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主题：【分享】微生物的营养与培养基

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发表于：2011/11/16 21:12:20 楼主 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
    营养（nutrition）：指生物体从外部环境中摄取对其生命活动必需的能量和物质，通过吸收利用以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。

    营养物（nutrient）：指具有营养功能的物质，那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。

在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。

微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。

营养物质的功能： 提供结构物质、提供能量、调节代谢、稳定生理环境。

营养物质相对性、种族差异、个体差异。

　微生物的6类营养要素
一、微生物细胞的化学组成

1. 化学元素（chemical element）

    构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！

细胞化学元素组成（生命元素）

主要元素：碳、氢、氧、氮 90~97%

大量元素：磷、硫、钾、镁、钙、铁等；

微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而不同。

Eg. 细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别。


元素

细菌

酵母菌

真菌

碳

~50

~50

~48

氢

~8

~7

~7

氧

~20

~31

~40

氮

~15

~12

~5

磷

~3

——

——

硫

~1

——

——


    硫细菌(sulfur bacteria)、铁细菌(iron bacteria)和海洋细菌(marine bacteria)相对于其他细菌则含有较多的硫、铁和钠、氯等元素, 硅藻(Diatom) 需要硅酸来构建富含(SiO2)n的细胞壁。

2. 化学成分及其分析



干物质的比例：


微生物

蛋白质%

碳水化合物

脂肪

矿质元素

球菌

40-50

10-25

10-30

6-10

酵母

40-60

25

4

7-10

mold

20-40

20

8-40

7


二、微生物的6类营养要素

    在元素水平上都需20种左右，且以碳、氢、氧、氮、硫、磷6种元素为主；在营养要素水平上则都在六大类的范围内，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。

    微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”。
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2011/11/16 21:13:10 沙发 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
（一）碳源（carbon source）

1.定义

    一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。

    微生物细胞含碳量约占干重的50％，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物（macronutrients）。

碳源谱（spectrum of carbon sources）：如把微生物作为一个整体来看，其可利用的碳源范围即碳源谱。

有机碳：凡必须利用有机碳源的微生物，就是为数众多的异养微生物无机碳：凡以无机碳源作主要碳源的微生物，则是种类较少的自养微生物。

    对一切异养微生物来说，其碳源同时又兼作能源，这种碳源称为双功能营养物（difunctional nutrient）。

2.种类

    微生物的碳源物质很多，有糖类及其衍生物、有机酸类、醇类、脂类、烃类、蛋白质及其降解产物等。不同种类的微生物对碳源的利用能力也不一样！

Eg. 假单胞杆菌属的一些菌能利用90多种不同的碳源物质。
甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。

A.糖

单糖＞双糖和多糖

己糖＞ 戊糖

葡萄糖、果糖＞ 甘露糖、半乳糖

淀粉＞ 纤维素或几丁质等纯多糖

纯多糖＞ 琼脂等杂多糖

葡萄糖可作为大多数微生物的碳源！

B.酚、氰化物等有毒物质



C.CO2

    最廉价的、用之不尽的碳源，是自养微生物唯一或主要的碳源。

D.纤维素

    纤维素是由葡萄糖以β－1,4糖苷链组成的，在自然界中资源丰富，但大多数动物和人不能直接利用，而某些微生物可用其作为碳源来生产发酵产品。

E.烃类

  烃类化合物也能被微生物用作碳源，且微生物氧化烃类的许多中间产物和最终产物均是重要的工业原料。可以用于清除石油污染。

    在发酵工业中最常用的碳源是葡萄糖、淀粉、废糖蜜、麸皮和米糠等。

3.功能

A.构成细胞物质

B.构成各种代谢产物和细胞贮藏物质

C.为微生物进行生命活动提供能量
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2011/11/16 21:13:29 Last edit by 7336167
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2011/11/16 21:14:07 板凳 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
（二）氮源（nitrogen source）

1.定义

    凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。

    氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，氮占细菌干重的12％～15％，也是微生物的主要营养物。

    氮源谱（ nitrogen of nitrogen sources）：如把微生物作为一个整体来看，其可利用的氮源范围即氮源谱。

2.种类

微生物能利用的氮源: 有机氮、无机氮、分子氮

A.有机氮

  主要由蛋白质及蛋白质的各种降解产物———蛋白胨、氨基酸、小肽和尿素等

  实验室常用的有机氮源有：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆粉和花生粉等。

B.无机氮

  主要包括硝酸盐、铵盐、铵等。

  铵盐是绝大部分微生物的有效氮源，吸收后能被直接被利用； 铵盐 Eg.(NH4)2SO4作氮源，随着NH4+的消耗培养基的pH值下降，铵盐被称作生理酸性盐。

  硝酸盐也能被大部分微生物利用，但吸收后需被还原成NH3才能进入合成代谢；硝酸盐 Eg.KNO3 作氮源，随着NO3-的消耗培养基的pH会上升，硝酸盐被称作生理碱性盐。



C.分子氮

  分子氮即为大气中的N2，能利用N2作氮源来合成细胞结构的微生物我们称固氮微生物。

  a.研究微生物的固氮作用是生物领域中的一个重大课题。通过基因工程把微生物的固氮基因转移到高等植物的基因组中，使之可利用N2。

  b.固氮微生物具有固氮酶，可在常温常压下把  N2 + H2→ NH3  研究固氮酶作为一种酶制剂生产出来，再进一步在生产NH3。

  这两个课题的研究成功将会为农业带来一次革命性的变化。

3.功能

  构成细胞物质、构成代谢产物。

  氮源物质一般不提供能量，但也有例外：

  硝化细菌，它能利用NH3氧化获得能量，NH3既是氮源又是能源。
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2011/11/16 21:14:40 Last edit by 7336167
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2011/11/16 21:14:59 马扎 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
(三）能源（energy source）

1.定义

能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能，称为能源



化能自养微生物的能源为一些还原态的无机物质，

Eg. NH4+亚硝酸细菌

NO2-硝酸细菌

S 硫化细菌

H2S硫细菌

Fe2+铁细菌

H2氢细菌

能氧化利用这些物质的微生物都是细菌。

单功能营养物： Eg.光辐射能（能源）

双功能营养物 Eg.还原态的无机物 NH4+ （氮源、能源）

三功能营养物 Eg.氨基酸类（碳源、氮源、能源）
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2011/11/16 21:20:35 地毯 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
(四) 生长因子（growth factor）

1.定义

    是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的需要量很小的一类有机物。

各种微生物与生长因子的关系可分以下几类：

A.生长因子自养型微生物（auxoautotrophs）

  它们不需要从外界吸收任何生长因子，多数真菌、放线菌和不少细菌，如E．coli（大肠杆菌）等都属这类。

B.生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs）

    它们需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长，如各种乳酸菌、动物致病菌、支原体和原生动物等。

C.生长因子过量合成微生物

    少数微生物在其代谢活动中，能合成并分泌出大量的维生素等生长因子，可作为有关维生素的生产菌种。例 B2

2.种类

广义的生长因子：维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、 C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸；

狭义的生长因子：一般仅指维生素。

a.维生素:维生素作为一些酶的辅酶 Eg. 维生素B6（吡哆醛），磷酸吡哆醛是一些转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。

微生物对维生素的需要量一般是1-5微克/ml。

b.氨基酸：氨基酸是蛋白质合成的基本单位，在大多数情况下可被微生物吸收利用；少数情况下微生物虽需要氨基酸作为生长因子，但氨基酸不能透过细胞膜，而能够吸收利用小肽。

  在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞对其他氨基酸的摄取，此现象称氨基酸不平衡。

微生物对氨基酸的需要量一般是20微克／ml。

c.碱基：碱基是核酸、核苷酸及一些辅酶的组分；

一般情况下，核苷酸不能用作生长因子，因为它不能透过细胞膜。

微生物对碱基的需要量一般是10～20g／ml

d.其他生长因子：有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。

  Eg.流感嗜血杆菌一定要在含红细胞的培养基上生长，因为它需要卟啉环作生长因子。

  厌氧条件下生长的啤酒酵母需要甾醇作为生长因子。

  在配制微生物培养基时，一般可用生长因子含量丰富的天然物质作原料以保证微生物对它们的需要。

Eg.如果配制的是天然培养基，则可加入酵母膏（yeast extract）、玉米浆（corn steepliquor，一种浸制玉米以制取淀粉后产生的副产品）、肝浸液（liver infusion）、麦芽汁（maltextract）、其他新鲜的动、植物的汁液；

    如果配制的是组合培养基，则可加入复合维生素溶液。

3.生长因子的微生物分析法

  微生物分析法就是利用营养缺陷型的生长量和其所必需的生长因子的浓度在一定范围内呈正比的关系来测定的。

优点：特异性强，灵敏度高， Eg. 维生素在毫微克／ml 以下的浓度均可测定。
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2011/11/16 21:22:25 地板 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
（五）无机盐（mineral salts）

1.定义

    无机盐（mineral salts）或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。



    大量元素：凡是生长所需浓度在10-6 ～10-4mol／L范围内的元素，可称为大量元素（macroelements），例如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等。


元 素

人为提供形式
生 理 功 能

大 量 元 素
P
KH2PO4、K2HPO4
核酸、磷酸和辅酶的成分, pH稳定剂

S
MgSO4
含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）
含硫维生素（生物素、硫胺素等）的成分

K
KH2PO4 、K2HPO4
某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸转磷酸酶等）的辅因子；维持电位差和渗透压

Na
NaCl
维持渗透压；某些细菌和蓝细菌所需

Ca
Ca(NO3)2 、CaCl2 
某些胞外酶的稳定剂、蛋白酶等的辅因子；细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需

Mg
MgSO4
固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分

Fe
FeSO4
细胞色素的成分；合成叶绿素、白喉毒素和氧高铁血红素所需




微量元素：凡所需浓度在10-6～10-8mol／L范围内的元素，则称为微量元素（microelements）， 如Cu、Zn、Mn、Mo、Co和Ni、Sn、Se等。

元 素
人为提供形式
生 理 功 能

微量元素
Mn
MnSO4硫酸锰
超氧化物歧化酶、氨肽酶和L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子

Cu
CuSO4硫酸铜
氧化酶、酪氨酸酶的辅因子

Co
CoSO4硫酸钴
维生素B12复合物的成分；肽酶的辅因子

Zn
ZnSO4硫酸锌
碱性磷酸酶以及多种脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅因子

Mo
(NH4)6Mo7O24 钼酸铵
固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分
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2011/11/16 21:23:07 6楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
（六）水



水在生物体内的作用：

（1）水是细胞的重要组成成分。

（2）水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。

（3）水是活细胞中各种生化反应的介质。

（4）营养物质、代谢产物都必须溶于水中才能被运输。

（5）水比热高、气化热高、沸点高，又是热的良导体，可调节细胞的温度。

（6）水是维持细胞膨压的必要条件。



（七）气体

1.氧气

需氧微生物的能量代谢需要氧气的存在,微生物发酵中给氧的方法有搅拌、振荡，通气等。

2.CO2

CO2是自养微生物的碳源，也常被异养微生物用于固定延长碳链。  Eg. 丙酮酸羧化为草酰乙酸

    有些生长在动物体内的致病菌生长需要少量的CO2，在培养时要提供10％的CO2（V/V），可用CO2培养箱。
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2011/11/16 21:23:37 7楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
  营养类型是指根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同，而划分的微生物类型。

一、微生物营养类型(Ⅰ)



二、微生物营养类型(Ⅱ)



1.光能无机营养型（光能自养型，photoautotroph）

  能以CO2为主要唯一或主要碳源；

  进行光合作用获取生长所需要的能量；

  以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；

  例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。

2.光能有机营养型 （光能异养型，photoheterotroph）

不能以CO2为主要或唯一的碳源；

以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；

在生长时大多数需要外源的生长因子；

这类微生物能利用有机物迅速繁殖，常用于污水处理。

  例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。

3.化能无机营养型（化能自养型，chemoautotroph）

  生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH2或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。

  可在完全无机及无光的环境中生长。 它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环。

4.化能有机营养型（化能异养型，chemoheterotroph）

  生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；

  生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。

  有机物通常既是碳源也是能源！

  大多数细菌、放线菌、原生动物、几乎全部的真菌都是化能有机异养型微生物；

  所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；

  不同营养类型之间的界限并非绝对：

  异养型微生物并非绝对不能利用CO2；

  自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；

  有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；

  例如紫色非硫细菌（purple nonsulphur bacteria）：

  没有有机物时，同化CO2， 为自养型微生物；

  有机物存在时，利用有机物进行生长，为异养型微生物；

  光照和厌氧条件下，利用光能生长，为光能营养型微生物；

黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物；

微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力。

5.营养缺陷型（auxotroph）和原养型（prototroph）

  某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型（auxotroph）；相应的野生型菌株称为原养型（prototroph）。

营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。

腐生型(metatrophy)：可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；

  寄生型(paratrophy)：寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；

在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：

兼性腐生型(facultive metatrophy),兼性寄生型(facultive paratrophy)。
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2011/11/16 21:26:21 8楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
  微生物们是怎样吃东西的？
  微生物在生长过程中，需营养物质不断的进入细胞，代谢产物及时的分泌到胞外，这两个过程就是物质的运输。



一、物质运输的障碍

1.荚膜与粘液层

    荚膜和粘液层是由一层结构疏松的多糖物质组成，所以对大多数物质进入细胞影响不大。

2.细胞壁

    肽聚糖组成的网状结构，只允许一定分子量以下的小分子物质进入，大分子物质就不能通过肽聚糖的网眼孔。

3.细胞膜

    细胞膜具有选择性渗透作用，即细胞膜允许一种物质比另一种物质更容易通过的特性。这是对物质运输影响最大的，它能保证细胞与外界合理的进行物质交换。

二、物质运输方式

    除了原生动物外，其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而从外界吸取营养物的。



1.单纯扩散（简单扩散，simple diffusion）

（1）定义

    单纯扩散（simple diffusion）又称被动运送（passive transport），指疏水性双分子层细胞膜（包括孔蛋白在内）在无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。



（2）特点

    扩散是非特异性的，不需载体蛋白协助；

    扩散过程中，物质不与膜上各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化；
    不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差；

例如：酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）对各种糖、氨基酸和
维生素的吸收；

E. coli 对甘油的吸收等。

3.主动运送（active transport）



（1）定义

    主动运送（active transport）指一类须提供能量（包括ATP、质子动势或 “离子泵”等）并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。属于逆浓度梯度运送营养物的方式。

（2）特点

  物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；

  须消耗能量，逆浓度梯度运送物质；

  主动运送是逆浓度梯度运送营养物的方式，对许多生存在低浓度营养环境中的贫养菌（oligophyte，或称寡养菌）的生存极为重要。
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2011/11/16 21:27:03 9楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
4.基团移位（group translocation）



（1）定义

  基团移位（group translocation）指一类既需特异性载体蛋白的参与，又需耗能的一种物质运送方式，其特点是溶质在运送前后还会发生分子结构的变化。

（2）特点

  物质运送必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；

  溶质在运送前后发生分子结构的变化；

  需消耗能量；

  基团移位主要用于运送各种糖类（葡萄糖、果糖、甘露糖和N-乙酰葡糖胺等）、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等物质。

  基团移位的运送机制：

  在E. coli 中研究得较为清楚，主要靠磷酸转移酶系统（phosphotrasferase system）即磷酸烯醇式丙酮酸－己糖磷酸转移酶系统进行。

  此系统由24种蛋白组成，运送某一具体糖至少有4种蛋白参与，其特点是每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。

具体运送分两步进行：

    A.热稳载体蛋白（heat-stable carrier protein，HPr）的激活



HPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，起着高能磷酸载体的作用。

酶Ⅰ是一种可溶性细胞质蛋白。

HPr和酶Ⅰ在磷酸转移酶系统中，均无底物特异性。

  B.糖经磷酸化而运入细胞膜内



    膜外环境中的糖先与膜外表面上的特异膜蛋白——酶Ⅱc结合，接着糖分子被由P～HPr酶Ⅱa→酶Ⅱb逐级传递来的磷酸基团激活，最后通过酶Ⅱc在把这一磷酸糖释放到细胞质中。

    例如： E. coli、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）和巴氏梭菌（Clostridium pasteurianum）中，葡萄糖是通过基团移位方式自外环境运送入细胞内的。
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  培养基（medium，复数media；或culture medium）是指由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合营养料。
  碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水，任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素。

  绝大多数微生物都可在人工培养基上生长，只有少数难养菌（fastidious microorganisms）至今无法在人工培养基上生长。难养菌（fastidious microorganisms）是指寄生或共生的微生物，

    Eg.类支原体（MLO）、类立克次氏体（RLO）和少数寄生真菌等。

一、选用和设计培养基的原则和方法

（一）配制培养基的4个原则

1.目的明确

      培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；培养目的不同，原料的选择和配比不同；

例如枯草芽孢杆菌：

一般培养：肉汤培养基或LB培养基；

自然转化：基础培养基；

观察芽孢：生孢子培养基；

产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；

  根据不同的工作目的，微生物不同的营养需要，运用自己丰富的生物化学和微生物学知识来配制最佳的培养基。

2.营养协调

  微生物细胞组成元素的调查或分析，是设计培养基时的重要参考依据。



  微生物细胞内各种成分间有一较稳定的比例。

  在大多数化能异养菌的培养基中，各营养要素间在量上的比例大体符合以下十倍序列的递减规律：

    要素：H2O＞ C源+能源 ＞N 源 ＞P、S＞ K、Mg＞生长因子

    含量:(～10-1) (～10-2)  (～10-3) (～10-4) (～10-5)  (～10-6)

A.选择适宜的营养物质,实验室的常用培养基：

细菌：牛肉膏蛋白胨培养基（或简称普通肉汤培养基）；

放线菌：高氏1号合成培养基培养；

酵母菌：麦芽汁培养基；

霉菌：查氏合成培养基；

实验室一般培养：普通常用培养基；

遗传研究：成分清楚的合成培养基；

生理、代谢研究：选用相应的培养基配方；

B.营养物质浓度及配比合适

  营养物质的浓度适宜, 营养物质之间的配比适宜；

  高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。

  培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和（或）代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C／N）的影响较大。

   

真菌需C／N比较高的培养基；（素食）

细菌（动物病原菌）需C／N比较低的培养基；（荤食）

  发酵生产谷氨酸时：

  碳氮比为4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；

  碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。 

          NH3 ＞ CO(NH2)2 ＞ NH4NO3 ＞ (NH4)2CO3 ＞ (NH4)2SO4

  含氮量（82％）（46％）  （35％）  （29.2％）  （21％）

    这说明在同样重量时，在以上各氮源中含氮量以氨为最高，尿素次之，硝酸铵和碳酸铵更次之，而硫酸铵则最低。
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