微生物的营养
（二）培养基的配制原则
培养基是人工配制的，适用于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质，它是进行科学研究、发酵生产微生物制品等的物质基础。由于不同的微生物所需的营养种类、比例不同，科学家依据多年实践，总结出了培养基配制原则以及培养基的类型及应用，以适应不同的需要。
1．目的要明确
（1）明确培养的微生物种类。因为不同的微生物营养需要不同，培养基中要求的营养成分不同，例如自养微生物，能将简单的无机物合成为本身需要的有机物，所以培养该类生物的培养基完全可以由简单的无机物组成；而异养微生物，培养它们的培养基至少含有一种有机物质。
（2）明确培养的目的，是用于生产还是科学研究。因为二者对培养基的化学成分、物理状态等方面要求不同，例如：用于生产的培养基应具有原料易得、价格低廉。配制方便等特点；而用于科学研究的培养基应具有成分含量准确，可多次反复实验的特点。
2．营养要协调
（1）营养物质的浓度要适宜
（2）营养物质间的浓度比例要适宜
在各种营养物质的比例中，碳源与氮源的比最为重要。例如：在谷氨酸生产中，当培养基中的碳源与氮源比为4：1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳源与氮源比为3：1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。
（3）pH要适宜
各类微生物适宜生长的pH范围不同，如：细菌的最适pH在6.5～7.5之间，放线菌在7．5～8.5之间，酵母菌在3.8～6.0之间，而霉菌则在4.0～5.8之间。
由于微生物在生长代谢过程中营养物质利用和代谢产物的形成往往会改变环境中的pH值，为了维持培养基中pH的相对恒定，可在培养基中加入缓冲剂，最常用的缓冲剂为K2HPO4／KH2PO4。
（三）培养基的种类
1．按照物理性质划分培养基
是否含凝固剂
固体培养基
主要用于微生物的分离、鉴定等
半固体培养基
主要用于观察微生物的运动、保藏菌种等
液体培养基
主要用于工业生产
制作固体培养基时要加入凝固剂。凝固剂有多种，目前最常用的是琼脂，明胶也是一种常用的凝固剂。
在固体培养基上鉴定菌种的依据是菌落的特征，即菌落的大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等。
液体培养基营养物质分布均匀，与菌体充分接触，有利于微生物更快地吸收营养，有利于菌体繁殖、积累产物，因而适于大规模生产。
2．按照化学成分划分培养基
化学成分是否明确
天然培养基
主要用于工业生产
合成培养基
主要用于微生物的分类、鉴定
3．按照培养基的用途来划分培养基
选择培养基
培养基中加入某种化学物质
依据某些微生物对某些物质的抗性而设计
从众多微生物中分离所需要的微生物
加入青霉素分离得到酵母菌和霉菌
鉴别培养基
培养基中加入某种试剂或化学药品
依据微生物产生的某种代谢产物与培养基中特定试剂或化学药品反应，产生明显的特征变化而设计
鉴别不同种类的微生物
伊红和美蓝培养基可以鉴别大肠杆菌
伊红—美蓝培养基是鉴别培养基，可以用来检测自来水中的大肠杆菌是否超标，因为大肠杆菌的代谢产物与伊红—美蓝结合，使菌落呈深紫色并带有金属光泽，使大肠杆菌的菌落显示出来，并没有促进大肠杆菌的生长和抑制其他微生物的生长。培养基上的大肠杆菌的菌落数就是1000mL自来水中的大肠杆菌数，如果培养基出现了5个以上的深紫色并带有金属光泽的菌落，就说明被检测的自来水中大肠杆菌超标而不能饮用，造成这种情况的原因可能是水源附近有厕所或垃圾场。在检测前要用火焰灼烧自来水龙头3min从而避免滞留在水龙头处的微生物进入样品中，干扰实验结果。由于大肠杆菌是厌氧型，在检测过程中要营造一个无氧的环境，所以要使滤膜和培养基完全贴紧，没有气泡。
二、易误辨析
例1 可以作为自养微生物氮源的是（&& ）
A．N2、尿素&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& B．牛肉膏、蛋白陈
C．尿素、酵母菌&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& D．铵盐、硝酸盐
[精析] 解答此题需从如下几方面入手分析：第一，自养微生物能把从外界吸收的无机物转变成有机物，因此不需要专门提供有机碳源和氮源；第二，分析各选项，N2只有固氮微生物才能加以利用，自养微生物没有固氮能力，而牛肉膏、蛋白质及酵母粉是含N有机物，既能提供碳源又能提供氮源，自养微生物不需要，而铵盐、硝酸盐是最常用的无机氮源，对自养微生物适宜。
［答案］ D
[易误辨析] 本题容易混淆各种氮源在不同种类微生物中的利用以及自养微生物与固氮微生物的区别。
应该明确的是：①自养微生物从外界吸收的无机物，包括无机氮源和无机碳源。②固氮微生物代谢特点是虽然能够直接利用N2还原为NH3，但它属于异养微生物。
例2 在培养基中加入伊红—美蓝可以用来鉴别饮用水和乳制品中是否存在大肠杆菌等细菌，这种培养基被称为（&& ）
A．选择培养基&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& B．鉴别培养基
C．液体培养基&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& D．固体培养基
[精析] 液体培养基、固体培养基是根据培养基的物理性质划分的，在生产、科研中具有不同的作用。而根据培养基的用途分为选择培养基和鉴别培养基两种：选择培养基是加入抗生素或某些化学物质抑制某些菌的生长而促进或不影响另一些细菌；鉴别培养基是加入指示剂或化学药品来鉴别微生物的种类。
［答案］ B
[易误辨析] 本题出错主要是混淆了培养基的分类标准及其各自的特点，特别要强调记忆选择培养基与鉴别培养基的区别。
【参考答案】
[实力检测]
一、选择题
1．精析：配制培养基的原则之一就是营养要协调。营养物质的浓度要适宜，因为如果培养液中的营养物质浓度过高，微生物细胞的水分就会通过细胞膜不断向外渗透，导致细胞发生质壁分离，从而影响微生物正常的生命活动。答案：B
2．精析：对于异养微生物而言，含有C、H、O、N的化合物既是碳源又是氮源，如蛋白胨、牛肉膏等，则A项错误；除水以外的无机物，有的可做碳源，如二氧化碳，有的可作氮源，如分子态氮、氨等，则B项也不正确；碳源主要用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物，有些碳源还是异养微生物的主要能源物质，如糖类，而有的碳源如二氧化碳则不能提供能量，则C项错误；对于硝化细菌而言，氨既是氮源，氧化过程中释放的化学能又可为其提供能源。答案：D
3．精析：微生物需要的营养要素物质主要包括碳源、氮源、生长因子、无机盐和水，并不包括D项中的核酸和磷酸盐。答案：B
4．精析：蓝藻为自养生物，能够将简单的无机物制造成有机物，因此其常利用的碳源为CO2，而氮源为无机物硝酸盐。答案：C
5．精析：含C、H、O、N的化合物能够提供碳源、氮源，如蛋白胨、NH4HCO3，而题目中已指明为相对大分子化合物，则排除NH4HCO3，而只能是蛋白胨等。这种化合物可以作为异养微生物的碳源、氮源和能源。答案：D
6．精析：圆褐固氮菌是自生固氮菌，代谢类型属于异养需氧型；硝化细菌是化能自养需氧型；超级细菌是异养需氧型。答案：B
7．精析：微生物的五大营养物质包括碳源、氮源、水、无机盐和生长因子，在组成生物体的各种化学元素中，碳约占生物体干重的49％，没有碳就没有生命，因此，在生物体所需的各种营养物质中，碳的需要量也最大。答案：A
8．精析：异养生物不能自己制造有机物，只能靠分解周围环境中的有机物生存，所以含碳无机物不能用作异养生物培养基及碳源。答案：C
9．精析：自养微生物能把外界吸收的无机物转变成有机物，因此不需要专门提供有机碳源和氮源，应该为其提供无机物，包括无机碳源和无机氮盐。如铵盐、硝酸盐是最常用的无机氮源，对自养微生物适宜，因为自养微生物没有固氮能力。固氮微生物虽然能把N2固定为NH3，但它属于异养微生物。答案：A
10．精析：选择培养基是在培养基中加入某种化学物质，以抑制不需要的微生物的生长，促进所需要的微生物的生长。鉴别培养基是根据微生物的代谢特点，在培养基中加入某种指示剂或化学药品配制而得的，用以鉴别不同种类的微生物。D项中加入了NaCl20克，高浓度的食盐可抑制多种细菌生长，但不影响金黄色葡萄球菌的生长，是选择培养基。A项中加入了伊红和美蓝，可用来鉴别是否存在大肠杆菌，是鉴别培养基。固体培养基是指加琼脂的培养基。答案：D、A、B
二、非选择题
1．精析：在谷氨酸的生产中，当培养基中的C：N＝4：1时，菌体大量繁殖而生产谷氨酸少，当培养基中的C：N＝3：l时菌体繁殖受到抑制，但生产的谷氨酸大大增加。
答案：发酵法生产谷氨酸时，调整C：N＝3：1些时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸的合成会大大增加。
2．精析：（1）依物理性质划分，培养基分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基；这个培养基没有加凝固剂且水的量最多，所以应是液体培养基。
依用途分选择培养基和鉴别培养基，此培养基含有青霉素（抗生素），应是选择培养基。
（2）判断微生物代谢类型的依据是碳源的种类，用（CH2O）作碳源，应是异养型。对青霉素具有抗性的微生物有青霉素、酵母菌等。
（3）生长因子主要包括：维生素、氨基酸和碱基，所以无生长因子。
（4）鉴别大肠杆菌的特定试剂是伊红—美蓝，适于鉴别的培养基是固体培养基，应加琼脂，培养细菌应没有抗生素，应去掉青霉素。
答案：（1）液体选择
（2）异养型& 酵母菌或霉菌
（3）（CH2O）& 无
（4）琼脂& 伊红—美蓝& 青霉素微生物的营养--新农村
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微生物的营养
中国养殖信息网&1/15/:10 PM&点击次数：7045&录入：李清
&&& 微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（nutrition）。& 1.1微生物细胞的化学组成和营养要素& &&& 营养物质是微生物构成菌体细胞的基本原料，也是获得能量以及维持其它代谢机能必须的物质基础。微生物吸收何种营养物质取决于微生物细胞的化学组成。& 1.1.1微生物细胞的化学组成& &&& 分析微生物细胞的化学成分，发现微生物细胞与其他生物细胞的化学组成并没有本质上的差异。微生物细胞平均含水分80％左右。其余20％左右为干物质，在干物质中有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。这些干物质是由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等主要化学元素组成，其中碳、氢、氧、氮是组成有机物质的四大元素，大约占干物质的90％～97％（表3-1）。其余的3％～10％是矿物质元素，除上述磷、硫、钾、钙、镁、铁外，还有一些含量极微的钼、锌、锰、硼、钴、碘、镍、钒等微量元素。这些矿质元素对微生物的生长也起着重要的作用。& 表3-1&微生物细胞中碳、氢、氧、氮的含量& 微生物种类&&&&C&&&&N&&&&H&&&&O& 细菌/&Bacteria&&&&50&&&&15&&&&8&&&&20& 酵母/&Yeast&&&&49.8&&&&12.4&&&&6.7&&&&31.1& 霉菌/&Mold&&&&47.9&&&&5.2&&&&6.7&&&&40.2& 1.1.2&微生物的营养物质及其生理功能& &&& 通过了解微生物的化学组成，可见微生物在新陈代谢活动中，必须吸收充足的水分以及构成细胞物质的碳源和氮以及钙、镁、钾、铁等多种多样的矿质无素和一些必须的生长辅助因子，才能正常地生长发育。& &&&&⑴&水分&& &&& 水分是微生物细胞的主要组成成分，大约占鲜重的70％～90％。不同种类微生物细胞含水量不同。同种微生物处于发育的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少（表3-2）。微生物所含水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。微生物细胞游离态的水同结合态的水的平均比大约是4∶1。& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 表3-2&各类微生物细胞中的含水量& 微生物类型&&&&细&&菌&&&&霉&&菌&&&&酵母菌&&&&芽&&孢&&&&孢&&子& 水分含量（%）&&&&75～85&&&&85～90&&&&75～80&&&&40&&&&38& &&&&微生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离态的水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，故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，&能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。& &&&&⑵&碳源物质& &&&&凡是可以被微生物利用，构成细胞代谢产物的营养物质，统称为碳源物质。碳源物质通过细胞内的一系列化学变化，被微生物用于合成各代谢产物。微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的，根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机碳源物质和有机碳源物质。除少数具有光合色素的蓝细菌、绿硫细菌、紫硫细菌、红螺菌能象绿色植物那样，利用太阳光能，还原二氧化碳合成碳水化合物，作为碳源以外，一些化能自养型微生物如硝化细菌和硫化细菌还能利用无机物的氧化作为供氢体来还原二氧化碳，同时无机物的氧化还产生化学能。但绝大多数的细菌以及全部放线菌和真菌都是以有机物作为碳源的。当然不同的微生物对不同碳源的分解和利用情况是不一样的。糖类是较好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利用。所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、果胶、纤维素、木质素、蛋白质、脂肪、蜡质以及碳氢化合物，只要微生物具有分解它们的能力也能加以吸收利用。大多有机碳源物质被微生物吸收后，首先要降解成小分子前体物质，再用于代谢产物的合成，在降解的同时，产生能量；有的被彻底氧化产生能量。所以有机碳源物质既提供碳素营养，同时又是能源物质。& &&&&在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。& &&&&⑶&氮源物质&& 微生物细胞中大约含氮5％～13％，它是微生物细胞蛋白蛋和核酸的主要成分。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而合成蛋白质、核酸等细胞成分，以及含氮的代谢产物。无机的氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮作为氮源和能源。& &&&&微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型：& ①空气中分子态氮&&只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。& ②无机氮化合物&&如铵态氮（NH4+）、硝态氮（NO3-）和简单的有机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。& ③有机氮化合物&&大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生物需以有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。尿素要经微生物先分解成NH4+以后再加以利用。氨基酸能为微生物直接加以吸收利用。蛋白质等复杂的有机氮化合物则需先经微生物分泌的胞外蛋白酶水解成氨基酸等简单小分子化合物后才能吸收利用。& 在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微生物的氮源。&& &&&&⑷&无机元素& &&&&微生物细胞中的矿物元素约占干重的3％～10％左右，它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。有些自养微生物需要利用无机矿质元素作为能源。根据微生物对矿质元素需要量的不同，分为常量元素和微量元素。& &&&&常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量很大，磷是微生物细胞中许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、三磷酸腺苷（ATP）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能。& &&&&微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在培养基中含有0.1mg/L或更少就可以满足需要。所以在制作培养基时，使用天然水如井水、河水或自来水其中微量元素的含量已经足够，无需添加，过量的微量元素反而对微生物起到毒害作用。& &&&&⑸&生长因子&& &&&&生长因子是微生物维持正常生命活动所不可缺少的、微量的特殊有机营养物，这些物质在微生物自身不能合成，必须在培养基中加入。缺少这些生长因子就会影响各种酶的活性，新陈代谢就不能正常进行。& &&&&生长因子是指维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶等特殊有机营养物。而狭义的生长因子仅指维生素。这些微量营养物质被微生物吸收后，一般不被分解，而是直接参与或调节代谢反应。& 在自然界中自养型细菌和大多数腐生细菌、霉菌都能自己合成许多生长辅助物质，不需要另外供给就能正常生长发育。& 1.2&微生物对营养物质的吸收& &&&&微生物不象动物那样具有专门的摄食器官，也不象植物那样具有根系吸收营养和水分，它们对营养物质的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种不同的方式来吸收营养物质和水分的。如果营养物质是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微生物则分泌出相应的酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞外起作用的酶蛋白叫胞外酶）加以分解成小分子的物质，才能以不同的方式吸收到细胞内，加以利用。& &&&&各种物质对细胞质膜的透性不一样，就目前对细胞膜结构及其传递系统的研究，认为营养物质主要以以下几种方式透过细胞膜。& 1.2.1单纯扩散（simple&diffusion）& &&&&这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。其特点是物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度），这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量。一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡），简单扩散也就达到动态平衡。但实际上，进入细胞内的物质总在不断被利用，浓度不断降低，细胞外的物质不断进入细胞。单纯扩散是非特异性的，没有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与膜上的分子发生反应。扩散的物质本身也不发生改变。单纯扩散的物质主要是一些小分子物质，如一些气体（O2、CO2）、水、某些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。& 1.2.2促进扩散（facilitated&diffusion）& &&&&单靠单纯扩散，对营养物质的吸收是有限的，微生物细胞为了加速对营养物质的吸收，以适应生长发育的需要，在细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能的特异性蛋白质，称为渗透酶。它们大多是诱导酶，当外界存在所需的营养物质时，能诱导细胞产生相应的渗透酶，每一种渗透酶能帮助一类营养物质的运输，如输送葡萄糖的渗透酶能与外界的葡萄糖分子特异性的结合，然后转移到细胞质膜的内表面后，再释放到细胞质中，并加速过程的进行。又如肠道杆菌吸收甘油的过程也是由渗透酶促进的扩散。它们如同“渡船”一样，把营养物质由外界运输到细胞膜中去。其特点也是由高浓度区向低浓度区扩散，所不同的地方是这种运输有渗透酶参与，加速了营养物质的透过程度，以满足微生物细胞代谢之需要。细胞内外的物质浓度可以通过自由可逆的扩散而趋向平衡。促进扩散过程是由浓度梯度来驱动的，不需耗费代谢能量。& &&&&现在已分离出有关葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、Ca2+、Na+、K+等的载体蛋白，它们的分子量介于Da之间，而且都是单体。促进扩散是真核生物的普遍运输机制，如酵母菌运输糖类就是通过这种方式，但在原核生物中却少见，在厌氧微生物中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵产物的排出。然而在好氧微生物中这种传递机制似乎不太重要。& 1.2.3&主动运输（active&transport）& &&&&如果微生物对营养物质吸收只能凭借浓度梯度由高浓度向低浓度扩散，那么微生物就无法吸收低于细胞内浓度的外界营养物质，生长就会受到限制。事实上微生物细胞中有些营养物质以高于细胞外的浓度在细胞内积累，如大肠杆菌在生长期中，细胞中的钾离子浓度比周围环境高出3000倍。当以乳糖作为碳源时，细胞内乳糖的浓度比周围环境高出500倍。可见这种主动运输的特点是营养物质由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度地被“抽”进细胞内的，因此这个过程不仅需要渗透酶，还需要代谢能量，能量由腺三磷（ATP）提供，渗透酶起着将营养物质从低浓度的周围环境转运进高浓度的细胞内不断改变平衡点的作用。& &&&&存在于细胞膜上的渗透酶，当细胞膜外存在着重要结合的营养物质时，能分辨（认识）这些物质，由于对其营养物质具有高度亲和力，并且特异性地与之结合，形成渗透酶-运载物质复合体。复合体旋转180°从膜外方转移到细胞膜内表面，消耗代谢能量ATP，使渗透酶构型发生变化，亲和力减弱，于是被结合的物质则被释放到细胞质中去。构型变化的渗透酶，再获得能量恢复原状，亲和力增强，结合位置朝向膜外，又可重复进行这种主动运输。大肠杆菌对乳糖的吸收是研究得比较深入的，其渗透酶为β-半乳糖苷酶，它是由&lacr&基因控制的，这种酶可在膜内外特异性地同乳糖结合，但在膜内结合比膜外差得多，这就在于代谢能量ATP→ADP释放的能量，使酶蛋白构型发生变化而达到膜内，并在膜内降低其对乳糖的亲和力而在膜内释放出来，从而实现乳糖由细胞外的低浓度向细胞膜内的高浓度转运的。&&&&& 1.2.4&基团转位（group&translocation）& &&&&在微生物对营养物质吸收的过程中，还有一种特殊的运输方式，叫基团转位。这种方式除具有主动运输的特点外，主要是被转运的物质改变了本身的性质，有化学基团转移到被转运的营养物质上面去。如许多糖及其糖的衍生物在运输中由细菌的磷酸转移酶系催化，使其磷酸化，磷酸基团被转移到它们分子上，以磷酸糖的形式进入细胞。由于质膜对大多数磷酸化化合物无透性，磷酸糖一旦形成便被阻挡在细胞以内了，从而使糖浓度远远超过细胞外。& &&&&这种运输过程的磷酸转移酶系统包括酶Ⅰ、酶Ⅱ和热稳定蛋白（HPr）。酶Ⅰ是非特异性的，它们对许多糖都一样起作用。酶Ⅱ是膜上的结构酶，并能诱导产生，它对某一种糖具有特异性，只能运载某一种糖类，酶Ⅱ同时起着渗透酶和磷酸转移酶的作用。HPr是热稳定的可溶性蛋白质，它能够象高能磷酸载体一样起作用。该酶系统催化的反应分两步进行：& 1）&&&&少量的&HPr&被磷酸烯醇丙酮酸&(PEP)&磷酸化：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 酶Ⅰ& &&&&&&&&&&&&PEP&+&Hpr&&&&&&&&&&&&&&&&&&&磷酸～HPr+丙酮酸& &&&&2）磷酸～HPr&将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的6-磷酸葡萄糖释放到细胞质内。这步复合反应由酶Ⅱ催化。& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&酶Ⅱ&& &&&&&&&&磷酸～Hpr&+&葡萄糖&&&&&&&&&&&&&&&&&&6-磷酸葡萄糖&+&HPr& &&&&基团转位可转运糖、糖的衍生物，如葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺和β-半乳糖苷以及嘌呤、嘧啶、碱基、乙酸（但不能输送氨基酸）等。这个运输系统主要存在于兼性厌氧菌的和厌氧菌中。但某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌(B.&megatherium)也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖传送到细胞内。& && &&&&目前关于细菌对营养物质吸收的四种主要运输系统的主要机理可以概括成下面的图解（图3-1）；总之，微生物对营养物质的吸收不是简单的物理、化学的过程，而是复杂的生理过程。是微生物对营养物质起能动的、选择吸收的作用。它是受细胞膜的特性和功能以及微生物本身代谢强度所支配的。& 1.3&微生物的营养类型& 微生物在长期进化过程中，由于生态环境的影响，逐渐分化成各种营养类型。由于各种微生物的生活环境和对不同营养物质的利用能力不同，它们的营养需要和代谢方式也不尽相同。根据微生物对碳源的要求是无机碳化合物（如二氧化碳、碳酸盐）还是有机碳化合物可以把微生物分成自养型微生物和异养型微生物两大类。此外，根据微生物生命活动中能量的来源不同，将微生物分为两种能量代谢类型，一种是利用吸收的营养物质的降解产生的化学能，称为化能型微生物；另一类是吸收光能来维持其生命活动，称为光能型微生物。将碳源物质的性质和代谢能量的来源结合将微生物分为光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型四种营养类型，它们的区别见表3-3。& 表3-3&微生物的营养类型& 代谢特点&&&&营养类型& &&&&光能自养型&&&&化能自养型&&&&光能异养型&&&&化能异养型& 碳&&&&源&&&&CO2或可溶性碳酸盐&&&&CO2或可溶性碳酸盐&&&&小分子有机物&&&&有&&机&&物& 能&&&&源&&&&光&&&&能&&&&无机物的氧化&&&&光&&&&能&&&&有机物的氧化降解& 供&氢&体&&&&无机物(H2O、H2S等）&&&&无机物（H2S、H2、Fe2+&、NH3、NO2-等）&&&&小分子有机物&&&&有机物& 代&表&种&&&&蓝细菌、绿硫细菌&&&&硝化细菌、硫化菌、氢细菌、铁细菌等&&&&红&螺&菌&&&&大多数细菌，全部真菌、放线菌& 1.3.1光能自养型微生物& &&&&利用光能为能源，以二氧化碳（CO2）或可溶性的碳酸盐（CO32-）作为唯一的碳源或主要碳源。以无机化合物（水、硫化氢、硫代硫酸钠等）为氢供体，还原CO2，生成有机物质。光能自养型微生物主要是一些蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌等少数微生物，它们由于含光合色素，能使光能转变为化学能（ATP），供细胞直接利用。& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&光& &&&&&&&&&蓝细菌&&&&CO2+2H2O&&&&&&&&&&&&&&&&&[CH2O]+H2O+O2↑& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&叶绿素& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&光& &&&&&&&&&绿硫细菌&&CO2+2H2S&&&&&&&&&&&&&&&&&[CH2O]+H2O+2S& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&菌绿素& &&&&比较以上两反应，可写成以下通式：& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&光& &&&&&&&&&&&&&&&&CO2+2H2A&&&&&&&&&&&&&&&&&&[CH2O]+H2O+2A& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&光合色素& 1.3.2&化能自养微生物& &&&&这一类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，利用这种能量去还原CO2或者可溶性碳酸盐合成有机物质。& &&&&如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌就可以分别利用氧化NH3、NO2-、Fe++、H2S和H2产生的化学能来还原CO2，形成碳水化合物。& &&&&例如：亚硝酸细菌能从氧化氨为亚硝酸中获得能量，用以还原二氧化碳，形成碳水化合物。& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&亚硝酸细菌& &&&&&&&2NH3+3O2+2H2O&&&&&&&&&&&&&&&&&2HNO2+4H++4OH-+能量& &&&&&&&&&CO2+4H+&&&&&&&&&&&&&&&&&&[CH2O]+H2O& &&&&这一类型的微生物完全可以生活在无机的环境中，分别氧化各自合适的还原态的无机物，从而获得同化CO2所需的能量。& 1.3.3&光能异养型微生物& &&&&这种类型的微生物以光能为能源，利用有机物作为供氢体，还原CO2，合成细胞的有机物质。& 例如深红螺菌（Rhodospirillum&rubrum）利用异丙醇作为供氢体，进行光合作用并积累丙酮，这类微生物生长时大多需要外源性的生长因素。& &&&&&&&&&&&&&CH3&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&光& &&&&&&&&&&2&&&&&&&&CHOH&+&CO2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&2CH3COCH3+[CH2O]+H2O&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&CH3&&&&&&&&&&&&&&&&&&光合色素& &&&&此菌在光和厌氧条件下进行上述反应。但在黑暗和好氧条件下又可能用有机物氧化产生的化学能推动代谢作用。& 1.3.4&化能异养型微生物& 这种类型的微生物其能源和碳源都来自于有机物，能源来自有机物的氧化分解，ATP通过氧化磷酸化产生，碳源直接取自于有机碳化合物。它包括自然界绝大多数的细菌，全部的放线菌、真菌和原生动物。& 根据生态习性微生物可分为腐生型和寄生型两类：①腐生型：从无生命的有机物获得营养物质。引起食品腐败变质的某些霉菌和细菌就属这一类型。如引起腐败的梭状芽孢杆菌、毛霉、根霉、曲霉等；②寄生型：必须寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物质才能生活称为寄生，这类微生物叫寄生微生物。寄生又分为绝对寄生和兼性寄生，如果只能在一定活的生物体内营寄生生活的叫绝对寄生，它们是引起人、动物、植物以及微生物病害的病原微生物，如病毒、噬菌体、立克次氏体。& &&&&有些微生物能生活在活的生物体上，又能在死的有机残体上生长同时也可在人工培养基上生长的大多数病原微生物属于兼性寄生微生物，如人和动物肠道内普遍存在的大肠杆菌，它生活在人和动物肠道内是寄生，随粪便排除体外，又可在水、土壤和粪便之中腐生。又如引起瓜果腐烂的瓜果腐霉的菌丝可侵入果树幼苗的胚芽基部进行寄生，也可以在土壤中长期进行腐生。& &&&&上述营养类型的划分并非是绝对的，只是根据主要方面决定的。绝大多数异养型微生物也能吸收利用CO2，可以把CO2加至丙酮酸上生成草酰乙酸，这是异养生物普遍存在的反应。因此，划分异养型微生物和自养型微生物时的标准不在于它们能否利用CO2，而在于它们是否能利用CO2作为唯一的碳源或主要碳源。在自养型和异养型之间、光能型和化能型之间还存在一些过渡类型。例如氢细菌（Hydrogenmonas）就是一种兼性自养型微生物类型，在完全无机的环境中进行自养生活，利用氢气的氧化获得能量，将CO2还原成细胞物质。但如环境中存在有机物质时又能直接利用有机物进行异养生活。& 1.4&培养基（medium）& &&&&为了研究和利用微生物，必须人为地创造适宜的环境培养微生物，培养基是指经人工配制而成的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物所需要的营养基质。我们配制培养基不但需要根据不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量的营养物；并要注意一定的碳氮比例（C/N）；还要调节适宜的酸碱度（pH）；保持适当的氧化还原电位和渗透压。& 1.4.1配制培养基的基本原则& &&&&&配制微生物的培养基，主要考虑以下几个因素：& &&&&⑴&符合微生物菌种的营养特点：& &&&&不同的微生物对营养有着不同的要求，所以，在配制培养基时，培养基的营养搭配及搭配比例首先要考虑到这一点，明确培养基的用途，如用于培养何种微生物，培养的目的如何，是培养菌种还是用于发酵生产，发酵生产的目的是获得大量菌体还是获得次级代谢产物等，根据不同的菌种及其不同的培养目的确定搭配的营养成分及营养比例。& &&&&营养的要求主要是对碳素和氮素的性质，如果是自养型的微生物则主要考虑无机碳源，如果是异样型的微生物，主要提供有机碳源物质；除碳源物质外，还要考虑加入适量的无机矿物质元素；有些微生物菌种在培养时还要求加入一定的生长因子，如很多乳酸菌在培养时，要求在培养基中加入一些氨基酸和维生素等才能很好地生长。& &&&&除营养物质要求外，还要考虑营养成分的比例适当，其中碳素营养与氮素营养的比例很重要。C/N&比是指培养基中所含&C&原子的摩尔浓度与&N&原子的摩尔浓度之比，不同的微生物菌种要求不同的&C/N&比，同一菌种，在不同的生长时期也有不同的要求，一般&C/N&比在配制发酵生产用培养基时，要求比较严格，&C/N&比例对发酵产物的积累影响很大；一般在发酵工业上，发酵用种子的培养，培养基的营养越丰富越好，尤其是&N&源要丰富，而对以积累次级代谢产物为发酵目的的发酵培养基，则要求提高&C/N&比值，提高&C&素营养物质的含量。& &&&&⑵&适宜的理化条件& &&&&除营养成分外，培养基的理化条件也直接影响微生物的生长和正常代谢，其中主要有：& &&&&1）&pH&&微生物一般都有它们适宜的生长pH&范围，细菌的最适pH&一般在pH&7～8范围，放线菌要求pH&7.5～8.5范围，酵母菌要求pH&3.8～6.0,&霉菌的适宜pH&为4.0～5.8。& &&&&由于微生物在代谢过程中，不断地向培养基中分泌代谢产物，影响培养基的pH变化，对大多数微生物来说，主要产生酸性产物，所以在培养过程中常引起pH的下降，影响微生物的生长繁殖速度。为了尽可能地减缓在培养过程中pH的变化，在配制培养基时，要加入一定的缓冲物质，通过培养基中的这些成分发挥调节作用，常用的缓冲物质主要有以下两类：& &&&&①&磷酸盐类。这是以缓冲液的形式发挥作用的，通过磷酸盐的不同程度的解离，对培养基的pH的变化起到缓冲作用，其缓冲原理是：& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&H+&+&HPO4=&&&&&&&&&&&&&&&H2PO4-&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&OH+&+&H2PO4&-&&&&&&&&&&&&&H2O&+&HPO4&=& &&&&&②&碳酸钙。这类缓冲物质是以“备用碱”的方式发挥缓冲作用的，碳酸钙在中性条件下的溶解度极低，加入到培养基后，由于其在中性条件下几乎不解离，所以不影响培养基的pH的变化，当微生物生长，培养基的pH下降时，碳酸钙就不断地解离，游离出碳酸根离子，碳酸根离子不稳定，与氢离子形成碳酸，最后释放出二氧化碳，在一定程度上缓解了培养基pH的降低。& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&+H+& &&&&&&&&&&&&&&CO32―&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&H2CO3&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&CO2+&H2O& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&-&H+&& &&&&& 2）&渗透压&&由于微生物细胞膜是半通透膜，外有细胞壁起到机械性保护作用，要求其生长的培养基具有一定的渗透压，当环境中的渗透压低于细胞原生质的渗透压时，就会出现细胞的膨胀，轻者影响细胞的正常代谢，重者出现细胞破裂；当环境渗透压高于原生质的渗透压时，导致细胞皱缩，细胞膜与细胞壁分开，即所谓质壁分离现象。只有在等渗条件下最适宜微生物的生长。& 1.4.2&培养基的类型& &&&&⑴&根据营养成分的来源划分& &&&&1）&天然培养基(complex&&undefined&medium)&&是利用一些天然的动植物组织器官和抽提物，如牛肉膏、蛋白胨、麸皮、马铃薯、玉米浆等制成。它们的优点是取材广泛，营养全面而丰富，制备方便，价格低廉，适宜于大规模培养微生物之用。缺点是成分复杂，每批成分不稳定。我们实验室常用的牛肉膏蛋白胨培养基便是这种类型。& &&&&2）&合成培养基(defined&&synthetic&medium)&&是利用已知成分和数量的化学物质配制而成。此类培养基成分精确，重复性强，一般用于实验室进行营养代谢、分类鉴定和选育菌种等工作。缺点是配制较复杂，微生物在此类培养基上生长缓慢，加上价格较贵，不宜用于大规模生产。如实验室常用的高氏1号培养基，察氏培养基。& &&&&3）&半合成培养基(semi-defined&medium)&&用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适当补充少量无机盐类，这样配制的培养基叫半合成培养基。如实验室常用的马铃薯蔗糖培养基。半合成培养基应用最广，能使绝大多数微生物良好地生长。& &&&&&⑵&根据物理状态划分& &&&&1)&液体培养基(liquid&medium)&&把各种营养物质溶解于水中，混合制成水溶液，调节适宜的pH，成为液体状态的培养基质。该培养基有利于微生物的生长和积累代谢产物，常用于大规模工业化生产和观察微生物生长特征和研究生理生化特性。& &&&&2)&固体培养基(solid&medium)&&一般采用天然固体营养物质，如马铃薯块、麸皮等作为培养微生物的营养基质。亦有在液体培养基中加入一定量的凝固剂，如琼脂（1.5%～2.0%）、明胶等煮沸冷却后，使凝成固体状态，常用来观察、鉴定和分离纯化微生物。& &&&&3)&半固体培养基(semi-solid&medium)&&加入少量凝固剂（0.5％～0.8％的琼脂）则成半固体状态的培养基叫半固体培养基，常用来观察细菌的运动，鉴定菌种噬菌体的效价滴定和保存菌种。& &&&&⑶&根据用途划分& &&&&1)&加富培养基(enriched&medium)&&根据培养菌种的生理特性加入有利于该种微生物生长繁殖所需要的营养物质，该种微生物则会旺盛地大量生长，如加入血、血清、动植物组织提取液等以培养营养要求比较苛刻的异养微生物。加富培养基主要用于菌种的保存或用于菌种的分离筛选。& &&&&2)&选择培养基(selectic&medium)&&根据某种或某一类微生物特殊的营养要求，配制而成的培养基，如纤维素选择培养基。还有在培养基中加入对某种微生物有抑制作用，而对所需培养菌种无影响的物质，从而使该种培养基对某种微生物有严格的选择作用。如SS琼脂培养基，由于加入胆盐等抑制剂，对沙门氏菌等肠道致病菌无抑制作用，而对其它肠道细菌有抑制作用。& &&&&3)&鉴别培养基(differencial&medium)&&根据微生物的代谢特点通过指示剂的显色反应用以鉴定不同微生物的培养基。如远滕氏培养基中的亚硫酸钠使指示剂复红醌式结构还原变浅，但由于大肠杆菌生长分解乳糖，产生的乙醛可使复红醌式结构恢复，可使菌落中的指示剂复红，重新呈现带金属光泽的红色，而同其它微生物区别开来。& &&&&&&&&&&&ATP&&&ADP&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Gln&&&Glu& &&&&葡萄糖&&&&&&&&&&&&6-磷酸-葡萄糖&&&&&&&&6-磷酸-果糖&&&&&&&&&&&&6-磷酸-葡萄糖
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