第三章 微生物的 营养和培养基 从生物学的观点来看，微生物活细胞是个新陈代谢的动力系统，它从环境不断地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现生长和繁殖，同时排出“废物”。

微生物的六种营养要素 微生物的营养类型　 营养物质进入细胞的方式 培养基 Microbiology

笫一节微生物的6种营养要素 营养： 是微生物吸取和利用营养物质的过程。 营养物质： 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的物质。

营养物质须具备的条件：(生理学的角度) 首先是能通过细胞膜进入细胞； 其次是为细胞的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。 发酵生产，部分组分经代谢过程转化成发酵的目的产物。

（一）微生物细胞化学组成 细胞化学组成： 水、有机物、无机物。 影响细胞化学组成的因素： 微生物的种类 微生物所处生理状态 环境条件

微生物细胞的化学组成 小型丝状真菌(%) 水 分 75~85 70~80 85~90 蛋白质 碳水化合物 脂 肪 核 酸 无机元素 水 分 75~85 70~80 85~90 固形物占细胞总固形物   蛋白质 碳水化合物 脂 肪 核 酸 无机元素 50~80 12~28 5~20 10~20 2~30 32~75 27~63 15~65 6~8 4~7 14~35 17~40 4~40 1~2 6~12 组成成分 酵母菌(%) 细菌(%)

微生物细胞元素组成

某些微生物无机元素含量（占全灰分%） P2O5 K2O Na2O MgO CaO SO3 SiO2 FeO 大肠杆菌 醋酸杆菌 酵母菌   P2O5 K2O Na2O MgO CaO SO3 SiO2 FeO 大肠杆菌 醋酸杆菌 酵母菌 米曲霉 33.99 47.45 51.09 48.55 12.95 + 38.66 28.16 2.61 1.82 11.21 5.92 8.00 4.16 3.88 13.77 10.70 1.69 1.95 0.57 0.11 0.6 1.6 -- 3.35 0.06 1.65 无机物 微生物  

发酵产品的元素组成

(二）微生物的6类营养要素 水、碳源、氮源、生长因子、无机盐、能源

1.水 水的生理功能 是细胞的重要组成 是进行代谢活动的介 参与部分生化反应 调节和控制细胞温度 水的含量 约占细胞重量的70—90%

结合水 由于水与溶质或其它分子结合而不能被微生物所利用状态的水； 游离水 可以被微生物所利用的水称为“游离水”。 水活度

Microbiology 水活度的表示方法 微生物可利用的水用水活度来表示（Qw），Qw是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an=P溶液/P纯水微生物生长所需的水活度通常在0.63－0.99之间，细菌水活度较高为0.8，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。

2.碳源（carbon source）（大量营养物） 凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。 碳的含量： 约占细胞的干重的50%左右。 碳源种类 有机碳水化合物: CO2、碳酸盐，只能被自养微生物利用 无机碳化物:各种糖类，其次是有机酸、醇类、 脂类和烃类化合物 微生物的碳源谱 P83表4-1 对一切异养微生物，碳源还兼作能源。

碳源的种类 单糖：己糖和戊糖 低聚糖（己糖寡糖）：是由二至十个相同或不同的单糖单位以α-或β-糖苷键连接而组成的。最主要的是双糖或三糖。 多糖：是由十个以上单糖单位以与寡糖同样的组成原则形成的分枝或不分枝的大分子碳水化合物。包括淀粉、纤维素、半纤维素等。 最适碳源是C·H·O型，而其中糖类＞有机酸＞醇类＞脂类。在糖类中，单糖＞双糖＞多糖；己糖（葡萄糖、果糖）＞戊糖（甘露糖、半乳糖）；淀粉＞纤维素、几丁质（纯多糖）＞杂多糖（琼脂）

针对某一具体微生物，其碳源差异极大，洋葱假单胞菌、甲烷菌、甲烷氧化菌 功能： C素构成细胞及代谢产物的骨架 C素是大多数微生物代谢所需的能量来源

常用碳-能源的细胞产率系数 碳-能源 细胞产率 g细胞/g底物 葡萄糖 甲醇 乙醇 甲烷 正烷烃(C16H34） 纤维素 淀粉 苯 0.5 1.3 0.7 1.3 0.62 0.8 1.0 1.2 0.6 0.6

3.氮源（nitrogen source） 凡是能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质。是构成细胞中核酸和蛋白质的重要元素。 氮占细胞干重的12%~15%。 氮源一般不提供能量，只有少数细菌例外 氮源的种类 无机氮、有机氮、气体氮 P84表4-2

源的利用顺序 （异养微生物） N.C.H.O或N.C.O.X类 优于N.H， 优于N.O类， 最不易利用的是N类

有机氮源 有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等 速效性氮源 能够被微生物细胞直接吸收和利用的有机氮源。 迟效性氮源 不能被微生物直接吸收，必须先经相应的水解酶降解以后，才能被细胞吸收利用的有机氮源

“生理酸性盐”与“生理碱性盐” 无机氮源 主要是硝酸盐和铵盐 生理酸性盐 如 硫酸铵作为唯一氮源时，由于NH4+被吸收，造成培养基pH值的下降 生理碱性盐 如 硝酸钾作为唯一氮源时，由于NO3-被利用，造成培养基pH值的上升。

氨基酸自养型生物：不需要利用氨基酸作氮源，，能将尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成需要的一切氨基酸。 植物、很多微生物 氨基酸异养型生物：凡需从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物。 动物、一些异养微生物 重要实践意义（SCP、氨基酸）

发酵工业用的常见氮源 玉米浆 豆粕 鱼粉 蒸馏残液 尿素 酵母浸膏 蛋白水解液 氨气

一些营养物质的来源与成分

一些产物的氮源

4.无机盐类（mineral salts） 生理功能： 参与酶的组成及调节酶的活性， 维持生物大分子和细胞结构的稳定性， 调节并维持细胞渗透压的平衡， 控制调节细胞氧化还原电位，稳定pH 作为某些微生物的能源物质* 某些微生物无氧呼吸时的氢受体

主要元素（宏（大）量元素） 微量元素 P、S、K、Na、Ca、Mg等 含量：10-3~10-4M Fe、Mn、Cu、Co、Zn、等 如何加入：K2HPO4，MgSO4优先

无机元素的功能 磷-----核酸,磷脂,辅酶及ATP等分子的成分， 作为缓冲系统调节培养基的pH。 硫-----含硫氨基酸、维生素的成分 谷胱甘肽可调节细胞内氧化还原电位 镁-----己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核 酸聚合酶等 活性中心组分 钙-----某些酶的辅因子 钠-----细胞运输系统组分，维持细胞渗透压 钾-----某些酶的辅因子，维持细胞渗透压等 铁-----细胞色素及某些酶的组分等

锌-----存在于乙醇脱氢酶、醛缩酶、碱性磷酸酶、 RNA和DNA聚合酶中。 锰-----存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中。 硒-----存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中 锢-----存在于谷氨酸变位酶中。 钼-----存在于硝酸盐还原酶、固氮酶中。 铜-----存在于细胞色素氧化酶中。 钨-----存在于甲酸脱氢酶中。 镍-----存在于脲酶中，为氢细菌生长所必须。

无机盐一般采用的浓度范围

对一些产物有影响的微量元素

5.生长因素（growth facter） 凡是微生物生长不可缺少需要量较少的（不能用简单的碳、氮源自行合成的）微量有机物质。 种类：广义、狭义 氨基酸、维生素、嘌呤嘧啶、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸。 加量： 维生素1—50ug/L 氨基酸20—50ug/L 核苷或核苷酸200—2000ug/L 碱基 10—20ug/L

按微生物对生长因子需要与否，分成三类： 生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌和不少细菌 生长因子异养型微生物：见下一页 生长因子过量合成的微生物：生产菌

几种微生物的生长因子 菌种 生长因子 丙酮丁醇梭菌 对氨基苯甲酸 德氏乳杆菌 酪氨酸、胸腺核苷 干酪乳杆菌 生物素、麻黄素 菌种 生长因子 丙酮丁醇梭菌 对氨基苯甲酸 德氏乳杆菌 酪氨酸、胸腺核苷 干酪乳杆菌 生物素、麻黄素 粪链球菌 叶酸、精氨酸 肠膜明串珠菌 吡哆醛 金黄色葡萄球菌 硫胺素

原养型”(prototrophic)微生物 营养缺陷型”（auxotrophic ）微生物 原养型微生物： 可以在除有机碳源以外的无机环境中生长的微生物。 营养缺陷型微生物： 缺乏合成一种或几种生长因子能力的微生物。在基本培养基上不能生长

主要维生素及其功用

如何加入生长因子 配制培养基时，加生长因子含量丰富的天然物质，如酵母膏、玉米浆、肝浸汁、麦芽汁或其他新鲜动植物的汁；各种纯品

玉米浆含的氨基酸

6.能源其它（energy source） 为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质或辐射能，称为能源。 微生物的能源谱 化能异养型：有机物，同碳源 化能自养型；无机物，不同于碳源，举例 光能型：辐射能 单功能营养物 双功能营养物 三功能营养物

其它 气体 O2 ： 不同微生物的需要情况，培养微生物时的 提供氧的方法。 CO2：

第二节 微生物的营养类型 微生物生长所需的能量 光能和化能 光能营养型phototroph 化能营养型chemotroph 生长所需的碳源 第二节 微生物的营养类型 微生物生长所需的能量 光能和化能 光能营养型phototroph 化能营养型chemotroph 生长所需的碳源 无机碳源（自养型） 有机碳源（异养） 氢供体（或电子供体） 无机营养型 有机营养型 P87表4-3

微生物的营养类型

自养型或无机营养型autroph or lithotroph 以无机碳源（CO2)为唯一或主要碳源的微生物。 异养型或有机营养型 hetertroph or organotroph 必须以有机物为主要碳源的微生物。

营养类型的特点 P87表4-4记

沈萍书中按碳源、能源、电子供体划分营养类型： 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

1.光能无机营养型 photolithotroph 能源：光合磷酸化产ATP 主要碳源：CO2 供氢体：H2S、Na2S2O3、水 例： 绿硫细菌，紫硫细菌 CO2+H2S [CH2O]+2S+H2O 细菌叶绿素 又如：藻类、蓝细菌 CO2+H2O [CH2O]+O2 叶绿素

2.光能有机营养型 photoorgantroph 能源：光； 主要碳源：有机物，但可以将CO2还原成细胞物质。 供氢体：有机物 例：红螺细菌 2CH3CHOHCH3+CO2 2CH3COCH3+[CH2O]+H2O 光合色素

3.化能无机营养型 chemolithotroph 能源：无机物(NH3 ， NO2-， H2，H2S，S，Fe2+)等 主要碳源：CO2 电子供体：无机物 例： 氧化亚铁硫杆菌 Fe Fe + e + 11.3千卡 2NH+4+3O2 2NO-2+2H2O+4H++552.48KJ H2S +1/2O2 S+H2O+209.69KJ S +3/2O2 + H2O H2SO4+626.99KJ +3 +2

4.化能有机营养型 chemoorganotroph 能源：有机物 主要碳源：有机物 例：包括真菌和大多数细菌，工业用菌种绝大多数为此类。 营养类型的划分不是绝对的，在自然界中存在中间类型。营养类型的划分以最简单的营养条件为依据，并以“严格”,“兼性”加以区分。

第三节 营养物质的跨膜输送 微生物，除原生动物外，是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。 第三节 营养物质的跨膜输送 微生物，除原生动物外，是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物质的。 被动吸收——简单扩散和促进扩散（次要） 主动吸收——主动运输和基团移位（主要） 原生动物——膜泡运输

影响营养物质进入细胞的因素 营养物质的性质 细胞膜所处的环境条件 细胞的结构和功能

微生物的营养吸收

（一）被动吸收： 1.简单扩散：simple diffusion 无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。 特点： 输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 输送物质：水、气体、脂溶性物质、极性小的分子

输送机制： 通过亲水小孔或脂双分子层。 公式： 影响因素： J=D dc/dx 分子的大小、溶解性、极性和环境的温度等

2.促进扩散 facilitated diffusion 在特异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。 特点： 输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 载体蛋白：需要，具有特异性 输送物质：极性大的分子， 真核微生物对糖、氨基酸、维生素的吸收。 输送机制： 被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力。

（二）主动运输 1. 主动输送 active transport 在消耗能量的同时，实现溶质在细胞内的浓缩，而没有 任何化学变化发生的输送机制。 特点： 输送动力：代谢能量（ATP、质子动势、离子泵） 输送方向：逆浓度梯度 载体蛋白：需要，具有特异性，构象变化 输送物质：氨基酸、某些糖、Na、K 等。 输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的结合力。

主动运输

主动吸收（Na—K泵）

2.基团转位 group translocation 被输送的基质分子在膜内经历了共价的改变， 以被修饰的形式进入细胞质的输送机制 特点： 输送动力：代谢能量, PEP上的高能磷酸键 输送方向：逆浓度梯度 载体蛋白：磷酸转移酶系统 运送糖类、核苷酸、丁酸、腺嘌呤 被输送物质在输送前后的存在状态：在细胞膜内被磷酸化

输送机制： 例：磷酸转移酶系统（PTS） 酶Ⅰ：非特异性存在于细胞质中 酶Ⅱ：特异性(诱导型)存在于膜上 因子Ⅲ：特异性存在于细胞质中 Hpr(组氨酸蛋白质)：热稳定，非特异性 存在于细胞质中

膜泡运输（原生动物） 膜泡运输 特点： 通过趋向性运动靠近营养物质，将它吸附到膜表面，形成膜泡，并进入细胞质。 胞吞作用 胞饮作用 吸附期 Memberance vesicle transport 特点： 通过趋向性运动靠近营养物质，将它吸附到膜表面，形成膜泡，并进入细胞质。 胞吞作用 胞饮作用 吸附期 膜伸展期 膜泡释放期

四种物质运输方式的比较

第四节 微生物培养基 培养基Medium： 人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养料。 第四节 微生物培养基 培养基Medium： 人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的混合营养料。 用于微生物的培养、分离、鉴别、计数、研究、保藏和生产产品

一、选用和设计培养基的原则和方法 1.培养基应具有的共性 单位数量的培养基应能以最高产率地生产出所需产物， 能最高速率地稳定合成出所需产物， 培养基成分应价格便宜易于就近取材， 培养基有利于通风、搅拌、提取、纯化和废物处理等

2.制备培养基的要素 培养目的 营养物质的协调 理化适宜 培养基的物理状态 经济节约 灭菌方法

（1）培养目的 （2）营养协调：包括研究或实验微生物所需要的碳、氮、磷、硫等大量元素及微量元素、生长因素及水等6大营养要素。在营养缺陷型（生长因素异养型）微生物的培养基中，必须配入所缺的生长因素。 碳氮比（C/N）：指在微生物培养基中所含的碳源中谈原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比。真菌、细菌 实际上是控制好培养基中可溶物质（特别是碳源）的浓度。根据具体情况选合适的碳源种类（如生产菌体和淀粉酶） （3）理化适宜：灭菌后的pH值、渗透压、水活度、氧化还原势等理化条件要适宜。

①pH：微生物有各自的适宜pH。 细菌适于中性微碱： 细菌7.0~8.0，放线菌7.5~8.5；真菌适于微酸，酵母菌3.8~6.0，霉菌为4.0~5.8，藻类6.0~7.0，原生动物6.0~8.0。具体菌 微生物生长代谢会改变培养基的pH，需调节：内源调节[pH缓冲液（磷酸缓冲液6.0~7.6）和缓冲物（如CaCO3、蛋白质物质、糖类）的使用]和外源调节（加酸、加碱） ②渗透压和水活度：等渗、高渗、低渗 ③氧化还原势：好氧菌+0.3~+0.4V；兼性厌氧菌大于+0.1好氧呼吸，小于+0.1发酵；厌氧菌在+0.1以下。 培养好氧菌通气；培养厌氧菌驱走空气中的氧，还加还原剂，如巯基乙酸（）0.01~0.20%）、抗坏血酸（0.1%）、硫化钠（0.025%）、半胱氨酸（＜0.05%）、葡萄糖（0.1~1.0%）、铁屑、谷胱苷肽、氯化高铁血红素、二硫苏糖醇或瘦牛肉粒等。 刃天青和电位计可测氧化还原势

获得合适的培养基的四种方法 生态模拟 参阅文献 精心设计 试验比较

二、培养基类型

1、根据所用的营养物质的来源和了解分类 天然培养基 利用化学成分还不清 楚 或不恒定的天然有机物 质制成的培养基。用途 合成培养基 利用化学成分完全了 解的物质制成的培养基。 半合成培养基： 由部分天然有机物和 部分化学药品制成的培养基。 优缺点： 例如 牛肉膏、酵母膏、玉米浆、麦芽等。营养琼脂培养基 蔗糖硝酸盐（察氏）培养基、淀粉硝酸盐（高氏一号）培养基、葡萄糖铵盐培养基 马铃薯蔗糖培养基

2、根据培养基的物理状态分类 液体培养基， 固体培养基 用途：分离、鉴定、计数、检验、杂菌、测定、育种、保藏、获真菌孢子、生产 半固体培养基 天然固体培养基 液体培养基中加固化剂制成 用途：分离、鉴定、计数、检验、杂菌、测定、育种、保藏、获真菌孢子、生产 半固体培养基 0.2--0.7%琼脂。趋性、厌氧菌分离计数 脱水培养基（脱水商业培养基、预制干燥培养基） 固化剂： 琼脂（1~2%）、明胶（5~12%）、海藻酸胶、脱乙酰吉兰糖胶、多聚糖F127；硅胶和血清（不可逆固化）；天然固体培养基、滤膜。

琼脂和明胶的区别P97表4-9

3、按照培养基的特殊用途分类 选择培养基 selective media 根据某种微生物的特殊营养要求或对某化学物质或理化因素的抗性加入这些物质或因素，以抑制不需要的菌的生长, 从而促进目的微生物生长的培养基。 投其所好，取其所抗：加富性选择培养基、抑制性选择培养基。由于选择性的因素多种。举例。 加富培养基 enrichment media 为分离某种微生物而专门设计， 加入了助长该类微生物的营养物质的培养基。 鉴别培养基 differential media 添加了某种或某些特定的营养物或化学药品，使目的培养物出现肉眼可见的特征，因而能对特定的微生物种群起鉴别作用的培养基。

一些鉴别培养基

繁殖和保藏培养基 细 菌：营养琼脂、营养肉汤 放线菌：高氏一号 酵 母：麦汁培养基 霉 菌：麦汁培养基、察氏培养基

生理特性测定培养基 用于观察微生物的培养特征，或观测其生理生化反应所采用的培养基。对氧气的需求，产酸产气，过氧化氢酶，

营养丰富、全面， 氮源和生长因子比例高，碳源比例较低， 种子培养基 培养发酵用的健壮的种子的培养基。 特点： 营养丰富、全面， 氮源和生长因子比例高，碳源比例较低， 浓度略稀 使用原料较精。

发酵培养基 用于合成某种预定的发酵产物的培养基。 特点： 碳源比例高* 原料粗放、成本低 符合工艺及后提取的要求。

基础培养基 几种相似培养基的共同部分。 例： Yeast Carbon Base-----酵母碳基 Yeast Nitrogen Base---酵母氮基 Yeast Nitrogen Base w/o Amino Acid ----无氨基酸酵母氮基

遗传研究用培养基： 基本培养基（MM）：仅能满足某微生物的野生菌株生长所需的最低养分的培养基。 完全培养基（CM）：凡可满足一切营养缺陷型菌株生长需要的培养基。 分析培养基：维生素、抗生素、分析微生物的营养要求。 组织培养物培养基：培养专性活细胞寄生的培养基

4、配制培养基应注意的问题 营养成分的溶解 缓冲性物质，高温易破坏的组分， 易沉淀的组分， 高温易发生反应的组分， 微量物质， pH值及水活度 加琼脂 　灭菌：高压蒸汽灭菌，1.05kg/cm2（0.1MPa），15~30min；分别灭菌；过滤除菌；间歇灭菌； 0.56kg/cm2，112.6℃， 15~30min；加消泡剂；含脂、糖、蛋白质高、固体培养基、pH低灭菌时间要长一些。

出现问题的解决 混浊和沉淀 褐色物质的形成 胶体强度的破坏 所谓美拉德反应即葡萄糖与氨基酸所发生的系列化学反应而产生的产物（如氨基糖）。 可能与培养基中含有2价、3价金属离子和可溶性磷酸盐有关（加螯合剂） 还原糖类、蛋白质与氨基酸在高压、高温下相互作用的结果，“焦化”或美拉德反应 pH值降到4.5以下，琼脂固体培养基灭菌后，琼脂被热水解而不再凝固，或凝固不坚。 所谓美拉德反应即葡萄糖与氨基酸所发生的系列化学反应而产生的产物（如氨基糖）。