1、1第一節第一節 微生物的營養物質微生物的營養物質The common nutrient requirements第二節第二節 微生物的營養類型微生物的營養類型 Nutritional types of Microorganisms第三節第三節 培養基培養基 Cultural medium第四節第四節 營養物質進入細胞營養物質進入細胞 Uptake of nutrients by the cell第五節第五節 微生物的產能代謝微生物的產能代謝 Energy generation metabolism of microbes微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|Microorganisms req

2、uire about 10 elements in large quantities, in part because they are used to construct carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids. Several other elements are needed in very small amount and are parts of enzymes and cofactors.|All microorganisms can be placed in one of a few nutritional categ

3、ories on the bases of their requirements for carbon, energy and hydrogen atoms or electrons.|Nutrient molecules frequently cannot cross selectively permeable plasma membranes through passive diffusion. They must be transported by one of three major mechanisms involving the use of membrane carrier pr

4、oteins.|Pure culture can be obtained through the use of spread plates, streak plates, or pour plates and are required for the careful study of an individual microbial species.微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝&微生物的營養物質微生物的營養物質The common nutrient requirements| 微生物細胞的化學組成微生物細胞的化學組成| 微生物的營養物質微生物的營養物質 及其生理功能及其生理功能

5、微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|微生物細胞的化學組成微生物細胞的化學組成l微生物細胞的化學成分以微生物細胞的化學成分以有有機物和無機物機物和無機物兩種狀態存在。兩種狀態存在。有機物有機物包含各種大分子，它包含各種大分子，它們是們是蛋白質、核酸、類脂和蛋白質、核酸、類脂和糖類糖類，占細胞干重的，占細胞干重的99%。無機成分無機成分包括小包括小分子無機物分子無機物和各種離子和各種離子，占細胞干重的，占細胞干重的1%。l微生物細胞的元素構成微生物細胞的元素構成由由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等組成。等組成。lRead book on page

6、 96. 5.1微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝l微生物細胞的化學微生物細胞的化學元素與其營養物質元素與其營養物質微生物生長所需的營養物質微生物生長所需的營養物質應該包含有組成細胞的各種應該包含有組成細胞的各種化學元素，即構成細胞物質化學元素，即構成細胞物質的碳素來源的的碳素來源的碳源物質碳源物質，構，構成細胞物質的氮素來源的成細胞物質的氮素來源的氮氮源物質源物質和一些含有和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的元素的無機鹽。無機鹽。微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|微生物的營養物質及其生理功能微生物的營養物質及其生理

7、功能 Nutrients are substances used in biosynthesis and energy production and therefore are required for microbial growth and reproduction. Microorganisms require about ten elements in large quantities, because they are used to construct carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids. Several other

8、 elements are needed in very small amounts and are parts of enzymes and cofactors.So, the nutrients can be grouped under two heads, macronutrients and micronutrients (or trace elements).|Macronutrients: Carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, sulfur, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, and iron.

9、95% or more of cell dry weight is made up of these major elements.|Micronutrients: Manganese, zinc, cobalt, molybdenum (Mo), nickel, and copper. Most are essential for activity of certain enzymes, usually as cofactors. 微生物生長所需要的營養物質主微生物生長所需要的營養物質主要是以要是以有機物有機物和和無機物無機物的形式的形式提供的，絕大部分是固液態，提供的，絕大部分是固液態，小

10、部分由氣體物質供給。小部分由氣體物質供給。微生物的營養物質按其在機體中微生物的營養物質按其在機體中的生理作用可區分為：的生理作用可區分為：碳源碳源、氮源氮源、無機鹽無機鹽、生長因子生長因子和和水水五大類。五大類。 They must supply as utilizable compounds all elements that take part in the synthesis of the cell substances.微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝碳碳源源1. 碳源碳源Carbon source|在微生物生長過程中為微生物提在微生物生長過程中為微生物提供碳素來源的物質稱為供碳素

11、來源的物質稱為碳源碳源(source of carbon)。 |從簡單的從簡單的無機含碳化合物無機含碳化合物如如CO2和碳酸鹽到各種各樣的天然和碳酸鹽到各種各樣的天然有機有機化合物化合物都可以作為微生物的碳源，都可以作為微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物質具但不同的微生物利用含碳物質具有選擇性，利用能力有差異。有選擇性，利用能力有差異。微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝碳碳源源|碳源的生理作用碳源的生理作用|碳源物質通過復雜的化學變化來碳源物質通過復雜的化學變化來構成構成微生物自身的細胞物質和代謝產物微生物自身的細胞物質和代謝產物；Carbon is needed for the ske

12、leton or backbone of all organic molecules.|同時多數碳源物質在細胞內生化反應同時多數碳源物質在細胞內生化反應過程中還能為機體提供維持生命活動過程中還能為機體提供維持生命活動的的能量能量;|但有些以但有些以CO2為唯一或主要碳源的微生為唯一或主要碳源的微生物生長所需的物生長所需的能源則不是來自能源則不是來自CO2。表表3.1微生物利用的碳源物質微生物利用的碳源物質種類種類碳源物質碳源物質備注備注糖糖葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纖維二糖、纖半乳糖、乳糖、甘露糖、纖維二糖、纖維素、半纖維素、甲殼

13、素、木質素等維素、半纖維素、甲殼素、木質素等單糖優于雙糖，己糖優于戊糖，淀粉優單糖優于雙糖，己糖優于戊糖，淀粉優于纖維素，純多糖優于雜多糖。于纖維素，純多糖優于雜多糖。有機酸有機酸糖酸、乳酸、檸檬酸、延胡索酸、低級糖酸、乳酸、檸檬酸、延胡索酸、低級脂肪酸、高級脂肪酸、氨基酸等脂肪酸、高級脂肪酸、氨基酸等與糖類比效果較差，有機酸較難進入細與糖類比效果較差，有機酸較難進入細胞，進入細胞后會導致胞，進入細胞后會導致pHpH下降。當環境下降。當環境中缺乏碳源物質時，氨基酸可被微生物中缺乏碳源物質時，氨基酸可被微生物作為碳源利用。作為碳源利用。醇醇乙醇乙醇在低濃度條件下被某些酵母菌和醋酸菌在低濃度條件下

14、被某些酵母菌和醋酸菌利用。利用。脂脂脂肪、磷脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定條件下將磷脂分主要利用脂肪，在特定條件下將磷脂分解為甘油和脂肪酸而加以利用。解為甘油和脂肪酸而加以利用。烴烴天然氣、石油、石油餾分、石蠟油等天然氣、石油、石油餾分、石蠟油等利用烴的微生物細胞表面有一種由糖脂利用烴的微生物細胞表面有一種由糖脂組成的特殊吸收系統，可將難溶的烴充組成的特殊吸收系統，可將難溶的烴充分乳化后吸收利用。分乳化后吸收利用。COCO2 2COCO2 2為自養微生物所利用。為自養微生物所利用。autotrophysautotrophys碳酸鹽碳酸鹽NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3、白堊

15、等、白堊等為自養微生物所利用。為自養微生物所利用。heterotrophsheterotrophs其他其他芳香族化合物、氰化物芳香族化合物、氰化物蛋白質、核酸等蛋白質、核酸等利用這些物質的微生物在環境保護方面利用這些物質的微生物在環境保護方面有重要作用。有重要作用。當環境中缺乏碳源物質時，可被微生物當環境中缺乏碳源物質時，可被微生物作為碳源而降解利用。作為碳源而降解利用。微生物的營養和代謝氮源2. 氮源氮源Nitrogen source|凡是可以被微生物用來構成凡是可以被微生物用來構成細胞物質的或代謝產物中氮細胞物質的或代謝產物中氮素來源的營養物質通稱為素來源的營養物質通稱為氮氮源源(sour

16、ce of nitrogen)物質。物質。|能被微生物所利用的氮源物能被微生物所利用的氮源物質有蛋白質及其各類降解產質有蛋白質及其各類降解產物、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸物、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、分子態氮、嘌呤、嘧啶、鹽、分子態氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物脲、酰胺、氰化物(見見表表3.2)。微生物的營養和代謝氮源|氮源物質常被微生物用來氮源物質常被微生物用來合成細胞中合成細胞中含氮物質含氮物質，少數情況下可作，少數情況下可作能源物質，能源物質，如某些厭氧微生物在厭氧條件下可利如某些厭氧微生物在厭氧條件下可利用某些氨基酸作為能源。用某些氨基酸作為能源。Nitrogen is needed for

17、 the synthesis of amino acids, purines, pyrimidines, some carbohydrates and lipids, enzyme cofactors, and others.|微生物對氮源的利用具有選擇性微生物對氮源的利用具有選擇性，如，如玉米漿玉米漿cornsteep liquor相對于豆餅粉，相對于豆餅粉，NH4+相對于相對于NO3-為速效氮源。銨鹽作為速效氮源。銨鹽作為氮源時會導致培養基為氮源時會導致培養基pH值下降，稱值下降，稱為為生理酸性鹽生理酸性鹽；而以硝酸鹽作為氮源而以硝酸鹽作為氮源時培養基時培養基pH值會升高，稱為值會升高，稱

18、為生理堿性生理堿性鹽鹽。表表3.2 微生物利用的氮源物質微生物利用的氮源物質種類種類氮源物質氮源物質備注備注蛋白質蛋白質類類蛋白質及其不蛋白質及其不同程度降解產同程度降解產物物(胨、肽、氨胨、肽、氨基酸等基酸等)大分子蛋白質難進入細胞，一些真菌和少數細菌大分子蛋白質難進入細胞，一些真菌和少數細菌能分泌胞外蛋白酶，將大分子蛋白質降解利用，能分泌胞外蛋白酶，將大分子蛋白質降解利用，而多數細菌只能利用相對分子質量較小其降解產而多數細菌只能利用相對分子質量較小其降解產物物氨及銨氨及銨鹽鹽NH3、(NH4)2SO4等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用硝酸鹽硝酸鹽KNO3等等容易被微生物吸收利用容

19、易被微生物吸收利用分子氮分子氮N2固氮微生物可利用，但當環境中有化合態氮源時，固氮微生物可利用，但當環境中有化合態氮源時，固氮微生物就失去固氮能力固氮微生物就失去固氮能力其他其他嘌呤、嘧啶、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、脲、胺、酰胺、氰化物氰化物大腸桿菌不能以嘧啶作為唯一氮源，在氮限量的大腸桿菌不能以嘧啶作為唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培養基上生長時，可通過誘導作用先合成葡萄糖培養基上生長時，可通過誘導作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作為氮源加以利用度地被微生物作為氮源加以利用微生物的營養和代謝無機鹽3. 無機鹽無機鹽|無機鹽

20、無機鹽(inorganic salt)是微生是微生物生長必不可少的一類營養物物生長必不可少的一類營養物質，它們在機體中的質，它們在機體中的生理功能生理功能主要是主要是作為酶活性中心的組成作為酶活性中心的組成部分、維持生物大分子和細胞部分、維持生物大分子和細胞結構的穩定性、調節并維持細結構的穩定性、調節并維持細胞的滲透壓平衡、控制細胞的胞的滲透壓平衡、控制細胞的氧化還原電位和作為某些微生氧化還原電位和作為某些微生物生長的能源物質物生長的能源物質等等(表表3.3)。|The elementary composition of cells is divided into the ten macroe

21、lements which are present in all cells, C, H, O, N, P, S, K, Na, Ca, Mg and Iron, and the microelements or trace elements; manganese, molybdenum, zinc, copper, cobalt, nickel, vanadium (釩), boron, chlorine, selenium, silicon, tungsten (鎢). 微生物的營養和代謝無機鹽|Most of these trace requirements occur as impur

22、ities in the salts of the macroelements and also reach the nutrient media via contamination of glass vessels and dust particles. Special procedures are therefore necessary to demonstrate a requirement for trace elements. |Most elements are provided as salts in nutrient media.微生物的營養和代謝無機鹽微生物的營養和代謝無機鹽

23、|微生物可利用無機鹽類型微生物可利用無機鹽類型|微量元素微量元素微量元素微量元素是指那些在微生是指那些在微生物生長過程中起重要作用，物生長過程中起重要作用，而機體對這些元素的需要量而機體對這些元素的需要量極其微小的元素，通常需要極其微小的元素，通常需要量在量在10-6-10-8mol/L (培養基中培養基中含量含量)。微量元素一般參與酶。微量元素一般參與酶的組成或使酶活化的組成或使酶活化(表表3.4)。 表表3.3 無機鹽及其生理功能無機鹽及其生理功能元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能磷磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、輔酶及核酸、核蛋白、磷脂、輔酶及ATP

24、等高能分子的成等高能分子的成分，作為緩沖系統調節培養基分，作為緩沖系統調節培養基pH硫硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等半胱氨酸、甲硫氨酸等)、維生素的成、維生素的成分，谷胱甘肽可調節胞內氧化還原電位分，谷胱甘肽可調節胞內氧化還原電位鎂鎂MgSO4己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、核酸聚合酶等活己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、核酸聚合酶等活性中心組分，葉綠素和細菌葉綠素成分性中心組分，葉綠素和細菌葉綠素成分鈣鈣CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的輔因子，維持酶某些酶的輔因子，維持酶(如蛋白酶如蛋白酶)的穩定性，芽的穩定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立細菌感受態

25、所需孢和某些孢子形成所需，建立細菌感受態所需鈉鈉NaCl細胞運輸系統組分，維持細胞滲透壓，維持某些酶細胞運輸系統組分，維持細胞滲透壓，維持某些酶的穩定性的穩定性鉀鉀KH2PO4，K2HPO4某些酶的輔因子，維持細胞滲透壓，某些嗜鹽細菌某些酶的輔因子，維持細胞滲透壓，某些嗜鹽細菌核糖體的穩定因子核糖體的穩定因子鐵鐵FeSO4細胞色素及某些酶的組分，某些鐵細菌的能源物質，細胞色素及某些酶的組分，某些鐵細菌的能源物質，合成葉綠素、白喉毒素所需合成葉綠素、白喉毒素所需表表3.4 微量元素與生理功能微量元素與生理功能元素元素生理功能生理功能鋅鋅存在于乙醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、堿性磷酸存在于乙醇脫氫酶、乳酸

26、脫氫酶、堿性磷酸酶、醛縮酶、酶、醛縮酶、RNARNA與與DNADNA聚合酶中聚合酶中錳錳存在于過氧化物歧化酶、檸檬酸合成酶中存在于過氧化物歧化酶、檸檬酸合成酶中鉬鉬存在于硝酸鹽還原酶、固氮酶、甲酸脫氫酶存在于硝酸鹽還原酶、固氮酶、甲酸脫氫酶中中硒硒存在于甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中存在于甘氨酸還原酶、甲酸脫氫酶中鈷鈷存在于谷氨酸變位酶中存在于谷氨酸變位酶中銅銅存在于細胞色素氧化酶中存在于細胞色素氧化酶中鎢鎢存在于甲酸脫氫酶中存在于甲酸脫氫酶中鎳鎳存在于脲酶中，為氫細菌生長所必需存在于脲酶中，為氫細菌生長所必需微生物的營養和代謝生長因子4.生長因子生長因子|生長因子生長因子(growth fact

27、ors)通常指通常指那些微生物生長所必需而且需要那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以滿足機體生長需或合成量不足以滿足機體生長需要的要的有機化合物有機化合物。. Organic compounds required because they are essential cell components or precursors of such components and cannot be synthesized by the organism are called growth factors. 微生物的營養和代謝生長因子|根據根

28、據生長因子生長因子的的化學結構化學結構和和它們在機體中的它們在機體中的生理功能生理功能的的不同，可將不同，可將生長因子生長因子分為分為維維生素生素(vitamin)、氨基酸、氨基酸amino acid與嘌呤與嘌呤purine與嘧與嘧啶啶pyrimidine bases三大類三大類(見見表表3.5)。微生物的營養和代謝生長因子|維生素維生素在機體中所起的作用主要是作在機體中所起的作用主要是作為酶的輔基或輔酶參與新陳代謝；為酶的輔基或輔酶參與新陳代謝；coenzyme. prosthetic group.P99,table 5.3|有些微生物自身缺乏合成某些有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸氨基酸的

29、能力，因此必須在培養基中補充這的能力，因此必須在培養基中補充這些氨基酸或含有這些氨基酸的小肽類些氨基酸或含有這些氨基酸的小肽類物質，微生物才能正常生長；物質，微生物才能正常生長；|嘌呤與嘧啶嘌呤與嘧啶作為生長因子在微生物作為生長因子在微生物機體內的作用主要是作為酶的輔酶或機體內的作用主要是作為酶的輔酶或輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和輔基，以及用來合成核苷、核苷酸和核酸。核酸。|How to meet the requirement of growth factors for the bacterial cultivation, practically?表表3.5 維生素及其在代謝中的作用維生

30、素及其在代謝中的作用 化合物化合物代謝中的作用代謝中的作用對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸四氫葉酸的前體，一碳單位轉移的輔酶四氫葉酸的前體，一碳單位轉移的輔酶生物素生物素催化羧化反應的酶的輔酶催化羧化反應的酶的輔酶輔酶輔酶M甲烷形成中的輔酶甲烷形成中的輔酶葉酸葉酸四氫葉酸包括在一碳單位轉移輔酶中四氫葉酸包括在一碳單位轉移輔酶中泛酸泛酸輔酶輔酶A的前體的前體硫辛酸硫辛酸丙酮酸脫氫酶復合物的輔基丙酮酸脫氫酶復合物的輔基尼克酸尼克酸NAD、NADP的前體，它們是許多脫氫酶的輔酶的前體，它們是許多脫氫酶的輔酶吡哆素吡哆素(B6)參與氨基酸和酮酶的轉化參與氨基酸和酮酶的轉化核黃素核黃素(B2)黃素單磷酸黃素單磷

31、酸(FMN)和和FAD的前體，它們是黃素蛋白的輔的前體，它們是黃素蛋白的輔基基鉆胺素鉆胺素(B12)輔酶輔酶B12包括在重排反應里包括在重排反應里(為谷氨酸變位酶為谷氨酸變位酶)硫胺素硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉醛醇酶和轉酮醇酶的輔基硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉醛醇酶和轉酮醇酶的輔基維生素維生素K甲基酮類的前體，起電子載體作用甲基酮類的前體，起電子載體作用(如延胡索酸還原酶如延胡索酸還原酶)氧肟酸氧肟酸促進鐵的溶解性和向細胞中的轉移促進鐵的溶解性和向細胞中的轉移微生物的營養和代謝|水5. 水水water水是微生物生長所必不可少的。水是微生物生長所必不可少的。水在細胞中的生理功能主要有：水在細

32、胞中的生理功能主要有：|起到起到溶劑與運輸介質溶劑與運輸介質的作用，營的作用，營養物質的吸收與代謝產物的分泌養物質的吸收與代謝產物的分泌必須以水為介質才能完成；必須以水為介質才能完成；|參與參與細胞內一系列細胞內一系列化學反應化學反應；|維持維持蛋白質、核酸等生物大分子蛋白質、核酸等生物大分子穩定的穩定的天然構象天然構象；微生物的營養和代謝|水|The growth of microorganisms is dependent on the presence of water. |The substances from which microorganisms synthesis their

33、cell material and obtain their energy, the nutrients, are dissolved in water.微生物的營養和代謝|水|因為水的比熱高，是熱的良好因為水的比熱高，是熱的良好導體，能有效地吸收代謝過程導體，能有效地吸收代謝過程中產生的熱并及時地將熱迅速中產生的熱并及時地將熱迅速散發出體外，從而有效地散發出體外，從而有效地控制控制細胞內溫度細胞內溫度的變化；的變化；|保持充足的水分是細胞保持充足的水分是細胞維持維持自自身正常形態身正常形態的重要因素；的重要因素；|微生物通過水合作用與脫水作微生物通過水合作用與脫水作用用控制控制由由多亞基組成

34、的結構多亞基組成的結構，如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒如酶、微管、鞭毛及病毒顆粒的組裝與解離。的組裝與解離。微生物的營養和代謝|水|水的有效性水的有效性常以常以水活度值水活度值(water activity, w)表示。表示。水活度值水活度值是指在一定的溫度是指在一定的溫度和壓力條件下，溶液的蒸氣和壓力條件下，溶液的蒸氣壓力與同樣條件下純水蒸氣壓力與同樣條件下純水蒸氣壓力之比，即壓力之比，即 wPwP0w式式中中Pw代表溶液蒸氣壓力，代表溶液蒸氣壓力，P0w代表純水蒸氣壓力。代表純水蒸氣壓力。微生物的營養和代謝|水純水純水 w為為1.00，溶液中，溶液中溶質溶質越越多，多， w越小。越小。微生物一

35、般在微生物一般在 w為為0.60-0.99的的條件下生長，條件下生長， w過低時，微生過低時，微生物生長的遲緩期延長，比生長物生長的遲緩期延長，比生長速率和總生長量減少。速率和總生長量減少。微生物不同，其生長的最適微生物不同，其生長的最適 w不同不同(表表3.6)。一般而言，。一般而言，細菌細菌生長最適生長最適 w較酵母菌和霉菌高，較酵母菌和霉菌高，而嗜鹽微生物生長最適而嗜鹽微生物生長最適 w則較則較低。低。微生物的營養和代謝|水表表3.6 幾類微生物生長最適幾類微生物生長最適 w微生物微生物 w一般細菌一般細菌0.91酵母菌酵母菌0.88霉菌霉菌0.80嗜鹽細菌嗜鹽細菌0.76嗜鹽真菌嗜鹽真

36、菌0.65嗜高滲酵母嗜高滲酵母0.606. 氧氧oxygen.1.Oxygen is always present in the form of water, as well as in CO2, and many organic substances. However, many organisms are additionally dependent on molecular O2.2.The main function of O2 is to act as terminal electron acceptor in aerobic respiration; and being reduc

37、ed to water.3.Actual incorporation of molecular oxygen into the cell substance occurs only when methane or long-chain and aromatic hydrocarbons serve as carbon sources.4. In their relation to oxygen, there are three groups of organisms can be distinguished.Obligate aerobes can obtain their energy on

38、ly via aerobic respiration and are dependent on O2.Obligate anaerobes can grow only in the absence of oxygen; for these, oxygen is toxic.Facultative anaerobes can grow either in the presence or absence of oxygen. one of them can grow in the presence of O2, aerotolerant, but they cannot utilize O2 an

39、d they obtain energy via fermentation. (LAB)The others, yeast, can switch from respiration in the presence of O2 to fermentation in its absence.Many, probably most, aerobic bacteria are actually microaerophilic. They require oxygen for energy, but they cannot tolerate it at the partial pressure in a

40、ir (0.2 bar) but only at 0.01-0.03 bar.&微生物的營養類型微生物的營養類型Nutritional types of microbesIn addition to the need for carbon, all organisms require sources of energy and electrons for growth to take place. Microbes can be grouped into four nutritional classes based on how they satisfy all these requi

41、rements. 微生物的營養類型l光能無機自養型光能無機自養型(photolithoautotrophy)、l光能有機異養型光能有機異養型(photoorganoheterophy)、l化能無機自養型化能無機自養型(chemolithoautotrophy)l化能有機異養型化能有機異養型(chemoorganoheterotrophy) 微生物的營養類型|There are only two sources of energy available to organisms: (1) light energy,and (2) the energy derived from oxidizing

42、organic or inorganic molecules.Phototrophs use light as their energy source;Chemotrophs obtain energy from the oxidation of chemical compounds (either organic or inorganic).微生物的營養類型|Microbes also have only two sources for electrons.Lithotrophs (rock-eaters) use reduced inorganic substances as their

43、electron source.Organotrophs extract electron from organic compouds.微生物的營養類型|Microbes have two sources of carbon, either organics and inorganics.Microbes using organic carbon as sole carbon source are grouped into heterotrophs.Microbes using inorganic carbon as sole carbon source are grouped into au

44、togrophs.Mixotrophs.微生物的營養類型l光能無機自養型光能無機自養型|光能無機自養型光能無機自養型 也稱光能也稱光能自養型，這是一類能以自養型，這是一類能以CO2為唯一碳源或主要碳源為唯一碳源或主要碳源并并利利用光能用光能進行生長的的微生物，進行生長的的微生物，它們能它們能以無機物如水、硫化以無機物如水、硫化氫、硫代硫酸鈉或其他無機氫、硫代硫酸鈉或其他無機化合物為電子供體，化合物為電子供體，使使CO2固定固定還原成細胞物質，并且還原成細胞物質，并且伴隨元素伴隨元素氧（硫）的釋放氧（硫）的釋放。光能作為能量來源。光能作為能量來源。微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|藻類、藍細

45、菌和光合細菌屬于這藻類、藍細菌和光合細菌屬于這一類營養類型。一類營養類型。藻類和藍細菌藻類和藍細菌：2 22 22 22 2O OO O C CH H葉葉綠綠素素光光能能O OH HC CO O這與高等植物光合作用是一致的。這與高等植物光合作用是一致的。2 2S SO OH HO O C CH H菌菌綠綠素素光光能能S S2 2H HC CO O2 22 22 22 2這與藻類、藍細菌和這與藻類、藍細菌和高等植物是不同的。高等植物是不同的。光合細菌：光合細菌： 微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝l光能有機異養型光能有機異養型|光能有機營養型光能有機營養型 或稱光能或稱光能異養型，這類微生物不

46、能以異養型，這類微生物不能以CO2作為唯一碳源或主要碳作為唯一碳源或主要碳源，需源，需以有機物作為供氫體，以有機物作為供氫體，利用光能將利用光能將CO2還原為細胞還原為細胞物質物質。微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|紅螺屬的一些細菌就是這一營紅螺屬的一些細菌就是這一營養類型的代表：養類型的代表： O OH HO O C CH HC CO OC CH H2 2C CH H光光合合色色素素光光能能C CO OC CH HO OH H) )2 2( (C CH H2 22 23 33 32 22 23 3光能有機營養型細菌在生長時通光能有機營養型細菌在生長時通常需要常需要外源的生長因子外源的生長

47、因子。 微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝l化能無機自養型化能無機自養型|化能無機自養型化能無機自養型 或稱化或稱化能自養型，這類微生物利能自養型，這類微生物利用無機物氧化過程中放出用無機物氧化過程中放出的化學能作為它們生長所的化學能作為它們生長所需的需的能量能量，以，以CO2或碳酸或碳酸鹽作為的唯一或主要鹽作為的唯一或主要碳源碳源進行生長，利用進行生長，利用電子供體電子供體如氫氣、硫化氫、二價鐵如氫氣、硫化氫、二價鐵離子或亞硝酸鹽等使離子或亞硝酸鹽等使CO2還原成細胞物質。還原成細胞物質。 微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|屬于這類微生物的屬于這類微生物的類群類群有硫有硫化細菌、硝化細

48、菌、氫細菌化細菌、硝化細菌、氫細菌與鐵細菌等（參見微生物的與鐵細菌等（參見微生物的產能方式）。例如氫細菌：產能方式）。例如氫細菌：5 56 6. .7 7千千卡卡O OH HO O2 21 1H H2 22 22 2微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝l化能有機異養型化能有機異養型|化能有機營養型化能有機營養型 或稱化能或稱化能異養營養型，這類微生物生異養營養型，這類微生物生長所需的長所需的能量能量來自有機物氧來自有機物氧化過程放出的化學能，生長化過程放出的化學能，生長所需要的所需要的碳源碳源主要是一些有主要是一些有機化合物，如淀粉、糖類、機化合物，如淀粉、糖類、纖維素、有機酸等，也纖維素、有

49、機酸等，也即即化化能有機營養型微生物里的有能有機營養型微生物里的有機物通常既是它們生長的碳機物通常既是它們生長的碳源物質又是能源物質。源物質又是能源物質。微微生生物物的的營營養養和和代代謝謝|大多數微生物屬于大多數微生物屬于化能有機化能有機營養型營養型：絕大多數的：絕大多數的細菌細菌、全部全部真菌真菌、原生動物原生動物以及以及病病毒毒。|如果化能有機營養型微生物如果化能有機營養型微生物利用的有機物不具有生命活利用的有機物不具有生命活性，則是性，則是腐生型腐生型；若是生活；若是生活在生活細胞內從寄生體內獲在生活細胞內從寄生體內獲得營養物質，則是得營養物質，則是寄生型寄生型。|微生物營養類型劃分微

50、生物營養類型劃分表表3.7微生物營養類型微生物營養類型()劃分劃分依據依據營養類型營養類型特點特點碳源碳源自養型自養型(autotrophs)以以CO2為唯一或主要碳源為唯一或主要碳源異養型異養型(heterotrophs)以有機物為碳源以有機物為碳源能源能源光能營養型光能營養型(phototrophs)以光為能源以光為能源化能營養型化能營養型(chemotrophs)以有機物氧化釋放的化學能以有機物氧化釋放的化學能為能源為能源電子電子供體供體無機營養型無機營養型(lithotrophs)以還原性無機物為電子供體以還原性無機物為電子供體有機營養型有機營養型(organotrophs)以有機物為

51、電子供體以有機物為電子供體表表3.8 微生物的營養類型微生物的營養類型()營養類型營養類型電子供體電子供體碳源碳源能源能源代表類群代表類群光能無機自養型光能無機自養型H2、H2S、S、或、或H2OCO2光能光能著色細菌、藍細菌、著色細菌、藍細菌、藻類藻類光能有機異養型光能有機異養型有機物有機物有機物有機物光能光能紅螺細菌紅螺細菌化能無機自養型化能無機自養型H2、H2S、Fe2+、NH3、或或NO-2CO2化學能化學能(無機物氧化無機物氧化)氫細菌、硫桿菌、氫細菌、硫桿菌、亞硝化單胞菌屬亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、硝、硝化桿菌屬化桿菌屬(Nitrobacter)、甲烷、甲烷桿菌屬

52、桿菌屬(Methanobacterium)、醋酸桿菌屬醋酸桿菌屬(Acetobacter)化能有機異養型化能有機異養型有機物有機物有機物有機物化學能化學能(有機物氧化有機物氧化)假單胞菌屬、芽孢桿假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、乳酸菌屬、真菌屬、乳酸菌屬、真菌、原生動物菌、原生動物微生物的營養和代謝培養基&培養基培養基 Culture Media|什么是培養基什么是培養基 |配制培養基的原則配制培養基的原則 |培養基的類型以及應用培養基的類型以及應用 |培養基制備與準備工作培養基制備與準備工作微生物的營養和代謝培養基l什么是培養基什么是培養基? l培養基培養基是人工配制的，適合微生是人工配制的

53、，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物的物生長繁殖或產生代謝產物的營營養基質養基質。A culture medium is a solid or liquid preparation used to grow, transport, and store microorganisms, which contains all the nutrients the microbes required. 無論是以微生物為材料的研究，還無論是以微生物為材料的研究，還是利用微生物生產生物制品，都是利用微生物生產生物制品，都必須進行培養基的配制，它是必須進行培養基的配制，它是微微生物學研究和微生物發酵生產的生物學

54、研究和微生物發酵生產的基礎。基礎。 微生物的營養和代謝培養基l培養基中培養基中應含應含滿足微生物生滿足微生物生長發育的：水分、碳源、氮長發育的：水分、碳源、氮源、生長因子以及基本的離源、生長因子以及基本的離子，磷、硫、鈉、鈣、鎂、子，磷、硫、鈉、鈣、鎂、鉀和鐵及各種微量元素。鉀和鐵及各種微量元素。l此外，培養基還應具有適宜此外，培養基還應具有適宜的的酸堿度酸堿度(pH值值)和和一定緩沖一定緩沖能力能力及及一定的氧化還原電位一定的氧化還原電位和和合適的滲透壓合適的滲透壓。微生物的營養和代謝培養基l配制培養基的原則配制培養基的原則 l選擇適宜的營養物質選擇適宜的營養物質l營養物質濃度及配比合適營養

55、物質濃度及配比合適l控制控制pH條件條件l控制氧化還原電位控制氧化還原電位(redoxpotential)l原料選擇原料選擇l滅菌處理滅菌處理l消泡消泡(NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH滅菌條件滅菌條件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20minl按成分不同劃分按成分不同劃分 |天然培養基天然培養基(complex medium) 這類培養基含這類培養基含有化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物，也稱有機物，也稱非化學限定培養基非化學限定培養基(chemically unde

56、fined medium)。edia that contain some ingredients of unknown chemical composition are complex media.Yeast extracts, peptone, beef extracts. For economic reasons, media are often made up with complex substances such as molasses, cornsteep liquor, soybean extract, whey, etc. which are cheap, industrial

57、 by-products, rather than from pure chemicals.Nutrient brothAmount g/lTryptic soy brothAmount g/lPeptone5Tryptone17Beef extract5Peptone3NaCl2.5Glucose2.5NaCl5Dipotassium Phosphate2.5|合成培養基是由化學成分完全了解的物質配制而成的培養基，也稱化學限定培養基。Medium for Escherichia coliAmount (g/l)Glucose1.0Na2HPO416.4(NH4)2SO42.0MgSO4.7H

58、2O200.0mgCaCl210.0mgFeSO4.7H2O0.5mgFinal pH 6.8-7.0微生物的營養和代謝培養基l根據物理狀態劃分根據物理狀態劃分| 根據培養基中凝固劑根據培養基中凝固劑solidifying agents 的有無及含的有無及含量的多少，可將培養基劃分量的多少，可將培養基劃分為為固體培養基固體培養基、半固體培養半固體培養基基和和液體培養基液體培養基三種類型。三種類型。 微生物的營養和代謝培養基|理想的凝固劑理想的凝固劑應具備以下條件應具備以下條件不被所培養的微生物分解利用；不被所培養的微生物分解利用；在微生物生長的溫度范圍內保持在微生物生長的溫度范圍內保持固體狀態

59、，在培養嗜熱細菌時，固體狀態，在培養嗜熱細菌時，由于高溫容易引起培養基液化，由于高溫容易引起培養基液化，通常在培養基中適當增加凝固劑通常在培養基中適當增加凝固劑來解決這一問題；來解決這一問題；微生物的營養和代謝培養基|理想的凝固劑理想的凝固劑應具備以下條件應具備以下條件凝固劑凝固點溫度不能太低，否凝固劑凝固點溫度不能太低，否則將不利于微生物的生長；則將不利于微生物的生長；凝固劑對所培養的微生物無毒害凝固劑對所培養的微生物無毒害作用；作用；凝固劑在滅菌過程中不會被破壞；凝固劑在滅菌過程中不會被破壞；透明度好，粘著力強；透明度好，粘著力強；配制方便且價格低廉。配制方便且價格低廉。|常用的凝固劑有瓊

60、脂常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠、明膠(gelatain)和硅膠和硅膠(silica gel)。表。表3.9列出列出瓊脂瓊脂和和明膠明膠的一些主要特征。的一些主要特征。表表3.9 瓊脂與明膠主要特征比較瓊脂與明膠主要特征比較內容內容瓊脂瓊脂明膠明膠常用濃度常用濃度(%)1.52512熔點熔點()9625凝固點凝固點()4020pH微酸微酸酸性酸性灰分灰分(%)161415氧化鈣氧化鈣(%)1.150氧化鎂氧化鎂(%)0.770氮氮(%)0.418.3微生物利用能力微生物利用能力 絕大多數微生物不能利用絕大多數微生物不能利用許多微生物能利用許多微生物能利用微生物的營養和代謝培養基l按用途劃分按用途劃分|基礎培養基基礎培