《微生物的营养》课件

微生物的营养欢迎参加《微生物的营养》课程在这个系列课程中，我们将深入探讨微生物如何获取、吸收和利用各种营养物质来维持生命活动微生物作为地球上最古老、数量最多、分布最广的生物类群，其营养方式的多样性令人惊叹通过学习本课程，您将了解微生物营养的基本概念、类型、吸收机制以及在工农医等领域的重要应用无论您是微生物学的初学者还是希望深化知识的专业人士，这门课程都将为您提供系统而全面的知识框架课程概述基础知识微生物营养的定义与基本概念主要营养物质的类型与功能营养类型与机制微生物的营养类型分类营养物质的吸收机制培养与应用培养基的制备与使用微生物营养在各领域的应用本课程共计16周，每周2学时，将从理论到实践全面介绍微生物营养学知识课程将结合最新研究进展，帮助您建立系统的微生物营养知识体系，为进一步学习微生物学其他分支奠定基础什么是微生物营养？定义特点微生物营养是指微生物从环境中微生物营养方式多样，适应性强获取、吸收和利用各种物质以维不同类型的微生物可以利用不同持生命活动的过程这些物质包形式的能源和碳源，展现出惊人括用于构建细胞结构的原料和提的代谢多样性供能量的物质与生长的关系营养是微生物生长、繁殖和代谢活动的物质基础适宜的营养条件可促进微生物快速增殖，而营养缺乏则会限制其生长微生物营养研究不仅有助于理解微生物的生理特性，还为工业发酵、环境保护、疾病防控等领域提供理论基础通过调控微生物的营养条件，我们可以优化其代谢活动，提高有用产物的产量微生物的主要营养物质碳源氮源细胞物质的主要构成元素蛋白质和核酸的重要组成部分水能源生化反应的溶剂和参与物维持生命活动所需的能量来源生长因子无机盐促进生长的特殊物质维持渗透压和酶活性所需微生物需要多种营养物质来维持生命活动这些营养物质相互作用，共同参与微生物的代谢过程不同类型的微生物对各种营养物质的需求量和种类有所不同，这也是微生物适应多样环境的基础碳源

（一）结构碳源构成细胞结构的基本原料能量碳源提供生命活动所需能量合成碳源合成细胞物质的原料碳是微生物细胞干重的最主要组成部分，约占细胞干重的50%微生物通过碳源获取构建细胞结构的基本骨架，同时碳源也是微生物获得能量的主要来源不同微生物可利用的碳源种类差异很大，这也是区分不同微生物的重要特征之一碳源的可利用性直接影响微生物的生长速率和产物合成对于工业发酵过程，合理选择碳源对提高目标产物产量有重要意义碳源

（二）糖类有机酸醇类包括单糖（如葡萄糖、包括乳酸、柠檬酸、琥包括甲醇、乙醇、甘油果糖）、双糖（如蔗糖、珀酸等等麦芽糖）和多糖（如淀可直接进入三羧酸循环，某些特殊微生物可利用粉、纤维素）是重要的中间代谢物醇类作为唯一碳源是最常见的碳源，易被大多数微生物利用不同碳源的利用效率因微生物而异例如，大多数细菌偏好使用葡萄糖，而一些特化的微生物则可以利用难降解的碳源如烃类和芳香族化合物研究微生物的碳源利用特性，有助于开发新型生物降解技术和生物转化方法氮源

（一）高级氮源蛋白质、肽类中级氮源氨基酸、核苷酸初级氮源铵盐、硝酸盐、分子氮氮是微生物细胞蛋白质、核酸和细胞壁等重要组分的基本元素，约占细胞干重的12-15%微生物对氮源的需求量仅次于碳源，是微生物生长不可或缺的营养元素微生物利用氮源的能力差异很大一些微生物可以直接利用大气中的分子氮，而另一些则需要更容易吸收的氮形式氮源的选择影响微生物的生长速度和代谢产物的合成，是微生物培养中的关键考虑因素氮源

（二）无机氮源有机氮源包括铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐等包括氨基酸、肽类、蛋白质和核苷酸等铵盐是最易被微生物利用的无机氮源，可直接参与氨基酸合成氨基酸是最容易被吸收利用的有机氮源硝酸盐需经过还原为亚硝酸盐和铵后才能被利用蛋白质需经蛋白酶水解后才能被吸收部分微生物可以固定大气中的分子氮酵母提取物、蛋白胨等是常用的复杂有机氮源微生物对不同氮源的利用能力与其分泌的胞外酶系统密切相关了解微生物的氮源需求特性，有助于设计适宜的培养基和优化发酵条件在工业发酵中，氮源的选择和用量直接影响产品产量和成本，因此氮源的优化是提高生产效率的重要环节能源光能化学能光合微生物通过色素捕获太阳能，通过氧化有机或无机物质获取能量将其转化为化学能包括蓝细菌、紫细菌和绿硫细菌等有机营养型微生物氧化糖类等有机物化能无机营养型微生物氧化氨、硫化物等无机物能量储存通过ATP等高能磷酸化合物储存能量部分能量以多聚体形式储存，如糖原和聚β-羟基丁酸酯能源是微生物维持生命活动的动力来源，支持细胞合成、生长和各种生理活动微生物能量代谢的多样性是其能够适应各种生态环境的关键通过研究微生物的能量获取方式，人类可以开发生物能源技术，如微生物燃料电池和生物氢气生产等无机盐

（一）

0.5-1%

0.2-

0.5%磷硫核酸、磷脂、ATP的组成元素蛋白质中半胱氨酸和蛋氨酸的组成

0.1-

0.5%

0.1-

0.5%钾镁维持细胞内渗透压和酶活性细胞壁和核糖体稳定性大量元素是微生物细胞中含量较高的无机元素，通常占细胞干重的

0.1%以上这些元素对维持细胞结构完整性、参与酶催化反应和维持渗透压平衡等方面起着关键作用磷是微生物中含量最高的无机元素之一，主要以磷酸盐形式被吸收在培养基中添加适量的大量元素，对于维持微生物的正常生长和代谢至关重要无机盐

（二）元素功能含量干重%铁细胞色素和铁硫蛋白的成分

0.01-

0.05锌多种酶的辅助因子

0.001-

0.01锰超氧化物歧化酶的成分

0.001-

0.01铜细胞色素氧化酶的成分

0.001-

0.01钼硝酸还原酶的成分

0.001钴维生素B12的组成部分

0.001微量元素虽然在微生物细胞中含量很低，但对微生物的生长和代谢具有不可替代的作用它们主要作为酶的辅助因子或辅基，参与各种代谢反应缺乏特定微量元素可能导致相关酶活性下降，影响微生物的正常生理功能在工业发酵中，合理添加微量元素可以显著提高微生物的生长速率和产物产量在研究微生物的营养需求时，微量元素的作用常常被忽视，但实际上它们对微生物的生长至关重要生长因子

（一）维生素氨基酸作为辅酶或辅基参与代谢构成蛋白质的基本单位激素及类似物核苷酸调节生长和发育构成核酸的基本单位生长因子是微生物自身不能合成或合成量不足，但对其生长必需的有机化合物不同微生物对生长因子的需求各不相同，这取决于其合成途径的完整性营养缺陷型微生物因缺乏合成某些生长因子的能力，必须从外界获取这些物质研究微生物的生长因子需求，有助于设计最适培养基和鉴定不同菌株在工业发酵中，了解目标微生物的生长因子需求可以优化培养条件，提高产量生长因子

（二）维生素氨基酸核苷酸•B族维生素B

1、B

2、B

6、B12等•必需氨基酸赖氨酸、色氨酸等•嘌呤类腺嘌呤、鸟嘌呤•泛酸•非必需氨基酸•嘧啶类胞嘧啶、胸腺嘧啶•生物素•作为蛋白质合成的基本单位•构成DNA和RNA的基本单位•叶酸•部分微生物缺乏合成某些氨基酸的能•参与能量代谢和信号传导力•主要作为辅酶参与代谢反应某些微生物因缺乏合成特定生长因子的酶系统，需要从环境中获取这些物质了解微生物的生长因子需求特性，有助于设计选择性培养基和鉴别培养基，实现特定微生物的分离和鉴定在工业应用中，添加适量的生长因子可以显著提高目标微生物的生长速率和产物产量水1溶剂作用反应物作为生化反应的介质，使细胞内各种溶质能够自由扩散和相互作用直接参与多种代谢反应，如水解反应和氧化反应运输媒介结构成分促进营养物质的吸收和代谢废物的排出维持细胞膜结构和功能，保持细胞的形态稳定水是微生物细胞的主要成分，约占细胞总重的80-90%水活度aw是表示水对微生物可利用程度的指标，定义为溶液中水的蒸气压与纯水蒸气压之比不同微生物对水活度的需求各不相同，细菌通常需要较高的水活度

0.91-

0.98，而霉菌和酵母可以在较低的水活度下生长

0.80-

0.90微生物的营养类型

（一）微生物的营养类型

（二）自养型微生物异养型微生物能利用CO2作为唯一或主要碳源利用有机物作为碳源包括光合自养型和化能自养型包括光能异养型和化能异养型•光合自养型利用光能固定CO2，如蓝细菌•光能异养型利用光能但需有机碳源，如紫非硫细菌•化能自养型氧化无机物获能固定CO2，如硝化细菌•化能异养型最常见类型，如大多数细菌和真菌在碳循环中发挥重要作用在有机物分解和物质循环中扮演关键角色微生物的营养类型多样性是其能够广泛分布于各种生态环境的基础理解不同微生物的营养类型特征，有助于选择适宜的培养条件和设计针对性的分离方法在工业应用中，根据目标微生物的营养特性优化培养基配方，可显著提高产品产量和质量光能无机营养型特征代表微生物利用光能作为能源蓝细菌（又称蓝藻）以CO2作为主要碳源紫硫细菌通过光合作用将光能转化为化学能绿硫细菌需要色素系统捕获光能大多数藻类生态意义是水域生态系统中的初级生产者参与全球碳循环和氧气产生某些蓝细菌可以固定氮气，增加环境中的可利用氮光能无机营养型微生物是地球上最早进行光合作用的生物类群，它们的出现改变了地球的大气环境与植物不同，光合细菌使用的色素系统多样，捕获光谱范围更广这类微生物在全球碳循环和初级生产中扮演着不可替代的角色，尤其是在海洋和淡水环境中光能有机营养型紫非硫细菌绿弯菌太阳杆菌如红假单胞菌属Rhodopseudomonas如绿弯菌属Chloroflexus，既能进行光如太阳杆菌属Heliobacterium，是革兰和红螺菌属Rhodospirillum，能在有氧合作用，又能利用有机物作为碳源和能源，氏阳性的光合细菌，含有独特的光合色素和无氧条件下生长，代谢方式灵活展现出代谢多样性光能有机营养型微生物是一类特殊的微生物，它们利用光能作为能量来源，但需要有机物作为碳源这类微生物的代谢方式非常灵活，许多种类在缺氧条件下可以进行光合作用，而在有氧条件下则转为异养呼吸这种代谢多样性使它们能够适应多变的环境条件化能无机营养型氨氧化细菌1如亚硝化单胞菌Nitrosomonas，将NH4+氧化为NO2-亚硝酸盐氧化细菌2如硝化杆菌Nitrobacter，将NO2-氧化为NO3-硫氧化细菌3如硫杆菌Thiobacillus，氧化S0或H2S获取能量铁氧化细菌如铁硫杆菌Acidithiobacillus ferrooxidans，氧化Fe2+为Fe3+氢氧化细菌5如产碱菌Alcaligenes，氧化H2获取能量化能无机营养型微生物能够氧化无机物质获取能量，并利用CO2作为主要碳源这类微生物在生物地球化学循环中起着重要作用，如参与氮循环、硫循环和铁循环等尽管它们的生长速率通常较慢，但在特定环境中如污水处理系统、硫矿区和酸性矿山排水中具有重要的生态功能化能有机营养型化能有机营养型微生物是最常见的微生物类型，通过氧化有机物获取能量，同时利用有机物作为碳源这类微生物包括大多数细菌、真菌和原生动物它们在自然界中分布最广，是物质循环和有机物分解的主要参与者根据氧气需求，化能有机营养型微生物可分为好氧型、厌氧型和兼性厌氧型这类微生物在医学、食品工业、环境保护和生物技术等领域有广泛应用，是微生物学研究和应用的主要对象微生物的营养需求

（一）细菌真菌营养需求相对简单，许多种类可在无机盐需要较复杂的营养，通常需要多种维生素和单一碳源环境中生长和微量元素藻类原生动物4多数为光合自养，但也有需要特定有机物营养需求复杂，通常需要多种生长因子的种类微生物的营养需求多样性反映了它们的进化适应和生态位差异原核微生物通常具有更简单的营养需求，而真核微生物则需要更复杂的营养成分了解不同微生物的营养特性，对于选择合适的培养条件和研究其生理生化特性至关重要营养需求的差异也是分离和鉴定微生物的重要依据通过设计特定的选择性培养基，可以有针对性地分离特定类群的微生物微生物的营养需求

（二）最小培养基最适培养基含有微生物生长所需的最基本营养物质包含促进微生物最佳生长的所有物质通常包括通常包括•碳源如葡萄糖•丰富的碳源和氮源•氮源如铵盐•完整的无机盐•必需的无机盐•各种生长因子•特定的生长因子（针对营养缺陷型微生物）•缓冲物质适用于研究微生物的代谢途径和营养需求适用于微生物的大量培养和工业发酵最小培养基和最适培养基代表了微生物培养的两种不同策略最小培养基有助于确定微生物的基本营养需求和代谢能力，而最适培养基则注重提高微生物的生长速率和产物产量在微生物分离和纯化过程中，通常先使用富营养培养基获得足够的菌体，再转移到最小培养基上研究其营养特性微生物的营养吸收方式

（一）脂溶性物质1如氧气、二氧化碳和脂溶性维生素小分子非离子物质如水、甘油和部分醇类浓度梯度驱动3从高浓度向低浓度扩散简单扩散是物质跨膜运输的最基本方式，不需要能量消耗，也不需要特定的载体蛋白这种方式主要适用于脂溶性物质或分子量较小的非极性分子物质通过细胞膜的简单扩散速率取决于多种因素，包括浓度梯度、分子大小、脂溶性和膜的性质等虽然简单扩散在微生物营养吸收中的作用有限，但对于气体交换和某些小分子非极性物质的吸收仍具有重要意义大多数微生物营养物质，特别是水溶性和带电荷的物质，需要通过其他更复杂的机制进行转运微生物的营养吸收方式

（二）载体蛋白浓度梯度转运速率膜蛋白形成特定通道或仍然是扩散驱动力比简单扩散更高效载体无需能量消耗存在饱和现象具有结构特异性，只能转运特定物质促进扩散是通过膜蛋白介导的无需能量消耗的跨膜转运方式它与简单扩散一样依赖于浓度梯度，但转运速率更高，且具有物质特异性这种方式适用于一些微生物需要快速吸收但浓度较高的物质，如某些糖类和氨基酸促进扩散系统的一个重要特征是存在饱和现象，即当物质浓度达到一定水平时，转运速率不再随浓度增加而提高这是由于载体蛋白数量有限，一旦全部被底物占据，转运速率就达到最大值促进扩散在微生物对高浓度营养物质的吸收中起到重要作用微生物的营养吸收方式

（三）能量消耗需要ATP或质子动力势载体蛋白特异性转运蛋白逆浓度梯度从低浓度向高浓度转运调控机制受环境和细胞代谢状态影响主动运输是微生物吸收营养物质的最重要方式，尤其对于环境中浓度较低的营养物质与扩散不同，主动运输可以逆浓度梯度转运物质，使营养物质在细胞内富集到高于环境的浓度这种能力对微生物在营养贫乏环境中的生存至关重要微生物的主动运输系统通常具有高度特异性和高亲和力，能够有效识别和吸收特定的营养物质主动运输系统的表达和活性受到严格调控，以适应微生物在不同环境中的营养需求变化微生物的营养吸收方式

（四）群运输磷酸转移酶系统PTS又称群体转位Group Translocation最典型的群运输系统在转运过程中同时对物质进行化学修饰将葡萄糖等糖类转运并磷酸化需要消耗能量由多种蛋白质组成的级联反应系统常见于细菌对糖类的吸收使用磷酸烯醇式丙酮酸PEP作为磷酸基团和能量来源优势转运和代谢同时进行，提高效率转运后的物质不易外泄降低了细胞内代谢的能量消耗转运和代谢更紧密偶联群运输是一种特殊的转运方式，在转运过程中物质同时被化学修饰最著名的群运输系统是细菌的磷酸转移酶系统PTS，它在转运糖类的同时进行磷酸化，使糖分子不能再逆向扩散出细胞，并直接进入代谢途径PTS系统在细菌对糖类的快速吸收和利用中起着关键作用，尤其在竞争性环境中具有生态优势了解微生物的不同营养吸收方式，有助于理解其在各种环境中的适应策略和设计更有效的培养条件培养基的概念定义组成培养基是为微生物生长和繁殖提供必要营养和适宜环境条件的人工配包括水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等，部分培养基还添加缓冲制的基质剂、指示剂和选择性抑制剂用途重要性用于微生物的分离、纯化、培养和鉴定，以及研究微生物的生理生化是微生物学研究和应用的基础，培养基的选择和配制直接影响微生物特性和工业发酵研究的结果培养基是微生物学研究和应用的基础工具，它为微生物提供类似自然环境的人工生长条件合理设计和选择培养基对于微生物的成功分离和培养至关重要随着微生物学研究的深入，培养基的种类和配方也日益丰富和专业化，以满足不同研究和应用的需求培养基的分类

（一）固体培养基液体培养基半固体培养基通常添加

1.5-

2.0%的琼脂作为凝固剂不含凝固剂的流动状态培养基通常添加

0.2-

0.5%的琼脂适用于微生物的分离、纯化和形态观察适用于微生物的大量培养和生理生化研究适用于微生物运动性测定和厌氧培养可观察微生物的菌落特征便于收集菌体和提取代谢产物可研究微生物的趋化性和穿透能力按物理状态分类的培养基各有特点和适用范围固体培养基便于观察微生物的菌落形态和分离纯化；液体培养基有利于微生物的快速生长和大量培养；半固体培养基则兼具两者特点，对特定研究具有独特优势在实际工作中，常根据研究目的选择适当物理状态的培养基培养基的分类

（二）1合成培养基成分明确，可精确控制每种成分的含量如PDA培养基和葡萄糖盐基础培养基适用于研究微生物的代谢和营养需求半合成培养基2部分成分明确，部分成分不完全明确如添加酵母提取物的合成培养基兼具合成培养基和天然培养基的特点天然培养基由天然物质制成，成分不完全明确如马铃薯浸出液和肉汤培养基营养丰富，适合大多数微生物生长按化学成分分类的培养基在微生物学研究中各有用途合成培养基成分明确，便于控制和重复，适合基础研究；天然培养基虽成分不完全明确，但营养丰富，适合初步分离和培养；半合成培养基则兼具两者优点，在实际应用中使用广泛选择何种类型的培养基，应根据研究目的、微生物特性和实验要求综合考虑对于营养要求复杂的微生物，通常先用天然或半合成培养基培养，再逐步研究其具体营养需求培养基的分类

（三）特殊培养基针对特定研究目的设计的培养基鉴别培养基2用于区分不同微生物的生化特性选择性培养基促进特定微生物生长同时抑制其他微生物富集培养基4增加目标微生物在混合菌群中的比例基础培养基5满足大多数微生物基本营养需求按用途分类的培养基针对不同研究和应用目的而设计基础培养基适合多数非挑剔性微生物的常规培养；富集和选择性培养基有助于从复杂样品中分离特定微生物；鉴别培养基则通过显示微生物的代谢特征来辅助鉴定特殊培养基如厌氧培养基、细胞培养基等则用于特定的研究领域在实际工作中，往往需要综合使用多种培养基，以达到分离、纯化和鉴定目标微生物的目的培养基的选择是微生物学实验成功与否的关键因素之一常用培养基介绍

（一）

2.5%肉浸膏提供复杂营养物质

0.5%蛋白胨提供氨基酸和短肽

1.5%琼脂作为凝固剂

0.5%氯化钠调节渗透压营养琼脂培养基Nutrient Agar是最基本和使用最广泛的通用培养基，适合培养大多数非挑剔性细菌它的主要成分包括肉浸膏、蛋白胨、氯化钠和琼脂，pH值通常调至

7.2-

7.4这种培养基营养丰富，制备简便，成本低廉，是细菌学基础研究和常规检验的首选培养基营养琼脂培养基虽然适合多数细菌生长，但不适用于营养要求特殊的微生物，如乳酸菌、某些病原菌和大多数真菌了解各种培养基的特点和适用范围，对于选择合适的培养条件至关重要常用培养基介绍

（二）成分含量g/L功能肉浸膏

3.0提供氨基酸、维生素和碳水化合物蛋白胨

5.0提供氮源和生长因子氯化钠

5.0调节渗透压蒸馏水1000ml溶剂肉汤培养基Nutrient Broth是不含琼脂的液体通用培养基，其组成与营养琼脂基本相同，只是不添加凝固剂这种培养基广泛用于细菌的常规培养、菌种保存和生理生化研究液体培养便于观察微生物的生长曲线、收集菌体和提取代谢产物肉汤培养基使用简便，但由于是液态，不便于观察单个菌落和分离纯化在使用中通常需要配合固体培养基，以实现微生物的分离、纯化和培养的完整过程不同研究目的可能需要对基础配方进行调整，如添加血清、糖类或其他营养成分常用培养基介绍

（三）选择性培养基麦康凯琼脂MacConkey Agar甘露醇盐琼脂MSA沙氏葡萄糖琼脂SDA含有胆盐和结晶紫，抑制革兰氏阳性菌生长含有

7.5%氯化钠，抑制大多数微生物的生长pH值约

5.6，酸性环境抑制细菌生长用于肠道革兰氏阴性菌的分离和鉴定专门用于葡萄球菌的分离和初步鉴定用于真菌的分离和培养含有乳糖和中性红指示剂，可区分发酵乳糖和含有甘露醇和酚红指示剂，可区分金黄色葡萄常添加抗生素以进一步抑制细菌污染不发酵乳糖的菌种球菌和其他葡萄球菌选择性培养基通过添加特定的抑制剂如抗生素、染料、高浓度盐等或调整物理化学条件如pH值，抑制非目标微生物的生长，同时允许目标微生物正常生长这类培养基在从复杂样品中分离特定微生物时非常重要，尤其是在病原微生物的临床诊断和食品卫生检测中鉴别培养基血琼脂Blood Agar伊红美蓝琼脂EMB可区分溶血性和非溶血性细菌含有伊红和亚甲蓝指示剂根据溶血类型α、β或γ鉴别不同的链可区分大肠杆菌形成金属光泽的深紫球菌色菌落和其他肠杆菌三糖铁琼脂TSI含有葡萄糖、蔗糖、乳糖和指示剂可同时检测糖发酵、H2S产生和气体产生能力用于肠道菌的初步鉴定鉴别培养基含有特定的指示剂或反应物质，能够显示微生物的生化特性或代谢产物，从而区分不同的微生物这类培养基通常通过颜色变化、沉淀形成或气体产生等方式直观地反映微生物的生化特性鉴别培养基在微生物分类学和临床诊断中起着重要作用，可以快速初步鉴定未知菌株有些培养基同时具有选择性和鉴别功能，如麦康凯琼脂既能选择性分离革兰氏阴性菌，又能区分发酵乳糖和不发酵乳糖的菌种这类培养基在临床和环境微生物学中应用广泛培养基的制备

（一）称量配料配方选择精确称量各组分根据目标微生物和研究目的溶解混合充分搅拌确保溶解5灭菌通常采用高压蒸汽灭菌pH调整使用pH计精确调节培养基制备的基本原则包括选择适当的成分、精确测量、充分溶解、正确调节pH值和彻底灭菌培养基的质量直接影响微生物的生长和实验结果，因此必须严格按照标准操作程序进行制备在选择培养基配方时，应考虑目标微生物的营养需求、生长特性以及研究目的对于常规培养，可使用商业化的脱水培养基粉末，按照说明书配制；对于特殊研究，则可能需要自行配制特定成分的培养基无论何种情况，都应确保所有器具和操作环境的清洁，以避免污染培养基的制备

（二）称量原料使用分析天平精确称量各成分商品化培养基粉末按说明书用量配制溶解混合将成分加入适量蒸馏水中加热搅拌至完全溶解固体培养基需加热至琼脂完全溶化调整pH值使用pH计测量用NaOH或HCl溶液调至目标pH值考虑灭菌后pH可能的变化分装按需要量分装到适当的容器中试管类培养基一般不超过容积的1/3确保容器口干净避免灭菌后污染培养基制备过程中需注意多个关键步骤和注意事项首先，原料应保持干燥并在有效期内溶解过程中，应确保所有成分完全溶解，特别是琼脂类物质需充分加热溶化pH值调整需在所有成分溶解后进行，且应考虑灭菌后pH可能下降

0.1-

0.2个单位含有热敏成分如糖类、抗生素的培养基，应将这些成分单独灭菌或过滤除菌后，在培养基冷却到约50℃时再添加分装时应避免培养基沾污容器口，以防灭菌后污染对于平板培养基，倒板操作应在超净工作台内进行，以确保无菌环境培养基的灭菌

（一）121°C标准灭菌温度高压蒸汽灭菌的常用温度15-20灭菌时间分钟确保彻底杀灭所有微生物15压力磅/平方英寸约等于

1.05公斤/平方厘米

0.22过滤孔径μm过滤除菌常用滤膜孔径培养基灭菌是确保微生物纯培养的关键步骤，目的是杀灭或去除培养基中所有活的微生物，包括细菌、真菌、病毒和芽孢灭菌不充分会导致杂菌污染，影响实验结果；而过度灭菌则可能破坏培养基中的营养成分，降低培养基质量选择适当的灭菌方法应考虑培养基的性质、容量和组成成分常用的灭菌方法包括高压蒸汽灭菌、干热灭菌、过滤除菌和辐射灭菌等其中高压蒸汽灭菌是最常用且最有效的方法，适用于大多数培养基的灭菌培养基的灭菌

（二）高压蒸汽灭菌过滤除菌原理利用高温高压蒸汽使微生物蛋白质变性死亡原理利用多孔滤膜物理截留微生物条件121℃，15-20分钟，15磅/平方英寸压力条件通常使用

0.22μm孔径的滤膜适用于大多数培养基，尤其是耐热培养基适用于含热敏成分的培养基，如血清、抗生素、某些糖类注意事项注意事项•容器不宜装得过满不超过2/3容积•滤器和接收容器需预先灭菌•大容量培养基需延长灭菌时间•操作过程必须严格无菌•灭菌后应缓慢降压，避免培养基溢出•滤膜可能吸附部分大分子物质•不适用于悬浮颗粒较多的培养基不同灭菌方法有各自的适用范围和局限性高压蒸汽灭菌效率高，适用面广，但可能使某些热敏成分降解过滤除菌虽可保留热敏成分，但操作复杂且成本较高在实际工作中，常采用组合策略，如培养基主体高压灭菌，热敏成分单独过滤灭菌后添加培养基的保存保存条件有效期限平板培养基4℃冰箱，倒置保存，防止水滴平板培养基通常2-4周液体培养基室温或4℃，避光保存试管斜面约1-3个月脱水培养基粉末室温干燥处，密封保存液体培养基约3-6个月脱水培养基粉末按生产商说明，通常1-2年注意事项避免反复冷热循环，易导致培养基水分分层留意板面污染和干燥迹象长期保存的培养基使用前应检查pH值变化含易氧化成分的培养基应避光密封保存正确保存培养基对保持其质量和无菌性至关重要平板培养基应倒置保存，防止凝结水滴污染培养面；液体培养基应确保容器密封良好，避免蒸发和污染；脱水培养基粉末则需保存在干燥处，防止吸湿结块所有培养基容器应清晰标记制备日期和成分长期保存的培养基可能发生物理化学性质变化，如pH值下降、某些成分氧化或沉淀等使用前应检查外观、颜色、透明度等是否正常，若发现异常应弃用对于重要实验，建议使用新鲜配制的培养基以获得最佳结果微生物的培养条件

（一）微生物的培养条件

（二）pH值是影响微生物生长的另一个重要因素大多数细菌的最适pH范围在

6.5-

7.5之间，即接近中性；大多数真菌偏好略酸性环境，最适pH在

4.0-

6.0之间根据最适生长pH，微生物可分为嗜酸菌pH

5.

5、中性菌pH

5.5-

8.0和嗜碱菌pH

8.0少数极端微生物如嗜酸嗜热古菌可在pH值低至

0.5的环境中生长pH值影响微生物的多个方面，包括细胞膜的通透性、酶的活性、营养物质的溶解度和离子化程度等在微生物培养中，通常通过添加缓冲物质如磷酸盐来维持培养基的pH稳定了解目标微生物的pH偏好，对于设计适宜的培养条件和优化工业发酵过程至关重要微生物的培养条件

（三）好氧微生物需要氧气进行生长，如铜绿假单胞菌微需氧微生物2需要低浓度氧气，如幽门螺杆菌兼性厌氧微生物3有无氧气均可生长，如大肠杆菌严格厌氧微生物4氧气存在时无法生长，如梭状芽孢杆菌氧气需求是微生物的重要生理特性之一氧气作为电子受体参与好氧呼吸，产生大量能量；但对某些微生物来说，氧气及其派生的活性氧类物质具有毒性微生物演化出多种应对氧气的策略，包括产生抗氧化酶如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，或发展完全避开氧气的厌氧代谢方式厌氧微生物的培养需要特殊技术，如厌氧培养箱、厌氧罐或添加还原剂的培养基某些厌氧菌对氧气极为敏感，暴露于空气中几分钟即可死亡了解目标微生物的氧气需求，对于成功培养和研究这些微生物至关重要微生物的培养条件

（四）渗透压细胞内外溶质浓度差产生的压力影响细胞膜两侧水分子和溶质的迁移高渗环境可导致细胞脱水，低渗环境可导致细胞胀破嗜盐微生物适应高盐环境的微生物分为轻度嗜盐菌2-5%NaCl、中度嗜盐菌5-20%NaCl和极端嗜盐菌20-30%NaCl通过积累适配溶质或改变细胞膜组成来适应高盐环境渗透适应微生物应对渗透压变化的机制包括积累或释放适配溶质、调整离子通道和改变细胞壁结构等是微生物适应多样环境的重要能力渗透压是影响微生物生长的另一个重要物理因素大多数微生物在接近等渗的环境中生长最好培养基中添加的盐类，尤其是氯化钠，主要用于调节渗透压不同微生物对渗透压的适应能力差异很大，从只能在接近等渗环境中生长的敏感菌种，到能在死海等极端高盐环境中繁衍的嗜盐古菌在食品保藏中，高糖或高盐环境通过提高渗透压抑制微生物生长了解微生物的渗透压耐受性，对于设计保藏方法和培养条件具有重要意义在工业发酵中，渗透压的变化也可能影响产物产量和质量，需要进行适当控制微生物的生长曲线延滞期微生物适应新环境的阶段细胞增大但不分裂合成酶和其他细胞成分对数期细胞以指数速率增长细胞活力和代谢最旺盛对环境条件最敏感3稳定期新生细胞数与死亡细胞数平衡营养物质减少，代谢废物积累某些次级代谢产物开始产生衰亡期死亡细胞数超过新生细胞数营养耗尽，毒性产物积累细胞自溶现象增加微生物的生长曲线反映了封闭培养系统中微生物数量随时间的变化规律了解这一曲线对于微生物的培养和工业发酵过程控制至关重要延滞期的长短与接种物的生理状态、大小和培养条件的适宜程度有关对数期是微生物最活跃的阶段，主要初级代谢产物在此阶段合成在工业发酵中，根据目标产物的特性选择适当的培养阶段至关重要初级代谢产物如酒精、乳酸通常在对数期产生最多；而次级代谢产物如抗生素常在稳定期开始大量合成通过控制培养条件，可以延长或缩短特定生长阶段，优化产物产量影响微生物生长的因素

（一）影响微生物生长的因素

（二）温度影响酶活性和细胞膜流动性每种微生物都有特定的生长温度范围pH值影响酶活性和膜转运蛋白功能大多数微生物在pH6-8范围内生长最好氧气浓度决定能量产生方式对不同类型微生物有促进或抑制作用水活度影响酶催化反应和物质转运低水活度是食品保藏的重要原理环境条件共同作用于微生物的生长过程虽然每个因素都有独立的影响，但它们之间存在复杂的相互作用例如，最适pH值可能随温度变化而改变；氧溶解度受温度和盐浓度影响；某些环境压力可能改变微生物对营养的需求模式了解环境因素对微生物生长的影响，是微生物培养和控制的基础在自然环境中，微生物的分布和活动受到多种环境因素的综合调控在工业发酵和食品保藏中，通过控制关键环境参数，可以优化目标微生物的生长或抑制有害微生物的繁殖微生物的营养代谢

（一）糖酵解葡萄糖分解为丙酮酸丙酮酸代谢根据氧气条件转化为不同产物三羧酸循环有氧条件下的能量生成途径合成代谢生物合成细胞组分碳代谢是微生物最基本的代谢过程，包括分解代谢和合成代谢两个方面分解代谢主要通过糖酵解、三羧酸循环和电子传递链等途径将碳源氧化，产生能量和还原力；合成代谢则利用这些能量和还原力，从简单前体合成复杂的细胞组分不同微生物具有不同的碳代谢特点例如，某些微生物只能利用特定的碳源；有些微生物在缺氧条件下会转向发酵代谢；还有些微生物能够利用非常规碳源如烃类和芳香族化合物了解微生物的碳代谢特性，对于分类鉴定、培养条件优化和工业应用都具有重要意义微生物的营养代谢

（二）氮固定氮同化N2转化为NH3无机氮转化为有机氮2脱氨作用转氨基作用3氨基从有机物上移除氨基在不同分子间转移氮代谢是微生物生命活动的另一个重要方面，包括氮的获取、同化和分解等过程大多数微生物可以利用铵盐作为首选氮源，直接将其整合到氨基酸中；一些微生物可以还原硝酸盐或亚硝酸盐获取氮素；而固氮微生物则能够直接利用大气中的分子氮微生物的氮代谢在全球氮循环中起着关键作用固氮微生物将大气中惰性的N2转化为生物可利用的形式；硝化微生物将铵转化为硝酸盐；反硝化微生物则将硝酸盐还原为N2，完成循环这些过程对于维持生态系统的氮平衡和土壤肥力至关重要，也是微生物在农业和环境中应用的基础微生物的营养代谢

（三）好氧呼吸厌氧呼吸发酵电子受体O2电子受体NO3-,SO42-,CO2等电子受体内源有机物能量产率高~38ATP/葡萄糖能量产率中等~22ATP/葡萄糖能量产率低~2-4ATP/葡萄糖代表微生物大多数好氧菌和兼性厌氧菌代表微生物脱硫弧菌、脱氮杆菌代表微生物乳酸菌、酵母关键特征需氧气，完全氧化有机物，关键特征无需氧气，使用替代电子受体，关键特征无需外源电子受体，有机物部TCA循环和电子传递链完整部分TCA循环和特殊电子传递系统分氧化，产生特征性发酵产物能量代谢是微生物获取和利用能量的过程，是所有生命活动的动力来源微生物展现出极其多样的能量获取方式，从高效的好氧呼吸到较低效但不需氧的发酵这种多样性使微生物能够适应从氧气充足的水面到完全厌氧的深海沉积物等各种生态环境了解微生物的能量代谢特性对于优化培养条件和工业发酵过程至关重要例如，酵母在有氧条件下进行呼吸代谢产生大量生物量，而在厌氧条件下则发酵产生乙醇；乳酸菌的同型或异型发酵则决定了最终产物的类型和比例通过调控微生物的能量代谢途径，可以引导其产生特定的目标产物微生物营养研究的方法

（一）数据分析生长测定确定最佳营养条件和限制因素变量成分筛选通过浊度、干重或菌落计数等方法测量基础培养基设计建立营养需求模型系统改变单一营养成分生长制备含基本营养物质的合成培养基可使用因子设计或正交试验优化筛选效构建不同营养水平下的生长曲线确保除研究成分外所有营养充足率培养基筛选法是研究微生物营养需求的基本方法，通过系统地改变培养基成分并观察微生物的生长反应，可以确定特定微生物的营养需求特性这种方法操作简单，可同时筛选多种营养因素，适用于初步确定微生物的营养偏好现代培养基筛选通常结合统计设计如响应面法、Plackett-Burman设计等，提高筛选效率高通量微培养技术的应用，使同时筛选大量营养条件成为可能这种方法虽然直观有效，但对于复杂的代谢网络和营养相互作用的研究有一定局限性，常需结合其他方法进行深入研究微生物营养研究的方法

（二）营养缺陷型突变体分析是研究微生物营养代谢途径的重要方法营养缺陷型突变体auxotroph是指由于基因突变而丧失了合成某种必需营养物质能力的微生物这些突变体只有在培养基中添加相应营养物质时才能生长通过研究不同营养缺陷型突变体的特性，可以推断代谢途径中各个步骤的生化反应和相关基因获得营养缺陷型突变体的常用方法包括化学诱变、紫外线照射和转座子插入等筛选这些突变体通常采用复制平板技术，在有无特定营养物质的培养基上比较生长情况互补试验是鉴定突变位点的常用方法，通过将不同突变体的提取物混合培养，观察是否恢复生长来确定突变基因是否相同这种方法在微生物代谢途径研究中贡献巨大，是经典微生物遗传学和生物化学的重要工具微生物营养研究的方法

（三）同位素标记使用13C、15N、2H等稳定同位素标记营养物质放射性同位素如14C、3H用于特殊情况喂养实验将标记物质添加到培养基中微生物在代谢过程中吸收标记物质细胞提取和分离培养后收集和裂解细胞分离目标代谢物或细胞组分同位素分析使用质谱、核磁共振等技术追踪标记原子在不同代谢物中的分布同位素示踪技术是研究微生物营养代谢途径的强大工具通过使用同位素标记的前体物质，可以追踪特定原子在代谢网络中的流动，确定代谢途径的方向和通量分布稳定同位素如13C标记的葡萄糖、15N标记的铵盐等被微生物吸收后，参与各种代谢反应，最终分布在不同的代谢产物中通过分析这些产物中同位素的富集程度和位置，可以推断代谢网络的拓扑结构和调控特性现代同位素示踪研究通常结合高分辨质谱、核磁共振和代谢通量分析软件，能够全面揭示微生物代谢网络的动态特性这种方法对于了解微生物如何利用不同营养源、优化发酵条件和设计代谢工程策略具有重要意义近年来，13C代谢通量分析已成为微生物系统生物学的核心工具之一微生物营养在工业中的应用

（一）65%产率提升通过优化营养条件提高目标产物产量40%成本降低使用经济型替代营养源减少生产成本30%产品质量通过营养调控改善产品特性50%生产效率缩短发酵周期提高设备利用率发酵工业是微生物营养研究的主要应用领域之一通过深入了解工业菌种的营养需求和代谢特性，可以设计最优培养基配方和投料策略，显著提高生产效率和产品质量营养优化不仅影响产物产量，还会影响产物的纯度、活性和稳定性等品质指标在工业发酵中，原料成本通常占总生产成本的50%以上，因此寻找经济型替代营养源具有重要意义例如，使用农业副产品如玉米浆粉、麸皮等替代昂贵的蛋白胨；利用工业废液如糖蜜作为碳源；开发两阶段培养策略，先产生足够的生物量，再转入产物合成阶段这些策略的成功应用都基于对微生物营养代谢的深入理解微生物营养在工业中的应用

（二）石油污染修复废水处理重金属污染治理利用烃降解微生物如假单胞菌属分解石油污染物活性污泥法利用复杂微生物群落降解有机污染物特定微生物可吸附、沉淀或转化有毒重金属通过添加氮、磷等营养物质促进微生物活性通过调控碳氮比优化脱氮除磷效率通过营养调控增强微生物对重金属的耐受性和处理能力已在海洋石油泄漏和土壤污染治理中广泛应用厌氧消化过程产生沼气作为可再生能源结合生物工程技术提高处理效率微生物在环境保护中的应用越来越广泛，尤其是在污染物降解和生物修复领域微生物营养研究为这些应用提供了理论基础和技术支持通过了解污染物降解微生物的营养需求和代谢特性，可以设计最佳的生物修复策略，提高处理效率在实际应用中，常采用的营养强化策略包括添加限制性营养物质如氮、磷以促进微生物生长；提供电子供体或受体以促进特定代谢途径；添加表面活性剂提高疏水性污染物的生物可利用性等这些策略的有效性取决于对目标微生物营养代谢特性的准确把握和对环境条件的全面考虑微生物营养在农业中的应用生物肥料生物农药根瘤菌固定大气氮素，提供植物可利用的氮源苏云金芽孢杆菌产生杀虫蛋白，防治鳞翅目害虫菌根真菌促进植物对磷和其他矿物质的吸收绿僵菌等昆虫病原真菌可寄生并杀死多种害虫解磷菌将难溶性磷转化为植物可吸收的形式通过营养调控提高有效成分产量和活性通过理解微生物的营养需求，可以优化制剂配方培养基优化是提高生产效率和降低成本的关键和使用方法土壤改良复合微生物制剂促进有机质分解和养分释放特定微生物可改善土壤结构和水分保持能力微生物群落多样性对维持土壤健康至关重要通过营养调控促进有益微生物群落的建立微生物在现代可持续农业中扮演着越来越重要的角色微生物营养研究为开发高效的生物肥料和生物农药提供了科学基础通过了解农业有益微生物的营养需求，可以设计最佳的培养条件和制剂配方，提高产品的活性、稳定性和田间效果微生物与植物之间存在复杂的营养交互关系例如，植物根系分泌物为根际微生物提供碳源和能源；而微生物则帮助植物获取土壤中难以利用的营养元素深入研究这种互利共生关系，有助于开发更有效的微生物制剂和应用技术，促进农业可持续发展和减少化学投入微生物营养在医学中的应用微生物营养研究在医学领域有广泛应用抗生素生产是最重要的应用之一，通过优化培养条件和营养成分，可显著提高抗生素产量和质量例如，在青霉素生产中，限制碳源同时添加前体物质苯乙酸可提高产量；而链霉素生产则需要精确控制磷源浓度以触发次级代谢在疾病诊断方面，选择性和鉴别培养基的设计基于对病原微生物营养需求和代谢特性的深入了解例如，巧克力琼脂添加特定生长因子支持淋病奈瑟菌生长；而罗氏培养基利用硫脲抑制杂菌而允许沙门氏菌生长近年来，益生菌研究也越来越重要，通过调控肠道微生物群落的营养环境，促进有益菌群生长，已成为预防和治疗多种疾病的新策略微生物营养研究的新进展基因组学转录组学代谢组学全基因组测序揭示微生物的代谢潜能RNA-seq技术分析不同营养条件下的基因表达谱高分辨质谱和核磁共振分析细胞代谢物谱比较基因组学分析不同微生物的营养适应策略揭示营养应激反应的调控网络追踪营养物质在代谢网络中的转化和分配通过基因组注释预测未知代谢途径识别关键代谢途径的调控机制揭示未知代谢中间产物和调控机制组学技术的发展极大推动了微生物营养研究的进步基因组学提供微生物代谢能力的蓝图；转录组学揭示基因表达的动态变化；蛋白质组学分析蛋白质水平的调控；代谢组学直接测量代谢物的变化这些技术的整合应用，使我们能够从系统层面理解微生物营养代谢的复杂网络生物信息学和系统生物学方法的应用，如基于约束的代谢通量分析COBRA和基因组规模代谢模型GEM，进一步提升了微生物营养研究的预测能力和实用价值这些新技术和方法不仅深化了我们对微生物营养代谢的基础认识，还为工业发酵优化、代谢工程和合成生物学提供了强大工具，推动了微生物资源的可持续利用课程总结应用拓展工农医领域的广泛应用研究方法从传统培养到现代组学技术营养代谢3碳氮能量代谢网络及其调控培养技术4培养基设计、制备与环境控制基础概念5营养物质类型、特性及吸收机制在本课程中，我们系统学习了微生物营养学的核心内容从基础的营养物质类型、微生物的营养类型分类，到营养物质的吸收机制和代谢途径；从培养基的设计制备到微生物培养的环境控制；从传统的研究方法到现代组学技术的应用；从基础理论到工农医各领域的实际应用，我们全面了解了微生物营养学的理论体系和应用价值微生物营养学是微生物学的基础，也是应用微生物学的核心理解微生物如何获取和利用营养物质，是认识微生物生理特性和生态功能的关键，也是实现微生物资源可持续利用的理论基础希望通过本课程的学习，您已建立起系统的微生物营养知识框架，为进一步学习和研究奠定基础思考与展望难培养微生物研究创新培养技术突破微生物暗物质瓶颈模拟自然环境条件培养未知微生物个性化营养策略基于基因组信息设计定制化培养条件精准调控微生物代谢网络合成生物学应用工程化微生物代谢网络设计全新营养利用途径可持续发展实践利用废弃物作为微生物营养源构建循环生物经济模式微生物营养研究正面临新的机遇和挑战自然界中99%以上的微生物尚未被成功培养，这些微生物暗物质蕴含着巨大的生物资源潜力突破传统培养理念，开发新型原位培养技术和共培养策略，理解微生物间的营养互作网络，将是未来重要的研究方向随着组学技术和生物信息学的发展，微生物营养研究正从经验导向转向数据驱动和理论预测精准理解微生物营养网络的动态调控机制，将促进合成生物学的应用和代谢工程的突破面对全球资源短缺和环境挑战，开发基于微生物营养学的可持续技术，利用废弃物培养有用微生物，构建循环生物经济模式，将为人类社会的可持续发展做出重要贡献。