第4章 微生物营养与能量代谢

养基，真菌——马铃薯葡萄糖培养基（PDA），土壤真菌——Martin培 养基。也可以分为鉴别性培养基和选择性培养基。
鉴别培养基是一类在成分中加有能与目的菌的无色代谢产物发生显 色反应的指示剂，从而达到只须用肉眼辨别颜色就能方便册从近似菌落 中找到目的菌菌落的培养基。最常用的鉴别性培养基是伊红美蓝乳糖培 养基，即EMB培养基，它在饮用水、牛奶的大肠菌群数等细菌学检查和 在E.coli的遗传学研究工作中有着重要的用途。改良后的EMB培养基成 分为：蛋白胨10g，乳糖5g，蔗糖5g，K2HPO42g，伊红Y0.4g，美蓝 0.065g，蒸馏水1000mL，最终pH7.2。其中的伊红和美蓝两种染料可抑 制G+和一些难培养的G—细菌。在低酸度下，这两种染料会结合并形成 沉淀，起着产酸指示剂的作用。因此式样中多种肠道细菌会在EMB培养 基平板上产生易于用肉眼识别的多种特征性菌落，尤其是E.coli，因其 能能强烈分解乳糖而产生大量的混合酸，菌体表面带H+，故可染上酸性 染料伊红，又因伊红与美蓝结合，故使菌落染上深紫色，且从菌落表面 的反射光中还可看到绿色金属闪光（似金龟子色），其他几种产酸力弱 的肠道菌的菌落也有相应的棕色。
如阿须贝无氮培养基，用于鉴别好气性自生固氮微生物类群；乳酸 菌培养基中加入不溶解的CaCO3，由于乳酸菌产生乳酸将CaCO3溶解而 在菌落周围产生透明圈，从而分离和鉴别乳酸菌，EMB培养基鉴别大肠 杆菌；
选择培养基是加入某物杀死或抑制不需要的菌种，链霉素、氯霉素 抑制原核微生物生长，制霉菌素、灰黄霉素抑制真菌，结晶紫抑制G+细 菌。
在能量和酶的参加下，把营养物的化学结构做些改变，使之不能透 过细胞膜而留在细胞内，这样可以逆浓度梯度地把细胞外的营养物累积 在细胞内。完成这一过程有2~3种酶的参加，优点是超越浓度限制，微 生物可以大量蓄积糖等。
【学时4】
§4-4培养基 一、定义
为满足微生物生长、发育需要，将各营养原料按比例配制成的基
质。 二、类型 1.按化学成分区分
天然培养基：主要原料有牛肉膏、麦芽汁、蛋白胨、酵母膏、玉米 粉、麦麸、各种饼粉、马铃薯、牛奶、血清等，特点是原料便宜、营养 成分丰富，但成分不确定。
合成培养基：采用已知化学物质葡萄糖、(NH4)2SO4等，特点是可以 精确称量，成分确定已知，但营养不丰富。研究菌种的生理、生化特性 时用合成培养基。
光能有机营养型：以光为能源，以CO2及简单有机物为基本碳源， 实例红螺菌科的细菌如紫色非硫细菌；
光能无机营养型：以光为能源，以无机物CO2、CO32—为唯一碳 源，实例蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、藻类。
【学时3】
§4-3营养物质进入细胞的方式（克服细胞壁、细胞膜的障碍） 除原生动物外，其他各大类微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸
化能 有机 无机
光能 有机 无机
化能有机营养型：能源和基本碳源是有机物，所有真菌、放线菌、 原生动物、大部分细菌；
化能无机营养型：能源是无机物，基本碳源是CO2、，生理类群仅 限于硝酸细菌、亚硝酸细菌铁细菌、硫细菌、氢细菌，它们分别用氧化 NO2—、NH3、Fe2+、H2S、H2产生的能量来还原CO2生成碳水化合物；
有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）
无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）
化学物质（化能营养型） 能源谱
光能（光能营养型）：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为还原态的无机物：NH4+、NO2—、S、H2S、 H2、Fe2+，包括的微生物种类为亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、硫 细菌、氢细菌、铁细菌。 某一具体营养物可同时兼具有几种营养要素功能：光能是单功能营 养物（能源），NH4+是双功能营养物（能源、氮源），AA类则是三功 能营养物（C、N、能源）。 （4）矿质营养（无机盐，除C、N外的元素） 主要元素：S、P、Fe、Mg、Ca、Na、K；微量元素：Zn、Mn、 Mo、Co。对于大量元素需加入相应的化学试剂，首选K2HPO4和 MgSO4，它们可同时提供4种需要量大的元素，其他需要量较小的不必 专门添加。 作用：结构成分；能量物质；与酶活性相关 （5）生长因子 是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行 合成的有机物。由于它没有能源和碳、氮源等结构材料的功能，因此需 要量一般很少。广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其 衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸，有时还包括氨基酸 营养缺陷突变株所需要的氨基酸在内，而狭义的生长因子一般仅指维生 素。 在配制培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以 保证微生物对它的需要，例如酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁等。 （6）水 微生物细胞的含水量很高，一般含水量在70~90%。水以不同状态存 在于细胞中，有束缚水即结合态的水和自由态等形式存在。 水的作用：水解反应；生化反应溶剂；调节温度
包括碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水。 （1）碳源 种类：糖（单糖、双糖、多糖）、醇、酸、脂肪、烃类、纤维素。 有些微生物能利用无机碳CO2、CO、CO32—等。 作用：一部分作为碳架结构；另一部分做能量来源：G彻底分解生成 CO2、H2O和ATP。 （2）氮源 种类：有机氮有AA、蛋白质、核酸；无机氮有NH4+、NO3—；分子 氮N2（由N2→NH3→NH4+，工业氮=1/4生物固氮量） 作用：细胞结构成分和合成原生质 （3）能源 凡是能提供微生物生命活动所需能量来源物质。异养微生物碳源就 是能源，只少数情况氮源充当能源或利用日光作为能源。对自养微生物 来说，光能自养菌需要日光作能源；化能自养菌利用氧化无机物而获得 能量。
营养缺陷型：与此相对的，在这样基本培养基上不能生长，而必需 添加一种或多种结构复杂的有机或无机成分才能生长的微生物，添加的 物质为生长因子。
生长因子是一些微生物本身不能合成，微生物生命活动不可缺少、 微量的结构复杂的有机成分，种类包括有氨基酸（乳酸菌为氨基酸缺陷 型）、碱基、维生素类，原因是微生物体内缺少合成这些因子的酶。 三、设计培养基原则 1.目的明确
要素
H2O C+能源 N源
生长因 P、S K、Mg
子
含量 ~10—1 ~10—2 ~10—3 ~10—4 ~10—5 ~10—6
一般地，真菌需要较高的C/N比培养基，细菌需要较低的C/N比培 养基。 3.理化适宜
指培养基的pH值、渗透压、水活度和氧化还原势等物理化学条件 较为适宜。
总体上，细菌pH为7.0~8.0，放线菌为7.5~8.5，酵母菌为3.8~6.0， 霉菌为4.0~5.8，藻类为6.0~7.0，原生动物为6.0~8.0。为避免微生物在代 谢过程中引起的pH较大变化，在配制培养基时加入CaCO3或KH2PO4、 K2HPO4等物质。
【学时2】
§4-2 营养类型 根据微生物对碳源营养物质利用的要求，微生物分为有机营养型
（有机碳）和无机营养型（无机碳）；根据能量来源微生物分为化能营 养型（物质分解）和光能营养型（光能）。
划分有机营养型与无机营养型微生物时的标准不在于它们能否利用 CO2，而在于能否利用CO2作为唯一碳源。
营养与能量不分家，按碳源利用和能量来源将微生物分为四种类 型：
被动扩散速度慢，难以满足微生物生活的需要。在载体蛋白或称渗 透酶的协助下，将营养物质从高浓度到低浓度运送，不需要能量的消 耗，主要是各种糖、氨基酸和维生素等，与前者的区别在于有载体渗透 酶的参加。渗透酶与所运送的营养物质亲和力在膜外表面高，而在膜内 表面低，在过程中起加快运输速度的作用。促进扩散比单纯扩散提高几 倍的运输速度。 3.主动运送
收作用从外界吸取营养物的。所有大分子物质在细胞外都将通过酶解或 水解的作用分解成单糖或双糖等小分子后才能跨膜运输。 1.单纯扩散
利用细胞膜内外浓度差，将营养物质从细胞外高浓度向细胞内低浓 度扩散，属物理扩散，不耗能，速度慢。一些小分子物质如Na+、 CO2、O2等还有H2O。水将从低浓度到高浓度扩散，正相反。 2.促进扩散
在设计大生产用的培养基时经济节约的原则显得十分重要，大体上 可以按照：以粗代精，以野代家，以废代好，以简代繁，以氮代朊，以 纤代糖，以烃代粮，以国代进实施。 四、方法
（1）生态模拟 （2）参阅文献 （3）精心设计 （4）试验比较
等渗溶液最适合微生物生长。各种微生物生长繁殖的水活度值在 0.998~0.60之间。
一般好氧菌生长的Eh值为+0.3~0.4V，兼性厌氧菌在+0.1V以上进行 好氧呼吸产能，在+0.1V以下进行发酵产能，而厌氧菌除应驱走空气中 的氧外，还应在培养基中加入适量的还原剂，如Vc、Na2S、铁屑等。 4.经济节约
半合成培养基：指一类主要以化学试剂配制，同时还加有某些天然 成分的培养基。例如培养真菌的马铃薯葡萄糖培养基等。严格地讲，凡 含有未经特殊处理的琼脂的任何组合培养基，因其中含有一些未知的天 然成分，故实质上也只能看作是一种半合成培养基。 2.按物理状态区分
液体培养基如G5g，(NH4)2SO4g，KH2PO40.5g和水1000mL； 固体培养基是在液体培养基基础上加入凝固剂琼脂15~20g； 半固体培养基是在液体培养基中加入少量的凝固剂而配制成的半固 体状态培养基，例如“稀琼脂”，它们在小型容器倒置时不会流出，但在 剧烈震荡后则呈破散状态，一般可在液体培养基中加入0.5%左右的琼脂 制成。半固体培养基可放入试管中形成“直立柱”，把它用于细菌的动力 观察，趋化性观察，厌氧菌的培养、分离和计数，以及细菌和酵母菌的 菌种包藏等，若用于双层平板法中，还可测定噬菌体的效价。 琼脂是海藻多糖或多聚糖，大部分微生物不能分解之，起到凝固剂 作用，少数细菌能液化琼脂，在鉴定上可作为一项。液体培养基用于大 规模生产，固体培养基应用广泛，在微生物分离鉴定、杂菌检验，菌数 测定以及菌中包藏等均有应用。 3.按用途区分 常用培养基是细菌——牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌——淀粉胺培
【学时1】 第四章 微生物营养和能量代谢