微生物的营养Word文档格式.docx
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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，例如细菌、酵母菌和真菌的碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素的含量就有差别（表4-1），而硫细菌（sulfurbacteria）、铁细菌（ironbacteria）和海洋细菌（marinebacteria）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。
不仅如此，微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内发生变化，幼龄的或在氮源（sourceofnitrogen）丰富的培养基（medium）上生长的细胞与老龄的或在氮源相对贫乏的培养基上生长的细胞相比，前者含氮量高，后者含氮量低。
2．化学成分及其分析
各种化学元素主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。
有机物主要包括蛋白质、糖、脂、核酸、维生素以及它们的降解产物和一些代谢产物等物质。
细胞有机物成分的分析通常采取两种方式：
一是用化学方法直接抽提细胞内的各种有机成分，然后加以定性和定量分析；
另一种是先将细胞破碎，然后获得不同的亚显微结构，再分析这些结构的化学成分。
无机物是指与有机物相结合或单独存在于细胞中的无机盐（inorganicsalt）等物质。
分析细胞无机成分时一般将干细胞在高温炉（550℃）中焚烧成灰，所得到的灰份物质是各种无机元素的氧化物，称为灰份（ashconstituent）。
采用无机化学常规分析法可定性定量分析出灰份中各种无机元素的含量。
水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的70~90%。
细胞湿重（wetweight）与干重（dryweight）之差为细胞含水量，常以百分率表示：
湿重-干重/湿重×
100%。
将细胞外表面所吸附的水份除去后称量所得重量即为湿重，一般以单位培养液中所含细胞重量表示（克/升或毫克/毫升），但在具体测量过程中，常由于细胞表面吸附水份除去程度的不同而导致测量结果有误差，聚集在一起的单细胞微生物表面吸附的水份难以除去，这些吸附的水份可占湿重的10%。
采用高温（105℃）烘干、低温真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥至恒重即为干重。
值得注意的是,采用高温烘干法会导致细胞物质分解，而利用后两种方法所得结果较为可靠。
二、营养物质及其生理功能
微生物需要从外界获得营养物质，而这些营养物质主要以有机和无机化合物的形式为微生物所利用，也有小部分以分子态的气体形式提供。
根据营养物质在机体中生理功能的不同，可将它们分为碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。
1.碳源
碳源是在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质。
碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后成为微生物自身的细胞物质（如碳水化合物、脂、蛋白质等）和代谢产物，碳可占一般细菌细胞干重的一半。
同时，绝大部分碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动所需的能源，因此碳源物质通常也是能源物质。
但是有些以CO2作为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则并非来自碳源物质。
微生物利用碳源物质具有选择性，糖类是一般微生物较容易利用的良好碳源和能源物质，但微生物对不同糖类物质的利用也有差别，例如在以葡萄糖和半乳糖为碳源的培养基中,大肠杆菌（Escherichiacoli）首先利用葡萄糖，然后利用半乳糖，前者称为大肠杆菌的速效碳源，后者称为迟效碳源。
目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、饴糖、糖蜜（制糖工业副产品）、淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉）、麸皮、米糠等。
为了节约粮食，人们已经开展了代粮发酵的科学研究,以自然界中广泛存在的纤维素作为碳源和能源物质来培养微生物。
不同种类微生物利用碳源物质的能力也有差别。
有的微生物能广泛利用各种类型的碳源物质，而有些微生物可利用的碳源物质则比较少，例如假单胞菌属（Pseudomonas）中的某些种可以利用多达90种以上的碳源物质，而一些甲基营养型（methylotrophs）微生物只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物作为碳源物质。
微生物利用的碳源物质主要有糖、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等（表4-2）。
表4-2微生物利用的碳源物质
种类
碳源物质
备注
糖
葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等
单糖优于双糖,己糖优于戊糖,淀粉优于纤维素,纯多糖优于杂多糖
有机酸
糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等
与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。
当环境中缺乏碳源物质时,氨基酸可被微生物作为碳源利用
醇
乙醇
在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用
脂
脂肪、磷脂
主要利用脂肪,在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用
烃
天然气、石油、石油馏份、石蜡油等
利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统,可将难溶的烃充分乳化后吸收利用CO2，CO2为自养微生物所利用
碳酸盐
NaHCO3、CaCO3、白垩等其它芳香族化合物、氰化物
蛋白质、肽、核酸等
为自养微生物所利用。
利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用
当环境中缺乏碳源物质时,可被微生物作为碳源而降解利用
2.氮源
氮源物质为微生物提供氮素来源，这类物质主要用来合成细胞中的含氮物质，一般不作为能源，只有少数自养微生物能利用铵盐、硝酸盐同时作为氮源与能源。
在碳源物质缺乏的情况下，某些厌氧微生物在厌氧条件下可以利用某些氨基酸作为能源物质。
能够被微生物利用的氮源物质包括蛋白质及其不同程度的降解产物（胨、肽、氨基酸等）、铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等（表4-3）。
表4-3微生物利用的氮源物质
种类
氮源物质
备注
蛋白质类
蛋白质及其不同程度降解产物（胨、肽、氨基酸等）
大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用分子量较小其降解产物
氨及铵盐
NH3、（NH3）2SO4等
容易被微生物吸收利用
硝酸盐
KNO3等
容易被微生物吸收利用
分子氮
N2
固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力
其它
嘌呤、嘧啶、
大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮在氮限量的葡萄糖培养基上生长时,可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶,然后再分解并利用嘧啶
脲、胺、酰胺、氰化物
可不同程度地被微生物作为氮源加以利用
常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨（peptone）、鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、牛肉浸膏（beefextract）、酵母浸膏（yeastextract）等。
微生物对这类氮源的利用具有选择性。
例如，土霉素产生菌利用玉米浆比利用黄豆饼粉和花生饼粉的速度快，这是因为玉米浆中的氮源物质主要以较易吸收的蛋白质降解产物形式存在，而降解产物特别是氨基酸可以通过转氨作用直接被机体利用，而黄豆饼粉和花生饼粉中的氮主要以大分子蛋白质形式存在，需进一步降解成小分子的肽和氨基酸后才能被微生物吸收利用，因而对其利用的速度较慢。
因此玉米浆为速效氮源，黄豆饼粉和花生饼粉作为迟效氮源，前者有利于菌体生长，后者有利于代谢产物的形成，在发酵生产土霉素的过程中，往往将两者按一定比例制成混合氮源，以控制菌体生长时期与代谢产物形成时期的长短，达到提高土霉素产量的目的。
微生物吸收利用铵盐和硝酸盐的能力较强,NH4+被细胞吸收后可直接被利用,因而（NH4）2SO4等铵盐一般被称为速效氮源,而NO3-被吸收后需进一步还原成NH4+后再被微生物利用。
许多腐生型细菌、肠道菌、动植物致病菌等可利用铵盐或硝酸盐作为氮源,例如大肠杆菌、产气肠杆菌（Enterobacteraerogenes）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）、铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）等均可利用硫酸铵和硝酸铵作为氮源,放线菌可以利用硝酸钾作为氮源,霉菌可以利用硝酸钠作为氮源。
以（NH4）2SO4等铵盐为氮源培养微生物时,由于NH4+被吸收,会导致培养基pH下降,因而将其称为生理酸性盐;
以硝酸盐（如KNO3）为氮源培养微生物时,由于NO3-被吸收,会导致培养基pH升高,因而将其称为生理碱性盐。
为避免培养基pH变化对微生物生长造成不利影响,需要在培养基中加入缓冲物质。
3﹒无机盐
无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质,它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等（表4-4）。
微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。
表4-4无机盐及其生理功能
化合物形式（常用）
生理功能
KH2PO4,K2HPO4
核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成份，作为缓冲系统调节培养基pH
硫
（NH4）2SO4,MgSO4
含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）、维生素的成份，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位
镁
MgSO4
己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组份，叶绿素和细菌叶绿素成份
钙
CaCl2,Ca（NO3）2
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，建立细菌感受态所需
钠
NaCl
细胞运输系统组份，问吃细胞渗透压，维持某些酶的稳定性
钾
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
铁
FeSO4
细胞色素及某些酶的组份，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需
在微生物的生长过程中还需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用,而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6～10-8mol/L（培养基中含量）。
微量元素一般参与酶的组成或使酶活化（表4-5）。
如果微生物在生长过程中缺乏微量元素,会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。
由于不同微生物对营养物质的需求不尽相同,微量元素这个概念也是相对的。
微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学式剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中,如果没有特殊原因,在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。
值得注意的是,许多微量元素是重金属,如果它们过量,就会对机体产生毒害作用,而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大,因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内,并注意各种微量元素之间保持恰当比例。
表4-5微量元素与生理功能
元素
生理功能
锌
存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中
钼
存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中
铜
存在于细胞色素氧化酶中
硒
存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中
钴
存在于谷氨酸变位酶中
钨
存在于甲酸脱氢酶中
锰
存在于过氧化物歧化酶、磷酸烯醇式脱羧酶、柠檬酸合成酶中
镍
存在于脲酶中,为氢细菌生长所必需
4.生长因子
生长因子通常指那些微生物生长所必需且需要量很小,而且微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。
不同微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的（表4-6）。
自养微生物和某些异养微生物（如大肠杆菌）甚至不需外源生长因子也能生长。
不仅如此,同种微生物对生长因子的需求也会随着环境条件的变化而改变,例如鲁氏毛霉（Mucorrouxii）在厌氧条件下生长时需要维生素B1与生物素,而在好氧条件下生长时自身能合成这两种物质,不需外加这两种生长因子。
有时由于对某些微生物生长所需生长因子的本质还不了解,在培养它们时通常在培养基中加入酵母浸膏、牛肉浸膏及动植物组织液等天然物质以满足需要。
根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为维生素（vitamin）、氨基酸与嘌呤及嘧啶三大类。
最早发现的生长因子在化学本质上是维生素,目前发现的许多维生素都能起到生长因子的作用。
虽然一些微生物能合成维生素,但许多微生物仍然需要外界提供维生素才能生长。
维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；
有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力,因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质,微生物才能正常生长。
肠膜明串珠菌生长需要十七种氨基酸,有些细菌需要D-丙氨酸用于合成细胞壁；
嘌呤和嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。
表4-6某些微生物生长所需的生长因子
微生物
生长因子
需要量/ml
弱氧化醋酸杆菌（Acetobactersuboxydans）
对氨基苯甲酸
烟碱酸
0～10ng
3μg
丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）
对氨基苯甲酸
0.15ng
Ⅲ型肺炎球菌（Streptococcuspneumoniae）
胆碱
6μg
肠膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）
吡哆醛
0.025μg
金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）
硫胺素
0.5ng
白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae）
β-丙氨酸
1.5μg
破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani）
尿嘧啶
0～4μg
阿拉伯糖乳杆菌（Lactobacillusarabinosus）
泛酸
甲硫氨酸
0.1μg
0.02μg
10μg
粪链球菌（Streptococcusfaecalis）200
叶酸
精氨酸
μg
50μg
德氏乳杆菌（Lactobacillusdelbruckii）
酪氨酸
胸腺核苷
8μg
0～2μg
干酪乳杆菌（Lactobacilluscasei）
生物素
麻黄素
1ng
0.02μg
5.水
水是微生物生长所必不可少的。
水在细胞中的生理功能主要有:
（1）起到溶剂与运输介质的作用,营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成;
（2）参与细胞内一系列化学反应;
（3）维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象;
（4）因为水的比热高,是热的良好导体,能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外,从而有效地控制细胞内温度的变化;
（5）保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素;
（6）微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。
微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值（wateractivity,αw）表示,水活度值是指在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比,即:
αw=Pw/POw,式中Pw代表溶液蒸汽压力,POw代表纯水蒸汽压力。
纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。
微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,对某种微生物而言,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。
微生物不同,其生长的最适αw不同（表4-7）。
一般而言,细菌生长最适αw较酵母菌和霉菌高,而嗜盐微生物生长最适αw则较低。
表4-7几类微生物生长最适αw
微生物
αw
一般细菌
0.91
酵母菌
0.88
霉菌
0.80
嗜盐细菌
0.76
嗜盐真菌
0.65
嗜高渗酵母
0.60
三．微生物的营养类型（nutritionaltypes）
由于微生物种类繁多,其营养类型比较复杂,人们常在不同层次和侧重点上对微生物营养类型进行划分（表4-8）。
根据碳源、能源及电子供体性质的不同,可将绝大部分微生物分为光能无机自养型（photolithoautotrophy）、光能有机异养型（photoorganoheterotrophy）、化能无机自养型（chemolithoautotrophy）及化能有机营养型（chemoorganoheterotrophy）四种类型（表4-9）。
表4-8微生物营养类型（Ⅰ）
划分依据
营养类型
特点
碳源
自养型（autotrophs）
以CO2为唯一或主要碳源
异养型（heterotrophs）
以有机物为碳源
能源
光能营养型（phototrophs）
以光为能源
化能营养型（chemotrophs）
以有机物氧化释放的化学能为能源
电子供体
无机营养型（lithotrophs）
以还原性无机物为电子供体
有机营养型（organotrophs）
以有机物为电子供体
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；
化能无机自养型微生物广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；
对化能有机异养型微生物而言,有机物通常既是碳源也是能源。
目前已知的大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物。
值得注意的是,已知的所有致病微生物都属于此种类型。
根据化能有机异养型微生物利用的有机物性质的不同,又可将它们分为腐生型（metatrophy））和寄生型（paratrophy）两类,前者可利用无生命的有机物（如动植物尸体和残体）作为碳源,后者则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一些中间类型,如兼性腐生型（facultivemetatrophy）和兼性寄生型（facultiveparatrophy）。
表4-9微生物的营养类型（Ⅱ）
营养类型
电子供体
举例
光能无机自养型
H2、H2S、S或H2O
CO2
光能
着色细菌、蓝细菌、藻类
光能有机异养型
有机物
有机物
光能
红螺细菌
化能无机自养型
H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-
CO2（无机物氧化）
化学能
氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、硝化杆菌属（Nitrobacter）、甲烷杆菌属（Methanobacterium）、醋杆菌属（Acetobacter）
化能有机异养型
化学（有机物氧化）能
假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物
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。
必须明确，无论那种分类方式,不同营养类型之间的界限并非绝对的,异养型微生物并非绝对不能利用CO2,只是不能以CO2为唯一或主要碳源进行生长,而且在有机物存在的情况下也可将CO2同化为细胞物质。
同样,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。
另外,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（purplenonsulphurbacteria）在没有有机物时可以同化CO2,它为自养型微生物,而当有机物存在时,它又可以利用有机物进行生长,此时它为异养型微生物。
再如,紫色非硫细菌在光照和厌氧条件下可利用光能生长,为光能营养型微生物,而在黑暗与好氧条件下,依靠有机物氧化产生的化学能生长,则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微生物对环境条件变化的适应能力。
第二节培养基
培养基（medium）是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。
无论是以微生物为材料的研究,还是利用微生物生产生物制品,都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵工业的基础。
一、配制培养基的原则
1.选择适宜的营养物质
总体而言,所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源,但由于微生物营养类型复杂,不同微生物对营养物质的需求是不一样的,因此首先要根据不同微生物的营养需求配制针对性强的培养基。
自养型微生物能从简单的无机物合成自身需要的糖、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物,因此培养自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物组成。
例如,培养化能自养型的氧化硫硫杆菌（Thiobacillusthiooxidans）的培养基组成见表4-10。
在该培养基配制过程中并未专门加入其他碳源物质,而是依靠空气中和溶于水中的CO2为氧化硫硫杆菌提供碳源。
表4-10几种类型培养基组成*
成份
氧化硫硫杆菌培养基
大肠杆菌培养基
牛肉膏蛋白胨培养基
高氏一号合成培养基
查氏合成培养基
LB培养基
主要作用
牛肉膏
5
碳源（能源）、氮源、无机盐、生长因子
蛋白胨
10
10
氮源、碳源（能源）、生长因子
酵母浸膏
生长因子、氮源、碳源（能源）
葡萄糖
碳源（能源）
蔗糖
30
可溶性淀粉
20
（来自空气）
（NH4）2SO4
0.4
氮源、无机盐
NH4H2PO4
1
氮源、无机盐
KNO3
NaNO3
3
MgSO4·
7H2O
0.
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