《工业微生物学》 第三章微生物的营养和生长 新陈代谢是生命的基本特征之一。微生物同其它生物一样,不断地进行新陈代谢 通过代谢,微生物与外部环境进行物质和能量的交换,从环境中获得各种元素以合成细 胞物质,提供生命活动所需的能量及在新陈代谢中起调节作用。这些物质称为营养物质 ( nutrient)。而有机体摄取、利用营养物质的过程称为营养( nutrition 3.1微生物的营养 营养物质是生命活动的基础,没有营养,微生物的生命活动就会终止,所以说,营 养过程是微生物生命活动的重要特征。只有吸收营养物质,才能进一步代谢,实现微生 物的生长、发育和繁殖。熟悉微生物的营养知识是研究和利用微生物的必要基础,有了 营养理论,就能更自觉和有目的地选用和设计符合微生物生理需要、有利于发酵生产的 培养基 3.1.1微生物的营养类型 生物界存在两种典型的营养类型:(1)以高等植物为代表的自养型( autotroph),它 们完全依靠无机养分(如CO2,H2O,无机盐)合成复杂的有机物,供自身生长发育需要, 并以光为能源:(2)以高等动物为代表的异养型( heterotroph),它们必需摄取现成的有 机物才能满足其生长发育的需求,并通过有机物的氧化来获取能源 微生物除有以上两种营养类型外,还有一些中间类型。一般以能源、碳源不同分成 四大类型: (自养型) 光能自养型 光…光能营养型(有机碳化物(异养型 光能异养型 能源 合物…化能营养型「CO2,C32(自养型)——化能自养型 有机碳化物(异养型)一一化能异养型 3.1.1.1光能自养型或称光能无机自养型( photolithoautotroph, PLA 光能自养型生物以CO作为唯一或主要碳源,以光为生活所需的能源,能以无机物 (如硫化氢、硫代硫酸钠或其它无机硫化物)作供氢体,使CO2还原成细胞的有机物。 十分凑巧的是氢供体与其碳源的性质一般是一致的。即若碳源是无机的,氢供体也是无 机的。该类型的代表是高等植物、藻类和少量细菌。 高等植物: 光能 CO2+H20→[CH2O]+02 叶绿素 光合细菌: 光能 绿硫细菌: CO2 +2H2S [CH20+2S +H20 细菌叶绿素 光能 红硫细菌 CO2 +H2S+2H20-> 2[CH20] +H2SOa 细菌叶绿素 植物与光合细菌的光合作用可用下式概括 光能 CO2+2H2A [CH20]+2A +H20 光合色素
《工业微生物学》 第三章 1 第三章 微生物的营养和生长 新陈代谢是生命的基本特征之一。微生物同其它生物一样，不断地进行新陈代谢。 通过代谢，微生物与外部环境进行物质和能量的交换，从环境中获得各种元素以合成细 胞物质，提供生命活动所需的能量及在新陈代谢中起调节作用。这些物质称为营养物质 (nutrient)。而有机体摄取、利用营养物质的过程称为营养(nutrition)。 3.1 微生物的营养 营养物质是生命活动的基础，没有营养，微生物的生命活动就会终止，所以说，营 养过程是微生物生命活动的重要特征。只有吸收营养物质，才能进一步代谢，实现微生 物的生长、发育和繁殖。熟悉微生物的营养知识是研究和利用微生物的必要基础，有了 营养理论，就能更自觉和有目的地选用和设计符合微生物生理需要、有利于发酵生产的 培养基。 3.1.1 微生物的营养类型 生物界存在两种典型的营养类型：(1)以高等植物为代表的自养型(autotroph)，它 们完全依靠无机养分（如 CO2,H2O,无机盐）合成复杂的有机物，供自身生长发育需要， 并以光为能源；(2)以高等动物为代表的异养型(heterotroph)，它们必需摄取现成的有 机物才能满足其生长发育的需求，并通过有机物的氧化来获取能源。 微生物除有以上两种营养类型外，还有一些中间类型。一般以能源、碳源不同分成 四大类型： 3.1.1.1 光能自养型 或称光能无机自养型（photolithoautotroph,PLA) 光能自养型生物以 CO2 作为唯一或主要碳源，以光为生活所需的能源，能以无机物 （如硫化氢、硫代硫酸钠或其它无机硫化物）作供氢体，使 CO2 还原成细胞的有机物。 十分凑巧的是氢供体与其碳源的性质一般是一致的。即若碳源是无机的，氢供体也是无 机的。该类型的代表是高等植物、藻类和少量细菌。 高等植物： 光能 CO2 ＋H2O ⎯→ [CH2O] ＋O2 叶绿素 光合细菌： 光能 绿硫细菌： CO2 ＋2H2S ⎯→ [CH2O] ＋2S ＋H2O 细菌叶绿素 光能 红硫细菌： CO2 ＋H2S ＋2H2O ⎯→ 2[CH2O] ＋H2SO4 细菌叶绿素 植物与光合细菌的光合作用可用下式概括： 光能 CO2 ＋2H2A ⎯→ [CH2O] ＋2A ＋H2O 光合色素 CO2 （自养型） ——光能自养型 光……光能营养型 有机碳化物（异养型） ——光能异养型 能源 化合物…化能营养型 CO2,CO3 2- （自养型） ——化能自养型 有机碳化物（异养型） ——化能异养型
《工业微生物学》 高等植物以水为CO2的还原剂,同时释放出O2。光合细菌从HS、Na2S2O3等无机硫化 物得到H来还原CO2,同时析出S或HSO4。光合作用的过程较复杂,具体内容可参考有 关生物化学的教材 3.1.1.2光能异养型( photoorganoheterotroph,POH 光能异养型微生物利用光为能源,利用有机物为供氢体,不能以CO2作为主要或唯 的碳源,一般同时以CO2和简单的有机物为碳源。光能异养细菌生长时,常需外源的 生长因子。如红螺菌科的细菌(即紫色无硫细菌)以光为能源,CO2为碳源,并需异丙 醇为供氢体,同时积累丙酮。 光能 2(H3C-)CHOH +CO 2 )2CH, COCH3 +[CH20]+ H20 光合色素 3.1.13化能自养型( chemolithoautotroph,CLA) 化能自养型微生物以CO2(或碳酸盐)为碳源,以无机物氧化所产生的化学能为能 源。它们可以在完全无机的条件下生长发育。这类菌以氢气、硫化氢、Fe或亚硝酸盐 为电子供体,使CO还原。氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌属于此类菌。它们广泛 分布在土壤和水域中,在自然界的物质循环和转化过程中起着重要作用。它们一般生活 在黑暗和无机的环境中,故又称为化能矿质营养型。 3.1.1.4化能异养型( chemoorganoheterotroph,COH 化能异养型生物以有机化合物为碳源,以有机物氧化产生的化学能为能源。所以 有机化合物对这些菌来讲,既是碳源,又是能源。动物和大多数微生物(几乎全部真菌 大多数细菌和放线菌)都属于此类。绝大多数工业上应用的微生物都属于化能异养型 化能异养型微生物又可分为寄生φ parasitism)和腐生( saprophytism)两种类型。寄 生是指一种生物寄居于另一种生物体内或体表,从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的 现象:腐生是指通过分解已死的生物或其它有机物,以维持自身正常生活的生活方式。 实际上,在寄生和腐生之间存在着不同程度的既寄生又腐生的中间类型,可称为兼性寄 生或兼性腐生。 上述四大类型微生物的划分并不是绝对的,在它们之间也有一些过渡类型。例如红 螺菌在光照和嫌气的条件下,利用光能同化CO2,而在黑暗和好气的条件下,也能利用 有机物氧化产生的化学能实现生长,所以它兼有光能自养型和化能异养型的特征。在化 能自养和化能异养型之间也有中间类型,氢单胞菌在完全无机的条件下,通过氢的氧化 而获取能量,同化CO2,而当环境中存在有机物时,它便利用有机物实行异养生活。 许多(甚至所有)异养型微生物也都可以利用CO,所不同的是它们不以CO2为唯 的碳源,而是将CO2固定在有机物上,如将CO2固定到丙酮酸生成草酰乙酸。所以单纯就 能否利用CO来讲,自养型与异养型也没有绝对界限。它们主要区别在于:自养型微生 物可利用CO2(碳酸盐)作唯一或主要的碳源而且同化CO2(碳酸盐)为细胞结构物质 所需的能量来自光或无机物的氧化,但也不是说它们绝对不能利用有机物;异养型微生 物可以固定CO2,但其主要的碳源来自有机物,不能在完全无机的环境中生长,它们的 合成反应所需能量来自有机物的氧化 微生物营养类型的区分一般是以最简单的营养条件为根据,光能先于化能,自养先 于异养,并加以“严格”,“兼性”来描述营养的可变性。所以,氢单胞菌为“兼性自 养型”,红螺菌是“兼性光能异养型” 3.1.2微生物的营养要素 微生物的营养物质应满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用
《工业微生物学》 第三章 2 高等植物以水为 CO2 的还原剂，同时释放出 O2。光合细菌从 H2S、Na2S2O3 等无机硫化 物得到 H 来还原 CO2，同时析出 S 或 H2SO4。光合作用的过程较复杂，具体内容可参考有 关生物化学的教材。 3.1.1.2 光能异养型(photoorganoheterotroph,POH) 光能异养型微生物利用光为能源，利用有机物为供氢体，不能以 CO2 作为主要或唯 一的碳源，一般同时以 CO2 和简单的有机物为碳源。光能异养细菌生长时，常需外源的 生长因子。如红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）以光为能源，CO2 为碳源，并需异丙 醇为供氢体，同时积累丙酮。 光能 2(H3C-)CHOH ＋ CO2 ⎯→ 2CH3COCH3 ＋[CH2O] ＋ H2O 光合色素 3.1.1.3 化能自养型（chemolithoautotroph,CLA) 化能自养型微生物以 CO2（或碳酸盐）为碳源，以无机物氧化所产生的化学能为能 源。它们可以在完全无机的条件下生长发育。这类菌以氢气、硫化氢、Fe2+或亚硝酸盐 为电子供体，使 CO2 还原。氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌属于此类菌。它们广泛 分布在土壤和水域中，在自然界的物质循环和转化过程中起着重要作用。它们一般生活 在黑暗和无机的环境中，故又称为化能矿质营养型。 3.1.1.4 化能异养型(chemoorganoheterotroph,COH) 化能异养型生物以有机化合物为碳源，以有机物氧化产生的化学能为能源。所以， 有机化合物对这些菌来讲，既是碳源，又是能源。动物和大多数微生物（几乎全部真菌、 大多数细菌和放线菌）都属于此类。绝大多数工业上应用的微生物都属于化能异养型。 化能异养型微生物又可分为寄生(parasitism)和腐生(saprophytism)两种类型。寄 生是指一种生物寄居于另一种生物体内或体表，从而摄取宿主细胞的营养以维持生命的 现象；腐生是指通过分解已死的生物或其它有机物，以维持自身正常生活的生活方式。 实际上，在寄生和腐生之间存在着不同程度的既寄生又腐生的中间类型，可称为兼性寄 生或兼性腐生。 上述四大类型微生物的划分并不是绝对的，在它们之间也有一些过渡类型。例如红 螺菌在光照和嫌气的条件下，利用光能同化 CO2，而在黑暗和好气的条件下，也能利用 有机物氧化产生的化学能实现生长，所以它兼有光能自养型和化能异养型的特征。在化 能自养和化能异养型之间也有中间类型，氢单胞菌在完全无机的条件下，通过氢的氧化 而获取能量，同化 CO2，而当环境中存在有机物时，它便利用有机物实行异养生活。 许多（甚至所有）异养型微生物也都可以利用 CO2，所不同的是它们不以 CO2 为唯一 的碳源，而是将 CO2 固定在有机物上，如将 CO2 固定到丙酮酸生成草酰乙酸。所以单纯就 能否利用 CO2 来讲，自养型与异养型也没有绝对界限。它们主要区别在于：自养型微生 物可利用 CO2（碳酸盐）作唯一或主要的碳源而且同化 CO2（碳酸盐）为细胞结构物质， 所需的能量来自光或无机物的氧化，但也不是说它们绝对不能利用有机物；异养型微生 物可以固定 CO2，但其主要的碳源来自有机物，不能在完全无机的环境中生长，它们的 合成反应所需能量来自有机物的氧化。 微生物营养类型的区分一般是以最简单的营养条件为根据，光能先于化能，自养先 于异养，并加以“严格”，“兼性”来描述营养的可变性。所以，氢单胞菌为“兼性自 养型”，红螺菌是“兼性光能异养型”。 3.1.2 微生物的营养要素 微生物的营养物质应满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用
《工业微生物学》 可概括为形成结构(参与细胞组成),提供能量(机体进行各种生理活动所需的能量) 和调节作用(构成酶的活性成分和物质运输系统) 微生物细胞的化学组成从一个侧面反映了微生物生长繁殖的物质需要。虽然,随微 生物种类、生理状态及环境的不同,其组成也有变化,但通过对细胞元素组成的分析可 大体看出微生物所需的营养物质。表3.1.1显示细菌、酵母菌和霉菌的主要元素组成 这些元素主要以水、有机物和盐的形式存在于细胞中。水是微生物细胞的主要成分。细 菌平均含水量为鲜重的75-85%,酵母为70-85%,霉菌为85-90%,芽孢为40%,霉菌孢 子为38%。有机物主要是蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素以及激素等。 表3.1.1细菌、酵母和幂菌的元素组成(干重% 50~53 A45~50 4063 215 .511 2.0~3.0 .8~2.6 0.44.5 0.21.0 010 0.10.5 1.0~4.5 钾钠钙镁 1.22.5 0.51.0 .01.01 0.02.05 0.011.5 0.10.3 0.11.4 0.10.5 0.10.5 10.5 氯化物 0.020.2 0010.5 0.10.2 我们可以将微生物的营养物质分成六大营养要素,即水、碳源、氮源、无机盐、生 长因子和能源 3.1.2.1水 水是微生物细胞的重要组成成分,在代谢中占有重要的地位。主要作用有: (1)直接参与一些反应。如蓝细菌利用水作为CO2的还原剂 (2)作为机体内一系列生理生化反应的介质。代谢物只有先溶于水,才能参与反应。 (3)营养物质的吸收、代谢产物的排泄都需通过水,特别是微生物没有特殊的摄食 器官和排泄器官,这些物质只有溶于水才能通过细胞表面 (4)由于水的比热高,又是良好的热导体,所以它能有效地吸收代谢释放的热量, 并将热量迅速地散发出去,从而有效地控制细胞的温度。因为水分子通过分子间的氢键 连接,而破坏氢键需耗费额外的能量,所以提高水温所需的热量很大,水的高气化热也 有利于将发酵过程中积聚的热量带走c 水在细胞中有两种存在形式:结合水和游离水。结合水与溶质或其它分子结合在一 起,很难加以利用。游离水(或称非结合水)则可以被微生物利用。不同生物及不同细 胞结构中游离水的含量有较大的差别 人体平均60% 海蜇~96% ∫霉菌孢子~39% 几种生物的游离水含量 孢子细菌芽孢∫皮层~70% 微生物 核心极低 营养体细菌~80 酵母~75% 霉菌85%
《工业微生物学》 第三章 3 可概括为形成结构（参与细胞组成），提供能量（机体进行各种生理活动所需的能量） 和调节作用（构成酶的活性成分和物质运输系统）。 微生物细胞的化学组成从一个侧面反映了微生物生长繁殖的物质需要。虽然，随微 生物种类、生理状态及环境的不同，其组成也有变化，但通过对细胞元素组成的分析可 大体看出微生物所需的营养物质。表 3.1.1 显示细菌、酵母菌和霉菌的主要元素组成。 这些元素主要以水、有机物和盐的形式存在于细胞中。水是微生物细胞的主要成分。细 菌平均含水量为鲜重的 75-85%，酵母为 70-85%，霉菌为 85-90%，芽孢为 40%，霉菌孢 子为 38%。有机物主要是蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素以及激素等。 表 3.1.1 细菌、酵母和霉菌的元素组成（干重%） 元素 细菌 酵母 霉菌 碳 50~53 45~50 40~63 氢 7 7 -- 氮 12~15 7.5~11 7~10 磷 2.0~3.0 0.8~2.6 0.4~4.5 硫 0.2~1.0 0.01~0.24 0.1~0.5 钾 1.0~4.5 1.0~4.0 0.2~2.5 钠 0.5~1.0 0.01~.01 0.02~.05 钙 0.01~1.5 0.1~0.3 0.1~1.4 镁 0.1~0.5 0.1~0.5 0.1~0.5 氯化物 0.5 -- -- 铁 0.02~0.2 0.01~0.5 0.1~0.2 我们可以将微生物的营养物质分成六大营养要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生 长因子和能源。 3.1.2.1 水 水是微生物细胞的重要组成成分，在代谢中占有重要的地位。主要作用有： (1) 直接参与一些反应。如蓝细菌利用水作为 CO2 的还原剂。 (2) 作为机体内一系列生理生化反应的介质。代谢物只有先溶于水，才能参与反应。 (3) 营养物质的吸收、代谢产物的排泄都需通过水，特别是微生物没有特殊的摄食 器官和排泄器官，这些物质只有溶于水才能通过细胞表面。 (4)由于水的比热高，又是良好的热导体，所以它能有效地吸收代谢释放的热量， 并将热量迅速地散发出去，从而有效地控制细胞的温度。因为水分子通过分子间的氢键 连接，而破坏氢键需耗费额外的能量，所以提高水温所需的热量很大，水的高气化热也 有利于将发酵过程中积聚的热量带走。 水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。结合水与溶质或其它分子结合在一 起，很难加以利用。游离水（或称非结合水）则可以被微生物利用。不同生物及不同细 胞结构中游离水的含量有较大的差别： 人体 平均 60% 海蜇 96% 霉菌孢子 39% 几种生物的游离水含量 孢子 细菌芽孢 皮层 70% 微生物 核心 极低 营养体 细菌 80% 酵母 75% 霉菌 85%
《工业微生物学》第三章 游离水的含量可用水的活度a( water activity)表示,水活度定义为在相同温度、 压力下,体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比,即a=P/P0(P表示溶液的蒸汽 压,P。表示纯水的蒸汽压)。 纯水的a为1.00,当含有溶质后,a<1.00。微生物能在aa=0.63~0.99的培养条 件下生长。对某种微生物而言,它对a的要求是一定的。 3.1.2.2碳源 从表3.1.1中可知,细胞干物质中的碳约占50%,所以说微生物对碳的需求最大。凡 是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质,称为碳源( carbon source 可作为微生物营养的碳源物质种类极其广泛,从简单的无机物(CO2、碳酸盐)到复 杂的有机含碳化合物(糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物及 各种含氮化合物等)。但不同微生物利用碳源的能力不同。有的能广泛地利用不同类型 的碳源,如假单孢菌属的有些种可利用90种以上的碳源,但有的微生物能利用的碳源 范围极其狭窄,如甲烷氧化菌仅仅能利用两种有机物,甲烷和甲醇。某些纤维素分解菌 只能利用纤维素。 大多数微生物是异养型的,它们以有机化合物为碳源,能利用的碳源种类很多,但 其中以糖类是最好的碳源,糖类中单糖优于双糖,已糖优于戊糖。葡萄糖、蔗糖通常作 为培养微生物的主要碳源。在多糖中,淀粉可以为大多数微生物所利用,纤维素能为少 数微生物所利用。纯多糖优于琼脂等杂多糖。醇、有机酸和脂类的利用次于糖类。少数 微生物能利用酚、氰化物等有机毒物做碳源,所以可用于治理“三废”。有人从污泥中 分离到了以氰化物为唯一碳源和氮源的诺卡氏菌和霉菌 对于异养微生物,碳源物质通过机体内一系列复杂的化学反应,最终用于构成细胞 物质或为机体提供完成整个生理活动所需的能量。所以,碳源往往也是能源物质 自养菌以C2、碳酸盐为唯一或主要碳源。因为CO是被彻底氧化的物质,所以,CO2 转化成有机的细胞成分是一个还原过程,此过程需消耗大量能量。因此,这类微生物同 时需要从光或其它无机物氧化来获取能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同的物 质。 不少种类的异养型微生物,尤其是生长在动物的血液、组织和肠道中的致病微生物 除必需有机碳源外,还需要少量C2才能正常生长,因此,在培养这些微生物时,常要 提供10%C02(V/V):在有些好氧微生物生长时,如果用KOH除去CO2,往往也会抑制生 3.1.2.3氮源 凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质,称为氮源 ( nitrogen source)。细胞的干物质中氮含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的 重要元素,所以,氮对微生物的生长发育有着重要的作用。从分子态的N到复杂的含氮 化合物都能被不同的微生物所利用,而不同类型的微生物能利用的氮源差异较大。 固氮微生物能利用分子态N2合成自己需要的氨基酸和蛋白质。它们也能利用无机氮 和有机氮化物,但在这种情况下,它们便失去了固氮能力。固氮微生物主要是原核生物 如与豆类共生的根瘤菌和自生固氮菌。还有不少光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用 许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮,一般利用铵盐或其它含氮盐作氮源。硝 酸盐必须先还原成NH后,才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能 利用铵盐,但它们并不都能利用硝酸盐。 当无机氮化物为唯一氮源培养微生物时,培养基会表现出生理酸性或生理碱性。如 以(NH)2SO为氮源时,NH被利用后,培养基的pH下降,故有“生理酸性盐”之称。以 KNO为氮源时,NO3'被利用后,培养基的pH上升,故有“生理碱性盐”之称。 利用(NH)2NO3为氮源,可以避免p急剧升降,但是,NH的吸收快,NO的吸收 滞后,所以,培养基p会先降后升。所以,培养基配方中应加入缓冲物质。 从微生物所利用的氮源种类看,存在着一个明显的界限:一部分微生物不需要氨基
《工业微生物学》 第三章 4 游离水的含量可用水的活度 a（water activity）表示，水活度定义为在相同温度、 压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比，即 a=P/P0 (P 表示溶液的蒸汽 压，P0 表示纯水的蒸汽压)。 纯水的 a为 1.00，当含有溶质后，a1.00。微生物能在 a=0.630.99 的培养条 件下生长。对某种微生物而言，它对 a的要求是一定的。 3.1.2.2 碳源 从表 3.1.1 中可知，细胞干物质中的碳约占 50%，所以说微生物对碳的需求最大。凡 是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源(carbon source)。 可作为微生物营养的碳源物质种类极其广泛，从简单的无机物（CO2、碳酸盐）到复 杂的有机含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物及 各种含氮化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同。有的能广泛地利用不同类型 的碳源，如假单孢菌属的有些种可利用 90 种以上的碳源，但有的微生物能利用的碳源 范围极其狭窄，如甲烷氧化菌仅仅能利用两种有机物，甲烷和甲醇。某些纤维素分解菌 只能利用纤维素。 大多数微生物是异养型的，它们以有机化合物为碳源，能利用的碳源种类很多，但 其中以糖类是最好的碳源，糖类中单糖优于双糖，已糖优于戊糖。葡萄糖、蔗糖通常作 为培养微生物的主要碳源。在多糖中，淀粉可以为大多数微生物所利用，纤维素能为少 数微生物所利用。纯多糖优于琼脂等杂多糖。醇、有机酸和脂类的利用次于糖类。少数 微生物能利用酚、氰化物等有机毒物做碳源，所以可用于治理“三废”。有人从污泥中 分离到了以氰化物为唯一碳源和氮源的诺卡氏菌和霉菌。 对于异养微生物，碳源物质通过机体内一系列复杂的化学反应，最终用于构成细胞 物质或为机体提供完成整个生理活动所需的能量。所以，碳源往往也是能源物质。 自养菌以 CO2、碳酸盐为唯一或主要碳源。因为 CO2 是被彻底氧化的物质，所以，CO2 转化成有机的细胞成分是一个还原过程，此过程需消耗大量能量。因此，这类微生物同 时需要从光或其它无机物氧化来获取能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同的物 质。 不少种类的异养型微生物，尤其是生长在动物的血液、组织和肠道中的致病微生物， 除必需有机碳源外，还需要少量 CO2 才能正常生长，因此，在培养这些微生物时，常要 提供 10%CO2（V/V）；在有些好氧微生物生长时，如果用 KOH 除去 CO2，往往也会抑制生 长。 3.1.2.3 氮源 凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质，称为氮源 (nitrogen source)。细胞的干物质中氮含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的 重要元素，所以，氮对微生物的生长发育有着重要的作用。从分子态的 N2 到复杂的含氮 化合物都能被不同的微生物所利用，而不同类型的微生物能利用的氮源差异较大。 固氮微生物能利用分子态 N2 合成自己需要的氨基酸和蛋白质。它们也能利用无机氮 和有机氮化物，但在这种情况下，它们便失去了固氮能力。固氮微生物主要是原核生物， 如与豆类共生的根瘤菌和自生固氮菌。还有不少光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用。 许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮，一般利用铵盐或其它含氮盐作氮源。硝 酸盐必须先还原成 NH4 +后，才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能 利用铵盐，但它们并不都能利用硝酸盐。 当无机氮化物为唯一氮源培养微生物时，培养基会表现出生理酸性或生理碱性。如 以(NH4)2SO4 为氮源时，NH4 +被利用后，培养基的 pH 下降，故有“生理酸性盐”之称。以 K2NO3 为氮源时，NO3 +被利用后，培养基的 pH 上升，故有“生理碱性盐”之称。 利用 (NH4)2 NO3 为氮源，可以避免 pH 急剧升降，但是，NH4 +的吸收快， NO3 +的吸收 滞后，所以，培养基 pH 会先降后升。所以，培养基配方中应加入缓冲物质。 从微生物所利用的氮源种类看，存在着一个明显的界限：一部分微生物不需要氨基
《工业微生物学》 酸为氮源,它们能将非氨基酸类的简单氮源(例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气)自行合 成所需要的一切氨基酸,它们称为“氨基酸自养型生物”,反之,凡需要从外界吸收现 成氨基酸作氮源的微生物,则称为“氨基酸异养型生物”。所有的动物和大量异养型微 生物是氨基酸异养型的,而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的 实验室的有机氮源有蛋白胨,牛肉膏,酵母膏,玉米浆等,工业上能够用黄豆饼粉、 花生饼粉和鱼粉等作为氮源 有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物,其中,氨基酸可以直接吸收而参与细 胞代谢,而蛋白质需经菌体分泌的胞外酶水解后才能利用。因为花生饼粉和黄豆饼粉中 的氮主要以蛋白质存在,所以,被称为“迟效性氮源”。而(NH)2SO4和玉米浆等被称为 “速效性氮源” 氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其它结构的原料,不作为能源。只有少量细菌, 如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃,可以利用 氨基酸为唯一的能源 3.1.2.4无机盐 无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是: (1)构成细胞的组成成分 (2)作为酶的组成成分 (3)维持酶的活性 (4)调节细胞渗透压,氢离子浓度和氧化还原电位 (5)作为某些自氧菌的能源。 磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成,并与能量转移、细胞透性调节功 能有关。微生物对它们的需求量较大(10~103M),称为“宏量元素”。没有它们, 微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅助因子,需求量不大(10ˉ ~10°M),所以,称为“微量元素”。不同的微生物对以上各种元素的需求量各不相同。 铁元素介于宏量元素和微量元素之间。 1)磷 所有细菌都需要磷。磷是合成核酸、磷脂、重要的辅酶(NAD,NADP,CoA等)及高 能磷酸化合物的重要原料。细胞内磷酸盐也来源于营养物中的磷。一般都以KHPO和 KHPO4的形式人为地提供磷元素。 2)硫 硫是蛋白质中某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)的组成成分,是辅酶因子(如辅酶 A,生物素,硫辛酸和硫胺素)的组成成分,也是谷胱甘肽的组成成分。硫还是某些自 养菌的能源物质 微生物从含硫无机盐或有机硫化物中得到硫。一般人为的提供形式为MgS04。微生 物从环境中摄取S02,再还原成-SH 3)镁 镁是一些酶(如己糖激酶,异柠檬酸脱氢酶,羧化酶和固氮酶)的激活剂。是光合 细菌菌绿素的组成成分。镁还起到稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁,细胞生 长就会停止,首当其冲的就是核糖体和细胞膜。微生物可以利用硫酸镁或其它镁盐。 4)钾 钾不参加细胞结构物质的组成,但是,它是细胞中重要的阳离子之一。它是许多酶 (如果糖激酶)的激活剂,也与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓 度比胞外高许多倍。各种无机钾盐,尤其是磷酸钾盐(磷酸二氢钾,磷酸氢二钾)可做 为钾源。 5)钙 钙一般不参与微生物的细胞结构物质(除细菌芽孢外),也是细胞内重要的阳离子 之一,它是某些酶(如蛋白酶类)的激活剂,还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性 的钙盐,如CaCl2及CaNO3)2等都是微生物的钙元素来源。 6)钠 钠也是细胞内的重要阳离子之一,它与细胞的渗透压调节有关。钠在细胞内的浓度
《工业微生物学》 第三章 5 酸为氮源，它们能将非氨基酸类的简单氮源（例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）自行合 成所需要的一切氨基酸，它们称为“氨基酸自养型生物”，反之，凡需要从外界吸收现 成氨基酸作氮源的微生物，则称为“氨基酸异养型生物”。所有的动物和大量异养型微 生物是氨基酸异养型的，而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。 实验室的有机氮源有蛋白胨，牛肉膏，酵母膏，玉米浆等，工业上能够用黄豆饼粉、 花生饼粉和鱼粉等作为氮源。 有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物，其中，氨基酸可以直接吸收而参与细 胞代谢，而蛋白质需经菌体分泌的胞外酶水解后才能利用。因为花生饼粉和黄豆饼粉中 的氮主要以蛋白质存在，所以，被称为“迟效性氮源”。而(NH4)2SO4 和玉米浆等被称为 “速效性氮源”。 氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其它结构的原料，不作为能源。只有少量细菌， 如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用 氨基酸为唯一的能源。 3.1.2.4 无机盐 无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是： （1）构成细胞的组成成分。 （2）作为酶的组成成分。 （3）维持酶的活性。 （4）调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位。 （5）作为某些自氧菌的能源。 磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成，并与能量转移、细胞透性调节功 能有关。微生物对它们的需求量较大（10-4 10-3 M)，称为“宏量元素”。没有它们， 微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅助因子，需求量不大（10-8 10-6 M)，所以，称为“微量元素”。不同的微生物对以上各种元素的需求量各不相同。 铁元素介于宏量元素和微量元素之间。 1)磷 所有细菌都需要磷。磷是合成核酸、磷脂、重要的辅酶（NAD，NADP，CoA 等）及高 能磷酸化合物的重要原料。细胞内磷酸盐也来源于营养物中的磷。一般都以 K2HPO4 和 KH2PO4 的形式人为地提供磷元素。 2)硫 硫是蛋白质中某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)的组成成分，是辅酶因子（如辅酶 A，生物素，硫辛酸和硫胺素）的组成成分，也是谷胱甘肽的组成成分。硫还是某些自 养菌的能源物质。 微生物从含硫无机盐或有机硫化物中得到硫。一般人为的提供形式为 MgSO4。微生 物从环境中摄取 SO4 2-，再还原成—SH。 3)镁 镁是一些酶（如己糖激酶，异柠檬酸脱氢酶，羧化酶和固氮酶）的激活剂。是光合 细菌菌绿素的组成成分。镁还起到稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁，细胞生 长就会停止，首当其冲的就是核糖体和细胞膜。微生物可以利用硫酸镁或其它镁盐。 4)钾 钾不参加细胞结构物质的组成，但是，它是细胞中重要的阳离子之一。它是许多酶 （如果糖激酶）的激活剂，也与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓 度比胞外高许多倍。各种无机钾盐，尤其是磷酸钾盐（磷酸二氢钾，磷酸氢二钾）可做 为钾源。 5)钙 钙一般不参与微生物的细胞结构物质（除细菌芽孢外），也是细胞内重要的阳离子 之一，它是某些酶（如蛋白酶类）的激活剂，还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性 的钙盐，如 CaCl2 及 Ca(NO3)2 等都是微生物的钙元素来源。 6 )钠 钠也是细胞内的重要阳离子之一，它与细胞的渗透压调节有关。钠在细胞内的浓度
《工业微生物学》 低,细胞外浓度高。对嗜盐菌来说,钠除了维持细胞的滲透压(嗜盐菌放λ低渗溶液即 会崩溃)外,还与营养物的吸收有关,如一些嗜盐菌吸收葡萄糖需要Naˆ的帮助 7微量元素 除上述几种重要的宏量元素外,正常生长的微生物还需要其它一些微量元素,如果 缺乏这些元素,将会导致微生物生理活性降低,甚至停止生长。微量元素往往与酶活性 有关,或参与酶的组成,或是许多酶的调节因子。 铁是过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素,也是铁细 菌的能源,铁含量太低会影响白喉杆菌形成白喉毒素。铜是多酚氧化酶和抗坏血酸氧化 酶的成分。锌是醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子。钴参与维生素Bz 的组成。钼参与固氮酶的组成。锰为超氧化物酶的激活剂。 在配制培养基时,可以通过添加有关化学试剂来补充宏量元素。其中首选是KHPO 和MgS04,它们可提供四种需要量很大的元素:K、P、S和Mg。对其它需要量较少的元素 尤其是微量元素来说,因为它们在一些化学试剂、天然水和天然培养基组分中都以杂质 等状态存在,在玻璃器皿等实验用品上也有少量存在,所以,不必另行加入。但如果要 配制研究营养代谢等精细培养基时,所用的玻璃器皿是硬质材料、试剂又是高纯度的 这就应根据需要加入必要的微量元素。 3.1.2.5生长因(素)子 自养型的微生物可以不依赖外源有机物质,只需无机物就能合成全部细胞物质:大 部分异养型微生物除需要有机碳源外,在无机氮源或其它矿物质的环境中也能够生长。 但是,另外一些异养型的微生物在一般碳源、氮源和无机盐的培养基中培养还不能生长 或生长较差。当在培养基加入某些组织(或细胞)提取液时,这些微生物就生长良好。 这说明这些组织或细胞中含有这些微生物生长所必需的营养因子,这些因子就称为生长 因子( growth factor)。可以将生长因子定义为某些微生物不能从普通的碳源、氮源合 成,而需要另外少量加入来满足生长需要的有机物质。它们包括氨基酸、维生素、嘌呤 和嘧啶碱及其衍生物。有时也包括一些脂肪酸及其它膜成分。 必须指出的是各种微生物所需的生长因子互不相同,有的需要多种,有的仅需一种 有的不需要。一种微生物所需的生长因子也会随培养条件的变化而变化。如在培养基中 有否前体物质、通气条件、pH和温度等条件都会影响微生物对生长因子的需求。 从自然界直接分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株,均称为该 微生物的野生型( wild type)绝大多数野生型菌株只需要简单的碳源和氮源等就能生长 不需要添加生长因子;野生型菌株在实验室中经过人工诱变处理后,常会丧失合成某种 营养物质(通常是生长因子)的能力。这些菌株生长的培养基中必需添加某种氨基酸 嘌呤、嘧啶或维生素等生长因子。这些由野生型菌株突变而来的菌株称为营养缺陷型 ( auxotroph)。在微生物遗传、变异和代谢生理的研究、以及微生物杂交育种和氨基酸、 核苷酸等发酵生产中常采用营养缺陷型菌株:营养缺陷型菌株经回复突变或基因重组后 产生的菌株,其营养要求在表型上与野生型相同的称为原养型( prototroph),原养型菌 株的生长也不需要添加生长因子。 1)维生素 维生素( Vitamin)是一些微生物生长和代谢所必需的、微量的小分子有机物。它 们的特点是 (1)机体不能合成,必须经常从食物中获得。 (2)生物对其的需要量较低。微生物对维生素的需要量1-50ug/L或更低。 (3)它不是结构或能量物质,但它是必不可少的代谢调节物质。大多数是酶的辅助 因子。 1)不同生物所需的维生素各不相同。有的微生物可以自行合成维生素,如肠道菌 可以合成维生素K等,有的细菌可以用于生产维生素C )氨基酸 L-氨基酸是组成蛋白质的主要成分,此外,细菌的细胞壁合成还需要D氨基酸。所 以,如果微生物缺乏合成某种氨基酸的能力,就需要补充这种氨基酸。补充量一般要达 到20-50ug/mL,是维生素需要量的几千倍。可以直接提供所需的氨基酸,或含有所需氨
《工业微生物学》 第三章 6 低，细胞外浓度高。对嗜盐菌来说，钠除了维持细胞的渗透压（嗜盐菌放入低渗溶液即 会崩溃）外，还与营养物的吸收有关，如一些嗜盐菌吸收葡萄糖需要 Na+的帮助。 7)微量元素 除上述几种重要的宏量元素外，正常生长的微生物还需要其它一些微量元素，如果 缺乏这些元素，将会导致微生物生理活性降低，甚至停止生长。微量元素往往与酶活性 有关，或参与酶的组成，或是许多酶的调节因子。 铁是过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素，也是铁细 菌的能源，铁含量太低会影响白喉杆菌形成白喉毒素。铜是多酚氧化酶和抗坏血酸氧化 酶的成分。锌是醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子。钴参与维生素 B12 的组成。钼参与固氮酶的组成。锰为超氧化物酶的激活剂。 在配制培养基时，可以通过添加有关化学试剂来补充宏量元素。其中首选是 K2HPO4 和 MgSO4,它们可提供四种需要量很大的元素：K、P、S 和 Mg。对其它需要量较少的元素 尤其是微量元素来说，因为它们在一些化学试剂、天然水和天然培养基组分中都以杂质 等状态存在，在玻璃器皿等实验用品上也有少量存在，所以，不必另行加入。但如果要 配制研究营养代谢等精细培养基时，所用的玻璃器皿是硬质材料、试剂又是高纯度的， 这就应根据需要加入必要的微量元素。 3.1.2.5 生长因（素）子 自养型的微生物可以不依赖外源有机物质，只需无机物就能合成全部细胞物质；大 部分异养型微生物除需要有机碳源外，在无机氮源或其它矿物质的环境中也能够生长。 但是，另外一些异养型的微生物在一般碳源、氮源和无机盐的培养基中培养还不能生长 或生长较差。当在培养基加入某些组织（或细胞）提取液时，这些微生物就生长良好。 这说明这些组织或细胞中含有这些微生物生长所必需的营养因子，这些因子就称为生长 因子（growth factor）。可以将生长因子定义为某些微生物不能从普通的碳源、氮源合 成，而需要另外少量加入来满足生长需要的有机物质。它们包括氨基酸、维生素、嘌呤 和嘧啶碱及其衍生物。有时也包括一些脂肪酸及其它膜成分。 必须指出的是各种微生物所需的生长因子互不相同，有的需要多种，有的仅需一种， 有的不需要。一种微生物所需的生长因子也会随培养条件的变化而变化。如在培养基中 有否前体物质、通气条件、pH 和温度等条件都会影响微生物对生长因子的需求。 从自然界直接分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株，均称为该 微生物的野生型（wild type)。绝大多数野生型菌株只需要简单的碳源和氮源等就能生长， 不需要添加生长因子；野生型菌株在实验室中经过人工诱变处理后，常会丧失合成某种 营养物质（通常是生长因子）的能力。这些菌株生长的培养基中必需添加某种氨基酸、 嘌呤、嘧啶或维生素等生长因子。这些由野生型菌株突变而来的菌株称为营养缺陷型 （auxotroph)。在微生物遗传、变异和代谢生理的研究、以及微生物杂交育种和氨基酸、 核苷酸等发酵生产中常采用营养缺陷型菌株；营养缺陷型菌株经回复突变或基因重组后 产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同的称为原养型（prototroph)，原养型菌 株的生长也不需要添加生长因子。 1)维生素 维生素（Vitamin）是一些微生物生长和代谢所必需的、微量的小分子有机物。它 们的特点是: （1）机体不能合成，必须经常从食物中获得。 （2）生物对其的需要量较低。微生物对维生素的需要量 1-50g/L 或更低。 （3）它不是结构或能量物质，但它是必不可少的代谢调节物质。大多数是酶的辅助 因子。 （4）不同生物所需的维生素各不相同。有的微生物可以自行合成维生素，如肠道菌 可以合成维生素 K 等，有的细菌可以用于生产维生素 C。 2) 氨基酸 L-氨基酸是组成蛋白质的主要成分，此外，细菌的细胞壁合成还需要 D-氨基酸。所 以，如果微生物缺乏合成某种氨基酸的能力，就需要补充这种氨基酸。补充量一般要达 到 20-50g/mL，是维生素需要量的几千倍。可以直接提供所需的氨基酸，或含有所需氨
《工业微生物学》第三章 基酸的小分子肽。在有些情况下,细胞只能利用小肽,而不能利用氨基酸。这是因为单 个氨基酸不能透过细胞,而小分子肽较容易透过细胞,随后由肽酶水解成氨基酸 有时培养基中一种氨基酸的含量太高,会抑制其它氨基酸的摄取,这就是“氨基酸 不平衡”现象 3)碱基 减基包括嘌呤和嘧啶碱,主要功能是组成核酸和一些辅酶。生物体的碱基有两种来 源:通过食物摄取和经“从无到有”途径合成。 核苷酸合成的途径有两条: (1)从碱基直接形成相应的单磷酸核苷酸 G+ PRPP GMP 鸟嘌呤磷酸核糖鸟苷酸 焦磷酸 (2)间接途径 G十核糖-1-P—丶鸟嘌呤-核糖(鸟苷) 鸟苷+ATP GMP ADP 如果微生物细胞中存在第二条途径,核苷和游离碱基都可用作生长因子;如果微生 物细胞中只有第一条途径,那么,微生物就只能利用游离的碱基。核苷酸一般不能用做 生长因子,因为核苷酸中磷酸基团的存在会导致它在水溶液中电离,而难以透过细胞膜 进入细胞。另外有些微生物既不能合成碱基,也不能利用外源碱基,所以,需要提供核 苷或核苷酸,而且需要量很大。 4)脂肪酸等类脂 某些微生物不能合成脂肪酸等类脂,必须从外界摄取长链脂肪酸,用于构建细胞膜 另外,有些微生物还需要如固醇、胆碱和肌醇等类脂用于组成细胞膜。 3.1.26能源 能源是指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能 原谱如下 有机物:化能异养型微生物的能源(与碳源相同) 化学物质 无机物:化能自养性微生物的能源(不同于碳源) 能源谱 辐射能光能自养和光能异养型微生物的能源 化能异养型微生物的能源即碳源。化能自养型微生物的能源都是还原态的无机物 如:N、NO2、S、HS、H、Fe等,它们分别属于是硝化细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、 硫细菌、氢细菌和铁细菌等。 种营养物常有一种以上营养要素的功能,即除单功能营养物外,还有双功能,甚 至三功能的营养物。如:辐射能是单功能的:还原态无机养分常是双功能的(NH'既是 硝化细菌的能源,又是它的氮源)甚至是三功能的(能源、氮源和碳源);有机物常 有双功能或三功能作用 3.1.3微生物的培养基 培养基通常指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。广义上 说,凡是支持微生物生长和繁殖的介质或材料均可作为微生物的培养基。培养基是微生 物学尤其是工业微生物学研究的重要内容。一个恰当的培养基配方,对发酵产品的产量 和质量有着极大的影响。微生物的培养基配方犹如菜谱,种类繁多,且层出不穷。如今, 培养基的种类有数万种之多
《工业微生物学》 第三章 7 基酸的小分子肽。在有些情况下，细胞只能利用小肽，而不能利用氨基酸。这是因为单 个氨基酸不能透过细胞，而小分子肽较容易透过细胞，随后由肽酶水解成氨基酸。 有时培养基中一种氨基酸的含量太高，会抑制其它氨基酸的摄取，这就是“氨基酸 不平衡”现象。 3) 碱基 碱基包括嘌呤和嘧啶碱，主要功能是组成核酸和一些辅酶。生物体的碱基有两种来 源：通过食物摄取和经“从无到有”途径合成。 核苷酸合成的途径有两条： (1) 从碱基直接形成相应的单磷酸核苷酸 G ＋ PRPP ⎯→ GMP ＋ PPi 鸟嘌呤 磷酸核糖 鸟苷酸 焦磷酸 焦磷酸 (2) 间接途径 G ＋ 核糖-1-P ⎯→ 鸟嘌呤-核糖（鸟苷） 鸟苷 ＋ ATP ⎯→ GMP ＋ ADP 如果微生物细胞中存在第二条途径，核苷和游离碱基都可用作生长因子；如果微生 物细胞中只有第一条途径，那么，微生物就只能利用游离的碱基。核苷酸一般不能用做 生长因子，因为核苷酸中磷酸基团的存在会导致它在水溶液中电离，而难以透过细胞膜 进入细胞。另外有些微生物既不能合成碱基，也不能利用外源碱基，所以，需要提供核 苷或核苷酸，而且需要量很大。 4) 脂肪酸等类脂 某些微生物不能合成脂肪酸等类脂，必须从外界摄取长链脂肪酸，用于构建细胞膜。 另外，有些微生物还需要如固醇、胆碱和肌醇等类脂用于组成细胞膜。 3.1.2.6 能源 能源是指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能 源谱如下： 化能异养型微生物的能源即碳源。化能自养型微生物的能源都是还原态的无机物， 如：NH4 +、NO2 -、S、H2S、H2、Fe2+等，它们分别属于是硝化细菌、亚硝酸细菌、硫化细菌、 硫细菌、氢细菌和铁细菌等。 一种营养物常有一种以上营养要素的功能，即除单功能营养物外，还有双功能，甚 至三功能的营养物。如：辐射能是单功能的；还原态无机养分常是双功能的（NH4 +既是 硝化细菌的能源，又是它的氮源）甚至是三功能的（ 能源、氮源和碳源）；有机物常 有双功能或三功能作用。 3.1.3 微生物的培养基 培养基通常指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。广义上 说，凡是支持微生物生长和繁殖的介质或材料均可作为微生物的培养基。培养基是微生 物学尤其是工业微生物学研究的重要内容。一个恰当的培养基配方，对发酵产品的产量 和质量有着极大的影响。微生物的培养基配方犹如菜谱，种类繁多，且层出不穷。如今， 培养基的种类有数万种之多。 有机物：化能异养型微生物的能源（与碳源相同） 化学物质 无机物：化能自养性微生物的能源（不同于碳源） 能源谱 辐射能 光能自养和光能异养型微生物的能源
《工业微生物学》第三章 3.1.3.1培养基的配制原则 对不同的微生物,不同的营养要求可以有不同的培养基。但是,它们的配制必须 遵循一定的原则。 1)营养物质应满足微生物的需要 不同营养类型的微生物对营养的需求差异很大,所以,应根据所培养菌种对各营养 要素的不同要求进行配制。如自养微生物的培养基成分是无机的,而异养型微生物的培 养基成分必须含有机物。针对四大类微生物,一般可以采用现成配方的培养基。如细菌 采用肉汤蛋白胨培养基、放线菌采用高氏1号合成培养基、酵母采用麦芽汁培养基及霉 菌采用查氏合成培养基 2)营养物的浓度及配比应恰当 营养物的浓度太低,则不能满足微生物生长的需要,浓度太高,又会抑制微生物的 生长。如糖和盐都是良好的营养物质,但是,浓度升高,则有抑菌作用。 碳氮比(C/N)一般指培养基中元素C与N的比值。为方便测定和计算,人们常以 培养基中还原糖含量与粗蛋白含量的比值来表示。在考察培养基组成时,人们常以碳氮 比作为一个重要的指标。一般培养基的C∧N比为100:0.5-2:在谷氨酸生产菌发酵中 C∧N比为4/1时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累量较少:当C/N为3/1时,菌体繁殖受到 抑制,谷氨酸大量积累。 在设计营养物配比时,还应该考虑避免培养基中各成分之间的相互作用。如蛋白胨、 酵母膏中含有磷酸盐时,会与培养基中钙或镁离子在加热时发生沉淀反应。在高温下, 还原糖与蛋白质或氨基酸也会相互作用产生褐色物质 在培养基配制时,可添加化学试剂补充宏量元素。其中,首选的是KHPO4和MgSO 因为它们包含了四种宏量元素。对于微量元素,一般化学试剂、水及器皿上均有存在 3)物理化学条件适宜 (1)pH值 各大类微生物一般都有它们生长繁殖的最适pH。细菌的最适pH一般在7.0-8.0, 放线菌在pH7.5-8.5间,酵母菌在pH3.8-6.0间,霉菌在pH4.0-5.8之间。对于具体的 微生物菌种来说,它们都有各自特定的最适pH范围,有时会大大突破上述界限。 在微生物生长繁殖过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物,尤其是不少微生 物有很强的产酸能力,如不适当地加以调节,就会抑制甚至杀死其自身。在设计它们的 培养基时,就要考虑到培养基的p调节能力。一般应该加入磷酸缓冲液或CaC3,使培 养液的pH稳定 调节KlHP01和KHPO两者浓度比,可获得从pH6.0到pH7.6间一系列稳定的pH,当 两者等摩尔浓度比时,溶液的p可稳定在6.8。其反应式如下 K2HPO4 +Hcl ->KH2 PO4 KCl KH2 PO, KOh K2HPO, H2o CaCO3在水溶液中溶解度极低,加入液体或固体培养基中,不会使培养基p升高。 但是,当微生物生长过程中不断产生酸时,它被逐渐溶解,并与酸反应,最终以CO2形 式释放到大气中,所以,它具有良好的稳定培养基pH的作用 HCO3H2CO3CO2个+H2O 培养基中的蛋白质或氨基酸经发酵后,会产生氨,从而有升高培养基pH的趋势。 培养基的灭菌过程也会引起培养基的pH发生变化。高温处理过程中,一些大分子发生 分解,造成p下降 (2)其它 培养基的其它物化指标也将影响微生物的培养。培养基中水的活度应符合微生物的 生理要求(a值在0.63-0.99之间)。大多数微生物适合在等渗的环境下生长,而有些 细菌如金黄色葡萄球菌( Staphylococcus aureus)能在3mol/ L Nacl中生长。能在高盐 环境(2.86.2mol/ NAcl)生长的微生物称为嗜盐微生物( halophiles) 在配制培养基时,通常不必测定这些指标,因为培养基中各种成分及其浓度等指标 的优化已间接地确定了培养基的水活度和渗透压。此外,各种微生物对培养基的氧化还 原电位等也有不同的要求 4)根据培养的目的
《工业微生物学》 第三章 8 3.1.3.1 培养基的配制原则 针对不同的微生物，不同的营养要求可以有不同的培养基。但是，它们的配制必须 遵循一定的原则。 1) 营养物质应满足微生物的需要 不同营养类型的微生物对营养的需求差异很大，所以，应根据所培养菌种对各营养 要素的不同要求进行配制。如自养微生物的培养基成分是无机的，而异养型微生物的培 养基成分必须含有机物。针对四大类微生物，一般可以采用现成配方的培养基。如细菌 采用肉汤蛋白胨培养基、放线菌采用高氏 1 号合成培养基、酵母采用麦芽汁培养基及霉 菌采用查氏合成培养基。 2)营养物的浓度及配比应恰当 营养物的浓度太低，则不能满足微生物生长的需要，浓度太高，又会抑制微生物的 生长。如糖和盐都是良好的营养物质，但是，浓度升高，则有抑菌作用。 碳氮比（C/N）一般指培养基中元素 C 与 N 的比值。为方便测定和计算，人们常以 培养基中还原糖含量与粗蛋白含量的比值来表示。在考察培养基组成时，人们常以碳氮 比作为一个重要的指标。一般培养基的 C/N 比为 100：0.5-2；在谷氨酸生产菌发酵中， C/N 比为 4/1 时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累量较少；当 C/N 为 3/1 时，菌体繁殖受到 抑制，谷氨酸大量积累。 在设计营养物配比时，还应该考虑避免培养基中各成分之间的相互作用。如蛋白胨、 酵母膏中含有磷酸盐时，会与培养基中钙或镁离子在加热时发生沉淀反应。在高温下， 还原糖与蛋白质或氨基酸也会相互作用产生褐色物质。 在培养基配制时，可添加化学试剂补充宏量元素。其中，首选的是 K2HPO4和 MgSO4， 因为它们包含了四种宏量元素。对于微量元素，一般化学试剂、水及器皿上均有存在。 3) 物理化学条件适宜 (1) pH 值 各大类微生物一般都有它们生长繁殖的最适 pH。细菌的最适 pH 一般在 7.0-8.0， 放线菌在 pH7.5-8.5 间，酵母菌在 pH3.8-6.0 间，霉菌在 pH4.0-5.8 之间。对于具体的 微生物菌种来说，它们都有各自特定的最适 pH 范围，有时会大大突破上述界限。 在微生物生长繁殖过程中会产生引起培养基 pH 改变的代谢产物，尤其是不少微生 物有很强的产酸能力，如不适当地加以调节，就会抑制甚至杀死其自身。在设计它们的 培养基时，就要考虑到培养基的 pH 调节能力。一般应该加入磷酸缓冲液或 CaCO3，使培 养液的 pH 稳定。 调节 K2HPO4和 KH2PO4 两者浓度比，可获得从 pH6.0 到 pH7.6 间一系列稳定的 pH，当 两者等摩尔浓度比时，溶液的 pH 可稳定在 6.8。其反应式如下： K2HPO4 + HCl ⎯→ KH2PO4 + KCl KH2PO4 + KOH ⎯→ K2HPO4 + H2O CaCO3 在水溶液中溶解度极低，加入液体或固体培养基中，不会使培养基 pH 升高。 但是，当微生物生长过程中不断产生酸时，它被逐渐溶解，并与酸反应，最终以 CO2 形 式释放到大气中，所以，它具有良好的稳定培养基 pH 的作用。 CO3 2+ HCO3 - H2CO3 CO2 + H2O 培养基中的蛋白质或氨基酸经发酵后，会产生氨，从而有升高培养基 pH 的趋势。 培养基的灭菌过程也会引起培养基的 pH 发生变化。高温处理过程中，一些大分子发生 分解，造成 pH 下降。 (2) 其它 培养基的其它物化指标也将影响微生物的培养。培养基中水的活度应符合微生物的 生理要求（aω值在 0.63-0.99 之间）。大多数微生物适合在等渗的环境下生长，而有些 细菌如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus)能在 3mol/L Nacl 中生长。能在高盐 环境（2.8~6.2mol/LNacl）生长的微生物称为嗜盐微生物（halophiles）。 在配制培养基时，通常不必测定这些指标，因为培养基中各种成分及其浓度等指标 的优化已间接地确定了培养基的水活度和渗透压。此外，各种微生物对培养基的氧化还 原电位等也有不同的要求。 4) 根据培养的目的
《工业微生物学》 培养基的成分直接影响着培养的目标。在设计培养基时必须考虑是要培养菌体,还 是要积累产物,是实验室培养还是大规模发酵等问题 用于培养菌体的种子培养基营养成分应丰富,尤其是氮源含量宜高。即碳氮比值低。 相反,用于积累大量生产代谢产物的发酵培养基,它的氮源一般应比种子培养基稍低。 当然,若发酵产物是含氮化合物时,有时还应该提高培养基的氮源含量 在设计培养基时,还应特别考虑到代谢产物是初级代谢产物,还是次级代谢产物 若是次级代谢产物还要考虑是否加入特殊元素(如维生素B2中的Co)或特定的前体物 质(如生产卞青霉素时,应加入苯乙酸)。 在设计培养基尤其是大规模发酵生产用的培养基时,还应重视培养基中各种成分的 来源和价格,应该优先选择来源广泛开展、价格低廉的培养基,提倡“以粗代精”,“以 废代好 3.1.32培养基的种类 培养基的种类繁多。因考虑的角度不同,可将培养基分成不同的类型。 天然培养基 根据对培养基成分了解的程度{合成培养基 半合成培养基 液体培养基 根据培养基物理状态 固体培养基 半固体培养基 种子培养基 发酵培养基 根据培养的目的 繁殖培养基 保藏培养基 基本培养基 加富培养基 根据培养基的特殊用途 选择培养基 鉴别培养基 测定生理生化特性的培养基 表3.1.2几种天然培养基原材料的特性 原材料 制作特点 件肉膏瘦牛肉加热抽提并浓缩而成的主要提供碳水化合物(有机酸、糖类), 状物 有机氮化物(氨基酸、嘌呤、胍类), 机盐(钾,磷等)和水溶性维生素(主要 为B族) 蛋白胨酪素、明胶或鱼粉等蛋白质经酸主要提供有机氮、维生素及碳水化合物 酶(胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜 蛋白酶)水解而成 酵母膏(酵酵母细胞水抽提物浓缩而成的膏可提供大量的B族维生素,大量的氨基酸 母粉) 状物或粉剂 嘌呤碱及微量元素 玉米浆用亚硫酸浸泡玉米制淀粉时的废提供可溶性蛋白质、多肽、小肽、氨基酸 水,经减压浓缩而成的浓缩液。还原糖和B族维生素 干物质占50%,棕黄色,久置沉 甘蔗糖蜜制糖厂除去糖结晶后的下脚废匡主要含蔗糖和其它糖,还有氨基酸、有机 甜菜糖蜜液,棕黑色 酸,少量的维生素等 1)天然培养基 natural mediun) 凡利用生物的组织、器官及其抽取物或制品配成的培养基,称为天然培养基。优点
《工业微生物学》 第三章 9 培养基的成分直接影响着培养的目标。在设计培养基时必须考虑是要培养菌体，还 是要积累产物，是实验室培养还是大规模发酵等问题。 用于培养菌体的种子培养基营养成分应丰富，尤其是氮源含量宜高。即碳氮比值低。 相反，用于积累大量生产代谢产物的发酵培养基，它的氮源一般应比种子培养基稍低。 当然，若发酵产物是含氮化合物时，有时还应该提高培养基的氮源含量。 在设计培养基时，还应特别考虑到代谢产物是初级代谢产物，还是次级代谢产物。 若是次级代谢产物还要考虑是否加入特殊元素（如维生素 B12 中的 Co）或特定的前体物 质（如生产卞青霉素时，应加入苯乙酸）。 在设计培养基尤其是大规模发酵生产用的培养基时，还应重视培养基中各种成分的 来源和价格，应该优先选择来源广泛开展、价格低廉的培养基，提倡“以粗代精”，“以 废代好”。 3.1.3.2 培养基的种类 培养基的种类繁多。因考虑的角度不同，可将培养基分成不同的类型。 表 3.1.2 几种天然培养基原材料的特性 原材料 制作特点 营养价值 牛肉膏 瘦牛肉加热抽提并浓缩而成的膏 状物 主要提供碳水化合物（有机酸、糖类）， 有机氮化物（氨基酸、嘌呤、胍类），无 机盐（钾，磷等）和水溶性维生素（主要 为 B 族） 蛋白胨 酪素、明胶或鱼粉等蛋白质经酸、 酶（胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜 蛋白酶）水解而成 主要提供有机氮、维生素及碳水化合物 酵母膏（酵 母粉） 酵母细胞水抽提物浓缩而成的膏 状物或粉剂 可提供大量的 B 族维生素，大量的氨基酸， 嘌呤碱及微量元素 玉米浆 用亚硫酸浸泡玉米制淀粉时的废 水，经减压浓缩而成的浓缩液。 干物质占 50%，棕黄色，久置沉 淀 提供可溶性蛋白质、多肽、小肽、氨基酸、 还原糖和 B 族维生素。 甘蔗糖蜜 甜菜糖蜜 制糖厂除去糖结晶后的下脚废 液，棕黑色 主要含蔗糖和其它糖，还有氨基酸、有机 酸，少量的维生素等 1) 天然培养基(natural medium) 凡利用生物的组织、器官及其抽取物或制品配成的培养基，称为天然培养基。优点 天然培养基 根据对培养基成分了解的程度 合成培养基 半合成培养基 液体培养基 根据培养基物理状态 固体培养基 半固体培养基 种子培养基 发酵培养基 根据培养的目的 繁殖培养基 保藏培养基 基本培养基 加富培养基 根据培养基的特殊用途 选择培养基 鉴别培养基 测定生理生化特性的培养基
《工业微生物学》第三章 是配制方便、经济、营养丰富,但是,它的化学成分不清楚或不稳定(受产地、品种、 保存加工方法等因素影响)。常见的天然培养基成分有:麦芽汁、肉浸汁、鱼粉、麸皮、 玉米粉、花生饼粉、玉米浆及马铃薯等。实验室常用牛肉膏、蛋白胨及酵母膏等。几种 常用天然培养基原材料的特性见表3.1.2。 2)合成培养基( synthetic mediun) 使用成分完全了解的化学药品配制而成的培养基称为合成培养基。合成培养基的优 点是:成分已知、精确、重复性好。但价格较贵,培养的微生物生长较慢。适用于实验 室进行微生物生理、遗传育种及高产菌种性能的研究。培养放线菌的高氏一号培养基和 培养真菌的察氏培养基都属于合成培养基 3)半合成培养基(semi- defined mediun) 由部分天然材料和部分已知的纯化学药品组成的培养基称为。例如,培养真菌用的 马铃薯蔗糖培养基等。严格地讲,凡含有未经特殊处理的琼脂的任何合成培养基,实际 上都只是一种半合成培养基。特点是配制方便,成本低,微生物生长良好。发酵生产 实验室中应用的大多数培养基都属于半合成培养基 4)液体培养基(1 iquid medir 各营养成分按一定比例配制而成的水溶液或液体状态的培养基称为液体培养基。工 业上绝大多数发酵都采用液体培养基。实验室中微生物的生理、代谢研究和获取大量菌 体是也常利用液体培养基 5)固体培养基( solid medium) 固体培养基一般是指液体培养基中加入一定量的凝固剂配制而成的固体状态的培 养基。此外,固体营养物(如麸皮、米糠、木屑、土豆块、玉米粉)与水和盐等混合构 成的疏松状培养基也属于固体培养基。固体培养基在科学研宄和生产实践中具有很多用 途,例如它可用于菌种分离、鉴定、菌落计数、检测杂菌、选种、育种、菌种保藏、抗 生素等生物活性物质的效价测定及获取真菌孢子等。在发酵工业中常用固体培养基进行 固体发酵。 理想的固体培养基凝固剂应具备以下条件 (1)不被微生物液化、分解和利用 (2)在微生物生长的温度范围内保持固体状态。凝固点温度对微生物无害。 (3)不会因消毒、灭菌而破坏。 (4)配制方便,价格低,透明性好。 琼脂(Agar)是最好的凝固剂。它由石花菜等红藻加工而成,主要由琼脂糖( agarose) 和琼脂胶( agaropectin)两种多糖组成。除极少数菌外,大多数微生物无法降解琼脂。 琼脂45℃固化,约100℃才融化。灭菌过程中不会被破坏,并且价格低廉。培养基中加 0.5%琼脂时可以获得半固体培养基,加入1.5%-2.0%琼脂即成固体培养基,加8%琼脂则 成硬固体培养基。 明胶( Gelatin)也是一种凝固剂。它是由动物的皮、骨、韧带等煮熬而成的一种 蛋白质,含有多种氨基酸,可被许多微生物作为氮源而利用。明胶20℃凝固,28~35 ℃融化,所以,只能在20-25℃温度范围作凝固剂使用,适用面很窄,但可用于特殊检 验 硅胶( Silica gel)是无机硅酸钠(Na2SiO3)和硅酸钾(K2SiO3)与盐酸和硫酸中和反 应时凝结成的胶体。因为它完全无机,在研究分离自养菌时用作培养基的凝固剂。硅胶 旦凝固后,就无法再融化 6)半固体培养基(sem- solid medium) 半固体培养基是指琼脂加入量为0.2-0.5%而配制的固体状态的培养基。半固体培养 基有许多特殊的用途,如可以通过穿刺培养观察细菌的运动能力,进行厌氧菌的培养及 菌种保藏等 7)种子培养基( seed culture medium 种子培养基是适合微生物菌体生长的培养基,目的是为下一步发酵提供数量较多, 强壮而整齐的种子细胞。一般要求氮源、维生素丰富,原料要精。值得注意的是一般氨 基酸或肌苷的生产菌往往是营养缺陷型,所以,种子培养基营养丰富还可防止种子阶段 出现回复突变株
《工业微生物学》 第三章 10 是配制方便、经济、营养丰富，但是，它的化学成分不清楚或不稳定（受产地、品种、 保存加工方法等因素影响）。常见的天然培养基成分有：麦芽汁、肉浸汁、鱼粉、麸皮、 玉米粉、花生饼粉、玉米浆及马铃薯等。实验室常用牛肉膏、蛋白胨及酵母膏等。几种 常用天然培养基原材料的特性见表 3.1.2。 2) 合成培养基(synthetic medium) 使用成分完全了解的化学药品配制而成的培养基称为合成培养基。合成培养基的优 点是：成分已知、精确、重复性好。但价格较贵，培养的微生物生长较慢。适用于实验 室进行微生物生理、遗传育种及高产菌种性能的研究。培养放线菌的高氏一号培养基和 培养真菌的察氏培养基都属于合成培养基。 3) 半合成培养基(semi-defined medium) 由部分天然材料和部分已知的纯化学药品组成的培养基称为。例如，培养真菌用的 马铃薯蔗糖培养基等。严格地讲，凡含有未经特殊处理的琼脂的任何合成培养基，实际 上都只是一种半合成培养基。特点是配制方便，成本低，微生物生长良好。发酵生产和 实验室中应用的大多数培养基都属于半合成培养基。 4) 液体培养基(liquid medium) 各营养成分按一定比例配制而成的水溶液或液体状态的培养基称为液体培养基。工 业上绝大多数发酵都采用液体培养基。实验室中微生物的生理、代谢研究和获取大量菌 体是也常利用液体培养基。 5) 固体培养基(solid medium) 固体培养基一般是指液体培养基中加入一定量的凝固剂配制而成的固体状态的培 养基。此外，固体营养物（如麸皮、米糠、木屑、土豆块、玉米粉）与水和盐等混合构 成的疏松状培养基也属于固体培养基。固体培养基在科学研究和生产实践中具有很多用 途，例如它可用于菌种分离、鉴定、菌落计数、检测杂菌、选种、育种、菌种保藏、抗 生素等生物活性物质的效价测定及获取真菌孢子等。在发酵工业中常用固体培养基进行 固体发酵。 理想的固体培养基凝固剂应具备以下条件： （1）不被微生物液化、分解和利用。 （2）在微生物生长的温度范围内保持固体状态。凝固点温度对微生物无害。 （3）不会因消毒、灭菌而破坏。 (4) 配制方便，价格低，透明性好。 琼脂（Agar)是最好的凝固剂。它由石花菜等红藻加工而成，主要由琼脂糖（agarose） 和琼脂胶（agaropectin）两种多糖组成。除极少数菌外，大多数微生物无法降解琼脂。 琼脂 45℃固化，约 100℃才融化。灭菌过程中不会被破坏，并且价格低廉。培养基中加 0.5%琼脂时可以获得半固体培养基，加入 1.5%-2.0%琼脂即成固体培养基，加 8%琼脂则 成硬固体培养基。 明胶（Gelatin）也是一种凝固剂。它是由动物的皮、骨、韧带等煮熬而成的一种 蛋白质，含有多种氨基酸，可被许多微生物作为氮源而利用。明胶 20℃凝固，28～35 ℃融化，所以，只能在 20-25℃温度范围作凝固剂使用，适用面很窄，但可用于特殊检 验。 硅胶（Silica gel）是无机硅酸钠(Na2SiO3)和硅酸钾(K2SiO3)与盐酸和硫酸中和反 应时凝结成的胶体。因为它完全无机，在研究分离自养菌时用作培养基的凝固剂。硅胶 一旦凝固后，就无法再融化。 6) 半固体培养基(semi-solid medium) 半固体培养基是指琼脂加入量为 0.2-0.5%而配制的固体状态的培养基。半固体培养 基有许多特殊的用途，如可以通过穿刺培养观察细菌的运动能力，进行厌氧菌的培养及 菌种保藏等。 7)种子培养基(seed culture medium) 种子培养基是适合微生物菌体生长的培养基，目的是为下一步发酵提供数量较多， 强壮而整齐的种子细胞。一般要求氮源、维生素丰富，原料要精。值得注意的是一般氨 基酸或肌苷的生产菌往往是营养缺陷型，所以，种子培养基营养丰富还可防止种子阶段 出现回复突变株