第四章 微生物的营养与培养基

4、碳水化合物(Carbohydrate)
• 微生物细胞中含有单糖、双糖和多糖，主 要以多糖的形式存在。 • 单糖主要是己糖和戊糖。 • 多糖有荚膜多糖、纤维素、半纤维素、 淀粉、糖原等不同种类。组成细胞结构 或细胞储藏物质 • 微生物多糖的开发
5、脂类(lipoid)
• 微生物的脂类物质包括脂肪、磷脂、蜡和固醇 脂类在细胞中以游离或结合状态存在于细胞壁、 细胞膜、细胞质中。 • 磷脂构成细胞的膜系统；固醇主要在酵母菌等 真菌的细胞膜上；蜡在某些微生物的细胞壁或 分生孢子的表面；脂肪常以油滴状出现在细胞 质中，作为储藏物质。 • 微生物细胞内脂肪含量与菌种和培养条件有密 切关系如粘红酵母细胞中脂肪含量高达50%， 另外含糖量高的培养基可促进脂肪的累积。
复杂蛋白质,核酸
糖,有机酸,醇,脂类 烃类 CO2
氨基酸,简单蛋白质 一般氨基酸,明胶等
C(?)假设 —
NaHCO3,CaCO3等 NaHCO3,CaCO3,白垩等
几点说明
• • • • • • • • • • • 异养微生物：必须利用有机碳源的微生物 自养微生物：凡以无机碳源作为主要碳源的微生物 微生物几乎能利用所有的碳化合物 异养微生物最适碳源为C-H-O，其中糖类最广泛。 单糖胜于双、多糖；葡萄糖、果糖优于半乳糖；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；其次是有机酸、醇类和脂类。 不同种的微生物其具体碳源利用范围悬殊 Pseudomonas cepacia：90种 产甲烷菌：二氧化碳、1C和2C化合物 双功能营养物
1.碳源— 微生物碳架的来源Fra Baidu bibliotek
• 生理功能：作为碳源和能源 • 占细胞干重的50％； • 微生物的整体碳源谱十分广泛
表微生物的碳源谱
类型 元素水平 化合物水平 有 机 碳 CHONX CHON
CHO CH 无 机 碳 CO COX
培养基原料水平 牛肉膏,蛋白胨,花生饼粉
葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜等 天然气,石油及馏分,石蜡油 — CO2
1、水分
• 微生物细胞含量最高的物质，占细胞重量70 ~ 90% • 含水量与微生物种类有关 • 细菌细胞的平均含水量为75~85% • 酵母菌70~80% • 霉菌85~95% • 与微生物所处环境条件与细胞本身生理状态有关 • 酵母菌在20℃时含水量91%，43℃时为4%??? • 与细胞不同结构有关，芽孢含40%，霉菌孢子38% • 细胞内的水可分为游离水和结合水两种类型
第五章微生物的营养和培养基
微生物生命活动的物质之源
内容(4学时)
• 第一节微生物的六类营养要素 • 一、微生物细胞的化学组成 • 二、微生物的营养物质及其生理功能 • 第二节微生物的营养类型 • 第三节营养物质的跨膜输送 • 一、影响营养物进出细胞的因素 • 二、微生物吸收营养的方式 • 第四节培养基 • 一、选用和设计培养基的原则和方法 • 二、培养基的种类
8、无机盐类
• 无机元素约占细胞干重的10%左右，包括P、 S、Mg、Fe、K、Na等。一般以磷的含量为 最高，约占全部灰分的40%左右。 • 少数以游离的状态存在，大部分以无机盐的 形式存在或结合于有机物质中。 • 无机盐的分析 • 灰分Ash Constituent
9、其他物质
• 色素 • 毒素等物质
微生物细胞中几种主要元素的含量(干重%)
元素 碳 氮 细菌 ~50 ~ 15 酵母菌 ~ 50 ~ 12 真菌 ~ 48 ~5
氢
氧
~8
~ 20
~7
~ 31
~7
~ 40
磷
硫
~3
~1
——
——
——
——
（二）微生物细胞的化学成分及分析
• 微生物细胞中的各种元素的存在形式 • 要以水、有机物、无机物的形式存在于细胞中 • 微生物细胞的化学组成的影响因素 • 微生物种类、菌龄、培养条件 • 有机物：蛋白质、核酸、维生素及降解产物和中 间代谢产物 • 无机物：细胞中与有机物质结合或者单独存在的 无机盐 • 水
• 生理酸性盐 • 由于其阳离子中的氮被微生物选择性吸 收利用而造成培养基pH值下降的盐。 如(NH4)2SO4。 • 生理碱性盐 • 由于其阴离子中的氮被微生物选择性吸 收利用而造成培养基pH值升高的盐。 如KNO3。
3、能源（Energy Source）
• 凡是能为微生物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 • 化学物质（化能营养型） • 有机物：化能异养微生物能源（同碳源） • 无机物：化能自养微生物能源（不同于碳源） • 辐射能（光能营养型） • 光能自养和光能异养微生物的能源 • 一种营养物通常具有一种以上的功能 • 一般辐射能是单功能的。还原态无机氧化物是 双功能的，有机物常有双功能或三功能
• 表5-6 酵母膏中的维生素和氨基酸含量 • 表5-7 玉米浆的营养成分
• 并非任何一种微生物都必须从外界吸收生长因子， 依据微生物与生长因子的关系分为： • 生长因子自养型Auxoautotrophs • 不需要从外界吸收任何生长因子 • 真菌、放线菌、细菌E. coli • 生长因子异养型 • 需要从外界吸收多种生长因子 • 乳酸菌 • 生长因子过量合成型微生物 • 核黄素产生菌 • 维生素B12产生菌
微生物的氮源谱Spectrum of NS
类型 元素水平 有 机 氮 无 机 氮 NCHOX NCHO NH 化合物水平 复杂蛋白质、核酸等 尿素、一般氨基酸、 简单蛋白质等 NH3、铵盐等 培养基原料水平
牛肉膏、蛋白胨、饼粕粉、 蚕蛹粉等 尿素、蛋白胨、明胶等 （NH4)2SO4等
NO
N
硝酸盐等
化能自养微生物的能源
• 还原态的无机物 • NH4+，NO2，S，H2S，H2，Fe等 • 化能自养微生物 • 原核生物 • 亚硝酸盐细菌 • 硝酸细菌 • 硫化细菌 • 硫细菌 • 氢细菌 • 铁细菌
• 单功能营养物 • 双功能营养物 • 三功能营养物
4、生长因子（生长因素）
• Growth Factors • 一类微生物生命活动过程中调节微生物正常代谢所 必需、需要量不大的、但不能用简单的碳源或氮源 自身合成的有机营养物。 • 广义生长因子 • 维生素、卟啉、碱基、氨基酸、嘌呤、嘧啶及其衍 生物、C4~C6脂肪酸、营养缺陷型氨基酸。 • 狭义生长因子：维生素 • 生长因子来源： • 酵母膏(Yeast extract)、牛肉浸出液(Beef Extract)、 肝浸液(Liver infusion)、小牛血清、麦芽汁(Malt Extract)、玉米浆(Cornsteep liquor)、蔬菜汁、麸 皮、米糠等。
细胞内水的类型
• 游离水（Free Water） • 在空气中放干燥剂或用真空干燥后可以从细胞 内脱掉，作为溶剂参与体内生理活动。 • 结合水Binding water • 在空气中放干燥剂或用真空干燥后不能从细胞 内脱掉，须加温才能失去，与细胞物质结合在 一起，不能作为溶剂。不易挥发， 0℃下不冻 结，不具流动性、渗透性。 • 营养体的游离水和结合水的比例为4：1，芽孢和 孢子结合水与游离水的比例高于其他细胞，故芽 孢有较强的抗逆性。
如何对微生物的物质组成进行 分析
• 有机物的分析 • 化学法抽提 • 细胞分级 • 问题 • 蛋白质分析？？？ • 核酸分析？？？ • 多糖分析？？？ • 维生素分析？？？ • 无机物的分析
二、微生物的营养物质及其功 能
• 微生物细胞的化学组成物来自于周围环境的营养物
对营养物质的要求
• 能透过细胞屏障（壁、膜） • 在细胞内经酶作用变成细胞物质、能量、调节物 • 从营养要素水平看微生物的营养物质包括六大类 • 水（Water）或水分活度（Aw） • 碳源（Source of Carbon） • 氮源 • 无机盐 • 生长因子 • 能源
N2
KNO3等
空气
异养微生物的氮源谱特点
• 微生物对氮源的利用顺序 • C-H-O-N、C-H-O-N-X > N-H > N-O • 微生物培养基中常用的氮源 • 牛肉膏 • 酵母膏 • 植物饼粕粉 • 蚕蛹粉
是否需要氨基酸作为氮源
• 氨基酸自养型微生物（Amino acid Autotrophs） • 能将简单的无机氮源（尿素、铵盐、硝酸盐、 氮气等）自行合成所需要的一切氨基酸的微生 物。 • 氨基酸自养型微生物的意义 • 菌体蛋白的生产：SCP、食用菌。 • 食物资源。 • 氨基酸异养型微生物（Amino acid Heterotrophs） • 需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。
几个概念
• 营养（Nutrition） • 生物体从外界环境摄取其生命活动所必需的能量 和物质，满足其生长和繁殖所需要的的一种最基 本的生理功能。营养是生命活动的起始点，为一 切生命活动提供了必需的物质基础。 • 营养物、营养素（Nutrient） • 具有营养功能的物质，包括非常规物质形式的光 辐射能，微生物在生命活动中从环境中吸收的用 以提供能量、调节新陈代谢以及合成细胞物质的 物质。 • 为微生物的正常生命活动提供结构物质、能量、 代谢调节物质和必要的生理环境。
碳源培养基原料的选择
• 原料水平的物质营养成分相当复杂 • 具体天然培养基原料的复杂性 • 糖蜜Molasses • 糖类、氨基酸、有机酸、维生素、无机盐和 色素 • 甜薯干 • 马铃薯 • 玉米粉 • 红糖
2、氮源（Nitrogen Source）
• N源的功能 • 提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养 源，占细胞干重的12-15％。 • 生理功能 • 提供氮素，构成蛋白质和核酸 • 在少数细菌中提供能量
• 细胞干重Dry Weight • 采用物理方法（高温烘干、低温真空干 燥和红外线快速烘干）将细胞干燥至恒 重即为干重。 • 细胞湿重Wet Weight • 将细胞表面吸附的水分去掉以后 • 细胞含水量 • 请计算细胞含水量的公式
2、蛋白质(protein)
• 细胞干物质的主要成分，分布在细胞壁、细胞 膜、细胞质、细胞核等结构中，含量可高达干 物质的80% • 一般细菌、酵母菌中蛋白质的含量高于霉菌。 • 分简单蛋白质和复合蛋白质二类，前者有球蛋 白和清蛋白，后者包括核蛋白、糖蛋白、脂蛋 白等。在微生物细胞中，核蛋白含量特别高， 可占蛋白总量的1/3~1/2。
第一节微生物的六类营养要素
• 一、微生物细胞的化学组成 • 二、微生物的营养物质及其生理功能 • 碳源 • 氮源 • 能源 • 生长因子 • 无机盐 •水
一、微生物细胞的化学组成
• 元素组成：各种微生物细胞化学元素组成基本相似 • Macronutrients、Macroelement • 碳、氢、氧、氮、磷、硫（97％）钾K 、镁Mg 、 钙Ca 、铁Fe • Micronutrients、Trace Element、Microelement • 锌Zn、锰Mn、钠Na、氯Cl、钼Mo、硒Se、钴Co、 铜Cu、钨、镍、硼 • 影响微生物细胞化学元素组成比例的因素 • 微生物种类：硫细菌、铁细菌 • 菌龄：幼龄V老龄 • 培养条件
3、核酸（Nucleic Acids）
• 微生物细胞一般都含有两种核酸：DNA和RNA。 其中细菌、酵母菌的含量高于霉菌 • RNA主要存在于细胞质中，大多与蛋白结合以 核蛋白形式存在。DNA主要存在于细胞核中， 少量以质粒形式存在于细胞质中 • 同一种微生物中，RNA的含量常随生长时期的 变化而变化，DNA的含量则是恒定的。用DNA 碱基比例或GC百分比值作为分类鉴定的指标， 已在某些细菌和酵母的分类中得到应用。
生长因子异养型微生物
• 乳酸菌：需要多种维生素 • 动物致病菌 • 流感嗜血杆菌：卟啉及其衍生物 • Haemophilus parahaemolyticus：胺类 • 支原体：甾醇 • 原生动物 • 瘤胃微生物：C4~C6直链或分支脂肪酸 • 厌氧菌：Bacteroides melaninogenicus：VK、氯 高铁血红素 • 生长因子的生物测定
6、维生素(vitamin)
• 微生物细胞内含有数量不等、种类不同的维 生素 • 阿舒假囊酵母细胞内含有较多核黄素 • 丙酸杆菌属和放线菌菌丝体含较多VB12
7、抗生素(Antibiotic)
• 目前研制生产的5000多种抗生素中，70% 是由微生物产生 • 微生物产生的抗生素 • 青霉素：Penicillium chroynium • 青霉素的核心结构