第四章 微生物营养 第一节 微生物细胞的化学组成 第二节 微生物的营养要素 第三节 微生物的营养类型 第四节 微生物对营养物质的吸收方式 第五节 培养基

第一节 微生物细胞的化学组成 微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97％，表4－l）和微量元素铁、锰、锌等构成。微生物细胞中这些元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等有机物质，水和无机盐等无机物质的形式存在（表4—2）。水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞干重的90％以上。

微生物细胞物质中灰分元素含量的百分比 灰分元素 固氮菌 酵母菌 霉菌 P2O5 SO3 K2O Na2O MgO CaO Fe2O3 SiO2 CuO 4.95 0.29 2.41 0.07 0.82 0.89 0.08 -- 3.54 0.039 2.34 0.428 0.383 0.035 0.093 4.85 0.11 2.81 1.12 0.38 0.19 0.16 0.04

元素 细菌 酵母菌 霉菌 （干重的百分数） 碳 50 49.8 47.9 氮 15 12.4 5.2 氢 8 6.7 6.7 表4—1 微生物细胞中几种主要元素的含量 （干重的百分数） 元素 细菌 酵母菌 霉菌 碳 50 49.8 47.9 氮 15 12.4 5.2 氢 8 6.7 6.7 氧 20 31.1 40.2 磷 3 — — 硫 1 — —

表4—2 微生物细胞的化学组成 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌 水分 75~85 70~80 85~90 （占细胞鲜重的%） 表4—2 微生物细胞的化学组成 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌 水分 75~85 70~80 85~90 （占细胞鲜重的%） 蛋白质 50~80 32~75 14~15 占 细 碳水化合物 12~28 27~63 7~40 胞 干 脂肪 5~20 2~15 4~40 重 的 核酸 10~20 6 ~ 8 1 % 无机盐 2~30 3.8~7 6~12

第二节 微生物的营养要素 营养物（nutrient）： 那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。 第二节 微生物的营养要素 营养物（nutrient）： 那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。 营养（或叫营养作用，nutrition ）： 微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。

表4-3 微生物和动物、植物营养要素的比较 动物 （异养） 微生物 绿色植物 （自养） 异养 自养 碳源 糖类脂肪 糖、醇、有机酸等 生物类型 营养要素 动物 （异养） 微生物 绿色植物 （自养） 异养 自养 碳源 糖类脂肪 糖、醇、有机酸等 二氧化碳、碳酸盐等 二氧化碳、碳酸盐 氮源 蛋白质或其降解物 有机或无机氮化物、氮 无机氮化物、氮 无机氮化物 能源 与碳同 氧化无机物或利用日光能 利用日光能 生长因子 维生素 一部分需要维生素等 不需要 无机元素 无机盐 水分 水

碳源（carbon source）凡是提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。 碳源物质的功能：构成细胞物质；为机体提供整个生理活动所需要的能量（异养微生物）。 微生物的碳源谱 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。 微生物不同，利用上述含碳化合物的能力不同，如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以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。

表4—4微生物的碳源谱 类型 元素水平 化合物水平 培养基原料水平 有机碳 C·H·O·N·X 复杂蛋白质、核酸等 牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等 C·H·O·N 多数氨基酸、简单蛋白质等 一般氨基酸、明胶等 C·H·O 糖、有机酸、醇、脂类等 葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等 C·H 烃类 天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等 无机碳 C(?) — C·O CO2 C·O·X NaHCO3 NaHCO3、CaCO3、白垩等

氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源，称为氮源。 氮源物质的主要作用是合成细胞物质中含氮物质，少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源，某些厌氧细菌在厌氧与糖类物质缺乏的条件下，也可以利用氨基酸作为能源物质。 微生物的氮源谱见表4—5

表4—5 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 有机氮 N·C·H·O·X 复杂蛋白质、核酸等 表4—5 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 有机氮 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 无机氮 N·H NH3、铵盐等 (NH4)2SO4等 N·O 硝酸盐等 KNO3等 N N2 空气

实验室常用的无机氮源有碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、、酵母膏等。生产上常用的氮源有硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。 蛋白氮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。 无机氮源或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。 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。 多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。

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。 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： 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

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。 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。 辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。

生长因子（growth factor）是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。 主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、 胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。 缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。

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。

无机盐的生理功能 细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma 、Fe等） 一般功能 渗透压的维持（Na+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）

水分： 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

根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型 第三节 微生物的营养类型 根据生长所需要的营养物质的性质，可将生物分成两种基本的营养类型 异养型生物：在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质 自养型生物：在生长时能以简单的无机物质作为营养物质 动物属于异养型生物，植物，而微生物既有异养型的也有自养型的，大多数微生物属于异养型生物，少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同，又可将生物分成两种类型 化能营养型生物：依靠化合物氧化释放的能量进行生长 光能营养型生物：依靠光能进行生长 动物和大部分微生物属于化能营养型生物，它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物

光能自养型微生物 以C02作为唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以无机物如硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机硫化物作为供氢体将CO2还原成细胞物质，同时产生元素硫 光能 CO2＋H2S [CH2O]+2S+H2O 光合色素 光能自养型微生物包括蓝细菌（含叶绿素）、红硫细菌和绿硫细菌等少数微生物（含细菌叶绿素），由于含有光合色素，因而能使先能转变成化学能（ATP），供机体直接利用。

光能异养型微生物 以CO2为主要碳源或唯一碳源，以有机物（如异丙醇）作为供氢体，利用光能将CO2还原成细胞物质，红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。 光能 2(H3C)2CHOH+CO2 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O 光合色素 光能异养型细菌在生长时大多数采要外源的生长因子

化能自养型微生物 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。它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。

化能异养型微生物 多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。 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： 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。

第五节 培养基 培养基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的营养基质。它是进行科学研究，发酵生产微生物制品等的基础 。

配制培养基的原则 1. 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基， 如自型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养做生物的培养基至少需要含有一种有机物质。 按微生物的主要类群来说，又有细菌、放线菌、酵母菌和霉菌之分。它们所需要的培养基成分也不同，分别称为牛肉膏蛋白胨培养基，高氏1号合成培养基，麦芽汁培养基，查氏合成培养基。

2.注意各种营养物质的浓度与配比 营养物的浓度：在一般情况下，浓度合适的营养物质才对微生物表现出良好作用，浓度大时对微生物生长起抑制作用，浓度小时不能满足微生物生长的需要。 各营养物质之间的浓度比：培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（C／N）（碳氮比一般指培养基中元素碳与元素氮的比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白两种成分含量之比）的影响更为明显。例如在微生物的谷氨酸发酵中，培养基的C／ N为4：l时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；当C／N为3：1时，菌体繁殖受到抑制，而谷氨酸大量增加。

3.控制培养基的PH值 各类微生物生长的最适pH各不相同，细菌与放线菌生长的pH在7—7.5之间，酵母菌与霉菌生长的pH值在4-5之间。 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：按实际需要流加酸或碱液

4.经济节约 配制培养基时，应尽量考虑利用价廉并且易于获得的原料作为培养基的成分，特别是在工业发酵中，培养基用量很大，更应该考虑到这一点，以便降低产品成本。

培养基的种类 按培养基的组成成分分类 按培养基的物理状态分类 按培养基的功能分类

根据培养基中化学成分的了解程度将其分为： 合成培养基：由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，该类培养基的组成成分精确、重复性强，但微生物生长较慢，且价格昂贵，故一般适于在实验室范围内他有关研生物营养需要、代谢、分类鉴定、生物测定以及菌种选育、遗传分析等方面的研究工作。 天然培养基：利用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物质（如自汉奸、因母没计、土壤没液、豆芽汁、玉米粉、教皮、牛奶、血清等）制成的培养基，天然培养基比较经济，除实验室经常使用外，更适宜于在生产上用来大规模地培养微生物和生产微生物产品。

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。 根据培养基的物理状态可将其分为： 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，以进行菌种鉴定和噬菌体效价滴定等方面的实验工作。 液体培养基：液体培养基不含任何凝固剂，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。 科研与生产中常用的凝固剂有琼脂、明胶和硅胶三种，除在液体培养基中加入凝固剂之外，一些由天然的固体基质制成的培养基也属于固体培养基

按照培养基的用途，可将其分为 加富培养基：加富培养基是指在普通培养基里加过血、血清、动物（或植物）组织液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基，用以培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物 选择培养基：选择培养基是根据某种或某一类群微生物的特殊营养需要或对某种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。利用这种培养基可以将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。 鉴别培养基：普通培养基中加入能与某种代谢产物发生反应的指示剂或化学药品，从而产生某种明显的特征性变化，以区别不同的微生物

微生物吸收营养物质的方式 单纯扩散 促进扩散 主动运输

扩散是非特异性的营养物质吸收方式：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散。 在扩散过程中营养物质的结构不发生变化：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化。 物质运输的速率与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同。 扩散是一个不需要代谢能的运输方式，因此，物质不能进行逆浓度运输。 膜的特性、膜上含水小孔的大小和形状对被扩散的营养物质分子的种类、大小有一定的选择性，通常分子量小，脂溶性、极性小的营养物质容易吸收。

需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输 被运输的物质有高度的立体专一性 促进扩散 在促进扩散过程中 营养物质本身在分子结构上也不会发生变化 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输 运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输 被运输的物质有高度的立体专一性 促进扩散的运输方式多见于真核微生物中，例如通常在厌氧生活的酵母菌中，某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。

不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能 。 物质在主动运输的过程中 消耗代谢能 可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的立体专一性 不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能 。 主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。

主动运输的方式 1.初级主动运输 2. 次级主动运输 3.基团转位 4.Na+,K+---ATPase系统

初级主动运输 是一种由电子传递系统、ATPase或细菌视紫红质引起的质子运输方式。不同营养类型的微生物初级主动运输的方式不同（好氧情况、厌氧情况、光合微生物），但最终造成细胞膜内外质子浓度差，使膜处于充能状态。

次级主动运输 在细胞膜内外质子浓度差消失的过程中，偶联其它物质的运输，即次级主动运输。次级主动运输根据在质子浓度差消失过程中，质子与其它物质运输的方向差异，分为同向运输、逆向运输、单向运输三种形式。

基团转位 基因转位是一种特殊的主动运输与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化。其余特点与主动运输相同。 基因转位主要存在于厌氧微生物中，也主要是用于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷与脂肪散的运输

大肠杆菌吸收糖的基团转位方式 大肠杆菌吸收糖依赖于磷酸烯醇式丙酮酸--糖磷酸转移酶系统，其运输的步骤如下： (1) 热稳定蛋白的激活： PEP+HPr 酶1 丙酮酸+P-HPr (2) 糖被磷酸化后运入膜内 P-HPr+糖 酶2 糖-P+HPr

Na+,K+---ATPase系统 Na+,K+---ATPase系统位于细胞膜上的一种离子通道蛋白，其作用是通过该蛋白构象的改变，把细胞内的Na运出细胞，同时将K+运回细胞内，即实现了Na+与K+的置换。细胞内高浓度K+是许多酶的活性和蛋白质合成所必须的。

膜泡运输 原生动物吸收营养物质的方式，有胞吞和胞饮两种类型

四种运输营养物质方式的比较 比较项目 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位 特异载体蛋白 运输速度 物质运输方向 胞内外浓度 运输分子 能量消耗 运输后物质的结构 无 慢 由浓至稀 相等 无特异性 不需要 不变 有 快 特异性 由稀至浓 胞内浓度高 需要 改变