微生物學(xué)教學(xué)課件：第四章 微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基

第四章微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基營養(yǎng)（nutrition）：指生物體從外部環(huán)境中攝取對其生命活動必需的能量和物質(zhì)，以滿足正常生長和繁殖需要的一種最基本的生理功能。營養(yǎng)為一切生命活動提供了必需的物質(zhì)基礎(chǔ)！吸收利用生物有機(jī)體營養(yǎng)物質(zhì)攝取營養(yǎng)物（nutrient）：指具有營養(yǎng)功能的物質(zhì)，那些能夠滿足微生物機(jī)體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì)。在微生物學(xué)中，它還包括非常規(guī)物質(zhì)形式的光輻射能在內(nèi)。微生物的營養(yǎng)物可為它們的正常生命活動提供結(jié)構(gòu)物質(zhì)、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和必要的生理環(huán)境。第四章微生物的營養(yǎng)與培養(yǎng)基

第一節(jié)微生物的營養(yǎng)要求第二節(jié)微生物的營養(yǎng)類型第三節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞第四節(jié)培養(yǎng)基一、細(xì)胞化學(xué)組成

整個生物界大體相同，主要是C、H、O、N（占干重90－97%），C占約50%，此外為各種無機(jī)元素，由這些元素再組成化合物。其中C/N一般是5:1。

第一節(jié)

微生物的六種營養(yǎng)要素元素大量元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫其他元素：鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、銅、鈷、鋅、鉬等存在方式有機(jī)物：蛋白質(zhì)、糖、類脂、核酸、維生素、降解產(chǎn)物、代謝中間產(chǎn)物無機(jī)鹽灰分水—細(xì)胞濕重的70%~90%元素細(xì)菌酵母菌霉菌碳5049.847.0氮157.55.2氫85.76.7氧2031.140.2磷31.51.2硫10.30.2

微生物細(xì)胞中幾種主要元素的相對含量（%干重）

一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；對一般生物有害的，微生物還能利用。微生物是雜食性的：二、主要營養(yǎng)物及其功能

碳源（Carbonsource）氮源（Nitrogensource)能源（Energysource)生長因子（Growthfactor)無機(jī)鹽(Inorganicsalt)水(Water)六種營養(yǎng)要素

參與微生物細(xì)胞的組成提供微生物機(jī)體進(jìn)行各種生理活動所需的能量形成微生物代謝產(chǎn)物的來源功能:營養(yǎng)物質(zhì)是微生物新陳代謝和一切生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，失去這個基礎(chǔ)，生命也就停止。（一）碳源（carbonsource）

1.定義

一切能滿足微生物生長繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物，稱為碳源。

微生物細(xì)胞含碳量約占干重的50％，除水分外，碳源是需要量最大的營養(yǎng)物，又稱之為大量營養(yǎng)物（macronutrients）。

如把微生物作為一個整體來看，其可利用的碳源范圍即碳源譜。碳源譜（spectrumofcarbonsources）：

從元素水平、化合物水平直至培養(yǎng)基原料水平來考察碳源，可見其數(shù)目是逐級擴(kuò)大的甚至可多到無法計算。back3微生物能利用的碳源類型大大超過了動物界或植物界所能利用的碳化合物。寶貴的氮源———“C.H.O.N”和“C.H.O.N.X”型，盡量避免將之作為廉價的碳源使用。異養(yǎng)微生物在元素水平上的最適碳源

———“C.H.O”型凡以無機(jī)碳源作主要碳源的微生物，則是種類較少的自養(yǎng)微生物。凡必須利用有機(jī)碳源的微生物，就是為數(shù)眾多的異養(yǎng)微生物。碳源譜有機(jī)碳無機(jī)碳

對一切異養(yǎng)微生物來說，其碳源同時又兼作能源，這種碳源稱為雙功能營養(yǎng)物（difunctionalnutrient）。

微生物的碳源物質(zhì)很多，有糖類及其衍生物、有機(jī)酸類、醇類、脂類、烴類、蛋白質(zhì)及其降解產(chǎn)物等。2.種類E.g.假單胞桿菌屬的一些菌能利用90多種不同的碳源物質(zhì)。甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。不同種類的微生物對碳源的利用能力也不一樣！單糖＞雙糖和多糖己糖＞戊糖葡萄糖、果糖＞甘露糖、半乳糖淀粉＞纖維素或幾丁質(zhì)等純多糖純多糖＞雜多糖

葡萄糖可作為大多數(shù)微生物的碳源?。?）糖（2）酚、氰化物等有毒物質(zhì)對人類有毒的物質(zhì)E.g.酚、氰化物等某些微生物E.g.諾卡氏菌和一些霉菌等美味佳肴微生物清除三廢（3）CO2

最廉價的、用之不盡的碳源，是自養(yǎng)微生物唯一或主要的碳源。E.g.生長在動物血液、組織和腸道中的致病細(xì)菌（沙門氏菌、李斯特菌等）（4）纖維素

纖維素是由葡萄糖以β－1,4糖苷鏈組成的，在自然界中資源豐富，但大多數(shù)動物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作為碳源來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。（5）烴類

烴類化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烴類的許多中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物均是重要的工業(yè)原料。

清除石油污染3.功能（1）構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)（2）構(gòu)成各種代謝產(chǎn)物和細(xì)胞貯藏物質(zhì)（3）為微生物進(jìn)行生命活動提供能量（二）氮源（nitrogensource）

1.定義

凡能提供微生物生長繁殖所需氮元素的營養(yǎng)源，稱為氮源。

氮是構(gòu)成重要生命物質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸等的主要元素，氮占細(xì)菌干重的12％～15％，也是微生物的主要營養(yǎng)物。

如把微生物作為一個整體來看，其可利用的氮源范圍即氮源譜。氮源譜（nitrogenofnitrogensources）：異養(yǎng)微生物對氮源的利用順序是：“N.C.H.O”或“N.C.H.O.X”＞“N.H”

＞“N.O”＞“N”back4微生物能利用的氮源類型也明顯比動物或植物的廣。2.種類微生物能利用的氮源無機(jī)氮分子氮有機(jī)氮a.有機(jī)氮主要由蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)的各種降解產(chǎn)物

———蛋白胨、氨基酸、小肽和尿素等。實驗室常用的有機(jī)氮源有：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、魚粉、蠶蛹粉、黃豆粉和花生粉等。b.無機(jī)氮主要包括硝酸鹽、銨鹽、銨等。

銨鹽是絕大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接被利用；

硝酸鹽也能被大部分微生物利用，但吸收后需被還原成NH3才能進(jìn)入合成代謝。

銨鹽E.g.(NH4)2SO4作氮源，隨著NH4＋的消耗培養(yǎng)基的pH值下降。銨鹽被稱作生理酸性鹽

硝酸鹽Eg.KNO3作氮源，隨著NO3－的消耗培養(yǎng)基的pH會上升。硝酸鹽被稱作生理堿性鹽銨鹽

和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用NO3－和蛋白質(zhì)吸收后還需還原降解才可利用速效氮源遲效氮源c.分子氮

分子氮即為大氣中的N2。能利用N2作氮源來合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物我們稱固氮微生物。（1）研究微生物的固氮作用是生物領(lǐng)域中的一個重大課題。通過基因工程把微生物的固氮基因轉(zhuǎn)移到高等植物的基因組中，使之可利用N2。（2）固氮微生物具有固氮酶，可在常溫常壓下把N2+H2NH3研究固氮酶作為一種酶制劑生產(chǎn)出來，在進(jìn)一步在生產(chǎn)NH3。3.功能

氮源物質(zhì)一般不提供能量，但也有例外：硝化細(xì)菌，它能利用NH3氧化獲得能量，NH3既是氮源又是能源。構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)構(gòu)成代謝產(chǎn)物

一部分微生物是不需要利用氨基酸作為氮源的，它們能把尿素、銨鹽、硝酸鹽甚至氮?dú)獾群唵蔚醋孕泻铣伤枰囊磺邪被?，稱為氨基酸自養(yǎng)型微生物（aminoacidautotrophs）。

反之，凡需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源的微生物就是氨基酸異養(yǎng)型微生物（aminoacidheterotrophs）

。能為微生物的生命活動提供最初能量來源的化學(xué)物質(zhì)或輻射能。（三）能源(energysource)異養(yǎng)微生物的碳源同時也是能源無機(jī)物：化能自養(yǎng)微生物的能源能源譜化學(xué)物質(zhì)輻射能：光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源有機(jī)物：化能異養(yǎng)微生物的能源化能自養(yǎng)微生物的能源為一些還原態(tài)的無機(jī)物質(zhì)，E.g.NH4+、S、H2S、H2和Fe2+等。

能氧化利用這些物質(zhì)的微生物都是細(xì)菌，Eg.硝酸細(xì)菌、亞硝酸細(xì)菌、硫化細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌和鐵細(xì)菌等。單功能：輻射能雙功能：還原態(tài)無機(jī)養(yǎng)料，如NH4+既是硝酸鹽細(xì)菌的能源，又是氮源三功能：N·C·H·O類營養(yǎng)物質(zhì)常是異養(yǎng)微生物的能源，碳源兼氮源

一種營養(yǎng)物具有一種以上營養(yǎng)要素的功能

生長因子的主要功能：提供微生物細(xì)胞重要化學(xué)物質(zhì)、輔因子的組分和參與代謝。

（四）生長因子（growthfactor）

生長因子為一類對微生物正常代謝必不可少且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機(jī)物。廣義的生長因子包括：維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶堿及其衍生物、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類、一些脂肪酸等。

狹義的生長因子：一般僅指維生素。需用牛肉膏、酵母膏或配制專門的營養(yǎng)液。1).生長因子自養(yǎng)型微生物（auxoautotrophs)

自養(yǎng)微生物和一些腐生性細(xì)菌、霉菌，能自己合成這類物質(zhì)，不需外界供給；2).生長因子異養(yǎng)型微生（auxoheterotrophs)

而有些微生物(根瘤菌、乳酸桿菌等)因缺乏合成這類物質(zhì)的能力，必須外界供給才能生長。3).生長因子過量合成型微生物少數(shù)微生物在其代謝活動過程中，能合成并大量分泌某些維生素等生長因子。4).營養(yǎng)缺陷型微生物（nutritionaldeficiency)

營養(yǎng)缺陷型（auxotroph突變型）與原養(yǎng)型（protoroph）營養(yǎng)缺陷型：某些菌株發(fā)生突變（自然突變或人工誘變）后，失去合成某種或某些對該菌生長必不可少的物質(zhì)（通常是生長因子，如氨基酸、維生素）的能力，必須從外界環(huán)境獲得該物質(zhì)才能生長繁殖，這種突變型菌株稱為營養(yǎng)缺陷型。其相對應(yīng)的野生型菌株稱為原養(yǎng)型。三、無機(jī)鹽（inorganicsalt）

指微生物生長必需的金屬元素：由硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物等供給。

無機(jī)鹽的生理功能

1.構(gòu)成微生物細(xì)胞的各種組分2.作為酶的組成部分3.維持酶的活性4.調(diào)節(jié)并維持細(xì)胞的滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位5.有些元素作為某些微生物生長的能源物質(zhì)等所需濃度在10-3-10-4M的元素為大量元素

所需濃度在10-6-10-8M的元素為微量元素?zé)o機(jī)鹽的生理功能無機(jī)鹽大量元素微量元素一般功能特殊功能細(xì)胞內(nèi)一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等)生理調(diào)節(jié)物質(zhì)滲透壓的維持(Na+等)酶的激活劑(Mg等)pH的穩(wěn)定化能自養(yǎng)菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等)

無氧呼吸時的氫受體(NO3-、SO42-等)酶的激活劑(Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子結(jié)構(gòu)成分(Co、Mo等)無機(jī)鹽及其生理功能

元素

化合物形式(常用)生理功能

磷

KH2PO4,K2HPO4

核酸、核蛋白、磷脂、輔酶及ATP等高能分子的成分，作為緩沖系統(tǒng)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH

硫

(NH4)2SO4,Mg

含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、維生素的成分，谷胱甘肽可調(diào)節(jié)胞內(nèi)氧化還原電位

鎂

MgSO4

己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、核酸聚合酶等活性中心組分，葉綠素和細(xì)菌葉綠素成分

鈣

CaCl2,Ca(NO3)2

某些酶的輔因子，維持酶(如蛋白酶)的穩(wěn)定性，芽孢和某些孢子形成所需

鈉

NaCl

細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)組分，維持細(xì)胞滲透壓，維持某些酶的穩(wěn)定性

鉀

KH2PO4,K2HPO4

某些酶的輔因子，維持細(xì)胞滲透壓，某些嗜鹽細(xì)菌核糖體的穩(wěn)定因子

鐵

FeSO4

細(xì)胞色素及某些酶的組分，某些鐵細(xì)菌的能源物質(zhì)，合成葉綠素、白喉毒素所需。

元素

生理功能

鋅

存在于乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、堿性磷酸酶、醛縮酶、RNA與DNA聚合酶中錳

存在于過氧化物歧化酶、檸檬酸合成酶中鉬

存在于硝酸鹽還原酶、固氮酶、甲酸脫氫酶中

硒

存在于甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中

鈷

存在于谷氨酸變位酶中銅

存在于細(xì)胞色素氧化酶中鎢

存在于甲酸脫氫酶中

鎳

存在于脲酶中，為氫細(xì)菌生長所必需

生理作用：細(xì)胞組成成分生化反應(yīng)溶劑化學(xué)、生理反應(yīng)介質(zhì)物質(zhì)運(yùn)輸媒體調(diào)節(jié)細(xì)胞溫度維持細(xì)胞的滲透壓（六）水存在狀態(tài)：游離態(tài)（溶劑）和結(jié)合態(tài)（結(jié)構(gòu)組成）水的特性：①、水是極性分子---最好的溶劑、有利于物質(zhì)的運(yùn)輸。②、水的比熱為1---有利于保持正常的體溫和代謝速率。③、固態(tài)水(冰)比液態(tài)水的密度低---有利于水生生物的低溫生存。④、ph=7

根據(jù)生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)，可將生物分成兩種基本的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物：在生長時需要以復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)自養(yǎng)型生物：在生長時能以簡單的無機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)動物屬于異養(yǎng)型生物，植物自養(yǎng)型生物，而微生物既有異養(yǎng)型的也有自養(yǎng)型的，大多數(shù)微生物屬于異養(yǎng)型生物，少數(shù)微生物屬于自養(yǎng)型生物。根據(jù)生長時能量的來源不同，又可將生物分成兩種類型化能營養(yǎng)型生物：依靠化合物氧化釋放的能量進(jìn)行生長光能營養(yǎng)型生物：依靠光能進(jìn)行生長動物和大部分微生物屬于化能營養(yǎng)型生物，它們從物質(zhì)的氧化過程中獲得能量。植物和少部分微生物屬于光能營養(yǎng)型生物第二節(jié)微生物的營養(yǎng)類型

分類標(biāo)準(zhǔn)

營養(yǎng)類型1.以能源分光能營養(yǎng)型（phototroph）化能營養(yǎng)型（chemotroph）2.以氫供體分無機(jī)營養(yǎng)型（lithotroph）有機(jī)營養(yǎng)型(organotroph)3.以碳源分自養(yǎng)型(autotroph)異樣型(heterotroph)4.以合成氨基酸能力分氨基酸自養(yǎng)型(aminoacidautotroph)氨基酸異養(yǎng)型(aminoacidheterotroph)5.以生長因子分原養(yǎng)型(prototroph)或野生型(wildtype)營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)6.以取食方式分滲透營養(yǎng)型(osmotroph)吞噬營養(yǎng)型(phagotroph)7.以取得死或活有機(jī)物分寄生(saprophytism)腐生(parasitism)微生物營養(yǎng)類型的分類

營養(yǎng)類型營養(yǎng)類型能源氫供體基本碳源實例光能無機(jī)營養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）光無機(jī)物 CO2藍(lán)細(xì)菌,紫硫細(xì)菌,綠硫細(xì)菌,藻類光能有機(jī)營養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）光有機(jī)物CO2及簡單有機(jī)物紅螺菌科的細(xì)菌（紫色無硫細(xì)菌）化能無機(jī)營養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）無機(jī)物無機(jī)物CO2硝化細(xì)菌,硫化 菌,鐵細(xì)菌,氫細(xì)菌,硫磺細(xì)菌等化能有機(jī)營養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物絕大多數(shù)細(xì)菌和 全部真核微生物光能自養(yǎng)型微生物：以C02作為唯一碳源或主要碳源，并利用光能，以無機(jī)物如硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機(jī)硫化物作為供氫體將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時產(chǎn)生元素硫

光能CO2＋H2S[CH2O]+2S+H2O

光合色素光能自養(yǎng)型微生物包括藍(lán)細(xì)菌（含葉綠素）、紅硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌等少數(shù)微生物（含細(xì)菌葉綠素），由于含有光合色素，因而能使先能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能（ATP），供機(jī)體直接利用。

一、光能自養(yǎng)型微生物光能異養(yǎng)型微生物：以CO2為主要碳源或唯一碳源，以有機(jī)物（如異丙醇）作為供氫體，利用光能將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌屬于此種營養(yǎng)類型。

光能2(H3C)2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O

光合色素光能異養(yǎng)型細(xì)菌在生長時大多數(shù)采要外源的生長因子二、光能異養(yǎng)型微生物利用光能，以簡單有機(jī)物（醇、有機(jī)酸）為供氫體同化CO2

CH3

│

光能CO2+2CH2-CHOH----→[CH2O]+2CH3COCH3+H2O

菌綠素例：紅螺菌屬（Rhodospirillum）光能異養(yǎng)型微生物紅螺菌光能無機(jī)自養(yǎng)型和光能有機(jī)異養(yǎng)型微生物可利用光能生長，在地球早期生態(tài)環(huán)境的演化過程中起重要作用。化能自養(yǎng)型微生物：以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源，以無機(jī)物氧化釋放的化學(xué)能為能源,利用電子供體如氫氣、硫化氫、二價鐵離子或亞硝酸鹽等使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。

這類微生物主要有硫化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、氫細(xì)菌與鐵細(xì)菌。它們在自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。

三、化能自養(yǎng)型微生物通過氧化無機(jī)物取得能量，并以CO2為唯一或主要碳源1.硝化細(xì)菌:亞硝化細(xì)菌

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化細(xì)菌

NO2-+1/2O2

→NO3-+18.1Kcal2.硫化細(xì)菌:通過氧化還原態(tài)的無機(jī)硫化物（H2S、S、S2O32-

、SO32-）獲得能量（硫桿菌屬，硫微螺菌屬）

H2S+1/2O2

→S+H2O+50.1KcalS+11/2O2+H2O→H2SO4+149.8Kcal3.鐵細(xì)菌：氧化Fe2+為Fe3+獲取能量并同化

CO22Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3++H2O+21.2Kcal4.氫細(xì)菌：具有氫化酶，從氫的氧化獲取能量，同化CO2H2+1/2O2→H2O+56.7Kcal硝化細(xì)菌鐵細(xì)菌

四化能有機(jī)營養(yǎng)型

（化能異養(yǎng)型，chemoheterotroph）生長所需要的能量均來自有機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；生長所需要的碳源主要是一些有機(jī)化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機(jī)酸等。有機(jī)物通常既是碳源也是能源！

大多數(shù)細(xì)菌、放線菌、原生動物、幾乎全部的真菌都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對：異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長；有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；例如紫色非硫細(xì)菌（purplenonsulphurbacteria）：沒有有機(jī)物時，同化CO2，為自養(yǎng)型微生物；有機(jī)物存在時，利用有機(jī)物進(jìn)行生長，為異養(yǎng)型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物；黑暗與好氧條件下，依靠有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長，為化能營養(yǎng)型微生物；微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力第三節(jié)細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收

離子化合物：弱快強(qiáng)慢（極性）

營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌，涉及到物質(zhì)的運(yùn)輸、營養(yǎng)物吸收至胞內(nèi)被利用、代謝物分泌到胞外以免積累，這就是物質(zhì)運(yùn)輸過程。在營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送方面，細(xì)胞壁僅簡單地排阻分子量過大(>600Da)的溶質(zhì)進(jìn)入,而具有磷脂雙分子層和嵌合蛋白分子的細(xì)胞膜則是控制營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和排除的主要屏障。

通透性與吸收是不同概念

一般大分子先水解為小分子，再吸收

脂溶性物質(zhì)：易透過物質(zhì)運(yùn)輸?shù)恼系K1.莢膜與粘液層莢膜和粘液層是由一層結(jié)構(gòu)疏松的多糖物質(zhì)組成，所以對大多數(shù)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞影響不大。2.細(xì)胞壁肽聚糖組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，只允許一定分子量以下的小分子物質(zhì)進(jìn)入，大分子物質(zhì)就不能通過肽聚糖的網(wǎng)眼孔。3.細(xì)胞膜

細(xì)胞膜具有選擇性滲透作用，即細(xì)胞膜只允許一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)更容易通過的特性。營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入代謝產(chǎn)物排出無用物質(zhì)的進(jìn)入有用物質(zhì)的漏出保證防止這是對物質(zhì)運(yùn)輸影響最大的，它能保證細(xì)胞與外界合理的進(jìn)行物質(zhì)交換。運(yùn)送方式不通過膜上載體蛋白：單純擴(kuò)散耗能通過膜上載體蛋白不耗能：促進(jìn)擴(kuò)散運(yùn)送前后溶質(zhì)分子改變：基團(tuán)轉(zhuǎn)移運(yùn)送前后溶質(zhì)分子不變：主動運(yùn)輸一、單純擴(kuò)散

(simplediffusion)被動，靠細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度為動力，無需能量；膜對擴(kuò)散的物質(zhì)是非特異性的，不能選擇必須的營養(yǎng)物質(zhì)，也不能逆濃度梯度運(yùn)輸溶質(zhì)分子。吸收的物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)變化

速度慢，隨細(xì)胞膜內(nèi)外該物質(zhì)的濃度差的降低而減少，直到膜內(nèi)外濃度相同時運(yùn)輸速度為零，達(dá)動態(tài)平衡。

運(yùn)輸氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子；

二、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion)利用膜內(nèi)、膜外被運(yùn)輸物質(zhì)和載體蛋白的親和力的不同。特點(diǎn)：1.被動，也靠細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度為動力，無需能量2.有載體參與，對擴(kuò)散的物質(zhì)具特異性的，如葡萄糖載體，只運(yùn)輸葡萄糖，載體在運(yùn)輸過程中發(fā)生構(gòu)相變化，在膜的外側(cè)時它能與溶質(zhì)分子結(jié)合，而在膜的內(nèi)側(cè)則可釋放此溶質(zhì)，即載體與運(yùn)輸物質(zhì)間在細(xì)胞內(nèi)外有親和力差異。3.速度快，直到膜內(nèi)外濃度為零。載體蛋白(carrierprotein)，即透性酶（大多為誘導(dǎo)酶），有底物特異性，每種載體蛋白運(yùn)輸相應(yīng)的物質(zhì)。載體蛋白可加快運(yùn)輸速度，但不能逆濃度運(yùn)輸。例如：釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）對各種糖、氨基酸和維生素的吸收；

E.coli對甘油的吸收等。3.主動運(yùn)送（activetransport）

（1）定義

主動運(yùn)送（activetransport）指一類須提供能量（包括ATP、質(zhì)子動勢或“離子泵”等）并通過細(xì)胞膜上特異性載體蛋白構(gòu)象的變化，而使膜外環(huán)境中低濃度的溶質(zhì)運(yùn)入膜內(nèi)的一種運(yùn)送方式。屬于逆濃度梯度運(yùn)送營養(yǎng)物的方式。特點(diǎn)：是微生物吸收營養(yǎng)的主要方式可逆濃度梯度運(yùn)輸，耗能有載體參與，載體在膜的外側(cè)時與物質(zhì)親和力強(qiáng)，而在膜的內(nèi)側(cè)則構(gòu)相變化，親和力降低。被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)不發(fā)生化學(xué)變化

運(yùn)輸有機(jī)離子、無機(jī)離子、氨基酸、乳糖等糖類單純擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、主動運(yùn)輸：被運(yùn)輸?shù)娜苜|(zhì)分子不發(fā)生改變。

主動運(yùn)送是逆濃度梯度運(yùn)送營養(yǎng)物的方式，對許多生存在低濃度營養(yǎng)環(huán)境中的貧養(yǎng)菌（oligophyte，或稱寡養(yǎng)菌）的生存極為重要。4.基團(tuán)移位（grouptranslocation）

（1）定義

基團(tuán)移位（grouptranslocation）指一類既需特異性載體蛋白的參與，又需耗能的一種物質(zhì)運(yùn)送方式，其特點(diǎn)是溶質(zhì)在運(yùn)送前后還會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化。特點(diǎn)：屬主動運(yùn)輸類型

(1)熱穩(wěn)載體蛋白(HPr，heat-stablecarrierprotein)的激活(2)糖被磷酸化后運(yùn)入膜內(nèi)

.需復(fù)雜的運(yùn)輸酶系參與

(3)需要能量（高能磷酸鍵）

(4)被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生化學(xué)變化（磷酸化）運(yùn)輸葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等膜對大多數(shù)磷酸化合物具有高度的不滲透性。每輸入一個葡萄糖分子，就要消耗一個ATP的能量。在E.coli中研究得較為清楚，主要靠磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（phosphotrasferasesystem）即磷酸烯醇式丙酮酸－己糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)進(jìn)行。基團(tuán)移位的運(yùn)送機(jī)制此系統(tǒng)由24種蛋白組成，運(yùn)送某一具體糖至少有4種蛋白參與，其特點(diǎn)是每輸入一個葡萄糖分子，就要消耗一個ATP的能量。具體運(yùn)送分兩步進(jìn)行：（1）熱穩(wěn)載體蛋白（heat-stablecarrierprotein，HPr）的激活細(xì)胞內(nèi)高能化合物——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基團(tuán)通過酶Ⅰ的作用而把HPr激活：

PEP+HPrPyr（丙酮酸）

+P～HPr

酶Ⅰ(在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行)

HPr是一種低分子量的可溶性蛋白，結(jié)合在細(xì)胞膜上，起著高能磷酸載體的作用。

酶Ⅰ是一種可溶性細(xì)胞質(zhì)蛋白。HPr和酶Ⅰ在磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中，均無底物特異性。（2）糖經(jīng)磷酸化而運(yùn)入細(xì)胞膜內(nèi)膜外環(huán)境中的先與細(xì)胞膜外表面上的底物特異膜蛋白——酶Ⅱc結(jié)合，接著糖分子被由P～HPr→酶Ⅱa→酶Ⅱb逐級傳遞來的磷酸基團(tuán)激活，最后通過酶Ⅱc在把這一磷酸糖釋放到細(xì)胞質(zhì)中。糖分子

＋酶Ⅱc結(jié)合P～HPr酶Ⅱa酶Ⅱb磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)磷酸糖酶Ⅱc細(xì)胞質(zhì)中逐級傳遞磷酸基團(tuán)激活釋放在細(xì)胞膜上進(jìn)行酶Ⅱ酶Ⅱa酶Ⅱb酶Ⅱc細(xì)胞質(zhì)蛋白，無底物特異性均為膜蛋白，具有底物特異性，可通過誘導(dǎo)產(chǎn)生例如：E.coli、金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）、枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）和巴氏梭菌（Clostridiumpasteurianum）中，葡萄糖是通過基團(tuán)移位方式自外環(huán)境運(yùn)送入細(xì)胞內(nèi)的。培養(yǎng)基(medium，culturemedium)：是一種人工配制的、適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的混合養(yǎng)料。第四節(jié)培養(yǎng)基碳源、氮源、無機(jī)鹽、能源、生長因子、水任何培養(yǎng)基都應(yīng)具備微生物所需要的六大營養(yǎng)要素，其間的比例是合適的絕大多數(shù)微生物都可在人工培養(yǎng)基上生長，少數(shù)難養(yǎng)菌（fastidiousmicroorganisms）至今無法在人工培養(yǎng)基上生長。（一）四個原則

1、目的明確（根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基）

培養(yǎng)什么微生物、獲得什么產(chǎn)物、用途二、選擇和配制培養(yǎng)基的原則和方法例如枯草芽孢桿菌：一般培養(yǎng)：肉湯培養(yǎng)基或LB培養(yǎng)基；觀察芽孢：產(chǎn)芽孢培養(yǎng)基；產(chǎn)蛋白酶：以玉米粉、黃豆餅粉為主的產(chǎn)酶培養(yǎng)基；

微生物細(xì)胞組成元素的調(diào)查或分析，是設(shè)計培養(yǎng)基時的重要參考依據(jù)。2.營養(yǎng)協(xié)調(diào)（1）選擇適宜的營養(yǎng)物質(zhì)實驗室的常用培養(yǎng)基：細(xì)菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（或簡稱普通肉湯培養(yǎng)基）；放線菌：高氏1號合成培養(yǎng)基培養(yǎng)；酵母菌：麥芽汁培養(yǎng)基；霉菌：查氏合成培養(yǎng)基；營養(yǎng)物質(zhì)的濃度適宜；營養(yǎng)物質(zhì)之間的配比適宜；高濃度糖類物質(zhì)、無機(jī)鹽、重金屬離子等不僅不能維持和促進(jìn)微生物的生長，反而起到抑制或殺菌作用。（2）營養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長繁殖和（或）代謝產(chǎn)物的形成和積累，其中碳氮比（C／N）的影響較大。發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時：碳氮比為4/1時，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；碳氮比為3/1時，菌體繁殖受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。真菌需C／N比較高的培養(yǎng)基；（素食）細(xì)菌（動物病原菌）需C／N比較低的培養(yǎng)基；（葷食）3.理化適宜指培養(yǎng)基的pH值、滲透壓、水活度和氧化還原電勢等物理化學(xué)條件較為適宜。pH滲透壓和水活度氧化還原電位（1）pH各大類微生物都有其生長適宜的pH范圍，培養(yǎng)基的pH必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足不同類型微生物的生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。細(xì)菌：pH7.0~8.0放線菌：pH7.5~8.5酵母菌：pH3.8~6.0霉菌：pH4.0~5.8藻類：pH6.0~7.0原生動物：pH6.0~8.0在微生物的生長、代謝過程中會產(chǎn)生引起培養(yǎng)基pH改變的代謝產(chǎn)物，為了維持培養(yǎng)基pH的相對恒定，通常要進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)。pH的內(nèi)源調(diào)節(jié)pH的外源調(diào)節(jié)pH的調(diào)節(jié)內(nèi)源調(diào)節(jié)主要有以下兩種方法：第一種是采用磷酸緩沖液進(jìn)行調(diào)節(jié)。①

pH的內(nèi)源調(diào)節(jié)通過培養(yǎng)基內(nèi)在成分所起的調(diào)節(jié)作用，就是pH的內(nèi)源調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)K2HPO4和KH2PO4兩者濃度比可獲得pH6.0～7.6間的一系列穩(wěn)定的pH。反應(yīng)原理：K2HPO4＋HCl→KH2PO4＋KClKH2PO4＋KOH→K2HPO4＋H2O第二種以CaCO3作“備用堿”進(jìn)行調(diào)節(jié)。

CaCO3（不溶于水又是沉淀性的，在培養(yǎng)基中分布不均勻）、NaHCO3均可用來調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH。反應(yīng)是：②pH的外源調(diào)節(jié)這是一類按實際需要不斷從外界流加酸或堿液，以調(diào)整培養(yǎng)液的方法。（2）滲透壓和水活度它表示兩種濃度不同的溶液間被一個半透性薄膜隔開時，稀溶液中的水分子會因水勢（waterpotentiality）的推動而透過隔膜流向濃溶液，直到濃溶液產(chǎn)生的機(jī)械壓力足以使兩邊水分子的進(jìn)出達(dá)到平衡為止，這時由濃溶液中的溶質(zhì)所產(chǎn)生的機(jī)械壓力，即為它的滲透壓值。滲透壓（osmoticpressure）是某水溶液中一個可用壓力來量度的一個物化指標(biāo)。與微生物細(xì)胞滲透壓相等的等滲溶液最適宜微生物的生長；高滲溶液會使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離；低滲溶液則會使細(xì)胞吸水膨脹，形成很高的膨壓，這對細(xì)胞壁脆弱或喪失的各種缺壁細(xì)胞，例如原生質(zhì)體、球狀體或支原體來說，則是致命的。是一個比滲透壓更有生理意義的一個物化指標(biāo)。它表示在天然或人為環(huán)境中，微生物可實際利用的自由水或游離水的含量。水活度即aw水活度定量涵義為：在同溫同壓下，某溶液的蒸汽壓純水蒸汽壓aw＝該溶液的百分相對濕度值（ERH，equilibriumrelativehumidity）aw各種微生物生長繁殖范圍的aw值在0.998～0.6之間。back1（3）氧化還原電勢（redoxpotential）又稱氧化還原電位，是度量某氧化還原系統(tǒng)中還原劑釋放電子或氧化劑接受電子趨勢的一種指標(biāo)。一般以Eh表示，它是指以氫電極為標(biāo)準(zhǔn)時某氧化還原系統(tǒng)的電極電位值，單位是V（伏）或mV（毫伏）。不同類型微生物生長對氧化還原電位的要求不同好氧性微生物：+0.1伏以上時可正常生長，以+0.3～+0.4伏為宜；厭氧性微生物：低于+0.1伏條件下生長；兼性厭氧微生物：+0.1伏以上時進(jìn)行好氧呼吸，

+0.1伏以下時進(jìn)行發(fā)酵。氧化還原電位與氧分壓和pH有關(guān),也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響增加通氣量(如振蕩培養(yǎng)、攪拌)提高培養(yǎng)基的氧分壓，或加入氧化劑，從而增加Eh值；在培養(yǎng)基中加入巰基乙醇、抗壞血酸（Vc，0.1%）、硫化氫(0.025%)、半胱氨酸（<0.05%）、谷胱甘肽、鐵屑、二硫蘇糖醇、庖肉（瘦牛肉粒）等還原性物質(zhì)可降低Eh值。在無氧條件下呈無色（Eh＝-40mV）；在有氧條件下，其顏色與溶液的pH相關(guān)；（中性——紫色；堿性——藍(lán)色；酸性——紅色）在微量氧時，它呈粉紅色。刃天青4.經(jīng)濟(jì)節(jié)約配制培養(yǎng)基時應(yīng)盡量利用廉價且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基成份,特別是在發(fā)酵工業(yè)中,以降低生產(chǎn)成本。（1）以粗代精（2）以“野”代“家”（3）以廢代好（4）以簡代繁（5）以氮代朊（6）以纖代糖（7）以烴代糧（8）以“土”代“洋”（二）4種方法

1.生態(tài)模擬

直接取用這類天然基質(zhì)（經(jīng)過滅菌）或模擬這類自然條件，就可獲得一個“初級的”天然培養(yǎng)基來培養(yǎng)相應(yīng)的微生物。2.參閱文獻(xiàn)（1）直接經(jīng)驗（2）查閱、分析和利用一切文獻(xiàn)資料上的對自己直接或間接有關(guān)的信息3.精心設(shè)計設(shè)計、試驗新配方各項因素的比較或反復(fù)試驗優(yōu)選法或正交試驗設(shè)計法工作量很大4.試驗比較試驗的規(guī)模一般都遵循由定性到定量、由小而大地逐步擴(kuò)大的原則。

生態(tài)模擬參閱文獻(xiàn)精心設(shè)計試驗比較設(shè)計一種優(yōu)化的培養(yǎng)基例如，先在培養(yǎng)皿瓊脂平板上測試某微生物的營養(yǎng)要求，然后作搖瓶培養(yǎng)（shakeculture）試驗，再進(jìn)行臺式發(fā)酵罐培養(yǎng)試驗，最后才擴(kuò)大到試驗型發(fā)酵罐和生產(chǎn)型發(fā)酵罐的規(guī)模。（一）按對培養(yǎng)基成分的了解作分類天然培養(yǎng)基組合培養(yǎng)基半組合培養(yǎng)基二、培養(yǎng)基的種類

1.天然培養(yǎng)基

（complexmedia，undefinedmedia）這是指一些利用動、植物或微生物體或其提取物制成的培養(yǎng)基，這是一類營養(yǎng)成分既復(fù)雜又豐富、難以說出其確切化學(xué)組成的培養(yǎng)基。例如，培養(yǎng)多種細(xì)菌的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，培養(yǎng)酵母菌的麥芽汁培養(yǎng)基等。天然培養(yǎng)基的優(yōu)點(diǎn)：營養(yǎng)豐富、種類多樣、配制方便、價格低廉。缺點(diǎn)：是成分不清楚、不穩(wěn)定，不適宜做精細(xì)的科學(xué)實驗。天然培養(yǎng)基只適合于一般實驗室中的菌種培養(yǎng)、發(fā)酵工業(yè)中生產(chǎn)菌種的培養(yǎng)和某些發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)等。

2.組合培養(yǎng)基

（chemicaldefinedmedia）又稱合成培養(yǎng)基或綜合培養(yǎng)基（syntheticmedia），是一類按微生物的營養(yǎng)要求精確設(shè)計后用多種高純化學(xué)試劑配制成的培養(yǎng)基。例如，培養(yǎng)細(xì)菌的葡萄糖銨鹽培養(yǎng)基，培養(yǎng)放線菌的淀粉硝酸鹽培養(yǎng)基（即高氏一號培養(yǎng)基），培養(yǎng)真菌的蔗糖硝酸鹽培養(yǎng)基（即察氏培養(yǎng)基）等。組合培養(yǎng)基的優(yōu)點(diǎn)：成分精確、重演性高。缺點(diǎn)：價格較貴、配制較煩，且微生物生長比較一般。組合培養(yǎng)基僅適用于營養(yǎng)、代謝、生理、生化、遺傳、育種、菌種鑒定或生物測定等對定量要求較高的研究工作中。

3.半組合培養(yǎng)基（semi-definedmedia）又稱半合成培養(yǎng)基（semi-syntheticmedia），指一類主要以化學(xué)試劑配制，同時還加有某種或某些天然成分的培養(yǎng)基。例如，培養(yǎng)真菌的馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基等。（二）按培養(yǎng)基外觀的物理狀態(tài)作分類液體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基脫水培養(yǎng)基1.液體培養(yǎng)基（liquidmedia）一類呈液體狀態(tài)的培養(yǎng)基，在實驗室和生產(chǎn)實踐中用途廣泛，尤其適用于大規(guī)模的培養(yǎng)微生物。2.固體培養(yǎng)基（solidmedia）廣義：一類外觀呈固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。狹義：在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑，使之成為固體的培養(yǎng)基。固體培養(yǎng)基為微生物生長提供一個營養(yǎng)表面，微生物在這表面上可以形成單個菌落。固體培養(yǎng)基在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐上具有廣闊的用途，例如，可用于菌種的分離、鑒定，菌落計數(shù)，檢驗雜菌，選種、育種，菌種保藏，抗生素等生物活性物質(zhì)的生物測定，獲取大量真菌孢子，以及用于微生物固體培養(yǎng)和大規(guī)模生產(chǎn)等。（1）固化培養(yǎng)基（solidifiedmedium）例如，加有1～2％瓊脂（agar）或5～12％明膠（gelatin）的液體培養(yǎng)基，可制成遇熱可融化、冷卻后則呈凝固態(tài)的用途最廣的固化培養(yǎng)基。常稱“固體培養(yǎng)基”，由液體培養(yǎng)基中加入適量的凝固劑（gellingagent）而成。（2）非可逆性固化培養(yǎng)基E.g.血清培養(yǎng)基或無機(jī)硅膠（silicagel）培養(yǎng)基等，其中的硅膠平板是專門用于化能自養(yǎng)細(xì)菌的分離、純化等。指一類一旦凝固后不能在重新融化的固化培養(yǎng)基。（3）天然固態(tài)培養(yǎng)基例如，培養(yǎng)真菌用的由麩皮、米糠、木屑、纖維、稻草粉等配制成的培養(yǎng)基；由馬鈴薯片、胡蘿卜條、大米、麥粒、面包、動物或植物組織直接制備的培養(yǎng)基。由天然固態(tài)基質(zhì)直接配制成的培養(yǎng)基。（4）濾膜（membranefilter）是一種堅韌且?guī)в袩o數(shù)微孔的醋酸纖維薄膜。若把濾膜制成圓片覆蓋在營養(yǎng)瓊脂或浸有營養(yǎng)液的纖維素襯墊上，就形成了具有固體培養(yǎng)基性質(zhì)的培養(yǎng)條件。濾膜主要用于對含菌量很少的水中微生物的過濾