江南大学微生物课件 第三章 微生物的营养与生长

微生物的氮源谱
类型 元素水平
化合物水平
培养基原料水平
N·C·H·O·X 有机氮
N·C·H·O
复杂蛋白质、核酸等
牛肉膏、酵母膏、豆饼 粉、蚕蛹等
尿素、多数氨基酸、简 单蛋白质等
尿素、蛋白胨、明胶等
N·H 无机氮 N·O
N
NH3、铵盐等 硝酸盐等 N2
(NH4)2SO4等 KNO3等 空气
营养要素---氮源
磷酸根：
能量代谢调节 培养基的pH缓冲
来源：K2HPO4和KH2PO4
宏量元素-硫（S）
蛋白质中某些氨基酸的组成成分 (Met和Cys) 辅酶因子的组成成分
辅酶A，生物素，硫辛酸和硫胺素
谷胱甘肽的组成成分 某些自养菌的能源物质 来源：含硫无机盐或有机硫化物，MgSO4
异养微生物：碳源也是能源物质 COH：糖类是最好碳源
单糖优于双糖，已糖优于戊糖 葡萄糖、蔗糖：微生物培养的主要碳源 淀粉（大多数微生物）纤维素（少数微生物） 酚、氰化物有机毒物（少数，诺卡氏菌）
自养菌：CO2、碳酸盐，唯一或主要碳源
碳源和能源，不同的物质
细菌对不同碳源的细胞得率
水：约占细胞湿重的90% 有机物：主要有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂
类、维生素以及它们的合成中间体和降解物
无机盐 灰分元素是指参与有机物组成及单独存在于细胞
原生质内的无机盐等灰分物质中的元素
微生物细胞的主要组成物质
水 蛋白 质
核酸
糖类
脂类
作为细胞的组成成分；提供细胞代谢的液体环境； 直接参与代谢；调节细胞内的温度； 维持细胞内蛋白质、核酸等生物大分子天然构象的稳定；
细菌、放线菌和真菌 与高等生物和其他生物的关系：自生固氮菌和共生固氮菌

Cu、Zn、Mn、Mo、Co
❖ 生理功能
细胞内一般分子成分(P,S,Ca,Mg,Fe等)
一般功能
维持渗透压
大量 元素
无
生理调节物质 酶的激活剂 pH的稳定
机
化能自养菌的能源(S、Fe2+、N氢受体(NO3-、SO42-)
微量 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等） 元素
2、微生物的营养物质及其生理功能
❖ 营养物质主要功用：
供给微生物所需要碳源和氮源，参与细胞组成； 构成酶的活性成分与物质运输系统； 提供能量； 有的营养物如维生素主要用于调节新陈代谢。
❖ 据营养物质在细胞内生理作用，可概括为：
碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水
碳源（carbon source）
❖ 发酵工业中用作碳源的原料
传统种类：糖类、麸皮、各种米糠等 代粮发酵：纤维素、石油、CO2和H2等
氮源（nitrogen source）
❖ 概念
能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。
❖ 功能
提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及 含氮代谢物等的原料；
少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。
❖ 种类
❖ 典型代表
硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。
4、化能有机异养型微生物
❖ 特点
以有机化合物为碳源； 以有机物氧化产生的化学能为能源。
❖ 根据利用有机物的特性可将其分为：
腐生型（metatrophy） 寄生型（paratrophy） 兼性腐生型（facultive metatrophy）或兼性寄
生型（facultive paratrophy）
微生物细胞的化学组成
主要成分

什么叫“营养”？ 机体摄取和利用营养物质的过程叫做营养 组成生物体的化学元素有哪些？
大量元素——C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等 微量元素—— Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等
C、H、O、N、P、S在不同微生物体内含量 （占细胞的质量分数 ％） 元素 细菌
碳 氢 氧 氮 磷 硫
第二个原则是营养要协调:
它表现在两个方面，一是营养物质的浓度要 适宜，二是营养物质间的浓度比例要适宜。 例如，蔗糖是多种微生物的主要营养物质， 但是高浓度的蔗糖反而会抑制微生物的生长。 又如，在谷氨酸生产中，当培养基中的碳源 和氮源的比为4∶1时，菌体大量生长而合 成谷氨酸少；当碳源与氮源比为3∶1时， 菌体的繁殖受抑制，但谷氨酸合成量大增。
构成细胞物质和一 些代谢产物；有些 碳源是异养微生物 的主要能源物质
氮源
凡能为微生物提 供所需氮元素的 物质
常用：铵盐、硝 合成蛋白质、 酸盐；其他如N2、 核酸及含氮的 氨、尿素、牛肉 代谢产物 膏、蛋白胨
某些微生物生长不 生长 可缺少的微量有机 因子 物，如维生素、氨 基酸、碱基等
酵母膏、蛋白胨、 麦芽汁、玉米浆、酶和核酸的组成 动植物组织提取 成分 液等
作用
1、主要用于构成微生物的细胞物质和一些 代谢产物 2、异养微生物的主要能源物质
说明： 不同种类的微生物，对碳源需要差别大
例如，甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源，而洋 葱假单胞菌却能利用90多种含碳化合物 .
研究课题一：关于自养微生物和异养微 生物碳源的利用和能量的来源。
1、自养微生物以CO2或碳酸盐为唯一碳源进行 代谢生长；异养微生物必须以有机物为碳源进 行代谢生长。 2、异养微生物生命活动所需的能源主要依靠物质 氧化分解放能，碳源是异养微生物的主要能源物质； 某些异养微生物也可以光能作为能源，例如红螺菌， 它不能以CO2作为主要或唯一碳源，而需要有机物 参与，才能利用光能将CO2还原成细胞物质，这种 营养类型称为光能异养型。

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水分活度：在相同温度和压力下溶质的蒸 汽压与 纯水的饱和蒸汽压之比：
aw=P溶质/P0
a 微生物需要的 w值为0.63~0.99。
细菌、酵母菌﹥霉菌﹥盐细菌﹥耐旱 真菌
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三、微生物的营养类型及特点
划分依据：碳源、供氢体、能源 根据碳源和供氢体的不同
可分为 有机营养型 无机营养型；
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2、对数生长期（log phase, expotential phase）： ① 细菌特点：数以几ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ级数增加， A：增长速率常数R值最大，代时短； B：细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均衡； C；酶系活跃，代谢旺盛。 代时：（generation time，G）单个细胞完成一次分裂 所需时间。
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2
第一节
微生物的营养
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一、微生物细胞的化学成分
水：70-90%
干物质：
有机元素：C（50%）、H、
O（30%）、N（10-13%）
有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素 及其降解产物
无机元素：常量元素：P、K、Ca、Mg、 Fe、
痕量元素：Cu、Zn、B、Mo
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2、氮源：
作用：构成细胞物质及代谢产物中氮素来源的 物质。主要用于组成菌体的含氮物质，少 数可作为能量（硝化细菌）。
种类：N2——NH3 固氮菌。 有机氮源：蛋白质（迟效氮源） 、氨基酸 无机氮源：NO3、NH4等。（速效氮源）
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氨基酸自养型微生物：利用非AA类的简单氮源 （尿素、NH4+、NO3- ）自行合成所需要的 一切AA。

-
-
无机碳
C·O C·H·X
CO2 NaHCO3、CaCO3
CO2 NaHCO3 、CaCO3
（二）、氮源（nitrogen source）
凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，为氮源。 （一）氮源的作用 1.氮源是构成微生物细胞物质或代谢产物中的氮素来源 2.氮素一般不提供能源，只有少数例外 （二）微生物能利用的氮源 包括蛋白质及其不同程度的降解产物(胨、肽、氨基酸等)、
某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽 孢和某些孢子形成所需
细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶 的稳定性
某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌 核糖体的稳定因子
细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质， 合成叶绿素、白喉毒素所需。
微量元素与生理功能
元素
锌
锰 钼 硒 钴 铜 钨 镍
无机盐的生理功能： 1、构成微生物细胞的各种组分 2、作为酶的组成部分 3、维持酶的活性 4、调节并维持细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化
还原电位 5、有些元素作为某些微生物生长的能源物质等
无机盐及其生理功能
元素 磷 硫 镁 钙 钠 钾 铁
化合物形式(常用) KH2PO4, K2HPO4
(NH4)2SO4 MgSO4
铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰 化物等。
种类:
无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N2等； 有机氮：牛肉膏、蛋白胨、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、
玉米浆等。
速效氮源：很快被微生物利用的物质，有利于菌体生长. 如硫铵、玉米浆等。用于发酵前期。
迟效氮源：微生物利用速度较慢的物质，有利于代谢物 质形成。如花生饼粉、黄豆饼粉等。用于发酵后期。

主要用于微生物的 分离、计数等
需加入凝固 剂，如琼脂
固体培养基
主要用于工业生产
半固体培养基
液体培养基
主要用于观察微 生物的运动、鉴 定菌种等
1、快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人相伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默的人相伴，健康总与阔达的人相伴。 2、人生就有许多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时轻而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡的信念。 3、影响我们人生的绝不仅仅是环境，其实是心态在控制个人的行动和思想。同时，心态也决定了一个人的视野和成就，甚至一生。 4、无论你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强;无论你觉得自己多么不幸，永远有人比你更不幸。 5、也许有些路好走是条捷径，也许有些路可以让你风光无限，也许有些路安稳又有后路，可是那些路的主角，都不是我。至少我会觉得，那些路不是自己想要的。 6、在别人肆意说你的时候，问问自己，到底怕不怕，输不输的起。不必害怕，不要后退，不须犹豫，难过的时候就一个人去看看这世界。多问问自己，你是不是已经为了梦想而竭尽全力了? 7、人往往有时候为了争夺名利，有时驱车去争，有时驱马去夺，想方设法，不遗余力。压力挑战，这一切消极的东西都是我进取成功的催化剂。 8、真想干总会有办法，不想干总会有理由;面对困难，智者想尽千方百计，愚者说尽千言万语;老实人不一定可靠，但可靠的必定是老实人;时间，抓起来是黄金，抓不起来是流水。 9、成功的道路上，肯定会有失败;对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功;怕失败者，则一无是处，会更失败。1、快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人相伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默的人相伴，健康总与阔达的人相伴。 2、人生就有许多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时轻而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡的信念。 3、影响我们人生的绝不仅仅是环境，其实是心态在控制个人的行动和思想。同时，心态也决定了一个人的视野和成就，甚至一生。 4、无论你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强;无论你觉得自己多么不幸，永远有人比你更不幸。 5、也许有些路好走是条捷径，也许有些路可以让你风光无限，也许有些路安稳又有后路，可是那些路的主角，都不是我。至少我会觉得，那些路不是自己想要的。 6、在别人肆意说你的时候，问问自己，到底怕不怕，输不输的起。不必害怕，不要后退，不须犹豫，难过的时候就一个人去看看这世界。多问问自己，你是不是已经为了梦想而竭尽全力了? 7、人往往有时候为了争夺名利，有时驱车去争，有时驱马去夺，想方设法，不遗余力。压力挑战，这一切消极的东西都是我进取成功的催化剂。 8、真想干总会有办法，不想干总会有理由;面对困难，智者想尽千方百计，愚者说尽千言万语;老实人不一定可靠，但可靠的必定是老实人;时间，抓起来是黄金，抓不起来是流水。14、成长是一场和自己的比赛，不要担心别人会做得比你好，你只需要每天都做得比前一天好就可以了。 15、最终你相信什么就能成为什么。因为世界上最可怕的二个词，一个叫执着，一个叫认真，认真的人改变自己，执着的人改变命运。只要在路上，就没有到不了的地方。 16、你若坚持，定会发光，时间是所向披靡的武器，它能集腋成裘，也能聚沙成塔，将人生的不可能都变成可能。 17、人生，就要活得漂亮，走得铿锵。自己不奋斗，终归是摆设。无论你是谁，宁可做拼搏的失败者 9、成功的道路上，肯定会有失败;对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功;怕失败者，则一无是处，会更5、别着急要结果，先问自己够不够格，付出要配得上结果，工夫到位了，结果自然就出来了。 6、你没那么多观众，别那么累。做一个简单的人，踏实而务实。不沉溺幻想，更不庸人自扰。 7、别人对你好，你要争气，图日后有能力有所报答，别人对你不好，你更要争气望有朝一日，能够扬眉吐气。 8、奋斗的路上，时间总是过得很快，目前的困难和麻烦是很多，但是只要不忘初心，脚踏实地一步一步的朝着目标前进，最后的结局交给时间来定夺。 9、运气是努力的附属品。没有经过实力的原始积累，给你运气你也抓不住。上天给予每个人的都一样，但每个人的准备却不一样。不要羡慕那些总能撞大运的人，你必须很努力，才能遇上好运气。 10、你的假装努力，欺骗的只有你自己，永远不要用战术上的勤奋，来掩饰战略上的懒惰。 11、时间只是过客，自己才是主人，人生的路无需苛求，只要你迈步，路就在你的脚下延伸，只要你扬帆，便会有八面来风，启程了，人的生命才真正开始。 12、不管做什么都不要急于回报，因为播种和收获不在同一个季节，中间隔着的一段时间，我们叫它为坚持。失败。11、学会学习的人，是非常幸福的人。——米南德 12、你们要学习思考，然后再来写作。——布瓦罗 13、在寻求真理的长河中，唯有学习，不断地学习，勤奋地学习，有创造性地学习，才能越重山跨峻岭。——华罗庚 14、许多年轻人在学习音乐时学会了爱。——莱杰 15、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基 16、我们一定要给自己提出这样的任务：第一，学习，第二是学习，第三还是学习。——列宁 17、学习的敌人是自己的满足，要认真学习一点东西，必须从不自满开始。对自己，“学而不厌”，对人家，“诲人不倦”，我们应取这种态度。——毛泽东 18、只要愿意学习，就一定能够学会。——列宁 19、如果学生在学校里学习的结果是使自己什么也不会创造，那他的一生永远是模仿和抄袭。——列夫· 托尔斯泰 20、对所学知识内容的兴趣可能成为学习动机。——赞科夫 21、游手好闲地学习，并不比学习游手好闲好。——约翰· 贝勒斯 22、读史使人明智，读诗使人灵秀，数学使人周密，自然哲学使人精邃，伦理学使人庄重，逻辑学使人善辩。——培根 23、我们在我们的劳动过程中学习思考，劳动的结果，我们认识了世界的奥妙，于是我们就真正来改变生活了。——高尔基 24、我们要振作精神，下苦功学习。下苦功，三个字，一个叫下，一个叫苦，一个叫功，一定要振作精神，下苦功。——毛泽东 25、我学习了一生，现在我还在学习，而将来，只要我还有精力，我还要学习下去。——别林斯基、学习外语并不难，学习外语就像交朋友一样，朋友是越交越熟的，天天见面，朋友之间就亲密无间了。——高士其 2、对世界上的一切学问与知识的掌握也并非难事，只要持之以恒地学习，努力掌握规律，达到熟悉的境地，就能融会贯通，运用自如了。——高士其 3、学和行本来是有联系着的，学了必须要想，想通了就要行，要在行的当中才能看出自己是否真正学到了手。否则读书虽多，只是成为一座死书库。——谢觉哉、你的假装努力，欺骗的只有你自己，永远不要用战术上的勤奋，来掩饰战略上的懒惰。 11、时间只是过客，自己才是主人，人生的路无需苛求，只要你迈步，路就在你的脚下延伸，只要你扬帆，便会有八面来风，启程了，人的生命才真正开始。 12、不管做什么都不要急于回报，因为播种和收获不在同一个季节，中间隔着的一段时间，我们叫它为坚持。 13、你想过普通的生活，就会遇到普通的挫折。你想过最好的生活，就一定会遇上最强的伤害。这个世界很公平，想要最好，就一定会给你最痛。

来源 无机碳源：CO2、NaHCO3等
有机碳源：糖类、脂肪酸、花生饼粉、石油等
1、主要用于构成微生物的细胞物 作用 质和一些代谢产物
2、异养微生物的主要能源物质
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研究课题一：关于自养微生物和异养微 生物碳源的利用和能量的来源。
1、自养微生物以CO2或碳酸盐为唯一碳源 进行代谢生长；异养微生物必须以有机物 为碳源进行代谢生长。
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阅读思考题：
（1）什么是碳源？根据定义如何确定一 种物质是不是微生物的碳源？
（2）哪些物质常作为碳源？其中最常用 的碳源是什么？
（3）碳源有什么作用？
（4）自养型和异养型微生物分别能利用 哪类碳源？其利用的能源又分别是什么？
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一、碳源
概念： 凡能为微生物提供所需碳元素的 营养物质
还有CO2、 NaHCO3、脂肪 酸、花生、石油
些代谢产物；有些 碳源是异养微生物 的主要能源物质
氮 源
凡能为微生物提 供所需氮元素的 物质
常酸氨膏用盐、、：；尿蛋铵其素白盐他、胨、如牛硝肉N2、合核代成酸谢蛋及产白含物质氮、的
生 某些微生物生长不 酵母膏、蛋白胨、
长 可缺少的微量有机 麦芽汁、玉米浆、酶和核酸的组成
第32页/共75页
(1)判断初级和次级代谢产物的主要依据 是微生物生命活动是否必需。如乳酸是 乳酸菌无氧呼吸的产物，是始终产生的， 但其并非是乳酸菌生命活动所必需的， 因此乳酸是乳酸菌的次级代谢产物。同 样道理，酒精为酵母菌的次级代谢产物。
• (2)抗生素是真菌产生的一种次级代谢产 物，有杀菌、抑菌作用，但它与抗毒素
乳酸菌种主要来自
A、乳酸菌接种
A
B、泡菜时的凉开水

2
• 向微生物提供氧的措施 实验室： 液体培养（三角瓶、试管）：浅液层、振荡 固体培养（平板、斜面）：表面生长 大生产： 液体培养（发酵罐）：通风、搅拌 固体培养：浅层、通风
（2）二氧化碳CO2 • 对于自养微生物：唯一或主要碳源 • 对于异养微生物：
CH 3 COCOOH CO 2 ATP 丙酮酸羧化酶 HOOCCOCH 2 COOH ADP Pi
（二）制备培养基的要素
（1）营养物质：包括研究或实验微生物所需要的 碳、氮、磷、硫等宏量元素及微量元素、生长因 素及水等。在营养缺陷型（生长因素异养型）微 生物的培养基中，必须配入所缺的生长因素。 （2）水活度：实际上是控制好培养基中可溶物质 的浓度。 （3）pH值：指灭菌后pH值，这与pH缓冲液和缓冲 物（如CaCO3）的使用有关。 （4）培养基的物理状态 （5）灭菌方法
Na—K泵
4、基团移位 group translocation
• 被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变， 以 被修饰的形式进入细胞质的输送机制 • 特点： 输送动力：代谢能量, PEP上的高能磷酸键
输送方向：逆浓度梯度
载体蛋白：磷酸转移酶系统
被输送物质在输送前后的存在状态：在细胞膜内 被磷酸化
第三章 微生物的 营养与生长
从生物学的观点来看，微生物活细胞是 个新陈代谢的动力系统，它从环境不断 地吸收营养物质，通过新陈代谢，实现 生长和繁殖，同时排出“废物”。
笫一节微生物的营养
• 营养物质nutriment：微生物在生命活动中从 环境中吸取的用以提供能量、调节新陈代谢 以及合成细胞物质的物质。在发酵工业上也 包括用于合成产物。 • 营养(过程)nutrition：微生物吸收和利用营养 物质的过程。

、氧和NADPH
（四）微生物能量代谢的多样性
1. 能源物质的多样性 2. 能源物质在微生物中的代谢途径多样性 3. 不同环境条件下微生物产能方式的多样性
不同微生物中葡萄糖降解途径的分布
微生物 酿酒酵母 产朊假丝酵母
灰色链霉菌 产黄青霉 大肠杆菌
铜绿假单胞菌 嗜糖假单胞菌 枯草芽孢杆菌 氧化葡糖杆菌
专性厌氧微生物 兼性好氧微生物
发酵
无氧
胞内，内源性
代谢中间产物
兼性好氧微生物 耐氧厌氧微生物 专性厌氧微生物
三、 葡萄糖分解代谢与工业发酵
• 葡萄糖
丙酮酸
途径------EMP、HMP、ED、PK
• 丙酮酸
无氧条件下
？产物
进行各种发酵，一般以产物来命名。
• EMP途径
• ED途径（单磷酸己糖途径）
（2）不与磷酸化作用相偶联
C6H12O6 + H2O + O2 → C6H12O7 + H2O2 +能量
（不能转化成ATP）
2、无氧呼吸anaerobic respiration
• 以外源无机氧化物（少数为有机氧化物）作为 最终电子受体的生物氧化作用。
• 一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件 下进行有无氧呼吸
延胡索酸+[2H] → 琥珀酸
3、发酵作用 fermentation
• 在没有外源最终电子受体时发生的生物氧化作用 叫发酵作用。电子受体为内源性中间代谢产物
3-磷酸甘油醛 + Pi + 乙醛 →1、3-二磷酸甘油酸 + 乙醇
呼吸作用与发酵作用的比较
• 相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的 载体结合，形成NADH和FADH。

一、微生物的营养要求
（二）营养物质及其生理功能
3.无机盐（inorganic salt） 功能：酶活性中心的组成部分，维持生物大分子和 细胞结构稳定性、调节渗透压、控制氧化还原电位、 某些生物的能源物质等。
微量元素：相对概念 10-8~10-6 mol/L
一、微生物的营养要求
（二）营养物质及其生理功能
（二）营养物质及其生理功能
1.碳源（source of carbon） 提供碳素的物质，一般还是能源物质。 微生物对碳源选择性： 糖类一般是良好碳源和能源，对不同糖利用不同。 E.Coli在葡萄糖和半乳糖培养基生长，前者为速效碳
源，后者为迟效碳源。
一、微生物的营养要求
（二）营养物质及其生理功能
工业发酵一般用糖蜜、淀粉、饴糖等，为节约采用纤 维素这种广泛存在的物质培养微生物。 不同菌种利用碳源能力不同，如：假单孢菌属中的一 些能利用90多种碳源；甲基营养型只利用甲醇、甲烷 等一碳化合物为能源物质。
营养物质：满足机体生长、繁殖和生理活动的物质 营养：获取和利用营养物质的过程。
一、微生物的营养要求
1. 微生物细胞的化学组成 2. 营养物质及其生理功能 3. 微生物的营养类型(nutritional types)
一、微生物的营养要求
（一）微生物细胞的化学组成
主要元素：C、H、O、N、S、P(97％) 1.化学元素
微量元素: Zn、Mn、Na、Cl、Co、 Cu 化学元素比例因菌种、培养条件等有所不同，如： 幼龄菌含N高，硫细菌较多S，铁细菌较多Fe，等。
一、微生物的营养要求
Hale Waihona Puke （一）微生物细胞的化学组成2.化学成分及其分析
化学元素组成有机物、无机物和水（70％－90％）