结构的稳定第一节 微生物的营养物质及其功能微生物和其他生物的营养物质统一性微生物和其他生物的营养物质统一性 微生物的六大营养要素碳源及其功能 定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;为为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）；整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）；类型类型元素水平元素水平 化合物水平化合物水平 培养基原料水平培养基原料水平有机碳有机碳CHONX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白质等多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类等糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳无机碳C(?)COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等等微生物的碳源谱微生物的碳源谱 注意：1.对整个微生物界来说，微生物的碳源是非常广泛的。对整个微生物界来说，微生物的碳源是非常广泛的。2.不同的微生物对碳源的利用能力不同，其碳源谱也有所差异。不同的微生物对碳源的利用能力不同，其碳源谱也有所差异。3.在有机碳中，在有机碳中，CHON和和CHONX类虽然可以利用，但通常做氮源使用。类虽然可以利用，但通常做氮源使用。4.对异养微生物来说，其碳源同时又充作能源对异养微生物来说，其碳源同时又充作能源双功能营养物。双功能营养物。微生物工业发酵中用做碳源的原料微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：糖类（单糖，饴糖）传统种类：糖类（单糖，饴糖）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物、淀粉等）淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物、淀粉等）麸皮麸皮 各种米糠等各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、代粮发酵：纤维素、石油、CO2、或者工业的副产品如糖蜜或者工业的副产品如糖蜜微生物的六大营养要素碳源及其功能氮源：氮源：凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。种类：种类：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨、无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨、N N2 2等；等；有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼有机氮：蛋白质及其降解产物（如胨、肽、氨基酸等）、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、尿素等粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、尿素等功能：功能：1 1）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；）提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；2 2）少数细菌可以利用）少数细菌可以利用铵盐、硝酸盐等铵盐、硝酸盐等氮源为能源。氮源为能源。3 3）对于异氧微生物，含有）对于异氧微生物，含有NCHOX的有机化合物具有碳源、能源和氮源的有机化合物具有碳源、能源和氮源3 3重功能；重功能；类型类型 元素水平元素水平化合物水平化合物水平培养基原料水平培养基原料水平有机氮有机氮N NC CH HO OX X复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N NC CH HO O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等等尿素、蛋白胨、明胶等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮无机氮N NH HNHNH3 3、铵盐等铵盐等(NH4)(NH4)2 2SOSO4 4等等N NO O硝酸盐等硝酸盐等KNOKNO3 3等等N NN N2 2空气空气微生物的氮源谱微生物的氮源谱微生物的氮源谱微生物的氮源谱微生物的六大营养要素氮源及其功能 实实验验室室常常用用的的氮氮源源：有有碳碳酸酸铵铵、硝硝酸酸盐盐、硫硫酸酸铵铵、尿尿素素、蛋蛋白白胨胨、牛牛肉肉膏、酵母膏等。膏、酵母膏等。生生产产上上常常用用的的氮氮源源：硝硝酸酸盐盐、铵铵盐盐、尿尿素素、氨氨以以及及蛋蛋白白含含量量较较高高的的鱼鱼粉粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。迟迟效效氮氮源源：蛋蛋白白氮氮必必须须通通过过水水解解之之后后降降解解成成胨胨、肽肽、氨氨基基酸酸等等才才能能被被机机体利用体利用。速速效效氮氮源源：无无机机氮氮源源或或以以蛋蛋白白质质降降解解产产物物形形式式存存在在的的有有机机氮氮源源可可以以直直接接被菌体吸收利用。被菌体吸收利用。速效氮源：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。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。氨氨基基酸酸自自养养型型生生物物：一一部部分分微微生生物物能能把把尿尿素素、铵铵盐盐、硝硝酸酸盐盐甚甚至至氮氮气气等等简单氮源合成所需要的一切氨基酸。简单氮源合成所需要的一切氨基酸。SCP 氨基酸异养型生物氨基酸异养型生物：需要从外界吸收氨基酸作为氮源的生物。需要从外界吸收氨基酸作为氮源的生物。微生物的六大营养要素氮源及其功能 能源能源：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。：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。微生物的能源谱微生物的能源谱能源谱化学物质（化能营养型）辐射能（光能营养型）：光能自养和异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同碳源）种类化能自养微生物：还原态的无机物质，如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等 单功能营养物：辐射能（能源）单功能营养物：辐射能（能源）双功能营养物：还原态的双功能营养物：还原态的NH4（能源、氮源）能源、氮源）三功能营养物：氨基酸类（能源、碳源、氮源）三功能营养物：氨基酸类（能源、碳源、氮源）微生物的六大营养要素能源及其功能 构成微生物细胞的组成成分；构成微生物细胞的组成成分；调解微生物细胞的渗透压，调解微生物细胞的渗透压，pH值和氧化还原电位；值和氧化还原电位；有些无机盐如有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源还可做为自养微生物的能源；构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种酶的激活剂是多种酶的激活剂。无机盐功能无机盐功能 定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量定义：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式共给。元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式共给。大量元素：大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（微生物生长所需浓度在微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）微量元素：微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（微生物生长所需浓度在微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）种类：一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以种类：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。及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。微生物的六大营养要素无机盐及其功能无机盐的来源和功能无机盐的来源和功能 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。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。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。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。种类：种类：狭义：维生素狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、分支或广义：维生素、氨基酸、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、分支或直链脂肪酸直链脂肪酸生长因子自养型微生物不需要从外界吸收任何生长因子多数真菌、放线菌和一些细菌生长因子异养型微生物需要从外界吸收多种生长因子乳酸菌、动物致病菌、支原体等生长因子过量合成微生物少数微生物在其代谢活动中，能合成并大量分泌某些维生素等阿舒假囊酵母产B2、谢氏丙酸杆菌和产甲烷菌产B12微生物对生长因子的需要与否分为三种类型微生物对生长因子的需要与否分为三种类型 生长因子的提供方式：维生素混合液或者一些天然物质原料（酵母膏、玉米浆、生长因子的提供方式：维生素混合液或者一些天然物质原料（酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁或者其他动物、植物的汁液等）肝浸液、麦芽汁或者其他动物、植物的汁液等）微生物的六大营养要素生长因子及其功能微生物细胞含水约占细胞鲜重微生物细胞含水约占细胞鲜重7090，水作用是多方面的。，水作用是多方面的。水的功能水的功能 是细胞中生化反应的良好介质；是细胞中生化反应的良好介质；营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出体（细胞）外；体（细胞）外；水的比热高，能有效的吸收代谢过程中放出的热量，不致使水的比热高，能有效的吸收代谢过程中放出的热量，不致使细胞的温度骤然上升；细胞的温度骤然上升；维持细胞的膨压（控制细胞形态）；维持细胞的膨压（控制细胞形态）；有利于生物大分子结构的稳定；有利于生物大分子结构的稳定；水在细胞中有两种存在形式：水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水，结合水没有流动性和溶解力，所以微生物结合水和游离水，结合水没有流动性和溶解力，所以微生物不能利用它。不能利用它。微生物的六大营养要素水及其功能几种生物的几种生物的游离水含量游离水含量人体：人体：60%海蛰：海蛰：96%微生物微生物孢子孢子营养体营养体霉菌孢子：霉菌孢子：39%细菌芽孢：细菌芽孢：皮层：皮层：70%核心：极低核心：极低细菌：细菌：80%酵母：酵母：75%霉菌：霉菌：85%不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别不同细胞及不同细胞结构中游离水的含量有较大差别水的水的可利用性常用水活度可利用性常用水活度a aW W表示：在相同温度和压力下，表示：在相同温度和压力下，体系中溶液或物质上面空气的蒸汽压与纯水蒸汽压之比。体系中溶液或物质上面空气的蒸汽压与纯水蒸汽压之比。a aW W=P=P溶液溶液/P/P纯水纯水微生物生长所需的水活度为微生物生长所需的水活度为微生物生长所需的水活度为微生物生长所需的水活度为0 0 630630 9999六大营养要素及其生理作用六大营养要素及其生理作用种类种类碳源碳源氮源氮源无机盐无机盐生长因子生长因子水水能源能源生生理理作作用用提供碳源提供碳源构成有机构成有机分子的骨分子的骨架，碳源架，碳源物质通常物质通常也提供氢也提供氢元素和氧元素和氧元素元素能源能源(二氧二氧化碳不提化碳不提供能源供能源)提供氮元提供氮元素合成含素合成含氮物质氮物质一般不作一般不作为能源为能源(少少数自养菌数自养菌能用作能能用作能源源)酶活性中酶活性中心组分心组分稳定生物稳定生物大分子及大分子及细胞结构细胞结构调节渗透调节渗透压压控制氧化控制氧化还原电位还原电位某些微生某些微生物能源物物能源物质质维生素、维生素、嘌呤和嘧嘌呤和嘧啶作为酶啶作为酶的辅基和的辅基和辅酶辅酶提供某些提供某些微生物不微生物不能合成的能合成的氨基酸氨基酸嘌呤和嘧嘌呤和嘧啶用于合啶用于合成核苷、成核苷、核苷酸及核苷酸及核酸核酸溶剂与运溶剂与运输介质输介质参与生化参与生化反应反应热导体热导体维持细胞维持细胞形态形态控制多亚控制多亚基结构的基结构的装配与解装配与解离离生命活动生命活动能量能量单功能营单功能营养物（辐养物（辐射能）射能）双功能营双功能营养物（能养物（能源、氮源）源、氮源）三功能营三功能营养物（能养物（能源、碳源、源、碳源、氮源）氮源）第二节第二节 微生物的营养类型微生物的营养类型营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养物即能源和碳源、营养类型：根据微生物生长所需要的主要营养物即能源和碳源、氮源不同而划分的微生物的类型。氮源不同而划分的微生物的类型。微生物营养类型的分类分类标准分类标准营养类型营养类型特点特点以能源分以能源分光能营养型、光能营养型、化能营养型、化能营养型、以光为能源以光为能源以有机物氧化释放的化学能为能源以有机物氧化释放的化学能为能源以氢供体分以氢供体分无机营养型无机营养型有机营养型有机营养型还原性无机物为电子供体还原性无机物为电子供体以有机物为电子供体以有机物为电子供体以碳源分以碳源分自养型自养型异养型异养型以以CO2为唯一或主要碳源为唯一或主要碳源以有机物为主要碳源以有机物为主要碳源以合成氨基酸的能力分以合成氨基酸的能力分氨基酸自养型氨基酸自养型氨基酸异养型氨基酸异养型以生长因子分以生长因子分原养型或野生型原养型或野生型营养缺陷型营养缺陷型取得死或活的有机物分取得死或活的有机物分寄生、腐生寄生、腐生虽然划分微生物营养类型的标准和角度各种各样，但虽然划分微生物营养类型的标准和角度各种各样，但通常都是根据能源、氢供体和碳源来划分。通常都是根据能源、氢供体和碳源来划分。微生物的主要营养类型主要营养类型主要营养类型能源能源氢氢/电子供体电子供体碳源碳源代表性微生物代表性微生物光能无机营养型光能无机营养型光光无机物无机物二氧化碳二氧化碳藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、藻类、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌蓝细菌光能有机营养型光能有机营养型光光有机物有机物有机物有机物紫色非硫细菌、绿色非硫细菌紫色非硫细菌、绿色非硫细菌化能无机营养型化能无机营养型化学化学能能无机物无机物二氧化碳二氧化碳硫氧化细菌、氢细菌、硝化细硫氧化细菌、氢细菌、硝化细菌、铁细菌菌、铁细菌化能有机营养型化能有机营养型化学化学能能有机物有机物有机物有机物原生动物。真菌。大多数非光原生动物。真菌。大多数非光合细菌合细菌微生物的营养类型光能无机自养型碳源：碳源：以以C02作为唯一碳源或主要碳源作为唯一碳源或主要碳源能源：利用光能能源：利用光能电电子子供供体体：以以无无机机物物如如水水、硫硫化化氢氢、硫硫代代硫硫酸酸钠钠或或其其他他无无机机硫硫化化物物作作为为氢氢供体供体将将CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫还原成细胞物质，同时产生元素硫 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，因而能使先能转变成化学能（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），），供机体直接利用。供机体直接利用。真核藻类和蓝细菌紫硫细菌和绿硫细菌微生物的营养类型光能有机异养型碳源：碳源：不能以不能以CO2为主要碳源或唯一碳源；为主要碳源或唯一碳源；能源：能源：利用光能利用光能电电子子供供体体：以以有有机机物物（如如异异丙丙醇醇）作作为为供供氢氢体体，利利用用光光能能将将CO2还还原原成成细细胞胞物物质质，红红螺螺菌菌属属中中的的一一些些细细菌菌属属于于此此种种营营养养类类型型。光光能能异异养养型型细细菌菌在在生生长长时时大大多多数数采采要外源的生长因子。要外源的生长因子。红螺菌科的细菌以光为能源，二氧化碳为碳源，红螺菌科的细菌以光为能源，二氧化碳为碳源，并需要异丙醇为供氢体，同时积累丙酮并需要异丙醇为供氢体，同时积累丙酮微生物的营养类型化能无机自养型以以CO2或或碳碳酸酸盐盐作作为为唯唯一一或或主主要要碳碳源源，以以无无机机物物氧氧化化释释放放的的化化学学能能为为能能源源,，利利用用电电子子供供体体如如氢氢气气、硫硫化化氢氢、二二价价铁铁离离子子或或亚亚硝硝酸酸盐盐等等使使CO2还原成细胞物质。还原成细胞物质。2NH 4+3O22NO2-+2H2O+4H+132Kcal NO2-+1/2O2 NO3-+18.1 Kcal亚硝化细菌硝化细菌H2S+1/2 O2 S+H2O+50.1 KcalS+1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal硫化细菌:（硫杆菌属，硫微螺菌属）2Fe2+1/2O2+2H+2Fe3+H2O+21.2 Kcal铁细菌H2+1/2 O2 H2O+56.7 Kcal氢细菌：具有氢化酶，从氢的氧化获取能 量，同化CO2化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的环境中生长。化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；参与地球物质循环；生生长长所所需需的的能能量量来来自自有有机机物物氧氧化化过过程程放放出出的的化化学学能能，生生长长所所需需要要的的碳碳源源主主要要是是一一些些有有机机化化合合物物，如如淀淀粉粉、糖糖类类、纤纤维维素素、有机酸等。有机酸等。多多数数微微生生物物属属于于化化能能异异养养型型，其其生生长长所所需需要要能能源源和和碳碳源源通通常常来自同一种有机物。来自同一种有机物。微生物的营养类型化能有机异养型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：列两种类型：腐生型微生物：腐生型微生物：利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。利用无生命活性的有机物作为生长的碳源。寄生型微生物：寄生型微生物：寄生在生活的细胞内，从寄生体内获得生长所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。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，称为兼性腐生兼性腐生型或兼性寄生型型或兼性寄生型。如结核杆地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。如结核杆地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。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：异养型微生物并非绝对不能利用异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时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；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，为自养型微生物；为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物生物微生物营养类型的可变性无疑有利于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提高其对环境条件变化的适应能力第三节 物质进出微生物细胞的方式 营养物质进入细胞的过程叫运输。营养物质只有进入细胞后才能参与营养物质进入细胞的过程叫运输。营养物质只有进入细胞后才能参与微生物细胞内的生命活动。微生物细胞内的生命活动。影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：1）营养物质本身的性质，如相对分子质量、溶解性、电负性、极性等）营养物质本身的性质，如相对分子质量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细胞的难易程度；都影响营养物质进入细胞的难易程度；2）微生物所处的环境，如温度、）微生物所处的环境，如温度、pH、离子强度等；、离子强度等；3）微生物细胞的通透屏障，主要是黏液层、细胞壁和细胞膜等结构。）微生物细胞的通透屏障，主要是黏液层、细胞壁和细胞膜等结构。疏水性分子苯、氧气、氮气不带电荷的小的极性分子脲、甘油、水、二氧化碳不带电荷的大的极性分子葡萄糖、蔗糖离子H,Na+,K+,Cl,HCO3-,Ca2+,Mg2+内外人工磷脂双分子层膜对不同类型分子的相对透性特点：特点：扩散扩散是非特异性的是非特异性的营养物质吸收营养物质吸收方式：如营养物质通过细胞膜中的方式：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；向低浓度的胞内扩散；在扩散过程中营养物质的结构不在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既不与膜上的分子发生变化：即既不与膜上的分子发生反应，同时本身的分子结构发生反应，同时本身的分子结构也不发生变化；也不发生变化；物质运输的速率较慢：速率与胞物质运输的速率较慢：速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度低而减小，直到胞内外物质浓度相同；相同；不需要载体参与；扩散是一个不不需要载体参与；扩散是一个不需要代谢能的运输方式：因此，需要代谢能的运输方式：因此，物质不能进行逆浓度运输。物质不能进行逆浓度运输。营养物质进入细胞的方式单纯扩散可运送的养料有限：限于水、溶于可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及分子量小，脂溶性、极水的气体，及分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。性小的营养物质。单纯扩散模式图单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜营养物质进入细胞的方式促进扩散营养物质通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶营养物质通过与细胞膜上载体蛋白（也称作透过酶permease）的可逆性结）的可逆性结合来加快其传递速度合来加快其传递速度 特点：特点：营养物质本身在分子结构上也不会发生变化；不耗能，不能进行逆浓度运输；运输的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参与物质 运输；运输速率有饱和效应；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。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成。输由一种以上的载体蛋白来完成。营养物质进入细胞的方式主动运输在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白营养料浓度梯度在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白营养料浓度梯度吸收营养物质的过程吸收营养物质的过程特点：特点：物质在主动运输的过程中需要消耗代谢能；物质在主动运输的过程中需要消耗代谢能；可以进行逆浓度运输的运输方式；可以进行逆浓度运输的运输方式；需要载体蛋白参与，对被运输的物质有高度的立体专一性需要载体蛋白参与，对被运输的物质有高度的立体专一性 被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化 能量来源：能量来源：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自光能。主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。基团移位：是在研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。运输过程中需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输叫基团移位。许多糖就是靠基团移位进行运输的。这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系统运输营养物的。最著名的基团转运系统是磷酸烯醇式丙酮酸：最著名的基团转运系统是磷酸烯醇式丙酮酸：糖磷酸转移酶系统（糖磷酸转移酶系统（PTSPTS）：）：PTSPTS通常由五种蛋白质组成，通常由五种蛋白质组成，包括酶包括酶、酶、酶（包括（包括a a、b b、c c三种亚基）和一种低相对分三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（子量的热稳定蛋白质（HPrHPr）。）。营养物质进入细胞的方式基团移位 PEP+HPr HPr-p+丙酮酸丙酮酸 P-HPr+葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-P+HPrEEEE基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。这种方式运输。Group Translocation 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 基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白 无无 有有 有有 有有运送速度运送速度 慢慢 快快 快快 快快溶质运送方向溶质运送方向 由浓至稀由浓至稀 由浓至稀由浓至稀 由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等平衡时内外浓度内外相等 内外相等内外相等 内部高内部高内部高内部高运送分子运送分子 无特异性无特异性 特异性特异性 特异性特异性特异性特异性能量消耗能量消耗 不需要不需要 需要需要 需要需要需要需要运送前后溶质分子不变运送前后溶质分子不变 不变不变 不变不变改变改变载体饱和效应载体饱和效应无无 有有 有有 有有与溶质类似物与溶质类似物 无竞争性无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂运送抑制剂 无无 有有 有有 有有运送对象举例运送对象举例 水、水、O O2 2 单糖单糖 aaaa 盐盐 乳糖乳糖 离子离子 葡萄糖葡萄糖 嘌呤嘌呤四种运送营养方式的比较四种运送营养方式的比较第四节 培养基培养基：培养基：一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物、或者用于其他目的的混合养料。物、或者用于其他目的的混合养料。特点：特点：任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且应比例适当。且应比例适当。一旦配成必须立即灭菌。一旦配成必须立即灭菌。用途：用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备鉴定微生物种类；微生物细胞计数；菌种保藏；制备微生物制品微生物制品制备培养基的基本原则制备培养基的基本原则有的放矢有的放矢有的放矢：根据培养的对象和目的，如培养何物，获何产物，有的放矢：根据培养的对象和目的，如培养何物，获何产物，用于实验室还是大规模生产以及做种子培养用还是发酵用等用于实验室还是大规模生产以及做种子培养用还是发酵用等来制备培养基。来制备培养基。常见的培养四大类微生物的培养基常见的培养四大类微生物的培养基细细菌菌（牛牛肉肉膏膏蛋蛋白白胨胨培培养养基基）：牛牛肉肉膏膏3g3g、蛋蛋白白胨胨10g10g、NaCl5gNaCl5g、H H2 2O1000mlO1000ml放放线线菌菌（高高氏氏1 1号号）：淀淀粉粉 20g20g、K K2 2HPOHPO4 4 0.5g0.5g、NaClNaCl 0.5g0.5g、MgSO4.7HMgSO4.7H2 2O O 0.5g0.5g、KNOKNO3 3 1g 1g、FeSOFeSO4 4 0.01g0.01g、H H2 2O 1000mlO 1000ml酵酵母母菌菌(麦麦芽芽汁汁培培养养基基)：干干麦麦芽芽粉粉加加四四倍倍水水，在在50-6050-60保保温温糖糖化化3-43-4小小时时，用用碘碘液液试试验验检检查查至至糖糖化化完完全全为为止止，调调整整糖糖液液浓浓度度为为1010。巴巴林林，煮煮沸沸后，纱布过滤，调后，纱布过滤，调pHpH为为6.06.0。霉霉菌菌（查查氏氏合合成成培培养养基基）：NaNONaNO3 3 3g3g、K K2 2HPOHPO4 4 1g1g、KCl0.5gKCl0.5g、MgSOMgSO4 4.7H.7H2 2O O 0.5g0.5g、FeSOFeSO4 4 0.01g0.01g、蔗糖、蔗糖30g30g、H H2 2O 1000mlO 1000ml根据微生物营养类型配制培养基根据微生物营养类型配制培养基培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSOS 10g MgSO4 4.7H.7H2 2O 0.5g O 0.5g （NHNH4 4)2 2SOSO4 4 0.4g FeSO 0.4g FeSO4 4 0.01g H0.01g H3 3POPO4 4 4g CaCl 4g CaCl2 2 0.25g H 0.25g H2 2O 1000mlO 1000ml培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成：葡萄糖葡萄糖 5g NH5g NH4 4H H2 2POPO4 4 1g 1g NaClNaCl 5g MgSO 5g MgSO4 4.7H.7H2 2O O 0.2g K0.2g K2 2HPOHPO4 4 1g H 1g H2 2O 1000mlO 1000ml根据培养目的配制培养基根据培养目的配制培养基该培养基的应用目的，即：该培养基的应用目的，即：该培养基的应用目的，即：该培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是培养菌体还是积累代谢产物？是培养菌体还是积累代谢产物？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？是实验室种子培养还是大规模发酵？是实验室种子培养还是大规模发酵？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？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？用于用于培养菌体种子培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；氮比低）；用于大量生产用于大量生产代谢产物代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基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）；若代谢产物是的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物次级代谢产物时要考虑是否加入时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；特殊元素或特定的代谢产物；当所设计的是当所设计的是大规模发酵大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各用的培养基时，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，以野代家，以纤代糖。以粗代精，以废代好，以野代家，以纤代糖。制备培养基的基本原则制备培养基的基本原则营养协调营养协调营养协调：培养基除应含有维持微生物最适生长所必需的一营养协调：培养基除应含有维持微生物最适生长所必需的一切营养物质，最重要的是营养物质的浓度和配比要合适。切营养物质，最重要的是营养物质的浓度和配比要合适。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（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；碳源中的碳原子的碳源中的碳原子的mol数数氮源中所含的氮原子的氮源中所含的氮原子的mol数数C/N比值比值=一般而言：C/N 低，生长旺盛，有利于菌体生长；C/N 高，代谢旺盛，有利于产物合成。速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例各种金属离子间的比例各种金属离子间的比例特例特例谷氨酸生产中谷氨酸生产中 C/N 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；C/N3/1 时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。制备培养基的基本原则制备培养基的基本原则条件适宜条件适宜微生物生长除营养要素以外，还受微生物生长除营养要素以外，还受pHpH、氧气、渗透压等物理化、氧气、渗透压等物理化学因素的影响，而微生物的生长反过来又会影响环境条件。学因素的影响，而微生物的生长反过来又会影响环境条件。pH：培养基的培养基的pHpH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。各类微生物的最适生长各类微生物的最适生长pH值各不相同值各不相同：细细 菌：菌：7.08.0放线菌：放线菌：7.58.5酵母菌：酵母菌：3.86.0霉霉 菌：菌：4.05.8在在微微生生物物的的生生长长和和代代谢谢过过程程中中，由由于于营营养养物物质质的的利利用用和和代代谢谢产产物物的的形形成成与与积积累累，培培养养基基的的初初始始pH值值会会发发生生改改变变，为为了了维维持持培培养养基基pH值值的的相相对对恒恒定定，通通常常采采用用下下列列两两种种方方式式：内内源源