第四章 微生物的营养

各种化学元素主要以水、有机物、无机物的形式
存在于细胞中。
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有机物主要包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素
及它们的降解产物和一些代谢产物等；

无机物则是与有机物相结合或单独存在于细胞中
的无机盐等物质；

水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞重量
的70%~90%。以游离水和结合水两种形式存在。
微生物细胞的化学组成


辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。
4、无机盐（mineral salts）

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，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） 微生物生长所需要的无机盐一般有：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。
第一节 微生物的营养 要素
一、微生物细胞的化学组成


主量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、磷、 硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干 重的97%）。 微量元素(trace element): 锌、锰、钠、氯、钼、 硒、钴、铜、钨、镍、硼等。
元素 碳 氮 氢 氧 磷 硫 细菌 50 15 8 20 3 1 酵母菌 49.8 12.4 6.7 31.1 — — 霉菌 47.9 5.2 6.7 40.2 — —
2(CH3)2CHOH+CO2
光能 光合色素
2CH3COCH3+[CH2O]+H2O
三、化能无机自养型

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。它们广泛分布在土壤及 水环境中，在自然界物质转换过程中起着 重要的作用。

亚硝化细菌 2NH3 + 2O2 CO2 + 4H+ 2HNO2 + 4H+ + 能量 (CH2O) + H2O
四、化能有机异养型

有机物通常既是碳源也是能源还是氢供体 大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有

机异养型微生物

所有致病微生物均为化能有机异养型微生 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：



微生物吸收利用铵盐和硝酸盐的能力较强 当无机氮化合物为唯一氮源培养微生物时， 培养基会表现出生理酸性或生理碱性。 缓冲物质：一氢与二氢磷酸盐组成的磷酸 缓冲液


氮源的功能
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； 少数细菌可以铵盐、亚硝酸盐等氮源 为能源。
3、能源（energy source）
机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃
器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养
基时没有必要另外加入微量元素。

对于大量元素，在配制培养基时，可以加 入相关化学试剂，常用K2HPO4、MgSO4。
5、生长因子（growth factor）

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。
有 机 碳
C· H· O· N C· H· O C· H
糖、有机酸、醇、 葡萄糖、蔗糖、各种淀 脂类等 粉、糖蜜等 烃类 — 天然气、石油及其不同 馏份、石蜡油等 —
无 机 碳
C(?)
C· O
C· O· X
CO2
NaHCO3
CO2
NaHCO3、CaCO3、白 垩等

微生物利用碳源物质具有选择性
糖类是一般微生物的良好碳源和能源， 其次是醇类、有机酸类和脂类等。

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： CO2 + H2O
光照 叶绿素
[CH2O] + O2 ↑

不产氧光合作用 光合细菌(紫硫细菌和绿硫细菌)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H2O为供氢体的非循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：
1、碳源（carbon source)

定义：凡可被用来构成自身的细胞物质或 代谢产物中碳素来源的营养物质。
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。
碳源
微生物的碳源谱
类型 元素水平 C· H· O· N· X 化合物水平 复杂蛋白质、核 酸等 多数氨基酸、简 单蛋白质等 培养基原料水平 牛肉膏、蛋白胨、花生 饼粉等 一般氨基酸、明胶等
主要成分 细菌 酵母菌 霉菌
水分 （占细胞鲜重的%）
蛋白质 占 细 胞 干 重 的 % 碳水化合物 脂肪 核酸 无机盐
75~85
50~80 12~28 5~20 10~20 2~30
70~80
32~75 27~63 2~15 6~8 3.8~7
85~90
14~15 7~40 4~40 1 6~12
二、营养物质及功能
CO2＋H2S
光照 菌绿素
[CH2O]+ 2S+ H2O
二、光能有机异养型

不能以CO2为主要或唯一的碳源； 以有机物（有机酸、醇等）作为供氢体，利 用光能将CO2还原为细胞物质；

在生长时大多数需要外源的生长因子。
例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇 作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时 积累丙酮。

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。
有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）



化学物质
能源 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

化能自养微生物的能源物质都是一些还原态的无 机物质，例如：NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+ 等，能利用这些物质作为能源的全部是细菌，如： 硝酸细菌、亚硝酸菌、硫化细菌、硫细菌、铁细 菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。这些无机养料 常常是双功能的（如：NH4+既是硝酸细菌的能源， 又是它的氮源。） 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。



无机盐生理功能

提供微生物细胞化学组成中的重要元素


参与并稳定微生物细胞的结构
与酶的组成和活性有关
Mg、Cu、Zn是多种酶的激活剂。

调节并维持微生物细胞的渗透压平衡 控制细胞的氧化还原电位。 有些无机盐如S、Fe2+还可做为自养微生物的 能源 。

微量元素通常混杂在天然有机营养物、无

光能自养微生物（光无机营养型） 化能自养微生物（化能无机营养型) 异养微生物 光能异养微生物（光能有机营养型） 化能异养微生物（化能有机营养型）
一、光能无机自养型

以CO2作为唯一或主要碳源； 进行光合作用获取生长所需要的能量； 以无机物（如硫化氢、硫代硫酸钠）或其 他无机硫化物以及H2O作为供氢体或电子 供体，使CO2还原为细胞物质。
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。

工业生产常用的碳源 单糖、饴糖、糖蜜（制糖工业副产 品）、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物 淀粉）、麸皮、各种米糠等 纤维素 实验室配制微生物培养基常用碳源 葡萄糖、 果糖、蔗糖、可溶性淀粉、 甘露醇、有机酸等


在糖类中，单糖优于双糖和多糖，己糖优 于戊糖，葡萄糖、果糖优于甘露糖、半乳 糖；在多糖中，淀粉优于纤维素或几丁质 等纯多糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖。

碳源的功能： 碳源是构成细胞物质及代谢产物的原料 碳源为机体提供完成整个生理活动所需 要能量

微生物不同，利用碳源物质的能力不同， 如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以
H2, H2S, S, H 2O
有机物
CO2


微生物生长所需的水活度通常在0.60~0.99之间， 细菌水活度较高为0.91，酵母菌次之，耐旱的微 生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。
第二节 微生物的营养
类型

根据微生物生长所需求的不同，可将微生物分为 不同的营养类型。
根据能源、碳源和电子的最初来源，可将绝大部 分微生物分为4种类型。 自养微生物
不同微生物需求的生长因子的种类和数量 不同。


主要包括：维生素 氨基酸 嘌呤及嘧啶 等

生长因子的功能
既不构成细胞主要物质，也不是能源物质，但有 重要生理功能。

（1）构成酶的辅基或辅酶的成分，在代谢调节 中起重要作用。
（2）构成核酸的组成部分。 在培养基中加入酵母膏、玉米粉、麦芽汁及动植 物组织液等天然物质以满足微生物对生长因子的 需求。

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)
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。
微生物的营养类型
营养类型
电子供体 碳源 能 源 例 样
光能无机 自养型 光能有机 异养型 化能无机 自养型 化能有机 异养型


6、水（water）

水是微生物生长所必不可少的。 水在细胞中的生理功能主要有：

起到溶剂与运输介质的作用；
参与细胞一系列化学反应；
维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然
构象；
是良好的热导体；
维持细胞正常形态。
水在细胞中有两种存在形式：结合水和自 由水。 不同生物及不同细胞结构中自由水的含量 有较大差别。
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 尿素、蛋白胨、明胶等
(NH4)2SO4等 KNO3等 空气
N· C· H· O
N· H
尿素、一般氨基酸、 简单蛋白质等
NH3、铵盐等 硝酸盐等 N2
无 机 氮
N· O N
通常情况下，异氧微生物对氮源的利用顺序是：有机氮源优 于氨、铵盐，更优于硝酸盐类，最不易利用的是N2，只有少 数固氮微生物能利用分子态氮作为氮源。
2、氮源（nitrogen source）
凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素
的营养物质，称为氮源。
无机含氮化合物：铵盐、硝酸盐、 亚硝酸盐、氨、N2 等 有机含氮化合物：蛋白质及其降解 产物（如胨、肽、氨基酸等）、尿 素、嘌呤和嘧啶等
氮源
微生物的氮源谱
类 型 有 机 氮 元素水平 化合物水平 培养基原料水平

人体：~60% 几种生物的 自由水含量 海蛰：~96% 霉菌孢子：~39% 孢子 细菌芽孢 皮层：~70% 核心：极低 微生物 细菌：~80% 营养体 酵母：~75% 霉菌：~85%

微生物可利用的水用水活度来表示（Water activity, 缩写为w ） 水活度是指在相同的温度和压力下，体系中溶液 的蒸气压和纯水的蒸气压的比。 即w =P溶液/P纯水
第四章 微生物的营养 和培养基

营养(Nutrition)：是生物体从外界环境摄取 生命活动所必需的物质和能量，以满足其 正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理 功能。
繁殖和完成各种生理活动所需的物质通常 称为营养物。
营养物(Nutrient)：凡能够满足机体生长、

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。

实验室配制微生物培养基常用的氮源 牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、尿素、铵盐、 硝酸盐等 工业生产常用的氮源 鱼粉、玉米浆、黄豆饼粉、花生饼粉、 尿素、蚕蛹粉等


微生物对氮源的利用具有选择性 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。 蛋白质必须通过水解之后降解成胨、肽、 氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟 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。