第二部分 与微生物相关的基础知识

微生物的营养与代谢微生物的生长与环境条件 微生物的遗传与变异微生物的生态

Chapter 4

Microbial Nutrition

微生物的营养

Section 1

Microbial nutrition

一、 Concept

Nutrient( 营养物 ) ：凡能够满足机体生长、繁殖和完成种种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物。

Nutrition( 营养 ) ：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。

二、 Function of nutrient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

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

三、 Chemical composition

( 一 ) 微生物细胞的元素组成

( 二 ) 微生物细胞中的物质组成

( 一 ) 微生物细胞的元素组成

干物质的元素组成

主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫（ 97% ）微量元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、

锌、钼等

表 3.1 微生物细胞中主要元素含量 ( 占干重 %)

( 二 ) 微生物细胞中的物质组成

有机物：蛋白质、糖、脂、核酸、维生素 无机盐灰分水——细胞干重的 70%~90% 水是微生物及一切生物细胞中含量最多的成分。微生物细胞的含水量随种类和生长期而异。通常情况下，细菌含水量为细胞鲜重的 75% ～ 85% ，酵母菌为 70% ～ 85% ，丝状真菌为 85% ～ 90% ，细菌芽孢和霉菌孢子的含水量约为 40% 。

四、 Nutrient

营养物质按照它们在机体中的生理作用不同，可以将它们区分成六大类。

1. Source of carbon （碳源）2. Source of Nitrogen （氮源 )3.Inorganic salt （无机盐）4. Growth factor （生长因子 ) 5.Water （水分）6. Energy source （能源 )

1 、 Source of carbon

一切能满足微生物生长繁殖所需要 C 元素的营养物称为碳源。

碳源谱｛有机碳

无机碳

异养微生物

自养微生物

● 实验室配制微生物培养基常用碳源

葡萄糖、 蔗糖、可溶性淀粉

● 工业生产常用的碳源 淀粉、糖、麸皮、米糠等

对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

2. Source of Nitrogen

凡提供微生物生长繁殖所需要氮元素的营养源，称为氮源。

氮源谱｛有机氮

无机氮 NH3

铵盐硝酸盐N2

｛｛

蛋白质核酸氨基酸尿素

● 实验室配制微生物培养基常用氮源

蛋白胨、牛肉浸膏、酵母浸膏、尿素、铵盐、硝酸盐

● 工业生产常用的氮源

尿素、玉米浆、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼、花生饼等

3 、 Source of Energy

为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能称为能源。

化能异养微生物：有机物（同碳源） 化学物质 化能自养微生物：还原态无机物 能源谱 （不同碳源）— NH4

+,NO2-, S, H2S, H2,Fe2

+ 等

光能：光能自养和光能异养微生物

通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。 狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、嘌呤及嘧啶

4.Growth factor( 生长因子 )

5.Inorganic salt凡生长所需浓度在 10-3 ～ 10-4mo1/L 范围内的元素称为大量元素，包括 P 、 S 、 K 、 Na 、 Ca 、 Mg 、 Fe ；凡生长所需浓度需浓度为 10-6 ～ 10-8 mo1/L 范围内的元素，称为微量元素，包括 Cu 、 Zn 、 Mn 、 Mo 、 Co 、B 等 10 种。

6 、 Water功能

1. 是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，物质溶剂和运输介质的作用，保证代谢正常进行2. 是物质代谢的原料3. 有效控制细胞内的温度变化

Section2 、 Nutritional types

1. 光能无机自养型微生物2. 光能有机异养型微生物3. 化能无机自养型微生物4. 化能有机异养型微生物

老虎：食肉动物 羊：食草动物 猪：杂食动物

异养型：有机碳碳源： 自养型：无机碳

光能营养型：太阳光能能源： 化能营养型：化合物氧化

无机营养型：还原性无机物电子供体 有机营养型：有机物

1 、光能无机自养型 (photolithotroph) 也称光能自养型，是一类具有光合色素、能利用光能并以水或还原态无机物为供氢体同化 CO2 的微生物。

碳源—— CO2 为唯一或主要碳源能源——光能例：

CO2 + H2O [CH2O] + O2

2CO2 + H2S + 2H2O 2[CH2O] +H2SO4

CO2 + 2H2S CH2O] + H2O + 2S藻类和蓝细菌

（ 1 ）产氧光合作用---- 藻类和蓝细菌细胞内含有叶绿素，能与高等植物一样利用光能分解水产生氧气并还原 CO2 为有机碳化物，其反应通式为：

光能CO2 + H2O ---------- ［ CH2O ］ + O2↑

叶绿素 藻类的叶绿体中含有叶绿素 a 和类胡萝卜素，其它光合色素随类群而

异。藻类多数水生， 只要环境中有光照、少量氮素和无机盐就能生长

（ 2 ）不产氧光合作用---- 光合细菌 ( 紫色细菌和绿色细菌 ) 与蓝细菌不同，细胞内含有类似于叶绿素的菌绿素，但不能进行以 H2

O 为供氢体的非环式光合磷酸化作用，也不产生氧气。光合细菌吸收光能，以还原态无机硫化物 (H2S 、 S 或S2O3-2 等 ) 为氢或电子供体同化 CO2 ，代表性反应为：

光能CO2 + 2H2S ----------- [CH2O ］ + H2O+2S

叶绿素光合细菌分为紫色细菌和绿色细菌两大类群。

2 、光能有机异养型微生物光能异养型：能利用光能、以简单有机物 ( 有机酸、醇等 ) 为供氢体同化 CO2 的微生物类群称为光能有机营养型

碳源—— CO2

能源——光

例： Rhodospirillum

CO2 + 2CH3CHOHCH3 (CH2O) +2CH3COCH3 + H2O

3 、化能无机自养型微生物化能自养型：能通过氧化无机物获得能量并能以 CO2为主要或唯一碳源的微生物称为化能无机营养型微生物，或称为化能自养型微生物。

碳源—— CO2

能源——来自氧化某种还原态无机物例：

2NH3 + 2O2 2HNO2 + 4H+ + 能量

CO2 + 4H+ (CH2O) + H2O

4 、化能有机异养型微生物 凡以有机物为碳源、能源和供氢体的微生物称为化能有机营养型微生物，也称化能异养型微生物。

碳源——有机物能源——有机物可分为：

寄生型微生物——寄生于活的生物体 腐生型微生物——以死亡的生物有机体为营养原料

自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物

四种营养类型的对比营养类型 电子供体 碳源 能 源 例 样

光能无机自养型

H2, H2S, S,

H2O

CO2 光能 红硫细菌，蓝细菌，藻类

光能有机异养型

有机物 有机物 光能 红螺细菌

化能无机自养型

H2, H2S, Fe2+ ， NH3

或 NO2-

CO2 化学能（无机物氧化）

氢细菌，硫杆菌，硝化细菌，大多数产甲烷菌

化能有机异养型

有机物 有机物 化学能（有机物氧化）

大多数微生物，原生动物

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 CO2 ；

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 , 其营养类型也会发生改变；

例如紫色非硫细菌 (purple nonsulphur bacteria) ：没有有机物时，同化 CO2 ， 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；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件变化的适应能力

Section3微生物吸收营养物质的方式

Diffusion （扩散 )

Facilitated diffusion （促进扩散）

Active transport （主动吸收）

Membrane vesicle transport （膜泡运输 )

微生物吸收营养物质的方式

1 、单 纯 扩 散物质扩散的动力 : 膜内外的浓度差特点：

不消耗能量 不发生化学变化 非特异性。仅依膜上小孔的大小 和形状对被扩散的物质分子的大小和形状具有选择性

被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、甘油和某些离子

2 、促 进 扩 散借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。

特点： 需要特异性的载体蛋白 不消耗能量 可加快运输速度，但不能逆浓度运输

3 、主 动 运 送

有特异性的载体蛋白参与需要消耗能量可以逆浓度梯度运输微生物的主要物质运输方式

4 、基团移位

是指一类既需特异性载体蛋白的参与，又耗能的一种物质运送方式。其特点是溶质在运送前后还会发生分子结构的变化，因此不同于一般的主动运送。

葡萄糖通过基团移位 运输过程的化学反应

1 ） PEP+HPr 酶 I 磷酸 ~HPr + 丙酮酸

2 ）磷酸 ~HPr + 葡萄糖 酶 II 6- 磷酸葡萄糖 +HPr

基团转位运输葡萄糖示意图

基团移位示意图

5 、膜泡运输

主要存在于原生动物特别是变形虫中。如果膜泡中包含的是固体营养物质，称胞吞作用；是液体营养物质称胞饮作用。

Section4

Culture medium

是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的混合营养料。培养基约有数千种。

一、选用和设计培养基的原则和方法

目的明确

营养协调

理化条件适宜

经济节约

1. 目的明确

根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。

培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为：S 10g MgSO4.7H2O 0.5g (NH4)2SO4 0.4g FeSO4 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 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：葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O 0.2g K2HPO4 1g H2O 1000ml

常见的培养四大类微生物的培养基

细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H2O 1000ml

放线菌（高氏 1 号）淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml

酵母菌 ( 麦芽汁培养基 )干麦芽粉加四倍水，在 50℃--60℃ 保温糖化 3-4 小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为 10 。巴林，煮沸后，沙布过滤，调 PH 为 6.0 。

霉菌（查氏合成培养基）NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml

2. 营养协调　　培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。　　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代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（ C/N ）的影响较大。

碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。

例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为 4/1 时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为 3/1 时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。

3. 理化条件适宜

pH

水活度

氧化还原电位

a. pH

培养基的 pH 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。

通常培养条件：

细菌 pH7.0~8.0 放线菌： pH7.5~8.5

酵母菌 pH3.8~6.0 霉菌： pH4.0~5.8 范围内生

长为了维持培养基 pH 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。

b. 水活度

在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量，

一般用在一定的温度和压力条件下 , 溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：

αw=Pw/Pow

式中 Pw代表溶液蒸汽压力 , POw代表纯水蒸汽压力。

纯水 αw为 1.00, 溶液中溶质越多 , αw越小

微生物一般在 αw为 0.60～ 0.99 的条件下生长 , αw过低时 ,微生物生长的迟缓期延长 , 生长速率和总生长量减少。

微生物不同，其生长的最适 αw不同。

c. 氧化还原电位

氧化还原电位又称氧化还原电势（ redox potential ），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 V （伏）或 mV （毫伏）。

不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同

好氧性微生物： +0.1伏以上时可正常生长 , 以 +0.3～ +0.4伏为宜；厌氧性微生物：低于 +0.1伏条件下生长；兼性厌氧微生物： +0.1伏以上时进行好氧呼吸 , +0.1伏以下时进行发酵。

4. 经济节约

以粗代精

以野代家

以废代好

以国代进以简代繁

以氮代朊

以烃代粮

以纤代糖

二、培养基的类型及应用

　　培养基种类繁多，根据其成分、物理状态和用途可将培养分成多种类型。

按成分不同划分

天然培养基

合成培养基

含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物

牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基

化学成分完全了解的物质配制而成的培养基

高氏 1 号培养基、查氏培养基

按物理状态不同划分

固体培养基

液体培养基

在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为 1.5%-2.0%

琼脂含量一般为 0.2%-0.7%

不加任何凝固剂

半固体培养基

固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏

观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定

大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究

补充： （ 1 ）理想的凝固剂需具备的条件：A 、不被所培养的微生物分解利用；B 、在微生物生长的温度范围内保持固体状态；C 、凝固点温度不能太低，否则不利于微生物的

生长。D 、对所培养的微生物无毒害作用。E 、在灭菌过程中不会被破坏。F 、透明度好，粘着力强；G 、配制方便且价格低廉。

补充： （ 2 ）常用的凝固剂

A 、琼脂：由藻类（石花菜）中提取的一种高度分支的复杂多糖。

B 、明胶：是由胶原蛋白制备得到的产物。但凝固点太低，且某些细菌和许多真菌能分离液化明胶，目前较少用之。

C 、硅胶：是由无机的硅酸钠（ Na2SiO3)补盐酸及硫酸中和时凝聚而成的胶体，它不含有有机物，适合配制分离与培养自养型微生物的培养基。

按用途不同划分

基础培养基

鉴别培养基

含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基

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的培养基

用于鉴别不同类型微生物的培养基

选择培养基

在基础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

微生物产生某种代谢产物，与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征变化

牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基

加富培养基

特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等

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

The end