第五章 微生物的营养
在微生物细胞内，有机物质分为3类，一是结构物质，是构成细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质和细胞器的组成分，包括蛋白质、多糖、核酸和类脂等。二是贮藏物质，主要为多糖和脂类，如淀粉、糖原、脂肪和多聚β-羟基丁酸等。三是代谢底物和产物，包括存在于细胞内的糖 、氨基酸、核苷酸、有机酸和维生素等低分子量化合物。
能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质称为营养物质 (nutrient), 而微生物获得和利用营养物质的过程称为营养。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。
第一节 微生物的营养物质及其功能
一、碳源（carbon source）
凡能提供微生物营养所需碳元素(碳架)的营养物质称为碳源。碳素是构成菌体成分的主要元素 又是产生各种代谢产物和细胞内贮藏物质的重要原料，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 。碳源分为无机碳源和有机碳源。糖类是最广泛利用的碳源 ，单糖胜于双糖和多糖 ，已糖胜于戊糖 ，葡萄糖、果糖胜于甘露糖、半乳糖， 在多糖 二、能源
微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质和辐射能称为能源。-化能自养微生物的能源都是一些还原态无机物质。如NH3、NH4+、NO3-、S、H2S、H2和Fe2+等。有些营养物质则具有多种功能。 如光照仅提供能量；还原态物质大多具有双重以上功能，如NH3同是硝酸细菌的氮源和能源物质；氨基酸和蛋白质具有氮源、碳源和能源3种功能。 三、氮源
凡是可以构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质都称为氮源。
为微生物提供合成细胞物质代谢产物的原料，氮源一般不做能源，只有硝化细菌利用铵盐、硝酸盐作氮源,同时也作能源。
根据微生物对氮源利用的差异将其分为3个类型：一是固氮微生物，二是氨基酸自养型，三是氨基酸异养型。
分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 有机态氮：蛋白质及其降解产物
a速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源 b迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。 四、无机盐
矿质元素是微生物生命活动不可缺少的物质(表5-7)。微生物细胞中的矿质元素，占细胞干重的3%～10%。其主要功能：构成微生物的细胞结构；酶活性基的组成分和酶的激活剂；调节细胞渗透压、pH值和氧化还原电位；化能自养菌的能源(S、Fe2+等)。
需要浓度在10~-3～10~-4mo1/L范围内的元素称为大量元素，包括P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe；需要浓度为10~-6～10~-8mo1/L范围内的元素，称为微量元素，包括Cu、Zn、Mn、Mo、Co、B等10种。 五、生长因子
微生物生长必需的微量有机物质称为生长因子(growth factor)。生长因子也称为生长素，主要包括维生素、氨基酸和碱基(嘧啶和嘌呤)。生长因子不提供能量，也不参与细胞结构组成，它们大多为酶的组成分，与微生物代谢有着密切关系。
按微生物与生长因子间的关系将微生物分为3种 类型：一是生长因子自养型微生物，能自身合成各种生长素，不需外界供给。二是生长因子异养型微生物，它们自身缺乏合成一种或多种生长素的能力，需外源提供所需生长素才能生长。三是生长因子过量合成微生物，它们在代谢活动中向细胞外分泌大量的维生素等生长因子，可用于维生素的生产。
有的微生物自己不能合成维生素，需要外加，主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等，如生产味精需加生物素（是B族中的一种即VH）。 有些微生物自己不能合成某种AA，必须给予补充。
嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分，是许多微生物必须的生长因素。
有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤，而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上，还必须供给核苷酸，有的菌需补充卟啉或其衍生物，还有的菌需供给（低碳）脂肪酸等。 六、水
水是一切生物生存的基本条件。水是许多营养物质的溶剂，营养物质进入细胞和代谢废物排出细胞均以水为媒介。水能维持生物大分子结构稳定和酶活性。细胞内的一切生化反应均在水介质系统中进行。水是蓝细菌等少数微生物还原CO2时的供氢体。一定量的水分是维持细胞膨胀压的必要条件。水的比热高，又是热的良导体，能有效地吸收代谢过程中产 生的热量，使细胞温度不致于骤然升高，能有效调节细胞内的温度。
微生物细胞内的水分有游离态和结合态两种形式，两者的生理功能不同。结合水不流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不渗透。游离水与之相反。微生物细胞内游离与结合水的比例大约为4：1。
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。
第二节 微生物的营养类型
通常依据微生物获取能源、碳源、氢或电子供体不同将微生物分为4种营养类型：光能无机营养型、光能有机营养型，化能无机营养型和化能有机营养型。仅根倨碳源可将微物生分为自养型和异养型两类。 一、光能自养型
可在完全无机的环境中生长，具有光合色素，以CO2为碳源，光做能源，无机物为供H体还原CO2合成细胞有机物质的微生物叫光能自养微生物。藻类、蓝细菌和光合细菌属于这种类型。光合色素是一切光合微生物特有的色素，主要有叶绿素(或菌绿素)、类胡罗卜素和藻胆素3大类，其中叶绿素或菌绿素为主要的光合色素，类胡萝卜素和藻胆素的主要功能为捕获光能并在强光照射时保护叶绿素。光能自养型微生物的光合作用分为产氧光合作用和不产氧光合作用两种类型。
H2O＋CO2 (CH2O)＋ O2 2H2S＋CO2 (CH2O) ＋H2O＋2S
Na2S2O3+2 CO2＋３H2O (CH2O) +Na2SO4+H2SO4 二、光能异养型
是一类具有光合色素。能利用光做能源，以有机化合物为供H体，还原CO2，合成细胞物质的微生物，称光能异养微生物。-这一类群与光能无机营养型微生物的主要区别在于氢和电子供体的来源。
H3C 2 CHOH + CO2 H3C 光光合色素
2 CH3C0CH3 +[ CH2O] + H2O
光能异养微生物能利用CO2，但必须在有机物存在的条件下，才能生长，人工培养还需供给生长因素。目前已用这类微生物，如红螺菌来净化高浓度有机废水，这对处理污水、净化环境，很有发展前途。 三、化能自养型
在完全无机的环境中生长发育，以无机化合物氧化为时释放的能量为能源，以CO2或碳盐为碳源，合成细胞物质的微生物叫化能自养微生物。化能无机自养型只存在于微生物中，可在
完全无机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；
这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等，硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。
如FeO硫杆菌可把FeO氧化成Fe，Fe氧化率达95－100％并放出能量
＋ ＋
Fe2 Fe3＋e＋Q
用氧化亚铁硫杆菌氧化黄铁矿时，可以生成硫酸和硫酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以和硫酸高铁，硫酸高铁是强氧化剂和溶剂可以溶解矿物，如溶解铜矿析出铜元素，用这类微生物来开矿冶金称为细菌冶金，是开采贫矿和尾矿的有效办法，用细菌浸出Fe的速度比完全氧化快56－60倍。 四、化能异养型
这类微生物以有机化合物（如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等）为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。以有机物为电子供体。有机物通常既是碳源也是能源 由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类。 腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。
寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如 病毒.。
中间类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆 地菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。
不同营养类型之间的界限并非是绝对的！实际上存在许多中间过渡和兼性类型。 异养型微生物并非绝对不能利用CO2；自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；
第三节 物质进出微生物细胞
营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：
①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等②微生物所处的环境（温度、PH等）；③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）。
营养物质通过质膜的方式有4种：单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团转移。 一、单纯扩散(Simple Diffusion)
----也称被动扩散，它是由于细胞质膜内外营养物质的浓度差而产生的物理扩散作用。扩散是非特异性的。扩散速度取决于营养物的浓度差、分子大小、溶解性、极性、pH、离子强度和温度等因素。营养物的扩散将使细胞内外的浓度差不断减小，直至两者相等并达到动态平衡。单纯扩散不需膜上载体蛋白参与，也不消耗能量，因此它不能逆浓度梯度运输养料，运输速度 ， 运输的养料种类也十分有限。能以单纯扩散方式进入细胞的物质主要有水、溶于水的气 和小的极性分子(如尿素、甘油、乙醇等)。
二、促进扩散(Facilitated Diffusion)
养料通过与细胞质膜上透过酶(Permease,或称载体蛋白)的可逆性结合从高浓度环境进入低浓度环境的传递过程称为促进扩散。促进扩散的动力仍然是养料在细胞质 膜 内外的浓度差，不消耗能量，同样也不改变最终达到膜内外浓度相等的动态平衡。促进扩散 中有透过酶参与，该过程具有3个特点：①特异性，即一定的透过酶只能与一定的养料离子 或结构相 近的分子结合；②能提高养料的运输速度，提前达到动态平衡；③当膜外养料浓度过高时， 由于透过酶数量有限而表现出饱和效应。促进扩散只对生长在高养料浓度下的微生物有意义。 三、主动运输(Ative Transport)
微生物吸收营养物质的主要机制。在代谢能的推动下，通过质膜上的特殊载体蛋白逆浓度梯度吸收营养物质的过程称为主动运输。其特点是：①特异性，即养料与载体蛋白间存在着专一对应的关系；②消耗能量；③逆浓度梯度运输；④能改变养料运输反应的平衡点。膜载体发生构型变化 被运送物质不发生任何变化。主动运输是微生物在自然界稀薄的营养环境中获得营养物，正常生存的重要原因之一。无机离子、有机离子和一些糖类(乳糖、蜜二糖及葡萄糖)通过主动运输进入细胞。
四、基团转移(Group Translocation)
基团转移是一种需要特异性载体蛋白和消耗能量的运输方式，但养料在运输前后分子结构发 生改变，因而不同于主动运输。基团转移主要用于葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸、丁酸和嘌呤等物质。目前仅在原核生物中发现该过程，主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中。基团转移运输是通过磷酸转移酶系统(PTS，即磷酸烯醇式丙酮酸—已糖磷酸转移酶系统)完成的。 1.热稳定载体蛋白(HPr)激活细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的磷酸基团把HPr激活：
酶Ⅰ--
HPr+PEP=====P-HPr+丙酮酸
2.糖被磷酸化后进入质膜内
----膜外环境中的糖先与外膜表面的酶Ⅱ结合，再转运至内膜表面。这时，糖被P—HPr上的磷酸激活，通过酶Ⅱ作用将糖—磷酸释放到细胞内。
酶Ⅱ
糖(细胞外) + P-HPr======糖-P(细胞内) + HPr
第四节 培养基
人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质称为培养基。培养基含有微生物所需的6大营养要素(水分、碳源、氮源、能源、矿质元素和生长素)和适宜的pH、渗透压及氧化还原电位等。
一、制备培养基的基本原则 理想的凝固剂应具备以下条件：
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①不被所培养的微生物分解利用；
②在微生物生长的温度范围内保持固体状态，在培养嗜热细菌时，由于高温容易引起培养基液化，通常在培养基中适当增加凝固剂来解决这一问题； ③凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物的生长；
④凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；⑤凝固剂在灭菌过程中不会被破坏； ⑥透明度好，粘着力强； ⑦配制方便且价格低廉。
常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatain)和硅胶(silica gel)。 （一）有的放矢
培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同； 实验室的常用培养基：
细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）； 放线菌：高氏1号合成培养基； 酵母菌：麦芽汁培养基； 霉菌：查氏合成培养基； （二）营养协调
根据微生物菌体化学组成的分析结果可大致确定培养基中各种营养成分的比例 。营养物质的浓度适宜；营养物质之间的配比适宜；培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累，在各种营养要素间的比例中，C/N最为重要。四种方法
（三）条件适宜 1、pH
培养基的pH必须控制在一定的范围内，以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。 通常培养条件：细菌与放线菌：pH7~7.5；酵母菌和霉菌：pH4.5~6范围内生长
为了维持培养基pH的相对恒定，常在培养基中加pH缓冲剂，或工业发酵时补加酸、碱。 2.渗透压及其他条件- 渗透压对微生物生长有重要影响。等渗环境适宜微生物生长；高渗环境会使 细胞脱水，发生质壁分离；低渗环境会使细胞吸水膨胀，甚止导致胞壁脆弱和缺壁细胞(如支原体和原生质体等)破裂。微生物在长期进化中形成了能适应较大幅度渗透压变化的特性。但培养基中营养物质浓度过高时，会使渗透压超过微生物的适宜范围，抑制微生物生长。在特殊微生物(如耐 盐微生物)的培养中，需向培养基中加入适量NaCl，提高渗透压。 自养微生物须以CO2作为碳源，因此必须外加CO2。 (四)经济节约
配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,特别是在发酵工业中,以降低生产成本。
以粗代精：对微生物来说，各种粗原料营养更加完全，效果更好。而且在经济上也节约。 以“野”代“家”：以野生植物原料代替栽培植物原料，如木薯、橡子、薯芋等都是富含淀粉质的野生植物，可以部分取代粮食用于工业发
以废代好：以工农业生产中的废弃物作为培养微生物的原料。 以简代繁; 以烃代粮;以纤代糖；以氮代朊；以国代进 二、培养基的种类及其应用
（一）根据所培养微生物的类群与营养类型区分 -营养类型及种类不同的微生物需要不同的培养基。根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。
自养型微生物的培养基不能含有机物，异养型微生物则要以有机碳化物为碳源和能源。细菌、放线菌、酵母菌和霉菌的营养要求既有共性也有特性，应选用不同的培养基。如异养型细菌常用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌、酵母菌和霉菌用高氏培养基、麦芽汁培养基和察氏培养基或豆芽汁等培养基。
（二）根据对培养基的了解程度来区分
1、合成培养基--用化学试剂配制的营养基质称为合成培养基。该培养基的特点是化学成分和含量完全清楚且固定不变，适于微生物生长繁殖。其优点是成分清 楚、精确、固定，重现性强，适用于进行营养、代谢、生理生化、遗传育种及菌种鉴定等 精细研究。其缺点是一般微生物在合成培养基上生长缓慢，许多营养要求复杂的异养型微生物在合成培养基上不能生长。
2、天然培养基--用各种动物、植物和微生物材料制作的成分含量不完全清楚且变化不定的营养基质称为天然培养基。该培养基的优点的是取材广泛，营养丰富，经济简便，微生物生长迅速，适合各种异养微生物生长。缺点是其成分不完全清楚，成分和含量不确定，用于精细实验时重复性差。仅适用于实验室的一般粗放性实验和工业生产中制作种子和发酵培养基。
----配制天然培养基的原料主要有牛肉膏、酵母膏、米曲汁、麦芽汁、蛋白胨、马铃薯、玉米粉 、麸皮及花生饼粉等。
3、半合成培养基--用天然有机物提供碳、氮源和生长素，用化学试剂补充无机盐配制的营养基质称为半合成培养基。该培养基能充分满足微生物的营养要求，大多数微生物都能在此类培养基上良好生长。（三）按培养基外观的物理状态来分
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固体培养基（solid medium） 分为4种类型：
①凝固培养基（solidified medium）
琼脂固体培养基 、明胶培养基、硅胶固体培养基 ②非可逆性凝固培养基 ③天然固体培养基
④滤膜（membrane filter） 1、 琼脂固体培养基：
琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类 地区中提取的胶体多糖。
琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96℃，凝固点是40－50℃。 琼脂培养基可反复溶化凝固而不改一落 变性质。
绝大多数微生物不水解琼脂。
? 2．半固体培养基（semi-solid medium） ? 独特的用途
? 细菌的动力观察（在半固体直立柱中央进行细菌的穿刺接种，观察细菌的运动能力） ? 噬菌体效价测定（双层平板法） ? 微生物趋化性的研究
3．液体培养基（liquid medium）
不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。作各种生理、代谢研究和获得大量菌体之用 在生产实践上，绝大多数发酵培养基都采用液体培 养基。
（四）根据培养基的功能区分
? 1．选择性培养基（selectedmedium）
? -利用分离对象对某些化学物质的抗性或生理特长设计的能抑制或限制其它微生物生长而使
分离对象正常生长的营养基质称为选择性培养基。向培养基中加入抑制剂后，分离对象因对该抑制剂有抗性正常生长繁殖，其它杂菌均被抑制，即通过“取其所抗”的方法达到选择的目的。
基础培养基(Minimum Medium)
按大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称为基本培养基。再根据各种微生物的不同需要加入一、二种特殊成分。如培养某种营养缺陷型菌株，先配制基本培养基，之后再加入缺陷型菌珠需要的那种营养成分即可。
? -富集培养基(Enrichment Medium)--又称增殖培养基，加富培养基。
? 根据待分离微生物的特殊营养要求配制的适合该类微生物快速生长而不利于其它微生物生
长的营养基质。是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取。用来培养要求较苛刻的某些异养微生物。利用富集培养基就能从混杂有多种微生物的材料中分离出所需微生物。此培养基一般是在普通培养基中加入特殊的营养物质，使某种微生物能在其中生长得比其它微生物更快，以逐渐淘汰掉其它微生物。常用于菌种筛选工作。富集培养基也能达到选择的目的，但加入的却是特殊的营养物质，通过“投其所好”促进分离对象快速增长，达到选择分离的目的。采用适宜的培养基能从混有多种微生物的村料中分离到所需的微生物。
? -鉴别培养基
? 利用微生物代谢产物与指示剂的显色反应快速鉴别不同微生物的营养基质为鉴别培养基。鉴
别培养基中含有能与某一无色代谢产物发生显色反应的指示剂，使待鉴别微生物菌落产生特定的颜色，以便与外形相似的其它菌落区分开。
? 伊红美兰培养基是最常见的鉴别培养基，用于乳品和饮用水中大肠杆菌等细菌的检验。
将大肠杆菌接种在伊红－美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红－美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，呈紫黑色并带金属光泽的小菌落，而产气杆菌在这种培养基上长出的是较大的棕色菌落。
保藏菌种培养基：生产中使用的菌种保藏培养基，要求较丰富的氮源，以防止菌种退化变质。 另外，病毒与立克氏体，衣原体不活细胞专性寄生微生物，常用鸡胚培养法和动物培养法进行培养。
第五章 微生物的营养（精）
