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第五章第五章 微生物的营养和培养基微生物的营养和培养基l l第一节第一节 微生物的营养要素微生物的营养要素l l第二节第二节 微生物的营养类型微生物的营养类型l l第三节第三节 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式l l第四节第四节 培养基培养基第一节第一节 微生物的营养要素微生物的营养要素 l l 不论是从元素水平还是营养要素水平，微生物同其它生物存在着“营养上的统一性”。具体的说，微生物有六种营养要素，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水，也有的书归纳为五种，其中少能源这一要素。l l 一、碳源：凡是能够提供微生物营养碳素（碳架）需要的物质称为碳源。微生物利用碳源谱极广，包括有机碳和无机碳两大类。凡必须利用有机碳的微生物称为异养微生物，占微生物的大多数；凡能利用无机碳的微生物称为自养微生物，微生物对碳源的利用大大超过动、植物。l l异养微生物最易利用的碳源是糖类，其次是醇、酸和脂类，在糖类中，单糖优于双糖、多糖；淀粉优于纤维素和几丁质；纯多糖优于杂多糖（琼脂、木质素），对异养微生物而言，碳源同时又是能源，所以碳源具有双重功能的营养物，有些生长在动物体内的异养微生物，尤其肠、血、组织中的病原菌还需要10%（少量）的二氧化碳才能长好。l l二、氮源：凡能提供微生物生长、繁殖所需氮元素的营养源称为氮源。把微生物作为一个整体来考察,则它们能利用的氮源谱也是十分广泛的。异养微生物对氮源的利用 顺 序 为 NCHO（AA、胨 蛋 白）或NCHOX（蛋白质、牛肉膏、酵母膏）NH（NH3、铵盐）NO（硝酸盐）N（氮）。l l 氨基酸自养型生物：利用非氨基酸类的简单氮源（尿素、铵盐、NO3-、N2）自行合成所需一切氨基酸的生物，包括植物和很多微生物。l l 氨基酸异养型生物：只能吸收外源现成氨基酸为氮源的生物，包括所有动物和大量异养微生物。l l三、能源：l l1、化 合 物 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（NH4+、NO2-、S、H2、Fe2+）l l2、辅射能：光能自养及光能异养微生物的能源。l l四、生长因子（growth factor）：是一类微生物正常代谢必不可少，且不能由简单碳源、氮源自行合成的有机物，一般需要量很少，主要是维生素，另外还有碱基、卟啉、甾醇及胺类，生长因子并非每种微生物都需从外界吸收，它在微生物体内的功能主要是辅酶或辅基，如血清、酵母膏、玉米浆等可提供含量丰富的生长因子。l l五、无机盐：它主要提供微生物除碳、氮源以外的各种重要元素，凡是生长所需浓度在10-310-4mol/L的叫大量元素，如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等，凡所需浓度在10-610-8mol/L的叫微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo和Co等。l l无机盐的生理功能：大量元素：细胞内的成分、渗透压成分、稳定PH、酶的激活剂Mg2+。微量元素：酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+），特殊分子或结构（Ca、Mo）。l l培养基配制时，加入 K2HPO4、MgSO4足以满足大量元素，而微量元素不用另加，在一般化学试剂、天然水中足以。l l六、水：除少数微生物，如蓝细菌是以水中的 H还原CO2外，其他微生物都不以水为营养，但在生命过程中是不可少的，故为营养要素之一。l l水水的的功功能能：优优良良的的溶溶剂剂，参参与与细细胞胞内内、外外的的物物质质运运输输，各各种种生生化化反反应应。维维持持大大分分子子的的结结构构。保证生命活动的正常进行，保证生命活动的正常进行，主主要要是是因因为为:A A水水高高比比热热、B B高高汽汽化化热热、C C高高沸沸点点、D D固固态态水水（冰冰）的的密密度度小小于于液液态态水水，这这对对水水体体微微生物的生命活动十分有利。生物的生命活动十分有利。l l水在低等生物（微生物）体中含量比在高等生物水在低等生物（微生物）体中含量比在高等生物体中高。体中高。返回目录返回目录第二节第二节 微生物的营养类型微生物的营养类型l l微生物的营养类型的分划角度有：微生物的营养类型的分划角度有：以能源分：以能源分：A A光能营养型，光能营养型，B B化能营养型。化能营养型。以供氢体分：以供氢体分：A A有机营养型，有机营养型，B B无机营养型。无机营养型。以碳源分：以碳源分：A A自养自养型，型，B B异养型。异养型。以合成氨基酸能力分：以合成氨基酸能力分：A A氨基酸氨基酸自养型，自养型，B B氨基酸异养型。氨基酸异养型。以生长因子分：以生长因子分：A A原原养型或野生型，养型或野生型，B B营养缺陷型营养缺陷型 。以取食方式分：以取食方式分：A A渗透营养型，渗透营养型，B B吞噬营养型。吞噬营养型。以取得死或活有以取得死或活有机体分：机体分：A A腐生型，腐生型，B B寄生型。但较多的是以能源寄生型。但较多的是以能源或以碳源分的。也有以能源、供氢体和碳源统一或以碳源分的。也有以能源、供氢体和碳源统一划分的。划分的。下述划分，（一）首先以能源和供氢体下述划分，（一）首先以能源和供氢体划分的。（二）划分的。（二）则是以能源和碳源来划分的。则是以能源和碳源来划分的。返回目录返回目录营养类型营养类型营养类型营养类型碳源碳源碳源碳源能源能源能源能源代表微生物代表微生物代表微生物代表微生物光能自养型光能自养型以以COCO2作碳源作碳源日光日光蓝细菌，绿蓝细菌，绿硫细菌硫细菌光能异养型光能异养型以有机物作以有机物作供供H H体还原体还原COCO2日光日光红螺菌红螺菌化能自养型化能自养型COCO2氧化无机物氧化无机物硝化细菌，硝化细菌，硫化细菌硫化细菌化能异养型化能异养型有机物有机物氧化有机物氧化有机物大多数异养大多数异养细菌如：大细菌如：大肠杆菌肠杆菌第三节第三节 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式l l 一、单纯扩散（simple diffusion）也叫被动运输（passive transport），细胞膜这层疏水性屏障，可以通过物理扩散方式吸收许多小分子、非电离分子，尤其是亲脂性分子。通过这种方式运送的物质主要有CO2、O2、乙醇和某些氨基酸分子。但它不是细胞获取营养的主要方式。l l二、促进扩散（facilitated diffusion）在运输溶质时，要膜上的特异性载体蛋白参与，如透性酶、移位酶等，运送时可能是靠酶的构象在膜内、外变化来实现运送物质。它不能逆浓度差，也不耗能。只对生长在高营养浓度下的微生物发挥作用。l l三、主动运输（active transport）是微生物吸收营养物质的主要方式。其特点是有特异性载体蛋白。需要能（质子势、ATP等）改变构象，可逆浓度梯度进行。使生活在低营养状态的微生物浓缩获得营养。运送的营养主要有无机离子、有机离子和一些糖类。l l 四、基团移位（group translocation）也也需需要要特特异异性性载载体体蛋蛋白白，又又需需要要耗耗能能的的运运送送方方式式，但但被被运运溶溶质质在在运运送送前前后后会会发发生生分分子子结结构构的的变变化化，而而不不同同于于主主动动运运送送。主主要要用用于于运运送送蔗蔗糖糖、果果糖糖、甘甘露露糖糖、核核苷苷酸酸、丁丁酸酸和和嘌嘌呤呤等等，运运送送的的机机制制是是靠靠磷磷酸酸转转移移酶酶系系统统即即磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酸（酮酸（PEPPEP）己糖磷酸转移酶系统（）己糖磷酸转移酶系统（TPSTPS）l l其运送步骤为：l l 热稳载体蛋白（HPr）的激活l l细胞内高能磷酸化合物PEP的磷酸基团将HPr激活l l HPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在膜上，具有高能磷酸载体的作用。酶是一种可溶性细胞质蛋白。l l 糖糖被被磷磷酸酸化化后后运运入入膜膜内内、膜膜外外环环境境中中的的糖糖先先于于外外膜膜表表面面的的酶酶c c结结合合，再再被被运运到到内内膜膜表表面面。这这时时，糖糖被被P PHPrHPr的的磷磷酸酸激激活活，通通过过酶酶c c的作用把糖的作用把糖-磷酸释放到细胞内磷酸释放到细胞内l l酶酶c c是是一一种种结结合合在在细细胞胞膜膜上上的的蛋蛋白白，它它对对底底物物具具有有特特异异性性选选择择作作用用。因因此此细细胞胞上上可可诱诱导导出出一系列与底物分子相应的酶一系列与底物分子相应的酶c c。l l 基基团团移移位位在在E.coliE.coli和和金金黄黄色色葡葡萄萄球球菌菌球球中中研研究得较多。究得较多。l l附图：营养物质运送入细胞的四种方式附图：营养物质运送入细胞的四种方式返回目录第四节第四节 培养基培养基（medium or culture mediummedium or culture medium）l l 它是一种人工配制、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料，其内含有的微生物生长所需要的六大营养要素。一、一、选用和设计培养基原则和方法选用和设计培养基原则和方法 四个原则四个原则 1.1.目的明确，培养什么菌，用于科研还是用于生产；目的明确，培养什么菌，用于科研还是用于生产；2.2.营养协调营养协调 含量含量:10:10-1-1 10 10-2-2 10 10-3-3 10 10-4-4 10 10-5-5 10 10-6-6 要素要素:H:H2 2O O C+C+能源能源 N N源源 P.S P.S K.MgK.Mg生长因子生长因子 这与细胞内的含量相符。这与细胞内的含量相符。3.3.物理化学条件适宜物理化学条件适宜 pH pH 细细菌菌7.07.08.08.0；放放线线菌菌7.57.58.58.5，酵酵母母菌菌 3.83.86.06.0；霉霉菌菌 4.04.05.8 5.8 渗渗透透压压 氧氧化化还还原原电电势势（EnEn）好好氧氧微微生生物物 +0.3+0.3+0.4V+0.4V，在在+0.1V+0.1V以以上上均均能能生生长长。兼兼性性厌厌氧氧微微生生物物在在+0.1V+0.1V以以上上好好氧氧呼呼吸吸，在在+0.1V+0.1V以以下下厌厌氧氧呼呼吸吸。厌厌氧氧微微生生物物只只能能在在+0.1V+0.1V以以下才能生长。下才能生长。4.4.经济经济l l 四种方法：l l 1.生态模拟 l l 2.查阅文献 l l 3.精心设计 l l 4.实验比较l l二、培养基种类二、培养基种类l l 按培养基的成分按培养基的成分l l1.1.天天 然然 培培 养养 基基（complex complex medium medium or or undefined undefined mediummedium）：利利用用动动、植植物物、微微生生物物体体或或其其提提取取物物制制成成的的无无法法知知其其成成分分，如如肉肉汤汤蛋蛋白白胨胨培培养养基基，麦麦芽芽汁汁培培养养基基l l2.2.组组合合培培养养基基（defined defined mediummedium）也也称称合合成成培培养养基基或或综综合合培培养养基基(synthetic(synthetic medium)medium)：用用多多种种高高纯纯度度化化学学试试剂剂配配制制而而成成。各各成成分分（包包括括微微量量元元素素）的的量量都都确确切切知知道道的的培培养养基基，如如细细菌菌的的蔗蔗糖糖铵铵盐盐培培养养基基，放放线线菌菌的的淀淀粉粉硝硝酸酸盐盐培培养养基基（高高氏氏一一号号培培养养基基），真真菌菌的的蔗蔗糖糖硝硝酸酸盐盐培培养养基基（索索氏氏培培养养基基）。特特点点是是成成分分精精确确，重演性高，价昂，配制麻烦，主要用以研究。重演性高，价昂，配制麻烦，主要用以研究。l l3.3.半半组组合合培培养养基基（semi-defined semi-defined mediummedium）：即即含含有有天天然然成成分分又又含含有有纯纯化化学学试试剂剂的的培培养养基基。如如真真菌菌的的马马铃铃薯蔗糖培养基薯蔗糖培养基l l 按培养基的外观物理状态分按培养基的外观物理状态分l l1.1.固固体体培培养养基基（solid solid mediummedium）凝凝固固培培养养基基(solidified(solidified medium)medium)含含1-2%1-2%琼琼脂脂或或5-12%5-12%的的明明胶胶。非非可可逆逆性性凝凝固固培培养养基基，指指血血清清凝凝固固的的或或无无机机硅硅胶胶配配制制的的，凝凝固固的的不不再再熔熔化化，硅硅胶胶平平板板是是专专用用于于化化能能自自氧氧微微生生物物分分离离、纯纯化化的的。天天然然固固体体培培养养基基 如如麸麸皮皮、米米糠糠、马马铃铃薯薯片片、麦麦粒粒芽芽、动动、植植物物组组织织等等。滤滤膜膜 是是一一种种坚坚韧韧且且带带有有无无数数微微孔孔的的醋醋酸酸纤纤维维薄薄膜膜，将将之之覆覆于于营营养养琼琼脂脂等等上上面面，可可用用于于含含菌菌量量少少的的材材料料（水水）的集菌。的集菌。l l2.半固体培养基（semi-solid medium）较固体培养基中的凝固剂少0.5%的琼脂。可用以动力、噬菌体效价、微生物趋化性、厌氧菌培养基和菌种保藏等。l l3.液体培养基(liquid medium)呈液体状态的培养基l l 按培养基的功能分按培养基的功能分l l1.1.选择性培养基（选择性培养基（select mediumselect medium）依某种微）依某种微生物特殊的营养要求或对某化学、物理因素的抗生物特殊的营养要求或对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基。可使混合菌样中的劣势菌变性而设计的培养基。可使混合菌样中的劣势菌变成优势菌，提高该菌的筛选效率。如用纤维素来成优势菌，提高该菌的筛选效率。如用纤维素来富集纤维分解菌，石蜡油用于富集分解石油微生富集纤维分解菌，石蜡油用于富集分解石油微生物。较浓的糖液富集酵母等。或者用染料（结晶物。较浓的糖液富集酵母等。或者用染料（结晶紫）抗生素和脱氧胆酸钠等抑制某种微生物等。紫）抗生素和脱氧胆酸钠等抑制某种微生物等。l l2.2.鉴鉴别别性性培培养养基基(differential(differential medium)medium)在在培培养养基基中中加加入入能能与与某某一一菌菌的的无无色色代代谢谢产产物物发发生生显显色色反反应应的的指指示示剂剂，使使该该菌菌菌菌落落与与外外形形相相似似的的它它种种菌菌菌菌落落以以肉肉眼眼即即可可区区别别的的培培养养基基。如如伊伊红红美兰乳糖培养基美兰乳糖培养基l l(EMB(EMB Eosin Eosin Methylene Methylene Blue)Blue)，染染料料可可抑抑制制G+G+菌菌和和一一些些难难培培养养的的G-G-菌菌，而而多多种种肠肠道道菌菌可可在在其其上生长。菌落上生长。菌落(E.coli)(E.coli)呈紫色，并有金属光泽。呈紫色，并有金属光泽。l l上上述述的的选选择择培培养养基基和和鉴鉴别别培培养养基基往往往往是是结结合合在在一起使用的。一起使用的。