第三章 微生物的营养与代谢
第三章微生物的营养与代谢
第一节微生物的营养与培养基
一、细胞化学组成
整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（这四种
元素占干重90-97%），C（约占干重的50%），此外为
各种无机元素，由这些元素再组成化合物。其中C/N一般
是5:1。
1、水分和无机元素
含水70-90%（鲜重），无机元素（3-10%干重）依次
为P、S、K、Mg、Ca、Fe、Zn、Mn等。
2、有机物
蛋白质
核酸
碳水化合物
类脂
维生素等
换页
二、主要营养物及其功能
主要功能：
1提供合成原生质和代谢产物原料；
2产生合成反应及生命活动所需能量；
3调节新陈代谢。
（一）碳源物质（carbon source）
定义：凡能提供微生物营养所需碳元素的营养源。
功能：构成微生物细胞物质和代谢产物，并为微生物生命
活动提供能量。（碳源、能源）但一些以CO2作为唯一或
主要碳源的微生物生长所需要的能源并非来自碳源物质。
微生物碳源谱：分有机碳源（糖类及其衍生物、脂类、醇
类、有机酸、烃类、芳香族化合物等）和无机碳源（CO2
和碳酸盐）
不同微生物对碳源要求不同：
利用无机碳源的微生物为自养型微生物；必须利用有机碳
源的微生物为异养微生物
换页
类
型
元素水平化合物水平培养基原料水平
复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等
一般氨基酸、明胶等
葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖
蜜等
天然气、石油及其不同馏份、
石蜡油等
—
CO2
NaHCO3、CaCO3、白垩等
多数氨基酸、简单蛋白质等
糖、有机酸、醇、脂类等
烃类
—
CO2
NaHCO3
C·H·O·N·X
C·H·O·N
C·H·O
C·H
C(?)
C·O
C·O·X
有
机
碳
无
机
碳
微生物的碳源谱
换页
换页
换页
换页
（二）氮源物质
定义：凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。
功能：用于合成细胞物质和代谢产物中的含氮化合物，一
般不作能源。
微生物氮源谱：有机氮源（牛肉膏、蛋白胨）、无机氮源
（(NH4)2SO4、硝酸盐）
从微生物所能利用的氮源种类来看，事实上存在着一个明
显的界限：一部分微生物是不需要氨基酸作为氮源的，它
们能把非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐
和氮气）自行合成所需要的一切氨基酸，可称为“氨基酸
自养型生物”，反之，凡需要从外界吸收现成的氨基酸作
氮源的微生物，则可称“氨基酸异养型生物”。所有的动物
和大量的异养微生物是氨基酸异养型生物，而所有的绿
植物和很多的微生物都是氨基酸自养型生物。
换页
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
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
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
N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等
N·O
硝酸盐等
KNO3等
NN2
空气
无
机
氮
有
机
氮
换页
换页
换页
换页
3、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：生物能源
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
换页
（四）生长因子
定义：一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的
碳、氮源自行合成的所需极微量的有机物。
种类：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶等。
作用：辅酶或酶活化
来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等，复合维生素。
并非任何一种微生物都必须从外界吸收生长因子，并根据
微生物与生长因子的关系分为：
生长因子自养型：不需要从外界吸收任何生长因子。
真菌、放线菌、E. coli;
生长因子异养型：需从外界吸收多种生长因子。
乳酸菌；
生长因子过量合成型：
核黄素产生菌、维生素B12产生菌。
换页
（五）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。
换页
无机盐的生理功能
细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg 、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（Mg2+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）
换页
（六）水
水分是生物细胞的主要化学成分，其重要的生理
功能表现在下列几个方面：
1. 细胞的构成成分
2.一系列生理生化反应的反应介质
3.参与许多生理生化反应
4. 有效地控制细胞内的温度变化
换页
三、微生物营养类型
（一）依碳源不同：
异养型（heterotrophs）
不能以CO2为主要或唯一碳源。
自养型autotrophs
能以CO2为主要或唯一碳源
。
（二）依能源不同：
光能营养型phototrophs（光反应产能）
化能营养型chemotrophs（物质氧化产能）
这样可将微生物分成四种营养类型
换页
换页
其中，化能异养型又据利用有机物特性，分成腐生型和寄
生型。
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。
换页
四、营养物吸收方式
1、单纯扩散（simple diffusion）
依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输，不消耗代谢
能，无特异性。水、二氧化碳、氧气、甘油、乙醇等。单
纯扩散不是细胞获取营养物质的主要方式，因为细胞既不
能通过它来选择必需的营养成分，也不能将稀溶液中的溶
质分子进行逆浓度梯度运送，以满足细胞的需要。
2、促进扩散（facilitated diffusion）
借助载体蛋白顺浓度梯度运输，不耗能，有特异性。载体
蛋白（渗透酶）有底物特异性，是诱导产生的。硫酸根、
磷酸根、糖（真核）
换页
3、主动运输（active transport）
逆浓度梯度运输，耗能，需载体蛋白，有特异性。氨基
酸、乳糖等糖类、钠、钙等无机离子。吸收营养物的主要
机制。
亲和力改变←蛋白构象改变→耗能
上述3种方式中，被运输的溶质分子都不发生改变。
4、基团转位（group translocation）
属主动运输，但溶质分子发生化学修饰-定向磷酸化。主
要依赖磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸转移酶系统
（PTS）。
换页
换页
换页
换页
第五节培养基
应科研或生产的需要，由人工配制的、适合于不同微生物
生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质（混合养料）。
特点：任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素
，
且应比例适当。所以一旦配成必须立即灭菌。
用途：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；制备微生物制品
换页
培养基的种类
培养基的种类
藰藰
根据微生物的种类
根据微生物的种类
藰藰根据培养基的组成成分
根据培养基的组成成分
藰藰
根据培养基的物理状态
根据培养基的物理状态
藰藰
根据培养基的用途
根据培养基的用途
换页
1、根据微生物的种类
培养细菌：
牛肉膏蛋白胨培养基（异养型）
无机合成培养基（自养型）
培养放线菌：
高氏1号合成培养基
培养酵母菌：
麦芽汁培养基
培养霉菌：
查氏合成培养基
换页
2、根据培养基的组成成分
合成培养基（syntheti
c medium）：
是一类用多种高纯化学试剂配制成的、各成分（包括微量元
素）的量都确切知道的培养基。
优点：成分精确、重演性高；
缺点：价格较贵、配制较烦。
一般仅用于作营养、代谢、生理、生化、遗传、育种、菌种
鉴定和生物测定等定量要求较高的研究工作上。
天然培养基（complex medium；undefined medium）：
这是指一些利用动、植物或微生物体或其提取物制成的培
养基，人们无法确切知道其中的成分。
优点：取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便；
缺点：成分不稳定也不甚清楚，做精细的科学实验时，会引起数据
不稳定。
半合成培养基（semi-defined medium）：
既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基即称半组合培养基。
换页
3、根据培养基的物理状态：
固体培养基：在液体培养基中加入1.5-2.0%的凝固剂
制成的呈固体状态的培养基。常用于微生物的分离、纯
化、计数等方面的研究。
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，噬菌体
效价测定以及厌氧菌的培养等方面的实验工作。
液体培养基：液体培养基不含任何凝固剂，呈液体
状态。它常用于大规模的工业生产以及在实验室进行微生
物生理代谢等基本理论的研究工作。在生产实践上，绝大
多数发酵培养基都采用液体培养基。
换页
4、根据培养基的用途
（1）基础培养基：
能满足一般微生物生长繁殖所需要的培养基称基础培养
基。
牛肉膏蛋白胨培养基（细菌）
马铃薯葡萄糖琼脂（霉菌）
（2）加富培养基（enriched medium）：
根据培养菌种的生理特性加入有利于该种微生物生长
繁殖所需要的营养物质，该种微生物则会旺盛地大量生
长。
换页
（3）选择培养基（selected medium）：
根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因
素的抗性而设计的培养基，其功能是使混合菌样中的劣势
菌变成优势菌，从而提高该菌的筛选效率。
与加富培养基的区别：
①加富培养基原理——投其所好
②选择培养基原理——取其所抗
（4）鉴别培养基（differential medium）：
培养基中加有能与某一菌的无代谢产物发生显反
应的指示剂，从而用肉眼就能使该菌菌落与外形相似的它
种菌落相区分的培养基，就称鉴别性培养基。
换页
换页
选择培养基的若干抑制剂（2）
换页
最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培养基，即EMB
（Eosin MethyleneBlue）培养基。它在饮用水、牛乳的
大肠杆菌等细菌学检验以及遗传学研究上有着重要的
用
途。经改良后的伊红美蓝乳糖培养基的成分是：
蛋白胨10g乳糖5g
蔗糖5gK2HPO42g
伊红Y 0.4g美蓝0.065g
蒸馏水1000ml  最终pH=7.2
其中的伊红和美蓝两种苯胺染料可抑制革兰氏阳性细
菌和一些难培养的革兰氏阴性细菌。在低酸度时，这两种
染料结合形成沉淀，起着产酸指示剂的作用。
换页
试样中的多种肠道菌会在EMB培养基上产生相互易区分的特征菌
落，因而易于辨认。尤其是Escherichia coli（大肠杆菌），因其
强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体带H+，故可染上酸性染料
伊红，又因伊红与美蓝结合，所以菌落被染上深紫，从菌落表面
的反射光中还可看到绿金属闪光。
换页
现将EMB在鉴别各种肠道杆菌中的作用概括如下：
换页
换页
换页
换页
（二）选择和配制培养基的原则和方法
1四个原则
①培养基组分应适合微生物的营养特点(目的明确)
培养的对象及产物：
研究的类型：实验室研究、生产、一般研究、生理生化研究、遗传
学研究
种子培养基、发酵培养基：
②营养物的浓度与比例应恰当(营养协调)
●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；
碳源中的碳原子的mol数
氮源中所含的氮原子的mol数
C/N比值=
换页
真菌：C／N比高
细菌：C／N比低
一般培养基的C／N比为100／0.5～2；谷氨酸发酵培养基为
100／11～21，放线菌蛋白酶培养基为100／10～20。
例：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。
●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
换页
③物理化学条件适宜(条件适宜)
培养基的理化条件
pH
水分活度
氧化还原电位（Eh）
换页
（1）pH：各类微生物的最适生长pH值各不相同：
细菌：7.0~8.0放线菌：7.5~8.5
酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8
在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用
和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改
变，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
换页
☆磷酸缓冲液：pH值从6.0-7.6之间
K2HPO4＋HCl→KH2PO4＋KCl
KH2PO4＋KOH→K2HPO4＋H2O
☆采用加入CaCO3
作“备用碱”的方式:
☆因为CaCO3是不溶性且是沉淀性的，故在配成的培养基
中分布很不均匀，如因实验需要，也可用NaHCO3来调节：
换页
（（22）渗透压和
）渗透压和
aaww
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
大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而
有的菌如Staphylococcus aureus则能在3mol/L
NaCl的高渗溶液中生长。能在高盐环境
（2.8~6.2/L  NaCl）生长的微生物常被称为嗜
盐微生物（Halophiles）。
换页
水分活度（Aw）
在同温同压下，某溶液的蒸汽压（P）与纯水蒸汽压
（P0）之比。因此，aw也等于该溶液的百分相对湿度
（ERH，equilibrium relative humidity）值。即：
各种微生物生长繁殖范围的aw值在0.998～0.6之间。
若干有代表性微生物的最低aw值是：
普通细菌：0.91（嗜盐细菌0.75，葡萄球菌0.85）
普通酵母：0.85（耐高渗酵母0.60）
普通霉菌：0.80（干性霉菌0.60）
换页
换页
知道了各类微生物生长的aw值，不仅有利于设计它
们的培养基，而且对防止食物的霉腐也有重要的意义。现
将若干食物的aw值列举如下：
换页
（3）氧化还原电位（Eh）
各种微生物对其培养基的氧化还原势也有不同的要求。
好氧微生物生长的Eh值为+0.3～+0.4V，它们在Eh值为
0.1V以上的环境中均能生长；
兼性厌氧微生物在＋0.1V以上时进行好氧呼吸，在+0.1V
以下时则进行发酵；
厌氧微生物只能在+0.1V以下才能生长。
影响氧化还原电位的因素
与氧分压、pH值有关：pH↓或[O2]↑Eh ↑
还原剂（巯基乙酸、抗坏血酸、半胱氨酸等）使Eh↓
Eh影响微生物的生理：细胞内酶的活性、呼吸作用
换页
④根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）
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。
换页
2四种方法
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

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。